CN112943840B - 气液固耦合减振器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气液固耦合减振器，包括：第一安装座、第二安装座、连接部件、分隔层、第一活塞和第二活塞；第一安装座的顶端和第二安装座的顶端之间通过连接部件环绕密封，形成密闭腔室；第二安装座的中部固定设置有分隔层；分隔层上开设有阻尼孔；分隔层将密闭腔室分隔，形成第一腔室和第二腔室；第一活塞滑设在第一腔室的侧壁上，在第二安装座的顶端与分隔层之间浮动；第一活塞将第一腔室分隔，形成第一气压腔和第一液压腔；第二活塞滑设在第二腔室的侧壁上，在分隔层与第二安装座的底端之间浮动；第二活塞将第二腔室分隔，形成第二液压腔和第二气压腔。

Description

气液固耦合减振器

技术领域

本发明涉及机械设备技术领域，尤其涉及气液固耦合减振器。

背景技术

现有的轨道车辆系统中，往往选用橡胶减振器、钢弹簧和油压减振器配合使用，组成一系减振系统。由于减振功能和阻尼功能由不同的部件提供，结构冗余复杂，耦合度欠缺，减振和阻尼功能存在冲突情况，导致车辆稳定性差、安全性降低、影响车辆运行品质。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供气液固耦合减振器，降低轨道车辆运行过程中的振动和噪音，提高车辆的运行安全性和舒适性。

为实现上述目的，本发明提供了气液固耦合减振器，所述气液固耦合减振器包括：

第一安装座、第二安装座、连接部件、分隔层、第一活塞和第二活塞；

所述第一安装座的顶端和所述第二安装座的顶端之间通过所述连接部件环绕密封，形成密闭腔室；

所述第二安装座的中部固定设置有分隔层；所述分隔层上开设有阻尼孔；所述分隔层将所述密闭腔室分隔，形成第一腔室和第二腔室；

所述第一活塞滑设在所述第一腔室的侧壁上，在所述第二安装座的顶端与所述分隔层之间浮动；所述第一活塞将所述第一腔室分隔，形成第一气压腔和第一液压腔；

所述第二活塞滑设在所述第二腔室的侧壁上，在所述分隔层与所述第二安装座的底端之间浮动；所述第二活塞将所述第二腔室分隔，形成第二液压腔和第二气压腔。

优选的，当所述第一安装座受到冲击压力时，或者,当所述第二安装座受到冲击压力时，所述第一气压腔的体积减小，内部压强增大；所述第一活塞受到的作用力增大，被推向所述分隔层方向；所述第一液压腔的体积减小，所述第一液压腔内的液压油受到挤压，经所述阻尼孔流向所述第二液压腔，液压油穿过阻尼孔时产生阻尼力，缓冲冲击压力；所述第二液压腔内的液压油增多，体积增大；所述第二活塞受到的作用力增大，被推向所述第二安装座底端方向，压缩所述第二气压腔的气体，缓冲冲击压力。

