增加缓冲器的馈能式悬架性能研究

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.01.009

摘要/Abstract

摘要：

为解决惯性质量带来的馈能式悬架性能恶化的问题，研究了减振器串联缓冲器的解决方案。建立了带缓冲器的2自由度馈能式悬架模型，理论研究表明增加缓冲器利于改善簧载质量加速度、悬架动挠度，同时降低惯性力；通过传递特性分析，揭示了缓冲器对减振器速度幅值通低频阻高频的作用。对比有无缓冲器时悬架耗散功率，结果表明缓冲器降低了悬架耗散功率。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，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%。

关键词: 缓冲器, 惯性力, 悬架特性, 馈能式悬架

Abstract:

In order to solve the problem of the deterioration of the performance of the regenerative suspension caused by inertial mass， the solution of the absorber in series with buffer is studied. A two degree of freedom regenerative suspension model with buffer is established. The theoretical research shows that adding buffer can improve the spring loaded mass acceleration， suspension dynamic deflection and reduce the inertia force. Through the analysis of transmission characteristics， the effect of the buffer on the velocity amplitude of the absorber is revealed. Comparing the suspension dissipation power with or without buffer， the result shows that the buffer reduces the suspension dissipation power. Through the bench comparison test， it is verified that adding the buffer can effectively improve the performance of the regenerative suspension， with the root mean square value of spring loaded mass acceleration reduced by 58.0%， the root mean square value of wheel relative dynamic load reduced by 33.3%， and the root mean square value of suspension dynamic deflection reduced by 27.6%.

Key words: buffer, inertia force, suspension characteristics, regenerative suspension

宋慧新,刘冰轶,顾亮,张进秋. 增加缓冲器的馈能式悬架性能研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(1): 77-85.

Huixin Song,Bingyi Liu,Liang Gu,Jinqiu Zhang. Research on the Performance of Regenerative Suspension with Buffer[J]. Automotive Engineering, 2023, 45(1): 77-85.

图/表 21

图1

表1

馈能式悬架仿真参数"

参数	数值
车轮阻尼系数与悬架阻尼系数比 $ε$	0.03
缓冲器阻尼系数与车轮阻尼系数比 $χ$	1
车轮刚度系数与悬架刚度系数比 $γ$	9
缓冲器刚度与悬架刚度的比值 $δ$	2.5
非簧载质量与簧载质量比 $μ$	0.14
惯性质量与非簧载质量比 $β$	1.4
悬架阻尼比 $ξ$	0.35
簧载质量的偏频 $f r s$ /Hz	1.27

表1

图2

图3

图4

图5

表2

图6

图7

图8

表3

馈能式减振器的参数"

参数	数值
电机额定功率 $P m e$ /W	1 000
电机额定转矩 $T m e$ /（N·m）	3.18
电机额定转速 $n m e$ /（r·min^-1）	3 000
电机转矩常数 $k e$ /（N·m·A^-1）	0.454
电机感应电动势常数 $k i$ /（V·s·rad^-1）	0.6
电机转动惯量 $J m$ /（kg·m²）	0.000 136
电机内阻 $R i$ /Ω	1.1
负载电阻 $R e$ /Ω	50
行星变速器额定转矩 $T r e$ /（N·m）	130
行星变速器额定转速 $n r e$ /（r·min^-1）	3 000
行星变速器转动惯量 $J r$ /（kg·m²）	0.000 05
行星变速器变速比 $i r$	16
齿轮分度圆半径 $R g$ /m	0.028 5
齿轮转动惯量 $J g$ /（kg·m²）	0.000 13
缓冲器刚度 $k h$ /（N·m·rad^-1）	123
缓冲器阻尼系数 $c h$ /（N·m·s）	0.2

表3

图9

图10

图11

图12

表4

表5

馈能式悬架参数"

参数	数值
簧载质量 $m s$ /kg	312.5
非簧载质量 $m u$ /kg	43.5
惯性质量 $m r$ /kg	58.8
悬架刚度 $k s$ /（N·m^-1）	20 000
车轮刚度 $k u$ /（N·m^-1）	180 000
车轮阻尼系数 $c u$ /（N·S·m^-1）	53.6

表5

图13

图14

图15

表6

C级路面台架试验悬架特性对比"

