CN103171394B - 一种以节流阻力和摩擦力消振的三轮汽车悬架 - Google Patents

Abstract

一种以节流阻力和摩擦力消振的三轮汽车悬架，属于三轮汽（电）车悬架结构设计技术领域。本发明以结构最简单的“单孔阻尼阀”这一液压部件引入叉管内，用以解决简易型悬架车轮共振引起的“抓地性”恶化问题，以缓冲油池解决急刹车叉管“墩底”问题；对叉管之间的摩擦力进行优化选择，寻求一个最佳摩擦力F，使其能遏制悬架的第一阶共振，又能在“卡滞型”振动中，在车身加速度达到人体耐受加速度[a₁]前解脱卡滞状态。该悬架结构简单，成本低廉，减振效果良好。

Description

一种以节流阻力和摩擦力消振的三轮汽车悬架

技术领域

本发明涉及一种三轮汽车或电车叉管式悬架，特别涉及以摩擦力和节流阻力来消振和缓冲的三轮汽车或电车叉管式悬架，属于三轮汽车技术领域。

背景技术

目前市售三轮汽(电)车叉管式悬架有两种：一种为简易型无液压组件的叉管式悬架，另一种为液压悬架。理论上它们都存在二阶共振：第一阶是共振频率f₁≈2Hz，以车身振动为主，由于该种悬架叉管间存在很大的摩擦力，故第一阶共振两者都不会发生；第二阶是共振频率f₂＝15-20Hz，以车轮振动为主，这种共振只出现在简易悬架，在液压悬架中该阶共振被液阻遏制；由于叉管式悬架摩擦力过大，还派生出一个“卡滞型”共振，当车身振动惯性力s＝Ma小于摩擦力F时，悬架处于“卡滞”状态：簧上质量M与簧下质量m像是被摩擦力“粘”在一起，悬于轮胎刚度为K的车轮上，由于轮胎阻尼极小，此时，叉管摩擦力及液压阻力均不起作用，这样就形成一个单自由度无阻尼振动模型，其共振频率大约为f₀＝4-6Hz，若前轮半径r≈30cm,且轮胎有椭圆或刚度不对称引起轮轴跳动，则对应车速在v＝30-40km/h时，车轮跳动频率刚好与“卡滞型”共振频率合拍，这时即可引起车身的强烈振动，可使车身振动的加速度a₁大于人体耐受的加速度[a₁]的数倍，“卡滞型”共振在两种悬架中均存在。简易型悬架还存在未被遏制的第二阶以车轮振动为主的共振，当外界干扰频率接近f₂时，会引起车轮的强烈振动，甚至可使车轮跳离地面，而无法正常行驶，简易悬架单靠叉管摩擦力已不足以遏制车轮共振。本发明是在简易悬架的基础上，对其叉管摩擦力予以优化设计，并引入结构简单的“单孔阻尼阀”，可对悬架产生的各阶共振予以遏制，其效能甚至优于液压悬架，是一个低成本高效能的三轮汽(电)车悬架设计方案。

发明内容

本发明的目的是在简易叉管式悬架的基础上，提供一种以摩擦力和节流阻力消振的三轮汽车叉管式悬架,一方面对悬架产生的各阶共振予以遏制，同时解决急刹车时叉管“墩底”问题。

本发明的技术方案如下：

一种以节流阻力和摩擦力消振的三轮汽车悬架，该悬架包括上叉管、下叉管、上联板、下联板、承载弹簧、上衬套和下衬套，其特征在于：将上叉管下端一段内孔扩大形成子口，在子口内设置单孔阻尼阀，该单孔阻尼阀包括节流阀片和阀片小簧，在节流阀片的中心位置开有常通孔,所述的阀片小簧设置在节流阀片的下部,节流阀片在子口内上下移动，其下限以小簧卡环限位；在上叉管壁上设有上回油孔，在子口壁靠近上台肩处设有下回油孔，在上、下回油孔之间的上叉管壁上均匀开有多个溢流孔，在上回油孔之上，上卡环之下置有橡胶O环或弹簧；所述的下衬套相对上叉管在上卡环和下卡环之间自由移动，下卡环位于下回油孔之上，溢流孔之下；

