可外控隔離式雙氣室油氣懸掛缸的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本專利涉及一種油氣懸掛缸，具體地是公開一種可外控隔離式雙氣室油氣懸掛缸，并揭示其新的結(jié)構(gòu)特性與使用功能。
【背景技術(shù)】
[0002]油氣懸掛缸集成了空氣彈簧和液壓阻尼器的結(jié)構(gòu)原理與使用功能，具有更加良好的力學(xué)特性和應(yīng)用范圍。油氣懸掛缸內(nèi)部充注氮氣和液壓油。氮氣作為彈性介質(zhì)和儲能介質(zhì)，具有變剛度特性，而且比金屬彈性材料具有更大的儲能比。液壓油作為阻尼介質(zhì)，通過懸掛缸內(nèi)部的阻尼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生阻尼力。
[0003]由于將氮氣封裝在缸體結(jié)構(gòu)內(nèi)，因而油氣懸掛缸具有比空氣彈簧更大的工作壓力和容量。同常規(guī)液壓缸結(jié)構(gòu)類似，按運動關(guān)系與安裝結(jié)構(gòu)，油氣懸掛缸也由缸筒組件與活塞桿組件構(gòu)成，內(nèi)部容積隔腔包含有桿腔、無桿腔，活塞桿通常是空心結(jié)構(gòu)。其中，無桿腔稱為懸缸內(nèi)腔，由缸筒內(nèi)腔及活塞桿內(nèi)腔構(gòu)成。有桿腔稱為副油腔，是由缸筒組件與活塞桿組件在懸掛缸腰部側(cè)壁間圍成的環(huán)狀空間。
[0004]懸缸內(nèi)腔作為一個腔體使用時，內(nèi)部充注液壓油和氮氣，也稱油氣混合腔或混合油腔。在使用過程中，副油腔的容積空間變化幅度最大，通常用作懸掛缸內(nèi)部阻尼流量的來源。副油腔內(nèi)部充注液壓油，并在其腔體內(nèi)側(cè)的活塞桿側(cè)壁上設(shè)有阻尼通道與懸缸內(nèi)腔接通。
[0005]如圖1、圖2所示，是單氣室雙油腔油氣懸掛缸的兩種典型結(jié)構(gòu)型式。圖I是活塞桿上置結(jié)構(gòu)，圖2是活塞桿下置結(jié)構(gòu)。只充注液壓油的油腔稱為純油腔，包括可變純油腔和不可變純油腔?？勺兗冇颓慌c混和油腔連通形成阻尼通道。懸掛缸壓縮或拉神時，可變純油腔和混和油腔的容積、壓力發(fā)生變化產(chǎn)生阻尼流量。單氣室雙油腔結(jié)構(gòu)，副油腔作為可變純油腔與懸掛內(nèi)腔連通。懸掛缸內(nèi)部系統(tǒng)壓力對外提供彈性力的作用面積，稱為壓力作用面積。隨懸掛缸壓縮或拉伸速度而產(chǎn)生阻尼流量的面積，稱為阻尼流量面積。懸掛缸的彈性力，由懸掛缸內(nèi)部系統(tǒng)壓力和壓力作用面積決定。系統(tǒng)的阻尼流量，由阻尼流量面積和懸掛缸壓縮或拉伸速度決定。在單氣室雙油腔結(jié)構(gòu)中，壓力作用面積為懸掛缸活塞桿外圓面積，剛度曲線參見圖11。阻尼流量面積為可變純油腔的截面積，也就是副油腔腔體的環(huán)形面積。阻尼特性參見圖13。
[0006]如圖3?圖6所示，是四種典型的單氣室三油腔結(jié)構(gòu)，壓力作用面積為活塞桿面積，剛度曲線參見圖11。三油腔結(jié)構(gòu)是通過活塞或閥板結(jié)構(gòu)將懸缸內(nèi)腔分隔為缸筒內(nèi)腔和活塞桿內(nèi)腔。單獨充注液壓油的為主油腔，同時充注液壓油和氮氣的為混合油腔?；钊蜷y板上布置有阻尼結(jié)構(gòu)，連通缸筒內(nèi)腔和活塞桿內(nèi)腔，形成內(nèi)腔阻尼通道。副油腔通過活塞桿側(cè)壁阻尼結(jié)構(gòu)與懸缸內(nèi)腔導(dǎo)通，形成副油腔阻尼通道。阻尼特性參見圖13。
