CN102910045A - 一种整体式滚珠花键副直线平移式悬架 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种整体式滚珠花键副直线平移式悬架，包括转向节、车身、以及上下两组整体式滚珠花键副导向杆机构，即上侧第一条悬架支链、上侧第二条悬架支链和下侧第一条悬架支链、下侧第二条悬架支链，所述的上下两组整体式滚珠花键副导向杆机构两端分别与转向节和车身铰接；转向节通过轮毂单元固定轴与车轮装配，并设有内设制动卡钳连接孔、的弹簧减振器总成和内设弹簧减振器连接孔、的制动卡钳总成的固定支座；本发明提供的整体式滚珠花键副多连杆直线平移式悬架的支链结构更加紧凑实用，轴向伸缩时因钢珠的滚动而摩擦很小，并且滚珠花键副磨损后可以方便的更换，提高了悬架支链的工作寿命。

Description

一种整体式滚珠花键副直线平移式悬架

技术领域

本发明涉及汽车悬架系统，特别涉及空间多连杆独立悬架系统，属于汽车工程领域；具体来说，为一种整体式滚珠花键副直线平移式悬架。

背景技术

悬架是保证车轮或者车桥与汽车承载系统（车架或者承载式车身）之间具有弹性联系并能够传递载荷、缓和冲击、衰减振动以及调节汽车在行驶过程中车身位置等有关装置的总称。一般悬架主要由弹性元件、减震装置和导向机构三部分组成。在有些情况下，某一零部件兼起两种或者三种作用，比如钢板弹簧兼起弹性元件和导向机构的作用。其中导向机构的功能是确保车轮与车身或车架之间所有的力和力矩可靠传递，并决定车轮相对于车身或车架的位移特性。导向机构决定了车轮跳动时的运动轨迹和车轮定位参数的变化情况，以及汽车前后侧倾中心和纵倾中心的位置，在很大程度上影响了整车的操纵稳定性和抗纵倾能力。

根据导向机构的特点，汽车悬架主要可以分为非独立悬架和独立悬架两大类。非独立悬架的典型特征在于左右车轮之间由一刚性梁或者非断开式的车桥联接，当单边车轮跳动时，直接影响到另一侧车轮。独立悬架左右车轮各自“独立”地与车身或车架相连或构成断开式车桥。此外，还有一种特点介于非独立悬架与独立悬架之间的半独立悬架。非独立悬架缺点明显，比如左右车轮跳动互相影响、非悬挂质量较大等，已经不能够满足当今汽车行驶平顺性和操纵稳定性方面的要求，因此独立悬架得到了很大的发展。

独立悬架的结构特点是两侧的车轮单独地通过弹性悬架与车身或车架联接，车桥做成断开式。因此，独立悬架有以下优点：①在悬架弹性元件一定的变形范围内，两侧车轮可以独立运动，而互不影响，这样在不平道路上行驶时可以减少车架和车身的振动，而且有助于消除转向轮不断偏摆的不良现象，提升了汽车直线行驶能力，保证了良好的操纵稳定性。②减少了汽车非簧载质量。在非独立悬架情况下，整个车桥和车轮都属于非簧载质量部分。在独立悬架情况下，对驱动桥而言，由于主减速器，差速器及其外壳都固定在车架上，成了簧载质量；对转向桥而言，它仅具有转向主销和转向节，而中部的整体梁不再存在。所以采用独立悬架时，非簧载质量包括车轮质量和悬架系统中的一部分零件的全部或部分质量，显然比用非独立悬架时非簧载质量要小得多。在道路条件和车速相同时非簧载质量愈小，则悬架所受到的冲击载荷愈小，故采用独立悬架可以提高汽车行驶平顺性和轮胎的接地性能。③采用断开式车桥时，发动机总成的位置便可以降低和前移使汽车重心下降，提高了汽车行驶稳定性。同时给予车轮较大的上下运动空间，因而可以将悬架刚度设计得较小，使车身振动频率降低，以改善行驶平顺性。④易于实现驱动轮转向。以上优点使独立悬架被广泛地应用在现代汽车上，特别是轿车的转向轮都普遍采用了独立悬架，为了提高行驶安全性，越来越多的高级轿车的后悬也采用了独立悬架。

