现代汽车新技术：主要结构概述

现有的馈能式悬架按能量转换模式主要分为五种:机电式、电磁式、压电式、液压式和电液式。

1.机电式馈能悬架

机电式馈能悬架可以把悬架的上下往复直线运动转换成电机的旋转运动，从而将机械能转换成电能并储存起来。现阶段研究的机电式馈能悬架主要有3种:滚珠丝杠式馈能悬架、齿轮齿条式馈能悬架和曲柄连杆式馈能悬架。

1)滚珠丝杠式馈能悬架

滚珠丝杠式馈能悬架集成电机、电池和滚珠丝杠机构，使车体与轮胎的相对直线运动转化成旋转运动以带动电机旋转，并储存产生的电能，如图5－26所示。

车辆在路面行驶过程中，滚珠螺母沿轴上下移动从而带动螺杆和电机正反转，达到能量回收的目的，并根据路面反馈的信息，通过调节充电电路中的负载阻值和主动调节馈能减震器的阻尼力，从而实现主动控制。

2)齿轮齿条式馈能悬架

齿轮齿条式馈能悬架与传统悬架不同之处在于用齿轮齿条机构代替传统悬架的油液减震器，如图5－27所示。馈能减震器将电机/发电机固定在簧载质量上，齿条固定在非簧载质量上，齿轮与电机/发电机的转子相连，齿条的直线运动不仅可以带动发电机发电，还能将电能储存起来，实现能量回收。

图5－26　滚珠丝杠式馈能悬架

图5－27　齿轮齿条式馈能悬架

当车辆在路面行驶时，不平整的路面会造成悬架的上下振动，因而会引起连接车身和车轮的馈能减震器上下端的相对位移，馈能减震器通过提供阻尼力来削弱汽车悬架的振动，这时馈能悬架起到作动器的作用。

3)曲柄连杆式馈能悬架

在传统悬架的基础上增加一套曲柄连杆机构组成曲柄连杆式馈能悬架，如图5－28所示，将车轮的往复运动转换为曲柄的旋转运动，进而达到带动电机发电的目的。

图5－28　曲柄连杆式馈能悬架

1—底盘支撑点；2—输入连杆；3—扭矩连杆；4—超越离合器；5—电机转子；6—装配支撑件；7—铰链。

曲柄连杆式馈能悬架具有以下三方面不足:

(1)增加了一套曲柄连杆机构，造成馈能悬架过于臃肿且机构复杂，安装性较差。

(2)曲柄连杆式馈能悬架没有取消传统减震器，能量回收效率较低。

(3)曲柄连杆机构反应较慢，不能及时、有效地缓解路面不平对车身造成的冲击。

2.电磁式馈能悬架

电磁式馈能悬架主要分为2种:电磁线圈感应式和直线电机式。

1)电磁线圈感应式

电磁线圈感应式馈能悬架将永磁体和线圈构成的能量回收装置代替传统的液压减震器，如图5－29所示。当车轮和车身相对振动时，永磁体会上下移动以切割线圈，该动作相当于线圈在磁场中切割磁感线，从而产生电能，并通过整流器总成将交流电转化为直流电，储存在蓄电池当中。

图5－29　电磁线圈感应式馈能悬架

1—轮胎等效弹簧；2—非簧载质量；3—励磁永磁体；4—蓄电池；5—悬架弹簧；6—簧载质量；7—馈能线圈；8—整流器总成。(www.xing528.com)

2)直线电机式

直线电机式馈能悬架是用直线电机代替传统的减震器，如图5－30所示。与电磁感应式的馈能悬架相比，直线电机式的馈能悬架省去了整流桥、线圈永磁体等中间装置，将车身和车轮之间相对运动的振动能量直接转化为电能并储存起来。由于直线电机内部的线圈切割磁感线，带电的线圈同时给悬架提供必要的阻尼力，衰减车身振动。

3.压电式馈能悬架

压电式馈能悬架主要是应用压电材料将悬架的振动能量转化为电能。由于压电材料构造简单，因而不仅布置形式相对灵活，还便于安装。目前研究较多的压电式馈能悬架主要有2种:悬臂梁式和滚动压迫式。

图5－30　直流电机式馈能悬架

1—磁铁；2—线圈。

1)悬臂梁式

悬臂梁式馈能悬架将压电元件一端固定在馈能元件的壳体上，另一端为自由端，且与凸轮接触，如图5－31所示。当汽车在不平整路面上行驶时，车桥相对于车身的振动通过齿轮齿条传动转换为凸轮轴的转动，凸轮轴带动凸轮旋转，压电元件受到凸轮的推动而产生弯曲振动。由于压电元件具有正压电效应，压电元件将机械能转换为电能，通过电能储存电路进行储存，同时压电元件产生阻尼。

图5－31　悬臂梁式馈能悬架

1—车轮；2—弹性元件；3—齿条；4—齿轮；5—车身；6—压电元件；7—凸轮；8—凸轮轴；9—外壳；10—车桥。

2)滚动压迫式

滚动压迫式馈能悬架与悬臂梁式馈能悬架的主要区别在于滚动压迫式馈能悬架在传统减震器的旁边并联了一套馈能装置，如图5－32所示，可以起到衰减振动的作用，压电元件与普通的减震器相比还可以起到能量回收的作用。

图5－32　滚动压迫式馈能悬架

1—外缸；2—活塞杆；3—滚珠套筒；4—电流变弹性体；5—压电套；6—内缸。

滚动压迫式馈能悬架利用滚珠轴套压迫若干压电套组合，将上下的振动转换为单向的压迫，具有机械整流的功能，可以获取更多的能量，控制方便。而且，这种压电馈能装置占用空间小，在结构上可以与阻尼器并联，不仅可以减小减震器体积，还能增加减震器的有效行程。

4.液压式馈能悬架

液压式馈能悬架是在传统油液悬架基础上改造而成的，该液压式馈能悬架的工作原理是将传统悬架系统中阻尼元件耗散的热能转化为供车上液压耗能组件使用的液压能，其结构如图5－33所示。

图5－33　液压式馈能悬架结构

1—非簧载质量；2—轮胎等效弹簧；3，8—单向阀；4—液压油箱；5—悬架弹簧；6—簧载质量；7—液压缸；9，10—馈能功率调节器；11—蓄能器。

5.电液式馈能悬架

电液式馈能悬架是在液压式馈能悬架的基础上增加一套电力转换机构，其工作原理是将蓄能器中的液压能转换成电能并储存起来，如图5－34所示。

图5－34　电液式馈能悬架

1—活塞；2—液压整流桥；3—蓄能器；4—液压马达；5—容积变换桥；6—直流发电机；7—第一单向阀；8—第二单向阀；9—第三单向阀；10—第四单向阀；11—无杆腔；12—有杆腔；13—第五单向阀；14—油箱；15—第六单向阀；16—活塞推杆。

当汽车在不平路面行驶时，通过由四个单向阀组成的液压整流桥后，带动马达做旋转运动，进而带动发电机发电。电液式馈能悬架不仅具有液压式馈能悬架稳定性好的优点，还有电磁式馈能悬架高效的特点，并能使油液单向流动，延长了液压马达和电机的寿命。