CN108896326A - 一种应用机电惯容器的车辆isd悬架参数选型与测试工况设计方法 - Google Patents

一种应用机电惯容器的车辆isd悬架参数选型与测试工况设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种应用机电惯容器的车辆ISD悬架参数选型与测试工况设计方法，属于车辆悬架隔振领域，其主要步骤包括：(1)确定应用机电惯容器的车辆ISD悬架具体结构；(2)完成机电惯容器的结构选型与参数设计；(3)变参数条件下的车辆ISD悬架动态性能仿真；(4)根据悬架系统装置的工作约束条件，确定测试工况参数；(5)进行车辆ISD悬架性能测试，评估试验结果。采用本发明提出的方法，可有效对应用惯容器的车辆ISD悬架进行参数选型与测试工况设计，提升悬架的综合性能与系统工作的稳定性。

Description

一种应用机电惯容器的车辆ISD悬架参数选型与测试工况设 计方法
技术领域
本发明涉及机械隔振领域，特指一种应用机电惯容器的车辆ISD悬架参数选型与测试工况设计方法。
背景技术
自惯容器的概念提出以来，由“惯容器-弹簧-阻尼器”(Inerter-Spring-Damper)新型机械网络构成的机械隔振系统引起了巨大的关注。应用惯容器的车辆ISD悬架系统由于其均是被动元件，不需要额外的能量输入，成本低廉、性能优越，使得成为车辆工程领域的研究热点。
惯容器的实现形式主要有滚珠丝杠式、齿轮齿条式、液压活塞式和流体式等。近年来，有学者提出将机械式惯容器与电机进行耦合设计，提出一种机电惯容器装置，其可利用机电惯容器中的电网络阻抗模拟输出等效的机械网络阻抗。然而，在机电惯容器的设计中，对于元件参数的选型与测试工作的选取缺乏统一的理论框架，仅凭经验的设计方法会使元件的工作条件超出其额定承载范围，导致工作失稳。
发明内容
本发明的目的是：提出一种应用机电惯容器的车辆ISD悬架参数选型与测试工况设计方法，系统性得给出应用机电惯容器的车辆ISD悬架在结构参数：惯质系数、电机电动势系数、电机推力系数或力矩系数、电网络元件参数和对其进行性能测试的工况参数设计方法，有效避免因选型失误造成的系统工作失稳，提升系统工作的稳定性。
为实现以上发明目的，本发明采用的技术方案是：提出一种应用机电惯容器的车辆ISD悬架参数选型与测试工况设计方法，其主要步骤包括：
(1)确定应用机电惯容器的车辆ISD悬架具体结构；
(2)完成机电惯容器的结构选型与参数设计；
(3)变参数条件下的车辆ISD悬架动态性能仿真；
(4)根据悬架系统装置的工作约束条件，确定测试工况参数；
(5)进行车辆ISD悬架性能测试，评估试验结果。
所述步骤(1)中，应用机电惯容器的车辆ISD悬架同时含有机械网络元件、电网络元件，其中机械网络元件包括弹簧、阻尼器和惯容器，电网络元件包括电阻器、电容器和电感器。
所述步骤(2)中，机电惯容器的结构选型主要有三种：单电机耦合型、平动式惯容器-电机耦合型和旋转式惯容器-电机耦合型；参数设计中主要包括：机电惯容器中运动转换系数、电机电动势系数、电机推力系数或力矩系数。机电惯容器结构选型完成后，需进行位移相关性测试，单电机耦合型不需进行位移相关性测试；平动式惯容器-电机耦合型主要进行拉伸位移-响应位移测试；旋转式惯容器-电机耦合型主要进行拉伸位移-响应转角测试。
所述步骤(3)中，车辆ISD悬架动态性能仿真的变化参数选取为：当路面输入激励为正弦型路面输入时，变化的参数为激振频率与激振振幅；当路面输入激励为随机型路面输入时，变化的参数为行驶车速与路面不平度系数；当路面输入为凸块脉冲型路面输入时，变化的参数为行驶车速与凸块长度。
所述步骤(4)中，悬架系统装置的工作约束条件主要包括：机电惯容器的输出力或力矩、机电惯容器的工作电流和电网络元件的工作功率或工作电压。
所述步骤(5)中，评估车辆ISD悬架系统性能包括悬架的隔振性能与工作稳定性，稳定性主要考虑机电惯容器的输出力或力矩、机电惯容器的工作电流和电网络元件的工作功率或工作电压均在额定工作范围内。
