CN113550997B - 一种基于数字控制式液压缸组的液电式馈能减振器系统 - Google Patents

一种基于数字控制式液压缸组的液电式馈能减振器系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于数字控制式液压缸组的液电式馈能减振器系统，包括集成型数字控制式液压缸组、整流桥回路、液压马达、发电机和蓄电池，集成型数字控制式液压缸组包括至少一个液压缸单元，每个液压缸单元包括高速开关阀一、高速开关阀二和至少两个子液压缸，每个液压缸单元内所有子液压缸的有杆腔/无杆腔通过油路相连后接入高速开关阀一/高速开关阀二的P口，所有液压缸单元的高速开关阀一/高速开关阀二的A口通过油路相连后形成系统高压端/系统低压端。该系统通过不同的活塞面积组合配置调节减振器系统输出的阻尼力，与不平路面激励力的变化进行自适应变化，使系统具备较好的阻尼特性，能够有效缓解汽车运行过程中的冲击振动。

Description

一种基于数字控制式液压缸组的液电式馈能减振器系统
技术领域
本发明涉及液压减振技术领域，主要用于缓解车辆振动和系统能量回收两个方面，具体为一种基于数字控制式液压缸组的液电式馈能减振器系统。
背景技术
当今社会能源问题已经成为我们普遍关注的热点之一，在全球号召的“碳中和”大背景下，人们大力倡导节能减排、能量回收利用等。随着汽车在现代生活中的广泛使用，对于车辆悬架装置的减振和能量回收利用的研究就显得尤为重要。
与传统的悬架系统相比，馈能式悬架系统可以兼顾减振和能量回收两方面的优点。按照能量转换方式的不同，馈能式悬架主要可以分为以下五种形式，分别是机械式、压电式、电磁式、液压式和液电式五种。机械式馈能悬架主要是将悬架装置的直线运动转换为发电机的旋转运动，这样可以把悬架装置运动产生的机械能转换为发电机的电能，从而达到能量回收再利用的效果。机械式馈能悬架结构较为复杂，普遍制造精度和成本要求较高，减少冲击和减振效果较差，能量回收效率不高；压电式馈能悬架基于压电材料的压电效应，主要由压电元件、传动机构以及相关弹性元件等组成，这种装置具有结构较为简单，便于系统模块化和集成化，机械阻尼和惯性小，产生的电压高等优点，但也有不少缺点，例如产生的振动频率低于压电元件的谐振频率，馈能效率较低等；电磁式馈能悬架主要是在普通的悬架系统上利用电磁装置来代替传统的阻尼器，电磁式悬架对传动机构元件的精度要求较高，造价高昂，一般不易应用于车辆悬架中；液压式馈能悬架是利用液压元件组成的液压系统将振动能量进行回收并转化为液压能进行存储，与其他类型的馈能减振装置相比，液压式馈能悬架具有工作相对可靠等优点，缺点是蓄能器的容积会限制吸收的能量多少，且油液再流动过程中会造成损失，所以能量回收效率会有所降低。
现如今普遍研究的液电式馈能悬架，其减振器系统是由多个单向阀连接而成的液压整流桥配合高、低压蓄能器、液压马达、发电机和电流控制馈能电路组成，其系统的可调阻尼力是通过改变馈能电路的可调负载电阻或电流大小来改变发电机电磁转矩，从而控制发电机的反电动势力矩大小来控制可调阻尼力的大小，这种以控制发电机负载为主要思路的阻尼力控制方法要求的控制策略较为复杂，且受限于液压马达进出口压力的可调节性，也就是受初始压力恒定的蓄能器的调压范围的限制，导致系统的阻尼特性与传统悬架的阻尼特性有些差异，难以匹配，且电阻的热效应会将一部分电能转换为热能，造成能量的损失，与馈能的目的不一致。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提出了一种基于数字控制式液压缸组的液电式馈能减振器系统，采用一种由多个子液压缸构成的数字控制式液压缸组，通过改变数字控制式液压缸组接入系统回路的活塞面积来调节减振器系统输出的阻尼力，系统的阻尼力会在一定的范围之内随着不平路面激励力的变化进行自适应变化，使系统具备较好的阻尼特性，与悬架装置的弹簧系统进行自适应调节和匹配，不仅能够有效减振，改善车辆的平顺性，还能够实现能量的回收利用。
为实现上述效果，本发明采用的技术方案为：
