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1、书书书第 卷第期吉 林 大 学 学 报（工 学 版）年月 （）收稿日期：基金项目：“”国家高技术研究发展计划项目（）；吉林省科技发展计划项目（）作者简介：王庆年（），男，教授，博士生导师 研究方向：节能与新能源汽车 ：通信作者：王伟华（），男，教授，博士 研究方向：节能与新能源汽车 ：滚珠丝杠式馈能型减振器的结构设计及参数匹配王庆年，刘松山，王伟华，魏昊（吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 ）摘要：根据前期研究对滚珠丝杠式馈能减振器结构进行了重新设计。从所匹配的传统减振器速度力特性出发，利用概率统计的方法对悬架仿真结果进行分析。以提高馈能效率为目标，对馈能电机的峰值功率、转速以及基速
2、比进行了匹配。从结构和效率两方面对丝杠参数进行了匹配和校核。结果表明，所设计和匹配的馈能减振器满足实际使用要求，并且能够高效地回收悬架振动能量。关键词：车辆工程；馈能减振器；参数匹配；结构设计；馈能电机中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；传统阻尼器通过黏性液体流过节流孔，将振动能量转化为热能耗散，产生阻尼力，因其结构简单，安装空间小，制造成本低，得到普及应用，但受结构限制，其固定的阻尼特性已不能满足人们同时对车辆安全性和舒适性的要求。主动悬架恰恰能满足这种要求，但主动悬架是为改善车辆行驶性能进行匹配的，所以需要匹配较高功率，另外其主动控制需要各种传感器的支持，其价格高，功率消
3、耗较大，安装要求高，所以难以普及。因此需要一种在结构、成本和性能上均可替代传统减振器，同时能进行振动能量回收和主动控制的馈能型减振器。从 世纪 年代开始，学者们对悬架的第期王庆年，等：滚珠丝杠式馈能型减振器的结构设计及参数匹配振动能量回收潜力、馈能结构和控制策略等方面进行了 大量 研 究。、等通 过 理论、仿真和实验得出，在一般情况下单个阻尼器的功耗约为 左右。在馈能结构方面，电磁式馈能悬架由于效率高和动态响应快成为研究和应用的重点。在控制策略上主要考虑提高车辆性能。而对于馈能减振器的结构设计、馈能效率及参数匹配方面考虑较少。本文以提高馈能减振器可安装性和能量回收效率为出发点，从结构设计和参数
4、匹配两方面对滚珠丝杠式馈能减振器进行研究。馈能减振器结构设计滚珠丝杠式馈能减振器主要由滚珠丝杠、馈能电机及连接机构三部分组成。以往文献中研究的滚珠丝杠式馈能减振器的结构及样机通常将电机和丝杠构成的馈能减振器作为一个整体，取代传统减振器的位置。由于馈能电机的尺寸较大，因此其结构和样机尺寸都比较大，需要更多的安装空间，从而减少了悬架的动行程范围。对于悬架有限的安装空间而言，这种结构是不利的。其次，将电机置于悬架空间中，需对电机的防尘及防水作特殊处理，否则影响电机的使用寿命。对于悬架工作环境而言，将电机置于车身下方也是不利的。作者在文献 中提出了一种新型的滚珠丝杠式馈能减振器结构。丝杠通过轴端轴承座
5、与车身连接，传递悬架垂直作用力，电机置于车身上方，只承受扭矩作用，悬架的往复直线运动速度经过换向和增速之后变成电机的单向旋转运动，带动馈能电机发电，回收振动能量。这种结构将以往的馈能减振器安装长度（）变成了丝杠的长度（），与传统减振器长度（）相似，因此减小了安装空间，同时能改善电机的工作环境，延长电机使用寿命。经过对文献 中样机的前期实验发现，样机中的换向和增速机构会较大地增加内部摩擦阻力和系统惯量，影响能量回收的效果。因此本文对其结构进行了改进，去掉了换向和增速机构，这主要是出于简化馈能减振器的结构、减小安装空间、降低成本、降低系统惯量和内部摩擦、提高能量回收效率的目的。同时将丝杠轴端轴承座
