CN102007008B - 再生吸震器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种再生吸震器。活塞(12)设置为用于当车辆的悬挂系统偏转时在汽缸内往复运动。液压流体通过液压马达(20)，以使液压马达的轴旋转。液压马达的轴与发电机(50)相连，以产生电能。液压回路的流动特性选择成提供悬挂系统阻尼，以实现恰当的车轮控制。

Description

再生吸震器
本发明要求2008年4月17日提交的、名称为“再生吸震器”的美国专利申请No.12/104,800的优先权，该专利申请通过引用整体上结合到本申请中。
技术领域
本发明涉及一种吸震器，并且特别是涉及一种吸收由于车辆悬挂系统的相对运动导致的能量的吸震器。
背景技术
已知汽车是低效率的，会作为热量浪费存储在燃料中的能量的80％。也就是说，车辆油箱中的每10加仑燃料中的8加仑对推动车辆没有提供帮助。
汽车制造商为了改进燃油经济性已经取得了大代价的进步。例如，再生制动在很多混合动力汽车上是标准配置。汽车制造商还付出了很大努力以通过流线型的低阻力的车身设计来降低风阻，以便提高燃油经济性。制造商还采用更轻但更昂贵的材料来降低车辆重量，以降低燃油消耗。
机动车辆包括用于控制车轮相对于车辆的垂直运动的悬挂系统。除了弹簧，还设有吸震器以提供阻尼。从传统的悬挂系统中排出的能量作为热量损失。存在已知的系统，这些系统试图回收悬挂系统的能量。例如，美国专利No.7,261,171教导了一种机械布置结构，在该布置结构中将车轮相对于车身的往复运动转换成一发电机的电枢/衔铁的旋转，以便产生用于给车辆的蓄电池充电的电能。美国专利No.5,570,286公开了另一种机电式的再生系统，该再生系统利用相对于导电线圈运动的磁体。
美国公开的未决申请No.U.S.2007/0089924A1公开了一种用于回收来自车身和其车轮的相对运动的能量的液压系统。但该已公开的申请需要传统的吸震器来提供必要的阻尼功能。此外，该申请在液压回路中缺少对于操作系统必需的电容性蓄能器。
发明内容
因此本发明的目的是，提供一种再生吸震器，该吸震器不仅回收来自车辆的悬挂系统的往复运动的能量，而且还提供阻尼功能，从而不必提供单独的吸震器。
在一个方面，本发明的再生吸震器，包括活塞，所述活塞设置成当车辆的悬挂系统偏转时在汽缸内往复运动。液压流体容纳在所述汽缸中。第一流体回路：(1)与在汽缸中的所述活塞的第一侧上的第一腔室流体连通；(2)与一液压马达流体连通；以及(3)与一电容性蓄能器流体连通。在所述活塞压缩时，液压流体穿过所述液压马达，由此使所述液压马达的轴转动。第二流体回路与在汽缸中的所述活塞的第二侧上的第二腔室流体连通，并且与所述第一腔室流体连通。在所述活塞延伸时，液压流体从所述第二腔室流至所述第一腔室。发电机与所述液压马达的轴相连，以便在所述轴转动时发电。
在另一个方面，本发明的再生吸震器包括一液压回路布置结构，从而在吸震器压缩或放松时都能获得能量。在该实施例中，在吸震器压缩或放松时，在液压马达上形成的压力差会导致其输出轴的旋转运动。该输出轴直接连接至一永磁发电机/直流电动机。电动机的额定功率可以完全根据车辆质量和弹簧刚度来选择。
发电机产生的电能可以在其产生时或存储在例如车辆的蓄电池中时由车辆使用。所获得的电能优选用于车辆上这样的动力部件，否则这些部件会利用内燃机，由此提高了燃油效率。
除了液压回路中基本的流体损失之外，主要通过发电机作为抵抗电枢相对于定子的旋转运动的反电动势来提供阻尼。这种阻力直接由液压马达传递给吸震流体。由马达提供的阻尼力选择成直接与液压流体的速度成正比，从而流体速度的提高导致阻尼力的提高。
