专利名称：具有可压缩再生器的液压气动蓄能器的制作方法
具有可压缩再生器的液压气动蓄能器本发明涉及机械工程并且能够被用于具有高水平的液流和压力脉动的液压系统中的液力恢复，所述液压系统包括液压混合动力汽车中的压力共轨系统，尤其是那些使用自由活塞式发动机的液压混合动力汽车，并能够用于具有高的液流上升速率和液压冲击的系统中的液力恢复，例如在模制以及压力锻压设备中。
背景技术：
液压气动蓄能器(以下称为蓄能器)包括壳体，该壳体包括容积可变的气体贮存器和容积可变的液体贮存器，该气体贮存器通过气口填充有加压气体，并且液体贮存器通过液口填充有液体。这些气体贮存器和液体贮存器通过能相对于壳体运动的分离器分隔。 蓄能器通常充有初始压力高达几兆帕到几十兆帕的氮气。对于液力恢复而言，蓄能器既与活塞形式的固体分离器一起使用，也与例如呈弹性聚合膜或袋的形式[1]以及呈金属波纹管形式[2]的弹性分离器一起使用。具有轻质聚合物分离器的蓄能器在液压系统中很好地平稳脉动。然而，由于聚合物分离器的渗透性，它们需要更加频繁地充气。在蓄能器的高的液流上升速率下(例如，在液压系统中的急剧压降的情况下)，分离器的强烈急动可能导致聚合物分离器的毁坏。活塞式蓄能器将气体保持得更好并且能抵抗高的液流上升速率。然而，在液压系统中存在强烈脉动的情况下，活塞运动的振动模式加剧了活塞密封件的磨损。在HydroTrole公司的PistoFram蓄能器[3]中， 活塞包含被弹性膜分成气体部分和液体部分的腔体，该气体部分和液体部分分别与蓄能器的气体贮存器和液体贮存器连接。在高频率脉动时，不是活塞而是振动的轻质膜保持着活塞的密封件。蓄能器通常包含一个压力可变的气体贮存器和一个压力可变的液体贮存器，其中在气体贮存器和液体贮存器中具有相等的气体压力和液体压力。蓄能器[4]包含一个容积可变的气体贮存器和多个容积可变的液体贮存器。它们的连通改变气体贮存器中的气体压力与液压系统的液体压力之间的比率。对于液力恢复而言，蓄能器预先通过气口充有工作气体，并且通过液口连接到液压系统。当能量从液压系统传送到蓄能器时，液体被从液压系统泵送到蓄能器，以使分离器运动并且压缩气体贮存器中的工作气体，同时工作气体的压力和温度均升高。当能量从蓄能器返回到液压系统时，被压缩的气体膨胀以使分离器运动，使得液体贮存器的容积减小， 并且迫使液体流出液体贮存器进入到液压系统内。气体的压力和温度下降。由于气体贮存器壁之间的距离非常大(几十甚至上百毫米)，由气体热传导性而引起的气体与壁之间的热交换微乎其微。因此，气体压缩和膨胀过程基本上是非等温的，在气体贮存器中具有大的温度梯度。当气体压力升高2-4倍时，气体温度升高达几十甚至上百度，并且在气体贮存器中出现对流。这使向气体贮存器壁的热传导增加几十甚至上百倍。 在压缩期间被加热的气体冷却下来。这导致气体压力减小和储存的能量的损失，这在储存的能量被保持在蓄能器中时尤其显著。由于大的温差，热传导是不可逆的，即在膨胀期间由被压缩的气体给予蓄能器壁的大部分热量不能返回到气体。所以，液压系统在气体膨胀期间收回的液力比在气体压缩期间所接收的液力少得多。为了在W]、[5]、W]、[7]中减少热损失，建议在气体贮存器中放置可压缩再生器 (泡沫弹性体)和绝热器，该再生器执行热再生器的功能。在根据被申请人用作蓄能器的原型的[7]的蓄能器中，蓄能器包括壳体，在该壳体中液口和气口分别与容积可变的液体贮存器和气体贮存器连接，该容积可变的液体贮存器和气体贮存器通过可相对于壳体运动的分离器分隔。容积可变的气体贮存器包含呈开放孔室弹性体泡沫形式的可压缩再生器， 该可压缩再生器填充气体贮存器以便当液体被泵送到蓄能器中时，使气体贮存器容积减小的分离器运动将再生器压缩。当液体被转移出蓄能器时，再生器由于其固有的弹性而膨胀。 当被压缩时，再生器从气体带走一些热量从而降低其升温，并且当膨胀时，再生器将热量返回到气体从而减少其冷却。在气体与再生器之间热交换期间，再生器孔室的小尺寸(大约 Imm)使温度梯度减小数百倍，并且在气体压缩和膨胀期间显著地增加热交换的可逆性。再生器的多孔结构防止气体与气体贮存器壁的对流热交换，从而使向气体贮存器壁的热传导以及相应的能量损失减少许多倍。所以，实际上在压缩期间由气体给予再生器的全部热量在膨胀期间均返回到该气体，从而恢复效率显著增加[5]，[6]0上述技术方案的缺点是，孔室深度变化的幅度与孔室之间的连接部(web)的尺寸相当。连接部的相对变形大(百分之几十)，该相对变形即使在相对小的变形的情况下也被连接部的聚合材料的以弹性所表征的特定特性放大。因而，在连续工作的情况下，发生了再生器的疲劳退化，这导致再生器的弹性性能的劣化以及发生弹性体泡沫的残余变形。结果，再生器在恢复效率降低的同时，丧失了其再成形并且填充气体贮存器的整个容积的能力。