CN106523574B - 一种多工况阻尼自适应油气弹簧及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种多工况阻尼自适应油气弹簧及其控制方法，主要包括缸筒、拉杆、拉杆活塞、杆筒、缸筒活塞、杆筒活塞。所述缸筒内固定有拉杆，所述拉杆的上端固定在缸筒顶部，下端固定有拉杆活塞，所述拉杆活塞设置在杆筒内形成第一活塞结构，所述杆筒的上端连接有缸筒活塞，其下端面将杆筒上端开口密封，所述缸筒活塞与缸筒形成第二活塞结构，所述杆筒外壁上还设有杆筒活塞，所述杆筒、杆筒活塞与缸筒形成第三活塞结构，本发明不仅可以满足车辆在不同载荷工况下车身固有频率基本不变的要求，而且可以在满足车辆行驶平顺性的基础上，有效抑制和衰减车辆由于紧急制动、高速转弯等典型极限工况带来的车身侧倾和俯仰振动，满足车辆行驶稳定性的需求。

Description

一种多工况阻尼自适应油气弹簧及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种多工况阻尼自适应油气弹簧及其控制方法。

背景技术

汽车在不平路面上行驶时，受到来自路面的冲击而产生振动，为了缓和冲击、衰减振动，悬架系统中并联安装有弹性元件和减振器。其中，弹性元件用来吸收冲击能量以过滤路面的振动，但弹簧自身还会有往复运动，而减振器就是用来抑制这种弹簧跳跃的。

目前，汽车悬架系统中一般采用螺旋弹簧作为弹性元件，高档车、重型工程车辆会采用油气弹簧。油气弹簧因其具有良好的非线性刚度特性，因而相对于螺旋弹簧可以在一定程度上改善车辆的舒适性和稳定性。油气弹簧虽然具有刚度随载荷变化的优点，但同时也存在一定的缺陷：空载时刚度低，随着载荷的增加，刚度不断增大，从而导致满载时其刚度有可能变得过大，并不是系统在其所处工况下的最佳刚度值。这是因为，刚度和载荷的变化最终影响到悬架的固有频率：空载时平衡位置的频率低，随着载荷的增加，平衡位置的频率不断增大，从而导致满载时其固有频率可能变得过大而偏离理想频率范围。所以对于传统油气弹簧，往往只存在一个指定载荷下的频率为最佳频率，故而有必要研究其结构与频率特性的关系，降低悬架固有频率对车辆载荷、悬架位移变化的灵敏度。

目前，汽车悬架系统中采用的减振器多是液力减振器，其工作原理是当车身与车桥间因振动而出现相对运动时，减振器内的活塞上下移动，减振器腔内的油液便反复地从一个腔经过不同的空隙流入另一个腔内。此时，孔壁与油液间的摩擦和油液分子间的内摩擦对振动形成阻力，使汽车振动能量转化为油液热能散发到空气中。在油液通道截面积、油液黏度不变的情况下，减振器阻尼力与活塞移动速的平方度成正比关系，这就是典型的被动悬架系统。

传统被动悬架参数一经选定就难以改变，因此在设计过程中只能寻找一个较好的折中方案来确定参数。也就是只有在特定工况下，汽车的性能才是最佳的；一旦工况发生改变(例如路面变化、汽车行驶时的加速、制动转向状态变化)，其性能将会变差，这意味着传统被动悬架难以同时满足舒适性和稳定性的要求。

为实时改变汽车悬架弹性元件和阻尼元件的结构参数，进一步提升汽车性能，而出现了半主动和全主动悬架系统。半主动悬架是一种通过传感器感知路面状况和车身姿态，对阻尼参数进行调节，从而改善汽车行驶平顺性和稳定性的一种可控式悬架系统。

目前，半主动悬架系统主要集中在阻尼参数的调节，因此又可以称为阻尼可调式悬架系统。在半主动悬架系统中，按照阻尼调节范围的不同，分为阻尼连续可调式(无级)和阻尼可切换式(有级)两类。常见的阻尼可切换式悬架，阻尼系数可在几档之间快速切换，控制方法通常根据车身的相对速度和绝对速度来改变系统阻尼的设置。对于二级式悬架，阻尼设置为“硬”和“软”2个级别；对于三级式悬架，阻尼设置为“硬”、“中”和“软”3个级别。连续可调减振器的阻尼系数在一定范围内可以连续变化，有两种基本实现方式。一种是通过调节减振器节流阀的面积而改变阻尼特性的孔径调节式，其孔径的改变一般可由电磁阀或其它类似的机电式驱动阀来实现。另一种是电流变或磁流变可调阻尼器，其工作原理是通过改变电场或磁场强度来改变流变体的黏度特性。两种结构中，前者技术上比较成熟，发表的文献和专利也较多；后者属于新兴技术，随着对这项技术的研究和突破，可能会成为较有前途的半主动悬架形式。

对于全主动悬架，则是在被动悬架系统(弹性元件、减振器、导向机构)中附加一个可控作用力的装置。它通常由执行机构、测量系统、反馈控制系统和能源系统四部分组成。执行机构的作用是执行控制系统的指令，一般为力发生器或转矩发生器(液压缸、气缸、伺服电动机、电磁铁等)。测量系统的作用是测量系统各状态，为控制系统提供依据，包括各种传感器。控制系统的作用是处理数据和发出各种控制指令，其核心部件是电子计算机。能源系统的作用是为以上各部分提供能量。