电容性蓄能器容纳活塞轴容积，在本发明的吸震器的压缩行程期间引入所述活塞轴容积。
附图说明
图1示出本发明的实施例的剖视图；
图2示出图1的实施例的剖视图，其中示出了在活塞压缩时的流体流动；
图3示出图1的实施例的剖视图，其中示出了通过液压马达的流体流动；
图4示出图1的实施例的剖视图，其中示出了在活塞延伸时的流体流动；
图5示出图1的实施例的剖视图，其中示出了回到汽缸顶部中的流体流动；
图6示出本发明的另一个实施例的示意图，该实施例在悬挂系统压缩和伸长时都获得能量；
图7示出与本发明一起使用的功率电子装置的实施例的示意图。
具体实施方式
首先来说明作为本发明基础的一些理论。重要的是要确定通常在轿车或卡车的竖直运动中损失多少能量，以便能够决定这些能量是否值得回收。发明人选用的模型是一种简单的基于弹簧的模型，在该模型中，存在于汽车的竖直运动中的能量可以在弹簧的压缩和延伸中观察到。在压缩弹簧中的能量通过等式得出。利用通过试验确定的为1.2×105N/m的k的值，我们发现对于3500磅的汽车，竖直的位移在单个弹簧中存储下面所示量的能量。我们还注意到卡车的弹簧刚性要高得多。
1cm的位移：6J                       24J
3cm的位移：54J                      216J
                  四个车轮的总和
6cm的位移：216J                     864J
9cm的位移：486J                     1994J
假设弹簧在3Hz的频率下发生幅值为2cm的震动，由此来模拟城市行驶工况，应注意这对于弹簧的压缩和延伸都适用，从而可以从这两种运动中都获得能量。根据这些假设，行驶一个小时产生1.34千瓦时的可供回收的能量。
现在参考附图，图1示出第一实施例的整个系统。吸震体10是一汽缸，在该汽缸中设置有进行往复运动的活塞12。止回阀14、16和18控制液压流体的流动。该系统还包括液压马达20和电容性蓄能器22。
现在，结合图2说明在活塞12压缩时液压流体的流动。当活塞12压缩时，在腔室24的顶部中形成受压的液压流体，并且所述受压的液压流体穿过止回阀16。止回阀14防止液压流体流入底部的腔室26。当通过止回阀16之后，流体被引入一液压马达20中并且被引入电容性蓄能器22。电容性蓄能器22用于存储所有冲击式的压力波动，并且当液压流体被送入液压马达20时所述电容性蓄能器使液压流体的压力平滑(smooth out)。
现在参考图3，当液压流体通过液压马达20时，液压流体使马达的轴旋转。马达20的轴联接到诸如永磁发电机的发电机50上。当液压马达转动时，发电机的输出可以给蓄电池充电或给汽车的电气系统供电。如下面将要说明的那样，功率电子装置连接到发电机50的输出端上。
图4示出当活塞12延伸时的流体流动。当活塞12向下运动时，受压的液压流体在腔室26的底部被压缩并通过止回阀14。止回阀18防止流体回流到液压马达20中。通过止回阀14的流体流入顶部腔室24。
各流体流动回路中的至少一个的流动特性可以选择成除了回收能量以外用于提供有效的阻尼。这样，本发明的系统不仅用于能量回收，而且用于为车轮控制提供有效的阻尼，由此不再需要传统的吸震器。
本发明的又一个实施例在图6中示出。该实施例允许在活塞的压缩和延伸期间都能回收能量。当由活塞杆40支撑的活塞12受到压缩时，液压流体通过止回阀42并进入电容性蓄能器22，并且还包括乳液隔膜44，该乳液隔膜容纳在系统的压缩行程中引入的活塞杆40容积。液压流体还流入液压马达20并通过止回阀46和48返回吸震体10。液压马达20致动发电机50。永磁发电机/直流电机是合适的发电机50。
