车辆悬挂复合式电磁作动器设计及试验

张进秋， 张 磊， 罗 涛， 姚 军， 何 旭

(1. 装甲兵工程学院装备试用与培训大队, 北京 100072； 2. 装甲兵工程学院科研部, 北京 100072)

车辆悬挂复合式电磁作动器设计及试验

张进秋1， 张 磊1， 罗 涛2， 姚 军1， 何 旭1

(1. 装甲兵工程学院装备试用与培训大队, 北京 100072； 2. 装甲兵工程学院科研部, 北京 100072)

为缓解电磁悬挂系统振动控制与能量回收之间的矛盾，提高工作可靠性，提出了一种基于电磁减振技术和磁流变阻尼技术的复合式电磁悬挂系统结构方案，并设计了基于无刷电机和磁流变阻尼器，集主动、半主动控制和馈能功能于一体的复合式电磁作动器,同时对复合式电磁作动器的主动出力、变阻尼以及馈能特性进行了试验研究，结果表明：该作动器主动出力范围大，阻尼调节范围宽且馈能效率较高，满足车辆悬挂应用要求。

电磁作动器；悬挂系统；磁流变阻尼器；馈能

悬挂是车辆行动系统的重要组成部分，其作用是缓和并衰减由于路面不平激励传递至车辆的振动，使车辆平稳运行[1]。悬挂性能对车辆的越野机动性、乘坐舒适性和操纵稳定性有重要影响[2-3]。军用车辆作为高机动武器平台，承担着越野机动、兵员运输和火力打击等核心作战任务，对高性能悬挂系统需求更为迫切[4-5]。目前，基于主动、半主动控制的可控悬挂技术是提高悬挂性能的有效手段。

电磁悬挂是一种特殊的可控悬挂，其基于电机学原理，具有可控性好、响应速度快、可实现能量回收等优点[6]，正成为车辆减振领域的研究热点。电磁作动器作为电磁悬挂的核心执行装置，其性能直接影响悬挂系统的振动控制效果和能量回收潜力。因此，电磁作动器的设计问题一直是电磁悬挂系统开发的重点和难点。

本文以某型军用轮式车辆悬挂系统为研究对象，提出了一种复合式电磁悬挂系统结构方案，并设计了复合式电磁作动器原理样机，在此基础上对该作动器进行了力学特性和馈能特性试验，验证了该作动器实车应用的可行性。

1 复合式悬挂系统

电磁悬挂系统中，作动器电机可在发电机和电动机之间进行切换，从而实现车辆的振动控制和振动能量回收。但从已有的电磁悬挂方案来看，多数电磁悬挂只在被动工况下进行能量回收，在主动、半主动控制工况下着重保证振动控制效果，并不注重能量回收，振动控制和能量回收之间的矛盾依然存在[7]；此外，在设计中保证悬挂系统具有“Fail-Safe”特性，提高其工作可靠性也是电磁悬挂发展的方向。

在保证振动控制效果的同时，为进一步提高电磁悬挂回收能量的效率以及系统工作的可靠性，本文提出一种基于电磁减振技术和磁流变阻尼技术的复合式电磁悬挂系统，其结构如图1所示。

图1 复合式电磁悬挂系统

复合式电磁悬挂采用电磁作动器和磁流变阻尼器并联的结构方案，集主动、半主动控制和能量回收功能于一体，称作复合式电磁作动器。该悬挂系统可以实现以下3种工况。

1) 被动馈能工况。该工况下磁流变阻尼器电流为0，为悬挂系统提供最小阻尼；电磁作动器电机处于发电机状态，用作电磁阻尼器并实现能量反馈；磁流变阻尼器的最小阻尼和电磁作动器的电磁阻尼之和为被动悬挂的基础阻尼。

