单向丝杆-液电式馈能悬架的设计与分析

万昳妤，钱宇晨，李天赐，张子澄，李长玉

（广州城市理工学院 汽车与车辆工程学院，广东 广州 510800）

1 馈能悬架的现况分析与发展前景

1.1 研究背景

在能源消耗问题日益严峻的情况下，发展相应的节能科技已成为世界汽车产业的主要旋律之一。在汽车能量使用方面有许多使用不合理的地方，如在汽车刹车时对减速器采用摩擦的方式，通过制动器直接将汽车行驶的能量转化为热能消耗掉；利用元件之间产生的摩擦力来达到车身平稳的目的，却大量浪费了摩擦过程中生成的热量等。如果可以减少或直接消除这些能量的浪费，并回收利用这些损耗的能量，将会大幅度降低汽车能耗，从而节约能源，减少浪费。

对于大部分汽车来说，车辆在运动时的功率损耗较高，为了在降低功率损耗的同时满足汽车运转对能量效率的需求，通过回收利用被阻尼器消耗的能量来优化此类汽车的能耗问题。

如今大部分车辆采用的是被动悬架系统，该系统不能根据汽车行驶工况改变自身性能，因此，车辆的性能得不到提高。为了让车辆在各种行驶工况下正常工作，通常将被动悬架刚度和阻尼参数折中选取以达到平衡车辆工况的目的，但是这种方法限制了车辆本身的灵活度和实用性。馈能悬架的阻尼系数可以根据实际的工况进行实时的监控和改变，并且馈能原件在汽车行驶过程可作为作动器使用。这种悬架的应用不仅减少了车辆的能源消耗，也增加了悬架系统的可控性。

1.2 馈能悬架的现实意义

大多数汽车的悬架系统主要由弹性元件、减振器和导向机构等组成。悬架系统可以把车轮受到路面的作用力和反力所产生的力矩传递到车架或者车身上，是汽车正常行驶的保证。汽车车轮在不平整的路面高速行驶时，常常会受到路面高强度的直接冲击反力，悬架中的弹性元件和减振器极大地缓冲这部分力，起到迅速衰减振动的作用，提升驾驶舒适感，并有效避免货物损坏的可能性，保证了车体的稳定性。在缓冲过程中，传统被动悬架系统往往以热能的形式耗散绝大部分的悬架振动能量，这种能量的损耗是汽车悬架能源耗费的直接来源。本文中的馈能式悬架，能够回收利用汽车悬架系统振动的能耗，提高整车燃油经济性，符合环保理念。

1.3 悬架的分类

1.3.1 传统悬架的分类

目前，悬架按设计体系分类有单独悬架系统与非单独悬架系统，而单独悬架体系包括横臂式、纵臂式、多连杆型、烛式和麦弗逊式悬架。

1.3.2 馈能悬架的分类

汽车的馈能悬架按照能量回收方法可以分为压电储能式、电磁储能式、液压储能式三种。其中压电储能式馈能悬架与传统的悬架系统相似，其馈能方式是在原来悬架的弹簧和车身的连接处加装一个具有压电效应的元件，在汽车行驶时，由于汽车车轮与路面会产生冲击，从而导致悬架系统的振动，此时该元件因不断地受到拉伸和压缩而产生压电效应，这种效应将悬架系统振动的动能转化为电能吸收储存起来。

电磁储能式馈能悬架相对较为复杂，其设计原理是在传统悬架系统上将减震器改换为电磁作动器。在汽车行驶时，由于振动使汽车的车轮与车身之间具有相对运动，使电磁作动器中的线圈切割磁感线产生电流。液压储能式馈能悬架利用液压原理来实现能量转化，在汽车行驶过程中，安装在传统悬架系统上的液压元件会在车轮与地面冲击时进行收缩和拉伸，从而将冲击的振动能量转化为液压能吸收储存起来。

1.4 馈能悬架的发展前景

近年来，汽车的电气化程度随着电子科学技术的快速发展而变得愈来愈高。由于先进的电气元件的发展和应用，使得馈能悬架技术能在更大程度上为未来汽车悬架控制系统电子化的设计提供扎实的基础，同时也为汽车的底盘设计及底盘一体化提供帮助，因此，研究开发出一套能够回收能耗，又可以极大地提高车辆性能的悬架系统很有现实意义。

1.5 馈能悬架现有技术存在的缺点

（1）现有的馈能系统的机电转换效率较不理想，工作效率较低。

（2）存在着动能回收和汽车振动主动控制之间相互矛盾的制约因素，使回收汽车振动能力相对较低。

（3）馈能系统的机械结构较复杂，难以进行保养和维修；并且额外的机械结构会增加汽车的整体质量，增加耗油量，与节能减排的理念相违背。

（4）某些类型的馈能悬架系统运营需要额外的零部件，例如液压马达型馈能悬架需要转向器和增速器来协助能量的回收和再利用，增加了汽车悬架系统的复杂程度。

（5）传统的馈能悬架系统的工作效率会因为不同的路况而发生改变。陡峭崎岖的路面往往对汽车悬架系统瞬间的冲击力较平稳路面时大得多，工作效率的不确定性使能量回收值不稳定，不能形成稳定的电流。

