黃大山， 張進(jìn)秋， 劉義樂(lè)， 滕 濤

(裝甲兵工程學(xué)院裝備試用與培訓(xùn)大隊(duì)，北京 100072)

復(fù)合式饋能懸掛能量回收特性分析

黃大山， 張進(jìn)秋， 劉義樂(lè)， 滕 濤

(裝甲兵工程學(xué)院裝備試用與培訓(xùn)大隊(duì)，北京 100072)

針對(duì)饋能懸掛作動(dòng)器因頻繁工況切換而導(dǎo)致能量回收效率低及回收特性量化標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了可使主動(dòng)控制與能量回收全過(guò)程并存的復(fù)合式饋能懸掛作動(dòng)器，采用功率流方法分析了懸掛系統(tǒng)在被動(dòng)饋能和主動(dòng)控制2種工作模式下的能力流動(dòng)和轉(zhuǎn)換過(guò)程，并在此基礎(chǔ)上建立了能力回收特性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，最后通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)的模型對(duì)其進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明：復(fù)合式饋能懸掛自供能能力較強(qiáng)，所建立的饋能能力評(píng)價(jià)準(zhǔn)則能夠量化分析懸掛系統(tǒng)的能量回收特性。

懸掛系統(tǒng)；能量回收特性；功率流

車(chē)輛懸掛系統(tǒng)運(yùn)用彈性元件和阻尼元件來(lái)緩和或衰減路面起伏傳遞給車(chē)體的沖擊，從而降低車(chē)體振動(dòng)。傳統(tǒng)的被動(dòng)懸掛系統(tǒng)已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代車(chē)輛對(duì)行駛平順性和操縱穩(wěn)定性的要求，而主動(dòng)懸掛系統(tǒng)雖能使車(chē)輛獲得更好的行駛特性，但實(shí)施振動(dòng)控制需要消耗大量的能量。饋能懸掛引入能量回收裝置，能夠?qū)⒃瓚覓煜到y(tǒng)中被轉(zhuǎn)換成熱能而耗散的能量回收利用，從而降低主動(dòng)懸掛的能量消耗，其已成為解決主動(dòng)懸掛系統(tǒng)實(shí)車(chē)運(yùn)用問(wèn)題的新方向[1-2]。Karnopp[3]研究了車(chē)輛懸掛系統(tǒng)的能量消耗過(guò)程，并分析了懸掛系統(tǒng)的能量需求。Nakano等[4]通過(guò)研究證明：在一定條件下，主動(dòng)控制所需能量可由懸掛系統(tǒng)所回收的能量完全提供。Bose公司[5]研制了基于直線(xiàn)電機(jī)式電磁作動(dòng)器的饋能懸掛系統(tǒng)。于長(zhǎng)淼等[6-7]通過(guò)仿真分析指出：減振器耗散的能量具有很大的回收價(jià)值。宋鵬云等[8]設(shè)計(jì)了基于直線(xiàn)電機(jī)式作動(dòng)器的饋能懸掛系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量平衡條件。通過(guò)上述研究可以看出：國(guó)內(nèi)外對(duì)懸掛系統(tǒng)能量回收特性的分析方法各不相同，有的僅考慮懸掛系統(tǒng)內(nèi)部的饋能效率[4,8]，有的則把懸掛饋能功率與整車(chē)功率進(jìn)行比較計(jì)算[7]，懸掛系統(tǒng)能量回收特性分析還缺少統(tǒng)一的量化標(biāo)準(zhǔn)。此外，當(dāng)前饋能懸掛通過(guò)一個(gè)作動(dòng)器的工況切換來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制或能量回收，這種結(jié)構(gòu)的能量回收效率低，且影響作動(dòng)器的使用壽命。本文設(shè)計(jì)了一種復(fù)合式饋能懸掛系統(tǒng)，采用功率流方法分析其能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，并給出了相應(yīng)的能量回收特性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則及計(jì)算公式，為車(chē)輛饋能懸掛能量回收特性分析提供了理論依據(jù)。

