汽車饋能懸架的結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計

劉慧軍，陳雙，薛少科

（遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧 錦州 121001）

前言

汽車懸架在路面不平度和發(fā)動機等振源激勵下會產(chǎn)生隨機振動。通常情況下，這部分振動能量會由汽車減振器轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉。然而，全球能源緊缺，自然環(huán)境不斷惡化，發(fā)展節(jié)能技術(shù)已迫在眉睫，如果能將這部分振動能量回收利用，就可以降低汽車能耗，從而節(jié)約能源。本文正是基于這種思想，設(shè)計了一種滾珠絲杠式饋能懸架。

1 饋能懸架結(jié)構(gòu)種類

1.1 滾珠絲杠式懸架結(jié)構(gòu)

滾珠絲杠式饋能懸架[1]主要是由饋能電機、滾珠絲杠機構(gòu)和電池等部分組成。滾珠絲杠式饋能懸架采用旋轉(zhuǎn)型饋能電機，將其布置于減振器的上方，饋能電機轉(zhuǎn)子與滾珠絲杠機構(gòu)相連，通過滾珠絲杠機構(gòu)將車身沿軸向上下往復(fù)的線性運動轉(zhuǎn)變?yōu)殡姍C轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動。饋能電機與滾珠絲杠機構(gòu)組成饋能元件，將回收的能量進(jìn)行儲存并再次利用。

滾珠絲桿式饋能懸架的電機與滾珠絲杠機構(gòu)安裝在同一條直線上，且結(jié)構(gòu)尺寸與傳統(tǒng)減振器略有不同，所需的安裝空間小，安裝方便。滾珠絲杠式饋能懸架的傳動裝置是無間隙配合，傳動效率較高，饋能效率較高。滾珠絲杠和饋能電機是滾珠絲杠式饋能懸架的關(guān)鍵部件，價格昂貴，制造成本高。

1.2 電磁線圈感應(yīng)式懸架結(jié)構(gòu)

電磁線圈感應(yīng)式饋能懸架[2]工作原理是利用電磁感應(yīng)定律，將磁體固定在汽車懸架上，當(dāng)汽車行駛在不平路面發(fā)生振動時，磁體隨著懸架一起做往復(fù)的垂直振動，此時磁體不斷地切割磁感線產(chǎn)生電流，這些電流經(jīng)過整流后儲存在蓄電池中并再次利用。

電磁線圈感應(yīng)式饋能懸架可以將機械能直接轉(zhuǎn)化為電能，其饋能效率高，但這種結(jié)構(gòu)也有很多弊端，由于磁體直接固定在懸架上，當(dāng)懸架受到路面沖擊時，懸架的其他部件會與線圈發(fā)生碰撞，可能造成饋能機構(gòu)失效，另外，這種饋能懸架產(chǎn)生的內(nèi)在阻尼力偏小，因此電磁線圈式饋能懸架目前僅僅停留在理論分析層面，需要進(jìn)一步的深入研究。

1.3 液電式懸架結(jié)構(gòu)

液電式饋能懸架是一種將機械能、液壓能和電能相互轉(zhuǎn)化的饋能懸架[3]。當(dāng)汽車行駛在不平路面發(fā)生振動時，液電式饋能懸架的饋能裝置將車身垂直振動的能量轉(zhuǎn)化為液壓缸內(nèi)的液壓能，然后通過整流橋的作用，液壓能帶動液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動，最后帶動電機發(fā)電，將這部分電能儲存在蓄電池中并再次利用。

液電式饋能懸架搭載了一套電磁饋能裝置，饋能效率高，但這套電磁饋能裝置和液壓管道明顯增加了車身的重量，增加了汽車油耗，因此成本較高。

2 饋能懸架結(jié)構(gòu)的綜合評價

通過上述三種饋能懸架結(jié)構(gòu)和工作原理的介紹，液電式饋能懸架雖然工作穩(wěn)定性好、饋能效率高，但由于增加了液壓管道以及電磁饋能裝置，增加了車身重量，進(jìn)而增加了油耗，成本較高。電磁線圈感應(yīng)式饋能懸架饋能效率高、操作方便，但因自身結(jié)構(gòu)和懸架空間的影響造成懸架穩(wěn)定性差。相比之下，滾珠絲杠式饋能懸架具有很好的發(fā)展前景，通過用滾珠絲杠機構(gòu)、饋能電機等裝置代替了傳統(tǒng)的液壓減振器，其優(yōu)點如下：

