CN103244495B - 液电馈能减振器电控整流阀 - Google Patents

Abstract

本发明是液电馈能减振器电控整流阀，包括液压缸，整流阀，活塞上下腔压力传感器，控制单元和导线组成。其工作原理是：液压缸将振动产生的能量转化为液压能，并通过液流在系统中传递，控制单元通过比较活塞上、下腔压力传感器采集的压力信号，判断整流阀前端液体流向，通过电磁阀对整流阀阀芯位置进行控制，对减振器缸筒中流出的液体进行整流，整流后的液流可以驱动液压马达朝一个方向进行工作，带动发电机进行发电，实现振动转化为电能能量进行回收。该电控整流阀为液电馈能式减振器专门设计，通过控制算法实现整流，避免液流换向时对阀芯的过度冲击，延长阀体使用寿命，同时，对阀芯换向时机精确控制，充分利用液压能，将振动能量进行回收。

Description

液电馈能减振器电控整流阀

技术领域

本发明涉及阀，特别是一种用于能量回收和阻尼力调节的液电馈能减振器电控整流阀。

背景技术

车辆在行驶的过程中由于路面的颠簸以及在车辆加速、减速、转向的过程中，簧上质量和簧下质量都会产生相对振动，减振器用于为悬架提供阻尼力，将振动产生的能量转换成为其他的能量耗散掉，以实现对振动的衰减。这部分振动的能量如果可以进行回收，对减少车辆的能耗有着积极的意义。

众所周知，传统减振器是在路面激励的作用下，做往复直线运动，减振器的活塞推动减振器内的液压油运动，通过液压油与减振器内阻尼孔的作用，将动能通过摩擦转化成内能进行耗散。发电机的工作特点是通过转子绕定子进行圆周运动，将机械能转化成为动能。减振器能量回收，所要解决的重要问题，就是实现往复直线运动与圆周运动直接的转化。现有发明提出了一些对其运动进行转化的机构，但均存在一些问题：

如中国专利ZL02203432.3描述的是一套曲柄连杆机构，将车轮的上下振动转变成电机的旋转运动。中国专利ZL200620090847.4描述的是用电机和齿轮齿条机构取代减振器，用连杆机构将电动/发电机固定在簧载质量上，齿条直接连接在非簧载质量上，齿条与电机/发电机的转子相连。齿轮与齿条啮合后，电动/发电机及齿轮齿条机构整体构成馈能悬架的馈能元件。这两项技术均为汽车产生一个往复振动，该装置值拾取约一半的能量，因为有一半的时间用于装置的部件复位，能量回收效率低，而且上述两项技术的装置体积和质量都比较大，安装时有难度。

如中国专利1626370A描述的是采用滚珠丝杆机构，将簧上质量和簧下质量之间的直线运动转变成电机转子的转动。电机与滚珠丝杆机构组成馈能元件，将回收的能量输送给充电电路及电池。车辆行驶过程中，馈能减振器随路面不平作伸张和压缩运动，滚珠螺母沿轴向作上下平动，带动滚珠螺杆和电机转子作正反转动，电机根据控制指令工作于电动或者制动状态，从而主动缓冲和衰减由路面不平引起的、并由车轮传导至车身的冲击和振动，并回收能量。齿轮齿条式或滚珠丝杆式等用机械装置将直线运动转变为转动的能量回收系统的缺点是受传动系内部间隙的影响，系统对高频信号的频响函数不为零。如滚珠丝杆式在低频范围内且地面激励幅度大时，其能量回收效率和悬架特性较好；而当系统频率较高时，其悬架特性还不如被动悬架，也无法回收能量，导致系统整体效率较低。

中国专利CN101749353A描述的是使用单向阀整流桥的“机-电-液”一体化液电馈能机构，将簧上质量和簧下质量之间的直线运动转化为液体的流动，然后通过四个单向阀组成的整流桥，对液体的流向进行整流，通过蓄能器的使用稳定液流流速，再使液流通过液压马达，驱动发电机进行发电。液压马达和发电机组成馈能元件，将回收的能量输送给充电电路和电池。该方案可以使得发电机处在一个较高的效率下进行发电，具有较高的馈能效率，但是由于机械单向阀的开闭完全依靠液体的压力来控制，在活塞换向的时候对对阀体造成较大的冲击，从而影响单向阀的使用寿命，除此之外，由于该方案使用四个单向阀组成了整流桥，一旦某个单向阀出现故障，则无法保证减振器的正常工作，而且很难进行故障判断和排除。

