作動器慣性質(zhì)量對主動懸架幅頻特性的影響

慣性質(zhì)量對磁阻尼器性能的影響與傳統(tǒng)的被動懸浮設(shè)備相比，主動懸浮式支架可以顯著提高懸掛的振動抑制能力，提高車輛的乘坐舒適度。這是未來懸浮設(shè)備的發(fā)展方向。現(xiàn)有的研究成果中,文獻(xiàn)[7]~文獻(xiàn)[9]中以滾珠絲杠式饋能懸架為研究對象,對饋能阻尼器的等效慣性質(zhì)量對其阻尼特性和幅頻特性的影響進(jìn)行了理論和試驗研究;文獻(xiàn)[12]和文獻(xiàn)[13]中針對一種多級盤型電機(jī)和周轉(zhuǎn)齒輪結(jié)構(gòu)的作動器,考慮了慣性負(fù)載產(chǎn)生的制動力矩并提出了其等效計算方法,定性分析了慣容對平順性、最大控制力和耐久性的影響;文獻(xiàn)[17]中設(shè)計了一種基于滾珠絲杠和永磁同步電機(jī)的調(diào)諧慣性質(zhì)量電磁換能器,并仿真分析了慣性質(zhì)量對能量回收效果的影響;此外,考慮到慣性質(zhì)量與慣容器本質(zhì)上的一致性,還有文獻(xiàn)研究了慣容器在反共振隔振器和主動吸振器等隔振系統(tǒng)中的應(yīng)用本文中以齒輪齒條式作動器為研究對象,從理論上分析了慣性質(zhì)量對主動懸架幅頻特性的影響,并通過臺架試驗進(jìn)行了驗證。1齒輪分度圓半徑r作動器慣性質(zhì)量特性參數(shù)齒輪齒條式作動器結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由電機(jī)、行星減速機(jī)、齒輪齒條和固定座等組成。電機(jī)采用SEM-80C10303HN型交流伺服電機(jī),具有功率較高、響應(yīng)迅速的特點(diǎn),是作動器的動力來源,其具體參數(shù)如表1所示;行星減速機(jī)采用APE80-16型減速機(jī),通過鍵與安裝在固定座上的齒輪相連,在作動器中起減速增矩作用,具體參數(shù)如表2所示;齒輪分度圓半徑R作動器的慣性質(zhì)量主要由電機(jī)、行星減速機(jī)和齒輪的慣性質(zhì)量3部分組成。行星減速機(jī)在對電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行放大的同時,也導(dǎo)致對電機(jī)慣性質(zhì)量的放大。作動器的慣性質(zhì)量m通過計算可以看出,由于作動器采用的是小齒輪、大傳動比減速機(jī)的結(jié)構(gòu),電機(jī)和行星減速機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量所對應(yīng)的慣性質(zhì)量占總慣性質(zhì)量的99.73%,作動器總的慣性質(zhì)量主要由電機(jī)和行星減速機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量決定,而齒輪的慣性質(zhì)量可忽略不計。2雙質(zhì)量系統(tǒng)的動力學(xué)方程采用齒輪齒條式作動器的主動懸架系統(tǒng)可簡化為2自由度1/4車輛懸架模型,如圖2所示。慣性質(zhì)量導(dǎo)致懸架系統(tǒng)的狀態(tài)方程發(fā)生變化,根據(jù)模型可建立如下動力學(xué)方程:式中:m略去c從方程可以看出,慣性質(zhì)量m其固有圓頻率為同樣,若車體不動,即令x其固有圓頻率為由此可知圖2所示的雙質(zhì)量系統(tǒng)中只有1個質(zhì)量振動時的2個偏頻為ω當(dāng)整個系統(tǒng)無阻尼自由振動時,設(shè)m將上面的解代入式(3)得方程組有非零解的條件就是其系數(shù)行列式為零,即上式可化為其中a=m式(8)稱為該雙質(zhì)量系統(tǒng)的特征方程,它的2個根即為系統(tǒng)主頻率ω3慣性質(zhì)量對共振頻率的影響慣性質(zhì)量的引入不僅對懸架的固有頻率有影響,也會對懸架的傳遞特性造成影響。由于采用不同控制算法時,式(2)中的主動控制力u的計算方法不同,此處分別以對低頻振動有較好控制效果的天棚控制(skyhookcontrol,SH)和對中高頻振動有較好控制效果的加速度阻尼控制(accelerationdampingdrivencontrol,ADD)為例SH主動控制力為式中cADD主動控制力為式中α為調(diào)整系數(shù),α=2。將式(10)代入式(2)并進(jìn)行Laplace變換得因此由式(12)可得到車體加速度、懸架動行程和車輪動變形與路面不平輸入間的傳遞函數(shù)分別為若令c由圖3(a)可見:慣性質(zhì)量的引入有利于降低車體共振區(qū)到中頻區(qū)的車體加速度傳遞率,但同時也造成了中頻區(qū)到高頻區(qū)振動的顯著惡化;SH主動控制在中低頻區(qū)域有較好的振動抑制效果,但同時會進(jìn)一步加劇中頻區(qū)到高頻區(qū)的振動;主動控制對低頻區(qū)和車輪共振區(qū)的振動略有惡化,但在中高頻區(qū)域有較好的振動控制效果。由圖3(b)可見:慣性質(zhì)量的引入有利于降低車體共振區(qū)到中頻區(qū)和高頻區(qū)的傳遞率,但同時也增加了中頻區(qū)到車輪共振區(qū)的傳遞率;主動控制增加了低頻區(qū)和車輪共振區(qū)的傳遞率,降低了車體共振區(qū)和高頻區(qū)的傳遞率;ADD主動控制與之基本相近。