CN105782320A - 活塞馈能组件及能量回收减振器 - Google Patents

活塞馈能组件及能量回收减振器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种活塞馈能组件以及基于该组件的多种能量回收减振器，活塞馈能组件主要包括活塞杆、缸筒以及与活塞杆固连的馈能模块，其中馈能模块主要包括同轴安装的发电机和液压马达，液压马达的进油口和出油口设置有液压整流阀系；所述的液压整流阀系包括滑阀，滑阀的内表面与马达壳体的外表面滑动连接，滑阀的外表面与缸筒的内表面滑动连接；所述的马达壳体一侧外表面上下两端分别设置有上进油口和下进油口，马达壳体另一侧上下端面分别设置有上出油单向阀和下出油单向阀；本发明能够将往复的悬架振动机械能转变为单向流动的油液液压能，进而推动液压马达及发电机单向旋转，提高发电机的发电效率及工作可靠性。

Description

活塞馈能组件及能量回收减振器
技术领域
本发明属于减振技术领域，具体涉及一种用于车辆悬架的活塞馈能组件以及基于该组件的多种能量回收减振器。
背景技术
车辆在行驶过程中，来自不平路面的激励，以及转弯、加速、制动等操纵都会造成车辆振动。悬架系统的作用就是抵抗由上述车辆振动引起的垂向力，对车身和轮胎的振动进行限制，它属于车辆系统的重要组成部分。传统液压减振器大多将车辆振动机械能先转化为油液液压能，利用小孔节流原理将其转化为减振油液的热能，进而通过减振器的外缸筒将热量散失到外界环境中；而这部分被耗散的能量也来源于整车的能量流，将会影响到整车的燃油经济性和动力性。
中国专利(CN201310441341.8)公开了一种泵式馈能主动减振系统，包括泵式馈能减振器、单向阀系、液压马达、储能器、发电机、蓄电池以及控制器，通过油管将减振油液引出减振器，进而驱动液压马达和发电机旋转，进行发电；通过单向阀系可以实现发电机的单向旋转；能够对振动能量进行回收，并可进行阻尼主动控制的泵式馈能主动减振系统，其结构简单，可靠性高，可用于车辆、桥梁建筑等多个场所。但是，由于液压马达和发电机布置在减振器外部，导致整机重量较大，且不易于布置。
美国专利(US20130154280A1)基于液压整流回路设计了一种集成液电式馈能减振器，能够实现减振油液的单向流动，避免了频繁切换液压马达及发电机的旋转方向，从而提高了系统馈能效率和工作可靠性。该方案为了实现油液单向流动，使用了较为复杂的阀系，导致整套系统过于复杂，较难实现。
发明内容
针对现有技术中的技术缺陷，本发明提供一种高度集成的活塞馈能组件以及基于该组件的多种能量回收减振器，能够将往复的悬架振动机械能转变为单向流动的油液液压能，进而推动液压马达及发电机单向旋转，提高发电机的发电效率及工作可靠性。
为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：
一种活塞馈能组件，主要包括活塞杆1、缸筒13以及与活塞杆1固连的馈能模块，其中馈能模块主要包括同轴安装的发电机G和液压马达M，液压马达M的进油口和出油口设置有液压整流阀系；
所述的液压整流阀系包括滑阀7，滑阀7的内表面与马达壳体8的外表面滑动连接，滑阀7的外表面与缸筒13的内表面滑动连接；
所述的马达壳体8一侧外表面上下两端分别设置有上进油口A和下进油口B，马达壳体8另一侧上下端面分别设置有上出油单向阀3和下出油单向阀6；
当活塞杆1相对于缸筒13向上滑动时，滑阀7相对于马达壳体8向下滑动，上进油口A被打开，上腔S的高压油液H通过上进油口A流入液压马达M，推动液压马达M及发电机G旋转，低压油液L通过下出油口C和下出油单向阀6进入下腔X；
