CN103711827A

CN103711827A - 一种惯容器与阻尼器并联的油气弹簧装置

Info

Publication number: CN103711827A
Application number: CN201410004436.8A
Authority: CN
Inventors: 陈龙; 蒋涛; 张孝良; 汪若尘; 沈钰杰
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2014-01-06
Filing date: 2014-01-06
Publication date: 2014-04-09

Abstract

本发明公开了一种惯容器与阻尼器并联的油气弹簧装置，包括单气室油气弹簧和液压马达。本发明的油气弹簧装置中的液压缸与气体弹簧是串联的一体式结构，能够缓冲和衰减来自路面高频段的冲击与振动。当来自车身和地面的外力沿减振器轴向方向施加于工作缸内活塞杆时，活塞相对于缸体作直线运动，液压缸上下两腔形成压差，工作油液通过阻尼阀，液压马达和气体弹簧，实现了惯容器功能的同时，结合机电模拟理论，达到惯容器与阻尼器并联后与气体弹簧串联的效果。该装置能够在全频域范围内对来自路面不平引起的冲击和振动进行缓冲和衰减，结构紧凑，布置灵活，具有一定的工程应用价值。

Description

一种惯容器与阻尼器并联的油气弹簧装置

技术领域

本发明涉及一种油气弹簧装置，特指一种惯容器与阻尼器并联后与气体弹簧串联的油气弹簧装置。

背景技术

近年来，机电一体化成为科技发展的一个重要方向。现在主要采用的是以力与电流相似，速度与电压相似为基础，建立起机械系统的质量、阻尼和弹簧元件分别与电路系统的电容、电阻和电感元件相对应的机电模拟理论。由于机械系统的质量元件实际上和一端接地的电容对应，造成了机械网络与电路网络的不完全对等。从而，机电模拟理论在运用上收到极大的限制。

针对该现象，一种名为惯容器的机械装置应运而生。这种装置不需要以惯性坐标系为参考系，是一种真正的两端点元件，它两端的受力正比于相应两端的加速度，其比例常数称为“惯质系数”，单位为千克。其动力学表达式为

Figure 2014100044368100002DEST_PATH_IMAGE002

，F为两端点所受到的一对力；b为惯质系数；v₂和v₁为两端点相应的速度。

由于惯容器能够改善汽车的操作稳定性和轮胎接地性能，协调平顺性和操作稳定性，提高车辆乘坐舒适性、系统动态性能稳定性，且具有实现方法多样，以及空间布置灵活等特点，现已研究用于汽车悬架系统、车辆转向系统、火车悬架系统、建筑物防震系统以及动力吸振装置等。

油气弹簧是一种技术先进、性能优良的车辆悬架技术，它将液压和气压传动控制技术与悬架技术融合在一起，是应用在特种车辆和大型车辆减振系统的关键技术之一，能够提高车辆行驶平顺性和操作稳定性、减少动载荷引起零部件损坏。

油气弹簧是以惰性气体氮气作为弹性介质，以油液作为传力介质的悬挂系统。它是将油和气结合，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，同时又利用液压的不可压缩性实现较为准确的运动和力的传递，将传统悬架的弹性组件和减振器功用基于一体，体积小质量轻，结构紧凑，易于布置，不需要消耗能量。油气弹簧的形式有单气室、双气室以及两级压力式等。单气室油气弹簧又分油气分隔式和油气不分隔式两种。

中国专利201210426429.8公开了一种一体式油气弹簧装置，其是在油气弹簧阻尼工作缸中同轴设置滚珠丝杠式惯容器工作腔，实现了惯容器、阻尼器、气体弹簧三元件并联的结构，虽然该装置能够有效缓冲和衰减来自路面低频段的冲击与振动，但无法缓冲和衰减来自路面高频段的冲击与振动，且滚珠丝杠式惯容器存在成本较高、加工不易，须考虑摩擦力等非线性因素等问题。中国专利200810123830.8公开了一种液力惯容器装置，该装置由液压缸，高压软管和质量块组成，在车辆的应用中需要与阻尼装置并联，以避免惯容器被击穿，同时工作空间大，布置不灵活。

