CN100344472C - 具有相对速度自传感功能的车辆悬架减振器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有相对速度自传感功能的车辆悬架减振器，由缸体及装在缸体内的液体、防尘罩、活塞头、活塞杆、活塞头上的励磁线圈、活塞杆里的感应线圈等部分组成，当给励磁线圈加载一中频的交变电压信号时，它产生的同频交变磁场将在减振器中形成一闭合磁回路，并使感应线圈产生一同频交变电压信号。当车辆振动时，引起感应线圈的磁链发生相应的线性变化，在该线圈的两端所感生的电压信号将是一个双边带调幅信号，其中的幅度调制信号反映车身与车桥之间的相对运动速度，由此实现对车身与车桥之间的相对运动速度的传感，使减振器不但具有阻尼吸振功能，而且还具有相对速度自传感功能，进一步实现车辆悬架系统的自适应阻尼减振。

Description

具有相对速度自传感功能的车辆悬架减振器

技术领域

本发明涉及一种车辆悬架减振器，尤其是针对阻尼力可控的半主动车辆悬架系统设计的一种具有相对速度自传感功能的减振器。

技术背景

车辆悬架是指车身和车桥之间的一切传力连接装置的总称。车辆的悬架系统直接决定了车辆的乘坐舒适性和操纵稳定性。近年来，为了提高悬架系统的性能，改善车辆的乘坐舒适性和操纵稳定性，人们研究并开发了多种半主动悬架系统。阻尼力可控的半主动车辆悬架系统主要由传感器、减振器、弹簧、电子控制装置、电控伺服阀、蓄能器(包括储液罐和氮气腔)等部分构成。在车辆行驶过程中，电子控制装置根据传感器检测到的车身状况和路面条件发出相应的控制命令通过改变电控伺服阀的工作状态实现减振器的阻尼力的相应控制和调节。在这个闭环的阻尼力控制系统中，一个重要的输入量就是减振器两端所连接的车身和车桥之间的相对运动速度。

在现有的阻尼力可控的半主动车辆悬架系统中，实现车身和车桥之间的相对运动速度传感的方式主要有两种：采用相对位置传感器方式和采用加速度传感器方式。采用相对位置传感器方式时一般在悬架系统中配置一个或多个相对位置传感器(与减振器并列安装)，传感器的一端连接到车身上，另一端连接到车桥上，当车辆振动时传感器将车身与车桥之间的相对位置变化转换成电信号，该信号通过微分电路即得到相对速度。采用加速度传感器方式时一般分别在车身和车桥的适当位置安装一个或多个加速度传感器，通过将相对应的两路加速度信号相减并经过后续的积分电路获得车身和车桥之间的相对运动速度。无论采用哪种传感方式，单独配置的传感器不仅增加了整个悬架系统的成本和结构复杂性，而且直接暴露于外部环境之中的传感器很容易受到外界环境(如机械碰撞、渗水渗油等)的干扰而损坏，从而影响悬架系统的整体可靠性及稳定性，缩短系统的使用寿命。

Thomas W.Nehl，Jeri A.Betts和Larry S.Mihalko等申请的名为“Vehicle SuspensionDamper with Relative Velocity Sensor Having Controlled Flux Path”(译名：具有受控磁路的相对速度传感器的车辆悬架阻尼器，美国专利，专利号：5251729，1993)的发明专利公开了一种集成相对速度传感器的新型车辆悬架减振器。在其公开的专利中，采用永磁铁产生的恒定磁场作为相对速度传感器的励磁磁场，并利用减振器的部分结构(包括防尘罩套)形成闭合工作磁回路。当这种减振器工作在实际环境中时，其工作磁回路很容易受到来自车身、路面及车辆周围的电磁干扰影响，使感应线圈两端感应产生的表征相对速度的电压信号发生畸变，导致相对速度传感的误差增大。同时，由于减振器的防尘罩套在缸体的外边，且防尘罩套与缸体之间的气隙设计为工作磁路的一个重要部分，只有气隙大小保持固定不变才能使感应线圈的感应电压信号与车身与车桥之间的相对运动速度成良好的线性比例关系，但是在实际车辆振动过程中很难保证该气隙的大小固定不变，从而导致相对速度测量的准确度和稳定性下降。另外，由于减振器的防尘罩套要作为相对速度传感器的闭合工作磁路的一部分，因此要采用导磁的金属材料，对于采用橡胶等其它形式防尘罩套的减振器则无法推广应用。这些不足和局限性使得Thomas等人的发明专利应用起来受到一定程度的限制。