在实验[8]中，在已运转36000次GOO个小时)的慢的(0.025Hz)压缩和膨胀循环的活塞式蓄能器中，可观察到累积的残余变形达到再生器初始容积的四分之一并且液力损失逐渐增加。在使用强烈间歇的自由活塞式发动机[10]和相控液压变速器[11]的液压混合动力汽车[9]中，以及在具有压力共轨的液压系统中，由于高频率脉动而使分离器以特别强烈的频繁急动不均勻地运动，所以在实际的液压系统中泡沫劣化显著地加强。由于急动分离器的这种振动冲击，再生器的临近分离器的边界层承受最高载荷而毁坏。再生器的弹性不足以将加速度从分离器向再生器的全部质量传送。如果分离器振动的振幅与孔室尺寸相当，则边界层被压碎而破坏，之后是下一层的毁坏。液压冲击对泡沫的边界层具有类似的破坏作用。在升高的温度下使用，典型的移动应用也加速了泡沫劣化的进程。还需要考虑的是，泡沫弹性体的弹性性能在低温时退化。此外，在工作气体的充气和排气期间，在上述蓄能器中可靠性得不到保证。现有泡沫的解理应力很小，大约是0.1-1兆帕。在快速充气和排气的过程中，在泡沫中可能出现相当大的局部压降，特别是在气流密度最高的气口附近。这将导致泡沫的毁坏。在充气期间， 泡沫可被损坏且在气口附近能形成腔体。在排气期间，泡沫能够被流入气口的气体拖拽，这不仅导致了泡沫损失和腔体的形成，而且导致了气口的单向阀和减压阀的失效。在快速气体交换过程中泡沫被带入气口的危险还限制了气体接收器与上述蓄能器一起使用。
发明内容
本发明的目的是制造出一种稳定可靠的用于高效液力恢复的液压气动蓄能器，其适于用在具有相当高频率的脉动、液压冲击或高的液流上升速率的液力系统中，以及适于与气体接收器一起使用和适于在增高和降低的环境温度下使用。为了实现这个目标，提出了一种液压气动蓄能器(以下称为蓄能器)，该蓄能器包括壳体，该壳体包括与液口相连的容积可变的液体贮存器和与气口相连的容积可变的气体贮存器。这些气体和液体贮存器通过可相对于壳体运动的分离器分隔。气体贮存器包括填充该气体贮存器的可压缩再生器(以下称为再生器)，从而使气体贮存器容积减小的分离器运动将再生器压缩。该目标通过以下特征来实现再生器由簧片元件制成，簧片元件相对于分离器的运动方向成横向地定位并将气体贮存器分成深度可变的相互连通的气体层，其中再生器的簧片元件与分离器在运动上相连接(kinematically connected)，使得在气体贮存器容积增加时由簧片元件分隔的气体层的深度增加，并且使得在气体贮存器容积减小时所述气体层的深度减小。将气体贮存器容积分成多个薄层，因而距热交换表面的平均距离的减小改善了热传导的条件并且减小了温差，从而增加了在气体贮存器中气体压缩和膨胀过程的可逆性， 因此提高了恢复效率。在液体泵送或移动期间，气体贮存器容积的变化率和初始气体压力越高并且所需要的温差越小，在气体贮存器处于最大容积时所选择的气体层的平均深度应越小，也就是说再生器应具有更多的簧片元件。对于被设计用于初始气体压力为大约10兆帕且泵送和移动周期从几秒到几十秒的广泛应用的蓄能器而言，优选地将簧片的数量、形状和布置选择为使得，在最大的气体贮存器容积时，气体层的平均深度将不超过10mm。在这种情况下，再生器的比热容也就是相对于最大的气体贮存器容积的比热容，超出了最大初始压力下的气体热容，优选地超过 100KJ/K/m3。呈具有簧片元件的层结构形式的再生器的实施方式，利用在宽的温度范围内具有良好弹性的材料如金属或其合金，在分离器运动的整个范围内，允许分离器元件具有小的相对变形，所述簧片元件的尺寸(几十甚至上百毫米)显著地超过了通过这些簧片元件分隔的层的深度变化的幅度(不超过单位毫米)。簧片元件与分离器的可运动的连接可通过不同的装置提供，例如通过使用与分离器和壳体连接的分离的弹簧，其中簧片元件以预定的间距固定在弹簧上。在波纹管蓄能器中，簧片元件可以以预定间距直接附接到波纹管。对于活塞式蓄能器，优选地使用簧片元件自身的弹性，并且优选地以多层弹簧的形式制造再生器，该多层弹簧由彼此连接的弹性金属簧片元件组成，这些金属簧片元件用作板簧或凸形簧(convex spring)。在成本效率优先的实施方式中，再生器由相互连接的弹性簧片元件制成，从而在分离器运动时提供了弯曲应变度变化的可能性。为了增加耐用性，将簧片元件的数量以及相邻簧片元件的接缝的数量、位置和形状选择为使得，在分离器的任何位置处，簧片元件的局部弯曲应变都不超过弹性应变极限。簧片元件可通过粘接、焊接或使用其他类型的结合来附接。如果预先模制的话，簧片元件还可仅仅彼此推靠而装配在一起，以形成以压缩工作的多层簧片弹簧，从而无应力状态对应于比最大气体贮存器容积的情况下更大的层深度。为了进一步减小变形幅度，建议将再生器制造为使得簧片元件的无应力状态对应于分离器的当气体贮存器容积等于最大值与最小值之间的中间值时的中间位置。