（1）滾珠絲杠機構(gòu)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，使用壽命長，抗干擾能力強，故滾珠絲杠式饋能懸架結(jié)構(gòu)可靠性好。

（2）滾珠絲杠式饋能懸架的傳動裝置即滾珠絲杠機構(gòu)基本都是無間隙配合，傳動效率很高。

（3）滾珠絲桿式饋能懸架的電機與滾珠絲杠機構(gòu)安裝在同一條直線上，且結(jié)構(gòu)尺寸與傳統(tǒng)減振器略有不同，因此安裝性好。

3 電機的選用

現(xiàn)有的相關(guān)研究文獻(xiàn)[4]大部分采用的是直線電機，因為直線電機優(yōu)點很明顯，可以直接驅(qū)動，而且結(jié)構(gòu)靈活。但是也存在較多的缺點，比如漏磁通大、功率低、效率低、支持機構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴等[5]。考慮到電氣性能及成本，本文選擇采用旋轉(zhuǎn)型電機，配合滾珠絲杠機構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動。

常用的旋轉(zhuǎn)型電機有無刷直流電機、有刷直流電機和交流異步電機三大類，它們的綜合特性比較如表1 所示。

直流無刷電機既具備直流電機調(diào)速性能好、無勵磁損耗以及運行效率高等特點，又具備交流電機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點。

表1 三大類電機綜合性能比較

考慮到饋能電機作為作動器，將運用于車輛底盤，裝配空間有限，對起動轉(zhuǎn)矩及效率要求較高，因此選擇體積小、起動轉(zhuǎn)矩較大的永磁直流無刷電機作為饋能電機。

4 饋能懸架結(jié)構(gòu)和工作原理

本文設(shè)計以遼寧工業(yè)大學(xué)萬得純電動方程式賽車E04 為原型車，根據(jù)其后懸架系統(tǒng)參數(shù)，設(shè)計了滾珠絲杠式饋能懸架減振器。滾珠絲杠式饋能懸架的減振器外觀上與傳統(tǒng)減振器相似，尺寸方面略有不同。此減振器的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由上吊環(huán)（1）、上缸蓋（2）、饋能電機（3）、上缸筒（4）、聯(lián)軸器（5）、絲杠螺桿（6）、絲杠螺母（7）、下缸筒（8）、下吊環(huán)（9）等部分組成。上吊環(huán)（1）與上缸蓋（2）是一體的，上缸筒（4）與上缸蓋（2）之間為螺紋連接，饋能電機（3）置于上缸筒（4）內(nèi)，在上缸蓋（2）和上缸筒（4）的固定制約下，相對于兩者靜止。滾珠絲杠由絲杠螺桿（6）和絲杠螺母（7）組成，電機轉(zhuǎn)子（10）通過聯(lián)軸器（5）與絲杠螺桿（6）相連，絲桿螺母（7）與下缸筒（8）之間為螺紋連接，下缸筒（8）與下吊環(huán)（9）是一體的。上吊環(huán)（1）固定于車身銷軸處，下吊環(huán)（9）固定于車輪銷軸處。

當(dāng)汽車行駛于不平路面時，饋能懸架的減振器隨路面不平作往復(fù)運動，與車輪相連的下吊環(huán)（9）相對于與車身相連的上吊環(huán)（1）作線性運動，絲杠螺母（7）和下缸筒（8）在上缸筒（4）內(nèi)沿軸向作上下平動，帶動絲杠螺桿（6）和電機轉(zhuǎn)子（10）作正反轉(zhuǎn)動，饋能電機根據(jù)控制指令工作于電動機或發(fā)電機模式，從而緩沖和衰減由路面不平引起的車身沖擊和振動，并且可以回收能量。

5 總結(jié)

首先介紹了常用的三種饋能懸架，分析了這些饋能懸架的工作原理，客觀描述了這些饋能懸架的優(yōu)點以及存在的不足，通過對比分析，提出滾珠絲杠式饋能懸架是最可行的結(jié)構(gòu)方案。

然后進(jìn)行饋能電機的選用。考慮到饋能電機作為作動器，將運用于車輛底盤，裝配空間有限，對起動轉(zhuǎn)矩及效率要求較高，因此選擇體積小、起動轉(zhuǎn)矩較大的永磁直流無刷電機作為饋能電機。

最后，以遼寧工業(yè)大學(xué)萬得純電動方程式賽車為原型車，根據(jù)其后懸架系統(tǒng)參數(shù)，設(shè)計了滾珠絲杠式饋能懸架減振器。