CN102454657A - 压力控制空/满载自适应油气悬挂缸 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压力控制空/满载自适应油气悬挂缸。包括缸头、缸筒、密封座圈、活塞杆、活塞、阀座、阀芯、弹簧、阻尼环；悬挂缸内设置上油腔、下油腔、副油腔共三个大油腔；上油腔充注液压油和氮气，下油腔、副油腔中充注液压油；活塞杆侧壁上设有一组阻尼孔和单向阀，全时工作；阀座、阻尼环固定安装在活塞杆内壁上。阀芯安装在阀座、阻尼环之间，与阀座、阻尼环分别围成弹簧腔(内置弹簧，含空气，密闭)、阻尼腔(内含液压油，与上油腔形成独立阻尼相通)。阀芯设有与阀座配合的阀口，在阀口内外侧分别设有一组阻尼孔和单向阀。阀芯可上下移动，开启或关闭阀口外侧的一组阻尼孔和单向阀。

Description

压力控制空/满载自适应油气悬挂缸

技术领域

本发明涉及一种油气悬挂缸，具体地是公开一种压力控制空/满载自适应油气悬挂缸。

背景技术

车辆悬挂系统包括：弹性元件、阻尼元件和导向元件。常见的弹性元件包括：钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、空气弹簧、橡胶弹簧等。阻尼元件一般是液压阻尼器。车辆悬挂系统的力学参数主要包括：弹性元件的刚度系数和阻尼元件的阻尼系数。

理论上，重型车辆需要配置较大的刚度系数和阻尼系数，轻型车辆配置较小的刚度系数和阻尼系数；同一车辆，满载时需要配置较大的刚度系数和阻尼系数，空载时配置较小的刚度系数和阻尼系数。

油气悬挂缸集弹性元件和阻尼元件为一体，内部充注有液压油及氮气。

传统的油气悬挂缸，结构上设有主、副油腔。主、副油腔间设有阻尼孔和单向阀。当悬挂缸被压缩或拉伸时，液压油进出阻尼孔和单向阀产生阻尼力，衰减振动能量并发热。氮气产生弹性力，充当弹性元件，用以缓冲和减振。单向阀用于调节、降低压缩时的阻尼系数。

油气悬挂缸一般用于路况条件比较差的大型、重载的重型运输车辆上。布置在簧载质量和非簧载质量之间，起缓冲、减震作用。一个好的油气悬挂缸对于降低车辆的工作载荷，提高部件、整车使用寿命及驾驶舒适性，降低故障率，起着非常重要的作用。

氮气是一种惰性气体，与液压油混装在油气悬挂缸中，具有非常稳定的特性。相比其他弹性元件，氮气在压缩过程中具有非常良好的变刚度特性，能够很好地实现系统在满载时刚度大，空载时刚度小的要求，而且单位承载容量大。因此，在具有空/满载使用工况的大型、重载运输车辆上，包含有氮气的油气悬挂缸是综合性能最好的一种结构形式，而得到广泛的应用。

油气悬挂缸采用氮气作为弹性元件，非常良好地解决了空/满载刚度的配比以及高承载能力的综合性能匹配问题。但是存在阻尼如何设定和协调的问题。这也是目前油气悬挂缸结构设计中比较薄弱的环节。

运输车辆的整车质量按照分布位置可分为：簧载质量和非簧载质量。非簧载质量一般是不变的。簧载质量是可变的，如载货和载人车辆。

对于簧载质量不变的车辆来说，可以根据路况、质量、车速等使用条件和基础数据，来进行悬挂缸结构参数设计，包括充注氮气的原始空间尺寸、压力及行程，主、副油腔的结构尺寸，以及阻尼孔及单向阀的大小及个数等一组基础参数。但传统油气悬挂缸由于结构原理的限制，如果按照理想状态设定阻尼系数，则在低临界压缩状态下副油腔就会出现负压，悬挂缸内部油/气比例发生不可逆转的变化，最终导致悬挂缸力学特性紊乱，直至损坏。悬挂缸内部油/气比例发生不可逆转的变化，是指由于负压，液压油发生性态改变或外部空气被吸进悬挂缸内部，导致系统内部压力越来越高。因此，为了保持系统工作的稳定性和可靠性，传统油气悬挂缸的阻尼系数一般都设定得比较小，阻尼效果非常有限。

