馮占宗，魏來(lái)生，陰運(yùn)寶，范偉光，賀力朋

(中國(guó)北方車(chē)輛研究所，北京 100072)

2016096

高速履帶車(chē)輛電磁懸掛功率供需矛盾分析

馮占宗，魏來(lái)生，陰運(yùn)寶，范偉光，賀力朋

(中國(guó)北方車(chē)輛研究所，北京 100072)

提出了電磁懸掛功耗計(jì)算方法，分析了電磁懸掛功率供需矛盾，論述了電磁作動(dòng)器基本結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)。分析表明，安裝在有限空間內(nèi)的電磁作動(dòng)器輸出功率能滿足主動(dòng)控制需要，但減速器必須具有緊湊、高速比和互逆?zhèn)鲃?dòng)功能，電磁裝置具有低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、大轉(zhuǎn)矩等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

履帶車(chē)輛；主動(dòng)懸掛；電磁作動(dòng)器；功率需求

前言

主動(dòng)懸掛是先進(jìn)懸掛(advanced suspension)形式之一，它根據(jù)車(chē)輛振動(dòng)狀態(tài)主動(dòng)調(diào)節(jié)車(chē)體與車(chē)輪之間作用力或力矩，使車(chē)輛平順性達(dá)到最優(yōu)。但主動(dòng)懸掛屬于有源懸掛，須由車(chē)載動(dòng)力系統(tǒng)提供動(dòng)力。如果消耗功率過(guò)多導(dǎo)致車(chē)輛牽引力不足，反而影響機(jī)動(dòng)性。因此，功耗問(wèn)題一直被研究人員關(guān)注。

關(guān)于主動(dòng)懸掛功耗及計(jì)算方法，至今仍無(wú)一致意見(jiàn)。1997年，文獻(xiàn)[1]中以高機(jī)動(dòng)軍用運(yùn)輸車(chē)CSV為對(duì)象，計(jì)算出液壓主動(dòng)懸掛功耗占到發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的1/4。對(duì)于軍用車(chē)輛，其高能耗引起的油料補(bǔ)給問(wèn)題難以承受[2]；對(duì)民用車(chē)輛，其經(jīng)濟(jì)性也不為市場(chǎng)所接受[3]。不過(guò)同樣是液壓式主動(dòng)懸掛，天納克汽車(chē)公司研制的Acocar(采用天棚控制算法)，當(dāng)車(chē)輛在不平路面上以70km/h時(shí)速行駛時(shí)，平均功耗僅為98W[4]。

電磁懸掛是主動(dòng)懸掛的另一種結(jié)構(gòu)形式，它以電磁作動(dòng)器作為力控制元件，具有效率高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)[5]，是特種車(chē)輛全電化[6]理想的懸掛系統(tǒng)。然而，與液壓式主動(dòng)懸掛相比，又具有功率密度低的不足。對(duì)于高速履帶車(chē)輛，由于安裝空間受到嚴(yán)格限制，其功率能否滿足控制需要始終被質(zhì)疑。

本文中以某型越野車(chē)輛單輪懸掛試驗(yàn)臺(tái)為研究手段，提出了電磁懸掛功耗計(jì)算方法；通過(guò)分析在安裝空間約束條件下電磁懸掛技術(shù)在功耗、控制力方面存在的供需矛盾，對(duì)電磁作動(dòng)器的基本結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了論證。

1 電磁懸掛功耗計(jì)算方法研究

本文中關(guān)于電磁懸掛功耗計(jì)算過(guò)程是，首先計(jì)算主動(dòng)懸掛功耗，然后根據(jù)執(zhí)行元件電磁作動(dòng)器的效率推算出電磁懸掛功耗。

