CN106122340B - 一种刚度和车身高度可调的空气弹簧 - Google Patents

一种刚度和车身高度可调的空气弹簧 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种刚度和车身高度可调的空气弹簧，包括空气弹簧总成、刚度与高度调节系统。空气弹簧总成包括气囊、上盖板、中心环、环形卡箍、下盖板、刚度调节缸、高度调节缸、活塞和活塞杆；该空气弹簧兼有调节刚度和高度两种功能，可以为用户提供多种工作模式，且刚度和车身高度的调节相互独立，互不影响。该型空气弹簧还涉及一种气囊与盖板的连接方法，可在盖板与气囊间形成贴合面，能够改善空气弹簧因气囊与盖板连接不牢固导致的漏气和脱落等问题。

Description

一种刚度和车身高度可调的空气弹簧
技术领域
本发明涉及一种车用空气弹簧，具体涉及到一种刚度和车身高度可调的空气弹簧。
背景技术
空气弹簧是一种弹性吸振元件，它的弹性主要由橡胶气囊内部高压气体的反力提供，主要由上盖板、气囊、下盖板等部件构成。空气弹簧凭借其减震效果好、刚度易调节、非线性特性、使用寿命长、可有效减轻车身重量等优势，在大型客车、高档轿车以及重型卡车上得到了广泛应用。
可以通过对气囊的充放气，来调节弹簧刚度和车身的高度，当通过恶劣的路面时，提升车身高度，以提高车辆的通过性；而当在较为平顺的路面行驶时，可以降低车身高度，以获得良好的操纵稳定性。当车辆的左右两侧的载荷不均衡时，也可通过对气囊的充放气，来保证整车姿态的水平。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种刚度和车身高度可调的空气弹簧，一方面在不改变空气弹簧刚度的前提下来调节车身高度，另一方面在调节车身高度的同时，调节空气弹簧刚度。
本发明是通过如下技术方案得以实现的：
一种刚度和车身高度可调的空气弹簧，包括空气弹簧总成、刚度与高度调节系统；
所述空气弹簧总成包括上盖板、外扣环、内扣环、中心环、气囊和下盖板；所述上盖板下端面的中心固定设置有内扣环；所述内扣环为圆环结构；沿内扣环的外环侧且在上盖板下端面上固定设置有数个外扣环；所述下盖板上端面的中心固定设置有内扣环；沿内扣环的外环侧且在下盖板上端面上固定设置有数个外扣环；所述气囊上端置于上盖板、内扣环和外扣环之间，并通过中心环卡紧；所述气囊下端置于下盖板、内扣环和外扣环之间，并通过中心环卡紧；所述中心环内置于内扣环和外扣环之间；所述中心环为中空的圆台结构；
所述刚度与高度调节系统包括刚度调节缸、高度调节缸、活塞、活塞杆和密封件；所述刚度调节缸为倒U形结构；所述刚度调节缸的密闭端置于气囊内；所述刚度调节缸侧壁与下盖板中心开设的孔配合，并通过密封件密封；所述刚度调节缸内置有高度调节缸，且高度调节缸外侧壁和刚度调节缸内侧壁填料密封；
所述高度调节缸一端为开口端，另一端为密封端，且高度调节缸密封端直径大于刚度调节缸的直径；所述高度调节缸开口端置于刚度调节缸内；所述高度调节缸密封端中心处开设有孔A；所述高度调节缸内置有活塞；所述活塞与活塞杆相连接；所述活塞杆带动活塞沿高度调节缸侧壁上下移动；
所述活塞杆一端延伸出活塞；所述活塞杆另一端延伸出高度调节缸的密封端；所述活塞杆为中空结构；所述活塞杆伸出高度调节缸端与第一软油管相连接；所述第一软油管与第二软油管并联；所述第一软油管与第二软油管的输入端与软油管输出端相连接；所述第一软油管上连接有电磁阀M1；所述第二软油管上连接有电磁阀M2；所述软油管上连接有电磁阀M；所述第二软油管输出端与所述高度调节缸密封端上开设的孔配合；所述软油管输入端与输油泵连接；所述电磁阀M、电磁阀M1、电磁阀M2和输油泵均与ECU相连接；
