新型振动能量助力式汽车液压转向系统研究.pdf

2 0 1 3年 4月 第4 1 卷 第 7期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS Ap r ． 2 01 3 V0 1 ． 41 No ． 7 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 0 7 ． 0 0 4 新型振动能量助力式汽车液压转向系统研究 丁志华 ，雷正保 ，雷沐羲 1 ．长沙理工大学汽车与机械工程学院，湖南长沙 4 1 0 0 0 4；2 ．九江学院机械与材料工程学院， 江西九江3 3 2 0 0 5 ； 3 ． 长沙理工大学土木与建筑工程学院，湖南长沙4 1 0 0 0 4 摘要介绍一种振动能量回收式液压减振系统。该系统能回收部分振动能量，从而降低油耗；回收的高压油液可以用 于制动系统、转向助力、液压离合操纵机构等。设计了一种能回收振动能量的非充气式单筒减振器，介绍了该减振器的结 构与工作原理。对新型振动能量助力式汽车液压转向系统的组成与工作原理进行了研究。该振动能量回收式液压减振系统 申报 了国 家 发 明专 利 C N 1 0 2 1 5 2 7 7 8 A ，振 动 能 量 助力 式 汽 车液 压 转 向 系统 申报 了 国家 实 用新 型专 利 z L 2 0 1 1 2 0 1 0 1 0 7 8 ． 4 。 关键词 车辆工程；非充气式单筒减振器；振动能量助力式液压转向系统；概念设计 中图分类号 T H1 2 ；T M 5 6 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 7 0 1 23 - Re s e a r c h o n Ne w Vi br a t o r y En e r g y Po we r - As s i s t e d Aut o mo b i l e Hy d r a ul i c S t e e r i n g Sy s t e m DI NG Zh i h u a i I ． LEI Zh e n g b a o ． L EI Mu x i 1 ． C o l l e g e o f A u t o m o b i l eMa c h i n e r y E n g i n e e ri n g ，C h a n g s h a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， C h a n g s h a H u n a n 4 1 0 0 0 4，C h i n a ；2 ． M e c h a n i c a l a n d Ma t e ri a l E n g i n e e ri n g C o U e g e ，J i u j i a n g U n i v e r s i t y ， J i u j i a n g J i a n g x i 3 3 2 0 0 5 ，C h i n a ；3 ． S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n d A r c h i t e c t u r e ，C h a n g s h a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy，C h a n g s h a H u n a n 4 1 0 0 0 4 ，C h i n a Ab s t r a c t A v i b r a t o r y e n e r g y - r e c o v e ry h y d r a u l i c d a mp i n g s y s t e m w a s i n t r o d u c e d wh i c h c o u l d b e u s e d t o r e c y c l e s o