CN101954846A - 杠杆式惯性质量蓄能悬架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种杠杆式惯性质量蓄能悬架，涉及车辆悬架技术领域，包括车轮隔振体(5)、等臂杠杆(6)和车身隔振体(7)，车轮隔振体(5)由弹簧A(8)和阻尼器A(9)并联组成，车身隔振体(7)由弹簧B(12)、阻尼器B(13)和惯性质量蓄能器(14)并联组成。本发明既大大改善车辆的乘坐舒适性，又提高了行驶安全性，使悬架的整体性能得到了大幅度的提升。本发明结构紧凑，高度低，易于布置，不需要复杂的控制器、控制策略和电子元器件，不需要能量输入，成本低，可靠性高。

Description

杠杆式惯性质量蓄能悬架

技术领域

本发明涉及车辆悬架技术领域，特指采用了杠杆和惯性质量蓄能器的车辆悬架。

背景技术

悬架的功能主要是保证良好的乘坐舒适和稳定的轮胎载荷，除此之外，悬架在执行该功能的同时，还必须将悬架行程控制在允许的范围内。传统被动悬架由弹簧和阻尼器组成，一方面，采用软的弹簧可获得较好的乘坐舒适性，而另一方面，高的乘坐舒适性却总是以牺牲悬架工作空间为代价，同时也会对行驶安全性产生不良影响，这一矛盾是悬架设计者所面临的一个难题。

中国专利200810123830.8公开了一种应用惯性蓄能器的车辆悬架，包括由惯性质量蓄能器和阻尼器组成的并联体，以及由弹簧和阻尼器组成的并联体，两个并联体串联形成两级隔振式车辆悬架，理论上，这种悬架能有效缓解乘坐舒适性与行驶安全性之间的矛盾，然而在实际应用过程中，惯性质量蓄能器和阻尼器的并联体，在车身重力的作用下很容易因被“击穿”而失效，失效后的悬架与传统被动悬架的性能并无区别，因此必须解决惯性质量蓄能器和阻尼器的并联体因“击穿”而失效的问题，该悬架才有实用价值。

德国专利DE000019958178C1公开的一种车辆悬架，采用弹簧和质量块以吸振子的形式来吸收车身振动能量，但采用这种形式吸收车身振动能量需要较重的质量块，大大增加了悬架部分的重量，相当于增加了簧下质量的重量，势必会造成轮胎动载荷的增加，恶化车辆的行驶安全性，此外，由于该悬架采用了两级串联的形式使得悬架过高，布置比较困难。

近年来发展起来的主动和半主动悬架虽然能有效地缓解乘坐舒适性与行驶安全性的矛盾，但主动悬架由于结构复杂、可靠性差、响应慢、能耗高、成本高，大规模应用仍有困难；半主动悬架虽然能耗低，但时滞问题的存在限制了其性能的发挥。惯性质量蓄能器的引入，使得被动悬架性能的改善具有了更大的潜力，而低碳、环保、节约能源的科技发展趋势，使得被动悬架重新回到了人们的视野，对被动悬架的研究又重新受到重视。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服惯性质量蓄能器在车身重力作用下容易被“击穿”的技术缺点，解决两级串联悬架过高、难布置的技术问题，提供一种能够协调乘坐舒适性与行驶安全性之间矛盾的车辆悬架。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：将弹簧A和阻尼器A并联组连接成车轮隔振体，将弹簧B、阻尼器B和惯性质量蓄能器并联连接组成车身隔振体，再将车轮隔振体和车身隔振体铰接于支点在中间的等臂杠杆的两端就构成了杠杆式惯性质量蓄能悬架，通过等臂杠杆改变悬架作用力的方向，将两级串联式悬架“对折”，以降低悬架高度，通过车身隔振体来抑制车身垂直加速度的低频(车身固有频率)峰值，通过车轮隔振体来抑制轮胎动载荷的高频(车轮固有频率)峰值，从而达到协调乘坐舒适性与行驶安全性之间矛盾的目的。

本发明的具体方案为，包括车轮隔振体、等臂杠杆和车身隔振体。

车轮隔振体包括弹簧A和阻尼器A，弹簧A为螺旋压缩弹簧，阻尼器A为筒式液压阻尼器，弹簧A和阻尼器A并联连接组成车轮隔振体，车轮隔振体上端与等臂杠杆铰接，下端与簧下质量铰接。

车身隔振体包括弹簧B、阻尼器B和惯性质量蓄能器，弹簧B为螺旋压缩弹簧，阻尼器B为筒式液压阻尼器，惯性质量蓄能器为滚珠丝杠惯性质量蓄能器，弹簧B、阻尼器B和惯性质量蓄能器并联连接组成车身隔振体，车身隔振体上端与等臂杠杆铰接，下端与簧上质量铰接。

