CN1062219C - 凸轮操作的车辆悬挂系统 - Google Patents

Abstract

一种带蓄力系统的悬挂系统将负荷聚集于悬挂几何控制件。这允许在车辆的远区省去大的重负荷支承结构，并采用一种紧凑的标准组件结构，以及悬挂几何控制跟弹簧/阻尼成一体的组合。该轮式车辆标准组件悬挂系统包括一车轮和轮毂总成，一个较重的车体，一个介于中间的储能媒体，和一个根据车轮和轮毂总成跟车体之间的相对运动在它们两者之间的任意相对位置上将能量可释放地储存在媒体中而达到任何预定程度的装置。

Description

凸轮操作的车辆悬挂系统

本发明涉及轮式车辆的悬挂系统，尤其涉及标准组件悬挂系统，其中储能媒体可在车轮和轮毂总成跟车体之间的任意相对位置上将能量可释放地储存到任意预定的程度。

尽管悬挂装置并不像车轮本身那么古老，然而它能被追溯到远在内燃机和我们称之为汽车的东西之前。车轮一直是被认为是关键的发明，因为它提供了一种输送从前曾不能移动的各种物品的手段。然而，一旦它的应用变得广泛后，内在的问题变的明显了。一部车辆(不管是农场大车抑或Formula Ⅰ汽车)由借助于车轮在地面上滚动的较大质量组成。如果上述地面像台球桌面那样光滑，那么在没有悬挂装置的情况下，大多数车辆的行驶状况可以被接受。然而，若出现了一个隆凸处，那么，一个或所有的车轮不得不要越过它，于是3个严重的缺陷马上变得明显起来。整部车辆被迫向上驶过该隆凸处，造成：

a)车辆直接地承受整个颠簸的作用，因此工业上所称的行驶平顺性遭受严重的损害；

b)由于整部车辆质量被迫向上驶过隆凸处，相当的能量耗损了，从而显著地降低了车辆的前进速度；

c)当前进速度增加时(增加到高于轻快步行的速度)驾驶车辆变得愈加困难，因为由于隆凸不平或多处隆凸，车辆出现纵摇。

所有这些缺点是明显的，应当理解，不安装悬挂装置只是改善“行驶平顺性”。现代赛车根本不为“行驶平顺性”而采用悬挂装置；它的采用几乎仅仅为了处理上述(b)项和(c)项，即速度降低和“纵摇”。

悬挂装置自诸如Hanson轿车上的皮带发展到几乎普遍接受的弹簧和阻尼器结构。通常包括诸如弹簧的某些储能媒体。

为了解现代悬挂装置如何作用的，人们不得不把车辆考虑为包括5个区别的质量系统(主体和4个车轮系统)，如图1所示(假设4个车轮独立悬挂)。显然，主系统是主车辆重量，它被称之为“弹簧质量”。每一车轮、轮胎和轮毂(通常连于制动硬件)显然具有有效的重量，由于在悬挂装置的“上游”，故被称作为“非弹簧支承质量”。现代悬挂装置的基本概念是要将“非弹簧支承质量”用通常为一弹簧的储能媒体跟“弹簧质量”隔离。这允许“非弹簧支承质量”(车轮和轮毂总成)独立于主车辆质量向上越过隆凸处。较轻的“非弹簧支承质量”能对着较重的“弹簧支承质量”移动而不干扰后者，因为它们之间的惯性有很大差别。“非支承质量”越轻(或相反，“弹簧支承质量”越重)，则该系统的性能越好。采用一种弹簧(不管是螺旋弹簧、叶片弹簧、扭杆、空气/氮，橡胶等)可允许车轮和轮毂总成独立于主车辆质量移动。

这一标准的悬挂结构工作得很好，并且这种悬挂系统借助于改变弹簧比率能转用到特定的车辆。然而，单独的弹簧具有一种内在的不足，其中，一当受干扰，它会继续振荡一个长的周期，除非介入外力来支承它。这样，就包含一阻尼器来补偿弹簧的振荡性质，并使它迅速静止下来。