以上将振动能量进行回收和反馈的装置当中，中国专利CN101749353A描述的描述的液电馈能减振器，以液压油为传递介质，很好的实现了直线运动和圆周运动的转化，避免了电机随着系统振动不断改变旋转方向和反复电机旋转有0->加速->减速->电机转速0的循环而造成的大量的“惯量损失”，能够延长发电机寿命，且使得发电机有更长的时间处于发电状态，有着很高的馈能效率。但是其整流桥由四个机械单向阀组成，在活塞换向的临界点上十分容易因为冲击过大而失效；整流桥由四个单向阀组成，任意一个单向阀的失效都会造成系统无法正常工作，而且各单向阀失效的概率相同，不易进行检修和更换；除此之外，机械单向阀需要靠压力推开弹簧，势必会造成一定液压能量的损失。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种液电馈能减振器电控整流阀，该阀可以实现对减振器液体流向的精确控制，保证其液体流向能够驱动能量回收系统的液压马达稳定工作。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：主要由减振器缸筒、整流阀、电磁阀、电磁阀控制单元和压力传感器组成。其中减振器缸筒具有内缸筒和外缸筒，并与整流阀有各自联通的导流孔，内缸筒中置于活塞，该活塞下端与外缸筒导通；所述减振器缸筒和整流阀通过缸筒上端法兰与整流阀下端法兰相连；电磁阀通过螺栓与整流阀上端相连；电磁阀控制单元通过导线分别与压力传感器和电磁阀相连；压力传感器有两个，其中上腔压力传感器装在所述活塞的上端，下腔压力传感器装在所述外缸筒的下端。

所述减振器缸筒可以由内缸筒和外缸筒组成，且内外缸筒通过螺纹与下端盖连接并密封。

所述整流阀可以由阀座、阀芯）、电磁阀和限位弹簧组成，其中：阀座具有圆柱形的内腔室和四个围绕内腔相互之间由隔板隔开的外腔室组成；阀芯安装于阀座的内腔内，并通过限位孔保证其位置；电磁阀安装于阀座的顶部，其活动铁心穿过整流阀的顶端与阀芯相连接；限位弹簧装于阀芯的限位轴上，用于连接限位轴和阀座下端。

所述四个外腔室中的两个相临的腔室分别有导流孔，它们与减振器缸筒的内腔和外腔相通；另两个外腔室不与减振器缸筒相通，但具有与外部液压回路相通的导流孔，外腔室与内腔室有导流孔相通。

所述外腔室与内腔室之间的导流孔遵从一定的几何关系，以保证阀芯处于不同工况下实现整流；将导流孔分别记为i1、i2、o1、o2、u1、u2、u3、d1和d2；所述一定的几何关系是指通过位于不同工况的阀芯，能够实现两组不同导流孔的导通和封闭，以实现整理阀的整流。即，i1和d2孔的中心轴在同一平面，i2和u2孔的中心轴在同一平面，o2和u3孔的中心轴在同一平面，o1和d1孔的中心轴在同一平面，各中心轴在同一平面的导流孔可以通过阀芯的作用同时导通或关闭。

所述阀芯可以为阶梯状轴，其分为凸起、凹槽和限位轴，其上下移动时，实现了对不同工况下油路的导流；阀芯内有垂直于阀芯端面且上下导通的流道，保证整流阀上下压力平衡；其凸起的尺寸保证阀芯与阀座的密封，能够关闭中心轴在同一平面的导流孔，但不影响其相邻平面上的导流孔导通；凹槽的尺寸保证单次只能导通限位轴位于同一平面的导流孔。

