單向絲桿-液電式饋能懸架的設(shè)計與分析

萬昳妤，錢宇晨，李天賜，張子澄，李長玉

（廣州城市理工學(xué)院 汽車與車輛工程學(xué)院，廣東 廣州 510800）

1 饋能懸架的現(xiàn)況分析與發(fā)展前景

1.1 研究背景

在能源消耗問題日益嚴峻的情況下，發(fā)展相應(yīng)的節(jié)能科技已成為世界汽車產(chǎn)業(yè)的主要旋律之一。在汽車能量使用方面有許多使用不合理的地方，如在汽車剎車時對減速器采用摩擦的方式，通過制動器直接將汽車行駛的能量轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉；利用元件之間產(chǎn)生的摩擦力來達到車身平穩(wěn)的目的，卻大量浪費了摩擦過程中生成的熱量等。如果可以減少或直接消除這些能量的浪費，并回收利用這些損耗的能量，將會大幅度降低汽車能耗，從而節(jié)約能源，減少浪費。

對于大部分汽車來說，車輛在運動時的功率損耗較高，為了在降低功率損耗的同時滿足汽車運轉(zhuǎn)對能量效率的需求，通過回收利用被阻尼器消耗的能量來優(yōu)化此類汽車的能耗問題。

如今大部分車輛采用的是被動懸架系統(tǒng)，該系統(tǒng)不能根據(jù)汽車行駛工況改變自身性能，因此，車輛的性能得不到提高。為了讓車輛在各種行駛工況下正常工作，通常將被動懸架剛度和阻尼參數(shù)折中選取以達到平衡車輛工況的目的，但是這種方法限制了車輛本身的靈活度和實用性。饋能懸架的阻尼系數(shù)可以根據(jù)實際的工況進行實時的監(jiān)控和改變，并且饋能原件在汽車行駛過程可作為作動器使用。這種懸架的應(yīng)用不僅減少了車輛的能源消耗，也增加了懸架系統(tǒng)的可控性。

1.2 饋能懸架的現(xiàn)實意義

大多數(shù)汽車的懸架系統(tǒng)主要由彈性元件、減振器和導(dǎo)向機構(gòu)等組成。懸架系統(tǒng)可以把車輪受到路面的作用力和反力所產(chǎn)生的力矩傳遞到車架或者車身上，是汽車正常行駛的保證。汽車車輪在不平整的路面高速行駛時，常常會受到路面高強度的直接沖擊反力，懸架中的彈性元件和減振器極大地緩沖這部分力，起到迅速衰減振動的作用，提升駕駛舒適感，并有效避免貨物損壞的可能性，保證了車體的穩(wěn)定性。在緩沖過程中，傳統(tǒng)被動懸架系統(tǒng)往往以熱能的形式耗散絕大部分的懸架振動能量，這種能量的損耗是汽車懸架能源耗費的直接來源。本文中的饋能式懸架，能夠回收利用汽車懸架系統(tǒng)振動的能耗，提高整車燃油經(jīng)濟性，符合環(huán)保理念。

1.3 懸架的分類

1.3.1 傳統(tǒng)懸架的分類

目前，懸架按設(shè)計體系分類有單獨懸架系統(tǒng)與非單獨懸架系統(tǒng)，而單獨懸架體系包括橫臂式、縱臂式、多連桿型、燭式和麥弗遜式懸架。

1.3.2 饋能懸架的分類

汽車的饋能懸架按照能量回收方法可以分為壓電儲能式、電磁儲能式、液壓儲能式三種。其中壓電儲能式饋能懸架與傳統(tǒng)的懸架系統(tǒng)相似，其饋能方式是在原來懸架的彈簧和車身的連接處加裝一個具有壓電效應(yīng)的元件，在汽車行駛時，由于汽車車輪與路面會產(chǎn)生沖擊，從而導(dǎo)致懸架系統(tǒng)的振動，此時該元件因不斷地受到拉伸和壓縮而產(chǎn)生壓電效應(yīng)，這種效應(yīng)將懸架系統(tǒng)振動的動能轉(zhuǎn)化為電能吸收儲存起來。

