CN113536616B - 一种电磁直线馈能悬架的设计优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电磁直线馈能悬架的设计优化方法，其特征在于，包括以下步骤：设计目标的确定，悬架结构形式的确定，悬架基础参数的确定，电磁馈能装置的基础参数和外廓尺寸的确定，电磁馈能装置的磁路与内部结构设计，电磁馈能装置的电磁仿真分析与优化设计，电磁馈能悬架样机研制以及实验测试；该方法能够普遍适用于多种悬架形式的设计优化，为电磁馈能悬架的设计提供参考，形成完整性、可靠性、操作性强的优化方法，有利于推广应用，对今后各种馈能型悬架的设计与优化有参考价值。
Description
技术领域
本发明涉及汽车设计技术领域，具体讲是一种电磁直线馈能悬架的设计优化方法。
背景技术
车辆的行驶的平顺性，通过性与操纵稳定性都离不开悬架***。目前传统悬架只能被动减振，已越来越无法满足车辆技术发展的高性能和高能效的需求，因此，国内外学者提出主动悬架作为改善方法。然而，主动悬架需要额外的能量输入，给车辆带来了一部分附加的能量消耗，不利于车辆能效的提升，尤其是车辆日趋电动化，馈能悬架因此成为人们关注的对象。馈能悬架将悬架震动过程中产生的振动能量进行一定量的回收并储存，可有效提升车辆的能效。馈能悬架与主动悬架相结合，可以使车辆悬架在满足主动控制的同时，减少或消除主动悬架带来的能量负担，进一步提升车辆的综合性能。
电磁直线馈能悬架是基于电磁转换原理，将车轮在行驶过程中产生的能量通过电磁直线作动装置进行一定量的回收、存储并加以利用的机构，其设计具有独创性。馈能悬架是一种新型前沿的减震***，近几年，在汽车馈能悬架的设计方面，国内外学者的研究重心逐渐从机械式馈能悬架向电磁式馈能悬架转移。但是目前仍然没有针对电磁直线馈能悬架设计的分析方法和成型方案。
发明内容
为了对电磁馈能悬架的馈能能力与馈能特性做出精准分析，对馈能悬架作出结构的优化设计，提高馈能的效率，使之能够大量应用于电磁直线馈能悬架的设计，根据悬架的形式不同，确定切实可行的设计方法，改善电机的磁漏现象，提高电磁馈能装置分析结果的可靠性，使馈能效率达到最大化。经过长期的实验研究，本发明提供的一种电磁直线馈能悬架的设计优化方法，该方法能够普遍适用于多种悬架形式的设计优化，为电磁馈能悬架的设计提供参考，形成完整性、可靠性、操作性强的优化方法，有利于推广应用，对今后各种馈能型悬架的设计与优化有参考价值。
本发明的技术解决方案如下：一种电磁直线馈能悬架的设计与优化的分析方法，主要步骤包括：设计目标的确定，悬架结构形式的确定，悬架基础参数的确定，电磁馈能装置的基础参数和外廓尺寸的确定，电磁馈能装置的磁路与内部结构设计，电磁馈能装置的电磁仿真分析与优化设计，电磁馈能悬架样机研制以及实验测试。具体实施过程是：首先确立馈能悬架设计目标，由设计目标选择一种悬架的结构形式，进行基础参数的设计。由悬架基础结构参数确定电磁馈能装置的外廓尺寸，在其基础上加装电磁直线馈能装置，进行磁路和内部结构的设计，对设计的结构进行电磁场有限元分析设计，试制样机并测试。
确定设计目标，考虑新型馈能悬架的结构形式，本方法包括设计减震器弹簧、防尘罩、活塞杆、活塞、液压缸、工作油缸，以及减震器弹簧和活塞杆之间电磁直线作动馈能装置的设计。
根据设计目标确定悬架的结构形式，按照特定形式的悬架确定其基础参数，计算悬架的挠度、弹簧参数、减震器阻尼系数。
其具体过程为由空载状态下的轴荷分配得到汽车前后轴的轴载质量，计算得到单一悬架的簧上质量。根据偏频比n1/n2的要求确定前后车身固有频率n1、n2，计算得到前后悬架的静挠度fc1、fc2。根据乘用车常见动挠度计算悬架总挠度并校核。
根据汽车工作条件，选用适当材料铸造圆柱螺旋弹簧。通过前悬架的轴向载荷F1、曲度系数K、旋绕比C、弹簧许用应力τ，设计得到弹簧钢丝直径d，进一步得到弹簧中径Dm。在最大工作负荷条件下选取弹簧有效圈数n和节距t，计算出弹簧自由高度H0以及弹簧最大变形量。最终通过弹簧自由高度H0和弹簧中径Dm的对比，检验设计是否符合稳定性要求。
确定减震器参数，选取压缩行程相对阻尼系数ψY和ψS的平均值ψ，由ψY和ψS满足的关系确定ψY和ψS，进而确定减震器的阻尼系数。为减小传到车身上的冲击力，确定最大卸荷力F0，由此计算得到工作缸直径D，并根据国家标准修正工作缸直径。