目前，在汽车上应用最广泛的独立悬架主要有：双横臂独立悬架、麦弗逊式独立悬架和多连杆独立悬架。双横臂独立悬架的突出优点是设计灵活，但是采用该悬架的汽车车轮跳动时车轮定位参数和轮距变化较大，降低了汽车直线行驶能力，导致操纵稳定性较差，同时轮胎磨损严重。麦弗逊式悬架的优点是结构简单，节省空间，且车轮跳动过程中其轮距、前束及车轮外倾等定位参数变化不大，减轻了轮胎磨损，也使得汽车具有较好的操纵稳定性，但是其可设计性较差，而且减震器的活塞杆与导向套之间存在摩擦力，使得悬架的动刚度增加，弹性特性变差，尤其在小位移时这一影响更加显著。多连杆独立悬架的优点主要是能够保证车轮跳动时车轮定位参数变化很小，但是其设计灵活性差，对连杆结构参数非常敏感，加工制造精度要求高，装配调整困难，目前主要应用在中高档轿车。

目前常规的独立悬架虽然在功能上都能够满足悬架设计要求，但是当车轮跳动时，车轮定位参数均会变化。在实际应用中，车轮定位参数的较大变化会对汽车操纵稳定性或者其他方面性能产生不利影响，比如轮距的变化会导致汽车直线行驶能力下降，同时还造成滚动阻力增大和对转向系统的影响；车轮外倾角的变化会导致轮胎的异常磨损。

如何能够保证车轮跳动时，其定位参数不会发生变化是独立悬架结构创新设计中的一个重点和难点。万向集团和清华大学曾联合提出三种能够用于汽车悬架的直线导引机构，参见【1.赵景山，王建宜.空间多连杆叉车举升导引机构[P].中国专利：200910085582.7，2009-11-4.】、【2.资小林,赵景山,张杰,刘向.一种带有3-RRR伸缩补偿机构的多连杆直线导引独立悬架[P].中国专利：CN201110215816.2，2012-02-22.】、【3.张杰,赵景山,资小林,王建宜.一种弹性多连杆直线导引独立悬架[P].中国专利：CN201110218599.2，2012-02-22.】。上述专利【1】中悬架支链为RPR运动链，具有较好的各向刚度，但RPR运动链由于存在移动副而导致移动副处滑动摩擦较大，不适合用作悬架导引机构；【2】中悬架支链均为RRR运动链，其沿垂直于RRR运动链所确定的平面的方向刚度较差，并且铰链运动副很多；【3】中悬架的支链均为弹性多连杆，其导向机构沿着车轮纵向的刚度较差，导向机构上下跳动到极限位置时，弹性杆可能产生运动突变；并且对于导向杆复合材料的弹性、强度和韧性都有很高的要求。因此上述3种悬架导向杆的实用性不强，需要持续加以改进。

发明内容

本发明的目的在于克服上述存在的不足，而提供一种整体式滚珠花键副直线平移式悬架，可以实现车轮的外倾角、主销内倾角和后倾角、左右轮距、车轮前束（后束）以及前后轴距在车轮上下跳动过程中能够基本保持不变，从而提高汽车的操纵稳定性、行驶平顺性以及乘坐的舒适性，并能够有效降低轮胎的磨损；同时，在具有较强的可实施性的前提下，能够保证该悬架机构具有较大各向刚度，尽可能减小受载变形。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，它包括转向节、车身、以及上下两组整体式滚珠花键副导向杆机构，即上侧第一条悬架支链、上侧第二条悬架支链和下侧第一条悬架支链、下侧第二条悬架支链，所述的上下两组整体式滚珠花键副导向杆机构两端分别与转向节和车身铰接；转向节通过轮毂单元固定轴与车轮装配，并设有内设制动卡钳连接孔、的弹簧减振器总成和内设弹簧减振器连接孔、的制动卡钳总成的固定支座。