优选的，所述第一安装座和第二安装座均为顶端无盖的空腔圆柱结构。

优选的，所述第一安装座和第二安装座的侧面均为楔形结构且相互匹配。

优选的，所述连接部件由不同高度的圆弧结构交错构成；

所述圆弧结构的截面为四边形，所述四边形从两边到中间高度不断减小。

优选的，所述连接部件采用橡胶材质。

优选的，所述气液固耦合减振器还包括：第一气压外接口和第二气压外接口；

所述第一气压外接口设置在所述第一安装座上，连通高压气体供给装置和所述第一气压腔；

所述第二气压外接口设置在所述第二安装座的底端，连通高压气体供给装置和所述第二气压腔。

优选的，所述气液固耦合减振器还包括：液压外接口；

所述液压外接口设置在所述第二安装座的中部，连通液压油供给装置、第一液压腔和第二液压腔。

优选的，所述气液固耦合减振器还包括：第一密封圈和第二密封圈；

所述第一密封圈套设在所述第一活塞的四周，与所述第二安装座的侧壁接触；

所述第二密封圈套设在所述第二活塞的四周，与所述第二安装座的侧壁接触。

本发明实施例提供的气液固耦合减振器，在车辆行驶过程中，将车辆都在垂向、纵向和横向的振动，转换为连接部件的形变，进而通过密封高压气体配合，带动腔室内活塞运动，实现气液固耦合减振器在垂向、纵向和横向的减振功能。同时，通过活塞以及分隔层的阻尼孔，实现气液固耦合减振器的阻尼功能。最终实现了多向自由度的减振功能和阻尼功能的耦合，提高了减振器的集成性，有效降低了车轴轴承的冲击损耗，降低轨道车辆运行过程中的振动和噪音，提高车辆的运行安全性和舒适性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的气液固耦合减振器的剖视图；

图2为本发明实施例提供的连接部件的俯视示意图；

图3为本发明实施例提供的连接部件的剖视图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明提供的气液固耦合减振器，在车辆行驶过程中，将车辆都在垂向、纵向和横向的振动，转换为连接部件的形变，进而通过密封高压气体配合，带动腔室内活塞运动，实现气液固耦合减振器在垂向、纵向和横向的减振功能。同时，通过活塞以及分隔层的阻尼孔，实现气液固耦合减振器的阻尼功能。最终实现了多向自由度的减振功能和阻尼功能的耦合，提高了减振器的集成性，有效降低了车轴轴承的冲击损耗，降低轨道车辆运行过程中的振动和噪音，提高车辆的运行安全性和舒适性。

图1为本发明实施例提供的气液固耦合减振器的剖视图，以下结合图1对本发明技术方案进行详述。

如图1所示，气液固耦合减振器包括：第一安装座1、第二安装座2、连接部件3、分隔层4、第一活塞5、第二活塞6、第一气压外接口7、第二气压外接口8、液压外接口9、第一密封圈10和第二密封圈11。

第一安装座1和第二安装座2均为顶端无盖的空腔圆柱结构。第一安装座1和第二安装座2的侧面均为楔形结构且相互匹配。第一气压外接口7设置在第一安装座1上，连通高压气体供给装置和第一气压腔Q1。第二气压外接口8设置在第二安装座2的底端，连通高压气体供给装置和第二气压腔Q2。高压气体供给装置用于向第一气压腔Q1和第二气压腔Q2内填充高压气体。液压外接口9设置在第二安装座2的中部，连通液压油供给装置、第一液压腔Y1和第二液压腔Y2。液压油供给装置用于向第一液压腔Y1和第二液压腔Y2内填充液压油。

第一安装座1的顶端和第二安装座2的顶端之间通过连接部件3环绕密封，形成密闭腔室。连接部件3采用能够发生弹性形变的材质，在本发明实施例中优选采用橡胶材质。如图2所示，连接部件3由不同高度的圆弧结构交错构成，包括第一侧结构31和第二侧结构32。图3为沿图2中A-A’的剖视图，如图3所示，圆弧结构的截面为四边形，四边形从两边到中间高度不断减小。

第二安装座2的中部固定设置有分隔层4。分隔层4上开设有阻尼孔12。分隔层4将密闭腔室分隔，形成第一腔室和第二腔室。第一活塞5滑设在第一腔室的侧壁上，在第二安装座2的顶端与分隔层4之间浮动。第一活塞5将第一腔室分隔，形成第一气压腔Q1和第一液压腔Y1。第二活塞6滑设在第二腔室的侧壁上，在分隔层4与第二安装座2的底端之间浮动。第二活塞6将第二腔室分隔，形成第二液压腔Y2和第二气压腔Q2。

