新能源汽车馈能减振器方案设计及其性能分析

曾国梁

关键词：新能源汽车；馈能减振器；模块化设计；性能表现

0 前言

馈能减振器不但能够为行驶的汽车减振，还能够回收原有被传统减振器所消耗的热能，所以它代表了未来减振器的主流发展方向。考虑到当前新能源汽车存在诸多发展瓶颈，例如续航里程不足、能量回收不易等，采用馈能减振器可以大量回收能量，并将回收的能量转化为新能源，供汽车动力电池使用。在当前我国能源相对短缺的大环境下，馈能减振器的应用产生了重大经济效益，所以针对它的模块化设计非常有必要。

1 新能源汽车馈能减振器的模块化设计

新能源汽车馈能减振器在设计过程中遵循模块化设计原则，因此需要先确定其设计原则和结构方案，然后再展开各个方面的模块化设计。

1. 1 设计原则

在新能源汽车正常行驶过程中，车轮受到路面不平整度激励影响，会导致汽车簧下质量和簧上质量之间产生相对运动的情况。究其原因，主要是因为汽车悬架中弹性元件发生缓冲冲击载荷，引起振动现象，此时需要悬架中的减振器来有效衰减振动。馈能减振器的功能表现不仅与传统减振器相同，而且在衰减汽车振动方面也能回收原有传统减振器热能损耗。因此，必须有针对性地设计馈能减振器，并遵循以下重要原则：

（1） 阻尼系数适配性原则。该原则要求馈能减振器在设计过程中提高其能量回收效率，确定悬架弹簧刚度与车辆悬架参数，以确保减振器所需要的阻尼系数正常变化。阻尼系数反映的是馈能减振器的衰减振动能力，其大小变化对于车辆行驶平顺性及安全性都会产生重大影响；如果车辆类型不同，减振器阻尼系数也会有所不同。以运动型多用途汽车（SUV）车型为例，其减振器阻尼系数明显大于普通轿车减振器阻尼系数，其中车辆悬架所需的阻尼系数则保持在一定允许范围内，确保车辆行驶绝对安全。在具体设计馈能减振器的过程中，需要确保馈能减振器阻尼系数与车辆悬架特性相互匹配，不影响车辆行驶平顺性，体现馈能减振器的整体设计价值［1］。

（2） 安装性最优原则。该原则体现馈能减振器的可安装性。在车辆悬架系统中，馈能减振器在设计安装方面应该追求安装性最优原则，即保证安装过程便捷快速，例如通过改变原有悬架结构使安装操作流程便捷化。因此需要分析馈能减振器自身体积、质量对悬架使用性能所产生的影响。所设计的馈能减振器必须保证小体积、小质量，减小其对车辆行驶安全平顺性造成的诸多负面影响。

1. 2 结构方案

新能源汽车馈能减振器在模块化设计方面需要满足上述原则，由此確定模块化设计结构方案，具体如下：

（1） 需要重新设计馈能减振器中的节流阀开度，尝试改变其阻尼系数，有效增大阻尼系数可调节范围，体现出较好的阻尼系数适配性。在馈能减振器设计中包含了诸多元件内容，例如蓄能管路、油源等，所以设计过程中要保证其馈能减振器质量与体积调整到位，解决设备安装水平不高的问题。

（2） 滚珠丝杆式馈能减振器中阻尼系数较大，与滚珠螺杆导程、传动比平方都有关，所以改变导程与系统传动比非常有必要，即改变馈能减振器的整体阻尼系数，将其调节到最大范围，体现馈能减振器设计改造较好的适配性。一般来说，要将所有电机设备都安装在同一直线上，分析其中的结构尺寸的问题，体现较好的安装性，同时解决电机中的漏磁问题，必要时设计增加其他传动装置效果更佳。考虑到直线电机馈能减振器所提供的阻尼系数相对较小，可能难以满足汽车所需阻尼系数要求，因此，调整馈能减振器的阻尼系数适配性很有必要［3］。

1. 3 模块化设计方案

1. 3. 1 能量输入模块

为了全面优化能量输入模块化设计方案，需要在馈能减振器设计过程中注重其功能表现，提供阻尼力以衰减汽车振动，结合能量回收内容来分析热能损耗，保证馈能减振器的能量输入模块获得正常的能量输入渠道。

具体来讲，需要采用筒式减振器设计安装方案。该设计安装方案相对成熟，馈能减振器设计主要采用筒式结构，可以确保设备在汽车悬架系统中安装更便捷，无需对汽车原有悬架结构进行改动，有效节省设计安装成本，更好地推广馈能减振器。值得注意的是，在馈能减振器上，能量输入模块包的设计分为上下两筒，在设计过程中需要加以区分［4］。

