彭 虎 張進(jìn)秋 劉義樂(lè) 彭志召 張 建 張立君

1.裝甲兵工程學(xué)院技術(shù)保障工程系,北京,1000722.裝甲兵工程學(xué)院裝備試用與培訓(xùn)大隊(duì),北京,1000723.裝甲兵工程學(xué)院教練團(tuán),北京,100072

0 引言

車輛懸掛系統(tǒng)起支撐車體并緩和來(lái)自路面不平度沖擊的作用，傳統(tǒng)被動(dòng)懸掛將路面激勵(lì)引起的振動(dòng)能量以熱量的形式耗散，不僅浪費(fèi)能源，且使阻尼器工作在較高溫度下，縮短了阻尼器使用壽命[1-2]。若能采用一定的能量回收裝置將該部分能量加以回收再利用，不僅可以提高車載用電設(shè)備的續(xù)航能力，起到節(jié)能的作用，還可以降低阻尼器溫度，提高其可靠性，延長(zhǎng)其使用壽命[3]。

電磁懸掛是一種可將懸掛振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能并加以回收的可控懸掛，電磁響應(yīng)速度快，可提高能量轉(zhuǎn)換速率，成為研究的熱點(diǎn)[4-5]。電磁作動(dòng)器作為一種可控懸掛裝置，可在發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩種工況下進(jìn)行切換，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)振動(dòng)控制和能量回收，但當(dāng)前大多數(shù)電磁懸掛只能單獨(dú)地進(jìn)行振動(dòng)控制或單獨(dú)進(jìn)行能量回收，兩者之間的矛盾依舊難以解決[6-7]。由于單獨(dú)的電磁懸掛存在電磁阻尼不足現(xiàn)象，不能滿足車輛“失效-安全”特性要求，而磁流變減振器(magneto-rheological damper, MRD)作為一種阻尼可調(diào)的半主動(dòng)可控裝置，具有響應(yīng)迅速、輸出阻尼力大的特點(diǎn)，且當(dāng)控制失效時(shí)，MRD基礎(chǔ)阻尼仍可充當(dāng)被動(dòng)懸掛對(duì)懸掛系統(tǒng)起到保護(hù)作用[8-9]。

針對(duì)電磁懸掛及MRD各自的優(yōu)缺點(diǎn)，本文以某型軍用輪式越野車輛為對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)電機(jī)與MRD并聯(lián)的復(fù)合式電磁作動(dòng)器，試制了原理樣機(jī)，并分別對(duì)其力學(xué)特性及饋能特性進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)。

1 復(fù)合式電磁懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

復(fù)合式電磁懸掛系統(tǒng)主要包括復(fù)合式電磁作動(dòng)器、車輛狀態(tài)傳感器、控制系統(tǒng)、電源及能量存儲(chǔ)裝置、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及對(duì)MRD供電的程序控制電流源，復(fù)合式電磁懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 復(fù)合式電磁懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure diagram of composite electro-magnetic suspension system

該復(fù)合式電磁懸掛系統(tǒng)可工作于如下4種不同工況：

(1)被動(dòng)饋能工況。不給MRD供電，只保留其基礎(chǔ)阻尼，電機(jī)工作于發(fā)電機(jī)工況用于饋能，主要用于路面狀況較好且無(wú)需振動(dòng)控制的工況。

(2)主動(dòng)控制工況。不給MRD供電，電機(jī)工作于電動(dòng)機(jī)工況輸出扭矩，通過(guò)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)變成懸掛間主動(dòng)作動(dòng)力進(jìn)行主動(dòng)控制，主要用于路面條件較差但對(duì)乘坐舒適性要求較高的場(chǎng)合，但控制持續(xù)時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。

(3)半主動(dòng)無(wú)饋能工況。將饋能電路斷開(kāi)，無(wú)電磁阻尼饋能，則懸掛系統(tǒng)僅由MRD工作，進(jìn)行半主動(dòng)控制，主要用于對(duì)振動(dòng)控制要求不太高但又有必要進(jìn)行控制的工況。

(4)半主動(dòng)有饋能工況。電機(jī)作發(fā)電機(jī)用，電機(jī)的電磁阻尼進(jìn)行饋能，MRD進(jìn)行半主動(dòng)控制，用于對(duì)振動(dòng)控制和能量回收要求均不太高的場(chǎng)合，可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)控制和能量回收并存，解決兩者之間存在的矛盾關(guān)系，這是該復(fù)合式電磁作動(dòng)器的突出優(yōu)點(diǎn)。

