饋能式電磁作動器的設(shè)計與性能試驗

黃大山，張進秋，劉義樂，劉峻巖

（裝甲兵工程學院 裝備試用與培訓大隊，北京 100072）

饋能式電磁作動器的設(shè)計與性能試驗

黃大山，張進秋，劉義樂，劉峻巖

（裝甲兵工程學院 裝備試用與培訓大隊，北京 100072）

針對車輛主動懸掛系統(tǒng)能耗大的問題，設(shè)計一種可以回收振動能量的饋能式電磁懸掛系統(tǒng)，以降低能耗，提高能源利用率。充分考慮饋能式電磁懸掛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能特點，給出一種饋能式電磁作動器的設(shè)計方法，將作動器的設(shè)計要求分為3類——基本要求、功能實現(xiàn)要求和優(yōu)化設(shè)計要求。據(jù)此，設(shè)計、試制饋能式電磁作動器原理樣機，并對其性能進行了試驗分析，隨動特性試驗以檢驗作動器的摩擦阻力，靜態(tài)力學特性試驗以驗證作動器主動出力大小，空載電壓特性試驗以驗證作動器能量回收效果。結(jié)果表明，所設(shè)計的饋能式作動器能夠滿足性能要求，可以此構(gòu)建饋能式電磁懸掛系統(tǒng)。

振動與波；綜合運輸；懸掛系統(tǒng)；電磁作動器；饋能式；設(shè)計與試驗

車輛懸掛系統(tǒng)用于衰減路面激勵引起的車體振動，提高車輛行駛平順性和操縱穩(wěn)定性。對軍用車輛而言，懸掛系統(tǒng)還關(guān)系到越野機動能力和武器射擊精度等性能。由此，車輛懸掛系統(tǒng)的優(yōu)劣對車輛各行駛性能的好壞具有重要的影響。

減振器是懸掛系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，懸掛系統(tǒng)的振動抑制功能主要是通過減振器實現(xiàn)的。目前大多數(shù)車輛采用的仍是被動懸掛系統(tǒng)，其減振器通常由阻尼器和彈簧并聯(lián)構(gòu)成，這種傳統(tǒng)的被動懸掛系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足當前對車輛各行駛特性的要求，需要采用先進的主動懸掛系統(tǒng)。主動懸掛系統(tǒng)中的減振器通常被稱為作動器，它一般采用液電式[1–2]或電磁式[3–4]減振機構(gòu)。作動器可以依據(jù)一定控制算法[1–5]，按照其控制律所設(shè)計的控制力要求，提供相應(yīng)的主動控制力，使其達到預(yù)期的控制狀態(tài)。主動懸掛系統(tǒng)雖然具有較好的減振效果，但其能耗問題一直制約著它在實車上的運用[6]。近年來提出的饋能懸掛系統(tǒng)成為解決主動懸掛能耗問題的一種有效途徑。饋能懸掛系統(tǒng)中的減振器通常被稱為饋能式作動器，它與主動懸掛系統(tǒng)的減振器類似，一般也采用液電式[7]或電磁式[8]減振機構(gòu)。饋能式作動器具有兩種主要的功能，當作為作動器時可以進行主動控制，緩和路面激勵帶給車體的振動；當作為饋能器時可以進行能量回收，將原有被動懸掛中被減振器以熱能形式耗散的能量轉(zhuǎn)換成電能的形式儲存起來，在需要時可供車輛上控制系統(tǒng)、電機驅(qū)動器等設(shè)備使用。饋能式電磁作動器可以有效地降低懸掛系統(tǒng)的能量消耗[9]，已經(jīng)成為車輛懸掛系統(tǒng)的研究與發(fā)展方向之一。

本文以某型軍用輪式車輛為研究對象，依據(jù)饋能式電磁作動器設(shè)計的基本要求、功能實現(xiàn)和優(yōu)化設(shè)計三種要求，設(shè)計了一種采用齒輪齒條作為運動方式轉(zhuǎn)換機構(gòu)的饋能式電磁作動器，繪制其機械結(jié)構(gòu)圖，并加工出相應(yīng)的原理樣機。對原理樣機進行多項性能試驗，驗證所設(shè)計的饋能式電磁作動器的有效性和可行性。

1 饋能懸掛系統(tǒng)

饋能懸掛系統(tǒng)采用一個作動器取代被動懸掛系統(tǒng)中的減振器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 饋能懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