悬挂理论的基础是牛顿第二运动定律(F=Ma)。力等于质量乘其加速度。弹簧对某一给定位移输入产生反作用力。弹簧反力直接正比于产生的位移(即它被压缩的距离)。描述这一关系的方程式表示如下：

F=Kx，

其中F=所产生的力；

K=弹簧比率；

x=所产生的位移，

阻尼器对某一给定速度输入产生反作用力、阻尼器反力直接正比于产生的速度(阻尼器运动速度)。描述这一关系的方程式表达如下：

F=Cv

其中F=所产生的力；

C=阻尼系数；

v=所产生的速度。

因为颠簸输入是一种所产生的位移，而不是所产生的速度，显然，弹簧是主要的悬挂部件，而阻尼器(吸振器)则完成几分辅助的功能。这通过这样的事实得到解释：若汽车的吸振器发生故障，司机能继续驾驶该汽车，不管引起种种振动。然而，一个折断了的弹簧会使汽车不能行驶。

这样，利用弹簧和吸振器适当的组合，能创造出一个可以接受的悬挂系统。不幸的是，导致这一系统的分析仅考虑车辆的行驶平顺性，它不是判别汽车性能的唯一标准。工业上也有称之“操纵”的辅助要求。不幸的是，若给出控制“行驶平顺性”和“操纵”的现有方法，则改善了一个，可能损坏另一个。

当汽车越过一拐角或一弯道，由于作用在其重心上的离心力(表示在图2中)，它会在其悬挂装置上向外侧倾。此外，在猛力制动下，减速使车辆在其悬挂装置上“纵摇”前进。这二种现象使操纵变坏。侧倾和纵摇可通过增加弹簧刚性来降低，不幸的是，这直接降低了车辆的行驶平顺性品质。包括一个称之为抗侧倾杆能显著减少侧倾效应而不明显恶化跟刚性弹簧相关的行驶平顺性。该装置伴以设计刚性连续于汽车的两侧。当汽车侧倾到外侧悬挂装置上时，该抗侧倾杆向上拉动内侧悬挂装置，此后将车辆保持在一种平直姿态(图3)。然而抗侧倾杆确实对行驶平顺性质量造成某些负面的影响，因为它跟悬挂系统连接在一起。

目前有两个主要的悬挂结构被应用在汽车产品上。它们是MacPherson杆(图4)和双“A”臂(图5)。双“A”臂(双控制臂)可用许多不同而变化多端的方法来成形，包括新型“短长臂”(SLA)结构。还有另外的结构，但它们未被广泛采用。MacPherson杆对前轮驱动车辆是很流行的，因为它规定了半轴的间隙，确实简便了驾驶功能。双控制臂结构在前轮驱动车辆上会产生问题，因为弹簧阻尼器单元需占据和半轴相同的装配容积。

上述传统的悬挂系统具有许多内在的限制。所有上述结构方案均经弹簧/阻尼器系统将悬挂负荷传递到车辆的远区(即远离悬挂几何控制系统)。这需要笨重又昂贵的结构固定件，诸如在许多前轮驱动车辆上出现的支柱结构。这些系统在制造车辆期间还分成许多零件，需要组装。然而，其主要的缺点是在车轮运动和弹簧压缩之间存在着固定的关系。这可以不是直接的线性关系，但它是固定的。在大的颠簸出现时可以希望提高车轮比率(在轮胎接触面的实际弹簧比率)，这样悬挂弹簧不饱和(图6)。这种结构在小颠簸范围内提供柔和的行驶平顺性，但在大颠簸时变行更具刚性。然而，一旦这种悬挂系统被设计成在行驶平顺性和操纵之间作出了可以接受的折衷后，便没有更多的事情可以作了。现在许多系统提供一种所谓的“运动/游览”或“硬/软”行驶平顺性的选择，它只是一种更换电子阀门的吸振器。如前所述，这种阻尼功能是种次要的考虑，在软和硬的行驶平顺性之间并不真正提供如由弹簧确定的那种选择。

