CN102345701B - 一种刚度和阻尼可调的车用油气弹簧 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种汽车悬架系统中的刚度和阻尼可调的油气弹簧，工作缸内腔中从上至下依次同轴设有浮动活塞、主活塞、活塞连杆和限位弹簧；浮动活塞、主活塞均与工作缸的内壁紧密配合，浮动活塞、主活塞与工作缸之间从上至下具有A腔、B腔和C腔，A腔内的上部是高压气体，下部是液压油，A腔上部通过进气孔及外部的气控阀与附加容积室上部的D腔相连；附加容积室具有上部的D腔和下部的E腔；D腔内是高压气体，E腔内的上部是高压气体，下部是与浮动活塞相接触的液压油，E腔底部通过液控阀连接工作缸的C腔；可实现阻尼和刚度的调节，提高了油气弹簧缓冲、减震和密封性能，增大了高度调节范围，改善了车辆的通过性能和行驶平顺性能。

Description

一种刚度和阻尼可调的车用油气弹簧

技术领域

本发明涉及汽车悬架系统领域，具体涉及在汽车悬架系统中作为弹性和阻尼元件的油气弹簧。 

背景技术

在汽车悬架系统中，油气弹簧是通过充入缸内的液压油来作为密封介质和传力介质，通过充入缸内的高压气体作为受力和工作介质，使液压油直接与高压气体接触，通过在密闭的缸内安装活塞和活塞杆直接承受外界激励。当弹簧受压缩时，活塞将作用力传给液压油，由于液压油的不可压缩性，压力使传给高压气体，由于气体的可压缩性，高压气体受力被压缩，在这个过程中高压气体把活塞传递过来的机械能转化为高压气体内能，当弹簧伸张时，气体内能就会转化成机械能推动活塞运动；整个过程中高压气体起到了弹簧的作用，弹簧可达到较低的刚度和固有频率，获得较好的车辆行驶平顺性。这种油气弹簧的缺陷是：1、油气弹簧的伸张高度只能随载荷变化而被动的调节，并且调节幅度较小；2、由于工作时缸内的高压气体是定量的，所以油气弹簧的刚度特性是固定的，不能实现刚度可控调节；3、有的油气弹簧中安装了阻尼阀，可提供一定的阻尼，但是这种阻尼也都是不可调节的。4、体积较大，结构复杂，适用范围较小。5、由于是高压油作为控制介质和传力介质，对密封性能的要求很高，在工作过程中经常出现油液泄露现象，污染环境。 

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种以空气为工作介质的汽车悬架系统的油气弹簧，能够控制伸张高度，实现刚度和阻尼的可调，且系统结构简化。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：具有一密封筒状的工作缸和一位于工作缸外部的附加容积室，工作缸内腔中从上至下依次同轴设有浮动活塞、主活塞、活塞连杆和限位弹簧；浮动活塞、主活塞均与工作缸的内壁紧密配合，浮动活塞和主活塞之间具有容腔且上下表面相接触；活塞连杆上套有限位弹簧且上端固接主活塞、下端伸出工作缸外；浮动活塞、主活塞与工作缸之间从上至下具有A腔、B腔和C腔， A腔内的上部是高压气体，下部是液压油，A腔上部通过进气孔及外部的气控阀与附加容积室上部的D腔相连；附加容积室具有上部的D腔和下部的E腔；D腔内是高压气体，E腔内的上部是高压气体，下部是与浮动活塞相接触的液压油，E腔底部通过液控阀连接工作缸的C腔。 

