【《汽车滚珠丝杠馈能悬架的工作原理及设计思路分析》4200字】

汽车滚珠丝杠馈能悬架的工作原理及设计思路分析目录TOC\o"1-3"\h\u2812汽车滚珠丝杠馈能悬架的工作原理及设计思路分析 136121.1滚珠丝杠馈能悬架工作原理 1253971.2弹簧的设计与校核 210091.1.1悬架弹簧的设计计算 2203091.1.2悬架弹簧参数校核 4315661.3滚珠丝杠机构参数计算与选型 5184701.3.1滚珠丝杠参数计算 6158181.3.2滚珠丝杠的校核计算 874301.3.3丝杠支撑方式确定 102041.4馈能电机的选型 11192631.5小结 131.1滚珠丝杠馈能悬架工作原理滚珠丝杠馈能悬架的工作原理如图2-1所示，其主要由弹性元件和滚珠丝杠作动器组成[18]。该图中簧载质量代表车身，非簧载质量代表车轮，在车身与车轮间装有滚珠丝杠作动器。图2-1滚珠丝杠式主动悬架系统滚珠丝杠馈能悬架的工作原理为：当遇到路面冲击时，激励通过车轮传递给车身，使得簧载质量和非簧载质量之间产生相对位移，传感器可以将该信号传递给控制器，控制器可以接收到该信号，做出判断，控制电机进行正反转，使电机工作在主动模式或者馈能模式。本设计使用直流无刷电机与滚珠丝杠副相结合的方式，通过传感器进行路面与车身实时监测，采集到的信号传递给控制器进行处理，按照一定的算法求出信号大小，该信号能够控制电机的转矩大小，电机输出可控阻尼力，作用于滚珠丝杠半主动悬架的作动器，将电机的直线运动转化为回转运动，从而实现作动力的调节，满足悬架的半主动控制。1.2弹簧的设计与校核1.1.1悬架弹簧的设计计算先初步计算弹簧的刚度，初选弹簧的钢丝直径为d=13mm，弹簧的中径为D=168mmk=F根据初取的弹簧刚度计算弹簧的有效圈数为：（2-2）式（2-2）中：——弹簧材料的切变模量，取——弹簧钢丝直径——弹簧中径——弹簧的刚度由式可得n=15.48,取n=15.5弹簧有效圈数n=15.5圈，死圈数为2，则弹簧总圈数N=n+2=15.5+2=17.5（2-3）节距：（2-4）式（2-4）中:——弹簧的自由高度，316mm——弹簧钢丝直径，13mm——弹簧有效圈数，15.5圈由式可得t=19.5~18.7mm,取t=19mm自由高度:（2-5）压并高度：（2-6）弹簧外径：（2-7）弹簧内径: （2-8）螺旋角:（2-9）弹簧展开长度:（2-10）对其进行稳定性进行检验即，且该弹簧在滚珠丝杠悬架上安装，将其两端均固定，所以它的高径比应满足，否则为了防止弹簧发生侧向弯曲，需在弹簧的内侧安装导向杆或外侧安装导向套。计算该弹簧的高径比b为：（2-11）由于b<5.3,免去稳定性校核。表2-1弹簧基本参数弹簧参数符号数值单位钢丝直径d13mm弹簧中径D168mm弹簧刚度k38.41N/mm总圈数n17.5自由高度H0314mm高径比b1.871.1.2悬架弹簧参数校核（1）疲劳强度验算为了验证所设计的弹簧是否满足强度要求，需对其进行疲劳强度验算，即安全系数是否满足要求，该弹簧的安全系数为：（2-12）式（2-12）中：——弹簧剪切疲劳强度，取——最大切应力——最小切应力查阅机械设计手册可得弹簧的许用安全系数为,取，＞，校核合格。（2）共振验算对于减振弹簧，需对弹簧自振频率进行验算。