汽车主动悬架用电机作动器的创新设计

汽车主动悬架用电机作动器的创新设计

0主动/半主动悬架根据控制方法，车辆的悬吊分为三种类型：被动、半开放式和主动悬吊。目前,汽车上通常采用被动悬架,由于无外部控制能量输入,弹簧刚度和减振器阻尼不可调,悬架设计时只能在不同行驶条件下折中考虑车辆的行驶平顺性和操纵稳定性(仅满足在某种行驶条件下性能最优)。随着高速公路网的发展,汽车车速有了较大提高,这种基于经典隔振理论的传统被动悬架阻碍了汽车性能的进一步提高,因而有必要推广应用性能更好的主动/半主动悬架。半主动悬架能通过消耗少量控制能量来连续调节减振器阻尼,其可调减振器主要有电磁阀和磁流变两种形式。利用电磁比例阀改变节流孔隙来连续调节阻尼的电磁阀减振器已得到较早应用,但其不可避免地存在响应性、可靠性和运行噪声等问题。近来,利用电磁线圈改变磁流变液体粘度来连续调节阻尼的磁流变减振器已得到初步应用,由于没有机械作动部件,较以往电磁阀减振器响应迅速、工作可靠且噪声降低,但耐久性、耐侯性和适应性等问题仍然有待解决主动悬架能使车辆在不同行驶条件下的行驶平顺性和操纵稳定性达到性能最优,它实质上就是在车轮和车身之间充当一个隔振或吸振器,使路面输入的随机振动机械能尽可能被抵消或吸收,从而阻碍振动机械能继续向车身传递。现已少量应用的主动悬架大多采用高压油缸式作动器,通过压力控制阀来连续调节作动器的输出力,并采用液力蓄能器来回收振动机械能,车身隔振由主动控制力和被动阻尼力共同完成。由于主动悬架主要采用液力式结构,故不可避免地存在响应慢、能耗大、蓄能效率低且液压结构复杂等不足,因而难以大批量推广应用。1悬架控制系统的工作原理针对现有液力式主动悬架普遍存在的诸多不足,提出了电机蓄能式主动悬架(简称电动悬架)的创新设计方案,该方案主要包括:滚珠螺旋传动式无刷电机作动器、电感升压蓄能式DSP控制器、主动控制律(包括主动悬架控制算法、电磁蓄能控制算法、无刷电机换相控制逻辑)等组件。工作原理:将悬架动挠度传感器所得编码信号和电机转子位置传感器所得脉冲信号输入DSP处理器,经无刷电机换相控制逻辑、电磁蓄能控制算法和主动悬架控制算法处理后,通过驱动及蓄能电路和车载电源电路,实时控制电机作动器的电动、反接制动或再生制动状态,从而主动缓冲和衰减由路面不平引起的、并由车轮传导至车身的冲击和振动,同时还将再生制动电能回收再利用。电动蓄能式主动悬架的主要特点:能在主动和半主动控制之间连续调节(仅充当半主动悬架用时,非但无须外界供电,而且还能对外发电),以使行驶平顺性、操纵稳定性和系统能耗指标得到综合优化受车辆悬架安装空间的限制,要达到预定的推力和行程,直接采用永磁直流直线电机作动器显然难以实现2过橡胶衬套与单车串联根据上述设计方案,为简化设计,选用螺旋弹簧和减振器分置结构的某中级轿车后悬架(纵臂扭转梁式半独立悬架)作为设计对象,进行电机作动器的重要结构设计和输出特性分析。电机作动器的工作原理:螺杆顶盖的螺杆部分通过橡胶衬套与车身联接,吊环内孔通过螺栓与车桥联接,这样有利于减轻簧下质量和减小对电机的振动冲击,以便改善悬架性能和延长使用寿命。在车辆行驶过程中,电机作动器随路面不平作复原和压缩运动,滚珠螺杆相对电机机座作上下直线运动,带动滚珠螺母和电机转子作正反转动,电机根据控制指令工作于电动或制动状态。当遇到较大的路面冲击时,电机作动器工作于缓冲行程:①复原缓冲行程时,复原缓冲块的导向垫圈下端面碰撞螺母座上端面,导向垫圈沿螺钉杆滑动,使腰鼓形橡胶体受力压缩。②压缩缓冲行程时,压缩缓冲块上端面碰撞螺母罩下端面,使圆台形橡胶体受力压缩,导向支承环沿滚珠螺杆滑动,以防橡胶体受压失稳后嵌入滚珠螺杆,造成压缩受阻及橡胶体破坏。2.1耐老化类耐水剂压缩和复原缓冲块通常选用多孔聚氨脂橡胶,因该材料具有密度低、压缩变形量大、承载时径向尺寸变化小、以及耐老化和耐吸水性好等优点。压缩和复原缓冲块的设计参数包括:自由/压并长度、应力/应变曲线等(略)。2.2滚珠丝杠的选择由于电机作动器用于振动加速度控制(非精密位移控制),故可选择较低成本的转造型滚珠丝杠;为提高动态响应、减小体积重量,应尽量选用大导程、小惯量、小轴向间隙的滚珠丝杠。