CN104709023B - 用于包括负刚度的主动悬挂阻尼的方法和装置 - Google Patents

用于包括负刚度的主动悬挂阻尼的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于包括负刚度的主动悬挂阻尼的方法和装置。一种在簧上元件与簧下元件之间的悬架组件包括主动悬架系统，其具有可控载荷承载弹簧元件，该载荷承载弹簧元件在簧上元件与簧下元件之间设置有负刚度元件。所述负刚度元件具有与主动悬架系统的正弹簧系数相反的负刚度常数，以在静态条件下实现悬架组件的为零的总弹簧刚度。

Description

用于包括负刚度的主动悬挂阻尼的方法和装置
技术领域
本发明涉及采用主动元件的用于抑制簧上元件与簧下元件之间的振动的设备。
背景技术
该部分的陈述只是提供与本发明相关的背景信息。因而，该陈述不是意在构成承认为现有技术。
悬架系统通过吸收和分散在簧下元件处经受的振动输入，而用来使簧上元件与脉动和振动能量输入分离。悬架系统用在静止系统和包括客车的移动系统两者上。已知的悬架系统元件包括与阻尼元件并联和/或串联联接的弹簧元件，阻尼元件例如是包括流体或气动能量吸收和分散特征的吸震器。
当在车辆系统上使用时，包括弹簧和阻尼器的悬架系统配置为共同提供与乘客乘坐舒适性、车辆操纵以及保持行驶方向能力相关的性能特征。乘坐舒适性通常与车辆的主弹簧的弹簧常数、乘客座位的弹簧常数、轮胎以及阻尼器的阻尼系数相关地管理。为了最佳的乘坐舒适性，相对较低的阻尼力或软式乘坐是优选的。车辆操纵涉及车辆姿势的变化，车辆姿势关于侧倾、纵倾和横摆来定义。为了最佳的车辆操纵，需要相对较大的阻尼力或硬式乘坐，以避免在转弯、加速和减速期间车辆姿势的过快变化。保持行驶方向能力通常涉及轮胎与地面之间的接触量。为了优化保持行驶方向能力，当在不规则的表面上驾驶时，需要较大的阻尼力，以防止在单个车轮与地面之间失去接触。已知的车辆悬挂阻尼器采用各种方法来响应于车辆操作特性的变化调节阻尼特性。
主动车辆悬架系统采用控制各种悬挂参数的致动器，来响应于操作条件在车辆运行期间动态地调节乘客乘坐舒适性、车辆操控和保持行驶方向能力中的一个或多个。该致动器由可以消耗车载动力的液压源、气动源或其他动力源控制。
发明内容
一种在簧上元件与簧下元件之间的悬架组件，包括主动悬架系统，该主动悬架系统具有可控载荷承载弹簧元件，该载荷承载弹簧元件在簧上元件和所述簧下元件之间设置有负刚度元件。负刚度元件具有与主动悬架系统的正弹簧系数相反的负刚度常数,以在静态条件下实现悬架组件的为零的总弹簧刚度。
本发明还提供如下方案：
1. 一种在簧上元件与簧下元件之间的悬架组件，包括:
主动悬架系统，包括可控载荷承载弹簧元件，该载荷承载弹簧元件在所述簧上元件和所述簧下元件之间设置有负刚度元件，所述负刚度元件具有与所述主动悬架系统的正弹簧系数相反的负刚度常数,以在静态条件下实现所述悬架组件的为零的总弹簧刚度。
2. 根据方案1所述的悬架组件，其中所述主动悬架系统与所述负刚度元件并联地布置在所述簧上元件和所述簧下元件之间。
3. 根据方案1所述的悬架组件，其中所述负刚度元件的负刚度常数是非线性的。
4. 根据方案1所述的悬架组件，其中所述负刚度元件的负刚度常数是线性的。
5. 根据方案1所述的悬架组件，其中所述负刚度元件包括相对的流体缸，其配置为利用从所述主动悬架系统供应的流体压力推动所述簧上元件远离所述簧下元件。
6. 根据方案1所述的悬架组件，其中所述负刚度元件包括多个相对的永久磁铁，所述永久磁铁在相互排斥状态下能够配置到第一位置并且在非相互排斥状态下能够配置到第二位置。
7. 根据方案1所述的悬架组件，其中所述负刚度元件包括配置为推动所述簧上元件远离所述簧下元件的机械弹簧。
8. 根据方案7所述的悬架组件，其中所述机械弹簧实现与所述主动悬架系统的正弹簧系数相反的负刚度常数，以在静态条件下实现所述悬架组件的接近零的总弹簧刚度。
9. 根据方案1所述的悬架组件，其中所述负刚度元件包括在第一连结点和第二连结点之间施加张力的弹簧元件，所述第一连结点和第二连结点包括第一相对构件的端部和第二相对构件的端部，所述第一相对构件具有联接到所述簧上构件的远端，所述第二相对构件具有联接到所述簧下构件的远端。
10. 根据方案9所述的悬架组件，其中所述弹簧元件基于负刚度常数施加所述张力，所述负刚度常数与用于所述弹簧的弹簧常数、由所述弹簧施加到所述第一连结点和第二连结点的预加载力、以及具有联接到所述簧上构件的远端的所述第二相对构件的长度相关地确定。
11. 一种用于车身的悬架系统，包括：
用于多个与地面接触的车辆车轮的每个的相应悬架组件，每个悬架组件包括在所述车身与所述相应车辆车轮之间布置有相应负刚度元件的相应可控悬架系统；
每个可控悬架系统包括相应载荷承载弹簧元件；以及
