CN103883659B - 一种活塞基座形状可变的空气弹簧及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种车辆悬架系统的活塞基座形状可变的空气弹簧及其控制方法，活塞基座外壁处有一圈可控环形气囊，可控环形气囊的最外圈接触若干个均匀布置在同一个圆上的摇板内侧面，每个摇板上端均通过铰接销与活塞基座铰接，每个摇板外侧面均接触空气弹簧主气囊，活塞基座的底部中心处开有一个轴向的盲孔，盲孔中心设置T型导管，T型导管的水平管的两端分别穿过活塞基座上的相应的径向孔后连接可控环形气囊，T型导管的垂直管向下伸出盲孔之外连接储气室；选择性地控制可控环形气囊内气压，带动摇板的摆动以改变活塞基座形状从而改变空气弹簧的刚度，使空气弹簧主气囊的有效面积发生变化，实现对空气弹簧刚度的无级控制。

Description

一种活塞基座形状可变的空气弹簧及其控制方法

技术领域

本发明涉及车辆悬架系统领域，具体是悬架系统的空气弹簧结构。

背景技术

空气弹簧作为悬架系统中的弹性元件，是在一个密封的容器中充入压缩气体，利用气体的可压缩性实现其弹簧作用，具有良好的缓冲、隔振效果。这种弹簧的刚度在载荷变化的过程中是可变的，因为作用在弹簧上的载荷增加时，容器内的定量气体受压缩，气压升高，则弹簧的刚度增大；反之当载荷减小时，弹簧内的气压下降，刚度减小。除了通过变化外界载荷大小改变弹簧刚度以外，根据空气弹簧刚度公式还可以通过改变空气弹簧容积和有效面积变化率达到变刚度的目的。

空气弹簧分为嚢式和膜式两种，传统膜式空气弹簧主要构件有膜式空气弹簧囊体、气囊活塞底座、传动导向机构和空气补给系统等。气囊活塞底座气囊变形时，其底部卷曲的嚢皮在活塞底座表面滚动进行工作。有的空气弹簧通过在空气弹簧外接附加气室来达到变刚度的目的，这种带附加气室的空气弹簧有如下缺陷：1、只能通过增加附加气室容积在原有刚度基础上降低刚度，不能增大刚度；2、附加气囊的体积太大，管路过长，系统时滞现象明显。

湖南大学胡德安等2012年1月发表在《计算机仿真》第29卷第一期中的《基于活塞形状改变的空气弹簧特性仿真研究》通过有限元建模和仿真分析了空气弹簧在不同活塞形状下的刚度变化特性，但并未提出具体的活塞基座形状可变的空气弹簧结构。

发明内容

本发明的目的是提出一种活塞基座形状可变的空气弹簧及其控制方法，结构简单，布置空间紧凑，可控环形气囊的压力和体积可迅速变化，空气弹簧的刚度可无级控制。

本发明所述一种活塞基座形状可变的空气弹簧采用的技术方案是：包括一个活塞基座，活塞基座的顶面紧贴空气弹簧主气囊，活塞基座外壁处有一圈可控环形气囊，可控环形气囊的最外圈接触若干个均匀布置在同一个圆上的摇板的内侧面，每个摇板上端均通过铰接销与活塞基座铰接，每个摇板的外侧面均接触空气弹簧主气囊，在其中一个铰接销上设有一个角度传感器；活塞基座的底部中心处开有一个轴向的盲孔，盲孔中心设置T型导管，T型导管的水平管的两端分别穿过活塞基座上的相应的径向孔后连接可控环形气囊，T型导管的垂直管向下伸出盲孔之外连接储气室，储气室通过另一导管连接空气弹簧主气囊。

每个摇板下端向活塞基座的中心轴方向倾斜的角度不超过10°，每个摇板下端向远离活塞基座的中心轴方向倾斜的角度不超过20°。

本发明所述一种活塞基座形状可变的空气弹簧的控制方法采用的技术方案是：控制器监测车轮速度，控制储气室对可控环形气囊充、放气和对空气弹簧主气囊充气，选择性地控制可控环形气囊内气压，以控制空气弹簧的刚度。

