汽車(chē)饋能減震器方案設(shè)計(jì)及其性能探討

摘要：饋能減震器屬于新型的減震器，在設(shè)計(jì)汽車(chē)饋能減震器檢測(cè)方案的過(guò)程中，需要了解饋能減震器起到的作用。饋能減震器可以將多余能量轉(zhuǎn)化為汽車(chē)所需的動(dòng)能，解決汽車(chē)發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)的各項(xiàng)問(wèn)題；可以回收能量并將提取的能量提供給汽車(chē)電池，增加汽車(chē)的行駛距離；還可以滿(mǎn)足新能源交通工具的電力循環(huán)，提升車(chē)輛運(yùn)行效率。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)；饋能減震器；設(shè)計(jì)研究；性能分析

汽車(chē)受路況等因素影響，自身結(jié)構(gòu)很容易產(chǎn)生沖擊負(fù)載，例如，汽車(chē)自身的簧下質(zhì)量。雖然汽車(chē)懸架自身帶有彈性，吸收了一部分沖擊荷載，但汽車(chē)震動(dòng)將一直存在，必須對(duì)懸架進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)?？蚣苤械臏p震器可防止震動(dòng)，但是傳統(tǒng)的減震器是將機(jī)械震動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)到大氣中，實(shí)現(xiàn)減震功能，但產(chǎn)生的熱量也會(huì)影響減震器的壽命。對(duì)于節(jié)能減排，因?yàn)槲覈?guó)提出了合理的改進(jìn)方案以及優(yōu)化建議，所以汽車(chē)制造商必須貼合我國(guó)現(xiàn)有的發(fā)展目標(biāo)，確保傳統(tǒng)減震器的設(shè)計(jì)能夠符合環(huán)保要求，解決發(fā)展中出現(xiàn)的各項(xiàng)問(wèn)題。饋能式減震器不僅起到阻尼作用，而且將傳統(tǒng)減震器耗散的部分能量以熱能的形式返回，以增加汽車(chē)的動(dòng)能，因此饋能式減震器很好地迎合了目前汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的需求?，F(xiàn)階段，續(xù)航里程不足是影響汽車(chē)發(fā)展的主要原因，而饋能減震器可以回收能量并將提取的能量提供給汽車(chē)的電池。伴隨著大力發(fā)展汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的需要和以提高汽車(chē)能效為抓手，汽車(chē)吸能減震器的設(shè)計(jì)與性能研究正在展開(kāi)。在能源緊缺、環(huán)境惡化的條件下，我國(guó)實(shí)施汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展不僅具有重大的科學(xué)意義，而且?guī)?lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

一、饋能減震器的設(shè)計(jì)分析

（一）液電式

液壓動(dòng)力源的減震器是機(jī)電液耦合系統(tǒng)采用液壓泵替代傳統(tǒng)減震器。液壓泵的組成包含了液壓泵、馬達(dá)、發(fā)電機(jī)等各項(xiàng)設(shè)備，這些設(shè)備共同組成了減震器，發(fā)揮應(yīng)有功能。液壓減震器的工作原理是車(chē)輛在崎嶇不平的道路上行駛時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)使液壓缸內(nèi)的活塞桿上下運(yùn)動(dòng)，液壓缸內(nèi)的油流向液壓泵四個(gè)單向閥和一個(gè)拉伸沖程。當(dāng)液壓泵仍處于壓縮沖程時(shí)，油液只能從液壓熨平板橋通過(guò)一個(gè)出口流到液壓蓄能器進(jìn)行調(diào)節(jié)。油液可帶動(dòng)葉小馬達(dá)，如液壓馬達(dá)能夠完成有效驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)精準(zhǔn)發(fā)電。將油液輸送回壓熨平板，通過(guò)壓熨平板的矯正作用，可以促進(jìn)油液出現(xiàn)科學(xué)循環(huán)，通過(guò)循環(huán)加快能量轉(zhuǎn)換，使汽車(chē)運(yùn)行可以達(dá)到發(fā)展要求。汽車(chē)懸架受到外部因素的影響會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)機(jī)械能力，能夠更好地推動(dòng)活塞，使機(jī)械能化為流體動(dòng)能，流體驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，所以饋能減震器量回收的全過(guò)程是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為油動(dòng)能，最后轉(zhuǎn)化為電能（如下圖所示）。

