汽车馈能减震器方案设计及其性能探讨

摘要：馈能减震器属于新型的减震器，在设计汽车馈能减震器检测方案的过程中，需要了解馈能减震器起到的作用。馈能减震器可以将多余能量转化为汽车所需的动能，解决汽车发展过程中出现的各项问题；可以回收能量并将提取的能量提供给汽车电池，增加汽车的行驶距离；还可以满足新能源交通工具的电力循环，提升车辆运行效率。

关键词：汽车；馈能减震器；设计研究；性能分析

汽车受路况等因素影响，自身结构很容易产生冲击负载，例如，汽车自身的簧下质量。虽然汽车悬架自身带有弹性，吸收了一部分冲击荷载，但汽车震动将一直存在，必须对悬架进行优化改进。框架中的减震器可防止震动，但是传统的减震器是将机械震动能转化为热能散发到大气中，实现减震功能，但产生的热量也会影响减震器的寿命。对于节能减排，因为我国提出了合理的改进方案以及优化建议，所以汽车制造商必须贴合我国现有的发展目标，确保传统减震器的设计能够符合环保要求，解决发展中出现的各项问题。馈能式减震器不仅起到阻尼作用，而且将传统减震器耗散的部分能量以热能的形式返回，以增加汽车的动能，因此馈能式减震器很好地迎合了目前汽车行业发展的需求。现阶段，续航里程不足是影响汽车发展的主要原因，而馈能减震器可以回收能量并将提取的能量提供给汽车的电池。伴随着大力发展汽车产业的需要和以提高汽车能效为抓手，汽车吸能减震器的设计与性能研究正在展开。在能源紧缺、环境恶化的条件下，我国实施汽车产业的可持续发展不仅具有重大的科学意义，而且带来了巨大的经济效益。

一、馈能减震器的设计分析

（一）液电式

液压动力源的减震器是机电液耦合系统采用液压泵替代传统减震器。液压泵的组成包含了液压泵、马达、发电机等各项设备，这些设备共同组成了减震器，发挥应有功能。液压减震器的工作原理是车辆在崎岖不平的道路上行驶时产生的震动使液压缸内的活塞杆上下运动，液压缸内的油流向液压泵四个单向阀和一个拉伸冲程。当液压泵仍处于压缩冲程时，油液只能从液压熨平板桥通过一个出口流到液压蓄能器进行调节。油液可带动叶小马达，如液压马达能够完成有效驱动，实现发电机精准发电。将油液输送回压熨平板，通过压熨平板的矫正作用，可以促进油液出现科学循环，通过循环加快能量转换，使汽车运行可以达到发展要求。汽车悬架受到外部因素的影响会产生震动机械能力，能够更好地推动活塞，使机械能化为流体动能，流体驱动液压马达驱动发电机的动能转化为电能，所以馈能减震器量回收的全过程是机械能转化为油动能，最后转化为电能（如下图所示）。

1.优势

（1）当汽车受到较大冲击时，稳定的电池电压可以减少冲击，因此液压减震器抗冲击能力强，可靠性好。

（2）当单向阀布置妥当时，液压熨平板桥的油液单向流动，液压马达必须单向运动，所以发电机单向旋转。往复运动的一个常见问题是发电机旋转，增加了发电所需的时间。延长机器寿命，提高动态减震器的能量回收效率。

（3）通过调节节流阀开度可以改变阻尼比，从而增加阻尼比的可调范围和更好的阻尼比适应性。

2.弱点

（1）能量可以实现多次转换传递，因此机械能需要根据能量调节，首先转化为动能，随后再调节为电能。针对液压减震器的阻尼力，可以完成调节阀的节流。在后续设计上，有可能会发生不良摩擦，降低了液压减震器的传感效率，导致待速路径可能因设计不当而扭曲。

（2）密封件和液压系统部件的制造精度高，生产成本高。液压系统很大，还需要其他组件，例如电池、管道和油源。

（二）滚珠丝杠式

滚珠丝杠式吸能减震器主要结构有两种，一种是滚珠丝杠机构，另一种是旋转电机。通常，滚珠螺母安装在下轮毂上，电机安装在上轮毂上，上气缸和下气缸分别连接到簧载质量和非簧载质量。当汽车受到外力时，弹簧与非弹簧之间存在相对直线运动，滚珠丝杠机构转换减震器的上下运动和驅动电机的前后旋转，产生电能回收滚珠丝杠式吸能减震器的能量，利用电机产生的电磁力作为动能。

