新型振動能量助力式汽車液壓轉向系統研究

丁志華，雷正保，雷沐羲

(1.長沙理工大學汽車與機械工程學院，湖南長沙410004;2.九江學院機械與材料工程學院，江西九江332005;3.長沙理工大學土木與建筑工程學院，湖南長沙410004)

現今，汽車的舒適性和安全性越來越受到人們關注。并且隨著高速公路網的發展，汽車車速有了很大程度的提高，現代汽車對懸架的要求除了能保證其基本性能外，還致力于提高汽車的行駛安全性和乘坐舒適性，向高附加值、高性能和高質量的方向發展［1］。目前，液壓減振系統的原理是迫使減振器殼體內的油液反復地從一個內腔通過一些窄小的孔隙流入另一內腔，從而利用液體流動的阻力來使振動能量轉化為油液和減振器殼體的熱能。汽車振動會消耗車輛行駛的動能，從而增加油耗，降低乘坐舒適性［2-3］。傳統的液壓減振系統將全部的振動能量轉化成熱能，不能加以回收利用。

1 振動能量回收式液壓減振系統概念設計

1.1 系統概念設計

如圖1所示，包括4個減振器、1個蓄能器、1個儲油罐和若干液壓元件。減振器由氮氣腔、活塞、活塞桿、減振器殼、伸張閥、壓縮閥、進油管和出油管等組成;蓄能器設置了限壓閥和回油管。該振動能量回收式液壓減振系統申報了國家發明專利(CN102152778A)［4］，已于2011年8月公示。

圖1 振動能量回收式液壓減振系統

1.2 工作原理分析

當汽車振動，減振器被壓縮時 (車輪靠近車架壓縮懸架)時，活塞2下移，壓縮其下的氮氣腔1使其壓力升高，活塞上方油液腔3容積加大，油壓下降，儲液罐9中的油液經進油管6、壓縮閥5進入油液腔3。壓縮閥5對油液的節流造成懸架壓縮運動的阻尼力，由于壓縮閥的特殊結構 (彈簧較軟，通道較小)，能使油液流動的阻尼力不致過大，所以在壓縮行程時能使彈性元件充分發揮其緩沖作用。當懸架處于伸張行程 (車輪離開車架、減振器被拉長)時，活塞2上移使油液腔3容積減小，油壓升高，壓縮閥5關閉，油液經伸張閥17、出油管18、蓄能器進油管15進入蓄能器20。由于伸張閥17的剛度和預緊力比壓縮閥5的大，且伸張行程時油液通道截面也比壓縮行程小，所以減振器在伸張行程內產生的最大阻尼力遠遠超過了壓縮行程內的最大阻尼力［3］。隨著蓄能器20內油壓升高，增加了減振器出油阻力，使阻尼力進一步加大。減振器這時充分發揮減振作用，保護彈性元件不被拉大。活塞下方的氮氣腔1內的高壓氮氣能減少車輪遇到沖擊力時產生的高頻振動，且有助于消除噪聲，并有一定的緩沖作用［5-6］。

蓄能器20接受并儲存來自減振器4、8、10、11的高壓油，在車載的液壓元件16需要高壓油時，儲油罐內的油經加壓元件提高壓力從液壓元件進油管19進入液壓元件，同時電磁單向閥21打開，蓄能器20內的高壓油經由蓄能器出油管14和電磁單向閥21進入液壓元件16(液壓元件如制動輪缸、液壓助力轉向缸、離合器液壓操縱缸等)，從而將高壓油攜帶的振動能量轉化成液壓元件的輸出功率。液壓元件16完成動作后，其內的油液返回儲油罐9。蓄能器上設置了限壓閥12，當前內部的油壓達到規定值時，多余的油液經限壓閥12和回油管返回儲液罐。

2 能回收振動能量的非充氣式單筒減振器設計

如圖2所示，能回收振動能量的非充氣式單筒減振器主要由壓縮腔3、活塞22、復原腔8、導向座10、活塞桿21、油封蓋17、泄壓腔、壓縮閥組件、復原閥組件等組成。壓縮閥組件設置在活塞上，復原閥組件設置在導向座上。活塞桿21是中空的，上端裝有密封螺釘15，上端邊緣開有進油孔16外接儲液罐，下端裝有進油單向閥24。導向座10和油封蓋之間開有出油孔外接蓄能器。所述的減振器能夠回收部分汽車的振動能量并轉化成液壓能，該液壓能可用于液壓助力，具有結構簡單、使用方便、成本低的特點。

