新能源汽車饋能減振器方案設(shè)計及其性能分析

曾國梁

關(guān)鍵詞：新能源汽車；饋能減振器；模塊化設(shè)計；性能表現(xiàn)

0 前言

饋能減振器不但能夠為行駛的汽車減振，還能夠回收原有被傳統(tǒng)減振器所消耗的熱能，所以它代表了未來減振器的主流發(fā)展方向。考慮到當(dāng)前新能源汽車存在諸多發(fā)展瓶頸，例如續(xù)航里程不足、能量回收不易等，采用饋能減振器可以大量回收能量，并將回收的能量轉(zhuǎn)化為新能源，供汽車動力電池使用。在當(dāng)前我國能源相對短缺的大環(huán)境下，饋能減振器的應(yīng)用產(chǎn)生了重大經(jīng)濟效益，所以針對它的模塊化設(shè)計非常有必要。

1 新能源汽車饋能減振器的模塊化設(shè)計

新能源汽車饋能減振器在設(shè)計過程中遵循模塊化設(shè)計原則，因此需要先確定其設(shè)計原則和結(jié)構(gòu)方案，然后再展開各個方面的模塊化設(shè)計。

1. 1 設(shè)計原則

在新能源汽車正常行駛過程中，車輪受到路面不平整度激勵影響，會導(dǎo)致汽車簧下質(zhì)量和簧上質(zhì)量之間產(chǎn)生相對運動的情況。究其原因，主要是因為汽車懸架中彈性元件發(fā)生緩沖沖擊載荷，引起振動現(xiàn)象，此時需要懸架中的減振器來有效衰減振動。饋能減振器的功能表現(xiàn)不僅與傳統(tǒng)減振器相同，而且在衰減汽車振動方面也能回收原有傳統(tǒng)減振器熱能損耗。因此，必須有針對性地設(shè)計饋能減振器，并遵循以下重要原則：

（1） 阻尼系數(shù)適配性原則。該原則要求饋能減振器在設(shè)計過程中提高其能量回收效率，確定懸架彈簧剛度與車輛懸架參數(shù)，以確保減振器所需要的阻尼系數(shù)正常變化。阻尼系數(shù)反映的是饋能減振器的衰減振動能力，其大小變化對于車輛行駛平順性及安全性都會產(chǎn)生重大影響；如果車輛類型不同，減振器阻尼系數(shù)也會有所不同。以運動型多用途汽車（SUV）車型為例，其減振器阻尼系數(shù)明顯大于普通轎車減振器阻尼系數(shù)，其中車輛懸架所需的阻尼系數(shù)則保持在一定允許范圍內(nèi)，確保車輛行駛絕對安全。在具體設(shè)計饋能減振器的過程中，需要確保饋能減振器阻尼系數(shù)與車輛懸架特性相互匹配，不影響車輛行駛平順性，體現(xiàn)饋能減振器的整體設(shè)計價值［1］。

（2） 安裝性最優(yōu)原則。該原則體現(xiàn)饋能減振器的可安裝性。在車輛懸架系統(tǒng)中，饋能減振器在設(shè)計安裝方面應(yīng)該追求安裝性最優(yōu)原則，即保證安裝過程便捷快速，例如通過改變原有懸架結(jié)構(gòu)使安裝操作流程便捷化。因此需要分析饋能減振器自身體積、質(zhì)量對懸架使用性能所產(chǎn)生的影響。所設(shè)計的饋能減振器必須保證小體積、小質(zhì)量，減小其對車輛行駛安全平順性造成的諸多負面影響。

1. 2 結(jié)構(gòu)方案

新能源汽車饋能減振器在模塊化設(shè)計方面需要滿足上述原則，由此確定模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)方案，具體如下：

（1） 需要重新設(shè)計饋能減振器中的節(jié)流閥開度，嘗試改變其阻尼系數(shù)，有效增大阻尼系數(shù)可調(diào)節(jié)范圍，體現(xiàn)出較好的阻尼系數(shù)適配性。在饋能減振器設(shè)計中包含了諸多元件內(nèi)容，例如蓄能管路、油源等，所以設(shè)計過程中要保證其饋能減振器質(zhì)量與體積調(diào)整到位，解決設(shè)備安裝水平不高的問題。

