CN107939893B - 主动悬架系统、减振器以及减振部件 - Google Patents

主动悬架系统、减振器以及减振部件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种减振部件，其包括液压油缸和液压马达；液压油缸包括相对独立的储油缸和工作缸，工作缸内设第一活塞件并通过第一活塞件分隔成伸张腔和收缩腔，伸张腔通过第一单向出油管与储油缸连通，收缩腔通过第二单向出油管与储油缸连通，储油缸上设置有出油孔，液压马达的输入端与出油孔连接，液压马达的输出端分别通过第一单向回油管与伸张腔连通、通过第二单向回油管与收缩腔连通，可通过第一活塞件在工作缸内往复运动驱动液压马达单向转动。本发明还公开了一种减振器和一种主动悬架系统。通过上述实施方式，其结构简单紧凑、性能稳定可靠、经久耐用，且完全能够满足车辆悬架阻尼力主动控制和振动能量回收的减振器。

Description

主动悬架系统、减振器以及减振部件
技术领域
本发明涉及一种主动悬架系统、减振器以及减振部件。
背景技术
主动悬架一般指弹簧刚度特性（弹性力）和减振部件阻尼特性参数（阻尼力）都可以调整改变。主动悬架由于能很好兼顾乘客舒适性、车轮附着性能和操控车辆引起动负载变化，已经广泛应用在高端乘用车和商用车悬架上。已有主动悬架包括液压（气压）传动储能减振悬架、电磁感应储能悬架、机械传动+旋转电机电磁悬架和直线电机电磁悬架等。现有主动悬架减振部件设计主要存在以下问题：
液压（气压）传动储能减振悬架有液压（气压）传动稳定的优点，但在结构中存在高压蓄能器，对油路密封技术和控制阀精度要求高，增加了蓄能器、油（气）路和油箱（储气罐）等附加重量，制造成本高，对多数普通乘用车实用性不强。
线圈感应储能悬架原理是利用铁芯线圈(EM)与永磁体(PM)之间间隙的变化产生磁通量的时变，从而产生交变感应电动势，可实现通过整流电路对车载蓄电池充电，同时利用蓄电池电能通过控制电路对铁芯线圈通电产生电磁场，并与永磁体磁场相互作用产生电磁力，可等效传统主动悬架阻尼力控制，实现车辆行驶减振功能。由于车辆行驶路面工况不同，实现电磁转换的间隙会出现剧烈变化，甚至瞬间间隙为零，发生感应部件间碰撞。实际结构只能通过加大间隙方法，同时也需要增加线圈绕组，加大结构尺寸。该结构难以实现电磁力减振耗能控制，同时振动能量回收也存在电路问题，效率比较低。
齿轮齿条机械传动结合旋转电机能量回收减振部件和滚珠丝杆机械传动+旋转电机能量回收减振部件得到国内外广泛研究。两种型式都是将车身与地面间伸张与压缩运动通过机械机构传动（齿轮齿条或滚珠丝杆）转换为旋转运动，并连接旋转电机。该方法最大优点是电枢磁场和励磁磁场避开了簧载质量（车身）和非簧载质量（车桥和车轮）实际运动，通过机械传动间接运动实现的磁场间隙稳定可控，能实现电磁力控制从而产生等效阻尼力减振，同时也能实现振动能量回收。当车辆行驶路面条件非常恶劣时，这两种悬架通过齿轮齿条或滚珠丝杆传递振动，存在固有的齿隙非线性运动特性，机械强度不足，因机械摩擦引起的馈能效率低，惯性质量大以及承受长期振动冲击的可靠性和耐久性较差等问题，容易机械失效，影响使用寿命，可靠性存在不足，有研究指出：相比滚珠丝杆方式，齿轮齿条机械传动结合旋转电机能量回收效能、减振部件结构缺陷更明显。