（2-13）式（2-13）中：——螺旋弹簧刚度——簧载质量根据式（2-21）计算得出，空载时的自振频率f1为1.62Hz，满载时的自振频率f2为1.46Hz，振动频率在1.46～1.62Hz，与1.5Hz接近，故满足要求。表2-2悬架基本参数表基本参数符号数值单位悬架工作行程Lw150mm悬架自由行程Lf72mm悬架阻尼系数Cs463Ns/m螺旋弹簧刚度Kv38.41N/mm悬架安装比i0.65静载荷安全系数Kq3动载荷安全系数Km21.3滚珠丝杠机构参数计算与选型滚珠丝杠作为工具机械和精密机械上的常用的传动元件，它可将旋转运动转换成直线运动。因滚珠的存在，将滑动摩擦转化为滚动摩擦，提升了工作效率。同时它的制造精度高、可逆性强。鉴于以上特点，被考虑选用于此悬架上。悬架中的滚珠丝杠机构既要承受路面的作用力还要承受簧上各部件的力。半主动工作状态下，由直流无刷电机向悬架系统提供阻尼力，滚珠丝杠机构不需提供较大的阻尼力，同时小导程的丝杠可以提高半控制精度和馈能效率[19]。目前存在几种不同的滚珠丝杠副，不同类型的的滚珠丝杠副在制造工艺等方面也存在明显的差异。但各种类型的丝杠结构与加工方式基本相同，只是螺纹滚道的形状存在差异。滚珠丝杠副在机械设计中是一种标准件，只需根据要求选型即可。1.3.1滚珠丝杠参数计算(1)导程计算导程表示丝杠(螺杆)转动一周(360°)时螺母沿轴向移动的距离，单位为:mm。制造商在设计开发滚珠丝杠时，已经就滚珠丝杠运动副设计了一系列丝杠(螺杆)大径与导程组合，并将其标准化，只要根据使用条件选用标准的丝杠(螺杆)大径与导程系列即可，制造商也可以提供非标准尺寸定制规格，但通常情况下应选择标准尺寸，在方便生产的时也可以降低制造成本。丝杠导程方向选择标准导程右旋。导程计算与电机转速NM,最大进给速度Vmax有关（2-14）式（2-14）中：Nm——电机转速，r/minVmax——丝杠最大进给速度，m/sPh——滚珠丝杠导程，mmi——减速比。由于要求电机额定转速NR不小于NM,根据上式可以得出（2-15）查阅资料选择PR系列冷轧滚珠丝杠PRF1215型滚珠丝杠，该滚珠丝杠基本参数如下：表2-3滚珠丝杠基本参数表滚珠丝杠参数符号数值单位直径D12mm导程Ph15mm珠径Da1.381mm循环数n4静负载Ca5100N动负载Coa8900N（1）螺纹滚道的参数计算滚珠直径滚道圆弧半径为：（2-16）由式（2-16）得：滚道圆弧半径的取值范围为，在此。滚道圆弧偏心距为：（2-17）接触角通常取，由式（2-17）得:螺纹升角为：（2-18）由式（2-18）得:（2）丝杠的主要参数计算螺纹外径为：（2-19）由式（2-19）得螺纹外径：取。螺纹内径为：（2-20）由式（2-20）得螺纹内径：滚道接触点直径为：（2-21）由式（2-21）得滚道接触点直径：（3）螺母的主要参数为了提高传动效率，因此滚珠的循环方式采用内循环式，这样可以缩短滚珠的回程距离，减小了摩擦损失。因此内循环式丝杠螺母的螺纹外径为：（2-22）由式（2-22）得：螺母的螺纹外径在此取螺母的螺纹内径为：（2-23）由式（2-23）得螺母的螺纹内径：1.3.2滚珠丝杠的校核计算自由行程内的悬架弹簧等效刚度为：（2-24）式中：——悬架弹簧等效刚度比；——悬架螺旋弹簧刚度；——悬架弹簧安装比；由式（2-24）得自由行程内的悬架弹簧等效刚度：最大轴向载荷为：（2-25）由式（2-25）得最大轴向载荷：平均轴向载荷为：（2-26）由式（2-26）得：平均轴向载荷。