阻尼可調(diào)液壓減震器專利技術(shù)分析*

楊禮康，杜嘉鑫，周安江，王松峰

(1.浙江科技學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，浙江 杭州 310023；2.杭州天銘科技有限公司，浙江 杭州 311401)

0 引 言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科技的進步，人們對于汽車乘坐舒適性和操控穩(wěn)定性的要求越來越高。汽車懸架系統(tǒng)的減震器起著吸收和耗散由路面不平引起的震動能量的作用，是影響車輛行駛性能的關(guān)鍵部件[1]。傳統(tǒng)液壓減震器由于阻尼特性不可改變，導(dǎo)致其對于道路的適應(yīng)能力較差[2]。為滿足不同行駛路面對減震器性能的需要，近年來，國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)及科研院所紛紛開展了針對阻尼可調(diào)液壓減震器的研發(fā)。目前，阻尼可調(diào)減震器的主要知識產(chǎn)權(quán)被國外相關(guān)機構(gòu)掌握，國內(nèi)在該領(lǐng)域發(fā)展相對滯后，相關(guān)企業(yè)順應(yīng)“中國制造2025”的大勢，正在積極開展新型阻尼可調(diào)減震器的研發(fā)，力圖在高端阻尼可調(diào)減震器領(lǐng)域擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。

本文共搜集國內(nèi)外典型專利文獻110余篇，重點將針對美國FOX公司的60多篇專利進行分析，總結(jié)常見的液壓減震器阻尼調(diào)節(jié)機構(gòu)的原理及構(gòu)造，并在此基礎(chǔ)上對比分析不同調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)及布置方式的優(yōu)劣，為相關(guān)領(lǐng)域的研究工作提供參考。

1 阻尼調(diào)節(jié)機構(gòu)原理總結(jié)與分析

1.1 液壓減震器阻尼調(diào)節(jié)原理

1.1.1 基本組成及工作原理

傳統(tǒng)筒式液壓減震器的結(jié)構(gòu)包括單筒式結(jié)構(gòu)和雙筒式結(jié)構(gòu)，其工作原理類似。以雙筒式液壓減震器為例說明，其結(jié)構(gòu)組成通常包括工作缸、儲油缸、活塞桿、活塞組件和底閥組件等[3]，如圖1所示。

液壓減震器工作缸筒中充滿油液，活塞將工作缸分隔為上腔與下腔兩部分；儲油缸內(nèi)裝有油液，上部有少量空氣；活塞及底閥上裝有流通閥系，減震器工作過程中，油液可通過流通閥系在工作缸筒上、下腔及工作缸與儲油缸之間流通，閥系對油液的節(jié)流作用產(chǎn)生減震器工作的阻尼力[4]。

1.1.2 阻尼調(diào)節(jié)機構(gòu)工作原理

基于傳統(tǒng)筒式液壓減震器的結(jié)構(gòu)，為實現(xiàn)減震器阻尼力的調(diào)節(jié)，本研究通過各種機械機構(gòu)改變油液在工作缸上、下腔或工作缸與儲油缸之間的流通截面積，以改變油液流通阻尼的大小，從而實現(xiàn)對減震器阻尼力的調(diào)節(jié)。

1.2 阻尼力調(diào)節(jié)機構(gòu)的分類

本文基于所搜集的國內(nèi)外專利文獻，按照液壓減震器阻尼力調(diào)節(jié)機構(gòu)布置形式的不同，將減震器的阻尼調(diào)節(jié)機構(gòu)分為桿型調(diào)節(jié)和筒型調(diào)節(jié)兩種方式。

