CN104903128A - 具有能量使用优化的被动和主动悬架 - Google Patents

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Abstract

一种液压致动器，包括减震器和控制系统，控制系统与减震器分离并且产生用于液压致动器的阻尼负载。控制系统通过使用一对可变阀、一对止回阀、蓄集器、泵/马达和流量控制器产生阻尼负载。力在压缩/回弹和主动/被动的全部四个象限中产生。回收由液压致动器产生的能量的装置可被集成到液压致动器中，以产生电能形式的能量。

Description

具有能量使用优化的被动和主动悬架
技术领域
本公开涉及半主动式和主动式悬架系统。更具体地，本公开涉及回收在悬架系统的阻尼期间产生的能量的半主动式和主动式悬架系统。
背景技术
本节提供了与本公开有关的背景信息，这些背景信息不一定是现有技术。
悬架系统被提供用以在车辆行进过纵向不规则的路面时将车身(簧上部分)与车辆的轮和轮轴(簧下部分)过滤或隔离，并用以控制车身和车轮运动。另外，悬架系统还用以保持平均车辆姿态，以在操纵期间促进提高车辆的稳定性。典型的被动悬架系统包括位于车辆的簧上部分和簧下部分之间的弹簧和与弹簧并联的阻尼装置。
液压致动器，诸如减震器和/或支柱，结合传统的被动悬架系统使用以吸收在驾驶期间发生的有害的(unwanted)振动。为吸收该有害振动，液压致动器包括位于液压致动器的压力缸内的活塞。活塞通过活塞杆连接到车辆的簧上部分或车身。由于当活塞在压力缸中移位时，活塞能够将阻尼流体的流动限制在液压致动器的工作室内，液压致动器能够产生抵消悬架振动的阻尼力。活塞对工作室内的阻尼流体的限制程度越大，由液压致动器产生的阻尼力则越大。
近年来，能够提供比传统被动悬架系统改进的舒适性和道路处理能力的汽车悬架系统得到广泛关注。通常，这些改进通过使用能够对由液压致动器产生的悬浮力(suspension forces)进行电子控制的“智能”悬架系统来实现。
在实现被称为半主动式或全主动式悬架系统的理想“智能”悬架系统中，不同的水平是可能的。一些系统基于抵抗活塞运动作用的动态力来控制和产生阻尼力。其它系统基于静态的或者缓慢改变的动态力来控制和产生阻尼力，该阻尼力独立于活塞在压力管中的速度作用在活塞上。另外，更精巧的系统能够在液压致动器的回弹和压缩运动期间产生可变阻尼力，而与活塞在压力管中的位置和运动无关。
在被动式、半主动式和主动式悬架系统中的液压致动器中引起的运动产生能量，并且该能量被耗散为液压致动器的流体和致动器部件的热。
发明内容
本部分提供本公开的概述，而不是本公开的全部范围或其所有特征的全面公开。
本公开为本领域提供了一种系统，该系统捕获在被动式、半主动式或者主动式悬架系统中产生的能量，以便该能量随后可被再利用或者该能量可被转换为诸如电能等的另一形式的能量。
根据在此提供的描述，其它应用领域将变得显而易见。本概述中的描述和具体示例仅旨在用于说明的目的，而非旨在限制本公开的范围。
附图说明
在此描述的附图仅用于例示所选实施例的目的，而非所有可能的实现，并且不旨在限制本公开的范围。
图1是包含有根据本公开的能量采集悬架系统的车辆的概略图；
图2是图1中例示的液压致动器的示意图，例示液压致动器的部件；
图3是图2中例示的液压致动器的示意图，示出液压致动器的半主动压缩模式期间的流体流；
图4是图2中例示的液压致动器的示意图，示出主动压缩操作模式期间的流体流；
图5是图2中例示的液压致动器的示意图，示出液压致动器的半主动回弹模式期间的流体流；
图6是图2中例示的液压致动器的示意图，示出主动回弹操作模式期间的流体流；
图7是根据本公开另一实施例的包含有能量回收系统的液压致动器的示意图；
图8是图7中例示的液压致动器的示意图，示出液压致动器的半主动压缩模式期间的流体流；