1.優(yōu)勢(shì)

（1）當(dāng)汽車(chē)受到較大沖擊時(shí)，穩(wěn)定的電池電壓可以減少?zèng)_擊，因此液壓減震器抗沖擊能力強(qiáng)，可靠性好。

（2）當(dāng)單向閥布置妥當(dāng)時(shí)，液壓熨平板橋的油液?jiǎn)蜗蛄鲃?dòng)，液壓馬達(dá)必須單向運(yùn)動(dòng)，所以發(fā)電機(jī)單向旋轉(zhuǎn)。往復(fù)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，增加了發(fā)電所需的時(shí)間。延長(zhǎng)機(jī)器壽命，提高動(dòng)態(tài)減震器的能量回收效率。

（3）通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥開(kāi)度可以改變阻尼比，從而增加阻尼比的可調(diào)范圍和更好的阻尼比適應(yīng)性。

2.弱點(diǎn)

（1）能量可以實(shí)現(xiàn)多次轉(zhuǎn)換傳遞，因此機(jī)械能需要根據(jù)能量調(diào)節(jié)，首先轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，隨后再調(diào)節(jié)為電能。針對(duì)液壓減震器的阻尼力，可以完成調(diào)節(jié)閥的節(jié)流。在后續(xù)設(shè)計(jì)上，有可能會(huì)發(fā)生不良摩擦，降低了液壓減震器的傳感效率，導(dǎo)致待速路徑可能因設(shè)計(jì)不當(dāng)而扭曲。

（2）密封件和液壓系統(tǒng)部件的制造精度高，生產(chǎn)成本高。液壓系統(tǒng)很大，還需要其他組件，例如電池、管道和油源。

（二）滾珠絲杠式

滾珠絲杠式吸能減震器主要結(jié)構(gòu)有兩種，一種是滾珠絲杠機(jī)構(gòu)，另一種是旋轉(zhuǎn)電機(jī)。通常，滾珠螺母安裝在下輪轂上，電機(jī)安裝在上輪轂上，上氣缸和下氣缸分別連接到簧載質(zhì)量和非簧載質(zhì)量。當(dāng)汽車(chē)受到外力時(shí)，彈簧與非彈簧之間存在相對(duì)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，滾珠絲杠機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換減震器的上下運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的前后旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生電能回收滾珠絲杠式吸能減震器的能量，利用電機(jī)產(chǎn)生的電磁力作為動(dòng)能。

1.優(yōu)勢(shì)

（1）阻尼系數(shù)主要和滾珠絲杠導(dǎo)程以及齒輪矩形有關(guān)。如果導(dǎo)程出現(xiàn)變化可以改變阻尼系數(shù)，并且可以在更大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)阻尼比，使阻尼比擬合得更好。

（2）滾珠絲杠式吸能減震器與電機(jī)在一條線(xiàn)上安裝，結(jié)構(gòu)尺寸小，安裝性好。

（3）滾珠絲杠式機(jī)構(gòu)運(yùn)行效率較高并且較為精準(zhǔn)，使用壽命長(zhǎng)，因此滾珠絲杠式減震器的可靠性高。

2.弱點(diǎn)

（1）如果不裝機(jī)械整流器，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子容易經(jīng)常來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)，縮短電機(jī)的壽命，造成大量“慣性損失”。

（2）滾珠絲杠設(shè)計(jì)適用于低頻勵(lì)磁，但對(duì)高頻勵(lì)磁效果不佳。

（3）減震器滾珠絲杠承載能力較弱，當(dāng)承載能力較高且偏向走向時(shí)，絲杠自身有可能會(huì)出現(xiàn)彎曲變形等問(wèn)題，影響最終效果。

