《電磁饋能式主動懸架概述及研究開發(fā)》--重點參考

1、分析電磁饋能式主動懸架概述及研究開發(fā)2019-02-111.研究背景輪邊或輪轂電機驅(qū)動的分布式驅(qū)動方案具有傳動效率高、控制靈活、結(jié)構(gòu)緊湊等突出優(yōu)點，在汽車“電動化”進程中廣受關(guān)注。但較大的非簧載質(zhì)量惡化了懸架性能，一定程度上制約了該方案的運用。目前，國內(nèi)外企業(yè)和高校的專家學(xué)者圍繞抑制非簧載質(zhì)量對懸架性能的不良影響展開了研究，主要技術(shù)手段包括：1）輕量化設(shè)計：主要包括新型輕量化材料和高功率密度電機兩個方面；2）驅(qū)動系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)一體化結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計；3）動力吸振器轉(zhuǎn)移和消耗振動能量；4）主動/半主動懸架控制。2 .現(xiàn)狀概述2.1 市場與政策在國務(wù)院印發(fā)的中國制造2025 »對研發(fā)一體化純

2、電動平臺的進一步說明中，具體地提到了開發(fā)主動懸架系統(tǒng)。采用電磁式作動器的主動懸架相比其他形式的主動懸架具有響應(yīng)快、效率高、具有饋能潛力等優(yōu)勢，而且在汽車電動化進程中，電磁主動懸架需要的高壓電源變得更容易獲得。因此，電磁主動懸架逐漸成為企業(yè)和高校的研究熱點。目前已實現(xiàn)量產(chǎn)的主動懸架類型，根據(jù)作動器的不同可主要分為油氣式主動懸架、液壓式主動懸架和空氣彈簧主動懸架，但系統(tǒng)高能耗與節(jié)能環(huán)保的時代主題相悖?？紤] 到車輛振動是一種能量來源，而傳統(tǒng)被動、半主動懸架阻尼器通過發(fā)熱耗散這部分振 動能量未免可惜。兼具響應(yīng)快和高效特點的電磁式作動器，可靈活工作于主動和饋能 模式，既彌補了現(xiàn)有主動懸架系統(tǒng)響應(yīng)慢的缺點

3、，又不與能耗要求相沖突，因而采用 電磁式作動器的主動懸架，或可在懸架高性能和低能耗間取得平衡。2.2 典型企業(yè)及產(chǎn)品米其林公司于 1998年研發(fā)了集成輪內(nèi)驅(qū)動系統(tǒng)和電磁式主動懸架的總成，并申請了 相關(guān)專利，如圖 1所示。圖1米其林主動輪Bose主動懸架采用Linear 曰ectromagneticMotor (直線電磁電機)作為作動器,其整車布置如圖2(a)所示，系統(tǒng)能回收部分振動能量，總能耗(充電和發(fā)電能量總和)約為汽車空調(diào)1/3 ,而有無主動懸架系統(tǒng)的車身姿態(tài)對比，如圖2(b)所示。(a)Bose主動懸一柒整車布置圖(日於6主動黑架系統(tǒng)實現(xiàn)平君的專身姿態(tài)圖2 Bose主動懸架2016年奧迪

4、公司電磁式主動懸架“ eROT3如圖3所示，其在城市道路工況中，系統(tǒng)能耗為 4060W ,在高速公路為1020W 。圖3奧迪電磁式主動懸架作動器采埃孚和大眾集團聯(lián)合開發(fā)了可實現(xiàn)車身姿態(tài)主動控制的電磁式作動器，作動器如圖4所示。系統(tǒng)采用 12V電源供電，輔以傳統(tǒng)阻尼器，與液壓作動器相比具有高性價比且系統(tǒng)能耗較低。圖4采埃孚電磁式作動器舍弗勒著手研發(fā)一款能夠布置在傳統(tǒng)阻尼器空間內(nèi)并能取代阻尼器的電磁式作動器(如圖5(a)所示)該作動器可有效回饋系統(tǒng)振動能量，能量回饋大小隨路面激勵幅值 和車速的增加而增加。Foffi i-mln圖5舍弗勒“主動機電阻尼器”福特汽車公司、通用汽車公司、本田技研工業(yè)株式

5、會社和日產(chǎn)自動車株式會社，先后從事電磁式主動懸架的研發(fā)，其作動器均為旋轉(zhuǎn)式電機輔以滾珠絲桿結(jié)構(gòu)的形式，作動器方案分別如圖6(a)-(d)所示。圖6各車企的主動懸架作動器方案3 .課題研究研究室在電磁饋能式主動懸架的研究，首先對標市場上配備主動懸架系統(tǒng)的車型，分析并得到應(yīng)用電磁饋能式主動懸架對標車型的整車參數(shù)、懸架參數(shù)和懸架空間；通過考慮不同車型懸架結(jié)構(gòu)并不完全相同且懸架空間有限，分析得到具有普適性的電磁饋能式主動懸架作動器構(gòu)型，后測試得到不同控制策略的控制器效果。3.1 對標車型的懸架分析各車型的空氣彈簧和可調(diào)阻尼器的空間布置并不固定，或采用集成設(shè)計，或采用分布設(shè)計。對標車型的懸架結(jié)構(gòu)、功能和

