液壓互聯(lián)饋能懸架特性分析與試驗

汪若塵 蔣秋明 葉 青 陳 龍 孟祥鵬

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院， 鎮(zhèn)江 212013)

液壓互聯(lián)饋能懸架特性分析與試驗

汪若塵 蔣秋明 葉 青 陳 龍 孟祥鵬

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院， 鎮(zhèn)江 212013)

針對互聯(lián)懸架能耗過大卻不能回收懸架振動能量的問題，提出了一種液壓互聯(lián)饋能懸架系統(tǒng)。闡述了液壓互聯(lián)饋能懸架的結(jié)構(gòu)及工作原理，建立了AMESim動力學(xué)模型，并設(shè)計了恒流饋能電路，研究了在正弦路面與隨機(jī)路面輸入激勵下的動態(tài)性能，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了臺架試驗，試驗與仿真結(jié)果基本吻合。結(jié)果表明：與未加入恒流電路控制的液壓互聯(lián)懸架相比，采用恒流電路控制的液壓互聯(lián)饋能懸架具有更佳的整體動態(tài)性能，其側(cè)傾角加速度、車身垂直加速度均有所下降，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了對車身振動能量的回收,為液壓互聯(lián)饋能懸架的模式切換控制提供了理論基礎(chǔ)。

液壓互聯(lián)懸架； 半主動懸架； 能量回收； 恒流電路

引言

互聯(lián)懸架能夠很好地提高車輛的整車操穩(wěn)性[1-2]，防止車身側(cè)翻，在復(fù)雜工況下保持車身的穩(wěn)定。但同時互聯(lián)懸架[3-5]多使用于崎嶇路面與復(fù)雜轉(zhuǎn)向工況，車身振動能耗過大，振動能量多以熱能耗散，造成極大的浪費。

近年來，許多學(xué)者[6-9]開始研究饋能型懸架，在實現(xiàn)車身振動衰減的同時回收懸架耗散的能量，將其轉(zhuǎn)換為電能并加以儲存利用。文獻(xiàn)[10-14]對液壓互聯(lián)懸架進(jìn)行了建模以及模態(tài)分析，提出了一種主動互聯(lián)懸架，有效地提高了車身性能，但并未對互聯(lián)懸架振動能量回收進(jìn)行研究。而在懸架能耗較大的問題上，國內(nèi)外學(xué)者提出了饋能型主動懸架的概念，能夠回收由路面激勵產(chǎn)生的懸架振動能量。KAWAMOTO等[15]提出混合式懸架系統(tǒng)，在被動懸架的基礎(chǔ)上加上電機(jī)式能量再生阻尼器，將振動能量轉(zhuǎn)換為電能。喻凡等[16-17]研制了滾珠絲杠式主動懸架，并分析了能量回饋的可行性。文獻(xiàn)[18-20]提出液電饋能式減振器，研究其阻尼特性與饋能性，并進(jìn)行了樣機(jī)的試驗仿真。然而，目前懸架饋能研究主要針對1/4車饋能減振器以及直線電機(jī)式饋能主動懸架，并未涉及饋能式液壓互聯(lián)懸架相關(guān)方面的研究。

本文在液壓互聯(lián)懸架的基礎(chǔ)上，引入饋能單元，提出一種液壓互聯(lián)饋能懸架，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建液壓互聯(lián)饋能懸架的系統(tǒng)模型，設(shè)計恒流饋能電路，仿真分析設(shè)計懸架饋能性和車輛綜合性能，并進(jìn)行互聯(lián)懸架臺架試驗。

1 液壓互聯(lián)饋能懸架工作原理

1.1 液壓互聯(lián)饋能懸架結(jié)構(gòu)

液壓互聯(lián)饋能懸架結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由液壓缸、單向閥、蓄能器、液壓馬達(dá)、液壓管路、發(fā)電機(jī)以及饋能回路部分組成。液壓互聯(lián)饋能懸架是用液壓馬達(dá)取代被動互聯(lián)懸架結(jié)構(gòu)內(nèi)的阻尼閥，實現(xiàn)將液壓管路中的液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能儲存在電池內(nèi)。