me v i b r a t o r y e n e r gy a n d r e d u c e o i l c o n s u mp t i o n ． P r e s s u riz e d o i l f r o m t h e s y s t e m c o u l d b e u s e d f o r b r a k i n g s y s t e m，p o we r a s s i s t e d s t e e ri n g ，h y - d r a u l i c c l u t c h o p e r a t i n g me c h a n i s m a n d S O o n ． A n o n - i n fla t a b l e l i s t t u b e s h o c k a b s o r b e r w a s d e s i g n e d wh i c h c o u l d b e u s e d t o r e c y c l e v i b r a t o ry e n e r gy． I t s s t r u c t u r e a n d o p e r a t i n g p ri n c i p l e w e r e i n t r o d u c e d ． R e s e a r c h w a s ma d e o n s t r u c t u r e and o p e r a t i n g p rin c i p l e o f n e w v i b r a t o ry e n e r gy p o w e r - a s s i s t e d a u t o mo b i l e h y d r a u l i c s t e e ri n g s y s t e m． T h e v i b r a t o ry e n e r gy - r e c o v e ry h y d r a u l i c d a mp i n g s y s t e m h as b e e n r e p o r t e d t h e n a t i o n a l i n v e n t i o n p a t e n t C N 1 0 2 1 5 2 7 7 8 A ，t h e v i b r a t o ry e n e r gy p o w e r - ass i s t e d a u t o m o b i l e h y d r a u l i c s t e e ri n g s y s t e m al- S O h a s b e e n r e p o r t e d t h e n a t i o n al p r a c t i c al n e w p a t e n t Z L 2 0 1 1 2 0 1 0 1 0 7 8 ． 4 Ke y wo r d s A u t o mo b i l e e n g i n e e ri n g ； N o n - i n fl a t ab l e l i s t t u b e s h o c k ab s o r b e r ； Vi b r a t o ry e n e r gy p o we r - as s i s t e d h y d r a u l i c s t e e r i n g s y s t e m；C o n c e p t u al d e s i gn 现今，汽车的舒适性和安全性越来越受到人们关 注。并且随着高速公路网的发展 ，汽车车速有了很大 程度的提高，现代汽车对悬架的要求除了能保证其基 本性能外 ，还致力于提高汽车的行驶安全性和乘坐舒 适性 ，向高附加值 、高性能和高质量的方向发展⋯。 目前，液压减振系统的原理是迫使减振器壳体内的油 液反复地从一个内腔通过一些窄小的孔隙流入另一内 腔，从而利用液体流动的阻力来使振动能量转化为油 液和减振器壳体的热能。