发明内容

本发明公开了一种具有相对速度自传感功能的车辆悬架减振器，它在现有车辆悬架减振器的结构上集成了一个磁电式相对速度传感器，实现车身与车桥之间的相对运动速度的实时、准确检测，使车辆悬架减振器不但具有阻尼减振功能，而且还具有相对速度自传感功能，进一步实现车辆悬架系统的自适应阻尼减振目的。

本发明的目的由以下方案实现：

一种具有相对速度自传感功能的车辆悬架减振器，包括液压式单筒减振器中的缸体及装在缸体内的液体、活塞杆以及连接在其上的活塞头、上端盖、下端盖以及密封圈。缸体的上端盖外有防尘罩，用以保护活塞杆并防止外界杂质进入缸体。活塞头把缸体分为上下两个工作腔，液体通过活塞头的阻尼孔以及外部与减振器配合工作的阻尼阀在两工作腔之间来回流动。活塞杆外端和缸筒下端盖上有连接装置与车辆的车身或车桥连接。本发明在活塞头上绕制有一电磁线圈，作为相对速度传感器的励磁线圈，励磁线圈的引线连接外部励磁信号源，即中频载波信号源。同时，将活塞杆设计为中空管状结构，在活塞杆里面装有一个绕线杆，并在绕线杆上均匀绕制一电磁线圈，作为相对速度传感器的感应线圈，感应线圈的引线连接外部信号预处理电路，并在上述励磁线圈和感应线圈的外表面及其引线周围涂有绝缘胶层。本发明中减振器的活塞杆、缸筒的下端盖采用极低导磁材料，而活塞头、活塞杆里的绕线杆、缸体的缸筒和上端盖均采用高导磁材料。另外，缸筒与活塞头之间、上端盖与活塞杆之间采用间隙配合。

本发明所述的活塞头采用圆柱工字形结构，励磁线圈均匀绕制在工字形凹槽内，活塞头的上端有一个极低导磁率的压线盘，其上具有容励磁线圈的引线穿过的缺口，活塞头的下端通过极低导磁率的垫圈和锁紧螺母固定连接在活塞杆上。

本发明所述的具有相对速度自传感功能的车辆悬架减振器，当通过外部励磁信号源给励磁线圈加载一中频交变电压信号时，它产生的同频交变磁场将在活塞头、活塞杆中的绕线杆、缸体的上端盖、缸筒、缸筒与活塞之间和上端盖与活塞杆之间的气隙中形成一闭合磁回路，并使感应线圈产生一同频交变电压信号，励磁信号的幅度直接决定磁回路中磁通量的大小。当车辆振动时活塞头及活塞杆相对于缸体产生与振动频率相同的轴向相对运动，由于减振器的缸筒与活塞之间、上端盖与活塞杆之间采用间隙配合，使得它们之间的气隙基本保持不变。由于磁回路的绝大部分磁阻集中在该气隙上，在车辆振动时气隙基本不变使得磁回路中的磁阻基本保持不变，而磁阻基本保持不变又使得磁回路中的磁通量基本保持不变。减振器的活塞杆相对于缸体的这种或进或出的相对轴向运动使感应线圈在磁回路中的线圈匝数相应地增加或减少。由于磁回路中磁阻及磁通量基本保持不变，线圈匝数的变化将引起感应线圈的磁链随之发生变化，并使该线圈的两端所感生的电压信号成为一双边带调幅信号，其幅度调制信号与磁链的变化规律一致，而该调幅信号的载波信号则是感应线圈中原有的中频交变电压信号，该调幅信号作为感应线圈的电压输出信号由线圈的引线送出减振器，并送入到外部信号预处理电路进行放大、解调、滤波等信号预处理，得到与感应线圈磁链变化规律一致的幅度调制信号。该信号的变化规律与车身与车桥之间的相对运动速度呈一定的比例关系，信号的频率与该相对运动频率一致，信号的幅度与该相对运动幅度成一定线性关系。这样，使得由此构成的车辆悬架减振器能够实现对车身与车桥之间的相对运动速度的实时检测，使减振器具有相对速度自传感功能。

