CN110696579B - 齿轮齿条式半主动馈能悬架作动器及其能量回收控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种齿轮齿条式半主动馈能悬架作动器，包括作动器本体、能量回收电路和能量回收控制电路，作动器本体包括作动器壳体、无刷直流电机、齿轮齿条单元、双向变单向齿轮箱和减振弹簧单元；本发明还公开了一种齿轮齿条式半主动馈能悬架作动器的能量回收控制方法。本发明设通过设置双向变单向齿轮箱，能够将齿轮齿条的双向转动转变为直流无刷电机的单向转动，避免了直流无刷电机反复正反转而导致大量惯量损失，增加了直流无刷电机的转速，从而增加了馈能效率；其能量回收电路及能量回收控制方法的设计，消除了传统馈能减振器的馈能“死区”，提高了能量回收效率，减少了电压剧烈变化对车载蓄电池的冲击，延长了车载蓄电池的的寿命。
Description
技术领域
本发明属于悬架作动器技术领域，具体涉及一种齿轮齿条式半主动馈能悬架作动器及其能量回收控制方法。
背景技术
汽车行驶时，由于路面的不平度以及汽车的加减速、转向等操作会导致汽车簧载质量与非簧载质量之间产生相对位移，从而导致汽车产生振动。而悬架系统是汽车的重要组成部分，对车辆的操纵稳定性和平顺性有很大影响。国外环保机构对车辆的能量流动进行了大量研究，车辆怠速和整车减振器耗散的能量占整车总能量的17.2％，传统被动悬架中的减振器是以摩擦的形式将这部分机械能转变为热能耗散掉。同时，传统的被动悬架刚度和阻尼等参数是固定不变的，所以，只能保证汽车在一种特定的道路状态和行驶速度下达到最佳性能，汽车行驶平顺性和舒适性就会受到影响。齿轮齿条式悬架作动器可以将直线运动转变为旋转运动，从而进行振动能量的回收，摩擦损失很小，工作可靠。普通的齿轮齿条式悬架作动器会使发电机不停正反转，不仅会造成大量的惯性损失，使馈能效率降低，而且会缩短发电机的使用寿命，使系统的可靠性变差。例如，申请号为201310014394.1的中国发明专利公开了一种车辆悬架振动能量转换装置，用齿轮齿条式作动器进行能量回收，但没有对其进行结构集成，安装时占据很大空间，同时由于电机正反转而导致大量惯量损失；又例如，申请号为201310121651.1的中国发明专利公开了一种车用减震器及利用该车用减震器发电的装置，将悬架系统集成，但对馈能时产生的“死区”问题没有解决，使悬架在“死区”的能量无法回收，同时此时使悬架的减振性能变差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种齿轮齿条式半主动馈能悬架作动器，其设计新颖合理，实现方便，通过设置双向变单向齿轮箱，能够将齿轮齿条的双向转动转变为直流无刷电机的单向转动，避免了直流无刷电机反复正反转而导致大量惯量损失，增加了直流无刷电机的转速，从而增加了馈能效率，同时延长了直流无刷电机的使用寿命；其能量回收电路的设计，消除了传统馈能减振器的馈能“死区”，提高了能量回收效率，减少了电压剧烈变化对车载蓄电池的冲击，延长了车载蓄电池的的寿命。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种齿轮齿条式半主动馈能悬架作动器，包括作动器本体、能量回收电路和能量回收控制电路，所述作动器本体包括作动器壳体、无刷直流电机、齿轮齿条单元、双向变单向齿轮箱和减振弹簧单元；
所述作动器壳体包括从上到下依次设置的作动器上吊耳、作动器上壳体、作动器下壳体和作动器下吊耳，所述作动器上壳体固定连接在动器下壳体顶部，所述作动器下吊耳固定连接在作动器下壳体的底部，所述作动器下壳体和作动器上壳体围成的空间内设置有导向滑块，所述导向滑块的上半部分与作动器上壳体固定连接，所述导向滑块的下半部分与作动器下壳体固定连接；
所述齿轮齿条单元包括齿轮和与齿轮相啮合的齿条，所述齿轮固定连接在齿轮轴上；所述齿条插入导向滑块内；
所述双向变单向齿轮箱包括齿轮箱壳体和齿轮箱壳体盖，所述齿轮箱壳体内设置有齿轮箱输入轴、齿轮箱输入轴齿轮、中间轴、中间轴第一齿轮、中间轴第二齿轮、转向轴、转向轴齿轮、齿轮箱输出轴、输出轴第一齿轮和输出轴第二齿轮；所述齿轮箱输入轴的一端通过轴承支撑安装在齿轮箱壳体盖上，所述齿轮轴通过齿轮箱联轴器与齿轮箱输入轴的另一端连接，所述齿轮箱输入轴齿轮固定连接在齿轮箱输入轴上；所述中间轴的一端通过轴承支撑安装在齿轮箱壳体盖上，所述中间轴的另一端通过轴承支撑安装在齿轮箱壳体上，所述中间轴第一齿轮通过中间轴棘轮与中间轴连接，所述中间轴第二齿轮固定连接在中间轴上；所述转向轴的一端通过轴承支撑安装在齿轮箱壳体上，所述转向轴齿轮固定连接在转向轴上；所述齿轮箱输出轴的一端通过轴承支撑安装在齿轮箱壳体盖上，所述齿轮箱输出轴的另一端通过轴承支撑安装在齿轮箱壳体上，所述输出轴第一齿轮通过输出轴棘轮与齿轮箱输出轴连接，所述输出轴第二齿轮固定连接在齿轮箱输出轴上；所述中间轴第一齿轮与齿轮箱输入轴齿轮相啮合，所述输出轴第一齿轮与中间轴第一齿轮相啮合，所述转向轴齿轮与中间轴第二齿轮相啮合，所述输出轴第二齿轮与转向轴齿轮相啮合；
所述无刷直流电机的轴通过电机联轴器与齿轮箱输出轴连接，所述无刷直流电机底部固定连接在齿轮箱壳体上；
所述减振弹簧单元包括上弹簧卡座和下弹簧卡座，以及固定连接在上弹簧卡座和下弹簧卡座之间的减振弹簧；所述齿条的顶端与上弹簧卡座固定连接，所述上弹簧卡座的底部固定连接有罩在齿条外围的上防尘罩，所述下弹簧卡座的顶部固定连接有罩在导向滑块外围的下防尘罩，所述减振弹簧设置在上防尘罩和下防尘罩外围；
所述能量回收电路包括DC-DC升压模块、第一超级电容充电模块、第二超级电容充电模块、第三超级电容充电模块和车载蓄电池，所述DC-DC升压模块包括第一MOS开关触发驱动模块和电感、全控型MOS开关触发驱动模块和第一单向二极管，所述第一MOS开关触发驱动模块、电感、第一单向二极管和第三MOS开关触发驱动模块串联后与第二MOS开关触发驱动模块并联；所述第一超级电容充电模块包括第一超级电容、第二单向二极管、第四MOS开关触发驱动模块和第五MOS开关触发驱动模块，所述第一超级电容与第二单向二极管和第四MOS开关触发驱动模块串联后再与第五MOS开关触发驱动模块并联；所述第二超级电容充电模块包括第二超级电容组、第三单向二极管、第六MOS开关触发驱动模块和第七MOS开关触发驱动模块，所述第二超级电容组与第三单向二极管和第六MOS开关触发驱动模块串联后再与第七MOS开关触发驱动模块并联；所述第三超级电容充电模块包括第三超级电容组、第四单向二极管、第八MOS开关触发驱动模块串联后和第九MOS开关触发驱动模块，所述第三超级电容组与第四单向二极管和第八MOS开关触发驱动模块串联后再与第九MOS开关触发驱动模块并联；所述无刷直流电机一端连接着电机等效内阻，另一端连接着电机等效电感，所述电机等效电感连接着电机外接负载，所述第一MOS开关触发驱动模块和第二MOS开关触发驱动模块的连接端与电机外接负载连接，所述第一超级电容和第五MOS开关触发驱动模块的连接端与第三MOS开关触发驱动模块和第二MOS开关触发驱动模块的连接端连接，所述第七MOS开关触发驱动模块和第二超级电容组的连接端与第四MOS开关触发驱动模块和第五MOS开关触发驱动模块的连接端连接，所述第九MOS开关触发驱动模块和第三超级电容组的连接端与第六MOS开关触发驱动模块和第七MOS开关触发驱动模块的连接端连接，所述车载蓄电池与第十一MOS开关触发驱动模块串联后与第十MOS开关触发驱动模块并联，所述车载蓄电池与电机等效内阻连接，所述第十MOS开关触发驱动模块与全控型MOS开关触发驱动模块连接，所述第十一MOS开关触发驱动模块与第十MOS开关触发驱动模块的连接端与第八MOS开关触发驱动模块和第九MOS开关触发驱动模块的连接端连接；
