阻尼可調液壓減震器專利技術分析*

楊禮康，杜嘉鑫，周安江，王松峰

(1.浙江科技學院 機械與汽車工程學院，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鍵部件[1]。傳統(tǒng)液壓減震器由于阻尼特性不可改變，導致其對于道路的適應能力較差[2]。為滿足不同行駛路面對減震器性能的需要，近年來，國內外相關企業(yè)及科研院所紛紛開展了針對阻尼可調液壓減震器的研發(fā)。目前，阻尼可調減震器的主要知識產權被國外相關機構掌握，國內在該領域發(fā)展相對滯后，相關企業(yè)順應“中國制造2025”的大勢，正在積極開展新型阻尼可調減震器的研發(fā)，力圖在高端阻尼可調減震器領域擁有自主知識產權。

本文共搜集國內外典型專利文獻110余篇，重點將針對美國FOX公司的60多篇專利進行分析，總結常見的液壓減震器阻尼調節(jié)機構的原理及構造，并在此基礎上對比分析不同調節(jié)結構及布置方式的優(yōu)劣，為相關領域的研究工作提供參考。

1 阻尼調節(jié)機構原理總結與分析

1.1 液壓減震器阻尼調節(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構包括單筒式結構和雙筒式結構，其工作原理類似。以雙筒式液壓減震器為例說明，其結構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)流作用產生減震器工作的阻尼力[4]。

1.1.2 阻尼調節(jié)機構工作原理

基于傳統(tǒng)筒式液壓減震器的結構，為實現(xiàn)減震器阻尼力的調節(jié)，本研究通過各種機械機構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節(jié)。

1.2 阻尼力調節(jié)機構的分類

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

1.2.1 桿型調節(jié)機構及其工作原理

所謂桿型調節(jié)，是指阻尼力調節(jié)機構布置于減震器的活塞桿中。這類設計通常采用中空活塞桿，在活塞桿的側壁或底部端面上開有節(jié)流小孔，根據油液流過節(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。在中空活塞桿內部，設有調節(jié)桿及調節(jié)閥芯。調節(jié)過程中，通過轉動調節(jié)桿帶動調節(jié)閥芯在中空活塞桿內軸向移動，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)流孔的桿型調節(jié)機構示意圖如圖2所示。

圖2 具有徑向節(jié)流孔的桿型調節(jié)機構示意圖

在圖2中，中空活塞桿側壁上開有徑向節(jié)流孔，減震器復原行程，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，油液可經活塞桿下端面的軸向孔道流入活塞桿內腔，并經由活塞桿側壁的徑向孔道流入上腔。在此過程中，通過旋轉調節(jié)桿，帶動調節(jié)閥芯在活塞桿內腔軸向移動，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，改變減震器復原行程阻尼力；壓縮行程時，活塞下移，油液從上腔經徑向節(jié)流孔流入活塞桿內腔，而后經軸向孔流入下腔，在此過程中，同上述復原行程調節(jié)原理類似，也可通過轉動調節(jié)桿改變減震器壓縮行程阻尼力。

具有軸向節(jié)流孔的桿型調節(jié)機構示意圖如圖3所示。

圖3 具有軸向節(jié)流孔的桿型調節(jié)機構示意圖

在圖3中，活塞桿底部端面開有軸向節(jié)流孔，側壁開有徑向孔。減震器復原行程，活塞上移，油液由上腔通過徑向孔流入活塞桿內腔，而后由活塞桿內腔經調節(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，通過轉動調節(jié)桿帶動調節(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，調節(jié)復原行程阻尼力；壓縮行程阻尼調節(jié)過程及原理與復原行程相同，不再贅述。

