新型振动能量主缸助力式汽车液压制动系统研究.pdf

第 2期 2 0 1 3年 2月 机 械 设 计 与制 造 M a c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 2 4 3 新型振动能量主缸助力式汽车液压制动 系统研 究 李滟泽 。 ， 丁志华 1 ． 白云学院 机电学院， 广东 广州5 1 0 4 5 0 ； 2 ． 九江学院 机械与材料工程学院， 江西 九江3 3 2 0 0 5 摘要 介绍了一种新型振动能量回收式液压减振系统， 研究了一种振动能量主缸助力式汽车液压制动 系统， 油液在储 液罐、 减振器、 蓄能器和制动液压元件之间循环流动。所述的振动能量助力式汽车液压制动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制动， 减小制动踏板力， 降低驾驶疲劳度， 缩短制动滞后时间， 提高汽车制动安全性能。 所述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 力式汽车液压制动 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 8 0 ． 1 。 关键词 车辆工程； 汽车底盘； 振动能量回收； 液压制动系统； 概念设计 中图分类号 T H1 2 ； T M5 6 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 3 0 2 0 2 4 3 0 2 Re s e a r c h o n Ne w Au t o mo b i l e P o we r Hy d r a u l i c Br a k i n g S y s t e m b y Vi b r a t o r y En e r g y L I Ya n z e ， DI NG Z h i h u a 2 ． 1 ．D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e ri n g ， G u a n g d o n g B a i y u n U n i v e r s i t y ， G u a n g d o n g G u a n g z h o u 5 1 0 4 5 0 ， C h i n a ； 2 ．Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g C o l l e g e ， J i u j i a n g U n i v e r s i t y ， J i a n g x i J i u j i a n g 3 3 2 0 0 5 ， C h i n a Ab s t r a c t A n e w v i b r a t o r y e n e r g y- r e c o v e r y h y d r a u l i c d a m pi n g s t e m i s i n t r o d u c e d，a n d a n a u t o mo b i l e p o we r h y d r a u l i c b r a k i n g s y s t e m b y v i b r ato r y e n e r g y is r e s e a r c h e d ．T h e o i l is c i r c u l ate d b e t we e n s t o r a g e t a n k，e n e r g y a c c u mu l ato r ，v i b r ati o n d a m pe r s a n d h y d r au l i c c o m po n e n t s ．Th e b r ak i n g s t e m c a n r e c y c l e s o me v i b r ato r y e n e r gy a n d c o n v e r t t o h y d r a u l i c e n e r gy w h i c h is u s e d f o r a u t o m o b i l e p o w e r b r aki n g s t e m． h c a n r e d u c e b r a k e p e d a l f o r c e ， l o w e r f atig u e o f d r i v e ， s h o r t e n r e t ard at i o n t i me o fb r aki n g ， a n d e n h anc e s a f e t y of b r aki n g ． The v i b r ato r y e n e r gy- r e c o v e r y h y d r aul ic d a m p i n g s t e m h a s r e p o r t e d t h e n atwn al i n v e n t i o n p a t e n t CN1 0 2 1 5 2 7 7 8 A ，a n d t h e v i b r a t o r y e n e r g y p o w e r ass i s t e d au t o mo b i l e h y d r aul i c b r aki n g s y s t e m a l s o h as r e p o r t e d琥 e n at i o n a l p r act ica l new p ate n t Z L 2 0 1 1 2 0 1 0 1 0 8 0 ． 