采用本发明的有益实施效果是：提出一种应用机电惯容器的车辆ISD悬架参数选型与测试工况设计方法，可有效结合机电惯容器和电网络元件额定工作条件的约束，确定性能测试的工况参数，有效避免因元件工作条件过载导致的损坏，提升系统工作的稳定性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是一种应用机电惯容器的车辆ISD悬架参数选型与测试工况设计方法流程图
图2是应用机电惯容器的车辆ISD悬架结构示意图
图3是液电惯容器位移相关性测试结果图
图4是变参数条件下直线电机力幅值变化图
图5是变参数条件下直线电机电流幅值变化图
图6是变参数条件下电阻R1工作功率变化图
图7是变参数条件下电阻R2工作功率变化图
图8是变参数条件下电阻R3工作功率变化图
图9是变参数条件下电感L工作功率变化图
图10是变参数条件下电容C工作电压变化图
图11是以40km/h车速行驶在C级路面时直线电机输出力变化图
图12是以40km/h车速行驶在C级路面时直线电机电流变化图
图13是以40km/h车速行驶在C级路面时电阻R1工作功率变化图
图14是以40km/h车速行驶在C级路面时电阻R2工作功率变化图
图15是以40km/h车速行驶在C级路面时电阻R3工作功率变化图
图16是以40km/h车速行驶在C级路面时电感L工作功率变化图
图17是以40km/h车速行驶在C级路面时电容C工作电压变化图
附图标记说明：ms表示簧载质量，mu表示非簧载质量，Kt表示轮胎的等效弹簧刚度，zr表示路面不平度的垂向位移输入，zu表示非簧载质量的垂向位移，zs表示簧载质量的垂向位移，zb表示机电惯容器装置下端点的垂向位移。K表示悬架支撑弹簧，bm表示机械式惯容器，cm表示机械阻尼器，U表示直线电机产生的端电压，Le表示直线电机的电枢电感，Re表示直线电机的电枢电阻，R1、R2与R3表示外接电路网络中的电阻器，L表示外接电路网络中的电感器，C表示外接电路网络中的电容器。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
一种应用机电惯容器的车辆ISD悬架参数选型与测试工况设计方法，其主要步骤包括：
(1)确定应用机电惯容器的车辆ISD悬架具体结构；
(2)完成机电惯容器的结构选型与参数设计；
(3)变参数条件下的车辆ISD悬架动态性能仿真；
(4)根据悬架系统装置的工作约束条件，确定测试工况参数；
(5)进行车辆ISD悬架性能测试，评估试验结果。
所述步骤(1)中，应用机电惯容器的车辆ISD悬架同时含有机械网络元件、电网络元件，其中机械网络元件包括弹簧、阻尼器和惯容器，电网络元件包括电阻器、电容器和电感器。
所述步骤(2)中，机电惯容器的结构选型主要有三种：单电机耦合型、平动式惯容器-电机耦合型和旋转式惯容器-电机耦合型,详见发明专利201710645867.6；参数设计中主要包括：机电惯容器中运动转换系数、电机电动势系数、电机推力系数或力矩系数。机电惯容器结构选型完成后，需进行位移相关性测试，单电机耦合型不需进行位移相关性测试；平动式惯容器-电机耦合型主要进行拉伸位移-响应位移测试；旋转式惯容器-电机耦合型主要进行拉伸位移-响应转角测试。
所述步骤(3)中，车辆ISD悬架动态性能仿真的变化参数选取为：当路面输入激励为正弦型路面输入时，变化的参数为激振频率与激振振幅；当路面输入激励为随机型路面输入时，变化的参数为行驶车速与路面不平度系数；当路面输入为凸块脉冲型路面输入时，变化的参数为行驶车速与凸块长度。
所述步骤(4)中，悬架系统装置的工作约束条件主要包括：机电惯容器的输出力或力矩、机电惯容器的工作电流和电网络元件的工作功率或工作电压。
所述步骤(5)中，评估车辆ISD悬架系统性能包括悬架的隔振性能与工作稳定性，稳定性主要考虑机电惯容器的输出力或力矩、机电惯容器的工作电流和电网络元件的工作功率或工作电压均在额定工作范围内。