本发明与现有技术相比具有以下主要优点：

其一，能依靠电磁阀对液体流向进行精确控制，阀芯依靠电磁铁主动进行切换，避免了液体在冲击机械单向阀时的能量损失。

其二，阀芯运动方向与液流方向相垂直，避免了高压液体对阀芯驱动部分的冲击，减少了阀芯损坏的可能性。

其三，整流阀组成简单，便于拆卸和维修。

其四，可以依靠控制算法，控制整流阀切换的正时时间，实现对选择阻尼的控制。

总之，本发明结构简单，便于检修，工作可靠；通过电磁阀的精确控制，可以实现对液体的整流，保证液电馈能减振器正常稳定的工作。

附图说明

图1是本发明液电馈能减振器电控整流阀的基本工作原理图。

图2是本发明液电馈能减振器电控整流阀与减振器装配的结构示意图。

图3是图2的A-A剖视图。

图4是整流阀的左视图

图5是图4的B-B剖视图。

图6是本发明液电馈能减振器电控整流阀在压缩行程时的半剖视图，即工况一。

图7是图6的C-C剖视图。

图8是本发明液电馈能减振器电控整流阀在压缩行程时的半剖视图，即工况二。

图9是图8的C-C剖视图。

图10是本发明液电馈能减振器电控整流阀的控制策略图。

图11是AMESIM仿真模型。

图12是仿真实验阻尼力的特性。

图13是仿真实验马达转速特点。

图中：1.减振器缸筒；2.整流阀；3.外缸筒；4.内缸筒；5.活塞；6.活塞杆；7.连接叉杆；8.下端盖；9.阀座；10.阀芯；12.电磁阀；13.上腔压力传感器；14.下腔压力传感器；15.电磁阀控制单元；16.液压管路；17.蓄能器；18.液压马达；19.发电机；20.凸起；21.凹槽；22.整流阀工况一位置；23.整流阀工况二位置；24.限位轴。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

本发明提供的电控整流阀，其用途是：为基于“机电液”一体化的液电馈能减振器专门设计，用于根据减振器的工作要求，依靠传感器采集的上下腔压力信号，判断减振器内液体流动特性，通过控制算法驱动电磁阀控制阀在两种工况中进行转化，对液体流向的整流，保证其输出口的液流方向一致。

本发明提供的车用的液电馈能减振器电控整流阀，参见图1，其工作原理是：通过安装于减振器缸筒活塞上下腔的压力传感器13、14，通过比较活塞上下腔液体压力差，对整流阀的工况22、23进行控制，实现对减振器内液流进行整流，以保证其进（出）口流出（入）的液流方向保持一致，通过液压蓄能器的联合作用，可以驱动液压马达18，带动与液压马达相连的发电机19稳定工作，进行能量回收。

本发明提供的液电馈能减振器电控整流阀，其结构如图1至图5所示：主要由减振器缸筒1，整流阀2，电磁阀12，电磁阀控制单元15和压力传感器组成。所述减振器缸筒1和整流阀2通过缸筒上端法兰与整流阀下端法兰相连；电磁阀12通过螺栓与整流阀上端相连；电磁阀控制单元15通过导线分别与压力传感器和电磁阀相连；压力传感器有两个，其中上腔压力传感器13装在内缸筒的活塞上端，下腔压力传感器装在与活塞下腔相通的外缸筒下端。

所述减振器缸筒1，是吸收和转化车辆振动能量的装置。减振器缸筒1由外缸筒3和内缸筒4组成，在内缸筒4中置有装有活塞杆6的活塞5，车辆的振动驱使活塞5做往复运动，活塞5的往复运动驱动缸筒内液压油的流动，将振动的能量转化成为液压能。电控整流阀2通过法兰盘与外缸筒3连接，保证整流阀2的内腔外壁与内缸筒4的内壁相通且密封。

所述整流阀2由阀座9、阀芯10、电磁阀12和限位弹簧组成，其中：阀座9具有圆柱形的内腔和四个围绕内腔相互之间由隔板隔开的外腔组成，其下端通过法兰盘与缸筒连接。阀芯10安装于阀座的内腔内，并通过限位孔保证其位置。电磁阀12安装于阀座的顶部，其活动铁心穿过整流阀2的顶端与阀芯10相连接。限位弹簧装于阀芯限位轴上，一端与限位轴相连，另一端与阀座相连。

