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410004;2.九江学院机械与材料工程学院，江西九江332005;3.长沙理工大学土木与建筑工程学院，湖南长沙410004)

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［1］。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［2-3］。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(CN102152778A)［4］，已于2011年8月公示。

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17、出油管18、蓄能器进油管15进入蓄能器20。由于伸张阀17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［3］。随着蓄能器20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［5-6］。

蓄能器20接受并储存来自减振器4、8、10、11的高压油，在车载的液压元件16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19进入液压元件，同时电磁单向阀21打开，蓄能器20内的高压油经由蓄能器出油管14和电磁单向阀21进入液压元件16(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16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12，当前内部的油压达到规定值时，多余的油液经限压阀12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22、复原腔8、导向座10、活塞杆21、油封盖17、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21是中空的，上端装有密封螺钉15，上端边缘开有进油孔16外接储液罐，下端装有进油单向阀24。导向座10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。

图2 能回收振动能量的非充气式单筒减振器

当汽车振动、减振器被压缩 (车轮靠近车架压缩悬架)时，活塞22下移，压缩腔容积减小，压力升高，进油单向阀24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19和复原阀11进入导向座上方的泄压腔，并经出油孔18进入蓄能器20。阻尼孔4和压缩阀5、阻尼孔19和复原阀11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22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19和复原阀11进入导向座上方的泄压腔，并经由出油孔18进入蓄能器20。同时，压缩腔容积增大，压力下降，进油单向阀24下移打开，储油罐中的油液经过进油孔16，活塞杆油孔20进入压缩腔。由于复原阀11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［7］。

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 (ZL 201120101078.4)［8］。

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14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15。随着蓄能器15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［9］。

图3 振动能量助力式汽车转向系统

蓄能器15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11转动时，转向盘输出电压控制单向电磁阀12打开，蓄能器15内的高压油经由蓄能器出油管和电磁单向阀12进入转向动力缸右腔7，来自转向油泵13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14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15设置了限压阀16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16和回油管返回转向油罐14。

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(CN102152778A)，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 (ZL 201120101078.4)。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。

【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，2008(9):158-161.

【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，2011，39(2):88-90.

【3】陈家瑞.汽车构造:下册［M］.5版.北京:人民交通出版社，2006:230-235.

【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，CN102152778A［P］.2011-08-17.

【5】任珺，姚金声.Z1106型汽车悬架减振器的参数设计［J］.机械制造，2010(7):20-21.

【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，2008，36(3):176-178.

【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，2010(3):44-46.

【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，ZL 201120101078.4［P］.2011-04-01.

【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，2011，39(12):141-143.