在近代历史上悬挂装置发展的最大转变，并且迄今最大的革新是采用灵活快速的悬挂系统。快速悬挂系统是指完全排除了迟钝的弹簧/阻尼器装置，而用一个液压缸来代替。当脱离其本身装置时充以油的液压缸不提供任何悬挂功能，而当遇上颠簸的情况，汽车便减少到一个反冲非控滚动质量。然而，如果能感知隆凸不平而液压泵和阀门控制系统能快速作出反应(采用以计算机为基础的控制系统)。那么该油缸能升降来移动车轮越过波形地段。这是该种快速悬挂系统的基本的功能(和最难达到的)，但其他的收益是巨大的，其中利用正确的传感和控制规则系统，车轮的纵摇和横滚实事上能被完全地“拨出”或消除。具有快速悬挂系统的主要局限是快速传感和移动足以对隆凸路面作出正确反应的能力。这对道路车辆和Formula 1车辆来说仍然是一个无法克服的问题，它们采用这种系统只是证明由于所用部件极其便宜以及它们所遇到的路面极其平坦而成功。

本发明克服了上述现有技术悬挂系统中许多固有的问题。

本发明的主要方面是要提供一种具有极其完美的储力系统的悬挂系统，它将负荷聚集在悬挂几何控制件(图7)上。这样无须在车辆的远区有大而重重的负荷支承结构。这种紧凑的结构也非常适于前轮驱动系统，因为在半轴封装容积内没有侵入区。最后，该系统能被设计成包括一个控制臂和几个安装枢轴，借以将悬挂几何控制和弹簧/阻尼结合在一个组件内。这一模件特点将允许在装配车间安装大为简便。

该系统的另一优点包括提供利用传统的弹簧/阻尼器技术提供可接受的行驶平顺性，同时对诸如车辆纵摇和横滚的有关操纵作出快速反应。这是通过提供一个改变车轮跟弹簧部件之间几何关系的装置来实现的。这实际上允许有一种无限变化的车轮比率。此外，行驶高度(在地面之上的车辆位置)可以用类似的方法来改变。这种适应性容许利用一种所希望的相当柔软的弹簧系统对隆凸路面作出反应，而用短周期的刚性或行驶高度的调节来处理车辆的纵摇和横滚。这种结构无须复杂的防点头或防尾部下坐几何结构及防侧倾杆。

因此，本发明涉及一种轮式车辆的悬挂系统，包括一车轮和轮毂总成，一个较车轮和轮毂总成重得多的车体，一个配置于车轮和轮毂总成跟车体之间的储能媒体，以及根据车轮和轮毂总成跟车体之间的相对运动，将能量可释放地储存在储能媒体中的装置，其中，储能媒体和将能量可释放地储存在储能媒体中的装置被制成一种自储能模件。并且，可释放地储能的装置包括将车轮和轮毂总成的垂直运动变换为连接臂的旋转运动的装置，以及将连接臂的旋转运动变换为储能媒体的非线性运动的装置。所述装置包括凸轮面，其轮廓构形为提供车轮的力和位移之间的一种非线性车轮比率关系。

