汽車懸架系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

隨著傳統(tǒng)能源消耗的增加和自然環(huán)境的惡化，能源和環(huán)境已成為人們關(guān)注的焦點。作為國民支柱產(chǎn)業(yè),車輛行業(yè)對能源與環(huán)境有著舉足輕重的影響,當(dāng)前車輛技術(shù)正朝著電動化、智能化以及網(wǎng)聯(lián)化方向發(fā)展,節(jié)能環(huán)保已成為車輛技術(shù)發(fā)展的重要主題懸架系統(tǒng)是車輛的關(guān)鍵部件,是保證車輛行駛平順、操縱穩(wěn)定的重要裝置,但傳統(tǒng)的懸架只能被動減振,越來越無法滿足車輛技術(shù)快速發(fā)展的高性能和高能效需求,因此,主動懸架、饋能懸架技術(shù)逐漸成為研究熱點。主動懸架是指懸架系統(tǒng)的剛度和阻尼能根據(jù)車輛的行駛條件(車輛的運動狀態(tài)和路面狀況等)進行動態(tài)自適應(yīng)調(diào)節(jié),使懸架系統(tǒng)始終處于最佳減振狀態(tài)。主動懸架具有可控制車身高度、提高通過性,兼顧汽車平順性與操穩(wěn)性等優(yōu)點饋能懸架技術(shù)是指懸架具有將車輪行駛過程中產(chǎn)生的振動能量進行一定量回收、存儲并加以利用的能力本文將對饋能懸架的發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀進行詳細(xì)闡述,并探究饋能懸架發(fā)展的技術(shù)難點,為饋能懸架技術(shù)的進一步發(fā)展指明方向。1屋頂技術(shù)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀1.1饋能懸架的研究歷程對照全球工業(yè)文明的發(fā)展進程來看,饋能懸架技術(shù)的發(fā)展歷程與之相似,懸架饋能的實現(xiàn)途徑從機械式饋能發(fā)展到電磁式饋能,未來有望向智能化的方向繼續(xù)發(fā)展。自20世紀(jì)70年代末,國外學(xué)者們就率先在理論方面對車輛懸架的振動能量耗散問題和回收可行性展開了研究。加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校的Karnopp20世紀(jì)80年代末,國外開始對饋能懸架技術(shù)進行更加實際的研究開發(fā)和工程應(yīng)用,研究重心從機械式饋能懸架逐步轉(zhuǎn)移至電磁式饋能懸架。這就不得不提到Bose公司的創(chuàng)始人AmarGBose博士荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)的學(xué)者Gysen等來自印度的Vijayakumara等在20世紀(jì)80年代末,饋能懸架的發(fā)展不僅僅是結(jié)構(gòu)形式的轉(zhuǎn)變,為了使懸架系統(tǒng)的饋能效率更加高效,控制方式也由原來的被動控制慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)榘胫鲃蛹爸鲃涌刂啤Ｈ毡緰|京大學(xué)的Suda等近幾年,隨著各種材料技術(shù)的飛速發(fā)展,也給饋能懸架技術(shù)帶來更多的選擇。來自卡西拜納瓦爾工程學(xué)院的Kumavat等中國學(xué)者在21世紀(jì)初開始對饋能懸架技術(shù)展開研究,并在該方向的研究熱情不斷升溫。2005年,喻凡等1.2大學(xué)的王麗陽懸架系統(tǒng)的革新與技術(shù)應(yīng)用由饋能懸架技術(shù)發(fā)展歷程可見,饋能懸架技術(shù)由最初的理論分析到現(xiàn)在多種多樣的結(jié)構(gòu)出現(xiàn),技術(shù)已越來越成熟,且應(yīng)用對象也不僅僅局限于傳統(tǒng)汽車。西南交通大學(xué)的王鵬電動汽車作為新能源汽車發(fā)展的重要方向,車輛電動化后驅(qū)動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等裝置的改變會帶來車輛結(jié)構(gòu)及性能的變化,因此其懸架系統(tǒng)的改進與技術(shù)革新至關(guān)重要。重慶大學(xué)的王艷陽懸架系統(tǒng)的革新離不開懸架控制技術(shù)的提升,對于主動懸架,沒有好的控制,也便無法達(dá)到很好的主動需求,而對于饋能懸架,控制以及能量存儲技術(shù)則至關(guān)重要。江蘇大學(xué)的陳龍及其團隊在饋能懸架控制技術(shù)方面有了較為深入的研究,先后針對饋能懸架系統(tǒng)提出了自適應(yīng)離線神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制2電磁饋能懸架饋能懸架按照不同的分類方式可以有不同的分類。