一种基于数字控制式液压缸组的液电式馈能减振器系统，其特征在于：包括集成型数字控制式液压缸组、整流桥回路、液压马达、发电机和蓄电池，所述集成型数字控制式液压缸组包括至少一个液压缸单元，每个液压缸单元包括高速开关阀一、高速开关阀二和至少两个子液压缸，每个液压缸单元内所有子液压缸的有杆腔/无杆腔通过油路相连后接入高速开关阀一/高速开关阀二的P口，所有液压缸单元的高速开关阀一/高速开关阀二的A口通过油路相连后形成系统高压端/系统低压端，所有液压缸单元的高速开关阀一和高速开关阀二的B口通过油路相连后接入系统的油箱；
所述整流桥回路包括单向阀一、单向阀二、单向阀三和单向阀四，所述单向阀一的出油口和单向阀二的进油口通过油路相连后接入系统高压端，所述单向阀三的出油口和单向阀四的进油口通过油路相连后接入系统低压端，单向阀二的出油口和单向阀四的出油口通过油路相连后接入液压马达的进油口，单向阀一的进油口和单向阀三的进油口通过油路连接后接入液压马达的出油口；
所述液压马达的进油口处连接有高压蓄能器，液压马达的出油口处连接有低压蓄能器，液压马达的输出轴端与发电机的转轴传动连接，发电机的输出端与蓄电池的输入端电性连接。
进一步的，每个液压缸单元内的子液压缸的活塞面积相同，不同液压缸单元内的子液压缸的活塞面积不相同。
进一步的，每个液压缸单元内的子液压缸数量为两个，且在水平面内对称分布。
进一步的，所有液压缸单元内的高速开关阀一和高速开关阀二的控制信号同步。
进一步的，每个液压缸单元内的高速开关阀一和高速开关阀二的工作位置相同，不同液压缸单元内的高速开关阀一/高速开关阀二的工作位置相同或不同。
进一步的，所述高速开关阀一和高速开关阀二为型号相同的两位三通电磁换向阀。
本发明还提出一种新型馈能悬架，包括悬架主体，所述悬架主体上设置有所述的基于数字控制式液压缸组的液电式馈能减振器系统。
与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：
1、本发明采用一种由多个子液压缸构成的集成型数字控制式液压缸组，可以通过不同的活塞面积组合配置，改变数字控制式液压缸组接入系统回路的活塞面积，进而调节减振器系统输出的阻尼力，使系统具备较好的阻尼特性，与悬架装置的弹簧系统进行自适应调节和匹配，能够有效减振，改善车辆的平顺性；
2、本发明中减振器系统的阻尼力调节是根据集成型数字控制式液压缸组接入系统回路的活塞面积来改变的，与现有液电式馈能减振器中通过接入馈能电路、改变馈能电路的可调负载电阻或电流大小来改变发电机发电机的反电动势力矩大小来调节阻尼力的技术相比，该系统更为简单，且易于控制，能减少不必要的能量损失；
3、本发明采用的集成型数字控制式液压缸组，其子液压缸的数目和活塞面积大小可以有多种选择和不同组合，接入N对液压缸组，则系统有2N种运动状态，接入的液压缸组的数目越多，则接入的液压缸组活塞面积的不同组合也就越多，系统的运动状态也就越多，系统的阻尼力调节也就更加精准，汽车在不平路面上的平顺性也就越好。
附图说明
图1为本发明集成型数字控制式液压缸组的原理图；
图2为本发明的液电式馈能减振器系统原理图；
图3为不同数字控制式液压缸组编码对应的示功特性曲线；
图4为不同数字控制式液压缸组编码对应的速度特性曲线；
图5为传统悬架与应用本发明液电式馈能减振器系统的新型馈能悬架减振特性的仿真对比结果。
其中：1.1第一组子液压缸一、1.2第一组子液压缸二、1.3第二组子液压缸一、1.4第二组子液压缸二、1.5第三组子液压缸一、1.6第三组子液压缸二、2.1第一组高速开关阀一、2.2第一组高速开关阀二、2.3第二组高速开关阀一、2.4第二组高速开关阀二、2.5第三组高速开关阀一、2.6第三组高速开关阀二、3油箱、4.1单向阀一、4.2单向阀二、4.3单向阀三、4.4单向阀四、5高压蓄能器、6低压蓄能器、7液压马达、8发电机、9蓄电池。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1和图2，一种基于数字控制式液压缸组的液电式馈能减振器系统，包括集成型数字控制式液压缸组、整流桥回路、液压马达、发电机和蓄电池。