当活塞杆1相对于缸筒13向下滑动时，滑阀7相对于马达壳体8向上滑动，下进油口B被打开，下腔X的高压油液H通过下进油口B流入液压马达M，推动液压马达M及发电机G旋转，低压油液L通过上出油口D和上出油单向阀3进入上腔S；
发电机G的输出导线2通过活塞杆1的中空腔引出缸筒13。
优选地，所述的发电机G包括发电机转子10、发电机定子11、共用轴9以及发电机壳体12，其中发电机壳体12与活塞杆1同轴固定连接，发电机定子11固定在发电机壳体12内部，发电机转子10与共用轴9上部同轴固定连接，共用轴9上端通过轴承与发电机壳体12旋转连接。
优选地，所述的液压马达M为摆线式液压马达，包括马达转子4、马达定子5、共用轴9以及马达壳体8，其中马达壳体8与发电机G同轴固定连接，马达定子5与马达壳体8内表面旋转连接，马达转子4与共用轴9下部同轴固定连接，共用轴9中部通过轴承与马达壳体8旋转连接。
优选地，所述的上出油单向阀3和下出油单向阀6的开阀压力设置为最低，减振器阻尼力主要由发电机G的反电动势阻力和液压马达M的旋转阻力提供。
可选地，所述的上出油单向阀3和下出油单向阀6的开阀压力根据悬架阻尼特性要求进行设置；例如，传统乘用车要求减振器的压缩阻尼力和复原阻尼力的比值范围为1/3～1/2，此时上出油单向阀3的开阀压力小于下出油单向阀6的开阀压力；此外，可以通过调整发电机G的反电动势，对压缩阻尼力和复原阻尼力的大小进行实时控制。
一种单筒集成式能量回收减振器，包括上述的活塞馈能组件，还包括导向密封组件14、浮动活塞15、储气室16以及气嘴17，其中导向密封组件14固定在缸筒13的上端部，与活塞杆1外表面滑动连接，对活塞杆1进行导向和密封；浮动活塞15与缸筒13下部内表面进行滑动连接，储气室16为浮动活塞15与缸筒13下部内表面形成的密闭空间，气嘴17固定安装于缸筒13下端盖，对储气室16进行充放气。
一种单筒外接蓄能器式能量回收减振器，包括上述的活塞馈能组件，还包括导向密封组件14、蓄能器R以及油管18，其中导向密封组件14固定在缸筒13的上端部，与活塞杆1外表面滑动连接，对活塞杆1进行导向和密封；蓄能器R通过油管18与缸筒13底部油液连通。
一种单筒双出杆式能量回收减振器，包括上述的活塞馈能组件，还包括导向密封组件14、下导向密封组件19和下活塞杆20，其中导向密封组件14固定在缸筒13的上端部，与活塞杆1外表面滑动连接，对活塞杆1进行导向和密封；下活塞杆20与活塞馈能组件下端面同轴固定连接；下导向密封组件19固定在缸筒13的下端部，与下活塞杆20外表面滑动连接，对下活塞杆20进行导向和密封。
一种双筒集成式能量回收减振器，包括上述的活塞馈能组件，还包括导向密封组件14、底阀组件21以及外缸筒22，其中外缸筒22同轴安装在缸筒13外侧，导向密封组件14固定在缸筒13和外缸筒22的上端部，与活塞杆1外表面滑动连接，对活塞杆1进行导向和密封；底阀组件21固定在缸筒13底部，缸筒13和外缸筒22形成的环形腔包括上部的气室Q和下部的储油腔W。通过设置底阀组件21阀系的开阀压力，可以对减振器的压缩阻尼力和复原阻尼力进行调节。
本发明的核心技术特征为活塞馈能组件的创新设计，下面首先介绍活塞馈能组件的工作过程和特性，进而对不同实施例的工作过程和特性进行描述。
一、活塞馈能组件的工作过程及特性为：
(1)当活塞杆1相对于缸筒13向上滑动(对应于减振器的复原行程)时，滑阀7相对于马达壳体8向下滑动，上进油口A被打开，上腔S的高压油液H通过上进油口A流入液压马达M，推动液压马达M及发电机G旋转，低压油液L通过下出油口C和下出油单向阀6进入下腔X；
