滾珠絲杠傳動的車輛懸架作動器設計與應用

夏如艇，王益恩

（1.臺州學院機械工程學院，浙江 臺州318000；2.浙江理工大學機械與自動控制學院，浙江 杭州310018）

0 引言

懸架是車輛的車架與車橋或車輪之間的傳力連接裝置，其功用是傳遞作用在車輪和車架之間的力和力矩，并緩沖由不平路面傳給車架或車身的沖擊力，衰減由此引起的振動，以保證車輛行駛的平順性和操作的穩定性［1］。目前，中高檔車輛的懸架大多采用主動液力傳動懸掛或油氣傳動懸掛，其液壓或空氣作動器必須采用液壓缸或壓縮機，然后由壓力控制閥調節作動器的輸出力矩，這種傳動方式，結構復雜、響應慢和能耗大［2－3］。作動器是主動懸架系統中傳遞力矩的主要部件，隨著傳感器技術的廣泛應用和電控單元可靠性的提高，電動懸架的部件和機械零件較少，密封性能要求也比空氣懸架系統的要求低［4］。目前，電動作動器采用了傳動絲杠作為懸架的傳動構件，但大多采用普通滑動絲桿的傳動方式，其傳動效率低、軸向推力小、響應性能差和傳動精度低，使得懸架系統的控制難度大?；诖?，設計了一種新型的滾珠絲杠傳動電動作動器，以滿足高性能主動懸架系統的要求。

1 車輛懸架傳動系統的總體設計

懸架系統的傳動部件如圖1所示。在前輪和后輪懸掛裝置中，分別采用電動作動器及穩定傳動桿（下稱穩定桿），左右穩定桿通過輪側聯接器與左右前輪連接。車輛發生轉向側傾時，電動作動器的輸出軸將軸向推力傳遞給穩定桿，穩定桿力矩迫使車身恢復平穩。如當車身向右產生側傾時，左輸出軸工作，給左穩定桿產生軸向推力，同時，由于發生右傾，右穩定桿的力矩增大，右穩定桿給右輸出軸施加反推力，以實現車身與左前輪之間的距離逐漸減少，從而抑制車輛右側傾；同樣，當車身向左側傾時，右輸出軸工作，給右穩定桿產生軸向推力，同時，由于發生左傾，左穩定桿的力矩增大，左穩定桿給左輸出軸施加反推力，以實現車身與右前輪之間的距離逐漸減少，從而抑制左側傾，實現車輛的穩定行駛。

圖1 懸架系統的傳動部件（前輪部分）

2 滾珠絲杠作動器的結構設計

基于懸架傳動系統的總體設計方案，電動作動器的結構設計如圖2所示。在滾珠絲杠的軸端設計一花鍵，通過聯接螺母與電機轉子軸相連，以傳遞電機轉矩，滾珠絲杠的另一端安裝了1個雙排滾柱軸承并放置在鋁合金的底座上。滾珠絲杠與連桿連接，連桿通過聯接螺母與推桿連接，推力球軸承在作動推桿的軸向方向可移動，可實現較低的摩擦，在推桿的外側設置的密封裝置可防止異物進入。在推桿的軸端安裝連接頭，實現與車輛懸架穩定桿的連接。

圖2 電動作動器結構

電機采用高效可靠的無刷直流電機，作動器主要性能參數和結構尺寸如下：作動時間＜0.3s，軸向方向最大輸出力1 200N，最大尺寸為長300 mm，寬150mm；滾珠絲杠軸徑為14.5mm，導程為4.5mm，導程角為4°47′。

3 滾珠絲杠正向和逆向傳動效率分析

為了分析滾珠絲杠的正向和逆向傳動效率，定義電機軸旋轉運動轉變成螺母的直線運動，或者螺母的旋轉運動轉變成絲杠的直線運動稱為正作動，即，回轉運動轉變成直線運動為正作動，如圖3a所示。給螺母施加軸向力帶動絲杠旋轉，或者給絲杠施加軸向力使螺母旋轉稱為逆作動，即直線運動轉變成回轉運動為逆作動，如圖3b所示。正作動時的傳動效率稱為正效率，逆作動時的傳動效率稱為逆效率。

