汽车悬架新技术

汽车悬架新型技术悬架是汽车的车架与车桥或者车轮之间的一切传力，连接装置的总称，其作用是传递作用在车轮和车架之间的力和力矩，并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，并衰减由此引起的振动（振动技术)，以保证汽车能平顺行驶。在这个过程中，车辆振动的机械能被转变为热量散发到大气中，这是对能量的一种浪费。馈能式悬架是在缓冲振动冲击力，衰减振动的同时，回收一部分振动能量的新型悬架结构。全球能源日趋紧缺，发展节能技术已成为汽车工业的重要趋势之一。车辆上普遍存在着能量的浪费现象（如制动时将动能转变为热能浪费掉，悬架阻尼器以摩擦的形式衰减车身振动等），如果能够将这些能量加以回收利用，则可以降低汽车能耗，从而实现节约能源的目的。本课题所研究的馈能式悬架正是基于这样一种思想，将原本被阻尼器所耗散的能量回收，以求在制动能量回收之外开辟一条新的汽车节能途径。对于混合动力汽车来说回收这部分能量很有意义。因为其总功率消耗相对较低，而且对于效率的要求很严格，所以需要一种能够回收振动能量的悬架系统。混合动力汽车可以直接利用悬架所回收的能量，这样可以减轻电池的质量，降低燃油消耗量。目前，大部分车辆采用的是被动悬架系统，被动悬架系统不能根据外部信号的变化而改变自身性能，为了能够在各种不同的行驶工况下工作，对被动悬架的刚度和阻尼参数的选取只能采用折衷的办法。由于不能主动适应车辆行驶工况和外界激励的变化，被动悬架系统较大地制约了车辆性能的进一步提高。馈能式悬架的阻尼系数可以根据实际需要实时控制，而且，馈能元件还可以当作作动器使用，这样就可以实现悬架系统的主动控制。近年来随着电子技术的迅速发展，车辆的电气化程度越来越高。馈能式悬架技术的发展不但能为底盘一体化提供许多新思路，同时该技术还能为未来车辆悬架系统电动化提供必要的设计依据。因此，开发这样一套既能够节约能源，又可以相对提高车辆性能的悬架系统，成为一个具有实际意义的研究方向。上个世纪九十年代，国外许多学者就开始了对馈能式悬架的研究。馈能式悬架的结构形式有很多，比如在传统液力主动悬架上进行改造，将簧载质量与非簧载质量的相对直线运动转变成电动机转子的转动，采用混合悬架结构（HybridSuspensionSystem）以及可变线性传动系统（VariableLinearTransmission）等。但是到目前为止，该技术的研究状况还不足以满足商业应用的要求。根据现有的相关研究文献，只有少数研究机构在具体试验上取得了实质性成果。2.1馈能悬架的可行性分析。许多学者都曾经分析过馈能悬架的可行性，一些人将注意力集中在节约悬架主动控制的能量消耗上，其中一些学者通过对馈能悬架能量回收系统的基本原理及结构的研究，提出了许多切实可行的方案，同时证明了馈能悬架具有实际应用的价值。一些日本学者在电磁式主动悬架可行性的研究方面取得了很多成果。他们通过仿真和实验证明了，主动悬架的控制力所需的能量完全可以由悬架能量系统提供，这样主动悬架系统将不再需要外部能量的输入。也有学者曾经对货车悬架系统做过研究，得出同样的结论，即对于货车的主动悬架，如果采用带有能量回收功能的主动悬架，则可以在不需要外界能量输入的情况下实现悬架的主动控制，从而提高车辆的燃料利用率。也就是说通过这一技术，可以实现在不增加油耗的情况下提高车辆性能。这也可以理解为，从另外一个角度降低了燃油消耗量。有学者曾经做过如下仿真研究。研究中采用单轮车辆模型，用磁场和线圈之间的相对运动来回收振动能量。模型的概况，路面输入情况如图2.从数据中我们可以发现，能量回收装置的瞬时功率很高，具有一定回收的价值，而且也有可能被回收。2.2馈能式悬架的应用实例。从上个世纪末到本世纪初，美国德克萨斯大学在军用车改装项目中将电磁式阻尼器安装在HMMWV上进行实车试验，悬架系统结构。该系统能够回收，储存并统一管理电能，同时在整车的操控及动力性能上也有很大提高。