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匹配免充气轮胎的直线电磁作动器结构设计与控制研究

匹配免充气轮胎的直线电磁作动器结构设计与控制研究

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作者：蒋俞江苏大学

学位级别：硕士

轮胎作为车辆与路面接触并产生相互作用的唯一媒介,是车辆行驶系统的关键部件,直接关系到车辆的行驶安全性。传统充气轮胎在高温、高速及重载环境下容易爆胎的缺陷给驾乘人员带来了巨大的安全隐患,而免充气轮胎通过特殊的结构设计和材... 详细信息

轮胎作为车辆与路面接触并产生相互作用的唯一媒介,是车辆行驶系统的关键部件,直接关系到车辆的行驶安全性。传统充气轮胎在高温、高速及重载环境下容易爆胎的缺陷给驾乘人员带来了巨大的安全隐患,而免充气轮胎通过特殊的结构设计和材料应用从根源上避免了不同行驶环境下的爆胎危险,能够实现车辆行驶安全性的跨越式提升。但免充气轮胎质量增加并且径向刚度增大,给高速行驶工况下车辆的乘坐舒适性及车轮接地性带来了负面影响。而轮胎与悬架构成的减振系统关系到车辆的乘坐舒适性、车轮接地性等所有动力学性能。因此,改善免充气轮胎车辆垂向动力学性能最直接有效的方法是进行悬架系统的匹配设计与合理控制。本文在国家自然科学基金面上项目(项目号:51975253)的支持下,建立了包含免充气轮胎的车辆悬架系统模型,探究了免充气轮胎车辆的动力学性能和能量回收潜力,进行了具有基值被动阻尼的直线电磁悬架作动器的结构匹配设计,并提出了被动馈能、主动控制和混合控制三种工作模式,为免充气轮胎车辆的底盘控制提供了理论指导。首先,建立了免充气轮胎垂向力学模型,以及免充气轮胎悬架系统模型,给出了车辆动力学性能和能量耗散的评价指标,并将同规格充气轮胎车辆作为比较对象,分析了免充气轮胎车辆的动力学性能和能量回收潜力,选择了与所设计电磁作动器契合度较高的改进天棚算法作为悬架控制策略,利用遗传算法优化控制参数,并根据作动力输出确定电磁作动器的基值被动阻尼和额定电磁推力两大关键性能参数。然后,对电磁作动器直线电机的类型、拓扑结构以及动子/定子的布置方案进行选取,确定了电机类型为圆筒永磁同步直线电机,并采用动磁体式有槽Halbach的布置方案;对直线电机的基本结构方案做出了初步设计,包括动子/定子长度、极槽数组合、线圈绕组以及极距等;建立了直线电机的数学解析模型,根据推力输出和推力波动性能,对永磁体结构尺寸进行优化设计,确定了轴向充磁永磁体厚度与极距的比值和永磁体与线圈的外半径比值;以最大尺寸设计了铝环,铝环和定子铁芯产生的电涡流阻尼用以满足基值被动阻尼需求;给出了最终的电磁作动器结构参数,性能参数和电机模型。随后,搭建了直线电机的矢量数学模型以及控制系统,针对所设计电磁作动器设计了三种工作模式:被动馈能模式、主动控制模式和混合控制模式,以被动悬架为比较对象,进行仿真分析,包括时域/频域上的动力学响应、作动器作动力和能量回收/消耗情况等。最后为了验证所设计作动器的工作性能以及仿真结果的正确性,进行了电磁作动器的台架试验。特性试验结果表明,电磁作动器基值被动阻尼以及电磁推力性能达到设计要求;控制试验结果表明,车辆动力学响应和能量回收/消耗情况与仿真分析基本一致。

关键词：免充气轮胎直线电磁作动器改进天棚结构设计控制研究

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