CN104401198A - 液压式车辆主动悬架系统 - Google Patents
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Abstract
液压式车辆主动悬架系统属于车辆底盘技术；所述悬架系统主要由液压泵、节流阀、两位三通电磁换向阀、单向节流阀、两位两通电磁球阀、两位两通比例方向阀、减振液压缸、溢流阀及油箱依次串接构成闭环液压系统，所述两位三通电磁换向阀与单向节流阀的连接端同时与系统供油压力检测线路连接，导线将控制单元分别与加速度传感器、位移传感器、两位三通电磁换向阀、两位两通电磁球阀、两位两通比例方向阀A、两位两通比例方向阀B连接；本系统产生相应的主动力实现主动控制和连续控制，减缓因路面不平和车辆重量增减引起的振动，结构简单合理，控制器件对操作环境要求低，可靠性高，制造价格和使用成本低廉，降低液压油消耗，提高燃油经济性。
Description
技术领域
本发明属于车辆底盘技术领域，主要涉及一种可明显改善车辆的乘车舒适性和操作稳定性的液压主动悬架系统。
背景技术
悬架是现代汽车上的重要总成之一，将车身与车轴(或车轮)弹性的连接起来。其主要任务是传递作用在车轮和车身之间的一切力和力矩，从而缓和路面传给车身及驾驶员的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，保证了汽车的行驶平顺性及操纵稳定性。悬架系统性能的好坏对汽车的行驶能力、操纵性能、安全性等方面均有很大的影响，因此悬架一直是汽车设计人员关注的问题之一。目前市场上大多采用传统被动悬架，被动悬架的刚度和阻尼系数是按经验和优化方法确定的，一经确定将无法随着路面情况的变化自动调节，限制了汽车平顺性和道路友好性的提升空间。
为了克服这些缺陷，1954年通用汽车公司的Federspiel Labrose在悬架设计中提出了主动悬架的概念。主动悬架是采用有源或无源可控元件组成一个闭环或开环的控制系统，一个力发生器取代了被动悬架中的减振器或在被动悬架弹性元件和阻尼元件的基础上加一个主动装置，根据车辆系统的状态和外部输入信息的变化(路面激励)作出反应，主动地输出和调整所需的控制力，实时改变悬架阻尼系数与刚度，从而在较大范围内有效地控制车身加速度幅值波动范围；降低路面凹凸不平引起的加速度变化和车身急剧跳动对乘员的影响；减少汽车行驶时的车身姿态变化(如侧倾、纵摆、点头、后蹲等)。液压式主动悬架系统是由减振液压缸作为悬架执行器液压缸，通过合理的设计形成可实现主动实时控制的液压闭环系统，可根据车辆的振动状态改变减振液压缸产生相应的作用力、方向及速度，最终改善车辆的舒适性和平稳性。近年来，主动悬架执行系统及其控制系统的研究和开发是车辆动力学领域的国际性前沿课题。国内的主动悬架目前并没有实现产业化，现有的主动液压式悬架系统较多的是磁流变式减振系统，这种系统较适用于自重较小、道路工况较好的乘用车上，节能方面能力有限。专利WO 2004/060702 A1中公开了一种液压式主动悬架系统，该系统只解决了车辆遇到颠簸路面的振动情况，对于由车辆上重量发生变化引起的车身姿态的变化问题未能解决，并且采用液压伺服阀作为液压系统的控制阀导致整个液压系统价格昂贵，操作环境要求高等缺点；然而专利US6575484 B2中公布了一种只解决了由于车身上重量发生变化一起的车身姿态的变化问题忽略了路面颠簸情况；在专利US6394238 B1中提到了两个系统虽然考虑到重量增量和路面颠簸两种振动情况，但是均存在着各自的问题，US6394238 B1图5中的系统并未将减振液压缸的无杆腔和有杆腔通过控制阀直接连通，而是在减振液压缸的活塞处安装单向阀和节流阀，这样的设计只能允许来自系统的液压油进入无杆腔，而有杆腔的液压油只能进入无杆腔，不能与外部直接连通，导致不易实现实时可调的主动控制；US6394238 B1主要介绍的系统是在图5的基础上进行了改进，将减振液压缸通过单向节流阀和溢流阀并联构成的复合阀将无杆腔和有杆腔直接连接，但该复合阀对流量控制不够精准，并且在这两个专利中的回路同样存在结构复杂等问题，大大降低了悬架系统的可靠性；在《Vehicle Simulation for theDevelopment of an Active Suspension System for an Agricultural Tractor》论文中提到的液压悬架系统虽然解决了上述两种振动情况同时选择设计的各个阀较准确，但在液压系统的设计上存在问题，不能构成完整的回油管路。
