高速履带车辆电磁悬挂功率供需矛盾分析

冯占宗，魏来生，阴运宝，范伟光，贺力朋

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

2016096

高速履带车辆电磁悬挂功率供需矛盾分析

冯占宗，魏来生，阴运宝，范伟光，贺力朋

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

提出了电磁悬挂功耗计算方法，分析了电磁悬挂功率供需矛盾，论述了电磁作动器基本结构与关键技术。分析表明，安装在有限空间内的电磁作动器输出功率能满足主动控制需要，但减速器必须具有紧凑、高速比和互逆传动功能，电磁装置具有低转动惯量、大转矩等结构特点。

履带车辆；主动悬挂；电磁作动器；功率需求

前言

主动悬挂是先进悬挂(advanced suspension)形式之一，它根据车辆振动状态主动调节车体与车轮之间作用力或力矩，使车辆平顺性达到最优。但主动悬挂属于有源悬挂，须由车载动力系统提供动力。如果消耗功率过多导致车辆牵引力不足，反而影响机动性。因此，功耗问题一直被研究人员关注。

关于主动悬挂功耗及计算方法，至今仍无一致意见。1997年，文献[1]中以高机动军用运输车CSV为对象，计算出液压主动悬挂功耗占到发动机输出功率的1/4。对于军用车辆，其高能耗引起的油料补给问题难以承受[2]；对民用车辆，其经济性也不为市场所接受[3]。不过同样是液压式主动悬挂，天纳克汽车公司研制的Acocar(采用天棚控制算法)，当车辆在不平路面上以70km/h时速行驶时，平均功耗仅为98W[4]。

电磁悬挂是主动悬挂的另一种结构形式，它以电磁作动器作为力控制元件，具有效率高、响应快等优点[5]，是特种车辆全电化[6]理想的悬挂系统。然而，与液压式主动悬挂相比，又具有功率密度低的不足。对于高速履带车辆，由于安装空间受到严格限制，其功率能否满足控制需要始终被质疑。

本文中以某型越野车辆单轮悬挂试验台为研究手段，提出了电磁悬挂功耗计算方法；通过分析在安装空间约束条件下电磁悬挂技术在功耗、控制力方面存在的供需矛盾，对电磁作动器的基本结构、关键技术进行了论证。

1 电磁悬挂功耗计算方法研究

本文中关于电磁悬挂功耗计算过程是，首先计算主动悬挂功耗，然后根据执行元件电磁作动器的效率推算出电磁悬挂功耗。

主动悬挂功耗由车体质量、行驶工况(路况、车速)、平顺性目标和所采用的控制算法共同决定。其中，控制算法用于确定执行元件出力大小与时机，进而影响车辆平顺性。常见于军用车辆的控制算法，主要包括恒力控制、天棚控制和开关控制等[7]。其中天棚控制算法是经典控制算法，往往作为评价其它控制算法的基准。本文中选择天棚控制算法计算主动悬挂功耗。

天棚算法的控制思想是：若令悬挂系统中作动器输出力追踪天棚阻尼力，则悬挂系统将具有天棚悬挂的力学特性。天棚阻尼力在数值上可表示为

(1)

如上所述，天棚阻尼力实际上作用于车体与车轮之间，因此主动悬挂功耗由控制力和车体与车轮之间相对运动速度共同决定，即

(2)

由此可知，电磁悬挂功耗为

P=Pa/η

(3)

式中：η为执行元件总效率。

2 主动控制所需功率与转矩供需矛盾分析

本文中以某高速履带车辆单轮悬挂系统试验台(图1，车体质量3t)为例进行计算。其中，扭杆弹簧为弹性元件，同时又是平衡肘的旋转中心。当车轮随路面起伏时，驱动平衡肘绕扭杆旋转，扭杆弹簧对车轮受到的冲击进行缓冲。电磁作动器为控制力执行元件，固定在车体上，其拉臂通过连杆与平衡肘连接。当采用主动控制模式时，电磁作动器拉臂输出的控制力矩作用在平衡肘上，调节车体与车轮之间的受力状态。

2.1 所需功率与转矩

由图1(b)可知，悬挂系统具有复杂的运动学关系，并受履带松紧程度的影响。为简便计算，本文中采用多体动力学仿真软件adams进行仿真分析。

2.1.1 参数设置

(1)路面模型

佩里曼3#越野路面是美军坦克机动车辆研究中心常用于测试坦克悬挂性能的一条越野路面。该路面峰-峰差达0.5m，均方根值为0.089m。由于路况差，M1A1主战坦克在该路面最大车速仅为16km/h[8]。图2为一段实测路面样本，长约153.6m。

