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不同车辆馈能减振器性能评价及参数灵敏度分析
摘要
传统减振器通过将悬架振动能量耗散到热废料中, 提供了良好的平顺性和操纵稳定性能力。为了收获这种耗散的能量, 提高车辆的燃油效率, 近年来提出了许多 能量回收减振器 (EHSAs)。其中, 两种类型的 EHSAs 引起了人们的广泛关注。一种传统的 EHSA, 通过齿条齿轮、滚珠丝杠或其它机构将振荡振动转换为双向旋转。另 EHSA 装有机械运动整流器 (MMR), 将双向振动转化为单向旋转。以下是分别称为 NonMMR EHSA 和 EHSA。本文通过对客车、客车、货车等各类车型的封闭式分析和数值模拟, 比较了其与传统减振器的性能。结果表明, EHSA 提供了更好的乘坐性能比 NonMMR-EHSA, 和 MMR‐ EHSA 能够改善平顺性和操纵稳定性同时在传统的减振器安装在小阻尼, 重型车辆.给出了 MMR‐ EHSA 的最佳参数。通过考虑平顺度与操纵稳定性之间的平衡, 得到了最优解 ('Pareto‐最优解')。
关键词：馈能减振器;机械运动整流器; MMR;车辆动力学;惯质;帕累托优化
能量采集减振器的介绍
车辆悬架对两个冲突的性能、平顺性和操作稳定性起着重要作用。在传统悬架中, 粘性减振器将道路不平顺和车辆加速度引起的振动能量消散, 从而提高了平顺性操作稳定性。Efatpenah 等 [1] 表示, 汽车悬架有足够的馈能潜力。左和张 [2] 证明了客车的能量潜力是 100-400 W 当汽车驾驶在好和平均路在60每小时. 假设馈能效率是 75%, 300 W 电能被收获, 相当于3% 燃料效率根据宝马关于典型客车用电需求的数据。[3]
馈能减振器 (EHSAs) 在汽车悬架中具有巨大的能量潜力, 引起了广泛的关注。最早的 EHSAs 由 Karnopp 提出, [4] Fodor和 Redfeld, [5] 并且苏达和 Shiiba, [6] 等。采用线性电磁马达, 验证了其可行性。
后来，其他研究人员利用旋转发电机和可将线性悬架振动转换为旋转运动的机构开发了旋转再生式减振器。这些机构包括滚珠丝杠，[7,8]齿条齿轮，[9]液压传动装置，[10,11]等。古普塔等人。 [12]表明，旋转EHSA可以通过车辆实验收获比线性EHSA更多的能量。 Nakano和Suda [13]开发了一种基于滚珠丝杠机构的自供电主动EHSA，数值模拟结果验证了它可以获得比消耗外部能量的被动或半主动控制系统更好的抑制性能。 [9]开发了齿条齿轮减振器，并通过进行台架试验和道路试验来证明其阻尼特性和能量回收。 Singal和Rajamani [14]提出了一种能量自适应天钩增益，它使再生减振器可以作为广泛范围下的活动系统。 Pires等人[15]研究了能量再生和悬架控制之间的权衡，他们发现了一个可行的妥协（适当的惯性），以获得良好的功率效率和车辆性能。
上述EHSA将上下悬架振动转化为发电机的双向旋转，这导致低机械可靠性和能量回收效率。为了克服这些缺点，Zuo等人[16]开发了一种机械运动整流器（MMR），将双向振动转换为单向旋转，并证明MMR显着提高了机械效率，从30-45％到62％的较高频率，并大大降低了背隙效应。 [17]通过在基于滚珠丝杠的EHSA上应用两个超越离合器和一个行星齿轮箱实现了类似的效果。 Fang等人[10]提出了一种带有四个止回阀的水力减振器，将双向流动整流为单向流动以驱动液压泵，然后驱动发电机。尽管运动推进器可以提高再生效率和机械可靠性，但它们对车辆动力学的影响却很少被研究。李和Zuo [18]对传统的旋转EHSA和基于MMR的EHSA对轿车的影响进行了初步研究，发现两种EHSA的性能都比传统的减振器差。然而，这样一个结论的一般性仍然值得怀疑，因为结果是基于特定汽车上一组特定EHSA参数的案例研究。事实上，EHSA和车辆的参数在很大范围内变化。本文的目的是全面考察EHSA有无运动整流对包括轿车，公共汽车和卡车在内的不同类型车辆性能的影响。选择Zuo等[9,16]提出的齿轮齿条式双向旋转EHSAs和基于机械运动整形（MMR）的EHSAs进行分析和仿真。它们分别在本文中被称为NonMMR-EHSA和MMR-EHSA。结论也适用于使用滚珠螺杆[7,8]或水力发电机构的旋转EHSA。[10,11]