项目	均方根值
项目	$σ z ¨ s / (m · s - 2)$	$σ F d / G j$	$σ f d / m m$
无缓冲器时	3.86	0.42	15.6
有缓冲器时	1.62	0.28	11.3
改善程度	58.0%	33.3%	27.6%

表6

参考文献 24

1	喻凡，张勇超. 馈能型车辆主动悬架技术［J］. 农业机械学报， 2010（1）： 1-6.
	YU Fan， ZHANG Yongchao. Technology of regenerative vehicle active suspensions［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2010（1）：1-6.
2	黄昆，喻凡，张勇超. 基于能量流动分析的电磁式馈能型主动悬架控制［J］. 上海交通大学学报（自然版）， 2011， 45（7）： 1068-1073.
	HUANG Kun， YU Fan， ZHANG Yongchao. Active control of energy-regenerative electromagnetic suspension based on energy flow analysis［J］. Shanghai Jiaotong Univ.（Sci.）， 2011， 45（7）：1068-1073.
3	殷珺，罗建南，喻凡. 汽车电磁式主动悬架技术综述［J］. 机械设计与研究， 2020，36（1）：161-168.
	YIN Jun， LUO Jiannan， YU Fan. The-state-of-art review on automotive electromagnetic active suspension technology［J］. Machine Design and Research， 2020，36（1）：161-168.
4	曹民，刘为，喻凡. 车辆主动悬架用电机作动器的研制［J］.机械工程学报，2008，44（ 11）： 224-228．
	CAO Min， LIU Wei， YU Fan. Development on electromotor actuator for active suspension of vehicle［J］. Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2008， 44（ 11）： 224-228.
5	张进秋，彭志召，岳杰，等. 车辆馈能悬挂技术综述［J］. 装甲兵工程学院学报， 2012， 26（5）：1-7.
	ZHANG Jinqiu， PENG Zhizhao， YUE Jie， et al. Review of regenerative suspension technology for vehicle［J］.Journal of Academy of Armored Force Engineering， 2012， 26（5）：1-7.
6	王兴野，张进秋，刘义乐，等. 作动器惯性质量对主动悬架幅频特性的影响［J］. 汽车工程， 2018， 40（9）：1083-1088.
	WANG Xingye， ZHANG Jinqiu， LIU Yile， et al. Influence of inertia mass in actuator on amplitude-frequency characteristics of active suspension［J］. Automotive Engineering， 2018， 40（9）：1083-1088.
7	彭虎，张进秋，张建，等. 并联复合式电磁悬挂模型参考多模式切换控制研究［J］. 兵工学报， 2019， 40（1）： 19-28.
	PENG Hu， ZHANG Jinqiu， ZHANG Jian，et al. Research on model reference multi-mode switching control of parallel composite electromagnetic suspension［J］. Acta Armamentarii， 2019， 40（1）： 19-28.
8	张进秋，王兴野，贾进峰，等. 主动悬架有限频域H_∞时滞控制参数影响分析及优化［J］. 兵工学报， 2018， 39（9）： 1850-1857.
	ZHANG Jinqiu， WANG Xingye， JIA Jinfeng， et al. Parameter analysis and optimization of finite frequency H_∞ control with time delay for active suspension［J］. Acta Armamentarii， 2018， 39（9）： 1850-1857.
9	汪若尘，谢健，叶青，等. 直线电机式主动悬架建模与试验研究［J］. 汽车工程， 2016， 38（4）： 495 - 499.
	WANG Ruochen， XIE Jian， YE Qing， et al. Modeling and experimental study of active suspension with linear motor［J］. Automotive Engineering， 2016， 38（4）： 495 - 499.
10	汪若尘，钱禹辰，丁仁凯，等. 基于LQG的混合电磁悬架阻尼-刚度设计及试验研究［J］. 振动与冲击， 2018， 37（3）：61-65.
	WANG Ruochen，QIAN Yuchen，DING Renkai， et al. Design and tests for damping-stiffness of a hybrid electromagnetic suspension based on LQG［J］. Journal of Vibration and Shock， 2018，37（3）： 61-65.
11	王庆年，刘松山，王伟华，等. 滚珠丝杠式馈能型减振器的结构设计及参数匹配［J］. 吉林大学学报（工学版）， 2012， 42（5）：1100-1106．
	WANG Qingnian， LIU Songshan， WANG Weihua， et al. Structure design and parameter matching of ball-screw regenerative damper［J］. Journal of Jilin University（Eng and Technol Ed）， 2012， 42（5）：1100-1106.
12	寇发荣，陈晨，李阳康，等. 电磁复合式馈能悬架半主动控制研究［J］. 中国科技论文， 2020， 15（2）： 167-173.