本发明的有益效果是：

1、通过充放气来调节车身高度，提高了油气弹簧缓冲、减震和密封性能，增大了高度调节范围，改善了车辆的通过性能和行驶平顺性能。 

2、增加了附加的气体容积以及气控阀，可进一步降低刚度，实现刚度的调节。

3、通过在设置流通面积可调的液控阀，可实现弹簧的阻尼可调。另外由于液压管路和调节阀的外置，有利于散热，维持系统的稳定性。

4、本发明的工作和控制介质是高压空气，油液在弹簧内同时起到润滑、密封、降温的作用，同时液压油压力较低所以密封性比较好。

5、本发明在工作缸内增加了一个浮动活塞，提高了缸内的密封性，增加了系统的稳定性。

6、相对于传统油气弹簧，本发明零部件较少，结构简单；通过管路连接，附加容积腔是和工作缸体分开的，有利于布置，适用范围较广泛。 

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2 是图1中工作缸4结构的剖视放大图；

图3 是本发明的工作原理图；

图4 是弹簧力-位移曲线图；

图中：1、液控阀；2、附加容积室；3、气控阀；4、工作缸；5、浮动活塞；6、主活塞；7、活塞连杆；8、限位弹簧；9、密封圈；10、下球形铰链接盘；11、连接螺栓；12、安装底座；13、密封圈；14、进气孔；15、螺孔。

具体实施方式

参见图1的本发明结构的总体图，本发明具有一个工作缸4，工作缸4的顶部通过管路和气控阀3连接附加容积室2的上部，实现工作缸4和附加容积室2二者之间的气体交换。工作缸4的下部通过管路和液控阀1连接附加容积室2的底部，实现工作缸4和附加容积室2二者之间的液压油的流动。附加容积2和工作缸4之间的安装位置可根据实际中安装条件进行布置。

参见图2所示的工作缸4的内部结构，工作缸4是一个密封的筒状，要承受外力激励以及内部高压气体和液压油的压力，一般可通过铸造获得。工作缸4的顶部四周加工有螺孔15，通过螺孔15和螺栓将工作缸4与车架相连接。工作缸4的顶部中间开有进气孔14，通过该进气孔14连接外部的气控阀3。工作缸4筒状内腔中从上至下依次与工作缸4同轴安装有浮动活塞5、主活塞6、活塞连杆7、限位弹簧8。浮动活塞5接触放置在主活塞6上，且浮动活塞5、主活塞6均和工作缸4的内壁紧密配合，在浮动活塞5、主活塞6和工作缸4之间均以密封圈13密封。浮动活塞5的下端是圆锥状，主活塞6的上端具有与浮动活塞5下端的圆锥状相镜像的圆锥状，两圆锥状的小端相接触，这样，使浮动活塞5和主活塞6之间具有容腔且上下表面相接触。工作缸4底部通过连接螺栓11与安装底座12固连在一起。限位弹簧8套在活塞连杆7上，并且限位弹簧8的上端支撑在主活塞6底面上，下端支撑在安装底座12，限位弹簧8可防止本发明装置受到过分拉伸时主活塞6撞击到下面的安装底座12。活塞连杆7的上端固定连接主活塞6，活塞连杆7的下端穿过安装底座12上的孔且垂直向下伸出工作缸4之外后连接下球形铰链接盘10，下球形铰链接盘10与车桥连接。在活塞连杆7和安装底座12之间安装密封圈9，保证活塞连杆7和安装底座12之间密封，使工作缸4与外部环境不相通。

参见图2和图3，浮动活塞5和主活塞6把工作缸4的内部分成三部分，分别为：A腔、B腔、C腔；A腔是浮动活塞5的上部分。A腔内的上部有高压气体，下部有液压油，A腔上部的高压气体通过进气孔14与外界的附加容积室2进行气体交互，A腔下部的液压油与浮动活塞5相接触，作密封和润滑用。B腔是浮动活塞5和主活塞6之间的容腔，内有液压油。C腔是主活塞6下面的容腔，有主活塞6、活塞连杆7和安装底座12围成的容积，C腔内部充满液压油。在C腔的侧壁上有开口，C腔的液压油通过侧壁上的开口连接外界液控阀1，与附加容积室2进行油液交换。本发明在工作状态时，在高压气体压力作用下，浮动活塞5和主活塞6二者是接触的，由于二者的接触，B腔中的液压油不承受外力，B腔中的液压油压力要小于A腔和C腔内液压油的压力，在限位弹簧8压缩和拉伸的过程中，A腔和C腔内液压油的压力大小波动较大，因此可视B腔为A腔和C腔内液压油的一个缓冲区。