为此，建议使用通过间隔件相互连接的初始平坦的簧片元件，该间隔件的所选择的厚度优选为不小于在最大气体贮存器容积时气体层的平均深度的0. 3，或者建议使用被模制成(通过冲压或软模制)使得簧片元件的无应力状态对应于分离器的所述中间位置的簧片元件。在储存液力的储存时间优先的蓄能器的实施方式中，再生器包括减少从簧片元件到蓄能器的壳体的热传导的柔性多孔绝热体。本发明提供了优选应用在具有相当高频率的脉动、液压冲击和高的液流上升速率的液力系统中的实施方式，其中再生器被制作为在分离器附近具有更高弹性或降低的透气性。再生器的透气性越低并且再生器元件之间的气体层的膨胀率或压缩率之间的差值越大，降低的透气性越发阻止了被分隔的气体层之间的压力平衡。随着分离器急动变得更强， 这些层之间的增加的压降使再生器元件加速，从而减小了再生器的邻近分离器的边界元件上的载荷，并且减小了它们的局部变形。可通过增加簧片元件的厚度、改变它们相互连接的结构或引入附加的弹性连接元件来获得更高的弹性。可通过减小簧片元件中的孔的数量或尺寸，以及通过减小簧片元件的边缘与气体贮存器壁之间的间隙，来降低透气性。为了应用在具有相当高频率的脉动的液力系统中，提出了所述蓄能器的实施方式。分离器被制成呈活塞的形式，该活塞具有腔体和在该腔体中的波纹管，该波纹管将腔体分成液体部分和气体部分，该液体部分和气体部分分别通过活塞中的窗口与液体贮存器和气体贮存器连通。这些波纹管由与活塞运动的方向成横向地定位的簧片元件制成，并且将活塞中的腔体的气体部分分成深度可变的连通的气体层并且使得在所述腔体的气体部分的容积增加时由所述簧片元件分隔的气体层的深度增加，并且使得在所述气体部分容积减小时所述气体层深度减小。这些轻质的波纹管接收液流脉动的高频成分，以防止活塞振动并且减小活塞的密封件的磨损。在波纹管的如下实施方式中，在活塞中腔体的气体部分处于最大容积时，波纹管的簧片元件之间的气体层的平均深度不超过10mm，该实施方式确保了气体与波纹管的簧片元件之间的良好的热交换，在该实施方式中，波纹管的簧片元件是蓄能器的气体贮存器中的主再生器的簧片元件的补充。对于设计用于广泛应用的蓄能器的实施方式，优选地将再生器的在分离器附近的透气性和弹性选择为使得，簧片元件的局部变形在分离器的最强急动时不超过弹性应变极限，所述最强急动对应于来自蓄能器的最大可能液流上升速率，所述最大可能液流上升速率会在连接到蓄能器的液压系统中从最大压力到大气压力的瞬时压降时出现。防止在充气与再冲气期间再生器损坏和损失的目标是通过如下来实现的气口包括限流器，该限流器能够限制流过气口的气流，使得在打开气口时在所述限流器上的压降超过再生器的不同空间之间的最大压差，优选为10倍以及更多倍。在优选加速充气和排气并且与接收器一起使用的蓄能器的实施方式中，再生器被制作为在气口附近具有增大的透气性，该增大的透气性补偿了在充气和排气期间在气口附近增大的气流密度，并且降低了再生器中的压降。在下面通过附图所示而给出的实施例中，示出了本发明的优选实施方式的细节， 附图中
图1一以轴向剖面示出的具有呈活塞形式的分离器和呈多层板簧形式的再生器的蓄能器。图2—以轴向剖面示出的具有呈带有波纹管的中空活塞形式的复合分离器和呈多层板簧形式的再生器的蓄能器。图3—以轴向剖面示出的呈多层板簧形式的蓄能器在非变形和变形状态下的片段，该多层板簧由其间具有条状间隔件的平坦的簧片元件制成。图4一以立体图示出的呈多层板簧形式的蓄能器的片段，该多层板簧由其间具有扇形间隔件的平坦的簧片元件制成。图5—在以下两个蓄能器的能量恢复时气体贮存器中的气体温度变化的实验曲线参照蓄能器(没有再生器)(曲线1)和具有再生器的蓄能器(曲线2)。图1和图2的蓄能器包括壳体1，该壳体1具有与液口 3相连接的容积可变的液体贮存器2以及与气口 5相连接的容积可变的气体贮存器4。所述容积可变的气体贮存器和液体贮存器由活塞形式的分离器6分隔。气体贮存器4包含填充气体贮存器4的再生器7， 从而使气体贮存器4的容积减小的分离器6的运动将再生器7压缩。再生器包括簧片元件 8，所述簧片元件8相对于分离器6的运动方向成横向地定位并且将气体贮存器4分为深度可变的相互连通的气体层。簧片元件8被组装成呈多层板簧形式的再生器7，该多层板簧的一侧附接到分离器6，而另一侧附接到安装在壳体1上的壳体插入件9。因此，簧片元件 8在运动上彼此连接并且连接到分离器6，以使得在气体贮存器4容积增加时由这些簧片元件分隔的气体层深度增加，并且使得在容积减小时所述深度减小。金属簧片元件8利用交替的径向接头10和弦接头11通过平行的粘接剂或焊接接头连接在一起。最外面的簧片元件通过径向接头附接到分离器6并且附接到壳体插入件 9(焊接或粘接)。径向接头10和弦接头11之间的距离决定了多层板簧的硬度。在图1和图2的实施方式中，该距离被选择为在20-50mm的范围内，同时簧片元件之间的气体层的最大深度是所述距离的大约0. 