汽车磁力馈能悬架设计与分析

汽车磁力馈能悬架设计与分析

可储存悬浮剂可缓解道路沿线的振动，可回收汽车架上的振动能量，减少汽车能力。近年来，馈能悬架已经成为国内外研究人员的热门课题因此，本文在保留悬架原有的弹簧和阻尼器，提出一种无接触、无摩擦、无需润滑、无需运动转换装置、安全的磁力馈能悬架。该馈能悬架在保证其安全性的基础上，既可以起到减振的效果，又能够安全地回收振动能量。首先对1/4馈能悬架的结构进行设计，确定磁力馈能悬架最优参数；进而研制磁力馈能悬架原理样机，验证该馈能悬架的合理性与可行性。1工作原理和结构1.1悬架/悬架减缓基于法拉第电磁感应定律，设计出磁力馈能悬架，磁力馈能悬架的工作原理如图1所示。当车辆在行驶过程中，路面的冲击将传递给轮胎，轮胎缓和一部分冲击后，通过悬架来减缓振动来满足乘车的舒适性。当车身与轮胎之间产生相对位移时，线圈在磁场中做切割磁感线运动产生感生电动势，并经过馈能电路整流滤波处理，实现无接触、无摩擦、无需润滑、无需运动转换装置地将振动能量转化成电能，储存到蓄电池，或者直接为车辆上的传感器等电子元件供电，降低汽车的能耗1.2磁能装置结构材料磁力馈能悬架系统是在传统被动悬架的基础上嵌入磁力馈能装置，该磁力馈能装置与弹簧并联。磁力馈能悬架结构如图2所示，其主要包括定子和动子。定子主要由永磁环、软铁环、外铁环、固定柱和定位板组成；动子主要由线圈与骨架组成。在骨架上分别缠绕着三个线圈，用于回收能量。软铁环与永磁环交替安装在固定柱上，两个永磁环的充磁方向相反，与软铁环和外铁环在气隙内形成2个闭合的磁通回路。磁力馈能装置的动子与车身相连，定子与轮胎相连。为了提高馈能悬架的馈能特性，增强磁场强度，选用钕铁硼作为永磁环的材料；选用导磁性能较好的电工纯铁作为软铁环与外铁环的材料；为了避免涡流效应，选用聚四氟乙烯来代替铝合金，作为骨架的材料；出于强度与馈能特性的考虑，选用不导磁的铝合金来代替钢材，作为固定柱与定位板的材料。2磁通密度误差分析对于磁力馈能悬架系统来说，在有限的空间内回收更多的能量尤为重要。根据法拉第电磁感应定律基于正交试验法的馈能装置气隙中磁通密度极差分析如表3所示，但由于磁环厚度的采样间隙为10mm，采样间隙相对较大，为了确保气隙中有足够的磁通密度，节约馈能装置安装空间，经过最优计算可以得出33mm为磁环厚度的最优解。馈能装置的参数示意图如图3所示，馈能装置最优参数如表4所示。3在磁体结构的实验中3.1馈能悬架的系统参数本实验致力于研究磁力馈能悬架的馈能特性，即磁力馈能悬架在不同工况下的输出电压。研制馈能悬架的原理样机如图4所示，使用15V的开关电源为位移传感器供电，位移传感器的模拟输出经过DSP的D/A转化成位移信号并储存起来。由于DSP的D/A允许的电压范围为-10V~+10V，馈能装置的输出电压将超过该阈值，所以使用示波器来记录馈能装置的输出电压。馈能悬架的系统参数如表5所示。原理样机的路面激励单元由伺服电机、联轴器、轴、凸轮以及轴承座组成，如图5(a)所示。磁力馈能悬架定子的永磁环与软铁环组合安装在固定柱上，如图5(b)所示；磁力馈能悬架动子线圈如图5(c)所示。3.2弦激励幅值对悬架动行程的影响在正弦激励幅值为3mm时，通过改变驱动单元中电机转速的方法来调节正弦激励的频率。正弦激励的频率分别选取人体竖向振动较为敏感的4Hz、5Hz、6Hz进行实验，对馈能装置的输出电压、簧载位移、簧下位移进行测量，变频率悬架动行程如图6所示，悬架系统的输出电压如图7所示。由图6可以看出，当频率为6Hz时，悬架动行程最大，幅值约为7mm，频率为4Hz与5Hz时，馈能系统悬架动行程的幅值近似相同。正弦激励频率与悬架动行程之间并非线性关系，而与馈能系统的固有频率有关。馈能装置的固有频率为5.8Hz，即当路面激励频率与系统固有频率相近时，系统产生共振，悬架动行程的幅值达到最大，当路面激励频率与系统固有频率相差甚远时，悬架动行程的幅值较小，且相差无几。由图7可以看出，当路面激励频率为6Hz时，馈能悬架的输出电压最大，峰值电压可达到15V，随着频率的降低，输出电压也将减小。频率为5Hz的悬架动行程与频率为4Hz相似，但在时域上，单位时间内，悬架动行程随着频率的上升而增大，即线圈切割磁感线的速度也将加快，所以频率为5Hz的输出电压略大于频率为4Hz的输出电压。为了研究正弦激励幅值对馈能悬架特性的影响，通过更换不同幅值凸轮的方式，来改变正弦激励的幅值，幅值分别取1mm、2mm、3mm进行实验，对馈能装置的输出电压、簧载位移、簧下位移进行测量，变幅值悬架动行程如图8所示，悬架系统输出电压如图9所示。由图8可以看出，当幅值为3mm时，悬架动行程最大，幅值为1mm时，悬架动行程最小。悬架动行程随着正弦激励幅值的增加而增大。由图9可以看出，馈能装置输出电压随着幅值的增加而提高。根据法拉第电磁感应定律3.3位移传感器的使用常见车载传感器及电脑控制模组（ECU）的工作电压为12~24V，为了验证馈能悬架的自供电性和实用性，选用位移传感器作为负载，将磁力馈能悬架输出的交流电压通过馈能电路进行整流滤波处理后为其供电，并与普通电源供电的位移传感器同时检测路面幅值进行对比。位移传感器的详细参数如表6所示。在频率为7Hz、幅值为4mm的正弦激励下进行实验。馈能电路如图10所示，当馈能悬架工作时，将位移传感器点亮，馈能应用实验图如图11所示，测量结果如图12所示，负载两端电压如图13所示。由图12可以看出，两种供电模式下所测量幅值近乎相同。由图13可以看出，负载两端电压为22V，仍存在纹波电压，纹波电压的大小与滤波电容相关。这也验证了磁力馈能悬架的自供电性与实用性。4馈能悬架输出电压特性本文设计出一种磁力馈能悬架，介绍磁力馈能悬架的工作原理，采用正交试验法对馈能悬架的结构参数进行优化。研制磁力馈能悬架的原理样机，以变幅值、变频率的正弦激励作为路面输入，研究馈能实验台的输出电压特性。可得以下结论：（1） 磁力馈能悬架的输出电压与正弦激励的幅值和频率呈正相关。在幅值为3mm，频率为6Hz的正弦激励下，悬架输出电压峰值为15V。（2） 搭建馈能电路