CN102937159A

CN102937159A - 一种一体式油气弹簧装置

Info

Publication number: CN102937159A
Application number: CN2012104264298A
Authority: CN
Inventors: 陈龙; 杨晓峰; 沈钰杰; 汪若尘
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2013-02-20

Abstract

本发明公开了一种一体式油气弹簧装置，其是在阻尼工作缸中，同轴设置惯容器工作腔，在惯容器工作腔内的活塞杆部分设置为丝杆结构，运用滚珠丝杠原理，在惯容器工作腔内的丝杠上布置滚珠丝杠螺母，将飞轮同轴安置固定于滚珠丝杠螺母上，通过固定于工作缸上下两个限位环，将螺母限位于丝杆中段，并且螺母仅能绕丝杆作旋转运动，限位环与螺母之间的接触面设置滚珠环槽，作为改进，本装置提高悬架簧载质量的同时不增加车身自重，并且提高车辆的行驶平顺性和操纵稳定性；避免复杂的机械网络综合过程；通过将惯容器与阻尼同轴并联，减少了空间布置的局限性。

Description

一种一体式油气弹簧装置

技术领域

本发明涉及一种油气弹簧装置，特指一种惯容器与阻尼同轴并联的一体式油气弹簧装置。

背景技术

1.机电模拟理论：

目前，机电一体化已经成为新世纪工程领域的一个重要发展方向。在这种一体化过程中经常需要将机械与电子系统网络化后当成一个大系统来研究。

根据机械系统与相应的电路系统在简谐激励条件下的数学模型即描述它们的动态特性的微分方程或传递函数具有相同的形式这一特点，历史上曾提出过两类不同的机电模拟理论。一种是“力-电压”对应，即质量、阻尼和弹簧分别与电感、电阻和电容对应，另一种是“力-电流”对应，即质量、阻尼和弹簧分别与电容、电阻和电感对应。由于使用上的方便，现在主要采用的是第二类机电模拟理论。即以力与电流相似，速度与电压相似为基础，建立起机械系统的质量、阻尼和弹簧元件分别与电路系统的电容、电阻和电感元件相对应的模拟关系。

然而，上述电子网络元件均具有两个独立、自由的端点，即电感、电阻和电容的两个端点均不受特定参考点的限制。在实际应用过程中，人们发现机械系统中的质量元件，根据牛顿第二运动定律的定义，其加速度必须以惯性坐标系为基础，这就说明质量元件属于单端点元件。这一特点使得质量元件有别于其他元件均具有两个独立、自由的端点，即两个端点均不受特定参考系的限制，造成了机械网络与电路网络的不完全对等。从而，机电模拟理论在运用上收到极大的限制。

2.惯容器：

为解决机械网络与电路网络的不完全对等问题，一种名为惯容器的机械装置应运而生。如同机械系统中的弹簧和阻尼器一样，这种装置不需要以惯性坐标系为参考系，是一种真正的两端点元件，它两端的受力正比于相应两端的加速度，其比例常数称为“惯质系数”，单位为千克。由于惯容器具有实现方法多样，并能以较小质量达到较大惯性质量，以及空间布置灵活等特点，现已研究用于车辆悬架、火车悬架和建筑物防震系统中，结果显示系统的性能得到显著提高。

在新的机电模拟理论中，通过采用该装置代替传统的质量元件，使得机械与电路系统中相模拟的元件严格对等，从而解决了机电模拟理论运用上的难题。该装置可广泛用于隔振技术领域，如车辆悬架、火车悬架、建筑物防震和吸收动力机械振动等方向。

惯容器的动力学方程为

Figure 2012104264298100002DEST_PATH_IMAGE001

，其中F表示施加在两端点上的力、b表示惯质系数，其单位为kg，

和表示两端点的加速度，惯质系数可由惯容器的具体结构和飞轮的转动惯量而计算出。

通过惯容器的动力学方程可以看出，惯容器在物理意义上，具有以较小实体质量而实现较大惯性质量即虚质量的作用。将这一特点应用于车辆悬架设计，可以起到提高悬架簧载质量的同时而又不增加车身自重的效果，从而提高车辆平顺性、舒适性和稳定性等一系列性能。