(1)本实施例选取图2所示的车辆ISD悬架系统结构，其中，ms表示簧载质量，mu表示非簧载质量，Kt表示轮胎的等效弹簧刚度，zr表示路面不平度的垂向位移输入，zu表示非簧载质量的垂向位移，zs表示簧载质量的垂向位移，zb表示机电惯容器装置下端点的垂向位移。K表示悬架支撑弹簧，bm表示机械式惯容器，cm表示机械阻尼器，U表示直线电机产生的端电压，Le表示直线电机的电枢电感，Re表示直线电机的电枢电阻，R1、R2与R3表示外接电路网络中的电阻器，L表示外接电路网络中的电感器，C表示外接电路网络中的电容器。
可以看出，车辆ISD悬架系统中同时包含机械网络元件和电网络元件。机电惯容器是机械网络与电网络之间的力传递装置。悬架系统的动力学方程为：
式中，Fe为电机总成反馈作用于机电惯容器两端点的作用力。
(2)在机电惯容器的结构选型与参数设计时，机电惯容器主要有三种类型：单电机耦合型、平动式惯容器-电机耦合型和旋转式惯容器-电机耦合型。其中，三种不同类型的机电惯容器的机电网络参数耦合匹配关系如表1所示。
表1不同类型的机电惯容器的机电网络参数耦合匹配关系
表1中，C0为电容器，R0为电阻器，L0为电感器，b0为惯容器，c0为阻尼器，k0为弹簧元件。Km为机电惯容器装置的转换系数，P为滚珠丝杠副导程，S1/S2为平动式惯容器运动转换系数，ke为电机的电动势系数，kt为力矩系数或推力系数。
以平动式惯容器-电机耦合型的机电惯容器装置为例，Fe可表示为：
Ze(s)是外端电路的阻抗形式，根据电路元件之间的串并联关系，其表达式为：
本实施例选取的悬架模型参数如表2所示：
表2悬架模型参数
根据表1与表2可得具体的电网络参数如表3所示。
表3电网络参数
机电惯容器结构选型完成后，需进行位移相关性测试，单电机耦合型不需进行位移相关性测试；平动式惯容器-电机耦合型主要进行拉伸位移-响应位移测试；旋转式惯容器-电机耦合型主要进行拉伸位移-响应转角测试。
以平动式惯容器-电机耦合型为例，对液电惯容器进行位移相关性测试主要为拉伸位移-响应位移测试，主要考察的是当主液压缸与副液压缸固定时，给予主液压缸活塞杆位移时，检测此时副液压缸活塞杆的响应位移，其测试结果如图3所示。
当主缸筒与活塞杆产生相对位移为10mm时，副缸筒与活塞杆随即产生的相对位移约为40mm，反向的位移测试结果相同。结果表明，液电惯容器有效发挥了其运动转换关系放大的特性，装置有效可行，满足设计要求。
(3)变参数条件下的车辆ISD悬架动态性能仿真中，当路面输入激励为正弦型路面输入时，变化的参数为激振频率与激振振幅；当路面输入激励为随机型路面输入时，变化的参数为行驶车速与路面不平度系数；当路面输入为凸块脉冲型路面输入时，变化的参数为行驶车速与凸块长度。
以随机型路面输入模型为例，选取行驶车速与路面不平度系数作为变参数。路面模型的表达式为：
式中，u是行驶车速，zr(t)是路面的不平度的垂向输入位移，Gq(n0)是路面不平度系数，w(t)是白噪声信号。仿真中，设定车速的变化范围为：[0,80]km/h，路面粗糙度变化范围为：[0.000016,0.001024]m3，即A级路面至D级路面。
(4)根据悬架系统装置的工作约束条件，确定测试工况参数。
图4是变参数条件下直线电机力幅值变化图，图5是变参数条件下直线电机电流幅值变化图。本实施例中，机电惯容器的最大工作电流为15A，最大推力为1500N。从图中可以看出，在变参数条件下，电机的最大工作电流与最大推力均符合工作设计要求。
图6是变参数条件下电阻R1工作功率变化图，图7是变参数条件下电阻R2工作功率变化图，图8是变参数条件下电阻R3工作功率变化图，图9是变参数条件下电感L工作功率变化图，图10是变参数条件下电容C工作电压变化图。
对于电阻R1与R3来说，在变参数条件下的工作功率均较小，若选取其额定工作功率为200W时，均满足工作条件。而对于电阻R2来说，其工作功率相对较大，若选定其额定工作功率为1.5kW时，可以看出，其最大车速为60km/h或路面等级为D级，即0.001024m3。
对于电感L来说，其工作功率相对较大，若选定其额定工作功率为0.5kW时，可以看出，其最大车速为60km/h或路面等级为D级，即0.001024m3。
对于电容C来说，若选定其额定工作电压为150V时，可以看出，其最大车速为80km/h或路面等级为D级，即0.001024m3。