1 ． Ke y W o r d s Au t o mo b i l e En g i n e e r i n g ； Au t o mo b i l e Ch a s s i s ； Vi b r a t o r y En e r g y - Re c y c l i n g ； Hy d r a u l i c Br a k i n g S y s t e m ； Co n c e p t u a l De s i g n 1引言 现今， 汽车的舒适性和安全陛越来越受人们关注。 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陛能外， 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人另一内腔， 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。 2振动能量回收式液压减振系统概念设计 2 ． 1系统概念设计 如图 1 所示， 包括四个减振器、 个蓄能器、 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； 蓄能器没置了限压阀和回油管日 。振动能 量回收式液压减振系统申报了国家发明专利 C N1 0 2 1 5 2 7 7 8 A ， 已 于 2 0 1 1 年 8 月公示 。 2 _ 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对油液的节流造成对悬架压缩运动的 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它 的缓冲作用。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 l 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l引 。随着蓄能 器 2 O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 来稿 日期 2 0 1 2 0 4 2 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 李滟泽， 1 9 7 8 一 ， 女， 硕士， 讲师， 主要研究方向 汽车数字化设计与仿真， 汽车安全 2 4 4 李滟泽等 新型振动能量主缸助力式汽车液压制动系统研究 第2 期 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 l 进入液压元件 1 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。 1 ． 氮气腔 2 ． 活塞 3 油 液腔 4 ．左后减振器 5 ． 压缩 阀 6 ．进油管 7 ． 活塞杆 8 ． 左前减振器 9 储 油罐 l 0 ． 右前减振器 1 1 ． 右后减振器 1 2 服 压阀 1 3 ． 回油管 1 4 ．蓄能器出油管 l 5 ． 蓄能器进油孑 L 1 6 ．液压元件 1 7 ．伸张阀 1 8 ．减振器出油管 1 9 ．液压元件进油管 2 O ．蓄能器 2 1 ． 电磁单向阀 图 1振动能量 回收式液压减振系统 F i g ． 1 Vi b r a t i o n En e r g y Re c o v e r y T y p e Hy d r a u l i c Da mp i n g S y s t e m 3新型振动能量助力式汽车液压制动系 统概念设计 3 ． 1系统概念设计 如图 2所示 ， 包括 4个减振器 ， 4 个蓄能器 ， 液压助力器 ， 储 油罐， 4个制动轮缸 ， 4个电磁单向阀， 制动主缸， 真空助力器 、 制 动踏板和感载比例阀。 减振器包括压缩阀及进油孔、 伸张阀及出油 孑 L 、 活塞和氮气腔； 蓄能器设置了限压阀和回油孔； 电磁单向阀由制 动踏板控制； 液压助力器包括活塞、 推杆、 进油阀和回油阀等 。 3 ． 2 系统工作原理分析 当汽车振动 ， 减振器 2 、 2 1 、 2 6 、 3 1 被压缩时 车轮靠近车架 压缩悬架 时， 活塞 3 下移， 压缩其下的氮气腔4使其压力升高， 活塞上方油液腔容积加大， 油压下降， 储油罐 1 0中的油液经进油 孔和压缩阀 1 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 3 上移使油液腔容积减小， 油压升高， 压 缩阀 1关闭， 油液经伸张阀和出油孔 7 、 蓄能器进油管进入蓄能 器 6 、 2 2 、 2 4 、 3 0 。随着蓄能器 6 、 2 2 、 2 4 、 3 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。