发明内容
针对上述主动悬架的缺陷，本发明提供一种结构简单、对执行器要求较低、性能可靠、适应能力强的液压式车辆主动悬架系统，该系统既可以调节由于载荷变化引起的车身波动，又可以改善因凹凸复杂路面引起的振动，尤其适用于大型轮式拖拉机及工程车辆。
本发明的目的是这样实现的：液压式车辆主动悬架系统由液压泵、节流阀、两位三通电磁换向阀、单向节流阀、两位两通电磁球阀、两位两通比例方向阀、减振液压缸、溢流阀及油箱依次串接构成闭环液压系统，所述液压泵的出油口经节流阀与两位三通电磁换向阀一端连接，所述两位三通电磁换向阀的另一端分别与单向节流阀进油口和回油管路一端连接，回油管路的另一端与油箱的回油口连接，所述单向节流阀的出油口与两位两通电磁球阀连接，所述两位两通比例方向阀的一端与两位两通电磁球阀和蓄能器连接，其另一端与减振液压缸的无杆腔连接，所述溢流阀将减振液压缸的有杆腔与油箱的回油口连接，两位两通比例方向阀将所述无杆腔与有杆腔直接连通，且有杆腔的面积小于无杆腔的面积，两位两通比例方向阀与有杆腔连通的一端同时与溢流阀连通连接，两位两通比例方向阀的另一端与两位两通比例方向阀的一端连接，截止阀将有杆腔与油箱的回油口直接连接，所述的无杆腔与车身连接，有杆腔与车轴连接，在车身和车轴之间连接位移传感器，在车身上连接加速度传感器，所述两位三通电磁换向阀与单向节流阀的连接端同时与系统供油压力检测线路连接，导线将控制单元分别与加速度传感器、位移传感器、两位三通电磁换向阀、两位两通电磁球阀、两位两通比例方向阀A及两位两通比例方向阀B连接。
本发明的特点：
(1)液压减振系统的反馈调节，产生相应的主动力实现主动控制，改变因凹凸不平的路面和车辆增减重量引起的振动情况，实现实时连续控制；
(2)系统结构简单，执行器件对操作环境要求低，且提高了整个系统的可靠性；
(3)价格低廉，选择价格便宜又可随着路况的变化做出相应流量及方向变化的比例阀，在整个液压系统在处理车辆振动过程中，需要由泵提供液压油的次数较少，大大降低了液压油的消耗，提高燃油经济性，减少了系统的成本；
(4)由于作用于液压缸的液压油产生的压力很大，这样对于振动的控制相较于其他系统更加容易实现；尤其适合于工程车辆、军用越野车辆等行驶工况恶劣以及商用车、高速列车等自重较大的车辆，明显提高乘坐舒适性及操作稳定件。
附图说明
图1是液压式车辆主动悬架系统总体结构示意图
图中件号说明：1液压泵2系统压力检测线路3节流阀4两位三通电磁换向阀5单向节流阀6两位两通电磁球阀7蓄能器8两位两通比例方向阀A9控制单元10加速度传感器11车身12位移传感器13无杆腔14减振液压缸15有杆腔16车轴17两位两通比例方向阀B18截止阀19溢流阀20回油管路21油箱
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细介绍。