汽车振动会消耗车辆行驶的 动能，从而增加油耗 ，降低乘坐舒适性 。传统的 液压减振系统将全部的振动能量转化成热能，不能加 以回收利用。 1 振动能量回收式液压减振系统概念设计 1 ． 1 系统概念设计 如图 1 所 示 ，包 括 4个减 振器 、1个 蓄能 器 、1 个储油罐和若干液压元件。减振器由氮气腔、活塞、 活塞杆、减振器壳、伸张阀、压缩阀、进油管和出油 管等组成；蓄能器设置了限压阀和回油管。该振动能 量 回收 式 液 压 减 振 系 统 申报 了 国 家 发 明 专 利 C N 1 0 2 1 5 2 7 7 8 A ，已于 2 0 1 1 年 8月公示 。 收稿 日期 2 0 1 2 0 3 3 0 基金项目国家科技部国际合作交流项 目 2 0 0 8 D F A 7 1 2 7 0 ；江西省教育厅科技项 目 G J J 1 1 2 3 7 作者简介丁志华 1 9 7 8 一 ，男，博士研究生，副教授，研究方向为汽车数字化设计与仿真、汽车安全。Em a i l z h de an00 7 1 6 3． c o m。 第 7期 丁志华 等 新型振动能量助力式汽车液压转向系统研究 1 3 l 一氯气腔 2 一活塞 3 一油液腔 4 一左后减振器5 一压缩 阀 6 一进油管 7 一活塞杆 8 一左前减振器 9 一储油罐 l 0 一右前减振器 1 l 一右后减振器l 2 一 限压阀l 3 一回油管1 4 一蓄能器出油管 1 5 一蓄能器进油孔 l 6 一液压元件 1 7 一伸张阀 1 8 一减振嚣出油管 1 9 一液压元件进油管2 O 一蓄能器2 1 一电磁单向阀 图 1 振动能量回收式液压减振系统 1 ． 2 工作原理分析 当汽车振动 ，减振器被压缩时 车轮靠近车架 压缩悬架时，活塞 2 下移 ，压缩其下的氮气腔 1 使 其压力升高，活塞上方油液腔 3容积加大，油压下 降，储液罐 9中的油液经进油管 6 、压缩阀 5进入油 液腔 3 。压缩阀5对油液的节流造成悬架压缩运动的 阻尼力，由于压缩阀的特殊结构 弹簧较软 ，通道 较小 ，能使油液流动的阻尼力不致过大，所以在压 缩行程时能使弹性元件充分发挥其缓冲作用。当悬架 处于伸张行程 车轮离开车架、减振器被拉长时， 活塞 2上移使油液腔 3 容积减小，油压升高，压缩阀 5关闭，油液经伸张阀 1 7 、出油管 1 8 、蓄能器进油 管 1 5进入蓄能器2 0 。由于伸张阀1 7的刚度和预紧力 比压缩阀 5的大，且伸张行程时油液通道截面也比压 缩行程小 ，所 以减振器在伸张行程 内产生的最大阻尼 力远远超过 了压缩行程 内的最大阻尼力 。随着蓄能 器 2 0内油压升高 ，增加了减振器出油阻力 ，使阻尼 力进一步加大。减振器这时充分发挥减振作用，保护 弹性元件不被拉大 。活塞下方 的氮气 腔 1内的高压 氮 气能减少车轮遇到冲击力时产生的高频振动，且有助 于消除噪声 ，并有一定的缓冲作用 。 蓄能器 2 0接受并储存来 自减振器 4 、8 、1 0 、1 1 的高压油 ，在车载的液压元件 1 6需要高压油时，储 油罐 内的油 经 加压 元 件提 高压 力 从液 压元 件 进油 管 1 9进入液压元 件 ，同时 电磁 单 向阀 2 1打开 ，蓄 能器 2 0内的高压油经由蓄能器出油管 1 4和电磁单向阀2 1 进入液压元件 l 6 液压元件如制动轮缸、液压助力 转向缸、离合器液压操纵缸等 ，从而将高压油携带 的振动能量转化成液压元件 的输 出功率。液压元件 1 6完成动作后 ，其内的油液返回储油罐 9 。蓄能器上 设置了限压 阀 1 2 ，当前内部的油压达到规定值时， 多余的油液经限压阀 1 2和回油管返回储液罐。 2 能 回收振动能量的非充气式单筒减振器设计 如图2所示，能回收振动能量的非充气式单筒减 振器主 要 由压 缩腔 3 、活 塞 2 2 、复 原 腔 8 、导 向座 1 0 、活塞 杆 2 1 、油封 盖 1 7 、泄 压 腔、压 缩 阀组 件 、 复原阀组件等组成。