并聯式滾珠絲杠饋能減振器設計及模態分析

黃燕飛，李柏姝

（沈陽理工大學汽車與交通學院，遼寧沈陽110159）

并聯式滾珠絲杠饋能減振器設計及模態分析

黃燕飛，李柏姝

（沈陽理工大學汽車與交通學院，遼寧沈陽110159）

滾珠絲杠式饋能減振器有串聯式和并聯式兩種，但是并聯式結構能減少饋能減振器的總體安裝長度，能增加實際應用的前景。設計了一種并聯式滾珠絲杠式饋能減振器，并對饋能減振器的核心元件滾珠絲杠進行有限元分析，用ANSYS模擬分析了絲杠在靜載荷下的變形以及模態分析，論證了并聯式饋能減振的可行性。

并聯式；滾珠絲杠；有限元分析；模態分析

1　并聯式饋能減振器結構設計

隨著用戶對汽車節約能源要求的不斷提高，饋能減振器得到不斷的發展，特別是滾珠絲杠式饋能減振器受到更多設計者的關注，由于滾珠絲杠式饋能減振器結構簡單［1］，能量轉化率高，因此得到迅速發展。滾珠絲杠式饋能減振器分為并聯式和串聯式，串聯式結構設計相比較于并聯式更加簡單，因此發展的比較成熟。但是并聯式結構更加緊湊，更能符合小型汽車的要求，因此發展前景更加廣闊。

并聯式饋能減振器結構是指滾珠絲杠置于中空的饋能電機轉子內部，滾珠絲杠與轉子“并聯”，滾珠螺母與饋能電機轉子連接的結構。饋能電機定子鑲嵌在饋能減振器外殼體內與車身端相連接，絲杠末端與車輪端相連接。如圖1所示，是并聯式滾珠絲杠饋能減振器基本結構，國內有很多學者都設計出了這種結構。但本文的設計有幾點改進：（1）轉子和螺母采用螺紋式連接，使結構更加簡單；（2）永磁式定子采用片式，減輕了饋能減振器的重量；（3）在這種結構中絲杠螺母和轉子固定，是一個整體，定子和外殼固定一起，是一個固定部分。該結構的基本原理是：當汽車［2］在不平的路面顛簸時，汽車上下振動，滾珠絲杠就會上下移動，螺母和電機轉子就會發生旋轉，切割定子磁感線產生電流，電機就會儲存能量，這部分能量將用于汽車其他用電器使汽車達到節能效果。

圖1　并聯式饋能減振器局剖視圖

2　滾珠絲杠模態分析

絲杠是饋能減振器［3］的核心支撐原件，對絲杠模態分析主要是為了確定絲杠的振動特性，即結構的固有頻率和振型，它們是結構承受動態載荷設計中的重要參數［4］。

模態分析基本理論方程［5］為，其中［M］是質量矩陣；［C］為阻尼矩陣；［K］為剛度矩陣；｝為節點加速度矢量；為節點速度矢量；｝為節點位移矢量。本文用CATIA對絲杠進行建模，并將模型導入到ANSYS對滾珠絲杠進行模態分析，如圖2～3所示。選擇滾珠絲杠材料［6］為鋼，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比e=3，密度7 850 kg/m2，許用應力為1.47×106N/m2振動頻率10 000 Hz，擴展頻率10 000 Hz.

圖2　滾珠絲杠模態分析圖一

圖3　滾珠絲杠模態分析圖二

通過ANSYS對滾珠絲杠在旋轉過程中的模態進行分析。如圖2～3所示，發現隨著轉速的增大，滾珠絲杠模態上升的幅度越大，滾珠絲杠變形也越大。因此通過分析得到根據上文選定的滾珠絲杠材料，在旋轉頻率低于10 000 Hz時，滿足一般汽車的要求。通過以上分析還可以發現，絲杠在遠離支撐部分變形程度增大，因此，在保證滾珠絲杠副的正常結構要求時，要盡可能縮短支撐距離；同時，與主軸系統相比，需要保證支撐部分的精度剛性；整個系統的剛性不足也會影響滾珠絲杠副的振動與噪聲［7］。

3　結束語

本文首先設計了并聯式滾珠絲杠饋能減振器，分析了并聯式滾珠絲杠饋能減振器工作原理。并用CATIA對并聯式滾珠絲杠建模，然后用ANSYS對并聯式滾珠絲杠饋能減振器的核心原件滾珠絲杠進行了有限元分析，進行了模態分析，分析了滾珠絲杠在不同模態下的變形情況，為減振器設計的可行性［8］奠定基礎。

［1］姚衛星.結構疲勞壽命分析［M］.北京:國防工業出版社，2003:11-25.

［2］俞凡，林逸.汽車系統動力學［M］.北京:機械工業出版社，2005:7-44.

［3］何仁，陳士安，陸森林.饋能型懸架的工作原理與結構方案評價［J］.農業機械學報，2006，37（5）:5-9.

［4］李志成.汽車饋能懸架的結構選型與性能仿真［D］.長春：吉林大學汽車學院，2009.

［5］于長淼.混合動力汽車饋能式懸架的方案設計及仿真分析［D］.長春：吉林大學汽車學院，2008.

［6］王慶年，劉松山，王偉華，等.滾珠絲杠式饋能型減振器的結構設計及參數匹配［J］.吉林大學學報，2009，（2）:11.

［7］喻凡，張勇超.饋能型車輛主動懸架技術［J］.農業機械學報，2010，41（1）：1-5.

［8］王偉華，李志成，于長淼.一種新型汽車饋能減振器的結構設計與特性分析［J］.汽車技術，2010，（3）:12.

Design and Finite Element Analysis on ParallelBallScrew Type FeederWhich Can Shock Absorber

HUANG Yan-fei，LIBai-shu
（Shenyang Ligong University，Shenyang Liaoning 110159，China）

The ball screw type feeder can shock absorber has two kinds of series and parallel connection，and parallel structure can reduce the overall installation length and can supply shock absorber，can increase the prospects for practical application.In this paper，we design a parallel ball screw type feeder which can shock absorber and the core components of feeder can shock absorber ball screw is given finite element analysis with ansys，prove the feasibility of this parallel feed to vibration.

parallel；ball screw；the finite element analysis；themodel analysis

U463.33

A

1672-545X（2016）05-0099-02

2016-02-08

遼寧省教育廳科學技術研究一般項目（L2015457）

黃燕飛（1989-），男，河南信陽人，本科，碩士在讀，研究方向：汽車先進設計與制造技術。