CN101949421B - 一种实现工作圈和支撑圈转换的变刚度弹簧 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现工作圈和支撑圈转换的变刚度弹簧，现有弹簧刚度变化小、安装和工作的紧凑型差、行程小，本发明的变刚度弹簧呈螺旋状，特点是在其轴线方向上位于中间部位的工作圈的刚度小于其余部位的工作圈的刚度以在弹簧两端承受一定压力时中间部位的工作圈轴向接触成为支撑圈而将弹簧分作两段。且弹簧工作圈的直径自中间部位向两端逐渐变小；位于两端部位的相邻两工作圈的直径至少相差两倍的弹簧钢丝的直径以便受压时这些工作圈不产生轴向接触而可以环绕在一起。由此实现变刚度、空间最小化及行程最大化的目标。

Description

一种实现工作圈和支撑圈转换的变刚度弹簧

技术领域

本发明涉及一种弹簧，具体是一种实现工作圈和支撑圈转换的变刚度弹簧，用于负载变化时改变刚度来适应负载的变化达到合理的支撑和缓冲作用。

背景技术

悬架弹簧在汽车悬架系统中作为重要零部件和安全件之一，其主要功能表现为支撑车身重量和减振作用。

日趋激烈的汽车行业竞争，各汽车主机厂不断提升车辆的乘坐舒适性和车辆的操控性能来占领汽车销售市场。汽车在追求优越性能的同时，对作为重要零部件之一的悬架弹簧无疑提出了更高的要求，传统的弹簧设计已经从功能和使用空间上无法满足高端市场中的需求。

然而，现有的弹簧存在以下缺陷：

1、刚度无变化，难以适应车辆在行驶过程当中随着路况不断变化和车载负重，最大限度的提升车辆舒适性、改善车辆在急速转弯、刹车时稳定的操控性能。

2、安装和工作的紧凑型差，难以满足车身与悬架系统之间不断降低的高度和弹簧周边零部件的紧凑型设计。

3、行程小，车身与悬架系统之间高度不断降低的同时，难以保证有足够的行程来避免车辆在运动时发生坐底和抱死现象。

发明内容

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是克服现有弹簧刚度变化小、安装和工作的紧凑型差、行程小的缺陷，提供一种实现工作圈和支撑圈转换的变刚度弹簧。为此，本发明采用以下技术方案：

一种实现工作圈和支撑圈转换的变刚度弹簧，其呈螺旋状，其特征是在其轴线方向上位于中间部位的工作圈的刚度小于其余部位的工作圈的刚度以在弹簧两端承受一定压力时中间部位的工作圈轴向接触成为支撑圈而将弹簧分作两段。

作为优选技术措施，所述弹簧工作圈的直径自中间部位向两端逐渐变小。尤其是，位于两端部位的相邻两工作圈的直径至少相差两倍的弹簧钢丝的直径以便受压时这些工作圈不产生轴向接触而可以环绕在一起；用于轴向接触成为支撑圈的工作圈大于一圈。

作为优选技术措施，用于轴向接触成为支撑圈的工作圈上套有护套。尤其是所述的护套上具有位于弹簧工作圈内侧的狭缝；所述的护套上开设若干位于朝向相邻弹簧工作圈的通孔。

本发明的有益效果是：

1、变刚度——车辆在行驶过程当中随着路况不断变化和车载负重，最大限度的提升车辆舒适性、改善车辆在急速转弯、刹车时稳定的操控性能。

2、空间最小化——满足车身与悬架系统之间不断降低的高度和弹簧周边零部件的紧凑型设计。

3、行程最大化——车身与悬架系统之间高度不断降低的同时，保证有足够的行程来避免车辆在运动时发生坐底和抱死现象。

附图说明

图1是本发明变刚度弹簧的一种结构处于自由状态的示意图。

图2是图1所示的变刚度弹簧处于半载状态的示意图。

图3是图1所示的变刚度弹簧处于满载状态的示意图。

图4是图1的右视图。

图5是可套于图1所示变刚度弹簧上的护套的结构示意图。

图6是图5的A-A向剖视图。

图7是图5所示护套的立体图。

图中标号说明：1-变刚度弹簧，2-护套，3-狭缝，4-通孔，o-o-轴线方向，L-中间部位的工作圈，D-弹簧工作圈的直径，d-弹簧钢丝的直径。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明做进一步说明。

本发明的实现工作圈和支撑圈转换的变刚度弹簧1，如图1-4所示，其由弹簧钢丝制成螺旋状，特点是在弹簧的轴线方向o-o上位于中间部位的工作圈L的刚度小于其余部位的工作圈的刚度以在弹簧两端承受一定压力时中间部位的工作圈轴向接触成为支撑圈而将弹簧分作两段。

根据弹簧的刚度公式：

$F^{\′}=\frac{F}{f}=\frac{{\mathrm{Gd}}^4}{8D^{3}n}$

式中，

F-负荷；

f-变形量；

G-原材料切变模量；

d-弹簧钢丝直径；

D-弹簧中径；

n-工作圈。

当如图1所示弹簧处于自由状态以及如图2所示弹簧处于半载状态时，所有工作圈在均可产生弹性变形，此时可弹性变形的工作圈最多，因此，弹簧的刚度小；当如图3所示弹簧处于满载状态时，中间部位的工作圈L轴向接触成为支撑圈而将弹簧分作两段，且可弹性变形的工作圈减少，因此，弹簧的刚度增大。即该弹簧随着负荷的增加，使中间圈自动成为支撑圈，一个弹簧变为上下两个弹簧，实现了双簧功能，同时实现刚度变化，提高了车辆乘用的舒适性。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加的技术特征，虽然图1-4包含了以下所有附加技术特征中的大部分，是本发明的较佳实施例，但是本发明并不限于该情形，在实施本发明时根据具体作用将它们选用在上段所述的技术方案上：

