汽车悬架系统的研究与应用

汽车悬架系统的研究与应用

随着传统能源消耗的增加和自然环境的恶化，能源和环境已成为人们关注的焦点。作为国民支柱产业,车辆行业对能源与环境有着举足轻重的影响,当前车辆技术正朝着电动化、智能化以及网联化方向发展,节能环保已成为车辆技术发展的重要主题悬架系统是车辆的关键部件,是保证车辆行驶平顺、操纵稳定的重要装置,但传统的悬架只能被动减振,越来越无法满足车辆技术快速发展的高性能和高能效需求,因此,主动悬架、馈能悬架技术逐渐成为研究热点。主动悬架是指悬架系统的刚度和阻尼能根据车辆的行驶条件(车辆的运动状态和路面状况等)进行动态自适应调节,使悬架系统始终处于最佳减振状态。主动悬架具有可控制车身高度、提高通过性,兼顾汽车平顺性与操稳性等优点馈能悬架技术是指悬架具有将车轮行驶过程中产生的振动能量进行一定量回收、存储并加以利用的能力本文将对馈能悬架的发展历程及研究现状进行详细阐述,并探究馈能悬架发展的技术难点,为馈能悬架技术的进一步发展指明方向。1屋顶技术的发展和研究现状1.1馈能悬架的研究历程对照全球工业文明的发展进程来看,馈能悬架技术的发展历程与之相似,悬架馈能的实现途径从机械式馈能发展到电磁式馈能,未来有望向智能化的方向继续发展。自20世纪70年代末,国外学者们就率先在理论方面对车辆悬架的振动能量耗散问题和回收可行性展开了研究。加利福尼亚大学戴维斯分校的Karnopp20世纪80年代末,国外开始对馈能悬架技术进行更加实际的研究开发和工程应用,研究重心从机械式馈能悬架逐步转移至电磁式馈能悬架。这就不得不提到Bose公司的创始人AmarGBose博士荷兰埃因霍芬理工大学的学者Gysen等来自印度的Vijayakumara等在20世纪80年代末,馈能悬架的发展不仅仅是结构形式的转变,为了使悬架系统的馈能效率更加高效,控制方式也由原来的被动控制慢慢转变为半主动及主动控制。日本东京大学的Suda等近几年,随着各种材料技术的飞速发展,也给馈能悬架技术带来更多的选择。来自卡西拜纳瓦尔工程学院的Kumavat等中国学者在21世纪初开始对馈能悬架技术展开研究,并在该方向的研究热情不断升温。2005年,喻凡等1.2大学的王丽阳悬架系统的革新与技术应用由馈能悬架技术发展历程可见,馈能悬架技术由最初的理论分析到现在多种多样的结构出现,技术已越来越成熟,且应用对象也不仅仅局限于传统汽车。西南交通大学的王鹏电动汽车作为新能源汽车发展的重要方向,车辆电动化后驱动系统、制动系统等装置的改变会带来车辆结构及性能的变化,因此其悬架系统的改进与技术革新至关重要。重庆大学的王艳阳悬架系统的革新离不开悬架控制技术的提升,对于主动悬架,没有好的控制,也便无法达到很好的主动需求,而对于馈能悬架,控制以及能量存储技术则至关重要。江苏大学的陈龙及其团队在馈能悬架控制技术方面有了较为深入的研究,先后针对馈能悬架系统提出了自适应离线神经网络逆控制2电磁馈能悬架馈能悬架按照不同的分类方式可以有不同的分类。按照馈能悬架回收能量的方法可分为:压电储能式压电式馈能悬架是基于传统的悬架结构,在弹簧与车身连接处安装压电材料,利用压电材料的压电效应将路面冲击引起的振动能量转化为电能并吸收。在20世纪末,Umeda等液压式馈能悬架利用液压泵的原理,将悬架振动的机械能以液压能的形式回收并进行存储。