CN102174948A - 一种解耦型常压油腔双缸油气弹簧 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种解耦型常压油腔双缸油气弹簧，它具有双缸、双杆、双活塞结构，通过特殊的结构设计使油缸保持常压，从而降低油气弹簧的密封要求；同时实现油气弹簧阻尼和刚度特性的解耦，使它们互不影响，可以分别实现理想的油气弹簧阻尼特性和刚度特性。该油气弹簧可以与外接气体压力调节装置相连，实现车姿控制，由于刚度特性已被解耦，用该油气弹簧实现车姿控制时控制算法可以得到大幅简化。

Description

一种解耦型常压油腔双缸油气弹簧

技术领域

本发明涉及一种用于汽车悬架及工程机械等的油气弹簧新结构。

背景技术

传统的机械式被动悬架系统大都由减振器和螺旋弹簧、钢板弹簧组成。螺旋弹簧刚度通常是一个定值。为了保证在不同路面上车辆行驶的平顺性，需要悬架的刚度较软，因而需要较大的悬架空间。为此，在被动悬架系统中，人们设计了不同的变刚度弹簧来解决这一问题。比如变中径、变节距的螺旋弹簧，主副钢板弹簧悬架等等。

油气悬架是将油和气结合，利用气体的可压缩性作为悬架的弹性元件，利用油液的流动阻力实现减振，同时又利用油液的不可压缩性实现较为准确的运动和力的传递，利用油液流动的易控性实现各种大功率的控制。油气悬架系统由于其固有的刚度非线性，与其他型式的被动悬架相比较有着显著的优越性。油气悬架属于被动悬架，但又具有主动悬架的结构型式，具有只有主动悬架才能实现的部分功能和性能。所谓油气悬架是指以油液传递压力、用惰性气体（通常为氮气）作为弹性介质的一种悬架，它的弹性元件为蓄能器，减振元件则为悬架缸内部的节流孔、单向阀等。

油气悬架本身不是一个新概念，它最早使用在飞机的起落架上，用来提高飞机着陆的平稳性。50年代后期，人们逐渐将它应用到车辆中来，以提高车辆舒适性、操纵稳定性等性能。因此，油气悬架不仅具有较好的弹性特性，更重要的是它能方便地实现汽车运动姿态等的良好控制。为提高车辆行驶平顺性，国外小客车、载重卡车及工程机械上早已采用了油气悬架系统，特别在矿山自卸载重卡车上用的更为普遍。当车辆在不平道路上行驶时可以减少地面传递给车身的冲击力，由于空载和满载载荷变化幅度大，车身高度变化较大，希望实现车身的高度可调，因此具有车姿控制能力的油气悬架具有非常强的技术竞争力，易于实现良好的平顺性，改善驾驶员的劳动条件，提高车辆的平均行驶速度和车辆的运输生产率。

油气悬架有多种形式。按单缸蓄能器形式，分为单气室、双气室、两级压力式等；按车桥各悬架缸是否相连可分为独立式和连通式；按车辆行驶过程中，悬架控制是否需要外部能量输入分为被动、半主动和主动油气悬架；单气室型油气弹簧还有油气分隔式和油气不分隔式。目前，国外油气悬架系统已商品化，应用于各类特殊底盘的结构中，如自卸汽车、地面起重机等，采用的形式也各有不同。

油气弹簧具有非线性刚度、非线性阻尼、单位储能比大、易于实现车姿控制等优点，能够实现良好的车辆运动性能。但也存在结构复杂，成本高，对密封装置要求高等缺点。

发明内容

本发明提供一种解耦型新型常压油腔双缸油气弹簧，它采用双缸双杆双活塞的结构形式，使油气弹簧油腔保持常压从而降低密封要求，实现油气弹簧刚度、阻尼的完全解耦与控制，有利于实现理想的油气弹簧特性；同时有利于实现车姿控制等更高要求；结构紧凑，成本较低，有利于油气弹簧向中、小型车辆进行推广。

本发明的技术方案如下：

一种解耦型常压油腔双缸油气弹簧，它采用双缸双杆双活塞的结构形式，双活塞杆之间刚性连接，同时运动。所述油气弹簧具有并排布置的油缸和气缸；所述油缸由油缸活塞分成上下两腔，上腔为膨胀腔，下腔为压缩腔，在油缸活塞上加工连通两个腔的阻尼通道，在所述油缸中充满工作油液，当活塞上下运动迫使油液通过阻尼通道时，形成阻尼力用于耗散振动能量。其油缸活塞杆一端连接油缸活塞，一端由膨胀腔穿出。所述气缸也由气缸活塞分成上下两腔，上腔为补偿腔，下腔为气压腔，在所述气压腔内充满惰性气体，通过合适的气压承受车辆静态载荷，同时与外接气体压力调节装置相连，以实现车姿控制。所述气缸的补偿腔与油缸的膨胀腔通过管道相连，气缸的补偿腔用于容纳油缸中由于活塞杆上下运动导致的油液容积变化。其气缸活塞杆一端连接气缸活塞，另一端由补偿腔穿出。所述油缸和气缸的下端共同通过缸体底座固定缸体吊环，气缸活塞杆和油缸活塞杆位于缸体外一端共同通过活塞杆连接板固定活塞杆吊环。另外，为了使油缸压力保持常压，必须使所述气缸活塞的横截面积等于油缸活塞杆与气缸活塞杆的横截面积之和。

