CN104626912A - 一种液电一体式车辆悬架阻抗控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种液电一体式车辆悬架阻抗控制装置，包括电机缸筒、电机工作腔、动子轴、支撑端面、内缸筒工作腔、内缸筒端面和外缸筒端面，电机缸筒上部设置上吊耳，外缸筒端面下部连接下吊耳；电机缸筒内侧壁沿径向设有均布绕组的电机定子，绕组与外端控制电路相连；电机缸筒下端固定连接开孔的支撑端面；支撑端面分别与内缸筒端面和外缸筒端面之间设有可沿轴向压缩或拉伸的密封装置；动子轴的一端伸至电机工作腔的上部，另一端经支撑端面与内缸筒端面固定连接；动子轴上设有动子磁极与动子磁轭。本发明所述阻抗控制装置通过改变外端负载电路的阻抗，可实现任意形式的高阶阻抗表达，具备更优越的动态特性，原理简单，结构性能稳定。

Description

一种液电一体式车辆悬架阻抗控制装置

技术领域

本发明属于汽车领域，尤其涉及一种由液力平动式质量放大元件的惯性阻抗与直线电机耦合作用而成电学阻抗共同形成的液电一体式车辆悬架阻抗控制装置。

背景技术

车辆悬架的性能优劣对汽车的行驶平顺性、操纵稳定性及行驶安全性有着重要的影响。近年来涌现出多种多样的车辆悬架结构，由“惯容器-弹簧-阻尼”(Inerter-Spring-Damper)三类两端点机械元件组成的车辆ISD悬架具有较好的隔振潜力，已得到诸多学者的关注。惯容器的提出完善了以“力-电流”为基础的机电相似性理论，使得机械网络中的惯容器、弹簧、阻尼与电学网络中的电容、电感、电阻实现了完全对应。因此，电学网络中的研究理论与分析方法可直接应用于机械网络，国内外学者纷纷采用电学网络原理进行车辆ISD悬架的结构设计尝试，剑桥大学的Smith教授最早介绍了运用网络综合理论设计ISD机械网络的一般方法，然而以目标传递函数的网络正实综合得到的车辆ISD悬架结构较为复杂，由于工程应用中悬架的安装及使用空间有限，网络综合得到的复杂阻抗形式难以实现。

美国专利US2010/0148463A1公开了一种机电惯质悬架系统，利用滚珠丝杠式惯容器在运动中旋转的丝杠带动电机动子转动产生感应电动势与感应电流，并通过改变外端电路的阻抗实现改变悬架阻抗特性的效果。然而，滚珠丝杠副的背隙、摩擦力等非线性因素对其实用性能影响较大，悬架的阻抗特性较为复杂，不能够较好的实现电学阻抗与机械阻抗的有效耦合。因此，工程上迫切需要一种能够实现复杂阻抗形式的车辆悬架阻抗控制装置，使得汽车的行驶平顺性、操纵稳定性得到改善。

发明内容

为了克服现有技术存在的机械式悬架阻抗不可变的不足，本发明提出一种由液力平动式质量放大元件与直线电机耦合而成的液电一体式车辆悬架阻抗控制装置。由于机械阻抗结构固结不可改变，采用改变电学阻抗的方案实现对悬架复合阻抗的调整，且其作用机理简单，受非线性因素影响较小，性能稳定。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种液电一体式车辆悬架阻抗控制装置，包括电机缸筒、电机工作腔、动子轴、支撑端面、内缸筒工作腔、内缸筒端面和外缸筒端面；所述电机缸筒上部设有上吊耳；所述电机缸筒内侧壁沿径向固定设有电机定子，所述电机定子内均布有绕组，所述绕组与外端控制电路相连；所述电机定子的中部设有动子轴；所述动子轴的一端伸至电机工作腔的顶部，另一端经支撑端面上的开孔与内缸筒端面固定连接；所述动子轴上固定有多个动子磁极与动子磁轭组件；所述支撑端面的上端面固定连接电机缸筒下端面；所述支撑端面下端面分别与内缸筒端面和外缸筒端面的上端面之间设有可沿轴向伸缩的密封装置；所述内缸筒端面位于支撑端面与外缸筒端面之间，且对应于支撑端面所开孔的位置；所述外缸筒端面下部固定连接下吊耳。