1.优势

（1）阻尼系数主要和滚珠丝杠导程以及齿轮矩形有关。如果导程出现变化可以改变阻尼系数，并且可以在更大的范围内调节阻尼比，使阻尼比拟合得更好。

（2）滚珠丝杠式吸能减震器与电机在一条线上安装，结构尺寸小，安装性好。

（3）滚珠丝杠式机构运行效率较高并且较为精准，使用寿命长，因此滚珠丝杠式减震器的可靠性高。

2.弱点

（1）如果不装机械整流器，电机运转时电机转子容易经常来回转动，缩短电机的寿命，造成大量“惯性损失”。

（2）滚珠丝杠设计适用于低频励磁，但对高频励磁效果不佳。

（3）减震器滚珠丝杠承载能力较弱，当承载能力较高且偏向走向时，丝杠自身有可能会出现弯曲变形等问题，影响最终效果。

（4）滚珠丝杠定位精度高，加工成本高。

（三）直线电机式

直线电机可以被认为是一个旋转电机被半径切割并被平滑，直线电机可以将机械能转变为电能，无须任何中介。直线电机式动力输入阻尼器调整动力阻尼器上缸内的直线电机磁铁，使直线电机线圈组安装在动力阻尼器下缸内。电源减震器的上下气缸分别连接到汽车的簧上和簧下。由于簧上和簧下之间的相对直线运动，磁力线被切断产生电能恢复减震器的能量，同时磁力线被切断。

1.优势

（1）直线电机直接将机械能转化为电能，能量传递时间短，传递效率高。

（2）直线电机体积小，所以直线电机动力阻尼器的耦合更好。

2.弱点

（1）直线电机与旋转电机相比，漏电流大，不增加其他传动装置。直线电机动力减震器的阻尼器所提供的阻尼系数较小，汽车所需的阻尼难以达到，因此其阻尼系数的适用性较差。

（2）直线电机价格昂贵，支撑结构复杂、易碎，制造成本高，结构可靠性一般。

（3）直线电机的效率和功率因数等电气特性较低，因此直线电机功率阻尼器的能量回收效率一般。

（四）齿轮齿条式

齿轮齿条式减震器主要由齿轮机构和旋转电机组成，活塞和小齿轮分别安装在电源阻尼器的上下气缸上。减震器上筒与弹簧进行连接能够达到减震的效果。减震器下缸体与簧上进行连接，能够推动齿轮进行直线运动，并促进齿轮进行旋转工作，将减震器的上下运动转化为电机轴的双向旋转运动，恢复齿轮齿条的供电减震器，并将电机中的电磁转矩变为减震器，从而降低车辆的震动情况，达到减震的目的。

1.优势

（1）齿轮齿条能量输入减震器的参数，确定齿轮半径以及转动比平方。改变驱动半径以及传动比就可以达到改变阻尼比的目的，从而可以在很宽的范围内调节阻尼比。因此，其衰减系数的适用性非常好。

（2）活塞和小齿轮供电减震器结构紧凑，安装方便。

（3）齿轮齿条承载能力高，可高速使用，使用寿命长，生产成本比滚珠丝杠低。

2.弱点

（1）齿轮机构传统的过程中如果精度较低，可能会出现装配精度较差的情况，还会产生较大噪声。

（2）如果电机中缺少机械整流桥，电机转子会经常来回转动，这会极大地影响电机的寿命和电源减震器的能量回收效率［1］。

二、馈能减震器结构方案

（一）设计原则

阻尼系数适用性优化原则。悬架质量以及弹簧夹刚度对于减震器阻尼比起到决定性作用。阻尼系数反映了馈能减震器的减震能力，对驾驶舒适性和车辆安全具有重要意义。不同车型的避震器是不一样的，比如SUV车型的避震器比普通车要大，汽车悬架所需的阻尼系数有一定的取值范围。如果减震器的阻尼系数在一定范围内，可以保证车辆的驾驶舒适性和安全性会更好。因此，在设计动力减震器时，必须保证动力减震器的阻尼系数与车辆的悬架特性相适应，满足减震器的阻尼功能，否则供电用的减震器就没有用了［2］。

最优配对原则。连接动力减震器与在车辆悬架系统中安装动力减震器是否简单有关，还是需要更改车辆的原始悬架设计或车辆的质量和体积，这些功能是否会对支架的可用性产生不利影响，而避震器在汽车悬架中的安装空间有限，因此设计的电源避震器的体积必须尽可能小。过大的减震器质量会对车辆的舒适性和安全性产生不利影响，同时会增加车辆的质量并消耗更多的能量，这与动力减震器的原始设计背道而驰。避震器的重量要尽可能低，如果需要改变汽车原有的悬挂结构，加装动力避震器会增加成本，不利于动力避震器的推广。因此，电源减震器的设计必须根据阻尼系数调整原则进行调整。

吸能减震器存在的目的是抑制震动，因此它们还可以回收一些原本由传统减震器以热量形式消散的能量。因此，性能如果符合相关标准，吸收器能够直接体现能量回收量，与生产成本一起决定了所供给能量的市场价值。如果吸能减震器的能量回收效率较高，就说明吸收器能量回收量较多，能够达到较高的节能效果。