電磁儲能式饋能懸架相對較為復(fù)雜，其設(shè)計原理是在傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)上將減震器改換為電磁作動器。在汽車行駛時，由于振動使汽車的車輪與車身之間具有相對運動，使電磁作動器中的線圈切割磁感線產(chǎn)生電流。液壓儲能式饋能懸架利用液壓原理來實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化，在汽車行駛過程中，安裝在傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)上的液壓元件會在車輪與地面沖擊時進行收縮和拉伸，從而將沖擊的振動能量轉(zhuǎn)化為液壓能吸收儲存起來。

1.4 饋能懸架的發(fā)展前景

近年來，汽車的電氣化程度隨著電子科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展而變得愈來愈高。由于先進的電氣元件的發(fā)展和應(yīng)用，使得饋能懸架技術(shù)能在更大程度上為未來汽車懸架控制系統(tǒng)電子化的設(shè)計提供扎實的基礎(chǔ)，同時也為汽車的底盤設(shè)計及底盤一體化提供幫助，因此，研究開發(fā)出一套能夠回收能耗，又可以極大地提高車輛性能的懸架系統(tǒng)很有現(xiàn)實意義。

1.5 饋能懸架現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點

（1）現(xiàn)有的饋能系統(tǒng)的機電轉(zhuǎn)換效率較不理想，工作效率較低。

（2）存在著動能回收和汽車振動主動控制之間相互矛盾的制約因素，使回收汽車振動能力相對較低。

（3）饋能系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，難以進行保養(yǎng)和維修；并且額外的機械結(jié)構(gòu)會增加汽車的整體質(zhì)量，增加耗油量，與節(jié)能減排的理念相違背。

（4）某些類型的饋能懸架系統(tǒng)運營需要額外的零部件，例如液壓馬達型饋能懸架需要轉(zhuǎn)向器和增速器來協(xié)助能量的回收和再利用，增加了汽車懸架系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

（5）傳統(tǒng)的饋能懸架系統(tǒng)的工作效率會因為不同的路況而發(fā)生改變。陡峭崎嶇的路面往往對汽車懸架系統(tǒng)瞬間的沖擊力較平穩(wěn)路面時大得多，工作效率的不確定性使能量回收值不穩(wěn)定，不能形成穩(wěn)定的電流。

2 單向絲桿-液電式饋能懸架的特點

2.1 懸架的外觀特點

本文提出的懸架是一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化過的單向絲桿-液電式饋能懸架，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，外部總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，局部視圖如圖3所示。

圖1 饋能懸架去除懸架外套

圖2 外部總體結(jié)構(gòu)

圖3 局部視圖

該懸架利用巧妙的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，在充分發(fā)揮了傳統(tǒng)油液懸架和現(xiàn)代饋能懸架的各個優(yōu)點的同時，改善了現(xiàn)有饋能懸架的種種弊端。當(dāng)車輪受到來自地面的力或者力矩時，減振器就會將力或者力矩吸收，將絕大部分的振動能量通過絲桿和軸承的運動轉(zhuǎn)化為電能。在饋能懸架吸收并轉(zhuǎn)化能量的同時，力和力矩得到了一定的緩沖，減少了對機構(gòu)零件的沖擊，延長了機械的使用壽命，具有結(jié)構(gòu)良好、節(jié)能減排和提高燃油經(jīng)濟性的優(yōu)點。

2.2 懸架的相關(guān)參數(shù)

2.2.1 懸架結(jié)構(gòu)簡述

該懸架由液壓執(zhí)行元件、液壓馬達、蓄能器、單向閥、液壓管路、發(fā)電機、蓄電池等組成，其結(jié)構(gòu)簡化圖如圖4所示，作用原理是將滾珠絲杠的上下往復(fù)運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動，驅(qū)動電動機發(fā)電。

圖4 饋能懸架簡化圖示

2.2.2 懸架外套

懸架外套相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 懸架外套相關(guān)參數(shù)

2.2.3 推力軸承

推力軸承相關(guān)參數(shù)如表2所示，推力軸承剖視圖如圖5所示。

圖5 推力軸承剖視圖

表2 推力軸承相關(guān)參數(shù)