每个负刚度元件具有与所述相应可控悬架系统的相应正弹簧系数相反的相应负刚度常数，以在静态条件下实现所述相应悬架组件的接近零的总弹簧刚度。
12. 根据方案11所述的悬架系统，还包括配置在所述车身与所述车辆车轮之间的横向稳定杆，其中所述横向稳定杆包括相应负刚度元件，所述负刚度元件配置为在稳态运行情况下，在所述横向稳定杆上产生与由所述车辆车轮的悬架弹簧产生的力相反的力矩。
13. 根据方案12所述的悬架系统，其中所述横向稳定杆的负刚度元件包括配置为在所述横向稳定杆上产生所述相反的力矩的永久磁铁设备。
14. 根据方案11所述的悬架系统，还包括配置在所述车身与所述车辆车轮中的一个之间的扭力杆，其中所述扭力杆包括相应负刚度元件，所述负刚度元件配置为在所述扭力杆上产生与所述扭力杆在所述车辆车轮中的一个上的力相反的力矩。
15. 根据方案14所述的悬架系统，其中所述扭力杆的负刚度元件包括永久磁铁设备，所述永久磁铁设备配置为在所述扭力杆上产生所述相反的力矩。
16. 根据方案11所述的悬架组件，其中每个负刚度元件包括相应相对的流体缸，所述流体缸配置为利用从所述可控悬架系统供应的流体压力推动所述车身远离相应的车辆车轮。
17. 根据方案11所述的悬架组件，其中所述负刚度元件包括相应的多个相对的永久磁铁，所述永久磁铁在相互排斥状态下能够配置到第一位置并且在非相互排斥状态下能够配置到第二位置。
18. 根据方案11所述的悬架组件，其中所述负刚度元件包括配置为推动所述车身远离所述车辆车轮的机械弹簧。
附图说明
现在将参考附图以示例方式描述一个或多个实施例，在附图中：
图1示出了根据本发明的悬架组件，该悬架组件包括用来抑制簧上元件与簧下元件之间的振动的负刚度元件；
图2示出了根据本发明的用于包括弹簧和负刚度元件的悬挂部件的在横轴上的偏移（m，行程）和在纵轴上的载荷（N）；
图3示出了根据本发明的包括用来抑制簧上元件与簧下元件之间的振动的主动悬架系统和负刚度元件的悬架组件的实施例的自由体受力图；
图4示出了根据本发明的包括主动抑制簧上元件与簧下元件之间的振动的主动悬架系统和负刚度元件的示例性悬架组件；
图5示出了根据本发明的包括主动抑制簧上元件与簧下元件之间的振动的主动悬架系统和负刚度元件的另一个示例性悬架组件；
图6示出了根据本发明的包括主动抑制簧上元件与簧下元件之间的振动的主动悬架系统和负刚度元件的另一个示例性悬架组件；
图7-1示出了根据本发明的包括主动抑制簧上元件与簧下元件之间的振动的主动悬架系统和负刚度元件的另一个示例性悬架组件；
图7-2示出了根据本发明的包括与第二永久磁铁组件同轴的第一永久磁铁组件的负刚度元件的示意侧视图；
图8示出了根据本发明的包括主动抑制簧上元件与簧下元件之间的振动的主动悬架系统和负刚度元件的另一个示例性悬架组件；
图9示出了根据本发明的包括联接到车辆车轮的采用负刚度元件的横向稳定杆的悬架配置；
图10示出了根据本发明的包括联接到车辆车轮的采用负刚度元件的扭力杆的悬架配置；
图11示出了根据本发明的配置为与悬挂元件相互作用的负刚度元件的剖视图；
图12-1示出了根据本发明的与执行动作的车辆的模拟性能相关联的操作数据，所述动作用于评估悬架系统性能，包括与时间（秒）相关的车辆举起加速度（g）；
图12-2示出了根据本发明的与执行动作的车辆的模拟性能相关联的操作数据，所述动作用于评估悬架系统性能，包括与频率（Hz）相关的车辆举起加速度（g）；
图12-3示出了根据本发明的与执行动作的车辆的模拟性能相关联的操作数据，所述动作用于评估悬架系统性能，包括与频率（Hz）相关的能量流（升/分钟）；
图13示出了根据本发明的表示图6的主动悬架系统的实施例的力和力矩臂的自由体受力图，图6的主动悬架系统具有张紧在刚性构件的远端之间的弹簧形式的负刚度元件，每个刚性构件具有联接到连结点的近端；
图14示出了根据本发明的用于在本文中描述的包括负刚度元件的悬架系统的实施例的与载荷（N）相关的偏移（m，行程）；以及
图15示出了根据本发明的用于在本文中描述的包括具有由多个初始偏移点指示的多个非线性位移的负刚度元件的悬架系统的实施例的与载荷（N）相关的偏移（m，行程）。
具体实施方式
现在参考附图，其中图示仅是为了例示某些示例性实施例而不是为了限制某些示例性实施例，图1示意地示出了悬架组件16，悬架组件16包括载荷承载主动悬架系统20和用来抑制簧上元件10与簧下元件18之间的振动的负刚度元件30。如图所示，簧上元件是车身10，并且簧下元件包括支撑与地面接触的车轮组件18的下控制臂14。下控制臂14在铰接点12处附接到车身10，并且与上控制臂共同作用，以提供用于安装车轮组件18的基座元件。用于安装车辆车轮组件18的细节是已知的，并且因此不在本文中描述。主动悬架系统20配置为响应于作用在车辆上的静态载荷和动态力提供完全主动悬挂，例如主动液压气动（AHP）系统，用于增强的载荷调节和调平以及乘坐和操纵性能。