全主动悬架可以在车身振动的全频段范围内兼顾汽车的平顺性与操纵稳定性；能够实时地控制车身高度，改善通过性；能够降低车轮载荷波动，提高附着性能，改善操纵性，同时减轻了轮胎的磨损。但是全主动悬架的缺点是结构和控制复杂，硬件要求高、成本高，由于含有能源系统必然耗能大，这些缺点限制了全主动悬架在汽车上的推广应用。相对于全主动悬架，半主动悬架结构简单，工作时几乎不消耗车辆动力，而且还能获得与全主动悬架接近的性能，故而在乘用车上有较好的应用前景；但是由于工作环境恶劣，可靠度不高，而且需要一套控制系统，相对于传统被动悬架系统成本增高较大，目前在大型工矿车辆等商用车上还没有相关应用。

目前，还有一种结构形式的被动悬架系统的减振器，如专利号为：201520340607.4的实用新型专利，其阻尼力在不引入控制系统的情况下，也可实现调节，即行程相关减振器，与传统的减振器相比,这种减振器在工作缸筒内壁沿轴线方向开出具有一定长度的两道对称旁通槽,起到泄流的作用,活塞在旁通槽范围内上下移动时,减振器产生的阻尼力相对较小。当活塞移动幅度超出旁通槽时,则减振器产生的阻尼力相对较大。为避免活塞在移动过程中超出旁通槽时阻尼力瞬间增大,将旁通槽两端制成变截面的结构。于是,在减振器活塞的整个行程内,减振器的特性可以分为3个不同的区域:硬特性区、软特性区及过渡区。行程相关减振器产生的阻尼力不仅与悬架运动速度有关,还与悬架垂直位移有关,这种特性能够很好适应不同道路条件。当汽车在良好路面行驶时,活塞在旁通槽范围内上下移动,减振器产生的阻尼力较小,舒适性较好；当汽车在不平路面上行驶时,由于车轮的垂直位移较大,活塞移动幅度超出旁通槽导致流通面积较小,减振器产生的阻尼力较大,提高行驶的稳定性。但是这种结构也具有如下缺点：1、过渡区的变截面结构确定后，其阻尼力行程相关性将不再可调；2、所示软特性区中点，阻尼力并不可调；3、当减振器平衡位置不在软特性区中点时(车辆载重量的变化将导致平衡位置的变化)，悬架特性有可能无法满足拉伸行程阻尼力大、压缩行程阻尼力较小的趋势。

发明内容

本发明为了解决现有技术的不足而提供一种能满足车辆在空载、半载、满载等多载荷工况下对车身频率特性稳定的性能需求，满足车辆对紧急制动、高速转弯等极限工况下的行驶稳定性和行驶平顺性等多工况行驶性能下的刚度阻尼匹配需求的多工况阻尼自适应油气弹簧及其控制方法。

一种多工况阻尼自适应油气弹簧，包括缸筒端盖、拉杆支架、缸筒、缸筒活塞、拉杆、拉杆活塞、杆筒、杆筒活塞、单向阀、针阀及各部分的连接件和密封件。所述缸筒上端安装有拉杆支架、缸筒端盖，所述缸筒内固定有拉杆，所述拉杆的上端固定在缸筒顶部的拉杆支架上，下端固定有拉杆活塞，所述拉杆活塞设置在杆筒内形成第一活塞结构，所述杆筒的上端连接有缸筒活塞，所述缸筒活塞的下端面将杆筒上端开口密封，所述拉杆支架、缸筒活塞与缸筒形成第二活塞结构，所述杆筒外壁上还设有杆筒活塞，所述杆筒、杆筒活塞与缸筒形成第三活塞结构，所述缸筒活塞上方、缸筒内壁与拉杆支架之间形成缸筒正压气室，所述缸筒活塞中部设有环形凹槽，所述环形凹槽与缸筒内壁之间形成杆筒反压油气混合室，所述缸筒活塞下方、杆筒外壁、杆筒活塞上方与缸筒内壁之间形成环形油腔，所述杆筒活塞下方、杆筒外壁、缸筒内壁与缸筒底部之间形成缸筒反压气室，所述杆筒内无杆腔为杆筒正压气室，有杆腔为杆筒油室，所述杆筒反压油气混合室分别通过单向阀和阻尼孔与环形油腔连通，所述单向阀使得杆筒反压油气混合室的压力油只能单向流向环形油腔，所述环形油腔通过油孔与杆筒油室连通，所述杆筒反压油气混合室内设有改变阻尼孔导通率的上针阀，所述环形油腔内设有改变阻尼孔导通率的下针阀，所述上针阀通过缸筒正压气室的压力控制，所述下针阀通过缸筒反压气室的压力控制。

所述杆筒正压气室设有与外界连通的第一充气孔，所述缸筒反压气室设有与外界连通的第二充气孔，所述缸筒正压气室设有与外界连通的第三充气孔，所述第一充气孔、第二充气孔和第三充气孔上均安装有阀门，所述杆筒反压油气混合室上设有与外界连通的充油充气孔，所述充油充气孔设有充油充气阀门。

