文 献 综 述
- 课题研究背景
车辆悬架按控制方式不同，可分为被动、半主动和主动悬架三大类。目前，汽车上通常采用被动悬架，由于无外部控制能量输入，弹簧刚度和减振器阻尼不可调，悬架设计时只能在不同行驶条件下折中考虑车辆的行驶平顺性和操纵稳定性(仅满足在某种行驶条件下性能最优)。随着高速公路网的发展，汽车车速有了较大提高，这种基于经典隔振理论的传统被动悬架阻碍了汽车性能的进一步提高，因而有必要推广应用性能更好的主动／半主动悬架悬架。主动悬架能使车辆在不同行驶条件下的行驶平顺性和操纵稳定性达到性能最优，它实质上就是在车轮和车身之间充当一个隔振或吸振器，便路面输入的随机振动机械能尽可能被抵消或吸收，从而阻碍振动机械能继续向车身传递。现已少量应用的主动悬架大多采用高压油缸式作动器，通过压力控制阀来连续调节作动器的输出力，并采用液力蓄能器来回收振动机械能，车身隔振由主动控制力和被动阻尼力共同完成。由于主动悬架主要采用液力式结构，故不可避免地存在响应慢、能耗大、蓄能效低且液压结构复杂等不足，因而难以大批量推广应用。
作为主动悬架中的关键部件--作动器的研制正日益得到研究者们的高度重视。作动器是实现振动主动控制的关键部件，其作用是按照确定的控制律对控制对象施加控制力。因此，对作动器的深入研究不容忽视。
关于电磁直线作动器的文献中，一部分研究者采用现成的直线电动机来充当力发生器，另外一部分研究者所采用的电磁直线作动器为永磁式的，而对感应式的却没有涉及。在《车辆主动悬架用电磁直线作动器的研究》一文中，采用电磁直线作动器来实现主动悬架力发生器为终极目标，提出了一种圆筒型电磁直线感应式作动器的结构设计，结合有限元仿真软件 Flux，系统地分析了电磁作动器结构参数和电气参数对电磁力大小和响应速度的影响规律，并在此基础上试制了一款作动器样机。
- 车辆主动悬架作动器研究的现状
通过查阅大量的国内外文献，对于车辆主动悬架作动器的研究大致可分为以下三类：①空气主动悬架作动器，由气缸构成，通过电气压力控制阀控制：②液压主动悬架作动器，主要由液压缸、子气室及阻尼阀组成；③电磁类主动悬架作动器，其中有采用滚珠丝杆和旋转电动机方式的，也有采用永磁直线电动机作为力促动的，也有研究者自行设计的电磁直线式作动器。上述主动悬架作动器中，空气和液压作动器都存在着结构复杂、泄露密封、重量重和成本高及安全可靠性等问题，而随着电磁学理论的不断完善以及大功率电子器件性能的不断提升，同时其价格也日趋低廉，采用电磁方式啦实现主动悬架作动器已成为目前研究的热点。相比之下，电磁直线作动器具有结构简单、相应快速及控制精度高等诸多有点。与此同时，电磁主动悬架还具有将能量回收的潜力，这也与当前提倡的“节能”、“环保”这 一主题相吻合。
Karnopp 研究了永磁直线阻尼器用于半主动悬架的可行性,指出类似直线作动器的设备用在半主动悬架系统中有许多的优点。其中之一就是可通过改变连接到阻尼器的外部电阻的阻值来改变悬架的阻尼系数,另外还具有低静摩擦系数、固有的直线运动特性等优点。KarnoPP同时也意识到这种电磁阻尼器的一些限制,其中包括有限的线圈阻值,设备质量以及通过永磁体来获得的磁场强度。此文还研究了设备质量对阻尼力的影响,线圈质量的物理限制等,指出只要悬架的振动周期与机械时间常数足够长,电磁阻尼就有效。此外,Kamopp还指出若采用高能永磁材料,则只需一小段磁铁,整个阻尼器的重量和体积主要依赖于磁极片,因此一种有效利用此永磁材料的途径就是减少或根除这些磁极片。如下图1所示,文中提出了一种环形设计来提高永磁直线阻尼器的效率,此方法具有大大减小音圈型阻尼器体积和重量的潜力。
图1.磁路和电枢电路
Ismenio MartinS等人通过有限元仿真分析和计算,研制了一种2相的轴向充磁的圆筒型永磁直线作动器,其特征参数如下:外径为110mm,长600mm,行程为180mm,定子部分质量为19kg,动子部分质量为gkg,极数为7。图2.中左半部分为作动器的外形图,右半部分为试验场地的布置图。此实验装置中路面激励的模拟不再通过液压方式来实现,而是采用电动机驱动周边含有凸起和凹坑的电动轮来实现的。通过试验研究,Ismenio MartinS等人得出了作动器的电磁力与相电流之间的关系曲线,如图3所示。可以看出,作动器电磁力的大小基本上与相电流的幅值成正比,因此,可通过控制相电流从而达到控制电磁力的目的。所进行的试验研究与仿真结果基本一致,表明了所设计的作动器能产生悬架系统所需的主动控制力。
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