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        車輛電磁懸架技術(shù)綜述*

        2012-07-19 02:01:26張勇超張國光
        汽車工程 2012年7期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        喻 凡,張勇超,張國光

        (上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240)

        前言

        近幾十年來,可控懸架系統(tǒng)得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。相比于不可控的半主動(dòng)/被動(dòng)懸架系統(tǒng),可控懸架系統(tǒng)根據(jù)車輛當(dāng)前的行駛工況和路況對(duì)其車身特性實(shí)行自適應(yīng)控制,因而可提高車輛的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性。主動(dòng)控制懸架系統(tǒng)的關(guān)鍵就是作動(dòng)器。目前,液壓式主動(dòng)懸架作動(dòng)器已經(jīng)廣泛應(yīng)用在高端乘用車和商用車上,比如LOTUS公司開發(fā)的液壓懸架通過液壓伺服系統(tǒng)控制液壓缸內(nèi)活塞兩端的壓力差,推動(dòng)活塞以抑制車身振動(dòng)和維持車輛行駛姿態(tài)。但其缺點(diǎn)為成本較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和附加系統(tǒng)(供油系統(tǒng)等)質(zhì)量較大。

        隨著電磁減振材料和電控技術(shù)的快速發(fā)展,以及在電動(dòng)車開發(fā)趨勢(shì)的影響下,車輛電磁懸架技術(shù)的理論研究逐漸深入,并得到了一些商業(yè)化應(yīng)用。本文中對(duì)車輛電磁懸架系統(tǒng)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了回顧,并對(duì)當(dāng)前電磁懸架系統(tǒng)存在的問題和今后可能的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析。

        1 電磁懸架系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

        根據(jù)電磁懸架系統(tǒng)電磁介質(zhì)和結(jié)構(gòu)的不同,車輛電磁懸架技術(shù)可分為磁/電流變減振技術(shù)、以電機(jī)為作動(dòng)器的電動(dòng)懸架技術(shù)和磁懸浮技術(shù)3個(gè)部分。

        1.1 磁/電流變減振器

        20世紀(jì)40年代,磁流變液研制成功,但直到80年代后期,微電子技術(shù)的發(fā)展才使磁流變液的潛力發(fā)揮出來。磁流變減振器原理是將磁流變液體裝入減振器,通過改變內(nèi)外筒之間的磁場(chǎng)強(qiáng)度來改變液體的黏度,從而改變阻尼力。1993年,美國TRW公司將研制成功的磁流變液[1]應(yīng)用到汽車主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)上[2]。美國福特和通用汽車公司也相繼對(duì)磁流變減振器的應(yīng)用進(jìn)行了研究[3-4]。最著名的是,美國Lord公司與Delphi公司于1999年合作開發(fā)出MagneRide 主 動(dòng) 懸 架 磁 流 變 阻 尼 器[5-6],裝 備 在2002 Cadillac Seville高級(jí)轎車STS上,如圖1所示。該系統(tǒng)由安裝在車輪上的單筒式磁流變減振器、中央控制器、懸架位移傳感器、橫向加速度傳感器和轉(zhuǎn)向盤位移傳感器組成。試驗(yàn)表明該系統(tǒng)可在1ms內(nèi)進(jìn)行響應(yīng),能夠有效抑制路面不平引起的車身振動(dòng),同時(shí)減小汽車制動(dòng)和轉(zhuǎn)向時(shí)引起的俯仰和側(cè)傾,汽車的舒適性和安全性均得到提高。我國對(duì)車輛磁流變減振器的研究起步較晚,重慶大學(xué)在汽車磁流變減振器的理論基礎(chǔ)及工程應(yīng)用做了大量工作[7-9],取得了很大進(jìn)展。此外,浙江大學(xué)[10]、南京航空航天大學(xué)[11]和同濟(jì)大學(xué)[12]等研究機(jī)構(gòu)也對(duì)磁流變減振器進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究。

        電流變液的工作原理與磁流變液類似,是通過改變電流變液的電場(chǎng)強(qiáng)度來改變流變性能,但由于在屈服應(yīng)力、溫度范圍、塑性黏度和穩(wěn)定性等性能方面與磁流變液有一定差距,因此,近年來的研究成果較少。VB-Airsuspension公司于2011年發(fā)布了世界上第一款用于輕型商用車的電流變減振器VB-eRR-ide[13],如圖2所示。該系統(tǒng)可提供連續(xù)可變可控的阻尼,阻尼變化范圍大,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)應(yīng)用天棚控制原理,根據(jù)測(cè)得的加速度和轉(zhuǎn)向盤信號(hào),對(duì)車輛舒適性和抓地性進(jìn)行最優(yōu)化處理,每隔1ms進(jìn)行1次阻尼力的調(diào)節(jié)。國內(nèi)在電流變減振器研究方面,重慶大學(xué)[14-16]進(jìn)行了電流變減振器理論建模與試驗(yàn)測(cè)試和減振控制性能評(píng)估等工作。