1.2.1 桿型調(diào)節(jié)機構(gòu)及其工作原理

所謂桿型調(diào)節(jié)，是指阻尼力調(diào)節(jié)機構(gòu)布置于減震器的活塞桿中。這類設(shè)計通常采用中空活塞桿，在活塞桿的側(cè)壁或底部端面上開有節(jié)流小孔，根據(jù)油液流過節(jié)流孔方向的不同，分別稱為徑向節(jié)流孔與軸向節(jié)流孔。在中空活塞桿內(nèi)部，設(shè)有調(diào)節(jié)桿及調(diào)節(jié)閥芯。調(diào)節(jié)過程中，通過轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)桿帶動調(diào)節(jié)閥芯在中空活塞桿內(nèi)軸向移動，改變徑向或軸向節(jié)流孔的開度，進而改變油液在工作缸上、下腔室之間流動的流通截面積，以達到改變減震器阻尼力的目的。具有徑向節(jié)流孔的桿型調(diào)節(jié)機構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 具有徑向節(jié)流孔的桿型調(diào)節(jié)機構(gòu)示意圖

在圖2中，中空活塞桿側(cè)壁上開有徑向節(jié)流孔，減震器復(fù)原行程，活塞上移，上腔及儲油缸油液分別通過活塞閥系及底閥閥系流入工作缸下腔，中空活塞桿為油液提供了流通通道，油液可經(jīng)活塞桿下端面的軸向孔道流入活塞桿內(nèi)腔，并經(jīng)由活塞桿側(cè)壁的徑向孔道流入上腔。在此過程中，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)桿，帶動調(diào)節(jié)閥芯在活塞桿內(nèi)腔軸向移動，從而改變徑向節(jié)流孔的開啟程度，影響油液在工作缸上、下腔室之間的流通截面積，改變減震器復(fù)原行程阻尼力；壓縮行程時，活塞下移，油液從上腔經(jīng)徑向節(jié)流孔流入活塞桿內(nèi)腔，而后經(jīng)軸向孔流入下腔，在此過程中，同上述復(fù)原行程調(diào)節(jié)原理類似，也可通過轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)桿改變減震器壓縮行程阻尼力。

具有軸向節(jié)流孔的桿型調(diào)節(jié)機構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 具有軸向節(jié)流孔的桿型調(diào)節(jié)機構(gòu)示意圖

在圖3中，活塞桿底部端面開有軸向節(jié)流孔，側(cè)壁開有徑向孔。減震器復(fù)原行程，活塞上移，油液由上腔通過徑向孔流入活塞桿內(nèi)腔，而后由活塞桿內(nèi)腔經(jīng)調(diào)節(jié)閥芯與軸向節(jié)流孔之間的環(huán)形縫隙流入下腔，在此過程中，通過轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)桿帶動調(diào)節(jié)閥芯軸向移動，改變環(huán)形縫隙大小，繼而改變油液流通阻尼，調(diào)節(jié)復(fù)原行程阻尼力；壓縮行程阻尼調(diào)節(jié)過程及原理與復(fù)原行程相同，不再贅述。

具體專利中，調(diào)節(jié)桿的驅(qū)動方式不盡相同，除傳統(tǒng)的通過手動旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)旋鈕來驅(qū)動調(diào)節(jié)桿的方式外[5-6]，還有以下常見調(diào)節(jié)方式：專利號CN1769734A的專利中公開了一種阻尼可調(diào)減震器的設(shè)計[7]，步進電機在汽車懸架系統(tǒng)電子控制器的控制下驅(qū)動調(diào)節(jié)桿，實現(xiàn)減震器阻尼力的調(diào)節(jié)；專利號CN201416610的專利與上述專利同樣[8]，也采用電機驅(qū)動調(diào)節(jié)桿的方式；美國FOX公司專利號為US2016/0003321 A1的專利中公開了一種通過外接氣壓源[9]，將壓縮氣體注入活塞桿中央空腔內(nèi)，推動“L型”閥芯上下動作并控制活塞閥系開閉程度的阻尼力調(diào)節(jié)方式；FOX公司專利號為US2016/0272029的專利中[10]，公開了一種通過外置的調(diào)節(jié)旋鈕及凸輪驅(qū)動活塞桿內(nèi)部調(diào)節(jié)桿的阻尼調(diào)節(jié)機構(gòu)；馬祖奇公司專利US6044940中[11]，采用油壓控制活塞桿內(nèi)腔針閥動作，實現(xiàn)阻尼力調(diào)節(jié)，此時，可將活塞桿內(nèi)腔的油液視為調(diào)節(jié)桿。

