專利名稱：再生吸震器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種吸震器，并且特別是涉及一種吸收由于車(chē)輛懸掛系統(tǒng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng) 導(dǎo)致的能量的吸震器。
背景技術(shù)：
已知汽車(chē)是低效率的，會(huì)作為熱量浪費(fèi)存儲(chǔ)在燃料中的能量的80%。也就是說(shuō)，車(chē) 輛油箱中的每10加侖燃料中的8加侖對(duì)推動(dòng)車(chē)輛沒(méi)有提供幫助。汽車(chē)制造商為了改進(jìn)燃油經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)取得了大代價(jià)的進(jìn)步。例如，再生制動(dòng)在很 多混合動(dòng)力汽車(chē)上是標(biāo)準(zhǔn)配置。汽車(chē)制造商還付出了很大努力以通過(guò)流線型的低阻力的車(chē) 身設(shè)計(jì)來(lái)降低風(fēng)阻，以便提高燃油經(jīng)濟(jì)性。制造商還采用更輕但更昂貴的材料來(lái)降低車(chē)輛 重量，以降低燃油消耗。機(jī)動(dòng)車(chē)輛包括用于控制車(chē)輪相對(duì)于車(chē)輛的垂直運(yùn)動(dòng)的懸掛系統(tǒng)。除了彈簧，還設(shè) 有吸震器以提供阻尼。從傳統(tǒng)的懸掛系統(tǒng)中排出的能量作為熱量損失。存在已知的系統(tǒng)， 這些系統(tǒng)試圖回收懸掛系統(tǒng)的能量。例如，美國(guó)專利No. 7，261，171教導(dǎo)了一種機(jī)械布置結(jié) 構(gòu)，在該布置結(jié)構(gòu)中將車(chē)輪相對(duì)于車(chē)身的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成一發(fā)電機(jī)的電樞/銜鐵的旋轉(zhuǎn)， 以便產(chǎn)生用于給車(chē)輛的蓄電池充電的電能。美國(guó)專利No. 5，570，286公開(kāi)了另一種機(jī)電式 的再生系統(tǒng)，該再生系統(tǒng)利用相對(duì)于導(dǎo)電線圈運(yùn)動(dòng)的磁體。美國(guó)公開(kāi)的未決申請(qǐng)NO.U.S.2007/0089924A1公開(kāi)了一種用于回收來(lái)自車(chē)身和 其車(chē)輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的能量的液壓系統(tǒng)。但該已公開(kāi)的申請(qǐng)需要傳統(tǒng)的吸震器來(lái)提供必要的 阻尼功能。此外，該申請(qǐng)?jiān)谝簤夯芈分腥鄙賹?duì)于操作系統(tǒng)必需的電容性蓄能器。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的是，提供一種再生吸震器，該吸震器不僅回收來(lái)自車(chē)輛的懸掛 系統(tǒng)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的能量，而且還提供阻尼功能，從而不必提供單獨(dú)的吸震器。在一個(gè)方面，本發(fā)明的再生吸震器，包括活塞，所述活塞設(shè)置成當(dāng)車(chē)輛的懸掛系統(tǒng) 偏轉(zhuǎn)時(shí)在汽缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。液壓流體容納在所述汽缸中。第一流體回路(1)與在汽缸中 的所述活塞的第一側(cè)上的第一腔室流體連通；(2)與一液壓馬達(dá)流體連通；以及(3)與一電 容性蓄能器流體連通。在所述活塞壓縮時(shí)，液壓流體穿過(guò)所述液壓馬達(dá)，由此使所述液壓馬 達(dá)的軸轉(zhuǎn)動(dòng)。第二流體回路與在汽缸中的所述活塞的第二側(cè)上的第二腔室流體連通，并且 與所述第一腔室流體連通。在所述活塞延伸時(shí)，液壓流體從所述第二腔室流至所述第一腔 室。發(fā)電機(jī)與所述液壓馬達(dá)的軸相連，以便在所述軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)發(fā)電。在另一個(gè)方面，本發(fā)明的再生吸震器包括一液壓回路布置結(jié)構(gòu)，從而在吸震器壓 縮或放松時(shí)都能獲得能量。