孫富權(quán)+馬思順
摘 要:對(duì)帶有新型饋能減振器及空氣彈簧的新型饋能懸架系統(tǒng)進(jìn)行了研究,在MATLAB/Simulink中進(jìn)行了建模與仿真。首先文章建立了時(shí)域路面不平度的仿真模型以提供模仿路面不平度給懸架系統(tǒng)所帶來(lái)的刺激,然后分別建立了空氣彈簧的仿真模型,進(jìn)而建立了饋能懸架的仿真模型。對(duì)所饋能懸架系統(tǒng)進(jìn)行仿真,得出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。計(jì)算在不同等級(jí)路面及不同速度下懸架系統(tǒng)的車(chē)身加速度的均方根值,對(duì)新型懸架系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。
關(guān)鍵詞:路面不平度;空氣彈簧;饋能;懸架;仿真模型
中圖分類(lèi)號(hào):U463 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):2095-2945(2017)33-0007-03
隨著能源問(wèn)題的不斷加劇,各國(guó)紛紛出臺(tái)法令限制汽車(chē)尾氣的排放和鼓勵(lì)新能源汽車(chē)的發(fā)展,節(jié)能已經(jīng)變成汽車(chē)設(shè)計(jì)(特別是電動(dòng)車(chē)設(shè)計(jì))中的首先需要考慮的目標(biāo)之一。面對(duì)解決供能成本與能量利用效率的問(wèn)題,“饋能”這一概念應(yīng)運(yùn)而生。所謂“饋能”就是將汽車(chē)散失掉的能量回收進(jìn)行二次利用以達(dá)到降低供能成本和提高能量利用效率的目的。
汽車(chē)懸架是一個(gè)含有阻尼和彈性元件的非線(xiàn)性振動(dòng)系統(tǒng),在發(fā)動(dòng)機(jī)和路面不平度等振源的刺激下會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)振動(dòng)。在傳統(tǒng)的汽車(chē)懸架系統(tǒng)中,這部分由于隨機(jī)振動(dòng)而產(chǎn)生的機(jī)械能會(huì)被減振器以熱能的形式耗散掉。許多學(xué)者研究表明由減振器阻尼力所產(chǎn)生的能耗在汽車(chē)的總能耗中占有很大比重(約占20%左右),可是這部分振動(dòng)能量卻一直未能引起人們的關(guān)注從而對(duì)它進(jìn)行利用[1]。懸架作為保證汽車(chē)平順性與舒適性的主要組成部分,在回收能量的過(guò)程中其力學(xué)特性也是值得關(guān)注的。進(jìn)行實(shí)物建模的話(huà),經(jīng)歷時(shí)間長(zhǎng)、成本高,計(jì)算機(jī)仿真建模耗時(shí)短,成本低,使得產(chǎn)品的研發(fā)費(fèi)用與效率大幅度的提高。利用MATLAB/Simulink仿真軟件可以建立數(shù)學(xué)模型對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究,并分析懸架系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)。
1 氣動(dòng)式饋能懸架系統(tǒng)模型
1.1 氣動(dòng)式饋能懸架系統(tǒng)工作原理
氣動(dòng)式饋能懸架系統(tǒng)主要由空氣彈簧、空氣彈簧閥、進(jìn)排氣閥、壓力傳感器、單向閥、高壓氣罐、氣動(dòng)饋能馬達(dá)、干燥劑、空氣泵和儲(chǔ)氣罐組成。當(dāng)汽車(chē)行駛過(guò)程中受到路面刺激,底盤(pán)發(fā)生振動(dòng)時(shí),空氣彈簧由于瞬間的位移變化,內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生高壓氣體,高壓氣體通過(guò)單向閥進(jìn)入高壓儲(chǔ)氣罐進(jìn)行穩(wěn)壓后驅(qū)動(dòng)饋能氣動(dòng)馬達(dá),產(chǎn)生電能經(jīng)過(guò)調(diào)理電路儲(chǔ)存到蓄電池中,氣動(dòng)式饋能懸架的工作原理如圖1所示。