作为优选，每条整体式滚珠花键副导向杆均包括：两个橡胶衬套、花键轴连杆、卡簧、两个O型密封圈、多个滚珠、滚珠保持架、花键轴套连杆和防尘罩；所述花键轴连杆设有绕周向均匀分布的若干条圆弧形外滚道，所述花键轴套连杆设有绕周向均匀分布的、与外滚道相同数量和形状的内滚道，且内滚道与外滚道满足相应配合关系；所述滚珠保持架为筒形，设有绕周向均匀分布的滚珠安装孔，滚珠与滚珠保持架装配后分别与花键轴连杆和花键轴套连杆装配形成滚珠花键副；所述的滚珠保持架上设置有以防止工作时滚珠滑出掉落的卡簧；所述两个O型密封圈并排安装在花键轴套连杆外侧；所述防尘罩安装在悬架支链上作为二级防尘、防水和防腐蚀装置。

作为优选，所述的上侧第一条悬架支链和上侧第二条悬架支链所在的铅垂平面的交线，与下侧第一条悬架支链和下侧第二条悬架支链所在的铅垂平面的交线为共线或平行。

作为优选，所述的转向节内的上侧第一支耳支耳、上侧第二支耳，下侧第一支耳、下侧第二支耳均设有悬架支链连接孔；上侧第一支耳支耳、上侧第二支耳的悬架支链连接孔轴线所确定的两个铅垂平面的交线，与下侧第一支耳、下侧第二支耳的悬架支链连接孔轴线所确定的两个铅垂平面的交线，两者重合或者平行。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：相对于传统独立悬架，本发明提供的整体式滚珠花键副多连杆直线平移式悬架，可以实现车轮的外倾角、主销内倾角和后倾角、车轮前束（后束）、左右轮距以及前后轴距等定位参数，在车轮上下跳动过程中能够基本保持不变，从而有效降低了轮胎的磨损，并能够有效地提高汽车的操纵稳定性、行驶平顺性以及乘坐的舒适性；相对于已有的专利发明，本发明提供的整体式滚珠花键副多连杆直线平移式悬架的支链结构更加紧凑实用，轴向伸缩时因钢珠的滚动而摩擦很小，并且滚珠花键副磨损后可以方便的更换，提高了悬架支链的工作寿命。

附图说明

图1是本发明提供的整体式滚珠花键副直线平移式悬架的结构示意图。

图2是该悬架系统中的整体式滚珠花键副导向杆的结构示意图。

图3是该悬架系统中的导向杆采用滚柱花键副的结构示意图。

图4是该悬架系统中转向节的结构示意图。

图5是该悬架系统的俯视图。

图6是该悬架系统沿x轴的向视图。

附图中的标号分别为：1-转向节；2-车身；3-上侧第一条悬架支链；4-下侧第一条悬架支链；5-下侧第二条悬架支链；6-上侧第二条悬架支链；7-橡胶衬套；8-花键轴连杆；9-卡簧；10-O型密封圈；11-滚珠；12-滚珠保持架；13-花键轴套连杆；14-防尘罩；15-滚柱花键轴连杆；16-滚柱花键轴套连杆；17-滚柱；18-滚柱保持架。19a、19b-制动卡钳连接孔；20a、20b-弹簧减振器连接孔；21a-上侧第一支耳；21b-上侧第二支耳；22a-下侧第一支耳；22b-下侧第二支耳；23-轮毂单元固定轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构、原理及具体实施方式作进一步的说明。

图1是本发明提供的整体式滚珠花键副直线平移式悬架，包括转向节1、车身2、以及上下两组整体式滚珠花键副导向杆机构，即上侧第一条悬架支链3、上侧第二条悬架支链6和下侧第一条悬架支链4、下侧第二条悬架支链5，所述的上下两组整体式滚珠花键副导向杆机构两端分别与转向节1和车身2铰接。转向节1通过轮毂单元固定轴23与车轮装配，并设有内设制动卡钳连接孔19a、19b的弹簧减振器总成和内设弹簧减振器连接孔20a、20b的制动卡钳总成的固定支座。

