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比例式液壓懸吊阻尼器之比例電磁線圈設計分析

摘要"

本研究將應用Flux2D有限元素分析軟體作為比例式液壓懸吊阻尼器用比例式電磁線圈之設計工具。由於比例式液壓懸吊阻尼器具有無段調變阻尼力之能力,因此可用於先進車輛之半主動懸吊系統。其中的關鍵組件:比例式電磁線圈在實現可調阻尼力部分扮演著重要的角色。本文首先將介紹三種不同結構的比例式電磁線圈,第一種具備階梯式錐狀結構設計,其優點為成本低且方便製造,然而有限的的線性行程以及較差的線性度是其主要缺點;第二種為傳統隔磁環式比例電磁線圈,在左右二個導磁材料的中間透過焊接的方式焊上一不導磁材料來構成套筒並用以引導磁力線流向,其優點為結構較為堅固耐壓且線性度佳,但是將無可避免地面對困難的加工過程以及高昂的製造成本。一般而言,比例式電磁線圈若能具備較大的線性行程以及較佳的線性度,則是較好的設計,因此本研究將探討另一種較為新穎的結構設計:利用空氣間隙取代銅環之組合式比例電磁線圈。此種線圈可由許多部件組合而成,由於各個部件特殊的幾何尺寸設計,組合後將會產生一空氣間隙來取代上述第二種設計之隔磁環,如此將可減少加工成本以及複雜度,與前二者相比雖然無法提供最優異的性能以及最低廉的價格,但卻可以在成本、性能及加工複雜度之間取得平衡。最後,本研究將會建立一套自動化線圈性能測試裝置,據以進行理論與實務驗證。

關鍵詞:液壓、比例液壓、比例式電磁線圈、懸吊系統

前言

當汽車駕駛於崎嶇不平道路上,車上的乘客一定會感受到晃動所造成的不適,此時車輛上的懸吊系統對車輛整體舒適性即佔有一席重要的影響地位。懸吊系統的作用是使車輛在操控性與安全性上達到平衡,不同的懸吊系統將提供車輛行徑間不同回饋感受,雖然車輛的舒適性並不完全由懸吊系統所決定,但在車體的架構上扮演著不可或缺的角色。目前常見的懸吊系統,如圖1所示,根據其儲存及釋放能量之方式,可區分為以下三種[1],分別為:被動式懸吊、半主動式懸吊以及主動式懸吊,依照各車型選用其合適的懸吊系統,便可使車輛性能與售價上達到適當的平衡。
以下將分別針對上述三種不同的懸吊系統進行說明。首先,在上述三種懸吊系統之中,被動式懸吊可說是最普遍於市面上的懸吊系統,並且被應用於大多數的車輛,其主要由彈簧、阻尼器和連桿等構成。雖然性能受限但是成本低廉,故仍廣泛應用於各式車輛中,被動式懸吊系統大致可分為以下三種,分別為;雙A臂式懸吊系統、麥花臣懸吊系統以及多連桿式懸吊系統,三者被動式懸吊系統的優缺點比較如表1所示。
然而被動式懸吊系統整體結構僅使用阻尼器與彈簧等被動元件組成,因此無法對懸吊系統施加額外的力量,因此其性能為圖1中所示三者中最差的。接下來說明主動式懸吊系統,其最明顯的優勢即是其可透過額外的致動元件(actuator),對懸吊系統施加額外的力量,簡單來說就是懸吊系統可以「自行產生作用力」,使得懸吊系統可以依據不同使用環境變化而產生最理想之性能。然而,高昂的售價是其主要的缺點且無法避免,因此目前僅常見於售價昂貴之車輛上、火車及捷運等列車上。與前二者相較之下,半主動式懸吊則是極具潛力的設計,透過可調整式阻尼器,隨著不同的使用環境適當的調整阻尼力。雖然此種懸吊系統無法提供如同主動式懸吊的最佳性能,但較低廉的價格以及較簡易的構造仍使其兼具了性能優良且成本仍可接受的雙重優點。
本研究將針對半主動式懸吊系統之比例式液壓懸吊阻尼器用比例式電磁線圈進行設計研究,該比例式電磁線圈主要用於調整半主動式懸吊系統之阻尼力,透過感測器偵測路面行駛狀況提供比例式電磁線圈不同的激磁電流,藉此調整懸吊系統之阻尼力。圖2所示即為本研究所探討之二級式(2-Stage)液壓比例式懸吊阻尼器及其所使用之比例式電磁線圈,該比例式電磁線圈將主要用於無段控制液壓比例式阻尼器之阻尼力
輸出。
比例式電磁線圈中兩項顯著的性能特徵分別是力量/行程曲線以及輸入電流與輸出力量之間的比例特性,因此,液壓比例式懸吊阻尼器將可以透過改變比例式電磁線圈之激磁電流,達到不同阻尼力輸出。在本研究中,將選用Flux2D有限元素分析軟體作為分析設計液壓比例式懸吊阻尼器用比例式電磁線圈之工具。

三種不同設計結構之比例式電磁線圈

參考文獻[2-4],本研究將比例式電磁線圈區分為三種不同結構並分別加以探討。第一種是階梯錐狀式(Stepped Conical)比例式電磁線圈。此種電磁線圈應用了階梯錐狀式的推桿設計,如圖3所示,其優點為低廉的製造成本以及簡易的製造技術門檻,然而,有限的線性出力行程以及較差的出力線性度是其主要的缺點。
第二種結構為傳統隔磁環式比例電磁線圈,其使用一特殊套筒(tube),其由三種不同金屬環焊接而成,如圖4所示,三個金屬環中夾在中間的為非磁性銅環(編號:5),其前後則為導磁金屬環(編號:2、6),此結構主要目的在於引導磁力線以便產生線性的力量/行程關係。然而,較高的製造成本以及較為複雜的加工過程是此種電磁線圈之主要缺點。...更多內容,請見《機械新刊》雜誌

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