图9是图7中例示的液压致动器的示意图，示出主动压缩操作模式期间的流体流；
图10是图7中例示的液压致动器的示意图，示出液压致动器的半主动回弹模式期间的流体流；和
图11是图7中例示的液压致动器的示意图，示出主动回弹操作模式期间的流体流；
在全部附图中的若干图中，相应附图标记表示相应部件。
具体实施方式
现在将参考附图更充分地描述示例性实施例。
以下说明本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本公开、应用或用途。在图1中示出了包含有根据本公开的悬架系统的车辆，该车辆总体上以附图标记10标示。车辆10包括后悬架12、前悬架14和车身16。后悬架12具有横向地延伸的后轴组件(未示出)，该后轴组件适于操作地支撑一对后轮18。后轴借助于一对液压致动器20且通过一对弹簧22附接到车身16。类似地，前悬架14包括横向延伸的前轴组件(未示出)以操作地支撑一对前轮24。前轴组件借助于一对液压致动器26且通过一对弹簧28附接到车身16。液压致动器20和26用于抑制车辆10的簧下部分(即，前悬架12和后悬架14)相对于簧上部分(即，车身16)的相对运动。各个轮18和各个轮24处的传感器(未示出)感测车身16相对于后悬架12和前悬架14的位置和/或速度和/或加速度。虽然车辆10已被描绘为具有前轴组件和后轴组件的客车，但液压致动器20和26可被用于其它类型的车辆，或者用在其它类型的应用中，包括但不限于包括非独立前悬架和/或非独立后悬架的车辆、包括独立前悬架和/或独立后悬架或者本领域中已知的其它悬架系统的车辆。此外，如本文使用的术语“液压阻尼器”意在总体上指代减震器和液压阻尼器，并因此将包括本领域中已知的麦克弗森支柱(McPherson struts)和其它液压阻尼器设计。
参考图2，示意性地例示了液压致动器20中的一个。虽然图2仅例示液压致动器20，但液压致动器26包括以下关于液压致动器20所讨论的相同的部件。液压致动器20和26之间的唯一的不同可能在于液压致动器被附接到车辆的簧上部分和/或簧下部分的方式。
参考图2，液压致动器20包括控制系统30和减震器32。控制系统30包括一对入口阀34和36、控制流体流量和/或压力的一对阀38和40、马达/泵42、流量控制器44和蓄集器(accumulator)46。流量控制器44可以是单个阀组件、多个阀组件或者控制流体流量的任何其它装置。如在图2-6所示，这些部件30-46由多个流体线48彼此流体连接。
减震器32包括具有流体室52的压力管50，流体室52由活塞组件58分成上工作室54和下工作室56。活塞组件58被滑动地接纳在压力管50内，并且活塞组件58包括延伸通过上工作室54且被附接到车辆10的簧上部分的活塞杆60。压力管50被附接到车辆10的簧下部分。活塞组件58还可以包括一对可选的吹泄阀(blow-off valve)62和64。吹泄阀62和64分别限定在减震器32的压缩冲程和回弹冲程期间的活塞组件58上的压降的上限。吹泄阀62和64限制减震器32中的最大压力并因此限制最大力。这保护减震器和车辆免于受损，并且提高在坑洼路面上的舒适性。如后文描述的，在减震器32的正常操作期间，吹泄阀62和64保持闭合，并且活塞组件上方和下方的压力由阀38和40控制。
由减震器32的回弹冲程和压缩冲程产生的活塞组件上方和下方的压力限定减震器32产生的力。阀38和40是快速切换自适应阀，能够针对任何给定流率产生宽范围的流量和/或压降。由于马达/泵42和流量控制器44，通过阀38和40的流量不依赖于活塞组件58在压力管50中的速度。这使阻尼力能够不仅在减震器32的力-速度曲线的半主动象限中产生，而且在主动象限中产生。