圖1 液壓互聯(lián)饋能懸架半車模型Fig.1 Half vehicle model of hydraulic interconnected feed1、9.液壓缸 2、8.蓄能器 3.單向閥 4.整流橋 5.液壓馬達(dá)6.發(fā)電機(jī) 7.饋能回路

1.2 液壓互聯(lián)饋能懸架工作原理

如圖1所示，由于受到路面激勵的作用，液壓缸內(nèi)的活塞上下運動。當(dāng)液壓互聯(lián)饋能懸架左側(cè)的液壓缸處于拉伸行程時，油液推動液壓缸內(nèi)的活塞向上運動，油液行至節(jié)點A處，單向閥b閉合而單向閥a開啟，油液通過單向閥a至節(jié)點B，油液經(jīng)過液壓馬達(dá)，驅(qū)動其旋轉(zhuǎn)，并將轉(zhuǎn)矩傳遞給發(fā)電機(jī)發(fā)電；從液壓馬達(dá)出口流出的油液經(jīng)蓄能器穩(wěn)壓后，經(jīng)過節(jié)點D進(jìn)入右側(cè)液壓缸的下腔，并推動右側(cè)液壓缸內(nèi)的活塞向上運動。

同理，經(jīng)右側(cè)液壓缸上腔流出的油液經(jīng)過整流橋(4個單向閥組成整流橋，主要用于穩(wěn)定液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速，提高工作效率)、液壓馬達(dá)、蓄能器流回左側(cè)液壓缸的下腔，從而形成半車的左右互聯(lián)。

2 液壓互聯(lián)饋能模型的數(shù)學(xué)模型

2.1 動力學(xué)模型

基于AMESim/Simulink軟件，建立了液壓互聯(lián)饋能懸架整車動力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 整車動力學(xué)模型Fig.2 Vehicle dynamic model

車身質(zhì)心垂直運動方程為

(1)

其中

式中Zb——質(zhì)心位移，mmb——懸掛質(zhì)量，kgf1、f2、f3、f4——懸架作用力，Nkti——懸架剛度，kN/mZb1、Zb2、Zb3、Zb4——車身位移，mFf1、Ff2、Ff3、Ff4——液壓缸阻尼力，NZw1、Zw2、Zw3、Zw4——輪胎位移，m

車身側(cè)傾運動方程為

(2)

式中Iφ——側(cè)傾轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2φ——側(cè)傾角，radtf——前軸、后軸輪距的一半，m

非懸掛質(zhì)量的垂直運動方程為

(3)

式中mw1、mw2——前軸非懸掛質(zhì)量，kgmw3、mw4——后軸非懸掛質(zhì)量，kgZg1、Zg2、Zg3、Zg4——路面位移，m

2.2 電路恒流控制原理方程

饋能回路部分采用恒流電路控制方式，相較于恒壓控制模式，恒流控制模式具有系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)，改善動態(tài)特性，快速限制電流的優(yōu)點，可將電路中電流控制在某區(qū)間范圍內(nèi)，以控制液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩，增加液壓管路內(nèi)的阻尼力，進(jìn)而使液壓互聯(lián)饋能懸架的整體性能得到改善，圖3為AMESim饋能回路圖。

圖3 AMESim饋能回路圖Fig.3 Diagram of AMESim feed energy circuit

(4)

式中Pem——發(fā)電機(jī)功率P2——發(fā)電機(jī)輸出電功率Pcu——可變損耗(銅耗)R0——發(fā)電機(jī)內(nèi)阻Ia——饋能電路的電流U——發(fā)電機(jī)兩端電壓

(5)

式中Rx——恒電流控制電路中可變電阻

恒電流控制主要是假設(shè)短時間內(nèi)發(fā)電機(jī)功率不變，將控制目標(biāo)Ia設(shè)為目標(biāo)值，從而控制電路中電流恒定為Ia。