活塞下方的氮气腔4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6 、 2 2 、 2 4 、 3 0接受并储存 来自减振器2 、 2 1 、 2 6 、 3 1 的高压油。 当汽车需要制动， 驾驶员踩下 制动踏板 l 8时， 电磁单向阀9 、 2 0 、 2 3 、 2 9 开启， 蓄能器 6 、 2 2 、 2 4 、 3 0内的高压油经由蓄能器出油管和电磁单向阀 9 、 2 0 、 2 3 、 2 9 进 入制动轮缸 8 、 1 9 、 2 5 、 2 8 ，与此同时液压助力器 1 3内的推杆 l 7 关闭回油阀 1 4 ， 打开进油阀 l 6 ， 蓄能器 6 、 2 2 、 2 4 、 3 0内的高压油 经由蓄能器出油管进人液压助力器 l 3 ， 助力缸活塞 1 5左腔通大 气， 右腔为高压油， 左右腔的压力差对制动主缸推杆产生一向左 的助力， 加上真空助力器 1 2的助力， 推动主缸活塞左移， 产生高 压油 ， 经过感载比例阀 2 2也进入制动轮缸 8 、 1 9 、 2 5 、 2 8 ， 促使各 车轮制动器作用产生制动力， 汽车减速。由于蓄能器6 、 2 2 、 2 4 、 3 0 设置的靠近制动轮缸 8 、 1 4 、 1 9 、 2 3 ， 故在制动主缸油压升高之前， 制动轮缸 8 、 1 4 、 1 9 、 2 3 能够建立压力， 产生制动效果， 从而缩短制 动滞后时间。当松开制动踏板 1 8时， 制动轮缸 8 、 1 4 、 1 9 、 2 3内的 油经过感载比例阀2 2 、 制动主缸 l 1 返回储液罐 1 0 ； 液压助力器 l 3内的推杆 l 7右移， 关闭进油阀 l 6 ， 开启回油阀 l 4 ， 液压助力 器 1 3内的高压油经回油阀 l 4和回油管返回储液罐 l 0 。蓄能器 6 、 2 2 、 2 4 、 3 0设置了限压阀5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 5 和回油管返回储油罐 1 0 。 1 ． 压缩阀 2 、 2 1 、 2 6 、 3 1 ．减振器 3 括 塞 4 ． 氮气腔 5 ．限压阀 6 、 2 2 、 2 4、 3 0 ． 蓄能器 7 ． 伸张阀 8 、 1 9 、 2 5 、 2 8 ．制动轮缸 9 、 2 0 、 2 3 、 2 9 ． 电磁单向阀 l 0 ． 储液罐 1 1 ． 制动主缸 l 2 ． 真空助力器 1 3 ． 液压助力器 1 4 ． 回油阀 1 5 ．助力缸活塞 1 6 _进油阀 1 7 推 杆 1 8 ．制动踏板 2 7 感载 比例阀 图 2新型振动能量助力式汽车液压制动系统原理示意图 F i g ． 2 P r i n c i p l e Di a g r a m o f Ne w Vi b r a t i o n En e r g y P o we r T y p e Au t o mo bi l e Hy d r a u l i c Br a k e S y s t e m 3 ． 3系统性能分析 所述的振动能量助力式汽车液压制动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制动， 减小制动踏板力， 降低 驾驶疲劳度， 缩短制动滞后时间， 提高汽车制动安全l 生 能。 与现有技 术相比， 其优 在于 下转第 2 4 7页 No． 2 F e b ． 2 0 1 3 机 械 设 计 与 制 造 2 4 7 根据参考文献『句 ， 齿厚下偏差 E - tg et - 7 s m s 齿厚下偏差 - r 9 2 t V 6 1 0 查参考文献q 中表4 - 1 0 b r - l T 8 查 J B1 7 9 8 3表A 5 1 T 8 4 6 1 m 则 6 4 6 m 查 J B 1 7 9 8 3 表 3 E 3 6 1x m 所以 2 t g 2 5 。 V 3 6 ‘ 4 6 ‘ 5 4 1x m 于是可得 一 7 5 5 4 一 1 2 9 m 查 J B 1 7 9 - 8 3 表 6 fi m 6 n 计算比值E J f , r 一 7 5 ／ 6 1 3 查 J B 1 7 9 8 3表 1 2， 选齿厚上偏差代号 L ， 则齿厚上偏差为 一1 一 9 6 m 计算比值 E - 1 2 9 ／ 6 - 2 2 选齿厚下偏差代号 Ⅳ， 则齿厚下偏差为 E 一 2 一 1 5 0 m 4总结 涂层技术已成为国内外研究高性能齿轮的热点。由涂层厚度 引起的齿轮传动副侧隙的变化， 可通过齿厚偏差来补偿。这对保证 齿轮传动的平稳性， 拓展涂层技术在齿轮上的应用具有指导意义。 参考文献 [ 1 ] 黄华棵， 蒙必胜． 钢齿轮表面合金涂层的显微结构和接触疲劳强度研 究[ J ] ．机械传动， 2 0 0 0 ， 2 4 4 2 3 2 7 ． H u a n g H u a - l i a n g ， Me n g B i - s h e n g ． R e s e a r c h o n t h e m i e r o s t r u c t u r e a n d c o n t a c t f a t i g u e p r o p e r t y o f s t e e l g e a r s u r f a c e w i t h a l l o y e o a t i n g [ J ] J o u r n a l o f Me c h a n i c a l T r a n s mi s s i o n ， 2 0 0 0 ， 2 4 4 2 3 2 7 ． [ 2 ] 黄奇， 张津， 许洪斌． 