（2） 滾珠絲桿式饋能減振器中阻尼系數(shù)較大，與滾珠螺桿導(dǎo)程、傳動比平方都有關(guān)，所以改變導(dǎo)程與系統(tǒng)傳動比非常有必要，即改變饋能減振器的整體阻尼系數(shù)，將其調(diào)節(jié)到最大范圍，體現(xiàn)饋能減振器設(shè)計改造較好的適配性。一般來說，要將所有電機設(shè)備都安裝在同一直線上，分析其中的結(jié)構(gòu)尺寸的問題，體現(xiàn)較好的安裝性，同時解決電機中的漏磁問題，必要時設(shè)計增加其他傳動裝置效果更佳。考慮到直線電機饋能減振器所提供的阻尼系數(shù)相對較小，可能難以滿足汽車所需阻尼系數(shù)要求，因此，調(diào)整饋能減振器的阻尼系數(shù)適配性很有必要［3］。

1. 3 模塊化設(shè)計方案

1. 3. 1 能量輸入模塊

為了全面優(yōu)化能量輸入模塊化設(shè)計方案，需要在饋能減振器設(shè)計過程中注重其功能表現(xiàn)，提供阻尼力以衰減汽車振動，結(jié)合能量回收內(nèi)容來分析熱能損耗，保證饋能減振器的能量輸入模塊獲得正常的能量輸入渠道。

具體來講，需要采用筒式減振器設(shè)計安裝方案。該設(shè)計安裝方案相對成熟，饋能減振器設(shè)計主要采用筒式結(jié)構(gòu)，可以確保設(shè)備在汽車懸架系統(tǒng)中安裝更便捷，無需對汽車原有懸架結(jié)構(gòu)進行改動，有效節(jié)省設(shè)計安裝成本，更好地推廣饋能減振器。值得注意的是，在饋能減振器上，能量輸入模塊包的設(shè)計分為上下兩筒，在設(shè)計過程中需要加以區(qū)分［4］。

1. 3. 2 能量傳輸模塊

饋能減振器的能量傳輸模塊化設(shè)計要求較高，該模塊作為核心部件必須起到承上啟下的重要作用。通常情況下，需要基于齒輪齒條機構(gòu)與機械整流橋作用展開設(shè)計，保證能量輸入模塊中往復(fù)直線運動有效轉(zhuǎn)化，為發(fā)電機轉(zhuǎn)軸單向旋轉(zhuǎn)運動創(chuàng)造條件［5］。

饋能減振器中主要零部件的設(shè)計包括2 對齒輪齒條、2 副超越離合器，以及軸承、上下筒、發(fā)電機等結(jié)構(gòu)配件設(shè)計。在設(shè)計改造過程中，保證支撐圓板固定在減振器下筒位置，同時保證減振器上下筒側(cè)壁、外壁之間形成間隙配合。在設(shè)計改造過程中，應(yīng)選擇CSK 型的單向楔塊超越離合器，在某一方向回轉(zhuǎn)設(shè)計，保證體現(xiàn)其空轉(zhuǎn)功能設(shè)計優(yōu)勢性，體現(xiàn)能量傳輸模塊化結(jié)構(gòu)的具體安裝形式優(yōu)勢性。具體來講，就是在軸兩端直接連接軸承的部分，通過軸承座直接固定饋能減振器下筒位置，由此支撐能量傳輸模塊［6］。

在內(nèi)外圈打滑設(shè)計過程中，要保證軸距不隨意改變，同時確保齒條向下運動順暢。右齒輪傳遞扭矩作用有效驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動過程，而左齒輪部分則需要始終處于傳遞扭矩空轉(zhuǎn)狀態(tài)之中。總體來講，能量傳輸模塊化設(shè)計方案中需要保證從傳統(tǒng)的發(fā)電機橫向布局逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q向布局，最大限度減少饋能減振器的直徑，根據(jù)現(xiàn)實生產(chǎn)需要隨時隨地改動傳動比，例如將其傳動比設(shè)計為1∶1，同時改變傳動方向作用。