作動器根據(jù)控制信號產(chǎn)生相應(yīng)大小的作用力，實現(xiàn)不同工況下的最佳行駛性能；也可以將懸掛系統(tǒng)中的振動能量轉(zhuǎn)換為電能，通過轉(zhuǎn)化機構(gòu)將其回收至供電電源中，以供車輛狀態(tài)傳感器、控制系統(tǒng)和電機驅(qū)動器等設(shè)備使用。饋能懸掛的作動器是實現(xiàn)懸掛系統(tǒng)振動控制和能量回收的關(guān)鍵部件，既為主動控制裝置，又為能量回收裝置，依據(jù)特定的控制和能量管理策略在兩種工況間切換。

2 饋能式電磁作動器設(shè)計

以某輪式車輛為研究對象，該車輛的基本參數(shù)如表1所示。

表1 車輛基本參數(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)方案

作動器是懸掛系統(tǒng)實現(xiàn)振動控制和能量回收的關(guān)鍵部件，作動器設(shè)計的好壞直接影響懸掛系統(tǒng)的整體性能。目前國內(nèi)外學者設(shè)計的饋能式作動器主要有2類4種結(jié)構(gòu)形式。

液電類饋能式作動器，它利用液壓缸活塞的往復(fù)運動驅(qū)動液壓油經(jīng)液壓馬達轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動，從而帶動發(fā)電裝置實現(xiàn)饋能。如美國Levant Power公司[7]研發(fā)了名為Gen Shock的液壓馬達式饋能減振器；武漢理工大學過學迅實驗小組設(shè)計了帶有整流橋和蓄能器的液電饋能式減振器[10]。液電類饋能式作動器可以排除溫度對阻尼特性的影響，提高系統(tǒng)的阻尼穩(wěn)定性；但其液壓管路會造成一定的能量損耗，體積相對較大，在饋能效率、尺寸結(jié)構(gòu)以及響應(yīng)特性方面仍需要改善。

電磁類饋能式作動器，它利用電機的電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)電能與機械能的相互轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)主動控制與能量回收。依據(jù)所采用的電機及運動方式轉(zhuǎn)換機構(gòu)形式的不同，可分為3種結(jié)構(gòu)形式。

直線電機式作動器用直線電機代替?zhèn)鹘y(tǒng)減振器，將車輛懸置質(zhì)量與非懸置質(zhì)量之間的直線相對運動機械能與電能直接相互轉(zhuǎn)換，不需要中間任何的傳動或轉(zhuǎn)換裝置。日本學者Suda等提出了一種2級作動器，使用了2個直線電機，第1級將振動能量轉(zhuǎn)化成電能儲存在電容中，第2級使用這些儲存的電能來實現(xiàn)主動控制[11]；重慶大學羅虹實驗小組設(shè)計了一種圓筒型直線電機式電磁作動器應(yīng)用于汽車懸掛系統(tǒng)[12]。直線電機式作動器運動部件少，機械摩擦損耗幾乎為零，但其磁漏大，饋能效率有待提高。

旋轉(zhuǎn)電機式作動器利用傳動機構(gòu)將車輪與車體之間的相對直線運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動，進而利用旋轉(zhuǎn)電機進行振動控制和能量回收。按照傳動機構(gòu)的不同，旋轉(zhuǎn)電機式電磁作動器可以分為滾珠絲杠式和齒輪齒條式。美國Murty提出了一種減振器，采用滾珠絲杠副將懸掛的垂直運動轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)運動，驅(qū)動交流發(fā)電機發(fā)電，并用整流電路轉(zhuǎn)化為直流電[13]；吉林大學王偉華實驗小組設(shè)計了一種帶有雙超越離合器的滾珠絲杠式電磁饋能減振器，試制了該減振器的原型機，對其能量回收特性進行了試驗[14]。滾珠絲桿式作動器響應(yīng)特性好、定位精度高、徑向的幾何尺寸小，但抗沖擊能力差，軸向尺寸略長。美國德克薩斯大學和L-3公司等聯(lián)合研制了電控主動懸掛系統(tǒng)，其作動器采用齒輪齒條結(jié)構(gòu)，已安裝在“槍騎兵”等車輛上進行實車試驗[15]；吉林大學于長淼從理論上對基于齒輪齒條的饋能主動懸掛方案進行了仿真分析[16]。目前國內(nèi)還沒有學者對此形式的饋能式作動器進行原理樣機設(shè)計和研究。齒輪齒條式作動器作用力范圍廣且能精確控制，饋能效率較高，但其橫向結(jié)構(gòu)尺寸較大，抗沖擊能力有待改進。

