汽車饋能減震器方案設計及其性能探討

摘要：饋能減震器屬于新型的減震器，在設計汽車饋能減震器檢測方案的過程中，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化為汽車所需的動能，解決汽車發展過程中出現的各項問題；可以回收能量并將提取的能量提供給汽車電池，增加汽車的行駛距離；還可以滿足新能源交通工具的電力循環，提升車輛運行效率。

關鍵詞：汽車；饋能減震器；設計研究；性能分析

汽車受路況等因素影響，自身結構很容易產生沖擊負載，例如，汽車自身的簧下質量。雖然汽車懸架自身帶有彈性，吸收了一部分沖擊荷載，但汽車震動將一直存在，必須對懸架進行優化改進。框架中的減震器可防止震動，但是傳統的減震器是將機械震動能轉化為熱能散發到大氣中，實現減震功能，但產生的熱量也會影響減震器的壽命。對于節能減排，因為我國提出了合理的改進方案以及優化建議，所以汽車制造商必須貼合我國現有的發展目標，確保傳統減震器的設計能夠符合環保要求，解決發展中出現的各項問題。饋能式減震器不僅起到阻尼作用，而且將傳統減震器耗散的部分能量以熱能的形式返回，以增加汽車的動能，因此饋能式減震器很好地迎合了目前汽車行業發展的需求。現階段，續航里程不足是影響汽車發展的主要原因，而饋能減震器可以回收能量并將提取的能量提供給汽車的電池。伴隨著大力發展汽車產業的需要和以提高汽車能效為抓手，汽車吸能減震器的設計與性能研究正在展開。在能源緊缺、環境惡化的條件下，我國實施汽車產業的可持續發展不僅具有重大的科學意義，而且帶來了巨大的經濟效益。

一、饋能減震器的設計分析

（一）液電式

液壓動力源的減震器是機電液耦合系統采用液壓泵替代傳統減震器。液壓泵的組成包含了液壓泵、馬達、發電機等各項設備，這些設備共同組成了減震器，發揮應有功能。液壓減震器的工作原理是車輛在崎嶇不平的道路上行駛時產生的震動使液壓缸內的活塞桿上下運動，液壓缸內的油流向液壓泵四個單向閥和一個拉伸沖程。當液壓泵仍處于壓縮沖程時，油液只能從液壓熨平板橋通過一個出口流到液壓蓄能器進行調節。油液可帶動葉小馬達，如液壓馬達能夠完成有效驅動，實現發電機精準發電。將油液輸送回壓熨平板，通過壓熨平板的矯正作用，可以促進油液出現科學循環，通過循環加快能量轉換，使汽車運行可以達到發展要求。汽車懸架受到外部因素的影響會產生震動機械能力，能夠更好地推動活塞，使機械能化為流體動能，流體驅動液壓馬達驅動發電機的動能轉化為電能，所以饋能減震器量回收的全過程是機械能轉化為油動能，最后轉化為電能（如下圖所示）。

1.優勢

（1）當汽車受到較大沖擊時，穩定的電池電壓可以減少沖擊，因此液壓減震器抗沖擊能力強，可靠性好。

（2）當單向閥布置妥當時，液壓熨平板橋的油液單向流動，液壓馬達必須單向運動，所以發電機單向旋轉。往復運動的一個常見問題是發電機旋轉，增加了發電所需的時間。延長機器壽命，提高動態減震器的能量回收效率。

（3）通過調節節流閥開度可以改變阻尼比，從而增加阻尼比的可調范圍和更好的阻尼比適應性。

2.弱點

（1）能量可以實現多次轉換傳遞，因此機械能需要根據能量調節，首先轉化為動能，隨后再調節為電能。針對液壓減震器的阻尼力，可以完成調節閥的節流。在后續設計上，有可能會發生不良摩擦，降低了液壓減震器的傳感效率，導致待速路徑可能因設計不當而扭曲。

（2）密封件和液壓系統部件的制造精度高，生產成本高。液壓系統很大，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構有兩種，一種是滾珠絲杠機構，另一種是旋轉電機。通常，滾珠螺母安裝在下輪轂上，電機安裝在上輪轂上，上氣缸和下氣缸分別連接到簧載質量和非簧載質量。當汽車受到外力時，彈簧與非彈簧之間存在相對直線運動，滾珠絲杠機構轉換減震器的上下運動和驅動電機的前后旋轉，產生電能回收滾珠絲杠式吸能減震器的能量，利用電機產生的電磁力作為動能。

