新型振動(dòng)能量助力式汽車(chē)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究

丁志華，雷正保，雷沐羲

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)汽車(chē)與機(jī)械工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410004;2.九江學(xué)院機(jī)械與材料工程學(xué)院，江西九江332005;3.長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410004)

現(xiàn)今，汽車(chē)的舒適性和安全性越來(lái)越受到人們關(guān)注。并且隨著高速公路網(wǎng)的發(fā)展，汽車(chē)車(chē)速有了很大程度的提高，現(xiàn)代汽車(chē)對(duì)懸架的要求除了能保證其基本性能外，還致力于提高汽車(chē)的行駛安全性和乘坐舒適性，向高附加值、高性能和高質(zhì)量的方向發(fā)展［1］。目前，液壓減振系統(tǒng)的原理是迫使減振器殼體內(nèi)的油液反復(fù)地從一個(gè)內(nèi)腔通過(guò)一些窄小的孔隙流入另一內(nèi)腔，從而利用液體流動(dòng)的阻力來(lái)使振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為油液和減振器殼體的熱能。汽車(chē)振動(dòng)會(huì)消耗車(chē)輛行駛的動(dòng)能，從而增加油耗，降低乘坐舒適性［2-3］。傳統(tǒng)的液壓減振系統(tǒng)將全部的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化成熱能，不能加以回收利用。

1 振動(dòng)能量回收式液壓減振系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)

如圖1所示，包括4個(gè)減振器、1個(gè)蓄能器、1個(gè)儲(chǔ)油罐和若干液壓元件。減振器由氮?dú)馇?、活塞、活塞桿、減振器殼、伸張閥、壓縮閥、進(jìn)油管和出油管等組成;蓄能器設(shè)置了限壓閥和回油管。該振動(dòng)能量回收式液壓減振系統(tǒng)申報(bào)了國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利(CN102152778A)［4］，已于2011年8月公示。

圖1 振動(dòng)能量回收式液壓減振系統(tǒng)

1.2 工作原理分析

當(dāng)汽車(chē)振動(dòng)，減振器被壓縮時(shí) (車(chē)輪靠近車(chē)架壓縮懸架)時(shí)，活塞2下移，壓縮其下的氮?dú)馇?使其壓力升高，活塞上方油液腔3容積加大，油壓下降，儲(chǔ)液罐9中的油液經(jīng)進(jìn)油管6、壓縮閥5進(jìn)入油液腔3。壓縮閥5對(duì)油液的節(jié)流造成懸架壓縮運(yùn)動(dòng)的阻尼力，由于壓縮閥的特殊結(jié)構(gòu) (彈簧較軟，通道較小)，能使油液流動(dòng)的阻尼力不致過(guò)大，所以在壓縮行程時(shí)能使彈性元件充分發(fā)揮其緩沖作用。當(dāng)懸架處于伸張行程 (車(chē)輪離開(kāi)車(chē)架、減振器被拉長(zhǎng))時(shí)，活塞2上移使油液腔3容積減小，油壓升高，壓縮閥5關(guān)閉，油液經(jīng)伸張閥17、出油管18、蓄能器進(jìn)油管15進(jìn)入蓄能器20。由于伸張閥17的剛度和預(yù)緊力比壓縮閥5的大，且伸張行程時(shí)油液通道截面也比壓縮行程小，所以減振器在伸張行程內(nèi)產(chǎn)生的最大阻尼力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了壓縮行程內(nèi)的最大阻尼力［3］。隨著蓄能器20內(nèi)油壓升高，增加了減振器出油阻力，使阻尼力進(jìn)一步加大。減振器這時(shí)充分發(fā)揮減振作用，保護(hù)彈性元件不被拉大。活塞下方的氮?dú)馇?內(nèi)的高壓氮?dú)饽軠p少車(chē)輪遇到?jīng)_擊力時(shí)產(chǎn)生的高頻振動(dòng)，且有助于消除噪聲，并有一定的緩沖作用［5-6］。