1 復(fù)合式饋能懸掛模型

當(dāng)前饋能懸掛系統(tǒng)采用電磁作動(dòng)器取代被動(dòng)懸掛系統(tǒng)中的減振器，電磁作動(dòng)器既為主動(dòng)控制裝置，又為能量回收裝置，其依據(jù)特定的控制策略在2種工況間切換，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)需要在振動(dòng)控制和饋能效率之間進(jìn)行折中，實(shí)際回收的能量有限[9-10]。本文設(shè)計(jì)了一種新型饋能懸掛系統(tǒng)，其采用作動(dòng)器和饋能器進(jìn)行主動(dòng)控制和能量回收，并通過(guò)運(yùn)動(dòng)方式轉(zhuǎn)換裝置——滾珠絲杠或齒輪齒條——相連構(gòu)成饋能式電磁作動(dòng)器，如圖1所示，這樣的設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)控制和能量回收的全過(guò)程并存且保證各自效果。

圖1 新型饋能式電磁作動(dòng)器

1.1 二自由度模型

由于二自由度“1/4車(chē)輛”模型包含了懸掛系統(tǒng)的主要運(yùn)動(dòng)特征，因此，本文以此模型為研究對(duì)象進(jìn)行模型假設(shè)[11]：1) 車(chē)輛左、右兩側(cè)完全對(duì)稱(chēng)；2) 車(chē)輛前、后部分之間相互影響很?。?) 輪胎的垂向動(dòng)力學(xué)特性可簡(jiǎn)單地等效為一個(gè)忽略阻尼的彈簧。新型饋能懸掛系統(tǒng)的“1/4車(chē)輛”等效模型結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中：ms為懸置質(zhì)量；mt為非懸置質(zhì)量；ks為懸掛系統(tǒng)的等效剛度；kt為車(chē)輪的等效剛度；cmmn為作動(dòng)器的機(jī)械阻尼系數(shù)；Fan為作動(dòng)器輸出的電磁力；cmgn為饋能器的機(jī)械阻尼系數(shù)；cegn為饋能器的電磁阻尼系數(shù)；xs為懸置質(zhì)量的絕對(duì)位移；xt為非懸置質(zhì)量的絕對(duì)位移；xr為路面激勵(lì)。

圖2 新型饋能懸掛系統(tǒng)的“1/4車(chē)輛”等效模型結(jié)構(gòu)

根據(jù)牛頓動(dòng)力學(xué)定律，可建立復(fù)合式饋能懸掛系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程：

(1)

饋能器產(chǎn)生的感應(yīng)電壓Eg和感應(yīng)電流I1g分別為

(2)

(3)

式中：Rlg為饋能器負(fù)載電阻。

饋能懸掛主動(dòng)控制時(shí)，則有

Fan=φmi，

(4)

式中：φm為作動(dòng)器電動(dòng)勢(shì)常數(shù)[9,12-13]；i為驅(qū)動(dòng)電流。

懸掛系統(tǒng)被動(dòng)饋能時(shí)，則有

(5)

作動(dòng)器產(chǎn)生的感應(yīng)電壓Em和感應(yīng)電流I1m分別為

(6)

(7)

式中：Rlm為作動(dòng)器負(fù)載電阻。

1.2 主動(dòng)控制算法設(shè)計(jì)

(8)

其中f為路面激勵(lì)瞬時(shí)頻率，忽略路面激勵(lì)位移與速度之間的相位差。

Y=CX+DU，

(9)

式中：

車(chē)輛懸掛性能評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有3種，分別為代表乘坐舒適性的車(chē)體加速度、代表操縱穩(wěn)定性的車(chē)輪動(dòng)行程和代表行駛安全性的懸掛動(dòng)撓度。本文采用線(xiàn)性二次型最優(yōu)控制算法，將上述3項(xiàng)性能指標(biāo)的加權(quán)平方及在時(shí)域T內(nèi)的積分值作為目標(biāo)性能指標(biāo)[9]，其表達(dá)式為

q3(xt-xr)2]dt，

(10)