        控制有效、能耗低、造價(jià)低的磁/電流變減振器的開發(fā),仍然要取決于材料科學(xué)、微電子技術(shù)和測(cè)控技術(shù)的進(jìn)步。磁/電流變半主動(dòng)懸架系統(tǒng)的研發(fā)尚待解決的問題主要包括:(1)減振器結(jié)構(gòu)與制造工藝,即研究各種結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)性能的影響,優(yōu)化結(jié)構(gòu)和改善制造工藝;(2)磁/電流變液穩(wěn)定性,即研制沉淀穩(wěn)定性好、屈服應(yīng)力高、零場(chǎng)黏度低、響應(yīng)快、工作溫度范圍寬的優(yōu)質(zhì)磁/電流變液;(3)傳感器集成度和可靠性,即將車輪跳動(dòng)和懸架行程位置傳感器與減振器進(jìn)行結(jié)構(gòu)的融合設(shè)計(jì);(4)控制系統(tǒng)集成,基于已有的控制算法研究成果,諸如天棚控制[11,17]、最優(yōu)控制[18-19]、魯棒控制[20-21]和滑??刂疲?2-23]等,開發(fā)集信號(hào)采集、控制單元、驅(qū)動(dòng)電路為一體的智能控制器,同時(shí)與汽車底盤電子系統(tǒng)進(jìn)行集成。

        1.2 永磁電機(jī)作動(dòng)器

        本質(zhì)上,磁/電流變減振器的作用介質(zhì)是液油,通過液油的黏滯阻力來消耗機(jī)械能,以達(dá)到抑制振動(dòng)的效果。由于電機(jī)的能量轉(zhuǎn)化方式簡(jiǎn)單,且效率較高,機(jī)械能與電能通過電機(jī)可以方便地進(jìn)行轉(zhuǎn)化。隨著高性能永磁材料和永磁電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,永磁電機(jī)作動(dòng)器逐漸得到研究者們的重視,在車輛懸架上的應(yīng)用正成為主動(dòng)懸架研究的熱點(diǎn)。

        早在1989年,加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校的Karnopp就提出利用永磁電機(jī)作為可變阻尼減振器的想法[24],理論分析了其可行性和實(shí)現(xiàn)方法,通過改變連接阻尼器的外部電阻阻值來改變懸架的阻尼系數(shù),具有低摩擦因數(shù)和線性力學(xué)特性等優(yōu)點(diǎn),但在保證一定阻尼力的同時(shí),體積和質(zhì)量大是永磁電機(jī)在懸架系統(tǒng)應(yīng)用的一大難題。隨后,國外的研究者們開始對(duì)永磁電機(jī)減振技術(shù)進(jìn)行了理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)電機(jī)輸出不同形式,本文中將電機(jī)作動(dòng)器分為直線式和旋轉(zhuǎn)式,前者將電能直接轉(zhuǎn)化成線性動(dòng)能,而后者則輸出轉(zhuǎn)矩,再通過傳動(dòng)裝置將旋轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為線性動(dòng)能。

        1.2.1 直線式

        直線式電機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),典型的例子有精密機(jī)床和磁懸浮列車推進(jìn)系統(tǒng)。直線式電機(jī)在車輛懸架上的應(yīng)用必須考慮懸架尺寸和運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性,因此,直線式電機(jī)作動(dòng)器多設(shè)計(jì)成圓筒形。捷克理工大學(xué)Stribrsky等人利用Copley Controls公司的三相同步直線電機(jī)TBX3810 作為力發(fā)生器[25-26],設(shè)計(jì)了用于車輛懸架的電磁作動(dòng)器,并設(shè)計(jì)了魯棒控制算法。葡萄牙阿爾加維大學(xué)Martins等人研制了軸向磁化的圓筒型永磁直線作動(dòng)器,通過雙向切換控制電路進(jìn)行電流控制。采用正弦激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果表明:作動(dòng)器電磁力與相電流基本成正比,故可通過控制相電流來控制電磁力。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合,表明作動(dòng)器能夠產(chǎn)生懸架系統(tǒng)所需的主動(dòng)控制力。這些電機(jī)作動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)包括輸出力較大,響應(yīng)快,效率高,具有回收電能的可行性;缺點(diǎn)是成本高,體積較大,供電系統(tǒng)電壓要求較高。Seungho Lee等人[27]為其研制的直線式電機(jī)作動(dòng)器設(shè)計(jì)了LQG和模糊控制器,比較了不同控制策略的減振效果,通過單輪臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)Gysen等人與瑞典SKF公司合作為BMW530i開發(fā)了筒型永磁作動(dòng)器(tubular permanent-magnet actuator,TPMA)[28-29],如圖 3 所示。外筒為永磁體動(dòng)子,內(nèi)筒為三相開槽定子,內(nèi)筒定子與車身連接,外筒動(dòng)子與車輪連接,仍然由機(jī)械彈簧支持簧上質(zhì)量。該作動(dòng)器具有與傳統(tǒng)被動(dòng)減振器的相同尺寸,通過單輪試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試,可顯著提高舒適性。