压缩阀组件设置在活塞上，复原 阀组件设置在导向座上。活塞杆 2 1 是 中空的，上端 装有密封螺钉 1 5 ，上端边缘开有进油孔 1 6外接储液 罐，下端装有进油单向阀2 4 。导向座 1 0和油封盖之间 开有出油孔外接蓄能器。所述的减振器能够回收部分 汽车的振动能量并转化成液压能，该液压能可用于液 压助力，具有结构简单、使用方便、成本低的特点。 1 一 吊环 2 一 壳体 3 一压 缩 腔4 、1 9 一 阻尼孔5 一 压缩 阀 6 一压缩阀弹簧片 7 一压缩阀限位座8 _ _ 复原腔 9 、1 4 _ 一卡环 l O 一导向座 l l 一复原阀 l 2 一复原阀弹簧 1 3 --油封 1 5 _ _ 密封螺钉 l 6 一 进泊 孔 l 7 一 油封 盖 l 8 -- 出油孔 2 0 “-- - 活 塞杆 油孔 2 l 一活塞杆 2 2 一活塞 2 3 - --压紧螺母 2 4 一进油单向阀 图2 能回收振动能量的非充气式单筒减振器 2 H n 也 U 9 8 7 6 5 4 1 4 机床与液压 第 4 1 卷 当汽车振动、减振器被压缩 车轮靠近车架压 缩悬架 时 ，活塞 2 2下 移 ，压缩 腔容积 减小 ，压力 升高，进油单向阀 2 4上移关闭。活塞上方复原腔容 积加大，油压下降，压缩腔中的油液经过阻尼孔4和 压缩阀 5进入复原腔 。由于压缩腔 3 减小 的容积 大于 复原腔 8 增加 的容积 ，所 以从压 缩腔 3进入 复原腔 8 的油液有部分 活塞杆所 占容积部分经过阻尼孔 1 9和复原 阀 1 1 进入导 向座上方 的泄压腔 ，并经 出油 孔 1 8 进人 蓄能器 2 0 。阻尼孔 4和压 缩 阀 5 、阻尼 孑 L 1 9和复原 阀 1 1 对 油液 的节流造 成悬架压 缩运动 的阻 尼力，由于压缩阀的特殊结构 弹簧较软 ，通道较 小以及压缩行程流经复原阀的油液较少，能使油 液流动的阻尼力不致过大，所以在压缩行程时能使弹 性元件充 分 发挥其 缓 冲作 用。 当悬 架 处于 复原 行程 车轮离开车架、减振器被拉长时，活塞 2 2上移 使复原腔容积减小，油压升高，压缩阀6关闭，油液 经 阻尼孔 1 9和复原 阀 1 1进入导 向座上 方 的泄 压腔 ， 并经 由出油孔 1 8 进入 蓄能器 2 0 。 同时 ，压缩 腔容积 增大，压力下降，进油单 向阀2 4下移打开 ，储油罐 中的油 液经 过 进 油孔 l 6 ，活塞 杆 油 孔 2 0进入 压 缩 腔 。由于复原 阀 1 1的刚度 和预紧力 比压缩 阀 6的大 ， 且复原行程时油液通道截面也比压缩行程小，所以减 振 器在复原行程 内产生 的最大 阻尼力远远超过 了压缩 行程内的最大阻尼力。随着蓄能器内油压升高，增加 了减振器出油阻力，使阻尼力进一步加大。减振器这 时充分发挥减振作用，保护弹性元件不被拉大 。 3 振动能量助力式汽车转向系统设计 如 图 3所示 ，振动能量助力式汽车转 向系统包 括 减振器、蓄能器、转向油罐、转向油泵、电磁单向阀、 动力转向器 、转 向操纵机构和转 向传 动机构。减振 器 包括压缩阀及进 油孔 、伸张 阀及 出油 孔、活塞 和氮 气 腔 ；蓄能器设置 了限压 阀和 回油孔 ；电磁单 向阀由转 向盘控制。所述的转向系统能回收部分汽车的振动能 量转化为液压能用于汽车助力转向，降低转向油泵的 负担 ，从而降低 油耗 。该振动能量 助力 式汽车转 向系 统申报了国家实用新型专利 Z L 2 0 1 1 2 0 1 0 1 0 7 8 ． 4 。 当汽车振 动 ，减振 器被 压 缩时 车轮 靠近 车 架 压缩悬架时，活塞 4下移，压缩其下的氮气腔 5 使 其压力升高，活塞上方油液腔容积加大，油压下降， 转 向油罐 1 4中的油液经 进油孔 和压缩 阀 2进 入油 液 腔。当悬 架处 于伸 张行 程 车 轮离 开车 架 、减 振器 被拉长时，活塞 4上移使油液腔容积减小，油压 升高，压缩阀2关闭，油液经伸张阀和出油孔 1 、蓄 能器进油管进入 蓄能器 1 5 。