CN108569093B - 一种并联复合式电磁悬挂***及车辆 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种并联复合式电磁悬挂***及车辆。***包括：磁流变阻尼器、电磁动作器和控制器；所述磁流变阻尼器的一端连接所述车体，另一端连接所述车轮；所述电磁动作器的一端连接所述车体，另一端连接所述车轮，所述电磁动作器包含电机，所述电机与所述控制器连接，所述控制器用于控制所述电机的转动。采用本发明的***，可使包含磁流变阻尼器和电磁动作器的并联悬挂***组成主动控制工况、半主动无馈能控制工况、半主动有馈能控制工况和被动馈能工况4种工作状态，增加了悬挂工作模式的多样性和不同路况的适应性。

Description

一种并联复合式电磁悬挂***及车辆

技术领域

本发明涉及车辆控制领域，特别是涉及一种并联复合式电磁悬挂***及车辆。

背景技术

车辆悬挂***用以支撑车体，缓和路面不平度对悬挂产生的冲击和振动，起到隔振的作用。自上世纪80年代开始，悬挂***耗散能量就得到了国内外学者的广泛关注，随着节能概念的提出及新能源技术的推广，如何回收悬挂***振动能量成为了研究的热点。美国环保署针对在美国市场上销售的汽车能量的流向分配问题进行了大量的调查研究，结果显示减振耗散的发动机能量约为17.2％，吉林大学的于长淼等基于CarSim软件的仿真研究表明，当某型四轮驱动的SUV车辆以10m/s的速度行驶于C级路面时，减振器以热能耗散的功率占发动机输出功率的42.3％。随着新能源及全电车辆技术的推广和发展，若能采用能量回收装置将悬挂振动能量进行回收，将可提高车辆的续航能力；与此同时，若能将原被动悬挂换成可控悬挂，亦能提高车辆的乘坐舒适性，改善操纵稳定性，具有重要现实意义。

馈能式电磁悬挂***直接通过电和磁的相互转换实现主动出力和馈能，能量的转换迅速且直接，易于设计和实车应用。直线电机结构简单，可直接出力实现减振及馈能，但出力有限，馈能功率密度不够高；旋转电机功率密度大，结构紧凑、出力大、可靠性好，但需要一套运动转换装置将直线运动转变为旋转运动；齿轮齿条式结构易于设计和安装，传力大且传动精确，因此，本发明采用齿轮齿条式结构。

电磁作动器(Electric Actuator,电磁动作器)是一种可根据电机的工作工况，在主动控制和馈能之间切换的兼具减振及馈能特性的高效执行器。当电机工作于发电机状态时，悬挂受路面不平度激励而往复运动，带动电机转子正反旋转，切割永磁体产生的磁感线，使得电机线圈内产生电流，采用馈能电路及储能装置将该部分机械能转变而成的电能加以回收，就起到了馈能的作用。在此过程中，线圈内的电流会产生一个与电机转子旋转方向相反的安培力，阻碍旋转运动，称之为电磁阻尼力。由馈能电路分析可知，电磁动作器结构参数已定时，该电磁阻尼力的大小主要受外接电阻阻值影响。由于馈能电路本身是下层控制回路，通过改变电磁阻尼力的方式对悬挂进行无源主动控制较为困难。

由于电机自身的特性，低速条件下存在“死区”现象，即当速度低于某个值时，电机并不发电和产生电磁阻尼力。若单独用电磁动作器代替原被动阻尼器，则会使悬挂存在低速条件下的无阻尼状态；同时，当控制回路失效时，电磁动作器也并不产生电磁阻尼力，使得悬挂不具备“失效-安全”特性，不符合减振要求。

磁流变阻尼器(Magneto-rheological Damper,磁流变阻尼器)是一种阻尼力可调的智能阻尼器，通过给阻尼活塞上的线圈加电，改变阻尼缝隙内的磁场强度，从而改变流过阻尼缝隙内的磁流变液(Magneto-rheological Fluid,MRF)的黏度，实现变阻尼的功能；取消加电之后，磁场消失，则MRF又恢复到零磁场状态，磁流变阻尼器恢复到黏滞阻尼力。磁流变阻尼器设计灵活、安装方便、阻尼可调范围大、响应迅速且易于控制，是一种较为理想的阻尼器。

吉林大学的刘松山在对设计的并联结构滚珠丝杠式电磁馈能悬架进行研究时发现，要使电磁悬挂满足阻尼力及馈能要求，需要匹配较大功率的电机，但会增加尺寸和成本，且惯量的增大对悬挂不利。将电磁作动器与阻尼可调的减振器进行复合式设计，可以通过设计相应的能量管理策略改善减振及馈能的矛盾。重庆大学的王艳阳设计了一种内置磁流变阻尼器，外置直线电机式的复合式电磁作动器结构，这种结构体积较大，复合式设计结构复杂，且外置的直线电机在馈能发电过程中产生的磁场会对内部的磁流变阻尼器工作产生影响。此外，受限于直线电机较高的漏磁率和较低的发电效率，实际馈能功率一般仅为几瓦，难以满足对较高馈能性能的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种并联复合式电磁悬挂***及车辆，从而解决了减震和馈能的矛盾性，增加了悬挂工作模式的多样性和不同路况的适应性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种并联复合式电磁悬挂***，所述***包括：磁流变阻尼器、电磁动作器和控制器；