        值得一提的是Bose公司成功研制的車輛電磁主動(dòng)懸架[30-31],如圖 4所示。它顯著提升了車輛懸架性能,但到目前為止,Bose公司還未發(fā)布關(guān)于這套懸架系統(tǒng)的任何數(shù)據(jù),也未申請(qǐng)專利。裝在每個(gè)車輪和底盤上的加速度測(cè)量計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量車輛的行駛情況,估計(jì)路面信息,如凸包或凹坑,控制單元會(huì)控制功率放大器為電機(jī)供電,使懸架支柱依車身和車輪的相對(duì)位置的不同而伸張或收縮,以保持車身運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。

        1.2.2 旋轉(zhuǎn)式

        旋轉(zhuǎn)式電機(jī)作動(dòng)器由于包含傳動(dòng)裝置,所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上比直線式電機(jī)作動(dòng)器復(fù)雜,在實(shí)際應(yīng)用中,機(jī)械傳動(dòng)裝置磨損和傳動(dòng)效率損失不容忽視。20世紀(jì)90年代,美國德克薩斯大學(xué)機(jī)電中心Beno等人[32-33]與美國國防部合作開發(fā)新型的電控主動(dòng)懸架系統(tǒng)(electronically controlled active suspension system,ECASS),并將其應(yīng)用到美國高機(jī)動(dòng)性多功能車輛上。該系統(tǒng)將旋轉(zhuǎn)電機(jī)與齒輪齒條結(jié)合用以傳遞轉(zhuǎn)矩,如圖5 所示[34]。以使簧上質(zhì)量加速度為零為控制目標(biāo),實(shí)時(shí)測(cè)量懸架動(dòng)行程和車輪跳動(dòng)速度,計(jì)算電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩,單輪臺(tái)架試驗(yàn)和實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果表明車輛的舒適性顯著改善。東京大學(xué) Suda等人[35-36]對(duì)電磁作動(dòng)器進(jìn)行了深入的理論研究和模型樣機(jī)試驗(yàn),進(jìn)而使用旋轉(zhuǎn)電機(jī)與滾珠絲杠機(jī)構(gòu)試制了實(shí)車樣機(jī),考察了該系統(tǒng)的減振性能和回收能量特性[37-39]。國內(nèi)上海交通大學(xué)喻凡等人也針對(duì)某乘用車設(shè)計(jì)研制了電磁作動(dòng)器[40],如圖6所示,并對(duì)該系統(tǒng)的性能改善和回收能量特性進(jìn)行了理論研究[41-42]和臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證[43-44]。

        基于永磁電機(jī)研發(fā)的主動(dòng)懸架系統(tǒng)完全由車載供電系統(tǒng)來供給電能,實(shí)施主動(dòng)控制,同時(shí)有利于機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)化,并進(jìn)行電能回收,在能量管理方面國內(nèi)外研究者們已做了許多工作[29,31,35-36,39,41,45-46]。未來電動(dòng)車發(fā)展的大趨勢(shì)正好為永磁電機(jī)懸架提供了很好的發(fā)展平臺(tái),因此,這種類型的懸架系統(tǒng)具有較好的發(fā)展前景。但是要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用,在可靠性、穩(wěn)定性、失效保護(hù)和成本等方面仍然有很多問題需要解決。

        1.3 磁懸浮懸架

        磁懸浮技術(shù)已發(fā)展得比較成熟,在軌道車輛的推進(jìn)系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)上地成功得到了商業(yè)化應(yīng)用,如日本的JR-Maglev、德國的M-Bahn和用在上海磁懸浮列車上的德國Transrapid。磁懸浮系統(tǒng)包含超導(dǎo)磁體線圈和作為導(dǎo)向用的懸浮線圈。當(dāng)列車運(yùn)動(dòng)時(shí),由于磁場(chǎng)感應(yīng)效應(yīng),移動(dòng)的磁場(chǎng)在懸浮線圈中產(chǎn)生電流,此電流又產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)與超導(dǎo)線圈磁場(chǎng)的作用,使車體獲得向上托力,維持列車穩(wěn)定。磁懸浮在道路車輛上還沒有應(yīng)用,目前只有少數(shù)研究者提出了一些設(shè)計(jì)方案,并進(jìn)行了理論研究[47-49],但技術(shù)還不成熟。