一种液压式车辆主动悬架系统，所述悬架系统由液压泵1、节流阀3、两位三通电磁换向阀4、单向节流阀5、两位两通电磁球阀6、两位两通比例方向阀A8、减振液压缸14、溢流阀19及油箱21依次串接构成闭环液压系统，所述液压泵1的出油口经节流阀3与两位三通电磁换向阀4一端连接，所述两位三通电磁换向阀4的另一端分别与单向节流阀5进油口和回油管路20一端连接，回油管路20的另一端与油箱21的回油口连接，所述单向节流阀5的出油口与两位两通电磁球阀6连接，所述两位两通比例方向阀A8的一端与两位两通电磁球阀6和蓄能器7连接，其另一端与减振液压缸14的无杆腔13连接，所述溢流阀19将减振液压缸14的有杆腔15与油箱21的回油口连接，两位两通比例方向阀B17将所述无杆腔13与有杆腔15直接连通，且有杆腔15的面积小于无杆腔13的面积，两位两通比例方向阀B17与有杆腔15连通的一端同时与溢流阀19连通连接，两位两通比例方向阀B17的另一端与两位两通比例方向阀A8的一端连接，截止阀18将有杆腔15与油箱21的回油口直接连接，所述的无杆腔13与车身11连接，有杆腔15与车轴16连接，在车身11和车轴16之间连接位移传感器12，在车身11上连接加速度传感器10，所述两位三通电磁换向阀4与单向节流阀5的连接端同时与系统供油压力检测线路2连接，导线将控制单元9分别与加速度传感器10、位移传感器12、两位三通电磁换向阀4、两位两通电磁球阀6、两位两通比例方向阀A8及两位两通比例方向阀B17连接。
使用时，在车身11与车轴16之间通过液压式车辆主动悬架系统相互连接。
当车辆上载重增加时，车身11的向下垂直加速度明显增加，以某一载重下车辆处于平衡状态时的车轴16高度为参照物，车身11将产生向下的瞬时运动，导致减振液压缸14里的活塞杆相对于减振液压缸14上升，减振液压缸14瞬间处于压缩状态，为了避免车身11发生振动，应将车身11上升至原平衡位置，需液压泵1提供液压油进入减振液压缸14的无杆腔13达到这一运动状态。整个运动过程如下：当加速度传感器10检测到车辆方向向下的加速度的信号，将此信号传递给控制单元9，控制单元9将此信号处理转换成电信号，控制悬架系统的两位三通电磁换向阀4的电磁铁1DT得电换向，两位两通比例方向阀B17的4DT得电换向，其余阀保持断电状态；此时系统供油压力检测路线2向车辆自身的液压系统传递信号让车辆上的液压泵1提供
相应的液压油，液压油从液压泵1的出油口经节流阀3、两位三通电磁换向阀4、单向节流阀阀5、两位两通电磁球阀6、两位两通比例方向阀A8流入减振液压缸14的无杆腔13中，有杆腔15排出的液压油经过两位两通比例方向阀B17流入无杆腔13，活塞杆在减振液压缸14中做拉伸运动，减振液压缸14相对于活塞上升，最终快速提升车身11，达到恢复车身11到原来的平衡位置的目的；当车身11与车轴16两者之间的距离恢复到最初平衡间距时，位移传感器12检测到间距信号，将信号传递给控制单元9，控制单元9断开两位三通电磁换向阀4及两位两通比例方向阀阀B17，当两位三通电磁换向阀4电磁阀1DT处于断电状态时，两位三通电磁换向阀4连接系统供油压力检测线路2一端的压力，通过回油管路20减小，对检测到系统压力信号不会造成不良影响。
同样，当车辆上载重减少时，产生向上的垂直加速度，车身11瞬间远离平衡位置，减振液压缸14处于拉伸状态。加速度传感器10将检测到的信号传递给控制单元9，再由控制单元9控制两位两通电磁球阀6和两位两通比例方向阀A8的电磁铁2DT和3DT得电换向，使无杆腔13排出一些液压油，排出的一部分液压油经过两位两通比例方向阀B17进入有杆腔15，多余的液压油通过两位两通比例方向阀A8、两位两通电磁球阀6、单向节流阀5、两位三通电磁换向4、回油管路20流回油箱，减振液压缸14相对于活塞杆下降，做压缩运动直到车身11恢复原来的平衡位置为止，当车身11恢复到原平衡位置后，控制单元9同加速度增加时所述过程的控制各个阀断电停止运动。
当车辆行驶在一个颠簸路面时，载荷平衡系统不起作用，本发明的液压减振系统起到隔振器的作用。当车辆行驶在一个凹凸的路面时，车轴16相对于车身11上下运动。当车辆行驶在一个凸起的路面情况下，车轴16及活塞杆将产生一个方向向上的瞬时加速度，为了满足车身11不受到由凸起路面引起的瞬时加速度的影响，抑制在垂直方向上发生振动，让车身11仍处于原来的平衡位置这一要求，活塞杆相对于减振液压缸14应做压缩运动。整个运动过程如下：控制单元9根据加速度传感器10检测到的信号，令两位两通比例方向阀A8的电磁铁3DT得电，此时由于凸起路面的作用车轴16将产生一个方向向上的力推着活塞杆相对于减振液压缸14向上运动，使无杆腔13的液压油经过两位两通比例方向阀B17进入有杆腔15，减振液压缸14处于压缩状态。虽然车轴16产生向上的垂直运动但是通过液压系统的作用保证了车身11仍然处于平衡位置，不受到凸起路面的影响。由于有杆腔15的面积小于无杆腔13的面积，无杆腔13排出的多余液压油经两位两通比例方向阀A8流入蓄能器7当中。