目前，随着电力电子控制技术和永磁材料研究进步，直线电机电磁主动悬架被认为是未来车辆主动悬架设计最佳方案。直线电机能量回收减振部件也有大量研究和应用，该悬架利用直线电机的动子和定子分别联接车身和车轮，试图用电机电磁力直接等效为传统液压减振部件阻尼力，达到减振和振动能量可回收双目标。研究文献表明：该悬架由于结构限制，存在磁能密度不高，电磁力产生数值范围受限，不能覆盖实际悬架所需阻尼力数值要求范围，同时结构设计空间限制、结构应力分布和各工况结构温度场的稳定性等方面都存在缺陷，安装难度较大，也较容易失效。
发明内容
本发明为解决上述技术问题提供一种主动悬架系统、减振器以及减振部件，结构简单紧凑、性能稳定可靠、经久耐用，且完全能够满足车辆悬架阻尼力主动控制和振动能量回收的减振器。
为解决上述技术问题，本发明提供一种减振部件，包括：液压油缸和液压马达；所述液压油缸包括相对独立的储油缸和工作缸，所述工作缸内设第一活塞件并通过所述第一活塞件分隔成伸张腔和收缩腔，所述伸张腔通过第一单向出油管与所述储油缸连通，所述收缩腔通过第二单向出油管与所述储油缸连通，所述储油缸上设置有出油孔，所述液压马达的输入端与所述出油孔连接，所述液压马达的输出端分别通过第一单向回油管与所述伸张腔连通、通过第二单向回油管与所述收缩腔连通，进而可通过所述第一活塞件在所述工作缸内往复运动驱动所述液压马达单向转动。
进一步地，所述储油缸顶端由油路联接件密封；所述油路联接件朝向所述储油缸的一面设置有三个以上的盲孔，其中至少一个盲孔作为所述出油孔，另外两个以上的盲孔作为回油孔；所述油路联接件上还开设有两个盲孔，其中一个盲孔作为输出孔、另一个盲孔作为输入孔；在所述油路联接件内部，所述出油孔与所述输出孔连通，所述回油孔之间连通且其中一个所述回油孔与所述输入孔连通；其中，所述液压马达装设于所述油路联接件远离所述储油缸的一面，所述液压马达的输入端与所述油路联接件的输出孔连接，所述液压马达的输出端与所述油路联接件的输入孔连接，所述油路联接件的一部分回油孔分别通过相应数量的第一单向回油管与所述伸张腔连通、另一部分回油孔分别通过相应数量的第二单向回油管与所述收缩腔连通。
进一步地，所述液压油缸包括缸体，所述缸体内设第二活塞件并通过所述第二活塞件将所述缸体分隔成所述储油缸和所述工作缸。
进一步地，所述第一活塞件和所述第二活塞件均包括两个活塞和联结于两个活塞之间的缓冲件。
进一步地，所述第二活塞件中，邻近所述第一活塞件设置的活塞可相对于所述缸体往复运动，而远离所述第一活塞件设置的活塞可相对于所述缸体往复运动或者不可相对于所述缸体往复运动。
进一步地，所述第一单向出油管、所述第二单向出油管、所述第一单向回油管以及所述第二单向回油管均设置于所述缸体的外侧。
进一步地，所述缸体外侧装设有用于保护所述第一单向出油管、所述第二单向出油管、所述第一单向回油管以及所述第二单向回油管的外壳，沿着所述外壳的长度方向在所述外壳的外壁上间隔设置有第一安装座和第二安装座，一弹簧套接于所述外壳的外壁上且其两端分别抵接于所述第一安装座和所述第二安装座。
为解决上述技术问题，本发明提供一种减振器，包括如上述任一项实施例所述的减振部件，还包括：与所述减振部件中液压马达配合的旋转电机，所述旋转电机可受所述液压马达的驱动以实现能量回收，或者，所述旋转电机可受控并控制所述液压马达工作以实现对阻尼力的主动控制。