所述活塞杆与第一软油管连接处设置有反射板式光电传感器；所述反射板式光电传感器一端与ECU连接；所述上盖板设置有压力传感器。
进一步的，所述压力传感器置于上盖板上开设的孔内，并通过导线a与连接ECU的导线b相连接。
进一步的，所述活塞与高度调节缸之间填料密封。
进一步的，所述电磁阀M、电磁阀M1、电磁阀M2均为一位一通电磁阀。
进一步的，所述外扣环结构为L形。
进一步的，所述外扣环外设置有环形卡箍。
进一步的，所述中心环楔形坡度为α，环形卡箍楔形坡度为γ；所述环形卡箍楔形坡度γ大于中心环楔形坡度α。
进一步的，所述中心环内外表面均呈螺纹结构。
进一步的，所述中心环高度为H，内扣环的高度h1应不小于0.5H，h1取(0.5～0.6)H；外扣环的高度h2应不大于H，h2取(0.8～0.9)H。
本技术方案的优点在于：
(1)该空气弹簧及其刚度与高度调节系统，为用户提供了多种工作模式，且刚度和车身高度的调节间相互独立，互不影响；
(2)利用中心环外表面和气囊接口处内表面两个楔形面的配合，连接气囊与上下盖板，而且冲击越强，压紧力越大，很好地保证了空气弹簧的气密性和连接的可靠性；
(3)通过中心环、盖板、内外扣环的配合，使得气囊与盖板的连接更紧密，与传统的空气弹簧连接方式相比，气密性更可靠；
(4)制作过程不需对气囊两端断面进行卷边处理，而且不需使用钢丝圈加固，可简化生产工艺，降低成本。
附图说明
图1是该空气弹簧装配图；
图2是上盖板总成三维图；
图3是中心环结构示意图；
图4是气囊与盖板连接部分受力分析图；
图5是空气弹簧调节系统工作流程图。
附图标记如下：
1-气囊；2-环形卡箍；3-上盖板；4-外扣环；5-内扣环；6-压力传感器；7-导线；8-气嘴；9-橡胶密封圈；10-连接螺栓；11-垫圈；12-中心环；13-下盖板；14-密封件；15-活塞杆；16-第一软油管；17-软油管；18-反射板式光电传感器；19-第二软油管；20-高度调节缸；21-活塞；22-刚度调节缸；23-输油泵。
具体实施方式
为对本发明做进一步的理解，现结合附图说明：
一种刚度和车身高度可调的空气弹簧，包括空气弹簧总成、刚度与高度调节系统；
所述空气弹簧总成包括上盖板3、外扣环4、内扣环5、中心环12、气囊1和下盖板13；所述上盖板3下端面的中心固定设置有内扣环5；所述内扣环5为圆环结构；沿内扣环5的外环侧且在上盖板3下端面上固定设置有数个外扣环4；所述下盖板13下端面的中心固定设置有内扣环5；沿内扣环5的外环侧且在下盖板13下端面上固定设置有数个外扣环4；所述气囊1上端置于上盖板3、内扣环5和外扣环4之间，并通过中心环12卡紧；所述气囊1下端置于下盖板12、内扣环5和外扣环4之间，并通过中心环12卡紧；所述中心环12内置于内扣环5和外扣环4之间；所述中心环12为中空的圆台结构；
所述刚度与高度调节系统包括刚度调节缸22、高度调节缸20、活塞21、活塞杆15和密封件14；所述刚度调节缸22为倒U形结构；所述刚度调节缸22的密闭端置于气囊1内；所述刚度调节缸22侧壁与下盖板13中心开设的孔配合，并通过密封件14密封；所述刚度调节缸22内置有高度调节缸20，且高度调节缸20外侧壁和刚度调节缸22内侧壁填料密封；
所述高度调节缸20一端为开口端，另一端为密封端，且高度调节缸20密封端直径大于刚度调节缸22的直径；所述高度调节缸20开口端置于刚度调节缸22内；所述高度调节缸20密封端中心处开设有孔A；所述高度调节缸20内置有活塞21；所述活塞21与活塞杆15相连接；所述活塞杆15带动活塞21沿高度调节缸20侧壁上下移动；