具體專利中，調節(jié)桿的驅動方式不盡相同，除傳統(tǒng)的通過手動旋轉調節(jié)旋鈕來驅動調節(jié)桿的方式外[5-6]，還有以下常見調節(jié)方式：專利號CN1769734A的專利中公開了一種阻尼可調減震器的設計[7]，步進電機在汽車懸架系統(tǒng)電子控制器的控制下驅動調節(jié)桿，實現(xiàn)減震器阻尼力的調節(jié)；專利號CN201416610的專利與上述專利同樣[8]，也采用電機驅動調節(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，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節(jié)旋鈕及凸輪驅動活塞桿內部調節(jié)桿的阻尼調節(jié)機構；馬祖奇公司專利US6044940中[11]，采用油壓控制活塞桿內腔針閥動作，實現(xiàn)阻尼力調節(jié)，此時，可將活塞桿內腔的油液視為調節(jié)桿。

1.2.2 筒型調節(jié)

筒型調節(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節(jié)方式。按調節(jié)機構布置位置的差別，可以分為上置、下置和側置3類。

上置式調節(jié)機構通常在減震器導向套內設置油道，并在該油道上設置調節(jié)閥，其典型結構如圖4所示。

圖4 上置式筒型調節(jié)機構示意圖

減震器工作過程中，油液會流經導向套油道，因此，可以通過控制調節(jié)閥，改變油道的開口大小，以實現(xiàn)減震器阻尼力的調節(jié)。例如，專利CN1560490A中[12]，在減震器導向套油道中設有限壓閥，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 上置式筒型調節(jié)機構應用例示意圖

圖5中，通過對限壓閥開關動作的簡單控制實現(xiàn)對減震器阻尼力的調節(jié)；又如，美國FOX公司專利US7374028中[13]，通過在儲油缸上部設計液壓驅動機構調節(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節(jié)。

下置式筒型調節(jié)將調節(jié)機構設置于減震器下部，其基本結構如圖6所示。

圖6 下置式筒型調節(jié)機構示意圖

通過對可調底閥的動作，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節(jié)。專利CN103775557A[14]采用了典型的下置式筒型調節(jié)機構，其結構如圖7所示。

圖7 下置式筒型調節(jié)機構應用例示意圖

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

側置式筒型調節(jié)是指調節(jié)機構通過導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 側置式筒型調節(jié)機構示意圖

采用側置式筒型調節(jié)機構的專利較多，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，其結構示意圖如圖9所示。

圖9 側置式筒型調節(jié)機構應用例示意圖

圖9中，在充氣式減震器工作缸側壁外設有旁通油道，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；旁通油道下端有調節(jié)閥組件，用以預先設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節(jié)，可以改變經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節(jié)。

2 不同調節(jié)機構性能對比分析

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

(1)實用性對比分析。對于桿型調節(jié)機構，由于調節(jié)機構布置在活塞桿內部，結構上十分緊湊，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；對于筒型調節(jié)機構，一方面，該結構通常需要在工作缸和儲油缸之間增設中間缸，導致減震器直徑增加，體積增大；另一方面，側置式調節(jié)機構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)可靠性及經濟性對比分析。一般而言，桿型調節(jié)機構的零件數(shù)量大、尺寸小、加工精度較高，因此生產成本較高；筒型調節(jié)機構零件數(shù)量少、尺寸大、加工精度要求較低，生產成本低，相比于桿型調節(jié)機構，有較好的經濟性；可靠性方面，與桿型調節(jié)機構相比，筒型調節(jié)機構結構相對簡單、零件數(shù)量少，參考減震器可靠性評價相關研究可知：筒型調節(jié)機構具有更好的可靠性[18-19]。

3 結束語

在對已有專利文獻作出總結分析的基礎上，本文得出以下結論：

(1)桿型阻尼力調節(jié)機構具有結構精密、節(jié)流孔徑小的特點，因此其阻尼力調節(jié)范圍較小；同時，由于該結構需采用中空活塞桿，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節(jié)機構，桿型調節(jié)阻尼可調減震器強度較弱，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)筒型調節(jié)機構結構相對簡單，零部件數(shù)量少，且節(jié)流孔徑及體積與桿型結構相比尺寸較大，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節(jié)機構優(yōu)缺點各異，開發(fā)設計過程中，應根據具體的使用環(huán)境及性能要求選擇不同的阻尼調節(jié)方式。