綜合考慮各種饋能式作動器結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)缺點，針對所研究對象原被動懸掛系統(tǒng)的空間尺寸限制、動行程要求等因素，選定以齒輪齒條為運動方式轉(zhuǎn)換機構(gòu)的饋能式電磁作動器作為結(jié)構(gòu)方案，這種結(jié)構(gòu)方案軸向尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，饋能效率高，并且能夠精確控制。

2.2 設(shè)計要求

依據(jù)該輪式車輛的基本參數(shù)，可確定該饋能式電磁作動器設(shè)計的基本要求如表2所示。

表2 饋能式電磁作動器設(shè)計的基本要求

所研究的輪式車輛可以在4個車輪處各搭載1個電磁作動器，每個電磁作動器需提供1/4車重大小的主動出力，附加上電磁作動器主動控制所需要的基本儀器和設(shè)備，假定車輛滿載質(zhì)量為720 kg，則饋能式電磁作動器的最大主動出力需大于720×10/4 N，即Fpmax＞1 800 N。為提高懸掛系統(tǒng)能量回收效率，減少機械阻尼損耗，要求饋能式電磁作動器的摩擦阻力不能太大，即Ff＜300 N。新的饋能式電磁作動器的動行程不能小于原車輛被動懸掛的動行程，即ORM＞200 mm。為使該電磁作動器具有較高的反饋電能利用率，要求作動器的反電動勢常數(shù)盡可能大，即Ke＞30 V/KRPM。

饋能式電磁作動器的關(guān)鍵部件包括：

1)能夠主動出力和回收能量的作動器；

2)轉(zhuǎn)換運動方式的齒輪齒條機構(gòu)；

3)解決電機高速旋轉(zhuǎn)與齒輪低速旋轉(zhuǎn)之間連接問題的增減速機構(gòu)。這3種部件之間需要在性能和尺寸等方面恰當?shù)嘏浜希拍軌驅(qū)崿F(xiàn)饋能式電磁作動器的基本功能。對此，有兩個方面的設(shè)計要求，如表3所示。

表3 饋能式電磁作動器設(shè)計的功能實現(xiàn)要求和優(yōu)化設(shè)計要求

功能實現(xiàn)要求是指饋能式電磁作動器達到該車輛懸掛系統(tǒng)設(shè)計目標所必須滿足的性能指標參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計要求是指當有多種結(jié)構(gòu)選型方案滿足功能實現(xiàn)要求時，在多種方案中選擇性能更佳、匹配更合理、更經(jīng)濟實用的方案的要求。

針對功能實現(xiàn)，需要滿足下述要求：

① 為節(jié)省尺寸空間，減少部件機構(gòu)，選取圓柱形齒條代替矩形齒條，一方面可以省去矩形齒條所需配合使用的直線導軌，另一方面也便于設(shè)計加工和安裝試驗。對于齒輪與圓柱形齒條的配合，為使齒條具有足夠的機械強度，要求齒輪的齒高htooth要小于齒條直徑drack的一半，即htooth＜drack/2；

② 齒輪將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為齒條的直線運動，同時也將電機輸出的扭矩轉(zhuǎn)換成齒條的直線向力，則扭矩與出力之間的關(guān)系可由下式給出[17]

式中F為齒條的直線向力；R為齒輪分度圓半徑；T為電機端輸出扭矩；i為減速器的減速比。以美軍為其“槍騎兵”戰(zhàn)車設(shè)計的主動懸掛系統(tǒng)為參考，需要車輛所有電磁作動器額定出力之和為其車重的1/3[15]，則可設(shè)定饋能式電磁作動器的額定出力需大于其最大主動出力的1/3，即Fpe＞600 N。由此可以給出作動器及其減速器額定扭矩和最大扭矩4個方面的功能實現(xiàn)要求：

1)要求減速器端可持續(xù)輸出的扭矩要小于其額定扭矩，即Tpe=FpeR＜Tre；

2)要求減速器端提夠的最大扭矩要小于其停止扭矩，即Tpmax=FpmaxR＜Trmax；

3)要求電機端可持續(xù)輸出的扭矩要小于其額定扭矩，即Tpie=FpeR/i＜Tme；

4)要求電機端能夠提供的最大扭矩要小于其停止扭矩，即Tpimax=FpmaxR/i＜Tmmax；

③ 齒輪將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為齒條的直線運動，則懸掛系統(tǒng)中懸置質(zhì)量與非懸置質(zhì)量之間的相對運動速度與電機的旋轉(zhuǎn)運動速度有著一定的對應(yīng)關(guān)系[17]，可由下式表示