2 復(fù)合式電磁作動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

以某型軍用輪式越野平臺(tái)(該車質(zhì)量為1 250 kg)為基礎(chǔ)，參照美軍“槍騎兵”戰(zhàn)車的主動(dòng)懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求[10]，結(jié)合該復(fù)合式電磁懸掛系統(tǒng)特點(diǎn)，提出如下設(shè)計(jì)要求：

(1)單個(gè)電磁作動(dòng)器的額定出力為1/4車重的0.3倍即919 N，而最大出力為1/4車重的0.9倍即2 756 N。優(yōu)化設(shè)計(jì)條件下，單獨(dú)的電機(jī)+減速機(jī)出力在限定安裝尺寸下難以滿足如此大的出力要求。該復(fù)合式電磁作動(dòng)器可通過(guò)控制MRD輸出阻尼力，以補(bǔ)償電機(jī)作動(dòng)器部分主動(dòng)出力的不足，但為了突出主動(dòng)控制效果，電機(jī)主動(dòng)控制力應(yīng)大于出力要求的2/3，即額定出力為613 N，最大出力為1 838 N。

(2)為保證主動(dòng)/半主動(dòng)控制效果，由機(jī)械摩擦阻力與MRD基礎(chǔ)阻尼力組成的基礎(chǔ)阻力應(yīng)越小越好，但過(guò)小又起不到“失效-安全”保護(hù)作用，綜合考慮，基礎(chǔ)阻力應(yīng)不大于500 N。

(3)為保證半主動(dòng)控制效果，同時(shí)補(bǔ)償主動(dòng)控制中所需的剩余1/3控制力(約306 N，最大918 N)，在懸掛相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度0.52 m/s條件下，MRD部分應(yīng)該提供至少1 000 N的可調(diào)阻尼力，相當(dāng)于阻尼系數(shù)1 923 N·s/m。由于機(jī)械阻力難以控制，故MRD基礎(chǔ)阻尼力應(yīng)適當(dāng)，介于150～300 N，可調(diào)倍數(shù)大于4.3。

(4)為提高饋能效率，電機(jī)應(yīng)當(dāng)具有較大的反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，Ke≥24V/(kr/min)。

(5)此外，懸掛系統(tǒng)需要至少100 mm的懸掛行程來(lái)滿足減振及饋能的需求。

2.2 MRD設(shè)計(jì)

MRD部分主要由鋼筒、活塞體、活塞桿及線圈組成，其中活塞體需要高磁導(dǎo)率、低磁滯性及較高的磁飽和度，以提高磁回路中的磁場(chǎng)強(qiáng)度和保證零磁場(chǎng)條件下的低阻尼力特性，因此，選用DT4電工純鐵作為活塞鐵心材料；鋼筒需要兼具一定的導(dǎo)磁性和較高的強(qiáng)度，選擇45鋼；活塞桿需要較高的強(qiáng)度，也選擇45鋼；線圈應(yīng)具備較高的電磁轉(zhuǎn)換效率和較高的性價(jià)比，選擇銅質(zhì)漆包線；為隔絕磁流變液(magneto-rheological fluid, MRF)與線圈，在線圈外側(cè)用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行密封；單筒單出桿式MRD由于自身結(jié)構(gòu)原因存在阻尼非對(duì)稱現(xiàn)象，故采用浮動(dòng)活塞式結(jié)構(gòu)進(jìn)行體積補(bǔ)償。MRD活塞結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 MRD活塞結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of MRD piston

MRD阻尼力表達(dá)式為

(1)

Ap=π(D2-d2)/4

式中，F(xiàn)η為基礎(chǔ)阻尼力；Fτ為庫(kù)侖阻尼力；η為磁流變液零場(chǎng)黏度；L為有效阻尼縫隙長(zhǎng)度；Ap為活塞有效面積；h為阻尼縫隙寬度；D為缸筒內(nèi)徑；d為活塞桿直徑；τy為磁流變液剪切屈服強(qiáng)度；v為懸掛相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。

阻尼可調(diào)倍數(shù)ε表示阻尼力Fd與基礎(chǔ)阻尼力Fη之比:

(2)