随着蓄 能器 1 5内油压 升 高，增加了减振器出油阻力，使阻尼力进一步加大。 活塞下方的氮气腔5内的高压氮气能减少车轮遇到冲 击力时产生的高频振动，且有助于消除噪声，并有一 定 的缓冲作用 。 l 一 伸 张 阀 2 一 压缩 阀 3 一 减振 器 4 一活塞 s _ - 氮气 腔 6 _ - 转 向传 动机 构 7 一转 向动 力缸 右 腔 8 -- 动 力转 向器 9 _ _ 转 向动 力缸 左 腔 l o - _ 转 向控 制 阀 1 1 一 转 向盘 1 2 一 电磁单 向 阀 l 卜 转向液压泵 1 4 _转 向油 罐 1 5 一蓄 能器 1 6 - _限压 阀 图 3 振动能量助力式 汽车转 向系统 蓄能器 1 5接受并储存 来 自左前 减振器 3和右前 减振器的高压油。当汽车向右转向行驶，转 向盘 1 1 转动时，转向盘输 出电压控制单 向电磁阀 1 2打开 ， 蓄能器 1 5内的高压油经 由蓄能器出油管和电磁单向 阀 l 2进入转 向动力缸右腔 7 ，来 自转 向油泵 1 3的油 也 进入转 向动力缸右腔 7 ，转 向动力缸左 腔 9与转 向 油罐 1 4接通 ，在油压 的作 用下 ，转 向动 力缸 中 的活 塞向下移动，通过转 向传动机构 6使左右轮 向右偏 转，从而实现向右的助力转向；而汽车左转弯时，情 况与上述 相 反。蓄 能器 1 5设 置 了限压 阀 1 6和 回油 管，当其内部的油压达到规定值时，多余的油液经限 压 阀 1 6和 回油管返 回转 向油罐 l 4 。 4结论 文中介绍了一种振 动能量 回收式 液压减 振系 统。 该系统能回收部分振动能量 ，从而降低油耗；回收的 高压油液可以用于制动系统、转向助力、液压离合操 纵机构等。设计了一种能回收振动能量的非充气式单 筒减振器，介绍 了该减振器的结构与工作原理；最 后 ，对新 型振动能量助力式汽车液压转向系统的组 成 与工作原理进行 了研究 。文 中所述 的振动能量 回收式 液 压 减 振 系 统申 报了 国 家 发明 专 利 C N 1 0 2 1 5 2 7 7 8 A ，振动 能量助力 式汽 车液压 转 向系 统申报了国家实用新型专利 Z L 2 0 1 1 2 0 1 0 1 0 7 8 ． 4 。该 新型振动能量助力式汽车液压转向系统可以回收汽车 振动能量用于转向助力 ，从而达到节能减排 的效果 。 参考文献 【 1 】 唐传茵， 张天侠， 李华， 等． 汽车振动舒适性评价研究 [ J ] ． 振动与冲击 ， 2 0 0 8 9 1 5 81 6 1 ． 【 2 】 刘学军， 刘存香． 汽车可变阻尼系数液压悬架的模糊控 制[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 2 8 8 9 0 ． 下转第 2 1页 第 7期 李文锋 等 基于F L U E N T的精密数控车床静压导轨设计及优化 2 1 图 1 4 油膜厚度 1 5 m时第二种优化油腔截面流速分布图 比较 此 优 化 油 腔 截 面与 前 一 种 优 化 油 腔 截 面 假设并不 吻合 ，推 测其 可能对导轨精度产生影响 ，而 C F D计算 结果 可 知 ，油 腔 内部 的涡 旋现 象 得 到 了进 基 于流场分析结果提 出的二种减小油腔 内部涡旋现象 一 步的减小 ，压力分布基本均匀，液压油内部流动减 的结构，使油腔内部流场更稳定均匀 ，且减轻了油腔 缓 ，油腔两侧的斜面一定程度上使得两侧的液流产生 结构对油液分子链的切割作用 ，减缓油液变质 ，提高 向油腔中心的挤压作用，其内部力和运动在一定程度 了系统的可靠性。 上得到抵消 。 参考 文 献 上述油腔截面的结构优化 ，均去掉其转角处的直 【 1 】邱智滂． 哈挺的静压导轨技术[ J ] ． 现代零部件， 2 0 0 7 角 ，减轻此处对油液分子链 的切 割作用 ，其 内部流速 L 7 _ j ’ 与优化前大小基本相同，优化没有影响其 内部流速， 【 2 】 李文锋， 杜彦亭， 贾广辉 精密数控车床静压导轨的设计 了 其 内 部 的 流 蹒陛 。 