CN113468668B - 一种滚珠丝杠式馈能减震器的功率计算方法 - Google Patents

一种滚珠丝杠式馈能减震器的功率计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种滚珠丝杠式馈能减震器的功率计算方法，包括以下步骤，将三维模型转换格式后导入Adams进行虚拟样机多刚体建模，获得模型参数；建立功率键合图模型；根据功率键合图模型，推导出功率键合图模型的状态方程；根据状态方程，建立减震器的数学模型；根据键合图元和方块图单元的对应关系，将键合图模型转换成方块图；根据方块图，在Matlab‑Simulink中建立动态仿真模型；输入以上步骤中获得的模型参数，对动态仿真模型进行仿真分析，得到输出功率曲线；使用本发明实现各个工况下的仿真模拟，仿真速度快。

Description

一种滚珠丝杠式馈能减震器的功率计算方法
技术领域
本发明涉及减震器技术领域，特别是一种滚珠丝杠式馈能减震器的功率计算方法。
背景技术
传统汽车减震器通过地面激励、转弯侧倾等工况消耗汽车的驱动能量，并将上述能量以摩擦或热能等方式耗散至空气中，研究表明，汽车悬架系统震动所耗散的能量占消耗能量的20％左右，加剧了能源危机。滚珠丝杠式馈能减震器能够提供较大阻尼力，同时输出高回收功率，因此适用于重型货车或工程机械等特种车辆。
目前对滚珠丝杠式馈能减震器的研究大多采用以Adams为代表的多刚体建模仿真，多刚体建模仿真是一种机械建模方法，借助三维建模软件建立外形复杂的实体，导入后定义材料属性可自动获得模型参数，多刚体建模仿真使系统结构过于复杂，仿真过程需要处理的阶次过高，仿真分析速度过慢，无法获得系统的数学模型，建模的正确性无从验证。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有的对减震器功率计算中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明的目的是提供一种滚珠丝杠式馈能减震器的功率计算方法，使用本发明能提高模型仿真分析的速度。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种滚珠丝杠式馈能减震器的功率计算方法，其包括以下步骤，
将三维模型转换格式后导入Adams进行虚拟样机多刚体建模，获得模型参数；
建立功率键合图模型；
根据功率键合图模型，推导出功率键合图模型的状态方程；
根据状态方程，建立减震器的数学模型；
根据键合图元和方块图单元的对应关系，将键合图模型转换成方块图；
根据方块图，在Matlab-Simulink中建立动态仿真模型；
输入以上步骤中获得的模型参数，对动态仿真模型进行仿真分析，得到输出功率曲线。
作为本发明所述滚珠丝杠式馈能减震器的功率计算方法的一种优选方案，其中：所述减震器包括固定板，固定板上可转动地连接有传动轴，所述传动轴上螺纹连接有可沿着固定板上下滑动的移动螺母，所述传动轴下方的固定板上固定连接有齿轮箱，所述齿轮箱外端固定连接有馈能电机。
作为本发明所述滚珠丝杠式馈能减震器的功率计算方法的一种优选方案，其中：获得模型参数之前还包括以下步骤，
定义材料属性，添加约束，根据推导得到的驱动力公式加载驱动，得到系统模型。
作为本发明所述滚珠丝杠式馈能减震器的功率计算方法的一种优选方案，其中：作用在螺母上的驱动力为
Figure GDA0003479855870000021
丝杠转矩与电磁转矩的关系为
Tbs＝Tem·n (2)；
联立公式(1)和(2)可得
Figure GDA0003479855870000022
馈能电机的输出轴上的电磁转矩为
Figure GDA0003479855870000023
作用在螺母上的驱动力为
Figure GDA0003479855870000024
