馮占宗，　范偉光，　王　帥，　房　強，　藥凌宇

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

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高速履帶車輛電磁懸掛饋能減振器力學(xué)建模

馮占宗，范偉光，王帥，房強，藥凌宇

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

根據(jù)高速履帶車輛行駛工況，確定了饋能減振器的基本結(jié)構(gòu)，建立了饋能減振器制動力矩模型，并進行了影響因素分析.結(jié)果表明，饋能減振器輸出的制動力矩受多因素影響，不僅是懸掛系統(tǒng)運動速度的函數(shù)，同時也是振動加速度、整流回路負載的函數(shù).該饋能減振器從理論上能夠通過控制回路負載來實現(xiàn)半主動振動控制.低傳動比低轉(zhuǎn)動慣量是饋能減振器應(yīng)具備的基本特點，也是該電磁懸掛必須研究的一項關(guān)鍵技術(shù).

半主動懸掛；電磁懸掛；饋能減振器；強沖擊；力學(xué)建模

電磁懸掛是主動懸掛的一種形式.它通過控制電磁作動器輸出扭矩來調(diào)節(jié)懸掛特性，進而改善車輛平順性及操縱穩(wěn)定性[1]，具有響應(yīng)快、效率高、無污染等特點，是未來先進懸掛的主要發(fā)展方向之一[2-3].此外，電磁作動器還可以便利地充當(dāng)發(fā)電機對外輸出阻力矩，通過變阻尼實現(xiàn)懸掛系統(tǒng)半主動控制.該特點是不僅降低了可控懸掛對車載電源的依賴性，還能回收車體振動機械能，提高車輛運行經(jīng)濟性，減少戰(zhàn)時油料補給壓力[4]，符合特種車全電化發(fā)展趨勢[5]，因此是特種車理想的懸掛形式.

當(dāng)對電磁懸掛進行半主動控制時，作動器發(fā)揮饋能功能，本質(zhì)上仍是阻尼元件，本文按習(xí)慣仍稱之為饋能減振器.

本研究以某高速履帶車輛懸掛系統(tǒng)為應(yīng)用背景，根據(jù)高速履帶車輛對懸掛系統(tǒng)的要求，論述饋能減振器的原理結(jié)構(gòu)，建立力學(xué)模型，分析參數(shù)影響，為結(jié)構(gòu)設(shè)計以及臺架試驗提供理論指導(dǎo).

1　對饋能減振器基本要求

1.1懸掛結(jié)構(gòu)簡介

本文研究的高速履帶車輛單輪懸掛系統(tǒng)如圖1所示，由扭桿、減振器及平衡肘等導(dǎo)向機構(gòu)組成.其中，扭桿為彈性元件，緩和行駛裝置(履帶和車輪)在路面行駛時產(chǎn)生的沖擊.減振器為阻尼元件，用于將車體振動機械能耗散掉，它安裝在車輪上方的車體上，通過拉臂、連桿與平衡肘連接.

圖1　單輪懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

平衡肘為導(dǎo)向機構(gòu).車輪安裝在平衡肘的另一端，當(dāng)車輪隨路面起伏相對車體上下跳動時，驅(qū)動平衡肘繞扭桿旋轉(zhuǎn)中心、拉臂繞減振器旋轉(zhuǎn)中心作往復(fù)擺動.

現(xiàn)役車輛懸掛系統(tǒng)中的減振器為液壓減振器，其特性參數(shù)在行駛過程中不能調(diào)節(jié)，懸掛系統(tǒng)被稱為被動懸掛.當(dāng)用饋能減振器取代圖1中的減振器并裝配相應(yīng)的控制器時，構(gòu)成電磁式半主動懸掛.因?qū)φ駝涌刂频氖招л^大，結(jié)構(gòu)較易實現(xiàn)，受到更多關(guān)注.

1.2對減振器的基本要求

美軍常用的懸掛系統(tǒng)性能及耐久性測試路面高程差可達500 mm，均方根值約89 mm.實測表明在該路面上高速履帶車輛的越野平均車速為16～24 km/h.當(dāng)路面上有突起障礙物時，車輪受到最高沖擊加速度可達80～100 g.根據(jù)上述測試條件對饋能減振器提出以下基本要求：

1)大角度隨機往復(fù)擺動.

現(xiàn)代高速履帶車輛普遍采用低剛度大行程懸掛系統(tǒng)，使車輪在垂直方向的行程可達350～400 mm，以提高懸掛系統(tǒng)緩沖能力，減小高速越野時懸掛擊穿概率.相應(yīng)地，本文研究的饋能減振器拉臂的旋轉(zhuǎn)角度應(yīng)大于﹢40°或小于-40°.

由于車輪沿路面起伏，因此饋能減振器拉臂運動形式為往復(fù)擺動，速度大小與方向具有隨機性.這種隨機振動特性給饋能減振器結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來困難.

2)高緊湊高可靠性.

高速履帶車輛的車體與車輪之間距離較小，減振器嵌在車體上，其軸向尺寸約為120 mm；在減振器周圍，還需布置限位器等其它元件，使減振器的外廓尺寸被限制在φ300 mm以內(nèi).