惯性质量蓄能器包括吊耳A、行程室、螺母、丝杠、橡胶防尘罩、丝杠支撑座、飞轮、飞轮室和吊耳B。丝杠包括光杆部分和螺纹滚道部分；飞轮固定于丝杠的光杆部分，丝杠的轴线是飞轮的旋转轴；丝杠支撑座内安装有轴承，轴承外圈与丝杠支撑座的内孔配合，轴承内圈与丝杠靠近滚道一侧的光杆部分配合，以保证丝杠相对于丝杠支撑座旋转时，丝杠支撑座对丝杠在轴向和径向上的位置保持不变；螺母同丝杠上的螺纹滚道相啮合；行程室为一端开口一端封闭的长筒状，开口端固套在螺母的外圆上，以保证行程室与螺母同轴，封闭端与吊耳A的螺杆部分相连；飞轮室也为一端开口一端封闭的长筒状，开口端固套在丝杠支撑座的外圆上，以保证飞轮室与丝杠支撑座同轴，封闭端与吊耳B的螺杆部分相连；橡胶防尘罩为风琴式防尘罩，一端套装于行程室外筒，另一端套装于飞轮室外筒；吊耳A和吊耳B的螺杆部分，分别与行程室和飞轮室封闭端中心孔上的螺纹相旋合，以保证两吊耳中心点在丝杠轴线上。

等臂杠杆包括摇臂和摇臂支撑，摇臂为顶角大于120°的等腰三角形钢板，顶角顶点为支点与摇臂支撑铰接，摇臂支撑与簧上质量固定连接，两底角顶点分别与车轮隔振体和车身隔振体的上端铰接。

本发明的有益效果是，可使车身垂直加速度的低频峰值数值减小2～3倍，悬架动行程的低频峰值数值减小30％，轮胎动载荷的高频峰值数值减小20％，大大改善乘坐舒适性，有效协调了乘坐舒适性与行驶安全性之间矛盾；克服了惯性质量蓄能器在车身重力作用下容易被“击穿”的技术缺点；悬架结构紧凑，高度低，易于布置；不需要复杂的控制器、控制策略和电子元器件，不需要能量输入，成本低，可靠性高。

附图说明

图1为车辆模型示意图；

图2为杠杆式惯性质量蓄能悬架基本结构示意图；

图3为杠杆式惯性质量蓄能悬架结构示意图；

图4为滚珠丝杠惯性质量蓄能器外形图；

图5为滚珠丝杠惯性质量蓄能器结构分解图。

图中，1-簧上质量 2-杠杆式惯性质量蓄能悬架 3-簧下质量 4-轮胎等效弹簧 5-车轮隔振体 6-等臂杠杆 7-车身隔振体 8-弹簧A 9-阻尼器A 10-摇臂 11-摇臂支撑 12-弹簧B 13-阻尼器B 14-惯性质量蓄能器 15-吊耳A 16-行程室 17-螺母 18-丝杠 19-橡胶防尘罩 20-丝杠支撑座 21-飞轮 22-飞轮室 23-吊耳B

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明包括车轮隔振体5、等臂杠杆6和车身隔振体7。

车轮隔振体5包括弹簧A8和阻尼器A9，弹簧A8为螺旋压缩弹簧，阻尼器A9为筒式液压阻尼器，弹簧A8和阻尼器A9并联连接组成车轮隔振体，车轮隔振体5上端与等臂杠杆6铰接，下端与簧下质量3铰接。

车身隔振体7包括弹簧B12、阻尼器B13和惯性质量蓄能器14，弹簧B12为螺旋压缩弹簧，阻尼器B13为筒式液压阻尼器，惯性质量蓄能器14为滚珠丝杠惯性质量蓄能器，弹簧B12、阻尼器B13和惯性质量蓄能器14并联连接组成车身隔振体，车身隔振体7上端与等臂杠杆6铰接，下端与簧上质量1铰接。

惯性质量蓄能器14包括吊耳A15、行程室16、螺母17、丝杠18、橡胶防尘罩19、丝杠支撑座20、飞轮21、飞轮室22和吊耳B23。丝杠18包括光杆部分和螺纹滚道部分；飞轮21固定于丝杠18的光杆部分，丝杠18的轴线是飞轮21的旋转轴；丝杠支撑座20内安装有轴承，轴承外圈与丝杠支撑座20的内孔配合，轴承内圈与丝杠18靠近滚道一侧的光杆部分配合，以保证丝杠18相对于丝杠支撑座20旋转时，丝杠支撑座20对丝杠18在轴向和径向上的位置保持不变；螺母17同丝杠18上的螺纹滚道相啮合；行程室16为一端开口一端封闭的长筒状，开口端固套在螺母17的外圆上，以保证行程室16与螺母17同轴，封闭端与吊耳A15的螺杆部分相连；飞轮室22也为一端开口一端封闭的长筒状，开口端固套在丝杠支撑座20的外圆上，以保证飞轮室22与丝杠支撑座20同轴，封闭端与吊耳B23的螺杆部分相连；橡胶防尘罩19为风琴式防尘罩，一端套装于行程室16外筒，另一端套装于飞轮室22外筒；吊耳A15和吊耳B23的螺杆部分，分别与行程室16和飞轮室22封闭端中心孔上的螺纹相旋合，以保证两吊耳中心点在丝杠18轴线上。