3 懸架性能仿真分析

針對設(shè)計的液壓互聯(lián)饋能懸架，電路部分通過電路中電流預(yù)先值的設(shè)定來控制電路中電流。而電路中電流不僅決定了最終饋能功率，還對車身懸架的性能有著重要的影響。首先對不同電流下整車操穩(wěn)性、整車平順性以及饋能功率的關(guān)系做相關(guān)的仿真分析，再將整車性能與被動互聯(lián)懸架以及未加入恒流電路控制的液壓互聯(lián)懸架進(jìn)行不同路面激勵頻率下的仿真分析對比。未加入電路控制的液壓互聯(lián)懸架相比較于被動互聯(lián)懸架，結(jié)構(gòu)上用液壓馬達(dá)取代阻尼閥，但并未采用恒流電路控制。系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示。

表1 懸架模型仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters

3.1 不同電流對性能的影響

此能量回收方案中，發(fā)電機(jī)直接與電路中負(fù)載連接，所以仿真中回收的能量則視為傳遞給負(fù)載的能量。而本模型采用恒電流控制電路的方式，在回收懸架中振動能量的同時，通過算法改變負(fù)載，實現(xiàn)電路中電流的恒定，并以此改善懸架的動力學(xué)性能。

仿真選擇幅值0.05 m、左右輪輸入相位差為180°的路面，因為當(dāng)左右輪輸入相位差為180°時，在各種不同的行駛工況下，整車操穩(wěn)性與整車平順性更易區(qū)分，且差別較明顯。在此工況下對側(cè)傾角加速度，車身加速度以及饋能功率進(jìn)行時域仿真分析。

如圖4a所示，側(cè)傾角加速度與饋能功率均為相應(yīng)電流下20 s內(nèi)的均方根。雖然在2.6 A左右時，側(cè)傾角加速度與饋能功率的曲線有交叉點，但此時側(cè)傾角加速度明顯高于未加電路時的側(cè)傾角加速度，且側(cè)傾角加速度峰值點過高，整車操穩(wěn)性較差，因此此點不予選取。而將電流設(shè)置為1.2 A時，側(cè)傾角加速度曲線與饋能功率曲線最接近，所對應(yīng)的電流即為綜合性能最優(yōu)電流。

由圖4b得出，在電流設(shè)為1.2 A時，整車平順性與饋能性綜合效果最佳。

圖4 基于AMESim的車身性能隨電流變化仿真曲線Fig.4 Simulation curves of body performance with current change based on AMESim

綜上，在電流設(shè)置為1.2 A時車身性能與饋能性兼顧效果最理想。

3.2 正弦路面輸入下車身性能仿真對比分析

考慮到路面激勵頻率對懸架動力學(xué)性能以及饋能功率的影響，因此仿真工況分別對振幅0.05 m，頻率2.5、5 Hz正弦路面譜輸入下的被動互聯(lián)懸架、液壓互聯(lián)饋能懸架以及未加入恒流電路控制的液壓互聯(lián)懸架進(jìn)行仿真并作對比。

由圖5與表2可知，隨著路面激勵頻率的增加，未加入電路控制的液壓互聯(lián)懸架，隨著路面激勵頻率的增大，液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩增加，側(cè)傾角加速度相較于被動互聯(lián)懸架明顯變大，而液壓互聯(lián)饋能懸架與被動互聯(lián)懸架側(cè)傾角加速度比較接近，所以在回收能量的同時，為保證整車操穩(wěn)性，加入電路控制與保護(hù)很重要。而在2.5、5 Hz時設(shè)置電流為1.2 A的液壓互聯(lián)饋能懸架相較于被動互聯(lián)懸架，其側(cè)傾角加速度均方根增幅僅3.51%和4.02%，車身性能略有下降，但對車輛行駛并不會造成明顯影響。