在下叉管底部设有缓冲油池，油池为杯形，杯孔上大下小，油池中央设有台锥，上叉管插入杯孔时，台锥插入常通孔内，上叉管与杯孔以及台锥与常通孔之间形成两个环缝，两个环缝的初始面积之和等于或接近常通孔和溢流孔面积之和，当上叉管达到行程的下限时，环缝间隙趋于零。

本发明的另一特点在于：上叉管和下叉管之间的摩擦力F设计为满足下式：

$1.2{\mathrm{ku}}_0<F<\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}M\left[a_1\right]$

上式中：M是悬架簧上质量，[a₁]是人体耐受的加速度，k为承载弹簧的刚度，u₀为三轮汽车在平坦路面上行驶车轮的波动幅度。

本发明的又一技术特征在于：所述的下衬套距轮轴的距离L₂满足以下关系：

$L_2=(e/\mathrm{tg\&alpha;})-\frac{h_1}{h_1+h_2}l$

式中e为承载弹簧到轮轴15的移距，l为上、下衬套之间的间距，L₂为下衬套到轮轴的距离，α为叉管后倾角，h₁、h₂为上、下衬套的高度。

本发明的再一技术特征在于：所述单孔阻尼阀的比阻尼系数ζ₂≥0.1。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的效果：①本发明以结构最简单的“单孔阻尼阀”这一液压部件引入叉管内，用以解决简易型悬架车轮共振引起的“抓地性”恶化问题，以缓冲油池(16)解决急刹车叉管“墩底”问题。②对叉管的摩擦力进行优化选择，寻求一个最佳摩擦力F，使其能遏制悬架的第一阶共振，又能在“卡滞型”振动中，在车身加速度达到人体耐受加速度[a₁]前解脱卡滞状态。

附图说明

图1是本发明提供的以节流阻力和摩擦力消振的三轮汽车悬架实施例的结构原理示意图。

图2是图1的局部放大图。

图中：1-下叉管；2-下联板；3-单孔阻尼阀；4-下卡环；5-溢流孔；6-下衬套；7-上回油孔；8-橡胶O环(或弹簧)；9-上衬套；10-油封；11-防尘封；12-上叉管；13-承载弹簧；14-上联板；15-轮轴；16-缓冲油池；3a-小簧卡环；3b-阀片小簧；3c-节流阀片；3d-常通孔；3e-下回油孔；17-上卡环。高压油区Ⅰ；泄漏油区Ⅱ；低压油区Ⅲ；d₀-常通孔径；d₁-下回油孔径；d₂-溢流孔径；d₃-上回油孔径。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理、结构和工作过程做进一步的说明。

图1是本发明提供的以节流阻力和摩擦力消振的三轮汽车悬架实施例的结构原理示意图，该悬架含有上叉管12、下叉管1、上联板14、下联板2、承载弹簧13、上衬套9和下衬套6；其特点在于，将上叉管下端一段内孔扩大形成子口，在子口内设置单孔阻尼阀3，该单孔阻尼阀包括节流阀片3c和阀片小簧3b，在节流阀片的中心位置开有常通孔3d,所述的阀片小簧3b设置在节流阀片的下部,在上叉管壁上设有上回油孔7，在子口壁靠近上台肩处设有多个下回油孔3e，一般为4～6个，节流阀片3c可在子口内上下移动，阀片处于下限时，可将下回油孔3e全部打开，处于上限时(即肩台处)可将下回油孔3e全部关闭其下限以小簧卡环3a限位。

所述的下衬套6相对上叉管在上卡环17和下卡环4之间自由移动；二卡环的间距略大于衬套高度，其自由活动的距离足以能打开或完全关闭位于上叉管壁的上回油孔7；在上、下回油孔之间的叉管壁上还开有溢流孔5，在上回油孔之上置有橡胶O环(或弹簧)8，当油压过高时，衬套压缩橡胶O环(或弹簧)8，露出溢流孔，高压油即可由溢流孔溢流降压。

在下叉管底部设有缓冲油池16，油池为杯形，杯孔上大下小，油池中央设有台锥，在下叉管底部设有缓冲油池16，油池为杯形，杯孔上大下小，油池中央设有台锥，上叉管插入杯孔时，台锥插入常通孔内，上叉管与杯孔以及台锥与常通孔之间形成两个环缝，两个环缝的面积之和等于或接近常通孔和溢流孔面积之和，当上叉管达到行程的下限时，环缝间隙趋于零。

