电磁直线馈能悬架的振动特性研究
电磁直线馈能悬架是一种半主动馈能悬架，其可以在改善车辆操纵稳定性与行驶平顺性的同时，回收部分车辆振动产生的能量，从而提高车辆的能源利用率与综合性能。本文主要对电磁直线馈能悬架的振动特性展开研究，借助Matlab/Simulink软件对其进行模型的建立与仿真，以试验车辆在随机路面上匀速行驶作为基础工况，结合仿真模型对悬架的振动特性展开深入分析，并在此基础上，探究电磁直线作动器对车辆悬架刚度与阻尼的影响，为后续电磁直线馈能悬架的性能优化研究奠定良好的基础。关键词 主动悬架，振动特性，随机路面，simulink仿真
目 录
1 绪论 1
1.1 课题背景及目的 1
1.2 电磁直线馈能悬架的发展概况及研究现状 2
1.3 悬架振动特性的研究现状 2
2 汽车振动分析 3
2.1 汽车振动定义 3
2.2 路面输入的统计特性分析 3
3 电磁直线馈能悬架的振动模型建立与仿真分析 7
3.1 电磁直线馈能悬架的结构与工作原理 7
3.2 基于Matlab软件的车辆悬架振动模型建立 8
3.3 振动模型的仿真结果输出与分析 14
3.4 电磁直线馈能悬架振动特性的综合分析 16
4 电磁直线馈能悬架参数对车辆振动特性的影响分析 16
4.1 电磁直线作动器对悬架刚度的影响 16
4.2 电磁直线作动器对悬架阻尼的影响 17
结论 19
致谢 20
参考文献 21
1 绪论
1.1 课题背景及目的
随着社会的发展与科技的进步，汽车已经成为许多家庭不可或缺的一部分。查阅相关资料得知，目前中国汽车最新保有量1.94亿辆，占世界总量的15％。汽车的出现为人们带来了交通的便利性、乘坐的舒适性、办公的高效性。然而，任何事物皆有利有弊。随着汽车保有量增多，汽车燃料燃烧消耗能量造成能源日益匮乏。汽车行进过程中排放大量尾气，直接导致空气质量下降。因此，汽车的环保性能越来越受到人们的重视。如何减少汽车的能源耗散又能兼顾汽车的舒适性，已经成为一个 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
迫在眉睫的问题。
目前，大部分车辆采用的仍是被动悬架。被动悬架不能随着路况的改变及时调整自身的弹簧刚度和减振器阻尼系数。因此，它的行驶平稳性有限。相对而言，在不同的道路环境下，主动悬架可以显著优化车辆的操纵稳定性[1]。但是，当主动悬架在克服地面产生的冲击力时会消耗大量的能量。如果能够对主动悬架系统消耗的能量进行回收利用，那么就可以减少汽车行驶过程中的燃料消耗，改善环境质量。
车辆悬架能量损失的主要来源是减震器的能量消耗，仅有10％至16％的燃料能源用于驱动汽车。再生力执行器（RFA）可以从振动中获取能量并用来控制汽车悬架。由线性直流电机组成的再生执行器，可以提供比无源与半有源系统更好的振动隔离效果，并且不消耗任何能量。一个再生自供电的主动振动控制产生的能量远高于它消耗的能量，它们在高速运转时会产生较多的能量，并且主动控制系统可以利用车辆在高速与低速两种状态下产生的能量[2]。与此同时，还有一种电动减振器可将产生的部分能量存储在汽车电池中，作为电能储备。悬架控制技术包括被动，半主动与主动控制系统。非线性能量吸收控制器（NES）可以主动或半主动地控制车辆悬架系统的动力学。该系统利用非线性弹簧与阻尼元件来改善其操纵性能，吸收路面干扰传递的振动能量，改善车辆乘坐的舒适性，兼顾了乘坐舒适性与操纵性能。
