并联式滚珠丝杠馈能减振器设计及模态分析

黄燕飞，李柏姝

（沈阳理工大学汽车与交通学院，辽宁沈阳110159）

并联式滚珠丝杠馈能减振器设计及模态分析

黄燕飞，李柏姝

（沈阳理工大学汽车与交通学院，辽宁沈阳110159）

滚珠丝杠式馈能减振器有串联式和并联式两种，但是并联式结构能减少馈能减振器的总体安装长度，能增加实际应用的前景。设计了一种并联式滚珠丝杠式馈能减振器，并对馈能减振器的核心元件滚珠丝杠进行有限元分析，用ANSYS模拟分析了丝杠在静载荷下的变形以及模态分析，论证了并联式馈能减振的可行性。

并联式；滚珠丝杠；有限元分析；模态分析

1　并联式馈能减振器结构设计

随着用户对汽车节约能源要求的不断提高，馈能减振器得到不断的发展，特别是滚珠丝杠式馈能减振器受到更多设计者的关注，由于滚珠丝杠式馈能减振器结构简单［1］，能量转化率高，因此得到迅速发展。滚珠丝杠式馈能减振器分为并联式和串联式，串联式结构设计相比较于并联式更加简单，因此发展的比较成熟。但是并联式结构更加紧凑，更能符合小型汽车的要求，因此发展前景更加广阔。

并联式馈能减振器结构是指滚珠丝杠置于中空的馈能电机转子内部，滚珠丝杠与转子“并联”，滚珠螺母与馈能电机转子连接的结构。馈能电机定子镶嵌在馈能减振器外壳体内与车身端相连接，丝杠末端与车轮端相连接。如图1所示，是并联式滚珠丝杠馈能减振器基本结构，国内有很多学者都设计出了这种结构。但本文的设计有几点改进：（1）转子和螺母采用螺纹式连接，使结构更加简单；（2）永磁式定子采用片式，减轻了馈能减振器的重量；（3）在这种结构中丝杠螺母和转子固定，是一个整体，定子和外壳固定一起，是一个固定部分。该结构的基本原理是：当汽车［2］在不平的路面颠簸时，汽车上下振动，滚珠丝杠就会上下移动，螺母和电机转子就会发生旋转，切割定子磁感线产生电流，电机就会储存能量，这部分能量将用于汽车其他用电器使汽车达到节能效果。

图1　并联式馈能减振器局剖视图

2　滚珠丝杠模态分析

丝杠是馈能减振器［3］的核心支撑原件，对丝杠模态分析主要是为了确定丝杠的振动特性，即结构的固有频率和振型，它们是结构承受动态载荷设计中的重要参数［4］。

模态分析基本理论方程［5］为，其中［M］是质量矩阵；［C］为阻尼矩阵；［K］为刚度矩阵；｝为节点加速度矢量；为节点速度矢量；｝为节点位移矢量。本文用CATIA对丝杠进行建模，并将模型导入到ANSYS对滚珠丝杠进行模态分析，如图2～3所示。选择滚珠丝杠材料［6］为钢，弹性模量为2.1×105MPa，泊松比e=3，密度7 850 kg/m2，许用应力为1.47×106N/m2振动频率10 000 Hz，扩展频率10 000 Hz.

图2　滚珠丝杠模态分析图一

图3　滚珠丝杠模态分析图二

通过ANSYS对滚珠丝杠在旋转过程中的模态进行分析。如图2～3所示，发现随着转速的增大，滚珠丝杠模态上升的幅度越大，滚珠丝杠变形也越大。因此通过分析得到根据上文选定的滚珠丝杠材料，在旋转频率低于10 000 Hz时，满足一般汽车的要求。通过以上分析还可以发现，丝杠在远离支撑部分变形程度增大，因此，在保证滚珠丝杠副的正常结构要求时，要尽可能缩短支撑距离；同时，与主轴系统相比，需要保证支撑部分的精度刚性；整个系统的刚性不足也会影响滚珠丝杠副的振动与噪声［7］。

3　结束语

本文首先设计了并联式滚珠丝杠馈能减振器，分析了并联式滚珠丝杠馈能减振器工作原理。并用CATIA对并联式滚珠丝杠建模，然后用ANSYS对并联式滚珠丝杠馈能减振器的核心原件滚珠丝杠进行了有限元分析，进行了模态分析，分析了滚珠丝杠在不同模态下的变形情况，为减振器设计的可行性［8］奠定基础。

［1］姚卫星.结构疲劳寿命分析［M］.北京:国防工业出版社，2003:11-25.

［2］俞凡，林逸.汽车系统动力学［M］.北京:机械工业出版社，2005:7-44.

［3］何仁，陈士安，陆森林.馈能型悬架的工作原理与结构方案评价［J］.农业机械学报，2006，37（5）:5-9.

［4］李志成.汽车馈能悬架的结构选型与性能仿真［D］.长春：吉林大学汽车学院，2009.

［5］于长淼.混合动力汽车馈能式悬架的方案设计及仿真分析［D］.长春：吉林大学汽车学院，2008.

［6］王庆年，刘松山，王伟华，等.滚珠丝杠式馈能型减振器的结构设计及参数匹配［J］.吉林大学学报，2009，（2）:11.

［7］喻凡，张勇超.馈能型车辆主动悬架技术［J］.农业机械学报，2010，41（1）：1-5.

［8］王伟华，李志成，于长淼.一种新型汽车馈能减振器的结构设计与特性分析［J］.汽车技术，2010，（3）:12.

Design and Finite Element Analysis on ParallelBallScrew Type FeederWhich Can Shock Absorber

HUANG Yan-fei，LIBai-shu
（Shenyang Ligong University，Shenyang Liaoning 110159，China）

The ball screw type feeder can shock absorber has two kinds of series and parallel connection，and parallel structure can reduce the overall installation length and can supply shock absorber，can increase the prospects for practical application.In this paper，we design a parallel ball screw type feeder which can shock absorber and the core components of feeder can shock absorber ball screw is given finite element analysis with ansys，prove the feasibility of this parallel feed to vibration.

parallel；ball screw；the finite element analysis；themodel analysis

U463.33

A

1672-545X（2016）05-0099-02

2016-02-08

辽宁省教育厅科学技术研究一般项目（L2015457）

黄燕飞（1989-），男，河南信阳人，本科，硕士在读，研究方向：汽车先进设计与制造技术。