MRD工作時(shí)，活塞及鋼筒相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生高低壓差，磁流變液在壓差作用下通過(guò)阻尼縫隙在兩腔之間流動(dòng)，通過(guò)給線圈通電在縫隙處形成磁場(chǎng)，改變磁流變液的流動(dòng)黏度，實(shí)現(xiàn)變阻尼。除結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，另一個(gè)影響MRD性能的因素是磁流變液的性能，本文采用實(shí)驗(yàn)室自制的磁流變液，其表觀黏度η=0.8 Pa·s，其剪切屈服應(yīng)力與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系如圖3所示，磁流變液正常工作條件下磁感應(yīng)強(qiáng)度一般在0.4～0.6 T，對(duì)應(yīng)剪切屈服應(yīng)力23 kPa左右，滿足使用需求。擬合剪切屈服應(yīng)力τy與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系可得

τy=-39B2+68B-1.3

(3)

由磁路歐姆定律推導(dǎo)可知，阻尼縫隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度

(4)

l=2Lcoil+Hcoil+L+0.5D+1.5h+thou

(5)

式中，I為控制電流；l為磁路平均長(zhǎng)度；N為線圈匝數(shù)；μ為磁流變液磁導(dǎo)率，μ=7.54×10-6H/m；h為阻尼縫隙寬度；Lcoil為線圈長(zhǎng)度；Hcoil為線圈寬度；thou為缸壁厚度。

圖3 磁流變液剪切屈服應(yīng)力與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系Fig.3 The relationship between the shear yield stress and magnetic induction intensity of MRF

線圈匝數(shù)可用下式估算：

(6)

式中，dcoil為導(dǎo)線直徑，本文取dcoil=0.5 mm,最大電流2 A。

MRD設(shè)計(jì)流程如圖4所示，首先確定MRD所需最大輸出阻尼力及可調(diào)倍數(shù)，以阻尼縫隙寬度及有效阻尼通道長(zhǎng)度、活塞直徑大小、線圈匝數(shù)等條件作為約束，利用磁流變液自身的剪切力與剪切屈服強(qiáng)度之間的關(guān)系，以及多目標(biāo)遺傳算法(multi-objective genetic algorithm, MOGA)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，得到MRD設(shè)計(jì)參數(shù)最優(yōu)解。若不能滿足設(shè)計(jì)要求，則重新匹配計(jì)算，直到輸出阻尼力和可調(diào)倍數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 MRD設(shè)計(jì)流程Fig.4 The design process of MRD

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需要MRD滿足庫(kù)侖阻尼力大于1 000 N，可調(diào)倍數(shù)大于4.3的條件，因此，以最大輸出阻尼力Fdmax和可調(diào)倍數(shù)ε作為優(yōu)化目標(biāo)，7個(gè)約束參量為阻尼縫隙寬度h、有效縫隙長(zhǎng)度L、阻尼活塞外徑D、線圈尺寸Lcoil×Hcoil、缸壁厚度thou、活塞桿直徑d。設(shè)計(jì)參量及取值范圍如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)參量及取值范圍Tab.1 The design parameters and relative value range mm

目標(biāo)函數(shù)為

(7)

約束條件為

(8)

初始種群為10，迭代次數(shù)為100，交叉概率為0.5，選擇概率為0.05，突變概率0.1，采用MOGA對(duì)MRD設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)求解，經(jīng)過(guò)3 000次迭代，可獲得2 697組Pareto解集，如圖5所示，圖中深色的點(diǎn)為可行解，淺色的點(diǎn)為非可行解。

圖5 Pareto解集Fig.5 The Pareto solution set

選取Pareto前沿一組優(yōu)化后的設(shè)計(jì)參數(shù)作為最優(yōu)解，最大阻尼力1 285 N，可調(diào)倍數(shù)4.64，基礎(chǔ)阻尼力276.94 N，最大可調(diào)阻尼力1 008.1 N，滿足設(shè)計(jì)要求，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 優(yōu)化后的設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 The optimized design parameters

對(duì)優(yōu)化后的MRD模型進(jìn)行磁場(chǎng)分析。MRD線圈產(chǎn)生的磁力線如圖2所示，磁路由活塞鐵心經(jīng)過(guò)阻尼縫隙、鋼筒、阻尼縫隙，而后回到活塞鐵心處，形成閉環(huán)回路，通過(guò)改變加載電流的大小可改變磁場(chǎng)密度。利用Ansoft中的Maxwell 2D磁場(chǎng)分析軟件對(duì)MRD進(jìn)行磁場(chǎng)分析，驗(yàn)證磁路設(shè)計(jì)是否合理。線圈繞線直徑0.5 mm，線圈匝數(shù)440，加載電流2 A，磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖6所示。

