增加缓冲器的馈能式悬架性能研究*

2023-02-13 01:38宋慧新刘冰轶张进秋
汽车工程 2023年1期
关键词:缓冲器减振器悬架

宋慧新,刘冰轶,顾 亮,张进秋

(1.北京理工大学机械与车辆学院,北京 100081;2.中国北方车辆研究所底盘部件技术部,北京 100072;3.陆军装甲兵学院车辆工程系,北京 100072)

前言

随着新能源车辆技术的发展,能够实现能量回收的馈能式悬架成为研究的热点。上海交通大学喻凡等[1-4]提出了由滚珠丝杠结合直流无刷电机构成的馈能式悬架减振器方案,在回收振动能量的同时将车辆平顺性提高10%[2]。陆军装甲兵学院张进秋等[5-8]提出了由齿轮齿条结合直流无刷电机构成的馈能式悬架减振器方案[6],提出的多模式切换控制有效平衡了减振及馈能之间的矛盾关系[7],提出的有限频域H∞控制算法降低了时滞对控制的影响[8]。江苏大学汪若尘等[9]提出了基于直线电机的馈能式悬架,并提出一种混合悬架,能够有效改善悬架动力学性能,明显减少能量消耗[10]。吉林大学王庆年等[11]对滚珠丝杠式馈能式悬架开展研究,能够高效回收悬架振动能量。西安科技大学寇发荣等[12]设计了电磁复合式馈能悬架,提出一种由主环与内环构成的半主动控制策略,有效改善了悬架动态性能。西安交通大学Xu 等[13]研究了基于滚珠丝杆的馈能式悬架,所提出的阻尼闭环控制电路可以确保阻尼系数为预设常数,能量收集效率高达51.81%~75.24%。弗吉尼亚大学Xiong 等[14]提出了基于滚珠丝杆与机械整流桥的馈能式减振器,基于规则控制的馈能式减振器将平顺性提升29.2%。

惯性质量对悬架性能和可靠性产生较大影响,已成为馈能式悬架产品化面临的难题。燕山大学崔丹丹[15]研究了滚珠丝杠式的馈能式悬架的阻尼与馈能特性,认为惯性质量使馈能式悬架第二主频的共振峰值增大且高频时悬架平顺性变差,同时安全性变差。燕山大学赵鑫博[16]研究了少自由度并联式机电减振器,发现惯性质量主要影响馈能悬架的高频性能,使得悬架的车身加速度、车轮相对动载荷和悬架动挠度3 个指标都有所提高,且使馈能系统中各个振动响应量均方根值都会增加,因此应该尽量限制惯性质量的大小。武汉理工大学郭思婧[17]的研究表明,齿轮齿条式馈能悬架惯性质量可改善低频共振时的车辆平顺性和行驶安全性,但是会破坏高频共振时的车辆性能。

较多学者已认识到惯性质量对悬架的不利影响,为降低惯性质量的影响,Yu 等[18]通过两个单向离合器和行星轮机构的组合,实现了电机的单向转动与非对称阻尼特性的优化。西南交通大学Wang等[19]研制了带单向离合器的双丝杠型旋转电机式直线式减振器。单向离合器可以减小换向时的冲击,但无法解决同向加速或减速时的冲击问题。

为更好地降低惯性质量的不利影响,长安大学Zhao等[20]提出在车轮与馈能式减振器之间串联一个缓冲器,研究表明缓冲器利于降低主动功率消耗。伊朗科学技术大学Montazeri-Gh 等[21]提出在馈能式减振器串联缓冲器的方案,缓冲器刚度要大于悬架刚度,研究表明缓冲器利于馈能式悬架性能提升。北京理工大学宋慧新等[22]针对军用车辆的馈能式悬架提出串联缓冲器方案,仿真与试验表明增加缓冲器降低了惯性质量的不利影响;增大缓冲器的刚度造成阻尼力标准差均值增大,会增大阻尼力的波动。

为验证串联缓冲器能否解决惯性质量的问题,本文中建立了带有缓冲器的2 自由度馈能式悬架模型,对比分析了有无缓冲条件下的馈能式悬架的幅频特性;揭示了缓冲器对减振器速度幅值的滤波作用;通过示功特性对比,缓冲器减小了惯性力对阻尼力的影响;分析了缓冲器对馈能式悬架耗散功率的影响;通过台架对比测试,验证了增加缓冲器能够有效提升馈能式悬架性能,解决了惯性质量带来的性能恶化的问题。

1 模型与幅频特性

1.1 带缓冲器的2自由度馈能式悬架模型

根据文献[20]中建立的带缓冲器的馈能式悬架2 自由度悬架模型见图1。假设前提条件为:(1)悬架的刚度系数与阻尼系数、车轮的刚度系数与阻尼系数、缓冲器的刚度系数与阻尼系数为常量;(2)未发生撞击限位器的情况;(3)忽略摩擦力;(4)缓冲器拉伸或压缩至行程末端时未发生撞击。

