动力吸振器在车辆系统及其部件的减振中有较为广泛的应用。对于传统的内燃发动机汽车,吸振器常用来改善车辆平顺性与轮胎接地性能。近年来,对于轮毂驱动电动汽车,有学者从仿真角度探索应用吸振器克服较大簧下质量带来的不利影响。这些研究分别对车身或底盘部件设置吸振器。不过迄今尚未见到文献从车辆整体的振动耗散功率的角度探讨吸振器布置位置带来的影响。

车辆运行过程中振动耗散功率大小及其分布,一方面可以描述车辆不同部件的振动状况、指导振动控制设计;另一方面可用于分析对车辆振动能量进行回收的潜力和途径。Velinsky等以车辆后桥模型为研究对象,以实际路面采集数据为输入,计算了轮胎阻尼耗散能量在垂向振动耗散功率中的占比,指出轮胎阻尼的耗散能量随激励频率的增加而增大。Zuo等应用不考虑轮胎阻尼的四分之一车辆模型,以标准等级路面为激励,考察悬架阻尼器的耗散功率,探讨了基于悬架的振动能量回收潜力。

考虑到电动汽车日益广泛的应用,动力吸振器可以基于动力电池包、电机或轮毂电机等现有构件进行匹配设计,而无需引入新的质量。为此,本文拟拓展之前的工作,为簧下与簧上质量分别匹配动力吸振器,考虑简谐和随机两种激励,通过仿真计算,研究吸振器及其位置对车辆振动耗散功率和悬架性能的影响。

对于单自由度有阻尼系统,Asami等通过研究,针对简谐激励和随机激励,分别应用H∞和H2优化为动力吸振器进行参数匹配、以降低主系统的振动。

根据汽车理论介绍,对于常规车辆,四分之一车辆模型两阶固有频率之比大于2,且每阶包含占优自由度。为此,依据吸振器的匹配原理,分别针对每阶模态的占优自由度,参照Asami等对于简谐路面和随机路面分别采用H∞和H2优化得到吸振器参数,如表1所示。需要指出的是,这样得到的参数与我们针对四分之一车辆模型直接优化得到的吸振器参数相差不大。

对悬架动挠度和轮胎相对动载荷指标可以得到类似的结论。即簧上吸振模型和簧下吸振模型的指标均方根值均小于参考模型,且簧上吸振器对指标数值的降低效果更加明显。

综上,在随机路面下,吸振器可吸收系统的振动耗散功率并降低各项悬架性能指标的均方根值。其中,簧上吸振器对降低车身加速度、悬架动挠度和轮胎相对动载荷等各项悬架性能指标的均方根值更有效,而簧下吸振器可吸收更多的系统振动功率。另外,引入吸振器不改变系统的总体耗散功率。

需要说明的是,对于实际车辆而言,悬架减振器在压缩行程和伸张行程具有不同的阻尼-速度特性。本文基于惯例将悬架阻尼视为常数。若采用不同阻尼常数描述伸张和压缩行程的阻尼,按照本文方法计算发现,虽然各指标的数值不同,但是不影响前文给出的定性结论。

分别对簧上质量和簧下质量引入动力吸振器,并构建分析模型,经优化确定吸振器参数,从垂向振动耗散功率及悬架性能两方面,分析了动力吸振器对车辆垂向振动特性的影响,主要结论如下:

(1)簧上吸振器和簧下吸振器分别在车身偏频和车轮偏频附近消耗更多的振动能量。其中,簧下吸振器作用频带更宽。另一方面,簧上吸振模型能更有效地改善车辆悬架性能。

(2)在随机路面下,吸振器的引入不改变系统的总体耗散功率,而仅改变系统内耗散功率的分布。其中,簧上吸振器在低速下能够吸收一定的振动能量,而簧下吸振器在常用车速下都能吸收车辆的振动能量。

(3)对簧下质量匹配吸振器,因为能够同时减少悬架和轮胎的功率消耗,具有更高的功率收益。对簧上质量匹配吸振器,功率收益几乎全部来自悬架。

动力吸振器对车辆悬架性能有哪些影响

济南中创工业测试系统有限公司 鲁ICP备10018659号-20