在优选的方案中，第一密封圈10套设在第一活塞5的四周，与第二安装座2的侧壁接触。第二密封圈11套设在第二活塞6的四周，与第二安装座2的侧壁接触。密封圈能够防止因活塞与腔室的侧壁之间存在空隙，阻尼力减小，影响减振器减振效果。第二安装座2的底端开设有安装孔14，用以安装固定减振器。第二安装座2的顶端设置有挡板结构13，用以确保第一活塞5在挡板结构13和分隔层4之间浮动，保证减振器的减振效果。

以上说明了气液固耦合减振器的结构，以下结合结构说明气液固耦合减振器的工作过程。

气液固耦合减振器安装在车辆的轮轴和转向架之间，在车辆处于一定高度，即工作高度时，气液固耦合减振器的四个腔室(第一气压腔Q1、第一液压腔Y1、第二液压腔Y2、第二气压腔Q2)的压强相同，第一活塞5和第二活塞6保持相对静止状态。

当车辆向下运动时，即第一安装座1受到冲击压力时，压缩第一气压腔Q1的气体，第一气压腔Q1的体积减小，内部压强增大；第一活塞5受到的作用力增大，被推向分隔层4方向；第一液压腔Y1的体积减小，第一液压腔Y1内的液压油受到挤压，经阻尼孔12流向第二液压腔Y2，液压油穿过阻尼孔12时产生阻尼力，缓冲冲击压力；第二液压腔Y2内的液压油增多，体积增大；第二活塞6受到的作用力增大，被推向第二安装座2底端方向，压缩第二气压腔Q2的气体，缓冲冲击压力。

当车辆向上运动时，即第二安装座2受到冲击压力时，压缩第一气压腔Q1的气体，缓冲冲击压力，第一气压腔Q1的体积减小，内部压强增大；第一活塞5受到的作用力增大，被推向分隔层4方向；第一液压腔Y1的体积减小，第一液压腔Y1内的液压油受到挤压，经阻尼孔12流向第二液压腔Y2，液压油穿过阻尼孔12时产生阻尼力，缓冲冲击压力；第二液压腔Y2内的液压油增多，体积增大；第二活塞6受到的作用力增大，被推向第二安装座2底端方向，压缩第二气压腔Q2的气体，缓冲冲击压力。

也就是说，车辆振动作用在减振器上，产生激励振动后，通过压缩气体和液压油流经阻尼孔12产生的阻尼力，实现车辆的减振功能，提高了车辆的抗冲击能力，有效降低了车轴轴承的冲击损耗，提高结构的柔性，提高车辆的运行安全性、舒适性和运行品质。

由上述工作过程可知，本发明的气液固耦合减振器是先减振后阻尼，车辆的垂向载荷主要由腔室内的高压气体承担，降低了连接部件3的承载力，即降低了连接部件3所采用的弹性材料的疲劳，同时降低了对车轴轴承的冲击损耗，进而减少减振器的维修量，延长减振器的使用寿命。

以上说明了气液固耦合减振器的工作过程，以下说明设计气液固耦合减振器的过程。

由于每辆车的各项参数不同，为保证气液固耦合减振器的减振效果，不同参数的车辆在减振器的设计上也略有区别，

在设计某一车辆的减振器时，首先要根据车辆的安装尺寸、工作高度设计气液固耦合减振器的外部尺寸。

然后，根据车辆转向架的重量和车体的重量计算出单个气液固耦合减振器的需要满足的承载力和最大冲击载荷，并基于承载力、最大冲击载荷和车辆正常运行的振动行程计算出气液固耦合减振器所需的垂向刚度。根据车辆的横向载荷，以及对应的横向位移计算出气液固耦合减振器所需的横向刚度。根据车辆的纵向载荷、以及对应的纵向位移计算出气液固耦合减振器所需的纵向刚度。

最后，根据气液固耦合减振器所需的垂向刚度，横向刚度、纵向刚度，以及分别对应的影响减振效果的因素进行有限元仿真分析。同时。结合车体动力学，分析车辆振动载荷谱，利用多体动力学仿真软件，进行实体建模来优化和匹配阻尼孔12的直径，从而得到气液固耦合减振的设计方案。提高气液固耦合减振器的缓冲能力，消耗振动能量衰减振动，有效降低了车轴轴承的冲击损耗。