主動(dòng)懸掛功耗由車(chē)體質(zhì)量、行駛工況(路況、車(chē)速)、平順性目標(biāo)和所采用的控制算法共同決定。其中，控制算法用于確定執(zhí)行元件出力大小與時(shí)機(jī)，進(jìn)而影響車(chē)輛平順性。常見(jiàn)于軍用車(chē)輛的控制算法，主要包括恒力控制、天棚控制和開(kāi)關(guān)控制等[7]。其中天棚控制算法是經(jīng)典控制算法，往往作為評(píng)價(jià)其它控制算法的基準(zhǔn)。本文中選擇天棚控制算法計(jì)算主動(dòng)懸掛功耗。

天棚算法的控制思想是：若令懸掛系統(tǒng)中作動(dòng)器輸出力追蹤天棚阻尼力，則懸掛系統(tǒng)將具有天棚懸掛的力學(xué)特性。天棚阻尼力在數(shù)值上可表示為

(1)

如上所述，天棚阻尼力實(shí)際上作用于車(chē)體與車(chē)輪之間，因此主動(dòng)懸掛功耗由控制力和車(chē)體與車(chē)輪之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度共同決定，即

(2)

由此可知，電磁懸掛功耗為

P=Pa/η

(3)

式中：η為執(zhí)行元件總效率。

2 主動(dòng)控制所需功率與轉(zhuǎn)矩供需矛盾分析

本文中以某高速履帶車(chē)輛單輪懸掛系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)(圖1，車(chē)體質(zhì)量3t)為例進(jìn)行計(jì)算。其中，扭桿彈簧為彈性元件，同時(shí)又是平衡肘的旋轉(zhuǎn)中心。當(dāng)車(chē)輪隨路面起伏時(shí)，驅(qū)動(dòng)平衡肘繞扭桿旋轉(zhuǎn)，扭桿彈簧對(duì)車(chē)輪受到的沖擊進(jìn)行緩沖。電磁作動(dòng)器為控制力執(zhí)行元件，固定在車(chē)體上，其拉臂通過(guò)連桿與平衡肘連接。當(dāng)采用主動(dòng)控制模式時(shí)，電磁作動(dòng)器拉臂輸出的控制力矩作用在平衡肘上，調(diào)節(jié)車(chē)體與車(chē)輪之間的受力狀態(tài)。

2.1 所需功率與轉(zhuǎn)矩

由圖1(b)可知，懸掛系統(tǒng)具有復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，并受履帶松緊程度的影響。為簡(jiǎn)便計(jì)算，本文中采用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件adams進(jìn)行仿真分析。

2.1.1 參數(shù)設(shè)置

(1)路面模型

佩里曼3#越野路面是美軍坦克機(jī)動(dòng)車(chē)輛研究中心常用于測(cè)試坦克懸掛性能的一條越野路面。該路面峰-峰差達(dá)0.5m，均方根值為0.089m。由于路況差，M1A1主戰(zhàn)坦克在該路面最大車(chē)速僅為16km/h[8]。圖2為一段實(shí)測(cè)路面樣本，長(zhǎng)約153.6m。

當(dāng)路況越差、車(chē)速越高時(shí)，主動(dòng)控制所需的控制力矩和功率越高，故選擇該路面作為計(jì)算工況，越野平均速度取16km/h。

(2)主要元件力學(xué)特性

車(chē)輪剛度：根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(圖3)和多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件adams參數(shù)設(shè)置格式，按平衡點(diǎn)(輪胎壓縮量為5.09mm)將車(chē)輪剛度擬合成3次方曲線：y=2.23×1011x3。

懸掛剛度：試驗(yàn)表明，扭桿彈簧與扭轉(zhuǎn)角之間存在線性關(guān)系，考慮到限位器的緩沖作用和履帶牽拉作用，將扭桿彈簧剛度設(shè)置為圖4所示的非線性。

被動(dòng)懸掛阻尼系數(shù)：根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，取2 500N·m·s/rad。

主動(dòng)懸掛參數(shù)：天棚阻尼比取0.35，單輪懸掛的偏頻取1.25Hz。根據(jù)式(1)，控制力矩設(shè)置為：2×0.35×6.28×1.25×3000×VY(Body.PSMAR)，其中3 000為車(chē)體質(zhì)量。

