楊慧榮

(河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院,河南鄭州 451191)

0 引言

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的懸架系統(tǒng)通常是以熱能耗散的形式實(shí)施減振的效果,這種方式對(duì)減振器控制性能與壽命都存在不利影響[1、2]。這在一定程度上促進(jìn)了許多學(xué)者對(duì)饋能型懸架開展研發(fā)工作,這種結(jié)構(gòu)可以把振動(dòng)能轉(zhuǎn)變成電能的形式實(shí)現(xiàn)回收利用,顯著減緩汽車能耗[3]。

現(xiàn)階段,已有許多國內(nèi)外學(xué)者對(duì)饋能潛力與具備能量回收功能的饋能型懸架開展了深入探討。其中,張晗[4]設(shè)計(jì)了一種通過液電饋能方式建立的半主動(dòng)懸架并對(duì)其進(jìn)行了臺(tái)架測試,結(jié)果顯示設(shè)定控制電流等于30A的條件下可以獲得13.1%的能量回收率,表明饋能懸架能量回收滿足可行性條件。文獻(xiàn)[5]開發(fā)了一種可以實(shí)現(xiàn)分級(jí)變壓充電的饋能懸架,可以實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)控制的效果。許廣燦[6]則通過滾珠絲杠式懸架回收振動(dòng)能量并取得了較高的回收率。雖然近些年來已有較多研究人員針對(duì)懸架能量回收領(lǐng)域開展了大量研究工作,但大部分是從定性層面開展分析,尚未建立定量數(shù)學(xué)模型,而且也沒有確定明確的能量回收程度,無法達(dá)到理想的能量回收效果[7、8]。

本文根據(jù)以上研究結(jié)果,為電磁直線電機(jī)懸架結(jié)構(gòu)構(gòu)建了1/4懸架動(dòng)模型,之后對(duì)其開展了饋能實(shí)驗(yàn)。以Matlab/Simulink軟件建立了懸架饋能潛力的數(shù)學(xué)模型,再對(duì)其開展回收性能計(jì)算,驗(yàn)證了能量回收電路可靠性與升降壓效果,為振動(dòng)能量回收率的優(yōu)化提供了參考價(jià)值。

1 電磁直線電機(jī)懸架設(shè)計(jì)

電磁直線電機(jī)懸架的組成結(jié)構(gòu)包括電磁直線電機(jī)作動(dòng)器、彈簧部件、阻尼減振器、電容器、饋能電路模塊、加速度傳感器等部分,具體見圖1[9]。

圖1 電磁直線電機(jī)饋能減震懸架結(jié)構(gòu)圖

在實(shí)際運(yùn)行過程中,電磁直線電機(jī)可以設(shè)置饋能與主動(dòng)兩種工作模式[10]。其中,車輛處于較差路面上時(shí),不能保持良好的平順性,此時(shí)電磁直線電機(jī)保持主動(dòng)模式,超級(jí)電容對(duì)直線電磁直線電機(jī)進(jìn)行供電,可以通過調(diào)節(jié)饋能電路電流來達(dá)到控制電磁直線電機(jī)輸出推力的效果,從而提升車輛平順效果與操縱穩(wěn)定性,確保懸架達(dá)到主動(dòng)調(diào)控的性能。

2 電磁直線電機(jī)懸架動(dòng)力學(xué)建模

2.1 隨機(jī)路面模型

為保證路面位移模擬信息與道路工況更接近,按照濾波白噪聲的方式構(gòu)建路面模型,再將均值等于零的高斯白噪聲利用低通濾波器處理后得到包含路面不平度的位移數(shù)據(jù),同時(shí)設(shè)置了下截止頻率。以下給出了路面速度計(jì)算式

式中,q(t)—路面位移;f0—下截止頻率;Gq(n0)—路面不平度系數(shù);n0—空間頻率;u—車速;wt—高斯白噪聲。

2.3 電磁直線電機(jī)饋能模型

處于饋能模式下時(shí),當(dāng)懸架發(fā)生振動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致電磁直線電機(jī)初級(jí)與次級(jí)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),從而對(duì)磁感線造成切割,由此形成感應(yīng)電動(dòng)勢與電流,將電磁直線電機(jī)看成理想電磁直線電機(jī)時(shí),建立電壓和電磁阻尼力關(guān)系式如下

式中,Ul—電壓;il—電流;ki—推力系數(shù);ke—直線電磁直線電機(jī)的反電動(dòng)勢系數(shù);r—直線電磁直線電機(jī)的內(nèi)阻;R—饋能電阻;Fg—電磁阻尼力。

進(jìn)行組合后得到以下表達(dá)式

計(jì)算懸架振動(dòng)狀態(tài)下的直線電磁直線電機(jī)能量Wl

3 懸架參數(shù)優(yōu)化

以30km/h車速行駛于B級(jí)路面上時(shí),控制懸架參數(shù)按照20%N梯度選擇7個(gè)值開展仿真測試,得到圖2的結(jié)果,各項(xiàng)測試結(jié)果列于表2中。

表2 懸架饋能功率均方根值

圖2 饋能功率隨懸架參數(shù)變化

根據(jù)圖2可知,當(dāng)輪胎剛度與非簧載質(zhì)量提高后,饋能功率均方根也呈現(xiàn)線性增長的現(xiàn)象,而阻尼系數(shù)提高時(shí)則發(fā)生了線性降低的趨勢。當(dāng)簧載質(zhì)量和懸架剛度介于0.4～1.0N范圍內(nèi),饋能功率均方根都表現(xiàn)為線性增大的規(guī)律,后懸架剛度引起的饋能功率均方根則發(fā)生了降低。

從表2中可以看到仿真得到的饋能功率均方根值極差,其中,輪胎剛度與非簧載質(zhì)量屬于饋能潛力的最重要影響因素,而且輪胎剛度相對(duì)非簧載質(zhì)量引起的饋能潛力變化程度更明顯。其余各項(xiàng)參數(shù)對(duì)饋能功率均方根只產(chǎn)生了較小的作用,幾乎不會(huì)引起饋能潛力的變化。

圖3與圖4給出了輪胎剛度和非簧載質(zhì)量引起的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)變化結(jié)果。通過圖3與圖4結(jié)果可知,增大輪胎剛度和非簧載質(zhì)量時(shí),獲得了更大的車身加速度與輪胎相對(duì)動(dòng)載,這對(duì)車輛乘坐舒適度以及操縱過程都存在不利影響。

圖3 輪胎剛度對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響

圖4 非簧載質(zhì)量對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響

4 結(jié)語

本文開展汽車電磁直線電機(jī)饋能減震懸架設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化,得到如下有益結(jié)果:(1)當(dāng)輪胎剛度與非簧載質(zhì)量提高后,饋能功率均方根也呈現(xiàn)線性增長,懸架剛度引起的饋能功率均方根則發(fā)生了降低。(2)增大輪胎剛度和非簧載質(zhì)量時(shí),獲得了更大的車身加速度與輪胎相對(duì)動(dòng)載,這對(duì)車輛乘坐舒適度以及操縱過程都存在不利影響。