进一步的，所述可沿轴向伸缩的密封装置为内缸筒皮碗和外缸筒皮碗，所述内缸筒皮碗两端分别与支撑端面和内缸筒端面连接；所述外缸筒皮碗分别与支撑端面和外缸筒端面连接。

进一步的，所述动子轴位于电机定子的中轴线上，且支撑端面的中心开有与动子轴相对应的孔。

进一步的，所述上吊耳与电机缸筒焊接为一体，所述下吊耳和外缸筒端面焊接为一体。

进一步的，所述支撑端面上端与电机缸筒焊接为一体。

本发明的有益效果是：

本发明通过设置可沿轴向压缩或拉伸的密封装置、支撑端面、内缸筒端面、外缸筒端面、连接动子磁极与动子磁轭的动子轴、均布绕组的电机定子等装置，实现由机械惯性阻抗与电学阻抗共同作用而成的悬架系统阻抗控制装置，避免了通过滚珠丝杠副、齿轮齿条等运动转换机构产生惯性阻抗中受间隙、摩擦力影响因素较大等不足，同时无需考虑电机结构本身的摩擦力等因素影响。本发明所述的液电一体式车辆悬架阻抗控制装置通过改变外端负载电路的阻抗形式，可实现任意形式的高阶阻抗表达，具备更优越的动态特性，工作机构原理简单，结构性能稳定，且一体式结构方案易于安装。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是一种液电一体式车辆悬架阻抗控制装置示意图。

图2是图1中A处的局部放大图。

附图标记说明如下：

1-上吊耳，2-电机缸筒，3-绕组，4-动子磁极，5-内缸筒工作腔，6-内缸筒皮碗，7-外缸筒端面，8-下吊耳，9-外缸筒工作腔，10-内缸筒端面，11-外缸筒皮碗，12-支撑端面，13-动子磁轭，14-电机定子，15-电机工作腔，16-动子轴。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，需要指出的是，下面仅以一种最优化的技术方案对本发明的技术方案以及设计原理进行详细阐述，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，一种液电一体式车辆悬架阻抗控制装置，包括电机缸筒2、内缸筒工作腔5、电机工作腔15、动子轴16、支撑端面12、内缸筒端面10和外缸筒端面7。其中，上吊耳1与电机缸筒2焊接为一体，电机缸筒2的内侧壁沿径向固定有电机定子14，电机定子14内均布有绕组3，动子磁极4与动子磁轭13均固定在动子轴16上，动子轴16从电机工作腔15经由支撑端面12伸入内外缸筒工作腔9，并与其内部的内缸筒端面10相固结，动子轴16可在电机定子14中部上下运动。所述支撑端面12上端与电机缸筒2焊接为一体，所述支撑端面12下端与内缸筒皮碗6及外缸筒皮碗11相固结，外缸筒工作腔9内布满不可压缩油液，内缸筒皮碗6及外缸筒皮碗11均可做径向压缩与拉伸运动，且严格密封。外缸筒皮碗11下端与外缸筒端面7相连接，外缸筒端面7与下吊耳8焊接为一体。上吊耳1与车身相铰接，下吊耳8与车轮相铰接，由此完成一种液电一体式车辆悬架阻抗控制装置的安装。

工作过程：当上吊耳1与下吊耳8之间产生相对运动时，下吊耳8与外缸筒端面7推压外缸筒皮碗11使之向上或向下运动，由于外缸筒工作腔9内布满的油液不可压缩，因此内缸筒端面10受油液的压力作用推动动子轴16上下运动，固结在动子轴16上的动子磁轭13与动子磁极4在电机工作腔15内与电机定子14中的绕组3产生相对运动，生成感应电动势与外端电路相连。

由液压缸工作原理可知：

(v₂-v₁)S₁＝(v_a-v₁)S₂    (1)

式中，S₁、S₂分别为外缸筒端面7与内缸筒端面10的面积，v₁、v₂分别为上吊耳1、下吊耳8的速度，v_a为动子轴16的速度。由能量守恒定律可得：

$f(v_2-v_1)=m{\stackrel{\·}{v}}_a(v_a-v_1)---\left(2\right)$

其中，f为施加在上吊耳1与下吊耳8之间的作用力，m为动子轴16的质量，为动子轴16的加速度。

对(1)式两边求导并代入(2)式可得：

$f=m\frac{S_1}{S_2}[\frac{S_1}{S_2}({\stackrel{\·}{v}}_2-{\stackrel{\·}{v}}_1)+{\stackrel{\·}{v}}_1]---\left(3\right)$

由于S₁/S₂一般远大于1，所以可近似表示为：

$f=m{\left(\frac{S_1}{S_2}\right)}^2({\stackrel{\·}{v}}_2-{\stackrel{\·}{v}}_1)---\left(4\right)$