（1）强度校核静载荷的强度条件为：（2-27）式中：——计算静载荷，单位为；——额定静载荷，单位为，见表2-2；——载荷系数，在中等冲击或振动下；——硬度系数，在此取。由式（2-27）得：，故静载荷安全。丝杠许用拉压载荷为：（2-28）式中：——材料许用应力，该型号滚珠丝杠材料；——滚珠丝杠的外径，在此。由式（2-28）得：，＞，因此拉压载荷安全。（2）稳定性校核临界载荷为：（2-29）式中:——支撑系数，由于本结构中滚珠丝杠机构为一端固定，另一端自由状态，因此取；——丝杠的工作长度，一般取为丝杠的支承距离，在此取。由式（2-29）可知，临界载荷。故稳定安全系数为：（2-30）由式（1.16）得：，稳定性足够。（3）临界转速校核在并联式滚珠丝杠半主动悬架中，滚珠丝杠机构始终处于中低速运动中，不会出现高转速和极限转速的工况，因此不在此进行临界转速校核。（4）工作寿命计算额定寿命：（2-31）式中：——额定寿命转数，单位；——动载荷系数，取；——平均工作转速，取；由式得：1.3.3丝杠支撑方式确定丝杠支撑方式需要根据丝杠长度、转速、定位精度等来确定，滚珠丝杠副常见的支承方式有一端固定、一端自由，两端固定，两端支承，一端固定、一端支承[20]。在并联式滚珠丝杠半主动悬架中，滚珠丝杠结构主要进行的是逆运动，主要承受的是轴向拉压力，几乎没有径向载荷，并且在此不允许滚珠丝杠产生径向和轴向的位移，只能进行转动。因此为了简化结构，便于安装，在本结构中采用一端固定、另一端自由的支承方式。靠近齿轮箱的一端有固定支撑座进行固定，靠近下吊耳的一端悬空为自由状态。1.4馈能电机的选型在垂直方向上，悬架空间是有限的，特别是后悬架的可安装空间更小，要求并联式滚珠丝杠半主动悬架作动器不仅能够在有限的工作空间内进行频繁的往复直线运动，与此同时还要求其能够提供较大的力矩来承受车身动载荷，既能实现半主动控制，又能进行能量回收，即将振动能量转化为电能进行存储，因此要求该作动器的电机不但可以工作在电动机模式，还可以工作在发电机模式，以便将不平路面产生的振动能量转化为电能。为了确保并联式滚珠丝杠半主动悬架结构的紧凑性，应该选择体积小、效率高、便于安装的旋转电机。常用的旋转型电机有三大类，分别是交流异步电机、有刷直流电机和无刷直流电机。表2-4三种电机的性能比较电机类型交流异步电机有刷直流电机无刷直流电机机械特性较好较好好过载能力小大大可控性困难容易容易平稳性较差较好好噪声较大大小电磁干扰小很大小寿命较长较短长体积大小小效率低高高成本低较高较高维修性容易困难容易直流电机具有机械特性好、过载能力强、可控性强、平稳性好、噪声小等优点。但传统的直流电机主要由主磁极、换向极、电刷装置等组成，主要是以机械的方式进行换向。有刷直流电机制造成本高、电磁干扰大、维修比较困难。但随着钐钴、钕铁硼等高性能永磁材料的出现和新技术的快速发展，直流无刷电机的发展已经越来越成熟可靠。直流无刷电机不仅结构更加简单、运行更加稳定、维护更加方便，同时还运行效率高无励磁损耗。因此直流无刷电机的优点具体可概括为以下几点：损耗小、体积小、重量轻直流无刷电机无需外加磁场，无励磁损耗，而其具有恒定的内部磁场，转子上无铁耗损失，即无内部耗损和励磁消耗，故直流无刷电机损耗小，又因其没有电刷和换向器，结构简单，在相同功率下，其体积较小质量较轻