其中，l是传动轴(9)导程，Tbs是传动轴(9)转矩，Tem是电磁转矩，n是齿轮箱(2)传动比，f是振动频率，t是时间，Kt是电机的转矩常数，Ke是电机的反电动势常数，Rex是外接电阻，Rin是电机内部负载，ω是发电机输出轴转速，根据WM函数测量获得。
作为本发明所述滚珠丝杠式馈能减震器的功率计算方法的一种优选方案，其中：所述传动轴下方的固定板上连接有连接支架，连接支架上可转动地连接有主动锥齿轮，齿轮箱的输入轴经第二联轴器连接有连接轴，所述连接轴伸进连接支架的一端连接有与主动锥齿轮啮合的从动锥齿轮。
作为本发明所述滚珠丝杠式馈能减震器的功率计算方法的一种优选方案，其中：得到状态方程的方法，具体为，
设定系统的状态变量
X＝[p3 q5 p11 q13 p16]T (6)；
设定系统的输入变量
U＝[Se1 Se17]T (7)；
状态方程为
Figure GDA0003479855870000031
其中，p3是负载的广义动量，p11是传动轴(9)的广义动量，p16是联轴器和锥齿轮的广义动量，q5、q13分别为第5、13键上对应的位移，I3为负载的质量，I11、I16分别为传动轴(9)和锥齿轮的转动惯量，R2、R10、R15分别为负载阻尼系数、传动轴(9)的阻尼系数和联轴器、锥齿轮的阻尼系数，C5、C8、C13分别为负载刚度系数、传动轴(9)的刚度系数和联轴器、锥齿轮刚度系数，m为变换器的模数。
作为本发明所述滚珠丝杠式馈能减震器的功率计算方法的一种优选方案，其中：所述减震器的数学模型为
Figure GDA0003479855870000032
本发明的有益效果：使用驱动力作为减震器的驱动输入，明确驱动力的具体影响因素，更易于调节以适应车辆行驶时的多种不同工况，模拟得到不同工况下驱动力和输出功率之间的关系；实际使用时，馈能电机将电信号传输给车辆的控制端并给车辆的电池供电，车辆的控制端根据接收到的电信号分析出车辆的实时运行工况，方便车辆的驾驶控制，另外根据计算出的输出功率还能用来作为电池充电情况的预测；仿真模拟时，基于功率键合图建模理论，建立动态仿真模型，提取模型参数输入到动态仿真模型，实现两种模型的无缝连接，在提高功率键合图建模效率的基础上，加快模型仿真分析的速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明中减震器的立体结构图。
图2为本发明中减震器的物理模型。
图3为本发明中减震器的功率键合图模型。
图4为本发明中键合图变换成方块图的过程图。
图5为本发明中减震器的方块图。
图6为本发明中减震器的动态仿真模型。
图7为本发明中减震器动态仿真模型仿真得到的输出功率随时间变化的关系图。
其中，1馈能电机，2齿轮箱，3输入轴，4第二联轴器，5从动锥齿轮，6连接轴，7主动锥齿轮，8第一联轴器，9传动轴，10移动螺母，11升降板，12固定板，13滑动导轨，14第二支撑座，15第一支撑座，16中间轴，17第二轴承，18第一轴承，19连接支架。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
参照图1，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种滚珠丝杠式馈能减震器，其包括固定板12，固定板12上可转动地连接有传动轴9，固定板12上固定连接有在高度方向上间隔设置的第一支撑座15和第二支撑座14，传动轴9的上部经第一轴承18可转动地连接在第一支撑座15上，传动轴9的下部经第二轴承17可转动地连接在第二支撑座14上，所述传动轴9上螺纹连接有可沿着固定板12上下滑动的移动螺母10，固定板12上固定有滑动导轨13，移动螺母10上固定连接有升降板11，升降板11可滑动地连接在滑动导轨13上，所述传动轴9下方的固定板12上固定连接有齿轮箱2，所述齿轮箱2外端固定连接有馈能电机1。