图2是该悬架系统中的整体式滚珠花键副导向杆的实施例之一，每条悬架支链均包括：两个橡胶衬套7、花键轴连杆8、卡簧9、两个O型密封圈10、滚珠11、滚珠保持架12、花键轴套连杆13和防尘罩14。花键轴连杆8设有绕周向均匀分布的4条圆弧外滚道；所述花键轴套连杆13设有绕周向均匀分布的、与外滚道相同数量和形状的内滚道，且内滚道与外滚道满足相应配合关系；所述滚珠保持架12为筒形，设有绕周向均匀分布的滚珠安装孔，滚珠11与滚珠保持架12装配后分别与花键轴连杆8和花键轴套连杆13装配形成滚珠花键副；所述的滚珠保持架12上设置有以防止工作时滚珠11滑出掉落的卡簧9，卡簧9的功能是防止滚珠滑出掉落；两个O型密封圈10并排安装在花键轴套连杆13外侧，其作用是防止滚道内润滑脂溢出和外界灰尘、水渍等进入滚道降低滚道使用寿命；防尘罩14安装在悬架支链上作为二级防尘、防水和防腐蚀装置。

图3是该悬架系统中的滚珠花键副导向杆实施例之二，为了提高其加工工艺性能，减少加工成本，滚珠花键副的另一种实现结构是采用滚柱17代替滚珠11，滚柱花键轴连杆15代替花键轴连杆8，滚柱花键轴套连杆16代替花键轴套连杆13，滚柱保持架18代替滚珠保持架12，相应花键轴连杆8和花键轴套连杆13的圆弧滚道改为方形滚道，滚柱保持架18改为条形。

图4是该悬架系统中转向节的结构，转向节1可以通过轮毂单元固定轴23与车轮装配，并设有内设制动卡钳连接孔19a、19b的弹簧减振器总成和内设弹簧减振器连接孔20a、20b的制动卡钳总成的固定支座。

上侧第一条悬架支链3、上侧第二条悬架支链6和下侧第一条悬架支链4、下侧第二条悬架支链5的过约束布置使得悬架系统仅具有一个自由度，其中该四条悬架支链所在的铅垂平面非共面，且交线共线或者平行。为了提高悬架机构的构型稳定性和提高承载能力，其优选方案是：上侧第一条悬架支链3和下侧第一条悬架支链4所在的铅垂平面共面，上侧第二条悬架支链6和下侧第二条悬架支链5所在的铅垂平面共面，且两铅垂平面的夹角为90°（如图5所示）。

本发明所提供的多连杆直线平移式悬架只具有沿z轴移动的自由度是由该悬架机构的机构特性所决定的，接下来就分析该悬架机构的机构学运动特性。

首先建立相应的坐标系oxyz，以上侧第一条悬架支链与车身连接处转动副轴线为x轴，y轴沿水平方向位于悬架支链所在的铅垂平面内，相应的z轴沿铅垂方向，如图5和图6所示。设悬架支链A₁B₁的长为l₁，悬架支链轴线与平面oxy的夹角为

根据【赵景山，冯之敬，褚福磊.机器人机构自由度分析理论[M].北京：科学出版社，2009.】提出的机构自由度的分析理论，可以写出悬架支链A₁B₁的运动螺旋系为：

其中，

悬架支链A₁B₁的终端约束

可以由互易螺旋理论求出，即

其中

为运动螺旋系， $E=\left[\begin{array}{cc}0& I_3\\ I_3& 0\end{array}\right],$ $I_3=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$

为的反螺旋系。

显然矩阵

降秩的条件是：

若l₁为零，则此时转动副A₁与B₁重合，实际中转动副A₁和B₁不重合，因此悬架支链A₁B₁的终端约束

可以由互易螺旋理论求出。由（2）式可以求出

为：

同样，可以写出的另一悬架支链A₂B₂的约束螺旋系为：

因此，转向节1所受到的约束为：

将（5）式代入（2）式可以求出转向节1所具有的自由运动为：

式（6）表明转向节1具有一个沿z轴方向平移的自由运动，从而该空间多连杆直线导引悬架机构的转向节1可以做单自由度定直线的平移运动。同理，可以求得在四条悬架支链约束下转向节仅具有沿z轴方向平移的自由运动。因此，该空间多连杆直线导引悬架机构能够使与转向节1相联的车轮的外倾角、主销内倾角和后倾角、轮距及轴距等参数在车轮跳动过程中保持不变。这样就可以最大限度地减少轮胎的磨损，进而提高了汽车的操纵稳定性、行驶平顺性和乘坐舒适性。同时由于采用了整体式滚珠花键副，悬架支链结构简单，加工工艺简单；四条悬架支链过约束增强了悬架机构的承载能力。