高速履帶車輛為特種車輛，要求具有較高的可靠性.但懸掛系統(tǒng)所具有的大角度隨機往復(fù)擺動以及所受強沖擊特征，使減振器的可靠性設(shè)計面臨挑戰(zhàn).

3)低轉(zhuǎn)速大扭矩.

據(jù)計算，饋能減振器拉臂往復(fù)擺動的角速度低于30 r/min，而普通發(fā)電機轉(zhuǎn)速高于1 500 r/min.低轉(zhuǎn)速影響能量回收效率.

本文研究的車輛重量大、越野速度高，需要較大的控制力(矩).根據(jù)計算，每單位質(zhì)量所需最大控制扭矩約為800 N·m/t，假設(shè)車體重3 t，則需2 400 N·m 的控制力矩.

2　饋能減振器阻力矩建模

2.1原理結(jié)構(gòu)

對饋能減振器的基本要求決定了其基本結(jié)構(gòu).在電機領(lǐng)域，非直驅(qū)式結(jié)構(gòu)由于省略了傳動系統(tǒng)因而具有較高的可靠性.但在本研究中，由于有安裝空間約束，若將減振器設(shè)計為直驅(qū)式，即便是采用目前最先進的低轉(zhuǎn)速大扭矩輪轂電機技術(shù)，減振器最大扭矩也僅200～220 N·m，也無法滿足需要.因此，饋能減振器不得不采用非直驅(qū)式結(jié)構(gòu)，在拉臂與電磁裝置之間安裝傳動機構(gòu)(如圖2所示)，對拉臂輸入的扭矩進行變矩(變矩比大于12)，使之與電磁裝置的扭矩相匹配.

圖2　饋能減振器構(gòu)成簡圖

為提高強沖擊、隨機往復(fù)擺動應(yīng)用環(huán)境中傳動機構(gòu)的可靠性，本研究為傳動機構(gòu)設(shè)計了過載保護裝置以及轉(zhuǎn)子換向機構(gòu).其中，轉(zhuǎn)子換向機構(gòu)由雙超越離合器、行星輪系組成[6-7]，通過機械傳動換向，使電磁裝置的轉(zhuǎn)子無論是壓縮行程還是拉伸行程，均能保持沿同一方向旋轉(zhuǎn).轉(zhuǎn)子換向機構(gòu)消除了傳動間隙，可降低傳動機構(gòu)內(nèi)的沖擊與磨損.

此外，受安裝空間限制，電磁裝置通常采用高功率密度電機技術(shù).本文選擇永磁無刷直流電機.假設(shè)饋能減振器總效率為85%～90%，擬設(shè)計電磁裝置的額定功率約為7.5～9.2 kW.饋能減振器與車體接觸面積大，導(dǎo)熱性好，不必采用水冷卻系統(tǒng).

2.2力學(xué)建模

饋能減振器為機、電復(fù)合體，各部件的特性都將對減振器的力學(xué)特性產(chǎn)生影響.主要包括以下幾方面.

2.2.1電磁裝置制動力矩

根據(jù)永磁無刷直流電機扭矩計算公式，可得電磁裝置產(chǎn)生的制動力矩為

(1)

式中：k為電機常數(shù)；ω為電機轉(zhuǎn)子角速度；udc為整流后輸出直流電電壓；ia繞組相電流.

式(1)表明：1)電磁裝置制動力矩Te與轉(zhuǎn)子角速度ω成線性關(guān)系.轉(zhuǎn)子角速度越高，電磁裝置制動力矩越大.2)設(shè)電容或蓄電池電壓為uc，則僅當(dāng)udc>uc時回路中才能有充電電流，式(1)才成立，電磁裝置才輸出制動力矩.而udc

2.2.2慣性負載產(chǎn)生的制動力矩

懸掛系統(tǒng)受到的沖擊強度大，且傳動機構(gòu)具有較高的變矩比，因此傳動機構(gòu)中旋轉(zhuǎn)件產(chǎn)生的慣性負載不可被忽略.等效慣性負載可表示為

(2)

根據(jù)超載離合器的工作原理，離合工況由超載離合器內(nèi)外圈的速度差來決定.當(dāng)外圈(與低速端連接)轉(zhuǎn)速高于內(nèi)圈(與高速端，即電磁裝置轉(zhuǎn)子連接)轉(zhuǎn)速時，超載離合器處于接合狀態(tài)，傳遞慣性負載產(chǎn)生的制動力矩；當(dāng)外圈轉(zhuǎn)速低于內(nèi)圈轉(zhuǎn)速時，超載離合器處于分離狀態(tài)，將不傳遞制動力矩.因此等效慣性負載可表示為

(3)

2.2.3摩擦阻力矩

傳動機構(gòu)內(nèi)運動副之間因摩擦產(chǎn)生的阻力矩，記為Tf.

2.2.4饋能減振器力學(xué)特性

(4)

轉(zhuǎn)子制動力矩經(jīng)傳動機構(gòu)減速增扭后，在減振器拉臂處可獲得制動力矩：

(5)

綜上所述，饋能減振器力學(xué)特性可表示為

(6)

式中：R為整流后回路中的負載.

