劉慧軍，陳雙，薛少科

（遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧 錦州 121001）

前言

汽車懸架在路面不平度和發(fā)動(dòng)機(jī)等振源激勵(lì)下會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)振動(dòng)。通常情況下，這部分振動(dòng)能量會(huì)由汽車減振器轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉。然而，全球能源緊缺，自然環(huán)境不斷惡化，發(fā)展節(jié)能技術(shù)已迫在眉睫，如果能將這部分振動(dòng)能量回收利用，就可以降低汽車能耗，從而節(jié)約能源。本文正是基于這種思想，設(shè)計(jì)了一種滾珠絲杠式饋能懸架。

1 饋能懸架結(jié)構(gòu)種類

1.1 滾珠絲杠式懸架結(jié)構(gòu)

滾珠絲杠式饋能懸架[1]主要是由饋能電機(jī)、滾珠絲杠機(jī)構(gòu)和電池等部分組成。滾珠絲杠式饋能懸架采用旋轉(zhuǎn)型饋能電機(jī)，將其布置于減振器的上方，饋能電機(jī)轉(zhuǎn)子與滾珠絲杠機(jī)構(gòu)相連，通過(guò)滾珠絲杠機(jī)構(gòu)將車身沿軸向上下往復(fù)的線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)。饋能電機(jī)與滾珠絲杠機(jī)構(gòu)組成饋能元件，將回收的能量進(jìn)行儲(chǔ)存并再次利用。

滾珠絲桿式饋能懸架的電機(jī)與滾珠絲杠機(jī)構(gòu)安裝在同一條直線上，且結(jié)構(gòu)尺寸與傳統(tǒng)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(dòng)裝置是無(wú)間隙配合，傳動(dòng)效率較高，饋能效率較高。滾珠絲杠和饋能電機(jī)是滾珠絲杠式饋能懸架的關(guān)鍵部件，價(jià)格昂貴，制造成本高。

1.2 電磁線圈感應(yīng)式懸架結(jié)構(gòu)

電磁線圈感應(yīng)式饋能懸架[2]工作原理是利用電磁感應(yīng)定律，將磁體固定在汽車懸架上，當(dāng)汽車行駛在不平路面發(fā)生振動(dòng)時(shí)，磁體隨著懸架一起做往復(fù)的垂直振動(dòng)，此時(shí)磁體不斷地切割磁感線產(chǎn)生電流，這些電流經(jīng)過(guò)整流后儲(chǔ)存在蓄電池中并再次利用。

電磁線圈感應(yīng)式饋能懸架可以將機(jī)械能直接轉(zhuǎn)化為電能，其饋能效率高，但這種結(jié)構(gòu)也有很多弊端，由于磁體直接固定在懸架上，當(dāng)懸架受到路面沖擊時(shí)，懸架的其他部件會(huì)與線圈發(fā)生碰撞，可能造成饋能機(jī)構(gòu)失效，另外，這種饋能懸架產(chǎn)生的內(nèi)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(jìn)一步的深入研究。

1.3 液電式懸架結(jié)構(gòu)

液電式饋能懸架是一種將機(jī)械能、液壓能和電能相互轉(zhuǎn)化的饋能懸架[3]。當(dāng)汽車行駛在不平路面發(fā)生振動(dòng)時(shí)，液電式饋能懸架的饋能裝置將車身垂直振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化為液壓缸內(nèi)的液壓能，然后通過(guò)整流橋的作用，液壓能帶動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，最后帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電，將這部分電能儲(chǔ)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(jié)構(gòu)的綜合評(píng)價(jià)

通過(guò)上述三種饋能懸架結(jié)構(gòu)和工作原理的介紹，液電式饋能懸架雖然工作穩(wěn)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(jìn)而增加了油耗，成本較高。電磁線圈感應(yīng)式饋能懸架饋能效率高、操作方便，但因自身結(jié)構(gòu)和懸架空間的影響造成懸架穩(wěn)定性差。相比之下，滾珠絲杠式饋能懸架具有很好的發(fā)展前景，通過(guò)用滾珠絲杠機(jī)構(gòu)、饋能電機(jī)等裝置代替了傳統(tǒng)的液壓減振器，其優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）滾珠絲杠機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)，抗干擾能力強(qiáng)，故滾珠絲杠式饋能懸架結(jié)構(gòu)可靠性好。