惯容器是被动机械装置，其实现方式多样。在车辆悬架应用方面，惯容器的布置需要克服许多工程实际问题，比如，底盘内可供惯容器布置的空间较小、惯容器和阻尼的工作行程有限、汽车轻量化需求等。

3.滚珠丝杠：

在机械元件中，滚珠丝杠装置可以将丝杆的绕轴向旋转运动转换成滚珠丝杠螺母的沿轴向的直线运动，也可将丝杆的轴向直线运动转换成滚珠丝杠螺母的旋转运动，即丝杆和滚珠丝杠螺母均可作为主动件或从动件。这一结构特点对于实现惯容器功能起到关键作用。

4.油气弹簧：

油气弹簧以气体，一般为惰性气体氮气作为弹性介质，而用油液作为传力介质。它一般是由气体弹簧和相当于液力减震器的液压缸组成。其具有空气弹簧的刚度特性，同时本身是减振元件，体积小质量轻。

油气弹簧的形式有单气室、双气室以及两级压力式。单油气式油气弹簧可分为油气分隔式和油气不分隔式。油气分隔式油气弹簧是由橡胶油气隔膜隔开，防止工作油液乳化。本装置采用的即是油气分隔式单气室油气弹簧。

发明内容

本发明设计出一种惯容器与阻尼同轴并联的一体式油气弹簧装置，将惯容器运用于车辆悬架，以提高汽车的综合性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种一体式油气弹簧装置，包括惯容器工作部分、阻尼工作部分以及外保护部分，所述外保护部分包括防护罩和工作缸，工作缸下端通过密封结构固定着防护罩；惯容器工作部分包括活塞、上限位环、下限位环、飞轮和滚珠丝杠结构，滚珠丝杠结构包括活塞杆、滚珠丝杠螺母以及滚珠，活塞杆穿过滚珠丝杠螺母，并且滚珠丝杠螺母与活塞杆的丝杆部分之间为螺纹配合，滚珠丝杠螺母与上、下限位环之间的接触面设置滚珠环槽，滚珠置于滚珠环槽内，飞轮同轴固定在滚珠丝杠螺母上，活塞固定在活塞杆顶端，惯容器工作部分置于工作缸内的下部，活塞杆下端伸出工作缸外，上、下限位环固定于工作缸内部；阻尼工作部分包括气室和减震器阻尼阀，气室包括下半球和上半球，下半球和上半球之间由橡胶油气隔膜隔开，气室的下半球固定于工作缸的上部，减震器阻尼阀开关气室的下半球与工作缸的阻尼工作腔之间传力介质的连通，上半球内充满弹性介质氮气，下半球内充满传力介质油液；惯容器布置在活塞工作就缸内，与阻尼工作腔共用一根活塞杆。通过机电模拟理论，采用惯容器与阻尼同轴并联，该结构布置简单可行，可以克服车辆底盘内机械元件布置空间较小和工作行程有限的缺点，也比较容易在车辆悬架中实现；同时，运用滚珠丝杠装置的结构特点，在滚珠丝杠螺母上同轴固定飞轮，将滚珠丝杠螺母限位旋转以实现惯容器功能，将惯容器与阻尼一体式设计，使得该装置元件化，便于在车辆工程中的制造和应用，其具体结构包括阻尼工作腔在上部，其中布满油液，上端有减震器阻尼阀起到传统减震器效果。

惯容器的工作腔设计为：在活塞工作缸缸体内布置上下两个限位环，用以限制滚珠丝杠螺母的上下行程，限位环的设置不影响活塞的正常工作行程。惯容器工作腔内的活塞杆设计为丝杆结构，与滚珠丝杠螺母以螺纹连接。惯容器布置在活塞工作就缸内，与阻尼工作腔共用一根活塞杆，这样的设计形式，便于在车辆悬架中作为配件直接应用。

