單向絲桿-液電式饋能懸架的設計與分析

萬昳妤，錢宇晨，李天賜，張子澄，李長玉

（廣州城市理工學院 汽車與車輛工程學院，廣東 廣州 510800）

1 饋能懸架的現況分析與發展前景

1.1 研究背景

在能源消耗問題日益嚴峻的情況下，發展相應的節能科技已成為世界汽車產業的主要旋律之一。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化為熱能消耗掉；利用元件之間產生的摩擦力來達到車身平穩的目的，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，該系統不能根據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可以根據實際的工況進行實時的監控和改變，并且饋能原件在汽車行駛過程可作為作動器使用。這種懸架的應用不僅減少了車輛的能源消耗，也增加了懸架系統的可控性。

1.2 饋能懸架的現實意義

大多數汽車的懸架系統主要由彈性元件、減振器和導向機構等組成。懸架系統可以把車輪受到路面的作用力和反力所產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，保證了車體的穩定性。在緩沖過程中，傳統被動懸架系統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振動的能耗，提高整車燃油經濟性，符合環保理念。

1.3 懸架的分類

1.3.1 傳統懸架的分類

目前，懸架按設計體系分類有單獨懸架系統與非單獨懸架系統，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的懸架系統相似，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的元件，在汽車行駛時，由于汽車車輪與路面會產生沖擊，從而導致懸架系統的振動，此時該元件因不斷地受到拉伸和壓縮而產生壓電效應，這種效應將懸架系統振動的動能轉化為電能吸收儲存起來。

電磁儲能式饋能懸架相對較為復雜，其設計原理是在傳統懸架系統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生電流。液壓儲能式饋能懸架利用液壓原理來實現能量轉化，在汽車行駛過程中，安裝在傳統懸架系統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化為液壓能吸收儲存起來。

1.4 饋能懸架的發展前景

近年來，汽車的電氣化程度隨著電子科學技術的快速發展而變得愈來愈高。由于先進的電氣元件的發展和應用，使得饋能懸架技術能在更大程度上為未來汽車懸架控制系統電子化的設計提供扎實的基礎，同時也為汽車的底盤設計及底盤一體化提供幫助，因此，研究開發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很有現實意義。

1.5 饋能懸架現有技術存在的缺點

（1）現有的饋能系統的機電轉換效率較不理想，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）饋能系統的機械結構較復雜，難以進行保養和維修；并且額外的機械結構會增加汽車的整體質量，增加耗油量，與節能減排的理念相違背。

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

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

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構優化過的單向絲桿-液電式饋能懸架，其內部結構如圖1所示，外部總體結構如圖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 外部總體結構

圖3 局部視圖

該懸架利用巧妙的結構優勢，在充分發揮了傳統油液懸架和現代饋能懸架的各個優點的同時，改善了現有饋能懸架的種種弊端。當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化為電能。在饋能懸架吸收并轉化能量的同時，力和力矩得到了一定的緩沖，減少了對機構零件的沖擊，延長了機械的使用壽命，具有結構良好、節能減排和提高燃油經濟性的優點。

2.2 懸架的相關參數

2.2.1 懸架結構簡述

該懸架由液壓執行元件、液壓馬達、蓄能器、單向閥、液壓管路、發電機、蓄電池等組成，其結構簡化圖如圖4所示，作用原理是將滾珠絲杠的上下往復運動轉化為旋轉運動，驅動電動機發電。

圖4 饋能懸架簡化圖示

2.2.2 懸架外套

懸架外套相關參數如表1所示。

表1 懸架外套相關參數

2.2.3 推力軸承

推力軸承相關參數如表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 推力軸承相關參數

2.2.4 上端絲桿

上端絲桿相關參數如表3所示，其裝配位置如圖4中標號12所示。

表3 上端絲桿相關參數

2.2.5 其余結構參數

懸架耳環如圖6所示，相應數據如表4所示。

表4 懸架耳環參數

圖6 懸架耳環

單向絲桿-液電式饋能懸架的滾珠絲杠直線導桿、絲杠、聯軸器的相關參數如表5、表6、表7所示，其中聯軸器如圖4中標號5所示。

表5 滾珠絲杠直線導桿相關參數

表6 絲杠相關參數

表7 聯軸器相關參數

3 單向絲桿-液電式饋能懸架的創新性

本設計利用結構的優勢，充分吸取了傳統油液懸架和現代電磁饋能懸架的各個優點，并進行了創新性改良。

單向絲桿-液電式饋能懸架采用液電相結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，將其轉化成電能供汽車使用。在復雜不平穩的道路上，油液能夠很好地緩沖巨大的瞬時機械能量，將無規律振動能量化為規律的機械能量，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，符合節能減排和低碳經濟發展的理念。

該懸架的減震器采用新式結合型減震器，其主要優點是推力體積大、傳動效率高、過載能力強和動態響應性好。本設計利用軟件CATIA對單向絲桿-液電式饋能懸架建模，其軸側視圖如圖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，本設計有效避免了這種結構復雜性和在傳動過程中的摩擦，利用單向軸承來取代傳統單向離合器，使得饋能減振器中的轉動部件可以從雙向旋轉轉換成單向轉動，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單向轉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準化，可針對不同的載重車輛對單向軸承進行調試，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 結束語

本文提及的單向絲桿-液電式饋能懸架，利用結構優勢充分發揮了傳統油液懸架和現代饋能懸架的各個優點，減小了傳統懸架和現代饋能懸架的種種弊端，具有節能減排、結構良好和提高燃油經濟性的優點，實現汽車懸架緩震、回收振動能量、轉化能量、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電機和液力發電機轉化為可用的電能，從而減少能源的消耗。本文研究方向是饋能型懸架領域的研究熱點，未來更節省能源的饋能式懸架將得到更加廣泛的應用。