因此，工程上迫切需要一种结构简单、布置灵活，集惯容器与油气弹簧一体的悬架装置，实现在全频域范围内对来自路面不平引起的冲击和振动进行缓冲和衰减，同时能够解决机械式惯容器背隙和承载能力有限的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为了克服机械式惯容器装置的背隙和承载能力有限的缺点，以及只能够缓冲和衰减来自路面低频段范围内冲击与振动的局限，提供一种集惯容器与油气弹簧一体的装置，实现惯容器能够承受高负荷、提供高惯质系数，同时实现在全频域范围内对来自路面不平引起的冲击和振动进行缓冲和衰减。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：油气弹簧可以将传统悬架的弹性组件和减振器功用集于一体，同时液压式惯容器能够承受高负荷，实现高惯质系数。充分利用油气弹簧液压缸中的油液，将减振器阻尼阀安装在高压软管B中，在液压缸内实现减振器功能；气室的下半球室与液压缸直接连通，上半球室中的高压氮气实现了弹簧功能；将液压马达通过高压软管A和高压软管B分别与油气弹簧中的液压缸上、下壁上的小孔连接，运用液压马达装置能量转换的特点，在马达上安装飞轮，实现液压式惯容器功能。本装置采用的油气弹簧为单气室油气分隔式，橡胶油气隔膜可将气体与油液分隔开，防止乳化现象；液压缸与防护罩、高压软管之间采用密封装置连接，同时气体弹簧的保护，能够防止工作液压缸油液泄漏。

油气弹簧装置中的液压缸与气体弹簧是串联的一体式结构，惯容器与阻尼器共用一个液压缸，采用惯容器与阻尼器并联后与气体弹簧串联的结构布置简单可行，比较容易在车辆悬架中实现。

本发明的有益效果是，将液压式惯容器运用于油气弹簧悬架设计，引入液压马达作为能量转换元件，在不改变油气弹簧工作性能以及没有提高车身自重的同时实现增加簧载质量的效果，进而可以提高车辆的行驶平顺性和操纵稳定性；结合机电模拟理论，元件惯容器具有“通高频，阻低频”的特性，可有效衰减低频振动，元件弹簧具有“通低频，阻高频”的特性，可有效衰减高频振动，采用在车辆工程应用中较为可行也易于实现的惯容器与阻尼器并联后与气体弹簧串联结构，能够在全频域范围内对来自路面不平引起的冲击和振动进行缓冲和衰减，同时能够克服车辆底盘内布置空间的局限性，也便于在车辆工程领域的制造与应用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是一种惯容器与阻尼器并联的油气弹簧装置的示意图。

图2是车身加速度功率谱密度对比图。

图3是轮胎动载荷功率谱密度对比图。

图4是悬架动行程功率谱密度对比图。

图中，1. 气室，2. 隔膜，3. 液压缸，4.阻尼工作腔，5.活塞，6. 工作缸下腔，7. 活塞杆，8. 防护罩，9.阻尼阀，10. 高压软管B，11. 液压马达，12. 高压软管A，13. 下半球室，14.上半球室。

具体实施方式

图1所示为一种惯容器与阻尼器并联的油气弹簧装置，包括气体弹簧工作部分、惯容器工作部分、阻尼工作部分以及外保护部分。气体弹簧工作部分包括气室1、上半球室14、下半球室13以及橡胶油气隔膜2，橡胶油气隔膜2将气室1分为上半球室14和下半球室13，上半球室14内充满弹性介质氮气，下半球室13内充满传力介质油液，气室1固定于液压缸3上端；惯容器工作部分包括液压马达11、高压软管A12和高压软管B10，液压马达11通过高压软管A12和高压软管B10与阻尼减振器工作缸上腔4和工作缸下腔6的上、下壁的小孔相连；阻尼工作部分包括阻尼阀9、活塞5、活塞杆7、液压缸3，活塞5将液压缸3分为工作缸上腔4和工作缸下腔6，在工作缸上腔4上壁和工作缸下腔6下壁分别开有小孔，工作缸下腔6通过减振器阻尼阀9与高压软管B10连通，工作缸上腔4与下半球室13连通；外保护部分包括防护罩8和液压缸3，防护罩8通过密封结构固定于液压缸3下端。