所述缸筒活塞与杆筒通过螺栓固定连接，所述缸筒的顶部通过拉杆支架和缸筒端盖密封，所述拉杆支架和缸筒端盖通过螺栓固定在缸筒上端，这样方便对本发明进行组装和拆卸。

所述上针阀和下针阀结构相同，所述上针阀包括与阻尼孔大小相匹配的上油针，所述下针阀包括与阻尼孔大小相匹配的下油针，所述上油针和下油针分别通过回位弹簧分别安装在缸筒活塞和杆筒活塞的阶梯孔内，所述上油针和下油针的尖端分别设置在杆筒反压油气混合室和环形油腔内，并且相对设置在阻尼孔的两端，所述上油针和下油针的平顶端分别与缸筒正压气室和缸筒反压气室(e)连通并且通过挡圈限位，所述回位弹簧在初始状态时将上油针和下油针的平顶端紧压在挡圈上。

所述单向阀和阻尼孔沿缸筒活塞中心对称布置，且相邻的单向阀与阻尼孔之间相隔90°。

所述拉杆上端通过螺母固定在拉杆支架上，所述拉杆支架固定在缸筒上，所述拉杆的下端穿过缸筒活塞中心孔设置在杆筒的内部。

所述拉杆的一端通过第一密封圈与拉杆支架密封，中部通过第四密封圈与缸筒活塞密封，所述拉杆活塞与杆筒通过第九密封圈密封。

所述缸筒活塞与缸筒之间通过第二密封圈、第三密封圈、第五密封圈密封，杆筒活塞与缸筒之间通过第六密封圈、第七密封圈密封，杆筒缸筒之间与通过第八密封圈密封。

一种油气弹簧的控制方法，以杆筒为参考，缸筒在平衡位置上下运动时包括缸筒在平衡位置以下且向下运动的压缩行程、缸筒在平衡位置以下且向上运动的压缩回复行程、缸筒在平衡位置以上且向上运动的拉伸行程和缸筒在平衡位置以上且向下运动的拉伸回复行程；

在压缩行程中，缸筒正压气室对上油针的压力大于杆筒反压油气混合室压力、回位弹簧的弹力和阻尼孔油液冲击力对上油针的共同作用力，上油针逐步进入阻尼孔，使得阻尼孔的有效过流面积逐步减小。同时下油针受到缸筒反压气室的压力、环形油腔压力、回位弹簧的弹力和阻尼孔油液冲击力对上油针的共同作用力向下，所以下油针始终在下极限位置，即下油针在此过程中不起作用，此过程中单向阀处于开启状态，大部分油液从单向阀流过，当缸筒下行到极限位置时，缸筒通过缸筒正压气室和杆筒正压气室内的压缩气体缓冲和限位；

在压缩回复行程中，缸筒正压气室对上油针的压力小于并逐渐等于杆筒反压油气混合室压力、回位弹簧的弹力和阻尼孔油液冲击力对上油针的共同作用力，上油针逐步向上移动，阻尼孔的有效过流面积由极小值逐步增大，直到上油针离开阻尼孔，同时下油针受到缸筒反压气室的压力、环形油腔压力、回位弹簧的弹力和阻尼孔油液冲击力对上油针的共同作用力向下，所以下油针始终在下极限位置，即下油针在此过程中不起作用，此过程中单向阀处于关闭状态，油液从阻尼孔中流过；

在拉伸行程中，缸筒正压气室对上油针的压力小于杆筒反压油气混合室压力、回位弹簧的弹力与阻尼孔油液冲击力对上油针的共同作用力，上油针始终在上极限位置，即上油针在此过程中不起作用，同时缸筒反压气室对下油针的压力大于环形油腔压力、回位弹簧的弹力与阻尼孔油液冲击力对下油针的共同作用力，下油针逐步进入阻尼孔，使得阻尼孔的有效过流面积逐步减小，压力油通过阻尼孔的阻尼力增大，此过程中单向阀关闭，油液全部经由阻尼孔流过；

在拉伸回复行程中，缸筒正压气室对上油针的压力小于杆筒反压油气混合室压力、回位弹簧的弹力与阻尼孔油液冲击力对上油针的共同作用力，上油针始终在上极限位置，即上油针在此过程中不起作用，同时缸筒反压气室对下油针的压力小于并逐渐等于环形油腔压力、回位弹簧的弹力与阻尼孔油液冲击力对下油针的共同作用力，下油针逐步向下移动，阻尼孔的有效过流面积逐步增大，直到下油针离开阻尼孔，此过程中单向阀处于开启状态，大部分油液从单向阀流过。

