李柏姝，任旭輝

（沈陽理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，遼寧 沈陽 110159）

汽車懸架是汽車的主要總成之一，可顯著改善汽車的平順性，汽車在正常行駛時(shí)，由不平路面激勵(lì)會(huì)引起車身振動(dòng)，傳統(tǒng)懸架會(huì)將這部分振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉。本文所研究的饋能懸架就是把這部分能量加以回收利用，即用具有能量回收功能的減振器替代傳統(tǒng)的減振器，將被耗散的能量加以回收利用，實(shí)現(xiàn)一條節(jié)能減排新途徑。

近十幾年來，一些國家開始研究饋能式懸架。Bose公司2004年宣稱[1]，其開發(fā)的電磁式懸架系統(tǒng)能在利用電磁力和直線電機(jī)抵消道路沖擊的同時(shí)回收部分能量。2012年，NISSAN公司發(fā)布了液壓車身控制（HBMC）技術(shù)[2]，該技術(shù)是將車輛四個(gè)減振器上腔和下腔的液壓油引出，分別連接蓄能器，通過控制蓄能器油壓從而控制車身的穩(wěn)定。

在國內(nèi)，相關(guān)項(xiàng)目的研究有了很大進(jìn)展，但大多仍然停留在仿真及初步試驗(yàn)的階段，武漢理工大學(xué)過學(xué)迅、宋濤[3]對饋能懸架的結(jié)構(gòu)及基本原理進(jìn)行了詳盡的闡述。上海交通大學(xué)的喻凡、鄭雪春[4-5]提出了由滾珠絲杠結(jié)合永磁直流無刷力矩電機(jī)構(gòu)成的主動(dòng)懸架作動(dòng)器方案。吉林大學(xué)的王偉華、于長淼[6]提出了由齒輪齒條機(jī)構(gòu)結(jié)合直流伺服電機(jī)構(gòu)成的主動(dòng)懸架作動(dòng)器方案例，并進(jìn)行了仿真分析。

本文對汽車傳統(tǒng)懸架和滾珠絲杠饋能式懸架做了階躍激勵(lì)振動(dòng)仿真試驗(yàn)和隨機(jī)路面激勵(lì)振動(dòng)仿真試驗(yàn)，通過對仿真結(jié)果的分析對比，證明該饋能懸架在保證振動(dòng)能量回收的同時(shí)也具有良好的平順性。

1 懸架系統(tǒng)理論模型建立

饋能懸架模型如圖1所示。在AMESim軟件的草圖模式（Sketch mode）下，建立了二自由度的四分之一汽車傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)模型，見圖1左半部分。其中包括簧載質(zhì)量、非簧載質(zhì)量、彈性元件、阻尼元件、等效輪胎和路面激勵(lì)。圖中右半部分為滾珠絲杠饋能減振器模型，主要由三部分組成：滾珠絲杠模型、電機(jī)模型、電池模型。

圖1 四分之一車輛饋能懸架AMESim模型

由于滾珠絲杠在運(yùn)行過程中滾珠與滾道和反向器以及滾珠之間的相互力的作用使得內(nèi)部受力情況相當(dāng)復(fù)雜。因此只有運(yùn)用合理方法對滾珠絲杠進(jìn)行建模及簡化才能保證模型的精度和仿真運(yùn)算效率。在對該系統(tǒng)建模過程中用線性庫倫摩擦模型表示滾珠在滾道里的滾動(dòng)摩擦，滾珠絲杠將垂直振動(dòng)的位移轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的建模是通過一個(gè)旋轉(zhuǎn)線性位移調(diào)制器完成的。

2 階躍激勵(lì)振動(dòng)試驗(yàn)

本文采用階躍信號(hào)模擬50mm高度臺(tái)階路況。將兩種懸架系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)分別輸入到對應(yīng)的AMESim理論模型中進(jìn)行仿真。結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 階躍路面激勵(lì)下懸架車身垂直位移