【3 】 銎 2和3 87 -M90 ． 国 舡业 珥 砧 1 君 出版社 ，1 98 0． 针对 D L M系列精密数控车床的床身结构及导轨 【 4 】庞志成 ．液体气体静压技术[ M] ． 哈尔滨 黑龙江人民出 受载特点 ，设计 滑块 式静压导轨结构 ，应用油环泵产 版料 I 9 8 1 ． 生 负压解 决油液 回收与除气泡 的问题 。设计 的新 型滑 【 5 】许尚贤． 液体静压和动静压滑动轴承设计[ M] ． 南京 东 块 式静压导轨 ，解决 了现有加工条件下 导轨加 工精度 南大学出版社 ， 1 9 8 9 ． 难以保证的问题。该新型滑块式静压导轨结构加工工 【 6 】张毅． 基于 M a t l a b的汽轮机流体动压滑动轴承的优化 艺性能 良好 ，能够满足精密车床对导轨的性能要求， 设计[ J ] ． 轴承， 2 0 0 9 1 4 7 ． 已申请相关专利⋯] 。而基于性能分析结果和新型滑 【 7 】莫宇飞 全合成无灰抗磨液压油的研制[ D ] 南宁 广西 惹 冀 曼 蒌 的 差 【 】 喜 系 统 污 染 的 分 析 与 对 策 [ ， ] ． 液 压 与 气 动 ， 优 化 选 择 的 油 液 黏 度 参 数 ，提高了系统的静态动态性 ’ ⋯ 一 ’ 能 ， 呈 系 竺 总 功 耗 减 少 ．3 7 。 。 ． ⋯ [ 9 1 李 进 希 通 F L U E N T 6 ． 3 流 场 分 析 [ M ] ． 北 京 化 学 工 同 时 ， 基 于F L U E N T 进 行 油 腔 结 构 优 化 研 究 发 业 出 版 2 o 0 9 ． 现 ，对于精密机床静压导轨 ，因其油膜间隙小 ，油液 【 1 0 】高殿荣．液压技术 中复杂流道流场的数值模拟与可视 供 油压力大 ，油液溢 出液 阻大 ，现有矩 形油腔结构导 化研究[ D ] ． 秦皇岛 燕山大学， 2 0 0 1 ． 致油液流线突然发生转折 ，油腔内部压力和流速分布 【 1 1 】杜彦亭， 李文锋． 一种组合结构的精密机床静压导向装 不均 ，产生较 大的涡旋 现象 ，与静压支承理论 的层流 置 中国， 2 0 1 0 1 0 6 1 7 3 9 0 ． 9 [ P ] ． 2 0 1 1 0 8 - 0 3 ． 上接 第 l 4页 【 3 】陈家瑞． 汽车构造 下册[ M] ． 5 版． 北京 人民交通出版 社 。 2 0 0 6 2 3 0 2 3 5 ． 【 4 】丁志华， 雷正保 ， 黄强． 一种汽车振动能量回收式液压减 振系统 中国， C N1 0 2 1 5 2 7 7 8 A[ P ] ． 2 0 1 1 0 81 7 ． 【 5 】 任琚， 姚金声． Z 1 1 0 6型汽车悬架减振器 的参数设计 [ J ] ． 机械制造 ， 2 0 1 0 7 2 0 2 1 ． 【 6 】 杨仁华． 基于神经网络的汽车液压制动系统可靠性研究 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 3 1 7 6 1 7 8 ． 【 7 】王伟华， 李志成 ， 于长淼． 一种新型汽车馈能减振器的结 构设计与特性分析[ J ] ． 汽车技术， 2 0 1 0 3 4 4 4 6 ． 【 8 】丁志华， 李滟泽， 黄强． 一种振动能量助力式汽车转向系 统 中国， Z L 2 0 1 1 2 0 1 0 1 0 7 8 ． 4 [ P ] ． 2 0 1 1 0 4 0 1 ． 【 9 】李培， 韩雪， 吴文海 ， 等． 液压挖掘机能量回收系统的仿 真分析[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 1 2 1 4 11 4 3 ． ∞ 眭 ∞ 啦 ∞ ∞ ∞ ∞ 啦 吐 舱 们 们 州 们 们 “ 们 ∞ 们 ∞ 甜晰 蛳 脚铷 篁 薹 恤轴撕抽伽咖