本发明通过正压气室、反压气室和环形油腔在缸筒压缩-压缩回复-拉伸-拉伸回复四个行程之间连续变动时，给上、下油针不同的压力值，自动控制上、下油针进入阻尼孔的深度，调节阻尼孔有效过流面积，从而达到调节压力油流动阻尼值的目的，可以满足车辆在低频高振幅极限工况下的行驶稳定性和车辆在高频低振幅随机振动下行驶平顺性，从而改变了传统被动油气弹簧的阻尼力只与速度平方成正比的结构关系，通过气室和针阀实现了传统油气弹簧的阻尼行程相关特性，本发明缸筒与杆筒相对运动到极限位置附近时，阻尼孔有效面积迅速减小，相对于传统油气弹簧提供的阻尼力更大，因此可抑制典型极限工况下的车身侧倾和俯仰运动，并提升侧倾和俯仰振动的衰减效率，有利于提升车辆的行驶稳定性；由于阻尼力行程相关性只在大行程下起作用，因此可以通过设计小行程下的阻尼特性来改善本发明对坏路面高频随机振动的隔离效果，提升车辆行驶平顺性；从整个行程范围内来看，本发明能很好地满足车辆对多工况行驶性能的需求；

本发明有三个气室、一个油气混合室，可分为正压气室和反压气室，正压气室包括缸筒正压气室、杆筒正压气室；反压气室包括缸筒反压气室、杆筒反压油气混合室，正压气室、反压气室分别起到压缩行程、拉伸行程的缓冲和限位作用。其中三个气室可以在不拆卸的情况下进行充放气，即改变气室压强，从而可以通过该操作得到不同的固有频率。本发明可实现在车身高度基本不变的情况下实现固有频率较大范围的调节，即通过对正压气室、反压气室同时充放气改变气室压强来实现。本发明可实现在车辆由空载变为满载过程中，固有频率变化量减小：对于传统油气弹簧来说，随着载荷增加即弹簧压缩，悬架固有频率会增加；而对于本发明，车辆在空载变为满载过程中，正压气室压缩、压强增大，反压气室膨胀、压强减小，由于反压气室的存在使得悬架在相同载荷变化量的情况下，相对于传统油气弹簧压缩量减小，所以固有频率变化量减小。

本发明通过调节回位弹簧刚度和三个气室充气压力，不仅可以实现调节上下油针平衡位置、进入阻尼孔的长度等结构参数，还可以调节本发明的固有频率，从而在不改变本发明主体结构的前提下改变悬架的性能，有利于提升车辆对不同随机路面工况的适应性，为车辆底盘调试提供方便，减小调试成本，也缩小了车辆在满载和空载即不同载荷状态之间以及本发明有效行程范围内不同位移处簧上质量振动系统的固有频率差，有效提升车辆不同载荷状态下的多工况性能需求；相对于目前市场上可以实现阻尼力调节的半主动油气弹簧，本发明结构更紧凑，并不需要附加控制系统，可有效降低实际开发和应用成本。

本发明所有气室均集成在结构内部，结构更简单、紧凑；由于本发明在缸筒和杆筒之间同时存在有缸筒正压气室a、缸筒反压气室e，可用于行程的限位，因此在本发明拉伸或压缩到极限时不会像传统被动油气弹簧一样产生刚性冲击，由于缸筒反压气室的存在，可以避免油气弹簧在拉伸极限下缸筒跟杆筒之间的刚性撞击，提升行驶平顺性和耐久性。

综上所述，本发明不仅可以满足车辆在不同载荷工况下车身固有频率基本不变的要求，而且可以在满足车辆行驶平顺性的基础上，有效抑制和衰减车辆在紧急制动、高速转弯等典型极限工况带来的车身侧倾和俯仰振动，满足车辆行驶稳定性的需求。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明端盖的结构示意图。

图3为本发明缸筒的结构示意图。

图4为本发明针阀的结构示意图。

图5为本发明拉杆的结构示意图。

图6为本发明缸筒活塞的结构示意图。

图7为本发明杆筒活塞的结构示意图。

图8为本发明杆筒缸筒运动过程中阻尼力时间历程曲线。

图9为本发明杆筒缸筒运动过程中阻尼力位移曲线。

图10为本发明杆缸筒运动过程中阻尼力速度曲线。

图11为本发明空载、满载固有频率位移曲线。

图12为传统油气悬架空载、满载固有频率位移曲线。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施案例对本发明做进一步的详细说明。