当车辆在粗糙路面上行驶时会大幅度减小滚动阻力，提高车辆行驶平顺性及行驶速度，性能对比如图4.德克萨斯大学在研究过程中，对实验所用悬架系统结构及控制算法都做了周密的设计。但是，由于该实验的主要目的是军用车辆的性能改进，所以研究人员将注意力放在提高动力性和行驶平顺性上，在节能方面还有很大潜力可以继续挖掘。Bose公司在2004年宣称，其开发的电磁式悬架系统能利用直线电机在抵消道路冲击的同时回收部分振动能量。直线电机取代了弹簧与减振器，其内置线圈与磁铁。Bose直线电机和悬架系统如图5.线圈通电后可使悬架总成依簧载质量和非簧载质量的相对位置的不同而伸张或收缩。当悬架总成收缩时，直线电机以发电机模式工作，将产生的能量回送给功放器。从总体上看，无论在国内还是国外，悬架能量的回收都是一个相对较新的研究领域，从事这方面研究的学者还比较少。目前国内外大部分学者在对馈能悬架的研究过程中，主要将注意力放在提高悬架系统性能上，即将其当作一种新型的主动悬架结构来研究。馈能悬架在节能方面同样具有得天独厚的优势，仍有很大潜力可以继续挖掘。在研究过程中仍然存在很多亟待解决的问题，如个别方案作动器成本昂贵，能量回收效率不高等。通过以上分析可知，在目前现有的路面条件及城市实际工况车速的条件下，馈能悬架具有一定的应用价值。本章将根据车辆实际运行条件设计一种能够回收振动能量的悬架系统模型，将原本应被耗散掉的车辆振动机械能转变为电能，提供给混合动力汽车使用。3.1电磁式馈能悬架结构方案。设计馈能悬架的中心思想就是用一个能量回收装置，替代传统悬架上的阻尼器，再使之与弹性元件并联，构成悬架系统。这样能量回收装置就可以将原本应被阻尼器所耗散掉的能量吸收，起到节能的目的。对悬架的能量回收，学者们用过很多种不同的方法。比如在传统液力主动悬架上进行改造，将簧载质量与非簧载质量间的相对直线运动转变成电动机转子的转动，采用混合悬架（HybridSuspensionSys-tem）结构以及可变线性传动系统（VariableLinearTransmission）等。这里主要介绍一种电磁式馈能悬架。普通悬架系统由弹簧，阻尼及导向机构构成。电磁式馈能悬架的弹簧及导向机构与传统悬架相同，能量回收装置替代了传统的阻尼器。从本质上来讲，相当于簧载质量与非簧载质量上分别固定线圈与磁场，两部分用机械传动机构相连。此处的连接方案选择有很多种，比如采用直线电动机，或用齿轮齿条机构连接转动电动机等。电磁式馈能悬架的结构。在各种电磁式馈能悬架能量回收方案中，将直线运动转变为转动的能量回收系统结构简单，易于操作。在实验研究的初期适于使用此方案。当簧载质量与非簧载质量之间发生相对运动时，通过机械传动机构可以将这部分振动转变为线圈与磁场之间的相对运动。根据法拉第电磁感应定律，闭合线圈中的磁场强度发生变化时，线圈内就会产生感应电流。通过选取合适的充电电路，并对其进行适当的参数匹配就可以将这部分振动能量回收。这种方案同样存在一些缺点，比如一些个例在将簧载质量与非簧载质量间的直线运动转变为发电机转子的转动时需要采用齿轮变速机构，这样就使得阻尼系数与齿轮的传动比的平方有关（有些方案在齿条与电动阀点击之间安装一套齿轮调速机构）。由于齿轮传动比的作用，导致给定的系统阻尼系数会有所增加，同样直线运动转变为转动的能量回收系统所能回收能量的潜能也与这个传动比有直接关系。直线运动转变为转动的能量回收系统另一缺点就是受传动系内部间隙的影响，该系统对高频信号的频响函数不为零。为了使相对很小，传动器各零件之间的间隙必须相当小。但是在实际应用中各零件间的间隙不可能无限小。因此为了弥补这一不足，有学者设计了混合悬架系统。两自由度直线运动转变为转动的能量回收系统及混合悬架系统结构。根据分析结果显示，混合悬架系统的响应特性和普通的线性系统响应特性相同。