圖3 滾珠絲杠的正向和逆向作動

根據傳動理論，輸出功率與輸入功率之比為傳動效率。當采用滾珠絲桿傳動時，正效率和逆效率的計算公式為：

tanρ1＝μ1／cosθ；tanρ2＝μ2／cosθ；tanβ＝l／（π·φ）；ρ1為正摩擦角；ρ2為逆摩擦角；μ1為正摩擦因數；μ2為逆摩擦因數；θ為滾珠絲桿槽接觸角；β為導程角；l為導程；φ為滾珠直徑。

滾珠絲桿傳動時的傳動效率與導程角和摩擦因數有關，作動器采用摩擦因數μ為0.005的絲杠，并依據式（1）和式（2），其傳動效率的結果如圖4所示。從圖4可知，滾動絲杠正作動時的正效率與逆作動時的逆效率幾乎一致，其傳動效率達到92%，而滑動絲杠的傳動效率僅為32%。兩者相比較，滾動絲桿具有明顯的傳動優勢，在正向和逆向傳動時均能實現高效率，并且動作響應快，能夠實現車輛主動懸架系統的側傾控制。

圖4 滾珠絲杠傳動的正效率和逆效率

正作動轉矩和逆作動轉矩為：

并且，正作動和逆作動的反作用力為：

Ta為正作動轉矩；Tb為逆作動轉矩；Fa，Fb為軸向載荷；l為導程；ηp為正效率；ηn為逆效率。

依據式（3）～式（6），可以分別計算出作動器在正向傳動和逆向傳動時輸出的轉矩和作用力，作動器的電控單元可以根據其輸出轉矩，及時地對車輛的側傾姿勢進行控制和調整。

4 作動器的性能測試

4.1 推力試驗

推力試驗的滾珠絲杠載荷轉矩為：

T為載荷轉矩；P為底座重量；L為滾珠絲杠導程；η為傳動效率。

由式（7）可得軸向推力，即

試驗裝置由電動作動器液壓推力部件推力傳感器固定支架等組成。在試驗中，作動器的連接頭與液壓推力部件相連接，測力傳感器安裝在固定支架的凸出短軸上，用于測量載荷。試驗結果如圖5所示。從圖5可知，施加載荷后，絲杠軸向推力增加，其推力能夠實現1 200N的設計要求。

圖5 推力試驗結果

4.2 耐久性和響應性試驗

在溫度較高的環境時，作動器易產生高溫失穩，因此，需要進行承載負荷的耐久性試驗。參照國家減振器耐久性試驗標準的8萬次要求，本作動器的試驗次數定為10萬次。在進行完耐久性試驗后，為了考察作動器的動作重復精度，再進行響應性試驗，試驗結果如圖6所示。

圖6 耐久性和響應性試驗結果

從圖6可知，耐久性試驗后的作動器與試驗前相比較，作動器仍然保持了良好的動作響應。

4.3 耐腐蝕性試驗

安裝在車輛底部的作動器易受高溫多濕等外界環境條件的腐蝕，因此，為保證滾珠絲杠作動器的密封性和耐腐蝕性，需要進行耐腐蝕性試驗。在圖2所示的作動器內噴灑弱酸性氣液，經過500次試驗后，觀察作動器內部是否有銹蝕痕跡。試驗結果表明，作動器保持了耐腐蝕性。

5 結束語

針對車輛懸架傳動系統，設計了一種由無刷直流電機與滾珠絲杠相結合構成的電動作動器。利用滾珠絲杠具有正向和逆向傳動的高效率傳動特性，實現對車輛側傾的抑制，并對作動器進行了性能測試。測試結果表明，作動器的正向傳動和逆向傳動效率均可達92%；通過加載測試，作動器的推力達到了1 200N；作動響應時間在0.16s內；采用弱酸性氣液進行噴灑測試，作動器的耐腐蝕性達到了設計要求，在高溫多濕的交通環境下能穩定工作。

［1］ 張進秋，彭志召，岳 杰，等.車輛饋能懸掛技術綜述［J］.裝甲兵工程學院學報，2012，26（5）：1－7.

［2］ 喻 凡，張勇超.饋能型車輛主動懸架技術［J］.農業機械學報，2010，41（1）：1－6.

［3］ 陳躍勇，叢 華.主動懸架系統中作動器模型的建立及性能分析［J］.裝甲兵工程學院學報，2004，18（4）：32－34.

［4］ 夏如艇，武馬修一.采用電機作動器的主動懸架系統的仿真［J］.汽車工程，2013，35（5）：445－450.