进一步的，传动轴9下方的固定板12上连接有连接支架19，连接支架19上可转动地连接有主动锥齿轮7，传动轴9的下部经第一联轴器8连接有中间轴16，主动锥齿轮7连接在中间轴16上，齿轮箱2的输入轴3经第二联轴器4连接有连接轴6，所述连接轴6伸进连接支架19的一端连接有与主动锥齿轮7啮合的从动锥齿轮5。
实施例2
为本发明的第二个实施例，该本实施例提供了一种滚珠丝杠式馈能减震器的功率计算方法，使用该发明验证减震器具有减振性能，可通过加载不同的驱动力模拟出不同工况下馈能电机1的输出功率。
(S1)将三维模型转换格式后导入Adams进行虚拟样机多刚体建模，定义材料属性，添加约束，根据推导得到的驱动力公式加载驱动，得到系统模型，获得模型参数；
(S2)提取三维模型中的关键部件，建立减震器的物理模型，根据减震器的物理模型，建立功率键合图模型；
(S3)根据功率键合图模型，推导出功率键合图模型的状态方程；
(S4)根据状态方程，建立减震器的数学模型；
(S5)根据键合图元和方块图单元的对应关系，将键合图元转化为方块图单元，根据数学模型的运算关系，将方块图单元连接起来，实现键合图模型到方块图的转换；
(S6)根据方块图，在Matlab-Simulink中建立动态仿真模型；
(S7)输入(S1)步骤中获得的模型参数，对动态仿真模型进行仿真分析，得到输出功率曲线。
作用在螺母上的驱动力为
Figure GDA0003479855870000061
丝杠转矩与电磁转矩的关系为
Tbs＝Tem·n (2)；
联立公式(1)和(2)可得
Figure GDA0003479855870000062
馈能电机1的输出轴上的电磁转矩为
Figure GDA0003479855870000063
作用在螺母上的驱动力为
Figure GDA0003479855870000064
其中，l是传动轴(9)导程，Tbs是传动轴(9)转矩，Tem是电磁转矩，n是齿轮箱(2)传动比，f是振动频率，t是时间，Kt是电机的转矩常数，Ke是电机的反电动势常数，Rex是外接电阻，Rin是电机内部负载，ω是发电机输出轴转速，根据WM函数测量获得。
步骤(S3)中，得到状态方程的方法，具体为，
设定系统的状态变量
X＝[p3 q5 p11 q13 p16]T (6)；
设定系统的输入变量
U＝[Se1 Se17]T (7)；
状态方程为
Figure GDA0003479855870000071
其中，p3是负载的广义动量，p11是传动轴(9)的广义动量，p16是联轴器和锥齿轮的广义动量，q5、q13分别为第5、13键上对应的位移，I3为负载的质量，I11、I16分别为传动轴(9)和锥齿轮的转动惯量，R2、R10、R15分别为负载阻尼系数、传动轴(9)的阻尼系数和联轴器、锥齿轮的阻尼系数，C5、C8、C13分别为负载刚度系数、传动轴(9)的刚度系数和联轴器、锥齿轮刚度系数，m为变换器的模数。
步骤(S4)中，减震器的数学模型为：
Figure GDA0003479855870000072
本发明的有益效果：使用驱动力作为减震器的驱动输入，明确驱动力的具体影响因素，更易于调节以适应车辆行驶时的多种不同工况，模拟得到不同工况下驱动力和输出功率之间的关系；实际使用时，馈能电机1将电信号传输给车辆的控制端并给车辆的电池供电，车辆的控制端根据接收到的电信号分析出车辆的实时运行工况，方便车辆的驾驶控制；仿真模拟时，基于功率键合图建模理论，建立动态仿真模型，提取模型参数输入到动态仿真模型，实现两种模型的无缝连接，在提高功率键合图建模效率的基础上，加快模型仿真分析的速度。
实施例3
为本发明的第三个实施例，该实施例与实施例1和实施例2的不同之处在于，针对特定的虚拟样机进行仿真模拟，虚拟样机的仿真参数如表1所示
表1虚拟样机仿真参数
Figure GDA0003479855870000081
在进行虚拟样机多刚体建模时，设置如下：
固定位移振幅为50mm