图1 基于缓冲器的2自由度馈能式悬架模型

根据图1,当缓冲器在行程内时,此时缓冲器起作用,悬架运动方程见式(1);当超过缓冲器行程时,相当于无缓冲,悬架运动方程见式(2)。

式中:ms为簧载质量;mu为非簧载质量;ks为悬架弹簧刚度;ku为车轮刚度;cs为悬架阻尼系数;cu为车轮阻尼系数;kh为缓冲器的刚度系数;ch为缓冲器的阻尼系数;zs为簧载质量位移;zh为缓冲器上端位移;zu为非簧载质量位移;zr为路面激励的垂向位移。

1.2 有无缓冲器时馈能式悬架的幅频特性对比

对式(1)和式(2)进行傅立叶变换,可求得有缓冲器时馈能式悬架的簧载质量加速度、相对动载荷、悬架动挠度、惯性质量加速度相对路面激励速度z˙r的幅频特性:

式中:ε为车轮阻尼系数与悬架阻尼系数比,ε=cu/cs;χ为缓冲器阻尼系数与车轮阻尼系数比,χ=ch/cu;γ为车轮刚度系数与悬架刚度系数比,γ=ku/ks;δ为缓冲器刚度与悬架刚度比,δ=kh/ks;μ为非簧载质量与簧载质量比,μ=mu/ms;β为惯性质量与非簧载质量比,β=mr/mu;ξ为悬架阻尼比,ξ=;λ为激励频率与簧载质量的偏频比,λ=ω/ωs0=f/fs0;fs0为无惯性质量时非簧载质量的偏频,。应用Matlab软件,仿真参数见表1。对式(3)~式(6)进行计算,得到有无缓冲器时馈能式悬架的幅频特性对比,结果如图2~图5所示。

表1 馈能式悬架仿真参数

图2 有无缓冲器的簧载质量加速度幅值对比

图3 有无缓冲器的相对动载荷幅值对比

分析图2~图5 可知,有缓冲器时馈能式悬架的簧载质量加速度、相对动载荷、相对加速度的幅值相对无缓冲器时在第一主频区略有增大,在第二主频区大幅减小;而动挠度在第一主频区增大,在第二主频区明显减小。为定量分析增加缓冲器后悬架性能提升程度,计算0.1~100 Hz 激励下特性幅值的平均值,结果如表2 所示。在频域定量分析悬架各特性指标,惯性质量加速度下降了69.6%,同时簧载质量加速度下降了49.5%,这说明缓冲器有利于降低惯性质量产生的惯性力和惯性力对簧载质量加速度的不利影响。

图4 有无缓冲器的动挠度幅值对比

图5 有无缓冲器的相对加速度幅值对比

表2 有无缓冲器时悬架特性幅值对比

综上,在馈能式减振器与非簧载质量之间串联缓冲器,有利于提升馈能式悬架的性能,大幅降低惯性质量加速度,即大幅降低惯性力,利于提升馈能式悬架的可靠性。

2 缓冲器对悬架阻尼性能的影响

2.1 缓冲器对减振器速度幅值的滤波作用

缓冲器与馈能式减振器串联后,是否会影响悬架的减振性能,需要进一步分析研究。有缓冲器时减振器速度相对路面激励速度的传递函数为

对有无缓冲器时的减振器速度的幅频特性进行对比,如图6 所示。有缓冲器时,减振器的速度幅值在第一主频附近与无缓冲器时基本相同,但在较高频率时,减振器的速度幅值相对无缓冲器时大幅下降,缓冲器起到通低频阻高频的作用,降低了减振器的阻尼力对悬架簧载质量加速度在第二主频区域及更高频段的作用,利于降低簧载质量加速度,如图2所示。

图6 缓冲器对馈能减振器速度幅值的滤波作用

2.2 缓冲器对馈能式减振器阻尼特性的影响

所采用的馈能式减振器结构见图7。馈能原理如图8 所示。减振器由齿轮齿条、固定座、行星变速器和电机等构成。

图7 无缓冲器时馈能式减振器结构

图8 馈能式减振器馈能原理

该减振器与螺旋弹簧并联,齿轮齿条将车轮的垂向运动经行星变速器传递给电机,电机发电,电能经过三相ua、ub、uc,再通过三相整流桥后由电阻R耗散或由电池存储,悬架控制器通过控制端口Cr或Cp控制开关管Dr或Dp,得到变化的阻尼力。馈能式减振器的参数见表3,缓冲器结构如图9所示。

图9 缓冲器结构

表3 馈能式减振器的参数

缓冲器安装于变速器与电机转子之间,主要由主动轴、缓冲块、从动轴和平键构成。从动轴通过平键与电机转子连接;主动轴通过花键与变速器输出轴连接。

根据文献[23],可得电机的阻力矩Tm与其旋转角度θ的关系式为

阻尼力矩Fcs计算公式为

缓冲器的力矩Th计算公式为

通过单自由度试验,固定减振器上端,以频率1 Hz、幅值50 mm 的垂向正弦信号输入到减振器末端,得到有无缓冲器时的力-位移曲线和力-速度曲线,如图10和图11所示。