本发明的优点：

1.本发明简化了阻尼力可控的半主动车辆悬架系统的结构，可以降低系统成本。采用本发明所述的车辆悬架减振器可以构成各种阻尼力可控的半主动车辆悬架系统(如摩托车、汽车或火车等的悬架系统)，从而省去用于检测车身和车桥之间相对速度的各种相对位置传感器或加速度传感器，提高整个悬架系统结构的集成度，降低系统在设备、相应的安装及维护方面的成本。

2.本发明将相对速度传感器与减振器集成，抗外界电磁干扰能力强。在本发明中，相对速度传感器采用具有抗电磁干扰能力强的中频有源传感原理构成，即利用外部提供的中频电压信号源在励磁线圈上产生同频电磁场，并在减振器内部结构上形成一闭合的磁回路，在感应线圈中将感生得到一包含车身和车桥相对振动速度信息的同频电压输出信号，通过对载波信号的选频放大可以消除外界的各种频段的电磁干扰影响，使该传感器具有很强的抗外界电磁干扰能力。从而有效克服Thomas等人的专利中采用永磁体作为励磁磁场，使工作磁回路很容易受到外界电磁干扰而导致其防尘罩上的感应线圈输出信号发生畸变的现象，利于在实际应用中推广。

3.本发明中减振器集成的相对速度传感器的相对速度检测精度高。在本发明中，由于缸筒与活塞之间及缸体上端盖与活塞杆之间采用间隙配合，在车辆振动过程中该间隙能保持不变，使得工作磁回路中的气隙大小也相应地保持不变，从而使感应线圈上感生得到的相对速度电压信号与实际的车身和车桥之间的相对振动速度呈线性关系，保证速度传感精度。有效克服Thomas等人的专利中由于工作磁路气隙大小不能保持固定而出现的传感信号与实际相对振动速度的线性关系不稳定导致的传感精度下降问题。

4.本发明能够提高阻尼力可控的半主动车辆悬架系统的工作可靠性及稳定性。本发明使车辆悬架减振器自身具有相对速度传感功能，避免了相对速度传感器被直接暴露于车身和车桥之间的恶劣外部工作环境之中而受到的各种外界环境(如机械碰撞、渗水渗油等)干扰引起的传感器工作性能下降，从而提高相对速度传感的抗外界环境干扰能力，增强控制器的振动控制效果，在整体上保证并提高悬架系统的工作可靠性及稳定性，延长系统的使用寿命。

5.本发明中公开的减振器的防尘罩的结构和材料可以根据实际应用情况灵活选择配置，防尘罩的材料可以是橡胶或金属，从而克服Thomas等人的专利中将防尘罩作为工作磁路的一部分而必选且材料必须是金属导磁材料的应用局限。

附图说明

图1是本发明的一种实施例结构示意图的局部剖面图。

图2是图1的局部放大图。

图3是当给图1实施例的励磁线圈两端加载一中频(1KHz～40KHz)交变电压信号时相对速度自传感器的主磁通在某一时刻在减振器内部形成工作磁回路示意图。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的具体结构：