式中：q1、q2、q3分別為車(chē)身加速度、車(chē)輪動(dòng)行程和懸掛動(dòng)撓度的加權(quán)系數(shù)。

將式(9)代入式(10)，性能指標(biāo)可轉(zhuǎn)化為

(11)

式中：

Q=CTQ0C；R=DTQ0D；N=CTQ0D。

由式(11)可求得作動(dòng)器的最優(yōu)控制力

U=-KX=-R-1(BTP+NT)X,

(12)

式中：K為最優(yōu)狀態(tài)反饋增益矩陣；P由Riccati方程[14]

PA+ATP-(PB+N)R-1(BTP+NT)+Q=0

解出。

2 能量回收特性量化分析

2.1 功率流分析

復(fù)合式饋能懸掛系統(tǒng)有被動(dòng)饋能和主動(dòng)控制2種工作模式，其在不同工作模式下具有不同的能量流動(dòng)和轉(zhuǎn)換過(guò)程。

2.1.1 被動(dòng)饋能工作模式

懸掛系統(tǒng)被動(dòng)饋能模式功率流如圖3所示，可見(jiàn)：懸掛系統(tǒng)饋能器和作動(dòng)器的地位與工作方式相同——作為被動(dòng)阻尼器使用，用于回收振動(dòng)能量；電磁懸掛系統(tǒng)吸收發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的能量，一部分被饋能器與作動(dòng)器的被動(dòng)阻尼耗散，另一部分由相應(yīng)的電磁阻尼吸收，再經(jīng)過(guò)內(nèi)阻耗散后由電磁懸掛輸出，作為回收的能量。被動(dòng)饋能時(shí)懸掛系統(tǒng)吸收功率可表示為

Ppri=Ppre+Ppdm，

(13)

被動(dòng)饋能時(shí)懸掛系統(tǒng)輸出功率可表示為

Ppro=Ppre-Ppdi，

(14)

圖3 被動(dòng)控制模式功率流

2.1.2 主動(dòng)控制工作模式

從能量流動(dòng)方向角度來(lái)分析，復(fù)合式饋能懸掛系統(tǒng)的主動(dòng)控制有全主動(dòng)控制和折中主動(dòng)控制2種工作狀態(tài),其懸掛系統(tǒng)主動(dòng)饋能模式功率流如圖4所示。

當(dāng)懸掛系統(tǒng)作動(dòng)器輸出的控制力占主導(dǎo)地位時(shí),為全主動(dòng)控制，此時(shí)懸掛系統(tǒng)能夠達(dá)到預(yù)期的控制狀態(tài),如圖4(a)所示，此時(shí)電磁懸掛系統(tǒng)吸收發(fā)動(dòng)機(jī)和電源輸出的能量，在經(jīng)過(guò)作動(dòng)器內(nèi)阻耗散之后,由作動(dòng)器電磁阻尼吸收產(chǎn)生主動(dòng)控制力，并有3個(gè)流向：1)被饋能器與作動(dòng)器的被動(dòng)阻尼耗散；2)由饋能器的電磁阻尼吸收，在經(jīng)過(guò)內(nèi)阻耗散部分能量之后,由電磁懸掛輸出，作為回收的能量；3)直接由電磁懸掛輸出，用來(lái)改變車(chē)輛狀態(tài)，達(dá)到振動(dòng)控制的目的。

當(dāng)懸掛系統(tǒng)路面激勵(lì)輸入占主導(dǎo)地位時(shí)，為折中主動(dòng)控制，此時(shí)懸掛系統(tǒng)主動(dòng)控制只能起到緩解或衰減車(chē)輛振動(dòng)的作用，不能達(dá)到所有預(yù)期的控制狀態(tài),如圖4(b)所示，此時(shí)不消耗電源能量，與新型饋能懸掛系統(tǒng)被動(dòng)饋能工作模式的功率流過(guò)程相似，只是饋能器電磁阻尼吸收的能量被其負(fù)載電阻消耗，不能回收。