（4）滾珠絲杠定位精度高，加工成本高。

（三）直線(xiàn)電機(jī)式

直線(xiàn)電機(jī)可以被認(rèn)為是一個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)被半徑切割并被平滑，直線(xiàn)電機(jī)可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，無(wú)須任何中介。直線(xiàn)電機(jī)式動(dòng)力輸入阻尼器調(diào)整動(dòng)力阻尼器上缸內(nèi)的直線(xiàn)電機(jī)磁鐵，使直線(xiàn)電機(jī)線(xiàn)圈組安裝在動(dòng)力阻尼器下缸內(nèi)。電源減震器的上下氣缸分別連接到汽車(chē)的簧上和簧下。由于簧上和簧下之間的相對(duì)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，磁力線(xiàn)被切斷產(chǎn)生電能恢復(fù)減震器的能量，同時(shí)磁力線(xiàn)被切斷。

1.優(yōu)勢(shì)

（1）直線(xiàn)電機(jī)直接將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，能量傳遞時(shí)間短，傳遞效率高。

（2）直線(xiàn)電機(jī)體積小，所以直線(xiàn)電機(jī)動(dòng)力阻尼器的耦合更好。

2.弱點(diǎn)

（1）直線(xiàn)電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，漏電流大，不增加其他傳動(dòng)裝置。直線(xiàn)電機(jī)動(dòng)力減震器的阻尼器所提供的阻尼系數(shù)較小，汽車(chē)所需的阻尼難以達(dá)到，因此其阻尼系數(shù)的適用性較差。

（2）直線(xiàn)電機(jī)價(jià)格昂貴，支撐結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易碎，制造成本高，結(jié)構(gòu)可靠性一般。

（3）直線(xiàn)電機(jī)的效率和功率因數(shù)等電氣特性較低，因此直線(xiàn)電機(jī)功率阻尼器的能量回收效率一般。

（四）齒輪齒條式

齒輪齒條式減震器主要由齒輪機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)組成，活塞和小齒輪分別安裝在電源阻尼器的上下氣缸上。減震器上筒與彈簧進(jìn)行連接能夠達(dá)到減震的效果。減震器下缸體與簧上進(jìn)行連接，能夠推動(dòng)齒輪進(jìn)行直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，并促進(jìn)齒輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)工作，將減震器的上下運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電機(jī)軸的雙向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，恢復(fù)齒輪齒條的供電減震器，并將電機(jī)中的電磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)闇p震器，從而降低車(chē)輛的震動(dòng)情況，達(dá)到減震的目的。

1.優(yōu)勢(shì)

（1）齒輪齒條能量輸入減震器的參數(shù)，確定齒輪半徑以及轉(zhuǎn)動(dòng)比平方。改變驅(qū)動(dòng)半徑以及傳動(dòng)比就可以達(dá)到改變阻尼比的目的，從而可以在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)阻尼比。因此，其衰減系數(shù)的適用性非常好。

（2）活塞和小齒輪供電減震器結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便。

（3）齒輪齒條承載能力高，可高速使用，使用壽命長(zhǎng)，生產(chǎn)成本比滾珠絲杠低。

2.弱點(diǎn)

（1）齒輪機(jī)構(gòu)傳統(tǒng)的過(guò)程中如果精度較低，可能會(huì)出現(xiàn)裝配精度較差的情況，還會(huì)產(chǎn)生較大噪聲。

（2）如果電機(jī)中缺少機(jī)械整流橋，電機(jī)轉(zhuǎn)子會(huì)經(jīng)常來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)，這會(huì)極大地影響電機(jī)的壽命和電源減震器的能量回收效率［1］。

二、饋能減震器結(jié)構(gòu)方案

（一）設(shè)計(jì)原則

阻尼系數(shù)適用性?xún)?yōu)化原則。懸架質(zhì)量以及彈簧夾剛度對(duì)于減震器阻尼比起到?jīng)Q定性作用。阻尼系數(shù)反映了饋能減震器的減震能力，對(duì)駕駛舒適性和車(chē)輛安全具有重要意義。不同車(chē)型的避震器是不一樣的，比如SUV車(chē)型的避震器比普通車(chē)要大，汽車(chē)懸架所需的阻尼系數(shù)有一定的取值范圍。如果減震器的阻尼系數(shù)在一定范圍內(nèi)，可以保證車(chē)輛的駕駛舒適性和安全性會(huì)更好。因此，在設(shè)計(jì)動(dòng)力減震器時(shí)，必須保證動(dòng)力減震器的阻尼系數(shù)與車(chē)輛的懸架特性相適應(yīng)，滿(mǎn)足減震器的阻尼功能，否則供電用的減震器就沒(méi)有用了［2］。

