高速履带车辆机电悬架惯量分析与滤振缓冲设计_宋慧新.pdf

第 44 卷第 2 期2 0 2 3 年 2 月兵工学报ACTA AMAMENTAIIVol 44 No 2Feb2023DOI:10 12382/bgxb 2021 0588高速履带车辆机电悬架惯量分析与滤振缓冲设计宋慧新1，2，顾亮1，张进秋3，董明明1，王利明4(1 北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081;2 中国北方车辆研究所 底盘部件技术部，北京 100072;3 陆军装甲兵学院 车辆工程系，北京 100072;4 重庆大学 机械传动国家重点实验室，重庆 400044)摘要:为解决高速履带车辆机电悬架在高频区性能恶化与结构可靠性的问题，分析基于扭杆的机电悬架刚度特性，求解悬架杆系复杂运动关系，计算机电执行器的等效惯性质量，建立考虑惯性质量与负重轮阻尼的 2 自由度机电悬架模型。量化分析惯性质量对悬架性能的不利影响，得到影响悬架平顺性、部件可靠性的惯性力的频域分布区间与功率谱密度分布区间。根据悬架惯性力的频域分布，以及悬架动挠度的幅频特性，提出滤振与缓冲的措施，建立带有滤振缓冲器的悬架模型。仿真和试验结果表明:滤振缓冲能够有效降低惯性质量影响，在 D 级路面 40 km/h 行驶工况下，将原惯性力的均方根值由原 2 143 N 降低至 175 N。同时簧载质量加速度均方根值，由原3.510 8 m/s2降低至 1.268 2 m/s2。台架测试证明齿圈应力在采用滤振缓冲措施后得到较大衰减，最大值由519.9 MPa 降低为110.1 MPa。通过仿真和试验，验证了滤振与缓冲的措施能够提升机电悬架的性能，有助于解决惯性质量带来的高频区性能恶化的问题。关键词:惯性质量;惯性力;滤振;缓冲;机电悬架中图分类号:TJ81+0.1文献标志码:A文章编号:1000-1093(2023)02-0380-14收稿日期:2021-08-31基金项目:部委基础科研项目(MKS20200006)Inertia Analysis and Vibration Filtering Buffer Design ofElectromechanical Suspension of High Speed Tracked VehicleSONG Huixin1，2，GU Liang1，ZHANG Jinqiu3，DONG Mingming1，WANG Liming4(1 School of Mechanical Engineering and Automation，Beijing institute of Technology，Beijing 100081，China;2 Chassis Parts Technical Department，China North Vehicle esearch Institute，Beijing 100072，China;3 Department of Vehicle Engineering，Academy of Army Armored Force，Beijing 100072，China;4 State Key Laboratory of Mechanical Transmission，Chongqing University，Chongqing 400044，China)Abstract:In order to solve the problem of performance deterioration and ensure structural reliability ofthe electromechanical suspension of high-speed tracked vehicles in high-frequency zone，the stiffnesscharacteristics of the electromechanical suspension based on the torsion bar are analyzed，the complexmotion relationship of the suspension rod system is solved，the equivalent inertia mass of the electricactuator is calculated，and a two-degree-of-freedom electromechanical suspension model consideringinertia mass and load wheel damping is established We quantitatively analyze the adverse impact ofinertia mass on suspension performance，and obtain the frequency domain distribution interval and powerspectral density distribution interval of inertia force affecting suspension s ride comfort and componentreliability According to the frequency domain distribution of suspension inertia force and the amplitudefrequency characteristics of the suspension s dynamic deflection，the measures of vibration filtering and第 2 期高速履带车辆机电悬架惯量分析与滤振缓冲设计buffering are put forward，and a suspension model with