主动悬架系统包括响应于静态载荷、动态载荷和载荷传递、停车以及故障安全操作的硬件和控制机构。用于车辆修整和调平的硬件和控制机构配置为响应于静态载荷和静态载荷变化。配置为实现调平锁定的硬件和控制机构响应于停车动作。响应于动态载荷、载荷传递、停车以及故障安全操作的硬件和控制机构优选地包括脱离机构，以使主动悬架系统的一个或多个元件脱离。响应于动态载荷和载荷传递的硬件和控制机构优选地包括实现较大阻尼力或牢固悬挂的机构，以避免在转弯、加速和减速期间车辆姿势的过快变化，并且防止在单个车轮与地面之间失去接触。术语弹簧系数、弹簧常数和刚度是类似术语，它们都是指与弹簧的偏移相关的由弹簧施加的力的变化。
负刚度元件30与主动悬架系统20相互作用，以提供优选的乘坐和操纵性能，同时容许静态载荷和动态载荷变化，包括与较低动态刚度结合地支撑较大载荷以隔离振动。这样使得能够将悬架组件16的总弹簧系数减小到位于零或接近零的大小，同时保持静态载荷承载能力。悬架组件16实现用于乘客舒适性的优选乘坐、以及用于安全的车轮/轮胎抓地力，同时对于在操控动作期间静态载荷由于质量变化而发生的变化和动态载荷变化具有敏感性，同时使主动悬架系统20的能量消耗最小。控制器55配置为响应于由车载传感器和建模性能参数指示的操作条件的变化，来控制主动悬架系统20的元件和负刚度元件30。主动悬架系统20包括载荷承载元件，其支撑并传递簧下元件14和簧上元件10之间即下控制臂14与车身10之间的静态力和动态力以及载荷输入。如图所示，负刚度元件30与主动悬架系统20并联布置。如图所示，主动悬架系统20和负刚度元件30在车身10上一起终止在铰接点17处并且在下控制臂14上一起终止在铰接点15处。
负刚度元件30与主动悬架系统20在簧上元件10与簧下元件14之间共同作用，包括产生与由主动悬架系统20产生的弹簧力相反的弹簧力。负刚度元件30的反力帮助将簧上元件10与簧下元件14分离。负刚度元件30优选地具有抵消主动悬架系统20的正弹簧系数的大小的负刚度常数，以在静态条件下在主动悬架系统20的较小偏移处实现较小或为零的总弹簧刚度。
控制模块、模块、控制部、控制器、控制单元、处理器以及类似的术语表示以下部件中的一个或多个的任意一种或者各种组合：专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序或者例行程序的中央处理器(优选微处理器)及相关联的内存和存储器(只读存储器、可编程只读存储器、随机存取存储器、硬盘驱动器等)、组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、适当的信号调节及缓冲电路、以及提供所述功能的其它部件。软件、固件、程序、指令、例行程序、代码、算法以及类似的术语表示包括校准和查找表在内的任何指令集。控制模块具有一组控制例行程序，通过执行这组例行程序来提供期望的功能。例行程序例如由中央处理器执行，并且可操作来监测来自感测装置和其它联网控制模块的输入，并执行控制和诊断例行程序而控制致动器的操作。在正在进行的车辆运行期间，可以以定期间隔(例如每100微秒、3.125、6.25、12.5、25和100毫秒)来执行例行程序。替代地，可以响应于事件的发生来执行例行程序。
图2图示地表示包括弹簧和负刚度元件的悬挂部件在横轴120上的偏移（m，行程）和在纵轴110上的载荷（N），其中偏移发生在簧上元件与簧下元件之间。没有负刚度元件的悬架的总正弹簧系数示出在线112上，没有静态载荷承载部件，并且描绘了偏移与载荷之间的线性关系k。线116描绘了悬架系统的与载荷相关的理想偏移，以实现施加在簧上元件与簧下元件之间的与位移无关地基本上恒定的力，从而与施加在簧下元件例如车轮上的力无关地在簧上元件例如车身上实现基本上恒定的力。负刚度元件提供与弹簧系数112相反的弹簧力。具有线性位移的负刚度元件示出在线114，同时具有非线性位移的负刚度元件示出在线115。线118图示地表示将在线112上显示的线性弹簧的弹簧系数与具有在线114所示的线性位移的负刚度元件的弹簧系数组合的系统的偏移。线119图示地表示将在线112上显示的悬架的弹簧系数与具有在线115所示的非线性位移的负刚度元件的弹簧系数组合的系统的偏移。包括将在线112上显示的悬架的弹簧系数与具有非线性位移的负刚度元件的弹簧系数组合的系统的偏移的在线119所示的性能在较小偏移处实现低或零的总弹簧刚度，并且在较大偏移处实现增大的刚度。这样的弹簧性能实现与乘客乘坐舒适性、车辆操控以及保持行驶方向能力相关的优选性能特征，包括软弹簧（数值较小的弹簧系数k）以产生良好的隔离并且因此产生操作者感觉到的舒适乘坐，结合硬弹簧（数值较大的弹簧系数k）以减小与转向和制动/加速动作相关联的侧倾角和纵倾角。