所述磁流变阻尼器的一端连接所述车体，另一端连接所述车轮；

所述电磁动作器的一端连接所述车体，另一端连接所述车轮，所述电磁动作器包含电机，所述电机与所述控制器连接，所述控制器用于控制所述电机的转动。

可选的，所述***还包括：供电设备，所述供电设备分别连接所述磁流变阻尼器和所述电磁动作器，所述供电设备用于对所述磁流变阻尼器和所述电磁动作器供电。

可选的，所述***还包括：磁流变阻尼器供电线，所述磁流变阻尼器供电线的两端分别连接所述磁流变阻尼器和所述供电设备。

可选的，所述磁流变阻尼器包括：第一上吊耳、保护罩、钢筒、活塞组件和第一下吊耳，所述第一上吊耳一侧设置小孔，所述保护罩与所述第一上吊耳通过螺纹连接，所述保护罩用于防止灰尘进入所述磁流变阻尼器；所述活塞组件与所述第一上吊耳固定连接；所述钢筒与所述活塞组件固定连接，所述钢筒用于为所述活塞组件提供封闭空间；所述第一下吊耳分别与所述钢筒和车轮连接。

可选的，所述活塞组件包括：活塞杆、密封端盖、导向活塞、阻尼活塞、线圈、环形密封圈、上工作腔、下工作腔、浮动活塞、补偿气室腔和充气阀，所述活塞杆与所述上吊耳连接，所述活塞杆与所述密封端盖连接，所述密封端盖与钢筒固定连接，所述导向活塞与所述活塞杆通过螺纹连接，所述导向活塞通过所述两道环形密封圈与所述钢筒密封；所述活塞杆与所述阻尼活塞螺纹连接，所述线圈绕制在所述阻尼活塞上，并穿过所述阻尼活塞的走线孔，再穿过所述活塞杆内部通孔后穿出，与供电设备连接；所述上工作腔和所述下工作腔分别位于所述导向活塞的上下两侧，所述上工作腔和所述下工作腔内充满磁流变液，所述磁流变液用于提供磁场强度；所述浮动活塞位于所述下工作腔室的下端，所述补偿气室腔位于所述浮动活塞的下端，所述补偿气室腔内充满氮气，氮气通过所述充气阀充进补偿气室腔内。

可选的，所述导向活塞上端开设有第一磁流变液流通孔，所述第一磁流变液流通孔的直径为3mm；所述导向活塞下端开设有第二磁流变液流通孔，所述第二磁流变液流通孔的直径为10mm。

可选的，所述***还包括：电磁动作器供电线，所述电磁动作器供电线包括控制信号线和电磁动作器馈电线，所述控制信号线的两端分别连接所述电磁动作器和所述控制器，所述电磁动作器馈电线的两端分别连接所述电磁动作器和所述供电设备。

可选的，所述电磁动作器包括：第二上吊耳、齿轮组件、钢筒、电机和第二下吊耳，所述第二上吊耳与所述车体连接，所述齿轮组件的上端与所述上吊耳连接，所述齿轮组件的下端与所述钢筒连接，所述电机位于所述齿轮组件的一侧，所述电机与所述齿轮组件连接，所述第二下吊耳的两端分别与钢筒和所述车轮连接。

可选的，所述电机包括旋转伺服电机和行星减速电机，所述行星减速电机的一端连接所述齿轮组件，另一端连接所述旋转伺服电机，所述旋转伺服电机和所述行星减速电机通过花键固定连接。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种并联复合式电磁悬挂车辆，所述车辆包含权利要求1-9任意一项所述的并联复合式电磁悬挂***。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开的并联复合式电磁悬挂***包括：磁流变阻尼器、电磁动作器和控制器；所述磁流变阻尼器的一端连接所述车体，另一端连接所述车轮；所述电磁动作器的一端连接所述车体，另一端连接所述车轮，所述电磁动作器包含电机，所述电机与所述控制器连接，所述控制器用于控制所述电机的转动。由于所述电磁动作器工作于主动出力、馈能和无控制3种状态，所述磁流变阻尼器可工作于被动阻尼和半主动控制两种状态，因此磁流变阻尼器和电磁动作器这两种元件组成的并联悬挂***可组成主动控制工况、半主动无馈能控制工况、半主动有馈能控制工况和被动馈能工况4种工作状态，增加了悬挂工作模式的多样性和不同路况的适应性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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他的附图。