滚珠丝杠的选型参数包括:公称型号、精度等级、基本承载和工作寿命等(略)。2.3转子安装及运行问题鉴于电动机作动器用伺服电机必须具备如下特性:①起动转矩大,过载能力强,散热条件好、经常堵转工作而不致烧坏。②随动性好,动态响应快,电气效率高,且能量易于回收。③转矩波动较小,输出特性受温度影响也较小,输入与输出特性呈线性关系,以实现精确的转矩伺服控制。④适应性强,抗振动冲击,工作稳定可靠,免维护长寿命。⑤无电气接触火花,低电磁干扰,安全防爆,低噪声。故可选用兼有直流电机调速方便和交流电机运行可靠优点的稀土永磁直流无刷电机(即永磁方波同步电机)。(1)电机基本结构选定:①永磁直流无刷电机的工作定额为负载和转速非周期变化(S9),运行方式为转矩伺服控制,冷却方式为封闭机壳表面室外风冷(ICA48),防护型式为抗振、耐热、防尘和防溅水(H级、IP54)。②为减小转子转动惯量,提高机电动态特性和工作效率,采用细长形电机结构;为充分利用电机的轴向长度,采用可插入滚珠螺杆的凸极式空心转子结构;为提高转矩控制效果,要求电枢电路断路状态下的被动转矩尽量小。③为减小因齿槽效应和磁通畸变引起的转矩波动,提高低速稳定性,采用每极每相分数槽(或斜齿槽/斜磁钢)结构。④为削弱谐波转矩、有效利用空间、改善散热条件和节省铜材,采用双层短距叠绕组;为提高工作效率、增大转矩输出和简化驱动电路,绕组采用三相全桥星形联结、二二导通和方波电流驱动。⑤为获得与检测磁场对称的信号输出,转子位置传感器采用三只锁零式霍尔开关沿圆周按互差120°电角度布置。⑥转子滚动轴承应能承受双向轴向载荷,可选一对面对面排列的角接触球轴承,并要求有足够精度的轴向间隙以提高控制响应。(2)电机主要材料选定:①为获得方波磁链以减小因谐波引起的转矩波动,以及提高转矩体积比、磁稳定性和抗电枢反应退磁能力,转子永磁瓦应选用高剩磁高内禀矫顽力型钕铁硼材料,径向磁化、磁稳定处理,并适当增大气隙或提高磁路饱和程度。②为提高导磁性和强韧性,转子导磁轴选用10#优质碳素结构钢管,导磁部分加工成型后还须磁性退火处理。③为提高导磁性和减小铁损,定子铁心冲片选用无取向冷轧硅钢片叠压而成,加工成形后还须磁性退火处理。④为提高绕组的耐热性,线圈选用聚酰胺—酰亚胺漆包圆铜线,并预埋热敏电阻以起过热保护作用。⑤为提高非磁性、强韧性和散热性,同时考虑到轻量化要求,机壳选用高强度硬铝冷拉圆管,表面进行阳极氧化处理。(3)电机电气参数确定:①由于经常处在低速过载工况的电机损耗主要为铜损,为减小铜损提高效率,应提高电压减小电流,但同时也应考虑电压的安全极限和绝缘问题,故选直流电源电压U2.4各微量元素对时间的影响对于中低速运行的无刷直流电机,可忽略绕组的电感,不考虑绕组换向过渡过程和电枢反应,仅计及各物理量对时间的平均值。故根据电机的简化运行方程组,可得电机作动器的以下输出特性。主动控制输出力被动电磁阻尼力式中,I3样品测试根据上述设计流程,试制完成了滚珠螺旋传动式无刷电机作动器,其装配结构和功能样机分别如图3、4所示。4电机作动器性能测试采用电机性能测试仪对无刷电机的电气特性进行检测(图5),根据实测值与计算值的差异,调整电机相关参数,直至改进后的实测值与计算值基本相符。所得基本电机参数有:额定电压42V、最大限流50A、最大堵转转矩6N·m、最大空载转速48r/s,并可推算出等效转矩常数0.12N·m/A等其他电机参数。采用减振器示功机和数字示波器对电机作动器的被动响应特性进行检测(图6),无刷电机端口外接三相整流桥及可调电阻回路,测试条件:试件温度20℃、往复行程38mm、最大速度1.5m/s(或最大频率12.6Hz)、最小等效电阻0.84Ω(或最大电枢电流50A),得到电机作动器在不同电阻下的速度阻力曲线(图7)。由此可见,电机作动器的能耗制动效果较好、电阻控制响应也较灵敏,但其摩擦阻尼稍大,高速时示功图空程性畸变也较明显,故传动结构还有待改进设计。另外,还有待结合主动控制律、DSP控制器等组件,通过整车模拟台架试验对电机作动器的主动控制响应和电磁蓄能特性进行测试分析,最后再通过实车道路试验检测电机作器的综合性能指标。5电机作动器结构设计(1)提出采用滚珠螺旋传动式无刷电机作动器的电机蓄能