与具有非线性位移的负刚度元件相比，跨越其整个范围具有线性位移的负刚度元件提供改进的乘坐性能。具有非线性位移的负刚度元件帮助减少急转弯动作中的能量消耗。使用具有非线性位移的负刚度元件在驾驶动作期间可以消除对于主动地接合和分离负刚度元件的需要。可能仍然更想要将负刚度元件配置为接合和分离以用于停车和/或用于故障安全操作。
图3表示包括用来抑制簧上元件与簧下元件之间的振动的主动悬架系统320和负刚度元件的悬架组件的实施例的自由体受力图。主动悬架系统320包括具有刚度常数KSV的弹簧和能够动态地调节的可控阻尼器元件。负刚度元件示出为在连结点305处并联连接的刚性元件302和304的形式，并且力P 310沿着标称水平方向施加在元件302和304的远端上。利用负刚度常数KN来描述负刚度元件。负刚度常数KN是可调的，并且可以与预加载力P以及刚性元件302和304的长度相关地确定。可以通过改变每个刚性元件302和304的长度l、沿着水平方向施加在元件302和304的远端上的预加载力P 310、包括调节在悬架系统中采用的弹簧的刚度以实现预加载力P 310，来将负刚度常数KN调节到优选负刚度。这样，负刚度常数KN可以根据以下关系来确定：
【1】
其中FN是施加在刚性元件302和304上的总法向标称水平力，
δ是刚性元件302和304在连结点305处沿着标称竖直方向的偏移，以及
l是每个刚性元件302和304的长度。
可控弹簧320沿着标称竖直方向以可动态调节刚度常数KSV起作用。力325由簧上元件沿着竖直方向在连结点305处施加在悬架系统上。悬架系统的整体弹簧常数K为可动态调节刚度常数KSV与负刚度常数KN之间的差值，其可以根据以下关系来确定：
K＝KSV－KN 【2】
优选地，与负刚度常数KN相关地控制可动态调节刚度常数KSV，以便整体弹簧常数K在簧上元件的连结点305处产生零竖直偏移，而与由簧上元件沿着竖直方向在连结点305处施加在悬架系统上的力325的大小无关。该配置促进了能够以较低动态刚度支撑较大静态载荷的悬架系统有效地隔离振动，同时使得能够实现总可控弹簧常数，该弹簧常数在静态条件下，响应于静态车辆加载变化以及响应于与车辆操控、转弯以及粗糙路面条件相关联的动态载荷变化，而接近零。
图4示意地表示包括主动悬架系统20和负刚度元件430的悬架组件16的实施例，主动悬架系统20和负刚度元件430由控制器55控制，以主动地抑制簧上元件10例如车身与簧下元件18例如车轮之间的振动，从而在正在进行的运行期间动态地实现与乘客乘坐舒适性、车辆操控及保持行驶方向能力相关联的优选操作参数。在此所示的悬架组件16与机动化车辆的角部或车轮的单个相关联。四轮车辆可以在所有四个角部上采用悬架组件16。替代地，四轮车辆可以在前角上采用悬架组件16，其中一部分悬架组件16例如主动悬架系统20与横向稳定杆或扭力杆结合地在后角上使用。横向稳定杆和扭力杆也可以在前角上使用。
主动悬架系统20包括气簧22、缸24、第一多态流量控制阀26和恒压流体源28。恒压源28以恒定压力将流体例如空气或液压流体供应到缸24，其在活塞25上产生竖直力，竖直力经由竖直构件传递到负刚度元件430中的连结点405。缸24还流体地联接到气簧22，以通过缸24为主动悬架系统20提供可动态调节的弹簧功能。缸24还经由第二多态流量控制阀32流体地联接到负刚度元件430。
负刚度元件430包括安装在刚性地连接到缸24的框架431中的相对流体缸432和434。相对流体缸432和434中的可动活塞分别连接到刚性元件402和404的远端，刚性元件402和404每个具有联接到连结点405的近端。到流体缸432和434的压力来源于恒压源28，并且被引导通过缸24和第二多态流量控制阀32。在该实施例中，流体缸432和434在刚性元件402和404的远端上产生压缩力，以推动下控制臂14远离车身10从而实现负刚度。选择特定设计特征，包括刚性元件402和404的长度和气簧22的弹簧常数，以在静态加载情况下实现主动悬架系统20的组合元件的为零或接近零的整体弹簧常数K。
在运行中，当第一多态流量控制阀26控制在第一位置（如图所示）并且第二多态流量控制阀32控制在第一位置（如图所示）时，主动悬架系统20与负刚度元件430共同运行。负刚度元件430可以通过将第二多态流量控制阀32控制到第二位置来停用，从而允许流体排放到贮存器40。为了停车动作和作为故障安全系统的一部分，该动作消除了负刚度，这在路面应对动作和粗糙路面事件期间会是期望的。
图5示意地表示包括主动悬架系统20和负刚度元件530的悬架组件16的另一个实施例，主动悬架系统20和负刚度元件530由控制器55控制来主动地抑制簧上元件10例如车身与簧下元件18例如车轮之间的振动，从而在正在进行的运行期间实现与乘客乘坐舒适性、车辆操控及保持行驶方向能力相关联的优选操作参数。在此所示的悬架组件16与机动化车辆的角部或车轮的单个相关联。