综上所述，在本实施例选定的工作约束条件下，对应用机电惯容器的车辆ISD悬架测试工况参数选定为：车速为[0,60]km/h，路面不平度系数为[0.000016,0.001024]m3。
(5)进行车辆ISD悬架性能测试，评估试验结果。在上述分析过程中确定的测试工况参数条件下，图11是以40km/h车速行驶在C级路面时直线电机输出力变化图，图12是以40km/h车速行驶在C级路面时直线电机电流变化图，图13是以40km/h车速行驶在C级路面时电阻R1工作功率变化图，图14是以40km/h车速行驶在C级路面时电阻R2工作功率变化图，图15是以40km/h车速行驶在C级路面时电阻R3工作功率变化图，图16是以40km/h车速行驶在C级路面时电感L工作功率变化图，图17是以40km/h车速行驶在C级路面时电容C工作电压变化图。
可以看出，对于电机来说，其最大工作电流小于15A，最大输出力小于1500N。对于电阻来说，电阻R1与R3的工作功率小于额定的200W，电阻R2的工作功率小于额定的3kW。电感L的工作功率小于额定的0.5kW，电容C的工作电压小于额定的150V。
综上可知，应用机电惯容器的车辆ISD悬架在设计的测试工况参数条件下均可工作在有效的条件下，避免出现元件过载导致的损坏，提升系统的工作稳定性。
本发明的核心思想是通过对应用机电惯容器的车辆ISD悬架系统中机电惯容器与电网络元件工作性能的分析，结合额定工作的约束条件，在变参数仿真测试下，确定其力学性能测试的工况参数，避免因元件过载导致的装置损坏，提升应用机电惯容器的车辆ISD悬架系统的工作稳定性。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种应用机电惯容器的车辆ISD悬架参数选型与测试工况设计方法，其特征在于，主要步骤包括：
步骤1)确定应用机电惯容器的车辆ISD悬架具体结构；
步骤2)完成机电惯容器的结构选型与参数设计；
步骤3)变参数条件下的车辆ISD悬架动态性能仿真；
步骤4)根据悬架系统装置的工作约束条件，确定测试工况参数；
步骤5)进行车辆ISD悬架性能测试，评估试验结果。
2.根据权利要求1所述的一种应用机电惯容器的车辆ISD悬架参数选型与测试工况设计方法，其特征在于，所述步骤1)中，应用机电惯容器的车辆ISD悬架同时含有机械网络元件、电网络元件，其中机械网络元件包括弹簧、阻尼器和惯容器，电网络元件包括电阻器、电容器和电感器。
3.根据权利要求1所述的一种应用机电惯容器的车辆ISD悬架参数选型与测试工况设计方法，其特征在于，所述步骤2)中，机电惯容器的结构选型主要有三种：单电机耦合型、平动式惯容器-电机耦合型和旋转式惯容器-电机耦合型；参数设计中主要包括：机电惯容器中运动转换系数、电机电动势系数、电机推力系数或力矩系数，机电惯容器结构选型完成后，需进行位移相关性测试，单电机耦合型不需进行位移相关性测试；平动式惯容器-电机耦合型主要进行拉伸位移-响应位移测试；旋转式惯容器-电机耦合型主要进行拉伸位移-响应转角测试。
4.根据权利要求1所述的一种应用机电惯容器的车辆ISD悬架参数选型与测试工况设计方法，其特征在于，所述步骤3)中，车辆ISD悬架动态性能仿真的变化参数选取为：当路面输入激励为正弦型路面输入时，变化的参数为激振频率与激振振幅；当路面输入激励为随机型路面输入时，变化的参数为行驶车速与路面不平度系数；当路面输入为凸块脉冲型路面输入时，变化的参数为行驶车速与凸块长度。
5.根据权利要求1所述的一种应用机电惯容器的车辆ISD悬架参数选型与测试工况设计方法，其特征在于，所述步骤4)中，悬架系统装置的工作约束条件主要包括：机电惯容器的输出力或力矩、机电惯容器的工作电流和电网络元件的工作功率或工作电压。
6.根据权利要求1所述的一种应用机电惯容器的车辆ISD悬架参数选型与测试工况设计方法，其特征在于，所述步骤5)中，评估车辆ISD悬架系统性能包括悬架的隔振性能与工作稳定性，稳定性主要考虑机电惯容器的输出力或力矩、机电惯容器的工作电流和电网络元件的工作功率或工作电压均在额定工作范围内。
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