車輛懸掛復合式電磁作動器設計及試驗

張進秋， 張 磊， 羅 濤， 姚 軍， 何 旭

(1. 裝甲兵工程學院裝備試用與培訓大隊, 北京 100072； 2. 裝甲兵工程學院科研部, 北京 100072)

車輛懸掛復合式電磁作動器設計及試驗

張進秋1， 張 磊1， 羅 濤2， 姚 軍1， 何 旭1

(1. 裝甲兵工程學院裝備試用與培訓大隊, 北京 100072； 2. 裝甲兵工程學院科研部, 北京 100072)

為緩解電磁懸掛系統振動控制與能量回收之間的矛盾，提高工作可靠性，提出了一種基于電磁減振技術和磁流變阻尼技術的復合式電磁懸掛系統結構方案，并設計了基于無刷電機和磁流變阻尼器，集主動、半主動控制和饋能功能于一體的復合式電磁作動器,同時對復合式電磁作動器的主動出力、變阻尼以及饋能特性進行了試驗研究，結果表明：該作動器主動出力范圍大，阻尼調節范圍寬且饋能效率較高，滿足車輛懸掛應用要求。

電磁作動器；懸掛系統；磁流變阻尼器；饋能

懸掛是車輛行動系統的重要組成部分，其作用是緩和并衰減由于路面不平激勵傳遞至車輛的振動，使車輛平穩運行[1]。懸掛性能對車輛的越野機動性、乘坐舒適性和操縱穩定性有重要影響[2-3]。軍用車輛作為高機動武器平臺，承擔著越野機動、兵員運輸和火力打擊等核心作戰任務，對高性能懸掛系統需求更為迫切[4-5]。目前，基于主動、半主動控制的可控懸掛技術是提高懸掛性能的有效手段。

電磁懸掛是一種特殊的可控懸掛，其基于電機學原理，具有可控性好、響應速度快、可實現能量回收等優點[6]，正成為車輛減振領域的研究熱點。電磁作動器作為電磁懸掛的核心執行裝置，其性能直接影響懸掛系統的振動控制效果和能量回收潛力。因此，電磁作動器的設計問題一直是電磁懸掛系統開發的重點和難點。

本文以某型軍用輪式車輛懸掛系統為研究對象，提出了一種復合式電磁懸掛系統結構方案，并設計了復合式電磁作動器原理樣機，在此基礎上對該作動器進行了力學特性和饋能特性試驗，驗證了該作動器實車應用的可行性。

1 復合式懸掛系統

電磁懸掛系統中，作動器電機可在發電機和電動機之間進行切換，從而實現車輛的振動控制和振動能量回收。但從已有的電磁懸掛方案來看，多數電磁懸掛只在被動工況下進行能量回收，在主動、半主動控制工況下著重保證振動控制效果，并不注重能量回收，振動控制和能量回收之間的矛盾依然存在[7]；此外，在設計中保證懸掛系統具有“Fail-Safe”特性，提高其工作可靠性也是電磁懸掛發展的方向。

在保證振動控制效果的同時，為進一步提高電磁懸掛回收能量的效率以及系統工作的可靠性，本文提出一種基于電磁減振技術和磁流變阻尼技術的復合式電磁懸掛系統，其結構如圖1所示。

圖1 復合式電磁懸掛系統

復合式電磁懸掛采用電磁作動器和磁流變阻尼器并聯的結構方案，集主動、半主動控制和能量回收功能于一體，稱作復合式電磁作動器。該懸掛系統可以實現以下3種工況。

1) 被動饋能工況。該工況下磁流變阻尼器電流為0，為懸掛系統提供最小阻尼；電磁作動器電機處于發電機狀態，用作電磁阻尼器并實現能量反饋；磁流變阻尼器的最小阻尼和電磁作動器的電磁阻尼之和為被動懸掛的基礎阻尼。

2) 半主動饋能工況。該工況以磁流變阻尼器作為半主動控制裝置，通過電流調節實現阻尼連續可變；電磁作動器用作電磁阻尼器，在為懸掛提供部分阻尼的同時進行能量反饋。

3) 主動控制工況。該工況磁流變阻尼器電流為0,以提供最小阻尼；電磁作動器電機處于電動機工況，用作主動控制裝置，不進行能量反饋與回收。

車輛運行時，該懸掛可依據路面狀況在3種工況間切換：1)當路面起伏較小、車速較低時，可通過被動饋能工況回收振動能量；2)當對車輛行駛穩定性要求較高時，可通過半主動饋能工況降低振動及回收能量；3)當車輛處于行進間射擊等對穩定性要求極高的時機時，通過短時的主動控制進行減振。與常規電磁懸掛相比，復合式電磁懸掛的突出特點為：實現了半主動控制和能量回收的同時進行，有助于部分緩解振動控制和能量回收間的矛盾；避免了懸掛系統無阻尼工作的惡劣工況。即一旦電機部分控制系統失效，該懸掛可通過磁流變阻尼器進行半主動控制;當電機和磁流變阻尼器控制系統同時失效時，懸掛系統可通過磁流變阻尼器提供基礎阻尼。