本发明的气控阀3是一个流通面积调节阀，液控阀1由两部分组成，第一部分跟气控阀3相似，是流通面积调节阀，用来调节流通面积的，通过调节流通面积来调节流通阻尼的大小，进而实现弹簧的阻尼的可调，第二部分是一个单向阀，与第一部分相比其流通面积较大，只在液压油流向工作缸4时单向阀才打开，保证液压油能够顺利的流回工作缸4内。

参见图3，与工作缸4相连的附加容积室2分为上、下两容腔，上部的D腔和下部的E腔；D腔内存储有高压气体，在D腔侧壁上有开口，通过该开口和管路与气控阀3相连，在D腔顶部设置一个进气阀a，可通过进气阀a对高压气体进行补充。E腔内有高压气体和液压油，上部的高压气体使下部液压油具有一定的压力，E腔内的液压油作为存储之用。E腔的侧部设置与高压气体连通的流通阀b，E腔底部有开口，通过该开口和管路连接液控阀1，这样，E腔内的具有一定压力的液压油就可较容易的回流到工作缸4。

本发明工作时，在工作缸4内，A腔中的高压空气给浮动活塞5、主活塞6和活塞连杆7一个支撑力，支撑车体重量。当本发明装置受到外界激励时，悬架系统的下球形铰链接盘10会把激励传给活塞连杆7并向上推动主活塞6，使浮动活塞5上移，A腔和D腔的高压空气被进一步压缩（前提是A腔和D腔是连通的，如不连通，只有A腔中高压气体受压缩），此时是悬架的所受外界激励的机械能转换成高压气体的内能，当达到压缩上止点后，悬架在高压气体的作用下作气体的内能转化成机械能。

由于附加容积腔2的上部分是和工作缸4的上部连通的，因此可以通过附加容积腔2上部充入或者释放高压气体改变气体总量来实现弹簧的高度调节，即通过D腔上部的进气阀a由车载高压充放气系统对弹簧进行充放气，改变弹簧系统内的高压气体量进而改变弹簧的的高度，实现本发明的高度可调。

对于本发明的刚度的可调可根据图4中的弹簧力-位移曲线进行描述，其中横坐标X代表位移，纵坐标Y代表弹簧力。该弹簧力-位移曲线是在假设弹簧处在理想状态下，不考虑摩擦因素， D腔的容积是工作状态下且是工作缸4内A腔中高压气容积的2倍。曲线的斜率就是此时的弹簧刚度，图4中上面一条曲线是在气控阀3全关的状态下绘制的，图4中下面一条曲线是在气控阀3全开下时绘制的，假设此时A腔和D腔间的气体可实现无阻碍的交互，在图4中可以看出，对于其他任何一种阀的开度下，由于A腔和D腔之间的气体交互受到气控阀流通面积的影响，就可以获得一个处于这两种极限状态曲线之间的一条曲线，实现刚度的可调，以此通过调节气控阀3的流通面积就可以改变弹簧的刚度。

对于阻尼的可调可通过调节液控阀1中的第一部分来实现。具体过程如下，当弹簧受压时，悬架系统的下球形铰链接盘10会把激励传给活塞连杆7并向上推动主活塞6向上运动，C腔容积变大，在C腔的吸力和附加容积室2中E腔压缩空气的压力作用下，E腔中的液压油就会经液压油管流到液控阀1内，由于液控阀1中的第一部分流通面积较小，所以液控阀1中的第二部分单向阀就会打开，从而使液压油顺利地通过液控阀1流入C腔内。当弹簧拉伸时，C腔容积在主活塞6的运动下减小，液压油就会被压入液控阀1，此时液控阀1中的单向阀处于关闭状态，液压油只能流过液控阀1的第一部分，由于其流通面积较小，就会产生较大的阻尼，以此可通过调节其流通面积来改变阻尼大小。