进一步地，所述减振器还包括行星排和行星排外壳，所述行星排包括内齿圈、装设有行星齿轮的行星架以及太阳齿轮；所述行星架装设于内齿圈内并通过所述行星齿轮与所述内齿圈啮合传动，所述太阳齿轮与所述行星齿轮啮合传动；所述内齿圈外壁固定连接于所述行星排外壳内壁，所述行星排外壳一端面与所述旋转电机所固设的安装法兰盘固定连接、另一端面与所述液压马达的输出轴侧所固设的联接法兰盘固定连接，所述液压马达的输出轴与所述行星架的轴固定连接，所述旋转电机的转子与所述太阳齿轮同轴固定连接。
为解决上述技术问题，本发明提供一种主动悬架，其特征在于，包括如上述任一项实施例所述的减振器，还包括：电机控制器、电源、ECU以及传感器元件；所述减振器中旋转电机、所述电源分别与所述电机控制器电连接，所述传感器元件以及所述电机控制器分别与所述ECU电连接。
本发明的主动悬架系统、减振器以及减振部件，具有如下有益效果：
通过设置油液单向流动的液压油缸，并设置由该液压油缸输出的单向流动的油液进行驱动的液压马达，能够驱动液压马达进行单向转动，基于此还可以对液压马达的单向转动速度进行控制，进而完全能够满足车辆悬架阻尼力主动控制和能量回收，且其结构简单紧凑、性能稳定可靠、使用寿命长。
附图说明
图1是本发明减振器的组装结构示意图。
图2是图1所示减振器未设置联接法兰盘、外壳及弹簧的结构示意图。
图3是图1所示减振器的内部结构示意图。
图4是图1所示油路联接件的结构示意图。
图5是图4所示油路联接件的各孔连接结构示意图。
图6是本发明主动悬架系统的电路结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明进行详细说明。
结合图1至图3进行参阅，本发明提供一种减振器，该减振器包括减振部件。减振部件包括液压油缸1和液压马达2。
其中，如图3所示，液压油缸1包括相对独立的储油缸12和工作缸13。在工作缸13内设置有可在工作缸13内往复运动的第一活塞件14，由该第一活塞件14将该工作缸13物理地分隔成了两个空间即伸张腔131和收缩腔132，该第一活塞件14受力向工作缸13内收缩的一方的空间即为收缩腔132，相反的，另一方的空间即为伸张腔131。
其中，伸张腔131与储油缸12之间通过一个以上的第一单向出油管15连通，收缩腔132与储油缸12之间也通过一个以上的第二单向出油管16连通。该第一单向出油管15和第二单向出油管16仅允许伸张腔131和收缩腔132内部的油液单方向的流入储油缸12内。其中，该第一单向出油管15和第二单向出油管16通常采用常规的管道101并在管道101上加装单向阀102实现油液的单向流通。较佳的，单向阀102采用机械式单向阀，因而不需要复杂的电气控制。
进一步地，储油缸12上设置有出油孔31。液压马达2举例可以装设于储油缸12顶端，其中，液压马达2的输入端与出油孔31连接，液压马达2的输出端分别通过一个以上的第一单向回油管17与伸张腔131连通、通过一个以上的第二单向回油管18与收缩腔132连通。其中，该第一单向回油管17和第二单向回油管18通常采用常规的管道101并在管道101上加装单向阀102实现油液的单向流通。较佳的，该单向阀102采用也机械式单向阀，因而不需要复杂的电气控制。
通过上述结构设置，第一活塞件14在工作缸13内往复运动时油液的流动方向相同为单一方向，进而将粗暴不规则往复运动变成液压马达2的单向转动，避免了现有悬架研究中运动在速度和加速度层面存在零速-正（加）速-零速-负（加）速-零速不等幅不规则往复循环，也避免了等效惯性负载变化无限大等缺陷，避免理论研究和仿真计算中存在运动不稳定、数值解析不确定等难题，为振动能量的合理回收提供了良好的基础。