当控制器接收到车身位移传感器和车速传感器传来的车辆低速行驶的信号后，控制所述T型导管连通大气，使可控环形气囊内气压下降，带动摇板向活塞基座的中心轴方向摆动，空气弹簧刚度下降；当车辆高速行驶时，控制器输出指令使储气室对可控环形气囊充气，可控环形气囊膨胀迫使摇板向远离活塞基座的中心轴方向摆动，空气弹簧刚度增大。

本发明的有益效果是：

1、利用控制器控制储气室对可控环形气囊充、放气，可控环形气囊带动摇板的摆动以改变活塞基座形状从而改变空气弹簧的刚度，使空气弹簧主气囊的有效面积发生变化，并能使可控环形气囊内气压迅速改变，使空气弹簧刚度在一定范围内无级变化，实现对空气弹簧刚度的无级控制。

2、可控环形气囊体积小，反应速度快，可控环形气囊的压力和体积可迅速变化适用于主动式悬架，通过改变可控环形气囊的气压大小达到改变主气囊弹簧刚度的目的。

3、通过将摇板安装孔开口一定角度以控制摇板摆动范围，通过在一定角度内摆动的摇板机械结构改变空气弹簧底部气囊形状，从而改变空气弹簧工作时的有效面积变化率，并通过选择性控制可控环形气囊内的气压，达到变刚度的目的，可以保证车辆在行驶过程中当可控环形气囊突然失效时，车辆悬架系统仍具有一定的刚度，提高了车辆的行驶性能和安全性。

4、本发明中的活塞基座可在原基座上改进，不仅可节省成本，还可充分利用活塞基座内部空间布置管道、导线。

5、针对不同路况进行调节，可对车辆四轮进行独立控制，适用于对车辆的主动控制。

6、可根据车速、侧倾角及俯仰角来配置本发明空气弹簧刚度，控制器利用车速传感器和陀螺仪传来的信号与预设的空气弹簧刚度值进行配对，找到当前工况下所需刚度对应的摇板摆动角度，并通过改变可控环形气囊内部气压达到改变摇板的摆动角度的目的。

附图说明

图1是本发明一种活塞基座形状可变的空气弹簧在设计刚度位置时的工作状态视图；

图2是图1中摇板和活塞基座的安装结构示意图；

图3是本发明一种活塞基座形状可变的空气弹簧在最小刚度极限位置时的主剖视图；

图4是本发明一种活塞基座形状可变的空气弹簧在最大刚度极限位置时的主剖图；

图5是本发明一种活塞基座形状可变的空气弹簧的整车安装控制原理图。

图中：1.空气弹簧主气囊；2.活塞基座；3.铰接销；4.摇板；5.可控环形气囊；6.导管；6a.T型导管；6b.连接储气室与空气弹簧主气囊的导管；7.控制器；8.两通电磁阀；9.储气室；10.三通电磁阀；11.角度传感器；12a、12b、12c、12d.安装在四个车轮上的本发明一种活塞基座形状可变的空气弹簧；13.车速传感器；14.陀螺仪；15.车身位移传感器。

具体实施方式

参见图1，本发明一种活塞基座形状可变的空气弹簧在系统设计刚度位置的结构图，具体指可控环形气囊在系统设计刚度情况下的结构图。本发明包括一个活塞基座2，活塞基座2是圆柱形结构，是由不同外径的圆柱连续形成的圆柱形结构。在活塞基座2的顶面紧贴空气弹簧主气囊1。活塞基座2下端固定安装在车架上。