一个旋转NonMMR-EHSA可以模拟为一个等效的阻尼器，与一个等效的惰性元件#39;并行产生一个与吸收器两端相对加速度成比例的力。史密斯提出了术语“惰性”。[19] Smith等人[20] Hu等人[21] Wang et al。 [22]和张等人。 [23]所有的验证，如果设计得当，一个平行的惰性对悬挂性能是有益的。由于EHSAs中使用的运动机制通常涉及大运动放大，因此与大惯性有关，因此我们将从惰性角度研究EHSA。然而，MMR的分离和接合机制使EHSA比线性惰性装置本身更复杂。在本文中，为了评估NonMMR-EHSA和MMR-EHSA相对于传统减振器的悬架性能，进行闭式分析和数值模拟。结果显示，如果惯性小于某个值，NonMMR-EHSA和MMR-EHSA都可以提供比传统减振器更好的平顺性。特别是对于MMR-EHSA，当安装在轻型阻尼重型车辆上时，它能够同时改善传统减振器的平顺性和操控性能。通过分析非线性惯性对频率响应的影响，深入解释了MMR-EHSA卓越特性的原因。 MMR-EHSA的参数也针对悬架性能进行了优化，可以指导MMR-EHSA的设计。当悬架非常紧张时，阻尼系数和惯性的值应该相对较大。否则，他们应该被设计为小值。
本文组织如下。 在第2节中，对NonMMR-EHSA和MMR-EHSA的设计原理进行了简要回顾，并创建了NonMMR-EHSA，MMR-EHSA和EHSA车型的模型。 在第3节中，介绍了悬架性能指标，并进行了基于非MMR-EHSA的悬架的解析形式分析。 在第4节中，对各种车辆进行了NonMMR-EHSA和MMR-EHSA的模拟，并给出了结果。 在第5节中，通过考虑平顺性，道路操纵性和这两种性能之间的平衡来获得MMR-EHSA的优化设计。
EHSA的设计原则和建模
在本节中，我们将首先回顾两个EHSA的设计原理，然后介绍非MMR-EHSAS，MMR-EHSAS和EHSA车辆的建模。
设计原理
NonMMR-EHSA和MMR-EHSA以前由Zuo团队开发[9,16]。在NonMMR-EHSA中，齿条 - 小齿轮机构被选择用于将线性运动转换为旋转运动。一对锥齿轮也用于改变90°的传输空间以便合理利用空间。由于输出电压与旋转速度成正比，所以使用行星齿轮箱进行运动放大。 NonMMR-EHSA的总体设计如图1（a）所示，由于其结构非常紧凑，因此其实施非常方便且具有成本效益。然而，双向旋转带来了很多潜在的问题，如振动和传动系统中的大冲击力，游隙和摩擦，导致疲劳甚至快速失效。另外，双向振荡将导致需要换向的不规则AC电压带电整流，这可能导致在低悬挂振动下额外的能量损失。为了解决NonMMR-EHSA存在的这些问题，Zuo的团队[16]提出了一种机械运动整形（MMR），该方法通过在锥齿轮和锥齿轮之间使用两个单向离合器，将双向悬架振动转换为发电机的单向旋转轴。 MMR-EHSA的结构如图1（b）所示。使用两个滚筒离合器的磁共振成像的工作原理可以用一个中心抽头变压器和两个二极管来模拟成全波电压整流器[16]。
NonMMR-EHSA的建模
如第2.1节所述，MMR-EHSA和NonMMR-EHSA之间的主要区别在于MMR-EHSA中有两个单向离合器。 单向离合器和转动惯量使得MMR-EHSA的发生器在正弦激励下定期分离并接合输入，从而成为分段线性系统。 在接合状态，MMR-EHSA是线性系统，这是相同的NonMMR-EHSA。 在脱离状态下，MMR-EHSA的主要部分独立于悬置系统并成为另一个线性系统。 在这里，我们首先创建NonMMR-EHSA模型。 建模将阐明NonMMR-EHSA和上述平行惰性系统之间的等效性。 然后，MMR-EHSA的建模将在MMR-EHSA的接合和脱离之间的切换条件下进行。
NonMMR-EHSA的动态模型使用牛顿第二定律推导出来。 对于NonMMR-EHSA，有两个主要力量，即阻尼力和惯性力。 阻尼力主要由发电机的反电动势引起。 惯性力主要由旋转部件的惯性引起。
当发电机旋转时，感应发电机上的反电动力矩，这是小齿轮上的阻力旋转扭矩：
, (1)
其中增益和分别是发电机的电压和转矩常数，和是发电机电路中的内部和外部电阻，是发电机的转速。是锥齿轮的传动比，是齿轮箱的传动比。
NonMMR-EHSA系统中的另一个反作用扭矩是由小齿轮通过一对锥齿轮和齿轮箱驱动的旋转机械部件的惯性引起的。 与具有增速齿轮比的发电机惯性相比，小齿轮，轴和锥齿轮的惯性可以忽略不计[18]。 施加在小齿轮上的合成惯性力矩可以由下式给出
, (2)
其中是发电机的惯性，是发电机的角加速度。 减振器的两端的相对速度与小齿轮发电机的转速之间的关系由下式给出
, (3)
其中r是小齿轮的半径。
NonMMR-EHSA对悬架施加的总力量是
. (4)
通过将等式（1）（3）代入等式（4），NonMMR-EHSA的总力可以被获得为
, (5)
其中 ； .