1.優勢

（1）阻尼系數主要和滾珠絲杠導程以及齒輪矩形有關。如果導程出現變化可以改變阻尼系數，并且可以在更大的范圍內調節阻尼比，使阻尼比擬合得更好。

（2）滾珠絲杠式吸能減震器與電機在一條線上安裝，結構尺寸小，安裝性好。

（3）滾珠絲杠式機構運行效率較高并且較為精準，使用壽命長，因此滾珠絲杠式減震器的可靠性高。

2.弱點

（1）如果不裝機械整流器，電機運轉時電機轉子容易經常來回轉動，縮短電機的壽命，造成大量“慣性損失”。

（2）滾珠絲杠設計適用于低頻勵磁，但對高頻勵磁效果不佳。

（3）減震器滾珠絲杠承載能力較弱，當承載能力較高且偏向走向時，絲杠自身有可能會出現彎曲變形等問題，影響最終效果。

（4）滾珠絲杠定位精度高，加工成本高。

（三）直線電機式

直線電機可以被認為是一個旋轉電機被半徑切割并被平滑，直線電機可以將機械能轉變為電能，無須任何中介。直線電機式動力輸入阻尼器調整動力阻尼器上缸內的直線電機磁鐵，使直線電機線圈組安裝在動力阻尼器下缸內。電源減震器的上下氣缸分別連接到汽車的簧上和簧下。由于簧上和簧下之間的相對直線運動，磁力線被切斷產生電能恢復減震器的能量，同時磁力線被切斷。

1.優勢

（1）直線電機直接將機械能轉化為電能，能量傳遞時間短，傳遞效率高。

（2）直線電機體積小，所以直線電機動力阻尼器的耦合更好。

2.弱點

（1）直線電機與旋轉電機相比，漏電流大，不增加其他傳動裝置。直線電機動力減震器的阻尼器所提供的阻尼系數較小，汽車所需的阻尼難以達到，因此其阻尼系數的適用性較差。

（2）直線電機價格昂貴，支撐結構復雜、易碎，制造成本高，結構可靠性一般。

（3）直線電機的效率和功率因數等電氣特性較低，因此直線電機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構和旋轉電機組成，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行連接能夠達到減震的效果。減震器下缸體與簧上進行連接，能夠推動齒輪進行直線運動，并促進齒輪進行旋轉工作，將減震器的上下運動轉化為電機軸的雙向旋轉運動，恢復齒輪齒條的供電減震器，并將電機中的電磁轉矩變為減震器，從而降低車輛的震動情況，達到減震的目的。

1.優勢

（1）齒輪齒條能量輸入減震器的參數，確定齒輪半徑以及轉動比平方。改變驅動半徑以及傳動比就可以達到改變阻尼比的目的，從而可以在很寬的范圍內調節阻尼比。因此，其衰減系數的適用性非常好。

（2）活塞和小齒輪供電減震器結構緊湊，安裝方便。

（3）齒輪齒條承載能力高，可高速使用，使用壽命長，生產成本比滾珠絲杠低。

2.弱點

（1）齒輪機構傳統的過程中如果精度較低，可能會出現裝配精度較差的情況，還會產生較大噪聲。

（2）如果電機中缺少機械整流橋，電機轉子會經常來回轉動，這會極大地影響電機的壽命和電源減震器的能量回收效率［1］。

二、饋能減震器結構方案

（一）設計原則

阻尼系數適用性優化原則。懸架質量以及彈簧夾剛度對于減震器阻尼比起到決定性作用。阻尼系數反映了饋能減震器的減震能力，對駕駛舒適性和車輛安全具有重要意義。不同車型的避震器是不一樣的，比如SUV車型的避震器比普通車要大，汽車懸架所需的阻尼系數有一定的取值范圍。如果減震器的阻尼系數在一定范圍內，可以保證車輛的駕駛舒適性和安全性會更好。因此，在設計動力減震器時，必須保證動力減震器的阻尼系數與車輛的懸架特性相適應，滿足減震器的阻尼功能，否則供電用的減震器就沒有用了［2］。

最優配對原則。連接動力減震器與在車輛懸架系統中安裝動力減震器是否簡單有關，還是需要更改車輛的原始懸架設計或車輛的質量和體積，這些功能是否會對支架的可用性產生不利影響，而避震器在汽車懸架中的安裝空間有限，因此設計的電源避震器的體積必須盡可能小。過大的減震器質量會對車輛的舒適性和安全性產生不利影響，同時會增加車輛的質量并消耗更多的能量，這與動力減震器的原始設計背道而馳。避震器的重量要盡可能低，如果需要改變汽車原有的懸掛結構，加裝動力避震器會增加成本，不利于動力避震器的推廣。因此，電源減震器的設計必須根據阻尼系數調整原則進行調整。

吸能減震器存在的目的是抑制震動，因此它們還可以回收一些原本由傳統減震器以熱量形式消散的能量。因此，性能如果符合相關標準，吸收器能夠直接體現能量回收量，與生產成本一起決定了所供給能量的市場價值。如果吸能減震器的能量回收效率較高，就說明吸收器能量回收量較多，能夠達到較高的節能效果。