1.2.2 筒型調(diào)節(jié)

筒型調(diào)節(jié)，是指通過改變油液在工作缸及儲油缸之間的流通阻尼以改變減震器阻尼力的調(diào)節(jié)方式。按調(diào)節(jié)機構(gòu)布置位置的差別，可以分為上置、下置和側(cè)置3類。

上置式調(diào)節(jié)機構(gòu)通常在減震器導(dǎo)向套內(nèi)設(shè)置油道，并在該油道上設(shè)置調(diào)節(jié)閥，其典型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 上置式筒型調(diào)節(jié)機構(gòu)示意圖

減震器工作過程中，油液會流經(jīng)導(dǎo)向套油道，因此，可以通過控制調(diào)節(jié)閥，改變油道的開口大小，以實現(xiàn)減震器阻尼力的調(diào)節(jié)。例如，專利CN1560490A中[12]，在減震器導(dǎo)向套油道中設(shè)有限壓閥，并將傳統(tǒng)減震器的活塞閥系及底閥閥系改為只允許油液自下向上流動的單向閥，如圖5所示。

圖5 上置式筒型調(diào)節(jié)機構(gòu)應(yīng)用例示意圖

圖5中，通過對限壓閥開關(guān)動作的簡單控制實現(xiàn)對減震器阻尼力的調(diào)節(jié)；又如，美國FOX公司專利US7374028中[13]，通過在儲油缸上部設(shè)計液壓驅(qū)動機構(gòu)調(diào)節(jié)隔離閥閥芯，改變油液在工作缸和儲油缸之間的流通阻尼，實現(xiàn)對減震器阻尼力的調(diào)節(jié)。

下置式筒型調(diào)節(jié)將調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)置于減震器下部，其基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 下置式筒型調(diào)節(jié)機構(gòu)示意圖

通過對可調(diào)底閥的動作，改變油液在減震器工作缸與儲油缸之間的流通阻尼，從而實現(xiàn)對減震器阻尼力的調(diào)節(jié)。專利CN103775557A[14]采用了典型的下置式筒型調(diào)節(jié)機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 下置式筒型調(diào)節(jié)機構(gòu)應(yīng)用例示意圖

圖7所示結(jié)構(gòu)中，在儲油缸與工作缸之間加入導(dǎo)油缸，導(dǎo)油缸與工作缸包圍形成導(dǎo)油腔。導(dǎo)向套上設(shè)有常通孔及油道，連通活塞桿腔與導(dǎo)油腔。在減震器下部，設(shè)計有可調(diào)閥組件，組件內(nèi)部有油道及節(jié)流閥，連通導(dǎo)油腔下部導(dǎo)油孔和儲油腔下部導(dǎo)油孔。減震器工作時，無論復(fù)原還是壓縮行程，油液均會經(jīng)導(dǎo)向套油道及導(dǎo)油腔的引導(dǎo)，流經(jīng)調(diào)節(jié)閥組件，在活塞腔與活塞桿腔之間流通。因此，通過控制調(diào)節(jié)閥動作，就可以實現(xiàn)對減震器阻尼力的調(diào)節(jié)；與之結(jié)構(gòu)類似的還有FOX公司的專利US2016/0153516[15]，區(qū)別在于該專利將調(diào)節(jié)系統(tǒng)的驅(qū)動機構(gòu)改為螺線管閥。

側(cè)置式筒型調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)機構(gòu)通過導(dǎo)管或其他方式與工作缸或儲油缸連接，通過改變油液在工作缸和儲油缸之間的流通阻尼改變減震器阻尼力。其布置方式如圖8所示。

圖8 側(cè)置式筒型調(diào)節(jié)機構(gòu)示意圖

采用側(cè)置式筒型調(diào)節(jié)機構(gòu)的專利較多，如US20100170760A1[16]，及美國FOX公司專利US2014/0008160等[17]。以后者為例做具體介紹，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。