        1.4 電磁懸架在輪轂電機(jī)車輛上的應(yīng)用

        目前,在電動(dòng)車開發(fā)過程中,輪轂電機(jī)技術(shù),又稱車輪內(nèi)裝電機(jī)車輛(Motor In-wheel Vehicle)正在得到汽車研究者們的關(guān)注。它的最大特點(diǎn)就是將動(dòng)力、傳動(dòng)和制動(dòng)裝置都整合到輪轂內(nèi),可將電動(dòng)車輛的機(jī)械部分大大簡(jiǎn)化,因此可預(yù)見輪轂電機(jī)車輛將是未來電動(dòng)車發(fā)展的一個(gè)重要方向。

        早在1900年,保時(shí)捷就首先制造出了前輪裝備輪轂電機(jī)的電動(dòng)汽車,在20世紀(jì)70年代,該技術(shù)在礦山運(yùn)輸車等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。而對(duì)于乘用車所用的輪轂電機(jī),日系廠商(豐田)對(duì)于此項(xiàng)技術(shù)研發(fā)得較早,處于領(lǐng)先地位,美國通用汽車公司也對(duì)該技術(shù)有所涉足。國內(nèi)也有自主品牌汽車廠商開始研發(fā)該技術(shù),奇瑞公司在2011年上海車展展出的電動(dòng)汽車瑞麒X1-EV就采用了輪轂電機(jī)技術(shù)。豐田汽車的Satoshi Murata對(duì)輪轂電機(jī)車輛的懸架設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究和實(shí)際應(yīng)用[50-52],并指出造成輪轂電機(jī)車輛不能批量生產(chǎn)的關(guān)鍵因素是輪內(nèi)電機(jī)安裝空間不足。車輪直徑和寬度、懸架結(jié)構(gòu)形式和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)都直接影響輪內(nèi)電機(jī)安裝的難度,在考慮輪轂電機(jī)輸出功率的前提下,根據(jù)輪內(nèi)可利用空間來給懸架定量打分,空間越小,分?jǐn)?shù)越高,如圖7所示。前懸架由于要安裝轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),分?jǐn)?shù)高于后懸架。因此,電磁懸架系統(tǒng)由于其體積和質(zhì)量上的劣勢(shì)在輪轂電機(jī)車輛上的應(yīng)用難度更大。值得一提的是米其林公司開發(fā)的主動(dòng)車輪[53-54],如圖 8所示,其突破性技術(shù)是其緊湊的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和集成式懸掛系統(tǒng)。車輪中不僅集成了制動(dòng)盤,還包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)和懸架電機(jī)作動(dòng)器,這為未來輪轂電機(jī)電動(dòng)車的批量生產(chǎn)提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。

        2 總結(jié)和展望

        本文中基于近期發(fā)表的50余篇文獻(xiàn),對(duì)車輛的電磁懸架技術(shù)進(jìn)行了分析和綜述。盡管主動(dòng)懸架對(duì)車輛性能的改善毋庸置疑,但由于其成本、附加系統(tǒng)和復(fù)雜程度,使車輛主動(dòng)懸架的市場(chǎng)應(yīng)用仍不被廣泛接受。而近30年來,車輛電磁懸架減振技術(shù)引起了研究者們的廣泛關(guān)注,其中磁/電流變減振器得到了一些商業(yè)化應(yīng)用,并裝備于高檔乘用車上,顯著改善了車輛的乘坐舒適性;結(jié)合車身姿態(tài)控制系統(tǒng),極大地提升了車輛操縱穩(wěn)定性。磁/電流變減振器在未來會(huì)有廣泛的發(fā)展前景,但磁/電流變液的可靠性和穩(wěn)定性,以及減振器制造工藝和測(cè)控系統(tǒng)方面還有較大的完善空間。永磁電機(jī)作動(dòng)器在機(jī)電能量轉(zhuǎn)換和控制實(shí)現(xiàn)上具有更大的潛力,伴隨著電磁材料和電機(jī)測(cè)控技術(shù)的進(jìn)步,越來越多的電機(jī)作動(dòng)器可能被開發(fā)。磁懸浮技術(shù)在軌道車輛上的應(yīng)用較為成熟,但在道路車輛上因受限于可用的車輛懸架空間,磁懸浮減振器還僅停留在理論研究層面。隨著電動(dòng)車的迅猛發(fā)展,研究熱點(diǎn)之一將是性能高、整合程度高的輪轂電機(jī)車輛,研究者們正在努力使電磁懸架技術(shù)與輪轂電機(jī)車輛相結(jié)合,這對(duì)未來車輛底盤的設(shè)計(jì)開發(fā)將產(chǎn)生重要影響。

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