《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動的分布式驅動方案具有傳動效率高、控制靈活、結構緊湊等突出 優(yōu)點，在汽車“電動化”進程中廣受關注。但較大的非簧載質量惡化了懸架性能，一定 程度上制約了該方案的運用。目前， 國內外企業(yè)和高校的專家學者圍繞抑制非簧載質量對懸架性能的不良影響展開 了研究，主要技術手段包括：1）輕量化設計：主要包括新型輕量化材料和高功率密度電機兩個方面；2）驅動系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)一體化結構創(chuàng)新設計；3）動力吸振器轉移和消耗振動能量；4）主動 / 半主動懸架控制。2. 現(xiàn)狀概述2.1 市場與政策在國務院印發(fā)的中國制造 2025 對研發(fā)一體

2、化純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)

3、響應慢的缺點，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)了集成輪內驅動系統(tǒng)和電磁式主動懸架的總成，并申請了 相關專利，如圖 1 所示。圖 1 米其林主動輪Bose 主動懸架采用 Linear Electromagnetic Motor (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 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。圖 2 Bose 主動懸架2016 年奧迪公司電磁式主動懸架“

4、 eROT ”，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。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)株式會社和日

5、產(chǎn)自動車株式會社，先后從事電磁式主動懸架的研發(fā)，其作動器均為旋轉式電機輔以滾珠絲桿結構的形式，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構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阻尼器的空間布置并不固定，或采用集成設計，或采用分布設計。對標車型的懸架

6、結構、功能和作動器空間布置如表 1 所示。表 1 對標車型的懸架結構、功能和作動器空間布置最終，考慮對于不同懸架結構應具有普適性，選擇電磁饋能式主動懸架的懸架結構為雙橫臂懸架結構，之后可以此為基礎，靈活應用于如多連桿懸架等不同類型的懸架設 計中。3.2 作動器構型分析現(xiàn)有的電磁饋能式主動懸架作動器結構可歸納為直線電機式、 旋轉電機結合滾珠絲杠 式和旋轉電機結合齒輪齒條式三大類，其結構方案對比如表 2 所示。表 2 不同電磁式作動器結構方案對比(如折衷考慮，采用旋轉電機結合傳動機構方案設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)。圖 7 基于雙

7、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 帶動旋轉電機 12 旋轉。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，設計了一種基于雙橫臂懸架的電磁饋能式主動懸架方案作動器總成 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 通過作動繞車架7 旋轉并對推 /拉桿 2 施加推力或拉力。推 /拉桿 2 進而通過搖臂9 壓縮或拉評價指標：簧載質量加速度 SA(Sprung Mass Acceleration)懸架動行程 SWS(Suspen

8、sion 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。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上搭建的， 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轂試驗臺、整車/ 懸架控制器和用于模擬簧上質量的鋼板。激勵方案如圖 9 所示，測功電機發(fā)出轉矩，經(jīng)過帶輪減速增扭，驅動安裝有凸塊的轉 鼓轉動。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，旋轉電機發(fā)

9、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換成垂向作用力，作用在下叉臂上，從而改變懸架的性能。圖 10 研究室開發(fā)的電磁主動懸架臺架3.3.2 試驗激勵方案轉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 H 控制試驗凸塊激勵下， 簧載質量加速度 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 控制下簧載質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

10、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，即簧載質量的絕對位移更小， 且懸架迅速得回復到靜平衡位置。魯棒 H 控制改善凸塊激勵下的車輛行駛平順性和 操縱穩(wěn)定性，減小了系統(tǒng)在共振峰處的簧載質量加速度和懸架動行程功率譜密度，有效地抑制了簧下質量負效應。圖 12 魯棒 H 控制與被動系統(tǒng)的響應對比魯棒 H 控制效果請看下方視頻：綜合魯棒控制試驗（舒適性與快速穩(wěn)定）o 舒適性SA 和 SWS 如圖 13凸塊激勵實驗下，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。圖 13 舒適控制系統(tǒng)與被動系統(tǒng)的響應對比o 快速穩(wěn)定性凸塊激勵實驗下，

11、綜合魯棒控制模式下和無控制被動模式下的 SA 和 SWS 如圖 14 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。圖 14 快速穩(wěn)定控制系統(tǒng)與被動系統(tǒng)的響應對比快速穩(wěn)定性的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?？刂?，自適應控制和模糊控制。研究中驗證不同算法效果：o 魯棒 H 控制、 考慮乘坐舒適性的綜合魯棒控制器和系統(tǒng)快速穩(wěn)定的綜合魯棒控制 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. 總結電磁饋能式主動懸架能夠改善汽車尤其是簧下質量大的輪內驅動新能源汽車的舒適 性和行駛安全性?？刂撇呗阅軌蚋鶕?jù)用