如图1至7所示，一种多工况阻尼自适应油气弹簧包括缸筒端盖1、拉杆支架2、缸筒3、缸筒活塞4、针阀5、单向阀6、拉杆7、杆筒活塞8、杆筒9、拉杆活塞10等，所述缸筒活塞4横截面呈“工”字形，中心设有轴向通孔；缸筒活塞4安装在缸筒3中，其“工”字形中平行的两个面的外缘与缸筒3内表面通过第二密封圈23、第三密封圈24、第五密封圈26密封；所述杆筒9的一端穿装在缸筒3下底面的中心通孔中并与缸筒3下底面的中心通过第八密封圈29密封，另一端与缸筒活塞4底面通过螺栓连接，并且通过缸筒活塞4底面密封，在杆筒9外表面设有杆筒活塞8，杆筒活塞8的外缘与缸筒3内壁通过第六密封圈27、第七密封圈28密封并处于缸筒活塞4与缸筒3下底面之间；所述缸筒3内腔自上至下，被缸筒活塞4、杆筒活塞8分隔成处于缸筒活塞4以上的缸筒正压气室a，处于缸筒活塞4“工”字形中两平行面之间的杆筒反压油气混合室b，处于缸筒活塞4与杆筒活塞8之间的环形油腔c，处于杆筒活塞8与缸筒3下底面之间的缸筒反压气室e；所述拉杆7上端穿过缸筒活塞4上的轴向通孔与拉杆支架2通过螺母固定、并通过第一密封圈22密封，另一端安装有拉杆活塞10并插装在杆筒9内部，拉杆活塞10与杆筒9通过第九密封圈30密封，拉杆活塞10将杆筒9分隔成处于缸筒活塞4与拉杆活塞10之间的杆筒油室d及处于拉杆活塞10与杆筒9底面之间的杆筒正压气室f；在所述杆筒9上设有将环形油腔c与杆筒油室d连通的油孔13，油孔13较大，所以油孔13阻尼力很小，可忽略不计；在所述缸筒活塞4下底面设有阻尼孔15和单向阀6，所述阻尼孔15设有控制阻尼孔导通率的针阀5，所述针阀5包括设置在杆筒反压油气混合室内的上针阀和设置在环形油腔内的下针阀，所述上针阀通过缸筒正压气室的压力控制，所述下针阀通过缸筒反压气室的压力控制。所述端盖1、拉杆支架2开有与缸筒正压气室a连通的第三充气孔21，用于给缸筒正压气室a充气，所述缸筒活塞4上端设有充油充气孔17，充油充气孔17附有充油充气阀门18。如图3所示，所述缸筒3上开有与缸筒反压气室e连通的第二充气孔12，用于给缸筒反压气室e充气；如图6所示，所述针阀5包括结构相同的上针阀和下针阀，所述上针阀和下针阀分别安装在设置在缸筒活塞4上的第二阶梯孔16和设置在杆筒活塞8上的第一阶梯孔14内，如图4所示，以下针阀为例来说明，所述下针阀包括下油针31、回位弹簧32以及挡圈33组成，回位弹簧32安装在杆筒9的第一阶梯孔14中，上油针尖端穿过回位弹簧32和第一阶梯孔14设置在环形油腔c内，上油针平顶端作用在回位弹簧32上，并通过挡圈33限位，所述上油针平顶端与缸筒反压气室e连通。拉杆7上端与拉杆支架2通过第一螺母19和第二螺母20相连，第一螺母19和第二螺母20不仅有紧固作用，而且还起限位块的作用，在初始状态时第一螺母19与缸筒活塞4上端距离要小于拉杆7底部距第一充气孔11的轴向距离，这样方便给杆筒正压气室f充气。各部分有相互接触运动关系的地方均有密封元件。

单向阀6与阻尼孔15对称布置，且相邻的单向阀6与阻尼孔15之间相隔90°，缸筒活塞4中心孔与单向阀6、阻尼孔15之间的孔为安装所需的螺纹孔。

安装步骤：

1、将上、下针阀分别安装在缸筒活塞4的阶梯孔中和杆筒9法兰的阶梯孔中，将单向阀6安装在缸筒活塞4单向阀孔中；

2、将拉杆活塞10安装在拉杆7下端，拉杆7上端穿过缸筒活塞4中心孔，缸筒活塞4下端与杆筒9上端通过螺栓连接固定；

3、将缸筒活塞4与杆筒9的装配体穿过缸筒3上端，安装在缸筒3内部；

4、通过缸筒活塞4上的充油充气孔17给杆筒反压油气混合室b、环形油腔c和杆筒油室d充入油液，充到一定量时停止充油，然后通过充油充气孔17给杆筒反压油气混合室b充入氮气，充入后再放出，重复几次，该操作是为了尽量排尽杆筒反压油气混合室b的空气，然后再通过充油充气孔17给杆筒反压油气混合室b充入氮气，将充油充气孔17用充油充气阀门18封住；最终充进去的油液和氮气的多少是经过前期计算得到的；

5、先在拉杆7上端安装下螺母19，再将拉杆支架2套进去，再安装上螺母20，调整拉杆支架2、端盖3位置安装固定螺栓；

6、将本发明作为车辆悬架的减震部件与汽车连接，缸筒和杆筒分别作为减震部件与汽车连接的两连接端，通过第一充气孔11给杆筒正压气室f充入氮气再放出，重复几次，来排尽空气，然后充入一定量的氮气，本发明缸筒部分被抬升一定高度；然后，通过第三充气孔21给缸筒正压气室a充入氮气再放出，重复几次，来排尽空气，然后充入一定量的氮气，本发明缸筒部分再次被抬升一定高度；然后，通过第二充气孔12给缸筒反压气室e充入氮气再放出，重复几次，来排尽空气，然后充入一定量的氮气，本发明缸筒部分被受压后降低一定高度；各个密封部件在安装相应部件时安装，此时完成安装本发明步骤。

本发明工作过程如下：

以杆筒9为参考，缸筒3在平衡位置以下且向下运动为压缩行程，缸筒3在平衡位置以下且向上运动为压缩回复行程，缸筒3在平衡位置以上且向上运动为拉伸行程，缸筒3在平衡位置以上且向下运动为拉伸回复行程。对本发明施加正弦位移激励，获得本发明的阻尼力时间历程曲线、阻尼力位移曲线、阻尼力速度曲线，如图8、图9、图10所示，横坐标分别为时间/位移/速度，纵坐标为本发明阻尼力。图中虚线代表传统被动油气弹簧，实线代表本发明；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别代表本发明运动过程的压缩行程、压缩回复行程、拉伸行程和拉伸回复行程。