所述整流阀2有两个油孔，与外部液压管路16相连接。

所述整流阀2与外部液压管路按如下方式连接：液压马达18的一端通过蓄能器17与电磁阀12连通，液压马达18的另一端则直接通过液压管路16与电磁阀12连通，发电机19通过联轴器与液压马达18相连。

在车辆减振器拉伸和压缩过程中，电磁阀12可以控制阀芯10的工作位置，使得阀座9中各腔中的孔导通方式不同，从而实现对液体流向的整理。

所述整流阀2的阀座9具有一个圆柱形的内腔，和四个围绕内腔相互之间由隔板隔开的外腔组成。内腔用于放置阀芯，与内缸筒4由一横向隔板隔开；四个外腔中有一个外腔与外缸筒相连（暨与活塞下腔相连），记为d腔；与d腔相临的外腔通过下端的导流孔与内缸筒相连（暨与活塞上腔相连），记为u腔；剩余两个外腔分别通过其外部上的导流孔与液压马达的进出口相连，分别记做i腔和o腔。各腔室之间相互独立，其内壁上分别打有大小相同的导流孔，用于连通各外腔与内腔，腔室内壁上的导流孔分别记为i1、i2、o1、o2、u1、u2、u3、d1和d2；其中i1和d2孔的中心轴在同一平面，i2和u2孔的中心轴在同一平面，o2和u3孔的中心轴在同一平面，o1和d1孔的中心轴在同一平面，各中心轴在同一平面的导流孔可以通过阀芯的作用同时导通或关闭。

所述整流阀2的阀芯10为阶梯状轴，该轴分为凸起20、凹槽21和限位轴24，凸起20的直径相等且等于阀座9的内腔直径，每段凹槽21的直径相等，且保证液体可以在凹槽内正常流动，限位轴24的直径与阀座9的限位孔的直径相等，且小于凹槽21的直径。其中，最靠近限位轴24的凸起的端面上周布有直径小于峰谷轴半径差的导流孔，阀芯10在阀座9内上下极限位置均距离阀座9的一端距离不小于5mm，用于在阀芯10换向时为液体提供缓冲。

连接叉杆7为一种众所周知的减振器与车辆悬架连接用的连接叉杆，具体型号可根据预装车型进行选型。

下端盖8用于连接、固定和密封内外缸筒。下端盖的结构是：其外圈具有外螺纹，用于与外缸体3下端的内螺纹配合，其内圈具有内螺纹，用于与内腔下端的外螺纹配合；其下部具有六角形凸台，便于装配时的加紧与固定；其中央有圆孔，用于限制活塞杆的运动和密封。

所述电磁阀控制单元15为现有技术，主要由压力传感器信号处理电路、控制算法模块和电磁阀驱动模块组成，其中：压力传感器信号处理电路为现有的压力变送器自带，控制算法通过单片机来储存和实现，电磁阀驱动模块也为现有技术。

本发明的工作过程如下：

压缩：压缩行程的阀芯工位如图6至图7所示，当活塞5的向上运动时，通过控制阀芯10使u2、o2、i1和d2孔导通，其他孔闭合，此时，液体流经各孔的顺序为：活塞上腔→u3→u2→o2→o腔外壁孔→液压马达→i腔外壁孔→i1→d2→活塞下腔，完成循环。

拉伸：拉伸行程的阀芯工位如图8至图9所示，由于活塞的向下运动，通过控制阀芯使d1，o1，i2，u1，u2孔导通，其他孔闭合，此时，液体流经各孔的顺序为：活塞下腔→d1→o1→o腔外壁的孔→液压马达→i腔外壁的孔→i2→u2→u3→活塞上腔，完成循环。