6、作動器空間布置如表1所示。表1對標車型的懸架結(jié)構(gòu)、功能和作動器空間布置雙橫骨多連桿空氣彈簧&連鼓可麗隹尼器集成/分布雙橫再多連桿空氣彈簧總連承可調(diào)恒尼器集成集成雙橫野多連桿空氣彈簧應(yīng)在讀可調(diào)貶尼器集成分布多連桿第逢桿液壓作動器也可調(diào)組尼器集成集成雙橫樽多連桿空氣彈簧集成集成:彳 f -Hiper StructH胃式r可控阻尼器集成，分布五連桿梯形連桿空氣彈替矽生瀆可謂恒尼器集成集成雙橫臂君詳檸空氣彈番灰可控阻尼器分布/分布最終，考慮對于不同懸架結(jié)構(gòu)應(yīng)具有普適性，選擇電磁饋能式主動懸架的懸架結(jié)構(gòu)為雙橫臂懸架結(jié)構(gòu)，之后可以此為基礎(chǔ)，靈活應(yīng)用于如多連桿懸架等不同類型的懸架設(shè)計中。3.2 作動

7、器構(gòu)型分析現(xiàn)有的電磁饋能式主動懸架作動器結(jié)構(gòu)可歸納為直線電機式、旋轉(zhuǎn)電機結(jié)合滾珠絲杠式和旋轉(zhuǎn)電機結(jié)合齒輪齒條式三大類，其結(jié)構(gòu)方案對比如表2所示。表2不同電磁式作動器結(jié)構(gòu)方案對比卷架安裝金曲直革:機械項失殘少，我于較高；*正，反行程無傳動機構(gòu)間隙.動態(tài)性能好n凝把證劭轉(zhuǎn)化為U線子卻的效率較高:*作動器集成度較高;絡(luò)邊緊;美-工作箱定.結(jié)構(gòu)簡單,技術(shù)成熟;結(jié)合齒較傳動，傳項比設(shè)計自由度高口磁場分布不夠建逗，直線電機行程函靖十7T汩子.時校卻要求高，有效行程行程;直線電機設(shè)汁本花成熟一成本校力圖度較小體積、質(zhì)量大濠珠絲扛逆向工作效率較低;電機反轉(zhuǎn)矩作用在作動器兩端的普膠襯叁上弓I發(fā)到外擔(dān)電機需專門設(shè)

8、計，作動豁徑向 法向尺寸不憫困炮。齒輪齒條澗滑困難，容易歷損;承載能力相對較弱;，度攘損失較大.敗率較低.結(jié)枸不夠緊凄,折衷考慮，采用旋轉(zhuǎn)電機結(jié)合傳動機構(gòu)方案設(shè)計電磁饋能式主動懸架作動器?？紤]將圖7(a)所示)及其作動器總成(如圖 7(b)所示)。L下橫臂工推拉桿i車輪工轉(zhuǎn)向節(jié)5一上臂&一彈簧復(fù)推臂處漏建器殼體比兩級齒輪 日作動器總成二車架副口靛轉(zhuǎn)電機 圖7基于雙橫臂懸架的電磁饋能式主動懸架方案器彈簧8和推/拉桿2支撐于下橫臂 1上。當車輪 3受到不平路面激勵時，下橫臂 1伸彈簧8,并通過齒輪副11帶動旋轉(zhuǎn)電機 12旋轉(zhuǎn)。3.3電磁饋能式主動懸架控制策略試驗驗證螺旋彈簧集成于作動器，設(shè)

9、計了一種基于雙橫臂懸架的電磁饋能式主動懸架方案(如作動器總成 6固定于車架 7,并通過推/拉桿2與下橫臂1相連，則車架7通過作動7旋轉(zhuǎn)并對推/拉桿2施加推力或拉力。推 /拉桿2進而通過搖臂9壓縮或拉給合濠珠絲打結(jié)合齒輪片條評價指標:簧載質(zhì)量加速度SA(Sprung Mass Acceleration)懸架動行程 SWS(Suspension Working Stroke)輪胎動載荷 DTL(Dynamic Tire Load)3.3.1 試驗臺架方案取整車懸架的1/4角，則一套電磁饋能式主動懸架系統(tǒng)方案如圖8所示。路面激勵圖8電磁饋能式主動懸架系統(tǒng)方案試驗臺架是基于原有的傳動試驗臺架的基礎(chǔ)上搭