参考图3，例示了减震器32的半主动压缩模式中的流体流。当活塞组件58沿压缩方向(图3中向下的方向)以给定速度移动时，通过在阀38上形成压降可产生可变的半主动压缩力。随着活塞组件58将阻尼流体推出下工作室56，流体流入阀40中。同时，阻尼流体通过入口阀34被抽吸到上工作室54中。流体的杆体积流流入蓄集器46中。上工作室54中的压力将与蓄集器46中的压力相同，或略小于蓄集器46中的压力。在本示例中，来自马达/泵42的阻尼流体流可由流量控制器44朝向阻尼压力较低的上工作室54引导，以增加上工作室54中的压力并且优化能量消耗，或者由流量控制器44朝向下工作室56引导以在下工作室56中达到更高的压力。这些流动在图3中以箭头70例示。
参考图4，例示了减震器32的主动压缩模式中的流体流。当活塞组件58沿压缩方向(图4中向下的方向)以给定速度移动时，能够产生可变的主动回弹力。这意味着减震器32和后悬架12由系统本身主动地推动压缩。为实现这一点，当活塞组件58将阻尼流体抽吸到上工作室54中时，在阀38上必须保持压降。这通过将阻尼流体流从马达/泵42引导通过流量控制器44进入上工作室54实现。只要来自马达/泵42的阻尼流体流量高于被抽吸到上工作室54中的阻尼流体的流量，则剩余的被泵送的阻尼流将被推动通过阀38，因此阀38可控制上工作室54中的压力。同时，阻尼流体被推出下工作室56，通过阀40，并进入马达/泵42和蓄集器46中。为优化能量消耗，阀40应被控制以完全打开，使得阀40上的压降为最小。这将确保下工作室56中的压力保持尽可能地低。这些流动在图4中以箭头72例示。
如果活塞组件58没有移动，则可通过将阻尼流体从马达/泵42引导至上工作室54或者下工作室56来产生主动压缩力或者主动回弹力，以补偿例如转弯时的静态车身侧倾。另外，通过关闭马达/泵42并关闭流量控制器44，可由阀38和40中的一者或两者来控制减震器32的阻尼力。
参考图5，例示了减震器32的半主动回弹模式中的流体流。当活塞组件58沿回弹方向(图3中向上的方向)以给定速度移动时，通过在阀38上形成压降可产生可变的半主动回弹力。随着活塞组件58将阻尼流体推出上工作室54，流体流入阀38中。同时，阻尼流体从蓄集器46通过入口阀36被抽吸到下工作室56中。下工作室56中的压力将与蓄集器46中的压力相同，或略小于蓄集器46中的压力。在本示例中，来自马达/泵42的阻尼流体流可由流量控制器44朝向阻尼压力较低的下工作室56引导，以增加下工作室56中的流体压力并且优化能量消耗，或者由流量控制器44朝向上工作室54引导以在上工作室54中达到更高的压力。这些流动在图5中箭头74例示。
参考图6，例示了减震器32的主动回弹模式中的流体流。当活塞组件58沿回弹方向(图4中向上的方向)以给定速度移动时，能够产生可变的主动压缩力。这意味着减震器32和后悬架12由系统本身主动地推动回弹。为实现这一点，当活塞组件58将阻尼流体抽吸到下工作室56中时，在阀40上必须保持压降。这通过将阻尼流体流从马达/泵42引导通过流量控制器44进入下工作室56实现。只要来自马达/泵42的阻尼流体流量高于被抽吸到下工作室56中的阻尼流体的流量，则剩余的被泵送的阻尼流将被推动通过阀40，因此阀40可控制下工作室56中的压力。同时，阻尼流体被推出上工作室54，通过阀38，并进入马达/泵42。为优化能量消耗，阀38应被控制以完全打开，使得阀38上的压降为最小。这将确保上工作室54中的压力保持尽可能地低。来自蓄集器46的流体流将被朝向马达/泵42引导。这些流动在图6中以箭头76例示。