最優(yōu)配對(duì)原則。連接動(dòng)力減震器與在車(chē)輛懸架系統(tǒng)中安裝動(dòng)力減震器是否簡(jiǎn)單有關(guān)，還是需要更改車(chē)輛的原始懸架設(shè)計(jì)或車(chē)輛的質(zhì)量和體積，這些功能是否會(huì)對(duì)支架的可用性產(chǎn)生不利影響，而避震器在汽車(chē)懸架中的安裝空間有限，因此設(shè)計(jì)的電源避震器的體積必須盡可能小。過(guò)大的減震器質(zhì)量會(huì)對(duì)車(chē)輛的舒適性和安全性產(chǎn)生不利影響，同時(shí)會(huì)增加車(chē)輛的質(zhì)量并消耗更多的能量，這與動(dòng)力減震器的原始設(shè)計(jì)背道而馳。避震器的重量要盡可能低，如果需要改變汽車(chē)原有的懸掛結(jié)構(gòu)，加裝動(dòng)力避震器會(huì)增加成本，不利于動(dòng)力避震器的推廣。因此，電源減震器的設(shè)計(jì)必須根據(jù)阻尼系數(shù)調(diào)整原則進(jìn)行調(diào)整。

吸能減震器存在的目的是抑制震動(dòng)，因此它們還可以回收一些原本由傳統(tǒng)減震器以熱量形式消散的能量。因此，性能如果符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，吸收器能夠直接體現(xiàn)能量回收量，與生產(chǎn)成本一起決定了所供給能量的市場(chǎng)價(jià)值。如果吸能減震器的能量回收效率較高，就說(shuō)明吸收器能量回收量較多，能夠達(dá)到較高的節(jié)能效果。

生產(chǎn)成本能夠?qū)?dòng)態(tài)減震器的市場(chǎng)價(jià)值起到?jīng)Q定性作用。動(dòng)態(tài)減震器的設(shè)計(jì)要能夠降低生產(chǎn)資金的投入，如果動(dòng)態(tài)減震器生產(chǎn)成本較高，汽車(chē)制造商和用戶(hù)可能更傾向于傳統(tǒng)避震器，這不利于電動(dòng)避震器的推廣。因此，供能式減震器的設(shè)計(jì)也必須符合生產(chǎn)成本最低的原則［3］。

（二）結(jié)構(gòu)方案

下面根據(jù)現(xiàn)有電源減震器設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)以及上述供能減震器設(shè)計(jì)原則，對(duì)電源減震器設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳細(xì)評(píng)價(jià)，進(jìn)而選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)形式。根據(jù)前吸式減震器的設(shè)計(jì)原則，前兩項(xiàng)設(shè)計(jì)原則比后兩項(xiàng)設(shè)計(jì)原則更為重要。電液供電減震器的阻尼系數(shù)可以根據(jù)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的調(diào)節(jié)而改變，從而使阻尼系數(shù)的調(diào)節(jié)范圍更廣，因此其阻尼系數(shù)的適應(yīng)性更強(qiáng)。液電式減震器包括電池、管路、油源等部件體積大，連接不良。通過(guò)改變系統(tǒng)導(dǎo)線(xiàn)的尺寸和傳動(dòng)比，可以改變吸能阻尼器的阻尼系數(shù)，使阻尼系數(shù)可以在更大的范圍內(nèi)調(diào)整。因此，吸能阻尼器的阻尼系數(shù)根據(jù)滾珠絲杠進(jìn)行調(diào)整。另外，滾珠絲杠與電機(jī)呈直線(xiàn)安裝，結(jié)構(gòu)尺寸小，聯(lián)軸器好。