2 復合式電磁作動器設計

2.1 設計目標

本文中復合式電磁作動器設計以某型輪式車輛懸掛系統為應用目標，具體設計要求如下：

1) 參照美軍為“槍騎兵”戰車設計的主動懸掛系統，目標車輛質量約為1.2 t，作動器的額定出力為車重的0.3倍，即793 N，最大出力為車重的0.9倍，即2 684 N；

2) 為保證半主動控制效果，該作動器需提供最大為1 kN的可調阻尼力;

3) 能量反饋利用率高，要求電機具有較大的反電動勢常數;

4) 安裝齒輪滿足目標車輛懸掛需求，作動器行程為±80 mm。

2.2 結構方案

依據傳動機構的不同，電磁作動器分為直列式和旋轉式2類。美軍在未來“戰車項目”中采用一種以齒輪齒條作為傳動機構的電磁作動器，且在實車試驗中表現出良好的性能[8-9]，故本文沿用這種結構。復合式電磁作動器的總體結構如圖2所示，主要包括旋轉式伺服電機、減速裝置、葉片式磁流變阻尼器(MagnetoRheological Damper，MRD)和傳動機構。其中：伺服電機、減速機、齒輪和葉片式MRD依次同軸串聯，電機的旋轉力矩和葉片式MRD的阻尼力矩通過齒輪齒條轉化為直線作用力。工作時，通過調節電機扭矩和MRD勵磁線圈電流，實現主動出力和阻尼調節功能。

圖2 復合式電磁作動器總體結構

2.3 電機及其傳動裝置選型及設計

首先，初選齒輪模數為2，齒數為50，則其分度圓半徑Rg=50 mm。

其次，確定電機功率。選取懸掛典型相對運動速度為0.52 m/s，按照設計目標，其額定出力為793 N，則所需電機額定功率為421.36 W?？紤]到實際應用中傳動機構會有一定的功率損失，且車輛高速行駛時懸掛相對運動速度會更高，因此初選電機功率為750 W。綜合考慮額定參數和安裝尺寸，選用A2系列C109-07型號的永磁式交流伺服電機。該電機額定轉矩2.39 N·m，額定轉速3 000 r/min，反電動勢常數Ke=24.2 mV/(r·min-1)，允許力矩3倍短時過載。

最后，確定減速裝置傳動比。減速裝置和齒輪齒條之間和速度轉換關系為

(1)

式中：Fa、v分別為作動器的直線作用力和直線速度；T、n分別為電機輸出力矩和轉速；i為減速裝置傳動比。

根據設計目標出力要求，減速裝置傳動比為25，此時作動器的額定出力和最大出力分別為1 195 N和3 585 N；作動器直線速度為0.52 m/s時的轉速為2 482.3 r/min，小于額定轉速，滿足設計要求；減速裝置選擇了湖北傳動有限公司生產的PL80二級行星減速機。

2.4 磁流變阻尼器設計

葉片式MRD是復合式電磁作動器的又一重要組成部分，決定著作動器的變阻尼調節范圍。常規的葉片減振器由兩側對稱隔板的葉片組成，行程小于±90°。為保證作動器的直線行程為±80 mm，計算得到對應葉片式MRD的行程為183.4°，故采用單葉片式MRD，其結構和主要參數如圖3所示。其中：R為葉片軸心到缸筒內壁的距離;r為葉片軸半徑;S為葉片軸心到磁流變閥中心的距離。設葉片高度為H，則葉片旋轉時掃過的面積A=(R-r)H。

圖3 單葉片式磁流變阻尼器

當減速機輸出軸帶動葉片旋轉時，磁流變液(Magneto Rheological Fluid，MRF)在高低壓差作用下通過布置于隔板處的磁流變閥，通過調節勵磁線圈電流,產生垂直于MRF流動方向的磁場，MRF發生流變效應，從而實現變阻尼調節功能。本文選用自身研制的MRF，其黏度為0.8 Pa·s，實測剪切屈服應力與磁感應強度的關系如圖4所示。

圖4 剪切屈服應力與磁場感應強度的關系

葉片式MRD的設計是在結構尺寸約束下，并結合MRF的流變特性，綜合確定尺寸參數并進行磁路設計，以保證MRD的黏滯阻尼力和庫倫阻尼力滿足設計要求，其基本設計流程如圖5所示。