本发明特点之一是以“单孔阻尼阀”产生的液压阻尼，用来遏制f₂＝15-20Hz的第二阶共振，该阶振动是以车轮振动为主(车身基本不动)，当车轮振动的加速度a₂大于允许车轮加速度[a₂]时，车轮将跳离地面，车轮“抓地性”将恶化，无法正常行驶。使车轮跳离地面的力是车轮惯性力S₂，S₂＝Ma₂，遏制车轮离地的力是簧上负荷P₁，(P₁＝Mg)故要求S₂<P₁或Ma₂<Mg,即要求：

$a_2<\frac{M}{m}g$

式中的a₂即为该车轮所允许的最大加速度[a₂]，M、m为簧上和簧下质量，g为重力加速度(980cm/s²)。为遏制车轮第二阶共振，使之不离地，单靠叉管摩擦力是不够的，它要求比现有的普通悬架叉管摩擦力还要大几倍。由于f₂很高，遏制车轮共振最有效的方法是引入一点流体粘性阻尼，能产生粘性阻尼的最简单液压元件是“单孔阻尼阀”，如图2所示，阻尼阀相关参数需经水力学公式计算并经台架试验来确定，阻力太大，过沟坎有“墩底”感，阻尼力太小，又不足以遏制车轮跳离地面，理论分析表明，该阻尼阀若能给出ζ₂≥0.1的比阻尼系数，即可使该悬架在公路上在允许车速内保持良好的“抓地性”。

“单孔阻尼阀”的结构如图2所示，由中央开有直径为d₀的节流阀片3c及阀片小弹簧3b组成，置于上叉管子口内，在子口壁上还开有4-6个下回油孔(3e)，当叉管压缩时节流阀片下Ⅰ区油液压力增高，阀片上移将下回油孔3e堵死，油液只能从阀片中心的常通孔3d进入上叉管内腔Ⅲ区，从而产生压缩阻力。当上叉管复原时，高压油区Ⅰ压力下降，阀片也随之下移，打开下回油孔3e，流入Ⅲ区的油液又从孔3e、孔3d回流到Ⅰ区，由于回流畅通，故复原行程阻尼可忽略，只有压缩行程产生阻力，阻尼液不允许产生很大的负压，否则油液会气化生泡沫使液压下降以致失效；

为将压缩行程沿下衬套缝隙渗入位于衬套6之上的Ⅱ区的阻尼油及时流回上叉管内腔Ⅲ区，在上叉管壁位于上卡环17之下钻了4个直径为d₃的上回油孔7，上回油孔7可使泄漏油区Ⅱ和低压油区Ⅲ区连通：压缩行程高压油区Ⅰ和低压油区Ⅲ压力增高，衬套上移，上回油孔被关闭，复原行程Ⅰ区压力下降上回油孔被打开，渗入泄漏油区Ⅱ的油液回流低压油区Ⅲ，可使漏油区Ⅱ区压力维持在大气压附近。故下衬套连同上回油孔7组成一个“稳压阀”；为防止阻尼阀产生的阻尼力过大，在上叉管壁位于上下回油孔之间还开有直径为d₂的溢流孔5，常压下，下衬套6被其上沿的橡胶O环限位，使孔口5被下衬套覆盖，当压力过大时，O环进一步被压缩，衬套上移，露出孔口5，高压油即可从溢流孔5溢出，使油压下降，故节流阀片连同下衬套、O环联合组成“限压阀”。限压的大小将取决于常通孔径d₀，溢流孔径d₂，衬套承压面积，O环(或弹簧)刚度等参数选择，应通过水力学计算与台架试验确定。

本发明特点之二是为防止急刹车时上叉管与下叉管底部刚性碰撞，在下插管底部设有缓冲油池16。当上叉管插入杯孔时，台锥也插入常通孔，它们之间形成两个环缝，被下叉管与油池所包围的阻尼液将从两个环缝中被挤出，从而产生阻尼力。为使阻尼力平缓增加，要求二环缝初始面积接近常通孔与溢流孔面积之和，由于油池周壁与中央凸台均有锥度，故环缝将随上叉管下降而逐渐变小，阻尼力逐渐增加，当下叉管接近行程下限时，环缝间隙也趋于零，从而避免急刹车时上叉管出现“硬着陆”。