齿轮表面陶瓷生长工艺的研究[ D] ．重庆 重庆大 学 ． 2 0 0 3 1 - 3 ． Hu a n g Q i ， Z h a n g J i n ， X u Ho n g b i n ． S t u d y o f c e r a m i c c o a t i n g d e p o s i t i o n o n t h e s u r f a c e o f g e a r s b y c o mp o s i t e t r e a t m e n t [ D] ． C h o n g q i n g C h o n g q i n g Un i v e r s i t y， 2 0 0 3 l 1 -3 ． [ 3 j 钱文富， 曹兴进． 基于低温表面改性技术提高齿轮传动副性能的研究 [ D] ． 重庆 重庆大学， 2 0 0 5 1 - 5 ． Q i a n We n - f u ， C a o X i n g - j i n ． S t u d y o f d e v e l o p i n g t h e p r o p e r t i e s o f g e a r t r a n s mi s s i o n p a i r s b a s e d o n l o w t e mp e r a t u r e s urf a c e mo d i f i c a t i o n t e c h n o l o g i e s [ D ] ． C h o n g q i n g c h o n g q i n g u n i v e r s i t y ， 2 0 0 5 1 - 5 ． [ 4 ] 李晖， 李润方．氮化钛涂层的齿面制备工艺及其对齿轮承载能力的影 响 [ D] ．重庆 重庆大学， 2 0 0 7 1 - 3 ． L i H u i ，L i R u n - f a n g ． S t u d y o n p r o c e s s o f t i t i u m n i t r i d e d e p o s i t i o n o n t o g e a r s a n d e f f e c t s o n l o a d - c a r r y i n g a b i l i t y o f g e a r s[ D] ． C h o n g q i n g C h o n g q i n g U n i v e r s i t y ， 2 0 0 7 1 - 3 ． [ 5 ] M a s a h i r o F u j i i ， M． A n a n t h K u m a r ， A k i r a Y o s h i d a ． I n fl u e n c e o f D L C Co a t i n g t h i c k ne s s o n t r i b o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s u nd e r S l i d i n g r o l l i n g c o n t a c t c o n d i t i o n [ J ] ． T r i b o l o g y I n t e r n a t i o n a l ， 2 0 1 0 1 0 1 - 7 ． [ 6 ] 丁志华， 王嘉玲．齿轮公差及其选用[ M] ． 北京 国防工业出版社， 1 9 8 7 1 4 3 1 8 8 ． D i n g Z h i - h u a ， Wa n g J i a l i n g ． G w a r T o l e r a n c e a n d i t s S e l e c t i o n 【 M] ． B e i j i n g Na t i o n a l D e f e n c e I n d u s t r y P r e s s ． 1 9 8 7 1 4 3 1 8 8 ． [ 7 ] 丁茹，刘静凯． 摆动活齿传动中心齿轮量柱距测量法及侧隙设计[ J ] _ 机械设计与制造 ， 2 0 0 5 ， 6 6 1 9 2 1 ． Di n g Ru． L j u J i n g - k a i ． Th e me a s u rin g me t h o d o f g a u g e p i n d i s t a n c e a n d b a c k l a s h d e s i g n a b o u t c e n t e r g e a r o f s w i n g o s c i l l a t i n g t o o t h d r i v e[ J J _ Ma c h i n e ryD e s i g n ＆Ma n u f a c t u r e ． 2 0 0 5 ， 6 6 1 9 2 1 ． [ 8 ] 张荷生， 张清． 