滾珠絲杠式饋能懸架的平順性仿真分析

李柏姝，任旭輝

（沈陽理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，遼寧 沈陽 110159）

汽車懸架是汽車的主要總成之一，可顯著改善汽車的平順性，汽車在正常行駛時，由不平路面激勵會引起車身振動，傳統(tǒng)懸架會將這部分振動能量轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉。本文所研究的饋能懸架就是把這部分能量加以回收利用，即用具有能量回收功能的減振器替代傳統(tǒng)的減振器，將被耗散的能量加以回收利用，實現(xiàn)一條節(jié)能減排新途徑。

近十幾年來，一些國家開始研究饋能式懸架。Bose公司2004年宣稱[1]，其開發(fā)的電磁式懸架系統(tǒng)能在利用電磁力和直線電機抵消道路沖擊的同時回收部分能量。2012年，NISSAN公司發(fā)布了液壓車身控制（HBMC）技術(shù)[2]，該技術(shù)是將車輛四個減振器上腔和下腔的液壓油引出，分別連接蓄能器，通過控制蓄能器油壓從而控制車身的穩(wěn)定。

在國內(nèi)，相關(guān)項目的研究有了很大進(jìn)展，但大多仍然停留在仿真及初步試驗的階段，武漢理工大學(xué)過學(xué)迅、宋濤[3]對饋能懸架的結(jié)構(gòu)及基本原理進(jìn)行了詳盡的闡述。上海交通大學(xué)的喻凡、鄭雪春[4-5]提出了由滾珠絲杠結(jié)合永磁直流無刷力矩電機構(gòu)成的主動懸架作動器方案。吉林大學(xué)的王偉華、于長淼[6]提出了由齒輪齒條機構(gòu)結(jié)合直流伺服電機構(gòu)成的主動懸架作動器方案例，并進(jìn)行了仿真分析。

本文對汽車傳統(tǒng)懸架和滾珠絲杠饋能式懸架做了階躍激勵振動仿真試驗和隨機路面激勵振動仿真試驗，通過對仿真結(jié)果的分析對比，證明該饋能懸架在保證振動能量回收的同時也具有良好的平順性。

1 懸架系統(tǒng)理論模型建立

饋能懸架模型如圖1所示。在AMESim軟件的草圖模式（Sketch mode）下，建立了二自由度的四分之一汽車傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)模型，見圖1左半部分。其中包括簧載質(zhì)量、非簧載質(zhì)量、彈性元件、阻尼元件、等效輪胎和路面激勵。圖中右半部分為滾珠絲杠饋能減振器模型，主要由三部分組成：滾珠絲杠模型、電機模型、電池模型。

圖1 四分之一車輛饋能懸架AMESim模型

由于滾珠絲杠在運行過程中滾珠與滾道和反向器以及滾珠之間的相互力的作用使得內(nèi)部受力情況相當(dāng)復(fù)雜。因此只有運用合理方法對滾珠絲杠進(jìn)行建模及簡化才能保證模型的精度和仿真運算效率。在對該系統(tǒng)建模過程中用線性庫倫摩擦模型表示滾珠在滾道里的滾動摩擦，滾珠絲杠將垂直振動的位移轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運動的建模是通過一個旋轉(zhuǎn)線性位移調(diào)制器完成的。

2 階躍激勵振動試驗

本文采用階躍信號模擬50mm高度臺階路況。將兩種懸架系統(tǒng)的各項參數(shù)分別輸入到對應(yīng)的AMESim理論模型中進(jìn)行仿真。結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 階躍路面激勵下懸架車身垂直位移

圖3 階躍路面激勵下懸架車身加速度響應(yīng)特性曲線

從圖2和圖3可以看出，滾珠絲杠饋能式懸架振動衰減至穩(wěn)態(tài)的時間較傳統(tǒng)懸架短，且振幅較傳統(tǒng)懸架小，這是由于滾珠絲杠在工作時滾珠在螺旋槽里滾動產(chǎn)生摩擦阻尼以及電機工作時提供的反電動勢對饋能懸架衰減振動都提供一定的阻尼。

3 路面隨機激勵振動試驗

汽車一般行駛在不同等級的路面上，路面?zhèn)鬟f給車輪的激勵是平穩(wěn)的隨機信號，它是用統(tǒng)計特性進(jìn)行描述的，使用特定等級路面譜激勵可以對汽車行駛平順性隨機輸入試驗。我國路面按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了不同程度的分級，共分為8級。隨機路面激勵仿真試驗選取B級路面，使用圖2建立的模型進(jìn)行B級路面隨機激勵仿真試驗。為了避免路面信號的隨機性造成兩種懸架受到不同的激勵，使用同一個隨機路面譜仿真模型同時對兩種懸架激勵。結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 傳統(tǒng)懸架車身加速度

圖5 饋能懸架車身加速度

針對懸架振動系統(tǒng)而言，就影響乘員舒適性的車身加速度進(jìn)行比較。分析圖4、圖5發(fā)現(xiàn)饋能懸架車身加速度與傳統(tǒng)懸架車身加速度響應(yīng)基本一致。饋能懸架的車身加速度最大值為0.322 m/s2，傳統(tǒng)懸架車身加速度最大值為0.364 m/s2，二者相差雖然不大，但還是優(yōu)于傳統(tǒng)懸架的。仿真試驗結(jié)果證明，滾珠絲杠饋能式減振器在可回收能量的同時，也能保證懸架的平順性良好。

4 結(jié)束語

通過對饋能懸架和傳統(tǒng)懸架的階躍激勵振動試驗和路面隨機激勵振動仿真試驗的結(jié)果分析，證明滾珠絲杠饋能式懸架在具備能量回收能力的同時，在衰減振動和阻尼特性方面較傳統(tǒng)懸架有優(yōu)勢的，但是饋能電機工作中為懸架提供的阻尼的大小并不是呈線性變化的，因此在對饋能懸架的下一步研究當(dāng)中要對電機工作時阻尼的變化做更深一步的研究。

[1]劉 俊.Bose公司推出主動懸掛控制系統(tǒng)[J].汽車每日資訊，2004，（4）:1-2.

[2]Shimokawa S，Aihara T，Iwasaki S，etal.HBMC（Hydraulic Body Motion Control System）for Production Vehicle Application[J].SAE Technical Paper，2011，（3）:1-5.

[3]過學(xué)迅，宋 濤.汽車饋能式減振器性能仿真與試驗研究[D].武漢:武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，2013.

[4]鄭雪春.饋能式汽車電動主動懸架的理論及試驗研究[D].上海:上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，2007.

[5]Xuechun Zheng，F(xiàn)an Yu.Study on the Potential Benefits of an Energy-Regenerative Active Suspension for Vehicles[M].SAE，2005.

[6]子長淼.混合動力汽車饋能式懸架的研究[D].長春:吉林大學(xué)汽車學(xué)院，2008.