图1为本发明实施例并联复合式电磁悬挂***结构图；

图2为本发明实施例磁流变阻尼器结构示意图；

图3为本发明实施例电磁动作器结构示意图；

图4为本发明实施例电磁动作器摩擦力-位移特性图；

图5为本发明实施例电磁动作器摩擦力-速度特性图；

图6为本发明实施例电磁动作器电磁阻尼力-速度特性图；

图7为本发明实施例电磁动作器电磁阻尼系数-速度特性图；

图8为本发明实施例电磁动作器主动出力特性图；

图9为本发明实施例电磁动作器感应电动势与悬挂相对速度的关系图；

图10为本发明实施例磁流变阻尼器阻尼力—位移特性图；

图11为本发明实施例磁流变阻尼器阻尼力—速度特性图；

图12为本发明实施例磁流变阻尼器实物图；

图13为本发明实施例电磁动作器实物图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种并联复合式电磁悬挂***及车辆，从而解决了减震和馈能的矛盾性，增加了悬挂工作模式的多样性和不同路况的适应性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例并联复合式电磁悬挂***结构图。如图1所示，一种并联复合式电磁悬挂***，所述***包括：磁流变阻尼器1、电磁动作器2和控制器3；

所述磁流变阻尼器1的一端连接所述车体4，另一端连接所述车轮5；

所述电磁动作器2的一端连接所述车体4，另一端连接所述车轮5，所述电磁动作器2包含电机6，所述电机6与所述控制器3连接，所述控制器3用于控制所述电机6的转动。

所述***还包括：供电设备7，所述供电设备分别连接所述磁流变阻尼器和所述电磁动作器，所述供电设备用于对所述磁流变阻尼器和所述电磁动作器供电。

所述***还包括：磁流变阻尼器供电线8，所述磁流变阻尼器供电线的两端分别连接所述磁流变阻尼器和所述供电设备。

图2为本发明实施例磁流变阻尼器结构示意图。如图2所示，所述磁流变阻尼器1包括：第一上吊耳11、保护罩12、钢筒13、活塞组件14和第一下吊耳15，所述第一上吊11耳一侧设置小孔，所述保护罩12与所述第一上吊耳11通过螺纹连接，所述保护罩12用于防止灰尘进入所述磁流变阻尼器1；所述活塞组件14与所述第一上吊耳11固定连接；所述钢筒13与所述活塞组件14固定连接，所述钢筒11用于为所述活塞组件14提供封闭空间；所述第一下吊耳15分别与所述钢筒13和车轮5连接。

所述活塞组件包括：活塞杆、密封端盖、导向活塞、阻尼活塞、线圈、环形密封圈、上工作腔、下工作腔、浮动活塞、补偿气室腔和充气阀，所述活塞杆与所述上吊耳连接，所述活塞杆与所述密封端盖连接，所述密封端盖与钢筒固定连接，所述导向活塞与所述活塞杆通过螺纹连接，所述导向活塞通过所述两道环形密封圈与所述钢筒密封；所述活塞杆与所述阻尼活塞螺纹连接，所述线圈绕制在所述阻尼活塞上，并穿过所述阻尼活塞的走线孔，再穿过所述活塞杆内部通孔后穿出，与供电设备连接；所述上工作腔和所述下工作腔分别位于所述导向活塞的上下两侧，所述上工作腔和所述下工作腔内充满磁流变液，所述磁流变液用于提供磁场强度；所述浮动活塞位于所述下工作腔室的下端，所述补偿气室腔位于所述浮动活塞的下端，所述补偿气室腔内充满氮气，氮气通过所述充气阀充进补偿气室腔内。

所述导向活塞上端开设有第一磁流变液流通孔，所述第一磁流变液流通孔的直径为3mm；所述导向活塞下端开设有第二磁流变液流通孔，所述第二磁流变液流通孔的直径为10mm。

所述***还包括：电磁动作器供电线，所述电磁动作器供电线包括控制信号线9和电磁动作器馈电线10，所述控制信号线9的两端分别连接所述电磁动作器2和所述控制器3，所述电磁动作器馈电线10的两端分别连接所述电磁动作器2和所述供电设备7。

图3为本发明实施例电磁动作器结构示意图。如图3所示，所述电磁动作器包括2：第二上吊耳21、齿轮组件22、钢筒23、电机6和第二下吊耳24，所述第二上吊耳21与所述车体4连接，所述齿轮组件23的上端与所述第二上吊耳21连接，所述齿轮组件22的下端与所述钢筒23连接，所述电机6位于所述齿轮组件22的一侧，所述电机6与所述齿轮组件22连接，所述第二下吊耳24的两端分别与钢筒23和所述车轮5连接。

所述电机包括旋转伺服电机和行星减速电机，所述行星减速电机的一端连接所述齿轮组件，另一端连接所述旋转伺服电机，所述旋转伺服电机和所述行星减速电机通过花键固定连接。

由于所述电磁动作器工作于主动出力、馈能和无控制3种状态，所述磁流变阻尼器可工作于被动阻尼和半主动控制两种状态，因此磁流变阻尼器和电磁动作器这两种元件组成的并联悬挂***可组成主动控制工况、半主动无馈能控制工况、半主动有馈能控制工况和被动馈能工况4种工作状态，增加了悬挂工作模式的多样性和不同路况的适应性。并联悬挂***(PCES)的切换控制策略如表1所示。表中的