根据悬架的结构形式，在其基础上加装电磁直线作动-馈能装置(Electromagnetic linear actuating-energy reclaiming device，简写为ELA-ERD)。
ELA-ERD的外廓尺寸受到新型馈能悬架结构的限制，其高度He应低于悬架弹簧压缩的最大变形时的高度，其外径De应选择小于等于减震器防尘罩直径，为了不影响减震器正常工作，ELA-ERD的运动行程应略大于减震器工作行程。
ELA-ERD的外部材料应选用钢性材料，既可以起到很好的防护作用，又不会影响内部磁场。
设计磁路和永磁体排列方式，动圈绕组采用漆包线的方法绕制，线圈紧密绕制提高绕组的电流密度，借助有限元软件对其进行建模和仿真，利用电磁场瞬态分析和理论计算的方式，建立悬架的电磁场、温度场与流体场的三维耦合暂态分析模型，获悉悬架的馈能特性，对比普通悬架，计算馈能效果，并得出此参数下悬架的馈能能力，在上述设计计算的基础上进行样机的研制和测试，验证设计的合理性和实际馈能能力是否符合设计目标，最终得出最优结构方案。
本发明的电磁馈能悬架设计与优化的分析方法，在理论分析和实验检验的基础上，综合考虑电磁馈能悬架的馈能特性与馈能能力，获得最佳馈能悬架的设计方案。在实际应用后，将直观感受到对汽车节能作出的重大贡献，进而带来较大的经济效益。
本发明的有益效果是：本发明的一种电磁馈能悬架设计与优化的分析方法适用于汽车节能技术领域，特别是应用在汽车电磁馈能悬架技术领域时，将有效并准确的获悉电磁馈能悬架的馈能特性与馈能能力，对汽车节能减排具有重要的战略意义。本发明提出了一种有效改善ELA-ERD活塞杆外露的磁漏现象的方法。实现了电磁馈能悬架设计与优化的有效快速的分析方法，并提高了电磁馈能悬架设计分析结果的可靠性。本发明实现了电磁馈能悬架设计与优化的目的，提出了一套电磁直线馈能悬架设计优化方法，能够普遍适用于多种悬架形式的设计优化，提高了研究方法的可信性、完整性，对馈能型悬架的设计与优化具有十分重要的参考价值。
附图说明
图1为本发明的设计方法流程图。
图2为本发明实施例中一种基于麦弗逊式悬架的电磁直线馈能悬架的设计方法图。
图3为本发明实施例中一种基于麦弗逊式悬架的电磁直线馈能悬架的结构示意图。
图4为本发明实施例中一种基于麦弗逊式悬架的电磁直线馈能悬架的结构剖视结构示意图。
具体实施方式
下面用具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不仅局限于以下具体实施例。
实施例
本实施例提供一种基于麦弗逊式的电磁直线馈能悬架的设计优化方法，其步骤包括：
确立设计目标，计算所需悬架的受力、挠度、阻尼力和馈能特性；结构尺寸参数的确定以及零部件的选型；新型悬架的参数匹配度；运动干涉的分析；软件模拟运动校核；磁路设计和结构分析电磁输出和馈能特性分析；样机研制与试验测试；馈能特性的运动校核。
首先，以麦弗逊式独立悬架为基本结构，由空载状态下的轴荷分配得到汽车前后轴的轴载质量，进一步计算得到单一悬架的簧上质量。根据偏频比n1/n2的要求确定前后车身固有频率n1、n2，由fci＝mig/ci得到前后悬架的静挠度fc1、fc2。根据乘用车常见动挠度计算悬架总挠度并校核。
根据汽车工作条件，选用适当材料铸造圆柱螺旋弹簧，本实验采用热轧弹簧钢。由于麦弗逊式独立悬架应用于前悬架，因此通过前悬架的轴向载荷f1、曲度系数K、旋绕比C、弹簧许用应力τp，由公式计算得到弹簧钢丝直径d，进一步得到弹簧中径Dm。在最大工作负荷条件下选取弹簧有效圈数n和节距t，计算出弹簧自由高度H0以及弹簧最大变形量。最终通过弹簧自由高度和H0弹簧中径Dm的对比，检验设计是否符合稳定性要求。
确定减震器参数，选取压缩行程相对阻尼系数ψY和ψS的平均值ψ，由ψY和ψS满足的关系确定ψY和ψS，进而确定减震器的阻尼系数。为减小传到车身上的冲击力，确定最大卸荷力F0，由此计算得到工作缸直径D，并根据国家标准修正工作缸直径。
基于麦弗逊式独立悬架基本结构，在其基础上加装电磁直线作动-馈能装置(Electromagnetic linear actuating-energy reclaiming device，简写为ELA-ERD)。
ELA-ERD的外廓尺寸受到麦弗逊式悬架结构的限制，其高度He应低于悬架弹簧压缩的最大变形时的高度，其外径De应选择小于等于减震器防尘罩直径，为了不影响减震器正常工作，ELA-ERD的运动行程应略大于减震器工作行程。
ELA-ERD的外部材料应选用钢性材料，既可以起到很好的防护作用，又不会影响内部磁场。