1或更少，这确保了簧片元件的较小的相对弯曲应变(为了更好地图示，簧片元件8的相对变形和它们之间的距离在图中进行了放大，并且相应地减少了它们的数量)。一个簧片元件8的厚度选择为在气体贮存器4处于最大容积时在由簧片元件分隔的气体层的平均深度的0. 1-0.2的范围内。在这种情况下，再生器的比热容，也就是相对于气体贮存器4的最大容积的比热容为400-800KJ/K/m3，这超过了初始压力10兆帕时的气体(氮气)热容的4-8倍。为了液力恢复，通过气口 5预充有气体的蓄能器(图1、2)经由液口 3与液压系统连接。在从液压系统向蓄能器传送能量期间，来自液压系统的液体通过蓄能器的液口 3 被泵入到蓄能器的液体贮存器2内，分离器6被移动从而减小气体贮存器4的容积并增加气体储存器的气体压力和温度。此时，再生器7压缩，且簧片元件8之间的气体层的厚度减小。由于再生器7的簧片元件8之间的小距离及该再生器的高比热容，气体有效地将部分热量给予再生器，这减少了压缩时气体的升温；气体与簧片元件之间的热交换在簧片元件与簧片元件间的气体之间的小温差下是可逆的。在储存于蓄能器中的液力储存期间，由于减小的气体升温减少了由于气体的热传导性而对壳体的壁的热传导，所以热损失很小，沿着簧片元件对壳体的壁的热传导同样由于它们的较小厚度而较小，并且由于再生器的薄层结构，在薄的气体层中对壳体的壁的对流热传导明显减少。为了延长储存的液力的储存时间，再生器包括例如由泡沫弹性体制成的柔性多孔绝热体12(图幻，该绝热体使簧片元件与壳体的壁之间的热传导进一步减小。
当能量从蓄能器返回到液压系统时，被压缩的气体膨胀并且分离器6被移动，从而减小了液体贮存器2的容积并且通过液口 3将液体从液体贮存器排入到液压系统中。此时，与分离器6在运动上相连接的簧片元件8移动并且被簧片元件分隔的气体层的深度增加，从而利用簧片元件保证了均勻地填充膨胀的气体贮存器4。由于在气体和簧片元件之间保持的小距离，再生器有效地将已接收的那部分热量返回到气体。因此，蓄能器将从液压系统接收的液力实际上没有任何损失地返回给液压系统。簧片元件在分离器的整个移动范围中在弹性极限内的小的相对变形，防止了发生残余变形以及再生器的毁坏，并且保证了蓄能器的可靠性和长的使用寿命。为了进一步减小簧片元件的变形幅度，再生器被制造为使得簧片元件的无应力状态对应于当气体贮存器容积等于最大值与最小值之间的所选中间值时的分离器的位置。在具有较长停止间隔(例如在夜间停止的工业系统中)的液压系统中使用的蓄能器中，优选地接近于最大值来选择所述中间值。在储存液力的储存时间较长的液压系统中使用的蓄能器中，优选地接近于最小值来选择所述中间值。这种将簧片元件连接成多层板簧的方法，使得能够在弹簧伸展期间获得簧片元件的最小变形，这确保了簧片元件接头的可靠性，因此确保了再生器的长使用寿命。当弹簧的簧片元件在气体贮存器从最大工作容积变化到最小工作容积时经过无应力状态时，这确保了它们的交变应变，并防止了簧片元件中发生残余变形，获得了最长的使用寿命。在与优选为确保气体贮存器4的最小残余气体容积的接收器一起使用的蓄能器中，簧片元件8可以模制成板或波状薄片形式并且通过最小可能厚度的焊接或粘接接头来连接。在没有接收器的情况下使用的蓄能器的再生器中，如图3和4所示，使用具有其间具有交替结构的间隔件13的平坦的簧片元件8。在图3的实施方式中，平坦的圆形簧片元件8借助于间隔件13紧固在一起而形成了多层板簧，该间隔件13呈彼此平行地粘接于簧片元件8的条带的形式。一个间隔件13 沿着簧片元件的直径粘接到每个簧片元件8的一侧，同时两个间隔件13沿着相对于径向间隔件对称的两个弦粘接到同一个簧片元件的另一侧。蓄能器充气时的初始气体压力通常不超过液压系统中最低工作压力的0. 9。典型地用于能量恢复且对应于最大储存能量的气体容积压缩的程度约为2至3。所以，由间隔件13的厚度确定的气体贮存器的优选最小可能容积将不大于最大值的0. 3。间隔件13使得簧片元件8从它们的无应力状态沿两个方向变形，这使得多层板簧既扩张也压缩。在图3中，间隔件13的重复配置的周期是2，沿轴向最靠近的径向(或相应的弦)间隔件通过簧片元件8之间的单个间隙所分隔，同时在完全压缩情况下的气体层的平均厚度相当于间隔件13的一半厚度。因此，为了使蓄能器中的气体的容积压缩率不小于3，优选的实施方式应使间隔件13的厚度不超过在气体贮存器处于最大容积时气体层的平均厚度的0. 6。在图4的实施方式中，平坦的圆形簧片元件8借助于间隔件13紧固在一起以形成多层板簧，间隔件13以预定的角偏移粘接到簧片元件8。相对于彼此偏转360/6度(通常情况下为360/N度)的6个(通常情况下为N个)间隔件13粘接到每个簧片元件8的一侧。