按照本发明的另一方面，该储能媒体产生一种跟位移成比例的力。

按照本发明的另一方面，该悬挂系统包括跟车轮和轮毂总成的垂直运动无关、独立地压缩储能媒体以补偿车辆的纵摇和横滚的装置。

按照本发明的另一方面，它涉及一种轮式车辆的悬挂系统，包括一个车轮和轮毂总成；一个较车轮和轮毂总成重得多的车体；一个安装在中心轴上且配置于车轮和轮毂总成跟车体之间的储能媒体；一个具有内端和外端的悬挂几何控制件，适于响应车轮和车毂总成的垂直运动围绕中心轴转动，控制件的外端连接于车轮和轮毂总成，而控制臂的内端以可旋转的方式连接于适于绕中心轴旋转的至少一个凸轮从动件支架，每一凸轮从动件支架包括至少一个凸轮从动件，每一凸轮从动件啮合斜面环上的凸轮面，各凸轮面的轮廓构形为向相应的斜面环提供非线性轴向运动，每一斜面环固定于一储能媒体座，每一储能媒体座适于抓住储能媒体的一端，斜面环和储能媒体座适于根据至少一凸轮从动件支架和至少一凸轮从动件在相应凸轮面上的转动而轴向移动以压缩储能媒体；以及一个和储能媒体座制成整体的防止储能媒体座绕中心轴线转动的反作用臂。

按照本发明的另一方面，所述凸轮从动件是滚柱，而凸轮从动件支架是滚柱支架。

按照本发明的另一方面，储能媒体是一种螺旋弹簧，热固或热望材料，一个或多个蓄气器，或盘式弹簧。

按照本发明的另一方面，车轮的轮毂总成的位移跟储能媒体的压缩之间的关系通过独立于凸轮从动件支架来转动斜面环和储能媒体座而获得额外的改变。

按照本发明的另一方面，在储能媒体和车体之间配置一阻尼由以控制储能媒体的振荡。

按照本发明的另一方面，所述阻尼器是一种跟储能媒体共轴线安装的旋转式阻尼器。

参照表示本发明的优选实施例的各附图，详细叙述本发明，其中：

图1是常用轮式车辆悬挂系统的筒略透视图；

图2是常用轮式车辆的简略正视图，其中车辆越过朝司机右侧的弯道。

图3是表示一种承受转弯负荷的现有技术防侧倾杆的筒略透视图；

图4是表示带现有技术MacPherson杆和单个“A”形臂的常用车轮的简略透视图；

图5是表示带现有技术双“A”臂的常用车轮的简略透视图；

图6是表示常用的线性与非线性弹簧比率的负荷和位移曲线；

图7是装有采用双“A”臂布局的本发明的悬挂系统车轮的简略透视图；

图8是装有本发明悬挂系统的轮毂总成的简略透视图；

图9是装有本发明悬挂系统的车轮和轮毂总成的半剖正视图；

图10是本发明的悬挂系统部分的筒略透视图；

图11是本发明的悬挂系统部分的筒略顶视图；

图12是本发明的悬挂系统部分的筒略正视图；

图13是表示本发明悬挂系统部件运动的图11的视图；

图14是表示本发明悬挂系统部件运动的图12的视图；

图15是所选的本发明悬挂组件的分解透视图；

图16表示负荷和由本发明悬挂系统所选部件的运动产生的位移之间的关系，各凸轮面同步啮合；

图17表示图16的负荷和位移之间的另一种关系，各凸轮面非同步啮合；

图18表示图16和图17的负荷与位移之间的又一种关系，具有复合凸轮斜面；

图19表示本发明悬挂系统部分的筒略透视图，该悬挂系统部件包括独立转动弹簧座的致动器；

图20表示本发明悬挂系统部分的简略正视图，该悬挂系统部分包括独立转动弹簧座的致动器；

图21是本发明悬挂系统的简略透视图，该悬挂系统包括一个直线阻尼器；

图22是本发明悬挂系统的简略透视图，该悬挂系统包括一个旋转阻尼器。

图1表示一台包括5个截然不同的质量系统的车辆，即车辆主体1和4个独立的车轮与轮毂总成3。车体1借助于配置的螺旋弹簧5连于车轮和轮毂总成3。弹簧5可以是任何适当的储能媒体，诸如热固或热塑材料，蓄气器或盘式弹簧。