10、建的，主要是驗證凸塊激勵下電磁主動懸架樣機及其控制器的性能，整個實驗臺架包含轉(zhuǎn)轂試驗臺、整車/懸架控制器和9所示，測功電機發(fā)出轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過帶輪減速增扭，驅(qū)動安裝有凸塊的轉(zhuǎn)用于模擬簧上質(zhì)量的鋼板。激勵方案如圖 鼓轉(zhuǎn)動。涮動機大帶輪皮帶小帶輪圖9試驗臺架激勵方案電磁主動懸架臺架如圖10所示，懸架的形式為豪華車常用的雙叉臂懸架，旋轉(zhuǎn)電機 發(fā)出作動扭矩，兩級齒輪減速器減速增扭，搖臂和推桿將扭矩轉(zhuǎn)換成垂向作用力，作 用在下叉臂上，從而改變懸架的性能。11.黃代k；£作動器勘成2垂向滑軌2.慫架彈簧或文擰制梨，3做我魴口 加建度傳蜃器4 .輪腑總成5 .凸塊6轉(zhuǎn)毅里2找依1加 速度傳浦善圖10研究

11、室開發(fā)的電磁主動懸架臺架3.3.2 試驗激勵方案轉(zhuǎn)轂垂向激勵采用兩塊高為30mm ,弧長為100mm 的凸塊。通過改變車速，以改變激勵頻率。圖11凸塊激勵圖示3.3.3 控制器部分算法方案及試驗魯棒H8控制試驗凸塊激勵下， 簧載質(zhì)量加速度SA和懸架動行程曲線SWS，如圖12所示。由圖12(a)可看出魯棒 H 8控制下簧載質(zhì)量加速度曲線的極值比隨動狀態(tài)改善50%左右，主動控制迅速地消除了懸架振動；由圖 12(b)可看出在主動控制下通過凸塊上升階段的懸架動行程幅值較大，通過凸塊水平段的懸架動行程較小，即簧載質(zhì)量的絕對位移更小，且懸架迅速得回復(fù)到靜平衡位置。魯棒H8控制改善凸塊激勵下的車輛行駛平順性

12、和 操縱穩(wěn)定性，減小了系統(tǒng)在共振峰處的簧載質(zhì)量加速度和懸架動行程功率譜密度，有Ci(b)懸架動行程sws響應(yīng)效地抑制了簧下質(zhì)量負效應(yīng)。05Time 5(al黃載質(zhì)量口速度5 A喟應(yīng)圖12魯棒H 8控制與被動系統(tǒng)的響應(yīng)對比魯棒H8控制效果請看下方視頻:M綜合魯棒控制試驗（舒適性與快速穩(wěn)定）SA和SWS如圖13舒適性凸塊激勵實驗下，科綜合魯棒控制模式下和無控制被動模式下的所示，舒適控制模式下SWS的壓縮行程明顯增加且更快穩(wěn)定。廣生0日彳 a=二一工：（加舒適控制系統(tǒng)與被動系統(tǒng)3A響應(yīng)舒適控制蔡毓與被動系統(tǒng)SWS響應(yīng)圖13舒適控制系統(tǒng)與被動系統(tǒng)的響應(yīng)對比SA和SWS如圖14o快速穩(wěn)定性凸塊激勵實驗下

13、，科綜合魯棒控制模式下和無控制被動模式下的所示，快速穩(wěn)定模式下 SA峰值的增加并不明顯，而SWS無論是幅值還是穩(wěn)定時間,相較于被動系統(tǒng)和前述舒適控制系統(tǒng)，改善系統(tǒng)穩(wěn)定性能的優(yōu)勢明顯。（a）快速穩(wěn)定控制系統(tǒng)與被動系統(tǒng)SA響應(yīng)9）快速穩(wěn)定控制系統(tǒng)與披動系統(tǒng)SWS響應(yīng)圖14快速穩(wěn)定控制系統(tǒng)與被動系統(tǒng)的響應(yīng)對比快速穩(wěn)定性的u綜合魯棒控制效果視頻請看下方視頻:3.4電磁饋能式主動懸架控制策略典型的主動懸架控制策略主要有：天棚、地棚、天/地混合棚控制，魯棒控制，線性最優(yōu)控制，滑模控制，自適應(yīng)控制和模糊控制。研究中驗證不同算法效果：o 魯棒H8控制、考慮乘坐舒適性的科綜合魯棒控制器和系統(tǒng)快速穩(wěn)定的科綜合魯棒控制 器的控制器效果見上文。o PID (比例(proportion )、積分(integral )、微分(derivative )控制器：在凸塊激勵工況下能穩(wěn)定工作，而且能有效改善凸塊激勵工況下1/4車輛模型的 SA,改善舒適性和輪胎接地性。o 天/地混合棚控制器：能在一定程度上改善簧上質(zhì)量加速度和懸架動行程的同時具有回饋系統(tǒng)振動能量的能力，驗證了舒適控制系統(tǒng)對簧上質(zhì)量加速度改善的優(yōu)越性及系統(tǒng)能耗較低，驗證了快速穩(wěn)定控制系統(tǒng)對穩(wěn)定系統(tǒng)的能力及饋能能力。4.總結(jié)電磁饋能式