CN102644689B - 一种叶轮式馈能减振器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种叶轮式馈能减振器，主要应用于车辆技术领域。它包括减振压力缸、能量转换装置和附属装置。其中减振压力缸包括缸体和空心活塞杆；能量转换装置包括叶轮装置、输出轴、联轴器、变速器、飞轮和发电机；附属装置包括密封圈、单向阀和流体处理装置。车辆在行驶过程中，不平路面使减振器的缸体和活塞杆产生相对运动而激起缸体内的流体在上、下腔间往复流动。通过本发明的叶轮装置将其转化为单向旋转运动，进而带动发电机发电。本发明轴向尺寸小，结构更紧凑；输出驱动方向恒定，减少了冲击，提高了寿命和效率；往复行程中工作介质流量大，做功充分，馈能效果更好；在高频小振幅和低频大振幅工况下均能可靠地实现能量反馈。

Description

一种叶轮式馈能减振器
技术领域
本发明涉及一种车辆技术领域的装置，具体是一种叶轮式馈能减振器。
背景技术
减振器是车辆重要的部件之一，用于衰减由路面不平所引起的冲击和振动。传统的减振器是通过不可逆的方式消耗振动能量，将其转化为热能并散失掉。研究表明，在常用的工况下，减振器所消耗的能量占发动机输出能量的4％～20％，而且随着车速的提高、路面不平度的增大，减振器的能耗会更大。虽然对于单个车辆来说，这个数目并不大，然而在全球车辆保有量持续攀升的今天，由减振器所消耗的能量的总数却是非常可观的。在能源十分紧张的今天，如此巨大的能量消耗是非常令人可惜的。这部分能量，若能被有效地回收再利用，则能够在一定程度上降低车辆的能耗。为此，近年来不少学者开始对馈能型减振器进行研究。然而馈能减振器的开发却并非易事，因为它不但要求能够回收振动能量，而且更重要的是还要满足车辆对减振性能的要求，如伸张行程阻尼力应大于压缩行程、耐用和结构紧凑等要求。目前，馈能减振器多为发电型的，即把振动能量最终转换为电能，这样更有利于储存和再利用。通过对已公开的资料进行总结，发电型馈能减振器可分为直接式和间接式两大类。直接式馈能减振器指直接利用往复直线运动来驱动能量转换装置进行馈能的减振器，如直线电机式(如专利CN200520021970.6、CN200520072480和BOSE公司的电磁式悬架系统)和压电式(如专利CN200410073241.5、CN200420086151.5、CN200410073301.3和US2010/0244457A1)。这种方式结构简单，安装方便，但馈能效率低，尤其是对低频大振幅能量的回收存在困难。为了提高馈能效率，间接式馈能减振器是一种可行的途径，这种方式首先将振动系统的往复直线运动转化为旋转运动并增速，再带动发电机发电。而这种方式又可分为机械传动式和流体传动式两种。机械传动式包括齿轮齿条式(如专利US4387781)、滚珠丝杠式(如专利CN200310109174.3、CN200510010554.0和CN200820058175.8)和曲柄连杆式(如专利US2006/0016629A1)，机械传动式虽然传动效率比较高，但在冲击条件下其寿命较低，且易造成发电机转子旋转方向频繁改变的问题，从而影响了馈能效率，并增加了后续电压电流处理电路的难度。虽然通过添加单向离合器和齿轮装置可以保证发电机转子单向运行，但这样明显增加了系统的复杂程度。流体传动式可分为容积式(如专利CN200420026360、CN200620093992、CN201020117853.0、US2007/0089924A1和US2009/0260935A1)和透平式，其中容积式流体传动是将传统的液力减振器改造为容积式泵或压缩机，利用振动产生的高压流体驱动液压马达或气动马达旋转，进而带动发电机发电，但该方案使得馈能系统不够紧凑，因此不便于应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了透平式馈能方案，提供一种叶轮式馈能减振器，以达到使馈能减振器更接近于应用的目的。