在該實(shí)施例中，在吸震器壓縮或放松時(shí)，在液壓馬達(dá)上形成的壓力差會(huì)導(dǎo)致其輸出軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該輸出軸直接連接至一永磁發(fā)電機(jī)/直流電動(dòng)機(jī)。電動(dòng) 機(jī)的額定功率可以完全根據(jù)車(chē)輛質(zhì)量和彈簧剛度來(lái)選擇。發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能可以在其產(chǎn)生時(shí)或存儲(chǔ)在例如車(chē)輛的蓄電池中時(shí)由車(chē)輛使用。 所獲得的電能優(yōu)選用于車(chē)輛上這樣的動(dòng)力部件，否則這些部件會(huì)利用內(nèi)燃機(jī)，由此提高了 燃油效率。除了液壓回路中基本的流體損失之外，主要通過(guò)發(fā)電機(jī)作為抵抗電樞相對(duì)于定子 的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的反電動(dòng)勢(shì)來(lái)提供阻尼。這種阻力直接由液壓馬達(dá)傳遞給吸震流體。由馬達(dá) 提供的阻尼力選擇成直接與液壓流體的速度成正比，從而流體速度的提高導(dǎo)致阻尼力的提
尚O電容性蓄能器容納活塞軸容積，在本發(fā)明的吸震器的壓縮行程期間引入所述活塞 軸容積。


圖1示出本發(fā)明的實(shí)施例的剖視圖；圖2示出圖1的實(shí)施例的剖視圖，其中示出了在活塞壓縮時(shí)的流體流動(dòng)；圖3示出圖1的實(shí)施例的剖視圖，其中示出了通過(guò)液壓馬達(dá)的流體流動(dòng)；圖4示出圖1的實(shí)施例的剖視圖，其中示出了在活塞延伸時(shí)的流體流動(dòng)；圖5示出圖1的實(shí)施例的剖視圖，其中示出了回到汽缸頂部中的流體流動(dòng)；圖6示出本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的示意圖，該實(shí)施例在懸掛系統(tǒng)壓縮和伸長(zhǎng)時(shí)都 獲得能量；圖7示出與本發(fā)明一起使用的功率電子裝置的實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施例方式首先來(lái)說(shuō)明作為本發(fā)明基礎(chǔ)的一些理論。重要的是要確定通常在轎車(chē)或卡車(chē)的豎 直運(yùn)動(dòng)中損失多少能量，以便能夠決定這些能量是否值得回收。發(fā)明人選用的模型是一種 簡(jiǎn)單的基于彈簧的模型，在該模型中，存在于汽車(chē)的豎直運(yùn)動(dòng)中的能量可以在彈簧的壓縮
和延伸中觀察到。在壓縮彈簧中的能量通過(guò)等式五=]>辦=1虹2得出。利用通過(guò)試驗(yàn)確定
J 2
的為1. 2X 105N/m的k的值，我們發(fā)現(xiàn)對(duì)于3500磅的汽車(chē)，豎直的位移在單個(gè)彈簧中存儲(chǔ) 下面所示量的能量。我們還注意到卡車(chē)的彈簧剛性要高得多。Icm 的位移6J24J3cm 的位移54J216J四個(gè)車(chē)輪的總和6cm 的位移216J864J9cm 的位移486J1994J假設(shè)彈簧在3Hz的頻率下發(fā)生幅值為2cm的震動(dòng)，由此來(lái)模擬城市行駛工況，應(yīng)注 意這對(duì)于彈簧的壓縮和延伸都適用，從而可以從這兩種運(yùn)動(dòng)中都獲得能量。根據(jù)這些假設(shè)， 行駛一個(gè)小時(shí)產(chǎn)生1. 34千瓦時(shí)的可供回收的能量?，F(xiàn)在參考附圖，圖1示出第一實(shí)施例的整個(gè)系統(tǒng)。吸震體10是一汽缸，在該汽缸
4中設(shè)置有進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞12。止回閥14、16和18控制液壓流體的流動(dòng)。該系統(tǒng)還包 括液壓馬達(dá)20和電容性蓄能器22?，F(xiàn)在，結(jié)合圖2說(shuō)明在活塞12壓縮時(shí)液壓流體的流動(dòng)。當(dāng)活塞12壓縮時(shí)，在腔室 24的頂部中形成受壓的液壓流體，并且所述受壓的液壓流體穿過(guò)止回閥16。止回閥14防 止液壓流體流入底部的腔室26。當(dāng)通過(guò)止回閥16之后，流體被引入一液壓馬達(dá)20中并且 被引入電容性蓄能器22。電容性蓄能器22用于存儲(chǔ)所有沖擊式的壓力波動(dòng)，并且當(dāng)液壓流 體被送入液壓馬達(dá)20時(shí)所述電容性蓄能器使液壓流體的壓力平滑(smooth out)。