汽车馈能悬架的结构选型与设计

刘慧军，陈双，薛少科

（辽宁工业大学，辽宁 锦州 121001）

前言

汽车悬架在路面不平度和发动机等振源激励下会产生随机振动。通常情况下，这部分振动能量会由汽车减振器转化为热能耗散掉。然而，全球能源紧缺，自然环境不断恶化，发展节能技术已迫在眉睫，如果能将这部分振动能量回收利用，就可以降低汽车能耗，从而节约能源。本文正是基于这种思想，设计了一种滚珠丝杠式馈能悬架。

1 馈能悬架结构种类

1.1 滚珠丝杠式悬架结构

滚珠丝杠式馈能悬架[1]主要是由馈能电机、滚珠丝杠机构和电池等部分组成。滚珠丝杠式馈能悬架采用旋转型馈能电机，将其布置于减振器的上方，馈能电机转子与滚珠丝杠机构相连，通过滚珠丝杠机构将车身沿轴向上下往复的线性运动转变为电机转子的转动。馈能电机与滚珠丝杠机构组成馈能元件，将回收的能量进行储存并再次利用。

滚珠丝杆式馈能悬架的电机与滚珠丝杠机构安装在同一条直线上，且结构尺寸与传统减振器略有不同，所需的安装空间小，安装方便。滚珠丝杠式馈能悬架的传动装置是无间隙配合，传动效率较高，馈能效率较高。滚珠丝杠和馈能电机是滚珠丝杠式馈能悬架的关键部件，价格昂贵，制造成本高。

1.2 电磁线圈感应式悬架结构

电磁线圈感应式馈能悬架[2]工作原理是利用电磁感应定律，将磁体固定在汽车悬架上，当汽车行驶在不平路面发生振动时，磁体随着悬架一起做往复的垂直振动，此时磁体不断地切割磁感线产生电流，这些电流经过整流后储存在蓄电池中并再次利用。

电磁线圈感应式馈能悬架可以将机械能直接转化为电能，其馈能效率高，但这种结构也有很多弊端，由于磁体直接固定在悬架上，当悬架受到路面冲击时，悬架的其他部件会与线圈发生碰撞，可能造成馈能机构失效，另外，这种馈能悬架产生的内在阻尼力偏小，因此电磁线圈式馈能悬架目前仅仅停留在理论分析层面，需要进一步的深入研究。

1.3 液电式悬架结构

液电式馈能悬架是一种将机械能、液压能和电能相互转化的馈能悬架[3]。当汽车行驶在不平路面发生振动时，液电式馈能悬架的馈能装置将车身垂直振动的能量转化为液压缸内的液压能，然后通过整流桥的作用，液压能带动液压马达转动，最后带动电机发电，将这部分电能储存在蓄电池中并再次利用。

液电式馈能悬架搭载了一套电磁馈能装置，馈能效率高，但这套电磁馈能装置和液压管道明显增加了车身的重量，增加了汽车油耗，因此成本较高。

2 馈能悬架结构的综合评价

通过上述三种馈能悬架结构和工作原理的介绍，液电式馈能悬架虽然工作稳定性好、馈能效率高，但由于增加了液压管道以及电磁馈能装置，增加了车身重量，进而增加了油耗，成本较高。电磁线圈感应式馈能悬架馈能效率高、操作方便，但因自身结构和悬架空间的影响造成悬架稳定性差。相比之下，滚珠丝杠式馈能悬架具有很好的发展前景，通过用滚珠丝杠机构、馈能电机等装置代替了传统的液压减振器，其优点如下：

（1）滚珠丝杠机构的结构稳定，使用寿命长，抗干扰能力强，故滚珠丝杠式馈能悬架结构可靠性好。

（2）滚珠丝杠式馈能悬架的传动装置即滚珠丝杠机构基本都是无间隙配合，传动效率很高。

（3）滚珠丝杆式馈能悬架的电机与滚珠丝杠机构安装在同一条直线上，且结构尺寸与传统减振器略有不同，因此安装性好。

3 电机的选用

现有的相关研究文献[4]大部分采用的是直线电机，因为直线电机优点很明显，可以直接驱动，而且结构灵活。但是也存在较多的缺点，比如漏磁通大、功率低、效率低、支持机构复杂、价格昂贵等[5]。考虑到电气性能及成本，本文选择采用旋转型电机，配合滚珠丝杠机构将旋转运动转换为直线运动。

常用的旋转型电机有无刷直流电机、有刷直流电机和交流异步电机三大类，它们的综合特性比较如表1 所示。

直流无刷电机既具备直流电机调速性能好、无励磁损耗以及运行效率高等特点，又具备交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点。

表1 三大类电机综合性能比较

考虑到馈能电机作为作动器，将运用于车辆底盘，装配空间有限，对起动转矩及效率要求较高，因此选择体积小、起动转矩较大的永磁直流无刷电机作为馈能电机。

4 馈能悬架结构和工作原理

本文设计以辽宁工业大学万得纯电动方程式赛车E04 为原型车，根据其后悬架系统参数，设计了滚珠丝杠式馈能悬架减振器。滚珠丝杠式馈能悬架的减振器外观上与传统减振器相似，尺寸方面略有不同。此减振器的结构如图1 所示，由上吊环（1）、上缸盖（2）、馈能电机（3）、上缸筒（4）、联轴器（5）、丝杠螺杆（6）、丝杠螺母（7）、下缸筒（8）、下吊环（9）等部分组成。上吊环（1）与上缸盖（2）是一体的，上缸筒（4）与上缸盖（2）之间为螺纹连接，馈能电机（3）置于上缸筒（4）内，在上缸盖（2）和上缸筒（4）的固定制约下，相对于两者静止。滚珠丝杠由丝杠螺杆（6）和丝杠螺母（7）组成，电机转子（10）通过联轴器（5）与丝杠螺杆（6）相连，丝杆螺母（7）与下缸筒（8）之间为螺纹连接，下缸筒（8）与下吊环（9）是一体的。上吊环（1）固定于车身销轴处，下吊环（9）固定于车轮销轴处。

当汽车行驶于不平路面时，馈能悬架的减振器随路面不平作往复运动，与车轮相连的下吊环（9）相对于与车身相连的上吊环（1）作线性运动，丝杠螺母（7）和下缸筒（8）在上缸筒（4）内沿轴向作上下平动，带动丝杠螺杆（6）和电机转子（10）作正反转动，馈能电机根据控制指令工作于电动机或发电机模式，从而缓冲和衰减由路面不平引起的车身冲击和振动，并且可以回收能量。

5 总结

首先介绍了常用的三种馈能悬架，分析了这些馈能悬架的工作原理，客观描述了这些馈能悬架的优点以及存在的不足，通过对比分析，提出滚珠丝杠式馈能悬架是最可行的结构方案。

然后进行馈能电机的选用。考虑到馈能电机作为作动器，将运用于车辆底盘，装配空间有限，对起动转矩及效率要求较高，因此选择体积小、起动转矩较大的永磁直流无刷电机作为馈能电机。

最后，以辽宁工业大学万得纯电动方程式赛车为原型车，根据其后悬架系统参数，设计了滚珠丝杠式馈能悬架减振器。