参照图1、图2，本车辆悬架减振器主要包括缸体15及装在缸体内的液体35、活塞杆7、活塞头18、防尘罩6、活塞上的励磁线圈25、活塞杆里的感应线圈10等部分。减振器的缸体主要由高导磁率的缸筒16和上端盖14及极低导磁率的下端盖33构成，下端盖33上设有连接装置34，用于连接车身或车桥。减振器的活塞杆7由低导磁率材料加工形成，活塞杆外端设有吊环连接装置1用于连接车身或车桥。活塞杆7为中空管状结构，装有一个高导磁实心绕线杆11，在绕线杆的两端设有绝缘胶封36、37。绕线杆11上均匀绕制一电磁线圈，作为相对速度传感器的感应线圈10，感应线圈的引线5通过活塞杆的中空管状结构部分8连接外部信号预处理电路4。减振器的活塞头18套在活塞杆7的内端一侧，并通过极低导磁率的垫圈29和锁紧螺母30固定连接在活塞杆上。减振器的活塞头18呈圆柱工字形结构，形成有圆柱凸形台阶27，具有高导磁率的活塞头18在靠近活塞杆外径较小一端依次装有极低导磁率的压线盘23、圆柱凸形台阶27、垫圈29和锁紧螺母30。圆柱工字形结构的活塞头的凹槽内均匀绕制一电磁线圈，作为本发明中的相对速度传感器的励磁线圈25，励磁线圈的引线2通过压线盘23上的缺口21、线槽沟20、活塞杆上的一个小孔19和活塞杆的中空管状结构部分8连接外部励磁信号源3。在感应线圈10和励磁线圈25的外表面及其引线周围都涂有绝缘胶层9，24。活塞头把缸体15分为上工作腔17和下工作腔31两个部分，上下两个工作腔都盛装有液体35，缸体下端的侧壁设有用于连接外部电控阻尼阀的连接孔32，并在活塞头上设有节流孔22。为了确保减振器的密封性，在活塞、活塞杆、缸体及缸筒的连接处均采用O型密封圈13，26。车辆振动时，车辆的车身和车桥发生相对运动使得减振器的活塞与活塞杆相对于缸体产生同频的相对轴向运动，轴向运动的活塞通过活塞头上的节流孔22、缸体侧壁的连接孔32及与连接孔32相连的外部电控阻尼阀(图中未给出)使液体在缸体的上工作腔17和下工作腔31及图中未给出的蓄能器(包括储液罐和氮气腔)之间来回流动，活塞头上的多个节流孔22及电控阻尼阀实现阻尼减振。外部的电子控制装置(图中未给出)根据本发明给出的与现有减振器结构集成的相对速度自传感器所检测到的活塞杆7、活塞头18与缸体7之间的相对轴向运动速度，实时调节与连接孔32相连的电控阻尼阀的开闭程度控制液体的流量，实现悬架系统阻尼力的半主动自适应控制。其中，减振器本身的具体结构、阻尼力的具体调节装置和电子控制装置等内容可以在现有的阻尼力可控的半主动车辆悬架系统(如摩托车、汽车、火车等)的相关技术资料中获得，这些内容与本减振器配合使用，故没有给出相关的附图及其详细的阐述。同时依照本发明所阐述的内容，在现有这类悬架系统的减振器结构基础之上可以很容易地实现本发明。

参照图3，本实施例中当励磁信号源的电路导通、励磁线圈两端加载一中频(1KHz～40KHz)交变电压信号时，它产生的同频交变磁场将在活塞头的凸形台阶27、活塞杆里的绕线杆11、活塞杆与缸体的上端盖14之间的气隙12、缸体的上端盖14、缸筒16、缸筒与活塞的凸形台阶之间的气隙28形成闭合磁回路38。励磁线圈所产生的磁场的绝大部分磁通量通过该磁路，形成该磁场的主磁通，并使感应线圈产生一同频交变电压信号，励磁信号的幅度直接决定磁回路中磁通量的大小。在气隙12、28、活塞杆7、活塞头18以及缸体15等部位也同时存在极少量的漏磁通，由于该漏磁通与磁回路的主磁通相比很小，故忽略不计。