现在参考图7，例示了根据本公开另一实施例的液压致动器120。液压致动器120包括减震器32，包括一对入口阀34和36、一对阀38和40、马达/泵42、流量控制器44和蓄集器46的控制系统30。因此，除了液压致动器120包括可选的能量回收装置122之外，液压致动器120与液压致动器20相同。能量回收装置122包括一对进给阀124和126以及涡轮机/发电机128。涡轮机/发电机128通过进给阀124和126接收来自上工作室54或者下工作室56的阻尼流体。进给阀124和126被布置为使得阻尼流体将取决于工作室54、56哪个处于最高压力而从上工作室54或者下工作室56流出。以此方式，阀38和40均能够通过阻尼流体流过能量回收装置122而被旁通。由此，根据能量回收装置122的控制，能量能够以电力形式被回收。
参考图8，例示了减震器32的半主动压缩模式中的流体流。当活塞组件58沿压缩方向(图8中向下的方向)以给定速度移动时，通过在涡轮机/发电机128上形成压降可产生可变的半主动压缩力。随着活塞组件58将阻尼流体推出下工作室56，流体流过进给阀126流入到涡轮机/发电机128中。同时，阻尼流体通过入口阀34被抽吸到上工作室54中。流体的杆体积流流入蓄集器46中。上工作室54中的压力将与蓄集器46中的压力相同，或略小于蓄集器46中的压力。在本示例中，来自马达/泵42的阻尼流体流可由流量控制器44朝向阻尼压力较低的上工作室54引导，以增加上工作室54中的压力并且优化能量消耗，或者由流量控制器44朝向下工作室56引导以在下工作室56中达到更高的压力。这些流动在图8中以箭头130例示。通过涡轮机/发电机128的流体流将产生电能。
参考图9，例示了减震器32的主动压缩模式中的流体流。当活塞组件58沿压缩方向(图9中向下的方向)以给定速度移动时，能够产生可变的主动回弹力。这意味着减震器32和后悬架12由系统本身主动地推动压缩。为实现这一点，当活塞组件58将阻尼流体抽吸到上工作室54中时，在阀38上必须保持压降。这通过将阻尼流体流从马达/泵42引导通过流量控制器44进入上工作室54实现。只要来自马达/泵42的阻尼流体流量高于被抽吸到上工作室54中的阻尼流体的流量，则剩余的被泵送的阻尼流将被推动通过阀38，因此阀38可控制上工作室54中的压力。同时，阻尼流体被推出下工作室56，通过阀40，并进入蓄集器46中。为优化能量消耗，阀40应被控制以完全打开，使得阀40上的压降为最小。这将确保下工作室56中的压力保持尽可能地低。这些流动在图9中以箭头132例示。
如果活塞组件58没有移动，则可通过将阻尼流体从马达/泵42引导至上工作室54或者下工作室56来产生主动压缩力或者主动回弹力，以补偿例如转弯时的静态车身侧倾。另外，通过关闭马达/泵42并关闭流量控制器44，可由阀38和40中的一者或两者来控制减震器32的阻尼力。
参考图10，例示了减震器32的半主动回弹模式中的流体流。当活塞组件58沿回弹方向(图10中向上的方向)以给定速度移动时，通过在涡轮机/发电机128上形成压降可产生可变的半主动回弹力。随着活塞组件58将阻尼流体推出上工作室54，流体流入涡轮机/发电机128。同时，阻尼流体从蓄集器46和涡轮机/发电机128通过入口阀36被抽吸到下工作室56中。下工作室56中的压力将与蓄集器46中的压力相同，或略小于蓄集器46中的压力。在本示例中，来自马达/泵42的阻尼流体可由流量控制器44朝向阻尼压力较低的下工作室56引导，以增加下工作室56中的流体压力并且优化能量消耗，或者由流量控制器44朝向上工作室54引导以在上工作室54中达到更高的压力。这些流动在图10中以箭头134例示。通过涡轮机/发电机128的流体流将产生电能。
参考图11，例示了减震器32的主动回弹模式中的流体流。当活塞组件58沿回弹方向(图11中向上的方向)以给定速度移动时，能够产生可变的主动压缩力。这意味着减震器32和后悬架12由系统本身主动地推动回弹。为实现这一点，当活塞组件58将阻尼流体抽吸到下工作室56中时，在阀40上必须保持压降。这通过将阻尼流体流从马达/泵42引导通过流量控制器44进入下工作室56实现。只要来自马达/泵42的阻尼流体流量高于被抽吸到下工作室56中的阻尼流体的流量，则剩余的被泵送的阻尼流将被推动通过阀40，因此阀40可控制下工作室56中的压力。同时，阻尼流体被推出上工作室54，通过阀38，并进入马达/泵42。为优化能量消耗，阀38应被控制以完全打开，使得阀38上的压降为最小。这将确保上工作室54中的压力保持尽可能地低。来自蓄集器46的流体流将被朝向马达/泵42引导。这些流动在图11中以箭头136例示。