2) 半主动馈能工况。该工况以磁流变阻尼器作为半主动控制装置，通过电流调节实现阻尼连续可变；电磁作动器用作电磁阻尼器，在为悬挂提供部分阻尼的同时进行能量反馈。

3) 主动控制工况。该工况磁流变阻尼器电流为0,以提供最小阻尼；电磁作动器电机处于电动机工况，用作主动控制装置，不进行能量反馈与回收。

车辆运行时，该悬挂可依据路面状况在3种工况间切换：1)当路面起伏较小、车速较低时，可通过被动馈能工况回收振动能量；2)当对车辆行驶稳定性要求较高时，可通过半主动馈能工况降低振动及回收能量；3)当车辆处于行进间射击等对稳定性要求极高的时机时，通过短时的主动控制进行减振。与常规电磁悬挂相比，复合式电磁悬挂的突出特点为：实现了半主动控制和能量回收的同时进行，有助于部分缓解振动控制和能量回收间的矛盾；避免了悬挂系统无阻尼工作的恶劣工况。即一旦电机部分控制系统失效，该悬挂可通过磁流变阻尼器进行半主动控制;当电机和磁流变阻尼器控制系统同时失效时，悬挂系统可通过磁流变阻尼器提供基础阻尼。

2 复合式电磁作动器设计

2.1 设计目标

本文中复合式电磁作动器设计以某型轮式车辆悬挂系统为应用目标，具体设计要求如下：

1) 参照美军为“枪骑兵”战车设计的主动悬挂系统，目标车辆质量约为1.2 t，作动器的额定出力为车重的0.3倍，即793 N，最大出力为车重的0.9倍，即2 684 N；

2) 为保证半主动控制效果，该作动器需提供最大为1 kN的可调阻尼力;

3) 能量反馈利用率高，要求电机具有较大的反电动势常数;

4) 安装齿轮满足目标车辆悬挂需求，作动器行程为±80 mm。

2.2 结构方案

依据传动机构的不同，电磁作动器分为直列式和旋转式2类。美军在未来“战车项目”中采用一种以齿轮齿条作为传动机构的电磁作动器，且在实车试验中表现出良好的性能[8-9]，故本文沿用这种结构。复合式电磁作动器的总体结构如图2所示，主要包括旋转式伺服电机、减速装置、叶片式磁流变阻尼器(MagnetoRheological Damper，MRD)和传动机构。其中：伺服电机、减速机、齿轮和叶片式MRD依次同轴串联，电机的旋转力矩和叶片式MRD的阻尼力矩通过齿轮齿条转化为直线作用力。工作时，通过调节电机扭矩和MRD励磁线圈电流，实现主动出力和阻尼调节功能。

图2 复合式电磁作动器总体结构

2.3 电机及其传动装置选型及设计

首先，初选齿轮模数为2，齿数为50，则其分度圆半径Rg=50 mm。

其次，确定电机功率。选取悬挂典型相对运动速度为0.52 m/s，按照设计目标，其额定出力为793 N，则所需电机额定功率为421.36 W。考虑到实际应用中传动机构会有一定的功率损失，且车辆高速行驶时悬挂相对运动速度会更高，因此初选电机功率为750 W。综合考虑额定参数和安装尺寸，选用A2系列C109-07型号的永磁式交流伺服电机。该电机额定转矩2.39 N·m，额定转速3 000 r/min，反电动势常数Ke=24.2 mV/(r·min-1)，允许力矩3倍短时过载。

最后，确定减速装置传动比。减速装置和齿轮齿条之间和速度转换关系为

(1)

式中：Fa、v分别为作动器的直线作用力和直线速度；T、n分别为电机输出力矩和转速；i为减速装置传动比。

根据设计目标出力要求，减速装置传动比为25，此时作动器的额定出力和最大出力分别为1 195 N和3 585 N；作动器直线速度为0.52 m/s时的转速为2 482.3 r/min，小于额定转速，满足设计要求；减速装置选择了湖北传动有限公司生产的PL80二级行星减速机。

2.4 磁流变阻尼器设计

叶片式MRD是复合式电磁作动器的又一重要组成部分，决定着作动器的变阻尼调节范围。常规的叶片减振器由两侧对称隔板的叶片组成，行程小于±90°。为保证作动器的直线行程为±80 mm，计算得到对应叶片式MRD的行程为183.4°，故采用单叶片式MRD，其结构和主要参数如图3所示。其中：R为叶片轴心到缸筒内壁的距离;r为叶片轴半径;S为叶片轴心到磁流变阀中心的距离。设叶片高度为H，则叶片旋转时扫过的面积A=(R-r)H。