磁路设计，永磁体采用Halbach阵列，Halbach阵列能有效增强一侧磁场而削弱另一侧磁场，确定以动圈的方式设计磁路，采用漆包线的方法绕制动圈绕组，线圈紧密绕制可提高绕组的电流密度，借助有限元仿真软件电磁场有限元仿真软件对其进行建模和仿真，得到磁感应强度的分布情况，根据磁场强度的分布情况，改进材料尺寸结构的设计，如改变永磁体大小，气隙大小，增减部分内芯尺寸等，以增强气隙磁密，降低磁漏，增强电机输出电磁力，使ELA-RED性能达到理想的效果。
如图1-4所示，本发明首先基于一种悬架，在其基础上加装电磁直线馈能装置；利用该基础悬架分析计算悬架的挠度、弹簧参数、减震器阻尼系数；利用电磁场瞬态分析和理论计算的方式确定悬架馈能效果，并得出此参数下悬架的馈能能力。考虑到实际悬架的馈能特性、馈能能力与低馈能电压的存储问题，使用有限元分析软件建立悬架的电磁场、温度场与流体场的三维耦合暂态分析模型，获悉悬架的馈能特性，对比普通悬架，计算馈能效果。通过不断改变电磁馈能装置参数，优化悬架馈能能力，从而设计出最佳馈能方案。本发明可获取电磁馈能悬架的馈能特性，辨识评估电磁馈能悬架的馈能能力，在较大程度上为汽车节能提供一个方向。
以上仅是本发明的特征实施范例，对本发明保护范围不构成任何限制。凡采用同等交换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (1)
1.一种电磁直线馈能悬架的设计优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
确立设计目标，计算所需悬架的受力、挠度、阻尼力和馈能特性；结构尺寸参数的确定以及零部件的选型；新型悬架的参数匹配度；运动干涉的分析；软件模拟运动校核；磁路设计和结构分析电磁输出和馈能特性分析；样机研制与试验测试；馈能特性的运动校核；
根据设计目标确定悬架的结构形式，按照特定形式的悬架确定其基础参数，计算悬架的挠度、弹簧参数、减震器阻尼系数；
以麦弗逊式独立悬架为基本结构，由空载状态下的轴荷分配得到汽车前后轴的轴载质量，进一步计算得到单一悬架的簧上质量；根据偏频比n1/n2的要求确定前后车身固有频率n1、n2，计算得到前后悬架的静挠度fc1、fc2；根据乘用车常见动挠度计算悬架总挠度并校核；
通过前悬架的轴向载荷F1、曲度系数K、旋绕比C、弹簧许用应力τ，设计得到弹簧钢丝直径d，进一步得到弹簧中径Dm；在最大工作负荷条件下选取弹簧有效圈数n和节距t，计算出弹簧自由高度H0以及弹簧最大变形量；最终通过弹簧自由高度H0和弹簧中径Dm的对比，检验设计是否符合稳定性要求；
根据汽车工作条件，选用适当材料铸造圆柱螺旋弹簧，采用热轧弹簧钢；由于麦弗逊式独立悬架应用于前悬架，因此通过前悬架的轴向载荷f1、曲度系数K、旋绕比C、弹簧许用应力τp，由公式计算得到弹簧钢丝直径d，进一步得到弹簧中径Dm；在最大工作负荷条件下选取弹簧有效圈数n和节距t，计算出弹簧自由高度H0以及弹簧最大变形量；最终通过弹簧自由高度和H0弹簧中径Dm的对比，检验设计是否符合稳定性要求；
确定减震器参数，选取压缩行程相对阻尼系数ψY和ψS的平均值ψ，由ψY和ψS满足的关系确定ψY和ψS，进而确定减震器的阻尼系数；为减小传到车身上的冲击力，确定最大卸荷力F0，由此计算得到工作缸直径D，并根据国家标准修正工作缸直径；
根据悬架的结构形式，在其基础上加装电磁直线作动-馈能装置ELA-ERD；
ELA-ERD的外廓尺寸受到新型馈能悬架结构的限制，其高度He低于悬架弹簧压缩的最大变形时的高度，其外径De选择小于等于减震器防尘罩直径，为了不影响减震器正常工作，ELA-ERD的运动行程略大于减震器工作行程；
ELA-ERD的外部材料选用钢性材料；
磁路设计，永磁体采用Halbach阵列，Halbach阵列能有效增强一侧磁场而削弱另一侧磁场，确定以动圈的方式设计磁路，采用漆包线的方法绕制动圈绕组，线圈紧密绕制可提高绕组的电流密度，借助有限元仿真软件电磁场有限元仿真软件对其进行建模和仿真，得到磁感应强度的分布情况，根据磁场强度的分布情况，改进材料尺寸结构的设计，改变永磁体大小，气隙大小，增减部分内芯尺寸，以增强气隙磁密，降低磁漏，增强电机输出电磁力，使ELA-RED性能达到理想的效果。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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