2 单向丝杆-液电式馈能悬架的特点

2.1 悬架的外观特点

本文提出的悬架是一种结构优化过的单向丝杆-液电式馈能悬架，其内部结构如图1所示，外部总体结构如图2所示，局部视图如图3所示。

图1 馈能悬架去除悬架外套

图2 外部总体结构

图3 局部视图

该悬架利用巧妙的结构优势，在充分发挥了传统油液悬架和现代馈能悬架的各个优点的同时，改善了现有馈能悬架的种种弊端。当车轮受到来自地面的力或者力矩时，减振器就会将力或者力矩吸收，将绝大部分的振动能量通过丝杆和轴承的运动转化为电能。在馈能悬架吸收并转化能量的同时，力和力矩得到了一定的缓冲，减少了对机构零件的冲击，延长了机械的使用寿命，具有结构良好、节能减排和提高燃油经济性的优点。

2.2 悬架的相关参数

2.2.1 悬架结构简述

该悬架由液压执行元件、液压马达、蓄能器、单向阀、液压管路、发电机、蓄电池等组成，其结构简化图如图4所示，作用原理是将滚珠丝杠的上下往复运动转化为旋转运动，驱动电动机发电。

图4 馈能悬架简化图示

2.2.2 悬架外套

悬架外套相关参数如表1所示。

表1 悬架外套相关参数

2.2.3 推力轴承

推力轴承相关参数如表2所示，推力轴承剖视图如图5所示。

图5 推力轴承剖视图

表2 推力轴承相关参数

2.2.4 上端丝杆

上端丝杆相关参数如表3所示，其装配位置如图4中标号12所示。

表3 上端丝杆相关参数

2.2.5 其余结构参数

悬架耳环如图6所示，相应数据如表4所示。

表4 悬架耳环参数

图6 悬架耳环

单向丝杆-液电式馈能悬架的滚珠丝杠直线导杆、丝杠、联轴器的相关参数如表5、表6、表7所示，其中联轴器如图4中标号5所示。

表5 滚珠丝杠直线导杆相关参数

表6 丝杠相关参数

表7 联轴器相关参数

3 单向丝杆-液电式馈能悬架的创新性

本设计利用结构的优势，充分吸取了传统油液悬架和现代电磁馈能悬架的各个优点，并进行了创新性改良。

单向丝杆-液电式馈能悬架采用液电相结合的方式进行路面振动能量回收。汽车正常行驶时，吸收由于地面不平整造成车体振动的机械能，将其转化成电能供汽车使用。在复杂不平稳的道路上，油液能够很好地缓冲巨大的瞬时机械能量，将无规律振动能量化为规律的机械能量，同时对悬架及其减振器起到了一定的保护作用，有效延长使用寿命，降低了维修成本，符合节能减排和低碳经济发展的理念。

该悬架的减震器采用新式结合型减震器，其主要优点是推力体积大、传动效率高、过载能力强和动态响应性好。本设计利用软件CATIA对单向丝杆-液电式馈能悬架建模，其轴侧视图如图7所示，利用目前所热门研究的液电式减震器与此相结合，加大了能量的回收效率，同时也保证了丝杆工作的平顺。

图7 轴测视图

此外目前已有的馈能减振器未包含换向和加速的机构，本设计有效避免了这种结构复杂性和在传动过程中的摩擦，利用单向轴承来取代传统单向离合器，使得馈能减振器中的转动部件可以从双向旋转转换成单向转动，从而降低了由于齿轮在配合过程中间隙所带来的空程传动损失以及对齿轮传动中的冲击，进而增加馈能减振器的可靠性，也因此大大提高了传统单向转动馈能减振器的能源利用效果，其俯视图如图8所示。除此之外，单向轴承使用成本低，购买方式及维修型号都已标准化，可针对不同的载重车辆对单向轴承进行调试，减少了此悬架在日常使用时维护的成本。

图8 单向轴承俯视图

4 结束语

本文提及的单向丝杆-液电式馈能悬架，利用结构优势充分发挥了传统油液悬架和现代馈能悬架的各个优点，减小了传统悬架和现代馈能悬架的种种弊端，具有节能减排、结构良好和提高燃油经济性的优点，实现汽车悬架缓震、回收振动能量、转化能量、利用能量、提高驾驶感和乘客的乘坐舒适性的多种要求，能够有效地将悬架接收的振动能量通过发电机和液力发电机转化为可用的电能，从而减少能源的消耗。本文研究方向是馈能型悬架领域的研究热点，未来更节省能源的馈能式悬架将得到更加广泛的应用。