蓄能器20接受并儲(chǔ)存來(lái)自減振器4、8、10、11的高壓油，在車(chē)載的液壓元件16需要高壓油時(shí)，儲(chǔ)油罐內(nèi)的油經(jīng)加壓元件提高壓力從液壓元件進(jìn)油管19進(jìn)入液壓元件，同時(shí)電磁單向閥21打開(kāi)，蓄能器20內(nèi)的高壓油經(jīng)由蓄能器出油管14和電磁單向閥21進(jìn)入液壓元件16(液壓元件如制動(dòng)輪缸、液壓助力轉(zhuǎn)向缸、離合器液壓操縱缸等)，從而將高壓油攜帶的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化成液壓元件的輸出功率。液壓元件16完成動(dòng)作后，其內(nèi)的油液返回儲(chǔ)油罐9。蓄能器上設(shè)置了限壓閥12，當(dāng)前內(nèi)部的油壓達(dá)到規(guī)定值時(shí)，多余的油液經(jīng)限壓閥12和回油管返回儲(chǔ)液罐。

2 能回收振動(dòng)能量的非充氣式單筒減振器設(shè)計(jì)

如圖2所示，能回收振動(dòng)能量的非充氣式單筒減振器主要由壓縮腔3、活塞22、復(fù)原腔8、導(dǎo)向座10、活塞桿21、油封蓋17、泄壓腔、壓縮閥組件、復(fù)原閥組件等組成。壓縮閥組件設(shè)置在活塞上，復(fù)原閥組件設(shè)置在導(dǎo)向座上?；钊麠U21是中空的，上端裝有密封螺釘15，上端邊緣開(kāi)有進(jìn)油孔16外接儲(chǔ)液罐，下端裝有進(jìn)油單向閥24。導(dǎo)向座10和油封蓋之間開(kāi)有出油孔外接蓄能器。所述的減振器能夠回收部分汽車(chē)的振動(dòng)能量并轉(zhuǎn)化成液壓能，該液壓能可用于液壓助力，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、成本低的特點(diǎn)。

圖2 能回收振動(dòng)能量的非充氣式單筒減振器

當(dāng)汽車(chē)振動(dòng)、減振器被壓縮 (車(chē)輪靠近車(chē)架壓縮懸架)時(shí)，活塞22下移，壓縮腔容積減小，壓力升高，進(jìn)油單向閥24上移關(guān)閉。活塞上方復(fù)原腔容積加大，油壓下降，壓縮腔中的油液經(jīng)過(guò)阻尼孔4和壓縮閥5進(jìn)入復(fù)原腔。由于壓縮腔3減小的容積大于復(fù)原腔8增加的容積，所以從壓縮腔3進(jìn)入復(fù)原腔8的油液有部分 (活塞桿所占容積部分)經(jīng)過(guò)阻尼孔19和復(fù)原閥11進(jìn)入導(dǎo)向座上方的泄壓腔，并經(jīng)出油孔18進(jìn)入蓄能器20。阻尼孔4和壓縮閥5、阻尼孔19和復(fù)原閥11對(duì)油液的節(jié)流造成懸架壓縮運(yùn)動(dòng)的阻尼力，由于壓縮閥的特殊結(jié)構(gòu) (彈簧較軟，通道較小)以及壓縮行程流經(jīng)復(fù)原閥的油液較少，能使油液流動(dòng)的阻尼力不致過(guò)大，所以在壓縮行程時(shí)能使彈性元件充分發(fā)揮其緩沖作用。當(dāng)懸架處于復(fù)原行程(車(chē)輪離開(kāi)車(chē)架、減振器被拉長(zhǎng))時(shí)，活塞22上移使復(fù)原腔容積減小，油壓升高，壓縮閥6關(guān)閉，油液經(jīng)阻尼孔19和復(fù)原閥11進(jìn)入導(dǎo)向座上方的泄壓腔，并經(jīng)由出油孔18進(jìn)入蓄能器20。同時(shí)，壓縮腔容積增大，壓力下降，進(jìn)油單向閥24下移打開(kāi)，儲(chǔ)油罐中的油液經(jīng)過(guò)進(jìn)油孔16，活塞桿油孔20進(jìn)入壓縮腔。由于復(fù)原閥11的剛度和預(yù)緊力比壓縮閥6的大，且復(fù)原行程時(shí)油液通道截面也比壓縮行程小，所以減振器在復(fù)原行程內(nèi)產(chǎn)生的最大阻尼力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了壓縮行程內(nèi)的最大阻尼力。隨著蓄能器內(nèi)油壓升高，增加了減振器出油阻力，使阻尼力進(jìn)一步加大。減振器這時(shí)充分發(fā)揮減振作用，保護(hù)彈性元件不被拉大［7］。