圖5 側(cè)傾角加速度時域響應(yīng)Fig.5 Acceleration time domain response

路面激勵頻率/Hz液壓被動互聯(lián)懸架未加電路的互聯(lián)饋能懸架液壓互聯(lián)饋能懸架2.51.79742.28011.86055.01.61203.70301.6768

由圖6與表3同理可得，在2.5、5 Hz時設(shè)置電流為1.2 A的液壓互聯(lián)饋能懸架相較于被動互聯(lián)懸架，其車身垂向加速度均方根值增幅僅3.5%和4.02%，車身性能略有下降，但對車輛行駛影響不大，而未加電路控制的液壓互聯(lián)懸架車身垂向加速度則明顯增大。

3.3 隨機(jī)路面輸入下車身性能仿真對比分析

隨機(jī)路面輸入采用AMESim與Simulink聯(lián)合仿真的方式，在Simulink中建立路面不平度功率譜密度Gq(n)模型，表達(dá)式為

式中n——空間頻率

圖6 車身垂向加速度時域響應(yīng)Fig.6 Vertical acceleration time domain response

路面激勵頻率/Hz液壓被動互聯(lián)懸架未加電路的互聯(lián)饋能懸架液壓互聯(lián)饋能懸架2.51.15381.46321.19425.01.03482.37541.0764

n0——參考空間頻率Gq(n0)——路面不平度系數(shù)W——頻率指數(shù)

選取路面等級為B級，車速20 m/s，恒流電路中電流設(shè)置為1.2 A，對車身性能進(jìn)行時域、頻域仿真，仿真結(jié)果如圖7、8所示。

圖7 懸架系統(tǒng)仿真結(jié)果時域?qū)Ρ惹€Fig.7 Time domain comparison curves of simulation results of suspension system

圖8 懸架系統(tǒng)仿真結(jié)果頻域?qū)Ρ惹€Fig.8 Frequency domain comparison curves of simulation results of suspension system

由圖7、8及表4可得，在隨機(jī)路面激勵下，相較于未加入電路控制的液壓互聯(lián)懸架，液壓互聯(lián)饋能懸架的側(cè)傾角加速度改善13%，車身垂向加速度改善14.2%，車輛性能得到明顯改善；而與被動互聯(lián)懸架較為接近，效果理想。

3.4 轉(zhuǎn)向行駛工況下整車動態(tài)響應(yīng)仿真對比分析

為了研究液壓互聯(lián)饋能懸架系統(tǒng)對于整車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性的影響，采用標(biāo)準(zhǔn)雙移線路面工況進(jìn)行仿真試驗，行駛速度為70 km/h。

表4 隨機(jī)路面激勵下車身性能均方根Tab.4 Root mean square value of suspension system

由圖9可知，液壓互聯(lián)饋能懸架相較于未加入恒流電路控制的液壓互聯(lián)懸架，其穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性有了明顯的改善，整車操穩(wěn)性有了較大的提升。

圖9 雙移線路面時域響應(yīng)Fig.9 Time domain responding to double moving line

4 臺架試驗

為了驗證仿真的準(zhǔn)確性和有效性，搭建了液壓互聯(lián)饋能懸架的半車臺架，并在MTS四通道輪胎耦合道路模擬機(jī)上進(jìn)行臺架試驗，前懸采用被動懸架，后懸采用液壓互聯(lián)饋能懸架，于隨機(jī)路面譜下進(jìn)行試驗，并在雙移線路況下進(jìn)行了實車驗證試驗。

4.1 試驗樣機(jī)布置方案

液壓互聯(lián)饋能懸架樣機(jī)布置如圖10所示，在樣車后輪裝上液壓互聯(lián)饋能懸架；實際恒流電路使用Buck-Boost電路板配合dSPACE實現(xiàn)恒電流控制，如圖11所示。

圖10 臺架試驗布置圖Fig.10 Physical layout of bench test

圖11 實際恒流電路板Fig.11 Actual constant current circuit board

4.2 試驗結(jié)果

根據(jù)GB/T 5902—1986，取v=20 m/s，將設(shè)計產(chǎn)生的隨機(jī)路面譜輸入MTS試驗臺，進(jìn)行隨機(jī)輸入試驗，系統(tǒng)的時域響應(yīng)如圖12所示。