現(xiàn)在參考圖3，當(dāng)液壓流體通過(guò)液壓馬達(dá)20時(shí)，液壓流體使馬達(dá)的軸旋轉(zhuǎn)。馬達(dá)20 的軸聯(lián)接到諸如永磁發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)50上。當(dāng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸出可以給蓄電 池充電或給汽車(chē)的電氣系統(tǒng)供電。如下面將要說(shuō)明的那樣，功率電子裝置連接到發(fā)電機(jī)50 的輸出端上。圖4示出當(dāng)活塞12延伸時(shí)的流體流動(dòng)。當(dāng)活塞12向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，受壓的液壓流體 在腔室26的底部被壓縮并通過(guò)止回閥14。止回閥18防止流體回流到液壓馬達(dá)20中。通 過(guò)止回閥14的流體流入頂部腔室24。各流體流動(dòng)回路中的至少一個(gè)的流動(dòng)特性可以選擇成除了回收能量以外用于提 供有效的阻尼。這樣，本發(fā)明的系統(tǒng)不僅用于能量回收，而且用于為車(chē)輪控制提供有效的阻 尼，由此不再需要傳統(tǒng)的吸震器。本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例在圖6中示出。該實(shí)施例允許在活塞的壓縮和延伸期間都 能回收能量。當(dāng)由活塞桿40支撐的活塞12受到壓縮時(shí)，液壓流體通過(guò)止回閥42并進(jìn)入電 容性蓄能器22，并且還包括乳液隔膜44，該乳液隔膜容納在系統(tǒng)的壓縮行程中引入的活塞 桿40容積。液壓流體還流入液壓馬達(dá)20并通過(guò)止回閥46和48返回吸震體10。液壓馬達(dá) 20致動(dòng)發(fā)電機(jī)50。永磁發(fā)電機(jī)/直流電機(jī)是合適的發(fā)電機(jī)50。當(dāng)活塞12延伸時(shí)，液壓流體通過(guò)止回閥52并進(jìn)入電容性蓄能器22并繼續(xù)通過(guò)液 壓馬達(dá)20。和前面一樣，液壓流體通過(guò)止回閥46和48返回吸震體10。要注意的是，當(dāng)活 塞12壓縮和延伸時(shí)，液壓流體沿相同的方向流動(dòng)通過(guò)馬達(dá)20，由此使馬達(dá)的軸沿用于致動(dòng) 發(fā)電機(jī)50的相同方向轉(zhuǎn)動(dòng)?，F(xiàn)在結(jié)合圖7來(lái)討論用于實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的再生吸震器的功率電子裝置。發(fā)電機(jī) 50的輸出端連接到一時(shí)間平均電阻反饋控制器60上，該控制器使來(lái)自直流發(fā)電機(jī)50的輸 出在低電阻元件62、電壓控制輸出變換器64和開(kāi)路連接66之間切換。電壓控制輸出變換 器64的輸出端常連在一輸出負(fù)荷上，如汽車(chē)蓄電池68。電壓控制輸出變換器不是一定是降 壓/升壓變換器，但降壓/升壓變換器是電壓控制輸出變換器的一種類型。這里提及降壓 /升壓變換器是因?yàn)檫@是一種常見(jiàn)的實(shí)施為電壓控制輸出變換器的方式。電壓控制輸出變 換器64與調(diào)節(jié)至基準(zhǔn)電壓的電壓反饋回路一起保持給定的電壓水平，電壓控制輸出變換 器有時(shí)也稱為降壓/升壓變換器。這種布置形式允許將幾個(gè)再生吸震器并聯(lián)，并且設(shè)定基 準(zhǔn)電壓確保了安全的電壓輸出。變換器64中的二極管(未示出)確保電力只能夠從發(fā)電 機(jī)50中流出。即使當(dāng)時(shí)間平均電阻反饋控制器使發(fā)電機(jī)在多個(gè)元件之間切換時(shí)，變換器的 輸入端上的濾波電容器(未示出)也保持施加到變換器的輸入端上的電壓。為了控制阻尼 率，發(fā)電機(jī)50的輸出在電阻元件62、降壓/升壓變換器64和開(kāi)路連接66之間切換。對(duì)于 常見(jiàn)的輸出負(fù)荷(例如未充電的汽車(chē)蓄電池)，這種模式分別導(dǎo)致沉重的阻尼、中等/沉重的阻尼和沒(méi)有阻尼(忽略摩擦)。采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)來(lái)以高速率在這些可選項(xiàng)之間 切換，這允許非常有選擇地控制阻尼。由于只是當(dāng)發(fā)電機(jī)50連接到降壓/升壓變換器64 上時(shí)才實(shí)現(xiàn)輸出功率，所以控制器60被偏置以便在電阻元件和開(kāi)路連接之間在整個(gè)切換 期間來(lái)利用這種連接。