本发明的特点之三是为避免“卡滞型”共振时车身加速度a₁超标，对叉管摩擦力最大值F_max予以限定，其表达式为：

$F_{\max }<\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}M\left[a_1\right]------\left(1a\right)$

式中M[a₁]是a₁＝[a₁]时作用于簧上质量M的惯性力；F_max是下叉管对簧上质量M的摩擦力，若惯性力大于摩擦力，则卡滞状态即被解除，系数是考虑惯性力是正弦变力。实际叉管摩擦力F要比式(1a)要求的F_max大得多。故为避免卡滞型共振时车身加速度过大，其关键问题是尽可能减少叉管摩擦力，以满足式(1a)。

本发明特点之四是给出了以叉管摩擦力来遏制悬架的第一阶共振所需的最小摩擦力，其表达式为：

F_min>1.2ku₀------(1b)

式中k为承载弹簧的刚度，u₀为车在平坦路面上行驶车轮的波动幅度(u＝u₀sinωt)，它是由轮胎的径向刚度不对称或存在椭圆或路面波纹(搓板路)引起的。

综合(1a)、(1b)式，可表达为：

$1.2{\mathrm{ku}}_0<F<\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}M\left[a_1\right]------\left(1\right)$

式中F即为可使该悬架车身加速度a₁<[a₁]的最佳摩擦力，它介于F_max与F_min之间，式(1)存在的前提是：

$1.2{\mathrm{ku}}_0<\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}M\left[a_1\right]------\left(2\right)$

式(2)是该悬架承载弹簧刚度k及车轮干扰波动幅u₀之积(ku₀＝P₀)的限制条件，P₀为车轮对车身的干扰力，当k不变时，其大小主要取决于波动幅u₀，在选择悬架最佳摩擦力F时首先应校核式(2)，满足式(2)才存在最佳摩擦力，若不满足，只能减少u₀，即对车轮轮胎质量提出更高的要求。

本发明特点之五是采用“承载弹簧移位”方案(见公式(4))，来解决减少叉管摩擦力及上下衬套受力不均匀问题，要求悬架结构参数和尺寸满足：

$L_2=(e/\mathrm{tg\&alpha;})-\frac{h_1}{h_1+h_2}l------\left(3\right)$

式中α为叉管的后倾角，L₂为下衬套到轴15的距离，h₁、h₂为上、下衬套的高度。l为上下衬套的间距，该间距将随前轮负荷改变，此处的l是中等载荷时的间距，式中e/tgα＝L，为上下衬套的合力Q到轮轴15的距离。即Q＝N₁+N₂＝P_x，其中N₁、N₂为上、下衬套对下叉管的作用力，在弹簧移位方案中，要求合力Q作用线到轮轴15的距离L介于L₁、L₂之间，即满足：

L₂<L<L₁或L₂<e/tgα<L₁------(4)

其中e为承载弹簧到轮轴的距离。式(4)只限定了Q力作用线的范围，未给出具体作用点，式(3)给出了Q力到轮轴的距离为：

$L=L_2+\frac{h_1}{h_1+h_2}l------\left(5\right)$

式(5)指明Q力作用点距下衬套为将L＝e/tgα带入式(5)即得到表达式(3)，满足式(3)可使下衬套受力N₂与上衬套受力N₁之比为N₂/N₁＝h₂/h₁，这样能使上下衬套受力均匀，延长衬套使用寿命。故式(3)是对式(4)“弹簧移位方案”的补充和改进。

实施例：

某三轮汽车叉管式悬架，其结构参数为：簧上质量M＝380kg,簧下质量m＝53kg,承载弹簧刚度k＝56kg/cm，轮胎刚度K＝515kg/cm，一阶共振频率f₁＝1.9Hz，二阶共振频率f₂＝16.4Hz，“卡滞型”共振频率f₀＝5.4Hz,轮胎波动幅u₀＝0.25cm，前轮半径r＝0.3m，已知可耐受车身加速度[a₁]＝70cm/s²，车轮允许加速度[a₂]＝6.8g。

1.最佳叉管摩擦力F的选择。

先将悬架有关结构参数带入式(2)：

1.2ku₀＝16.8kg， $\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}M\left[a_1\right]=21.5\mathrm{kg},$

