车辆悬挂惯性力试验研究

车辆悬挂惯性力试验研究

在车辆的驾驶过程中，悬挂装置受到路面的激励，因此会发生变化。通过回收电装置回收部分能量，可以起到节能的作用，提高新能源车和电源的连续能力。悬挂往复运动时带动EA各个转动件来回旋转,产生一定的惯性力,进而影响悬挂的阻尼特性和幅频特性,且随惯性力的增大而增大。尽管有研究者提出存在惯性质量,但并未进一步考虑其对悬挂特性的影响1a的结构设计和悬挂动力学建模1.1电机旋转时电机转速的控制EA主要由齿轮、齿条、行星减速机和电机4个部件组成,其结构如图1所示。其中:齿轮、齿条用以将悬挂相对运动转变成电机旋转运动;行星减速机可在馈能时提高悬挂相对速度转换为电机旋转时的转速,以提高馈能能力,或在主动控制时增大电机转矩转变为悬挂间控制力时的主动力。经优化设计和参数匹配之后,电机及减速机型号分别选用MOTEC公司的HLM9607H06LN及MO-TECAPE6016。EA的部分组件参数如表1所示。1.2悬挂性能分析为分析EA中转动件产生的惯性质量对悬挂特性的影响,需建立相应的悬挂动力学模型。车辆为独立悬挂,假设质量分配系数为1,则可采用1/4车悬挂模型对悬挂性能进行分析。EA可工作于主动控制及馈能2种状态,以馈能状态为例,其合力包括机械摩擦阻尼力F根据牛顿第二定律,悬挂运动微分方程为式中:c1/4车悬挂动力学模型相关参数如表2所示。在正弦激励下,激励位移x、速度v、加速度a的表达式分别为式中:A为幅值;ω=2πf,为激励圆频率,其中f为激励频率。试验时,x、v、a分别对应悬挂相对位移、悬挂相对速度及悬挂相对加速度。2机械负荷的计算和试验2.1惯性力的计算EA的惯性力主要包括齿条等直线运动件产生的直动惯量,以及齿轮、电机转子等旋转件产生的转动惯量。以馈能工况下电机转子产生的惯性力为例进行计算。在正弦激励下,悬挂相对加速度a经齿条、齿轮及行星减速机转变成电机转子的角加速度α,带动电机转子旋转,进而产生转子转动惯量J=mr由式(5)可知:根据i的关系,电机转子经过齿轮和行星减速机传动,其惯性力矩M2.2力和位移传感器的使用将EA的摩擦力F惯性力试验过程如下:首先,将EA固定,利用控制上位机控制液压激振头产生正弦激励,并分别利用力传感器和位移传感器采集力和位移信号;然后,通过控制上位机后侧安装的数据采集仪采集数据,并存储于控制上位机中;最后,导出数据,用以计算和分析。令A=0.05m,f=0.16,0.32,0.64,0.96,1.28,1.64Hz,对应v=0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5m/s。2.2.1摩擦磨损对ea力学特性的影响EA的摩擦力主要为行星减速机内部的齿轮之间及滚珠与槽之间的运动摩擦力。在测试时,将电机拆下,只保留齿轮、齿条及行星减速机,称之为无电机EA。无电机EA试验系统如图3所示。无电机EA的摩擦力特性如图4所示。由图4(a)可知:摩擦力示功图包围的面积随v的增大而逐渐增大,表明其耗功能力在逐渐增大;摩擦力随v的增大而逐渐增大,当v=0.05m/s时F由图4(b)可知:摩擦力在v为正、负时呈反对称分布,且摩擦力随f的增大呈非线性增大;当f<0.32Hz时,摩擦力随f的增大增幅较大,这说明此时对EA力学特性的影响中摩擦力占比较大;而当f>0.32Hz时增幅较小,摩擦力趋于恒定值,说明此时对EA的力学特性影响也趋于稳定,摩擦力占比逐渐变小。这是因为前一阶段主要克服的是静摩擦力,后一阶段主要克服动摩擦力,而静摩擦力往往比动摩擦力更大。因此,当f>0.32Hz,即v>0.1m/s时,摩擦力对EA性能的影响相对较小,此时更适合发挥EA的性能。2.2.2方式对基础阻力的影响测试时,有电机EA试验系统在无电机EA的基础上加上电机,试验条件与无电机时的试验条件一致。有电机EA的基础阻力特性如图5所示。由图5(b)可以看出:基础阻力随v的增大而逐渐增大,当f=0.16Hz时F由于惯性的存在,在两端换向时存在惯性冲击,这是旋转机械式结构不可避免的现象。从图5中还可以看出:当f<0.096Hz时,惯性冲击较小,应尽量使EA工作于该条件下,以保护机械结构,延长EA各组件的使用寿命;当f=0.96,1.28,1.64Hz时,惯性冲击较为明显,其对应F由式(3)-(5)计算可得:f=0.96,1.28,1.64Hz时,a=3.64,6.47,10.81m/s3单元大小对抗衰减和悬挂带的特性的影响3.1相对位移和相对速度变化取v=0.5m/s,激励频率f=1,5,10Hz,考虑有、无惯性质量2种工况,得到EA的阻尼力与相对位移和相对速度的变化曲线,如图6所示。可以看出:惯性质量会使阻尼特性曲线产生滞环现象和相位差,且滞环现象随激励频率的增大而增大,说明惯性质量对高频的影响更大。分析其原因为:在正弦激励条件下,v与a的相位差为π/2,当相对速度v从-0.5~0m/s变化到0~0.5m/s时,相位与a相反,因此产生滞环现象。3.2惯性质量对车载垂直加速度的影响以车身垂直加速度、悬挂动行程及车轮动载荷为悬挂性能指标,其对应参量分别为为惯性质量与车轮质量比;结合式(10)可得:当m由图7(a)可以看出:在车身及车轮共振点之间的中低频段内,靠近车身共振点附近的车身垂直加速度较小,说明惯性质量对车身垂直加速度起到一定的抑制作用;而在靠近车轮共振点的中高频段,车身垂直加速度较大,说明此时乘坐舒适性较差。由图7(b)、(c)可知:惯性质量对悬挂动行程及车轮动载荷的影响趋势与对车身垂直加速度的影响趋势基本一致,均为中低频段改善、中高频段恶化。惯性质量还会使车身及车轮2个共振点提前,由于惯性质量与车轮质量更接近,因此对车轮共振点的影响幅度更大。根据ISO26314惯性质量对ea悬挂的影响在对EA的惯性质量进行理论计算及试验测试验证的基础上,进一步分析了惯性质量对EA的阻尼特性及悬挂幅频特性的影响,为合理利用或减小惯性质量的影响提供了参考。得到的主要结论如下:1)EA的惯性力主要来自于电机转子,惯性质量的试验值与理论值的误差约为13.49%,验证了理论计算的正确性;惯性质量的试验值为18.93kg,对悬挂性能的影响不容忽视。2)惯性质量会使EA阻尼特性产生滞环