及RMS_f_d均为一段时间t_gap内统计的均方根值，其中

为实际车身垂直加速度，

为车身垂直加速度设定值，RMSf_d为实际悬挂动行程，[f_d]为悬挂动行程设定值，根据判定逻辑的结果，满足车身垂直加速度和悬挂动行程两个条件后，切换到相应的并联悬挂***(PCES)工作模式，决定电磁动作器(EA)工作于主动控制或馈能模式，磁流变阻尼器(MRD)工作于零磁场模式或变阻尼模式。

表1切换控制策略

多模式切换控制过程采用逻辑判定方式，通关对

和f_d两个指标与各自阈值之间的大小关系的判定，决定***工作于哪种模式。模式切换规则为：

1)被动馈能(PER)模式

当

且RMS_f_d≤[f_d]时，

和f_d的值均未超过阈值，认为此时乘坐舒适性较好，且悬挂撞击限位块的概率较小，则切换至PER模式，无需减振，***处于完全馈能状态。

2)半主动馈能(SER)模式

当

且RMS_f_d＞[f_d]时，

的值未超过阈值，但f_d的值超过了阈值，认为此时乘坐舒适性较好，但悬挂撞击限位块的概率变大。为提高行驶安全性，***切换至SER模式。***处于半主动控制+馈能状态，半主动控制以降低f_d，而馈能仍可进行能量回收。

3)半主动无馈能(SC)模式

当

且RMS_f_d≤[f_d]时，

的值超过了阈值，但f_d的值未超过阈值，认为此时乘坐舒适性较差，需要进行减振控制。由于悬挂撞击限位块的概率较小，因此只需进行半主动控制即可，不再进行馈能，***切换至SC模式。

4)主动控制(AC)模式

当

且RMS_f_d＞[f_d]时，

及f_d均超过了阈值，认为此时乘坐舒适性较差，需要进行减振控制。由于悬挂撞击限位块的概率也较大，需进行主动控制，***切换至AC模式。

在多模式切换控制策略的设计中，t_gap的取值决定了多长时间执行一次切换控制判断，若取值较小，切换过于频繁，对控制***和执行器的寿命产生影响；若取值过大，切换需要很长时间才能判定一次，又无法达到有效的切换控制效果。唐诗晨在对阻尼器阻尼多模式切换控制过程中，设计的时间参考值为2s，由于阻尼器为半主动控制装置，阻尼的切换无需太大调整，因此可以在较短时间内执行多次切换，亦不会影响***性能，2s的切换时间参考值可满足设计需求。对直线电机与可调阻尼器的复合悬挂设计的多模式切换控制器，根据经验给出的时间为5s，0～5s时间区间进行一次计算。越短的时间区间，对凸块及凹坑等路况突发情形的滤波性能越差，但时间区间过长，数据又会过于平滑，无法体现当前路面的真实情形，且需要处理的数据量大幅增加，影响***响应速度。综合考虑了上述因素，本发明对统计时间区间设为10s，切换判断完成后确定切换到下一个工作状态。

考虑以下情形，假如前一时刻PCES工作于SC模式，由于SC的存在，舒适性指标得到了提高，

下降。下一时刻因为舒适性指标得到改善，切换控制器判定可适当降低对舒适性的要求，而切换至PER或SER模式，但实际上仍处于需要SC的控制模式下，那么此时从SC模式切换至PER或SER便是不对的。该问题会导致***判定出现错误，导致***的紊乱。

若数据采集频率为f，则t_gap区间内的数据个数为N＝f*t_gap，每隔t_gap时间段计算一次

及f_d的均方根值，并进行一次切换控制判断。若仅以时间间隔t_gap作为切换控制的依据，则控制器在计算的结果可能会在几个工作模式之间来回跳跃，不利于***的稳定。基于此，控制器计算出

及RMS_f_d，分别与对应阈值进行比较之后，初次计算结果会使得到的一个切换控制模式进入预备切换状态，而后在后一个t_gap时间段内再进行下一次切换判断，若连续m次判定结果为同一结果，则在第m次之后执行切换，否则不切换，若m次之内有不同的结果，则重新从不同的那一次计数，直到满足切换条件，这样可以增加切换控制***的稳定性。