本发明在压缩行程过程中，单向阀6开启，缸筒正压气室a和杆筒正压气室f的压强增大，缸筒反压气室e和杆筒反压油气混合室b压强减小。上油针在压缩行程开始时处于阻尼孔15外部，在某个时刻上油针在缸筒正压气室a的压力、杆筒反压油气混合室b的压力、回位弹簧的弹力和阻尼孔15油液对上油针冲击力的合力作用下，上油针开始向下运动，上油针逐步进入阻尼孔15，使得阻尼孔15的有效面积减小，所以相对于传统被动油气弹簧在同一时刻阻尼力是增大的。同时在此过程中，下油针31在缸筒反压气室e的压力、环形油腔c的压力、回位弹簧32的弹力和阻尼孔15油液对油针的冲击力的合力方向一直向下，使得下油针一直处在阻尼孔15外部，从而在此行程下油针31不会影响阻尼力的变化。但在此行程中，由于单向阀6开启，油液主要从单向阀6流过，所以在此行程，相对于传统被动油气弹簧阻尼力增大的较小，从而不影响油气弹簧在压缩过程中，主要充当弹簧功能的特性。

本发明在压缩回复行程时，单向阀6关闭，油液主要从阻尼孔15流过，所以在此行程阻尼力较大。在压缩回复行程中，缸筒正压气室a和杆筒正压气室f的压力从最大值开始减小，缸筒反压气室e和杆筒反压油气混合室b的压力从最小值开始增大。上油针在压缩回复行程开始时处于阻尼孔15内，且位于下极限位置处，上油针在缸筒正压气室a的压力、杆筒反压油气混合室b的压力、回位弹簧的弹力与阻尼孔油液在作用下逐步向上移动。在压缩回复行程刚开始时阻尼孔15面积虽有增大，但依旧很小，相对于传统被动油气弹簧，该本发明能在速度很小的情况下产生较大阻尼力。因而可以满足车辆对紧急制动、高速转弯等低频高振幅极限工况下的行驶稳定性对本发明阻尼匹配的性能需求。上油针随着缸筒3向上运动而向上移动，直到缸筒3运动到平衡位置附近上油针离开阻尼孔15。上油针离开阻尼孔15后该本发明阻尼力与传统被动油气弹簧相等。因而可以满足车辆在高频低振幅随机振动下行驶平顺性对本发明阻尼匹配的性能需求。在此过程中，由于下油针31在缸筒反压气室e的压力、环形油腔c的压力、回位弹簧32的弹力与阻尼孔油液对下油针31的冲击力的作用下使得下油针31一直处在阻尼孔15外部。所以在此行程下油针31不会影响阻尼力的变化。

本发明在拉伸行程时，单向阀6关闭，油液主要从阻尼孔15流过，正压气室的压力由平衡时的压强开始减小，反压气室的强由平衡时的压强开始增大。在拉伸行程中，上油针受到的缸筒正压气室a的压力、杆筒反压油气混合室b的压力、回位弹簧的弹力与阻尼孔油液对上油针冲击力的作用力下，使得上油针始终在阻尼孔外部，在此行程上油针不会影响阻尼力的变化。因而可以满足车辆在高频低振幅随机振动下行驶平顺性对本发明阻尼匹配的性能需求。由压缩回复行程可知，下油针31在拉伸行程开始时处于阻尼孔15外部，在某个时刻下油针31受到缸筒反压气室e的压力、环形油腔c的压力、回位弹簧32的弹力与阻尼孔油液对下油针冲击力的作用力下，下油针31开始向上运动，并进入阻尼孔15，阻尼孔15的有效面积减小，相对于传统被动油气弹簧在同一时刻的阻尼力增大。因而可以满足车辆对紧急制动、高速转弯等低频高振幅极限工况下的行驶稳定性对本发明阻尼匹配的性能需求。

本发明在拉伸回复行程时。单向阀6开启，正压气室的压力从最小值开始增大，反压气室的强从最大值开始减小。在拉伸回复行程中，上油针在缸筒正压气室a的压力、杆筒反压油气混合室b的压力、回位弹簧的弹力与阻尼孔油液对上油针冲击力的作用力下，使得上油针始终在阻尼孔外部。所以在此行程上油针不会影响阻尼力的变化。下油针31在拉伸回复行程开始时处于阻尼孔15内部，且位于上极限位置处，下油针31在缸筒反压气室e的压力、环形油腔c的压力、回位弹簧的弹力与阻尼孔油液对下油针冲击力的作用下，下油针31开始向下运动。在该行程刚开始时阻尼孔15面积虽有增大，但依旧较小，相对于传统被动油气弹簧，该本发明能在速度较小的情况下产生较大阻尼力。下油针31随着缸筒向下运动而向下移动，直到缸筒运动到平衡位置附近下油针31离开阻尼孔15。下油针31离开阻尼孔15后该本发明阻尼力与传统被动油气弹簧相等。既保证了该本发明在上极限附近的阻尼力大，又保证了该本发明在平衡位置附近时阻尼力与传统被动油气弹簧相等。但在此行程中，由于单向阀6开启，油液主要从单向阀流过，所以在此行程阻尼力增大的并不多，从而不影响油气弹簧在压缩过程中，主要充当弹簧功能的特性。