在同一个簧片元件的另一侧上，同样有相对于彼此具有相同的偏移量的6个(通常情况下为N个)间隔件13。在这种情况下，一侧上的间隔件13的整体结构相对于另一侧上的间隔件13的结构偏转360/M度(通常情况下为360/(N*M)度)。因此，在簧片元件8之间的每个连续层中的间隔件13的结构相对于之前一个结构旋转360/M度，同时具有相似角度位置的结构在每个第四层中重复(通常情况下以周期M重复)并且通过簧片元件8之间的三个间隙(通常情况下为M-I个间隙)所分隔。间隔件13的角度大小远小于360/M 度，这使得再生器以簧片元件较小的弯曲应变而压缩。在一层中间隔件13数量N越大，则相邻层的间隔件的边缘之间的角距离越小(随着N、M以及间隔件13的角度大小的增大而减小)，再生器的弹性越高。重复结构的周期M越大，再生器相对于与平坦的簧片元件8的无应力状态对应的位置的最大压缩度就越高。在完全压缩时，层的平均深度相当于间隔件 13厚度的四分之一(通常情况下为1/M)，在需要三倍容积压缩度的情况下这允许将间隔件 13的厚度选择为等于甚至超过在最大气体贮存器容积下气体层的平均深度，从而降低了粘接界面上的载荷。在平坦的簧片元件8的无应力状态下，气体层的深度等于间隔件13的厚度。根据对于液力恢复的工作范围的上述估算，优选为选择最大容积压缩度，该最大容积压缩度不超过3，同时间隔件的最小厚度应相应地不小于在最大气体贮存器容积下气体层的平均深度的0. 3。为了在液压系统中以零压力提供平坦的簧片元件8的无应力状态，间隔件13被实施为具有接近于在最大气体贮存器容积下气体层的平均深度的厚度，其中在蓄能器中重复结构的周期M不小于所需的容积压缩度。为了图示本发明的实施，图5给出了在两个容积为2升的SK350-2/2212A6型的 Hydac蓄能器的能量恢复时在气体贮存器中的气体温度变化的实验曲线，其中一个蓄能器没有再生器(曲线1)，而第二个蓄能器(曲线2、具有多层板簧形式的再生器，该多层板簧由其间具有Imm厚的扇形间隔件的120个0. 4mm厚的平坦的簧片元件制成，如图4所示。 在这种情况下，平坦的簧片元件的无应力状态对应于最大气体贮存器容积。环境温度是 18°C。两个蓄能器中的初始气体压力均是7兆帕。每个循环包括四个步骤将液体泵入到蓄能器中并在20秒期间内升高到21兆帕的压力，将被储存的能量储存50-60秒，从蓄能器排出液体在30秒期间内降低到7兆帕的初始压力，以及暂停50秒。在没有再生器的蓄能器中，在压缩时气体被加热到106°C，在储存时间期间冷却降低到30-32°C，在膨胀时冷却降低到-30°C，并且在暂停期间加热升高到10-12°C。同时，在具有再生器的蓄能器中，气体在压缩时被加热升温不超过25°C，并且在膨胀期间其冷却降低到不超过12°C。因此，再生器在压缩时减少气体升温并且在膨胀时减小气体冷却几十倍，从而在储存期间减少储存能量的损失。在这个压力变化范围中的任何气体压缩程度下，簧片元件的相对变形(弯曲小于Imm且弯曲部分约为12mm长)比弹性极限小得多。当蓄能器作为具有高频率波动或高液流上升速率以及液压冲击的液压系统的一部分而工作的时候，分离器6通过强烈急动而不均勻地运动，该强烈急动增加了邻近分离器6的簧片元件8上的载荷，这将整个再生器7带入到加速运动中。在图1和图2的蓄能器中在具有显著的高频率脉动、液压冲击以及在高液流上升速率的操作中，为了防止紧靠分离器的再生器的过剩变形以及损坏，使得靠近分离器6的再生器7具有增加的弹性或减小的透气性。增加的弹性弥补了在分离器急动下增加的载荷，并且可通过簧片元件的更大厚度或者引入附加的连接元件来提供，以及通过改变焊接接头10和11之间的距离或改变间隔件13的结构来提供。
减小的透气性这样来提供减少簧片元件8中的孔的数量和尺寸以及减小簧片元件的边缘与气体贮存器4的壁之间的间隙。透气性越低并且气体层之间气体层的膨胀率或压缩率的差异越大，再生器7的减小的透气性越发防止了分隔的气体层之间的压力平衡。 随着分离器6的急动变得更强，这些层之间增加的压降更大，加速了簧片元件8，从而减小了邻近分离器6的簧片元件8上的载荷并且减小了它们的局部变形。在图2的蓄能器中，分离器6包括活塞14，该活塞14具有腔体15和在该腔体内的波纹管16，波纹管16将腔体15分成液体部分17和气体部分18，液体部分17和气体部分 18分别通过活塞14中的窗口 19、20而与液体贮存器2和气体贮存器4相互连通。波纹管 16由金属簧片元件21制成，这些簧片元件相对于活塞14的运动方向成横向地定位，并将腔体15的气体部分18分成相互连通的深度可变的气体层，并且使得在腔体15的气体部分 18的容积增加时由簧片元件分隔的气体层的深度增加，以及使得在所述容积减小时所述深度减小。在高频率脉动时，不是振动的活塞14而是轻质的波纹管16降低了活塞密封件的磨损。