[0007]圖3所示為活塞桿上置結(jié)構(gòu)。缸筒內(nèi)腔（主油腔）、副油腔均為可變純油腔，分別與活塞桿內(nèi)腔（混合油腔）導(dǎo)通，形成兩條并列的阻尼通道?；钊麠U側(cè)壁上的阻尼結(jié)構(gòu)與活塞或閥板上的阻尼結(jié)構(gòu)也通常是單向閥與阻尼孔的組合結(jié)構(gòu)。主油腔通道的阻尼流量面積為缸筒內(nèi)腔面積，副油腔通道的阻尼流量面積為副油腔環(huán)形面積。
[0008]圖4所示為活塞桿下置結(jié)構(gòu)。副油腔為可變純油腔，活塞桿內(nèi)腔（主油腔）為不可變純油腔。副油腔通過活塞桿內(nèi)腔與缸筒內(nèi)腔（混合油腔）導(dǎo)通，合成一條阻尼通道。阻尼流量面積為副油腔環(huán)形面積。
[0009]圖5所示為另一種活塞桿下置結(jié)構(gòu)?；钊麠U內(nèi)腔通過一個浮動活塞分隔油/氣部分，構(gòu)成混合油腔。缸筒內(nèi)腔（主油腔）、副油腔均為可變純油腔，分別與活塞桿內(nèi)腔導(dǎo)通，形成兩條并列的阻尼通道。主油腔通道的阻尼流量面積為缸筒內(nèi)腔面積，副油腔通道的阻尼流量面積為副油腔環(huán)形面積。
[0010]圖6所示為活塞桿上置壓力補償結(jié)構(gòu)。缸筒內(nèi)腔（主油腔)、副油腔均為可變純油腔，活塞桿內(nèi)腔為混合油腔。副油腔一主油腔一混合油腔串聯(lián)導(dǎo)通，形成兩條串聯(lián)的阻尼通道。在副油腔與主油腔之間形成壓力、流量的互補關(guān)系。消除了油氣懸掛缸的系統(tǒng)負壓現(xiàn)象，并顯著提升系統(tǒng)阻尼系數(shù)的應(yīng)用幅度。主油腔通道的阻尼流量面積為活塞桿外圓面積，副油腔通道的阻尼流量面積為副油腔環(huán)形面積。
[0011]如圖7、圖8、圖9所示，為三種典型的雙氣室三油腔油氣懸掛缸結(jié)構(gòu)，均為活塞桿下置。
[0012]圖7為雙氣室正向串聯(lián)結(jié)構(gòu)。缸筒內(nèi)腔和活塞桿內(nèi)腔各包含一個混合油腔，之間通過阻尼結(jié)構(gòu)連通。副油腔作為可變純油腔與活塞桿內(nèi)腔導(dǎo)通，提供系統(tǒng)的主要阻尼流量，阻尼流量面積為副油腔面積。兩個混合油腔之間可產(chǎn)生附加的阻尼流量，大小及流向取決于上下兩個氣室的初始充氣參數(shù)。副油腔及缸筒內(nèi)腔、活塞桿內(nèi)腔中的兩個混合油腔構(gòu)成一個全通的液壓回路，包含兩個阻尼通道。懸掛缸整體的壓力作用面積為活塞桿面積，剛度曲線參見圖11。阻尼特性參見圖13。
[0013]圖8為雙氣室反向?qū)χ媒Y(jié)構(gòu)。懸缸內(nèi)腔被一個封閉結(jié)構(gòu)的活塞隔離為彼此獨立的缸筒內(nèi)腔和活塞桿內(nèi)腔。缸筒內(nèi)腔和活塞桿內(nèi)腔各包含一個混合油腔?；钊麠U內(nèi)腔的壓力，通過一套管路導(dǎo)入副油腔，與缸筒內(nèi)腔形成反壓對置結(jié)構(gòu)。其彈性力輸出，為缸筒內(nèi)腔面積的壓力輸出與副油腔面積的壓力輸出之差，剛度曲線參見圖12。副油腔作為可變純油腔，通過與活塞桿內(nèi)腔的連接管路構(gòu)成一條阻尼通道，形成系統(tǒng)的阻尼流量。系統(tǒng)的阻尼流量面積為副油腔面積。阻尼特性參見圖13。
[0014]圖9為另一種雙氣室反向?qū)χ媒Y(jié)構(gòu)，剛度特性與圖8結(jié)構(gòu)類同，參見圖12。與圖8結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于：缸筒內(nèi)腔為可變純油腔，外部增加儲能器作為混合油腔，中間通過管路和阻尼閥連接，構(gòu)成主油腔阻尼通道。主油腔通道阻尼流量面積為缸筒內(nèi)腔面積，副油腔通道阻尼流量面積為副油腔環(huán)形面積。
[0015]需要說明的是：