所述能量回收控制电路包括传感单元和能量回收控制器，所述传感单元包括簧载质量加速度传感器和非簧载质量加速度传感器，所述簧载质量加速度传感器固定连接在上弹簧卡座顶部，所述作动器上吊耳固定连接在簧载质量加速度传感器的顶部，所述簧载质量加速度传感器和非簧载质量加速度传感器均与能量回收控制器的输入端连接，所述第一MOS开关触发驱动模块、第二MOS开关触发驱动模块、第三MOS开关触发驱动模块、第四MOS开关触发驱动模块、第五MOS开关触发驱动模块、第六MOS开关触发驱动模块、第七MOS开关触发驱动模块、第八MOS开关触发驱动模块、第九MOS开关触发驱动模块、第十MOS开关触发驱动模块、第十一MOS开关触发驱动模块和全控型MOS开关触发驱动模块均与能量回收控制器的输出端连接。
上述的齿轮齿条式半主动馈能悬架作动器，所述作动器上壳体通过作动器壳体装配螺栓固定连接在动器下壳体顶部，所述作动器下吊耳焊接在作动器下壳体的底部，所述齿轮通过内花键固定连接在齿轮轴上；所述齿条的顶端与上弹簧卡座焊接，所述上防尘罩与上弹簧卡座的底部焊接，所述下防尘罩与下弹簧卡座的顶部焊接；所述直流无刷电机底部通过电机装配螺栓固定连接在齿轮箱壳体上，所述作动器上吊耳焊接在簧载质量加速度传感器的顶部。
上述的齿轮齿条式半主动馈能悬架作动器，所述齿轮箱壳体盖与齿轮箱壳体通过齿轮箱装配螺栓连接，所述齿轮箱输入轴齿轮通过键固定连接在齿轮箱输入轴上，所述中间轴第二齿轮通过键固定连接在中间轴上，所述转向轴齿轮通过键固定连接在转向轴上，所述输出轴第二齿轮通过键固定连接在齿轮箱输出轴上。
上述的齿轮齿条式半主动馈能悬架作动器，所述中间轴棘轮通过内花键安装于中间轴上，所述中间轴第一齿轮空套在中间轴棘轮上；所述输出轴棘轮通过内花键安装于齿轮箱输出轴上，所述输出轴第一齿轮空套在输出轴棘轮上。
上述的齿轮齿条式半主动馈能悬架作动器，所述齿轮箱输入轴齿轮齿数40，齿距3.14mm，分度圆直径40mm，齿顶高系数2.5，齿轮厚度13mm，齿根过渡圆半径0.38mm，分度圆压力角20°；所述中间轴第一齿轮齿数50，齿距3.14mm，分度圆直径50mm，齿顶高系数2.5，齿轮厚度13mm，齿根过渡圆半径0.38mm，分度圆压力角20°；所述中间轴第二齿轮齿数25，齿距3.14mm，分度圆直径25mm，齿顶高系数2.5，齿轮厚度13mm，齿根过渡圆半径0.38mm，分度圆压力角20°；所述转向轴齿轮齿数25，齿距3.14mm，分度圆直径25mm，齿顶高系数2.5，齿轮厚度13mm，齿根过渡圆半径0.38mm，分度圆压力角20°；所述输出轴第一齿轮齿数70，齿距3.14mm，分度圆直径70mm，齿顶高系数2.5，齿轮厚度13mm，齿根过渡圆半径0.38mm，分度圆压力角20°；所述输出轴第二齿轮齿数35，齿距3.14mm，分度圆直径35mm，齿顶高系数2.5，齿轮厚度13mm，齿根过渡圆半径0.38mm，分度圆压力角20°。
上述的齿轮齿条式半主动馈能悬架作动器，所述第一超级电容由一个120F、2.7V的超级电容构成，充电电压为2.2V；所述第二超级电容组由两个120F、2.7V的超级电容串联组成，充电电压为4.4V；所述第三超级电容组由三个120F、2.7V的超级电容串联组成，充电电压为6.6V。
本发明还公开了一种方法步骤简单，实现方便，通过不同的工作模式下改变馈能电压，向悬架系统提供不同电磁阻尼力，增加了半主动悬架的减振效果，减少了电压剧烈变化对车载蓄电池的冲击，延长了车载蓄电池的的寿命的齿轮齿条式半主动馈能悬架作动器的能量回收控制方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、数据采集及同步传输：簧载质量加速度传感器和非簧载质量加速度传感器分别对簧载质量加速度和非簧载质量加速度进行周期性检测，并将检测到的数据实时传输给能量回收控制器；其中，第i次采样得到的非簧载质量加速度记作
第i次采样得到的簧载质量加速度记作
i的取值为非零自然数；
步骤二、能量回收控制器对其第i次采样得到的簧载质量加速度
进行积分，得到簧载质量速度
并对其第i次采样得到的非簧载质量加速度
进行积分，得到非簧载质量速度
步骤三、能量回收控制器将簧载质量速度
和非簧载质量速度
之差
与预先设定的簧载质量加速度阈值
和
进行大小比较，判断出能量回收电路的工作模式，并通过能量回收控制器控制能量回收电路进行能量回收；
当
时，所述能量回收控制器控制第一MOS开关触发驱动模块、第三MOS开关触发驱动模块、第四MOS开关触发驱动模块、第七MOS开关触发驱动模块、第九MOS开关触发驱动模块和第十MOS开关触发驱动模块导通，并控制第二MOS开关触发驱动模块、第五MOS开关触发驱动模块、第六MOS开关触发驱动模块、第八MOS开关触发驱动模块和第十一MOS开关触发驱动模块断开，通过所述DC-DC升压模块对无刷直流电机产生电压升压，通过能量回收控制器适时调节全控型MOS开关触发驱动模块来控制电路通断，当全控型MOS开关触发驱动模块控制电路导通时，所述直流无刷电机产生的电能暂时储存在电感中；当全控型MOS开关触发驱动模块控制电流断开时，所述电感和直流无刷电机同时向第一超级电容充电，能达到对充电电压升压的目的；
当
时，所述能量回收控制器控制第二MOS开关触发驱动模块、第四MOS开关触发驱动模块、第七MOS开关触发驱动模块、第九MOS开关触发驱动模块和第十MOS开关触发驱动模块导通，并控制第一MOS开关触发驱动模块、第三MOS开关触发驱动模块、第五MOS开关触发驱动模块、第六MOS开关触发驱动模块、第八MOS开关触发驱动模块和第十一MOS开关触发驱动模块断开，所述直流无刷电机产生的电能直接对第一超级电容充电；
当
时，所述能量回收控制器控制第二MOS开关触发驱动模块、第五MOS开关触发驱动模块、第六MOS开关触发驱动模块、第九MOS开关触发驱动模块和第十MOS开关触发驱动模块导通，并控制第一MOS开关触发驱动模块、第三MOS开关触发驱动模块、第四MOS开关触发驱动模块、第七MOS开关触发驱动模块、第八MOS开关触发驱动模块和第十一MOS开关触发驱动模块断开，所述直流无刷电机产生的电能直接对第二超级电容组充电；
当
时，所述能量回收控制器控制第二MOS开关触发驱动模块、第五MOS开关触发驱动模块、第七MOS开关触发驱动模块、第八MOS开关触发驱动模块和第十MOS开关触发驱动模块导通，并控制第一MOS开关触发驱动模块、第三MOS开关触发驱动模块、第四MOS开关触发驱动模块、第六MOS开关触发驱动模块、第九MOS开关触发驱动模块和第十一MOS开关触发驱动模块断开，所述直流无刷电机产生的电能直接对第三超级电容组充电；