圖5 葉片式MRD設計流程

磁流變閥是實現葉片式MRD變阻尼功能的核心部件，結合結構尺寸要求，本文設計了一種盤型縫隙式磁流變閥，其結構如圖6所示。該磁流變閥由鐵芯、線圈、隔板和底板等部分組成，其中：鐵芯材料選用高磁導率的電工純鐵DT4；隔板、底板等選用45鋼。當對線圈通電流時，磁場經由鐵芯、盤型間隙、底板、隔板形成閉合回路，在盤型間隙處磁場的方向垂直于MRF流動方向，實現阻尼力矩可調。

圖6 盤型縫隙式磁流變閥結構

經推導，葉片式MRD的阻尼力矩為

(2)

式中：η、τy分別為MRF的黏度和剪切屈服應力；Q為MRF的單位流量；r1、r2、h分別為盤型節流間隙的內徑、外徑和間隙高度；D1、D2分別為進、出口導流孔的直徑；L1、L2分別為進、出口導流孔的長度；n為出口導流孔的個數。

由式(2)可知:葉片式MRD的阻尼力由2部分構成，即和磁場無關的黏滯阻尼力矩和受磁場影響的庫倫阻尼力矩。對應電磁作動器的阻尼力為

(3)

為驗證磁流變閥磁路設計是否合理，基于Ansoft軟件對其進行3D磁場有限元分析。線圈選用0.5 mm漆包線，其匝數為500，仿真結果如圖7所示,可見:該磁路漏磁較小，盤型間隙處磁場方向垂直于MRF流動方向，其大小為0.368～ 0.552 T。采用文獻[10]所述的方法計算間隙處的平均有效磁場約為0.458 T，代入MRD的尺寸參數并結合圖4和式(3)，得到對應復合式電磁作動器的零場阻尼系數約為524 N·s/m，電流2 A時的可調阻尼力約為1 314 N，滿足設計要求。

圖7 磁路有限元仿真結果

3 復合式電磁作動器特性試驗

采用如圖8所示的試驗系統對復合式電磁作動器的相關特性進行研究。該試驗系統主要由液壓試驗系統、傳感器(拉壓力傳感器和位移傳感器)、復合式電磁作動器原理樣機、電機驅動器、直流穩壓電源、數據采集儀、整流器、滑動變阻器以及上位機組成。液壓試驗系統與作動器串聯，液壓缸帶動作動器進行相對運動(速度范圍為0～ 0.3 m/s)，通過測試不同工況下作動器的出力和反饋的電壓分析其相關特性。

圖8 復合式電磁作動器試驗系統

3.1 變阻尼特性試驗

調節液壓系統運動行程為±50 mm，運動速度分別為0.1、0.2、0.3 m/s，其對應的復合式電磁作動器的示功圖如圖9所示?？梢姡?)隨著運動速度的增大，作動器的峰值阻尼器呈近似正比趨勢增大；2)計算得到作動器的摩擦力約為80 N，阻尼系數約為600～ 700 N·s/m，略大于設計值。

圖9 不同速度下作動器的示功圖

當液壓系統系統運動速度為0.2 m/s時，調節勵磁線圈電流分別為0、0.5、1.0、1.5、2.0 A，對應的復合式電磁作動器示功圖如圖10所示?？梢姡?)阻尼力峰值和示功圖包圍的面積隨電流的增大呈上升趨勢；2)當電流為2.0 A時，可調阻尼力約為940 N，基本滿足設計要求。

圖10 不同電流下作動器的示功圖

3.2 主動出力特性

當液壓系統處于閉鎖狀態時，作動器靜止不動，通過調節電機驅動器使其輸出力矩為額定力矩的特定倍數，對應作動器的出力如圖11所示?？梢姡?)作動器出力隨額定力矩倍數的增大呈直線趨勢上升，且正負方向基本對稱；2)作動器的額定出力約為982 N,電機扭矩3倍過載時,其最大出力為2 753 N，滿足設計要求；3)在相同情況下，作動器的實際出力小于基于式(3)計算得到的理論出力，這是由于作動器機械部分存在一定的摩擦力,從而導致功率損失。

圖11 作動器不同情況下的出力

3.3 饋能特性

在作動器輸出扭矩為0 N·m、勵磁線圈電流為0 A的情況下，分別使液壓系統的運動速度為0.04、0.08、0.16 m/s(對應電機的轉速分別為191.1、382.2、764.3 r/min)，測試時電機電源線經整流器整流后兩端與20 Ω的滑動變阻器連接，采集儀測量電阻器5 Ω阻值范圍的輸出電壓(為防止采集儀過載)，其測試原理和測試結果分別如圖12、13所示。