2.2.4 上端絲桿

上端絲桿相關(guān)參數(shù)如表3所示，其裝配位置如圖4中標(biāo)號12所示。

表3 上端絲桿相關(guān)參數(shù)

2.2.5 其余結(jié)構(gòu)參數(shù)

懸架耳環(huán)如圖6所示，相應(yīng)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 懸架耳環(huán)參數(shù)

圖6 懸架耳環(huán)

單向絲桿-液電式饋能懸架的滾珠絲杠直線導(dǎo)桿、絲杠、聯(lián)軸器的相關(guān)參數(shù)如表5、表6、表7所示，其中聯(lián)軸器如圖4中標(biāo)號5所示。

表5 滾珠絲杠直線導(dǎo)桿相關(guān)參數(shù)

表6 絲杠相關(guān)參數(shù)

表7 聯(lián)軸器相關(guān)參數(shù)

3 單向絲桿-液電式饋能懸架的創(chuàng)新性

本設(shè)計利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，充分吸取了傳統(tǒng)油液懸架和現(xiàn)代電磁饋能懸架的各個優(yōu)點，并進行了創(chuàng)新性改良。

單向絲桿-液電式饋能懸架采用液電相結(jié)合的方式進行路面振動能量回收。汽車正常行駛時，吸收由于地面不平整造成車體振動的機械能，將其轉(zhuǎn)化成電能供汽車使用。在復(fù)雜不平穩(wěn)的道路上，油液能夠很好地緩沖巨大的瞬時機械能量，將無規(guī)律振動能量化為規(guī)律的機械能量，同時對懸架及其減振器起到了一定的保護作用，有效延長使用壽命，降低了維修成本，符合節(jié)能減排和低碳經(jīng)濟發(fā)展的理念。

該懸架的減震器采用新式結(jié)合型減震器，其主要優(yōu)點是推力體積大、傳動效率高、過載能力強和動態(tài)響應(yīng)性好。本設(shè)計利用軟件CATIA對單向絲桿-液電式饋能懸架建模，其軸側(cè)視圖如圖7所示，利用目前所熱門研究的液電式減震器與此相結(jié)合，加大了能量的回收效率，同時也保證了絲桿工作的平順。

圖7 軸測視圖

此外目前已有的饋能減振器未包含換向和加速的機構(gòu)，本設(shè)計有效避免了這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和在傳動過程中的摩擦，利用單向軸承來取代傳統(tǒng)單向離合器，使得饋能減振器中的轉(zhuǎn)動部件可以從雙向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成單向轉(zhuǎn)動，從而降低了由于齒輪在配合過程中間隙所帶來的空程傳動損失以及對齒輪傳動中的沖擊，進而增加饋能減振器的可靠性，也因此大大提高了傳統(tǒng)單向轉(zhuǎn)動饋能減振器的能源利用效果，其俯視圖如圖8所示。除此之外，單向軸承使用成本低，購買方式及維修型號都已標(biāo)準(zhǔn)化，可針對不同的載重車輛對單向軸承進行調(diào)試，減少了此懸架在日常使用時維護的成本。

圖8 單向軸承俯視圖

4 結(jié)束語

本文提及的單向絲桿-液電式饋能懸架，利用結(jié)構(gòu)優(yōu)勢充分發(fā)揮了傳統(tǒng)油液懸架和現(xiàn)代饋能懸架的各個優(yōu)點，減小了傳統(tǒng)懸架和現(xiàn)代饋能懸架的種種弊端，具有節(jié)能減排、結(jié)構(gòu)良好和提高燃油經(jīng)濟性的優(yōu)點，實現(xiàn)汽車懸架緩震、回收振動能量、轉(zhuǎn)化能量、利用能量、提高駕駛感和乘客的乘坐舒適性的多種要求，能夠有效地將懸架接收的振動能量通過發(fā)電機和液力發(fā)電機轉(zhuǎn)化為可用的電能，從而減少能源的消耗。本文研究方向是饋能型懸架領(lǐng)域的研究熱點，未來更節(jié)省能源的饋能式懸架將得到更加廣泛的應(yīng)用。