图2表示车辆1的前部，它越过朝司机右侧的弯道。由于作用于其重心上的离心力，车辆超于在其悬挂系统上向外“侧倾”或转动。

图3表示现有技术防侧倾杆7，它被配置于两个车辆和轮毂总成3的悬挂系统(简示)之间。

图4表示连于车轮和轮毂总成3的单“A”臂9，受包括一弹簧5的杆总成6控制。

图5表示现有技术双“A”臂布局。

图6表示现有技术常用的直线和双直线弹簧比率的力与位移之间的关系。

图7简略表示体现本发明的装入双“A”臂悬挂系统布局的模件11的大概位置。

在一个优选实施例中，悬挂系统的主要优点包括一对具有预定廓线凸轮面的凸轮板。该凸轮板把在悬挂臂枢接点上产生的旋转运动变换成平行于该枢轴线的直线运动。这样可使弹簧配置跟枢轴成共轴线，以形成一种极为紧凑的模件。

参照图8至15，悬挂控制臂101直接连于一对滚柱支架103上，后者绕中心轴105转动。当该系统承受一颠簸输入，悬挂臂101使滚柱支架103绕中心轴105转动。三个凸轮从动件，在本例中为滚柱107，被配置于每一滚柱支架103中，跟各斜面环111上的凸轮板上的三个凸轮面109啮合。斜面环111连于弹簧座113，其端面钩住螺旋弹簧5。当滚柱支架103转动时，滚柱107顺凸轮面109移动，迫使该对共同行动的斜面环111和弹簧座113轴向移动，压缩螺旋弹簧5，并产生所需的储存力。由斜面环111产生的扭矩经反作用臂113a消散到底座(车体)，反作用臂113a和弹簧座113制成整体。反作用臂受固定干车体上的扭矩反作用杆117的约束不能转动。反作用臂113a在扭矩反作用杆117上能自由轴向移动。

车辆运动和弹簧压缩之间的关系由凸轮面109的廓线所限定。通过选择适当的凸轮廓线，采用线性比率弹簧能获得一种很高的车轮比率，线性比率弹簧较具有向上倾斜比率的弹簧便宜且易于制造。图17表示获取非线性弹簧比率的方法。滚柱107接触凸轮面109，形成第一弹簧比率。此后，滚柱107a接触凸轮面109a，形成较大的第二弹簧比率。图18表示适于分别啮合凸轮面109c和109d的滚子107e和107d的另一可能的结构，以获取按非线性状态连续变化的弹簧比率。

本发明的另一方面在于车轮运动和弹簧压缩之间的关键可通过独立于滚柱支架103转动斜面环111和弹簧座113组合单元来改变。参照图19和20，这可采用作用于反作用臂113a上的致动器来达到，以调节行驶柔度，无须更改悬挂系统的实际部件。当这一技术应用于单个车轮时，可获得一种快速灵活的悬挂系统。传感车辆纵摇和横滚的计算机能发送适当的信号以使负重车轮和其它车轮的悬挂变得强劲，于是获得平衡的车辆姿态。有规则的颠簸输入继续由悬挂系统应付，无须这种快速控制器。

可在本发明的悬挂系统内引入阻尼器，以控制弹簧振荡。图21和22简略表示了本发明，其中在悬挂系统内包含了一直线阻尼器21或旋转阻尼器23。

所叙述的本发明可以有种种变更，这对于该领域内熟练的人员是显而易见的，因而，这些变更应视为均落在所附权利要求书保护的本发明的精神和范围之内。

Claims (10)