MOTION＝step(time,0,0,0.5,50)+step(time,0.5,0,1,-50)
作用在螺母上的驱动力：
SFORCE1＝0.075*0.046*WM(.shockabsorber.rotor.cm)/10.5*44*2*pi/5*sin(2*pi*1*time)
由于电磁转矩作为阻力矩与驱动力方向相反，驱动力使螺母上下移动，所以电磁转矩方向随之改变：
电磁转矩方向1：
SFORCE2＝0.075*0.046*WM(.shockabsorber.rotor.cm)/10.5
电磁转矩方向2：
SFORCE3＝-0.075*0.046*WM(.shockabsorber.rotor.cm)/10.5；
其中，MOTION是adams里的运动相关的参数设置，其是为了固定螺母的振幅位移；SFORCE1表示施加的第一个力，SFORCE2为施加的第二个力，SFORCE3表示施加的第三个力，设定的仿真时间为1s，step(time,0,0,0.5,50)表示在0～0.5s内，移动螺母10正方向移动50mm，step(time,0.5,0,1,-50)表示在0.5～1s内，移动螺母10负方向移动50mm，固定移动螺母10的幅值为50mm，WM函数是Adams中的测量函数，用于测量角速度，WM(.shockabsorber.rotor.cm)表示测量仿真模型中减震器的发电机输出轴的角速度。
将减震器的物理模型转换为相应的功率键合图模型之前，处理关键部件的力学特性，具体处理如下：
(1)将作用在移动螺母10上的驱动力为动力源；
(2)由于锥齿轮、联轴器、第一轴承18和第二轴承17的结构和工作状态的复杂性，将其综合起来进行研究，假设物理模型中的锥齿轮、联轴器和轴承都受到轴向、扭转作用，锥齿轮、联轴器、第一轴承18和第二轴承17的扭转阻尼和扭转刚度作用于同一中心点；
(3)滚珠丝杠螺母副用于将平移运动转换为旋转运动，并在工作过程中受到轴向和扭转作用，需要考虑轴向和扭转刚度以及阻尼效应；
(4)对负载采用集中质量处理，考虑负载的拉压刚度和阻尼。
根据减震器物理模型中关键部件的力学特性，可以得到键合图模型中关键元素的力学特性符号，如表2所示，
表2关键部件的力学特性符号
Figure GDA0003479855870000091
参考图3，0为共势结，1为共流结，TF为变换器，Se为势源，R为阻性元件，C为容性元件，I为惯性元件，数字1～17表示第1～17键，将传动轴9和移动螺母10作为变换器。
键合图元和方块图单元的对应关系，如表3所示
表3键合图元和方块图单元的对应关系
Figure GDA0003479855870000101
由键合图绘制方块图可按如下步骤进行：
(1)对每一个0结绘制一个流的加法点，对每一个1结绘制一个势的加法点；
(2)对每一个R、C和I键合图元分别绘制一个方块图单元；
(3)对每一个TF元分别绘制两个方块图单元；
(4)根据0结的等势关系联接相同的势变量，根据1结的等流关系联接相同的流变量。
图4为键合图变换成方块图的过程，图4(a)对每一个0结绘制一个流的加法点，对每一个1结绘制一个势的加法点；图4(b)对每一个R、C和I键合图元分别绘制一个方块图单元；图4(c)对TF绘制两个方块图单元，最后根据0结的等势关系联接相同的势变量和1结的等流关系联接相同的流变量，得到了图5。
MATLAB-Simulink仿真参数如表4所示：
表4 MATLAB-Simulink仿真参数
Figure GDA0003479855870000111
仿真结果如下：
参照图7，减震器输出功率随时间变化的关系图能够表征减震器的输出特性，减震器的输出功率随输出频率的增加而增大，并呈现周期性的变化规律。使用本发明可用于计算减震器的能量回收功率，比如在2.5Hz时的输出功率为12W，可将减震器簧上质量和簧下质量之间的动能转化为电能储存在电池中，为汽车上的用电设备如传感器、照明等提供能量，缓解电动汽车电池续航能力不足的问题，节约能源。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种滚珠丝杠式馈能减震器的功率计算方法，其特征在于：其包括以下步骤，