活塞基座2的外壁处有一圈可控环形气囊5，可控环形气囊5的最外圈接触若干个摇板4的内侧面，每个摇板4的外侧面均接触空气弹簧主气囊1。为了更好地安装和控制可控环形气囊5，在活塞基座2的上段外壁上有一圈环形的凹坑，凹坑的中心轴与活塞基座2的中心轴相同。在凹坑中放置可控环形气囊5，可控环形气囊5的最外圈伸出凹坑之外，可控环形气囊5与凹坑内壁的配合处紧密贴合，凹坑对可控环形气囊5具有固定支承和控制形变的作用。在可控环形气囊5的最外圈压靠若干个摇板4，若干个摇板4位于同一个圆上且沿该圆均匀布置，摇板4所在的同一个圆的圆心在活塞基座2的中心轴上，。每个摇板4的上端均通过铰接销3与活塞基座2铰接在一起，每个摇板4的内侧面接触在可控环形气囊5的最外圈上，每个摇板4的外侧面上接触空气弹簧主气囊1，也就是在空气弹簧主气囊1和可控环形气囊5之间嵌了若干个摇板4。摇板4的下端向下延伸至在轴向上超过可控环形气囊5。

若干个摇板4和与活塞基座2构成本发明的基本骨架，在其中一个铰接销3上安装一个角度传感器11。

在活塞基座2的底部中心处开有一个轴向的盲孔，盲孔开口朝下，盲孔的深度处高过可控环形气囊5。在盲孔中心设置T型导管6a，T型导管6a的水平管的两端分别穿过活塞基座2上的相应的径向孔后连接可控环形气囊5，T型导管6a的垂直管向下伸出盲孔之外，通过三通电磁阀10连接储气室9，在T型导管6a下端和储气室9之间连接三通电磁阀10。储气室9通过T型导管6a与可控环形气囊5相通。储气室9还通过导管6b连接上面的空气弹簧主气囊1，在导管6b上安装两通电磁阀8，储气室9为上面的空气弹簧主气囊1充气。储气室8同时还连接控制器7，在控制器7的相关指令下，储气室8既可对可控环形气囊5充、放气，还可以通过导管6b为空气弹簧主气囊1充气。当储气室8对可控环形气囊5或空气弹簧主气囊1充气后，可立即通过发动机压缩气体恢复储气室8内初始气压，为下一次充气做准备。

安装可控环形气囊5时，可在活塞基座2的上段焊接结合套，结合套用于固定可控环形气囊5，结合套外表面呈半椭圆状，可增大与可控环形气囊5的粘合面积，在一定程度上控制可控环形气囊5的形变方向。T型导管6a径向相对布置贯穿结合套两侧。

参见图2，示出了18个摇板4的布置结构，设有凹坑的活塞基座2的外径小于其上段的活塞基座2的外径，在上端的活塞基座2的突出的圆柱台阶底面上安装铰接销3，通过铰接销3铰接摇板4，一个摇板4铰接一个铰接销3。

为了增大摇板4与可控环形气囊5和空气弹簧主气囊1相接触的接触面积，将摇板4内侧面上设计成与可控环形气囊5接触面轮廓形状相配的弧形，摇板4外侧面上设计与空气弹簧主气囊1内侧接触面轮廓形状相配的弧形，这种摇板4的结构有利于空气弹簧主气囊1与可控环形气囊5之间力的传递。

参见图3，是空气弹簧在最小刚度极限位置时的正面剖视图，每个摇板4的下端均可以向内侧向活塞基座2的中心轴方向倾斜，倾斜角度即摇板4与活塞基座2的中心轴心之间的夹角，该夹角不超过10°。

参见图4，是空气弹簧在最大刚度极限位置时的正面剖视图，每个摇板4的下端均向外侧向远离活塞基座2的中心轴方向倾斜，倾斜角度即摇板4与活塞基座2的中心轴心之间的夹角，该夹角不超过20°。

活塞基座2形状只在某一角度范围内变化才对空气弹簧的刚度有显著改变效果，因此本发明对机械结构的摆动角度作了相应规定。为了使摇板4的摆动角度受到限制，在安装铰接销3的活塞基座2的突出的圆柱台阶底面上开有棱形卡槽，使摇板4的上端受棱形卡槽的角度的限制，因此即使当可控环形气囊5失效时，摇板4向内侧也只能摆动到10o，此时车辆悬架系统能保持一定的刚度继续行驶，提高了车辆行驶的安全性。