当
时，所述能量回收控制器控制第二MOS开关触发驱动模块、第四MOS开关触发驱动模块、第七MOS开关触发驱动模块、第八MOS开关触发驱动模块和第十MOS开关触发驱动模块导通，并控制第一MOS开关触发驱动模块、第三MOS开关触发驱动模块、第五MOS开关触发驱动模块、第六MOS开关触发驱动模块和第九MOS开关触发驱动模块断开，所述第一超级电容与第三超级电容组串联，所述直流无刷电机产生的电能直接对第一超级电容与第三超级电容组共同充电；
当
时，所述能量回收控制器控制第二MOS开关触发驱动模块、第五MOS开关触发驱动模块、第六MOS开关触发驱动模块、第八MOS开关触发驱动模块和第十MOS开关触发驱动模块导通，并控制第一MOS开关触发驱动模块、第三MOS开关触发驱动模块、第四MOS开关触发驱动模块、第七MOS开关触发驱动模块、第九MOS开关触发驱动模块和第十一MOS开关触发驱动模块断开，所述第二超级电容组与第三超级电容组串联，所述直流无刷电机产生的电能直接对第二超级电容组与第三超级电容组共同充电；
当
时，所述能量回收控制器控制第二MOS开关触发驱动模块、第五MOS开关触发驱动模块、第七MOS开关触发驱动模块、第九MOS开关触发驱动模块和第十一MOS开关触发驱动模块导通，并控制第一MOS开关触发驱动模块、第三MOS开关触发驱动模块、第四MOS开关触发驱动模块、第六MOS开关触发驱动模块、第八MOS开关触发驱动模块和第十MOS开关触发驱动模块断开，所述直流无刷电机产生的电能直接给蓄电池充电；
当第一超级电容充电模块、第二超级电容充电模块、第三超级电容充电模块之间的电压大于13.5V时，所述能量回收控制器控制第二MOS开关触发驱动模块、第四MOS开关触发驱动模块、第六MOS开关触发驱动模块、第八MOS开关触发驱动模块和第十一MOS开关触发驱动模块导通，并控制第一MOS开关触发驱动模块、第三MOS开关触发驱动模块、第五MOS开关触发驱动模块、第七MOS开关触发驱动模块、第九MOS开关触发驱动模块和第十MOS开关触发驱动模块断开，第一超级电容、第二超级电容组和第三超级电容组串联，与直流无刷电机所产生的电能一起给蓄电池充电。
上述的方法，
其中，u为馈能电压，ke为反电动势系数，D为齿轮分度圆直径。
上述的方法，所述
和
的取值分别为：
和
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的齿轮齿条式半主动馈能悬架作动器，设计新颖合理，集成化程度高，结构紧凑，极大地节省了悬架作动器的安装空间，结构简单，实现方便且成本低。
2、本发明的齿轮齿条式半主动馈能悬架作动器，通过设置双向变单向齿轮箱，能够将齿轮齿条的双向转动转变为直流无刷电机的单向转动，避免了直流无刷电机反复正反转而导致大量惯量损失，增加了直流无刷电机的转速，从而增加了馈能效率，同时延长了直流无刷电机的使用寿命。
3、本发明的齿轮齿条式半主动馈能悬架作动器，将悬架作动器在馈能模式下回收的振动能量，通过能量回收电路将产生的电能储存在车载蓄电池中，以供车辆其他电器设备使用，起到了节能减排的作用。
4、本发明的能量回收电路，消除了传统馈能减振器的馈能“死区”，提高了能量回收效率，通过不同的工作模式下改变馈能电压，向悬架系统提供不同电磁阻尼力，增加了半主动悬架的减振效果，同时通过三个超级电容组对低电压段电压的回收，减少了电压剧烈变化对车载蓄电池的冲击，延长了车载蓄电池的的寿命。
5、本发明的齿轮齿条式半主动馈能悬架作动器，其阻尼力为齿轮齿条作动器的阻尼力和直流无刷电机电磁阻尼力，不易发生故障，无需经常维护维修，且维护简单，防止系统失效造成减振系统瘫痪而恶化车辆行驶平顺性和操作稳定性，工作稳定性和可靠性高。
6、本发明的齿轮齿条式半主动馈能悬架作动器的能量回收控制方法，方法步骤简单，实现方便，通过将簧载质量速度和非簧载质量速度的差值与预先设定的簧载质量加速度阈值进行比较来判断出能量回收电路的工作模式，并通过能量回收控制器控制能量回收电路进行能量回收，通过不同的工作模式下改变馈能电压，向悬架系统提供不同电磁阻尼力，增加了半主动悬架的减振效果，同时通过三个超级电容组对低电压段电压的回收，减少了电压剧烈变化对车载蓄电池的冲击，延长了车载蓄电池的的寿命。
7、本发明的实用性强，使用效果好，满足当前的使用需求，既能实现更好的减振又能回收悬架系统所消耗的能量，达到节能减排的目的，使用前景广阔，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明齿轮齿条式半主动馈能悬架作动器的结构示意图；
图2为本发明能量回收电路的电路原理图；
图3为本发明能量回收控制电路的电路框图。
附图标记说明:
1—作动器上吊耳； 2—上吊耳装配孔； 3—簧载质量加速度传感器；
5—上弹簧卡座； 6—上防尘罩； 7—减振弹簧；
8—下防尘罩； 9—齿条； 10—下弹簧卡座；
11—作动器上壳体； 12—齿轮； 13—齿轮轴；
14—导向滑块； 15—作动器壳体装配螺栓； 16—作动器下壳体；
18—作动器下吊耳； 19—下吊耳装配孔； 22—齿轮箱联轴器；
24—齿轮箱壳体； 25—齿轮箱壳体盖； 27—齿轮箱输入轴；
28—齿轮箱输入轴齿轮； 29—中间轴棘轮； 30—中间轴；
31—中间轴第二齿轮； 32—中间轴第一齿轮； 33—转向轴；
34—转向轴齿轮； 35—齿轮箱输出轴； 36—输出轴第二齿轮；
37—输出轴棘轮； 38—输出轴第一齿轮； 39—齿轮箱装配螺栓；
40—无刷直流电机； 41—电机联轴器； 42—电机装配螺栓；
43—电机等效电感； 44—电机外接负载；
45—第一MOS开关触发驱动模块； 46—电感；
47—第一单向二极管； 48—全控型MOS开关触发驱动模块；
49—第二MOS开关触发驱动模块； 50—第三MOS开关触发驱动模块；
51—第一超级电容； 52—第二单向二极管；
53—第四MOS开关触发驱动模块； 54—第五MOS开关触发驱动模块；
55—第七MOS开关触发驱动模块； 56—第二超级电容组；
57—第三单向二极管； 58—第六MOS开关触发驱动模块；
59—第三超级电容组； 60—第四单向二极管；
61—第八MOS开关触发驱动模块； 62—第九MOS开关触发驱动模块；
63—第十MOS开关触发驱动模块； 64—第十一MOS开关触发驱动模块；
65—车载蓄电池； 66—电机等效内阻；
67—能量回收控制器； 68—非簧载质量加速度传感器。
具体实施方式
如图1所示，本实施例的齿轮齿条式半主动馈能悬架作动器，包括作动器本体、能量回收电路和能量回收控制电路，所述作动器本体包括作动器壳体、无刷直流电机40、齿轮齿条单元、双向变单向齿轮箱和减振弹簧单元；
所述作动器壳体包括从上到下依次设置的作动器上吊耳1、作动器上壳体11、作动器下壳体16和作动器下吊耳18，所述作动器上壳体11固定连接在动器下壳体16顶部，所述作动器下吊耳18固定连接在作动器下壳体16的底部，所述作动器下壳体16和作动器上壳体11围成的空间内设置有导向滑块14，所述导向滑块14的上半部分与作动器上壳体11固定连接，所述导向滑块14的下半部分与作动器下壳体16固定连接；
