CN106884921A - 一种可变刚度空气弹簧及基于该空气弹簧的控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可变刚度空气弹簧及基于该空气弹簧的控制系统，其包括气囊与活塞，所述气囊内部形成有气囊气室，所述活塞内部设置有辅助气室以及切断或导通所述气囊气室与所述辅助气室的电磁阀。本发明在气囊气室与活塞气室间增加一个电磁阀，结合ECU控制系统、速度传感器和角度传感器，对汽车的速度变化、转向角度变化以及制动情况进行信息采集，从而实现对电磁阀开关的控制，从而实现刚度的可变，以提高弹簧刚度来抵抗侧倾和点头、后仰；充分利用活塞内部的空间，提高了空间利用率，解决了对汽车其他空间的占用问题；科学合理的将汽车急刹车、急转弯等行驶状态与空气弹簧刚度的变化有机结合，从而获得了更好的操控性和操作稳定性。

Description

一种可变刚度空气弹簧及基于该空气弹簧的控制系统
【技术领域】
本发明涉及一种空气弹簧，特别是涉及一种可变刚度空气弹簧及基于该空气弹簧的控制系统。
【背景技术】
传统车辆选用的空气弹簧，在一定压力范围内刚度的变化是有限的，在复杂多变工况下，车辆不能得到良好的乘坐舒适性和操纵稳定性。空气弹簧利用气体的可压缩性实现其弹性作用，具有缓冲、隔振的功能。安装空气弹簧的悬架系统有比一般悬架具有更好的行驶平顺性及乘坐舒适性。在驾驶过程中如果对空气弹簧刚度进行合理调节，可以使悬架系统与整车性能得到合理的匹配。
空气弹簧按结构型式可以分为囊式、膜式两种。囊式空气弹簧的刚度较大，可以采用增加辅助气室的方法减小空气弹簧的刚度，膜式空气弹簧同样也可以通过增加附加气室得到较小的刚度。根据空气弹簧刚度公式可以发现膜式空气弹簧刚度除了与容积大小有关外，还与有效面积变化率有关，而有效面积变化率又与有效直径变化率有着密切的关系，查阅相关文献可知有效直径变化率取决于活塞形状。由于膜式空气弹簧结构的特殊性，可以通过改变活塞形状的方法改变弹簧的刚度。
现有技术大多数是通过增加附加气室并改变附加气室的大小来改变空气弹簧的刚度，这种通过增加附加气室的方法往往是有级可调的，一般都是采用刚度分段式控制，即把弹簧的刚度分为软、中、硬三档，这种刚度调节不是连续的，而对于实际的路面更希望刚度是无级可调才能更好的适应路面的状况的变化。而且附加气室的体积往往很大，甚至有三至四倍于空气弹簧大小，给安装带来不便，且浪费本就有限的整车空间。
申请号为201120316847.2公开了一种可变刚度空气弹簧装置，通过额外的增加一个辅助气室，并将该辅助气室用空气导管与气囊连通，且在所述空气导管上增加电磁阀，以达到调整气囊容积大小的目的。虽然此方案可以实现改变气囊容积大小的目的，但是需要额外增加一个容积较大的气室，需要占用汽车内部的空间，且对于什么情况下来实现空气弹簧刚度的变化以及如何实现这个变化并未说明。
因此，有必要提供一种新的可变刚度空气弹簧及基于该空气弹簧的控制系统来解决上述问题。
【发明内容】
本发明的主要目的之一在于提供一种可变刚度空气弹簧，在不占用其他空间的情况下，通过改变活塞的结构实现了空气弹簧的刚度调节。
本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种可变刚度空气弹簧，其包括气囊与活塞，所述气囊内部形成有气囊气室，所述活塞内部设置有辅助气室以及切断或导通所述气囊气室与所述辅助气室的电磁阀。
进一步的，所述活塞内设置有上下贯通且与所述气囊气室连通的孔道。
进一步的，所述辅助气室包括由所述孔道围绕形成的第一辅助气室以及围绕所述第一辅助气室形成的第二辅助气室。
进一步的，所述孔道内壁上部设置有连通所述第一辅助气室与所述第二辅助气室的连通口，所述电磁阀设置在所述连通口处。
进一步的，还包括固定在所述气囊上的顶板以及位于所述气囊内且固定在所述顶板上的防撞缓冲块。
