滚珠丝杠式馈能型减振器的结构设计及参数匹配_王庆年.pdf
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1、书书书第 卷第期吉 林 大 学 学 报(工 学 版)年月 ()收稿日期:基金项目:“”国家高技术研究发展计划项目();吉林省科技发展计划项目()作者简介:王庆年(),男,教授,博士生导师 研究方向:节能与新能源汽车 :通信作者:王伟华(),男,教授,博士 研究方向:节能与新能源汽车 :滚珠丝杠式馈能型减振器的结构设计及参数匹配王庆年,刘松山,王伟华,魏昊(吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室,长春 )摘要:根据前期研究对滚珠丝杠式馈能减振器结构进行了重新设计。从所匹配的传统减振器速度力特性出发,利用概率统计的方法对悬架仿真结果进行分析。以提高馈能效率为目标,对馈能电机的峰值功率、转速以及基速
2、比进行了匹配。从结构和效率两方面对丝杠参数进行了匹配和校核。结果表明,所设计和匹配的馈能减振器满足实际使用要求,并且能够高效地回收悬架振动能量。关键词:车辆工程;馈能减振器;参数匹配;结构设计;馈能电机中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,):,:;传统阻尼器通过黏性液体流过节流孔,将振动能量转化为热能耗散,产生阻尼力,因其结构简单,安装空间小,制造成本低,得到普及应用,但受结构限制,其固定的阻尼特性已不能满足人们同时对车辆安全性和舒适性的要求。主动悬架恰恰能满足这种要求,但主动悬架是为改善车辆行驶性能进行匹配的,所以需要匹配较高功率,另外其主动控制需要各种传感器的支持,其价格高,功率消
3、耗较大,安装要求高,所以难以普及。因此需要一种在结构、成本和性能上均可替代传统减振器,同时能进行振动能量回收和主动控制的馈能型减振器。从 世纪 年代开始,学者们对悬架的第期王庆年,等:滚珠丝杠式馈能型减振器的结构设计及参数匹配振动能量回收潜力、馈能结构和控制策略等方面进行了 大量 研 究。、等通 过 理论、仿真和实验得出,在一般情况下单个阻尼器的功耗约为 左右。在馈能结构方面,电磁式馈能悬架由于效率高和动态响应快成为研究和应用的重点。在控制策略上主要考虑提高车辆性能。而对于馈能减振器的结构设计、馈能效率及参数匹配方面考虑较少。本文以提高馈能减振器可安装性和能量回收效率为出发点,从结构设计和参数
4、匹配两方面对滚珠丝杠式馈能减振器进行研究。馈能减振器结构设计滚珠丝杠式馈能减振器主要由滚珠丝杠、馈能电机及连接机构三部分组成。以往文献中研究的滚珠丝杠式馈能减振器的结构及样机通常将电机和丝杠构成的馈能减振器作为一个整体,取代传统减振器的位置。由于馈能电机的尺寸较大,因此其结构和样机尺寸都比较大,需要更多的安装空间,从而减少了悬架的动行程范围。对于悬架有限的安装空间而言,这种结构是不利的。其次,将电机置于悬架空间中,需对电机的防尘及防水作特殊处理,否则影响电机的使用寿命。对于悬架工作环境而言,将电机置于车身下方也是不利的。作者在文献 中提出了一种新型的滚珠丝杠式馈能减振器结构。丝杠通过轴端轴承座
5、与车身连接,传递悬架垂直作用力,电机置于车身上方,只承受扭矩作用,悬架的往复直线运动速度经过换向和增速之后变成电机的单向旋转运动,带动馈能电机发电,回收振动能量。这种结构将以往的馈能减振器安装长度()变成了丝杠的长度(),与传统减振器长度()相似,因此减小了安装空间,同时能改善电机的工作环境,延长电机使用寿命。经过对文献 中样机的前期实验发现,样机中的换向和增速机构会较大地增加内部摩擦阻力和系统惯量,影响能量回收的效果。因此本文对其结构进行了改进,去掉了换向和增速机构,这主要是出于简化馈能减振器的结构、减小安装空间、降低成本、降低系统惯量和内部摩擦、提高能量回收效率的目的。同时将丝杠轴端轴承座