通过选择性地控制可控环形气囊5内气压，即可控制空气弹簧的刚度，可控环形气囊5的压力和体积可迅速变化，这使得本发明可适用于主动控制悬架领域。不同车速下车辆需要的悬架刚度不同，中低速时一般以悬架设计刚度为主，高速时为了保证路感和操稳性则需要适当增加悬架刚度，且对不同路况下的悬架刚度也有着不同要求。为了在不同车速下让车辆都具有较高的舒适性，车辆悬架可以主动改变可控环形气囊5内的气压。控制器7可以通过监测车轮速度来改变可控环形气囊5的气压，以维持乘坐最佳舒适性。

当车辆低速度行驶时，例如当车辆以每小时十公里以下低速度行驶在路况较差地面上时（如碎石路面），控制器7接收到车身位移传感器15和车速传感器13传来的信号后，判断在低速情况下，车身高度持续快速变化为行驶在较差路面，控制器7输出指令打开导气管电磁阀10，此时T型导管6a一侧连通大气，可控环形气囊5内气压下降，带动摇板4向内侧即活塞基座2的中心轴方向摆动到预设角度，空气弹簧刚度迅速下降，车辆平顺性提高，如图3达到最小刚度位置。应该指出只有在较差路况下才会采用此种模式来降低空气弹簧刚度。当车速在每小时六十公里以下，且路况良好时，如图1达到空气弹簧为预设刚度位置。当车速在高速行驶时，例如当车速在每小时六十公里以上时，控制器7输出指令，使储气室8对可控环形气囊5充气，可控环形气囊5膨胀迫使摇板4向外侧即向远离活塞基座2的中心轴方向摆动，空气弹簧刚度增大，满足高速时悬架刚度适当增大以提高操稳性的要求，如图4为其达到最大刚度位置。实际实施过程中可使该系统根据不同车速来调整弹簧设计刚度位置。

为了转弯时防侧倾，车辆悬架可以主动改变可控环形气囊5内的气压。参见图5，在四个车轮上安装了四个本发明所述的活塞基座形状可变的空气弹簧12a、12b、12c、12d，控制器7可以监测车身侧倾情况持续改变可控环形气囊5内气压，改变车辆悬架系统左右两侧空气弹簧的刚度，达到减小侧倾的目的。当车辆左转弯时，车辆具有向外侧倾的趋势，控制器7接收到车速传感器13和陀螺仪14传来的信号后，判断在减速左转的情况下，陀螺仪14侧倾角度大于3°，且保持2秒，则控制器7需要控制外侧前后两个空气弹簧12b、12c中的两个可控环形气囊5，使其增压，带动摇板4向外摆动，弹簧刚度增大，减小车身侧倾趋势。当收到驾驶员踩加速踏板的信号，且车速增加时，即表示车辆驶出弯道，控制器7输出指令，使空气弹簧12b、12c中的两个可控环形气囊5气压恢复转弯前气压。如果在低速小幅度转弯的情况下，陀螺仪14的侧倾角度小于3°时，则四个空气弹簧12a、12b、12c、12d只要维持当前刚度即可。当车辆右转弯时，控制与左转弯时相反，车身保持稳定。这仅仅是举例角度与时间，实际实施过程中可将系统根据需要来调整陀螺仪14触发控制器7工作的侧倾角度值。