1．一种轮式车辆悬挂系统，包括：

a．一车轮和轮毂总成；

b．一个较车轮和轮毂总成重许多的车体；

c．一种介于车轮和轮毂总成跟车体之间的储能媒体；

d．按照车轮和轮毂总成跟车体之间的相对运动，将能量可释放地储存在储能媒体中的装置；

其中，储能媒体和将能量可释放地储存在储能媒体中的装置被制成一个自储模件，并且

可释放地储能的装置包括：

a．将车轮和轮毂总成的垂直运动转换为连于车轮和轮毂总成及储能媒体两者上的连接臂的运动的装置；和

b．将连接臂的旋转运动转换为储能媒体的非线性运动的装置；所述装置包括凸轮面，其轮廓构形为提供车轮的力和位移之间的一种非线性车轮比率关系。

2．一种按权利要求1所述的悬挂系统，其特征在于该储能媒体相对于位移产生一股力。

3．一种按权利要求1所述的悬挂系统，其特征在于包括与车轮和轮毂总成的垂直运动无关独立压缩储能媒体以补偿车辆的纵摇和横滚的装置。

4．一种轮式车辆的悬挂系统，包括：

a．一个车轮和轮毂总成；

b．一个较车轮和轮毂总成重许多的车体；

c．一个安装在中心轴上且介于车轮和轮毂总成跟车体之间的储能媒体；

d．一个具有一内端和一外端的悬挂几何控制件，适于响应车轮和轮毂总成的垂直运动绕中心轴转动；

e．连于车轮和轮毂总成的控制件外端，和连于至少一个适于绕中心轴旋转的凸轮从动件支架的控制件内端；

f．包括至少一个凸轮从动件的各凸轮从动件支架；

g．啮合斜面环上的一个凸轮面的各凸轮从动件，各凸轮面的轮廓构形为向相应的斜面环提供非线性轴向运动；

h．被固定于一储能媒体座的各斜面环；

i．适于抓住储能媒体一端的各储能媒体座；

i．根据至少一凸轮从动件支架和至少一凸轮从动件在相应凸轮面上的转动适于轴向移动来压缩储能媒体的斜面环和储能媒体座；

k．一个与储能媒体座制成一体以阻止它绕中心轴转动的反作用臂。

5．一种按权利要求4所述的悬挂系统，其特征在于所述至少一凸轮从动件是一滚柱。

6．一种按权利要求1或4所述的悬挂系统，其特征在于所述储能媒体是一种螺旋弹簧。

7．一种按权利要求4所述的悬挂系统，其特征在于车轮和轮毂总成的运动跟储能媒体的压缩之间的关系通过独立于至少一凸轮从动件支架来转动各斜面环和各储能媒体座而额外地获得变化。

8．一种按权利要求1或4所述的悬挂系统，其特征在于一阻尼器介于车轮和轮毂总成跟车体之间，以控制储能媒体振荡。

9．一种按权利要求8所述的悬挂系统，其特征在于所述阻尼器是一种与所述储能媒体共轴线安装的旋转式阻尼器。

10．一种轮式车辆的悬挂系统，包括：

a．一个车轮和轮毂总成；

b．一个较车轮和轮毂总成重许多的车体；

c．一个安装在中心轴线上且介于车轮和轮毂总成跟车体之间的储能媒体；

d．一个具有一内端和一外端的悬挂几何控制件，适于响应车轮和轮毂总成的垂直运动绕中心轴线转动；

e．连于车轮和轮毂总成的控制件外端，和连于至少一个适于绕中心轴线旋转的凸轮从动件支架的控制件内端；

f．包括至少一个凸轮从动件的各凸轮从动件支架；

g．啮合斜面环上的一个凸轮面的各凸轮从动件；

h．被固定于一储能媒体座的各斜面环；

i．适于抓住储能媒体一端的各储能媒体座；

j．根据凸轮从动件支架和凸轮从动件在凸轮面上的转动适于轴向移动来压缩储能媒体的斜面环和储能媒体座；

k．一个与储能媒体制成一体以阻止它绕中心轴线转动的反作用臂，其中，各斜面环和各储能媒体座借助于一个作用于反作用臂上的转动器而与凸轮从动件支架无关地获得额外的转动。

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