图10 力-位移特性

从图10和图11可知,有缓冲器的减振器相对无缓冲器的减振器能消除示功图力曲线的抖动,使示功图的阻尼力变化平缓,利于提升可靠性与平顺性。

图11 力-速度特性

3 缓冲器对悬架馈能功率的影响

根据不同路面随机输入的模型[24],不同路面不平度系数、参考空间频率和车速确定后,即可求得有缓冲器时减振器相对速度的均方值:

式中Gq˙为路面垂向速度的功率谱密度,其值为Gq˙=,路面激励速度˙,路面激励位移q=zr,v为车辆行驶速度,m/s,n0为参考空间频率,n0=0.1 m-1,Gq(n0)为参考空间频率n0下的路面功率谱密度函数值,称为路面不平度系数,m2/m-1。

不同等级路面下馈能式减振器耗散功率Psc为

同理可得缓冲器和车轮的耗散功率Phc和Puc:

参数见表1,悬架阻尼系数cs=1800 N · s/m,频率取0.1~100 Hz。C 级路面不同车速时,有无缓冲器的减振器耗散功率和车轮耗散功率对比如图12所示。

图12 C级路面悬架耗散功率对比

由图12 可知,随着车速的增大耗散功率均增大,其中无缓冲器时减振器的耗散功率远大于有缓冲器时减振器的耗散功率;有缓冲器时车轮耗散功率略大于无缓冲器时的耗散功率。增加缓冲器后馈能式悬架耗散功率数据对比见表4。

由表4 可知,相对于无缓冲器,有缓冲器时悬架耗散功率在不同车速时降低程度基本相同,降低了约38.6%,减振器功率降低了约48.8%。因此增加缓冲器,在降低簧载质量加速度的前提下,降低了悬架耗散功率,同时降低了减振器耗散功率。

表4 C级路面不同车速时悬架耗散功率对比

4 台架试验与结果分析

4.1 馈能式悬架参数

为验证缓冲器与减振器串联后悬架性能是否得到提升,采用图7所示的减振器,其参数见表3,与串联缓冲器的减振器馈能式悬架进行对比试验,悬架参数见表5。

表5 馈能式悬架参数

4.2 试验验证

悬架振动试验台结构如图13所示。其中振动控制试验台用于对路面激励系统的信号进行选择和控制。

图13 馈能式悬架性能的试验验证

图13 中1/4 车辆悬架包括簧载质量、悬架弹簧、非簧载质量和模拟车轮弹簧。布置在悬架中的位移传感器、加速度传感器和力传感器采集悬架系统振动过程中的状态信息,并传递给悬架控制系统。悬架控制系统根据上位机设置的控制策略对采集的悬架状态信息进行计算和处理,并向耗能模块发出控制信号实现对悬架的半主动控制。

为验证仿真结果,在悬架振动试验台上输出C级路面,60 km/h的振动位移,应用天棚阻尼控制,对比测试有无缓冲器的馈能式悬架,采样频率10 kHz,得到簧载质量加速度的时域与频域对比,如图14 和图15 所示,根据试验数据计算悬架特性的均方根值,对比数据见表6。

由图14 和图15 可知,通过C 级路面台架试验,验证了增加缓冲器能够提升馈能式悬架性能。增加缓冲器后,簧载质量加速度在第二主频区得到大幅降低。由表6 可知,增加缓冲器后,簧载质量加速度均方根值降低58.0%,车轮相对动载荷均方根值降低33.3%,悬架动挠度均方根值降低27.6%。

图14 有无缓冲器时簧载质量加速度对比

图15 有无缓冲器时簧载质量加速度功率谱密度对比

表6 C级路面台架试验悬架特性对比

5 结论

(1)在馈能式减振器与非簧载质量之间串联缓冲器,有利于提升馈能式悬架的性能,大幅降低惯性质量加速度,即大幅降低惯性力,利于提升馈能式悬架的可靠性。

(2)缓冲器对减振器速度幅值起到了通低频阻高频的作用,降低了阻尼力对簧载质量加速度在第二主频区域及更高频段的作用,利于降低簧载质量加速度。

(3)增加缓冲器的馈能式减振器能够消除示功图中力曲线的抖动,使示功图的阻尼力变化平缓,利于可靠性与平顺性的提升。

(4)无缓冲器时减振器的耗散功率远大于有缓冲器时减振器的耗散功率;有缓冲器时车轮耗散功率略大于无缓冲器时的耗散功率。增加缓冲器不仅降低了簧载质量加速度,且降低了悬架耗散功率。

(5)所提出的馈能式减振器串联缓冲器方案可大幅降低簧载质量加速度均方根值,提升平顺性。台架试验表明:增加缓冲器后,簧载质量加速度均方根值降低58.0%,车轮相对动载荷均方根值降低33.3%,悬架动挠度均方根值降低27.6%。

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