等臂杠杆6包括摇臂10和摇臂支撑11，摇臂10为顶角大于120°的等腰三角形钢板，顶角顶点为支点与摇臂支撑11铰接，摇臂支撑11与簧上质量1固定连接，两底角顶点分别与车轮隔振体5和车身隔振体7的上端铰接。

下面结合附图对本发明具体实施过程作进一步说明。

如图1、2和3所示，由路面不平引起的激振力经轮胎等效弹簧4传递至簧下质量3，由簧下质量3经过车轮隔振体5至等臂杠杆6时被衰减，经等臂杠杆6时大小不变只改变了方向，经车身隔振体7时再一次被衰减，然后传递到簧上质量1。

如图4和5所示，惯性质量蓄能器14，在工作过程中以吊耳A15和吊耳B23为输入端点，当等大反向的力f施加在两个端点上时，吊耳A15相对于吊耳B23做直线运动，由螺母17和丝杠18将直线运动转化丝杠的旋转运动，进而驱动飞轮19做旋转运动，从而将力f对惯性质量蓄能器14所做的正功以动能的形式储存起来，做负功时释放出来。

惯性质量蓄能器的动力学方程为f＝b·a，其中f、a和b分别表示施加在两端点上的力、两端点的相对加速度和惯性质量系数，惯性质量系数可由丝杠18的螺距以及飞轮21的转动惯量计算出。设丝杠18的螺距P，飞轮21的转动惯量I。由牛顿第二定律可导出下面的关系式：

$b=I\·{\left(\frac{2\mathrm{\π}}{P}\right)}^2$

根据上式，改变丝杠的螺距和飞轮的转动惯量便可得到具有合适惯性质量系数的惯性质量蓄能器。

对传统被动悬架而言，采用软弹簧能够抑制车身加速度的低频峰值，改善车辆的乘坐舒适性，然而却使得轮胎动载荷的高频峰值明显增大，恶化了车辆的行驶安全性，而采用硬弹簧能够抑制轮胎动载荷的高频峰值，改善车辆的行驶安全性，然而却使得车身加速度的低频峰值明显增大，恶化了车辆的乘坐舒适性，因此由弹簧和阻尼器并联组成的传统被动悬架难以兼顾车辆的乘坐舒适性和行驶安全性。本发明采用车身隔振体与车轮隔体两级串联的形式，用车身隔振体抑制车身加速度的低频峰值，同时也抑制了悬架动行程和轮胎动载荷的低频峰值，用车轮隔振体抑制轮胎动载荷的高频峰值，因此本发明有效协调了车辆的乘坐舒适性与行驶安全性之间的矛盾，既大大改善车辆的乘坐舒适性，又提高了行驶安全性，使悬架的整体性能得到了大幅度的提升。

本发明利用等臂杠杆只改变力的方向不改变大小的原理，将两级串联式悬架“对折”，降低了悬架高度，使悬架结构紧凑，易于布置；车身隔振体采用弹簧、阻尼器和惯性质量蓄能器并联的形式，以弹簧来平衡车身重力，使阻尼器和惯性质量蓄能器在平衡位置附近工作，克服了惯性质量蓄能器在车身重力作用下容易被“击穿”的技术缺点。

Claims (3)

1.一种杠杆式惯性质量蓄能悬架，其特征在于，包括车轮隔振体(5)、等臂杠杆(6)和车身隔振体(7)，所述车轮隔振体(5)由弹簧A(8)和阻尼器A(9)并联组成，所述车身隔振体(7)由弹簧B(12)、阻尼器B(13)和惯性质量蓄能器(14)并联组成，所述等臂杠杆(6)包括摇臂(10)和摇臂支撑(11)，所述车轮隔振体(5)和车身隔振体(7)的上端分别与支点在中间的摇臂(10)的两端铰接，所述车轮隔振体(5)的下端与簧下质量(3)铰接，所述车身隔振体(7)的下端与簧上质量(1)铰接，所述摇臂(10)的支点与摇臂支撑(11)铰接，摇臂支撑(11)与簧上质量(1)固定连接。

2.根据权利要求1所述的杠杆式惯性质量蓄能悬架，其特征在于，所述弹簧A(8)和弹簧B(12)为螺旋压缩弹簧，所述阻尼器A(9)和阻尼器B(13)为筒式液压阻尼器，所述惯性质量蓄能器(14)为滚珠丝杠惯性质量蓄能器。

3.根据权利要求1所述的杠杆式惯性质量蓄能悬架，其特征在于，所述摇臂(10)为顶角大于120°的等腰三角形钢板，顶角顶点为支点与摇臂支撑(11)铰接，两底角顶点分别与车轮隔振体(5)和车身隔振体(7)的上端铰接。

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