馈能型主动悬架的目的是在提高车辆行驶平稳性的同时尽可能多地回收因路面平顺性较差导致悬架系统振动损失的能量。随着我国对电磁直线馈能悬架研究的不断深入，馈能悬架呈现出良好的发展态势。
1.2 电磁直线馈能悬架的发展概况及研究现状
20世纪中后期，国外就有许多学者试着在车辆悬架系统中加入直线电机，用来实现对悬架系统的主动控制。其目的是通过对阻尼器电阻值的控制来实现悬架阻尼系数的可控性，进而实现对损失能量的回收[3]。
Ebrahimi和Bae等人提出一种基于线性配置的解决措施，利用永磁体切割磁感线来产生磁通量。但因为取材为铜圈导体，所以无法对阻尼系数进行实时调控[4]。与标准的液压解决措施相比较，机电阻尼器有以下四个优点：
（1）参数配置简单可靠；
（2）对环境参数如温度和老化的灵敏度较小；
（3）各部件的静态摩擦小；
（4）具有更大的带宽。
此外，设备的机电特性实现了液压系统难以达成的可能性：
（1）可以在主动模式下接通外部电源；
（2）电机可逆性的存在便于再生阻尼器的设计；
（3）以被动模式存储的能量可以用来控制动力。
在日本，有部分学者探究出一个主动电磁式减振器，该减振器采用的是电磁直线作动器。他们的探究是希望保证该款减振器在能够维持传统减振器应有的阻尼特性基础上最大程度上减少能量的浪费。他们选取了被动控制、低速控制与主动控制三种控制策略为研究对象，并做了许多相关的试验[5]。试验结果显示该电磁馈能减振器既拥有了良好的阻尼特性又在很大程度上减少了能量的消耗。
国内喻凡等学者以对车辆后悬架结构的剖析为基础，开发出了一种新型电磁作动器，并做了试验分析其有关特性，初步检验了该作动器的可行性[6]。然后，通过大量的试验，来检验该悬架的减振性能与馈能性能。
1.3 悬架振动特性的研究现状
国内李友荣、杨蔚华等人将车辆振动系统简化为由路面传至电机，然后由汽车将振动传递至乘坐者。他们以汽车的二自由度四分之一车模型为基础，将随机路面激励作为输入，对悬架的垂向动力学特性进行了建模分析，探究了悬架簧载质量、非簧载质量等诸多因素对车辆悬架振动特性的影响。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题背景及目的 1
1.2 电磁直线馈能悬架的发展概况及研究现状 2
1.3 悬架振动特性的研究现状 2
2 汽车振动分析 3
2.1 汽车振动定义 3
2.2 路面输入的统计特性分析 3
3 电磁直线馈能悬架的振动模型建立与仿真分析 7
3.1 电磁直线馈能悬架的结构与工作原理 7
3.2 基于Matlab软件的车辆悬架振动模型建立 8
3.3 振动模型的仿真结果输出与分析 14
3.4 电磁直线馈能悬架振动特性的综合分析 16
4 电磁直线馈能悬架参数对车辆振动特性的影响分析 16
4.1 电磁直线作动器对悬架刚度的影响 16
4.2 电磁直线作动器对悬架阻尼的影响 17
结论 19
致谢 20
参考文献 21
1 绪论
1.1 课题背景及目的
随着社会的发展与科技的进步，汽车已经成为许多家庭不可或缺的一部分。查阅相关资料得知，目前中国汽车最新保有量1.94亿辆，占世界总量的15％。汽车的出现为人们带来了交通的便利性、乘坐的舒适性、办公的高效性。然而，任何事物皆有利有弊。随着汽车保有量增多，汽车燃料燃烧消耗能量造成能源日益匮乏。汽车行进过程中排放大量尾气，直接导致空气质量下降。因此，汽车的环保性能越来越受到人们的重视。如何减少汽车的能源耗散又能兼顾汽车的舒适性，已经成为一个 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