作为本发明的改进，将惯容器布置在活塞工作缸内，与阻尼工作腔共用一根活塞杆，这样的设计形式，便于在车辆悬架中作为配件直接应用；本装置采用的油气弹簧为单气室油气分隔式，橡胶油气隔膜可将油液与气体分开，避免乳化现象;在外部工作缸有密封装置，防止油液泄漏；

其次，惯容器工作腔内的活塞杆设计为丝杠结构，与滚珠丝杠螺母之间为螺纹配合，在活塞工作缸内部固定的上下限位环，其与滚珠丝杠螺母通过滚珠环槽采取紧密配合。在活塞上下移动过程中，丝杠结构通过滚珠丝杠螺母将活塞杆的上下移动转化为滚珠丝杠螺母的旋转运动，同时带动飞轮旋转，将活塞杆与活塞工作缸看作惯容器的两个端点，即可发挥惯容器作用；

再次，本发明在对于惯容器工作腔中，采用滚珠丝杠结构，通过限制滚珠丝杠螺母的轴向平动，并将飞轮固定在滚珠丝杠螺母上，从而实现惯容器功能。为方便机电模拟理论在车辆悬架中的应用，本发明采用结构形式较为简单的惯容器与阻尼同轴并联的形式。

本发明的有益效果是，将惯容器这一机械装置运用于油气弹簧悬架，在不改变油气弹簧工作性能的同时，利用惯容器可以较小实体质量而实现较大惯性质量即虚质量的作用，以提高悬架簧载质量的同时而又不增加车身自重，极大提高车辆的行驶平顺性和操纵稳定性；结合机电模拟理论，惯容器与阻尼并联的结构，避免复杂的机械网络综合过程；通过将惯容器与阻尼同轴并联，有效减少了空间布置的局限性，兼顾两机械元件在工作行程上的要求，同时其一体式的设计，也便于在车辆工程领域的制造与应用,在未来的研究中，可以通过机电模拟理论对该机械网络结构的参数作进一步改进，使得该装置能够接近或达到半主动悬架或主动悬架的工作性能，进而省去半主动和主动悬架电控装置设计的过程，减少成本。总之，该装置具有结构简单合理，布置方便，提高可靠性和节约能源的特点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是一种惯容器与阻尼同轴并联的一体式油气弹簧装置示意图。

其中，1、气室，2、减震器阻尼阀，3、阻尼工作腔，4、上限位环，5、飞轮，

6、惯容器工作腔，7、滚珠丝杠结构，8、活塞杆，9、防护罩，10、工作缸，11、滚珠丝杠螺母，12、滚珠、，13、活塞，14、下半球，15、橡胶油气隔膜，16、上半球。

具体实施方式

图1所示为一种一体式油气弹簧装置，包括惯容器工作部分、阻尼工作部分以及外保护部分，外保护部分包括防护罩9和工作缸10，工作缸10下端通过密封结构固定着防护罩9；惯容器工作部分包括活塞13、上限位环4、下限位环、飞轮5和滚珠丝杠结构7，滚珠丝杠结构7包括活塞杆8、滚珠丝杠螺母11以及滚珠12，活塞杆8通过滚珠丝杠螺母11，并且滚珠丝杠螺母11与活塞杆8的丝杆部分之间为螺纹配合，滚珠丝杠螺母11与上限位环4和下限位环之间的接触面设置滚珠环槽，滚珠12置于滚珠环槽内，飞轮5同轴固定在滚珠丝杠螺母11上，活塞13固定在活塞杆8顶端，惯容器工作部分置于工作缸10内的下端部分，活塞杆8下端伸出工作缸10外，上、下限位环固定于工作缸10内部；阻尼工作部分包括气室1和减震器阻尼阀2，气室1包括下半球14和上半球16，上半球16内充满弹性介质氮气，下半球14内充满传力介质油液下半球14和上半球16之间由橡胶油气隔膜15隔开，气室1的下半球14固定于工作缸10的上部，减震器阻尼阀2开关气室1的下半球14和工作缸10的阻尼工作腔3内传力介质油液的连通，上半球16内充满弹性介质氮气。