方程（5）中力的第一部分与EHSA两端的相对加速度成比例，因此等效质量在[19]中称为惰性。 力的第二部分与EHSA两端的相对速度成正比，是等效阻尼。 NonMMR-EHSA的等效布局如图2所示。在EHSA中，通过在能量收集电路中使用二极管和不同电阻，可以轻松实现抖动和回弹的不对称阻尼系数[9]，但在这里为了方便我们忽略不对称特性。 NonMMR-EHSA中的阻尼系数可以通过调整发电机电路中的外部电阻来调整，从而实现半主动减振器。
MMR-EHSA的建模
机械运动整流器（MMR）可将不规则往复振动转换为规则的单向旋转。 MMR的关键部件是两个单向离合器，将振动调节为单向旋转。如图1（b）所示，单向离合器位于小齿轮轴和主动锥齿轮之间。当单向离合器的输出速度大于输入速度时，驱动锥齿轮将与小齿轮轴脱开。因此，在MMR-EHSA脱离之前和之后的动态将是不同的。参与模型与上述NonMMR-EHSA模型相同。在这里，我们将创建处于分离状态的MMR-EHSA模型，并介绍接合和分离之间的切换条件。
在分离状态下，齿条，小齿轮和小齿轮轴在悬挂力输入下保持移动。由于它们的惯性与簧上质量和非簧载质量相比非常小，所以吸收器不会对车辆产生作用力。在分离状态下，MMR-EHSA中的三个锥齿轮和齿轮箱将随着发电机旋转，如下式所示：
, (6)
其中是驱动锥齿轮的转速。 由于变速箱的传动比较大，这里我们忽略齿轮箱中三个锥齿轮和低速齿轮的惯性，以及变速箱中高速齿轮的惯性和发电机上可能的飞轮的惯性 可以集中到发电机惯性上。
根据公式（6），驱动锥齿轮的转速将以时间常数 且
, (7)
其中是当发生脱离时主动锥齿轮轴的转速。 当驱动锥齿轮的转速降低到输入转速时，如=，则MMR-EHSA系统将再次接合。
因此，MMR-EHSA的动态方程可写为
(8)
从方程（8）可以看出，MMR-EHSA系统有两种状态，即啮合状态和非啮合状态。 在接合状态下，MMR-EHSA是一种线性系统，其中发电机对悬架施加惯性力和阻尼力。 在脱离状态下，MMR-EHSA成为两个独立的线性系统。 一个系统包括与悬架一起运动的齿条，小齿轮和小齿轮轴。 另一个系统包括驱动锥齿轮，从动锥齿轮，齿轮箱和发电机，它们独立于悬架并且以惯性存储的动能旋转。 由于第一系统中的部件的惯性与簧上质量和非簧载质量相比非常小，所以减振器力可以忽略不计，并且在分离状态下可以看作零。
基于EHSA的车辆建模
这里考虑一个2自由度车辆模型。 我们首先创建基于MMR-EHSA的车辆模型，并且基于NonMMR-EHSA的车辆模型与处于啮合状态的MMR-EHSA完全相同。 在车辆模型中，悬架刚度被假定为线性的并且轮胎阻尼被忽略。 图3（a）和3（b）分别显示了基于MMR-EHSA的车辆模型的啮合状态和分离状态。
如前一节所述，MMR-EHSA的输出力可以看作是由m_e提供的惯性力和由c_e提供的阻尼力的总和，在脱开时为零。 因此，基于MMR-EHSA的2自由度车辆的动力学可以在数学上表示为
Engaged (9)
Disengaged
(10)
它也可以以状态空间建模的方式给出
, (11)
其中，等于的，是簧上质量速度，是等于的轮胎变形是非悬挂质量速度，是速度激励。
当MMR接合
(12)
其中
当MMR接合脱离
. (13)
如公式（12）所示，基于MMR-EHSA的车辆在振动开始时总是处于啮合状态。 当时，MMR-EHSA变为分离，并且基于MMR-EHSA的车辆的动态方程变为方程（13）。 当时，MMR-EHSA再次接合，并且基于MMR-EHSA的车辆的动力学方程回到方程式（12）。具有NonMMR-EHSA的车辆模型可以由具有处于接合状态的MMR-EHSA的车辆模型表示。 因此，动态方程被表征为方程（9）或（12）。
EHSA车辆的性能分析
减振器的主要功能是减轻道路不平整引起的振动，以实现良好的平顺性和道路操控性。 研究了NonMMR-EHSA和MMR-EHSA
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