在这种情况下，簧片元件8上的靠近活塞14的载荷也减小，这使得再生器7的实施方式比在图1的蓄能器中具有更高的透气性。由于波纹管16的簧片元件21之间的气体层的较小深度确保了气体与簧片元件的良好热交换，波纹管16在腔体15中在气体压缩和膨胀时提供了良好的热再生。簧片元件21之间的距离以及它们的热容以与再生器7的簧片元件8相同的方式进行选择，优选地使得在分离器中腔体的气体部分的最大容积下，波纹管的簧片元件之间的气体层的平均深度将不超过10mm(为了更好地图示，簧片元件21的相对变形以及它们之间的距离在图2中进行了放大，并且相应地减少了它们的数量)。液压系统中在高频率脉动时由波纹管16的振动所产生的强制的气体微对流，进一步改善了对再生器7的簧片元件8的气体热交换。柔性多孔绝热体12呈泡沫弹性体的形式且位于簧片元件8的外周，该柔性多孔绝热体12防止了微对流流传播到再生器7的簧片元件8与壳体 1的壁之间的间隙中，这减小了再生器7与壳体1之间的热交换以及能量储存期间的损失。 泡沫弹性体粘接到活塞14，并且簧片元件8允许泡沫弹性体在气体贮存器4的容积增加时伸展，这防止了泡沫弹性体的压缩发生残余变形并确保了其的耐用性。不透气的金属波纹管16也有助于更好地保存气体，这也改善了蓄能器的可靠性和耐用性，同时改善了分离器密封件的维护并降低了再生器上的载荷。优选为将分离器6附近的簧片元件8的透气性和弹性选择为使得，簧片元件的局部变形在分离器6最强烈急动下不超过弹性极限。分离器6的最大急动力可受到操作条件的限制。例如，如果蓄能器用在具有自由活塞式发动机的液压混合动力汽车中，发动机移动冲程的工作容积和最高频率决定了分离器运动的最大加速度和幅度以及其最大急动力。当蓄能器在几个波动源和载荷下工作时， 例如，在压力共轨中，最大急动力由全部源和载荷的总体来确定。对于通用的蓄能器，优选的是通过在液压系统中在从最大压力到大气压力的瞬时压降时蓄能器的最大可能液流上升速率，确定分离器的加速运动的加速度和振幅以及分离器的最大急动力。首先，通过蓄能器的液口 3的液压气动特性，来确定蓄能器的最大液流上升速率。在液体贮存器2中的急速压降的情况下，发生了分离器6的强烈急动，分离器6拖拽着所附接的簧片元件8以高加速度射向液口 3，从而拉动再生器7的所有其它层。在图2的蓄能器中，波纹管16最先响应该压降。该波纹管伸展从而使活塞14进行加速运动，因而使得活塞14以及连接到活塞14的簧片元件的加速度减小了一点。由于由簧片元件8中的孔22的气体动态阻力以及在簧片元件8与壳体1的内壁之间的间隙的气体动态阻力决定的再生器7的靠近分离器6的降低的透气性，在分离器6的急动下在每个簧片元件8上产生压降，即在面向分离器6的一侧产生负压，而在相反侧上产生过压。上升的压降朝着分离器6推动每个簧片元件8，从而减小了接头10和11上的载荷，并且簧片元件的局部弯曲变形沿着再生器7的整个长度分布伸展。簧片元件8的随着簧片元件8离分离器越远而越增大的透气性，确保了簧片元件加速度的平稳下降，这确保了簧片元件变形的均勻分布并且防止了簧片元件在靠近分离器处以及沿着再生器7整个长度的过剩变形。同理，在例如由于液压冲击而发生分离器6反向急动的情况下，压降推动簧片元件8远离分离器，这减小了簧片元件的局部压缩变形以及接头10和11上的载荷。靠近分离器6的簧片元件的增加的弹性，也防止了最靠近分离器的簧片元件以及沿着再生器7的整个长度的簧片元件的过剩变形，这确保了簧片元件变形的均勻分布并且减小了接头10和11上的载荷，或者减小了与间隔件13连接上的载荷。活塞式蓄能器还能防止在蓄能器的组装期间以及在分离器6在移动期间可能发生的转动时再生器7的扭曲。例如，通过使壳体插入件9相对于壳体1旋转，或者通过借助于被安装成能够相对于分离器6旋转的单独的缓冲插入件(图中未示出)将再生器附接到分离器6，防止了扭曲。簧片元件8具有孔22，孔22与壳体插入件9中的孔23相对地布置。因此，气体贮存器4通过孔23直接地连通或者通过收集器接头间隙(collector gap clearance)^与气口 5连通。使得再生器7在气口 5附近具有增加的透气性，在这种情况下具有增加的孔 22，该增加的孔22弥补了在充气和排气时在气口附近增加的气流密度，并且降低了再生器中的压差，从而使得蓄能器适于与接收器一起工作。为了防止在充气和排气时再生器的损坏，气口包括节流阀形式的限流器(图中未示出)，该限流器能够限制流过气口的气流，从而在打开气口的情况下在限流器上的压降超过再生器的不同空间之间的最大压差，优选为10倍以及更多倍。当蓄能器和接收器一起工作时，限流器被安装成在充气和排气时限制流动，但并不限制蓄能器和接收器之间的流动。由金属制成的簧片元件8，尤其如果它们是被焊接的，则簧片元件能够在升高和降低的环境温度中工作。上述的实施方式是实现本发明的主要构思的实施例，本发明还考虑到了未在这里详细描述的多种其他实施方式，例如，具有囊或薄膜形式的弹性分离器的蓄能器实施方式， 其中簧片的边缘不损坏弹性分离器，以及在一个壳体内包含一个容积可变的气体贮存器和多个容积可变的液体贮存器的蓄能器实施方式。因而，所提出的技术方案能够产生一种用于液力恢复的液压气动蓄能器，其具有以下特性—高效率的液力恢复；一作为具有导致分离器强烈急动的高的液流上升速率和液压冲击的液力系统的一部分，具有长使用寿命和操作可靠性；-适于与气体接收器一起使用；