所述集成型数字控制式液压缸组包括至少一个液压缸单元，每个液压缸单元包括高速开关阀一、高速开关阀二和至少两个子液压缸。本实施例中，液压缸单元的数量为三组，每个液压缸单元中子液压缸的数量为两个，如图1所示。具体的，第一液压缸单元中的第一组子液压缸一1.1、第一组子液压缸二1.2为两个活塞面积相同的液压缸，第二液压单元中的第二组子液压缸一1.3、第二组子液压缸二1.4为两个活塞面积相同的液压缸，第三液压单元中的第三组子液压缸一1.5、第三组子液压缸二1.6为两个活塞面积相同的液压缸。第一液压缸单元中的第一组高速开关阀一2.1和第一组高速开关阀二2.2、第二液压缸单元中的第二组高速开关阀一2.3和第二组高速开关阀二2.4、第三液压缸单元中的第三组高速开关阀一2.5、第三组高速开关阀2.6均为型号相同的两位三通电磁换向阀。
每个液压缸单元内所有子液压缸的有杆腔/无杆腔通过油路相连后接入高速开关阀一/高速开关阀二的P口，所有液压缸单元的高速开关阀一/高速开关阀二的A口通过油路相连后形成系统高压端/系统低压端，所有液压缸单元的高速开关阀一和高速开关阀二的B口通过油路相连后接入系统的油箱。具体实施例中，第一组子液压缸一1.1、第一组子液压缸二1.2的有杆腔通过油路相连后接入第一组高速开关阀一2.1的P口，第一组子液压缸一1.1、第一组子液压缸二1.2的无杆腔通过油路相连后接入第一组高速开关阀二2.2的P口；第二组子液压缸一1.3、第二组子液压缸二1.4的有杆腔通过油路相连后接入第二组高速开关阀一2.3的P口，第二组子液压缸一1.3、第二组子液压缸二1.4的无杆腔通过油路相连后接入第二组高速开关阀二2.4的P口；第三组子液压缸一1.5、第三组子液压缸二1.6的有杆腔通过油路相连后接入第三组高速开关阀一2.5的P口，第三组子液压缸一1.5、第三组子液压缸二1.6的无杆腔通过油路相连后接入第三组高速开关阀二2.6的P口。第一组高速开关阀一2.1、第二组高速开关阀一2.3和第三组高速开关阀一2.5的A口通过油路相连后形成系统高压端；第一组高速开关阀二2.2、第二组高速开关阀二2.4和第三组高速开关阀二2.6的A口通过油路相连后形成系统低压端；6个高速开关阀的的B口通过油路相连后接入系统的油箱3中。
根据压力公式F＝p*A可知，当系统工作压力p一定时，通过改变接入系统的液压缸组的子液压缸数目来改变活塞总面积A，即可以改变液压缸组输出的综合作用力F，进而改变减振器系统输出的阻尼力。三组子液压缸在水平面内依次分布，且每组子液压缸中的两个子液压缸在水平面内对称分布，如此可构造出双侧对称的支撑机构，增强其上物体运动过程中的平稳性。
每个液压缸单元内的子液压缸的活塞面积相同，不同液压缸单元内的子液压缸的活塞面积不相同。本实施例中，第一组子液压缸一1.1、第一组子液压缸二1.2的活塞直径均为32mm，第二组子液压缸一1.3、第二组子液压缸二1.4的活塞直径均为25mm，第三组子液压缸一1.5、第三组子液压缸二1.6的活塞直径均为20mm，如此形成大、中、小依次排列分布的三种截面规格。
三个液压缸单元内的高速开关阀一和高速开关阀二的控制信号同步，每个液压缸单元内的高速开关阀一和高速开关阀二的工作位置相同，不同液压缸单元内的高速开关阀一/高速开关阀二的工作位置相同或不同。具体实施例中，第一组高速开关阀一2.1和第一组高速开关阀二2.2的开关阀动作保持一致，第二组高速开关阀一2.3和第二组高速开关阀二2.4的开关阀动作保持一致，第三组高速开关阀一2.5和第三组高速开关阀2.6的开关阀动作保持一致。每个液压缸单元中的高速开关阀的两种状态切换控制对应的子液压缸的运动状态，即子液压缸是接入油箱或接入系统中这两种工作状态。
则此系统根据接入的液压缸组活塞面积的不同组合便有八种不同的运动状态，那么可以通过不同的活塞面积组合配置，改变数字控制式液压缸组接入系统回路的活塞面积，进而调节减振器系统输出的阻尼力。同时，在压缩运动行程中，系统自动选择接入系统的活塞面积较小的组合配置，使得液压缸组输出的阻尼力减小，充分发挥悬架弹簧的作用；在伸张运动行程中，系统自动选择接入系统的活塞面积较大的组合配置，使得液压缸组输出的阻尼力较大，实现迅速减振。因此，系统的阻尼力会在一定的范围之内随着不平路面激励力的变化，在压缩运动行程和伸张运动行程中进行自适应变化，使系统具备较好的自适应阻尼特性。