利用该并联电磁悬挂***取代原被动减振器，在设计过程中应当满足以下需求：

a)基础阻尼力要求。原被动减振器的阻尼系数1600N.s/m，根据对悬挂的半主动控制仿真可知，基础阻尼值越小，可调阻尼值越大，则在控制过程中可以获得的控制效果越好。因此，需要该并联电磁悬挂***具备的基础阻尼值越小越好。并联电磁悬挂***的基础阻尼力主要包括磁流变阻尼器的黏滞阻尼力和电磁动作器的机械摩擦阻尼力两部分，由于考虑到主动、半主动及馈能等多种工作工况，复合式结构的半主动或主动控制性能比单独的半主动或主动执行器的控制性能稍差，为满足一定的控制性能，对基础阻尼的要求不大于原被动阻尼的60％，即约960N.s/m。该基础阻尼值基本可满足***失效情况下，悬挂对于阻尼的需求，使***具备“失效-安全”特性。

b)磁流变阻尼器阻尼可调能力需求。要保证磁流变阻尼器可有效执行半主动控制，应当使其最大阻尼系数与原被动阻尼值的差值，不小于被动阻尼与基础阻尼的差值，即被动阻尼1600N.s/m，若基础阻尼960N.s/N，则最大阻尼不小于2240N.s/m，假设电磁动作器的机械摩擦阻尼值为480N.s/m，则磁流变阻尼器最大阻尼值应不小于1760N.s/m。

c)主动出力需求。主动出力由电磁动作器提供，消耗控制能量，主要是针对需要较好的车辆行驶平顺性的场合。参照美军“枪骑兵”战车对主动悬挂作动器的设计要求，作动器最大出力为车重的0.9倍，额定出力为车重的0.3倍。要匹配上述主动出力需求，需要较大的电机功率，专利ZL201621110157.0“一种基于齿轮齿条结构的主动式电磁作动器”中提出对于普通4轮车，电机功率需要约1000W。本发明中的并联电磁悬挂***由于具有电磁动作器和磁流变阻尼器两种装置，通过设计控制策略可使阻尼辅助主动控制，从而减小了对纯主动控制力的需求。因此，对主动控制力的需求在“枪骑兵”设计要求的的基础上，缩减为主动出力的60％。

阻尼活塞采用导磁性较好的DT4电工纯铁，导向活塞、活塞杆及钢筒采用兼具强度和一定导磁性能的45#钢，绕线采用铜质漆包线，绕线外部采用环氧树脂密封。磁流变阻尼器部分关键部件尺寸如表2所示。

表2磁流变阻尼器部分关键部件尺寸

磁流变阻尼器与电磁动作器并联，磁流变阻尼器的控制分为有控制和无控制状态，对磁流变阻尼器无控制状态下，磁流变阻尼器保留零磁场的黏滞阻尼力。有控制状态时，悬挂往复运动带动磁流变阻尼器的活塞杆与钢筒产生直线往复相对运动，如果通过电线给线圈供电，在导向活塞与阻尼活塞之间的阻尼缝隙内的磁场强度，则会改变MRF的黏度，从而改变磁流变阻尼器阻尼力，起到衰减悬挂振动的目的，实现磁流变阻尼器半主动控制。

磁流变阻尼器阻尼力工作形式有剪切式、阀式和剪切阀式3种，该磁流变阻尼器的内外置式活塞结构使磁流变液(Magneto-rheological Fluid,MRF)在活塞两端压差的作用下仅为流动模式，因此磁流变阻尼器阻尼力工作于阀式。磁流变阻尼器阻尼力包括黏滞阻尼力和库仑阻尼力，阻尼力表达式为

式中：F_d为总阻尼力，单位N；F₀为黏滞阻尼力，单位N；F_f为库仑阻尼力，单位N；η为MRF零场粘度，单位Pa.s；L为有效阻尼缝隙长度，单位mm；A_p为活塞面积，单位mm²；h为阻尼缝隙宽度，单位mm；D为活塞外径，单位mm；d为活塞杆直径，单位mm；τ_y为MRF剪切屈服强度，单位kN/mm²；v为悬挂相对运动速度，单位m/s。

电机采用MOTEC公司生产的HLM-9607H06LN型直流旋转伺服电机，该电机具有体积小、能量密度大且易于控制等优点，满足电磁动作器对电机的选型需求。行星减速机采用与电机配合的MOTEC-APE60-16型减速机，该型减速机具有传递力矩大及、结构紧凑且易于维护等优点，通过减速比配比，满足对行星减速机的要求。电磁动作器关键部件尺寸如表3所示。

表3电磁动作器关键部件尺寸

车辆行驶过程中受到路面不平度激励，悬挂产生往复运动，一方面带动电磁动作器的齿条与钢筒之间产生直线往复相对运动，齿条带动齿轮产生往复旋转运动，齿轮通过齿轮轴带动行星减速机的轴转动，行星减速机通过内部的行星运动，带动旋转伺服电机的转轴转动，通过转子转动切割永磁体产生的磁场内的磁感线实现发电馈能，与此同时，发电产生的电磁阻尼力通过相反的路径作用于悬挂，起到一定的减振作用，这种工作方式称之为电磁动作器的无源主动控制。当电机作主动控制时，力矩及运动传递方向与馈能方向相反，主动控制时消耗能量。悬挂振动信号通过传感器检测，数据采集仪之后给到控制器，通过主动控制算法判断主动出力的大小和出力的时机，通过给电机线圈供电，电机产生的转矩，经过行星减速机放大转矩，齿轮齿条将旋转运动变成悬挂直线运动，起到主动控制减振的作用。