所述活塞杆15一端延伸出活塞21；所述活塞杆15另一端延伸出高度调节缸20的密封端；所述活塞杆5为中空结构；所述活塞杆15伸出高度调节缸20端与软油管16相连接；所述第一软油管16上连接有电磁阀M1；所述第一软油管16与第二软油管19并联；所述第一软油管16与第二软油管19的输入端与软油管17输出端相连接；所述第一软油管16上连接有电磁阀M1；所述第二软油管19上连接有电磁阀M2；所述软油管17上连接有电磁阀M；所述第二软油管19输出端与所述高度调节缸20密封端上开设的孔配合；所述软油管17输入端与油泵连接；所述电磁阀M、电磁阀M1、电磁阀M2和输油泵23均与ECU相连接；
其中，所述活塞杆15与第一软油管16连接处设置有反射板式光电传感器18；所述反射板式光电传感器18一端与ECU连接；所述上盖板3设置有压力传感器6。所述压力传感器6置于上盖板3上开设的孔内，并通过导线a与连接ECU的导线b相连接。所述活塞21与高度调节缸20之间填料密封。所述电磁阀M、电磁阀M1、电磁阀M2均为一位一通电磁阀。
所述外扣环4结构为L形。所述外扣环4外设置有环形卡箍2。所述中心环12楔形坡度为α，环形卡箍2楔形坡度为γ；所述环形卡箍2楔形坡度γ大于中心环12楔形坡度为α。所述中心环12内外表面均呈凹凸结构或者螺纹结构。所述中心环12高度为H，内扣环5的高度h1应不小于0.5H，h1取(0.5～0.6)H；外扣环4的高度h2应不大于H，h2取(0.8～0.9)H。
如图1所示，下盖板13中心处留有直径为D1的圆孔，在圆孔上加装密封件14后装入外径为D2的刚度调节缸22，孔径D1的选取由下盖板13的外径和空气弹簧容积决定，刚度调节缸22的长度由空气弹簧高度决定；必要时可通过增大孔径D1和刚度调节缸22的长度来增大刚度的调节范围。高度调节缸20通过密封圈与刚度调节缸22相接，密封圈镶嵌在高度调节缸20上，高度调节缸20下部与车体固定连接。活塞21与活塞杆15相连，活塞杆15为中空杆，既是活塞21的支撑杆，也是刚度调节缸22的供油管，活塞杆15下端伸出高度调节缸20，与软油管16相连。
如图1～3所示，一种刚度和车身高度可调空气弹簧，包括空气弹簧总成、刚度与高度调节系统。空气弹簧总成包括气囊1、上盖板3、气嘴8、连接螺栓10、中心环12、环形卡箍2、下盖板13等部件。如图2所示，上盖板3为盘型结构，可采用压铸工艺加工；外扣环4为一组上宽下窄的L型钢材，可采用冲压工艺生产，按圆周排列布置，采用焊接工艺连接，在具体实施过程中，安装个数必须保证在装配后不出现较大空隙，以保证空气弹簧气密性；需要特别说明的是，在进行装配前需要对焊点进行打磨，以防止尖锐部位刺破气囊1；如图2：安装前外扣环4张开，安装后在环形卡箍2的约束下变形收紧；在上盖板3圆心位置钻孔安装气嘴8；在气嘴附近位置安装一个PTS403型压力传感器6；在靠近上盖板3外缘适当位置安装连接螺栓10，相邻两螺栓间夹角为120°。中心环12高度为H，为保证气密性，内扣环5高度h1不小于0.5H，具体实施时取(0.5～0.6)H；外扣环4高度h2不大于H，具体实施时取(0.8～0.9)H，外部夹紧装置为环形卡箍2。中心环12与气囊1接触的部分，表面加工成细微凹凸状或浅螺纹状，增大气囊1与中心环12的接触面积，以提高空气弹簧气密性。
环形卡箍2的楔形角度标注为γ，γ的大小与气囊内表面楔形角度β大小相等，