金属的磨料磨损与耐磨材料[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 1 9 8 8 1 3 ． Z h a n g H e- s h e n g ， Z h a n g Q i n g ． A b r a s i v e We a r o f Me t a l a n d We a r R e s i s t a n t M a t e fi a l [ M] ． B e i j i n g M a c h i n e ryI n d u s e ryP r e s s ， 1 9 8 8 1 3 ． [ 9 ] K o m v o p o u l o s K ． F i n i t e a n a l y s i s o f a l a y e r e d e l a s t ic s o l i d i n n o r ma l c o n t a c t w i t h a ri g i d s u r f a c e [ J ] ． J o u r n al o f t r i b o l o g y ， 1 9 8 8 1 1 0 4 7 7 -- 4 8 5 ． 上接 第 2 4 4页 1 能将部分振动能量转化为液压能； 2 能减小制动踏板力， 降低驾驶疲劳度 ； 3 缩短制动滞后时间， 提高汽车制动安全性 能； 4 具有结构简单， 使用方便， 成本低的特点。 4结论 介绍了一种新型的振动能量助力式液压制动系统。该系统 包括 4 个减振器， 4个蓄能器，液压助力器，储油罐， 4个制动轮 缸， 4个电磁单向阀， 制动主缸， 真空助力器 、 制动踏板和感载比 例阀。 减振器包括压缩阀及进油孑 L 、 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孑 L ； 电磁单向阀由制动踏板控制； 液压助力器包括活塞、 推杆、 进油阀和回油阀等。 所述的振动能量 双助力式汽车液压制动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制动， 减小制动踏板力， 降低驾驶疲劳度， 缩 短制动滞后时间， 提高汽车制动安全性能。 参考文献 [ 1 ] 唐传茵， 张天侠．汽车振动舒适性评价研究[ J ] ． 振动与冲击， 2 0 0 8 9 ． T a n g C h u a n - y i n ， Z h a n g T i a n - x i a ， e t c ． C a r v i b r a t i o n c o m f o rt e v a l u a t i o n r e s e a r c h [ J ] ． V i b r a t i o n a n d I m p a c t ． 2 0 0 8 9 ． [ 2 ] 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 O 2 1 5 2 7 7 8 A[ P ] ． 2 0 1 1 8 ． Di n g Z h i h u a ．L e i Z h e n g - b a o ．H u a n g J i a n g ． A c s Y v i b r a t i o n e n e r g y r e c o v e ry t y p e h y d r a u l i c d a mp i n g s y s t e m． C h i n a C N 1 0 2 1 5 2 7 7 8 A[ P ] ． 2 0 1 1 8 ． [ 3 ] 陈家瑞．汽车构造[ M] ． 第5 版．北京 机械工业出版社， 2 0 0 6 6 ． C h e n J i a - r u i ． A u t o m o b i l e S t r u c t u r e [ M] ． f i f t h e d i t i o n ． B e n g M e c h a n j c a 1 I n d u s t r y P r e s s ， 2 0 0 6 6 ． [ 4 ] 任瑶， 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 ． Ran J u n ，Y a o J i n- s h e n g ． Z 1 1 0 6 t y p e a u t o mo b i l e s u s p e n s i o n s h o c k a b s o r b e r p a r a me t e r s d e s i g n [ J ] ． Ma c h i n e r y Ma n u f a c t u ri n g ， 2 0 1 0 7 ． [ 5 ] 丁志华， 杨险峰， 李滟泽．一种振动能量主缸助力式汽车液压制动系 统， 中国 Z L 2 0 1 1 2 0 1 0 1 0 8 0 ． I [ P ] ， 2 0 1 1 ．4 ． Di n g Z b i h u a ．Y a n g X i a n - f e n g ． L i Y a H - z e ． A n a u t o m o b i l e h y d r a u l i c b r a k e s y s t e m o f v i b r a t i o n a l e n e r g yma s t e r c y l i n d e rp o we r t y p e ， C hi n a Z L 2 0 1 1 2 0 1 0 1 0 8 0 ． 1 [ P ] ， 2 0 1 1 ． 4 ．