下面结合该装置的工作过程来进一步说明:阻尼工作腔3中的减震器阻尼阀2正常工作，而在活塞工作缸10内部设置的惯容器装置可独立发挥惯容器功用，活塞杆8与工作缸10各为两端点,在工作过程中，两端点发生压缩或拉伸运动，通过滚珠丝杠结构7，使得限位于惯容器工作腔内6的滚珠丝杠螺母11产生绕丝杠的旋转运动，并带动飞轮5的旋转，在该过程中实现惯容器的功能；同时活塞杆8推动或拉伸活塞运动，在该过程中实现惯容器与阻尼的同轴并联工作效果;

本发明将惯容器结构运用到油气弹簧悬架的设计当中，能够有效的改进传统被动悬架的工作性能,通过惯容器与阻尼同轴并联、一体式设计，使得该种油气弹簧便于在车辆底盘中的布置和应用，一方面有利于车辆工程领域的设计和制造，减少空间，另一方面，惯容器的功用可大大提升汽车的综合性能。在未来的研究中，可以通过机电模拟理论对该机械网络结构的参数作进一步改进，使得该装置能够接近或达到半主动悬架或主动悬架的工作性能，进而省去半主动和主动悬架电控装置设计的过程，减少成本。总之，该装置具有结构简单合理，布置方便，提高可靠性和节约能源的特点。

Claims

1.一种一体式油气弹簧装置，包括惯容器工作部分、阻尼工作部分以及外保护部分，其特征在于：所述外保护部分包括防护罩（9）和工作缸（10），所述防护罩（9）固定在工作缸（10）下部；所述惯容器工作部分包括活塞（13）、上限位环（4）、下限位环、飞轮（5）和滚珠丝杠结构（7），所述滚珠丝杠结构（7）包括活塞杆（8）、滚珠丝杠螺母（11）和滚珠（12），所述活塞杆（8）穿过滚珠丝杠螺母（11），所述滚珠丝杠螺母（11）与所述上限位环（4）和下限位环之间的接触面设置滚珠环槽，所述滚珠（12）置于所述滚珠环槽内，所述飞轮（5）同轴固定在所述滚珠丝杠螺母（11）上，所述活塞（13）固定在所述活塞杆（8）顶端，所述惯容器工作部分置于所述工作缸（10）内的下部，所述活塞杆（8）下端伸出所述工作缸（10）外，所述上限位环（4）和下限位环固定于工作缸（10）内部；所述阻尼工作部分包括气室（1）和减震器阻尼阀（2），所述气室（1）包括下半球（14）和上半球（16），所述上半球（16）内充满弹性介质，下半球（14）内充满传力介质，所述下半球（14）和上半球（16）之间由隔膜（15）隔开，所述气室（1）的下半球（14）固定于所述工作缸（10）的上部，所述减震器阻尼阀（2）开关所述气室（1）的下半球（14）和所述工作缸（10）内的阻尼工作腔（3）之间传力介质的连通。

2.根据权利要求1所述的一种一体式油气弹簧装置，其特征在于：所述下半球（14）与上半球（16）之间的隔膜（15）为橡胶油气隔膜。

3.根据权利要求1或2所述的一种一体式油气弹簧装置，其特征在于：所述上半球（16）内充满的弹性介质为氮气；所述下半球（14）内充满的传力介质为油液。

4.根据权利要求1或2所述的一种一体式油气弹簧装置，其特征在于：所述工作缸（10）与所述防护罩（9）通过密封结构相连接。

5.根据权利要求1或2所述的一种一体式油气弹簧装置，其特征在于：所述滚珠丝杠螺母（11）与所述活塞杆（8）的丝杆部分之间为螺纹配合。