電動輪汽車雙磁流變減振器懸架的設(shè)計

劉晉霞，王 宇，劉宗鋒，焦志愿

（1.山東科技大學(xué)交通學(xué)院，山東 青島 266590；2．山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590）

1 引言

電動輪汽車采用分布式電機(jī)驅(qū)動，具有動力傳遞效率高、底盤結(jié)構(gòu)簡單、整車質(zhì)量低等優(yōu)點[1-2]。由于電動輪汽車將動力、制動及傳動裝置集成于電動輪內(nèi)，汽車底盤布置發(fā)生了徹底的改變，存在電動輪與傳統(tǒng)懸架結(jié)構(gòu)不匹配的問題[3-4]，因此，電動輪汽車懸架系統(tǒng)的設(shè)計研究成為了諸多學(xué)者關(guān)注的熱點。

當(dāng)前，關(guān)于電動輪汽車懸架結(jié)構(gòu)的研究主要從傳統(tǒng)懸架結(jié)構(gòu)改進(jìn)和集成懸架開發(fā)兩個方面展開。文獻(xiàn)[5]對電動輪汽車麥弗遜式前懸架進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，成功解決了輪轂電機(jī)占用空間大，與懸架構(gòu)件配合存在干涉的問題。文獻(xiàn)[6]在對雙橫臂懸架轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計導(dǎo)入了一種零前束變化懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)了電動輪汽車前、后懸架的通用化。以上設(shè)計結(jié)構(gòu)均較為復(fù)雜，且對汽車底盤布置改動較大。文獻(xiàn)[7]介紹了將主動懸架集成于電動輪內(nèi)的“主動輪”概念，實現(xiàn)驅(qū)動、減振機(jī)構(gòu)的一體化設(shè)計。借鑒上述結(jié)構(gòu)理念，文獻(xiàn)[8]研究開發(fā)了“多功能電動輪系統(tǒng)”，將磁流變減振器安裝于電動輪內(nèi)，并選用不等臂雙橫臂懸架結(jié)構(gòu)；由于電動輪輪內(nèi)空間有限，當(dāng)汽車受到路面激勵時，該系統(tǒng)減振器存在垂向和軸向的耦合運動，影響懸架系統(tǒng)運行可靠性?；谝陨涎芯浚岢隽艘环N采用對置布置雙磁流變減振器的懸架結(jié)構(gòu)，并將該懸架結(jié)構(gòu)集成于車輪之內(nèi)，設(shè)計、確定磁流變減振器、懸架彈簧的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并對磁流變減振器、懸架彈簧分別進(jìn)行性能仿真及有限元分析。

2 雙磁流變減振器懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 雙磁流變減振器懸架結(jié)構(gòu)

根據(jù)汽車輪輞規(guī)格系列GB/T3487-2005，選擇電動輪輪輞直徑、寬度分別為484.4mm，343mm。將雙磁流變減振器對置布置于電動輪電機(jī)軸盤一側(cè)（電機(jī)軸盤另一側(cè)布置有驅(qū)動電機(jī)及制動器，二者總的軸向尺寸約為200 mm[9]，為懸架結(jié)構(gòu)的安裝保留了充足的空間），雙磁流變減振器懸架結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 雙磁流變減振器懸架結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of 2 MR Dampers Suspension

該懸架結(jié)構(gòu)主要由轉(zhuǎn)向節(jié)、磁流變減振器、懸架彈簧等零部件組成，通過柱銷與車橋連接，具有結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)省底盤空間、連接方式簡單、可靠等優(yōu)點。磁流變減振器兩端通過螺栓分別固定于電機(jī)軸盤及轉(zhuǎn)向節(jié)上，并設(shè)有彈簧座、底部端蓋用于懸架彈簧的安裝。將轉(zhuǎn)向節(jié)圓錐軸端改為矩形，以便磁流變減振器的固定；轉(zhuǎn)向節(jié)軸采用滑槽結(jié)構(gòu)實現(xiàn)與車輪的連接，端部設(shè)計為凸塊結(jié)構(gòu)，限制車輪的軸向運動，保證汽車懸架系統(tǒng)正常高效運行。當(dāng)車輪受到不平路面激勵時，轉(zhuǎn)向節(jié)在磁流變減振器及懸架彈簧的作用下，相對電動輪上下運動，實現(xiàn)振動能量的吸收與耗散。

2.2 磁流變減振器設(shè)計

2.2.1 磁流變減振器結(jié)構(gòu)及模型

磁流變減振器主要由彈簧座、活塞桿、活塞、電磁線圈、工作缸、儲氣室、底部端蓋等組成，如圖2 所示。圖中：h—阻尼通道間隙；l—阻尼通道長度；d—活塞桿直徑；D、D1—工作缸內(nèi)徑、外徑。由于磁流變減振器對置安裝于電動輪，設(shè)計減振器最長Lmax=260mm，最短Lmin=180mm。