2.1.2 結(jié)果分析

(1)采用不同懸掛時(shí)平順性比較

圖5為采用被動(dòng)懸掛時(shí)車(chē)體振動(dòng)加速度時(shí)域及頻域曲線。圖中表明，在給定路面、車(chē)速時(shí)，車(chē)體振動(dòng)加速度峰值最大值可達(dá)2.8g，均方根為0.44g。其中加速度峰值超過(guò)了人體乘坐車(chē)輛振動(dòng)極限標(biāo)準(zhǔn)2.5g，表明車(chē)輛的平順性差，會(huì)降低乘員的工作效能。

圖6為采用主動(dòng)懸掛后車(chē)體振動(dòng)加速度時(shí)域和頻域曲線。圖中表明，車(chē)體振動(dòng)最大加速度峰值為1.02g，均方根為0.24g。與被動(dòng)懸掛相比，最大加速度峰值與均方根值分別降低63.6%與45.5%，達(dá)到了采用主動(dòng)懸掛的預(yù)期目標(biāo)。

(2)阻尼力矩與控制力矩比較

圖7為采用被動(dòng)懸掛時(shí)減振器輸出阻尼力時(shí)域和頻域曲線。圖中表明，在給定工況下，被動(dòng)懸掛的阻尼力矩最大可達(dá)20.4kN·m，均方根為3.5 kN·m。常用阻尼力矩主要集中在5.5kN·m區(qū)域內(nèi)。

圖8為采用天棚控制算法后的控制力矩時(shí)域和頻域曲線。圖中表明，控制力矩峰值為2.84kN·m，均方根為1.16 kN·m，常用控制力矩在2.4 kN·m區(qū)域內(nèi)，且控制頻率低于2Hz。

對(duì)比主動(dòng)、被動(dòng)兩種模式下的力矩可見(jiàn)，采用主動(dòng)控制后，所需力矩遠(yuǎn)低于被動(dòng)懸掛。

(3)所需控制功率工程估算

將作動(dòng)器拉臂輸出轉(zhuǎn)矩與角速度繪制在同一坐標(biāo)內(nèi)(圖9)，可以看出兩者方向并不相同。兩者相同時(shí)，說(shuō)明作動(dòng)器提供主動(dòng)力矩，此時(shí)電磁裝置相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)；兩者相反時(shí)，電磁裝置可充當(dāng)發(fā)電機(jī)，提供阻力矩，實(shí)現(xiàn)能量回收。

將作動(dòng)器輸出轉(zhuǎn)矩與角速度相乘，可計(jì)算出作動(dòng)器控制功率(圖10)，均方根值為1.96 kW。由圖可知主動(dòng)控制時(shí)最大功率約為9.0kW。最大功率出現(xiàn)次數(shù)較少，常用功率低于6kW；半主動(dòng)控制時(shí)最大功率為12kW，常用功率低于7.5kW。

2.2 高速履帶車(chē)輛電磁懸掛所需最大功率

電磁懸掛所需最大功率是確定電磁作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)的依據(jù)之一。上述計(jì)算說(shuō)明，在給定工況下，車(chē)體質(zhì)量為3t的主動(dòng)懸掛系統(tǒng)需耗功約6～7.5kW?？紤]到電磁裝置具有短時(shí)過(guò)載能力、轉(zhuǎn)子慣性負(fù)載可充當(dāng)慣容器彌補(bǔ)控制力的不足、安裝空間、散熱條件等因素，在選擇作動(dòng)器參數(shù)時(shí)取功耗計(jì)算值的下限。假設(shè)作動(dòng)器總效率為85%～90%，根據(jù)式(3)，當(dāng)電磁作動(dòng)器的最大功率設(shè)計(jì)為8.3～9kW，最大輸出轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)為2.22～2.4 kN·m時(shí)，即可滿足主動(dòng)控制需要。