下面结合该装置的工作过程来进一步说明：高压软管B10中的减振器阻尼阀9正常工作，高压软管A12、高压软管B10以及液压马达11可独立发挥惯容器功用，活塞杆7与气室1各为两个端点。在工作过程中，两端点发生压缩或拉伸运动，同时活塞杆7推动或拉伸活塞5沿缸直线运动，油液通过高压软管A12、B10，从液压缸3流经液压马达11，实现了惯容器的功能；油液流经阻尼阀9并且推动橡胶油气隔膜2改变了上半气室14中氮气压力，该过程实现了惯容器与阻尼器并联后与气体弹簧串联的工作效果。

本发明充分利用工作油液，工作缸下腔充满油液与液压马达相通，区别于传统油气弹簧工作下腔由活塞导向缸组成；同时本发明充分利用油气弹簧中的气体弹簧，可以缓冲和衰减来自路面高频段的冲击与振动，且能防止工作油液高温时液压缸和液压马达漏油，区别于普通惯容器与阻尼器并联装置。

在车辆工程应用中悬架弹簧的布置具有较大的灵活性，通过利用钢板弹簧等弹性元件，在本发明结构上并联一个外保护弹簧，并对该结构与中国专利201210426429.8三元件并联结构及传统悬架结构进行频域仿真对比分析，结果见图2、图3及图4。

由图可知本发明的一种集惯容器与油气弹簧一体装置，能够在全频域范围内对来自路面不平引起的冲击和振动进行缓冲和衰减，而中国专利201210426429.8公开的一种一体式油气弹簧装置，虽然能够有效缓冲和衰减来自路面低频段的冲击与振动，但无法缓冲和衰减来自路面高频段的冲击与振动。

综上所述，本发明将惯容器结构运用到油气弹簧悬架的设计当中，实现了惯容器与阻尼器并联后与气体弹簧串联的结构，该装置采用液压式惯容器，能够承受高负荷、提供高惯质系数，通过机电模拟理论对机械网络结构作进一步参数的改进，能够在全频域范围内对来自路面不平引起的冲击和振动进行缓冲和衰减，有效的改进了传统被动悬架的工作性能，此外还能防止工作油液高温时液压缸漏油现象。总体上，该结构且便于在车辆底盘中的布置和应用，也有利于车辆工程领域的设计和制造，具有一定的工程应用价值。

Claims

1.一种惯容器与阻尼器并联的油气弹簧装置，其特征在于：包括气体弹簧工作部分、惯容器工作部分、阻尼工作部分以及外保护部分，所述气体弹簧工作部分包括气室（1）、上半球室（14）、下半球室（13）以及隔膜（2），所述气室（1）为球状，所述隔膜（2）将气室（1）分为上半球室（14）和下半球室（13），所述上半球室（14）内充满弹性介质，下半球室（13）内充满传力介质；所述惯容器工作部分包括液压马达（11）、高压软管A（12）和高压软管B（10），所述阻尼工作部分包括阻尼阀（9）、活塞（5）、活塞杆（7）、液压缸（3），所述活塞（5）将液压缸（3）分为工作缸上腔（4）和工作缸下腔（6），在工作缸上腔（4）侧壁和工作缸下腔（6）侧壁分别开有小孔；所述液压马达（11）为双向变量液压马达，液压马达（11）一端通过高压软管A（12）与阻尼减振器工作缸上腔（4）侧壁上的小孔相连，另一端通过高压软管B（10）与阻尼减振器工作缸下腔（6）侧壁上的小孔相连；所述气室（1）固定于液压缸（3）上部，所述工作缸上腔（4）与下半球室（13）连通；所述减振器阻尼阀（9）将工作缸下腔（6）与高压软管B（10）之间的传力介质连通；外保护部分包括防护罩（8）和液压缸（3），所述防护罩（8）固定在液压缸（3）下部；所述活塞杆（7）一端连接活塞（5），另一端从防护罩（8）下方伸出。

2.根据权利要求1所述的一种惯容器与阻尼器并联的油气弹簧装置，其特征在于：所述上半球室（14）内充满的弹性介质为氮气，下半球室（13）内充满的传力介质为油液。

3.根据权利要求1或2所述的一种惯容器与阻尼器并联的油气弹簧装置，其特征在于：所述上半球室（14）和下半球室（13）之间的隔膜为橡胶油气隔膜。

4.根据权利要求1或2所述的一种惯容器与阻尼器并联的油气弹簧装置，其特征在于：所述液压缸（3）与防护罩（8）采用密封结构连接。