汽车馈能式悬架结构研究现状及其悬架动力学模型设计

张敏 尹崇进

摘要：本文在分析汽车馈能式悬架结构研究现状的基础上，给出了电液式馈能悬架工作原理和悬架动力鞋模型。本研究为后续的车馈能式悬架结构优化提供一定的研究基础。

关键词：汽车；悬架结构；动力学模型；设计

1 汽车悬架结构研究现状

汽车悬架系统的主要作用之一就是为了缓和路面不平，汽车加速和刹车等导致的车身的垂直震动。传统汽车多使用油液减震器来缓和车身震动，振动能量最终使液压油的温度升高并通过筒壁与空气热交换将热量耗散掉。武汉理工大学的过学迅、张晗等实车验证了车辆在空载、B级路面的行驶情况下，车速达到70km H1时，回收峰值可达264.9W其中提到了重型商用车能量回收潜力更大。因此，重型商用车筒式减震器的能量回收具有较好的应用前景。喻凡等将永磁直流无刷电机与滚珠丝杠等机械机构组成新型的主动悬架，滚珠丝杠等机械机构将车身的上下震动转变为电机的旋转震动，实现能量回收。其工作原理主要是将发电机转子位置传感器产生的驱动信号和悬架动挠度传感器产生的电信号收集到微处理器，经无刷电机换相逻辑、电磁蓄能控制算法和主动悬架控制律处理后，通过驱动及蓄能电路和车载电源电路，实时控制电机作动器的正反转、反接制动或再生制动状态，以主动地缓冲或衰减由路面不平激励引起的、由车轮传导至车身的冲击和振动，同时还将再生制动电能回收再利用。同时试制了电动悬架的样机并通过整车台架试验检验了电动悬架在随动态下的悬架动力学特征和自馈能特性。现有的电液式馈能悬架主要有机电类型和电磁类型。机电类型悬架是将悬架的上下运动转换成发动机的旋转运动，进而实现对电能的存贮。电磁类型悬架是利用永磁铁和线圈组成的能量回收装置来代替传动液压传动，进而实现对电能的控制。

2 电液式馈能悬架工作原理

参考各类型馈能悬架的优缺点可以得出电液式馈能悬架是最优的馈能悬架方案，在查阅了大量国内外文献后设计了一种改进型电液式馈能悬架，分析得出安装48V电机的馈能悬架输出功率会提高，并利用了2个单向阀组成的液压式整流桥可以取代原有的4个单向阀式的整流桥，并将液压蓄能器布置在液压马达的出口端，以减小减震油液对液压元件的冲击。改进的电液式馈能悬架如图1所示，馈能悬架主要包括液压执行原件、单向阀、蓄能器、液压马达、发电机、蓄电池及馈能电路组成。当汽车行驶在不平路面时，活塞杆在车体的作用下会推动活塞上下移动，进而推动油液沿管道流动，在单向阀组成的液压整流桥作用下，可以保持液压马达管路中的油液单向流动，进而马达带动发电机单向转动，可以提高发电效率以及延长发电机的使用寿命。

1液压执行元件；2，4单向阀；3蓄能器；5液压马达；

6发动机；7蓄电池

该电液式馈能悬架的工作原理可以表述为：（1）当液压执行元件工作在压缩行程时，活塞杆向下移动，油液从无杆腔室流出，这时单向阀1打开，一部分油液补偿有杆腔室抽出空腔的部分，相当于活塞杆的油液流经马达，最后流入蓄能器储存器存起来。（2）当液压执行元件工作在复原行程时，活塞向上移动，油液从有杆腔室流出，流经马达，进而带动发电机转动，由于无杆腔室出现空腔，储存在蓄能器当中的油液经过单向阀2进行补偿。在上述压缩复原行程中，液压马达始终单向旋转，从而带动发电机单向旋转，提高发电机的输出功率和使用寿命；通过调整外接电路的负载大小，即可实现阻尼的调节；伸张和复原行程时流经液压马达的液体流量不同，复原行程的流量为液压缸与活塞杆之间环腔的体积，而压缩行程的流量为活塞杆的体积，这保证复原和压缩行程时减震器可以提供的阻尼力范围具有不对称性；并且，只要车辆有震动，该馈能减震器就会回收能量，从而提高了震动能量的回收效率。

3 悬架模型

根据汽车动力学特性，建立汽车悬架的车身车轮双质量模型。m2为簧上质量；K 为弹簧刚度；C为悬架阻尼；m1為簧下质量；K1为轮胎等效刚度；q为路面高程；z1为簧下质量位移；z2为簧上质量位移。

根据牛顿第二定律，可得车身车轮双质量系统动力学方程：

m2Z¨1+C（Z2-Z1）+K（z2-z1）=0

m1Z¨1+C（Z1-Z2）+K（z1-z2）+Kt（z1-q）=0

4 结论

本文在分析汽车馈能式悬架结构研究现状的基础上，给出了电液式馈能悬架工作原理和悬架动力鞋模型。只要车辆有震动，该馈能减震器就会回收能量，从而提高了震动能量的回收效率。

参考文献：

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