汽车电磁主动悬架系统建模及应用前景

Ξ　收稿日期:2008-09-29作者简介:刘强明(1986—),男,湖南浏阳人,主要从事汽车悬架设计方面的研究.汽车电磁主动悬架系统建模及应用前景Ξ刘强明,郑旭阳,曹建国,黄陆斐,朱晓亮(重庆工学院重庆汽车学院,重庆　400050)摘要:构建了汽车悬架电磁减振器的模型,利用电磁学原理设计了一种新型的电磁减振器,建立了基于电磁减振器的汽车电磁主动悬架的非线性控制模型,推导出了汽车电磁主动悬架的系统运动控制方程.在此基础上对电磁主动悬架的应用前景进行分析.关　键　词:汽车;主动悬架;电磁减振器;控制模型中图分类号:U463 文献标识码:A文章编号:1671-0924(2008)12-0019-03Automobile E lectromagnetism Driving Suspension Fork SystemModeling and Application Prospect AnalysisLI U Qiang -ming ,ZHE NG Xu -yang ,CAO Jian -guo ,HUANGLu -fei ,ZHU X iao -liang(Chongqing Autom obile Institute ,Chongqing Institute of T echnology ,Chongqing 400050,China )Abstract :This article first constructs the autom obile suspension fork electromagnetism shock abs orber m od 2el ,designs one kind of new electromagnetism shock abs orber using the electromagnetic principle ,establish 2es electromagnetism shock abs orber -based non -linear control m odel of autom obile electromagnetism driv 2ing suspension fork ,deduces the system m otion controlling equation of autom obile electromagnetism driving suspension fork ,and finally makes the analysis on the application prospect of electromagnetism driving sus 2pension fork.K ey w ords :autom obile ;driving suspension fork ;electromagnetism shock abs orber ;control m odel 随着磁性材料研究的突破和控制技术的发展,集材料学、电磁学、控制理论一体的电磁技术在汽车上的应用变得可行.其中汽车电磁主动悬架系统的研究与开发无疑将极大地改善汽车的平顺性,提高汽车的乘座舒适性.目前,文献资料显示,汽车上应用的悬架有纵置板簧式悬架、螺旋弹簧悬架、空气弹簧悬架、油气弹簧悬架等,它们在对路况和车况的适应方面效果都不是太好.现在也有相关人员对汽车电磁主动悬架进行了初步研究,但存在一些不完善之处.本研究对电磁悬架系统进行了建模,构造出了电磁减振器的模型,分析了减振器内部活塞的受力情况,建立了电磁悬架的系统运动方程,推导出了电流的控制模型,为提高汽车的舒适性能提供简单、实用、可行的方法,第22卷　第12期Vol.22　No.12重庆工学院学报(自然科学)Journal of Chongqing Institute of T echnology (Natural Science )2008年12月Dec.2008实现对振动的主动控制.1　电磁减振器的工作原理 通过改变电磁铁线圈中电流大小,可以改变电磁力的大小,进而改变活塞所受合力的大小.汽车电磁减振器的工作原理如图1所示.电磁减振器的机械部分由工作缸筒、电磁线圈1、电磁线圈2、固定套圈1、固定套圈2、活塞、活塞杆组成.图1　电磁减振器工作原理 ,活塞上表面与下表面到2个电磁线圈距离都为x 0.线圈通以相同的电流i 0,这时活塞受到大小相等、方向相反的电磁力F 1与F 2,二者合力为0.当活塞受到向下的作用力时,活塞向下运动x ,线圈1的电流增加i ,线圈2的电流减小i.活塞所受电磁力分别为[1]F 1=u 0AN 2(i 0+i )24(x 0+x )2(1)F 2=u 0AN 2(i 0-i )24(x 0-x )2(2)式中:F 1为活塞受到的向下电磁力;F 2为活塞受到的向上电磁力;u 0为真空磁导率,u 0=1ε0c2=4π×10-7NA2;A 为活塞上下表面各自的面积;N 为电磁线圈匝数;x 0为初始时刻活塞上表面与下表面到两个电磁线圈的距离;x 为活塞移动的距离;i 0为初始时刻流经线圈1,2的电流,为某一常数;i 为活塞受力后流经线圈的电流,随x 的变化而变化.电磁减振器结构见图2.由式(1)和(2)可推导出电磁合力公式为F =u 0AN24(i 0-i x 0-x )2-(i 0+i x 0+x)2(3)图2　电磁减振器结构2　电磁主动悬架系统 控制系统由电子元件、超声波传感器、控制器、功率放大器组成,如图3所示.由超声波传感器检测地面位移激振信号,该信号转换成电信号后经过控制器处理来调整线圈电流的大小,从而使作用在铸钢体活塞上的力发生变化,达到调整悬架刚度目的.为了克服主动悬架系统中电磁力控制稳定性差和电磁悬浮刚度小等缺点,采用弹簧和电磁力共同构成悬挂系统的刚度.这里采用电磁作动器与弹性元件(弹簧)并联结构,弹性元件承受部分载荷,这样可以减少电磁作动器的能量消耗[2].