圖3 階躍路面激勵(lì)下懸架車身加速度響應(yīng)特性曲線

從圖2和圖3可以看出，滾珠絲杠饋能式懸架振動(dòng)衰減至穩(wěn)態(tài)的時(shí)間較傳統(tǒng)懸架短，且振幅較傳統(tǒng)懸架小，這是由于滾珠絲杠在工作時(shí)滾珠在螺旋槽里滾動(dòng)產(chǎn)生摩擦阻尼以及電機(jī)工作時(shí)提供的反電動(dòng)勢對饋能懸架衰減振動(dòng)都提供一定的阻尼。

3 路面隨機(jī)激勵(lì)振動(dòng)試驗(yàn)

汽車一般行駛在不同等級(jí)的路面上，路面?zhèn)鬟f給車輪的激勵(lì)是平穩(wěn)的隨機(jī)信號(hào)，它是用統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行描述的，使用特定等級(jí)路面譜激勵(lì)可以對汽車行駛平順性隨機(jī)輸入試驗(yàn)。我國路面按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了不同程度的分級(jí)，共分為8級(jí)。隨機(jī)路面激勵(lì)仿真試驗(yàn)選取B級(jí)路面，使用圖2建立的模型進(jìn)行B級(jí)路面隨機(jī)激勵(lì)仿真試驗(yàn)。為了避免路面信號(hào)的隨機(jī)性造成兩種懸架受到不同的激勵(lì)，使用同一個(gè)隨機(jī)路面譜仿真模型同時(shí)對兩種懸架激勵(lì)。結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 傳統(tǒng)懸架車身加速度

圖5 饋能懸架車身加速度

針對懸架振動(dòng)系統(tǒng)而言，就影響乘員舒適性的車身加速度進(jìn)行比較。分析圖4、圖5發(fā)現(xiàn)饋能懸架車身加速度與傳統(tǒng)懸架車身加速度響應(yīng)基本一致。饋能懸架的車身加速度最大值為0.322 m/s2，傳統(tǒng)懸架車身加速度最大值為0.364 m/s2，二者相差雖然不大，但還是優(yōu)于傳統(tǒng)懸架的。仿真試驗(yàn)結(jié)果證明，滾珠絲杠饋能式減振器在可回收能量的同時(shí)，也能保證懸架的平順性良好。

4 結(jié)束語

通過對饋能懸架和傳統(tǒng)懸架的階躍激勵(lì)振動(dòng)試驗(yàn)和路面隨機(jī)激勵(lì)振動(dòng)仿真試驗(yàn)的結(jié)果分析，證明滾珠絲杠饋能式懸架在具備能量回收能力的同時(shí)，在衰減振動(dòng)和阻尼特性方面較傳統(tǒng)懸架有優(yōu)勢的，但是饋能電機(jī)工作中為懸架提供的阻尼的大小并不是呈線性變化的，因此在對饋能懸架的下一步研究當(dāng)中要對電機(jī)工作時(shí)阻尼的變化做更深一步的研究。

[1]劉 俊.Bose公司推出主動(dòng)懸掛控制系統(tǒng)[J].汽車每日資訊，2004，（4）:1-2.

[2]Shimokawa S，Aihara T，Iwasaki S，etal.HBMC（Hydraulic Body Motion Control System）for Production Vehicle Application[J].SAE Technical Paper，2011，（3）:1-5.

[3]過學(xué)迅，宋 濤.汽車饋能式減振器性能仿真與試驗(yàn)研究[D].武漢:武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，2013.

[4]鄭雪春.饋能式汽車電動(dòng)主動(dòng)懸架的理論及試驗(yàn)研究[D].上海:上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，2007.

[5]Xuechun Zheng，F(xiàn)an Yu.Study on the Potential Benefits of an Energy-Regenerative Active Suspension for Vehicles[M].SAE，2005.

[6]子長淼.混合動(dòng)力汽車饋能式懸架的研究[D].長春:吉林大學(xué)汽車學(xué)院，2008.