圖6 MRD磁感應(yīng)強(qiáng)度分布Fig.6 The magnetic induction intensity distribution of MRD

由圖6可知，磁感應(yīng)強(qiáng)度在磁回路中各個(gè)部分的分布并不相同，由于磁流變液磁導(dǎo)率比活塞體鐵心及鋼筒的磁導(dǎo)率小，故磁降產(chǎn)生主要在阻尼縫隙處。磁感應(yīng)強(qiáng)度近似梯形分布，在鐵心內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，約1.66～1.89 T，鋼筒處次之，阻尼縫隙處最小，為0.44～0.58 T，平均有效磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.51 T，磁流變液沒(méi)有達(dá)到0.8 T的磁飽和狀態(tài)，符合要求。

2.3 電機(jī)計(jì)算及選型

不計(jì)傳遞效率，電機(jī)與懸掛系統(tǒng)之間的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換公式可表示為

(9)

式中，F(xiàn)an為齒條往復(fù)運(yùn)動(dòng)輸出力，N；T為齒輪扭矩，N·m；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；i為減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比；Rg為齒輪分度圓半徑，m。

電機(jī)作發(fā)電機(jī)饋能時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓

(10)

由電機(jī)輸出扭矩傳遞到齒條上的主動(dòng)出力

(11)

式中，Kt為電機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)，N·m/A。

電機(jī)功率計(jì)算式為

P=Fanv

(12)

按照需要額定出力613 N計(jì)算，懸掛相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度0.52 m/s時(shí)，由式(12)計(jì)算可得需要電機(jī)功率為319 W。若電機(jī)功率選擇過(guò)小，會(huì)造成“小馬拉大車”的現(xiàn)象，造成電機(jī)長(zhǎng)期過(guò)載，使之絕緣部分因發(fā)熱而燒壞，甚至造成電機(jī)的損毀；而電機(jī)功率選擇過(guò)大，又會(huì)出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象，使其輸出功率不能得到充分利用，功率因數(shù)和效率不高，造成能源浪費(fèi)，同時(shí)增加了電機(jī)的重量。由此，根據(jù)機(jī)械傳動(dòng)效率和摩擦力等因素的影響，選擇功率為600 W的電機(jī)。

旋轉(zhuǎn)式永磁無(wú)刷直流電機(jī)具有體積小、響應(yīng)快、作用力與體積比大等優(yōu)點(diǎn)。調(diào)研選型MOTEC的HLM-9607H06LN型直流無(wú)刷電機(jī)作為該復(fù)合式電磁作動(dòng)器的電機(jī)部分，電機(jī)額定電流7 A，額定扭矩2 N·m，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，最大轉(zhuǎn)速5 000 r/min，反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)30.4V/(kr/min)，轉(zhuǎn)矩常數(shù)0.475N·m/A，96 V直流供電，功率600 W。

2.4 減速機(jī)計(jì)算及選型

減速機(jī)用以傳遞電機(jī)和懸掛系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)速和扭矩。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，初選齒數(shù)19、模數(shù)3的齒輪，分度圓半徑Rg=0.028 5 m，齒條采用圓形齒條，與常見(jiàn)的方形齒條相比，圓形齒條摩擦力更小，齒條齒形結(jié)構(gòu)與齒輪一致。電機(jī)作主動(dòng)控制出力時(shí)，若作動(dòng)器峰值出力為1 838 N，則需要電機(jī)提供的扭矩約為52.38 N·m，電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩常數(shù)2 N·m，最大轉(zhuǎn)矩常數(shù)6 N·m，由式(9)和式(11)計(jì)算可得所需傳動(dòng)比i不小于9；而作發(fā)電機(jī)進(jìn)行能量回收時(shí)，當(dāng)復(fù)合式電磁作動(dòng)器相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到0.52 m/s時(shí)，無(wú)減速機(jī)狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)速為174 r/min，電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)為30.4V/(kr/min)，計(jì)算得反饋電壓5.29 V。研究顯示，當(dāng)電機(jī)處于發(fā)電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，與額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)相比，其饋能發(fā)電效率非常低，所以從減振增扭和饋能增速的角度考慮，需要在電機(jī)和齒輪之間添加一個(gè)減速機(jī)，以提高減振及饋能性能。

