CN104691264A - 车辆惯质悬架 - Google Patents

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陈龙
杨军
沈钰杰
杨晓峰
刘雁玲
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Abstract

本发明提供了一种车辆惯质悬架，属于车辆悬架领域；本发明的惯质悬架是将副弹簧与惯容器并联，然后再与阻尼器串联，为避免被动机械元件因承受车身重量导致过载失效的问题，再增设主弹簧与之并联；应用本发明的惯质悬架较传统的悬架性能得到显著改善，汽车行驶平顺性三个评价指标，车身垂直加速度均方根值、悬架动行程均方根值以及轮胎动载荷均方根值都有明显的降低；本发明提供的车辆新型惯质悬架结构在车辆悬架领域具有一定的应用价值。

Description

车辆惯质悬架
技术领域
本发明属于车辆悬架领域，尤其是车辆惯质悬架。
背景技术
2002年，剑桥大学学者Smith为找到一种与电容严格对应的两端点元件，提出了惯容器的概念并给出了实现装置，和机械系统中的弹簧和阻尼器一样，这种装置不需要受限于惯性坐标系，是一种真正的两端点元件。它两端的受力与两端相应的加速度成正比，其比例常数为“惯质系数”，单位为千克。即F＝b(a1-a2)，F为两端所受的力，a1、a2为两端相应的加速度。惯容器能够以较小实体质量而实现较大惯性质量的作用，且具有“通高频、阻低频、相位超前的特点”，而弹簧具有“通低频，阻高频、相位落后”的特点，理论上惯容器与弹簧相结合，可衰减全频率范围内来自路面的振动与冲击，提升悬架性能。因此已研究用于车辆悬架、火车悬架和建筑物隔振中，结果显示系统的性能有明显提高。
随着惯容器的提出，由惯容器、弹簧和阻尼3种基本元件构成的“惯容－弹簧－阻尼”(Inerter-Spring-Damper，简称ISD)车辆悬架改善了悬架的隔振性能。惯容器作为新的被动机械元件引入车辆悬架系统，如何有效设计ISD悬架结构是该领域研究关注的重点。目前主要的研究方法有两种：一种是“黑箱”法，即对被动机械网络结构运用鲁棒控制等算法，按照悬架性能指标得出目标传递函数，再通过网络综合得出具体悬架结构，但这种方法得到的结构往往比较复杂，且容易得到的结构包含杠杆元件，实用性不足；另一种方法是对具体的几个被动ISD悬架结构进行优化，研究性能，由于结构多样化，这种方法完备性不足。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种车辆惯质悬架，将弹簧、阻尼、惯容器三种基本元件进行相互耦合，通过在单自由度系统的振动响应分析，针对车身敏感频段范围，从隔振效果的角度出发，分析二元件耦合隔振机理，提出此车辆惯质悬架。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种车辆惯质悬架，其特征在于，包括主弹簧、副弹簧、阻尼器和惯容器，所述副弹簧与所述惯容器并联后再与所述阻尼器串联，该两级式结构与主弹簧并联。
进一步，所述主弹簧上端点连接于车身，下端点连接于车轮；所述副弹簧与惯容器并联后的上端点连接于车身；所述副弹簧与惯容器并联后的下端点与阻尼器的上端点相铰接；所述阻尼器的下端点连接在车轮上。
在上述方案中，所述惯容器为齿轮齿条式惯容器。
在上述方案中，所述惯容器为滚珠丝杠式惯容器。
在上述方案中，所述惯容器为液压马达式惯容器。
在上述方案中，所述惯容器为流体螺旋管式惯容器。
弹簧与阻尼并联，除在车身偏频处隔振效果有小幅下降，其余频率范围均具有良好的隔振效果；弹簧与阻尼的串联结构，在仿真频域内均具有良好的隔振效果；因此，弹簧与阻尼串并联都能起到隔离振动的效果。惯容器与弹簧的并联结构在仿真频率1～100Hz范围内都有减振效果；串联结构在1～2Hz车身较敏感频率范围有放大振动的影响，所以，惯容器与弹簧在隔振布置上宜采用并联结构。惯容器与阻尼的串联和并联结构在仿真频率范围内振幅传递比都小于1，但惯容器与阻尼的串联结构在隔振效果上明显比并联结构好，且随频率的增大而显著提高，对整体性能的影响较大，所以，惯容器与阻尼在隔振布置上宜采用串联结构。