下面对一个工作周期内弹簧的工作状态进行详细的描述：假设此时气控阀3和液控阀1的第一部分都是打开的，具有一定的流通面积。受到外界激励时，弹簧做压缩运动，与悬架系统的相连的下球形铰链接盘10会把激励传给活塞连杆7并向上推动主活塞6，使浮动活塞5上移，A腔内的高压气体被压缩，同时A腔内的一部分气体会通过气控阀3流入D腔内，D腔内的气压也升高。此过程中高压气体气压升高，机械能转化成内能。因主活塞6向上运动，C腔容积变大，在C腔的吸力和附加容积腔2中E腔压缩空气的压力作用下，E腔中的液压油就会经液压油和液控阀1流回工作缸4内。当弹簧达到上止点后停止压缩而后就开始做伸张运动。当弹簧伸张时，A腔中的高压气体推动活塞向下运动，同时D腔内部分气体流回A腔，高压气体压力降低，转化为活塞向下运动的机械能。高压由于气控阀的和D腔的高压空气被进一步压缩活塞连杆推动活塞上移，压缩高压气体，机械能转化成内能，附加容积2的E腔中的液压油回流到工作缸内；C腔容积在主活塞6的运动下减小，其内的液压油就会被压回E腔中，在其流经液控阀1时，就会产生阻尼，悬架系统运动的机械能就会转化为液压油的热能散发到外界，从而达到消减悬架的振动。弹簧达到下止点停止伸张，然后进入下一个工作周期。

Claims (6)

1.一种刚度和阻尼可调的车用油气弹簧，具有一密封筒状的工作缸（4）和一位于工作缸（4）外部的附加容积室（2），其特征是：工作缸（4）内腔中从上至下依次同轴设有浮动活塞（5）、主活塞（6）、活塞连杆（7）和限位弹簧（8）；浮动活塞（5）、主活塞（6）均与工作缸（4）的内壁紧密配合，浮动活塞（5）和主活塞（6）之间具有容腔且上下表面相接触；活塞连杆（7）上套有限位弹簧（8）且上端固接主活塞（6）、下端伸出工作缸（4）外；浮动活塞（5）、主活塞（6）与工作缸（4）之间从上至下具有A腔、B腔和C腔， A腔内的上部是高压气体，下部是液压油，A腔上部通过外部的气控阀（3）与附加容积室（2）上部的D腔相连；附加容积室（2）具有上部的D腔和下部的E腔；D腔内是高压气体，E腔内的上部是高压气体，下部是与主活塞（6）相接触的液压油，E腔底部通过液控阀（1）连接工作缸（4）的C腔。

2.根据权利要求1所述的一种刚度和阻尼可调的车用油气弹簧，其特征是：浮动活塞（5）的下端是圆锥状，主活塞（6）的上端具有与浮动活塞（5）下端的圆锥状相镜像的圆锥状，两所述圆锥状的小端相接触。

3.根据权利要求1所述的一种刚度和阻尼可调的车用油气弹簧，其特征是：工作缸（4）底部固连安装底座（12），限位弹簧（8）上端支撑于主活塞（6）底面上，下端支撑于安装底座（12）顶面上；活塞连杆（7）和安装底座（12）之间设有密封圈（9）。

4.根据权利要求1所述的一种刚度和阻尼可调的车用油气弹簧，其特征是：浮动活塞（5）、主活塞（6）和工作缸（4）之间均设有密封圈（13）。

5.根据权利要求1所述的一种刚度和阻尼可调的车用油气弹簧，其特征是：液控阀（1）由一个流通面积调节阀和一个单向阀组成，所述单向阀比所述流通面积调节阀的流通面积大，在液压油流向工作缸（4）时所述单向阀打开。

6.根据权利要求1所述的一种刚度和阻尼可调的车用油气弹簧，其特征是： 气控阀（3）是一个流通面积调节阀。

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