1.2 二自由度1/4饋能懸架車(chē)輛模型
運(yùn)用車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型建立了1/4車(chē)體半主動(dòng)饋能懸架2自由度模型,通過(guò)已建立的白噪聲時(shí)域路面不平度仿真模型仿真其路面刺激在時(shí)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)仿真。通過(guò)仿真我們可以得到裝有饋能減振器懸架系統(tǒng)的車(chē)身加速度,車(chē)身加速度的均方根值可以作為評(píng)價(jià)懸架系統(tǒng)的平順性的性能指標(biāo)。
根據(jù)相關(guān)的力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)可以得1/4車(chē)輛模型的運(yùn)動(dòng)方程如下所示:
(1)
根據(jù)饋能懸架空氣彈簧的力學(xué)特性數(shù)學(xué)模型如下所示:
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
式中,A0表示空氣彈簧平衡時(shí)的有效面積;β表示為空氣彈簧有效面積隨高度的變化系數(shù);x表示空氣彈簧的高度;V0表示空氣彈簧平衡時(shí)的有效容積;α表示空氣彈簧有效容積隨高度的變化率;x表示空氣彈簧的高度。p為終了狀態(tài)氣體壓力;P0為初始狀態(tài)氣體壓力;Pa為大氣壓;V為終了空氣彈簧有效容積;γ表示氣體多邊指數(shù),與氣體的熱量系數(shù)相關(guān)。
通過(guò)仿真我們可以得到裝有饋能懸架系統(tǒng)的車(chē)身加速度,車(chē)身加速度的均方根值可以作為評(píng)價(jià)懸架系統(tǒng)的平順性的性能指標(biāo)。
1.3 饋能懸架的MATLAB/Simulink模型
饋能懸架系統(tǒng)模型主要由三大部分組成,分別是白噪聲路面不平度輸入模塊、空氣彈簧子系統(tǒng)模塊,饋能減振器子系統(tǒng)模塊。饋能懸架系統(tǒng)的仿真模型如圖3所示。
2 仿真與結(jié)果分析
汽車(chē)的平順性主要是用來(lái)評(píng)價(jià)汽車(chē)在行駛途中,由于路面不平度刺激所帶來(lái)的沖擊和振動(dòng)對(duì)載乘人員舒適性的影響,所以平順性可以由乘員主觀(guān)感受進(jìn)行判斷,對(duì)于載貨汽車(chē)還包括保持貨物不受損壞的能力,汽車(chē)的平順性是現(xiàn)代高速汽車(chē)的重要性能之一。而客觀(guān)評(píng)價(jià)法主要是采用車(chē)身加速度的均方根值來(lái)評(píng)價(jià)汽車(chē)的平順性[4,5]。其具體計(jì)算方法如式(9)計(jì)算函數(shù)的加權(quán)加速度均方根值:
(9)
分別對(duì)饋能懸架系統(tǒng)輸入A、B和C級(jí)路面30km/h、60km/h和90km/h的白噪聲路面不平度波形作為饋能懸架的路面刺激進(jìn)行仿真,模擬車(chē)輛在A、B和C級(jí)路面分別以30km/h、60km/h和90km/h行駛的情況。從而得出饋能懸架的簧上質(zhì)量(車(chē)身質(zhì)量)的加速度波形及數(shù)據(jù),進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行平順性的評(píng)價(jià)。通過(guò)仿真結(jié)果得出氣動(dòng)式饋能懸架在A、B、C級(jí)路面均滿(mǎn)足汽車(chē)平順性要求,仿真結(jié)果如圖4、圖5、圖6所示。
3 結(jié)束語(yǔ)
此處我們通過(guò)本文對(duì)饋能懸架系統(tǒng)的建模,將不同等級(jí)路面及不同速度的路面不平度仿真波形輸入對(duì)饋能懸架系統(tǒng)進(jìn)行仿真,可以得出所設(shè)計(jì)的氣動(dòng)式饋能懸架系統(tǒng)具有機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單和平順性較好等優(yōu)點(diǎn)。
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