对于具有空/满载两种使用工况的运输车辆(如公路或非公路的所有货物运输车辆)来说，簧载质量是变化的。其中，前桥簧载质量在满载时比空载高出近一倍；后桥簧载质量变化幅度更大，最大时满载簧载质量超过空载簧载质量5倍以上。

在刚度设计上，由于采用了氮气作为弹性元件，油气悬挂缸良好地解决了空/满载不同工况下的刚度匹配的问题。但阻尼系数的选定和实现却成为一个很大的难题。因为系统阻尼系数的选取与簧载质量与非簧载质量的配比有直接的关系(具体理论这里不进行详细的表述)。传统的油气悬挂缸在结构原理上由于存在负压的问题，无法达到理论上要求的阻尼系数值，而且结构上也无法根据空/满载两种工况进行相应的调整和改变。而实际上这两种工况下需要的阻尼系数相差又非常大。这一直是困扰具有空/满载两种使用工况的运输车辆上油气悬挂缸结构设计一个难题。

传统的油气悬挂缸只能按照一种工况来设计阻尼结构。通常，只能是靠近空载状态选取较小的阻尼系数值，最高也只是选择在空/满载的中间状态上。而且阻尼系数是一个定值，无法实现根据不同使用工况，匹配不同阻尼系数的变阻尼设计。因此，传统结构的油气悬挂缸的阻尼特性很难兼顾这两种工况，尤其是对于重载车辆来说至关重要的满载工况，悬挂缸的力学性能就变得很差。

但在重型运输车辆设计时，原则上应按照重载工况设计阻尼系数。但限于结构和负压的原因，阻尼系数的选取受到限制。一般只能按空载状态，或空/满载中间状态选取阻尼系数。因此，传统悬挂缸要么是重载时缓冲、减震能力不足，造成车辆主体构件损坏；要么是空载时振动加速度增大，造成车架上的大部件安装支架损坏，驾驶室舒适性变差，零件连接松动，仪表、传感器损坏，突发电气故障等。尽管内部设置了单向阀，减少了首次冲击的幅度，但仍然无法解决空/满载不同工况的需要。

能够根据空/满载不同的使用工况，按照每种工况所需的阻尼值，进行阻尼系数的自动设定，并且能够实现在两种工况转化时，系统阻尼系数能够自动调整、变化——这是油气悬挂缸的一种最优化设计方案。其中核心的问题是：空/满载阻尼自适应技术。

此前，本人公布的专利《空/满载自适应油气悬挂缸ZL200820060583.7》是实现上述控制结果的一种结构方案。其原理是通过车辆在空载和满载工况下对悬挂缸不同的压缩深度，来感知车辆的工作状态，并进行相应的阻尼控制。属于位置控制型。结构上需要在内部设置分割活塞，其上加装密封件。缸筒上需要在规定位置上布置阻尼孔和单向阀，缸筒外需要设置外部阻尼通道。结构复杂，加工难度大，容易变形，占用空间大，密封件容易切割、磨损。

发明内容

本发明提出了一种压力控制空/满载自适应油气悬挂缸。本发明是通过以下技术方案来实现的：通过车辆在空/满载两种工况下悬挂缸内产生的不同压力值，来感知车辆的工作状态并自动控制悬挂缸产生不同的阻尼系数。并且具有稳定阀芯位置，消除因悬挂缸内部系统压力波动而出现的阀芯异常启动的作用。本结构的悬挂缸除了具有：空/满载工况阻尼系数自动调节的功能外，还具有：内部压力自动补偿，压缩/伸长工况阻尼系数自动调节等功能。是目前技术最先进，功能最完整，原理最可靠，结构最合理、控制最高效的油气悬挂缸。

本发明，基于车辆动力学模型的研究与分析，提出了一种全新的油气悬挂缸结构和原理。通过悬挂缸内部系统压力的变化，来感知车辆的工作状态，并自动控制、调整系统的阻尼系数，并能保持阻尼系数匹配的准确性和稳定性，使车辆无论在空载或满载状态下都能够稳定获得各自所需的阻尼系数，保持车辆具有最佳的振动力学特性。