當(dāng)行星減速機(jī)的減速比為16時(shí)，不計(jì)效率，計(jì)算得齒條峰值出力4 036.3 N，額定出力1 122.8 N，電機(jī)轉(zhuǎn)速2 787.7 r/min，低于額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，由式(10)可得最大反饋電壓84.64 V，具備良好出力及饋能特性。

為了與電機(jī)匹配，選擇MOTEC-APE60-16行星減速機(jī)。設(shè)計(jì)加工原理樣機(jī)，復(fù)合式電磁作動(dòng)器實(shí)物如圖7所示。

圖7 復(fù)合式電磁作動(dòng)器實(shí)物圖Fig.7 Physical figure of the composite electro-magnetic actuator

3 復(fù)合式電磁作動(dòng)器特性試驗(yàn)

對(duì)設(shè)計(jì)的復(fù)合式電磁作動(dòng)器的力學(xué)特性及饋能特性進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，搭建的試驗(yàn)系統(tǒng)如圖8所示。該復(fù)合式電磁作動(dòng)器特性試驗(yàn)系統(tǒng)主要由激振臺(tái)、控制及數(shù)據(jù)采集上位機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)電源、程序控制電流源、位移及力傳感器等組成。激振臺(tái)上下固定時(shí)，可進(jìn)行主動(dòng)出力靜態(tài)特性試驗(yàn)，上端鎖定、下端正弦激勵(lì)可分別對(duì)作動(dòng)器和MRD的特性進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。

圖8 復(fù)合式電磁作動(dòng)器特性試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.8 Characteristic test system of the composite electro-magnetic actuator

3.1 基礎(chǔ)阻力

復(fù)合式電磁作動(dòng)器基礎(chǔ)阻力主要由機(jī)械摩擦阻力和MRD基礎(chǔ)阻尼力組成，均為不可控力，分別測(cè)量自供能復(fù)合式電磁作動(dòng)器在速度為0.05 m/s、0.1 m/s、0.3 m/s和0.52 m/s下的拉伸方向和壓縮方向基礎(chǔ)阻力，結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知：①?gòu)?fù)合式電磁作動(dòng)器拉伸和壓縮方向的基礎(chǔ)阻力基本對(duì)稱，且呈非線性分布，速度較小時(shí)，基礎(chǔ)阻力增長(zhǎng)較快，大于0.1 m/s之后，增長(zhǎng)趨緩；②最大相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度0.52 m/s時(shí)，拉伸方向的最大基礎(chǔ)阻力為475.25 N，小于設(shè)計(jì)目標(biāo)值500 N，滿足要求。

圖9 復(fù)合式電磁作動(dòng)器基礎(chǔ)阻力Fig.9 Base resistance of composite electro-magnetic actuator

3.2 主動(dòng)出力特性

激振臺(tái)鎖定不動(dòng)，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器調(diào)試上位機(jī)發(fā)出的控制指令，對(duì)饋能式電磁作動(dòng)器施加±0.2 A、±0.5 A、±1 A、±2 A、±3 A、±4 A、±5 A和±6 A的電流，測(cè)量相應(yīng)條件下拉伸方向和壓縮方向作動(dòng)器出力的大小，將測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論值進(jìn)行比較，復(fù)合式電磁作動(dòng)器的主動(dòng)出力特性如圖10所示。

圖10 復(fù)合式電磁作動(dòng)器的主動(dòng)出力特性Fig.10 Active output characteristics of the electro-magnetic actuator

由圖10可知：①?gòu)?fù)合式電磁作動(dòng)器主動(dòng)出力與其驅(qū)動(dòng)電流基本成線性關(guān)系，說(shuō)明電機(jī)的電磁感應(yīng)效率較高；②拉伸及壓縮方向主動(dòng)出力大小具有對(duì)稱性；③電流小于3 A時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)基本上相符，大于3 A時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)略小于理論數(shù)據(jù)；④復(fù)合式電磁作動(dòng)器額定出力約為669 N，當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流過(guò)載3倍狀態(tài)工作時(shí)，其最大出力約為1 930 N，額定出力及峰值出力均大于設(shè)定目標(biāo)值，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 饋能特性