6、与车身弹性连接,允许馈能减振器在车轮上下跳动时有一定的摆动。如图所示,对比以往的馈能减振器图新型馈能减振器安装示意图 可发现,改进后的机构能与传统减振器的安装空间相适应,满足实际的安装要求。馈能电机选用永磁同步电机()。永磁同步电机与感应电机和永磁电机相比,具有功率密度高、体积小、效率高、噪音低及安全可靠的特点。采用磁场定向矢量控制(),具有动态响应快、扭矩控制精度高等优点。采样高电压有利于减小电机工作电流,从而减小电机内阻的发热损耗,文献 中所用的馈能电机为永磁同步电机,其电压为 ,同时可以共享新能源汽车的高 压电源 作 为 其 供电 系统和能量回收储存系统。另外,馈能电机末端装有旋转变压器
7、。旋转变压器与霍尔传感器和光电传感器相比,具有价格低、精度高、抗振动性好等优点,因此更适用于悬架的振动环境。目前旋转变压器在混合动力驱动电机中得到广泛应用。旋转变压器可以为电机控制提供角度值信号(),同时能为馈能减振器的主动控制提供电机的速度信号()。由电机的速度信号可推出悬架相对直线运动速度信号,传输给悬 架 控 制 器,得 出 电 机 的 参 考 扭 矩 信 号(),实现悬架的主动控制,如图所示。本节对馈能减振器进行了结构设计,所设计的滚珠丝杠式减振器方案具有安装空间小、成本低、效率较高、适应性强等特点。通过对馈能电机的控制,能在回收振动能量的情况下,实现被动、半主动和主动阻尼特性。但本文
8、只讨论馈能减振吉 林 大 学 学 报(工 学 版)第 卷图馈能电机控制图 器的被动馈能阻尼特性,即通过对馈能电机的控制来实现类似被动减振器的阻尼特性,同时实现悬架振动能量的回收和储存。馈能电机最大功率及转速匹配为了使馈能减振器能达到传统减振器的性能,需要对馈能减振器进行参数匹配。首先必须清楚减振器的工作环境,即其工作时承受的速度和力的范围。图为一个小型 减振器的阻尼特性曲线,本文以此作为馈能电机的参数匹配的标准。图匹配的阻尼曲线 从传统减振器的速度力特性可以看出,减振器的阻尼力随着速度的增加而增加,减振器的工作速度范围为 ,压缩行程和拉伸行程的最大阻尼力分别为 和 。通过简单的计算可得,减振器
9、的最高瞬时功耗可达到,显然按此来匹配馈能型减振器电机的功率是不合适的。由电机的工作特点可知,电机在额定转速以后进行恒功率区间,即随着速度的增加,电机扭矩越来越小。如果按整个速度力区间进行匹配,电机的功率将非常大,这也是主动悬架需要匹配很大功率的电机的原因。减振器运动速度可近似分成个区间:时,相当于汽车行驶在平坦路面。时,相当于汽车承受中等强度的振动,是减振器工作的最主要区间。时,相当于汽车受到强烈冲击。在通常情况下,减振器的工作速度不会很大,而且本文主要考虑的是非极端路面下悬架振动能量的回收,不是改善非道路车辆的舒适性和安全性,因此更关注在非极端路面下减振器的速度力特性,但为了保护电机不受损坏
10、,电机的最高转速还应按极端工况下的速度来设计。也就是说,馈能电机需满足在一般路面下的速度力特性要求以及极端路面下的速度要求。建立悬架的模型,将图所示的阻尼特性输入车辆模型,以 的速度分别通过、级路面进行仿真,可得到各个路面等级下减振器相对运动速度的均值、方差和最大速度值,如表所示。表悬架模型仿真结果 路面等级相对运动速度()均值标准差最大值 由表可得减振器相对运动速度的均值近似为,在一段时间内减振器的相对运动速度随路面的输入的响应可看作是正态分布。由正态分布的概率密度表(见表)可得到在各个路面等级下减振器相对运动速度位于 的概率。表 的概率分布 ()以级路面的情况来看,取,由表可知,减振器相对
11、运动速度位于 的概率为 ,即()。因此可将级路面下,作为馈能电机满足速度力特性的最大速度点。减振器标准规定了减振器所需达到的测试速度,如表所示。第期王庆年,等:滚珠丝杠式馈能型减振器的结构设计及参数匹配表标准减振器测试条件 行程试验频率 速度()其他特殊情况 在一般情况下,减振器最高测试速度达到 即可,这个值与上文仿真结果得到的满足速度力特性的最大速度点一致。因此可将 作为匹配馈能电机功 率 的最大 速度点,再根据需匹配的阻尼特性得出最大的速度力点对应的阻尼力值,可近似计算出馈能电机的最大功率需求。由本文要匹配的阻尼特性可知,最大的力速度特 性 对 应 的 速 度 和 力 分 别 为 和 ,可
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