圖12 輸出電壓測試原理圖

圖13 復合式電磁作動器饋能特性試驗結果

由圖12、13可見:1)液壓系統勻速運動時，反饋的電壓在某一特定值附近變化，并出現周期性的脈沖，這是由液壓系統換向時引起較大的速度波動所致；2)忽略脈沖數據，計算速度為0.04、0.08、0.16 m/s時，對應作動器電機反饋的平均電壓分別為1.23、2.72、4.28 V。

由電機學原理可知，電機反饋的電壓可表示為

(4)

式中:Ke為反電動勢常數；n為電機轉速。

將實測的5 Ω電阻兩端的電壓通過歐姆定律換算為電機實際反饋的電壓(20 Ω阻值兩端的電壓)，其與作動器相對速度的關系如圖14所示，可見:低速時，電機反饋的電壓與基于式(1)、(4)計算得到的理論值完全相符，在速度為0.16 m/s時實際值略小于理論值。

圖14 反饋電壓與直線速度的對應關系

4 結論

在保證振動控制效果的同時，為進一步提高能量回收潛力和懸掛工作可靠性，筆者提出了一種基于電磁減振技術和磁流變阻尼技術的復合式電磁懸掛系統。以某型軍用輪式車輛懸掛系統為研究對象，設計了一種復合式電磁作動器，并對其進行了相關特性的試驗研究，得到如下結論：

1) 與傳統電磁懸掛相比，復合式電磁懸掛同時實現了半主動控制和能量回收，有效緩解了振動控制和能量回收的突出矛盾，此外，還提高了系統工作的可靠性；

2) 復合式電磁作動器集阻尼調節、主動出力和能量反饋功能于一體，其最大可調阻尼力接近1 kN，最大主動出力高達2 753 N，且具有較好的饋能特性，是一種理想的振動控制裝置。

設計的復合式電磁作動器原理可行，性能基本滿足預期要求。筆者認為:下一步有必要從結構設計和電機選型的角度進一步減小作動器的整體尺寸、提高其可靠性，為其工程應用奠定基礎。

[1] 周長城. 車輛懸架設計及理論[M]. 北京：北京大學出版社, 2011.

[2] 俞凡，于秀敏．汽車系統動力學[M]．北京：機械工業出版社, 2008.

[3] 董小閔，余淼，廖昌榮，等．汽車磁流變半主動懸架頻域加權次優控制研究[J]．系統仿真學報，2006，18(11)：3183-3186.

[4] Beno J H, Worthington M T, Mock J R. Suspension Trade Studies for Hybrid Electric Combat Vehicles[J].SAE Translation, 2005, 114(2): 58-65.

[5] 美國陸軍裝備部.機動車懸架手冊[M].楊景義,譯.北京:國防工業出版社,1987.

[6] Gysen B L J, Paulides J J H, Janssen J L G, et al. Active Electromagnetic Suspension System for Improved Vehicle Dynamics[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2010,59 (3): 1156-1163.

[7] 張進秋, 彭志召, 岳杰, 等. 車輛饋能懸掛技術綜述[J]. 裝甲兵工程學院學報, 2012, 36(5):1-7.

[8] Weeks D A, Beno J H, Bresie D, et al. The Design of an Electromagnetic Linear Actuator for an Active Suspension[J]. SAE Technical Paper 99-01-0730 , 1999, doi: 10.4271/99-01-0730.

[9] Weeks D A, Beno J H, Guenin A M, et al. Electromechanical Active Suspension Demonstration for Off-road Vehicles[J].SAE Technical Paper 2000-01-0102, 2000, doi: 10.4271/2000-01-0102.

[10] 張進秋, 張磊, 高永強, 等. 磁流變阻尼器響應時間試驗與仿真研究[J]. 裝甲兵工程學院學報, 2011, 25(6): 29-34.

(責任編輯:尚菲菲)

Design and Experiment Research of Compound Electromagnetic Actuator of Vehicle Suspensions

ZHANG Jin-qiu1, ZHANG Lei1, LUO Tao2, YAO Jun1, HE Xu1

(1. Brigade of Equipment Trial and Training, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China；2. Department of Science Research, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

In order to ease the contradiction between vibration control and energy recovery and improve the reliability of electromagnetic suspensions, a compound electromagnetic suspension system structure is proposed based on electromagnetic damping technology and magnetorheological damping technology. One compound type of electromagnetic actuator based on brushless motor and magnetorheological damper with functions of active and semi-acitve control as well as energy regeneration is designed. Characteristics of active force, variable damping and energy regeneration of the actuator are researched by experiments. Experiment results show that the actuator has a large range of active force and variable damping force, and what’s more, the energy regeneration efficiency of the actuator is high, which shows that the actuator is applicable for vehicle suspensions.

electromagnetic actuator; suspension system; magnetorheological damper; energy regeneration

1672-1497(2015)01-0030-06

2014- 10- 28

軍隊科研計劃項目

張進秋(1963-)，男，教授，博士。

U463.33

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.01.006