由圖3(c)可見:慣性質(zhì)量的引入有利于降低車體共振區(qū)到中頻區(qū)和高頻區(qū)的傳遞率,但同時也顯著增加了中頻區(qū)到車輪共振區(qū)的傳遞率;SH主動控制可較為顯著地降低中低頻區(qū)域的傳遞率,但同時也進(jìn)一步增加了中頻區(qū)到車輪共振區(qū)的傳遞率;ADD主動控制增加了低頻區(qū)和車輪共振區(qū)的傳遞率,但同時顯著降低了車體共振區(qū)和中頻區(qū)的傳遞率。綜合圖3進(jìn)行整體分析可以看出:慣性質(zhì)量的引入降低了車體和車輪的共振頻率,驗證了前文的理論分析;慣性質(zhì)量的引入有利于降低車體加速度、懸架動行程和車輪動變形在中低頻區(qū)域的傳遞率,但同時也增加了中頻區(qū)到車輪共振區(qū)的傳遞率,對比SH和ADD兩種主動控制算法可以看出,中高頻振動控制效果較好的ADD控制更適用于作動器含慣性質(zhì)量的主動懸架系統(tǒng)。4振動控制性能測試懸架振動試驗臺的結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中,振動控制儀用于對路面激勵系統(tǒng)的信號進(jìn)行選擇和控制,懸架模型單元模擬1/4車輛懸架,包括簧載質(zhì)量、懸架彈簧、非簧載質(zhì)量和模擬車輪剛度彈簧。布置在懸架模型單元中的位移傳感器、加速度傳感器和力傳感器采集懸架系統(tǒng)振動過程中的狀態(tài)信息,并傳遞給懸架控制系統(tǒng),懸架控制系統(tǒng)根據(jù)上位機(jī)設(shè)置的控制策略對采集的懸架狀態(tài)信息進(jìn)行計算和處理后,向電機(jī)驅(qū)動器發(fā)出控制信號,實現(xiàn)對作動器的主動控制。為驗證前面所述慣性質(zhì)量對主動控制的影響,采用C級路面10m/s速度下的隨機(jī)激勵對懸架的振動控制性能進(jìn)行40s的測試,分別采用SH控制和ADD控制。同時為了對比,還分別對傳統(tǒng)的被動減振器和作動器無控制條件下的減振性能進(jìn)行了試驗。懸架減振性能通常采用車體加速度、懸架動行程和車輪動載荷3個指標(biāo)進(jìn)行評價,下面分別從時域和頻域角度對4種不同懸架條件下的減振性能進(jìn)行分析。4.1傳遞特性分析首先對3項性能指標(biāo)進(jìn)行頻域分析。利用試驗數(shù)據(jù)繪制相應(yīng)的功率譜密度(powerspectrumdensity,PSD)曲線,如圖5所示。與圖3中相應(yīng)狀態(tài)下的傳遞特性相對比可以發(fā)現(xiàn),試驗結(jié)果與傳遞特性分析結(jié)果一致。慣性質(zhì)量的引入有助于提高中低頻區(qū)域的振動控制效果,但同時也造成了中高頻區(qū)域的振動抑制效果的顯著惡化;由于SH控制主要是提高低頻控制效果,作動器處于天棚主動控制條件下時,中高頻區(qū)域的這種惡化反而加重;而ADD控制在中高頻有較好的振動控制效果,有助于緩解慣性質(zhì)量在中高頻區(qū)域造成的惡化。4.2主動控制對慣性質(zhì)量造成的影響進(jìn)一步對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行時域分析。為顯示清晰和便于觀察,截取5~6s的一段數(shù)據(jù),如圖6所示,對整個試驗過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計計算并對懸架動行程和車輪動載荷進(jìn)行歸一化處理,結(jié)果如表3所示。由圖6和表3可見:慣性質(zhì)量的引入使懸架相對動行程均方根值降低了3.77%,但同時導(dǎo)致車體加速度和車輪相對動載荷均方根值分別增大了36.13%和4.51%,從而導(dǎo)致車輛乘坐舒適性和車輪接地性的惡化;SH主動控制不能對慣性質(zhì)量造成的減振性能的惡化起到緩解作用,反而使兩項指標(biāo)的惡化程度分別增大到50.37%和36.79%;而ADD主動控制使車體加速度均方根值降低了11.06%,但同時懸架相對動行程和車輪相對動載荷均方根值也分別增大了15.09%和34.34%;兩種控制算法相對比可以看出,ADD主動控制效果優(yōu)于SH主動控制。因此,對于作動器含慣性質(zhì)量的主動懸架系統(tǒng),應(yīng)選擇中高頻控制效果較好的控制算法。5慣性質(zhì)量對懸架減振性能的影響針對車輛主動懸架系統(tǒng)設(shè)計了一種齒輪齒條式作動器,通過理論分析與試驗研究可得到如下結(jié)論。(1)慣性質(zhì)量的引入會導(dǎo)致車體和車輪固有頻率的降低,有利于提高中低頻區(qū)域的振動控制效果,但同時也導(dǎo)致了中高頻區(qū)域振動控制效果的惡化;從整個時域的臺架試驗結(jié)果來看,慣性質(zhì)量的引入導(dǎo)致了懸架減振性能的惡化。(2)天棚主動控制只能改善中低頻區(qū)域的振動抑制效果,但同時會導(dǎo)致高頻區(qū)的振動進(jìn)一步惡化;而加速度阻尼控制能減小慣性質(zhì)量對中高頻區(qū)域振動的不利影響,