为了在车辆急刹车或突然加速时避免车身俯仰的发生，车辆悬架主动改变可控环形气囊5内的气压。控制器7通过持续监测车速是否急剧下降和陀螺仪14在汽车行驶方向的角度偏移，持续改变可控环形气囊5内气压，改变车辆前后悬架系统弹簧刚度，来避免俯仰的发生。当车辆急刹车时，车辆有前俯后仰的趋势。此控制过程有三个判别信号的输入，分别是制动踏板的制动信号、车速传感器13的车速信号和陀螺仪14的俯仰角度信号，只有当三个信号同时达到设定值时才进行控制。首先控制器7接收来自制动踏板的制动信号，同时将速度信号处理成即时加速度信号（制动时加速度信号为负）并与预设值对比，如果此时陀螺仪14前俯的角度大于1°（俯仰角一般为正），即同时满足触发条件，则控制器7控制三通电磁阀10对前悬架系统的空气弹簧12a、12b中两个可控环形气囊5充气，使其气压增加，带动摇板4向外摆动，刚度增加，减小前俯趋势。系统起作用后只要其中一项信号低于预设值并持续5秒，控制器7输出指令，使空气弹簧12a、12b中的两个可控环形气囊5气压恢复刹车前气压。应该理解，所述的持续时间仅仅为举例时间，实际实施过程中可根据实际需要调整持续时间值。如果控制器7接收到制动踏板制动的信号，而陀螺仪14的前俯角在0至1°之间，或加速度未到达预设值，此时汽车处于平缓减速，四个空气弹簧12a、12b、12c、12d的刚度不改变。在车辆加速启动过程中，对于不同驱动形式的车辆，轮胎接地性对于悬架刚度有着不同的要求。对于后轮驱动车辆，为了使驱动轮与地面有更高的附着率，悬架刚度应增大，此时控制器7接收到加速踏板发出的信号后，对后悬架系统的空气弹簧12c、12d中的两个可控环形气囊5充气，增大空气弹簧刚度，使车辆具有更好的加速性能。同理，前驱车辆理应有相同控制过程。

Claims (1)

1.一种活塞基座形状可变的空气弹簧的控制方法，所述活塞基座形状可变的空气弹簧包括一个活塞基座（2），活塞基座（2）的顶面紧贴空气弹簧主气囊（1），活塞基座（2）的外壁处有一圈可控环形气囊（5），可控环形气囊（5）的最外圈接触若干个均匀布置在同一个圆上的摇板（4）的内侧面，每个摇板（4）上端均通过铰接销（3）与活塞基座（2）铰接，每个摇板（4）的外侧面均接触空气弹簧主气囊（1），在其中一个铰接销（3）上设有一个角度传感器（11）；活塞基座（2）的底部中心处开有一个轴向的盲孔，盲孔中心设置T型导管，T型导管的水平管的两端分别穿过活塞基座（2）上的相应的径向孔后连接可控环形气囊（5），T型导管的垂直管向下伸出盲孔之外连接储气室（9），储气室（9）通过另一导管连接空气弹簧主气囊（1），控制器监测车轮速度，控制储气室（9）对可控环形气囊（5）充、放气和对空气弹簧主气囊（1）充气，选择性地控制可控环形气囊（5）内气压以控制空气弹簧的刚度，其特征是：

当控制器接收到车身位移传感器和车速传感器传来的车辆低速行驶的信号后，控制所述T型导管连通大气，使可控环形气囊（5）内气压下降，带动摇板（4）向活塞基座（2）的中心轴方向摆动，空气弹簧刚度下降；当车辆高速行驶时，控制器输出指令使储气室（9）对可控环形气囊（5）充气，可控环形气囊（5）膨胀迫使摇板（4）向远离活塞基座（2）的中心轴方向摆动，空气弹簧刚度增大；

当车辆左转弯时，控制器控制外侧前后两个车轮上的两个可控环形气囊（5），使其增压，带动摇板（4）摆动，增大空气弹簧刚度，减小车身侧倾趋势；当收到驾驶员踩加速踏板的信号且车速增加时，控制器控制外侧前后两个车轮上的两个可控环形气囊（5）的气压恢复转弯前气压；当车辆右转弯时，控制过程与左转弯时的相反；

当车辆急刹车时，且当制动信号、车速信号和俯仰角度信号同时达到设定值时，控制器控制两个前车轮上的两个可控环形气囊（5）充气，使其气压增加，带动摇板（4）摆动，增大空气弹簧刚度，减小前俯趋势；在车辆加速启动过程中，对于后轮驱动车辆，控制器接收到加速信号后，对后两个可控环形气囊（5）充气，增大空气弹簧刚度，前轮驱动车辆与后轮驱动车辆的控制过程雷同。