前面实施例的描述仅为示例和说明的目的被提供。并不是旨在穷举或限制本公开。具体实施例的各个元件或特征通常不受限于该具体实施例，而在适用情况下是可互换的，并且可被用在所选的实施例中，即使该实施例并未具体示出或描述。所述实施例也可以许多方式改变。这样的改变不应被视为背离本公开，并且所有这种修改都旨在被包括在本公开的范围内。

Claims (17)

1.一种液压致动器，包括：
限定流体室的压力管；
能滑动地被设置在所述压力管内的活塞，所述活塞将所述流体室划分为上工作室和下工作室；和
控制系统，所述控制系统被设置在所述流体室外部，产生用于所述液压致动器的阻尼力，所述控制系统与所述上工作室和下工作室直接流体连通。
2.根据权利要求1所述的液压致动器，其中所述控制系统包括：
与所述上工作室和下工作室流体连通的多个第一止回阀；
与所述上工作室和下工作室流体连通的多个可变阀；和
与所述多个可变阀流体连通的马达/泵。
3.根据权利要求2所述的液压致动器，进一步包括与所述马达/泵流体连通的蓄集器。
4.根据权利要求3所述的液压致动器，进一步包括与所述马达/泵、所述上工作室和所述下工作室流体连通的流量控制器。
5.根据权利要求2所述的液压致动器，进一步包括与所述马达/泵、所述上工作室和所述下工作室流体连通的流量控制器。
6.根据权利要求2所述的液压致动器，其中所述多个第一止回阀被设置在所述上工作室和下工作室之间，所述多个第一止回阀中的第一个阻止从所述上工作室到所述下工作室的流体流动，所述多个第一止回阀中的第二个阻止从所述下工作室到所述上工作室的流体流动。
7.根据权利要求6所述的液压致动器，其中所述多个可变阀中的第一个与所述上工作室直接流体连通，并且所述多个可变阀中的第二个与所述下工作室直接流体连通。
8.根据权利要求7所述的液压致动器，进一步包括与所述马达/泵流体连通的蓄集器。
9.根据权利要求8所述的液压致动器，进一步包括与所述马达/泵、所述上工作室和所述下工作室流体连通的流量控制器。
10.根据权利要求9所述的液压致动器，进一步包括能量回收装置。
11.根据权利要求10所述的液压致动器，其中所述能量回收装置包括：
与所述上工作室和下工作室流体连通的多个第二止回阀；和
与所述多个第一止回阀和所述多个第二止回阀直接流体连通的涡轮机/发电机。
12.根据权利要求11所述的液压致动器，其中所述涡轮机/发电机与所述蓄集器并且与所述马达/泵流体连通。
13.根据权利要求2所述的液压致动器，进一步包括能量回收装置。
14.根据权利要求13所述的液压致动器，其中所述能量回收装置包括：
与所述上工作室和下工作室流体连通的多个第二止回阀；和
与所述多个第一止回阀和所述多个第二止回阀直接流体连通的涡轮机/发电机。
15.根据权利要求1所述的液压致动器，进一步包括能量回收装置。
16.根据权利要求15所述的液压致动器，其中所述能量回收装置包括：
与所述上工作室和下工作室流体连通的多个止回阀；和
与所述多个止回阀和所述控制系统直接流体连通的涡轮机/发电机。
17.根据权利要求16所述的液压致动器，其中所述多个止回阀被设置在所述上工作室和下工作室之间，所述多个止回阀中的第一个阻止从所述上工作室到所述下工作室的流体流动，所述多个止回阀中的第二个阻止从所述下工作室到所述上工作室的流体流动。
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