进一步，气缸的补偿腔和油缸间的连接管道可以设置控制阀门，用于必要时实现油气弹簧的刚性闭锁。

采用本发明结构，当活塞杆运动时，油缸活塞杆排开/释放油液的容积将通过连通管进入/流出气缸的补偿腔，并且正好等于气缸活塞迫使气体压缩/膨胀容积与气缸活塞杆排开/释放油液容积之差，确保了无论活塞怎样上下运动，油缸的压缩腔、膨胀腔和气缸的补偿腔共同构成的油液空间不会被压缩或膨胀，从而保持油缸压力为常压。此时，由于气缸活塞靠近补偿腔侧的压力始终保持不变，气缸的气压腔中的压力变化完全取决于气缸活塞的压缩量，也即活塞杆的运动量。这样，不论油缸的阻尼行为还是气缸的刚度行为都可以做到互不影响，完全解耦，从而实现油气弹簧阻尼特性和刚度特性的分别设计，更好的实现理想的动力学特性。

本发明提出的解耦型常压油腔双缸油气弹簧由于通过特殊结构实现了油缸容积变化的补偿，可以使油腔始终保持常压力，大大降低了油腔以及两根活塞杆的密封要求；同时，由于气压缸压力高于补偿腔压力，气缸活塞为单向密封，现有工艺技术可以良好实现气缸中气压腔的密封；即使高压气体向常压油液中逃逸，逃逸到补偿腔中的气体也易于排除，补偿腔本身的压力变化则可以通过车姿控制系统的压力调节装置进行补充，油液则由于保持常压而不易侵入气压腔。可见，该常压油缸双缸油气弹簧可以大大降低对密封装置的要求，从而节约成本，易于实现。

传统的液压减振器由于活塞杆进出油缸导致容积变化，因此需要一个蓄能器来平衡油液的容积，蓄能器和油液间存在复杂的动力学行为，减振器阻尼力不仅和阻尼通道设计和振动状态有关，还和蓄能器的状态密切相关；而对于油气弹簧来说，不论是哪种形式，也需要蓄能器来容纳容积变化，因此气室压力也与蓄能器的压力相耦合。可见，无论是传统的液压减振器还是现有各种形式的油气弹簧，其刚度特性和阻尼特性都高度耦合，使其动力学行为非常复杂，不利于实现刚度、阻尼的良好设计。而本常压油腔双缸油气弹簧采用特殊设计，使气缸活塞截面积等于气缸和油缸活塞杆截面积之和，无论活塞处于什么位置，气缸活塞占用/释放的补偿腔容积，恰好与双活塞杆释放/占用的容积一致，使得油缸压力始终保持常态不变，从而使阻尼和刚度作用完全解耦。此时，可以单纯通过阻尼通道设计实现油气弹簧良好的阻尼特性，而刚度特性则完全由气室设计和气室压力决定，大大简化车姿控制算法。

附图说明

图1为本解耦型常压油腔双缸油气弹簧的总体结构示意图；

图2－I为本解耦型常压油腔双缸油气弹簧的油缸活塞结构图；

图2－II为本解耦型常压油腔双缸油气弹簧的气缸活塞结构图。

具体实施方式

如图1所示，常压油腔双缸油气弹簧包括缸体吊环1、缸体基座2、油缸3、油液4、油缸活塞5、油缸活塞杆6、活塞杆连接板7、活塞杆吊环8、气缸活塞杆9、连通管10、气缸活塞密封11、气缸活塞12、气缸13、氮气14、气阀15等。油缸3和气缸13并排布置。其中油缸3被油缸活塞5分为压缩腔A和膨胀腔B，油缸活塞5上加工有相应的阻尼通道。气缸13被气缸活塞12分成气压腔C和补偿腔D，气缸活塞12由气缸活塞密封11进行密封，从而隔离气压腔C中的氮气与膨胀腔D中的油液。油缸膨胀腔B与气缸补偿腔D之间通过连通管10相连，在连通管10处可以设置阀门，必要时可以关闭实现油气弹簧的刚性闭锁。在气压腔C上设置有气阀15，通过气阀15可以对气缸气压腔C进行充放气，以适应不同的车辆重量；同时，可以通过气阀15与外部压力调节装置相连，对气压腔C中的压力进行实时控制，从而实现车姿的主动实时控制。气缸活塞12的横截面积等于油缸活塞杆6与气缸活塞杆9的横截面积之和。油缸活塞杆6、气缸活塞杆9分别与油缸、气缸间需要必要的密封装置（图中未注明），但由于油缸保持常压力，所以活塞杆的密封要求不高。所述油缸3和气缸13的下端共同通过缸体基座2固定缸体吊环1，气缸活塞杆9和油缸活塞杆6位于缸体外一端共同通过活塞杆连接板7固定活塞杆吊环8。油气弹簧通过缸体吊环1与活塞杆吊环8分别与车辆的簧上质量、簧下质量相连。