圖4 主動(dòng)控制模式功率流

主動(dòng)控制時(shí)懸掛系統(tǒng)控制需求功率可表示為

(15)

主動(dòng)控制時(shí)懸掛系統(tǒng)能量回收功率可表示為

Pro=Preg-Pdig，

(16)

2.2 能量回收特性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

為統(tǒng)一懸掛系統(tǒng)能量回收特性的量化計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)車(chē)輛懸掛系統(tǒng)工作模式以及上述功率流分析結(jié)果，給出如下懸掛系統(tǒng)饋能能力評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。

1) 饋能潛力

(17)

2) 饋能效用比

(18)

3) 自供能系數(shù)

(19)

4) 平均饋能功率

3 能量回收特性仿真分析

為研究復(fù)合式饋能懸掛能量回收特性，本文設(shè)計(jì)了主動(dòng)懸掛(主動(dòng)控制模式)和被動(dòng)懸掛(被動(dòng)饋能模式)2個(gè)饋能懸掛系統(tǒng)，其模型參數(shù)如表1所示。

表1 饋能懸掛系統(tǒng)模型參數(shù)

圖5 D級(jí)路面不同車(chē)速下懸掛系統(tǒng)饋能能力比較

圖6 不同工作模式下車(chē)速比較

圖7 不同等級(jí)路面20 m/s車(chē)速下懸掛 系統(tǒng)饋能能力比較

圖8 H級(jí)路面20 m/s車(chē)速下的振動(dòng)響應(yīng)特性

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種復(fù)合式饋能懸掛系統(tǒng)，引入與作動(dòng)器并聯(lián)的饋能器回收振動(dòng)能量，可以實(shí)現(xiàn)懸掛系統(tǒng)振動(dòng)控制和能量回收的全過(guò)程并存，并保證各自效果。采用功率流方法分析了懸掛系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)換方式及流動(dòng)過(guò)程，給出了各部分功率的量化計(jì)算公式，并建立4個(gè)懸掛系統(tǒng)能量回收特性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，規(guī)范統(tǒng)一了懸掛系統(tǒng)能量回收特性量化分析計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)。

懸掛系統(tǒng)饋能效用比、自供能系數(shù)和平均饋能功率與系統(tǒng)自身和對(duì)其施加的主動(dòng)控制算法有關(guān)，若要提高懸掛系統(tǒng)饋能效用比、自供能特性及平均饋能功率，還需要設(shè)計(jì)有效的主動(dòng)控制算法。本文仿真分析表明了各評(píng)價(jià)指標(biāo)隨不同條件變化的一般規(guī)律，由于沒(méi)有考慮車(chē)輛懸掛動(dòng)行程、乘坐舒適性等因素的影響，使得在某些情況下如(車(chē)輪共振頻率附近)的仿真數(shù)值過(guò)高，下一步還需要進(jìn)行深入的研究。

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(責(zé)任編輯:尚菲菲)

Analysis of Energy Recovery Features of Complex Energy-regenerative Suspension System

HUANG Da-shan, ZHANG Jin-qiu, LIU Yi-le, TENG Tao

(Brigade of Equipment Trial and Training, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

A Complex Energy-regenerative Suspension (CES) system is designed to solve the problem of low energy-recovery efficiency caused by the frequent alternation of operating modes in the current energy-regenerative suspension system, and the energy recovery and active control of CES could be implemented simultaneously. The power flow method is employed to solve the problem of uncertain method and lacking of the uniform standard on quantification and analyze the energy transformation mode and flow process of suspension system. The flowing and transforming processes of power with the corresponding computational formula of CES are provided. Four evaluation criteria of energy recovery features are established to evaluate the suspension system in terms of relative energy-regenerative ability and absolute energy-regenerative ability. The simulation results show that the self-sustaining of power supply of CES can be realized, and the established evaluation criteria are capable of analyzing energy recovery features.

suspension system; energy recovery features; power flow

1672-1497(2015)02-0040-07

2015-01-30

軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目

黃大山(1988-)，男，博士研究生。

U463.33

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.02.008