3　力學(xué)特性影響因素分析

由式(6)可見，影響?zhàn)伳軠p振器力學(xué)特性的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有變矩比、轉(zhuǎn)子等效半徑、整流回路負載、電機常數(shù)等.而當(dāng)確定變矩比與轉(zhuǎn)子等效半徑時，需要綜合考慮.

1)變矩比.

變矩比與電磁感應(yīng)電壓成正比，其平方與慣性負載成正比.增加傳動比，可顯著提高制動力矩，彌補電磁裝置輸出扭矩不足，并提高電磁感電壓，提高饋能效率.但較高變矩比對傳統(tǒng)傳動機構(gòu)來說，需要更多傳動級數(shù)，對于少齒差等緊湊型傳動機構(gòu)來說，增加了自鎖概率，因而高變矩比增加了傳動系統(tǒng)的設(shè)計難度.

2)轉(zhuǎn)子半徑.

如前所述，傳動機構(gòu)用于對拉臂輸入的功率進行變矩變速，使之與電磁裝置相匹配.如果提高電磁裝置的扭矩，則可降低傳動機構(gòu)的變矩比，有利于傳動機構(gòu)的設(shè)計.由于電磁力產(chǎn)生的力矩與電磁裝置氣隙半徑的平方成正比，當(dāng)前低速大扭矩輪轂電機采用了外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[8].但是，慣性負載與轉(zhuǎn)子半徑的平方成正比，采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)同樣可大幅增加慣性負載.

計算表明：假設(shè)拉臂受到的沖擊加速度8g，當(dāng)本研究中饋能減振器采用高變矩比(i=48)傳動機構(gòu)、小徑轉(zhuǎn)子(外徑φ56 mm，內(nèi)徑φ25 mm)電磁裝置的結(jié)構(gòu)方案時，拉臂因慣性負載產(chǎn)生的制動力矩為4.076 2 kN·m；而若采用低變矩比(i=9.6)傳動機構(gòu)、大徑轉(zhuǎn)子(外徑φ150 mm，內(nèi)徑φ140 mm)電磁裝置的結(jié)構(gòu)方案時，拉臂因慣性負載產(chǎn)生的制動力矩為5.712 kN·m.顯然，兩種方案的計算結(jié)果都過大，影響平順性，或降低饋能減振器的可靠性、耐久性.

所以單純增加變矩比或提高半徑并非良策.通過最優(yōu)設(shè)計可以降低慣性負載，但受結(jié)構(gòu)限制，潛力有限.采用具有輕量、大轉(zhuǎn)子特點的有刷盤式電磁裝置，或許是有效措施之一.

3)負載.

饋能減振器制動力矩與整流回路中的負載R成反比，與轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系.由于負載是一個可控制的量，因此，可通過調(diào)節(jié)負載大小來控制饋能減振器制動力矩，從而實現(xiàn)半主動懸掛控制.簡單易行的方法是：采用開關(guān)(on-off)控制算法[9]，通過控制回路的開斷來實現(xiàn)變阻尼.

4)其它.

電容或蓄電池的實際電壓也影響電磁感應(yīng)產(chǎn)生的制動力矩.當(dāng)振幅較小轉(zhuǎn)速較低時，電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電壓較低，無法完成充電，懸掛無阻尼.因此對低電壓饋能進行儲存是又一核心問題[10].

4　結(jié)束語

懸掛系統(tǒng)工作在強沖擊工況下，慣性負載對力學(xué)特性影響顯著，不利于車輛平順性及系統(tǒng)可靠性的提高，設(shè)計具有低變矩比傳動機構(gòu)、低速大扭矩、低轉(zhuǎn)動慣量電磁裝置，是提高電磁懸掛可靠性、耐久性的關(guān)鍵.力學(xué)特性表明，基于饋能減振器的懸掛系統(tǒng)，可通過變負載實現(xiàn)變阻尼，從而實現(xiàn)懸掛半主動控制.

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Force Model of Energy Regenerative Damper for High SpeedTracked Vehicles Suspension System

FENG Zhan-zong，F(xiàn)AN Wei-guang，WANG Shuai，F(xiàn)ANG Qiang，YAO Ling-yu

(China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072，China)

The structure of an energy regenerative shock absorber is described briefly according to the operating conditions of the suspension system for high speed tracked vehicles. A brake-moment model with multi-parameter is developed. It is demonstrated that the brake moment of the damper depends on its velocity, acceleration and the load of the electro circuit and therefore it is feasible to control suspension characteristics by adjusting the load of electro circuit. The load of the moment of inertia have a significant effect on brake moment while the suspension system is subjected to sever excitations, so a low-speed-ratio speed increaser and a low rotor moment of inertia motor are desired for the damper as well as with high torque characteristic.

semi-active suspension control;electromechanical suspension；energy regenerative damper；sever excitations;force model

1009-4687(2016)01-0015-04

2016-02-01.

馮占宗(1975-),男,副研究員，研究方向懸掛技術(shù).

U469.6+94；U461.4；U463.33

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