本减振器的工作原理如下：

当车辆振动时，活塞杆7、活塞头18相对于缸体15产生与振动频率相同的轴向相对运动，减振器的缸筒16与活塞头18之间、上端盖14与活塞杆7之间采用间隙配合，使得它们之间的气隙12、28基本保持不变。由于磁回路的绝大部分磁阻集中在这些气隙上，在车辆振动时气隙基本不变使得磁回路中的磁阻基本保持不变，而磁阻的基本保持不变又使得磁回路中的磁通量基本保持不变。在减振器的活塞做拉伸过程中，活塞杆逐渐伸出缸体，使得活塞杆里面的感应线圈10在磁回路中的线圈匝数相应地减少，由于磁回路中磁阻及磁通量的基本保持不变，感应线圈在磁场中匝数的减少将引起其磁链也随之减小，由于电磁感应效应，使得感应线圈中原有的中频交变电压信号的幅度也开始随之逐渐降低；同样，在减振器的活塞做压缩过程中，活塞杆里面的感应线圈10在磁回路中的线圈匝数相应地增加，磁回路中磁阻及磁通量同样保持不变，这样感应线圈的磁链也随之增加，使得感应线圈中原有1KHz～40KHz的中频交变电压信号的幅度又开始随之升高；同时由于活塞杆伸出或进入缸体的速度远小于中频载波信号的频率，故感应线圈上的感应电压信号将变为一双边带调幅信号，该调幅信号的幅度调制信号与磁链的变化规律一致，而该调幅信号的载波信号则是原有1KHz～40KHz的中频交变电压信号。该调幅信号通过感应线圈的引线送出减振器，经过外部的信号选频放大、解调、滤波等预处理电路后得到与感应线圈磁链变化规律一致的幅度调制信号。这样，电子控制装置通过分析该电压输出信号就能实时、精确地得到车身与车桥之间的相对运动速度，使现有的车辆悬架减振器，尤其是阻尼力可控的半主动车辆悬架系统的减振器不但具有阻尼减振功能，还具有车身与车桥之间的相对速度自传感功能，进一步实现车辆悬架的自适应阻尼减振。

Claims (4)

1.一种具有相对速度自传感功能的车辆悬架减振器，包括缸体及装在缸体内的液体、活塞杆以及连接在其上的活塞头、上端盖、下端盖以及密封圈，缸体的上端盖外有防尘罩，活塞头把缸体分为上下两个工作腔，液体通过活塞头上的阻尼孔以及与减振器连接的阻尼阀在两工作腔之间来回流动，活塞杆外端和缸体下端盖上有连接装置与车辆的车身或车桥连接；其特征在于：所述的活塞头上绕制一电磁线圈，作为相对速度传感器的励磁线圈，励磁线圈的引线连接外部励磁信号源；活塞杆采用中空管状结构，里面装有一个绕线杆，并在绕线杆上均匀绕制一电磁线圈，作为相对速度传感器的感应线圈，感应线圈的引线连接外部信号预处理电路；在励磁线圈和感应线圈的外表面及其引线周围均涂有绝缘胶层；减振器的活塞杆、缸体下端盖采用极低导磁材料，而活塞头、活塞杆里的绕线杆、缸筒和上端盖均采用高导磁材料；缸筒与活塞头之间、上端盖与活塞杆之间采用间隙配合。

2.根据权利要求1所述的具有相对速度自传感功能的车辆悬架减振器，其特征在于：所述的活塞头采用圆柱工字形结构，励磁线圈均匀绕制在工字形凹槽内，活塞头的上端有一个极低导磁率的压线盘，其上具有容励磁线圈的引线通过的缺口，活塞头的下端通过极低导磁率的垫圈和锁紧螺母固定连接在活塞杆上。

3.根据权利要求1或2所述的具有相对速度自传感功能的车辆悬架减振器，其特征在于：给励磁线圈加载一中频的交变电压信号，作为相对速度传感器的载波信号。

4.根据权利要求1或2所述的具有相对速度自传感功能的车辆悬架减振器，其特征在于：绕线杆两端设有绝缘胶封。

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