悬架安装于车辆，靠四个气室产生的压力，即弹簧力来提供对车身的支撑力。其刚度力等于两个正压气室的刚度力之和与两个反压气室的刚度力之和的差值，计算公式如下：

式中，F_k表示悬架刚度力，x表示悬架的位移(在平衡位置以下为正)，p_a0、p_b0、p_e0、p_f0分别表示对应下标各气室初始充气压强，A_a、A_b、A_e、A_d、A_f分别表示对应下标各气室横截面积，l_a0、l_b0、l_e0、l_f0分别表示对应下标各气室内部的初始充气高度(当l_a0、l_b0、l_e0、l_f0不变时，车身高度在车辆静平衡时不变)。

该悬架固有频率计算公式，如下：

式中，f表示悬架振动频率，m表示悬架承载的质量。

根据公式(2)可知，车身固有振动频率随着任一气室压强的增大而增大，伴随任一气室压强的减小而降低。车辆从空载状态进入满载状态时，悬架压缩，正压气室压强增大，反压气室压强减小，车身固有振动频率随正压气室压强增大而增加，但其增加值可以通过反压气室压强的降低而抵消部分，从而使得车辆在不同载荷状态下车身固有频率变化很小，如图11所示。

根据公式(1)可知，当悬架提供的刚度力F_k、各气室的充气高度保持不变，气室横截面积一定时，悬架各气室压强可以有无数个不同组合(反压气室压强增大，则正压气室压强增大；反压气室压强减小，则正压气室压强减小)。进一步，根据公式(2)可知，压强的组合增大可以增加悬架固有频率，压强的组合减小则可以减小悬架固有频率。在此过程中，各气室的充气高度保持不变即保证了车身高度不变而改变了悬架固有频率。因此，在车辆底盘调校过程中，该悬架可以实现在同一车身高度下通过调节各气室的压强分配，在一定范围内获得不同的车身振动固有频率，从而相对于传统油气悬架，可以有效改善底盘调校效果。

从图9中可知，不管是本发明还是传统被动油气弹簧，阻尼力都是跟本发明运动速度相关的；从图10中则可以明显看到，本发明在小行程范围内，阻尼力跟传统被动油气弹簧一致，当单向阀和阻尼孔结构确定，其阻尼力只于速度相关；当本发明行程较大时，阻尼力不仅跟速度相关，而且跟本发明行程相关。

通过图11、图12中频率曲线对比，可得到：

1、在相同振动位移时，不管是空载还是满载，在相同的有效行程，本发明的固有频率明显小于传统油气悬架；

2、本发明由空载变为满载后平衡位置的固有频率变化相对于传统油气悬架小；

3、对于油气悬架来说，不同载荷的频率曲线可由空载频率曲线经过左右平移得到，而这个平移的距离就是车身改变载荷后车身变化的高度，有两组曲线横坐标差值对比得到，本发明相对于传统油气悬架在相同载荷变化时车身高度变化更小。

Claims (10)

1.一种多工况阻尼自适应油气弹簧，其特征在于：包括缸筒(3)，所述缸筒(3)内固定有拉杆(7)，所述拉杆(7)的上端固定在缸筒(3)顶部，下端固定有拉杆活塞(10)，所述拉杆活塞(10)设置在杆筒(9)内形成第一活塞结构，所述杆筒(9)的上端连接有缸筒活塞(4)，所述缸筒活塞(4)的下端面将杆筒(9)上端开口密封，所述杆筒(9)、缸筒活塞(4)与缸筒(3)形成第二活塞结构，所述杆筒(9)外壁上还设有杆筒活塞(8)，所述杆筒(9)、杆筒活塞(8)与缸筒(3)形成第三活塞结构，所述缸筒活塞(4)上方、缸筒(3)内壁与缸筒(3)内顶部之间形成缸筒正压气室(a)，所述缸筒活塞(4)中部设有环形凹槽，所述环形凹槽与缸筒(3)内壁之间形成杆筒反压油气混合室(b)，所述缸筒活塞(4)下方、杆筒(9)外壁、杆筒活塞(8)上方与缸筒(3)内壁之间形成环形油腔(c)，所述杆筒活塞(8)下方、杆筒(9)外壁、缸筒(3)内壁与缸筒(3)内底部之间形成缸筒反压气室(e)，所述杆筒(9)内无杆腔为杆筒正压气室(f)，有杆腔为杆筒油室(d)，所述杆筒反压油气混合室(b)分别通过至少一个单向阀(6)和至少一个阻尼孔(15)与环形油腔(c)连通，所述环形油腔(c)通过油孔与杆筒油室(d)连通，所述杆筒反压油气混合室(b)内设有改变阻尼孔导通率的上针阀，所述环形油腔(c)内设有改变阻尼孔导通率的下针阀，所述上针阀通过缸筒正压气室(a)的压力控制，所述下针阀通过缸筒反压气室(e)的压力控制。