为了不影响第一活塞件14的往复运动，本领域技术人员应当理解上述的第一单向出油管15、第二单向出油管16、第一单向回油管17以及第二单向回油管18应当设置于储油缸12及工作缸13的外部的加工安装便利性。
该减振器还包括旋转电机4。旋转电机4通常可以采用永磁同步电机。该旋转电机4与液压马达2配合工作。其中，旋转电机4可受液压马达2的驱动以实现能量回收，或者，旋转电机4可受控并控制液压马达2工作以实现对阻尼力的主动控制。
在一较佳实施例中，旋转电机4与液压马达2之间可以通过行星排51传动配合，该行星排51可以是辛普森式单行星排或者拉维娜式双行星排等。该行星排51包括内齿圈511、行星架（图未示）以及太阳齿轮（图未示），行星架内装设有一定数量的行星齿轮512。行星架装设于内齿圈511内并通过行星齿轮512与内齿圈511啮合传动，太阳齿轮与行星齿轮512啮合传动。进一步地，内齿圈511外壁固定连接于行星排外壳52内壁，该行星排外壳52一端面与旋转电机4所固设的安装法兰盘固定连接、另一端面与液压马达2的输出轴侧所固设的联接法兰盘21固定连接，液压马达2的输出轴与行星架的轴固定连接，旋转电机4的转子与太阳齿轮同轴固定连接。另外，液压马达2上设置的联接法兰盘21还用于将减振器整体安装于车辆车身上。
通过利用结构紧凑的行星排51的运动特性，实现了液压马达2输出轴转速的成倍提高，当能量回收工况时，旋转电机4中定子、转子两磁场相对速度增加，提高了感应电动势数值，为能量回收提供了有效条件。而通过电机控制器81主动提供给旋转电机4电能，旋转电机4磁场产生的电磁力矩通过行星排51放大一定倍数后，控制液压马达2输出轴的转速，也即间接地能控制在工作缸13（即伸张腔131、收缩腔132）和储油缸12中的油压，等同于实现控制主动悬架中液压减振器阻尼力的变化。
在一较佳实施例中，结合图4和图5进行参阅，储油缸12顶端由油路联接件3密封。该油路联接件3朝向储油缸12的一面设置有三个以上的盲孔，其中至少一个盲孔作为上述的出油孔31，另外两个以上的盲孔作为回油孔32。而油路联接件3远离储油缸12的一面开设有两个盲孔，其中一个盲孔作为输出孔33、另一个盲孔作为输入孔34。且在油路联接件3内部，出油孔31与输出孔33连通，回油孔32之间连通且其中一个回油孔32与输入孔34连通，该多个回油孔32之间举例可以以串联的形式连通。另外，可以将输出孔33和输入孔34集成在设置于油路联接件3上设置的插接件30中，以方便与液压马达2的输入端和输出端方便地密封连接。
其中，液压马达2装设于油路联接件3远离储油缸12的一面，液压马达2的输入端与油路联接件3的输出孔33连接，液压马达2的输出端与油路联接件3的输入孔34连接，油路联接件3的一部分回油孔32分别通过相应数量的第一单向回油管17与伸张腔131连通、另一部分回油孔32分别通过相应数量的第二单向回油管18与收缩腔132连通。
通过上述油路联接件3尤其是各功能孔位置的设置，能够简化管网的安装和排布，使得结构整体简洁。
在一较佳实施例中，液压油缸1包括缸体11。缸体11通常可采用圆筒状的缸体11。缸体11内设置有第二活塞件19，通过该第二活塞件19将缸体11物理的分隔成了两个空间即储油缸12和工作缸13，将储油缸12和工作缸13采用同一个缸体11且直线排列地制成，其结构更为简单。当然，储油缸12和工作缸13也可以采用两个非直线排列且相互独立的缸体11分别而成。