為避免重復(fù)計(jì)算，在確定其它車(chē)型電磁作動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，可采用單位質(zhì)量功耗2.77～3 kW/t的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行估算。

2.3 電磁作動(dòng)器的基本結(jié)構(gòu)

2.3.1 安裝空間對(duì)作動(dòng)器結(jié)構(gòu)的限制

由于特殊應(yīng)用環(huán)境，對(duì)懸掛系統(tǒng)作動(dòng)器的安裝空間具有較嚴(yán)格的限制，本文中研究的作動(dòng)器安裝空間約為φ300mm×140mm。與13in輪轂電機(jī)的外廓尺寸接近。

2.3.2 直驅(qū)式電磁作動(dòng)器的可行性分析

在風(fēng)力發(fā)電、輪轂電機(jī)等領(lǐng)域，直驅(qū)式電機(jī)由于省略了傳動(dòng)箱，提高了系統(tǒng)可靠性、經(jīng)濟(jì)性而被廣泛應(yīng)用。

在直驅(qū)式電機(jī)中，Protean Electric公司研制的輪轂電機(jī)是低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩電機(jī)的典型代表，其13in輪轂電機(jī)的基本參數(shù)如表1所示[9]。該電機(jī)采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，最大轉(zhuǎn)矩可達(dá)200N·m。顯然，在安裝空間限制內(nèi)，直驅(qū)式電磁作動(dòng)器無(wú)法滿足要求。

表1 輪轂電機(jī)參數(shù)

2.3.3 電磁作動(dòng)器基本結(jié)構(gòu)

電磁作動(dòng)器基本結(jié)構(gòu)如圖11所示，由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電磁感應(yīng)裝置和相應(yīng)的控制電路組成。其中，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用于對(duì)電磁感應(yīng)裝置進(jìn)行減速增矩。根據(jù)表1，如果電磁裝置采用與13in輪轂電機(jī)相似的結(jié)構(gòu)(外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu))，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的速比不小于12；而如果采用內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，速比將遠(yuǎn)大于12。

3 研制電磁作動(dòng)器的關(guān)鍵技術(shù)分析

(1) 高速比減速器從動(dòng)時(shí)易自鎖

作為越野車(chē)輛的懸掛系統(tǒng)，必須具有從動(dòng)功能，主要原因在于：高速履帶車(chē)輛行駛中經(jīng)常受到路面上石頭、土坎、雨裂及深坑等障礙物的強(qiáng)沖擊，作動(dòng)器必須從動(dòng)使扭桿彈簧發(fā)揮緩沖作用；電磁必須具有被動(dòng)懸掛的工作模式，以降低對(duì)車(chē)載電源的依賴(lài)。但是，高速比單級(jí)減速器往往不具備互逆?zhèn)鲃?dòng)功能。這樣，當(dāng)車(chē)輪驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器轉(zhuǎn)子時(shí)，會(huì)出現(xiàn)自鎖現(xiàn)象，這樣不僅會(huì)損壞變速器，也會(huì)傳遞強(qiáng)沖擊給車(chē)體，降低車(chē)輛平順性。

因此，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、可互逆?zhèn)鲃?dòng)的高速比減速器是發(fā)展電磁懸掛技術(shù)面臨的一大難題。

(2)慣性負(fù)載被放大

作動(dòng)器為盤(pán)形結(jié)構(gòu)、大轉(zhuǎn)矩對(duì)大氣隙半徑的需求，以及永磁無(wú)刷電磁裝置轉(zhuǎn)子較大的質(zhì)量，使作動(dòng)器具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。一方面，慣性負(fù)載與速比平方成正比，另一方面，車(chē)輛懸掛系統(tǒng)具有隨機(jī)強(qiáng)沖擊的特點(diǎn)，強(qiáng)大的慣性負(fù)載同樣降低扭桿彈簧的緩沖作用。因此，設(shè)計(jì)大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的電磁裝置，是發(fā)展電磁懸掛技術(shù)面臨的又一難題。