生產成本能夠對動態減震器的市場價值起到決定性作用。動態減震器的設計要能夠降低生產資金的投入，如果動態減震器生產成本較高，汽車制造商和用戶可能更傾向于傳統避震器，這不利于電動避震器的推廣。因此，供能式減震器的設計也必須符合生產成本最低的原則［3］。

（二）結構方案

下面根據現有電源減震器設計的優缺點以及上述供能減震器設計原則，對電源減震器設計方案進行詳細評價，進而選擇最優的設計形式。根據前吸式減震器的設計原則，前兩項設計原則比后兩項設計原則更為重要。電液供電減震器的阻尼系數可以根據節氣門開度的調節而改變，從而使阻尼系數的調節范圍更廣，因此其阻尼系數的適應性更強。液電式減震器包括電池、管路、油源等部件體積大，連接不良。通過改變系統導線的尺寸和傳動比，可以改變吸能阻尼器的阻尼系數，使阻尼系數可以在更大的范圍內調整。因此，吸能阻尼器的阻尼系數根據滾珠絲杠進行調整。另外，滾珠絲杠與電機呈直線安裝，結構尺寸小，聯軸器好。

（三）模塊化設計

傳統齒輪齒條式減震器的具體工作原理如下：車輛行駛在道路上時，由于路面不均勻，車輛懸架產生上下震動，由上動力缸提供阻尼。饋能減震器自身的震動有可能會引起汽車直線運動。減震器可以防止汽車在行駛過程中，汽車懸架因路況問題所產生的震動率。例如，汽車車輪在行駛過程中，若受路況影響，齒條的驅動器向下完成運動，而驅動電機則可以沿一定方向呈逆時針旋轉。當車輪高速旋轉時，閥門處于曲柄行程中，驅動電機則可以在相反方向完成旋轉抵消力，饋能減震器抵消震動不均勻，可以針對電機轉子運動中的不均勻雙向旋轉實現調解，保障電機雙向旋轉能夠產生合理電流，避免出現慣性損失。當電機轉子高速旋轉時，必然會消耗一定熱量以及能量，高頻雙向旋轉也有可能對電機的結構造成影響。例如，最明顯的便是疲勞磨損，干擾電機使用效率以及使用壽命，導致減震器可靠性降低。

為解決以往齒輪減震器出現的各項問題就需要基于減震器基礎進行改革。例如，優化齒輪齒條，使其能夠配合與離合器完成機械能的轉換，實現相對穩定的雙向旋轉。雙向旋轉由以往單向旋轉轉化成將旋轉動能傳遞給電機，解決以往困難。減震器電機保護運動的現象，能夠保障能量回收效率，避免雙向傳動的干擾，延長電機的使用壽命，確保饋能減震器使用更加科學、合理。

三、饋能減震器的動力學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構、機械整流橋和電機組成，活塞和齒輪機構起運動轉換和傳力的作用，機械整流橋起運動修正的作用，對于電源以及阻尼器的分析，饋能減震器的動力學以及性能方程在工作中為電機旋轉提供參數，在電磁力上可阻止電機轉子繼續旋轉。例如，電機可提供能量使馬達旋轉并保障閥門以及馬達能夠配合電機運轉。在齒輪等機械系統中，能夠傳達一定阻尼，分析齒輪阻尼值。其中阻尼相對較小，在完成動力學分析過程中，需要考慮發動機的主要經濟因素以及其他種類因素。結合外部電路研究旋轉，明確阻尼標準與饋能減震器的動力學分析系統，結合分析得出合理的參數以及規劃，最后得到阻尼力、能量和回收效率。

結語

綜上所述，我國對于汽車工業領域提供了大量的人力、物力支持，饋能減震器的研發以及使用將幫助汽車工業領域完善可持續化發展，解決以往出現的各項障礙，實現全方面增長。饋能減震器所產生的優勢可以引導減震器的發展更加科學精準，在使用過程中，將消耗的能量收集完成循環。能量吸收器可以回收能量并將提取的能量提供給汽車電池，從而增加汽車的續航里程。在此基礎上，本文對汽車動力減震器的設計和使用進行了研究。

參考文獻：

［1］黃燕飛.饋能減振器阻尼特性對懸架性能影響及仿真分析［J］.時代汽車，2021（20）：2.

［2］王儷穎.新能源汽車輕量化設計方案研究［J］.環球市場，2020（17）：377.

［3］鐘志紅，陳興彬.新能源汽車零部件輕量化及其整車性能集成技術產業化研究［J］.汽車博覽，2020（15）：114115.

項目基金：遼寧機電職業技術學院2021年院級校企合作協同創新類科研項目（項目編號ky202103）

作者簡介：李明杰（1982—），女，滿族，遼寧丹東人，碩士，高級職稱，研究方向：汽車檢測。