由于该悬架系统只有一个沿z轴运动的自由度，因此转动副B₁沿y轴方向与x轴的距离在悬架跳动过程中始终保持不变，设该距离为L，如图6所示，则

假设悬架位于上下行程极限时，对应的夹角分别为

和

则悬架的行程和悬架支链长度改变量分别为：

因此，本发明所提供的整体式滚珠花键副的多连杆直线平移式悬架可以根据实际的悬架系统设计要求，进行悬架机构行程及相应的其他结构参数设计。该悬架机构相对于目前已知的其他悬架机构，其各向刚度大，结构设计紧凑，能够保证车轮跳动过程中的定位参数基本不变，从而改善汽车的操纵稳定性和行驶平顺性。

Claims (4)

1.一种整体式滚珠花键副直线平移式悬架，其特征在于：包括转向节（1）、车身（2）、以及上下两组整体式滚珠花键副导向杆机构，即上侧第一条悬架支链（3）、上侧第二条悬架支链（6）和下侧第一条悬架支链（4）、下侧第二条悬架支链（5），所述的上下两组整体式滚珠花键副导向杆机构两端分别与转向节（1）和车身（2）铰接；转向节（1）通过轮毂单元固定轴（23）与车轮装配，并设有内设制动卡钳连接孔（19a）、（19b）的弹簧减振器总成和内设弹簧减振器连接孔（20a）、（20b）的制动卡钳总成的固定支座。

2.根据权利要求1所述的整体式滚珠花键副直线平移式悬架，其特征在于：每条整体式滚珠花键副导向杆均包括：两个橡胶衬套（7）、花键轴连杆（8）、卡簧（9）、两个O型密封圈（10）、多个滚珠（11）、滚珠保持架（12）、花键轴套连杆（13）和防尘罩（14）；所述花键轴连杆（8）设有绕周向均匀分布的若干条圆弧形外滚道，所述花键轴套连杆（13）设有绕周向均匀分布的、与外滚道相同数量和形状的内滚道，且内滚道与外滚道满足相应配合关系；所述滚珠保持架（12）为筒形，设有绕周向均匀分布的滚珠安装孔，滚珠（11）与滚珠保持架（12）装配后分别与花键轴连杆（8）和花键轴套连杆（13）装配形成滚珠花键副；所述的滚珠保持架（12）上设置有以防止工作时滚珠（11）滑出掉落的卡簧（9）；所述两个O型密封圈（10）并排安装在花键轴套连杆（13）外侧；所述防尘罩（14）安装在悬架支链上作为二级防尘、防水和防腐蚀装置。

3.按照权利要求1所述的整体式滚珠花键副直线平移式悬架，其特征在于：所述的上侧第一条悬架支链（3）和上侧第二条悬架支链（6）所在的铅垂平面的交线，与下侧第一条悬架支链（4）和下侧第二条悬架支链（5）所在的铅垂平面的交线为共线或平行。

4.按照权利要求1所述的整体式滚珠花键副直线平移式悬架，其特征在于：所述的转向节（1）内的上侧第一支耳支耳（21a）、上侧第二支耳（21b），下侧第一支耳（22a）、下侧第二支耳（22b）均设有悬架支链连接孔；上侧第一支耳支耳（21a）、上侧第二支耳（21b）的悬架支链连接孔轴线所确定的两个铅垂平面的交线，与下侧第一支耳（22a）、下侧第二支耳（22b）的悬架支链连接孔轴线所确定的两个铅垂平面的交线，两者重合或者平行。

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