(2)当活塞杆1相对于缸筒13向下滑动(对应于减振器的压缩行程)时，滑阀7相对于马达壳体8向上滑动，下进油口B被打开，下腔X的高压油液H通过下进油口B流入液压马达M，推动液压马达M及发电机G旋转，低压油液L通过上出油口D和上出油单向阀3进入上腔S；
(3)通过上述分析可知，无论活塞杆1处于复原行程还是压缩行程，高压油液H均是通过液压马达M一侧的进油口(A或B)流入液压马达M，低压油液L均是通过液压马达M另一侧的出油单向阀(3或6)流出液压马达M；因此，液压马达M的旋转方向保持不变，也即发电机G的旋转方向在减振器复原和压缩行程中保持不变，该特性将有利于提高发电机的发电效率及工作可靠性，进而提高能量回收效率。
二、单筒集成式能量回收减振器的工作过程及特性为：
(1)根据悬架性能要求，通过气嘴17向储气室16冲入高压氮气；
(2)当活塞杆1处于压缩行程时，由于活塞杆1进入缸筒13，使得浮动活塞15向下移动压缩储气室16；
(3)当活塞杆1处于复原行程时，由于活塞杆1移除缸筒13，使得浮动活塞15向上移动，储气室16膨胀。
三、单筒外接蓄能器式能量回收减振器的工作过程及特性与单筒集成式类似，只是利用外接的蓄能器R代替了内置的浮动活塞15和储气室16，进而有利于增加减振器的整体行程范围。
四、单筒双出杆式能量回收减振器则具有两侧相同直径的活塞杆，在压缩行程和复原行程中缸筒内的油液容积保持不变，因此不需要设置蓄能器或储气室。
五、双筒集成式能量回收减振器的工作过程及特性为：
(1)根据悬架性能的不同要求，对气室Q冲入不同压力的气体；
(2)当活塞杆1处于压缩行程时，下腔X的部分油液通过底阀组件21流入储油腔W，并压缩气室Q；
(3)当活塞杆1处于复原行程时，由于活塞杆1移除缸筒13，气室Q膨胀，使得储油腔W的部分油液通过底阀组件21流入下腔X。
本发明的有益效果在于：
本发明通过创新设计的活塞馈能组件，提出多种高度集成的能量回收减振器，它们能够将往复的悬架振动机械能转变为单向流动的油液液压能，进而推动液压马达及发电机单向旋转，提高发电机的发电效率及工作可靠性。
附图说明
图1为活塞馈能组件处于复原行程时的剖视图
图2为活塞馈能组件处于压缩行程时的剖视图
图3为活塞馈能组件中液压马达的工作示意图
图4为本发明的单筒集成式能量回收减振器的剖视图
图5为本发明的单筒外接蓄能器式能量回收减振器的剖视图
图6为本发明的单筒双出杆式能量回收减振器的剖视图
图7为本发明的双筒集成式能量回收减振器的剖视图
图中：
1、活塞杆，2、导线，3、上出油单向阀，4、马达转子，5、马达定子，
6、下出油单向阀，7、滑阀，8、马达壳体，9、共用轴，10、发电机转子，
11、发电机定子，12、发电机壳体，13、缸筒，14、导向密封组件，15、浮动活塞，
16、储气室，17、气嘴，18、油管，19、下导向密封组件，20、下活塞杆，
21、底阀组件，22、外缸筒，
A、上进油口，B、下进油口，C、下出油口，D、上出油口，
H、高压油液，L、低压油液，G、发电机，M、液压马达，
R、蓄能器，W、储油腔，Q、气室。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
图1和图2为本发明的一种活塞馈能组件，主要包括活塞杆1、缸筒13以及与活塞杆1固连的馈能模块，其中馈能模块包括同轴安装的发电机G和液压马达M，液压马达M的进油口和出油口设置有液压整流阀系；
所述的液压整流阀系包括滑阀7，滑阀7的内表面与马达壳体8的外表面滑动连接，滑阀7的外表面与缸筒13的内表面滑动连接；