Wendel等电磁式馈能悬架的原理是用电磁作动器悬架的结构不仅取决于回收能量方法的不同,单就电磁馈能悬架而言,不一样的运动转化装置又可以将电磁馈能悬架分成不同的类别。电磁式馈能悬架因其结构布置紧凑、馈能效率较高等优点目前被广泛使用,根据电磁式馈能悬架的不同运动转化装置,还可再细分为直线电机式直线电机式馈能悬架传动效率较高,可直接利用悬架的直线往复运动进行馈能,但质量较大、磁场强度不足且馈能效率一般。通过北伊利诺伊大学的Gupta等“摆臂+旋转电机”式馈能悬架(图5),这是由沃尔沃公司联合瑞典皇家理工学院学者Jonasson等“齿轮齿条+馈能电机”式馈能悬架,其中的齿轮齿条是一种用于直线运动和旋转运动相互转化的传动装置,其传动效率高、可承受速度大、成本低,但该结构安装尺寸较大,不适用于普通车辆。德州学院的杨和利“液压马达+馈能电机”式馈能悬架又被称作液电式馈能悬架,是由液压式馈能悬架演变而来,在液压式馈能悬架的原有结构上加装了液压马达和馈能电机,液体推动液压马达旋转进而带动电机发电,如图6所示。通过调节对电机施加的外界负载可以改变系统的阻尼特性,相比于传统的液压式馈能悬架,液电式馈能悬架能够有效解决液压能量不易存储和二次利用的缺点。液流通过换向阀之后,悬架的往复运动就会转变为液压马达的单一旋转,并且带动馈能电机单向旋转,这样就可以清除馈能电机的正反转,提高悬架的馈能效率并延长电机寿命。西安科技大学的寇发荣等“滚珠丝杠+馈能电机”式馈能悬架,滚珠丝杠同样也是一种能在直线运动和旋转运动之间进行高效转化的机械结构,但是整个悬架需要电机的配合才能完成工作。由于该类型悬架的工作特性、定位精度、响应特性、形状尺寸及馈能效率等方面均优于上述几种结构,因此在21世纪初上海交通大学的喻凡等3技术的困难和发展方向3.1馈能悬架存在的技术难点馈能悬架是一种新型减振系统,涉及机械设计、电机控制、能量回收、能量存储及系统协调控制等多方面的知识,通过对近四十年国内外关于馈能悬架文献的研究发现,馈能悬架至今仍难以产品化主要原因是存在如下四点技术难点。3.1.1汽车悬架的运行提到馈能悬架就离不开主动控制,因为一般馈能悬架也都是具有主动性能的悬架。悬架的馈能技术是依靠采集悬架上下往复运动的动能转化为电能或液压能来进行存储和二次利用,而主动控制又需要在某些特定的时刻或路面状况下对悬架的上下运动进行控制,抑制车辆的振动,因此这便造成了不可避免的一对矛盾。通过深入了解可以发现该矛盾主要会产生两个问题:一方面难以实现主动控制与被动馈能的全程同时工作;另一方面电动机与发电机的工作转换也难达到完全的无缝高效,在实际运用过程中会有一定的时滞性,不利于馈能悬架的高效工作。燕山大学的崔丹丹3.1.2馈能悬架系统的原理该现象指的是发电机在工作过程中出现的短暂零供电情况,对于同时具备发电机和电动机的馈能悬架系统而言就是电动机驱动发电机的转速低于发电机的最小工作转速;对于采用直线电机的馈能悬架系统,即悬架的运动速度较低,馈能电机的反电动势低于电池电压,不产生电枢电流,减振器输出的阻尼力为零。针对这一现象,湖南大学的周创辉3.1.3低馈能电压存储车辆在行驶过程中,多数还是在较为平坦的路面,因此悬架振动幅度不大,馈能装置由此产生的馈能电压也便很小。储能装置一般都有一定的电压阈值,只有超过此阈值才能进行充电储能。