通常，具有適當(dāng)傳感器以確定發(fā)電機(jī)受到的電阻的的微控制器用于 所述控制器60。對(duì)于電阻反饋控制60和變換器64，切換速度選擇成確保變換器64及其輸 入電容器能夠連續(xù)地傳導(dǎo)。控制器60改變整個(gè)發(fā)電機(jī)50的繞組上的電阻，因此影響吸震器的阻尼特性并調(diào) 整輸出電壓，使得能將系統(tǒng)安全地連接到多種類型的負(fù)荷上。如上所述，整個(gè)發(fā)電機(jī)繞組 上的電阻通過(guò)將發(fā)電機(jī)50的輸出引線在三個(gè)源之間切換來(lái)實(shí)現(xiàn)，這三個(gè)源是低電阻元件 62、變換器64和開(kāi)路66。低電阻元件62(例如閉路連接(導(dǎo)線))形成高的阻尼力。開(kāi)路 連接66提供非常低的阻尼。根據(jù)連接到變換器64的輸出端上的負(fù)荷，變換器提供不同的阻 尼力?？刂破?0優(yōu)選地利用反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)發(fā)電機(jī)50上的給定的時(shí)間平均有效電阻。該 反饋可以來(lái)自傳感器，如橫跨發(fā)電機(jī)的各端子設(shè)置的電壓及電流傳感器。這個(gè)電阻可以由 制造廠家、駕駛員(以便根據(jù)道路條件、行駛或載貨情況動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)懸掛的動(dòng)力學(xué)特性)或 者甚至由傳感器(如根據(jù)載貨重量調(diào)整阻尼的應(yīng)變儀)來(lái)調(diào)整。輸出電壓的調(diào)整只由變換 器64來(lái)完成。變換器64具有其自己的反饋回路，當(dāng)供電時(shí)，該反饋回路保持恒定的電壓輸 出。由于來(lái)自懸掛的輸入動(dòng)力是變化的，變換器64在允許電流波動(dòng)的同時(shí)保持電壓穩(wěn)定。 變換器64的電路與帶有基于輸出電壓的負(fù)反饋的標(biāo)準(zhǔn)降壓/升壓變換器相類似。這種布 置形式確保了動(dòng)力只流出(負(fù)荷不能驅(qū)動(dòng)輸入，在這種情況下，是發(fā)電機(jī))。電容器(未示 出)使輸出電壓平滑。要注意的是，任何形式的能夠保持給定電壓、確保單向的電流并具有 足夠的輸入濾波功能以承受PWM輸入的有效變換器都可以使用。降壓/升壓變換器64只 是一個(gè)例子。根據(jù)開(kāi)關(guān)負(fù)載循環(huán)，這種電路具有降低輸出電壓或提高輸出電壓的效果。負(fù)載循 環(huán)通過(guò)保持給定輸出電壓的反饋回路來(lái)控制。忽略寄生效應(yīng)，降壓/升壓變換器64的運(yùn)行 是非常有效的。因此對(duì)于這里公開(kāi)的、連接至傳統(tǒng)的12v汽車(chē)蓄電池的再生吸震器，變換器 64將來(lái)自發(fā)電機(jī)的IA的6v電轉(zhuǎn)換成0. 5A的12v電。類似地，它將IA的48v電轉(zhuǎn)換成4A 的12v電。應(yīng)注意的是，不管輸入情況如何，電壓保持恒定，而電流變化。功率保持不變并 且來(lái)自發(fā)電機(jī)的所有能量都被回收利用。圖7中的布置形式能夠通過(guò)電阻元件62將能量散發(fā)為熱。例如，如果本發(fā)明的再 生吸震器連接到充滿的蓄電池上，則能量不再能安全地輸入蓄電池。因此就如同系統(tǒng)從負(fù) 荷上斷開(kāi)一樣。對(duì)于簡(jiǎn)單的實(shí)施形式，這會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)在其端子之間具有接近無(wú)限大的電 阻，這導(dǎo)致零反電動(dòng)勢(shì)(back-EMF)。沒(méi)有反電動(dòng)勢(shì)，則懸掛中不存在(摩擦源以外的)阻 尼，并且吸震器不用于其緩沖懸掛運(yùn)動(dòng)的主要目的。這種差錯(cuò)情況通過(guò)經(jīng)由電阻元件62有 選擇地將能量散發(fā)為熱來(lái)解決。所述電路可以對(duì)發(fā)電機(jī)繞組和低電阻元件之間的連接進(jìn)行 脈沖寬度調(diào)制。這種低電阻的連接允許發(fā)電機(jī)產(chǎn)生與軸速度成正比且與連接電阻成反比的 反電動(dòng)勢(shì)。在這種模式下不回收利用能量。如果發(fā)電機(jī)50連接到開(kāi)路連接66上，則發(fā)電 機(jī)繞組從負(fù)荷上斷開(kāi)。發(fā)電機(jī)輸出端實(shí)際上開(kāi)路。在這種模式下產(chǎn)生非常小的反電動(dòng)勢(shì)， 并且沒(méi)有回收利用能量。