[0016]1、除基礎(chǔ)的單氣室雙油腔結(jié)構(gòu)（圖1、圖2)夕卜，活塞桿上置結(jié)構(gòu)與活塞桿下置結(jié)構(gòu)，不再具有相同的力學(xué)模型和力學(xué)關(guān)系（如圖3與圖4)。而且涉及到液壓油、氮氣的封裝結(jié)構(gòu)、位置及阻尼通道結(jié)構(gòu)的不同，一種結(jié)構(gòu)的油氣懸掛缸倒置后可能無法使用。這也是油氣懸掛缸的一個特點。
[0017]2、懸掛缸的阻尼流量來源于懸掛缸壓縮或拉伸時可變純油腔的容積變化。而阻尼流量的產(chǎn)生必須將可變純油腔連接到混合油腔，或通過另外一個純油腔最終連接到混合油腔，以形成阻尼通道。否則懸掛缸內(nèi)部的力學(xué)關(guān)系就不成立。
[0018]從現(xiàn)有的（圖I?圖9)各種應(yīng)用結(jié)構(gòu)來看，副油腔都是作為系統(tǒng)阻尼流量的主要來源，并無一例外地均與懸缸內(nèi)腔接通，形成對外封閉的液壓回路。
[0019]3、圖8、圖9所示，均為活塞桿下置的反壓對置結(jié)構(gòu)。雖然獲得了比較良好的剛度特性（圖12)，但這兩種結(jié)構(gòu)必須基于對缸筒內(nèi)腔與活塞桿內(nèi)腔的物理隔離，這樣就喪失缸筒內(nèi)腔及活塞桿內(nèi)腔之間重要的結(jié)構(gòu)、位置、速度、流量及壓力上的關(guān)聯(lián)，而且活塞桿內(nèi)腔復(fù)雜的導(dǎo)管結(jié)構(gòu)占據(jù)了內(nèi)部有效空間。使得在懸缸內(nèi)腔中對基于對位置、流量及壓力控制關(guān)系的變阻尼結(jié)構(gòu)無法進行布置與應(yīng)用。另外，活塞桿內(nèi)腔復(fù)雜的導(dǎo)管結(jié)構(gòu)，安裝維修困難、可靠性較差。
[0020]4、圖I?圖9列出的九種結(jié)構(gòu)，為現(xiàn)有油氣懸掛缸在剛度結(jié)構(gòu)上的主要結(jié)構(gòu)形式。常規(guī)結(jié)構(gòu)下，系統(tǒng)的阻尼結(jié)構(gòu)由阻尼孔、單向閥組成，使用過程中不可調(diào)控。系統(tǒng)的阻尼特性為基于速度項、正反向差異的二次曲線F = f(v)，參見圖13。
[0021]圖I?圖7結(jié)構(gòu)，剛度特性基本一致，特性曲線參見圖11，為一條正向非線性曲線，在曲線的起始位置存在硬點。整個懸掛缸內(nèi)部系統(tǒng)是一個封閉的回路，無法引入外部輸入進行控制。但可以基于內(nèi)部空間及結(jié)構(gòu)布置變阻尼機構(gòu)，在一定程度上實現(xiàn)變阻尼控制。
[0022]圖8、圖9結(jié)構(gòu)，雖然獲得了比較良好的剛度特性，消除了硬點（剛度特性曲線參見圖12)，但缺乏外部控制的控制目標與控制環(huán)節(jié)，也難以實現(xiàn)外部對系統(tǒng)剛度、狀態(tài)的控制。而且由于其結(jié)構(gòu)上對懸缸內(nèi)腔的物理分隔，使得接下來的變阻尼控制無法實現(xiàn)。
[0023]主動及半主動控制懸架系統(tǒng)，講求的是對系統(tǒng)剛度、阻尼、行程、狀態(tài)的主動或半主動綜合控制。現(xiàn)有的油氣懸掛缸基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，缺乏完整實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和條件。
[0024]5、現(xiàn)有各種結(jié)構(gòu)的油氣懸掛缸，都是注重懸掛缸自身內(nèi)部剛度和阻尼特性的搭配以及獨立運行的完整性和可靠行，并沒有考慮設(shè)定由外部施加主動控制的外部輸入端口與內(nèi)部控制環(huán)節(jié)。其內(nèi)部油腔、氣室相互關(guān)聯(lián)、相互控制，之前也通常都是作為單獨部件獨立使用。但作為整個底