当活塞12延伸时，液压流体通过止回阀52并进入电容性蓄能器22并继续通过液压马达20。和前面一样，液压流体通过止回阀46和48返回吸震体10。要注意的是，当活塞12压缩和延伸时，液压流体沿相同的方向流动通过马达20，由此使马达的轴沿用于致动发电机50的相同方向转动。
现在结合图7来讨论用于实施根据本发明的再生吸震器的功率电子装置。发电机50的输出端连接到一时间平均电阻反馈控制器60上，该控制器使来自直流发电机50的输出在低电阻元件62、电压控制输出变换器64和开路连接66之间切换。电压控制输出变换器64的输出端常连在一输出负荷上，如汽车蓄电池68。电压控制输出变换器不是一定是降压/升压变换器，但降压/升压变换器是电压控制输出变换器的一种类型。这里提及降压/升压变换器是因为这是一种常见的实施为电压控制输出变换器的方式。电压控制输出变换器64与调节至基准电压的电压反馈回路一起保持给定的电压水平，电压控制输出变换器有时也称为降压/升压变换器。这种布置形式允许将几个再生吸震器并联，并且设定基准电压确保了安全的电压输出。变换器64中的二极管(未示出)确保电力只能够从发电机50中流出。即使当时间平均电阻反馈控制器使发电机在多个元件之间切换时，变换器的输入端上的滤波电容器(未示出)也保持施加到变换器的输入端上的电压。为了控制阻尼率，发电机50的输出在电阻元件62、降压/升压变换器64和开路连接66之间切换。对于常见的输出负荷(例如未充电的汽车蓄电池)，这种模式分别导致沉重的阻尼、中等/沉重的阻尼和没有阻尼(忽略摩擦)。采用脉冲宽度调制(PWM)来以高速率在这些可选项之间切换，这允许非常有选择地控制阻尼。由于只是当发电机50连接到降压/升压变换器64上时才实现输出功率，所以控制器60被偏置以便在电阻元件和开路连接之间在整个切换期间来利用这种连接。通常，具有适当传感器以确定发电机受到的电阻的的微控制器用于所述控制器60。对于电阻反馈控制60和变换器64，切换速度选择成确保变换器64及其输入电容器能够连续地传导。
控制器60改变整个发电机50的绕组上的电阻，因此影响吸震器的阻尼特性并调整输出电压，使得能将系统安全地连接到多种类型的负荷上。如上所述，整个发电机绕组上的电阻通过将发电机50的输出引线在三个源之间切换来实现，这三个源是：低电阻元件62、变换器64和开路66。低电阻元件62(例如闭路连接(导线))形成高的阻尼力。开路连接66提供非常低的阻尼。根据连接到变换器64的输出端上的负荷，变换器提供不同的阻尼力。控制器60优选地利用反馈来实现整个发电机50上的给定的时间平均有效电阻。该反馈可以来自传感器，如横跨发电机的各端子设置的电压及电流传感器。这个电阻可以由制造厂家、驾驶员(以便根据道路条件、行驶或载货情况动态地调节悬挂的动力学特性)或者甚至由传感器(如根据载货重量调整阻尼的应变仪)来调整。输出电压的调整只由变换器64来完成。变换器64具有其自己的反馈回路，当供电时，该反馈回路保持恒定的电压输出。由于来自悬挂的输入动力是变化的，变换器64在允许电流波动的同时保持电压稳定。变换器64的电路与带有基于输出电压的负反馈的标准降压/升压变换器相类似。这种布置形式确保了动力只流出(负荷不能驱动输入，在这种情况下，是发电机)。电容器(未示出)使输出电压平滑。要注意的是，任何形式的能够保持给定电压、确保单向的电流并具有足够的输入滤波功能以承受PWM输入的有效变换器都可以使用。降压/升压变换器64只是一个例子。
根据开关负载循环，这种电路具有降低输出电压或提高输出电压的效果。负载循环通过保持给定输出电压的反馈回路来控制。忽略寄生效应，降压/升压变换器64的运行是非常有效的。因此对于这里公开的、连接至传统的12v汽车蓄电池的再生吸震器，变换器64将来自发电机的1A的6v电转换成0.5A的12v电。类似地，它将1A的48v电转换成4A的12v电。应注意的是，不管输入情况如何，电压保持恒定，而电流变化。功率保持不变并且来自发电机的所有能量都被回收利用。