本发明是采用如下方案来实现上述目的：一种压力控制空/满载自适应油气悬挂缸，包括缸头、缸筒、密封座圈、活塞杆、活塞、阀座、阀芯、弹簧、阻尼环；悬挂缸内设置上油腔、下油腔、副油腔共三个大油腔；在上油腔和下油腔之间设置有阻尼通道，由阀芯上的阻尼孔和单向阀构成；下油腔和副油腔之间设置有阻尼通道，由活塞杆侧壁上的阻尼孔和单向阀构成；上油腔充注液压油和氮气，下油腔、副油腔中充注液压油；两个阻尼通道中，活塞杆上的单向阀和阻尼孔全时工作，阀芯上的阻尼孔和单向阀分内外两组，分时工作。在空载工况下阀芯处于高位，其上内外两组阻尼孔和单向阀均导通。在满载工况下阀芯处于低位，只有内侧一组阻尼孔和单向阀导通。两个阻尼通道叠加，即可在空/满载工况下获得不同的阻尼系数，实现系统阻尼的自动控制。

所述缸头、缸筒、密封座圈固定连接。

所述活塞杆与活塞固定连接。

所述活塞杆在靠近活塞的侧壁上设置阻尼孔和单向阀，连通下油腔、副油腔，形成下油腔和副油腔之间的阻尼通道；

所述阀座、阻尼环固定安装在活塞杆内部。所述阀芯安装在阀座和阻尼环之间，与阀座之间形成弹簧腔，与阻尼环之间形成阻尼腔。所述弹簧腔，内置弹簧，含有空气，与周围保持密封。所述阻尼腔通过阻尼环与阀芯之间的环形缝隙或阻尼环上设置的小孔与上油腔相通。当车辆处于空载状态时，悬缸系统内部处于低压状态，阀芯被推到最高位置与阻尼环接合；当车辆处于满载状态时，悬缸系统内部处于高压状态，阀芯被压回到最低位置与阀座接合；阻尼腔的作用是：当悬挂缸系统内部压力出现大幅波动时，对阀芯提供有效的阻尼力，防止阀芯由于压力波动而产生瞬间移动。而当车辆进行空/满载工况间的转换时，能够使阀芯慢速移动到对应位置而不会产生刚性撞击。阀芯与阀座之间通过阀口相配合。阀芯上的阻尼孔和单向阀分成两组，分别布置在阀口的内/外侧。通过阀口的开启与关闭，控制上/下油腔间阻尼通道上工作的阻尼孔和单向阀个数，使系统产生不同的阻尼系数。

所述压力控制空/满载自适应油气悬挂缸，包括有常规悬挂缸应有的密封圈、防尘圈、导向带以及充注装置、连接、安装、检测、保护等组件。

本发明采用全新结构和原理，在悬挂缸内部构造出一个组合结构，包括阀座、阀芯、阻尼环、弹簧等部件，并形成弹簧腔与阻尼腔。阀芯上分布有两组阻尼孔和单向阀。根据车辆空/满载工况的不同，悬挂缸内产生的不同压力，使阀芯处于高低两个不同的位置，实现阀芯内外两组阻尼孔和单向阀的不同导通，来形成不同的阻尼系数。这样就使得无论车辆在空载还是满载时都能够获得最佳的阻尼效果，而且兼具有压力补偿功能以及伸长与压缩阻尼调节的作用，大大提升了油气悬挂缸的力学特性。同时。外形、结构和加工工艺性都达到了最优的状态。

本发明的运行原理是：利用车辆空载或满载时，在悬挂缸内部产生高低两个不同压力这一特征，由弹簧腔内的原始气体压力及弹簧的这一组合来判别悬挂缸所处的工作状态，并推动阀芯处于对应的位置。具体地说，弹簧腔内的原始气体压力及弹簧的这一组合处于悬挂缸空载压力与满载压力的某一中间状态，保证车辆空载时悬挂缸内部出现低压力状态的时候，阀芯全伸出达到最高位置，阀芯全开启，其上的两组阻尼孔和单向阀全部接通，呈现空载时所需的小阻尼系数；而当车辆满载时悬挂缸内部出现高压力状态的时候，阀芯全压缩达到最低位置，阀芯关闭，其上的外侧阻尼孔和单向阀全部关闭，只有内部阻尼孔和单向阀接通，系统呈现满载时所需的小阻尼系数；阻尼环的作用是对阀芯起到稳定位置的作用。当悬挂缸内部有压力波动时，阻尼腔产生强大的阻尼力，迫使阀芯保持在原有的位置上，而不会出现误动作。而当车辆由满载向空载过度或由空载向满载过度时，又可保证阀芯平稳地进行位置切换而不会在阀座和阻尼环间产生刚性撞击。