迫在眉睫的问题。
目前，大部分车辆采用的仍是被动悬架。被动悬架不能随着路况的改变及时调整自身的弹簧刚度和减振器阻尼系数。因此，它的行驶平稳性有限。相对而言，在不同的道路环境下，主动悬架可以显著优化车辆的操纵稳定性[1]。但是，当主动悬架在克服地面产生的冲击力时会消耗大量的能量。如果能够对主动悬架系统消耗的能量进行回收利用，那么就可以减少汽车行驶过程中的燃料消耗，改善环境质量。
车辆悬架能量损失的主要来源是减震器的能量消耗，仅有10％至16％的燃料能源用于驱动汽车。再生力执行器（RFA）可以从振动中获取能量并用来控制汽车悬架。由线性直流电机组成的再生执行器，可以提供比无源与半有源系统更好的振动隔离效果，并且不消耗任何能量。一个再生自供电的主动振动控制产生的能量远高于它消耗的能量，它们在高速运转时会产生较多的能量，并且主动控制系统可以利用车辆在高速与低速两种状态下产生的能量[2]。与此同时，还有一种电动减振器可将产生的部分能量存储在汽车电池中，作为电能储备。悬架控制技术包括被动，半主动与主动控制系统。非线性能量吸收控制器（NES）可以主动或半主动地控制车辆悬架系统的动力学。该系统利用非线性弹簧与阻尼元件来改善其操纵性能，吸收路面干扰传递的振动能量，改善车辆乘坐的舒适性，兼顾了乘坐舒适性与操纵性能。
馈能型主动悬架的目的是在提高车辆行驶平稳性的同时尽可能多地回收因路面平顺性较差导致悬架系统振动损失的能量。随着我国对电磁直线馈能悬架研究的不断深入，馈能悬架呈现出良好的发展态势。
1.2 电磁直线馈能悬架的发展概况及研究现状
20世纪中后期，国外就有许多学者试着在车辆悬架系统中加入直线电机，用来实现对悬架系统的主动控制。其目的是通过对阻尼器电阻值的控制来实现悬架阻尼系数的可控性，进而实现对损失能量的回收[3]。
Ebrahimi和Bae等人提出一种基于线性配置的解决措施，利用永磁体切割磁感线来产生磁通量。但因为取材为铜圈导体，所以无法对阻尼系数进行实时调控[4]。与标准的液压解决措施相比较，机电阻尼器有以下四个优点：
（1）参数配置简单可靠；
（2）对环境参数如温度和老化的灵敏度较小；
（3）各部件的静态摩擦小；
（4）具有更大的带宽。
此外，设备的机电特性实现了液压系统难以达成的可能性：
（1）可以在主动模式下接通外部电源；
（2）电机可逆性的存在便于再生阻尼器的设计；
（3）以被动模式存储的能量可以用来控制动力。
在日本，有部分学者探究出一个主动电磁式减振器，该减振器采用的是电磁直线作动器。他们的探究是希望保证该款减振器在能够维持传统减振器应有的阻尼特性基础上最大程度上减少能量的浪费。他们选取了被动控制、低速控制与主动控制三种控制策略为研究对象，并做了许多相关的试验[5]。试验结果显示该电磁馈能减振器既拥有了良好的阻尼特性又在很大程度上减少了能量的消耗。
国内喻凡等学者以对车辆后悬架结构的剖析为基础，开发出了一种新型电磁作动器，并做了试验分析其有关特性，初步检验了该作动器的可行性[6]。然后，通过大量的试验，来检验该悬架的减振性能与馈能性能。
1.3 悬架振动特性的研究现状
国内李友荣、杨蔚华等人将车辆振动系统简化为由路面传至电机，然后由汽车将振动传递至乘坐者。他们以汽车的二自由度四分之一车模型为基础，将随机路面激励作为输入，对悬架的垂向动力学特性进行了建模分析，探究了悬架簧载质量、非簧载质量等诸多因素对车辆悬架振动特性的影响。
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