滚珠丝杠式馈能悬架的平顺性仿真分析

李柏姝，任旭辉

（沈阳理工大学汽车与交通学院，辽宁 沈阳 110159）

汽车悬架是汽车的主要总成之一，可显著改善汽车的平顺性，汽车在正常行驶时，由不平路面激励会引起车身振动，传统悬架会将这部分振动能量转化为热能消耗掉。本文所研究的馈能悬架就是把这部分能量加以回收利用，即用具有能量回收功能的减振器替代传统的减振器，将被耗散的能量加以回收利用，实现一条节能减排新途径。

近十几年来，一些国家开始研究馈能式悬架。Bose公司2004年宣称[1]，其开发的电磁式悬架系统能在利用电磁力和直线电机抵消道路冲击的同时回收部分能量。2012年，NISSAN公司发布了液压车身控制（HBMC）技术[2]，该技术是将车辆四个减振器上腔和下腔的液压油引出，分别连接蓄能器，通过控制蓄能器油压从而控制车身的稳定。

在国内，相关项目的研究有了很大进展，但大多仍然停留在仿真及初步试验的阶段，武汉理工大学过学迅、宋涛[3]对馈能悬架的结构及基本原理进行了详尽的阐述。上海交通大学的喻凡、郑雪春[4-5]提出了由滚珠丝杠结合永磁直流无刷力矩电机构成的主动悬架作动器方案。吉林大学的王伟华、于长淼[6]提出了由齿轮齿条机构结合直流伺服电机构成的主动悬架作动器方案例，并进行了仿真分析。

本文对汽车传统悬架和滚珠丝杠馈能式悬架做了阶跃激励振动仿真试验和随机路面激励振动仿真试验，通过对仿真结果的分析对比，证明该馈能悬架在保证振动能量回收的同时也具有良好的平顺性。

1 悬架系统理论模型建立

馈能悬架模型如图1所示。在AMESim软件的草图模式（Sketch mode）下，建立了二自由度的四分之一汽车传统悬架系统模型，见图1左半部分。其中包括簧载质量、非簧载质量、弹性元件、阻尼元件、等效轮胎和路面激励。图中右半部分为滚珠丝杠馈能减振器模型，主要由三部分组成：滚珠丝杠模型、电机模型、电池模型。

图1 四分之一车辆馈能悬架AMESim模型

由于滚珠丝杠在运行过程中滚珠与滚道和反向器以及滚珠之间的相互力的作用使得内部受力情况相当复杂。因此只有运用合理方法对滚珠丝杠进行建模及简化才能保证模型的精度和仿真运算效率。在对该系统建模过程中用线性库伦摩擦模型表示滚珠在滚道里的滚动摩擦，滚珠丝杠将垂直振动的位移转换成旋转运动的建模是通过一个旋转线性位移调制器完成的。

2 阶跃激励振动试验

本文采用阶跃信号模拟50mm高度台阶路况。将两种悬架系统的各项参数分别输入到对应的AMESim理论模型中进行仿真。结果如图2、图3所示。

图2 阶跃路面激励下悬架车身垂直位移

图3 阶跃路面激励下悬架车身加速度响应特性曲线

从图2和图3可以看出，滚珠丝杠馈能式悬架振动衰减至稳态的时间较传统悬架短，且振幅较传统悬架小，这是由于滚珠丝杠在工作时滚珠在螺旋槽里滚动产生摩擦阻尼以及电机工作时提供的反电动势对馈能悬架衰减振动都提供一定的阻尼。

3 路面随机激励振动试验

汽车一般行驶在不同等级的路面上，路面传递给车轮的激励是平稳的随机信号，它是用统计特性进行描述的，使用特定等级路面谱激励可以对汽车行驶平顺性随机输入试验。我国路面按照国家标准进行了不同程度的分级，共分为8级。随机路面激励仿真试验选取B级路面，使用图2建立的模型进行B级路面随机激励仿真试验。为了避免路面信号的随机性造成两种悬架受到不同的激励，使用同一个随机路面谱仿真模型同时对两种悬架激励。结果如图4、图5所示。

图4 传统悬架车身加速度

图5 馈能悬架车身加速度

针对悬架振动系统而言，就影响乘员舒适性的车身加速度进行比较。分析图4、图5发现馈能悬架车身加速度与传统悬架车身加速度响应基本一致。馈能悬架的车身加速度最大值为0.322 m/s2，传统悬架车身加速度最大值为0.364 m/s2，二者相差虽然不大，但还是优于传统悬架的。仿真试验结果证明，滚珠丝杠馈能式减振器在可回收能量的同时，也能保证悬架的平顺性良好。

4 结束语

通过对馈能悬架和传统悬架的阶跃激励振动试验和路面随机激励振动仿真试验的结果分析，证明滚珠丝杠馈能式悬架在具备能量回收能力的同时，在衰减振动和阻尼特性方面较传统悬架有优势的，但是馈能电机工作中为悬架提供的阻尼的大小并不是呈线性变化的，因此在对馈能悬架的下一步研究当中要对电机工作时阻尼的变化做更深一步的研究。

[1]刘 俊.Bose公司推出主动悬挂控制系统[J].汽车每日资讯，2004，（4）:1-2.

[2]Shimokawa S，Aihara T，Iwasaki S，etal.HBMC（Hydraulic Body Motion Control System）for Production Vehicle Application[J].SAE Technical Paper，2011，（3）:1-5.

[3]过学迅，宋 涛.汽车馈能式减振器性能仿真与试验研究[D].武汉:武汉理工大学汽车工程学院，2013.

[4]郑雪春.馈能式汽车电动主动悬架的理论及试验研究[D].上海:上海交通大学机械与动力工程学院，2007.

[5]Xuechun Zheng，Fan Yu.Study on the Potential Benefits of an Energy-Regenerative Active Suspension for Vehicles[M].SAE，2005.

[6]子长淼.混合动力汽车馈能式悬架的研究[D].长春:吉林大学汽车学院，2008.