将三维模型转换格式后导入Adams进行虚拟样机多刚体建模，获得模型参数；
建立功率键合图模型；
根据功率键合图模型，推导出功率键合图模型的状态方程；
根据状态方程，建立减震器的数学模型；
根据键合图元和方块图单元的对应关系，将键合图模型转换成方块图；
根据方块图，在Matlab-Simulink中建立动态仿真模型；
输入以上步骤中获得的模型参数，对动态仿真模型进行仿真分析，得到输出功率曲线；
其中，得到状态方程的方法，具体为，
设定系统的状态变量
X＝[p3 q5 p11 q13 p16]T (6)；
设定系统的输入变量
U＝[Se1 Se17]T (7)；
状态方程为
Figure FDA0003479855860000011
其中，p3是负载的广义动量，p11是传动轴(9)的广义动量，p16是联轴器和锥齿轮的广义动量，q5、q13分别为第5、13键上对应的位移，I3为负载的质量，I11、I16分别为传动轴(9)和锥齿轮的转动惯量，R2、R10、R15分别为负载阻尼系数、传动轴(9)的阻尼系数和联轴器、锥齿轮的阻尼系数，C5、C8、C13分别为负载刚度系数、传动轴(9)的刚度系数和联轴器、锥齿轮刚度系数，m为变换器的模数；
键合图模型转换成方块图的步骤为，
对每一个0结绘制一个流的加法点，对每一个1结绘制一个势的加法点；
对每一个R、C和I键合图元分别绘制一个方块图单元；
对每一个TF元分别绘制两个方块图单元；
根据0结的等势关系联接相同的势变量，根据1结的等流关系联接相同的流变量；
减震器的数学模型为
Figure FDA0003479855860000021
2.如权利要求1所述的滚珠丝杠式馈能减震器的功率计算方法，其特征在于：所述减震器包括固定板(12)，固定板(12)上可转动地连接有传动轴(9)，所述传动轴(9)上螺纹连接有可沿着固定板(12)上下滑动的移动螺母(10)，所述传动轴(9)下方的固定板(12)上固定连接有齿轮箱(2)，所述齿轮箱(2)外端固定连接有馈能电机(1)。
3.如权利要求2所述的滚珠丝杠式馈能减震器的功率计算方法，其特征在于：获得模型参数之前还包括以下步骤，
定义材料属性，添加约束，根据推导得到的驱动力公式加载驱动，得到系统模型。
4.如权利要求3所述的滚珠丝杠式馈能减震器的功率计算方法，其特征在于：作用在螺母上的驱动力为
Figure FDA0003479855860000022
丝杠转矩与电磁转矩的关系为
Tbs＝Tem·n (2)；
联立公式(1)和(2)可得
Figure FDA0003479855860000023
馈能电机(1)的输出轴上的电磁转矩为
Figure FDA0003479855860000024
作用在螺母上的驱动力为
Figure FDA0003479855860000031
其中，l是传动轴(9)导程，Tbs是传动轴(9)转矩，Tem是电磁转矩，n是齿轮箱(2)传动比，f是振动频率，t是时间，Kt 是电机的转矩常数，Ke 是电机的反电动势常数，Rex是外接电阻，Rin是电机内部负载，ω是发电机输出轴转速，根据WM函数测量获得。
5.如权利要求2～4任一项所述的滚珠丝杠式馈能减震器的功率计算方法，其特征在于：所述传动轴(9)下方的固定板(12)上连接有连接支架(19)，连接支架(19)上可转动地连接有主动锥齿轮(7)，齿轮箱(2)的输入轴(3)经第二联轴器连接有连接轴(6)，所述连接轴(6)伸进连接支架(19)的一端连接有与主动锥齿轮(7)啮合的从动锥齿轮(5)。
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