本发明的电磁阀12的控制策略如图10所示：电磁阀控制单元15通过上腔压力传感器13和下腔压力传感器14的对活塞5上下腔的压力差进行比较，以判断活塞5的运动方式和液体流动的方向，当活塞5上腔的压力大于活塞5下腔的压力时，电磁阀12打开，电磁阀12控制整流阀的阀芯10处于整流阀工况一上位22处，液体按箭头方向流经液压马达18；当活塞5上腔的压力小于活塞5下腔的压力时，电磁阀12关闭，由于复位弹簧的作用，阀芯10处于整流阀工况二下位23处，液体按照箭头的方向流经液压马达。

图11为本发明的AMEsim环境下的仿真模型，运用AMEsim液压库中的液压缸、阀芯阀体、蓄能器、液压马达、蓄能器、液压管路以及AMEsim仿真库中的元件来模拟减振器的控制算法。相关实验数据均在理想状态下获得，仿真实验表明了本发明在国家标准要求下，1.67Hz，50mm正弦激励下的特性。

图12为本发明的整流效果图，如图12所示，该整流阀可以驱动液压马达以相对稳定的转速（约400rev/min）进行稳定的工作。

图13为采用本发明的液电馈能式减振器的阻尼力特性，由图所示，安装该整流阀的减振器能够提供相对稳定的阻尼力（约2000N）。

Claims (7)

1.一种液电馈能减振器电控整流阀，其特征是主要由减振器缸筒（1）、整流阀（2）、电磁阀（12）、电磁阀控制单元（15）和压力传感器组成，其中：减振器缸筒（1）具有内缸筒和外缸筒，并与整流阀有各自联通的导流孔，内缸筒中置于活塞，该活塞下端与外缸筒导通；所述减振器缸筒和整流阀通过缸筒上端法兰与整流阀下端法兰相连；电磁阀（12）通过螺栓与整流阀（2）上端相连；电磁阀控制单元（15）通过导线分别与压力传感器和电磁阀相连；压力传感器有两个，其中上腔压力传感器（13）装在所述活塞的上端，下腔压力传感器装在所述外缸筒的下端。

2.根据权利要求1所述的液电馈能减振器电控整流阀，其特征在于所述减振器缸筒由内缸筒和外缸筒组成，且内外缸筒通过螺纹与下端盖（8）连接并密封。

3.根据权利要求1所述的液电馈能减振器电控整流阀，其特征在于所述整流阀（2）由阀座（9）、阀芯（10）和限位弹簧组成，其中：阀座（9）具有一个圆柱形的内腔，和四个围绕内腔相互之间由隔板隔开的外腔；阀芯（10）安装于阀座的内腔内，并通过限位孔保证其位置；限位弹簧装于阀芯的限位轴上，用于连接限位轴和阀座下端。

4.根据权利要求3所述的液电馈能减振器电控整流阀，其特征在于所述四个外腔室中的两个相临的腔室分别有导流孔，它们与减振器缸筒的内腔和外腔相通；另两个外腔室不与减振器缸筒（1）相通，但具有与外部液压回路相通的导流孔，外腔室与内腔室有导流孔相通。

5.根据权利要求4所述的液电馈能减振器电控整流阀，其特征在于所述外腔室与内腔室之间的导流孔遵从一定的几何关系，以保证阀芯处于不同工况下实现整流；所述一定的几何关系是指通过位于不同工况的阀芯，能够实现两组不同导流孔的导通和封闭，以实现整流阀的整流。

6.根据权利要求3所述的液电馈能减振器电控整流阀，其特征在于所述阀芯（10）为阶梯状轴，其分为凸起、凹槽和限位轴，其上下移动时，实现了对不同工况下油路的导流；阀芯内有垂直于阀芯端面且上下导通的流道，保证整流阀上下压力平衡；其凸起的尺寸保证阀芯与阀座的密封，能够关闭中心轴在同一平面的导流孔，但不影响其相邻平面上的导流孔导通；凹槽的尺寸保证单次只能导通限位轴位于同一平面的导流孔。

7.根据权利要求1所述的液电馈能减振器电控整流阀，其特征在于所述的电磁阀（12）安装于阀座的顶部，其活动铁心穿过整流阀（2）的顶端与阀芯（10）相连接。