	KOU Farong， CHEN Chen， LI yangkang， et al. Research on semi-active control of electromagnetic hybrid energy-fed suspension［J］. China Science Paper， 2020， 15（2）： 167-173.
13	LI Shiying， XU Jun， PU Xiaohui， et al. Energy-harvesting variable/constant damping suspension system with motor based electromagnetic damper［J］. Energy，2019，189（9）：116199-116211.
14	XIONG Q， QIN B， LI X， et al. A rule-based damping control of MMR-based energy-harvesting vehicle suspension［C］.2020 American Control Conference （ACC）， 2020： 2262-2267.
15	崔丹丹. 电磁式馈能减振器阻尼及馈能特性研究［D］. 秦皇岛：燕山大学， 2017： 16-20.
	CUI Dandan. Research on damping and regenerative character of electromagnetic regenerative suspension［D］. Qinhuangdao： Yanshan University， 2017： 16-20.
16	赵鑫博. 少自由度并联式馈能悬架阻尼特性研究［D］. 秦皇岛：燕山大学， 2020： 15-38.
	ZHAO Xinbo. Research on damping characteristics of parallel energy feedback suspension［D］. Qinhuangdao： Yanshan University， 2020： 15-38.
17	郭思婧. 惯容对馈能悬架性能的影响及阻尼控制研究［D］. 武汉：武汉理工大学， 2018： 66-79.
	GUO Sijing. Influences of the inerter on regenerative suspension dynamics and its damping control［D］. Wuhan： Wuhan University of Technology， 2018： 66-79.
18	YU C， RAKHEJA S， WANG W， et al. Analysis of an 'on–off' regenerative electromechanical damper［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part D： Journal of Automobile Engineering， 2013，227（5）：704-722.
19	WANG Zhanwen， ZHANG Tianming， ZHANG Zutao， et al. A high-efficiency regenerative absorber considering twin ball screws transmissions for application in range-extended electric vehicles［J］. Energy and Built Environment， 2020， 1（1）：36-49.
20	ZHAO Zhihong， GUAN Yuliang， CHEN Shian. Experimental research on PMSM ball screw actuator and structural design suggestion of featured active suspension［J］. IEEE Access， 2020， 99（8）：66163-66177.
21	MONTAZERI-GH M，KAVIANIPOUR O. Investigation of the passive electromagnetic damper［J］. ActaMechanica， 2012， 223（12）：2633-2646.
22	宋慧新，顾亮，张进秋，等. 高速履带车辆机电悬架惯量分析与滤振缓冲设计［J］. 兵工学报. doi： 10.12382/bgxb.2021.0588.
	SONG Huixin， GU Liang， ZHANG Jinqiu， et al. Inertia analysis and vibration filtering buffer design of electromechanical suspension for high speed tracked vehicle［J］. Acta Armamentarii. doi： 10.12382/bgxb.2021.0588.
23	LI Zhongjie， ZUO Lei， GEORGE Luhrs， et al. Electromagnetic energy-harvesting absorbers： design， modeling， and road tests［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2013， 62（3）：1065-1074.
24	余志生，夏群生. 汽车理论［M］. 北京：机械工业出版社， 2019.
	YU Zhisheng， XIA Qunsheng. Automobile theory［M］. Beijing： China Machine Press， 2019.

悬架特性对比	频域内幅值比的平均值
悬架特性对比	簧载质量加速度	相对动载荷	动挠度	惯性质量加速度
无缓冲器时	1.448 2	0.359 1	0.422 4	16.676 2
有缓冲器时	0.731 6	0.289 2	0.085 9	5.072 4
提升程度	49.5%	19.5%	79.7%	69.6%

车速/（km·h^-1）	20	40	60	80
无缓冲器时减振器耗散功率/W	16.6	33.1	49.7	66.3
有缓冲器时减振器耗散功率/W	8.5	17.0	25.4	33.9
降低程度/%	48.8	48.6	48.9	48.7
无缓冲器时悬架耗散功率/W	18.9	37.7	56.6	75.4
有缓冲器时悬架耗散功率/W	11.6	23.2	34.7	46.3
降低程度/%	38.6	38.5	38.7	38.6