the vibration filtering buffer is established Thesimulation and test results show that vibration filtering and buffering can effectively reduce the influence ofinertial mass Under the driving condition of 40 km/h on class D oad，the root mean square value of theoriginal inertial force is reduced from 2 143 N to 175 N，and the root mean square value of sprung massacceleration is reduced from 3.5108 m/s2to 1.2682 m/s2 The bench test shows that the gear ring stressis greatly attenuated after the vibration filtering and buffering measures are adopted，and the maximumvalue is reduced from 519.9 MPa to 110.1 MPa Through simulation and test，it is verified that themeasures of vibration filtering and buffering can improve the performance of the electromechanicalsuspension and help to solve the problem of performance deterioration in the high frequency zone causedby inertial massKeywords:inertial mass;inertia force;vibration filtering;buffer;electromechanical suspension0引言机电悬架研究始于 20 世纪 90 年代1，最初用于军用车辆，在 20 世纪初完成了试验验证，主要代表是德克萨斯大学研制的机电悬架系统，采用的执行器分别为齿轮齿条与电机组合的直线式执行器、液压缸串联液压马达与电机的直线式执行器、行星减振器与电机串联的旋转式执行器，分别在高机动多 用 途 轮 式 车(HMMWV)2、中 型 战 术 车(LMTV)3、枪骑兵履带车(Lancer)上完成原理样机道路试验4。如何快速衰减甚至回收振动能量是高机动履带车辆行驶系统发展的一个重要方向5。Hamid6 研究指出:机电悬架回收能量的最大影响为电机的线圈内阻、悬架阻尼系数、负载电阻和土壤轮胎等效刚度。寇发荣等7 设计了一种电磁复合式馈能悬架结构，提出由主环与内环构成的半主动控制策略，使电机回馈能量的72.5%储存至超级电容。Zhao 等 8 针对执行器等效惯性质量过大的问题，提出了一种新的主动悬架双减振结构，采用逐步改变充电电压的方法将振动能量直接回收到电池组中。喻凡等9、黄昆等10、殷珺等11、曹民等12 提出了由滚珠丝杠结合直流无刷电机构成的机电悬架作动器方案，可以将车辆乘适性提高 30%，可以回收路面振动能量并将车辆乘适性提高 10%10。张进秋等13 14、王兴野等15、彭虎等16 提出了由齿轮齿条结合直流无刷电机构成的机电悬架作动器方案，研究表明惯性质量对于悬架低频的特性有利，但不利于车辆在高频时的平顺性，且会带来冲击问题15;提出的悬架多模式切换控制器有效平衡了减振及馈能之间的矛盾关系16;提出的有限频域 H控制算法有效地降低了时滞对控制的影响，提高了车辆在4 8 Hz 频域范围内的乘适性 14。汪若尘等提出了基于直线电机的机电悬架17，并提出了一种混合机电悬架，能够有效改善悬架动力学性能，明显减少能量消耗 18。王庆年等 19 对滚珠丝杠式机电悬架，以提高馈能效率为目标，从结构和效率两方面对丝杠参数进行了匹配和校核，能够高效地回收悬架振动能量。但是机电悬架在可靠性、稳定性、失效保护和成本等方面仍然有很多问题需要解决。由于高速履带车辆对悬架空间约束要求较严、对悬架减振性能要求较高，高速履带车辆机电悬架一般应用了传动装置、马达或旋转电机等部件，以求获得更小的体积和更好的减振性能。旋转电机的能量利用与回收的效率高，并且结构紧凑，但过大的路面冲击极易造成传动机构的损坏，加之传动机构的保养维护比较困难，整个系统的寿命会大幅缩短13。旋转电机式馈能悬架由于传动装置的固定连接方式以及较大的转动惯量，恶劣路面的冲击和频繁地转向会导致传动装置和电机极易损坏，因此可靠性差13。在悬架垂向往复的运动过程中，旋转部件产生惯性力，如果旋转加速度过大，则会产生过大的冲击力矩，对传动装置、连接轴等强度较弱的零部件造成损坏;另一方面，这部分冲击力矩会对悬架性能产生非常不利的影响。因此如何尽可能减小惯性力的不利影响，成为机电悬架首先要解决的问题。利用电机产生主动力矩，可以补偿和改变转动惯量带来的不利影响。这是通过控制电机解决惯量问题的方法，该方法对采集精度、控制时滞、电机响应等要求高，因此难度大。为降低惯量影响，设计时要优化匹配传动装置和电机性能、尽可能降低传动比、降低旋转部件转动惯量。本文分析了高速履带车辆旋转式机 电执行器183兵工学报第 44 卷的构成、悬架特性，研究了惯性质量对机电悬架性能的不利影响，得到了不同等级路面随机振动输入时惯性质量在频域和时域对簧载质量加速度、悬架动挠度、负重轮相对动载荷、惯性力等影响;计算了随机路面输入下惯性力的谱密度，提出滤振缓冲的解决措施。对滤振缓冲对于缓解惯性质量不利影响的效果进行了模拟仿真。通过仿真和试验，验证了滤振与缓冲的措施能够提升机电悬架的性能，有助