圖2 磁流變減振器結(jié)構(gòu)Fig.2 MR Damper Structure

當(dāng)磁流變減振器活塞運動時，磁流變液承受壓力流入阻尼通道間隙，改變電磁線圈電流大小，控制阻尼通道間隙中磁流變液流速及其與磁極表面剪切應(yīng)力，實現(xiàn)輸出阻尼力連續(xù)可變；活塞運動過程中上、下腔體積差由儲氣室體積變化所吸收。忽略磁流變減振器內(nèi)部摩擦力及流體慣性作用，磁流變減振器Bingham模型表達(dá)式為：

式中：Fi—第一項為粘滯阻尼力；Fc—第二項為庫倫阻尼力；η—磁流變液塑性黏度；Ap、Ar—活塞、活塞桿面積；v—減振器速度；b—阻尼通道寬度，b=π（D1+D）/2；τy—臨界剪切屈服應(yīng)力。

2.2.2 磁流變減振器結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

（1）工作缸內(nèi)徑D、外徑D1

工作缸是磁流變減振器主體構(gòu)件，具有保護(hù)、承載、導(dǎo)熱、導(dǎo)磁等作用，其材料選用塑性好、韌性高的10 號鋼。在該懸架結(jié)構(gòu)中，磁流變減振器為并聯(lián)布置，為避免減振器在系統(tǒng)運動時產(chǎn)生擠壓、拉伸變形，設(shè)計單個磁流變減振器最大卸荷力Fmax為2000 N，磁流變減振器內(nèi)徑D 計算公式為：

式中：［P］—減振器最大容許壓力，取值范圍為（2～5）MPa；p—活塞桿半徑與工作缸半徑比值，由于減振器為單筒減振器，取值范圍為（0.30～0.35）。

磁流變減振器外徑D1與內(nèi)徑D 的關(guān)系為：

式中：r—工作缸厚度，r=（0.08～0.3）D。

（2）阻尼通道間隙h、阻尼通道長度l

由式（1）知：庫倫阻尼力與阻尼通道間隙成反比，粘滯阻尼力與阻尼通道間隙的三次方成反比，在阻尼通道間隙減小相同數(shù)值下粘滯阻尼力增加更為明顯?？紤]到庫倫阻尼力輸出范圍，阻尼通道間隙取值一般在（0.5～2）mm 之間。

阻尼通道長度的選取決定磁流變減振器最大輸出力的大小，其確定應(yīng)滿足下式要求：

2.2.3 磁流變減振器線圈匝數(shù)的確定

線圈匝數(shù)的確定對磁流變減振器內(nèi)部磁動勢具有較大的影響，進(jìn)而影響磁流變減振器庫倫阻尼力的大小，根據(jù)磁路歐姆定律知：

式中：F—磁動勢；I—電流；N—線圈匝數(shù)；φ—磁通量；Rm—磁路總磁阻。

磁流變減振器采用軸對稱磁路設(shè)計，原理如圖3 所示。圖中：r3—活塞半徑；r4、b1—線圈槽半徑、長度。根據(jù)磁阻計算公式，圖中磁路總磁阻為：

式中：R1、R2、R3、R4—桿芯、間隙、側(cè)翼與缸壁處磁阻，其計算公式[10]分別為：

式中：u0—空氣磁導(dǎo)率；u1、u2、u3—桿芯（純鐵）、磁流變液、缸壁材料的相對磁導(dǎo)率。

圖3 磁流變減振器磁路原理圖Fig.3 Magnetic Circuit Principle of MR Damper

選用SG-MRF2035 磁流變液，根據(jù)文獻(xiàn)[11]的研究，臨界剪切屈服應(yīng)力τy與磁感應(yīng)強(qiáng)度T 關(guān)系為：τy=78T。當(dāng)輸入電流I=2A，活塞運動速度v=0.53 m/s 時，磁流變減振器最大輸出力為1635N[12]；忽略磁漏損失，根據(jù)磁路定理及剪切屈服應(yīng)力與磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系式，推導(dǎo)線圈匝數(shù)與磁流變減振器庫倫力關(guān)系式為：

式中：S—磁通面積。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)QC/T491-1999，并參照原減振器尺寸，磁流變減振器參數(shù)，如表1 所示。

表1 磁流變減振器參數(shù)Tab.1 Parameters of MR Damper

2.3 懸架彈簧設(shè)計

懸架彈簧對汽車簧載質(zhì)量起著重要的支撐作用，并可吸收、儲存汽車振動能量，對汽車行駛的平順性、安全性具有較大的影響。設(shè)計懸架彈簧為螺旋壓縮彈簧，并與磁流變減振器并聯(lián)連接，由于其對材料彈性極限、韌性、塑性及熱處理性能要求較高，選用油淬火-回火彈簧鋼60Si2MnA。懸架彈簧參數(shù)，如表2 所示。