具体实施时，所述作动器上吊耳1上设置有上吊耳装配孔2，所述作动器下吊耳18上设置有下吊耳装配孔19。
所述齿轮齿条单元包括齿轮12和与齿轮12相啮合的齿条9，所述齿轮12固定连接在齿轮轴13上；所述齿条9插入导向滑块14内；
所述双向变单向齿轮箱包括齿轮箱壳体24和齿轮箱壳体盖25，所述齿轮箱壳体24内设置有齿轮箱输入轴27、齿轮箱输入轴齿轮28、中间轴30、中间轴第一齿轮32、中间轴第二齿轮31、转向轴33、转向轴齿轮34、齿轮箱输出轴35、输出轴第一齿轮38和输出轴第二齿轮36；所述齿轮箱输入轴27的一端通过轴承支撑安装在齿轮箱壳体盖25上，所述齿轮轴13通过齿轮箱联轴器22与齿轮箱输入轴27的另一端连接，所述齿轮箱输入轴齿轮28固定连接在齿轮箱输入轴27上；所述中间轴30的一端通过轴承支撑安装在齿轮箱壳体盖25上，所述中间轴30的另一端通过轴承支撑安装在齿轮箱壳体24上，所述中间轴第一齿轮32通过中间轴棘轮29与中间轴30连接，所述中间轴第二齿轮31固定连接在中间轴30上；所述转向轴33的一端通过轴承支撑安装在齿轮箱壳体24上，所述转向轴齿轮34固定连接在转向轴33上；所述齿轮箱输出轴35的一端通过轴承支撑安装在齿轮箱壳体盖25上，所述齿轮箱输出轴35的另一端通过轴承支撑安装在齿轮箱壳体24上，所述输出轴第一齿轮38通过输出轴棘轮37与齿轮箱输出轴35连接，所述输出轴第二齿轮36固定连接在齿轮箱输出轴35上；所述中间轴第一齿轮32与齿轮箱输入轴齿轮28相啮合，所述输出轴第一齿轮38与中间轴第一齿轮32相啮合，所述转向轴齿轮34与中间轴第二齿轮31相啮合，所述输出轴第二齿轮36与转向轴齿轮34相啮合；
所述无刷直流电机40的轴通过电机联轴器41与齿轮箱输出轴35连接，所述无刷直流电机40底部固定连接在齿轮箱壳体24上；
所述减振弹簧单元包括上弹簧卡座5和下弹簧卡座10，以及固定连接在上弹簧卡座5和下弹簧卡座10之间的减振弹簧7；所述齿条9的顶端与上弹簧卡座5固定连接，所述上弹簧卡座5的底部固定连接有罩在齿条9外围的上防尘罩6，所述下弹簧卡座10的顶部固定连接有罩在导向滑块14外围的下防尘罩8，所述减振弹簧7设置在上防尘罩6和下防尘罩8外围；
结合图2，所述能量回收电路包括DC-DC升压模块、第一超级电容充电模块、第二超级电容充电模块、第三超级电容充电模块和车载蓄电池65，所述DC-DC升压模块包括第一MOS开关触发驱动模块45和电感46、全控型MOS开关触发驱动模块48和第一单向二极管47，所述第一MOS开关触发驱动模块45、电感46、第一单向二极管47和第三MOS开关触发驱动模块50串联后与第二MOS开关触发驱动模块49并联；所述第一超级电容充电模块包括第一超级电容51、第二单向二极管52、第四MOS开关触发驱动模块53和第五MOS开关触发驱动模块54，所述第一超级电容51与第二单向二极管52和第四MOS开关触发驱动模块53串联后再与第五MOS开关触发驱动模块54并联；所述第二超级电容充电模块包括第二超级电容组56、第三单向二极管57、第六MOS开关触发驱动模块58和第七MOS开关触发驱动模块55，所述第二超级电容组56与第三单向二极管57和第六MOS开关触发驱动模块58串联后再与第七MOS开关触发驱动模块55并联；所述第三超级电容充电模块包括第三超级电容组59、第四单向二极管60、第八MOS开关触发驱动模块61串联后和第九MOS开关触发驱动模块62，所述第三超级电容组59与第四单向二极管60和第八MOS开关触发驱动模块61串联后再与第九MOS开关触发驱动模块62并联；所述无刷直流电机40一端连接着电机等效内阻66，另一端连接着电机等效电感43，所述电机等效电感43连接着电机外接负载44，所述第一MOS开关触发驱动模块45和第二MOS开关触发驱动模块49的连接端与电机外接负载44连接，所述第一超级电容51和第五MOS开关触发驱动模块54的连接端与第三MOS开关触发驱动模块50和第二MOS开关触发驱动模块49的连接端连接，所述第七MOS开关触发驱动模块55和第二超级电容组56的连接端与第四MOS开关触发驱动模块53和第五MOS开关触发驱动模块54的连接端连接，所述第九MOS开关触发驱动模块62和第三超级电容组59的连接端与第六MOS开关触发驱动模块58和第七MOS开关触发驱动模块55的连接端连接，所述车载蓄电池65与第十一MOS开关触发驱动模块64串联后与第十MOS开关触发驱动模块63并联，所述车载蓄电池65与电机等效内阻66连接，所述第十MOS开关触发驱动模块63与全控型MOS开关触发驱动模块48连接，所述第十一MOS开关触发驱动模块64与第十MOS开关触发驱动模块63的连接端与第八MOS开关触发驱动模块61和第九MOS开关触发驱动模块62的连接端连接；
结合图3，所述能量回收控制电路包括传感单元和能量回收控制器67，所述传感单元包括簧载质量加速度传感器3和非簧载质量加速度传感器68，所述簧载质量加速度传感器3固定连接在上弹簧卡座5顶部，所述作动器上吊耳1固定连接在簧载质量加速度传感器3的顶部，所述簧载质量加速度传感器3和非簧载质量加速度传感器68均与能量回收控制器67的输入端连接，所述第一MOS开关触发驱动模块45、第二MOS开关触发驱动模块49、第三MOS开关触发驱动模块50、第四MOS开关触发驱动模块53、第五MOS开关触发驱动模块54、第六MOS开关触发驱动模块58、第七MOS开关触发驱动模块55、第八MOS开关触发驱动模块61、第九MOS开关触发驱动模块62、第十MOS开关触发驱动模块63、第十一MOS开关触发驱动模块64和全控型MOS开关触发驱动模块48均与能量回收控制器67的输出端连接。
本实施例中，所述作动器上壳体11通过作动器壳体装配螺栓15固定连接在动器下壳体16顶部，所述作动器下吊耳18焊接在作动器下壳体16的底部，所述齿轮12通过内花键固定连接在齿轮轴13上；所述齿条9的顶端与上弹簧卡座5焊接，使得所述上弹簧卡座5能够随着齿条9的运动而运动；所述上防尘罩6与上弹簧卡座5的底部焊接，所述下防尘罩8与下弹簧卡座10的顶部焊接；所述直流无刷电机40底部通过电机装配螺栓42固定连接在齿轮箱壳体24上，所述作动器上吊耳1焊接在簧载质量加速度传感器3的顶部。
本实施例中，所述齿轮箱壳体盖25与齿轮箱壳体24通过齿轮箱装配螺栓39连接，所述齿轮箱输入轴齿轮28通过键固定连接在齿轮箱输入轴27上，并且与齿轮箱输入轴27同步转动；所述中间轴第二齿轮31通过键固定连接在中间轴30上，并且与中间轴30同步转动；所述转向轴齿轮34通过键固定连接在转向轴33上，并且与转向轴33同步转动；所述输出轴第二齿轮36通过键固定连接在齿轮箱输出轴35上，并且与齿轮箱输出轴35同步转动。
本实施例中，所述中间轴棘轮29通过内花键安装于中间轴30上，所述中间轴第一齿轮32空套在中间轴棘轮29上；所述输出轴棘轮37通过内花键安装于齿轮箱输出轴35上，所述输出轴第一齿轮38空套在输出轴棘轮37上。