本发明是以如下技术方案实现的：一种叶轮式馈能减振器，包括减振压力缸、能量转换装置及附属装置。其中减振压力缸包括容纳流体的缸体和容纳能量转换装置的空心活塞杆；能量转换装置包括叶轮装置、输出轴、联轴器、变速器、飞轮和发电机，所述叶轮装置通过上支架和下支架安装到空心活塞杆大端；附属装置包括安装于联轴器与变速器之间的密封圈、空心活塞杆大端与小端之间的过渡结构上的单向阀和流体处理装置。对于液体工作介质，流体处理装置包括液流管道和储液室，液流管道用于连通储液室与缸体；对于气体工作介质，流体处理装置为空气滤清器，安装于原液流管道与缸体顶部的连接处，以净化缸体内部的气体，同时取消液流管道和储液室。采用的叶轮装置为活动叶片式叶轮，各叶片的叶柄安装于叶轮轮毂内，叶柄轴线沿叶轮轮毂径向布置，同时在叶片上设置叶片转角限位装置，在轮毂内设置复位弹簧，所述的叶片转角为叶片相对于其叶柄轴线的转角，所述的叶片转角限位装置是一个置于叶柄头部的“T型”结构，当叶片旋转到极限位置时，它可以抵住轮毂，实现限位。该叶轮装置可以将减振器的往复直线运动所激起的流体的往复流动转换为单向的旋转运动，保证了驱动发电机旋转的方向一致性，从而可以高效地带动发电机单向运行发电。
相对于现有的发电型馈能减振器，本发明的有益效果是：
一、轴向尺寸小，结构更紧凑，可以直接替换悬架系统的减振器。
二、基于活动叶片式叶轮方案解决输出驱动方向恒定性的问题，比基于单向阀的液压整流桥方案损失更小，结构更简单；比基于单向离合器结合齿轮机构的方案更耐冲击，结构更简单，更易于实现。
三、减振器往复直线运动时，流过叶轮装置的流体的流量与活塞杆直径无关，流体流量大，做功充分，馈能效果好。
四、低频大振幅时，叶片转角可以达到限位转角，作为固定叶片式叶轮工作；而高频小振幅时，叶片转角不会达到限位转角，叶片会绕其叶柄轴线作上下摆振，像鱼尾巴一样摆动，同样能够推动叶轮旋转，因此，无论高频小振幅还是低频大振幅，均能可靠地实现能量反馈。
五、采用单向阀和上下不对称的叶片限位转角结构保证了压缩行程的阻尼力小于伸张行程，符合悬架系统对阻尼力不对称的要求。
六、相对于现有技术，该方案使馈能减振器的减振基本功能对馈能装置的失效具有不敏感的特性，保证了悬架系统的减振功能不会因为馈能装置的某些失效(如发电机转子卡死)而完全丧失。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图；
图2是本发明的叶轮装置局部放大图；
图3是流体向上流动时叶轮叶片的状态示意图；
图4是流体向下流动时叶轮叶片的状态示意图；
图5是流体流动时叶轮叶片的状态俯视图；
图6是流体不流动时叶轮叶片的状态俯视图。
图中：1、空心活塞杆，2、发电机，3、飞轮，4、变速器，5、液流管道，6、缸体，7、密封圈，8、联轴器，9、单向阀，10、输出轴，11、储液室，12、上支架，13、叶轮装置，131、叶片转角限位装置，132、复位弹簧，14、下支架。
具体实施方式
下面结合附图和实施实例对本发明作进一步的说明：
车辆在行驶过程中，减振器的缸体和活塞杆会因为路面的不平而产生相对运动，从而激起缸体内的流体在上、下腔间往复流动。本发明通过特殊的叶轮装置将其转化为单向旋转运动，进而带动发电机转子单向运行发电，以供车辆上的电气设备使用。
如图所示：该馈能减振器包括减振压力缸、能量转换装置及附属装置。其中减振压力缸包括容纳流体的缸体6和容纳能量转换装置的空心活塞杆1；能量转换装置包括叶轮装置13、输出轴10、联轴器8、变速器4、飞轮3和发电机2，所述叶轮装置13通过上支架12和下支架14安装到空心活塞杆1大端；附属装置包括安装于联轴器8与变速器4之间的密封圈7、空心活塞杆1大端与小端之间的过渡结构上的单向阀9和流体处理装置。本实施实例采用液体工作介质，则流体处理装置包括液流管道5和储液室11。