主动悬架系统20包括气簧22、缸24、第一多态流量控制阀26和恒压流体源28。恒压源28以恒定压力将流体例如空气或液压流体到供应缸24，其在活塞上产生竖直力，竖直力经由竖直构件传递到负刚度元件530中的连结点505。缸24还流体地联接到气簧22以提供弹簧功能。缸24还经由第二多态流量控制阀32流体地联接到负刚度元件530。
负刚度元件530包括联接到缸24的第一相对构件531，第一相对构件531在连结点503处联接到第二相对构件535，第二相对构件535在连结点505处联接到下控制臂14。刚性构件502和504具有联接到连结点503的远端和联接到连结点505的近端。相对流体缸532和534分别连接到刚性元件502和504的远端。在该实施例中，流体缸532和534在刚性元件502和504的远端上产生张力，以推动下控制臂14远离车身10从而实现负刚度。到流体缸532和534的压力来源于恒压源28，并且被引导通过缸24和第二多态流量控制阀32。选择特定设计特征，包括刚性元件502和504的长度和气簧22的弹簧常数，以在静态加载情况下实现主动悬架系统20的组合元件的为零或接近零的整体弹簧常数K。
当第一多态流量控制阀26控制在第一位置（如图所示）并且第二多态流量控制阀32控制在第一位置（如图所示）时，主动悬架系统20与负刚度元件530共同运行。负刚度元件530可以通过将第二多态流量控制阀32控制到第二位置来停用，从而允许流体排放到贮存器40。该动作减少或消除了负刚度元件的影响，这在路面应对动作和粗糙路面事件期间会是期望的。
图6示意地表示包括主动悬架系统20和负刚度元件630的悬架组件16的另一个实施例，主动悬架系统20和负刚度元件630由控制器55控制来主动地抑制簧上元件10例如车身与簧下元件18例如车轮之间的振动，以在正在进行的运行期间实现与乘客乘坐舒适性、车辆操控及保持行驶方向能力相关联的优选操作参数。在此所示的悬架组件16与机动化车辆的角部或车轮的单个相关联。
主动悬架系统20包括气簧22、缸24、第一多态流量控制阀26和恒压流体源28。恒压源28以恒定压力将流体例如空气或液压流体供应到缸24，其在活塞上产生竖直力，竖直力经由竖直构件传递到负刚度元件630中的连结点605。缸24还流体地联接到气簧22以提供弹簧功能。
负刚度元件630包括第一相对构件631，第一相对构件631在连结点603和603’处联接到第二相对构件635，其中弹簧632张紧在连结点603和603’之间。第一相对构件631的远端联接到缸24，并且第二相对构件635的远端在连结点605联接到下控制臂14。弹簧632在连结点603和603’之间施加张力，以推动下控制臂14远离车身10从而实现负刚度。选择特定设计特征，包括弹簧632的弹簧常数和气簧22的弹簧常数，以在静态加载情况下实现主动悬架系统20的组合元件的为零或接近零的整体弹簧常数K。在运行中，当第一多态流量控制阀26控制在第一位置（如图所示）时，主动悬架系统20与负刚度元件630共同运行。
图7－1示意地表示包括主动悬架系统20和负刚度元件730的悬架组件16的另一个实施例，主动悬架系统20和负刚度元件730由控制器55控制来主动地抑制簧上元件10例如车身与簧下元件18例如车轮之间的振动，以在正在进行的运行期间实现与乘客乘坐舒适性、车辆操控及保持行驶方向能力相关联的优选操作参数。在此所示的悬架组件16与机动化车辆的角部或车轮的单个相关联。
主动悬架系统20包括气簧22、缸24、第一多态流量控制阀26和恒压流体源28。恒压源28以恒定压力将流体例如空气或液压流体供应到缸24，这在可动活塞25上产生竖直力，竖直力经由竖直构件传递到负刚度元件730的第一永久磁铁组件740。缸24还流体地联接到气簧22以提供弹簧功能。主动悬架系统20如图所示与负刚度元件730布置成串联配置。替代地，主动悬架系统20可以与负刚度元件730以并联配置布置在簧上元件10与簧下元件18之间。
负刚度元件730包括配置为圆柱形柱塞的第一永久磁铁组件740，其与配置为同轴环形管的第二永久磁铁组件750同轴。第二永久磁铁组件750固定地联接到缸24的壁。第一永久磁铁组件740和第二永久磁铁组件750配置为具有标称北极732和南极734的多个相对永久磁铁735，它们可以在相互排斥状态下配置到第一位置，并且可以在相对永久磁铁处于非相互排斥状态的情况下配置到第二位置。负刚度元件730与由气簧22施加在活塞25上的弹簧力相反。
图7－2是包括与第二永久磁铁组件750同轴的第一永久磁铁组件740的负刚度元件730的示意侧视图，其包括名义上称为北极732和南极734的磁极。力矢量示出为包括作用在相邻永久磁铁组件740和750的相应北磁极732之间以及相邻永久磁铁组件740和750的相应南磁极之间的压缩力755和排斥磁力753。作为参考，具有1 kg质量的磁性元件能够产生3000 N的排斥力，这在为相对永久磁铁组件740和750设计适当的尺寸和配置时可以使用，以实现期望的负刚度。排斥力推动下控制臂14远离车身10以实现负刚度。可以通过改变第一永久磁铁组件740相对于第二永久磁铁组件750的朝向来中和磁极，从而停用负刚度元件730。