工作时，所述中间轴棘轮29与中间轴30同步转动，所述输出轴棘轮37与齿轮箱输出轴35同步转动；由上吊耳方向观察，中间轴第一齿轮32顺时针旋转时，中间轴棘轮29与中间轴30也同步旋转，即中间轴棘轮29外所嵌套的中间轴第一齿轮32在顺时针旋转时可传递动力给中间轴30；中间轴第一齿轮32逆时针旋转时，中间轴棘轮29空转，不向中间轴30传递动力；由上吊耳方向观察，输出轴第一齿轮38顺时针旋转时，输出轴棘轮37与齿轮箱输出轴35也同步旋转，即输出轴棘轮37外所嵌套的输出轴第一齿轮38在顺时针旋转时可传递动力给齿轮箱输出轴35；输出轴第一齿轮38逆时针旋转时，输出轴棘轮37空转，不向齿轮箱输出轴35传递动力；因此，通过所述双向变单向齿轮箱能够将齿轮齿条机构的双向转动转变为直流无刷电机40的单向转动。
本实施例中，所述齿轮箱输入轴齿轮28齿数40，齿距3.14mm，分度圆直径40mm，齿顶高系数2.5，齿轮厚度13mm，齿根过渡圆半径0.38mm，分度圆压力角20°；所述中间轴第一齿轮32齿数50，齿距3.14mm，分度圆直径50mm，齿顶高系数2.5，齿轮厚度13mm，齿根过渡圆半径0.38mm，分度圆压力角20°；所述中间轴第二齿轮31齿数25，齿距3.14mm，分度圆直径25mm，齿顶高系数2.5，齿轮厚度13mm，齿根过渡圆半径0.38mm，分度圆压力角20°；所述转向轴齿轮34齿数25，齿距3.14mm，分度圆直径25mm，齿顶高系数2.5，齿轮厚度13mm，齿根过渡圆半径0.38mm，分度圆压力角20°；所述输出轴第一齿轮38齿数70，齿距3.14mm，分度圆直径70mm，齿顶高系数2.5，齿轮厚度13mm，齿根过渡圆半径0.38mm，分度圆压力角20°；所述输出轴第二齿轮36齿数35，齿距3.14mm，分度圆直径35mm，齿顶高系数2.5，齿轮厚度13mm，齿根过渡圆半径0.38mm，分度圆压力角20°。
工作时，令z1为齿轮箱输入轴齿轮28，则z1＝40；令z2为中间轴第一齿轮32，则z2＝50；令z3为中间轴第二齿轮31，则z3＝25；令z4为转向轴齿轮，则z4＝25；令z5为输出轴第一齿轮38，则z5＝70；令z6为输出轴第二齿轮36，则z6＝35；当悬架作动器在伸张行程时，传动比n1为：
当悬架作动器在压缩行程时，传动比n2为：
因此无论在伸张行程还是压缩行程，所述双向变单向齿轮箱的传动比相同，避免了因悬架作动器振动方向不同导致的电压突然变化，有利于能量回收控制电路控制能量回收电路进行能量回收，增加了馈能效率。
本实施例中，所述第一超级电容51由一个120F、2.7V的超级电容构成，充电电压为2.2V；所述第二超级电容组56由两个120F、2.7V的超级电容串联组成，充电电压为4.4V；所述第三超级电容组59由三个120F、2.7V的超级电容串联组成，充电电压为6.6V。即第一超级电容51、第二超级电容组56和第三超级电容组59共六个120F、2.7V的超级电容，单个超级电容的充电电压为2.2V，第二超级电容组56为60F，5.4V，三超级电容组59为40F，8.1V。
本发明的齿轮齿条式半主动馈能悬架作动器使用时，具体工作过程为：当汽车车轮受路面冲击而上下振动时，①当悬架作动器处于伸张行程时，所述齿条9延导向滑块14向上运动，带动齿轮12和齿轮轴13逆时针旋转，所述齿轮箱输入轴27与齿轮箱输入轴齿轮28同步逆时针旋转，所述齿轮箱输入轴齿轮28带动中间轴第一齿轮32顺时针转动，所述中间轴棘轮29带动中间轴30同步顺时针转动，同时，所述中间轴第一齿轮32带动电动输出轴第一齿轮38逆时针转动，所述输出轴棘轮37空转，所述输出轴第一齿轮38不向齿轮箱输出轴35传递动力，所述中间轴第二齿轮31被中间轴30带动同步顺时针转动，所述中间轴第二齿轮31带动转向轴齿轮34逆时针转动，所述转向轴33同步逆时针转动，所述转向轴齿轮34带动输出轴第二齿轮36顺时针转动，所述输出轴第二齿轮36带动齿轮箱输出轴35顺时针转动，所述无刷直流电机40顺时针转动发电，所发的电传输给所述能量回收电路进行回收；②当悬架作动器处于压缩行程时，所述齿条9延导向滑块14向下运动，带动齿轮12和齿轮轴13顺时针旋转，所述齿轮箱输入轴27与齿轮箱输入轴齿轮28同步顺时针旋转，所述齿轮箱输入轴齿轮28带动中间轴第一齿轮32逆时针转动，所述中间轴棘轮29空转，所述中间轴第一齿轮32不向中间轴30传递动力，同时，所述中间轴第一齿轮32带动电动输出轴第一齿轮38顺时针转动，所述输出轴第一齿轮38与输出轴棘轮37结合带动齿轮箱输出轴35同步顺时针转动，所述无刷直流电机40顺时针转动发电，所发的电传输给所述能量回收电路进行回收；同时，所述输出轴第二齿轮36随齿轮箱输出轴35同步顺时针转动，所述输出轴第二齿轮36带动转向轴齿轮34逆时针转动，所述转向轴33同步逆时针转动，所述转向轴齿轮34带动中间轴第二齿轮31顺时针转动，所述中间轴30同步顺时针转动，所述中间轴棘轮29同步顺时针转动；因此，无论悬架作动器处于压缩行程还是伸张行程，最终无刷直流电机40只会顺时针旋转。该双向变单向齿轮箱的设计能够避免无刷直流电机40的正反转，提高无刷直流电机40的转速，从而增加了无刷直流电机40的使用寿命，并且提高了馈能效率。
本实施例的齿轮齿条式半主动馈能悬架作动器的能量回收控制方法，包括以下步骤：
步骤一、数据采集及同步传输：簧载质量加速度传感器3和非簧载质量加速度传感器68分别对簧载质量加速度和非簧载质量加速度进行周期性检测，并将检测到的数据实时传输给能量回收控制器67；其中，第i次采样得到的非簧载质量加速度记作
第i次采样得到的簧载质量加速度记作
i的取值为非零自然数；
步骤二、能量回收控制器67对其第i次采样得到的簧载质量加速度
进行积分，得到簧载质量速度
并对其第i次采样得到的非簧载质量加速度
进行积分，得到非簧载质量速度
步骤三、能量回收控制器67将簧载质量速度
和非簧载质量速度
之差
与预先设定的簧载质量加速度阈值
和
进行大小比较，判断出能量回收电路的工作模式，并通过能量回收控制器67控制能量回收电路进行能量回收；
当
时，所述能量回收控制器67控制第一MOS开关触发驱动模块45、第三MOS开关触发驱动模块50、第四MOS开关触发驱动模块53、第七MOS开关触发驱动模块55、第九MOS开关触发驱动模块62和第十MOS开关触发驱动模块63导通，并控制第二MOS开关触发驱动模块49、第五MOS开关触发驱动模块54、第六MOS开关触发驱动模块58、第八MOS开关触发驱动模块61和第十一MOS开关触发驱动模块64断开，通过所述DC-DC升压模块对无刷直流电机40产生电压升压，通过能量回收控制器67适时调节全控型MOS开关触发驱动模块48来控制电路通断，当全控型MOS开关触发驱动模块48控制电路导通时，所述直流无刷电机40产生的电能暂时储存在电感46中；当全控型MOS开关触发驱动模块48控制电流断开时，所述电感46和直流无刷电机40同时向第一超级电容51充电，能达到对充电电压升压的目的；
当