又因为直线电机的阻抗表达式为：

$\frac{I_a\left(s\right)}{V_g\left(s\right)}=\frac{1}{R_a+{\mathrm{sL}}_a+Z}---\left(5\right)$

V_g(s)为感应电动势的拉式变换，I_a(s)为感应电流的拉式变换，R_a为电机等效电阻，L_a为电机等效电感，Z为外接电路阻抗。

根据直线电机产生的感应电流与感应电动势关系可得：

V_g＝k_ev_a    (6)

F_e＝k_tI_a    (7)

对直线电机动子进行受力分析可得：

${F-F}_{\mathrm{\ϵ}}=m{\stackrel{\·}{v}}_a---\left(8\right)$

F为施加在动子轴16上的作用力，F_e为电磁作用力，k_t为直线电机力矩常数，k_e为直线电机电动势常数，V_g表示感应电动势。

根据前述方程，可以得到此液电一体式悬架阻抗控制装置的阻抗表达式为：

$\mathrm{ms}{\left(\frac{S_1}{S_2}\right)}^{2}v\left(s\right)\frac{S_2}{S_1}=f\left(s\right)\frac{S_2}{S_1}-\frac{k_t{k}_{\mathrm{\ϵ}}}{R_a+L_{a}s+Z}v\left(s\right)\frac{S_1}{S_2}$

即：

$\frac{f\left(s\right)}{v\left(s\right)}={\left(\frac{S_1}{S_2}\right)}^2(\mathrm{ms}+\frac{k_t{k}_e}{R_a+{\mathrm{sL}}_a+Z})$

可以看出，阻抗控制装置是由机械阻抗与电学阻抗共同组合而成的复合阻抗，由于机械元件已经固结，在实际应用过程中难以通过改变机械阻抗实现复合阻抗的可变，但可以通过改变电学阻抗形式实现复合阻抗的改变，即通过改变外端电路实现更为复杂的悬架复合阻抗的改变。相较于旋转作用式机械元件及电机转子，本发明提出的液力缸筒式质量放大元件及直线电机在应用中受摩擦等非线性因素影响较小，性能稳定；相对于主动、半主动悬架的参数调控机理，本发明具有更优越的动态性能，且原理简单，可以实现更为复杂的悬架复合阻抗形式，具有更广阔的应用前景。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种液电一体式车辆悬架阻抗控制装置，其特征在于，包括电机缸筒(2)、电机工作腔(15)、动子轴(16)、支撑端面(12)、内缸筒工作腔(5)、内缸筒端面(10)和外缸筒端面(7)；所述电机缸筒(2)上部设有上吊耳(1)；所述电机缸筒(2)内侧壁沿径向固定设有电机定子(14)，所述电机定子(14)内均布有绕组(3)，所述绕组(3)与外端控制电路相连；所述电机定子(14)的中部设有动子轴(16)；所述动子轴(16)的一端伸至电机工作腔(15)的顶部，另一端经支撑端面(12)上的开孔与内缸筒端面(10)固定连接；所述动子轴(16)上固定有多个动子磁极(4)与动子磁轭(13)组件；所述支撑端面(12)的上端面固定连接电机缸筒(2)下端面；所述支撑端面(12)下端面分别与内缸筒端面(10)和外缸筒端面(7)的上端面之间设有可沿轴向伸缩的密封装置；所述内缸筒端面(10)位于支撑端面(12)与外缸筒端面(7)之间，且对应于支撑端面(12)所开孔的位置；所述外缸筒端面(7)下部固定连接下吊耳(8)。

2.根据权利要求1所述的液电一体式车辆悬架阻抗控制装置，其特征在于，所述可沿轴向伸缩的密封装置为内缸筒皮碗(6)和外缸筒皮碗(11)，所述内缸筒皮碗(6)两端分别与支撑端面(12)和内缸筒端面(10)连接；所述外缸筒皮碗(11)分别与支撑端面(12)和外缸筒端面(7)连接。

3.根据权利要求1或2所述的液电一体式车辆悬架阻抗控制装置，其特征在于，所述动子轴(16)位于电机定子(14)的中轴线上，且支撑端面(12)的中心开有与动子轴(16)对应的孔。

4.根据权利要求1或2所述的液电一体式车辆悬架阻抗控制装置，其特征在于，所述上吊耳(1)与电机缸筒(2)焊接为一体，所述下吊耳(8)和外缸筒端面(7)焊接为一体。

5.根据权利要求1或2所述的液电一体式车辆悬架阻抗控制装置，其特征在于，所述支撑端面(12)上端与电机缸筒(2)焊接为一体。