（2）滾珠絲杠式饋能懸架的傳動(dòng)裝置即滾珠絲杠機(jī)構(gòu)基本都是無(wú)間隙配合，傳動(dòng)效率很高。

（3）滾珠絲桿式饋能懸架的電機(jī)與滾珠絲杠機(jī)構(gòu)安裝在同一條直線上，且結(jié)構(gòu)尺寸與傳統(tǒng)減振器略有不同，因此安裝性好。

3 電機(jī)的選用

現(xiàn)有的相關(guān)研究文獻(xiàn)[4]大部分采用的是直線電機(jī)，因?yàn)橹本€電機(jī)優(yōu)點(diǎn)很明顯，可以直接驅(qū)動(dòng)，而且結(jié)構(gòu)靈活。但是也存在較多的缺點(diǎn)，比如漏磁通大、功率低、效率低、支持機(jī)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴等[5]。考慮到電氣性能及成本，本文選擇采用旋轉(zhuǎn)型電機(jī)，配合滾珠絲杠機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。

常用的旋轉(zhuǎn)型電機(jī)有無(wú)刷直流電機(jī)、有刷直流電機(jī)和交流異步電機(jī)三大類，它們的綜合特性比較如表1 所示。

直流無(wú)刷電機(jī)既具備直流電機(jī)調(diào)速性能好、無(wú)勵(lì)磁損耗以及運(yùn)行效率高等特點(diǎn)，又具備交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

表1 三大類電機(jī)綜合性能比較

考慮到饋能電機(jī)作為作動(dòng)器，將運(yùn)用于車輛底盤，裝配空間有限，對(duì)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩及效率要求較高，因此選擇體積小、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大的永磁直流無(wú)刷電機(jī)作為饋能電機(jī)。

4 饋能懸架結(jié)構(gòu)和工作原理

本文設(shè)計(jì)以遼寧工業(yè)大學(xué)萬(wàn)得純電動(dòng)方程式賽車E04 為原型車，根據(jù)其后懸架系統(tǒng)參數(shù)，設(shè)計(jì)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(tǒng)減振器相似，尺寸方面略有不同。此減振器的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由上吊環(huán)（1）、上缸蓋（2）、饋能電機(jī)（3）、上缸筒（4）、聯(lián)軸器（5）、絲杠螺桿（6）、絲杠螺母（7）、下缸筒（8）、下吊環(huán)（9）等部分組成。上吊環(huán)（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(jī)（3）置于上缸筒（4）內(nèi)，在上缸蓋（2）和上缸筒（4）的固定制約下，相對(duì)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(jī)轉(zhuǎn)子（10）通過(guò)聯(lián)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(huán)（9）是一體的。上吊環(huán)（1）固定于車身銷軸處，下吊環(huán)（9）固定于車輪銷軸處。

當(dāng)汽車行駛于不平路面時(shí)，饋能懸架的減振器隨路面不平作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，與車輪相連的下吊環(huán)（9）相對(duì)于與車身相連的上吊環(huán)（1）作線性運(yùn)動(dòng)，絲杠螺母（7）和下缸筒（8）在上缸筒（4）內(nèi)沿軸向作上下平動(dòng)，帶動(dòng)絲杠螺桿（6）和電機(jī)轉(zhuǎn)子（10）作正反轉(zhuǎn)動(dòng)，饋能電機(jī)根據(jù)控制指令工作于電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)模式，從而緩沖和衰減由路面不平引起的車身沖擊和振動(dòng)，并且可以回收能量。

5 總結(jié)

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(yōu)點(diǎn)以及存在的不足，通過(guò)對(duì)比分析，提出滾珠絲杠式饋能懸架是最可行的結(jié)構(gòu)方案。

然后進(jìn)行饋能電機(jī)的選用?？紤]到饋能電機(jī)作為作動(dòng)器，將運(yùn)用于車輛底盤，裝配空間有限，對(duì)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩及效率要求較高，因此選擇體積小、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大的永磁直流無(wú)刷電機(jī)作為饋能電機(jī)。

最后，以遼寧工業(yè)大學(xué)萬(wàn)得純電動(dòng)方程式賽車為原型車，根據(jù)其后懸架系統(tǒng)參數(shù)，設(shè)計(jì)了滾珠絲杠式饋能懸架減振器。