表2 懸架彈簧參數(shù)Tab.2 Parameters of Suspension Spring

3 懸架結(jié)構(gòu)性能仿真及校核

3.1 磁流變減振器仿真分析

根據(jù)式（1）利用MATLAB/Simulink 工具建立磁流變減振器Bingham 模型，并依據(jù)QC/T545-1999 標(biāo)準(zhǔn)，采用頻率為1Hz 的正弦激勵信號，分析輸入電流為 0、0.5、1.0、1.5、2.0A 時，減振器輸出阻尼力與位移、速度之間的關(guān)系，如圖4、圖5 所示。

圖4 磁流變減振器示功圖Fig.4 Indicator Diagram of MR Damper

圖5 磁流變減振器速度特性Fig.5 Velocity Characteristic of MR Damper

由圖4 知：輸出阻尼力、減振器示功面積隨電流強(qiáng)度的增大而增大，耗散的振動能量也隨控制電流的增大而增大，且?guī)靵鲎枘崃缀跖c控制電流同步產(chǎn)生，減振器響應(yīng)迅速。無電流輸入時，減振器最大阻尼力約為330N；當(dāng)輸入電流為2A 時，減振器最大阻尼力約為1600N，減振器阻尼力可控范圍較大，可適應(yīng)較為復(fù)雜的路面狀況。

由圖5 知：同電流輸入下，磁流變減振器阻尼力與減振器速度呈非線性特征，輸出阻尼力隨速度的增加而增加；當(dāng)減振器速度下降時，阻尼力也相應(yīng)減小，但其上升、下降軌跡并不重合，存在明顯的回滯現(xiàn)象。當(dāng)磁流變減振器速度較低時，阻尼力上升、下降軌跡接近平行，可將磁流變液視為牛頓體，呈粘彈性；當(dāng)速度較高時，其軌跡為直線并重疊，磁流變液呈塑性，符合Bingham 流體特征。無電流輸入時，磁流變減振器阻尼力軌跡為直線，與普通減振器性能相似。

3.2 懸架彈簧校核及分析

根據(jù)表2 懸架彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)，彈簧剛度ks 計算公式[13]為：

式中：G—剪切彈性模數(shù)，G=7.94×106。

為保證汽車運行過程中，具有較大的懸架行程，要求該懸架結(jié)構(gòu)在簧載負(fù)荷作用下，轉(zhuǎn)向節(jié)軸線與電動輪軸線一致?？紤]磁流變減振器彈簧座與底部端蓋的距離及懸架彈簧自由高度的大小，設(shè)定在空載情況下，對懸架彈簧進(jìn)行預(yù)壓縮，變形量為4cm。懸架彈簧在簧載負(fù)荷作用下彈簧變形f 計算公式為：

經(jīng)計算彈簧變形f=8cm，表明在汽車滿載情況下，轉(zhuǎn)向節(jié)軸線與電動輪軸線重合，滿足上述設(shè)計要求。

在簧載載荷作用下，懸架彈簧鋼絲截面產(chǎn)生的最大剪應(yīng)力τm計算公式為：

油淬火-回火彈簧鋼60Si2Mn 抗拉強(qiáng)度σb=1568MPa，許用應(yīng)力τ=0.45σb。根據(jù)表2 數(shù)據(jù)，懸架彈簧最大剪應(yīng)力τm=641.8 MPa；采用ANSYS/Workbench 有限元軟件對懸架彈簧進(jìn)行應(yīng)力分析，如圖6 所示。

圖6 懸架彈簧剪應(yīng)力Fig.6 Shear Stress of Suspension Spring

懸架彈簧最大剪應(yīng)力τm=644.7MPa，與理論計算值相差不大，且均未超過材料許用應(yīng)力τ，表明該懸架彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計是合理的，滿足汽車行駛減振要求。

4 結(jié)論

提出了一種采用對置布置雙磁流變減振器的電動輪汽車懸架結(jié)構(gòu)，對磁流變減振器、懸架彈簧進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計與性能分析，得到以下結(jié)論：

（1）雙磁流變減振器懸架可實現(xiàn)與電動輪驅(qū)動汽車的合理匹配，具有結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、與車身連接方式簡單易行等優(yōu)點。

（2）磁流變減振器輸出阻尼力連續(xù)可控、響應(yīng)迅速，存在非線性回滯現(xiàn)象，表明減振器材料、參數(shù)確定合理，符合工程實際；減振器阻尼力調(diào)節(jié)范圍大，可滿足電動輪汽車對減振性能的要求。

（3）懸架彈簧滿足簧載負(fù)荷作用下轉(zhuǎn)向節(jié)軸與電動輪軸同線的要求；彈簧最大剪應(yīng)力理論值與有限元計算結(jié)果誤差小于0.5%，均未超過材料許用極限，設(shè)計合理，安全可靠。