图8示意地表示包括主动悬架系统20和负刚度元件830的悬架组件16的另一个实施例，主动悬架系统20和负刚度元件830由控制器55控制来主动地抑制簧上元件10例如车身与簧下元件18例如车轮之间的振动，以在正在进行的运行期间实现与乘客乘坐舒适性、车辆操控及保持行驶方向能力相关联的优选操作参数。在此所示的悬架组件16与机动化车辆的角部或车轮的单个相关联。
主动悬架系统20包括气簧22、缸24、第一多态流量控制阀26和恒压流体源28。恒压源28以恒定压力将流体例如空气或液压流体供应到缸24，其在活塞25上产生竖直力，活塞25包括负刚度元件830的第一永久磁铁组件840。缸24还流体地联接到气簧22以提供弹簧功能。负刚度元件830进一步集成在缸24中，因为第二永久磁铁组件850结合到缸24的壁中，并且因此联接到车身10以对其传递力。这样，主动悬架系统20可以如图所示与负刚度元件830布置成串联配置。负刚度元件830与由气簧22施加在活塞25上的弹簧力相反。
负刚度元件830包括具有标称北极832和南极834的多个相对永久磁铁835，它们可以在相互排斥状态下配置到第一位置，并且在相对永久磁铁处于非相互排斥状态的情况下配置到第二位置。在一个实施例中，相对永久磁铁组件包括配置为圆柱形柱塞的第一永久磁铁组件840，其与配置为同轴环形管的第二永久磁铁组件850同轴。第一永久磁铁组件840集成到缸24的活塞25中并且联接到下控制臂14，并且第二永久磁铁组件850集成到缸24的壁。在运行中，当第一多态流量控制阀26被控制在第一位置（如图所示）时，主动悬架系统20与负刚度元件830共同运行。
图9表示包括横向稳定杆940的悬架系统的实施例，其采用负刚度元件930来抑制簧上元件例如车身910与簧下元件例如车辆车轮918之间的振动。横向稳定杆940是U形设备，具有在支架912处安装到车身910的第一部分944和联接到每个支架913的臂部942。横向稳定杆940优选地配置有由具有高硬度的钢和其他适当材料制成的第一部分944和由具有低硬度的钢和其他适当材料制成的臂部942。负刚度元件930安装在车身910上，并且在与臂部942的连结点附近在第一部分944上操作性地联接到横向稳定杆940。在一个实施例中，负刚度元件930采用相对永久磁铁，其实施例参考图11示出。车轮918安装在车轴915上，车轴915联接到支架913，支架913利用弹簧924联接到车身910。每个负刚度元件930配置为在稳态运行情况下在横向稳定杆940上产生与弹簧924的力相反的力矩。负刚度元件930在稳态车辆运行条件下在横向稳定杆940上产生向车轮918传递的力矩。在车辆转弯动作期间，负刚度元件930不与横向稳定杆940的功能互相干涉。在一个实施例中，控制器940在车辆转弯动作期间停用负刚度元件930。替代地，负刚度元件930是没有外部控制的被动设备。
图10表示包括经由支架913联接到车辆车轮918的扭力杆970和轴段915的悬架配置。扭力杆970经由铰接元件联接到车身910。扭力杆970优选地配置有由具有高硬度的钢或其他适当材料制成的第一部分973和由具有低硬度的钢或其他适当材料制成的臂部971。采用相对永久磁铁的负刚度元件930联接到车身910并且作用在扭力杆970的第一部分973上。与扭力杆970相互作用的负刚度元件930的配置的一个实施例参考图11示出。负刚度元件930在稳态运行期间在扭力杆970上产生向车轮918传递的力矩，其中在扭力杆970上产生的力矩与稳态运行情况下的扭力杆970的力相反。在车辆转弯和在后轮或前轮上施加扭矩的其他动作期间，负刚度元件930是不起作用的，即不提供贡献。在车辆转弯动作期间，负刚度元件930是不起作用的或者停用的，并且因此不与扭力杆970的功能相互干涉。在一个实施例中，控制器940在车辆转弯动作期间使负刚度元件930停用。替代地，负刚度元件930是没有外部控制的被动设备。
图11表示配置为与悬挂元件955相互作用的负刚度元件930的实施例的剖视图。悬挂元件955在一个实施例中为横向稳定杆，并且在另一个实施例中为扭力杆。负刚度元件930包括联接到车身910的外圆环部950。外圆环950包括多个圆周放置的永久磁铁，永久磁铁包括北极960和南极970。悬挂元件955具有对应的多个圆周放置的永久磁铁940，永久磁铁940定向为，外圆环950的北极960与悬挂元件955的永久磁铁940的北极960相对，并且外圆环950的南极970与悬挂元件955的永久磁铁940的南极970相对。