因此，由以上分析可知，从振动传递的隔振效果上看，弹簧与阻尼串、并联皆可，惯容器与弹簧宜并联，惯容器与阻尼宜串联；本发明的技术方案为将惯容器也弹簧并联，再与阻尼器串联，最后，为避免被动机械元件因承受车身重量导致过载失效的问题，增设主弹簧与之并联。
本发明的有益效果：
(1)相比于传统被动悬架，一种车辆新型惯质悬架结构中弹簧具有蓄放势能、衰减高频振动的作用，阻尼器具有消耗振动能量的作用，惯容器具有蓄放动能、衰减低频振动的作用，三种元件合理应用于车辆悬架中，可有效缓冲和吸收路面各频段内的不平度冲击；
(2)通过优化主、副弹簧刚度、阻尼系数和惯质系数，车辆平顺性评价指标中车身加速度均方根值、悬架动行程均方根值与轮胎动载荷均方根值都有明显改善，行驶平顺性和乘坐舒适性显著提高。
附图说明
图1为本发明所述惯质悬架的结构图。
图2为本发明所述惯质悬架的四分之一模型示意图。
图3为车身垂直加速度功率谱密度对比图。
图4为悬架动行程功率谱密度对比图。
图5为轮胎动载荷功率谱密度对比图。
附图标记说明如下：1为惯容器；2为副弹簧；3为阻尼器；4为主弹簧；5簧上质量；6为簧下质量；7为轮胎等效弹簧。
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，但本发明的保护范围并不限于此。
由二元件隔振耦合作用机理可知，在车身振动较为敏感的频段内，弹簧与阻尼串、并联皆可，惯容器与弹簧宜并联，惯容器与阻尼宜串联。
如图1所示，本发明所述的惯质悬架由主弹簧4、副弹簧2、阻尼器3和惯容器1构成，惯容器1可为齿轮齿条式、滚珠丝杠式、液压马达式或流体螺旋管式；副弹簧2与惯容器1并联，然后再与阻尼器3串联，为避免被动机械元件因承受车身重量导致过载失效的问题，最后增设主弹簧4与之并联。
如图2所示，主弹簧4上端点连接于簧上质量5支点，下端点连接于簧下质量6支点；所述副弹簧2与惯容器1并联后的上端点连接于簧上质量5支点；所述副弹簧2与惯容器1并联后的下端点与阻尼器3的上端点相铰接；所述阻尼器3的下端点连接簧下质量6支点；簧下质量6的下支点与轮胎等效弹簧7的上支点铰接连接；如图所示，Zs、Zc、Zu、Zr分别为车身、阻尼器、轮胎和路面的垂直位移，由路面不平引起的振动与冲击，高频部分和低频部分分别被悬架中的弹簧和惯容器缓冲，并由阻尼器吸收消耗衰减，从而有效改善车辆的行驶平顺性。
通过优化主、副弹簧刚度、阻尼系数和惯质系数，在Matlab环境下仿真得到车身垂直加速度、悬架动行程和轮胎动载荷功率谱密度如图3～图5。从图中可以看出，在车身共振偏频处，来自路面不平度的振动冲击得到显著的衰减抑制；相比于传统悬架，一种应用惯容器的车辆悬架结构其车身加速度均方根值降幅5.0％，悬架动行程均方根值降幅10.8％，轮胎动载荷均方根值降幅9.5％，说明本发明所提供的一种车辆新型惯质悬架结构具有一定的工程应用价值。
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 (6)

1.一种车辆惯质悬架，其特征在于，包括主弹簧(4)、副弹簧(2)、阻尼器(3)和惯容器(1)，所述副弹簧(2)与所述惯容器(1)并联后再与所述阻尼器(3)串联，该两级式结构与主弹簧(4)并联。
2.如权利要求1所述的车辆惯质悬架，其特征在于，所述主弹簧(4)上端点连接于车身，下端点连接于车轮；所述副弹簧(2)与惯容器(1)并联后的上端点连接于车身；所述副弹簧(2)与惯容器(1)并联后的下端点与阻尼器(3)的上端点相铰接；所述阻尼器(3)的下端点连接在车轮上。
3.如权利要求1或2所述的车辆惯质悬架，其特征在于，所述惯容器(1)为齿轮齿条式惯容器。
4.如权利要求1或2所述的车辆惯质悬架，其特征在于，所述惯容器(1)为滚珠丝杠式惯容器。
5.如权利要求1或2所述的车辆惯质悬架，其特征在于，所述惯容器(1)为液压马达式惯容器。
6.如权利要求1或2所述的车辆惯质悬架，其特征在于，所述惯容器(1)为流体螺旋管式惯容器。
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