如图4所示，中心环12外表面呈楔形，楔形的坡度为α，气囊1连接部分内表面呈楔形，楔形的坡度为β；由公式：tanθ＝F/N＝fN/N＝f，楔形面摩擦角θ的正切等于静摩擦系数，橡胶与45钢在无润滑条件下静摩擦系数为0.15，θ为8.5°，根据连接效果与加工难易程度，中心环12楔形面坡度α取8°；为保证连接效果，β应大于α，由计算结果，取β＝α+k，k＝1°；γ应大于α，由计算结果，取γ＝α+k，k＝1°。本发明中心环12和气囊1在水平方向上受到的约束力F1＝F2，相互抵消；在竖直方向上F3＝F4，但两个力不在同一直线上，合成后形成一个逆时针方向的旋转力矩M，旋转力矩的表现形式为将环形卡箍2向中心环12径向压紧；在行驶过程中，当车辆因路况差而产生剧烈震动时，会导致空气弹簧被急剧压缩，气囊1会受到一个瞬时冲击载荷，力F4值增大，M值增大，环形卡箍2与中心环12会被压缩的更为紧密，因此能够很好地保障空气弹簧在复杂路况下连接的可靠性。
工作过程：
压力传感器6用来检测空气弹簧的刚度，反射板式光电传感器18用来检测空气弹簧高度，反射板式光电传感器18内部有发射器和接收器。
当驾驶员设定空气弹簧刚度为P0时，压力传感器6开始工作，将检测到的物理信号转换为电信号，传送到电子控制单元(ECU)，运算得到空气弹簧刚度为P1。如果P1小于P0，说明空气弹簧刚度较低，ECU控制一位一通电磁阀M和一位一通电磁阀M1开启，一位一通电磁阀M2关闭，液压泵开机供油，油液经过一位一通电磁阀M、一位一通电磁阀M1和活塞杆15进入刚度调节缸22，直到P1等于P0，一位一通电磁阀M和一位一通电磁阀M1关闭，液压泵停机；如果P1大于P0，说明空气弹簧刚度过高，ECU控制一位一通电磁阀M和一位一通电磁阀M1开启，一位一通电磁阀M2关闭，在车身自重作用下，刚度调节缸22向下运动，刚度调节缸22内的油液经过M1和一位一通电磁阀M流回储油缸，直到P1等于P0，一位一通电磁阀M和一位一通电磁阀M1关闭。
当驾驶员设定空气弹簧高度为H0时，反射板式光电传感器18开始工作，发射器发出红外线，被接收器接收转换为电信号，传送到电子控制单元(ECU)，运算得到空气弹簧高度为H1。如果H1小于H0，说明车身过低，ECU控制一位一通电磁阀M和一位一通电磁阀M2开启，一位一通电磁阀M1关闭，输油泵23开机供油，油液经过一位一通电磁阀M和一位一通电磁阀M2进入高度调节缸20，直到H1等于H0，一位一通电磁阀M和一位一通电磁阀M2关闭，输油泵23停机；如果H1大于H0，说明车身过高，ECU控制一位一通电磁阀M和一位一通电磁阀M2开启，一位一通电磁阀M1关闭，在车身自重作用下，活塞15相对高度调节缸20向下运动，高度调节缸20内的油液经过M2和一位一通电磁阀M流回储油缸，直到H1等于H0，一位一通电磁阀M和一位一通电磁阀M2关闭。
综上所述，该技术方案提供的空气弹簧及其控制系统，兼有调节刚度和高度两种功能，可实现无极调节，且刚度和高度的调节间相互独立，互不影响；使用上述新型连接结构，可保证空气弹簧的气密性和连接的可靠性；可达到简化现有生产工艺，提高生产效率的目的。
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 (9)

1.一种刚度和车身高度可调的空气弹簧，其特征在于，包括空气弹簧总成、刚度与高度调节系统；
所述空气弹簧总成包括上盖板(3)、外扣环(4)、内扣环(5)、中心环(12)、气囊(1)和下盖板(13)；所述上盖板(3)下端面的中心固定设置有内扣环(5)；所述内扣环(5)为圆环结构；沿内扣环(5)的外环侧且在上盖板(3)下端面上固定设置有数个外扣环(4)；所述下盖板(13)上端面的中心固定设置有内扣环(5)；沿内扣环(5)的外环侧且在下盖板(13)上端面上固定设置有数个外扣环(4)；所述气囊(1)上端置于上盖板(3)、内扣环(5)和外扣环(4)之间，并通过中心环(12)卡紧；所述气囊(1)下端置于下盖板(12)、内扣环(5)和外扣环(4)之间，并通过中心环(12)卡紧；所述中心环(12)内置于内扣环(5)和外扣环(4)之间；所述中心环(12)为中空的圆台结构；