6、与车身弹性连接，允许馈能减振器在车轮上下跳动时有一定的摆动。如图所示，对比以往的馈能减振器图新型馈能减振器安装示意图 可发现，改进后的机构能与传统减振器的安装空间相适应，满足实际的安装要求。馈能电机选用永磁同步电机（）。永磁同步电机与感应电机和永磁电机相比，具有功率密度高、体积小、效率高、噪音低及安全可靠的特点。采用磁场定向矢量控制（），具有动态响应快、扭矩控制精度高等优点。采样高电压有利于减小电机工作电流，从而减小电机内阻的发热损耗，文献 中所用的馈能电机为永磁同步电机，其电压为 ，同时可以共享新能源汽车的高 压电源 作 为 其 供电 系统和能量回收储存系统。另外，馈能电机末端装有旋转变压器
7、。旋转变压器与霍尔传感器和光电传感器相比，具有价格低、精度高、抗振动性好等优点，因此更适用于悬架的振动环境。目前旋转变压器在混合动力驱动电机中得到广泛应用。旋转变压器可以为电机控制提供角度值信号（），同时能为馈能减振器的主动控制提供电机的速度信号（）。由电机的速度信号可推出悬架相对直线运动速度信号，传输给悬 架 控 制 器，得 出 电 机 的 参 考 扭 矩 信 号（），实现悬架的主动控制，如图所示。本节对馈能减振器进行了结构设计，所设计的滚珠丝杠式减振器方案具有安装空间小、成本低、效率较高、适应性强等特点。通过对馈能电机的控制，能在回收振动能量的情况下，实现被动、半主动和主动阻尼特性。但本文
8、只讨论馈能减振吉 林 大 学 学 报（工 学 版）第 卷图馈能电机控制图 器的被动馈能阻尼特性，即通过对馈能电机的控制来实现类似被动减振器的阻尼特性，同时实现悬架振动能量的回收和储存。馈能电机最大功率及转速匹配为了使馈能减振器能达到传统减振器的性能，需要对馈能减振器进行参数匹配。首先必须清楚减振器的工作环境，即其工作时承受的速度和力的范围。图为一个小型 减振器的阻尼特性曲线，本文以此作为馈能电机的参数匹配的标准。图匹配的阻尼曲线 从传统减振器的速度力特性可以看出，减振器的阻尼力随着速度的增加而增加，减振器的工作速度范围为 ，压缩行程和拉伸行程的最大阻尼力分别为 和 。通过简单的计算可得，减振器
9、的最高瞬时功耗可达到，显然按此来匹配馈能型减振器电机的功率是不合适的。由电机的工作特点可知，电机在额定转速以后进行恒功率区间，即随着速度的增加，电机扭矩越来越小。如果按整个速度力区间进行匹配，电机的功率将非常大，这也是主动悬架需要匹配很大功率的电机的原因。减振器运动速度可近似分成个区间：时，相当于汽车行驶在平坦路面。时，相当于汽车承受中等强度的振动，是减振器工作的最主要区间。时，相当于汽车受到强烈冲击。在通常情况下，减振器的工作速度不会很大，而且本文主要考虑的是非极端路面下悬架振动能量的回收，不是改善非道路车辆的舒适性和安全性，因此更关注在非极端路面下减振器的速度力特性，但为了保护电机不受损坏
10、，电机的最高转速还应按极端工况下的速度来设计。也就是说，馈能电机需满足在一般路面下的速度力特性要求以及极端路面下的速度要求。建立悬架的模型，将图所示的阻尼特性输入车辆模型，以 的速度分别通过、级路面进行仿真，可得到各个路面等级下减振器相对运动速度的均值、方差和最大速度值，如表所示。表悬架模型仿真结果 路面等级相对运动速度（）均值标准差最大值 由表可得减振器相对运动速度的均值近似为，在一段时间内减振器的相对运动速度随路面的输入的响应可看作是正态分布。由正态分布的概率密度表（见表）可得到在各个路面等级下减振器相对运动速度位于 的概率。表 的概率分布 （）以级路面的情况来看，取，由表可知，减振器相对
11、运动速度位于 的概率为 ，即（）。因此可将级路面下，作为馈能电机满足速度力特性的最大速度点。减振器标准规定了减振器所需达到的测试速度，如表所示。第期王庆年，等：滚珠丝杠式馈能型减振器的结构设计及参数匹配表标准减振器测试条件 行程试验频率 速度（）其他特殊情况 在一般情况下，减振器最高测试速度达到 即可，这个值与上文仿真结果得到的满足速度力特性的最大速度点一致。因此可将 作为匹配馈能电机功 率 的最大 速度点，再根据需匹配的阻尼特性得出最大的速度力点对应的阻尼力值，可近似计算出馈能电机的最大功率需求。由本文要匹配的阻尼特性可知，最大的力速度特 性 对 应 的 速 度 和 力 分 别 为 和 ，可