图3　电磁悬架模型 根据牛顿第二定律,系统运动方程为m s Y 1¨=-k s (Y 1-Y 2)+F (4)m u Y 2¨=-k s (Y 2-Y 1)-F -k (Y 3-Y 2)(5)F =u 0AN24[(i 0-i x 0-x )2-(i 0+i x 0+x)2](6)式中:m s 为弹簧载荷;m u 为非弹簧载荷;k s 为弹02重庆工学院学报簧刚度;k 为轮胎刚度;Y 1,Y2,Y 3分别表示车身、轮胎、路面发生的位移.电磁主动悬架控制系统的控制过程路线如图4所示.图4　电磁主动悬架控制系统的控制过程路线3　电磁悬架的控制 建立电磁减振器电流的控制模型.如图2所示,对于任何一个14悬架的受力情况作出以下分析:对构件1:m s g =-k s (Y 1-Y 2)+F(7)对构件2:m u g =-k s (Y 2-Y 1)-F -k (Y 2-Y 3)(8)电磁力F =u 0AN 24[(i 0-i x 0-x )2-(i 0+i x 0+x)2](9)x =Y 1-Y 2(10) Y 1,Y 3可实际测得,由式(7)和(8)解得Y 2=-(m u +m s )kg +Y 3(11)F =m s g +k s (Y 1+Y 3+m u +m skg )(12)由式(9)、(10)、(12)解得电磁减振器电流的控制模型:i =I 0×C ×D -I 02×C 2×D 2-(D 2-C 2)[I 02(D 2-C 2)-B ×C 2×D 2A]D 2-C 2(13)式中:A =u 0AN24;B =m s g +k s [Y 1+(m u +m s )gk-Y 3];C =X -Y 1-(m u +m s )kg +Y 3;D =X +Y 1+(m u +m s )gk-Y 3.其中:ms 为弹簧载荷;m u 为非弹簧载荷;k s 为弹簧刚度;k 为轮胎刚度;u 0为真空磁导率.故汽车在行驶过程中电流i 与时间t 的关系为i (t )=f [Y 1(t ),Y 3(t )].则电流的大小随车身位移Y 1(t )和路面情况Y 3(t )变化而变化.为了即达到减震效果,应使车身位移Y 1(t )变化极小,在此假设Y 1(t )变化为0,则i (t )=f [Y 3(t )].假设路面情况Y 3发生了变化,电磁减振器中活塞位移改变量x 与Y 3变化大小相同,变化方向相反.悬架系统通过改变流经电磁作动器的电流大小,来改变电磁力的大小,进而使Y 2改变,最终补偿Y 3的变化.电磁减振器中电流的控制过程路线如图5所示.图5　电流控制过程路线 地面情况Y 3不断变化,Y 2也随之做相反变化,只有改变活塞所受电磁合力才能满足Y 2的变化,相应的只有通过调节电流i 的大小才能改变活塞所受的电磁合力,使其也随之不断变化,最终得以达到减震的效果.由于实验条件的限制,上述控制方法未能进行数据模拟.4　电磁主动悬架的应用前景 汽车电磁主动悬架是近年来正在研究开发的一种新型主动悬架.它是通过磁力作用,在没有接触性约束的条件下,使车身在空间保持稳定状态的一种装置.悬架使用了电磁减振器,根据传感器检测到的地面激励信号等参数,通过改变电磁减振器中的电流大小来控制电磁力,确保车身位移没有变化,从而达到提高乘坐舒适性的目的.电磁主动悬架具有良好的非线性刚度特性,且具有非接触、无摩擦、无污染等特征,所以它较以往的悬架而言具有优点[3-4]:①在环境保护方面,减小了汽车生产对环境造成的污染;②在能源节约方面,由于电磁主动悬架中几乎不存在零部件的磨损,所以降低了钢材、润滑油及其他生产资源的消耗.由于电磁主动悬架的电子控制装置的输出直接控制电磁减震器,较液力式或气动式而言,不需要中间伺服阀,控制更简单、直接、可靠.对于采用燃料电池、压缩电池等(下转第52页)12刘强明,等:汽车电磁主动悬架系统建模及应用前景receptor p75NTR as a positive m odulator of myelination [J ].Science ,2002,298(5596):1245-1248.[4]　Hempstead B L.The many faces of p75(NTR )[J ].CurrOpin Neurobiol ,2002,12(3):260-267.[5]　Markus A ,Patel T D ,Snider W D.Neurotrophic factorsand ax onal growth [J ].Curr Opin Neurobiol ,2002,12(5):523-531.[6]　王永堂,鲁秀敏,曾琳,等.N og o 及其受体在脊髓损伤修复中的作用机制[J ].中国康复理论与实践,2007,13(11):1008-1010.[7]　王永堂,鲁秀敏,李红运.以NgR 为靶点治疗脊髓损伤的研究进展[J ].中华神经医学杂志,2005,4(12):1281-1283.[8]　王永堂,鲁秀敏,李红运.N og o 与轴突再生[J ].脑与神经疾病杂志,2005,13(5):400-402.[9]　McG ee A W ,S trittmatter S M.The N og o -66receptor :focusing myelin inhibition of ax on 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injured C NS [J ].J Neurosci ,2003,23(4):1416-1423.(责任编辑　刘　舸)(上接第21页)电能驱动的车辆,电磁主动悬架系统将是一种很好的减振方案.但有些问题诸如磁屏蔽、系统参数优化、控制策略和算法等尚需做进一步做深入细致的研究,电磁减振器控制主动悬架与液力控制相比还存在输出功率的限制,若可获得足够大的放大器电流及解决散热问题,则电磁减振器控制方案是用于主动悬架的较理想方案.参考文献:[1]　张三慧.大学基础物理学[M].北京:清华大学出版社,2003.[2]　刘小英,王凌,赵淑英,等.汽车悬架最优控制及实现[J ].武汉汽车工业大学学报,2002,22(1):10-13.[3]　赵春发.磁悬浮车辆系统动力学研究[D ].成都:西南交通大学,2002.[4]　李云超,王良曦,张玉春.电磁主动悬架的建模及仿真研究[J ].装甲兵工程学院学报,2004(1):66-69.(责任编辑　陈　松)25重庆工学院学报。