1. 3. 3 發(fā)電模塊

在發(fā)電模塊化設(shè)計方案中，也需要對饋能減振器的能量輸入及輸出模塊進行特殊設(shè)計，保證驅(qū)動電機始終處于單方向旋轉(zhuǎn)狀態(tài)中，體現(xiàn)其較大的能量回收潛力。考慮到發(fā)電模塊化設(shè)計方案中交流感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子慣量相對較大、銅損也相對較大，所以必須對其體積較大且運轉(zhuǎn)效率較低的問題展開進一步研究分析。在設(shè)計過程中保留直流有刷電機優(yōu)良控制特性的基礎(chǔ)上，有效克服模塊化設(shè)計的局限性。采用性能表現(xiàn)更佳的汝鐵硼材料進行設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計方案，提高設(shè)計后的直流無刷電機的性價比［7］。

1. 3. 4 能量存儲模塊

饋能減振器在能量存儲模塊化設(shè)計方案中需要保證發(fā)電模塊正常且高效率產(chǎn)生電能，進而實現(xiàn)對能量的有效回收。根據(jù)相關(guān)研究與設(shè)計結(jié)果來看，需要保證所采用的電池對饋能減振器回收的能量進行有效存儲，保證回收能量被應(yīng)用到電能存儲技術(shù)體系中，分析回收能量應(yīng)用要點［8］。一般來說，在饋能減振器能量存儲過程中調(diào)整超級電容部分，例如選擇直流無刷電機作為發(fā)電模塊，進而產(chǎn)生三相交流電，設(shè)計過程中需要對三相交流電實施整流調(diào)整，并將整流調(diào)整后的脈動直流存儲于超級電容中；或者采用電池作為核心存儲模塊，對交流三相電進行整流處理，配合直流/直流（DC/DC）升壓開關(guān)電源分析脈動直流穩(wěn)壓情況，達到為電池正常充電的最終目的。而在設(shè)計穩(wěn)壓結(jié)構(gòu)中，則需要確保充電電路功耗調(diào)整到位，專門設(shè)計存儲裝置性能分析機制。從某種程度來講，饋能存儲模塊中的電容容量一般較大（即采用超級電容），放電能力也相對較強，能夠為新能源汽車提供充足電能，滿足動力電池充電需求［9］。

2 饋能減振器性能分析

為新能源汽車饋能減振器設(shè)計性能仿真模型，分析其性能表現(xiàn)。具體來講，饋能減振器的運動速度性能表現(xiàn)出色，因為其直線運動速度較快，能夠伴隨阻力位移變化關(guān)系來形成特性仿真機制。在性能分析過程中，需要采用正弦波函數(shù)發(fā)生器中所產(chǎn)生的正弦波位移倒數(shù)來對饋能減振器運動速度進行正常輸入處理［10］。

如果采用示功特性展開仿真分析，則需要保證饋能減振器的機械效率有所提高，深入了解其輸出的阻尼力變化，建立Matlab/Simulink 仿真數(shù)學(xué)模型。機械設(shè)計過程中饋能減振器的齒輪齒條傳動效率達到0.97，而減速器部分的傳動機械效率達到0.90，可以看出饋能減振器中的阻尼力與輸入激勵是呈正比例效應(yīng)的，通過仿真分析可以了解到饋能減振器在不同外接負載作用下示功特性表現(xiàn)突出［11］。

3 結(jié)語

饋能減振器屬于新能源汽車設(shè)計方案中的新型產(chǎn)品，代表了傳統(tǒng)減振器的破局，是典型的未來技術(shù)。本文深入分析饋能減振器的模塊化設(shè)計方案，并簡單闡述其性能表現(xiàn)。在我國汽車產(chǎn)業(yè)中推廣饋能減振器，可以解決新能源汽車中續(xù)航里程不足、能量回收效果不理想等問題，提高饋能減振器的應(yīng)用效率，擴大其應(yīng)用范圍，可為汽車行業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造技術(shù)條件。