12、得所需的电机的最大功率为 ，因此本文选定馈能电机的峰值功率为。级路面 下 仿 真 得 到 的 减 振 器 最 高 运 动 速 度 为 ，与国标规定的特殊情况下减振器测试速度值 有一定的差别。这主要是因为考虑到一些特殊情况，例如，高速行驶在越野路面或遇到来不及躲避的障碍物等情况导致的悬架剧烈振动。为了避免意外情况出现时导致电机转速超过最高转速而损坏电机，按照仿真进行匹配电机最高转速时应该留有一定的余量。结合国标规定的特殊情况下的最高速度，本文选定 作为馈能电机最高转速对应的速度要求。本节得出了电机的峰值功率为，对应的最高速度力特性的速度为 ，电机最高转速对应的直线运动速度为 。馈能电机基速比匹配
13、由上文可知，馈能减振器电机的最高转速与满足速度力特性的最高速度和平均转速之间有很大差距。为了提高馈能电机回收能量的效率，希望馈能电机能工作在额定工作点附近的高效区间，同时为了不损坏电机，电机的最高转速又不能小于由上文得出的极限工况下的速度要求。电机最高转速与额定转速的比值为电机的基速比。在峰值功率一定的前提下，电机的基速比对于电机的高效区有很大影响，因此可以根据馈能减振器对高效区的需求来匹配其基速比。当馈能电机的基速比发生变化时，如图所示，（和为电机的额定转速和额定扭矩），分布在低负荷、高转速范围内的电机高效区间逐渐向高负荷、低转速的电机高效区间转移；恒功率区间向低转速区扩大，过载区间向高负荷
14、区转移。图电机基速比和过载系数对高效区的影响 电机的过载系数也会影响高效区间的分布，电机的过载系数越大，电机的额定功率越小，因此电机的高效区间将向低负荷区间移动。根据电机的设计经验和电机的使用环境，过载系数一般在取值。本文选电机过载系数为。假定电机最高转速（）为 ，对应的直线运动速度为 ，根据式（），可计算出滚珠丝杠的导程为 ，将丝杠导程选为。（）式中：为丝杠导程；为悬架直线运动速度；为电机转速。电机扭矩与推力之间的关系为（）已知电机功率和转速，可近似得到不同基速比对应的电机转速和扭矩关系为 （）由于馈能电机需满足的最高速度力特性的速度为 ，电机的最大转速为 ，所以电机的基速比应大于。分别取馈
15、能电机基速比、，根据式（）（）（）可得出馈能电机对应的阻尼力区间，如图所示。馈能电机阻吉 林 大 学 学 报（工 学 版）第 卷尼力区间开始为恒力区间，电机功率随着转速的增加而增加，到达额定功率后，电机功率进入恒功率区间，随着速度的增加，馈能电机阻尼力越来越小。另外，随着馈能电机基速比的增加，电机的恒功率区间向低速区扩展，最大阻尼力区间向高阻尼力区扩大。图不同基速比下的馈能电机最大阻尼力区间 考虑过载系数的影响，选取电机的过载系数为，得出电机额定功率为 ，取电机基速比分别为、，同理可求出馈能电机对应的额定阻尼区间和峰值阻尼区间与传统阻尼曲线的对比图，如图所示。由图（）可以看出，基速比为，直线运
16、动速度小于 时，电机处于额定阻尼区间，通过表可知，其只能满足级路面的最高速度要求，因 此 额 定 区 间 偏 小；当 速 度 位 于 时，电机处于过载区间，电机负荷较高。馈能电机的高效区位于阻尼曲线的下方，无法利用电机的高效区间，所以馈能效率较低。本文是按照级路面匹配馈能电机的，在一般路面时，悬架的相对运动速度要远低于匹配最大速度力的速度值，因此应该通过增大馈能电机的基速比来减小电机的额定转速，增加恒力区间的力，从而扩大电机的额定负载区间，减小馈能电机的负荷率，提高馈能效率。图（）为当基速比为时馈能电机阻尼区间和阻尼曲线的对比图，可以发现，所匹配的阻尼曲线正好穿过馈能电机阻尼区间的高效区，高效
17、区覆盖了馈能电机 的工作区间，在 时处于馈能电机的额定工作点，能够很好地满足低速区间和高速区间的效率，馈能效率较高。当电机速度低于 时，电机处于额图馈能电机额定峰值阻尼区间与传统阻尼曲线的对比 定工作区间，在 时处于过载区间。根据表可知，馈能电机可以在额定区间内满足 级路面的最大速度对应的阻尼力要求，因此与基速比为相比，其额定区间要大。在过载区间内可基本满足 级路面的最高速度对应的阻尼力要求，而且在整个工作区间内馈能效率较高。当对馈能减振器进行主动阻尼力调节时，减小或增加阻尼力均能保证其工作区间的高效馈能，而且减小阻尼可以扩大馈能电机满足的最高速度力特性的速度。由图（）可以看出，当基速比为、直