时，所述能量回收控制器67控制第二MOS开关触发驱动模块49、第四MOS开关触发驱动模块53、第七MOS开关触发驱动模块55、第九MOS开关触发驱动模块62和第十MOS开关触发驱动模块63导通，并控制第一MOS开关触发驱动模块45、第三MOS开关触发驱动模块50、第五MOS开关触发驱动模块54、第六MOS开关触发驱动模块58、第八MOS开关触发驱动模块61和第十一MOS开关触发驱动模块64断开，所述直流无刷电机40产生的电能直接对第一超级电容51充电；
当
时，所述能量回收控制器67控制第二MOS开关触发驱动模块49、第五MOS开关触发驱动模块54、第六MOS开关触发驱动模块58、第九MOS开关触发驱动模块62和第十MOS开关触发驱动模块63导通，并控制第一MOS开关触发驱动模块45、第三MOS开关触发驱动模块50、第四MOS开关触发驱动模块53、第七MOS开关触发驱动模块55、第八MOS开关触发驱动模块61和第十一MOS开关触发驱动模块64断开，所述直流无刷电机40产生的电能直接对第二超级电容组56充电；
当
时，所述能量回收控制器67控制第二MOS开关触发驱动模块49、第五MOS开关触发驱动模块54、第七MOS开关触发驱动模块55、第八MOS开关触发驱动模块61和第十MOS开关触发驱动模块63导通，并控制第一MOS开关触发驱动模块45、第三MOS开关触发驱动模块50、第四MOS开关触发驱动模块53、第六MOS开关触发驱动模块58、第九MOS开关触发驱动模块62和第十一MOS开关触发驱动模块64断开，所述直流无刷电机40产生的电能直接对第三超级电容组59充电；
当
时，所述能量回收控制器67控制第二MOS开关触发驱动模块49、第四MOS开关触发驱动模块53、第七MOS开关触发驱动模块55、第八MOS开关触发驱动模块61和第十MOS开关触发驱动模块63导通，并控制第一MOS开关触发驱动模块45、第三MOS开关触发驱动模块50、第五MOS开关触发驱动模块54、第六MOS开关触发驱动模块58和第九MOS开关触发驱动模块62断开，所述第一超级电容51与第三超级电容组59串联，所述直流无刷电机40产生的电能直接对第一超级电容51与第三超级电容组59共同充电；
当
时，所述能量回收控制器67控制第二MOS开关触发驱动模块49、第五MOS开关触发驱动模块54、第六MOS开关触发驱动模块58、第八MOS开关触发驱动模块61和第十MOS开关触发驱动模块63导通，并控制第一MOS开关触发驱动模块45、第三MOS开关触发驱动模块50、第四MOS开关触发驱动模块53、第七MOS开关触发驱动模块55、第九MOS开关触发驱动模块62和第十一MOS开关触发驱动模块64断开，所述第二超级电容组56与第三超级电容组59串联，所述直流无刷电机40产生的电能直接对第二超级电容组56与第三超级电容组59共同充电；
当
时，所述能量回收控制器67控制第二MOS开关触发驱动模块49、第五MOS开关触发驱动模块54、第七MOS开关触发驱动模块55、第九MOS开关触发驱动模块62和第十一MOS开关触发驱动模块64导通，并控制第一MOS开关触发驱动模块45、第三MOS开关触发驱动模块50、第四MOS开关触发驱动模块53、第六MOS开关触发驱动模块58、第八MOS开关触发驱动模块61和第十MOS开关触发驱动模块63断开，所述直流无刷电机40产生的电能直接给蓄电池65充电；
当第一超级电容充电模块、第二超级电容充电模块、第三超级电容充电模块之间的电压(即图3中A、B点之间的电压)大于13.5V时(此时，三个超级电容充电模块中有5个超级电容充满了电)，所述能量回收控制器67控制第二MOS开关触发驱动模块49、第四MOS开关触发驱动模块53、第六MOS开关触发驱动模块58、第八MOS开关触发驱动模块61和第十一MOS开关触发驱动模块64导通，并控制第一MOS开关触发驱动模块45、第三MOS开关触发驱动模块50、第五MOS开关触发驱动模块54、第七MOS开关触发驱动模块55、第九MOS开关触发驱动模块62和第十MOS开关触发驱动模块63断开，第一超级电容51、第二超级电容组56和第三超级电容组59串联，与直流无刷电机40所产生的电能一起给蓄电池65充电。
本实施例中，
其中，u为馈能电压，ke为反电动势系数，D为齿轮12分度圆直径。
由于
因此，得出
本实施例中，所述
和
的取值分别为：
和
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (9)
1.一种齿轮齿条式半主动馈能悬架作动器，其特征在于：包括作动器本体、能量回收电路和能量回收控制电路，所述作动器本体包括作动器壳体、无刷直流电机(40)、齿轮齿条单元、双向变单向齿轮箱和减振弹簧单元；
所述作动器壳体包括从上到下依次设置的作动器上吊耳(1)、作动器上壳体(11)、作动器下壳体(16)和作动器下吊耳(18)，所述作动器上壳体(11)固定连接在动器下壳体(16)顶部，所述作动器下吊耳(18)固定连接在作动器下壳体(16)的底部，所述作动器下壳体(16)和作动器上壳体(11)围成的空间内设置有导向滑块(14)，所述导向滑块(14)的上半部分与作动器上壳体(11)固定连接，所述导向滑块(14)的下半部分与作动器下壳体(16)固定连接；
所述齿轮齿条单元包括齿轮(12)和与齿轮(12)相啮合的齿条(9)，所述齿轮(12)固定连接在齿轮轴(13)上；所述齿条(9)插入导向滑块(14)内；
所述双向变单向齿轮箱包括齿轮箱壳体(24)和齿轮箱壳体盖(25)，所述齿轮箱壳体(24)内设置有齿轮箱输入轴(27)、齿轮箱输入轴齿轮(28)、中间轴(30)、中间轴第一齿轮(32)、中间轴第二齿轮(31)、转向轴(33)、转向轴齿轮(34)、齿轮箱输出轴(35)、输出轴第一齿轮(38)和输出轴第二齿轮(36)；所述齿轮箱输入轴(27)的一端通过轴承支撑安装在齿轮箱壳体盖(25)上，所述齿轮轴(13)通过齿轮箱联轴器(22)与齿轮箱输入轴(27)的另一端连接，所述齿轮箱输入轴齿轮(28)固定连接在齿轮箱输入轴(27)上；所述中间轴(30)的一端通过轴承支撑安装在齿轮箱壳体盖(25)上，所述中间轴(30)的另一端通过轴承支撑安装在齿轮箱壳体(24)上，所述中间轴第一齿轮(32)通过中间轴棘轮(29)与中间轴(30)连接，所述中间轴第二齿轮(31)固定连接在中间轴(30)上；所述转向轴(33)的一端通过轴承支撑安装在齿轮箱壳体(24)上，所述转向轴齿轮(34)固定连接在转向轴(33)上；所述齿轮箱输出轴(35)的一端通过轴承支撑安装在齿轮箱壳体盖(25)上，所述齿轮箱输出轴(35)的另一端通过轴承支撑安装在齿轮箱壳体(24)上，所述输出轴第一齿轮(38)通过输出轴棘轮(37)与齿轮箱输出轴(35)连接，所述输出轴第二齿轮(36)固定连接在齿轮箱输出轴(35)上；所述中间轴第一齿轮(32)与齿轮箱输入轴齿轮(28)相啮合，所述输出轴第一齿轮(38)与中间轴第一齿轮(32)相啮合，所述转向轴齿轮(34)与中间轴第二齿轮(31)相啮合，所述输出轴第二齿轮(36)与转向轴齿轮(34)相啮合；
所述无刷直流电机(40)的轴通过电机联轴器(41)与齿轮箱输出轴(35)连接，所述无刷直流电机(40)底部固定连接在齿轮箱壳体(24)上；