当路况越差、车速越高时，主动控制所需的控制力矩和功率越高，故选择该路面作为计算工况，越野平均速度取16km/h。

(2)主要元件力学特性

车轮刚度：根据试验数据(图3)和多体动力学仿真软件adams参数设置格式，按平衡点(轮胎压缩量为5.09mm)将车轮刚度拟合成3次方曲线：y=2.23×1011x3。

悬挂刚度：试验表明，扭杆弹簧与扭转角之间存在线性关系，考虑到限位器的缓冲作用和履带牵拉作用，将扭杆弹簧刚度设置为图4所示的非线性。

被动悬挂阻尼系数：根据试验数据，取2 500N·m·s/rad。

主动悬挂参数：天棚阻尼比取0.35，单轮悬挂的偏频取1.25Hz。根据式(1)，控制力矩设置为：2×0.35×6.28×1.25×3000×VY(Body.PSMAR)，其中3 000为车体质量。

2.1.2 结果分析

(1)采用不同悬挂时平顺性比较

图5为采用被动悬挂时车体振动加速度时域及频域曲线。图中表明，在给定路面、车速时，车体振动加速度峰值最大值可达2.8g，均方根为0.44g。其中加速度峰值超过了人体乘坐车辆振动极限标准2.5g，表明车辆的平顺性差，会降低乘员的工作效能。

图6为采用主动悬挂后车体振动加速度时域和频域曲线。图中表明，车体振动最大加速度峰值为1.02g，均方根为0.24g。与被动悬挂相比，最大加速度峰值与均方根值分别降低63.6%与45.5%，达到了采用主动悬挂的预期目标。

(2)阻尼力矩与控制力矩比较

图7为采用被动悬挂时减振器输出阻尼力时域和频域曲线。图中表明，在给定工况下，被动悬挂的阻尼力矩最大可达20.4kN·m，均方根为3.5 kN·m。常用阻尼力矩主要集中在5.5kN·m区域内。

图8为采用天棚控制算法后的控制力矩时域和频域曲线。图中表明，控制力矩峰值为2.84kN·m，均方根为1.16 kN·m，常用控制力矩在2.4 kN·m区域内，且控制频率低于2Hz。

对比主动、被动两种模式下的力矩可见，采用主动控制后，所需力矩远低于被动悬挂。

(3)所需控制功率工程估算

将作动器拉臂输出转矩与角速度绘制在同一坐标内(图9)，可以看出两者方向并不相同。两者相同时，说明作动器提供主动力矩，此时电磁装置相当于电动机；两者相反时，电磁装置可充当发电机，提供阻力矩，实现能量回收。

将作动器输出转矩与角速度相乘，可计算出作动器控制功率(图10)，均方根值为1.96 kW。由图可知主动控制时最大功率约为9.0kW。最大功率出现次数较少，常用功率低于6kW；半主动控制时最大功率为12kW，常用功率低于7.5kW。

2.2 高速履带车辆电磁悬挂所需最大功率

电磁悬挂所需最大功率是确定电磁作动器结构参数的依据之一。上述计算说明，在给定工况下，车体质量为3t的主动悬挂系统需耗功约6～7.5kW。考虑到电磁装置具有短时过载能力、转子惯性负载可充当惯容器弥补控制力的不足、安装空间、散热条件等因素，在选择作动器参数时取功耗计算值的下限。假设作动器总效率为85%～90%，根据式(3)，当电磁作动器的最大功率设计为8.3～9kW，最大输出转矩设计为2.22～2.4 kN·m时，即可满足主动控制需要。

为避免重复计算，在确定其它车型电磁作动器结构参数时，可采用单位质量功耗2.77～3 kW/t的标准进行估算。

2.3 电磁作动器的基本结构

2.3.1 安装空间对作动器结构的限制

由于特殊应用环境，对悬挂系统作动器的安装空间具有较严格的限制，本文中研究的作动器安装空间约为φ300mm×140mm。与13in轮毂电机的外廓尺寸接近。

2.3.2 直驱式电磁作动器的可行性分析

在风力发电、轮毂电机等领域，直驱式电机由于省略了传动箱，提高了系统可靠性、经济性而被广泛应用。

在直驱式电机中，Protean Electric公司研制的轮毂电机是低转速、大转矩电机的典型代表，其13in轮毂电机的基本参数如表1所示[9]。该电机采用外转子结构，最大转矩可达200N·m。显然，在安装空间限制内，直驱式电磁作动器无法满足要求。

表1 轮毂电机参数

2.3.3 电磁作动器基本结构

电磁作动器基本结构如图11所示，由传动机构、电磁感应装置和相应的控制电路组成。其中，传动机构用于对电磁感应装置进行减速增矩。根据表1，如果电磁装置采用与13in轮毂电机相似的结构(外转子结构)，传动机构的速比不小于12；而如果采用内转子结构，速比将远大于12。