18、线运动速度小于 时，馈能电机处于额定工作区间，额定工作区间较大，当速度位于 时，电机处于过载区间。但相对于馈能电机的阻尼区间，其工作区间的负荷较低，电机的高效区位于阻尼曲线的上方，意味着馈能电机馈能效率较低，而且相对于传统阻尼而言，会造成第期王庆年，等：滚珠丝杠式馈能型减振器的结构设计及参数匹配馈能电机的低速区阻尼力过剩。因此电机基速比不宜太大。由上可知，应尽可能保证所匹配的阻尼曲线穿过电机的高效区间的中间。当馈能电机的基速比为时，能较好地满足馈能电机工作区间的高馈能效率。馈能减振器丝杠的匹配和校核滚珠丝杠用于将旋转运动转化为直线运动（正向驱动）或直线运动转化为旋转运动（逆向驱动），将传统螺旋
19、丝杠的滑动摩擦变成滚珠的滚动摩擦，大大提高了传动的效率，而且滚珠丝杠的逆向驱动效率也很高，因此在馈能悬架的研究中得到广泛应用。馈能减振器正是应用了滚珠丝杠的高效逆驱动将悬架的相对直线运动变成旋转运动，带动电机发电，实现振动能量的回收。由式（）（）可知，滚珠丝杠的导程直接影响速度力特性，是滚珠丝杠匹配中最重要的一个参数。上文根据馈能电机需要满足的速度力特性推出了丝杠的导程为。但这并不是唯一的选择。可以选择导程为 的丝杠和一个速比的增速机构来共同完成速度力匹配。假定丝杠的直径也为，这样丝杠的导程角由原来的 增加到 ，可以提高逆驱动的效率，这也是文献 所用的方法。丝杠的效率由导程角和摩擦因数共同决定
20、，其逆传动效率可表示为 （）（）式中：为丝杠的导程角，（）；为摩擦角（介于 ），；为丝杠直径；为丝杠导程；为摩擦因数（）。分别取摩擦因数为 、，可得到丝杠逆驱动的效率图如图所示。由图可看出，随着导程角的增加，丝杠的逆驱动效率增加。同导程角下，随着导程角增加，丝杠的逆效率会减小。但即使在考虑摩擦因素的情况下，当导程角大于 时，丝杠的效率随着导程角的增加变化也很小。为了匹配馈能电机的速度力特性，超大的导程角的丝杠必须配合增速机构使用，这样会增加机构的复杂性和成本，而且超大导程角的丝杠本身的成本很高。因此本文在结构设计中进行了改进，省去了增速机构，丝杠直接与电机连接，用丝杠的导程来匹配馈能电机的速度
21、力特性。按悬架的动行程（）要求及丝杠螺母长度为，可得出丝杠的安装长度为 。丝杠采用一端固定、一端自由的安装方式，如图所示。图丝杠逆驱动效率随导程角的变化 图馈能减振器丝杠安装图 临界转速和临界载荷是丝杠的两个最重要校核参数。当丝杠旋转转速超过临界转速时，丝杠会发生共振；当丝杠轴向载荷超过临界载荷时，丝杠会发生弯曲失稳。其计算公式如下：（）（）式中：为安全系数，一般取；对于一端自由、一端固定的安装方式，；为丝杠直径；为安装长度。当选型完成后需对这两个参数进行校核，从式（）（）可看出，丝杠的临界转速与直径成正比，临界载荷与直径的次方成正比，二者均与丝杠的安装长度平方成反比。因此，如需匹配较大功率的
22、减振器，可选用大直径的丝杠及减小丝杠的安装长度。吉 林 大 学 学 报（工 学 版）第 卷根据式（）（），可计算出本文中所选用的丝杠临界转速 和临界载荷 ，对比需匹配的传统阻尼器特性，可得出所匹配的馈能电机丝杠临界转速和临界载荷均满足其承受的速度和力的要求。结束语针对以往馈能减振器尺寸、惯量较大等特点，对馈能减振器进行了重新设计。新型馈能减振器将馈能电机置于车身上方，能够有效地减小安装尺寸、提高减振性能和改善馈能电机的工作环境。提出了基于传统特性和能量回收效率的馈能电机和丝杠的匹配方法。结果表明，减振器常用工作区间处于馈能电机的高效区间，能够高效地回收振动能量，同时能够满足减振器的速度和力的需求，达到替代传统减振器的要求。参考文献：，（）：，：，（）：曹民，刘为，喻凡车辆主动悬架用电机作动器的研制机械工程学报，（）：，（）：于长淼，王伟华，王庆年双超越离合器式电磁馈能阻尼器原型机试验测试与分析吉林大学学报：工学版，（）：，（），（）：，（），（）：，（）：，（）：黄胜汽车双筒式减振器阻尼特性仿真武汉：华中科技大学机械学院，：，王伟车用永磁同步电机的参数匹配、协调控制与性能评价研究长春：吉林大学汽车工程学院，：，：，