图2－I和图2－II为常压油腔双缸油气弹簧的活塞结构细节图。其中油缸活塞部分主要由油缸3、油缸活塞杆6、油缸活塞锁紧螺母16、弹性垫圈17、油缸活塞5、阻尼通道18、滑环19、阻尼阀片20组成。油缸阻尼通道18为在油缸活塞5上加工的一圈阻尼孔，其分布和几何决定了油缸的阻尼特性。阻尼阀片20为超薄金属圆环，用于调节压缩和复原时的阻尼力，实现压缩时阻尼力较小、复原时阻尼力较大的阻尼特性要求，根据需要可以设置多片阻尼阀片。滑环19由耐磨的聚四氟乙烯材料制成，用于油缸活塞与油缸相对运动时的导向。气缸活塞部分则由气缸活塞杆9、气缸活塞锁紧螺母21、弹性垫圈22、活塞密封23、气缸活塞12和气缸13等组成。活塞密封23可以为任何合适的密封件，主要用于密封隔离气压腔C中的氮气和膨胀腔D中的油液，由于气压腔C压力高于补偿腔D中的压力，所以可以设置较为适合的单向密封件。

图2－I和图2－II中油缸活塞、气缸活塞均采用了螺母紧固，在具体实施中可以采用但不限于这种紧固方式。虽然图2－I、图2－II中的活塞杆采用了同样的直径、油缸活塞和气缸活塞位于同样的高度，油缸和气缸采用了同样的直径，但在具体实施中它们可以不同。对于活塞杆面积只需满足其横截面积之和等于气缸活塞横截面积；而气缸活塞高度需要根据车辆需要的刚度特性确定，但是油缸活塞和气缸活塞位置需要满足在平衡位置附近有足够的上下位移空间。气缸直径则决定于需要承载的车辆重量，直径小则需要较高的充气压力，因此总体上气缸直径决定于密封所能承受的最大气压；油缸直径决定于车辆需要的阻尼特性，当活塞阻尼通道两端由于流动导致的压差一定，活塞面积越大则阻尼力越大。为了防止油缸和气缸被外来作用伤害，可以在双缸外加装防护套。

在外接压力调节装置情况下，当车辆处于静止状态时，气压腔压力用于承受车辆的静态载荷，对气压腔C充气时，将使车高增加，弹簧刚度下降；相反，释放气压腔C中的气体，将使车高下降、弹簧刚度增加。当对车辆安装的此种新型减振装置的气压腔C中的气压实施统一控制时，将实现车高的升降控制，而对车辆或工程机械多个减振装置中每个装置的气压腔C进行独立充放气控制时，将实现车姿调整功能。

Claims (3)

1.一种解耦型常压油腔双缸油气弹簧，它采用双缸双杆双活塞的结构形式；其特征在于：所述油气弹簧具有并排布置的油缸和气缸；

所述油缸由油缸活塞分成上下两腔，上腔为膨胀腔，下腔为压缩腔，在油缸活塞上加工连通两个腔的阻尼通道，在所述油缸中充满工作油液，油缸活塞杆一端连接油缸活塞，一端由膨胀腔穿出；

所述气缸也由气缸活塞分成上下两腔，上腔为补偿腔，下腔为气压腔，在所述气压腔内充满惰性气体，所述气缸的补偿腔与油缸的膨胀腔通过管道相连，气缸活塞杆一端连接气缸活塞，另一端由补偿腔穿出； 

所述气缸活塞的横截面积等于油缸活塞杆与气缸活塞杆的横截面积之和；

所述油缸和气缸的下端共同通过缸体底座固定缸体吊环，气缸活塞杆和油缸活塞杆位于缸体外一端共同通过活塞杆连接板固定活塞杆吊环。

2.根据权利要求1所述的解耦型常压油腔双缸油气弹簧，其特征在于：所述气缸的补偿腔和油缸间的连接管道上设置有控制阀门。

3.根据权利要求1或2所述的解耦型常压油腔双缸油气弹簧，其特征在于：所述气压腔设置气阀，通过气阀与外接气体压力调节装置相连。

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