本发明采用上述技术方案所能达到的有益效果是：悬挂缸在车辆空载和满载时，可以自动获得各自所需的、大小不同的阻尼系数，使悬挂缸无论在空载还是满载时都具有最佳的阻尼效果。下油腔和副油腔的压力相互补偿，减少或消除了系统内的负压现象，增加了悬挂缸系统工作的稳定性和可靠性。同时还保留有压缩与伸长阻尼力调节的作用。

压力控制空/满载自适应油气悬挂缸技术架构，与位置控制空满载自适应油气悬挂缸相比，整个控制过程没有密封圈的过孔切割、高压射流及磨损现象，系统内部产生污染物少。悬挂缸没有外部阻尼通道，便与布置阻尼孔和单向阀。因而结构精简，易于加工，控制精度高，工作稳定可靠，使用寿命更长。

压力控制空/满载自适应油气悬挂缸技术架构，与传统油气悬挂缸相比，具有：空/满载自适应技术及压力补偿技术的独特优势。不但可以实现空/满载工况下阻尼系数的自动控制，而且消除了系统产生负压的结构缺陷，提高了系统阻尼系数应用范围，大大提高了油气悬挂缸工作的稳定性和可靠性。

压力控制空/满载自适应油气悬挂缸的技术架构，其原理、结构取得了质得飞越，再一次全面提升了液气悬挂缸的技术水平。

附图说明

图1传统油气悬挂缸结构图；

图2(位置控制)空/满载自适应油气悬挂缸结构图；

图3(位置控制)空/满载自适应压力补偿式油气悬挂缸结构图；

图4本发明压力控制空/满载自适应油气悬挂缸结构图(空载)；

图5本发明压力控制空/满载自适应油气悬挂缸结构图(满载)；

图6本发明压力控制空/满载自适应油气悬挂缸核心部分结构图

具体实施方式

本发明，压力控制空/满载自适应油气悬挂缸，包括缸头11、缸筒12、密封座圈13、活塞杆14、活塞15、阀座16、阀芯17、弹簧18、阻尼环19；悬挂缸内部设置上油腔21、下油腔22、副油腔23共三个大油腔。上油腔21为活塞杆14内部，阀芯17上方的容积空间，内充液压油和氮气。下油腔22为缸筒12、活塞杆14内部，阀芯17下方的容积空间，内充液压油。副油腔23为缸筒12、活塞杆14之间围成的环形容积空间，内充液压油。在活塞杆14内部，阀座16、阻尼环19固定安装在活塞杆14内壁上，并保留下油腔22与副油腔23之间布置阻尼通道的位置空间。该阻尼通道由安装在活塞杆14侧壁上的一组阻尼孔33和单向阀34组成。阀座16、阀芯17、阻尼环19与活塞杆14又分别围成弹簧腔24和阻尼腔25。弹簧腔24为密封腔体，内置弹簧18及空气(或其它气体)。阻尼腔25为半密闭腔体，内充液压油，通过阻尼环19上的小孔或阻尼环19与阀芯17之间的环形缝隙与上油腔21中的液压油相通。阀座16与阀芯17设置有相互配合的阀口，阀芯17上设有两组阻尼孔31和单向阀32，分别布置在阀芯17上阀口的内外侧。

当车辆空载时，悬挂缸内部系统压力保持在低压状态下，弹簧腔24内部的弹簧18与外部压力综合作用的结果是：阀芯17被推升到最高位置，并被阻尼腔25稳定在最高位置(此位置即为阀芯17的空载位置)。此时，阀芯17上阀口内外侧的两组阻尼孔31和单向阀32全部处于开启状态，系统呈现低阻尼系数状态，满足车辆空载时系统具有低阻尼系数的要求。

当车辆满载时，悬挂缸内部系统压力保持在高压状态下，弹簧腔24内部的弹簧18与外部压力综合作用的结果是：阀芯17被压回到最低位置，并被阻尼腔25稳定在最低位置(此位置即为阀芯17的满载位置)。此时，阀芯17上阀口外侧的一组阻尼孔31和单向阀32处于关闭状态，只有阀口内部一组阻尼孔31和单向阀32处于开启状态，系统呈现高阻尼系数状态，满足车辆满载时系统具有高阻尼系数的要求。