在实际应用中，本系统以数字控制编码的形式表示不同的活塞面积状态，当一对液压缸对应的高速开关阀同时为“1”时，表示接入系统，同时为“0”时，表示不接入系统(即为接入油箱3)，系统对应的八种不同的运动状态所对应的数字控制编码如表1所示。
表1不同活塞面积状态下的数字控制编码
Figure GDA0003816705910000061
注：表中“1”表示接入系统，“0”表示不接入系统
当编码为000时，表示数字液压缸组均不接入系统，处于无效状态；当编码为001时，表示数字液压缸组接入系统的活塞总面积最小，此时液压缸组输出的阻尼力最小；当编码为111时，表示数字液压缸组接入系统的活塞总面积最大，此时液压缸组输出的阻尼力最大。
该数字控制式液压缸组在汽车液电式减振馈能系统的具体应用过程为：在不平路面激励力的作用下，推动其液压缸组的子液压缸活塞杆同时伸缩运动，通过不同的活塞面积组合配置，改变数字控制式液压缸组接入系统回路的活塞面积，进而调节减振器系统输出的阻尼力。在压缩运动行程中，系统自动切换至接入系统的活塞面积较小的组合配置所对应的数字控制编码(如001)，液压缸组输出的阻尼力减小，此时可充分发挥悬架弹簧的作用；在伸张运动行程中，系统自动切换至接入系统的活塞面积较大的组合配置所对应的数字控制编码(如110)，此时液压缸组输出的阻尼力较大，可实现迅速减振。该系统与悬架装置的弹簧系统进行自适应调节和匹配，能够有效减振，改善车辆的平顺性。
显然的，本发明采用的集成型数字控制式液压缸组，其子液压缸的数目和活塞面积大小可以有多种选择和不同组合，接入N对液压缸组，则系统有2N种运动状态，接入的液压缸组的数目越多，则接入的液压缸组活塞面积的不同组合也就越多，系统的运动状态也就越多，系统的阻尼力调节也就更加精准，汽车在不平路面上的平顺性也就越好，当然对应的系统物理结构也将更加复杂，对控制系统控制的稳定性也会要求更高。
如图2所示，所述整流桥回路包括单向阀一4.1、单向阀二4.2、单向阀三4.3和单向阀四4.4，四个单向阀的规格相同。单向阀一4.1的出油口和单向阀二4.2的进油口通过油路相连后接入系统高压端，单向阀三4.3的出油口和单向阀四4.4的进油口通过油路相连后接入系统低压端，单向阀二4.2的出油口和单向阀四4.4的出油口通过油路相连后接入液压马达7的进油口，单向阀一4.1的进油口和单向阀三4.3的进油口通过油路连接后接入液压马达7的出油口。液压马达7的进油口处连接有高压蓄能器5，液压马达7的出油口处连接有低压蓄能器6，液压马达7的输出轴端与发电机8的转轴传动连接，发电机8的输出端与蓄电池9的输入端电性连接。
当汽车受到不平路面激励时，在不平路面激励力的作用下，推动数字控制式液压缸组的子液压缸活塞杆同时伸缩运动。在压缩运动行程中，系统自动切换至接入系统的活塞面积较小的组合配置所对应的数字控制编码，液压缸组输出的阻尼力减小。以数字控制编码001为例，此时仅有第三组液压缸单元接入系统中，第三组子液压缸一1.5和第三组子液压缸二1.6无杆腔内的液压油被压入第三组高速开关阀二2.6的P口，而后经A口流出，单向阀四4.4处于打开状态、单向阀三4.3处于闭合状态，高压状态的液压油流入液压马达7的进油口，从而驱动液压马达7单向连续转动而发电，生成的电能输入蓄电池9中进行存储，部分油压通过高压蓄能器5缓冲蓄能；由液压马达7流出的低压油液经单向阀一4.1流入第三组高速开关阀一2.5的A口，而后经P口流回至第三组子液压缸一1.5和第三组子液压缸二1.6的有杆腔内，部分油压通过低压蓄能器6缓冲蓄能。
在伸张运动行程中，系统自动切换至接入系统的活塞面积较大的组合配置所对应的数字控制编码，此时液压缸组输出的阻尼力较大。以数字控制编码100为例，此时仅有第一组液压缸单元接入系统中，第一组子液压缸一1.1和第一组子液压缸二1.2有杆腔内的液压油被压入第一组高速开关阀一2.1的P口，而后经A口流出，单向阀二4.2处于打开状态、单向阀一4.1处于闭合状态，高压状态的液压油流入液压马达7的进油口，从而驱动液压马达7单向连续转动而发电，生成的电能输入蓄电池9中进行存储，部分油压通过高压蓄能器5缓冲蓄能；由液压马达7流出的低压油液经单向阀三4.3流入第一组高速开关阀二2.2的A口，而后经P口流回至第一组子液压缸一1.1和第一组子液压缸二1.2无杆腔内。