在一较佳实施例中，第一活塞件14包括两个活塞141、142和联结于两个活塞141、142之间的缓冲件143。该缓冲件143优选为实心的橡胶圈。第一活塞件14采用上述结构，通过第一活塞件14所形成的油缸压力平稳感知实际悬架车轮与车身振动,避免了现有悬架研究中采用机械机构直接感知的粗暴特性，进而避免了油腔（具体即伸张腔131、收缩腔132）出现真空和补油问题。
在另一较佳实施例中，第二活塞件19也可以包括两个活塞191、192和联结于两个活塞191、192之间的缓冲件193。该缓冲件193优选为实心的橡胶圈。第二活塞件19采用上述结构，同样有助于避免油腔出现真空和补油问题。
进一步地，第二活塞件19中，邻近第一活塞件14设置的活塞191可相对于缸体11往复运动，而远离第一活塞件14设置的活塞192可相对于缸体11往复运动或者不可相对于缸体11往复运动。其中，邻近第一活塞件14设置的可相对于缸体11往复运动的活塞191有助于避免油腔出现真空和补油问题；另一活塞192可相对于缸体11往复运动时有助于缓冲减振，而该另一活塞192相对于缸体11固定时有助于对能量的回收，具体可以根据需要进行设置。
在一具体实施例中，缸体11外侧还装设有壳体6，具体的，该壳体6可以固设于上述的联接法兰盘21上。该壳体6将第一单向出油管15、第二单向出油管16、第一单向回油管17以及第二单向回油管18罩设于其内起到保护作用，并且，该壳体6外壁沿着其长度方向还间隔设置有第一安装座61和第二安装座62，弹簧7套接于壳体6外壁上且弹簧7的两端分别抵接限位于第一安装座61和第二安装座62之间。
本发明还提供一种如上述任一实施例所述的减振部件，此处不在一一赘述。
另外，本发明还提供一种主动悬架系统。如图6所示，并结合图1至图3参阅，该主动悬架包括如上述任一实施例所述的减振器，还包括：电机控制器81、电源82、ECU83以及一定数量的传感器元件84。其中，减振器中旋转电机4、电源82分别和电机控制器81电连接，ECU83分别与电机控制器81和传感器元件84电连接。使用时，减振器安装于车辆的车身与车轮之间。
在车辆行驶于不平路面时，通过传感器元件84对车身、车轮的位置、速度及加速度的感应，并通过电机控制器81对旋转电机4的不同控制策略（需结合车辆舒适性、动力性（驱动和制动）和操控性考虑），实现电机控制器81对旋转电机4中电磁力（矩）精确控制，进而真正实现车辆前后左右理想的主动悬架联合控制功能。
本发明主动悬架不仅适应于汽车悬架减振和馈能控制上，也可以扩展到工业和民用产品等领域的减振和能量回收，如桥梁的减振、建筑物的减振，健身器材的减振等方面。
本发明的主动悬架系统、减振器以及减振部件，具有如下有益效果：
通过设置油液单向流动的液压油缸1，并设置由该液压油缸1输出的单向流动的油液进行驱动的液压马达2，能够驱动液压马达2进行单向转动，基于此还可以对液压马达2的单向转动转速进行控制，进而完全能够满足车辆悬架阻尼力主动控制和振动能量回收，且其结构简单紧凑、性能稳定可靠、使用寿命长。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种主动悬架，其特征在于，包括：
减振器，所述减振器包括：
行星排；