如圖12所示，與未加入電路的互聯(lián)懸架相比，液壓互聯(lián)饋能懸架車身加速度均方根降低了9.8%，側(cè)傾角加速度均方根降低了16.75%。由圖13可知，在雙移線轉(zhuǎn)向路況下，液壓互聯(lián)饋能懸架的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性也有所改善，與仿真結(jié)果一致。

圖12 懸架系統(tǒng)試驗結(jié)果時域?qū)Ρ惹€Fig.12 Time domain comparison curves of test results of suspension system

圖13 雙移線路面時域響應(yīng)Fig.13 Time domain response of double-shifting line

另外，如圖14所示，采樣時間內(nèi)單個車輪平均饋能功率達(dá)到30.5 W，驗證此新型懸架具有良好的饋能特性。

圖14 隨機(jī)激勵試驗饋能功率Fig.14 Energy feeding power of random excitation test

5 結(jié)論

(1)提出了一種由恒流電路控制的液壓互聯(lián)饋能懸架，在保證懸架動力學(xué)性能接近被動互聯(lián)懸架的基礎(chǔ)上，回收部分振動能量。

(2)建立了液壓互聯(lián)饋能懸架的AMESim與Simulink聯(lián)合仿真模型，并通過試驗驗證了模型的正確性。

(3)相比較于未加電路控制的液壓互聯(lián)懸架，液壓互聯(lián)饋能懸架能合理改善整車平順性與操穩(wěn)性，有效提升了懸架性能，且在不同路面頻率振動下的仿真與試驗結(jié)果驗證了恒電流控制電路的重要性。

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Characteristics Analysis and Experiment of Hydraulic Interconnected Energy-regenerative Suspension

WANG Ruochen JIANG Qiuming YE Qing CHEN Long MENG Xiangpeng

(SchoolofAutomotiveandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

In view of the problem that the energy consumption of interconnected suspension is too large and the vibration energy of the suspension cannot be recovered, a new type of hydraulic interconnected power system was presented, which can improve the dynamic performance of the whole vehicle and recover the vibration energy of the suspension. Compared with the passive interconnected suspension, the hydraulic interconnected energy regeneration suspension structure adopted the hydraulic motor to replace the damping valve. The hydraulic rectification bridge was used to rectify the pipeline. On this basis, a constant current control feed circuit was designed. On the one hand, it can be used to recover and store the suspension vibration energy. On the other hand, the constant current value also can be changed to improve the dynamic performance of the whole vehicle. The structure and working principle were introduced, the AMESim dynamic model was established, and the constant current feed energy circuit of the hydraulic interconnected power supply system was designed. A preliminary study on the dynamic performance of the input excitation in sinusoidal and random pavement was studied. On the basis of this, the bench test was carried out，and the experiment and simulation results were basically consistent. Results showed that compared with the hydraulic interconnected energy-regenerative suspension without the control of constant current circuit, the hydraulic interconnected energy-regenerative suspension with the control of constant current circuit had a better overall dynamic performance, the angle acceleration and the vertical acceleration of the vehicle body were decreased, and the recovery of the vibration energy of the vehicle body was realized, which provided a theoretical basis for the mode switching control of the hydraulic interconnected energy-regenerative suspension.

hydraulic interconnected suspension; semi-active suspension; energy recovery; constant current circuit

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.08.042

2016-11-02

2017-01-10

國家自然科學(xué)基金項目(51575240)、江蘇省教育廳自然科學(xué)基金重大項目(15KJA460005)和鎮(zhèn)江市工業(yè)支撐項目(GY2015029)

汪若塵(1977—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事車輛動態(tài)性能研究，E-mail： wrc@ujs.edu.cn

U463.33

A

1000-1298(2017)08-0350-08