馈能悬架在平坦路面下的馈能电压很小,无法满足充电储能需求,需考虑如何提高馈能电压或降低储能装置电压阈值,以实现更好的能量回收和存储。针对这一问题,不少学者都提出了一定的解决方法,诸如江苏大学的陈龙等3.1.4馈能悬架系统整体控制技术研究尚属空白到目前为止,诸多学者对馈能悬架的工作原理、结构设计、可行性分析、能量回收存储及馈能影响因素等方面展开了理论研究,但完成系统设计、试验测试乃至实车试验工作的极少。这一方面是因为馈能悬架技术还远未成熟,除了上述三个关键技术问题之外,系统的整体控制技术也仍在摸索中,虽有很多学者都提出了各自的整体控制策略,但实际效果还有待进一步深入研究和验证,这也是制约馈能悬架技术进一步发展的关键技术问题;另一方面,目前研究的馈能悬架结构均较为复杂,装置占用空间大、质量重,不利于实车的安装及后续的测试,因此如何将馈能悬架集成化和轻量化,将直接影响到其实际的试验测试和应用状况,甚至产品化前景。3.2馈能装置的改进和发展方向随着科学技术的不断发展,伴随先进的传感器、电控单元、机械元件、功率器件、储能装置、车载总线以及新型供电电源等技术的不断出现,将使馈能悬架技术在车辆上的应用成为可能,并为馈能悬架在车辆上的普及提供技术支持和保障。馈能悬架要进一步发展,并最终能够实现产品化,首先必须要具有可观的馈能效果,否则一切无从谈起。悬架的能量回馈应以能够实现主动控制能量自给为基本目标,并努力向在满足自给情况下有富余能量存储的方向发展。如何提升馈能悬架装置的能量回馈效率,并保证高效的能量存储将是该领域亟须解决的首要任务。在提升馈能效率方面,可考虑从馈能装置的结构改进、材料选择、参数优化等方面着手;在保证高效能量存储方面,改进馈能电路设计、提高馈能电压的增压装置、超级电容的应用等已成为重要的研究方向。集成化和轻量化是当前车辆技术发展的重要方向,也是衡量车辆技术发展水平的重要指标。悬架作为支撑车身并缓和路面冲击的重要装置,其集成化和轻量化要求也将很高。悬架位于车身与车轮轴之间,空间较为紧凑,若悬架体积过大将不利于布置且易引起运动干涉,若悬架质量过大则会加大簧载质量,不利于车辆整体性能的提升,因此悬架装置应尽量避免体积和质量过大,但当前研究的诸多馈能悬架结构均存在该问题。采用电磁直线作动装置的馈能悬架将是解决这一问题的重要突破口,电磁直线作动装置结构紧凑、无须运动转化装置、电磁特性优异,相比其他结构馈能悬架在集成化和轻量化方面有重大优势,若能解决其馈能效率稍低的问题将会成为馈能悬架结构的重要发展方向。随着车辆电动化和智能化的发展,车辆的整车系统控制将越来越智能,而各部件也将作为执行装置统一受车辆系统调控,以使得车辆能够在不同工况不同环境下发挥最佳状态。悬架系统因为有了主动和馈能特性也将加入到智能控制部件的范畴,因此悬架系统在智能化的大方向发展过程中,除了要攻克自身主动控制与被动馈能的协调控制技术难题之外,还要考虑悬架系统与整车控制系统的匹配问题,这也将是车辆悬架系统发展过程中必然要面对和需要解决的问题。4馈能悬架技术发展现状在车辆技术电动化、智能化发展的大趋势下,悬架系统也在发生着重要改变,其中馈能技术为悬架系统发展的一大重要方向。由分析可知,馈能悬架技术的发展一方面有利于提高车辆的能源利用率,另一方面可有效解决主动悬架额外耗能的问题,从而