虽然悬架系统的高频响应特性问题得到了解决，但是附加的弹簧-阻尼系统会阻碍路面的振动传递到能量回收装置，而且附加的阻尼同样会耗散能量。更重要的是，两部分阻尼所产生的运动耦合很难分析。因此这种结构的实际应用也受到了一些制约。3.2齿轮齿条式馈能悬架结构设计。纵观几种可选的馈能悬架结构方案，电磁式馈能悬架是很适于实际应用的一种方案，本文在研究中采用齿轮齿条机构将直线运动转变为电动机转子转动的电磁式馈能悬架结构。馈能式悬架的机械传动机构。用连杆将电动/发电机固定在簧载质量上，齿条连接在非簧载质量上，齿轮与电动/发电机转子相连。齿轮与齿条啮合后，电动/发电机及齿轮齿条机构整体构成馈能悬架的馈能元件。齿轮齿条机构将簧载质量与非簧载质量间相对直线运动转变为电动/发电机转子转动，同时将扭矩转变为作用力，电动/发电机将机械能转变为电能，之后将这部分能量传递给充电电路及动力总线，此时馈能元件起到能量回收和可控阻尼的作用。当悬架系统需要主动控制时，充电电路及动力总线向电动/发电机放电，电动/发电机输出扭矩，经齿轮齿条机构传动将扭矩转变为作用在簧载质量与非簧载质量间的垂直作动力，此时馈能元件起到作动器的作用。在这个系统中，齿轮齿条机构将直线运动转变为转动，将扭矩转变为直线作用力。该机构在能量传递过程中起到了关键作用，其工作效率及精度是整个系统能否正常工作的直接影响因素。因此在设计过程中要对齿轮齿条机构的强度，几何尺寸，啮合精度及传动比等因素进行周密的计算。本文中所建模型齿轮齿条机构中没有齿轮调速机构，故传动比为1（传动比的设计对电动发电机的选型有很大影响）。当传动比和齿轮直径发生变化时，该机构将直线运动转变为转动和将扭矩转变为作用力的能力是截然不同的，导致系统正常工作所需要的电动发电机参数也千差万别。齿轮齿条机构的设计是整个馈能悬架系统设计的基础，为馈能悬架的设计提供了必要的基础数据。这种能够回收车辆振动能量的悬架系统，在该悬架中车身垂直振动的机械能经齿轮齿条机构，转变为电动/发电机转子的动能，之后将这部分能量转变为电能，输出给充电电容。通过对整个系统各个元件的参数匹配，满足了发电机输出的电压在绝大多数时刻大于充电电容电压值的条件，确保了馈能悬架系统作动器始终处于正常工作状态。作为对馈能式悬架的初步研究，本文对馈能悬架的各种方案进行了介绍，并着重对齿轮齿条式的馈能式悬架进行了分析。虽然馈能悬架模型已经能够满足最初的设计要求，但是仍然有很多可以继续开发的地方。在今后的研究工作中应当着眼以下重点。（1）优化馈能元件。减小电动/发电机的体积，提高馈能元件所能提供的最大阻尼系数。（2）建立馈能悬架结构模型，并进行结构仿真。优化悬架结构，提高馈能元件的连接机构工作稳定性及啮合精度，达到一定的可靠度和耐久度，确保其在恶劣的条件下能够正常工作。（3）对馈能悬架作动器及充电电路进行优化。提高系统能量回收效率，平滑悬架阻尼特性曲线，稳定电动/发电机输出的电压，减小对充电电容的冲击。（4）建立馈能悬架与混合动力汽车复合电源间的接口。（5）将主动悬架的控制逻辑加入馈能悬架的控制算法中，提高悬架系统性能，同时降低整车燃油消耗量。（6）开展馈能悬架及整车实验。装备了磁性流体减震器AudiMagneticRide的德尔福还可根据客户要求提供整套半主动系统，包括减震器，支杆，传感器及控制器。德尔福的目标是降低MagneticRide的制造成本，扩大该设备在批量销售车型中的使用。通过努力降低成本，该公司还计划将MagneticRide扩展使用到汽车悬架减震系统以外的领域，据说可应用于引擎支架（液体吸入密封支架）及卡车化油器支架部分，它的作用还不止如此，医学研究者已利用这种技术制造出人造膝盖。随着人们对车辆乘坐舒适性要求的不断提高，悬架振动控制问题逐渐成为车辆动力学研究的重要内容，能够实现阻尼力可控，使悬架特性可自适应于路面变化的半主动磁流变流体减振器在车辆悬架系统上的应用必将受到广泛关注，也将成为今后车辆悬挂技术发展的主流方向之一。