所述刚度与高度调节系统包括刚度调节缸(22)、高度调节缸(20)、活塞(21)、活塞杆(15)和密封件(14)；所述刚度调节缸(22)为倒U形结构；所述刚度调节缸(22)的密闭端置于气囊(1)内；所述刚度调节缸(22)侧壁与下盖板(13)中心开设的孔配合，并通过密封件(14)密封；所述刚度调节缸(22)内置有高度调节缸(20)，且高度调节缸(20)外侧壁和刚度调节缸(22)内侧壁填料密封；
所述高度调节缸(20)一端为开口端，另一端为密封端，且高度调节缸(20)密封端直径大于刚度调节缸(22)的直径；所述高度调节缸(20)开口端置于刚度调节缸(22)内；所述高度调节缸(20)密封端中心处开设有孔A；所述高度调节缸(20)内置有活塞(21)；所述活塞(21)与活塞杆(15)相连接；所述活塞杆(15)带动活塞(21)沿高度调节缸(20)侧壁上下移动；
所述活塞杆(15)一端延伸出活塞(21)；所述活塞杆(15)另一端延伸出高度调节缸(20)的密封端；所述活塞杆(21)为中空结构；所述活塞杆(21)伸出高度调节缸(20)端与第一软油管(16)相连接；所述第一软油管(16)与第二软油管(19)并联；所述第一软油管(16)与第二软油管(19)的输入端与软油管(17)输出端相连接；所述第一软油管(16)上连接有电磁阀M1；所述第二软油管(19)上连接有电磁阀M2；所述软油管(17)上连接有电磁阀M；所述第二软油管(19)输出端与所述高度调节缸(20)密封端上开设的孔配合；所述软油管(17)输入端与输油泵(23)连接；所述电磁阀M、电磁阀M1、电磁阀M2和输油泵(23)均与ECU相连接；
所述活塞杆(21)与第一软油管(16)连接处设置有反射板式光电传感器(18)；所述反射板式光电传感器(18)一端与ECU连接；所述上盖板(3)设置有压力传感器(6)。
2.根据权利要求1所述的刚度和车身高度可调的空气弹簧，其特征在于，所述压力传感器(6)置于上盖板(3)上开设的孔内，并通过导线a与连接ECU的导线b相连接。
3.根据权利要求1所述的刚度和车身高度可调的空气弹簧，其特征在于，所述活塞(21)与高度调节缸(20)之间填料密封。
4.根据权利要求1所述的刚度和车身高度可调的空气弹簧，其特征在于，所述电磁阀M、电磁阀M1、电磁阀M2均为一位一通电磁阀。
5.根据权利要求1所述的空气弹簧气囊与盖板连接的密封装置，其特征在于，所述外扣环(4)结构为L形。
6.根据权利要求1所述的空气弹簧气囊与盖板连接的密封装置，其特征在于，所述外扣环(4)外设置有环形卡箍(2)。
7.根据权利要求6所述的空气弹簧气囊与盖板连接的密封装置，其特征在于，所述中心环(12)楔形坡度为α，环形卡箍(2)楔形坡度为γ；所述环形卡箍(2)楔形坡度γ大于中心环(12)楔形坡度α。
8.根据权利要求7所述的空气弹簧气囊与盖板连接的密封装置，其特征在于，所述中心环(12)内外表面均呈螺纹结构。
9.根据权利要求1至8任一项所述的空气弹簧气囊与盖板连接的密封装置，其特征在于，所述中心环(12)高度为H，内扣环(5)的高度h1应不小于0.5H，h1取(0.5～0.6)H；外扣环(4)的高度h2应不大于H，h2取(0.8～0.9)H。
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