不计传递效率，电机与悬挂***之间的运动转换公式可表示为

式中，F为齿条往复运动输出力，单位N；T为齿轮扭矩，单位Nm；n为电机转速，单位r/min；i为减速机构传动比；R_g为齿轮分度圆半径，单位m；v_s为悬挂相对速度，单位m/s。

当电机作电动机主动出力时，设主动力为F_an，则

式中，I为供电电流，单位A；K_t为电机转矩常数，单位N.m/A。

电机工作于馈能模式时，根据法拉第电磁感应原理，电机发电过程中会产生阻碍电机运动的安培力，称之为电磁阻尼力。电磁阻尼力用F_em表示，可表示为电磁阻尼系数c_em与v_s的乘积，即

F_em＝c_emv_s (3)

电机感应电动势E为

由于电感较小，不考虑电感的影响，由基尔霍夫定律知

E＝I(R_in+R_out) (5)

式中：E为电机感应电动势，单位V；R_in为电机内阻，单位Ω；L为电机线圈电感，单位H；R_out为负载可变电阻，单位Ω；I为回路电流，单位A。

根据能量守恒定律，电磁阻尼力和电机的主动出力是等效的，即F_an＝F_em。联立式(1)-(5)可得电磁阻尼系数为

当电磁动作器参数确定时，c_em仅受外接电阻值R_out的影响，且与之成反比例关系，之后调节c_em均以调节R_out的来实现。

对设计的电磁动作器和磁流变阻尼器进行加工后，分别进行特性试验，验证是否满足设计需求。其中，电磁动作器主要进行机械摩擦特性、电磁阻尼特性、主动出力特性及反馈电压特性等4组试验，磁流变阻尼器主要进行阻尼力-位移示功特性试验。

1)电磁动作器

a)机械摩擦特性

电磁动作器基础阻力分为摩擦力F_m和惯性力F_i，其中，摩擦力主要是行星减速机和电机产生的，而惯性力主要是电机转子通过行星减速机传动比放大之后的等效惯性质量产生的。取悬挂相对位移50mm，相对速度0.05m/s、0.1m/s、0.2m/s、0.3m/s、0.4m/s和0.5m/s，图4为本发明实施例电磁动作器摩擦力-位移特性图。图5为本发明实施例电磁动作器摩擦力-速度特性图。由图4和图5可知：

0.05m/s相对速度稳态条件下，正向和负向最大基础阻力分别为165N和135N，估算时取平均值约150N；最大速度0.5m/s条件下，基础阻力约为255N，此时对应的摩擦阻尼系数510N.s/m，满足对摩擦力及基础阻尼系数限制的要求。

b)电磁阻尼特性

参数已定的情况下，c_em与R_out有关，F_em与R_out及v_s有关。R_out分别取10_Ω、20_Ω、40_Ω、60_Ω、80_Ω及100_Ω，v_s取0.03m/s、0.05m/s、0.1m/s、0.2m/s、0.3m/s、0.4m/s和0.5m/s，图6为本发明实施例电磁动作器电磁阻尼力-速度特性图。图7为本发明实施例电磁动作器电磁阻尼系数-速度特性图。由图6和图7可知：

随着速度的增加，电磁阻尼力逐渐增大，在0.1-0.4m/s速度区间内基本呈线性增加趋势，此阶段为恒阻尼区。在0.4-0.5m/s区间的某个点会达到额定功率，之后随着速度的增加，阻尼力值恒定，进入恒功率区。R_out增加，而F_em逐渐减小，成反比例关系，随着外接电阻值的增加，F_em成反比例减小，与理论分析结果一致；实际最大F_em约1100N，与理论值相近，对应阻尼系数最大约3000Ns/m，满足减振对阻尼的要求。

c)主动出力特性

分别给电磁动作器加载电流为±0.2A、±0.5A、±1A、±2A、±3A、±4A、±5A、±6A和±7A，将试验值与理论值比较，得到电磁动作器在不同电流下的主动出力特性，图8为本发明实施例电磁动作器主动出力特性图。

电流为正时，对应拉伸状态，电流为负时，对应压缩状态。由图8可得如下结论：

1)试验值比理论值稍小，原因为静摩擦力对试验结果产生影响。试验值与理论值基本吻合，呈线性分布，且拉伸和压缩时具有对称特性；

2)电流在±5A以前试验值与理论值较吻合，之后比理论值稍低，表明在接近额定功率阶段，电机的持续恒定主动出力特性略微下降，功率饱和。实际控制过程中不建议电流加载到±5A以上，一是保护电机不过载，二是提高主动力效率；

3)电机电流3A时，主动出力约为444N，电流7A时，主动出力约1000N。式(3)计算得主动力与电流的关系为F_ac＝160.4I，试验值拟合关系得F_ac＝152.6I。由于摩擦及机械加工精度等因素的影响，比理论值略小，考虑误差的条件下，可基本满足控制主动控制需求。

d)反馈电压特性

取悬挂相对运动速度0.05m/s、0.1m/s、0.2m/s、0.3m/s、0.4m/s及0.5m/s，采用示波器测试反馈电压值的变化，并存储于控制上位机，图9为本发明实施例电磁动作器感应电动势与悬挂相对速度的关系图。