式中n為電機轉(zhuǎn)速；v為懸掛系統(tǒng)懸置質(zhì)量與非懸置質(zhì)量之間的相對速度。通常考慮-0.52 m/s＜v＜0.52 m/s，即相對運動速度vmax=0.52 m/s，則要求在此時電機的轉(zhuǎn)速要小于其額定轉(zhuǎn)速，即npe=60ivmax/(2πR)＜nme；

④ 除了扭矩和轉(zhuǎn)速匹配外，還需要對電機進行功率匹配。懸掛系統(tǒng)輸出功率可以表示為

式中P為懸掛系統(tǒng)輸出功率；Fa為饋能式電磁作動器主動出力。要求當電機工作在額定條件下時，懸掛系統(tǒng)輸出的最大功率要小于電機的額定功率，即Ps=Tmeivmax/R＜Pme。

針對優(yōu)化設(shè)計，需要滿足下述要求：

① 減速器的法蘭直徑與齒輪分度圓直徑要相近，以便于饋能式電磁作動器的配合安裝；

② 齒輪的齒數(shù)要盡量小，齒輪與齒條的齒主要承受較大的扭矩，并且通常主要是磨損失效，則齒數(shù)需盡量選擇少些；

③ 為減小饋能式作動器整體尺寸，節(jié)省空間，減輕重量，便于安裝，則電機和減速器法蘭尺寸相需相對較小；

④ 各部件的各項性能指標在滿足饋能式電磁作動器設(shè)計的基本要求、功能實現(xiàn)要求和優(yōu)化設(shè)計要求的同時，還需要留有一定的余量，以應(yīng)對饋能式電磁作動器可能遇到的極端工作環(huán)境。

2.3 原理樣機

依據(jù)饋能式電磁作動器的設(shè)計要求，對其關(guān)鍵部件進行匹配選型，結(jié)果如表4所示。

運用Solid Works軟件繪制出饋能減振器的原理圖，如圖2所示。

據(jù)此設(shè)計并加工出饋能式電磁作動器的原理樣機，如圖3所示。

3 饋能式電磁作動器性能試驗

饋能式電磁作動器特性試驗主要用于分析作動器的力學特性和饋能特性，從而驗證作動器的設(shè)計是否滿足要求。主要試驗內(nèi)容包括靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗。靜態(tài)試驗主要是作動器的靜態(tài)力學特性測試，用于測試電磁作動器在不同電流和不同負載條件下的主動出力大?。粍討B(tài)試驗主要是作動器的隨動特性和空載電壓特性，用于測試作動器在不同位移、速度條件下的摩擦阻力大小和饋能效率。

表4 饋能式電磁作動器關(guān)鍵部件參數(shù)

圖2 饋能式電磁作動器原理圖

圖3 饋能式電磁作動器加工實物圖

圖4給出了饋能式電磁作動器采用的減振器特性試驗系統(tǒng)，該試驗系統(tǒng)主要包括激振臺、饋能式電磁作動器、力傳感器、位移傳感器、電源、電機驅(qū)動器、上位機激振臺控制程序、上位機電機調(diào)試程序。激振臺帶動饋能式作動器以不同速度相對運動，可測得作動器的隨動特性和空載電壓特性；激振臺固定，向饋能式電磁作動器施加不同大小的電流，可測得作動器的靜態(tài)力學特性。

3.1 隨動特性試驗

隨動特性試驗也是阻尼特性試驗，用來測量不同條件下作動器摩擦阻力的大小。設(shè)定激振臺振動位移為±50 mm，分別測量饋能式電磁作動器在速度為0.05 m/s、0.1 m/s、0.3 m/s和0.52 m/s下的拉伸方向和壓縮方向摩擦阻力，試驗結(jié)果如圖5所示。

圖4 減振器特性試驗系統(tǒng)

圖5 不同速度下作動器的摩擦阻力

由圖中數(shù)據(jù)可知：

1）在拉伸方向和壓縮方向饋能式電磁作動器的摩擦阻力大小基本相等，具有對稱性；

2）在懸掛系統(tǒng)懸置質(zhì)量與非懸置質(zhì)量相對運動最大速度時，饋能式電磁作動器拉伸方向的摩擦阻力為323.53 N，略大于設(shè)計要求值。

3.2 靜態(tài)力學特性試驗

靜態(tài)力學特性試驗也是作動器主動出力試驗，用來測試饋能式電磁作動器在不同電流下主動出力的力值大小，其理論值計算公式為

式中Kt為力矩常數(shù)；I為控制電流。

將激振臺鎖定不動，通過電機驅(qū)動器對饋能式電磁作動器施加±0.2 A、±0.5 A、±1 A、±2 A、±3 A、±4 A、±5 A和±6 A的電流，測量相應(yīng)條件下拉伸方向和壓縮方向作動器出力的大小。將測得的試驗數(shù)據(jù)與理論值進行比較，如圖6所示。由圖中數(shù)據(jù)可知：