一适于在升高或降低的环境温度下使用。参考文献1-L. S. Stolbov, AD. Petrova, 0V. Lozhkin. Fundamentals of hydraulics and hydraulic drive of machines (机器的水力学禾口液压马区动基石出)，Moscow, "Mashinostroenie", 1988, p. 172。2-美国专利 64057603-http://www. hydrotrole. co. uk/4-美国专利 59710275-0tis D. R. , "Thermal Losses in Gas-Charged Hydraulic Accumulators (充气液压蓄能器中的热损失)，，，Proceedings of the Eighth Intersociety Energy Conversion Engineering Conference (第八次学会间能量转换工程会议的会议记录)， Aug. 1973，pp. 198-2016-PourmovahedA. , S. A Baum, F. J. Fronczak, N. H Beachley "Experimental Evaluation of Hydraulic Accumulator Efficiency With and Without Elastomeric i^oam(利用和不利用泡沫胶的液压蓄能器效率的实验性评估)”，Proceedings of the Twenty-second Intersociety Energy Conversion Engineering Conference (第二十二次学会间能量转换工程会议的会议记录)，Philadelphia, PA, Aug. 10-14，1987，paper 87-90907-美国专利 71080168-PourmovahedA. ,"Durability Testing of an Elastomeric Foam for Use in Hydraulic Accumulators (在液压蓄能器中使用的泡沫胶的耐久性测试)”，Proceedings of the Twenty-third Intersociety Energy Conversion Engineering Conference (第二十三次学会间能量转换工程会议的会议记录)，Denver，CO，July 31-Aug. 5，1988. Volume 2(A89-1517604-44)9-Peter A. J. Achten, "Changing the Paradigm(改变范例)，，，Proceedings of the Tenth Scandinavian International Conference on Fluid Power (关于液体能量的第十次斯堪的纳维亚国际会议)，May 21-23，2007，Tampere, Finland, Vol. 3，pp. 233-248ΙΟ-Peter A. J. Achten, Joop H. E. Somhorst, Robert F. van Kuilenbrug, Johan P. J. van den Oever, Jeroen Potma “CPR for the hydraulic industry :The new design of the Innas Free Piston Engine (用于液压工业的CPR :伊纳斯自由活塞式发动机的新设计)”，Hydraulikdagarna' 99, May 18-19, LinkQping University, SwedenIl-Peter A. J. Achten,"Dedicated Design of the Hydraulic Transformer (液压转换器的专门设计)"Proceedings of the IFK 3, Vol. 2, IFAS Aachen, pp. 233-248
权利要求