理论计算得感应电动势E与v_s的关系为E＝167.1v_s，试验值拟合得两者关系为E＝154.2v_s，可得反电动势常数为28.7632V/krpm，略小于理论值，但可满足馈能需求。

2)磁流变阻尼器

取悬挂相对运动速度0.52m/s，振幅25mm，正弦激励条件下，加载电流分别为0A、0.1A、0.25A、0.5A、1A、1.5A及2A，得到磁流变阻尼器示功图及阻尼力—速度特性曲线，图10为本发明实施例磁流变阻尼器阻尼力—位移特性图。图11为本发明实施例磁流变阻尼器阻尼力—速度特性图。

电流为0时，最大阻尼力250N，电流2A时，最大阻尼力1400N，因此可计算得磁流变阻尼器的黏滞阻尼系数为480.77N.s/m，可调库仑阻尼系数为2211.5N.s/m，则该磁流变阻尼器的阻尼可调倍数为5.6，具备较好的阻尼可调性能，可满足并联电磁悬挂***对零电流下的低阻尼，以及对加载电流条件下的高阻尼减振需求。

现有的馈能悬挂***包括：直线电机式***，齿轮齿条式***、滚珠丝杠式***、行星齿轮式***和液压传动式***，其优缺点对比如表4所示：

表4馈能悬挂优缺点对比

本发明提出的电磁动作器与磁流变阻尼器并联结构，可利用电磁动作器和磁流变阻尼器各自的工作特性，多种实现不同工况的组合，且能通过协调减振和馈能的关系，达到振动控制和能量回收的双重目的。通过设计多模式切换控制方法，可实现并联电磁悬挂***在不同路面及工况下执行不同的控制策略，增强了对行驶工况和需求的自适应性。概括起来，具备的优点如下：

1)相比于纯电磁悬挂，该结构可解决单独的电磁动作器工作于馈能工况时，在低速及控制失效状态下的阻尼不足特性，当***失效时，仍可利用磁流变阻尼器的黏滞阻尼充当被动阻尼器继续工作，使悬挂具备“失效-安全”特性，具备较好的可靠性；

2)相比于液压式馈能悬挂，该结构无液压管路，不存在液压式结构存在的油液泄露等问题，且安装体积比液压式结构小，易于保养维护；

3)利用该并联电磁悬挂***进行减振，可提高车辆乘坐舒适性、行驶平顺性及操纵稳定性等性能；利用其进行馈能，可回收悬挂振动能量，起到节能的作用的同时，提高车载电池的续航能力，减小车辆对于电能的依赖，满足一定的激励、行驶工况及控制条件，***可实现自供能；

4)该并联电磁悬挂***结构增加了悬挂工况的选择范围，对不同的路况和需求具有更宽泛的适应性。通过设计并联电磁悬挂***多模式切换控制方法，可根据对振动控制或馈能等不同需求选择侧重于振动控制或者馈能，以满足不同行驶工况和驾乘需求；

5)多模式切换控制方法可满足不同路况和行驶工况下对并联电磁悬挂***减振和馈能性能的需求，磁流变阻尼器和电磁动作器独立工作，避免了复合式一体化结构带来的电磁互扰，提高了控制和***的稳定性。

图12为本发明实施例磁流变阻尼器实物图。图13为本发明实施例电磁动作器实物图。

一种并联复合式电磁悬挂车辆，所述车辆包含并联复合式电磁悬挂***。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种并联复合式电磁悬挂***，其特征在于，所述***包括：磁流变阻尼器、电磁动作器和控制器；

所述磁流变阻尼器的一端连接车体，另一端连接车轮；

所述电磁动作器的一端连接所述车体，另一端连接所述车轮，所述电磁动作器包含电机，所述电机与所述控制器连接，所述控制器用于控制所述电机的转动；

所述磁流变阻尼器包括：第一上吊耳、保护罩、钢筒、活塞组件和第一下吊耳，所述第一上吊耳一侧设置小孔，所述保护罩与所述第一上吊耳通过螺纹连接，所述保护罩用于防止灰尘进入所述磁流变阻尼器；所述活塞组件与所述第一上吊耳固定连接；所述钢筒与所述活塞组件固定连接，所述钢筒用于为所述活塞组件提供封闭空间；所述第一下吊耳分别与所述钢筒和车轮连接；所述活塞组件包括：活塞杆、密封端盖、导向活塞、阻尼活塞、线圈、环形密封圈、上工作腔、下工作腔、浮动活塞、补偿气室腔和充气阀，所述活塞杆与所述上吊耳连接，所述活塞杆与所述密封端盖连接，所述密封端盖与钢筒固定连接，所述导向活塞与所述活塞杆通过螺纹连接，所述导向活塞通过两道所述环形密封圈与所述钢筒密封；所述活塞杆与所述阻尼活塞螺纹连接，所述线圈绕制在所述阻尼活塞上，并穿过所述阻尼活塞的走线孔，再穿过所述活塞杆内部通孔后穿出，与供电设备连接；所述上工作腔和所述下工作腔分别位于所述导向活塞的上下两侧，所述上工作腔和所述下工作腔内充满磁流变液，所述磁流变液用于提供磁场强度；所述浮动活塞位于所述下工作腔室的下端，所述补偿气室腔位于所述浮动活塞的下端，所述补偿气室腔内充满氮气，氮气通过所述充气阀充进补偿气室腔内；