所述的马达壳体8一侧外表面上下两端分别设置有上进油口A和下进油口B，马达壳体8另一侧上下端面分别设置有上出油单向阀3和下出油单向阀6；
如图1所示，当活塞杆1相对于缸筒13向上滑动时，滑阀7相对于马达壳体8向下滑动，上进油口A被打开，上腔S的高压油液H通过上进油口A流入液压马达M，推动液压马达M及发电机G旋转，低压油液L通过下出油口C和下出油单向阀6进入下腔X；
如图2所示，当活塞杆1相对于缸筒13向下滑动时，滑阀7相对于马达壳体8向上滑动，下进油口B被打开，下腔X的高压油液H通过下进油口B流入液压马达M，推动液压马达M及发电机G旋转，低压油液L通过上出油口D和上出油单向阀3进入上腔S；
发电机G的输出导线2通过活塞杆1的中空腔引出缸筒13。
所述的发电机G包括发电机转子10、发电机定子11、共用轴9以及发电机壳体12，其中发电机壳体12与活塞杆1同轴固定连接，发电机定子11固定在发电机壳体12内部，发电机转子10与共用轴9上部同轴固定连接，共用轴9上端通过轴承与发电机壳体12旋转连接。
所述的液压马达M包括马达转子4、马达定子5、共用轴9以及马达壳体8，其中马达壳体8与发电机G同轴固定连接，马达定子5与马达壳体8内表面旋转连接，马达转子4与共用轴9下部同轴固定连接，共用轴9中部通过轴承与马达壳体8旋转连接。
所述的上出油单向阀3和下出油单向阀6的开阀压力设置为最低，减振器阻尼力由发电机G的反电动势阻力和液压马达M的旋转阻力提供。
所述的上出油单向阀3和下出油单向阀6的开阀压力根据悬架阻尼特性要求进行设置；例如，传统乘用车要求减振器的压缩阻尼力和复原阻尼力的比值范围为1/3～1/2，此时上出油单向阀3的开阀压力小于下出油单向阀6的开阀压力；此外，可以通过调整发电机G的反电动势，对压缩阻尼力和复原阻尼力的大小进行实时控制。
图4为本发明的一种单筒集成式能量回收减振器，包括所述的活塞馈能组件，还包括导向密封组件14、浮动活塞15、储气室16以及气嘴17，其中导向密封组件14固定在缸筒13的上端部，与活塞杆1外表面滑动连接，对活塞杆1进行导向和密封；浮动活塞15与缸筒13下部内表面进行滑动连接，储气室16为浮动活塞15与缸筒13下部内表面形成的密闭空间，气嘴17固定安装于缸筒13下端盖，对储气室16进行充放气。
图5为本发明的一种单筒外接蓄能器式能量回收减振器，包括所述的活塞馈能组件，还包括导向密封组件14、蓄能器R以及油管18，其中导向密封组件14固定在缸筒13的上端部，与活塞杆1外表面滑动连接，对活塞杆1进行导向和密封；蓄能器R通过油管18与缸筒13底部油液连通。
图6为本发明的一种单筒双出杆式能量回收减振器，包括所述的活塞馈能组件，还包括导向密封组件14、下导向密封组件19和下活塞杆20，其中导向密封组件14固定在缸筒13的上端部，与活塞杆1外表面滑动连接，对活塞杆1进行导向和密封；下活塞杆20与活塞馈能组件下端面同轴固定连接；下导向密封组件19固定在缸筒13的下端部，与下活塞杆20外表面滑动连接，对下活塞杆20进行导向和密封。该方案的能量回收减振器为单筒双出杆式。
图7为本发明的一种双筒集成式能量回收减振器，包括所述的活塞馈能组件，还包括导向密封组件14、底阀组件21以及外缸筒22，其中外缸筒22同轴安装在缸筒13外侧，导向密封组件14固定在缸筒13和外缸筒22的上端部，与活塞杆1外表面滑动连接，对活塞杆1进行导向和密封；底阀组件21固定在缸筒13底部，缸筒13和外缸筒22形成的环形腔包括上部的气室Q和下部的储油腔W；
优选地，通过设置所述的底阀组件21阀系的开阀压力，对减振器的压缩阻尼力和复原阻尼力进行调节。
