【摘要】：隨著機(jī)電技術(shù)和汽車工業(yè)的不斷發(fā)展,車輛的節(jié)能低碳技術(shù)成為當(dāng)今研究發(fā)展的熱點(diǎn)。在車輛各系統(tǒng)中,懸架系統(tǒng)消耗了相當(dāng)可觀的功率。在傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)內(nèi),這部分功率一般通過(guò)油液阻尼器以內(nèi)能的形式耗散。另一方面,隨著人們對(duì)車輛懸架舒適性和操縱性的要求越來(lái)越高,一些主動(dòng)懸架開始不斷出現(xiàn)在中高端車型中。然而主動(dòng)懸架需要由外界輸入能量來(lái)調(diào)節(jié)其動(dòng)力學(xué)參數(shù)或者直接施加控制力,隨之而來(lái)的是車輛懸架系統(tǒng)的高能耗。發(fā)展一種能夠兼顧懸架舒適性、操縱性的低功耗甚至可發(fā)電式懸架成為了汽車工業(yè)的重要技術(shù)需求。在此環(huán)境下,饋能懸架技術(shù)展現(xiàn)出巨大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。其中,電磁式饋能懸架阻尼器相較液壓式、液電式饋能懸架阻尼器具有能量轉(zhuǎn)換過(guò)程少、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn),成為了近年來(lái)的車輛懸架技術(shù)領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。本文針對(duì)直線電機(jī)式饋能阻尼器存在的一些問題,提出了采用Halbach永磁陣列作為電磁換能結(jié)構(gòu)組件提高饋能阻尼器能量采集性能和最大阻尼系數(shù)的方案。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提出了一種將電渦流發(fā)生結(jié)構(gòu)與電磁式能量采集裝置同軸復(fù)合的復(fù)合式阻尼器技術(shù),既可以通過(guò)電渦流效應(yīng)提高阻尼器的比質(zhì)量阻尼系數(shù),又能夠通過(guò)調(diào)節(jié)兩組同軸永磁陣列之間的位錯(cuò)率拓展阻尼系數(shù)調(diào)節(jié)范圍。論文的主要研究工作與創(chuàng)新之處如下:(1)建立了車輛懸架動(dòng)力學(xué)模型,結(jié)合懸架的加速度傳遞率和位移傳遞率兩個(gè)性能指標(biāo),分析了系統(tǒng)阻尼比對(duì)懸架舒適性和操縱性的影響。根據(jù)車輛懸架的動(dòng)力學(xué)模型,采用了路面不平度模型分析計(jì)算了不同路面情況、不同車速下典型車輛懸架的能量耗散功率。研究發(fā)現(xiàn),懸架的耗散功率與車輛行駛速度成正比,并且不同等級(jí)的路面對(duì)車輛懸架系統(tǒng)在相同的車速下的耗散功率有很大影響。(2)從懸架系統(tǒng)中的能流過(guò)程著手,結(jié)合電磁感應(yīng)定律、磁路定律、機(jī)械振動(dòng),建立起電磁式能量采集裝置物理模型,推導(dǎo)了相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程和能量守恒方程,繪制并且系統(tǒng)描述了換能機(jī)理,同時(shí)給出了電磁換能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。研究發(fā)現(xiàn),為提高能量采集功率,電磁換能系統(tǒng)感應(yīng)線圈的品質(zhì)常數(shù)需要盡可能大。受到換能構(gòu)件間最大允許相對(duì)位移影響,電路阻尼和被動(dòng)阻尼需要能夠保證阻尼器行程不會(huì)超限,同時(shí)為了提高能量采集性能和拓寬阻尼調(diào)節(jié)范圍,應(yīng)適當(dāng)降低其中的被動(dòng)阻尼,提高電路阻尼。(3)提出了一種電磁式能量采集裝置的集總參數(shù)等效磁路模型,并且以此為理論基礎(chǔ)對(duì)能量采集裝置磁路進(jìn)行了靜磁場(chǎng)建模和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。理論研究發(fā)現(xiàn),軸向充磁、徑向充磁和Halbach永磁陣列結(jié)構(gòu)的最佳永磁體厚度比分別為0.5、1和0.75,永磁體-線圈徑向尺寸比分別為0.8、0.75和0.7的條件下,能夠達(dá)到最大電路阻尼系數(shù)。設(shè)計(jì)了相應(yīng)的饋能阻尼器線圈繞組形式和整流電路,通過(guò)COMSOL Multiphysics有限元軟件計(jì)算驗(yàn)證了集總參數(shù)等效磁路模型,得到了三類饋能阻尼器的開路電壓和阻尼性能。研究表明,經(jīng)過(guò)磁路結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的Halbach永磁陣列結(jié)構(gòu)在輸出電性能和阻尼性能方面均明顯優(yōu)于軸向充磁結(jié)構(gòu)和徑向充磁結(jié)構(gòu)。(4)提出了一種將電渦流發(fā)生結(jié)構(gòu)與電磁式能量采集裝置同軸復(fù)合的阻尼器結(jié)構(gòu),能夠通過(guò)電渦流效應(yīng)進(jìn)一步提高其比質(zhì)量阻尼系數(shù)。分析了電渦流發(fā)生結(jié)構(gòu)對(duì)Halbach永磁陣列式饋能阻尼器最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。研究發(fā)現(xiàn)電渦流發(fā)生結(jié)構(gòu)的引入會(huì)在一定程度上對(duì)饋能阻尼器的性能產(chǎn)生影響,然而對(duì)電磁式能量采集裝置最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響很小。通過(guò)解析模型獲得了電渦流發(fā)生結(jié)構(gòu)的最優(yōu)尺寸參數(shù)。通過(guò)定義復(fù)合式阻尼器兩組永磁體之間的位錯(cuò)率,探索了位錯(cuò)率對(duì)電路阻尼、能量采集性能和電渦流阻尼的影響,發(fā)現(xiàn)了利用對(duì)位錯(cuò)率的調(diào)節(jié)拓寬阻尼器阻尼系數(shù)調(diào)節(jié)范圍的方法。(5)根據(jù)懸架饋能阻尼器的測(cè)試要求,搭建了相應(yīng)的阻尼器試驗(yàn)平臺(tái),根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)論,制作了阻尼器原理樣機(jī)。針對(duì)饋能阻尼器能量采集裝置的試驗(yàn)測(cè)得,在相同的外形尺寸限制條件下,軸向充磁、徑向充磁和Halbach永磁陣列三種磁路結(jié)構(gòu)饋能阻尼器的最大阻尼系數(shù)分別可以達(dá)到202.6N?s/m、209.4N?s/m和472.8N?s/m。當(dāng)直接振動(dòng)激勵(lì)頻率為5Hz、振幅為10mm,且負(fù)載阻抗與饋能阻尼器內(nèi)阻相匹配時(shí),三種磁路結(jié)構(gòu)饋能阻尼器的最大有用電功率分別約為0.9W、0.93W和2.1W。優(yōu)化后的Halbach永磁陣列結(jié)構(gòu)的回收電功率和阻尼性能方面均優(yōu)于另外兩者。針對(duì)電渦流發(fā)生結(jié)構(gòu)與電磁式能量采集裝置同軸復(fù)合式阻尼器樣機(jī),實(shí)驗(yàn)測(cè)量了不同同軸永磁陣列位錯(cuò)率條件下的能量采集裝置輸出電性能和電渦流阻尼性能,并且根據(jù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算得到了復(fù)合式阻尼器樣機(jī)阻尼系數(shù)調(diào)節(jié)范圍、最大能量采集功率與位錯(cuò)率的關(guān)系。研究表明,在頻率為5Hz、振幅為6mm的弱簡(jiǎn)諧振動(dòng)直接激勵(lì)下,當(dāng)同軸永磁陣列位錯(cuò)率為1時(shí),復(fù)合式阻尼器樣機(jī)最大能量采集功率可以達(dá)到1.7W。其阻尼系數(shù)調(diào)節(jié)范圍能夠有效拓寬至500N?s/m到1270N?s/m,驗(yàn)證了提出的通過(guò)永磁陣列間位錯(cuò)率拓寬阻尼調(diào)節(jié)范圍的方法。本文在機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。
【圖文】：