輸出電壓測(cè)試原理圖見(jiàn)圖11，作動(dòng)器上端固定，下端通過(guò)激振頭帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)正弦運(yùn)動(dòng)，電機(jī)輸出電壓經(jīng)整流橋后與外接滑動(dòng)變阻器相連，用電壓計(jì)測(cè)量滑動(dòng)變阻器兩端電壓值并記錄。電機(jī)等效內(nèi)阻3 Ω，外接電阻20 Ω，采用橋式整流電路，忽略壓降，分別在0.1 m/s、0.2 m/s、0.3 m/s、0.4 m/s和0.52 m/s速度條件下測(cè)量反饋電壓值，結(jié)果如圖12所示。

圖11 輸出電壓測(cè)試原理圖Fig.11 The principle diagram of the test of output voltage

圖12 復(fù)合式電磁作動(dòng)器的反饋電壓特性Fig.12 Feedback voltage characteristic of the composite electro-magnetic actuator

由圖12可知：①反饋電壓與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度基本成線性關(guān)系，與主動(dòng)出力特性一致，表明電機(jī)的反饋電壓特性較穩(wěn)定；②隨著相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的增加，反饋電壓值比理論值略有下降，這與其基礎(chǔ)阻力特性有關(guān)；③0.52 m/s相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，反饋電壓43 V，饋能特性較好。

3.4 MRD示功特性

實(shí)際行車條件下，懸掛相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度通常在0.2 m/s以下，將相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度設(shè)為0.1 m/s，分別測(cè)量電流為0、0.5 A、1.0 A、1.5 A及2.0 A時(shí)的輸出阻尼力，復(fù)合式電磁作動(dòng)器MRD部分的示功特性如圖13所示。

圖13 復(fù)合式電磁作動(dòng)器MRD部分的示功特性Fig.13 Indicator characteristics of MRD part of the composite electromagnetic actuator

由圖13可知：①示功曲線所包圍的面積表示MRD的耗功能力，MRD耗功能力隨著電流的加大而增大；②最大電流2 A時(shí)，拉伸方向最大阻尼力1 100 N(拉伸為正)，壓縮方向阻尼力隨位移不同有所變化，最大1 250 N，而電流為0時(shí)，基礎(chǔ)阻尼力約180 N，則可調(diào)庫(kù)侖阻尼力約為920 N，可調(diào)倍數(shù)約為6，可調(diào)阻尼力略小于設(shè)計(jì)值，可調(diào)倍數(shù)大于設(shè)計(jì)值，符合設(shè)計(jì)要求；③示功曲線右上角出現(xiàn)“凹陷”現(xiàn)象，且隨著電流加大越來(lái)越明顯，這是由于單筒單出桿式MRD需要補(bǔ)償裝置補(bǔ)償由于活塞兩側(cè)非對(duì)稱引起的體積差，說(shuō)明此時(shí)補(bǔ)償氣室壓力略小，通過(guò)加大氣室壓力可以一定程度上減小“凹陷”程度。

4 結(jié)論

(1)該復(fù)合式電磁作動(dòng)器包含電機(jī)和MRD兩部分，根據(jù)各自特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)4種不同工況，半主動(dòng)有饋能工況下可同時(shí)實(shí)現(xiàn)半主動(dòng)控制減振及電機(jī)作發(fā)電機(jī)饋能，解決了減振及饋能之間存在的矛盾，此外，該作動(dòng)器還具備“失效-安全”特性，提高了系統(tǒng)可靠性。

(2)該復(fù)合式電磁作動(dòng)器最大主動(dòng)出力1 930 N，懸掛相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度0.52 m/s條件下可實(shí)現(xiàn)最大饋能電壓43 V，MRD部分最大阻尼力1 100 N，可調(diào)倍數(shù)約為6，具備較好的力學(xué)特性及饋能特性，是一種較為理想的減振及饋能裝置。

(3)由于機(jī)械加工及材料性能差異等原因，該復(fù)合式電磁作動(dòng)器試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算略有差異，但該方案總體可行，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)尺寸和提高加工精度可進(jìn)一步提高其性能。此外，由于該復(fù)合式電磁作動(dòng)器由兩個(gè)部件組成，基礎(chǔ)阻力比一般減振器大，若要提高減振及饋能的效果，需要比一般減振系統(tǒng)稍高的激振頻率和幅度，因此，實(shí)車試驗(yàn)時(shí)應(yīng)盡量選擇越野路面。

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