生产成本能够对动态减震器的市场价值起到决定性作用。动态减震器的设计要能够降低生产资金的投入，如果动态减震器生产成本较高，汽车制造商和用户可能更倾向于传统避震器，这不利于电动避震器的推广。因此，供能式减震器的设计也必须符合生产成本最低的原则［3］。

（二）结构方案

下面根据现有电源减震器设计的优缺点以及上述供能减震器设计原则，对电源减震器设计方案进行详细评价，进而选择最优的设计形式。根据前吸式减震器的设计原则，前两项设计原则比后两项设计原则更为重要。电液供电减震器的阻尼系数可以根据节气门开度的调节而改变，从而使阻尼系数的调节范围更广，因此其阻尼系数的适应性更强。液电式减震器包括电池、管路、油源等部件体积大，连接不良。通过改变系统导线的尺寸和传动比，可以改变吸能阻尼器的阻尼系数，使阻尼系数可以在更大的范围内调整。因此，吸能阻尼器的阻尼系数根据滚珠丝杠进行调整。另外，滚珠丝杠与电机呈直线安装，结构尺寸小，联轴器好。

（三）模块化设计

传统齿轮齿条式减震器的具体工作原理如下：车辆行驶在道路上时，由于路面不均匀，车辆悬架产生上下震动，由上动力缸提供阻尼。馈能减震器自身的震动有可能会引起汽车直线运动。减震器可以防止汽车在行驶过程中，汽车悬架因路况问题所产生的震动率。例如，汽车车轮在行驶过程中，若受路况影响，齿条的驱动器向下完成运动，而驱动电机则可以沿一定方向呈逆时针旋转。当车轮高速旋转时，阀门处于曲柄行程中，驱动电机则可以在相反方向完成旋转抵消力，馈能减震器抵消震动不均匀，可以针对电机转子运动中的不均匀双向旋转实现调解，保障电机双向旋转能够产生合理电流，避免出现惯性损失。当电机转子高速旋转时，必然会消耗一定热量以及能量，高频双向旋转也有可能对电機的结构造成影响。例如，最明显的便是疲劳磨损，干扰电机使用效率以及使用寿命，导致减震器可靠性降低。

为解决以往齿轮减震器出现的各项问题就需要基于减震器基础进行改革。例如，优化齿轮齿条，使其能够配合与离合器完成机械能的转换，实现相对稳定的双向旋转。双向旋转由以往单向旋转转化成将旋转动能传递给电机，解决以往困难。减震器电机保护运动的现象，能够保障能量回收效率，避免双向传动的干扰，延长电机的使用寿命，确保馈能减震器使用更加科学、合理。

三、馈能减震器的动力学分析与性能仿真研究

套筒小齿轮供电减震器主要由小齿轮机构、机械整流桥和电机组成，活塞和齿轮机构起运动转换和传力的作用，机械整流桥起运动修正的作用，对于电源以及阻尼器的分析，馈能减震器的动力学以及性能方程在工作中为电机旋转提供参数，在电磁力上可阻止电机转子继续旋转。例如，电机可提供能量使马达旋转并保障阀门以及马达能够配合电机运转。在齿轮等机械系统中，能够传达一定阻尼，分析齿轮阻尼值。其中阻尼相对较小，在完成动力学分析过程中，需要考虑发动机的主要经济因素以及其他种类因素。结合外部电路研究旋转，明确阻尼标准与馈能减震器的动力学分析系统，结合分析得出合理的参数以及规划，最后得到阻尼力、能量和回收效率。

结语

综上所述，我国对于汽车工业领域提供了大量的人力、物力支持，馈能减震器的研发以及使用将帮助汽车工业领域完善可持续化发展，解决以往出现的各项障碍，实现全方面增长。馈能减震器所产生的优势可以引导减震器的发展更加科学精准，在使用过程中，将消耗的能量收集完成循环。能量吸收器可以回收能量并将提取的能量提供给汽车电池，从而增加汽车的续航里程。在此基础上，本文对汽车动力减震器的设计和使用进行了研究。

参考文献：

［1］黄燕飞.馈能减振器阻尼特性对悬架性能影响及仿真分析［J］.时代汽车，2021（20）：2.

［2］王俪颖.新能源汽车轻量化设计方案研究［J］.环球市场，2020（17）：377.

［3］钟志红，陈兴彬.新能源汽车零部件轻量化及其整车性能集成技术产业化研究［J］.汽车博览，2020（15）：114115.

项目基金：辽宁机电职业技术学院2021年院级校企合作协同创新类科研项目（项目编号ky202103）

作者简介：李明杰（1982—），女，满族，辽宁丹东人，硕士，高级职称，研究方向：汽车检测。