復(fù)合式電磁饋能懸架阻尼器關(guān)鍵技術(shù)研究架系統(tǒng)懸架系統(tǒng)主要由彈性元件、阻尼元件和一套機(jī)械連桿構(gòu)成，如為螺旋彈簧，它提供與懸架伸縮量成正比的彈性力，該元件也車輛懸架中，阻尼元件通常為液壓阻尼器，它提供與懸架伸縮，該元件在懸架穩(wěn)定狀態(tài)下的作用可以忽略不計(jì)，但在懸架的；機(jī)械連桿則連接簧載質(zhì)量（懸架所支撐的汽車質(zhì)量）和簧下）。

領(lǐng)域做了大量研究工作。上海交通大學(xué)的喻凡課題組對(duì)汽行了深入研究，，探索了饋能懸架的綜合性能協(xié)調(diào)性優(yōu)化方了饋能懸架的全主動(dòng)和半主動(dòng)兩種控制方式，發(fā)表了較多龍課題組提出了將直線電機(jī)與可調(diào)阻尼減振器集成的懸新型饋能懸架方案，同時(shí)在饋能懸架的半主動(dòng)控制方面也饋能懸架的設(shè)計(jì)起到了重要的指導(dǎo)作用[29]。武漢理工大學(xué)懸架方面進(jìn)行了大量研究驗(yàn)證工作[35]。南京航空航天大學(xué)集技術(shù)研究，并較早地提出了 Halbach 永磁陣列、壓電-電了以往采集結(jié)構(gòu)能量采集效率較低、工作頻帶較窄的缺點(diǎn)看，當(dāng)前研究較為熱門的饋能懸架結(jié)構(gòu)大致可以分為三類按此分類對(duì)三大類饋能懸架的研究狀況進(jìn)行進(jìn)一步的闡述架出現(xiàn)較早，它一般由傳統(tǒng)液壓阻尼器利用液壓泵原理進(jìn)以液壓能的形式回收儲(chǔ)存，這部分回收的液壓能能夠向液能，也可以通過(guò)進(jìn)一步將液壓能通過(guò)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電轉(zhuǎn)化圖 1. 2 所示[49]。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U463.33

【參考文獻(xiàn)】

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9 朱q

本文編號(hào)：2645426