所述减振弹簧单元包括上弹簧卡座(5)和下弹簧卡座(10)，以及固定连接在上弹簧卡座(5)和下弹簧卡座(10)之间的减振弹簧(7)；所述齿条(9)的顶端与上弹簧卡座(5)固定连接，所述上弹簧卡座(5)的底部固定连接有罩在齿条(9)外围的上防尘罩(6)，所述下弹簧卡座(10)的顶部固定连接有罩在导向滑块(14)外围的下防尘罩(8)，所述减振弹簧(7)设置在上防尘罩(6)和下防尘罩(8)外围；
所述能量回收电路包括DC-DC升压模块、第一超级电容充电模块、第二超级电容充电模块、第三超级电容充电模块和车载蓄电池(65)，所述DC-DC升压模块包括第一MOS开关触发驱动模块(45)和电感(46)、全控型MOS开关触发驱动模块(48)和第一单向二极管(47)，所述第一MOS开关触发驱动模块(45)、电感(46)、第一单向二极管(47)和第三MOS开关触发驱动模块(50)串联后与第二MOS开关触发驱动模块(49)并联；所述第一超级电容充电模块包括第一超级电容(51)、第二单向二极管(52)、第四MOS开关触发驱动模块(53)和第五MOS开关触发驱动模块(54)，所述第一超级电容(51)与第二单向二极管(52)和第四MOS开关触发驱动模块(53)串联后再与第五MOS开关触发驱动模块(54)并联；所述第二超级电容充电模块包括第二超级电容组(56)、第三单向二极管(57)、第六MOS开关触发驱动模块(58)和第七MOS开关触发驱动模块(55)，所述第二超级电容组(56)与第三单向二极管(57)和第六MOS开关触发驱动模块(58)串联后再与第七MOS开关触发驱动模块(55)并联；所述第三超级电容充电模块包括第三超级电容组(59)、第四单向二极管(60)、第八MOS开关触发驱动模块(61)串联后和第九MOS开关触发驱动模块(62)，所述第三超级电容组(59)与第四单向二极管(60)和第八MOS开关触发驱动模块(61)串联后再与第九MOS开关触发驱动模块(62)并联；所述无刷直流电机(40)一端连接着电机等效内阻(66)，另一端连接着电机等效电感(43)，所述电机等效电感(43)连接着电机外接负载(44)，所述第一MOS开关触发驱动模块(45)和第二MOS开关触发驱动模块(49)的连接端与电机外接负载(44)连接，所述第一超级电容(51)和第五MOS开关触发驱动模块(54)的连接端与第三MOS开关触发驱动模块(50)和第二MOS开关触发驱动模块(49)的连接端连接，所述第七MOS开关触发驱动模块(55)和第二超级电容组(56)的连接端与第四MOS开关触发驱动模块(53)和第五MOS开关触发驱动模块(54)的连接端连接，所述第九MOS开关触发驱动模块(62)和第三超级电容组(59)的连接端与第六MOS开关触发驱动模块(58)和第七MOS开关触发驱动模块(55)的连接端连接，所述车载蓄电池(65)与第十一MOS开关触发驱动模块(64)串联后与第十MOS开关触发驱动模块(63)并联，所述车载蓄电池(65)与电机等效内阻(66)连接，所述第十MOS开关触发驱动模块(63)与全控型MOS开关触发驱动模块(48)连接，所述第十一MOS开关触发驱动模块(64)与第十MOS开关触发驱动模块(63)的连接端与第八MOS开关触发驱动模块(61)和第九MOS开关触发驱动模块(62)的连接端连接；
所述能量回收控制电路包括传感单元和能量回收控制器(67)，所述传感单元包括簧载质量加速度传感器(3)和非簧载质量加速度传感器(68)，所述簧载质量加速度传感器(3)固定连接在上弹簧卡座(5)顶部，所述作动器上吊耳(1)固定连接在簧载质量加速度传感器(3)的顶部，所述簧载质量加速度传感器(3)和非簧载质量加速度传感器(68)均与能量回收控制器(67)的输入端连接，所述第一MOS开关触发驱动模块(45)、第二MOS开关触发驱动模块(49)、第三MOS开关触发驱动模块(50)、第四MOS开关触发驱动模块(53)、第五MOS开关触发驱动模块(54)、第六MOS开关触发驱动模块(58)、第七MOS开关触发驱动模块(55)、第八MOS开关触发驱动模块(61)、第九MOS开关触发驱动模块(62)、第十MOS开关触发驱动模块(63)、第十一MOS开关触发驱动模块(64)和全控型MOS开关触发驱动模块(48)均与能量回收控制器(67)的输出端连接。
2.按照权利要求1所述的齿轮齿条式半主动馈能悬架作动器，其特征在于：所述作动器上壳体(11)通过作动器壳体装配螺栓(15)固定连接在动器下壳体(16)顶部，所述作动器下吊耳(18)焊接在作动器下壳体(16)的底部，所述齿轮(12)通过内花键固定连接在齿轮轴(13)上；所述齿条(9)的顶端与上弹簧卡座(5)焊接，所述上防尘罩(6)与上弹簧卡座(5)的底部焊接，所述下防尘罩(8)与下弹簧卡座(10)的顶部焊接；所述直流无刷电机(40)底部通过电机装配螺栓(42)固定连接在齿轮箱壳体(24)上，所述作动器上吊耳(1)焊接在簧载质量加速度传感器(3)的顶部。
3.按照权利要求1所述的齿轮齿条式半主动馈能悬架作动器，其特征在于：所述齿轮箱壳体盖(25)与齿轮箱壳体(24)通过齿轮箱装配螺栓(39)连接，所述齿轮箱输入轴齿轮(28)通过键固定连接在齿轮箱输入轴(27)上，所述中间轴第二齿轮(31)通过键固定连接在中间轴(30)上，所述转向轴齿轮(34)通过键固定连接在转向轴(33)上，所述输出轴第二齿轮(36)通过键固定连接在齿轮箱输出轴(35)上。
4.按照权利要求1所述的齿轮齿条式半主动馈能悬架作动器，其特征在于：所述中间轴棘轮(29)通过内花键安装于中间轴(30)上，所述中间轴第一齿轮(32)空套在中间轴棘轮(29)上；所述输出轴棘轮(37)通过内花键安装于齿轮箱输出轴(35)上，所述输出轴第一齿轮(38)空套在输出轴棘轮(37)上。
5.按照权利要求1所述的齿轮齿条式半主动馈能悬架作动器，其特征在于：所述齿轮箱输入轴齿轮(28)齿数40，齿距3.14mm，分度圆直径40mm，齿顶高系数2.5，齿轮厚度13mm，齿根过渡圆半径0.38mm，分度圆压力角20°；所述中间轴第一齿轮(32)齿数50，齿距3.14mm，分度圆直径50mm，齿顶高系数2.5，齿轮厚度13mm，齿根过渡圆半径0.38mm，分度圆压力角20°；所述中间轴第二齿轮(31)齿数25，齿距3.14mm，分度圆直径25mm，齿顶高系数2.5，齿轮厚度13mm，齿根过渡圆半径0.38mm，分度圆压力角20°；所述转向轴齿轮(34)齿数25，齿距3.14mm，分度圆直径25mm，齿顶高系数2.5，齿轮厚度13mm，齿根过渡圆半径0.38mm，分度圆压力角20°；所述输出轴第一齿轮(38)齿数70，齿距3.14mm，分度圆直径70mm，齿顶高系数2.5，齿轮厚度13mm，齿根过渡圆半径0.38mm，分度圆压力角20°；所述输出轴第二齿轮(36)齿数35，齿距3.14mm，分度圆直径35mm，齿顶高系数2.5，齿轮厚度13mm，齿根过渡圆半径0.38mm，分度圆压力角20°。
6.按照权利要求1所述的齿轮齿条式半主动馈能悬架作动器，其特征在于：所述第一超级电容(51)由一个120F、2.7V的超级电容构成，充电电压为2.2V；所述第二超级电容组(56)由两个120F、2.7V的超级电容串联组成，充电电压为4.4V；所述第三超级电容组(59)由三个120F、2.7V的超级电容串联组成，充电电压为6.6V。