上面結(jié)合圖7討論的功率電子裝置實(shí)現(xiàn)了四個(gè)目標(biāo)。第一，這種電路提供了發(fā)電機(jī)隔離措施，以便確保每次沖擊都與和電機(jī)相連的輸出負(fù)荷、例如蓄電池電壓無(wú)關(guān)地運(yùn)行。 其次，該系統(tǒng)提供了可變的阻尼，這種阻尼由使用者或通過(guò)傳感器(如根據(jù)車(chē)輛重量調(diào)整 性能的應(yīng)變儀傳感器)自動(dòng)地來(lái)電子地改變。所述傳感器只改變電阻反饋控制器調(diào)整實(shí)現(xiàn) 的基準(zhǔn)電阻。所述系統(tǒng)還使得能夠通過(guò)在多個(gè)并聯(lián)的單元之間進(jìn)行電壓匹配而以多個(gè)單元 工作。最后，這種電路通過(guò)將輸出電壓調(diào)整到安全水平而提供了蓄電池安全充電。本發(fā)明的再生吸震器能應(yīng)用于任意的車(chē)輪車(chē)輛，重型卡車(chē)由于其大的重量和高的 懸掛彈簧剛度而是最感興趣的目標(biāo)。這種技術(shù)還適用于軍用車(chē)輛。公認(rèn)的是，這里公開(kāi)的發(fā)明的改進(jìn)方案和變型方案對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易 見(jiàn)的。所有這些改進(jìn)方案和變型方案都包括在后附的各權(quán)利要求的保護(hù)范圍中。
權(quán)利要求
1.一種再生吸震器，包括活塞，所述活塞設(shè)置成當(dāng)車(chē)輛的懸掛系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)時(shí)在汽缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)；液壓流體，所述液壓流體容納在所述汽缸中；第一流體回路，所述第一流體回路(1)與在汽缸中的所述活塞的第一側(cè)上的第一腔 室流體連通；(2)與一液壓馬達(dá)流體連通；以及(3)與一電容性蓄能器流體連通，其中在所 述活塞壓縮時(shí)，液壓流體穿過(guò)所述液壓馬達(dá)，由此使所述液壓馬達(dá)的軸轉(zhuǎn)動(dòng)；第二流體回路，所述第二流體回路與在汽缸中的所述活塞的第二側(cè)上的第二腔室流體 連通，并且與所述第一腔室流體連通，其中在所述活塞延伸時(shí)，液壓流體從所述第二腔室流 至所述第一腔室；以及發(fā)電機(jī)，所述發(fā)電機(jī)與所述液壓馬達(dá)的軸相連，以便在所述軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)發(fā)電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的再生吸震器，其特征在于，所述再生吸震器還包括在所述第 一流體回路和所述第二流體回路中的用于控制流動(dòng)的止回閥。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的再生吸震器，其特征在于，所述再生吸震器還包括用于提供 可變阻尼的功率電子電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的再生吸震器，其特征在于，所述功率電子電路包括時(shí)間平均 電阻反饋控制器和電壓控制輸出變換器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種再生吸震器。活塞(12)設(shè)置為用于當(dāng)車(chē)輛的懸掛系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)時(shí)在汽缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。液壓流體通過(guò)液壓馬達(dá)(20)，以使液壓馬達(dá)的軸旋轉(zhuǎn)。液壓馬達(dá)的軸與發(fā)電機(jī)(50)相連，以產(chǎn)生電能。液壓回路的流動(dòng)特性選擇成提供懸掛系統(tǒng)阻尼，以實(shí)現(xiàn)恰當(dāng)?shù)能?chē)輪控制。
文檔編號(hào)B60G13/14GK102007008SQ200980113687
公開(kāi)日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2009年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月17日
發(fā)明者P·埃布爾, S·阿瓦漢尼, V·塔拉索夫, Z·安德森 申請(qǐng)人:黎凡特電源公司