结合图1、图2和图3，可见活塞馈能组件的工作过程及特性为：
(1)当活塞杆1相对于缸筒13向上滑动(对应于减振器的复原行程)时，滑阀7相对于马达壳体8向下滑动，上进油口A被打开，上腔S的高压油液H通过上进油口A流入液压马达M，推动液压马达M及发电机G旋转，低压油液L通过下出油口C和下出油单向阀6进入下腔X；
(2)当活塞杆1相对于缸筒13向下滑动(对应于减振器的压缩行程)时，滑阀7相对于马达壳体8向上滑动，下进油口B被打开，下腔X的高压油液H通过下进油口B流入液压马达M，推动液压马达M及发电机G旋转，低压油液L通过上出油口D和上出油单向阀3进入上腔S；
(3)通过上述分析可知，无论活塞杆1处于复原行程还是压缩行程，高压油液H均是通过液压马达M一侧的进油口(A或B)流入液压马达M，低压油液L均是通过液压马达M另一侧的出油单向阀(3或6)流出液压马达M；因此，液压马达M的旋转方向保持不变，也即发电机G的旋转方向在减振器复原和压缩行程中保持不变，该特性将有利于提高发电机的发电效率及工作可靠性，进而提高能量回收效率。
结合图4可见单筒集成式能量回收减振器的工作过程及特性为：
(1)根据悬架性能要求，通过气嘴17向储气室16冲入高压氮气；
(2)当活塞杆1处于压缩行程时，由于活塞杆1进入缸筒13，使得浮动活塞15向下移动压缩储气室16；
(3)当活塞杆1处于复原行程时，由于活塞杆1移除缸筒13，使得浮动活塞15向上移动，储气室16膨胀。
结合图5可见单筒外接蓄能器式能量回收减振器的工作过程及特性与单筒集成式类似，只是利用外接的蓄能器R代替了内置的浮动活塞15和储气室16，进而有利于增加减振器的整体行程范围。
结合图6可见单筒双出杆式能量回收减振器则具有两侧相同直径的活塞杆，在压缩行程和复原行程中缸筒内的油液容积保持不变，因此不需要设置蓄能器或储气室。
结合图7可见双筒集成式能量回收减振器的工作过程及特性为：
(1)根据悬架性能的不同要求，对气室Q冲入不同压力的气体；
(2)当活塞杆1处于压缩行程时，下腔X的部分油液通过底阀组件21流入储油腔W，并压缩气室Q；
(3)当活塞杆1处于复原行程时，由于活塞杆1移除缸筒13，气室Q膨胀，使得储油腔W的部分油液通过底阀组件21流入下腔X。
上述实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种活塞馈能组件，包括活塞杆(1)、缸筒(13)以及与活塞杆(1)固连的馈能模块，其特征在于：
所述的馈能模块包括同轴安装的发电机(G)和液压马达(M)，液压马达(M)的进油口和出油口设置有液压整流阀系；
所述的液压整流阀系包括滑阀(7)，滑阀(7)的内表面与液压马达(M)的马达壳体(8)外表面滑动连接，滑阀(7)的外表面与缸筒(13)的内表面滑动连接；
所述的马达壳体(8)一侧外表面上下两端分别设置有上进油口(A)和下进油口(B)，马达壳体(8)另一侧上下端面分别设置有上出油单向阀(3)和下出油单向阀(6)；
当活塞杆(1)相对于缸筒(13)向上滑动时，滑阀(7)相对于马达壳体(8)向下滑动，上进油口(A)被打开，上腔(S)的高压油液(H)通过上进油口(A)流入液压马达(M)，推动液压马达(M)及发电机(G)旋转，低压油液(L)通过下出油口(C)和下出油单向阀(6)进入下腔(X)；
当活塞杆(1)相对于缸筒(13)向下滑动时，滑阀(7)相对于马达壳体(8)向上滑动，下进油口(B)被打开，下腔(X)的高压油液(H)通过下进油口(B)流入液压马达(M)，推动液压马达(M)及发电机(G)旋转，低压油液(L)通过上出油口(D)和上出油单向阀(3)进入上腔(S)；