图7中的布置形式能够通过电阻元件62将能量散发为热。例如，如果本发明的再生吸震器连接到充满的蓄电池上，则能量不再能安全地输入蓄电池。因此就如同系统从负荷上断开一样。对于简单的实施形式，这会导致发电机在其端子之间具有接近无限大的电阻，这导致零反电动势(back-EMF)。没有反电动势，则悬挂中不存在(摩擦源以外的)阻尼，并且吸震器不用于其缓冲悬挂运动的主要目的。这种差错情况通过经由电阻元件62有选择地将能量散发为热来解决。所述电路可以对发电机绕组和低电阻元件之间的连接进行脉冲宽度调制。这种低电阻的连接允许发电机产生与轴速度成正比且与连接电阻成反比的反电动势。在这种模式下不回收利用能量。如果发电机50连接到开路连接66上，则发电机绕组从负荷上断开。发电机输出端实际上开路。在这种模式下产生非常小的反电动势，并且没有回收利用能量。
上面结合图7讨论的功率电子装置实现了四个目标。第一，这种电路提供了发电机隔离措施，以便确保每次冲击都与和电机相连的输出负荷、例如蓄电池电压无关地运行。其次，该系统提供了可变的阻尼，这种阻尼由使用者或通过传感器(如根据车辆重量调整性能的应变仪传感器)自动地来电子地改变。所述传感器只改变电阻反馈控制器调整实现的基准电阻。所述系统还使得能够通过在多个并联的单元之间进行电压匹配而以多个单元工作。最后，这种电路通过将输出电压调整到安全水平而提供了蓄电池安全充电。
本发明的再生吸震器能应用于任意的车轮车辆，重型卡车由于其大的重量和高的悬挂弹簧刚度而是最感兴趣的目标。这种技术还适用于军用车辆。
公认的是，这里公开的发明的改进方案和变型方案对于本领域技术人员是显而易见的。所有这些改进方案和变型方案都包括在后附的各权利要求的保护范围中。

Claims (19)

1.一种再生吸震器，其用于具有车轮和控制该车轮的竖直运动的悬架系统的机动车辆，所述再生吸震器适于联接到所述悬架系统，所述再生吸震器包括：
活塞，所述活塞设置成响应车辆运动而在汽缸内往复运动；
液压流体，所述液压流体容纳在所述汽缸中；
第一流体回路，所述第一流体回路：(1)与在汽缸中的所述活塞的第一侧上的第一腔室流体连通；(2)与一液压马达流体连通；以及(3)与一电容性蓄能器流体连通，其中在所述活塞压缩时，液压流体穿过所述液压马达，由此使所述液压马达的轴转动；
第二流体回路，所述第二流体回路与在汽缸中的所述活塞的第二侧上的第二腔室流体连通，并且与所述第一腔室流体连通，其中在所述活塞延伸时，液压流体通过所述液压马达从所述第二腔室流至所述第一腔室；以及
发电机，所述发电机与所述液压马达的轴相连，以便在所述轴转动时发电，
其中，所述发电机上的反电动势抵抗电枢与定子之间的相对运动，以提供阻尼；并且
其中回收来自车辆的悬挂系统的往复运动的能量，并且提供用于车轮控制的有效阻尼。
2.根据权利要求1所述的再生吸震器，其特征在于，所述再生吸震器还包括在所述第一流体回路和所述第二流体回路中的用于控制流动的止回阀。
3.根据权利要求1所述的再生吸震器，其特征在于，所述再生吸震器还包括用于提供可变阻尼的功率电子电路。
4.根据权利要求3所述的再生吸震器，其特征在于，所述功率电子电路包括时间平均电阻反馈控制器和电压控制输出变换器。
5.根据前述权利要求中任一项所述的再生吸震器，其还包括功率电子系统，所述功率电子系统与包括所述发电机和输出负荷的系统一起使用，所述功率电子系统包括：
低电阻元件；
开路；
连接到所述输出负荷上的电压控制输出变换器；以及