当车辆开始装载货物，由空载状态进入满载状态的过程中，悬挂缸内部系统压力逐渐升高。当超过某一临界值时，弹簧腔24外部压力大于其内部弹簧18的作用力，阀芯17由空载位置(高位)启动，开始被向下压缩，液压油由上油腔21缓慢充入阻尼腔25，阀芯17被平稳压缩到满载位置(低位)，并保持稳定。

当车辆开始倾卸货物，由满载状态进入空载状态的过程中，悬挂缸内部系统压力开始降低。当低于某一临界值时，弹簧腔24外部压力小于其内部弹簧18的作用力，阀芯17由满载位置(低位)启动，开始被向上推升，液压油由阻尼腔25缓慢排入上油腔21，阀芯17被平稳推升到空载位置(高位)，并保持稳定。

阻尼腔25具有稳定阀芯17空/满载位置，抑制阀芯17发生快速、频繁或异常启动，防止阀芯17与阀座16或阻尼环19出现刚性撞击的作用。同时，由于阻尼腔25与上油腔21之间存在阻尼通道，又可以实现阀芯17在空载位置与满载位置之间的正常切换。

在车辆空/满载的整个运行周期内，阀芯17通常保持在空载位置或满载位置上。而在空/满载位置之间，都属于阀芯17的过渡位置，阀芯17不会稳定停留。通过阀芯17高低位的切换，开启与关闭其阀口外侧的一组阻尼孔31和单向阀32，实现阻尼系数的自动控制与调整。

在车辆空载或满载运行过程中，悬挂缸内部系统压力会发生波动和变化。当遇到颠簸路面时，系统压力会出现剧烈波动。阻尼腔25产生的阻尼力能够有效地起到稳定阀芯17位置的作用。在空载运行过程中系统压力瞬间高于临界压力，或满载运行过程中系统压力瞬间低于临界压力时，阻尼腔25都会提供有效的瞬间压力补偿，阻止阀芯17出现异常的启动动作，保持系统工作的稳定性。这一结构设计也是本专利的一个鲜明特点。

本发明专利所采用的压力控制空/满载自适应技术架构，在油气悬挂缸原理和结构设计上取得了突破性进展。以压力控制的方式，实现了空/满载不同工况下阻尼系数的自动控制与调节。消除了此前发布的(位置控制)空/满载自适应技术阻尼调节时产生的过孔高压射流对密封件的切割、磨损现象，减少了内部液压油的污染。系统的整体性能、稳定性、可靠性以及使用寿命都大幅度提高。保持了压力补偿特性，消除了传统油气悬挂缸容易出现负压的结构性缺陷，提高了阻尼系数的适用范围，增强了系统工作的稳定性和可靠性。除了上述突出的技术优点外，它还涵盖了传统悬挂缸结构的全部技术特性，如压缩/伸长过程的阻尼控制等。与现有的油气悬挂缸相比，技术先进，原理可靠，功能完整，结构合理，控制高效，集成度高，外形结构紧凑，适用范围广，更适合产品的加工、应用及产业化推广。可以说是目前最先进、最完善的油气悬挂缸控制技术。

Claims (4)

1.一种压力控制空/满载自适应油气悬挂缸，包括缸头、缸筒、密封座圈、活塞杆、活塞、阀座、阀芯、弹簧、阻尼环等；阀座、阀芯上有相互配合的阀口；阀芯上设有两组单向阀和阻尼孔，分别布置在阀口的内外侧。

2.根据权利要求1所述的压力控制空/满载自适应油气悬挂缸，其特征在于，所述阀座、阻尼环是固定安装在活塞杆内部的，所述阀芯安装在阀座、阻尼环之间，与阀座、阻尼环分别围成弹簧腔和阻尼腔。

3.根据权利要求2所述的压力控制空/满载自适应油气悬挂缸，其特征在于所述弹簧腔是密封的，内部除安装弹簧外，还存有气体；所述阻尼腔内部充满液压油，与上油腔通过小孔或环缝相通。

4.根据权利要求1或2或3所述的压力控制空/满载自适应油气悬挂缸，其特征在于所述阀芯在弹簧及内部压力作用下可以上下移动，打开或关闭所述阀口。

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