可控行程油氣懸掛缸的制作方法
【技術領域】
[0001]本專利涉及一種油氣懸掛缸，具體地是公開一種可控行程油氣懸掛缸，并揭示其新的結構特性與使用功能。
【背景技術】
[0002]油氣懸掛缸集成了空氣彈簧和液壓阻尼器的結構原理與使用功能，具有更加良好的力學特性和應用范圍。油氣懸掛缸內部充注氮氣和液壓油。氮氣作為彈性介質和儲能介質，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，通過懸掛缸內部的阻尼結構產生阻尼力。
[0003]由于將氮氣封裝在缸體結構內，因而油氣懸掛缸具有比空氣彈簧更大的工作壓力和容量。同常規液壓缸結構類似，按運動關系與安裝結構，油氣懸掛缸也由缸筒組件與活塞桿組件構成，內部容積隔腔包含有桿腔、無桿腔，活塞桿通常是空心結構。其中，無桿腔稱為懸缸內腔，由缸筒內腔及活塞桿內腔構成。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壁間圍成的環狀空間。
[0004]懸缸內腔作為一個腔體使用時，內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，通常用作懸掛缸內部阻尼流量的來源。副油腔內部充注液壓油，并在其腔體內側的活塞桿側壁上設有阻尼通道與懸缸內腔接通。
[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構型式。圖I是活塞桿上置結構，圖2是活塞桿下置結構。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。可變純油腔與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、壓力發生變化產生阻尼流量。單氣室雙油腔結構，副油腔作為可變純油腔與懸掛內腔連通。懸掛缸內部系統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，由懸掛缸內部系統壓力和壓力作用面積決定。系統的阻尼流量，由阻尼流量面積和懸掛缸壓縮或拉伸速度決定。在單氣室雙油腔結構中，壓力作用面積為懸掛缸活塞桿外圓面積，剛度曲線參見圖13。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形面積。阻尼特性參見圖15。
[0006]如圖3?圖6所示，是四種典型的單氣室三油腔結構，壓力作用面積為活塞桿面積，剛度曲線參見圖13。三油腔結構是通過活塞或閥板結構將懸缸內腔分隔為缸筒內腔和活塞桿內腔。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。活塞或閥板上布置有阻尼結構，連通缸筒內腔和活塞桿內腔，形成內腔阻尼通道。副油腔通過活塞桿側壁阻尼結構與懸缸內腔導通，形成副油腔阻尼通道。阻尼特性參見圖15。
[0007]圖3所示為活塞桿上置結構。缸筒內腔（主油腔）、副油腔均為可變純油腔，分別與活塞桿內腔（混合油腔）導通，形成兩條并列的阻尼通道。活塞桿側壁上的阻尼結構與活塞或閥板上的阻尼結構也通常是單向閥與阻尼孔的組合結構。主油腔通道的阻尼流量面積為缸筒內腔面積，副油腔通道的阻尼流量面積為副油腔環形面積。
[0008]圖4所示為活塞桿下置結構。副油腔為可變純油腔，活塞桿內腔（主油腔）為不可變純油腔。副油腔通過活塞桿內腔與缸筒內腔（混合油腔）導通，合成一條阻尼通道。阻尼流量面積為副油腔環形面積。
[0009]圖5所示為另一種活塞桿下置結構。活塞桿內腔通過一個浮動活塞分隔油/氣部分，構成混合油腔。缸筒內腔（主油腔）、副油腔均為可變純油腔，分別與活塞桿內腔導通，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腔面積，副油腔通道的阻尼流量面積為副油腔環形面積。
[0010]圖6所示為活塞桿上置壓力補償結構。缸筒內腔（主油腔)、副油腔均為可變純油腔，活塞桿內腔為混合油腔。副油腔一主油腔一混合油腔順序導通，形成兩條串聯的阻尼通道。在副油腔與主油腔之間形成壓力、流量的互補關系。消除了油氣懸掛缸的系統負壓現象，并顯著提升系統阻尼系數的應用幅度。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構，均為活塞桿下置。