叶轮装置13为活动叶片式叶轮，即各叶片可以绕其叶柄轴线旋转。各叶片的叶柄安装于叶轮轮毂内，叶柄轴线沿叶轮轮毂径向布置，同时在叶片上设置叶片转角限位装置131，在轮毂内设置复位弹簧132，限位装置131是一个置于叶柄头部的“T型”结构，当叶片绕其叶柄轴线旋转到极限位置时，它可以抵住轮毂，实现限位。限位装置131需保证上限位转角不小于下限位转角，其作用是保证减振器的压缩行程阻尼力不大于伸张行程。当液体不流动时，叶片在复位弹簧132的作用下处于0转角位置，当受液体推动时，根据压力的不同，其转角可以在0到限位转角之间取值。由于叶片可以绕叶柄轴线旋转，从而可以保证无论在压缩行程还是伸张行程，减振器内流动的液体都能推动叶轮绕同一方向旋转，避免了电机转子频繁转换旋转方向的问题。叶轮装置13通过上支架12和下支架14安装到空心活塞杆1的大端，可以绕支架12、14的中心孔轴线灵活转动。支架的支架体做成辐条结构或钻孔，以保证液体顺利流经叶轮装置13。空心活塞杆1的大端和小端之间的过渡结构上做有若干个孔和单向阀9，以便于液体流过。单向阀9的作用是保证减振器的压缩行程阻尼力小于伸张行程。缸体11顶部的液流管道5起连通储液室11与缸体6内液体的作用，这样无论在压缩行程还是伸张行程，所有流动的液体均能通过叶轮装置13做功，避免了活塞杆直径对流量的影响，增大了叶轮装置13的流量，使得馈能效果更佳。流动的液体驱动叶轮装置13产生的动力通过输出轴10、联轴器8、变速器4和飞轮3，进而传递给发电机2，从而实现了由振动机械能到电能的转换。飞轮3的作用是稳定转速，保证发电机2的平稳运行。联轴器8与变速器4之间的密封圈7的作用是避免发电机2被液体浸污。
减振器的工作过程包括压缩行程和伸张行程，假设均由如图2所示的静平衡位置开始。当液体不流动时，叶轮装置13的叶片在复位弹簧132的作用下处于0转角位置，其主视图如图2所示，俯视图如图6所示，此时缸体6的上下腔仅通过叶片与叶片及叶片与空心活塞杆1大端内壁之间的间隙彼此连通，以下对其减振馈能过程进行详细说明。
在压缩行程中，当减振器处于压缩行程初始阶段时，缸体6下腔液体因被压缩而压力逐渐增大，下腔液体有向上腔流出的趋势，随着空心活塞杆1相对于缸体6向下移动的增加，下腔液体推动叶轮装置13的叶片绕其叶柄轴线向上旋转，当叶片的转角不再是0转角时，叶轮装置13便可以在液体的推动下产生旋转运动。随着压缩行程的进一步加深，叶片转角进一步向上增加直至达到限位转角位置(限位装置131抵住轮毂)，此时叶轮装置13的主视图形状如图3所示，俯视图形状如图5所示。在此后的压缩行程中，下腔液体便依次通过下支架14、叶轮装置13、上支架12、空心活塞杆1过渡结构上的流道(包括常开孔和单向阀)以及液流管道5进入储液室11，在流动的过程中推动叶轮装置13旋转，带动发电机2发电，从而将振动机械能吸收掉。待到压缩行程终了，下腔液体压力变小，上、下腔压力逐渐恢复平衡，叶轮装置13的叶片在复位弹簧132的作用下恢复到0转角位置。此时若发电机2的转子由于惯性而仍处于旋转状态，那么转角恢复为0的叶片就像一个薄盘，不会对其产生明显的阻力作用，从而有助于馈能效率的提高。在压缩行程中，单向阀9处于打开状态，减小了压缩行程的阻尼力。
同理，在伸张行程中，当减振器处于伸张行程初始阶段时，缸体6下腔液体因出现真空度而压力逐渐减小，上腔液体有向下腔流入的趋势，随着空心活塞杆1相对于缸体6向上移动的增加，上腔液体推动叶轮装置13的叶片绕其叶柄轴线向下旋转，当叶片的转角不再是0转角时，叶轮装置13便可以在液体的推动下产生旋转运动。随着伸张行程的进一步加大，叶片转角进一步向下增加直至达到限位转角位置(限位装置131抵住轮毂)，此时叶轮装置13的主视图形状如图4所示，俯视图形状仍如图5所示。在此后的伸张行程中，储液室11中的液体便依次通过液流管道5、空心活塞杆1过渡结构上的常开孔、上支架12、叶轮装置13和下支架14流入缸体6的下腔，在流动的过程中推动叶轮装置13旋转，带动发电机2发电。待到伸张行程终了，下腔液体压力变大，上、下腔压力逐渐恢复平衡，叶轮装置13的叶片在复位弹簧132的作用下恢复到0转角位置。同样的，转角恢复为0的叶片不会明显地阻碍发电机2转子的惯性运动。在伸张行程中，单向阀9处于关闭状态，且叶片下限位转角不大于上限位转角，从而增大了伸张行程的阻尼力，因此单向阀9和不大于上限位转角的下限位转角可以满足减振器的压缩行程与伸张行程阻尼力不对称的要求。