控制器，其基于待提供给所述发电机的有效阻抗将所述发电机选择性地切换至所述低电阻元件、所述开路或者与所述输出负荷连接的所述电压控制输出变换器。
6.根据权利要求5所述的再生吸震器，其特征在于，所述控制器将所述发电机选择性地切换至所述低电阻元件、所述开路或者所述电压控制输出变换器，使得发电机的阻尼独立于由所述电压控制输出变换器提供给所述输出负荷的功率输出。
7.根据权利要求5所述的再生吸震器，其特征在于，所述控制器采用脉冲宽度调制(PWM)来切换所述发电机在所述低电阻元件、所述开路和所述电压控制输出变换器之间的连接。
8.根据权利要求5所述的再生吸震器，其特征在于，所述输出负荷包括车辆蓄电池。
9.根据权利要求5所述的再生吸震器，其特征在于，所述电压控制输出变换器是降压／升压变换器。
10.根据权利要求5所述的再生吸震器，其特征在于，所述电压控制输出变换器包括电压反馈回路，所述电压反馈回路将所述电压控制输出变换器的输出电压电平维持为指定值。
11.根据权利要求5所述的再生吸震器，其特征在于，所述功率电子系统还包括电容器，所述电容器将所述电压控制输出变换器的输入电压维持为稳定的电平。
12.根据权利要求5所述的再生吸震器，其特征在于，所述功率电子系统还包括一个或多个传感器，以确定所述发电机受到的有效阻抗。
13.根据权利要求5所述的再生吸震器，其特征在于，将所述发电机选择性地切换到所述低电阻元件、所述开路或者所述电压控制输出变换器来调节吸震器上的发电机的阻尼。
14.根据权利要求13所述的再生吸震器，其特征在于，所述控制器在所述低电阻元件、所述开路和所述电压控制输出变换器之间切换所述发电机，以便在整个发电机上提供时间平均有效阻抗。
15.根据权利要求5所述的再生吸震器，其特征在于，所述控制器在所述低电阻元件、所述开路或者所述电压控制输出变换器之间切换所述发电机，以便控制吸震器上的发电机的阻尼，所述阻尼独立于由所述电压控制输出变换器提供给所述输出负荷的功率输出。
16.根据权利要求5所述的再生吸震器，其特征在于，所述发电机是永磁发电机。
17.一种再生吸震器，其用于具有车轮和控制该车轮的竖直运动的悬架系统的机动车辆，所述再生吸震器适于联接到所述悬架系统，所述再生吸震器包括：
活塞，所述活塞设置成响应车辆运动而在吸震体内往复运动，所述活塞具有活塞轴；
流体回路，所述流体回路流体地连接：(1)在所述活塞的第一侧上的吸震体的第一部分；(2)具有轴的液压马达；(3)与所述流体回路流体连通的电容性蓄能器；以及(4)在所述活塞的第二侧上的吸震体的第二部分，其中在流体被压缩时，所述流体回路中的流体从所述吸震体的所述第一部分流过所述液压马达并且返回到所述吸震体，并且在所述活塞沿与第一方向相反的第二方向运动时，所述流体回路中的流体从所述吸震体的所述第二部分通过所述液压马达流向所述吸震体的所述第一部分，并且其中所述电容性蓄能器容纳活塞轴容积，在压缩行程期间引入所述活塞轴容积；
发电机，所述发电机与所述液压马达的轴相连，以便在所述液压马达的轴由于所述流体回路中的流体穿过所述液压马达而转动时发电；以及
功率电子电路，所述功率电子电路提供所述发电机的可变阻尼；
其中，所述发电机上的反电动势抵抗电枢与定子之间的相对运动，以提供阻尼；并且
其中回收来自车辆的悬挂系统的往复运动的能量，并且提供用于车轮控制的有效阻尼。
18.根据权利要求17所述的再生吸震器，其特征在于，所述再生吸震器还包括在所述流体回路中的用于控制流动的止回阀。
19.根据权利要求17所述的再生吸震器，其特征在于，所述功率电子电路包括时间平均电阻反馈控制器和电压控制输出变换器。
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