圖2 能回收振動能量的非充氣式單筒減振器

當汽車振動、減振器被壓縮 (車輪靠近車架壓縮懸架)時，活塞22下移，壓縮腔容積減小，壓力升高，進油單向閥24上移關閉。活塞上方復原腔容積加大，油壓下降，壓縮腔中的油液經過阻尼孔4和壓縮閥5進入復原腔。由于壓縮腔3減小的容積大于復原腔8增加的容積，所以從壓縮腔3進入復原腔8的油液有部分 (活塞桿所占容積部分)經過阻尼孔19和復原閥11進入導向座上方的泄壓腔，并經出油孔18進入蓄能器20。阻尼孔4和壓縮閥5、阻尼孔19和復原閥11對油液的節流造成懸架壓縮運動的阻尼力，由于壓縮閥的特殊結構 (彈簧較軟，通道較小)以及壓縮行程流經復原閥的油液較少，能使油液流動的阻尼力不致過大，所以在壓縮行程時能使彈性元件充分發揮其緩沖作用。當懸架處于復原行程(車輪離開車架、減振器被拉長)時，活塞22上移使復原腔容積減小，油壓升高，壓縮閥6關閉，油液經阻尼孔19和復原閥11進入導向座上方的泄壓腔，并經由出油孔18進入蓄能器20。同時，壓縮腔容積增大，壓力下降，進油單向閥24下移打開，儲油罐中的油液經過進油孔16，活塞桿油孔20進入壓縮腔。由于復原閥11的剛度和預緊力比壓縮閥6的大，且復原行程時油液通道截面也比壓縮行程小，所以減振器在復原行程內產生的最大阻尼力遠遠超過了壓縮行程內的最大阻尼力。隨著蓄能器內油壓升高，增加了減振器出油阻力，使阻尼力進一步加大。減振器這時充分發揮減振作用，保護彈性元件不被拉大［7］。

3 振動能量助力式汽車轉向系統設計

如圖3所示，振動能量助力式汽車轉向系統包括減振器、蓄能器、轉向油罐、轉向油泵、電磁單向閥、動力轉向器、轉向操縱機構和轉向傳動機構。減振器包括壓縮閥及進油孔、伸張閥及出油孔、活塞和氮氣腔;蓄能器設置了限壓閥和回油孔;電磁單向閥由轉向盤控制。所述的轉向系統能回收部分汽車的振動能量轉化為液壓能用于汽車助力轉向，降低轉向油泵的負擔，從而降低油耗。該振動能量助力式汽車轉向系統申報了國家實用新型專利 (ZL 201120101078.4)［8］。

當汽車振動，減振器被壓縮時 (車輪靠近車架壓縮懸架)時，活塞4下移，壓縮其下的氮氣腔5使其壓力升高，活塞上方油液腔容積加大，油壓下降，轉向油罐14中的油液經進油孔和壓縮閥2進入油液腔。當懸架處于伸張行程 (車輪離開車架、減振器被拉長)時，活塞4上移使油液腔容積減小，油壓升高，壓縮閥2關閉，油液經伸張閥和出油孔1、蓄能器進油管進入蓄能器15。隨著蓄能器15內油壓升高，增加了減振器出油阻力，使阻尼力進一步加大。活塞下方的氮氣腔5內的高壓氮氣能減少車輪遇到沖擊力時產生的高頻振動，且有助于消除噪聲，并有一定的緩沖作用［9］。

圖3 振動能量助力式汽車轉向系統

蓄能器15接受并儲存來自左前減振器3和右前減振器的高壓油。當汽車向右轉向行駛，轉向盤11轉動時，轉向盤輸出電壓控制單向電磁閥12打開，蓄能器15內的高壓油經由蓄能器出油管和電磁單向閥12進入轉向動力缸右腔7，來自轉向油泵13的油也進入轉向動力缸右腔7，轉向動力缸左腔9與轉向油罐14接通，在油壓的作用下，轉向動力缸中的活塞向下移動，通過轉向傳動機構6使左右輪向右偏轉，從而實現向右的助力轉向;而汽車左轉彎時，情況與上述相反。蓄能器15設置了限壓閥16和回油管，當其內部的油壓達到規定值時，多余的油液經限壓閥16和回油管返回轉向油罐14。

4 結論

文中介紹了一種振動能量回收式液壓減振系統。該系統能回收部分振動能量，從而降低油耗;回收的高壓油液可以用于制動系統、轉向助力、液壓離合操縱機構等。設計了一種能回收振動能量的非充氣式單筒減振器，介紹了該減振器的結構與工作原理;最后，對新型振動能量助力式汽車液壓轉向系統的組成與工作原理進行了研究。文中所述的振動能量回收式液壓減振系統申報了國家發明專利(CN102152778A)，振動能量助力式汽車液壓轉向系統申報了國家實用新型專利 (ZL 201120101078.4)。該新型振動能量助力式汽車液壓轉向系統可以回收汽車振動能量用于轉向助力，從而達到節能減排的效果。

【1】唐傳茵，張天俠，李華，等.汽車振動舒適性評價研究［J］.振動與沖擊，2008(9):158-161.

【2】劉學軍，劉存香.汽車可變阻尼系數液壓懸架的模糊控制［J］.機床與液壓，2011，39(2):88-90.

【3】陳家瑞.汽車構造:下冊［M］.5版.北京:人民交通出版社，2006:230-235.

【4】丁志華，雷正保，黃強.一種汽車振動能量回收式液壓減振系統:中國，CN102152778A［P］.2011-08-17.

【5】任珺，姚金聲.Z1106型汽車懸架減振器的參數設計［J］.機械制造，2010(7):20-21.

【6】楊仁華.基于神經網絡的汽車液壓制動系統可靠性研究［J］.機床與液壓，2008，36(3):176-178.

【7】王偉華，李志成，于長淼.一種新型汽車饋能減振器的結構設計與特性分析［J］.汽車技術，2010(3):44-46.

【8】丁志華，李滟澤，黃強.一種振動能量助力式汽車轉向系統:中國，ZL 201120101078.4［P］.2011-04-01.

【9】李培，韓雪，吳文海，等.液壓挖掘機能量回收系統的仿真分析［J］.機床與液壓，2011，39(12):141-143.