1. 3. 2 能量传输模块

馈能减振器的能量传输模块化设计要求较高，该模块作为核心部件必须起到承上启下的重要作用。通常情况下，需要基于齿轮齿条机构与机械整流桥作用展开设计，保证能量输入模块中往复直线运动有效转化，为发电机转轴单向旋转运动创造条件［5］。

馈能减振器中主要零部件的设计包括2 对齿轮齿条、2 副超越离合器，以及轴承、上下筒、发电机等结构配件设计。在设计改造过程中，保证支撑圆板固定在减振器下筒位置，同时保证减振器上下筒侧壁、外壁之间形成间隙配合。在设计改造过程中，应选择CSK 型的单向楔块超越离合器，在某一方向回转设计，保证体现其空转功能设计优势性，体现能量传输模块化结构的具体安装形式优势性。具体来讲，就是在轴两端直接连接轴承的部分，通过轴承座直接固定馈能减振器下筒位置，由此支撑能量传输模块［6］。

在内外圈打滑设计过程中，要保证轴距不随意改变，同时确保齿条向下运动顺畅。右齿轮传递扭矩作用有效驱动轴转动过程，而左齿轮部分则需要始终处于传递扭矩空转状态之中。总体来讲，能量传输模块化设计方案中需要保证从传统的发电机横向布局逐渐转变为竖向布局，最大限度减少馈能减振器的直径，根据现实生产需要随时随地改动传动比，例如将其传动比设计为1∶1，同时改变传动方向作用。

1. 3. 3 发电模块

在发电模块化设计方案中，也需要对馈能减振器的能量输入及输出模块进行特殊设计，保证驱动电机始终处于单方向旋转状态中，体现其较大的能量回收潜力。考虑到发电模块化设计方案中交流感应电机转子惯量相对较大、铜损也相对较大，所以必须对其体积较大且运转效率较低的问题展开进一步研究分析。在设计过程中保留直流有刷电机优良控制特性的基础上，有效克服模块化设计的局限性。采用性能表现更佳的汝铁硼材料进行设计，优化设计方案，提高设计后的直流无刷电机的性价比［7］。

1. 3. 4 能量存储模块

馈能减振器在能量存储模块化设计方案中需要保证发电模块正常且高效率产生电能，进而实现对能量的有效回收。根据相关研究与设计结果来看，需要保证所采用的电池对馈能减振器回收的能量进行有效存储，保证回收能量被应用到电能存储技术体系中，分析回收能量应用要点［8］。一般来说，在馈能减振器能量存储过程中调整超级电容部分，例如选择直流无刷电机作为发电模块，进而产生三相交流电，设计过程中需要对三相交流电实施整流调整，并将整流调整后的脉动直流存储于超级电容中；或者采用电池作为核心存储模块，对交流三相电进行整流处理，配合直流/直流（DC/DC）升压开关电源分析脉动直流稳压情况，达到为电池正常充电的最终目的。而在设计稳压结构中，则需要确保充电电路功耗调整到位，专门设计存储装置性能分析机制。从某种程度来讲，馈能存储模块中的电容容量一般较大（即采用超级电容），放电能力也相对较强，能够为新能源汽车提供充足电能，满足动力电池充电需求［9］。

2 馈能减振器性能分析

为新能源汽车馈能减振器设计性能仿真模型，分析其性能表现。具体来讲，馈能减振器的运动速度性能表现出色，因为其直线运动速度较快，能够伴随阻力位移变化关系来形成特性仿真机制。在性能分析过程中，需要采用正弦波函数发生器中所产生的正弦波位移倒数来对馈能减振器运动速度进行正常输入处理［10］。

如果采用示功特性展开仿真分析，则需要保证馈能减振器的机械效率有所提高，深入了解其输出的阻尼力变化，建立Matlab/Simulink 仿真数学模型。机械设计过程中馈能减振器的齿轮齿条传动效率达到0.97，而减速器部分的传动机械效率达到0.90，可以看出馈能减振器中的阻尼力与输入激励是呈正比例效应的，通过仿真分析可以了解到馈能减振器在不同外接负载作用下示功特性表现突出［11］。

3 结语

馈能减振器属于新能源汽车设计方案中的新型产品，代表了传统减振器的破局，是典型的未来技术。本文深入分析馈能减振器的模块化设计方案，并简单阐述其性能表现。在我国汽车产业中推广馈能减振器，可以解决新能源汽车中续航里程不足、能量回收效果不理想等问题，提高馈能减振器的应用效率，扩大其应用范围，可为汽车行业的发展创造技术条件。