减振部件，包括：液压油缸和液压马达；所述液压油缸包括相对独立的储油缸和工作缸，所述工作缸内设第一活塞件并通过所述第一活塞件分隔成伸张腔和收缩腔，所述伸张腔通过第一单向出油管与所述储油缸连通，所述收缩腔通过第二单向出油管与所述储油缸连通，所述储油缸上设置有出油孔，所述液压马达的输入端与所述出油孔连接，所述液压马达的输出端分别通过第一单向回油管与所述伸张腔连通、通过第二单向回油管与所述收缩腔连通，进而可通过所述第一活塞件在所述工作缸内往复运动驱动所述液压马达单向转动；以及
旋转电机，通过所述行星排与所述液压马达传动配合，所述旋转电机产生的电磁力矩通过所述行星排放大一定倍数后，控制所述液压马达的输出轴的转速，以控制所述储油缸和所述工作缸中的油压；
传感器元件；以及
电机控制器，与所述旋转电机电连接，并与所述传感器元件耦接，其被配置成用于：
基于所述传感器元件感应的车身和车轮的位置、速度及加速度，并基于对所述旋转电机的控制策略，对所述旋转电机的电磁力或电磁力矩进行控制；
所述储油缸顶端由油路联接件密封；
所述油路联接件朝向所述储油缸的一面设置有三个以上的盲孔，其中至少一个盲孔作为所述出油孔，另外两个以上的盲孔作为回油孔；
所述油路联接件远离所述储油缸的一面开设有两个盲孔，其中一个盲孔作为输出孔、另一个盲孔作为输入孔；
在所述油路联接件内部，所述出油孔与所述输出孔连通，所述回油孔之间连通且其中一个所述回油孔与所述输入孔连通；
其中，所述液压马达装设于所述油路联接件远离所述储油缸的一面，所述液压马达的输入端与所述油路联接件的输出孔连接，所述液压马达的输出端与所述油路联接件的输入孔连接，所述油路联接件的一部分回油孔分别通过相应数量的第一单向回油管与所述伸张腔连通、另一部分回油孔分别通过相应数量的第二单向回油管与所述收缩腔连通；
所述液压油缸包括缸体，所述缸体内设第二活塞件并通过所述第二活塞件将所述缸体分隔成所述储油缸和所述工作缸。
2.根据权利要求1所述的主动悬架，其特征在于：
所述第一活塞件和所述第二活塞件均包括两个活塞和联结于两个活塞之间的缓冲件。
3.根据权利要求2所述的主动悬架，其特征在于：
所述第二活塞件中，邻近所述第一活塞件设置的活塞可相对于所述缸体往复运动，而远离所述第一活塞件设置的活塞可相对于所述缸体往复运动或者不可相对于所述缸体往复运动。
4.根据权利要求1所述的主动悬架，其特征在于：
所述第一单向出油管、所述第二单向出油管、所述第一单向回油管以及所述第二单向回油管均设置于所述缸体的外侧。
5.根据权利要求4所述的主动悬架，其特征在于：
所述缸体外侧装设有用于保护所述第一单向出油管、所述第二单向出油管、所述第一单向回油管以及所述第二单向回油管的外壳，沿着所述外壳的长度方向在所述外壳的外壁上间隔设置有第一安装座和第二安装座，一弹簧套接于所述外壳的外壁上且其两端分别抵接于所述第一安装座和所述第二安装座。
6.根据权利要求1所述的主动悬架，其特征在于，
所述旋转电机可受所述液压马达的驱动以实现能量回收。
7.根据权利要求1所述的主动悬架，其特征在于：
所述减振器还包括行星排外壳，所述行星排包括内齿圈、装设有行星齿轮的行星架以及太阳齿轮；
所述行星架装设于内齿圈内并通过所述行星齿轮与所述内齿圈啮合传动，所述太阳齿轮与所述行星齿轮啮合传动；
所述内齿圈外壁固定连接于所述行星排外壳内壁，所述行星排外壳一端面与所述旋转电机所固设的安装法兰盘固定连接、另一端面与所述液压马达的输出轴侧所固设的联接法兰盘固定连接，所述液压马达的输出轴与所述行星架的轴固定连接，所述旋转电机的转子与所述太阳齿轮同轴固定连接。
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