(3) 拉臂往復(fù)擺動(dòng)引起傳動(dòng)磨損問(wèn)題

由于路面起伏具有隨機(jī)性，導(dǎo)致拉臂的運(yùn)動(dòng)為往復(fù)擺動(dòng)，使減速器內(nèi)各嚙合部件發(fā)生剛性沖擊和磨損。如何及時(shí)消除磨損間隙、提高抗沖擊能力是發(fā)展電磁懸掛技術(shù)面臨的又一難題。

4 結(jié)論

車(chē)輛的應(yīng)用環(huán)境、采用的控制算法和執(zhí)行元件效率的不同，導(dǎo)致功耗的結(jié)論也不同。大速比減速器可使電磁裝置輸出的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速滿足高速履帶車(chē)輛電磁懸掛控制需要，但其可靠性、耐久性成為制約電磁懸掛工程應(yīng)用的瓶頸；設(shè)計(jì)低速、大轉(zhuǎn)矩電磁裝置和結(jié)構(gòu)緊湊、具有互逆?zhèn)鲃?dòng)功能的大速比減速器是研制電磁懸掛的關(guān)鍵。

[1] DEAKIN A,CROLLA D,SHOVILIN A，et al.Charlton, Power Consumption in Ride of a Combat Support Vehicle Slow-Active Suspension[C].SAE Paper 973205.

[2] Bernard Kempinski,Christopher Murphy. Technical Challenges of the U.S. Army’s Ground Combat Vehicle Program [R]. Working Paper,Series Congressional Budget Office,2012.

[3] KAJINO H，BUMA S,CHO J S,et al.The Futrue Development and Analysis of an Electric Active Suspension system [C].SAE Paper 2008-01- 0345.

[4] Koenraad Reybrouck, Bert Vandersmissen. ACOCAR: Ultimate Comfort and Safety Through the Energy-Efficient active Damping System of Tenneco [C].21st Aachen Colloquium Automobile and Engine Technology,2012:1-15.

[5] BRYANT A,BENO J,WEEKS D. Benefits of Electronically Controlled Active Electromechanical Suspension Systems (EMS) for Mast Mounted Sensor Packages on Large Off-Road Vehicles [C]. SAE Paper 2011-01-0269.

[6] The Research and Technology Organisation (RTO),All Electric Combat Vehicles (AECV) for Future Applications[R]. RTO TECHNICAL REPORT, TR-AVT-047,2004.

[7] 馮占宗,陳思忠,魏來(lái)生,等. 越野車(chē)輛可控懸掛實(shí)用控制算法及發(fā)展概述[C]. 2014年越野車(chē)技術(shù)分會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文,2014:463-472.

[8] HOOGTER F B,BENO J H,WEEKS D A. An Energy Efficient Electromagnetic Active Suspension System [C].SAE Paper 970385.

[9] Alexander Fraser. In-wheel Electric Motors [C].Protean Electric Ltd,UK,2010 Annual Meeting.

An Analysis on the Contradiction Between Power Demand and Supply of Electromagnetic Suspension in High Speed Tracked Vehicles

Feng Zhanzong, Wei Laisheng, Yin Yunbao, Fan Weiguang & He Lipeng

ChinaNorthVehicleResearchInstitute,Beijing100072

A calculation method of the power consumption of electromagnetic suspension is proposed, the demand-supply contradiction of electromagnetic suspension power is analyzed, and the basic structure and key techniques of electromagnetic actuator are discussed. The results indicate that the output power of electromagnetic actuator under limited space can meet the requirements of active control, but the reducer must be compact with a high gear-ratio and a function of switching to speeder when necessary in some cases, and the electromagnetic devices should have the features of low moment of inertia and high torque.

tracked vehicle; active suspension; electromagnetic actuator; power demand

原稿收到日期為2015年4月20日，修改稿收到日期為2015年6月16日。