弹簧工作圈的直径D自中间部位向两端逐渐变小，由此来实现弹簧的轴线方向o-o上位于中间部位的工作圈L的刚度小于其余部位的工作圈的刚度，且根据上述弹簧刚度公式，整个弹簧工作圈的刚度自中间部位至两端部位逐渐增大。尤其是，位于两端部位的相邻两工作圈的直径至少相差两倍的弹簧钢丝的直径d以便受压时这些工作圈不产生轴向接触而可以环绕在一起(参见图3、4)，增加弹簧的伸缩变形量；用于轴向接触成为支撑圈的工作圈大于一圈，以便形成工作圈时具有稳定的支撑作用。

用于轴向接触成为支撑圈的工作圈上套有护套2(如TPU护管，参见图5-7)，可在满载状态下避免干涉和异响，防止压缩时形成支撑圈的工作圈钢丝之间的碰撞而导致弹簧早期断裂，以及避免工作时噪音的增加，并且在车辆行驶时防止了砂石对弹簧主体部分表面的冲击。尤其是，护套2上具有位于弹簧工作圈内侧的狭缝3，护套2上开设若干位于朝向相邻弹簧工作圈的通孔4，以便弹簧伸缩变形时护套可以随着弹簧钢丝变形而与弹簧钢丝保持一致的变形，延长寿命。

本发明的变刚度弹簧，为了实现变刚度、空间最小化及行程最大化的目标，首先，从安装空间考虑，设计确定弹簧的整体结构为中凸型(即弹簧中间部位的外径较大并向两端逐渐变小)，这种结构确保了弹簧在车辆空载状态下与车身和车桥连接位置周边零部件(油路管道、钢体部件等)的不干涉；其次，为实现在无任何辅助弹簧性元件进行变刚度，通过利用在运动过程中随着簧上质量的不断变化，在一定荷重范围内弹簧自身工作圈转变为支撑圈从而实现刚度的自如变化；最后，在运动过程中为避免弹簧与车体部件的干涉，同时又能实现刚度的变化，最终通过弹簧中间部位的工作圈的刚度小于其余部位的工作圈的刚度既保证弹簧刚度的变化又防止了车辆在满载状态下运动时与车体其它部件的干涉。

本发明的变刚度弹簧，代替了普通弹簧通过辅助弹性元件实现变刚度的同时，最大程度的提供了整车设计的空间和轻量化设计，该产品是一款集成变刚度、轻量化、大行程为一体的多功能汽车悬架弹簧。

因此，车身重量增加或颠簸行驶时，弹簧随着荷重的变化，通过自动改变中圈支承圈数实现双簧功能进行刚度变化。

作为一个例子，本发明的变刚度弹簧，可以采用以下技术指标：

单根弹簧的刚度：R1＝18.5±1.0N/mm；

叠加成为双簧的刚度：R2＝28.0±2.0N/mm；

设计负荷：1957.0±79.0N；

工作行程：≥208mm；

疲劳寿命：20万次；

该技术指标的变刚度弹簧，在车辆中起着支撑和减振作用的同时，由于自身有着可以自动转变为双簧的功能，因此，车辆在平坦或者负重较轻的情况下行驶时，弹簧只是起着单根弹簧的功能及刚度为18.5N/mm范围内工作；当车辆行驶在颠簸的路面上或者超负荷工作时，弹簧受力一旦超过设计负荷1957N时，弹簧中间圈自动轴向接触帖合，这时转变为两个弹簧且叠加刚度为28.0N/mm来支撑车身重量和缓冲车辆的颠簸。

弹簧在任何工作环境下都能自如调整刚度，从而最大程度的提高车辆乘坐舒适性。另外，弹簧还有个特点就是工作行程超过208mm，一般后螺旋弹簧行程为100-180mm左右不等。足够大的工作行程使车辆在任何工作条件下都有足够的空间运动，避免了车辆坐底现象的发生。

Claims (3)

1.一种实现工作圈和支撑圈转换的变刚度弹簧（1），其呈螺旋状，其特征是在其轴线方向（o-o）上位于中间部位的工作圈（L）的刚度小于其余部位的工作圈的刚度以在弹簧两端承受一定压力时中间部位的工作圈轴向接触成为支撑圈而将弹簧分作两段，所述弹簧工作圈的直径（D）自中间部位向两端逐渐变小，用于轴向接触成为支撑圈的工作圈大于一圈，用于轴向接触成为支撑圈的工作圈上套有护套（2），所述的护套（2）上开设若干位于朝向相邻弹簧工作圈的通孔（4）。

2.根据权利要求1所述的一种实现工作圈和支撑圈转换的变刚度弹簧（1），其特征是位于两端部位的相邻两工作圈的直径至少相差两倍的弹簧钢丝的直径（d）以便受压时这些工作圈不产生轴向接触而可以环绕在一起。

3. 根据权利要求1所述的一种实现工作圈和支撑圈转换的变刚度弹簧（1），其特征是所述的护套（2）上具有位于弹簧工作圈内侧的狭缝（3）。

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