3 研制电磁作动器的关键技术分析

(1) 高速比减速器从动时易自锁

作为越野车辆的悬挂系统，必须具有从动功能，主要原因在于：高速履带车辆行驶中经常受到路面上石头、土坎、雨裂及深坑等障碍物的强冲击，作动器必须从动使扭杆弹簧发挥缓冲作用；电磁必须具有被动悬挂的工作模式，以降低对车载电源的依赖。但是，高速比单级减速器往往不具备互逆传动功能。这样，当车轮驱动作动器转子时，会出现自锁现象，这样不仅会损坏变速器，也会传递强冲击给车体，降低车辆平顺性。

因此，设计结构紧凑、可互逆传动的高速比减速器是发展电磁悬挂技术面临的一大难题。

(2)惯性负载被放大

作动器为盘形结构、大转矩对大气隙半径的需求，以及永磁无刷电磁装置转子较大的质量，使作动器具有较大的转动惯量。一方面，惯性负载与速比平方成正比，另一方面，车辆悬挂系统具有随机强冲击的特点，强大的惯性负载同样降低扭杆弹簧的缓冲作用。因此，设计大转矩、低转动惯量的电磁装置，是发展电磁悬挂技术面临的又一难题。

(3) 拉臂往复摆动引起传动磨损问题

由于路面起伏具有随机性，导致拉臂的运动为往复摆动，使减速器内各啮合部件发生刚性冲击和磨损。如何及时消除磨损间隙、提高抗冲击能力是发展电磁悬挂技术面临的又一难题。

4 结论

车辆的应用环境、采用的控制算法和执行元件效率的不同，导致功耗的结论也不同。大速比减速器可使电磁装置输出的转矩、转速满足高速履带车辆电磁悬挂控制需要，但其可靠性、耐久性成为制约电磁悬挂工程应用的瓶颈；设计低速、大转矩电磁装置和结构紧凑、具有互逆传动功能的大速比减速器是研制电磁悬挂的关键。

[1] DEAKIN A,CROLLA D,SHOVILIN A，et al.Charlton, Power Consumption in Ride of a Combat Support Vehicle Slow-Active Suspension[C].SAE Paper 973205.

[2] Bernard Kempinski,Christopher Murphy. Technical Challenges of the U.S. Army’s Ground Combat Vehicle Program [R]. Working Paper,Series Congressional Budget Office,2012.

[3] KAJINO H，BUMA S,CHO J S,et al.The Futrue Development and Analysis of an Electric Active Suspension system [C].SAE Paper 2008-01- 0345.

[4] Koenraad Reybrouck, Bert Vandersmissen. ACOCAR: Ultimate Comfort and Safety Through the Energy-Efficient active Damping System of Tenneco [C].21st Aachen Colloquium Automobile and Engine Technology,2012:1-15.

[5] BRYANT A,BENO J,WEEKS D. Benefits of Electronically Controlled Active Electromechanical Suspension Systems (EMS) for Mast Mounted Sensor Packages on Large Off-Road Vehicles [C]. SAE Paper 2011-01-0269.

[6] The Research and Technology Organisation (RTO),All Electric Combat Vehicles (AECV) for Future Applications[R]. RTO TECHNICAL REPORT, TR-AVT-047,2004.

[7] 冯占宗,陈思忠,魏来生,等. 越野车辆可控悬挂实用控制算法及发展概述[C]. 2014年越野车技术分会学术年会论文,2014:463-472.

[8] HOOGTER F B,BENO J H,WEEKS D A. An Energy Efficient Electromagnetic Active Suspension System [C].SAE Paper 970385.

[9] Alexander Fraser. In-wheel Electric Motors [C].Protean Electric Ltd,UK,2010 Annual Meeting.

An Analysis on the Contradiction Between Power Demand and Supply of Electromagnetic Suspension in High Speed Tracked Vehicles

Feng Zhanzong, Wei Laisheng, Yin Yunbao, Fan Weiguang & He Lipeng

ChinaNorthVehicleResearchInstitute,Beijing100072

A calculation method of the power consumption of electromagnetic suspension is proposed, the demand-supply contradiction of electromagnetic suspension power is analyzed, and the basic structure and key techniques of electromagnetic actuator are discussed. The results indicate that the output power of electromagnetic actuator under limited space can meet the requirements of active control, but the reducer must be compact with a high gear-ratio and a function of switching to speeder when necessary in some cases, and the electromagnetic devices should have the features of low moment of inertia and high torque.

tracked vehicle; active suspension; electromagnetic actuator; power demand

原稿收到日期为2015年4月20日，修改稿收到日期为2015年6月16日。