汽車饋能懸架的結構選型與設計

劉慧軍，陳雙，薛少科

（遼寧工業大學，遼寧 錦州 121001）

前言

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

1 饋能懸架結構種類

1.1 滾珠絲杠式懸架結構

滾珠絲杠式饋能懸架[1]主要是由饋能電機、滾珠絲杠機構和電池等部分組成。滾珠絲杠式饋能懸架采用旋轉型饋能電機，將其布置于減振器的上方，饋能電機轉子與滾珠絲杠機構相連，通過滾珠絲杠機構將車身沿軸向上下往復的線性運動轉變為電機轉子的轉動。饋能電機與滾珠絲杠機構組成饋能元件，將回收的能量進行儲存并再次利用。

滾珠絲桿式饋能懸架的電機與滾珠絲杠機構安裝在同一條直線上，且結構尺寸與傳統減振器略有不同，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鍵部件，價格昂貴，制造成本高。

1.2 電磁線圈感應式懸架結構

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

電磁線圈感應式饋能懸架可以將機械能直接轉化為電能，其饋能效率高，但這種結構也有很多弊端，由于磁體直接固定在懸架上，當懸架受到路面沖擊時，懸架的其他部件會與線圈發生碰撞，可能造成饋能機構失效，另外，這種饋能懸架產生的內在阻尼力偏小，因此電磁線圈式饋能懸架目前僅僅停留在理論分析層面，需要進一步的深入研究。

1.3 液電式懸架結構

液電式饋能懸架是一種將機械能、液壓能和電能相互轉化的饋能懸架[3]。當汽車行駛在不平路面發生振動時，液電式饋能懸架的饋能裝置將車身垂直振動的能量轉化為液壓缸內的液壓能，然后通過整流橋的作用，液壓能帶動液壓馬達轉動，最后帶動電機發電，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 饋能懸架結構的綜合評價

通過上述三種饋能懸架結構和工作原理的介紹，液電式饋能懸架雖然工作穩定性好、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，進而增加了油耗，成本較高。電磁線圈感應式饋能懸架饋能效率高、操作方便，但因自身結構和懸架空間的影響造成懸架穩定性差。相比之下，滾珠絲杠式饋能懸架具有很好的發展前景，通過用滾珠絲杠機構、饋能電機等裝置代替了傳統的液壓減振器，其優點如下：

（1）滾珠絲杠機構的結構穩定，使用壽命長，抗干擾能力強，故滾珠絲杠式饋能懸架結構可靠性好。

（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安裝在同一條直線上，且結構尺寸與傳統減振器略有不同，因此安裝性好。

3 電機的選用

現有的相關研究文獻[4]大部分采用的是直線電機，因為直線電機優點很明顯，可以直接驅動，而且結構靈活。但是也存在較多的缺點，比如漏磁通大、功率低、效率低、支持機構復雜、價格昂貴等[5]。考慮到電氣性能及成本，本文選擇采用旋轉型電機，配合滾珠絲杠機構將旋轉運動轉換為直線運動。

常用的旋轉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，又具備交流電機結構簡單、運行可靠、維護方便等優點。

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，對起動轉矩及效率要求較高，因此選擇體積小、起動轉矩較大的永磁直流無刷電機作為饋能電機。

4 饋能懸架結構和工作原理

本文設計以遼寧工業大學萬得純電動方程式賽車E04 為原型車，根據其后懸架系統參數，設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減振器相似，尺寸方面略有不同。此減振器的結構如圖1 所示，由上吊環（1）、上缸蓋（2）、饋能電機（3）、上缸筒（4）、聯軸器（5）、絲杠螺桿（6）、絲杠螺母（7）、下缸筒（8）、下吊環（9）等部分組成。上吊環（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，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，電機轉子（10）通過聯軸器（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（9）是一體的。上吊環（1）固定于車身銷軸處，下吊環（9）固定于車輪銷軸處。

當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運動，與車輪相連的下吊環（9）相對于與車身相連的上吊環（1）作線性運動，絲杠螺母（7）和下缸筒（8）在上缸筒（4）內沿軸向作上下平動，帶動絲杠螺桿（6）和電機轉子（10）作正反轉動，饋能電機根據控制指令工作于電動機或發電機模式，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

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構方案。

然后進行饋能電機的選用。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，對起動轉矩及效率要求較高，因此選擇體積小、起動轉矩較大的永磁直流無刷電機作為饋能電機。

最后，以遼寧工業大學萬得純電動方程式賽車為原型車，根據其后懸架系統參數，設計了滾珠絲杠式饋能懸架減振器。