复合式电磁馈能悬架阻尼器关键技术研究

发布时间：2020-04-30 05:06

【摘要】：随着机电技术和汽车工业的不断发展,车辆的节能低碳技术成为当今研究发展的热点。在车辆各系统中,悬架系统消耗了相当可观的功率。在传统悬架系统内,这部分功率一般通过油液阻尼器以内能的形式耗散。另一方面,随着人们对车辆悬架舒适性和操纵性的要求越来越高,一些主动悬架开始不断出现在中高端车型中。然而主动悬架需要由外界输入能量来调节其动力学参数或者直接施加控制力,随之而来的是车辆悬架系统的高能耗。发展一种能够兼顾悬架舒适性、操纵性的低功耗甚至可发电式悬架成为了汽车工业的重要技术需求。在此环境下,馈能悬架技术展现出巨大的实际应用价值。其中,电磁式馈能悬架阻尼器相较液压式、液电式馈能悬架阻尼器具有能量转换过程少、响应快等优点,成为了近年来的车辆悬架技术领域的一大研究热点。本文针对直线电机式馈能阻尼器存在的一些问题,提出了采用Halbach永磁阵列作为电磁换能结构组件提高馈能阻尼器能量采集性能和最大阻尼系数的方案。在此基础上,进一步提出了一种将电涡流发生结构与电磁式能量采集装置同轴复合的复合式阻尼器技术,既可以通过电涡流效应提高阻尼器的比质量阻尼系数,又能够通过调节两组同轴永磁阵列之间的位错率拓展阻尼系数调节范围。论文的主要研究工作与创新之处如下:(1)建立了车辆悬架动力学模型,结合悬架的加速度传递率和位移传递率两个性能指标,分析了系统阻尼比对悬架舒适性和操纵性的影响。根据车辆悬架的动力学模型,采用了路面不平度模型分析计算了不同路面情况、不同车速下典型车辆悬架的能量耗散功率。研究发现,悬架的耗散功率与车辆行驶速度成正比,并且不同等级的路面对车辆悬架系统在相同的车速下的耗散功率有很大影响。(2)从悬架系统中的能流过程着手,结合电磁感应定律、磁路定律、机械振动,建立起电磁式能量采集装置物理模型,推导了相应的动力学方程和能量守恒方程,绘制并且系统描述了换能机理,同时给出了电磁换能结构的设计准则。研究发现,为提高能量采集功率,电磁换能系统感应线圈的品质常数需要尽可能大。受到换能构件间最大允许相对位移影响,电路阻尼和被动阻尼需要能够保证阻尼器行程不会超限,同时为了提高能量采集性能和拓宽阻尼调节范围,应适当降低其中的被动阻尼,提高电路阻尼。(3)提出了一种电磁式能量采集装置的集总参数等效磁路模型,并且以此为理论基础对能量采集装置磁路进行了静磁场建模和结构参数优化。理论研究发现,轴向充磁、径向充磁和Halbach永磁阵列结构的最佳永磁体厚度比分别为0.5、1和0.75,永磁体-线圈径向尺寸比分别为0.8、0.75和0.7的条件下,能够达到最大电路阻尼系数。设计了相应的馈能阻尼器线圈绕组形式和整流电路,通过COMSOL Multiphysics有限元软件计算验证了集总参数等效磁路模型,得到了三类馈能阻尼器的开路电压和阻尼性能。研究表明,经过磁路结构参数优化的Halbach永磁阵列结构在输出电性能和阻尼性能方面均明显优于轴向充磁结构和径向充磁结构。(4)提出了一种将电涡流发生结构与电磁式能量采集装置同轴复合的阻尼器结构,能够通过电涡流效应进一步提高其比质量阻尼系数。分析了电涡流发生结构对Halbach永磁阵列式馈能阻尼器最优结构参数的影响。研究发现电涡流发生结构的引入会在一定程度上对馈能阻尼器的性能产生影响,然而对电磁式能量采集装置最优结构参数的影响很小。通过解析模型获得了电涡流发生结构的最优尺寸参数。通过定义复合式阻尼器两组永磁体之间的位错率,探索了位错率对电路阻尼、能量采集性能和电涡流阻尼的影响,发现了利用对位错率的调节拓宽阻尼器阻尼系数调节范围的方法。(5)根据悬架馈能阻尼器的测试要求,搭建了相应的阻尼器试验平台,根据结构参数优化结论,制作了阻尼器原理样机。针对馈能阻尼器能量采集装置的试验测得,在相同的外形尺寸限制条件下,轴向充磁、径向充磁和Halbach永磁阵列三种磁路结构馈能阻尼器的最大阻尼系数分别可以达到202.6N?s/m、209.4N?s/m和472.8N?s/m。当直接振动激励频率为5Hz、振幅为10mm,且负载阻抗与馈能阻尼器内阻相匹配时,三种磁路结构馈能阻尼器的最大有用电功率分别约为0.9W、0.93W和2.1W。优化后的Halbach永磁阵列结构的回收电功率和阻尼性能方面均优于另外两者。针对电涡流发生结构与电磁式能量采集装置同轴复合式阻尼器样机,实验测量了不同同轴永磁阵列位错率条件下的能量采集装置输出电性能和电涡流阻尼性能,并且根据测试结果计算得到了复合式阻尼器样机阻尼系数调节范围、最大能量采集功率与位错率的关系。研究表明,在频率为5Hz、振幅为6mm的弱简谐振动直接激励下,当同轴永磁阵列位错率为1时,复合式阻尼器样机最大能量采集功率可以达到1.7W。其阻尼系数调节范围能够有效拓宽至500N?s/m到1270N?s/m,验证了提出的通过永磁阵列间位错率拓宽阻尼调节范围的方法。本文在机械结构力学及控制国家重点实验室完成。
【图文】：

示意图,车辆悬架,系统结构,悬架

复合式电磁馈能悬架阻尼器关键技术研究架系统悬架系统主要由弹性元件、阻尼元件和一套机械连杆构成，如为螺旋弹簧，它提供与悬架伸缩量成正比的弹性力，该元件也车辆悬架中，阻尼元件通常为液压阻尼器，它提供与悬架伸缩，该元件在悬架稳定状态下的作用可以忽略不计，但在悬架的；机械连杆则连接簧载质量（悬架所支撑的汽车质量）和簧下）。

悬架,液压式,原理结构

领域做了大量研究工作。上海交通大学的喻凡课题组对汽行了深入研究，，探索了馈能悬架的综合性能协调性优化方了馈能悬架的全主动和半主动两种控制方式，发表了较多龙课题组提出了将直线电机与可调阻尼减振器集成的悬新型馈能悬架方案，同时在馈能悬架的半主动控制方面也馈能悬架的设计起到了重要的指导作用[29]。武汉理工大学悬架方面进行了大量研究验证工作[35]。南京航空航天大学集技术研究，并较早地提出了 Halbach 永磁阵列、压电-电了以往采集结构能量采集效率较低、工作频带较窄的缺点看，当前研究较为热门的馈能悬架结构大致可以分为三类按此分类对三大类馈能悬架的研究状况进行进一步的阐述架出现较早，它一般由传统液压阻尼器利用液压泵原理进以液压能的形式回收储存，这部分回收的液压能能够向液能，也可以通过进一步将液压能通过驱动发电机发电转化图 1. 2 所示[49]。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U463.33

【参考文献】