在本发明实施例中，气液固耦合减振器的减振效果由垂向刚度、横向刚度、纵向刚度、阻尼力综合影响。

其中，垂向刚度的影响因素包括：第一安装座1和第二安装座2的楔形结构的配合倾角、第一安装座1和第二安装座2的楔形结构的配合距离、连接部件3的力学性能、连接部件3的高度、第一气压腔Q1的体积、第二气压腔Q2的体积、第一气压腔Q1的气压、第二气压腔Q2的气压。

横向刚度的影响因素包括：连接部件3的横向结构、连接部件3的横向尺寸、连接部件3的力学性能、连接部件3的第一侧结构31、连接部件3的第一侧结构31的型面。

纵向刚度的影响因素包括：连接部件3的纵向结构、连接部件3的纵向尺寸、连接部件3的力学性能、连接部件3的第二侧结构32、连接部件3的第二侧结构32的型面。

阻尼力的影响因素包括：阻尼孔12的直径、分隔层4的厚度。

上述的连接部件3的力学性能主要是指连接部件3所采用的材质的硬度特性。在连接部件3的结构相同的情况下，所采用的材质的硬度越大，刚度越大。在连接部件3的所采用的材质相同的情况下，不同的结构对应不同的刚度。例如本发明的图3，第一侧结构31对应的横向刚度和第二侧结构32对应的纵向刚度是不同的。

在本发明实施例中，连接部件3的第一侧结构31对应横向刚度，连接部件3的第二侧结构32对应纵向刚度。根据减振需求和连接结构的安装位置，也可以使得连接部件3的第二侧结构32对应横向刚度，连接部件3的第一侧结构31对应纵向刚度。

以下根据车辆的垂向刚度设计气液固耦合减振器方案进行举例说明。

根据气液固耦合减振器处于工作位置时，第一气压腔Q1和第二气压腔Q2的内部气体的各项参数，计算第一气压腔Q1和第二气压腔Q2内部的压强和体积的关系，如下公式1：

P(V1+V2)＝nRT (公式1)

其中，V1为气液固耦合减振器处于工作位置时，第一气压腔Q1的体积。V2为气液固耦合减振器处于工作位置时，第二气压腔Q2的体积。在本发明实施例中，第一气压腔Q1和第二气压腔Q2的内部高压气体一致。P为第一气压腔Q1和第二气压腔Q2的内部气压。T为第一气压腔Q1和第二气压腔Q2的内部的绝对温度。n为第一气压腔Q1和第二气压腔Q2的内部气体的物质的量。R为第一气压腔Q1和第二气压腔Q2的内部气体的气体常数。

根据对公式1的转换，可以得到第一气压腔Q1和第二气压腔Q2的内部的压强P，如下公式2：

根据气压P和气液固耦合减振器所需的工作载荷F，计算出气液固耦合减振器的有效面积S，如下公式3：

其中，工作载荷F根据车辆的各项参数计算得到。在本发明实施例中，主要指垂向的工作载荷。第二气压腔Q2的结构较为规则，但第一气压腔Q1的结构不规则，直接设计的难度较大，因此利用气压腔总体积V1+V2，进行辅助设计。如上述公式3，利用工作载荷F除以气压腔总体积V1+V2，得到有效面积S，进而可以根据有效面积S，通过有限元仿真分析优化气液固耦合减振器的内部结构。有效面积可以理解为垂直于工作载荷的方向的接触面的投影面积，即工作载荷的受力面积。