所述电磁动作器包括：第二上吊耳、齿轮组件、钢筒、电机和第二下吊耳，所述第二上吊耳与所述车体连接，所述齿轮组件的上端与所述上吊耳连接，所述齿轮组件的下端与所述钢筒连接，所述电机位于所述齿轮组件的一侧，所述电机与所述齿轮组件连接，所述第二下吊耳的两端分别与钢筒和所述车轮连接；

所述电磁动作器工作于主动出力、馈能和无控制3种状态，所述磁流变阻尼器可工作于被动阻尼和半主动控制两种状态，因此磁流变阻尼器和电磁动作器这两种元件组成的并联悬挂***可组成主动控制工况、半主动无馈能控制工况、半主动有馈能控制工况和被动馈能工况4种工作状态，增加了悬挂工作模式的多样性和不同路况的适应性，并联悬挂***的切换控制策略为：

1)被动馈能(PER)模式

当

且RMS_f_d≤[f_d]时，

和f_d的值均未超过阈值，认为此时乘坐舒适性较好，且悬挂撞击限位块的概率较小，则切换至PER模式，无需减振，***处于完全馈能状态；

2)半主动馈能(SER)模式

当

且RMS_f_d＞[f_d]时，

的值未超过阈值，但f_d的值超过了阈值，认为此时乘坐舒适性较好，但悬挂撞击限位块的概率变大；为提高行驶安全性，***切换至SER模式；***处于半主动控制+馈能状态，半主动控制以降低f_d，而馈能仍可进行能量回收；

3)半主动无馈能(SC)模式

当

且RMS_f_d≤[f_d]时，

的值超过了阈值，但f_d的值未超过阈值，认为此时乘坐舒适性较差，需要进行减振控制；由于悬挂撞击限位块的概率较小，因此只需进行半主动控制即可，不再进行馈能，***切换至SC模式；

4)主动控制(AC)模式

当

且RMS_f_d＞[f_d]时，

及f_d均超过了阈值，认为此时乘坐舒适性较差，需要进行减振控制；由于悬挂撞击限位块的概率也较大，需进行主动控制，***切换至AC模式；

及RMS_f_d均为一段时间t_gap内统计的均方根值，其中

为实际车身垂直加速度，

为车身垂直加速度设定值，RMSf_d为实际悬挂动行程，[f_d]为悬挂动行程设定值，根据判定逻辑的结果，满足车身垂直加速度和悬挂动行程两个条件后，切换到相应的并联悬挂***(PCES)工作模式，决定电磁动作器(EA)工作于主动控制或馈能模式，磁流变阻尼器(MRD)工作于零磁场模式或变阻尼模式。

2.根据权利要求1所述的并联复合式电磁悬挂***，其特征在于，所述***还包括：供电设备，所述供电设备分别连接所述磁流变阻尼器和所述电磁动作器，所述供电设备用于对所述磁流变阻尼器和所述电磁动作器供电。

3.根据权利要求2所述的并联复合式电磁悬挂***，其特征在于，所述***还包括：磁流变阻尼器供电线，所述磁流变阻尼器供电线的两端分别连接所述磁流变阻尼器和所述供电设备。

4.根据权利要求1所述的并联复合式电磁悬挂***，其特征在于，所述导向活塞上端开设有第一磁流变液流通孔，所述第一磁流变液流通孔的直径为3mm；所述导向活塞下端开设有第二磁流变液流通孔，所述第二磁流变液流通孔的直径为10mm。

5.根据权利要求1所述的并联复合式电磁悬挂***，其特征在于，所述***还包括：电磁动作器供电线，所述电磁动作器供电线包括控制信号线和电磁动作器馈电线，所述控制信号线的两端分别连接所述电磁动作器和所述控制器，所述电磁动作器馈电线的两端分别连接所述电磁动作器和所述供电设备。

6.根据权利要求5所述的并联复合式电磁悬挂***，其特征在于，所述电机包括旋转伺服电机和行星减速机，所述行星减速机的一端连接所述齿轮组件，另一端连接所述旋转伺服电机，所述旋转伺服电机和所述行星减速电机通过花键固定连接。

7.一种并联复合式电磁悬挂车辆，所述车辆包含权利要求1-6任意一项所述的并联复合式电磁悬挂***。

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