（三）模塊化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)齒輪齒條式減震器的具體工作原理如下：車(chē)輛行駛在道路上時(shí)，由于路面不均勻，車(chē)輛懸架產(chǎn)生上下震動(dòng)，由上動(dòng)力缸提供阻尼。饋能減震器自身的震動(dòng)有可能會(huì)引起汽車(chē)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。減震器可以防止汽車(chē)在行駛過(guò)程中，汽車(chē)懸架因路況問(wèn)題所產(chǎn)生的震動(dòng)率。例如，汽車(chē)車(chē)輪在行駛過(guò)程中，若受路況影響，齒條的驅(qū)動(dòng)器向下完成運(yùn)動(dòng)，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)則可以沿一定方向呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)車(chē)輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，閥門(mén)處于曲柄行程中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)則可以在相反方向完成旋轉(zhuǎn)抵消力，饋能減震器抵消震動(dòng)不均勻，可以針對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)中的不均勻雙向旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)調(diào)解，保障電機(jī)雙向旋轉(zhuǎn)能夠產(chǎn)生合理電流，避免出現(xiàn)慣性損失。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，必然會(huì)消耗一定熱量以及能量，高頻雙向旋轉(zhuǎn)也有可能對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)造成影響。例如，最明顯的便是疲勞磨損，干擾電機(jī)使用效率以及使用壽命，導(dǎo)致減震器可靠性降低。

為解決以往齒輪減震器出現(xiàn)的各項(xiàng)問(wèn)題就需要基于減震器基礎(chǔ)進(jìn)行改革。例如，優(yōu)化齒輪齒條，使其能夠配合與離合器完成機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的雙向旋轉(zhuǎn)。雙向旋轉(zhuǎn)由以往單向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化成將旋轉(zhuǎn)動(dòng)能傳遞給電機(jī)，解決以往困難。減震器電機(jī)保護(hù)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，能夠保障能量回收效率，避免雙向傳動(dòng)的干擾，延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命，確保饋能減震器使用更加科學(xué)、合理。

三、饋能減震器的動(dòng)力學(xué)分析與性能仿真研究

套筒小齒輪供電減震器主要由小齒輪機(jī)構(gòu)、機(jī)械整流橋和電機(jī)組成，活塞和齒輪機(jī)構(gòu)起運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換和傳力的作用，機(jī)械整流橋起運(yùn)動(dòng)修正的作用，對(duì)于電源以及阻尼器的分析，饋能減震器的動(dòng)力學(xué)以及性能方程在工作中為電機(jī)旋轉(zhuǎn)提供參數(shù)，在電磁力上可阻止電機(jī)轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。例如，電機(jī)可提供能量使馬達(dá)旋轉(zhuǎn)并保障閥門(mén)以及馬達(dá)能夠配合電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。在齒輪等機(jī)械系統(tǒng)中，能夠傳達(dá)一定阻尼，分析齒輪阻尼值。其中阻尼相對(duì)較小，在完成動(dòng)力學(xué)分析過(guò)程中，需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的主要經(jīng)濟(jì)因素以及其他種類(lèi)因素。結(jié)合外部電路研究旋轉(zhuǎn)，明確阻尼標(biāo)準(zhǔn)與饋能減震器的動(dòng)力學(xué)分析系統(tǒng)，結(jié)合分析得出合理的參數(shù)以及規(guī)劃，最后得到阻尼力、能量和回收效率。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)對(duì)于汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域提供了大量的人力、物力支持，饋能減震器的研發(fā)以及使用將幫助汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域完善可持續(xù)化發(fā)展，解決以往出現(xiàn)的各項(xiàng)障礙，實(shí)現(xiàn)全方面增長(zhǎng)。饋能減震器所產(chǎn)生的優(yōu)勢(shì)可以引導(dǎo)減震器的發(fā)展更加科學(xué)精準(zhǔn)，在使用過(guò)程中，將消耗的能量收集完成循環(huán)。能量吸收器可以回收能量并將提取的能量提供給汽車(chē)電池，從而增加汽車(chē)的續(xù)航里程。在此基礎(chǔ)上，本文對(duì)汽車(chē)動(dòng)力減震器的設(shè)計(jì)和使用進(jìn)行了研究。

參考文獻(xiàn)：

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項(xiàng)目基金：遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院2021年院級(jí)校企合作協(xié)同創(chuàng)新類(lèi)科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)ky202103）

作者簡(jiǎn)介：李明杰（1982—），女，滿(mǎn)族，遼寧丹東人，碩士，高級(jí)職稱(chēng)，研究方向：汽車(chē)檢測(cè)。