16.8kg<21.5kg

满足式(2)，故该悬架存在最佳叉管摩擦力F。

再据式(1)可知：F应介于21.5kg与16.8kg之间，实测该悬架叉管摩擦力F>60kg，为式(1)所允许的最大摩擦力F_max的3倍！故摩擦力的优化问题实为如何减少叉管摩擦力问题，减少摩擦力的方法有多种，但最简单而有效的方法是“弹簧移位”方案(见图1)，为节省材料，弹簧移距e应尽量小一些，但要求满足式(3)式(4)，对小型三轮汽车悬架，还附加一定约束条件：

e≥[(D₁+D₂)/2]-b------(6)

该悬架D₁＝62为下叉管外径，D₂＝25为轮轴直径，b为下叉管凹槽深，b＝1.5，代入数据可得：弹簧移距e＝42，可使叉管摩擦力由F≈60kg降为F≈20kg，已接近最佳摩擦力！

该悬架二衬套之距设计为l＝150，h₁＝20、h₂＝30、α＝20°，代入(3)式，得L₂为下衬套到轮轴15的距离。

“单孔阻尼阀”参数选择涉及常通孔径d₀，溢流孔径d₂，橡胶O环直径及硬度的确定，需经水力学计算及台架与道路试验。计算表明：该悬架在叉管相对速度为v＝60cm/s时，能给出R＝60kg左右的阻尼力，可使车轮振动比阻尼系数ζ₂>0.1即能使车轮具有良好的“抓地性”，溢流压力R_max的选择，应以常遇沟坎无“墩底感”为准，需与路试相结合予以确定，该悬架选R_max<200kg。

Claims (4)

1.一种以节流阻力和摩擦力消振的三轮汽车悬架，该悬架包括上叉管(12)、下叉管(1)、上联板(14)、下联板(2)、承载弹簧(13)、上衬套(9)和下衬套(6)，其特征在于：将上叉管下端一段内孔扩大形成子口，在子口内设置单孔阻尼阀(3)，该单孔阻尼阀包括节流阀片(3c)和阀片小簧(3b)，在节流阀片的中心位置开有常通孔(3d),所述的阀片小簧(3b)设置在节流阀片的下部,节流阀片(3c)在子口内上下移动，其下限以小簧卡环(3a)限位；在上叉管壁上设有上回油孔(7)，在子口壁靠近上台肩处设有多个下回油孔(3e)，在上、下回油孔之间的上叉管壁上均匀开有多个溢流孔(5)，在上回油孔之上，上卡环之下置有橡胶O环或弹簧(8)；所述的下衬套(6)相对上叉管在上卡环和下卡环之间自由移动，下卡环位于下回油孔之上，溢流孔之下；

在下叉管底部设有缓冲油池(16)，油池为杯形，杯孔上大下小，油池中央设有台锥，上叉管插入杯孔时，台锥插入常通孔内，上叉管与杯孔以及台锥与常通孔之间形成两个环缝，两个环缝的初始面积之和等于或接近常通孔和溢流孔面积之和，当上叉管达到行程的下限时，环缝间隙趋于零。

2.根据权利要求1所述的一种以节流阻力和摩擦力消振的三轮汽车悬架，其特征在于：上叉管和下叉管之间的摩擦力F满足下式：

$1.2{\mathrm{ku}}_0<F<\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}M\left[a_1\right]$

上式中：M是悬架簧上质量，[a₁]是人体耐受的加速度，k为承载弹簧的刚度，u₀为三轮汽车在平坦路面上行驶车轮的波动幅度。

3.如权利要求1或2所述的一种以节流阻力和摩擦力消振的三轮汽车悬架，其特征在于：所述的下衬套(6)距轮轴的距离L₂满足以下关系：

$L_2=(e/\mathrm{tg\&alpha;})-\frac{h_1}{h_1+h_2}l$

式中e为承载弹簧到轮轴(15)的移距，l为上、下衬套之间的间距，L₂为下衬套到轮轴的距离，α为叉管后倾角，h₁、h₂为上、下衬套的高度。

4.如权利要求1或2所述的一种以节流阻力和摩擦力消振的三轮汽车悬架，其特征在于：单孔阻尼阀(3)的比阻尼系数ζ₂≥0.1。