1.一种具有可压缩再生器的液压气动蓄能器，该液压气动蓄能器包括壳体，该壳体具有与液口相连的容积可变的液体贮存器和与气口相连的容积可变的气体贮存器，所述容积可变的气体贮存器和液体贮存器被能相对于所述壳体运动的分离器分隔开，并且所述气体贮存器包括填充该气体贮存器的可压缩再生器，从而使所述气体贮存器的容积减小的所述分离器的运动将所述再生器压缩，其中所述再生器由簧片元件制成，所述簧片元件相对于所述分离器的运动方向成横向地定位并且将所述气体贮存器分成深度可变的相互连通的气体层，其中所述再生器的所述簧片元件与所述分离器在运动上相连接，使得在所述气体贮存器的容积增加时由所述簧片元件分隔的所述气体层的深度增加，并且使得在所述气体贮存器的容积减小时所述气体层的深度减小。
2.如权利要求1所述的蓄能器，其中，将所述簧片元件的数量、形状和布置选择为使得，在所述气体贮存器处于最大容积时，所述再生器的所述簧片元件之间的所述气体层的平均深度不超过10mm。
3.如权利要求2所述的蓄能器，其中，所述簧片元件被制成弹性的并且连接在一起，以允许在所述分离器运动时弯曲应变度变化，同时将所述簧片元件的数量以及相邻簧片元件的接头的数量、位置和形状选择为使得，在所述分离器的任何位置处，所述簧片元件的局部弯曲应变都不超过弹性应变极限。
4.如权利要求3所述的蓄能器，其中，所述再生器被制成为使得，所述簧片元件的无应力状态对应于所述分离器的当所述气体贮存器的容积等于最大值与最小值之间的中间值时的中间位置。
5.如权利要求4所述的蓄能器，其中，所述簧片元件被制成初始是平坦的并且通过间隔件相互连接，所述间隔件的所选择的厚度优选为不小于在最大气体贮存器容积时所述气体层的平均厚度的0.3。
6.如权利要求4所述的蓄能器，其中，所述簧片元件被模制成使得，所述簧片元件的无应力状态对应于所述分离器的所述中间位置。
7.如权利要求1所述的蓄能器，其中，所述分离器被制成呈活塞的形式，而所述簧片元件由弹性金属制成并且被彼此连接成多层弹簧。
8.如权利要求7所述的蓄能器，其中，所述再生器被制成呈活塞的形式，该活塞具有腔体和在该腔体中的波纹管，该波纹管将所述腔体分成液体部分和气体部分，该液体部分和气体部分分别通过所述活塞中的窗口与所述液体贮存器和所述气体贮存器连通，同时所述波纹管由所述簧片元件制成，所述波纹管的所述簧片元件相对于所述活塞的运动方向成横向地定位并将所述活塞中所述腔体的所述气体部分分成深度可变的相互连通的气体层，使得在所述腔体的所述气体部分的容积增加时由所述簧片元件分隔的所述气体层的深度增加，并且使得在所述气体部分的容积减小时所述气体层的深度减小。
9.如权利要求8所述的蓄能器，其中，将所述波纹管的所述簧片元件的数量、形状和位置选择为使得，在所述活塞中的所述腔体的所述气体部分处于最大容积时，所述波纹管的所述簧片元件之间的所述气体层的平均深度不超过10mm。
10.如权利要求1所述的蓄能器，其中，所述再生器包括柔性多孔绝热体。
11.如权利要求1所述的蓄能器，其中，所述再生器被制成在所述分离器附近具有增加的刚性。
12.如权利要求1所述的蓄能器，其中，所述再生器被制成在所述分离器附近具有减小的透气性。
13.如权利要求11或12所述的蓄能器，其中，将所述分离器附近的所述再生器的透气性和弹性选择为使得，所述簧片元件的局部变形在所述分离器的最强急动时不超过弹性应变极限，所述最强急动对应于来自所述蓄能器的最大可能液流上升速率，所述最大可能液流上升速率会在连接到所述蓄能器的液压系统中从最大压力到大气压力的瞬间压降时出现。
14.如权利要求1所述的蓄能器，其中，所述气口包括限流器，该限流器能够限制流过所述气口的气流，使得在打开所述气口时在所述限流器上的压降超过所述再生器的不同空间之间的最大压差，优选为10倍以及更多倍。
15.如权利要求1所述的蓄能器，其中，所述再生器被制成在所述气口附近具有增加的透气性。
全文摘要
一种液压气动蓄能器，其包括壳体，在所述壳体中气口和液口分别与通过可移动的分离器分开的容积可变的气体贮存器和液体贮存器相连接。所述气体贮存器包括填充该气体贮存器的可压缩的再生器，从而所述分离器使所述气体贮存器容积减小的分离器运动将所述再生器压缩。所述再生器由簧片元件制成，所述簧片元件相对于所述分离器的运动方向成横向地定位并且将所述气体贮存器分成相互连通的深度可变的气体层。所述再生器优选地由相互连接的弹性金属簧片元件制成，以允许弯曲应变度变化，以使得在所述分离器的任何位置处簧片元件的局部弯曲应变都不超过弹性极限。提高了液力恢复效率以及所述再生器的耐用性。
文档编号F15B1/08GK102177349SQ200880131501
公开日2011年9月7日 申请日期2008年12月11日 优先权日2008年10月9日
发明者亚历山大·阿纳托利耶维奇·斯特罗加诺夫, 列昂尼德·奥烈格维奇·摄新 申请人:亚历山大·阿纳托利耶维奇·斯特罗加诺夫, 列昂尼德·奥烈格维奇·摄新