和上述过程相似，当车辆行驶在一个凹陷路面时，车轴16及活塞杆将产生一个方向向下的瞬时加速度，为了保证车身11仍处于最初的平衡状态，不会因为地面凹陷的影响受到向下的振动颠簸，活塞杆相对于减振液压缸14应做拉伸运动，控制单元9输出电信号令两位两通比例方向阀B17的电磁铁4DT得电换向，车轴16由于凹陷产生方向向下的瞬时运动将拉着活塞杆相对于减振液压缸14伸出，由于这一运动使有杆腔15排出液压油，液压油经两位两通比例方向阀B17流入无杆腔13中。同样，由于无杆腔13的面积大于有杆腔15的面积，因此有杆腔15排出的液压油不能满足无杆腔13所需的液压油，这时蓄能器7将释放储存的液压油流入减振液压缸14的无杆腔13中，此时减振液压缸14处于拉伸状态。当活塞杆伸出距离等于因凹陷路面引起的车轴16下降的间距，保证车身11仍处于原平衡位置后，位移传感器12将信号传递给控制单元9断开两位两通比例方向阀B17的电磁铁4DT，完成这一运动过程。
所述的两位两通比例电磁阀A8及B17在上述载重平衡系统和隔振系统中，通过控制单元9按照控制规律处理后的电信号，根据当时的路况信息及车辆状态改变液压系统中流量的大小及方向，使液压减振系统产生相应大小及方向的控制力满足车辆对悬架系统的要求。
无论车辆处于载荷变化还是颠簸行驶的过程中，由于两位两通比例方向阀对方向和流量的控制及回路中的反馈作用，可根据载重的增减和路面的凹凸情况，主动输出和调节悬架的控制力以实现对车辆振动的控制。
Claims (1)
1.一种液压式车辆主动悬架系统，其特征在于：所述悬架系统由液压泵(1)、节流阀(3)、两位三通电磁换向阀(4)、单向节流阀(5)、两位两通电磁球阀(6)、两位两通比例方向阀A(8)、减振液压缸(14)、溢流阀(19)及油箱(21)依次串接构成闭环液压系统，所述液压泵(1)的出油口经节流阀(3)与两位三通电磁换向阀(4)一端连接，所述两位三通电磁换向阀(4)的另一端分别与单向节流阀(5)进油口和回油管路(20)一端连接，回油管路(20)的另一端与油箱(21)的回油口连接，所述单向节流阀(5)的出油口与两位两通电磁球阀(6)连接，所述两位两通比例方向阀A(8)的一端与两位两通电磁球阀(6)和蓄能器(7)连接，其另一端与减振液压缸(14)的无杆腔(13)连接，所述溢流阀(19)将减振液压缸(14)的有杆腔(15)与油箱(21)的回油口连接，两位两通比例方向阀B(17)将所述无杆腔(13)与有杆腔(15)直接连通，且有杆腔(15)的面积小于无杆腔(13)的面积，两位两通比例方向阀B(17)与有杆腔(15)连通的一端同时与溢流阀(19)连通连接，两位两通比例方向阀B(17)的另一端与两位两通比例方向阀A(8)的一端连接，截止阀(18)将有杆腔(15)与油箱(21)的回油口直接连接，所述的无杆腔(13)与车身(11)连接，有杆腔(15)与车轴(16)连接，在车身(11)和车轴(16)之间连接位移传感器(12)，在车身(11)上连接加速度传感器(10)，所述两位三通电磁换向阀(4)与单向节流阀(5)的连接端同时与系统供油压力检测线路(2)连接，导线将控制单元(9)分别与加速度传感器(10)、位移传感器(12)、两位三通电磁换向阀(4)、两位两通电磁球阀(6)、两位两通比例方向阀A(8)及两位两通比例方向阀B(17)连接。
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