图3 单叶片式磁流变阻尼器

当减速机输出轴带动叶片旋转时，磁流变液(Magneto Rheological Fluid，MRF)在高低压差作用下通过布置于隔板处的磁流变阀，通过调节励磁线圈电流,产生垂直于MRF流动方向的磁场，MRF发生流变效应，从而实现变阻尼调节功能。本文选用自身研制的MRF，其黏度为0.8 Pa·s，实测剪切屈服应力与磁感应强度的关系如图4所示。

图4 剪切屈服应力与磁场感应强度的关系

叶片式MRD的设计是在结构尺寸约束下，并结合MRF的流变特性，综合确定尺寸参数并进行磁路设计，以保证MRD的黏滞阻尼力和库伦阻尼力满足设计要求，其基本设计流程如图5所示。

图5 叶片式MRD设计流程

磁流变阀是实现叶片式MRD变阻尼功能的核心部件，结合结构尺寸要求，本文设计了一种盘型缝隙式磁流变阀，其结构如图6所示。该磁流变阀由铁芯、线圈、隔板和底板等部分组成，其中：铁芯材料选用高磁导率的电工纯铁DT4；隔板、底板等选用45钢。当对线圈通电流时，磁场经由铁芯、盘型间隙、底板、隔板形成闭合回路，在盘型间隙处磁场的方向垂直于MRF流动方向，实现阻尼力矩可调。

图6 盘型缝隙式磁流变阀结构

经推导，叶片式MRD的阻尼力矩为

(2)

式中：η、τy分别为MRF的黏度和剪切屈服应力；Q为MRF的单位流量；r1、r2、h分别为盘型节流间隙的内径、外径和间隙高度；D1、D2分别为进、出口导流孔的直径；L1、L2分别为进、出口导流孔的长度；n为出口导流孔的个数。

由式(2)可知:叶片式MRD的阻尼力由2部分构成，即和磁场无关的黏滞阻尼力矩和受磁场影响的库伦阻尼力矩。对应电磁作动器的阻尼力为

(3)

为验证磁流变阀磁路设计是否合理，基于Ansoft软件对其进行3D磁场有限元分析。线圈选用0.5 mm漆包线，其匝数为500，仿真结果如图7所示,可见:该磁路漏磁较小，盘型间隙处磁场方向垂直于MRF流动方向，其大小为0.368～ 0.552 T。采用文献[10]所述的方法计算间隙处的平均有效磁场约为0.458 T，代入MRD的尺寸参数并结合图4和式(3)，得到对应复合式电磁作动器的零场阻尼系数约为524 N·s/m，电流2 A时的可调阻尼力约为1 314 N，满足设计要求。

图7 磁路有限元仿真结果

3 复合式电磁作动器特性试验

采用如图8所示的试验系统对复合式电磁作动器的相关特性进行研究。该试验系统主要由液压试验系统、传感器(拉压力传感器和位移传感器)、复合式电磁作动器原理样机、电机驱动器、直流稳压电源、数据采集仪、整流器、滑动变阻器以及上位机组成。液压试验系统与作动器串联，液压缸带动作动器进行相对运动(速度范围为0～ 0.3 m/s)，通过测试不同工况下作动器的出力和反馈的电压分析其相关特性。

图8 复合式电磁作动器试验系统

3.1 变阻尼特性试验

调节液压系统运动行程为±50 mm，运动速度分别为0.1、0.2、0.3 m/s，其对应的复合式电磁作动器的示功图如图9所示。可见：1)随着运动速度的增大，作动器的峰值阻尼器呈近似正比趋势增大；2)计算得到作动器的摩擦力约为80 N，阻尼系数约为600～ 700 N·s/m，略大于设计值。

图9 不同速度下作动器的示功图

当液压系统系统运动速度为0.2 m/s时，调节励磁线圈电流分别为0、0.5、1.0、1.5、2.0 A，对应的复合式电磁作动器示功图如图10所示。可见：1)阻尼力峰值和示功图包围的面积随电流的增大呈上升趋势；2)当电流为2.0 A时，可调阻尼力约为940 N，基本满足设计要求。