按照饋能懸架回收能量的方法可分為:壓電儲能式壓電式饋能懸架是基于傳統(tǒng)的懸架結(jié)構(gòu),在彈簧與車身連接處安裝壓電材料,利用壓電材料的壓電效應(yīng)將路面沖擊引起的振動能量轉(zhuǎn)化為電能并吸收。在20世紀(jì)末,Umeda等液壓式饋能懸架利用液壓泵的原理,將懸架振動的機械能以液壓能的形式回收并進行存儲。Wendel等電磁式饋能懸架的原理是用電磁作動器懸架的結(jié)構(gòu)不僅取決于回收能量方法的不同,單就電磁饋能懸架而言,不一樣的運動轉(zhuǎn)化裝置又可以將電磁饋能懸架分成不同的類別。電磁式饋能懸架因其結(jié)構(gòu)布置緊湊、饋能效率較高等優(yōu)點目前被廣泛使用,根據(jù)電磁式饋能懸架的不同運動轉(zhuǎn)化裝置,還可再細(xì)分為直線電機式直線電機式饋能懸架傳動效率較高,可直接利用懸架的直線往復(fù)運動進行饋能,但質(zhì)量較大、磁場強度不足且饋能效率一般。通過北伊利諾伊大學(xué)的Gupta等“擺臂+旋轉(zhuǎn)電機”式饋能懸架(圖5),這是由沃爾沃公司聯(lián)合瑞典皇家理工學(xué)院學(xué)者Jonasson等“齒輪齒條+饋能電機”式饋能懸架,其中的齒輪齒條是一種用于直線運動和旋轉(zhuǎn)運動相互轉(zhuǎn)化的傳動裝置,其傳動效率高、可承受速度大、成本低,但該結(jié)構(gòu)安裝尺寸較大,不適用于普通車輛。德州學(xué)院的楊和利“液壓馬達(dá)+饋能電機”式饋能懸架又被稱作液電式饋能懸架,是由液壓式饋能懸架演變而來,在液壓式饋能懸架的原有結(jié)構(gòu)上加裝了液壓馬達(dá)和饋能電機,液體推動液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)進而帶動電機發(fā)電,如圖6所示。通過調(diào)節(jié)對電機施加的外界負(fù)載可以改變系統(tǒng)的阻尼特性,相比于傳統(tǒng)的液壓式饋能懸架,液電式饋能懸架能夠有效解決液壓能量不易存儲和二次利用的缺點。液流通過換向閥之后,懸架的往復(fù)運動就會轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤厚R達(dá)的單一旋轉(zhuǎn),并且?guī)羽伳茈姍C單向旋轉(zhuǎn),這樣就可以清除饋能電機的正反轉(zhuǎn),提高懸架的饋能效率并延長電機壽命。西安科技大學(xué)的寇發(fā)榮等“滾珠絲杠+饋能電機”式饋能懸架,滾珠絲杠同樣也是一種能在直線運動和旋轉(zhuǎn)運動之間進行高效轉(zhuǎn)化的機械結(jié)構(gòu),但是整個懸架需要電機的配合才能完成工作。由于該類型懸架的工作特性、定位精度、響應(yīng)特性、形狀尺寸及饋能效率等方面均優(yōu)于上述幾種結(jié)構(gòu),因此在21世紀(jì)初上海交通大學(xué)的喻凡等3技術(shù)的困難和發(fā)展方向3.1饋能懸架存在的技術(shù)難點饋能懸架是一種新型減振系統(tǒng),涉及機械設(shè)計、電機控制、能量回收、能量存儲及系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制等多方面的知識,通過對近四十年國內(nèi)外關(guān)于饋能懸架文獻的研究發(fā)現(xiàn),饋能懸架至今仍難以產(chǎn)品化主要原因是存在如下四點技術(shù)難點。3.1.1汽車懸架的運行提到饋能懸架就離不開主動控制,因為一般饋能懸架也都是具有主動性能的懸架。懸架的饋能技術(shù)是依靠采集懸架上下往復(fù)運動的動能轉(zhuǎn)化為電能或液壓能來進行存儲和二次利用,而主動控制又需要在某些特定的時刻或路面狀況下對懸架的上下運動進行控制,抑制車輛的振動,因此這便造成了不可避免的一對矛盾。通過深入了解可以發(fā)現(xiàn)該矛盾主要會產(chǎn)生兩個問題:一方面難以實現(xiàn)主動控制與被動饋能的全程同時工作;另一方面電動機與發(fā)電機的工作轉(zhuǎn)換也難達(dá)到完全的無縫高效,在實際運用過程中會有一定的時滯性,不利于饋能懸架的高效工作。燕山大學(xué)的崔丹丹3.1.2饋能懸架系統(tǒng)的原理該現(xiàn)象指的是發(fā)電機在工作過程中出現(xiàn)的短暫零供電情況,對于同時具備發(fā)電機和電動機的饋能懸架系統(tǒng)而言就是電動機驅(qū)動發(fā)電機的轉(zhuǎn)速低于發(fā)電機的最小工作轉(zhuǎn)速;對于采用直線電機的饋能懸架系統(tǒng),即懸架的運動速度較低,饋能電機的反電動勢低于電池電壓,不產(chǎn)生電樞電流,減振器輸出的阻尼力為零。針對這一現(xiàn)象,湖南大學(xué)的周創(chuàng)輝3.1.3低饋能電壓存儲車輛在行駛過程中,多數(shù)還是在較為平坦的路面,因此懸架振動幅度不大,饋能裝置由此產(chǎn)生的饋能電壓也便很小。