发电机(G)的输出导线(2)通过活塞杆(1)的中空腔引出缸筒(13)。
2.根据权利要求1所述的活塞馈能组件，其特征在于：
所述的发电机(G)包括发电机转子(10)、发电机定子(11)、共用轴(9)以及发电机壳体(12)，其中发电机壳体(12)与活塞杆(1)同轴固定连接，发电机定子(11)固定在发电机壳体(12)内部，发电机转子(10)与共用轴(9)上部同轴固定连接，共用轴(9)上端通过轴承与发电机壳体(12)旋转连接。
3.根据权利要求1所述的活塞馈能组件，其特征在于：
所述的液压马达(M)包括马达转子(4)、马达定子(5)、共用轴(9)以及马达壳体(8)，其中马达壳体(8)与发电机(G)同轴固定连接，马达定子(5)与马达壳体(8)内表面旋转连接，马达转子(4)与共用轴(9)下部同轴固定连接，共用轴(9)中部通过轴承与马达壳体(8)旋转连接。
4.根据权利要求1所述的活塞馈能组件，其特征在于：
所述的上出油单向阀(3)和下出油单向阀(6)的开阀压力设置为最低，减振器阻尼力由发电机(G)的反电动势阻力和液压马达(M)的旋转阻力提供。
5.根据权利要求1所述的活塞馈能组件，其特征在于：
所述的上出油单向阀(3)和下出油单向阀(6)的开阀压力根据悬架阻尼特性要求进行设置；通过调整发电机(G)的反电动势，对压缩阻尼力和复原阻尼力的大小进行实时控制。
6.一种单筒集成式能量回收减振器，包括权利要求1所述的活塞馈能组件，其特征在于：
还包括导向密封组件(14)、浮动活塞(15)、储气室(16)以及气嘴(17)，其中导向密封组件(14)固定在缸筒(13)的上端部，与活塞杆(1)外表面滑动连接，对活塞杆(1)进行导向和密封；浮动活塞(15)与缸筒(13)下部内表面滑动连接，储气室(16)为浮动活塞(15)与缸筒(13)下部内表面形成的密闭空间，气嘴(17)固定安装于缸筒(13)下端盖，对储气室(16)进行充放气。
7.一种单筒外接蓄能器式能量回收减振器，包括权利要求1所述的活塞馈能组件，其特征在于：
还包括导向密封组件(14)、蓄能器R以及油管(18)，其中导向密封组件(14)固定在缸筒(13)的上端部，与活塞杆(1)外表面滑动连接，对活塞杆(1)进行导向和密封；蓄能器R通过油管(18)与缸筒(13)底部油液连通。
8.一种单筒双出杆式能量回收减振器，包括权利要求1所述的活塞馈能组件，其特征在于：
还包括导向密封组件(14)、下导向密封组件(19)和下活塞杆(20)，其中导向密封组件(14)固定在缸筒(13)的上端部，与活塞杆(1)外表面滑动连接，对活塞杆(1)进行导向和密封；下活塞杆(20)与活塞馈能组件下端面同轴固定连接；下导向密封组件(19)固定在缸筒(13)的下端部，与下活塞杆(20)外表面滑动连接，对下活塞杆(20)进行导向和密封。
9.一种双筒集成式能量回收减振器，包括权利要求1所述的活塞馈能组件，其特征在于：
还包括导向密封组件(14)、底阀组件(21)以及外缸筒(22)，其中外缸筒(22)同轴安装在缸筒(13)外侧，导向密封组件(14)固定在缸筒(13)和外缸筒(22)的上端部，与活塞杆(1)外表面滑动连接，对活塞杆(1)进行导向和密封；底阀组件(21)固定在缸筒(13)底部，缸筒(13)和外缸筒(22)形成的环形腔包括上部的气室(Q)和下部的储油腔(W)。
10.根据权利要求9所述的双筒集成式能量回收减振器，其特征在于：
通过设置所述的底阀组件(21)阀系的开阀压力，对减振器的压缩阻尼力和复原阻尼力进行调节。
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