图12－1图示地表示与执行测试悬架系统性能的动作的车辆的模拟性能相关联的操作数据，包括与在横轴1215上的时间（秒）相关的在纵轴1210上的车辆举起加速度（g）。图12-2图示地表示与执行测试悬架系统性能的动作的车辆的模拟性能相关联的操作数据，包括与在横轴1225上的频率（Hz）相关的在纵轴1220上的车辆举起加速度（g）。图12-3图示地表示与执行测试悬架系统性能的动作的车辆的模拟性能相关联的操作数据，包括与在横轴1225上的频率（Hz）相关的在纵轴1230上的能量流（升/分钟）。
绘制数据包括采用包括磁流变（MR）阻尼器1240的主动悬架系统的模拟系统、采用用于增强的载荷调节和调平1242、1244的主动液压气动（AHP）系统的第一和第二实施例的模拟系统、以及采用使用AHP和负刚度元件1246的系统的实施例的模拟系统的结果。该结果指示，与相关系统相比，与负刚度元件1246结合采用AHP的系统提供最小的举起大小和振动以及最小的能量消耗。
图13描绘了表示参考图6描述的主动悬架系统的实施例的力和力矩臂的自由体受力图，主动悬架系统具有张紧在刚性构件的远端之间的弹簧形式的负刚度元件，负刚度元件每个具有联接到连结点1346的近端。如图所示，弹簧为力矢量p的形式，其与来自主体1355的力和来自刚性构件1315的压缩力一起作用在点1303和1303’处。法向力FN 1345作用在连结点1346处，并且被描述为将负刚度元件保持在稳态所需要的力。在连结点1345处的法向力FN 可以根据下面的关系确定。
【3】
其中p是负刚度元件的弹簧力1325，
△l是负刚度元件的标称水平初始偏移，指示在负刚度元件上的预载荷，
kspring是负刚度元件的弹簧刚度，
l是每个刚性构件的长度，
x是到连结点1346的竖直偏移1330，
y是到连结点1365的水平距离1330。
可以通过改变刚性构件的长度l、改变在负刚度元件上的预载荷△l、以及改变负刚度元件的弹簧刚度kspring，来调节负刚度元件的特性。
作为示例，负刚度元件的非线性力关系可以使用以下的方程3的形式来描述。
【4】
对于在x=0的竖直偏移（x0）处的已知期望负刚度常数，弹簧系数可以如下表达。
其中kp是线性弹簧的正弹簧系数。
负刚度元件的弹簧刚度kspring可以根据以下关系确定。
【5】
这包括根据以下关系确定负刚度元件的优选初始偏移△l。
【6】
当根据以下关系确定初始竖直偏移x0时：
【7】
可以根据以下关系确定线性负刚度常数kNS。
【8】
这样允许了考虑负刚度元件的初始预载荷△l的变化来设定初始竖直偏移点x0的设计，负刚度元件的的力在初始竖直偏移点x0处消失，以在悬架中实现不同的非线性性能特性。
图14图示地表示采用在本文中描述的包括负刚度元件的悬架组件的实施例的悬架系统的关于在横轴1420上的竖直偏移（m，行程）和纵轴1410上的载荷（N）的相关术语。表示没有负刚度元件的悬架的总正弹簧系数的正弹簧系数kp示出在线1426上，没有静态载荷承载部件，包括零竖直偏移点1430。具有非线性位移的负刚度元件示出在线1428，包括在1422的初始偏移点△l。线1424图示地表示将在线1426上所示的悬架的弹簧系数和具有在线1428处所示的非线性位移的负刚度元件组合的系统的偏移。在零竖直偏移点1430处，负刚度元件具有零偏移弹簧系数k0。线1423描绘了作为线性弹簧系数kp和负刚度元件的零偏移弹簧系数k0的数值求和的结果的总弹簧系数。在点1422处的初始偏移点△l指示负刚度元件不再施加力到悬架系统上的偏移点。
图15图示地表示采用在本文中描述的包括负刚度元件的悬架系统的实施例的悬架系统的关于在横轴1520上的偏移（m，行程）和在纵轴1510上的载荷（N）的相关术语，负刚度元件具有在线1528处所示的多个非线性位移并且由多个初始偏移点x0指示，作为示例，包括描绘0.05 m的初始偏移点x0的点1522和描绘0.08 m的初始偏移点x0的点1524。可以使用参考方程6所示的关系来确定对应的初始弹簧偏移△l。表示没有负刚度元件的悬架的总正弹簧系数的正弹簧系数示出在线1526上，没有静态载荷承载部件，并且描绘了偏移与载荷之间的线性弹簧系数kp，包括零竖直偏移点1530。线1523描绘了作为线性弹簧系数kp和作为线性负刚度常数的零偏移弹簧系数k0的数值求和的结果的偏移。
线1528图示地表示与初始弹簧偏移△l相关联的多个非线性位移，初始弹簧偏移△l包括在1522处所示的对应于点x0=0.05 m的初始弹簧偏移△l和在1524处所示的对应于点x0=0.08 m的初始弹簧偏移△l。线1525图示地表示将在线1526上所示的悬架的弹簧系数和具有在线1528处所示的多个非线性位移的负刚度元件组合的系统的多个偏移。这包括线1532，其表示将在线1526上所示的悬架的弹簧系数和具有在1522处所示的对应于点x0=0.05 m的初始弹簧偏移△l的负刚度元件组合的系统的偏移。这包括线1534，其表示将在线1526上所示的悬架的弹簧系数和具有在1524处所示的对应于点x0=0.08 m的初始弹簧偏移△l的负刚度元件组合的系统的偏移。这样，可以通过改变弹簧中的初始预载荷，来改变负刚度元件停止施加力到悬架中的点x0。
