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汽车主动悬架系统的设计 摘要：本文涉及用于汽车应用的主动电磁悬架系统，它结合了带有一个被动弹簧的无刷管状永磁作动器。该系统在转弯和制动期间，通过主动侧倾和俯仰控制来提供额外的稳定性和安全性。此外，由于消除道路不平度的是可行的，因此，乘客驾驶舒适性得以提高。根据测量结果,可以计算出作动器的静态特性和动态特性。在四分之一汽车测试中安装电磁悬架系统，其由于使用侧倾控制而得到改进的性能，常与商业被动系统相比较。为了满足热量和体积规格，有人提出使用无槽外部磁性管状作动器的另一种设计。 一．介绍 在未来，主动悬挂系统将取代传统的被动悬架系统，因为汽车设计师将会更关注车辆的稳定性和乘客安全。汽车往往变小（SMART），并合并更高的重心（SUV）和减少占用空间，其增加了当汽车转弯时，带有刚性响应的悬架系时在路况不平时的低偏航驾驶的需求。现在，由于各部分的商业可用性，商业系统由液压与气动作动器组成（例如，雪铁龙，劳斯莱斯，奔驰），其提供了高力能密度和设计便利。然而，这些系统具有相对低的带宽（约1赫兹）[1]，[2]这可能是由于在阀门和压力软管的泄露和泵的带宽限制。此外，这些系统由于需要用于连续加压系统中，因此是低效的。在一般情况下，电磁悬架系统具有非常小的响应时间的，因此，更易于吸收路面的振动和对变车道操作进行反应。商用电磁半主动悬挂系统，是由德尔福公司开发的磁流变阻尼器[3] [4]，（安装在奥迪，凯迪拉克，法拉利上），其中有1毫秒内改变阻尼特性的能力。[5]然而，由于它是一种半主动系统，没有主动力可施加，因此，无法消除所有的侧倾和俯仰。本文提出一种电磁主动悬挂系统，包括：无刷管状永磁作动器（TPMA）[6]，[7]，与机械弹簧[平行8]，[9]。 由于管状结构和超过50赫兹的优异的伺服特性，这些作动器具有比较高的力密度。 此外，电磁作动器允许双向功率流，因此，无论是电动机还是发电机模式都是可能的。前者是用于应用对簧载质量上的主动力来消除侧倾和俯仰运动，而后者是用来吸收路面的振动，用来吸收功率并供给到电池以提供辅助负载的阻尼器。驱动力规特性将在第二节中以基于垂直加速度测量于纽博格林试驾过程中得到。在第三节，原理将通过内部设计的测量和用于模仿侧倾的四分之一车辆测试来证明。由于重新设计悬架是一种昂贵的解决方案， 本文在第IV节提出了是“即插即用”的悬架系统，这意味着其体积的规格是基于目前的被动悬架系统，包括低电压应用（普通车）和高电压应用（混合动力汽车）。在第五节，无槽式TPMA将通过优化，来表明反转的哈尔巴赫磁化拓扑提供了最高的力密度。 论文2008-IDC-121.R1，在2008年10月5日至10月9日于加拿大埃德蒙顿召开工业应用学会年会上提出，并被工业委员会应用学会批准在《IEEE交易工业行业应用》发上出版。手稿于审查2008年10月31日提交以审查，并于2009年3月3日发表，2009年7月14日出版。;当前版本于2009年9月18日公布，这项工作得到了SKF的支持。 作者就职于荷兰埃因霍温科技大学电气科技部门（电子邮件：BLJGysen@tue.nl; jlgjanssen@tue.nl; jjhpaulides@tue.nl; e.lomonova@ tue.nl）。 论文中多张图片的彩色版本可在网站上浏览。 数字对象识别码：10.1109/TIA.2009.2027097 二．系统特性 为了设计能够消除侧倾和俯仰行为的悬架系统，需要确定作用在簧下质量和簧载质量的力。例如，快速转弯时，离心力趋向与使车围绕着滚动轴转动，这导致一个不平衡的负载或从内侧传递到外侧车轮的负载。 如图一，轮胎的垂直动态里可用下面式子进行计算： 图一用与计算侧偏力的二分之一车身模型 表1. 车辆测试的参数 其中，ay 是转弯时的离心加速度，垂直力在轮胎上施加的簧下质量Fu和簧载质量 Fs。。由下式计算得 其中，muf 和 mur分别 是前轴和后轴的簧下质量，ψm分别是簧载质量作用在前轴的比率。由于作动器的独立性，引入一个前轴的力与后轴间的力的比值 γf ，其为控制汽车保持转向不足提供了可能性，与过度转向相比，转向不足更为安全。由于撑杆的不完全垂直安装，在此引进力比Cf 和Cr 。在德国纽博格林，用一辆宝马530进行单圈驾驶测试测量横向加速度ay。计算作动器的力所用到的参量在表格1里罗列出来。以测得的横向加速度计算所述致动器力的一个短的间隔与转向角，如图2所示，其中，消除所述侧倾角，并使用完整的数据集，峰值为4千牛；有效值为2千牛，分别一起由作动器推导出来。作为比较，马丁等人 [11]表明，为了达到人体舒适性降低界限，有必要获得有效值为1050N的力，以达到“人体舒适性降低界限”，与I