[0012]圖7為雙氣室正向串聯結構。缸筒內腔和活塞桿內腔各包含一個混合油腔，之間通過阻尼結構連通。副油腔作為可變純油腔與活塞桿內腔導通，提供系統的主要阻尼流量，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。副油腔及缸筒內腔、活塞桿內腔中的兩個混合油腔構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13。阻尼特性參見圖15。
[0013]圖8為雙氣室反向對置結構。懸缸內腔被一個封閉結構的活塞隔絕為彼此獨立的缸筒內腔和活塞桿內腔。缸筒內腔和活塞桿內腔各包含一個混合油腔。活塞桿內腔的壓力，通過一套管路導入副油腔，與缸筒內腔形成反壓對置結構。其彈性力輸出，為缸筒內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14。副油腔作為可變純油腔，通過與活塞桿內腔的連接管路構成一條阻尼通道，形成系統的阻尼流量。系統的阻尼流量面積為副油腔面積。阻尼特性參見圖15。
[0014]圖9為另一種雙氣室反向對置結構，剛度特性與圖8結構類同，參見圖14。與圖8結構的區別在于：缸筒內腔為可變純油腔，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，構成主油腔阻尼通道。主油腔通道阻尼流量面積為缸筒內腔面積，副油腔通道阻尼流量面積為副油腔環形面積。
[0015]需要說明的是：
[0016]1、除基礎的單氣室雙油腔結構（圖1、圖2)夕卜，活塞桿上置結構與活塞桿下置結構，不再具有相同的力學模型和力學關系（如圖3與圖4)。而且涉及到液壓油、氮氣的封裝結構、位置及阻尼通道結構的不同，一種結構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。否則懸掛缸內部的力學關系就不成立。
[0018]從現有的（圖I?圖9)各種應用結構來看，副油腔都是作為系統阻尼流量的主要來源，并無一例外地均與懸缸內腔接通，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構。雖然獲得了比較良好的剛度特性（圖14)，但這兩種結構必須基于對缸筒內腔與活塞桿內腔的物理隔離，這樣就喪失了缸筒內腔及活塞桿內腔之間重要的結構、位置、速度、流量及壓力上的關聯，而且活塞桿內腔復雜的導管結構占據了內部有效空間。使得在懸缸內腔中基于對位置、流量及壓力控制關系的變阻尼結構無法進行布置與應用。另外，活塞桿內腔復雜的導管結構，安裝維修困難、可靠性較差。
[0020]4、圖I?圖9列出的九種結構，為現有油氣懸掛缸在剛度結構上的主要結構形式。常規結構下，系統的阻尼結構由阻尼孔、單向閥組成，使用過程中不可調控。系統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15。
[0021]圖I?圖7結構，剛度特性基本一致，特性曲線參見圖13，為一條正向非線性曲線，在曲線的起始位置存在硬點。整個懸掛缸內部系統是一個封閉的回路，無法引入外部輸入進行控制。但可以基于內部空間及結構布置變阻尼機構，在一定程度上實現變阻尼控制。
[0022]圖8、圖9結構，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14)，但缺乏外部控制的控制目標與控制環節，也難以實現外部對系統剛度、狀態的控制。而且由于其結構上對懸缸內腔的物理隔絕，使得接下來的變阻尼控制無法實現。
[0023]主動及半主動控制懸架系統，講求的是對系統行程、狀態、剛度、阻尼的主動或半主動綜合控制。現有的各類油氣懸掛缸結構，缺乏完整實現的結構基礎和條件。
[0024]5、現有各種結構的油氣懸掛缸，都是注重懸掛缸自身內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，并沒有考慮設定由外部施加主動控制的外部輸入端口與內部控制環節。其內部油腔、氣室相互關聯、相互控制，之前也通常都是作為單獨部件獨立使用。但作為整個底盤，尤其是主動、半主動懸架，需要就不同的路況、運行狀態、不同的駕駛與操作環境，進行主動或半主動控制。但整個油氣懸掛缸沒有構建出用于外部控制或多懸掛缸組合控制的獨立環節，使得油氣懸掛缸的優良性能以及組合潛力得不到完整發揮。在現有類型懸缸結構上施加外部主動控制會造成懸缸內部流量、壓力的紊亂，導致系統穩定性及可靠性出現問題。
[0025]主動及半主動懸架在轎車、商務車等高端產品上有著良好地應用。其主要是基于板簧、螺旋彈簧、空氣彈簧等與電控阻尼器的組合，引入電控系統進行控制。但限于懸掛部件、電控系統的工作容量、控制容量、系統精度