2.根据权利要求1所述的多工况阻尼自适应油气弹簧，其特征在于：所述杆筒正压气室(f)设有与外界连通的第一充气孔(11)，所述缸筒反压气室(e)设有与外界连通的第二充气孔(12)，所述缸筒正压气室(a)设有与外界连通的第三充气孔(21)，所述第一充气孔(11)、第二充气孔(12)和第三充气孔(21)上均安装有阀门，所述杆筒反压油气混合室(b)上设有与外界连通的充油充气孔(17)，所述充油充气孔设有充油充气阀门(18)。

3.根据权利要求2所述的多工况阻尼自适应油气弹簧，其特征在于：所述缸筒活塞(4)与杆筒(9)通过螺栓固定连接，所述缸筒(3)的顶部通过端盖(1)密封，所述端盖(1)通过螺栓密封固定在缸筒(3)上。

4.根据权利要求1至3之一所述的多工况阻尼自适应油气弹簧，其特征在于：所述上针阀和下针阀结构相同，所述上针阀包括与阻尼孔大小相匹配的上油针，所述下针阀包括与阻尼孔大小相匹配的下油针，所述上油针和下油针分别通过回位弹簧分别安装在缸筒活塞和杆筒活塞的阶梯孔内，所述上油针和下油针的尖端分别设置在杆筒反压油气混合室(b)和环形油腔(c)内，并且相对设置在阻尼孔的两端，所述上油针和下油针的平顶端分别与缸筒正压气室(a)和缸筒反压气室(e)连通并且通过挡圈限位，所述回位弹簧在初始状态时将上油针和下油针的平顶端紧压在挡圈上。

5.根据权利要求4所述的多工况阻尼自适应油气弹簧，其特征在于：所述单向阀(6)使得杆筒反压油气混合室(b)的压力油只能单向流向环形油腔(c)。

6.根据权利要求5所述的多工况阻尼自适应油气弹簧，其特征在于：多个所述单向阀(6)和阻尼孔(15)沿缸筒活塞中心对称布置，且相邻的单向阀(6)与阻尼孔(15)之间相隔90°。

7.根据权利要求6所述的多工况阻尼自适应油气弹簧，其特征在于：所述拉杆上端通过螺母固定在拉杆支架上，所述拉杆支架固定在缸筒上，所述拉杆的下端穿过缸筒活塞中心孔设置在杆筒的内部。

8.根据权利要求7所述的多工况阻尼自适应油气弹簧，其特征在于：所述拉杆(7)的一端通过第一密封圈(22)与拉杆支架密封，中部通过第四密封圈(25)与缸筒活塞(4)密封，所述拉杆活塞(10)与杆筒(9)通过第九密封圈(30)密封。

9.根据权利要求8所述的多工况阻尼自适应油气弹簧，其特征在于：所述缸筒活塞(4)与缸筒(3)之间通过第二密封圈(23)、第三密封圈(24)、第五密封圈(26)密封，杆筒活塞(8)与缸筒(3)之间通过第六密封圈(27)、第七密封圈(28)密封，杆筒(9)缸筒(3)之间与通过第八密封圈(29)密封。

10.一种油气弹簧的控制方法，根据权利要求4至9之一所述的油气弹簧，其特征在于：以杆筒为参考，缸筒在平衡位置上下运动时包括缸筒在平衡位置以下且向下运动的压缩行程、缸筒在平衡位置以下且向上运动的压缩回复行程、缸筒在平衡位置以上且向上运动的拉伸行程和缸筒在平衡位置以上且向下运动的拉伸回复行程；

在压缩行程中，单向阀开启，缸筒正压气室(a)对上油针的压力大于杆筒反压油气混合室(b)压力、回位弹簧的弹力和阻尼孔油液冲击力对上油针的共同作用力，上油针逐步进入阻尼孔，使得阻尼孔的有效过流面积逐步减小，此时大部分油液从单向阀流过，下油针保持与阻尼孔的距离，当缸筒下行到极限位置时，缸筒通过缸筒正压气室(a)和杆筒正压气室(f)内的压缩气体缓冲和限位；

在压缩回复行程中，单向阀关闭，缸筒正压气室(a)对上油针的压力逐渐等于杆筒反压油气混合室(b)压力、回位弹簧的弹力和阻尼孔油液冲击力对上油针的共同作用力，上油针逐步向上移动，阻尼孔的有效过流面积逐步增大，直到上油针离开阻尼孔，此过程中下油针保持与阻尼孔的距离，不参与动作；

在拉伸行程中，单向阀关闭，缸筒正压气室(a)对上油针的压力小于杆筒反压油气混合室(b)压力、回位弹簧的弹力与阻尼孔油液冲击力对上油针的共同作用力，上油针保持在阻尼孔外部，同时缸筒反压气室(e)对下油针的压力大于环形油腔(c)压力、回位弹簧的弹力与阻尼孔油液冲击力对下油针的共同作用力，下油针逐步进入阻尼孔，使得阻尼孔的有效过流面积逐步减小，压力油通过的阻尼孔阻尼力增大；

在拉伸回复行程中，单向阀开启，缸筒反压气室(e)对下油针的压力逐渐等于环形油腔(c)压力、回位弹簧的弹力与阻尼孔油液冲击力对下油针的共同作用力，下油针逐步向下移动，阻尼孔的有效过流面积逐步增大，直到下油针离开阻尼孔，此过程中上油针保持与阻尼孔的距离，不参与动作。