包括主动悬挂和负刚度的悬架组件配置为以较低的动态刚度来静态地支撑较大的载荷，以隔离振动。优选地，在静态加载情况下，悬架组件的组合元件的总弹簧系数为零或接近零。可以使用各种技术来实现的这样的主动悬架和负刚度的组合包括用于在转弯动作期间接合和脱离负刚度以及减少能量消耗的机构。
本发明已经描述了某些优选实施例及其修改。其他人在阅读并理解本说明书时，可能想到进一步的修改和变更。因此，旨在本发明不局限于作为用于实施本发明而设想的最佳方式所公开的具体实施例，而是本发明将包括落在所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (17)

1.一种在簧上元件与簧下元件之间的悬架组件，包括：
主动悬架系统，包括可控载荷承载弹簧元件，该载荷承载弹簧元件在所述簧上元件和所述簧下元件之间设置有负刚度元件，所述负刚度元件具有与所述主动悬架系统的正弹簧系数相反的负刚度常数,以在静态条件下实现所述悬架组件的为零的总弹簧刚度，
其中所述负刚度元件包括在第一连结点和第二连结点之间施加张力的弹簧元件，所述第一连结点和第二连结点包括第一相对构件的端部和第二相对构件的端部，所述第一相对构件具有联接到所述簧上元件的远端，所述第二相对构件具有联接到所述簧下元件的远端。
2.根据权利要求1所述的悬架组件，其中所述主动悬架系统与所述负刚度元件并联地布置在所述簧上元件和所述簧下元件之间。
3.根据权利要求1所述的悬架组件，其中所述负刚度元件的负刚度常数是非线性的。
4.根据权利要求1所述的悬架组件，其中所述负刚度元件的负刚度常数是线性的。
5.根据权利要求1所述的悬架组件，其中所述负刚度元件包括相对的流体缸，其配置为利用从所述主动悬架系统供应的流体压力推动所述簧上元件远离所述簧下元件。
6.根据权利要求1所述的悬架组件，其中所述负刚度元件包括多个相对的永久磁铁，所述永久磁铁在相互排斥状态下能够配置到第一位置并且在非相互排斥状态下能够配置到第二位置。
7.根据权利要求1所述的悬架组件，其中所述负刚度元件包括配置为推动所述簧上元件远离所述簧下元件的机械弹簧。
8.根据权利要求7所述的悬架组件，其中所述机械弹簧实现与所述主动悬架系统的正弹簧系数相反的负刚度常数，以在静态条件下实现所述悬架组件的接近零的总弹簧刚度。
9.根据权利要求1所述的悬架组件，其中所述弹簧元件基于负刚度常数施加所述张力，所述负刚度常数与用于所述弹簧元件的弹簧常数、由所述弹簧元件施加到所述第一连结点和第二连结点的预加载力、以及具有联接到所述簧上元件的远端的所述第二相对构件的长度相关地确定。
10.一种用于车身的悬架系统，包括：
用于多个与地面接触的车辆车轮的每个的相应悬架组件，每个悬架组件包括在所述车身与相应车辆车轮之间布置有相应负刚度元件的相应可控悬架系统；
每个可控悬架系统包括相应载荷承载弹簧元件；以及
每个负刚度元件具有与所述相应可控悬架系统的相应正弹簧系数相反的相应负刚度常数，以在静态条件下实现所述相应悬架组件的接近零的总弹簧刚度，
其中所述负刚度元件包括在第一连结点和第二连结点之间施加张力的弹簧元件，所述第一连结点和第二连结点包括第一相对构件的端部和第二相对构件的端部，所述第一相对构件具有联接到簧上元件的远端，所述第二相对构件具有联接到簧下元件的远端。
11.根据权利要求10所述的悬架系统，还包括配置在所述车身与所述车辆车轮之间的横向稳定杆，其中所述横向稳定杆包括相应负刚度元件，所述负刚度元件配置为在稳态运行情况下，在所述横向稳定杆上产生与由所述车辆车轮的悬架弹簧产生的力相反的力矩。
12.根据权利要求11所述的悬架系统，其中所述横向稳定杆的负刚度元件包括配置为在所述横向稳定杆上产生所述相反的力矩的永久磁铁设备。
13.根据权利要求10所述的悬架系统，还包括配置在所述车身与所述车辆车轮中的一个之间的扭力杆，其中所述扭力杆包括相应负刚度元件，所述负刚度元件配置为在所述扭力杆上产生与所述扭力杆在所述车辆车轮中的一个上的力相反的力矩。
14.根据权利要求13所述的悬架系统，其中所述扭力杆的负刚度元件包括永久磁铁设备，所述永久磁铁设备配置为在所述扭力杆上产生所述相反的力矩。
15.根据权利要求10所述的悬架系统，其中每个负刚度元件包括相应相对的流体缸，所述流体缸配置为利用从所述可控悬架系统供应的流体压力推动所述车身远离相应的车辆车轮。
16.根据权利要求10所述的悬架系统，其中所述负刚度元件包括相应的多个相对的永久磁铁，所述永久磁铁在相互排斥状态下能够配置到第一位置并且在非相互排斥状态下能够配置到第二位置。
17.根据权利要求10所述的悬架系统，其中所述负刚度元件包括配置为推动所述车身远离所述车辆车轮的机械弹簧。
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