儲能裝置一般都有一定的電壓閾值,只有超過此閾值才能進行充電儲能。饋能懸架在平坦路面下的饋能電壓很小,無法滿足充電儲能需求,需考慮如何提高饋能電壓或降低儲能裝置電壓閾值,以實現(xiàn)更好的能量回收和存儲。針對這一問題,不少學(xué)者都提出了一定的解決方法,諸如江蘇大學(xué)的陳龍等3.1.4饋能懸架系統(tǒng)整體控制技術(shù)研究尚屬空白到目前為止,諸多學(xué)者對饋能懸架的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計、可行性分析、能量回收存儲及饋能影響因素等方面展開了理論研究,但完成系統(tǒng)設(shè)計、試驗測試乃至實車試驗工作的極少。這一方面是因為饋能懸架技術(shù)還遠(yuǎn)未成熟,除了上述三個關(guān)鍵技術(shù)問題之外,系統(tǒng)的整體控制技術(shù)也仍在摸索中,雖有很多學(xué)者都提出了各自的整體控制策略,但實際效果還有待進一步深入研究和驗證,這也是制約饋能懸架技術(shù)進一步發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問題;另一方面,目前研究的饋能懸架結(jié)構(gòu)均較為復(fù)雜,裝置占用空間大、質(zhì)量重,不利于實車的安裝及后續(xù)的測試,因此如何將饋能懸架集成化和輕量化,將直接影響到其實際的試驗測試和應(yīng)用狀況,甚至產(chǎn)品化前景。3.2饋能裝置的改進和發(fā)展方向隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,伴隨先進的傳感器、電控單元、機械元件、功率器件、儲能裝置、車載總線以及新型供電電源等技術(shù)的不斷出現(xiàn),將使饋能懸架技術(shù)在車輛上的應(yīng)用成為可能,并為饋能懸架在車輛上的普及提供技術(shù)支持和保障。饋能懸架要進一步發(fā)展,并最終能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品化,首先必須要具有可觀的饋能效果,否則一切無從談起。懸架的能量回饋應(yīng)以能夠?qū)崿F(xiàn)主動控制能量自給為基本目標(biāo),并努力向在滿足自給情況下有富余能量存儲的方向發(fā)展。如何提升饋能懸架裝置的能量回饋效率,并保證高效的能量存儲將是該領(lǐng)域亟須解決的首要任務(wù)。在提升饋能效率方面,可考慮從饋能裝置的結(jié)構(gòu)改進、材料選擇、參數(shù)優(yōu)化等方面著手;在保證高效能量存儲方面,改進饋能電路設(shè)計、提高饋能電壓的增壓裝置、超級電容的應(yīng)用等已成為重要的研究方向。集成化和輕量化是當(dāng)前車輛技術(shù)發(fā)展的重要方向,也是衡量車輛技術(shù)發(fā)展水平的重要指標(biāo)。懸架作為支撐車身并緩和路面沖擊的重要裝置,其集成化和輕量化要求也將很高。懸架位于車身與車輪軸之間,空間較為緊湊,若懸架體積過大將不利于布置且易引起運動干涉,若懸架質(zhì)量過大則會加大簧載質(zhì)量,不利于車輛整體性能的提升,因此懸架裝置應(yīng)盡量避免體積和質(zhì)量過大,但當(dāng)前研究的諸多饋能懸架結(jié)構(gòu)均存在該問題。采用電磁直線作動裝置的饋能懸架將是解決這一問題的重要突破口,電磁直線作動裝置結(jié)構(gòu)緊湊、無須運動轉(zhuǎn)化裝置、電磁特性優(yōu)異,相比其他結(jié)構(gòu)饋能懸架在集成化和輕量化方面有重大優(yōu)勢,若能解決其饋能效率稍低的問題將會成為饋能懸架結(jié)構(gòu)的重要發(fā)展方向。隨著車輛電動化和智能化的發(fā)展,車輛的整車系統(tǒng)控制將越來越智能,而各部件也將作為執(zhí)行裝置統(tǒng)一受車輛系統(tǒng)調(diào)控,以使得車輛能夠在不同工況不同環(huán)境下發(fā)揮最佳狀態(tài)。懸架系統(tǒng)因為有了主動和饋能特性也將加入到智能控制部件的范疇,因此懸架系統(tǒng)在智能化的大方向發(fā)展過程中,除了要攻克自身主動控制與被動饋能的協(xié)調(diào)控制技術(shù)難題之外,還要考慮懸架系統(tǒng)與整車控制系統(tǒng)的匹配問題,這也將是車輛懸架系統(tǒng)發(fā)展過程中必然要面對和需要解決的問題。4饋能懸架技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀在車輛技術(shù)電動化、智能化發(fā)展的大趨勢下,懸架系統(tǒng)也在發(fā)生著重要改變,其中饋能技術(shù)為懸架系統(tǒng)發(fā)展的一大重要方向。由分析可知,饋能懸架技術(shù)的發(fā)展一方面有利于提高車輛的能源利用率,另一方面可有效解決主動懸架額外耗能的問題,從而