3 振動(dòng)能量助力式汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖3所示，振動(dòng)能量助力式汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括減振器、蓄能器、轉(zhuǎn)向油罐、轉(zhuǎn)向油泵、電磁單向閥、動(dòng)力轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。減振器包括壓縮閥及進(jìn)油孔、伸張閥及出油孔、活塞和氮?dú)馇?蓄能器設(shè)置了限壓閥和回油孔;電磁單向閥由轉(zhuǎn)向盤(pán)控制。所述的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能回收部分汽車(chē)的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為液壓能用于汽車(chē)助力轉(zhuǎn)向，降低轉(zhuǎn)向油泵的負(fù)擔(dān)，從而降低油耗。該振動(dòng)能量助力式汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)申報(bào)了國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利 (ZL 201120101078.4)［8］。

當(dāng)汽車(chē)振動(dòng)，減振器被壓縮時(shí) (車(chē)輪靠近車(chē)架壓縮懸架)時(shí)，活塞4下移，壓縮其下的氮?dú)馇?使其壓力升高，活塞上方油液腔容積加大，油壓下降，轉(zhuǎn)向油罐14中的油液經(jīng)進(jìn)油孔和壓縮閥2進(jìn)入油液腔。當(dāng)懸架處于伸張行程 (車(chē)輪離開(kāi)車(chē)架、減振器被拉長(zhǎng))時(shí)，活塞4上移使油液腔容積減小，油壓升高，壓縮閥2關(guān)閉，油液經(jīng)伸張閥和出油孔1、蓄能器進(jìn)油管進(jìn)入蓄能器15。隨著蓄能器15內(nèi)油壓升高，增加了減振器出油阻力，使阻尼力進(jìn)一步加大?；钊路降牡?dú)馇?內(nèi)的高壓氮?dú)饽軠p少車(chē)輪遇到?jīng)_擊力時(shí)產(chǎn)生的高頻振動(dòng)，且有助于消除噪聲，并有一定的緩沖作用［9］。

圖3 振動(dòng)能量助力式汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

蓄能器15接受并儲(chǔ)存來(lái)自左前減振器3和右前減振器的高壓油。當(dāng)汽車(chē)向右轉(zhuǎn)向行駛，轉(zhuǎn)向盤(pán)11轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)向盤(pán)輸出電壓控制單向電磁閥12打開(kāi)，蓄能器15內(nèi)的高壓油經(jīng)由蓄能器出油管和電磁單向閥12進(jìn)入轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸右腔7，來(lái)自轉(zhuǎn)向油泵13的油也進(jìn)入轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸右腔7，轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸左腔9與轉(zhuǎn)向油罐14接通，在油壓的作用下，轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸中的活塞向下移動(dòng)，通過(guò)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)6使左右輪向右偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)向右的助力轉(zhuǎn)向;而汽車(chē)左轉(zhuǎn)彎時(shí)，情況與上述相反。蓄能器15設(shè)置了限壓閥16和回油管，當(dāng)其內(nèi)部的油壓達(dá)到規(guī)定值時(shí)，多余的油液經(jīng)限壓閥16和回油管返回轉(zhuǎn)向油罐14。

4 結(jié)論

文中介紹了一種振動(dòng)能量回收式液壓減振系統(tǒng)。該系統(tǒng)能回收部分振動(dòng)能量，從而降低油耗;回收的高壓油液可以用于制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向助力、液壓離合操縱機(jī)構(gòu)等。設(shè)計(jì)了一種能回收振動(dòng)能量的非充氣式單筒減振器，介紹了該減振器的結(jié)構(gòu)與工作原理;最后，對(duì)新型振動(dòng)能量助力式汽車(chē)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成與工作原理進(jìn)行了研究。文中所述的振動(dòng)能量回收式液壓減振系統(tǒng)申報(bào)了國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利(CN102152778A)，振動(dòng)能量助力式汽車(chē)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)申報(bào)了國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利 (ZL 201120101078.4)。該新型振動(dòng)能量助力式汽車(chē)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以回收汽車(chē)振動(dòng)能量用于轉(zhuǎn)向助力，從而達(dá)到節(jié)能減排的效果。

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