圖9 側(cè)置式筒型調(diào)節(jié)機構(gòu)應(yīng)用例示意圖

圖9中，在充氣式減震器工作缸側(cè)壁外設(shè)有旁通油道，旁通油道上端接外部壓力源，用以控制上閥芯動作，改變上節(jié)流孔開度；旁通油道下端有調(diào)節(jié)閥組件，用以預(yù)先設(shè)定下閥芯的開啟壓力。工作過程中，本研究通過對上下閥的調(diào)節(jié)，可以改變經(jīng)旁通油道在活塞腔與活塞桿腔之間流通的油液流量，實現(xiàn)對減震器阻尼力的調(diào)節(jié)。

2 不同調(diào)節(jié)機構(gòu)性能對比分析

針對桿型調(diào)節(jié)機構(gòu)和筒型調(diào)節(jié)機構(gòu)結(jié)構(gòu)特點和調(diào)節(jié)原理的區(qū)別，本文主要從實用性、可靠性和經(jīng)濟性3個方面對它們的性能進行對比分析。

(1)實用性對比分析。對于桿型調(diào)節(jié)機構(gòu)，由于調(diào)節(jié)機構(gòu)布置在活塞桿內(nèi)部，結(jié)構(gòu)上十分緊湊，有助于縮小減震器體積，節(jié)省減震器安裝空間，具有較好的實用性；對于筒型調(diào)節(jié)機構(gòu)，一方面，該結(jié)構(gòu)通常需要在工作缸和儲油缸之間增設(shè)中間缸，導(dǎo)致減震器直徑增加，體積增大；另一方面，側(cè)置式調(diào)節(jié)機構(gòu)的存在增大了減震器徑向尺寸，需占用更多安裝空間，不利于減震器的使用安裝，影響其實用性。

(2)可靠性及經(jīng)濟性對比分析。一般而言，桿型調(diào)節(jié)機構(gòu)的零件數(shù)量大、尺寸小、加工精度較高，因此生產(chǎn)成本較高；筒型調(diào)節(jié)機構(gòu)零件數(shù)量少、尺寸大、加工精度要求較低，生產(chǎn)成本低，相比于桿型調(diào)節(jié)機構(gòu)，有較好的經(jīng)濟性；可靠性方面，與桿型調(diào)節(jié)機構(gòu)相比，筒型調(diào)節(jié)機構(gòu)結(jié)構(gòu)相對簡單、零件數(shù)量少，參考減震器可靠性評價相關(guān)研究可知：筒型調(diào)節(jié)機構(gòu)具有更好的可靠性[18-19]。

3 結(jié)束語

在對已有專利文獻作出總結(jié)分析的基礎(chǔ)上，本文得出以下結(jié)論：

(1)桿型阻尼力調(diào)節(jié)機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)精密、節(jié)流孔徑小的特點，因此其阻尼力調(diào)節(jié)范圍較??；同時，由于該結(jié)構(gòu)需采用中空活塞桿，而活塞桿是減震器的主要傳力部件[20]，相較于采用實心活塞桿的筒型調(diào)節(jié)機構(gòu)，桿型調(diào)節(jié)阻尼可調(diào)減震器強度較弱，所能承受的最大作用力較小，因而適用于阻尼力峰值小、對可靠性要求較低的場景，如輕型轎車減震器；

(2)筒型調(diào)節(jié)機構(gòu)結(jié)構(gòu)相對簡單，零部件數(shù)量少，且節(jié)流孔徑及體積與桿型結(jié)構(gòu)相比尺寸較大，更加適用于安裝空間相對充裕、阻尼力變化范圍較大、工作環(huán)境相對惡劣的場景；

(3)由于不同類型的阻尼調(diào)節(jié)機構(gòu)優(yōu)缺點各異，開發(fā)設(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)具體的使用環(huán)境及性能要求選擇不同的阻尼調(diào)節(jié)方式。