1）饋能式電磁作動器主動出力與其驅(qū)動電流呈線性關(guān)系；

2）在拉伸方向和壓縮方向饋能式電磁作動器的主動出力大小基本相等，具有對稱性；

圖6 不同電流下作動器的主動出力

3）在電流小于3 A時，試驗數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)基本上相符，在大于3 A時，試驗數(shù)據(jù)略小于理論數(shù)據(jù)；

4）饋能式電磁作動器額定出力約為669 N，當電機驅(qū)動電流過載3倍狀態(tài)工作時，其最大出力約為1 930 N，滿足設(shè)計要求。

3.3 空載電壓特性試驗

空載電壓特性試驗也是饋能特性試驗，用來測試饋能式電磁作動器在懸掛系統(tǒng)不同相對運動速度下的反饋電壓的大小，其理論值計算公式為

式中Ke為反饋電壓常數(shù)。

分別測量饋能式電磁作動器在速度為0.1 m/s、0.2 m/s、0.3 m/s、0.4 m/s和0.52 m/s下的反饋電壓值。將測得的試驗數(shù)據(jù)與理論值進行比較，如圖7所示。由圖中數(shù)據(jù)可知：

1）饋能式電磁作動器反饋電壓與其相對運動速度基本呈線性關(guān)系；

2）試驗數(shù)據(jù)略小于理論數(shù)據(jù)，相對運動速度越大，數(shù)據(jù)偏差越大。

圖7 不同相對運動速度下作動器的反饋電壓

4 結(jié)語

本文從三個角度分析饋能式電磁作動器的設(shè)計要求，即基本要求、功能實現(xiàn)要求和優(yōu)化設(shè)計要求，設(shè)計了一種用于某型輪式車輛的饋能式電磁作動器，試制了原理樣機，并給出了饋能式電磁作動器的性能試驗與分析。試驗結(jié)果表明，該作動器能夠滿足主動出力和懸掛系統(tǒng)動行程等要求，摩擦阻力基本上達到設(shè)定目標，反饋電壓略小于理論值但已足夠高。所設(shè)計的饋能式電磁作動器可供某輪式車輛使用，文中給出了三個設(shè)計要求可以為作動器的設(shè)計提供參考。

下一步，可依據(jù)已設(shè)計的饋能式電磁作動器構(gòu)建饋能式懸掛系統(tǒng)，并進行振動控制算法和能量回收特性方面的研究。

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AnAlternative Design and Performance Experiments of an Energy-regenerative ElectromagneticActuator

HUANG Da-shan,ZHANG Jin-qiu,LIU Yi-le,LIU Jun-yan
（Department of Equipment Testing and Training,Academy ofArmored Force Engineering, Beijing 100072,China）

The problem of large amount of energy consuming in active suspension system is studied.An energyregenerative electromagnetic suspension system is designed.This system can recover the dissipated vibration energy so as to reduce the energy consuming and improve the efficiency of energy utilization.A design scheme of the energy-regenerative electromagnetic actuator is provided with a full consideration of the features of structures and functions of the energyregenerative electromagnetic suspension system.The design requirements of the actuator are classified into 3 categories: basic requirement,function implementation requirement,and optimization design requirement.A principle prototype of the energy-regenerative electromagnetic actuator is designed and prepared.The performance of the actuator is analyzed experimentally.The experiment on following characteristic is conducted to test the frictional resistance of the actuator,the experiment on static mechanical characteristic is performed to acquire the magnitude of the force of the actuator and the experiment on load-free voltage characteristic is done to verify the effect of energy recovery of the actuator.The results show that the designed energy-regenerative electromagnetic actuator can satisfy the performance requirement.It can be used to construct the energy-regenerative electromagnetic suspension system.

vibration and wave;integrated transportation;suspension system;electromagnetic actuator;energyregenerative;design and test

U463.33

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2017.01.017

1006-1355(2017)01-0076-06

2016-06-22

創(chuàng)新工程項目資助（2015YY04）

黃大山（1988－），男，黑龍江省雙鴨山人，博士生，從事車輛懸掛系統(tǒng)振動控制與能量回收方面的研究。E-mail:scoobidoobidoo@126.com

張進秋（1963－），男，博士生導師，研究方向為智能材料與振動控制。E-mail:tiannanxingnan@sina.com