图10 不同电流下作动器的示功图

3.2 主动出力特性

当液压系统处于闭锁状态时，作动器静止不动，通过调节电机驱动器使其输出力矩为额定力矩的特定倍数，对应作动器的出力如图11所示。可见：1)作动器出力随额定力矩倍数的增大呈直线趋势上升，且正负方向基本对称；2)作动器的额定出力约为982 N,电机扭矩3倍过载时,其最大出力为2 753 N，满足设计要求；3)在相同情况下，作动器的实际出力小于基于式(3)计算得到的理论出力，这是由于作动器机械部分存在一定的摩擦力,从而导致功率损失。

图11 作动器不同情况下的出力

3.3 馈能特性

在作动器输出扭矩为0 N·m、励磁线圈电流为0 A的情况下，分别使液压系统的运动速度为0.04、0.08、0.16 m/s(对应电机的转速分别为191.1、382.2、764.3 r/min)，测试时电机电源线经整流器整流后两端与20 Ω的滑动变阻器连接，采集仪测量电阻器5 Ω阻值范围的输出电压(为防止采集仪过载)，其测试原理和测试结果分别如图12、13所示。

图12 输出电压测试原理图

图13 复合式电磁作动器馈能特性试验结果

由图12、13可见:1)液压系统匀速运动时，反馈的电压在某一特定值附近变化，并出现周期性的脉冲，这是由液压系统换向时引起较大的速度波动所致；2)忽略脉冲数据，计算速度为0.04、0.08、0.16 m/s时，对应作动器电机反馈的平均电压分别为1.23、2.72、4.28 V。

由电机学原理可知，电机反馈的电压可表示为

(4)

式中:Ke为反电动势常数；n为电机转速。

将实测的5 Ω电阻两端的电压通过欧姆定律换算为电机实际反馈的电压(20 Ω阻值两端的电压)，其与作动器相对速度的关系如图14所示，可见:低速时，电机反馈的电压与基于式(1)、(4)计算得到的理论值完全相符，在速度为0.16 m/s时实际值略小于理论值。

图14 反馈电压与直线速度的对应关系

4 结论

在保证振动控制效果的同时，为进一步提高能量回收潜力和悬挂工作可靠性，笔者提出了一种基于电磁减振技术和磁流变阻尼技术的复合式电磁悬挂系统。以某型军用轮式车辆悬挂系统为研究对象，设计了一种复合式电磁作动器，并对其进行了相关特性的试验研究，得到如下结论：

1) 与传统电磁悬挂相比，复合式电磁悬挂同时实现了半主动控制和能量回收，有效缓解了振动控制和能量回收的突出矛盾，此外，还提高了系统工作的可靠性；

2) 复合式电磁作动器集阻尼调节、主动出力和能量反馈功能于一体，其最大可调阻尼力接近1 kN，最大主动出力高达2 753 N，且具有较好的馈能特性，是一种理想的振动控制装置。

设计的复合式电磁作动器原理可行，性能基本满足预期要求。笔者认为:下一步有必要从结构设计和电机选型的角度进一步减小作动器的整体尺寸、提高其可靠性，为其工程应用奠定基础。

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(责任编辑:尚菲菲)

Design and Experiment Research of Compound Electromagnetic Actuator of Vehicle Suspensions

ZHANG Jin-qiu1, ZHANG Lei1, LUO Tao2, YAO Jun1, HE Xu1

(1. Brigade of Equipment Trial and Training, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China；2. Department of Science Research, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

In order to ease the contradiction between vibration control and energy recovery and improve the reliability of electromagnetic suspensions, a compound electromagnetic suspension system structure is proposed based on electromagnetic damping technology and magnetorheological damping technology. One compound type of electromagnetic actuator based on brushless motor and magnetorheological damper with functions of active and semi-acitve control as well as energy regeneration is designed. Characteristics of active force, variable damping and energy regeneration of the actuator are researched by experiments. Experiment results show that the actuator has a large range of active force and variable damping force, and what’s more, the energy regeneration efficiency of the actuator is high, which shows that the actuator is applicable for vehicle suspensions.

electromagnetic actuator; suspension system; magnetorheological damper; energy regeneration

1672-1497(2015)01-0030-06

2014- 10- 28

军队科研计划项目

张进秋(1963-)，男，教授，博士。

U463.33

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.01.006