由图4与图3的对比可以看出，伸张行程与压缩行程中叶轮装置13的叶片旋向是相反的，因此与压缩行程相比，伸张行程中液体推动叶轮旋转的方向保持不变，从而避免了压缩行程与伸张行程中发电机2转子频繁转换方向的问题，提高了馈能效率，并简化了后续电压电流处理电路。
上述工作过程为低频大振幅工况下的工作过程，对于高频小振幅工况，叶片转角不会达到限位转角，叶片会绕其叶柄轴线作上下摆振，像鱼尾巴一样摆动，同样能够推动叶轮旋转，因此，无论在高频小振幅工况还是在低频大振幅工况，该馈能减振器均能可靠地实现能量反馈。
本发明所提出的馈能减振器方案使馈能减振器的减振基本功能对馈能装置的失效具有不敏感的特性，保证了悬架系统的减振功能不会因为馈能装置的某些失效而完全丧失。例如，当馈能减振器的电机转子卡死时，簧载质量与非簧载质量不会因此而刚性固连，系统仍然能够通过叶轮装置13的叶片产生的流道来提供阻尼力，仍然能够提供一定的减振功能，悬架系统还可以工作。
本发明所提出的馈能减振器方案可以很方便地实现阻尼力的主动控制。对发电机2供电，使其工作于电动机状态，即可驱动叶轮旋转以实现阻尼力的主动控制，具体控制方法如下：对于压缩行程，下腔压力大于上腔，根据前文所述压缩行程中叶片的状态，若通过外部供电使发电机2驱动叶轮装置13正向旋转(即与流体驱动叶轮旋转的方向一致)，则可以减小下腔压力，从而减小阻尼力，反之，若驱动叶轮反向旋转，则增加下腔压力，从而增大阻尼力；同理，对于伸张行程，下腔压力小于上腔，若控制叶轮正向旋转，则增加下腔压力，从而减小阻尼力，若控制叶轮反向旋转，则减小下腔压力，从而增加阻尼力。
上述实施实例采用的工作介质为液体，为了提高液力传动的效率，减小内部损耗，最终提高馈能效率，所用的工作液宜采用粘度较低的液压油，甚至是高水基的乳化液。除液体外，本发明公开的技术原理也适用于气体工作介质，当工作介质为气体时，则以空气滤清器取代液流管道5，并取消储液室11，所述的空气滤清器安装于原液流管道5与缸体6顶部的连接处。
本发明的关键技术为应用叶轮装置实现减振器的往复直线运动到单向旋转运动的转换。上述实施实例阐述了一种叶轮装置的结构方案，即活动叶片式叶轮装置。能够实现上述功能的叶轮装置还可以是叶片旋向相反的对置安装的双叶轮装置，所述的双叶轮装置包括开式叶轮、半开式叶轮和闭式叶轮。任何基于叶轮装置原理对上述实施实例进行修改和变形均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种叶轮式馈能减振器，包括减振压力缸、能量转换装置，其特征是：还包括附属装置，所述减振压力缸包括缸体(6)和空心活塞杆(1)，所述能量转换装置包括叶轮装置(13)、输出轴(10)、联轴器(8)、变速器(4)、飞轮(3)和发电机(2)，所述发电机(2)、飞轮(3)和变速器(4)均安装于空心活塞杆(1)的小端空腔内，所述叶轮装置(13)通过上支架(12)和下支架(14)安装到空心活塞杆(1)大端，所述的附属装置包括安装于联轴器(8)与变速器(4)之间的密封圈(7)、空心活塞杆(1)大端与小端之间的过渡结构上的单向阀(9)和流体处理装置，对于液体工作介质，所述的流体处理装置包括储液室(11)和经缸体(6)顶部连通缸体(6)与储液室(11)的液流管道(5)。
2.根据权利要求1所述的一种叶轮式馈能减振器，其特征是：所述叶轮装置(13)为活动叶片式叶轮，各叶片的叶柄安装于叶轮轮毂内，叶柄轴线沿叶轮轮毂径向布置，同时在叶片上设置叶片转角限位装置(131)，在轮毂内设置复位弹簧(132)，所述的叶片转角为叶片相对于其叶柄轴线的转角，所述的叶片转角限位装置(131)是一个置于叶柄头部的“T型”结构。
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