根据刚度计算公式4，得到垂向刚度K：

其中，h为车体正常运行所需的振动行程。

在此基础上，通过不断调整气液固耦合减振器第一安装座1、第二安装座2内部尺寸、连接部件3的位置和尺寸、第一液压腔Y1和第二液压腔Y2中液压油的体积，第一气压腔Q1和第二气压腔Q2的体积，第一气压腔Q1和第二气压腔Q2内的气压，利用有限元仿真分析，多次计算匹配，以满足气液固耦合减振器所需的垂向刚度，达到更优的减振效果。

本发明的气液固耦合减振器，在车辆行驶过程中，将车辆都在垂向、纵向和横向的振动，转换为连接部件的形变，进而通过密封高压气体配合，带动腔室内活塞运动，实现气液固耦合减振器在垂向、纵向和横向的减振功能。同时，通过活塞以及分隔层的阻尼孔，实现气液固耦合减振器的阻尼功能。最终实现了多向自由度的减振功能和阻尼功能的耦合，提高了减振器的集成性，有效降低了车轴轴承的冲击损耗，降低轨道车辆运行过程中的振动和噪音，提高车辆的运行安全性和舒适性。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种气液固耦合减振器，其特征在于，所述气液固耦合减震器应用在车辆中，所述气液固耦合减振器包括：

第一安装座、第二安装座、连接部件、分隔层、第一活塞和第二活塞；其中，所述第一安装座和第二安装座的侧面均为楔形结构且相互匹配；所述连接部件由不同高度的圆弧结构交错构成；所述圆弧结构的截面为四边形，所述四边形从两边到中间高度不断减小；

所述第一安装座的顶端和所述第二安装座的顶端之间通过所述连接部件环绕密封，形成密闭腔室；

所述第二安装座的中部固定设置有分隔层；所述分隔层上开设有阻尼孔；所述分隔层将所述密闭腔室分隔，形成第一腔室和第二腔室；

所述第一活塞滑设在所述第一腔室的侧壁上，在所述第二安装座的顶端与所述分隔层之间浮动；所述第一活塞将所述第一腔室分隔，形成第一气压腔和第一液压腔；

所述第二活塞滑设在所述第二腔室的侧壁上，在所述分隔层与所述第二安装座的底端之间浮动；所述第二活塞将所述第二腔室分隔，形成第二液压腔和第二气压腔当所述第一安装座受到冲击压力时,或者所述第二安装底座产生冲击压力时，所述第一气压腔的体积减小，内部压强增大;所述第一活塞受到的作用力增大，被推向所述分隔层方向；所述第一液压腔的体积减小，所述第一液压腔内的液压油受到挤压，经所述阻尼孔流向所述第二液压腔，液压油穿过阻尼孔时产生阻尼力，缓冲冲击压力；所述第二液压腔内的液压油增多，体积增大；所述第二活塞受到的作用力增大，被推向所述第二安装座底端方向，压缩所述第二气压腔的气体，缓冲冲击压力。

2.根据权利要求1所述的气液固耦合减振器，其特征在于，所述第一安装座和第二安装座均为顶端无盖的空腔圆柱结构。

3.根据权利要求1所述的气液固耦合减振器，其特征在于，所述连接部件采用橡胶材质。

4.根据权利要求1所述的气液固耦合减振器，其特征在于，所述气液固耦合减振器还包括：第一气压外接口和第二气压外接口；

所述第一气压外接口设置在所述第一安装座上，连通高压气体供给装置和所述第一气压腔；

所述第二气压外接口设置在所述第二安装座的底端，连通高压气体供给装置和所述第二气压腔。

5.根据权利要求1所述的气液固耦合减振器，其特征在于，所述气液固耦合减振器还包括：液压外接口；

所述液压外接口设置在所述第二安装座的中部，连通液压油供给装置、第一液压腔和第二液压腔。

6.根据权利要求1所述的气液固耦合减振器，其特征在于，所述气液固耦合减振器还包括：第一密封圈和第二密封圈；

所述第一密封圈套设在所述第一活塞的四周，与所述第二安装座的侧壁接触；

所述第二密封圈套设在所述第二活塞的四周，与所述第二安装座的侧壁接触。

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