油液经过由整流桥回路流经液压马达7，带动发电机8发电，将车轮因不平路面激励力的作用而上下运动的机械能转化为电能，储存于蓄电池9中，从而进行能量的回收利用。在此过程中，无论压缩运动行程还是伸张运动行程，液压马达始终朝一个方向旋转，不会改变转动方向。
将上述基于数字控制式液压缸组的液电式馈能减振器系统进行系统设计和AMESim建模仿真，可以得到不同数字控制式液压缸组编码对应的示功特性曲线和速度特性曲线，分别如图3和图4所示，可以看出数字控制式液压缸组控制编码不同，其阻尼力的大小也不同，控制编码对应的活塞总面积越大，其阻尼力相应越大。
将上述基于数字控制式液压缸组的液电式馈能减振器应用于现有的悬架系统中，形成本发明的新型馈能悬架。在AMESim中分别建立传统悬架和新型馈能悬架的系统仿真模型，为简化分析，给予同样的一段频率为1Hz，振幅为0.05m的正弦波激励信号，进行对比仿真分析两种悬架的减振特性，得到的减振特性曲线如图5所示。从图中仿真结果可以对比分析得出新型馈能悬架的动行程小于传统悬架，可以验证该新型馈能悬架的减振特性优于传统悬架。因此，与现有液电式馈能减振器中通过接入馈能电路、改变馈能电路的可调负载电阻或电流大小来改变发电机发电机的反电动势力矩大小来调节阻尼力的技术相比，该系统更为简单，且易于控制，能减少不必要的能量损失。
以上所述仅为本发明的实施例，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 (6)

1.一种基于数字控制式液压缸组的液电式馈能减振器系统，其特征在于：包括集成型数字控制式液压缸组、整流桥回路、液压马达、发电机和蓄电池，所述集成型数字控制式液压缸组包括至少一个液压缸单元，每个液压缸单元包括高速开关阀一、高速开关阀二和至少两个子液压缸，每个液压缸单元内所有子液压缸的有杆腔/无杆腔通过油路相连后接入高速开关阀一/高速开关阀二的P口，所有液压缸单元的高速开关阀一/高速开关阀二的A口通过油路相连后形成系统高压端/系统低压端，所有液压缸单元的高速开关阀一和高速开关阀二的B口通过油路相连后接入系统的油箱；
所述整流桥回路包括单向阀一、单向阀二、单向阀三和单向阀四，所述单向阀一的出油口和单向阀二的进油口通过油路相连后接入系统高压端，所述单向阀三的出油口和单向阀四的进油口通过油路相连后接入系统低压端，单向阀二的出油口和单向阀四的出油口通过油路相连后接入液压马达的进油口，单向阀一的进油口和单向阀三的进油口通过油路连接后接入液压马达的出油口；
每个液压缸单元内的子液压缸的活塞面积相同，不同液压缸单元内的子液压缸的活塞面积不相同，系统接入N个所述液压缸单元时，系统对应具备有2N种运动状态；
所述液压马达的进油口处连接有高压蓄能器，液压马达的出油口处连接有低压蓄能器，液压马达的输出轴端与发电机的转轴传动连接，发电机的输出端与蓄电池的输入端电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字控制式液压缸组的液电式馈能减振器系统，其特征在于：每个液压缸单元内的子液压缸数量为两个，且在水平面内对称分布。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字控制式液压缸组的液电式馈能减振器系统，其特征在于：所有液压缸单元内的高速开关阀一和高速开关阀二的控制信号同步。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字控制式液压缸组的液电式馈能减振器系统，其特征在于：每个液压缸单元内的高速开关阀一和高速开关阀二的工作位置相同，不同液压缸单元内的高速开关阀一/高速开关阀二的工作位置相同或不同。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的一种基于数字控制式液压缸组的液电式馈能减振器系统，其特征在于：所述高速开关阀一和高速开关阀二为型号相同的两位三通电磁换向阀。
6.一种新型馈能悬架，包括悬架主体，其特征在于：所述悬架主体上设置有权利要求1所述的基于数字控制式液压缸组的液电式馈能减振器系统。
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