7.一种如权利要求1所述齿轮齿条式半主动馈能悬架作动器的能量回收控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、数据采集及同步传输：簧载质量加速度传感器(3)和非簧载质量加速度传感器(68)分别对簧载质量加速度和非簧载质量加速度进行周期性检测，并将检测到的数据实时传输给能量回收控制器(67)；其中，第i次采样得到的非簧载质量加速度记作
第i次采样得到的簧载质量加速度记作
i的取值为非零自然数；
步骤二、能量回收控制器(67)对其第i次采样得到的簧载质量加速度
进行积分，得到簧载质量速度
并对其第i次采样得到的非簧载质量加速度
进行积分，得到非簧载质量速度
步骤三、能量回收控制器(67)将簧载质量速度
和非簧载质量速度
之差
与预先设定的簧载质量加速度阈值
和
进行大小比较，判断出能量回收电路的工作模式，并通过能量回收控制器(67)控制能量回收电路进行能量回收；
当
时，所述能量回收控制器(67)控制第一MOS开关触发驱动模块(45)、第三MOS开关触发驱动模块(50)、第四MOS开关触发驱动模块(53)、第七MOS开关触发驱动模块(55)、第九MOS开关触发驱动模块(62)和第十MOS开关触发驱动模块(63)导通，并控制第二MOS开关触发驱动模块(49)、第五MOS开关触发驱动模块(54)、第六MOS开关触发驱动模块(58)、第八MOS开关触发驱动模块(61)和第十一MOS开关触发驱动模块(64)断开，通过所述DC-DC升压模块对无刷直流电机(40)产生电压升压，通过能量回收控制器(67)适时调节全控型MOS开关触发驱动模块(48)来控制电路通断，当全控型MOS开关触发驱动模块(48)控制电路导通时，所述直流无刷电机(40)产生的电能暂时储存在电感(46)中；当全控型MOS开关触发驱动模块(48)控制电流断开时，所述电感(46)和直流无刷电机(40)同时向第一超级电容(51)充电，能达到对充电电压升压的目的；
当
时，所述能量回收控制器(67)控制第二MOS开关触发驱动模块(49)、第四MOS开关触发驱动模块(53)、第七MOS开关触发驱动模块(55)、第九MOS开关触发驱动模块(62)和第十MOS开关触发驱动模块(63)导通，并控制第一MOS开关触发驱动模块(45)、第三MOS开关触发驱动模块(50)、第五MOS开关触发驱动模块(54)、第六MOS开关触发驱动模块(58)、第八MOS开关触发驱动模块(61)和第十一MOS开关触发驱动模块(64)断开，所述直流无刷电机(40)产生的电能直接对第一超级电容(51)充电；
当
时，所述能量回收控制器(67)控制第二MOS开关触发驱动模块(49)、第五MOS开关触发驱动模块(54)、第六MOS开关触发驱动模块(58)、第九MOS开关触发驱动模块(62)和第十MOS开关触发驱动模块(63)导通，并控制第一MOS开关触发驱动模块(45)、第三MOS开关触发驱动模块(50)、第四MOS开关触发驱动模块(53)、第七MOS开关触发驱动模块(55)、第八MOS开关触发驱动模块(61)和第十一MOS开关触发驱动模块(64)断开，所述直流无刷电机(40)产生的电能直接对第二超级电容组(56)充电；
当
时，所述能量回收控制器(67)控制第二MOS开关触发驱动模块(49)、第五MOS开关触发驱动模块(54)、第七MOS开关触发驱动模块(55)、第八MOS开关触发驱动模块(61)和第十MOS开关触发驱动模块(63)导通，并控制第一MOS开关触发驱动模块(45)、第三MOS开关触发驱动模块(50)、第四MOS开关触发驱动模块(53)、第六MOS开关触发驱动模块(58)、第九MOS开关触发驱动模块(62)和第十一MOS开关触发驱动模块(64)断开，所述直流无刷电机(40)产生的电能直接对第三超级电容组(59)充电；
当
时，所述能量回收控制器(67)控制第二MOS开关触发驱动模块(49)、第四MOS开关触发驱动模块(53)、第七MOS开关触发驱动模块(55)、第八MOS开关触发驱动模块(61)和第十MOS开关触发驱动模块(63)导通，并控制第一MOS开关触发驱动模块(45)、第三MOS开关触发驱动模块(50)、第五MOS开关触发驱动模块(54)、第六MOS开关触发驱动模块(58)和第九MOS开关触发驱动模块(62)断开，所述第一超级电容(51)与第三超级电容组(59)串联，所述直流无刷电机(40)产生的电能直接对第一超级电容(51)与第三超级电容组(59)共同充电；
当
时，所述能量回收控制器(67)控制第二MOS开关触发驱动模块(49)、第五MOS开关触发驱动模块(54)、第六MOS开关触发驱动模块(58)、第八MOS开关触发驱动模块(61)和第十MOS开关触发驱动模块(63)导通，并控制第一MOS开关触发驱动模块(45)、第三MOS开关触发驱动模块(50)、第四MOS开关触发驱动模块(53)、第七MOS开关触发驱动模块(55)、第九MOS开关触发驱动模块(62)和第十一MOS开关触发驱动模块(64)断开，所述第二超级电容组(56)与第三超级电容组(59)串联，所述直流无刷电机(40)产生的电能直接对第二超级电容组(56)与第三超级电容组(59)共同充电；
当
时，所述能量回收控制器(67)控制第二MOS开关触发驱动模块(49)、第五MOS开关触发驱动模块(54)、第七MOS开关触发驱动模块(55)、第九MOS开关触发驱动模块(62)和第十一MOS开关触发驱动模块(64)导通，并控制第一MOS开关触发驱动模块(45)、第三MOS开关触发驱动模块(50)、第四MOS开关触发驱动模块(53)、第六MOS开关触发驱动模块(58)、第八MOS开关触发驱动模块(61)和第十MOS开关触发驱动模块(63)断开，所述直流无刷电机(40)产生的电能直接给蓄电池(65)充电；
当第一超级电容充电模块、第二超级电容充电模块、第三超级电容充电模块之间的电压大于13.5V时，所述能量回收控制器(67)控制第二MOS开关触发驱动模块(49)、第四MOS开关触发驱动模块(53)、第六MOS开关触发驱动模块(58)、第八MOS开关触发驱动模块(61)和第十一MOS开关触发驱动模块(64)导通，并控制第一MOS开关触发驱动模块(45)、第三MOS开关触发驱动模块(50)、第五MOS开关触发驱动模块(54)、第七MOS开关触发驱动模块(55)、第九MOS开关触发驱动模块(62)和第十MOS开关触发驱动模块(63)断开，第一超级电容(51)、第二超级电容组(56)和第三超级电容组(59)串联，与直流无刷电机(40)所产生的电能一起给蓄电池(65)充电。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于：
其中，u为馈能电压，ke为反电动势系数，D为齿轮(12)分度圆直径。
9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于：所述
和
的取值分别为：
和
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