进一步的，所述电磁阀为二通电磁阀或三通电磁阀。
本发明的另一个主要目的在于提供一种基于可变刚度空气弹簧的控制系统，实现了根据汽车行驶路况和行驶状况自动调节空气弹簧的刚度，提高了车辆操作的稳定性。
本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种基于可变刚度空气弹簧的控制系统，其包括所述可变刚度空气弹簧、速度传感器、方向机角度传感器、制动踏板角度传感器、数模转换器、ECU控制系统以及驱动所述电磁阀开关的驱动电路。
进一步的，所述ECU控制系统与所述速度传感器、所述方向机角度传感器、所述制动踏板角度传感器以及所述驱动电路电气连接。
进一步的，所述速度传感器的信号直接取用汽车现有的车速脉冲或车速数字信号。
进一步的，所述制动踏板角度传感器设置在制动踏板位置。
与现有技术相比，本发明一种可变刚度空气弹簧及基于该空气弹簧的控制系统的有益效果在于：在气囊气室与活塞气室间增加一个电磁阀，对两个气室的连通和阻断进行控制，从而实现刚度的可变，以提高弹簧刚度来抵抗侧倾和点头、后仰；充分利用活塞内部的空间，提高了空间利用率，解决了对汽车其他空间的占用问题；结合ECU控制系统、速度传感器和角度传感器，对汽车的速度变化、转向角度变化以及制动情况进行信息采集，从而实现对电磁阀开关的控制，科学合理的将汽车急刹车、急转弯等行驶状态与空气弹簧刚度的变化有机结合，从而获得了更好的操控性和操作稳定性。
【附图说明】
图1为本发明实施例可变刚度空气弹簧的结构示意图；
图2为本发明实施例基于可变刚度空气弹簧的控制系统的控制结构示意图；
图中数字表示：
100可变刚度空气弹簧及基于该空气弹簧的控制系统；
1气囊；2活塞，21孔道，22第二辅助气室，23电磁阀；3顶板；4防撞缓冲块；5速度传感器；6方向机角度传感器；7制动踏板角度传感器；8数模转换器；9ECU控制系统；10驱动电路。
【具体实施方式】
实施例：
请参照图1，本实施例为可变刚度空气弹簧100，其包括气囊1、活塞2、固定在气囊1上面的顶板3以及位于气囊1内且固定在顶板3上的防撞缓冲块4。气囊1内部形成有气囊气室，活塞2内部设置有辅助气室以及切断或导通所述气囊气室与所述辅助气室的电磁阀23。
活塞2内部设置有上下贯通的且与所述气囊气室连通的孔道21，所述辅助气室包括由孔道21围绕而成的第一辅助气室以及围绕所述第一辅助气室的第二辅助气室22。
孔道21内壁上部设置有连通所述第一辅助气室与第二辅助气室22的连通口(图中未标示)，电磁阀23设置在所述连通口处。
本实施例可变刚度空气弹簧100中的电磁阀23可采用二通电磁阀或三通电磁阀。当采用二通电磁阀时，可控制所述气囊气室与所述第一辅助气室或第二辅助气室22中的一个连通。当采用三通电磁阀，可实现所述气囊气室、所述第一辅助气室、第二辅助气室22三者之间的连通，从而实现各个不同刚度的变化。
请参照图2，本实施例还提出了一种基于可变刚度空气弹簧的控制系统，其包括可变刚度空气弹簧100、速度传感器5、方向机角度传感器6、制动踏板角度传感器7、数模转换器8、ECU控制系统9以及驱动电磁阀23开关的驱动电路10。所述ECU控制系统9与所述速度传感器5、所述方向机角度传感器6、所述制动踏板角度传感器7以及所述驱动电路10电气连接。所述速度传感器5可直接取用汽车现有的车速脉冲或车速数字信号。所述制动踏板角度传感器7设置在制动踏板位置，用于检测踩踏制动踏板的程度，从而反应处制动程度。所述方向机角度传感器6主要用于检测方向盘的转向角度，用以判断出车轮是否转向。
本实施例一种基于可变刚度空气弹簧的控制系统的设计思路原理如下：
原有方案中，在活塞顶端端面距离防撞缓冲块79mm时，气囊和活塞的总容积为14.5升，其中气囊容积为10.2升，活塞容积为4.3升，上跳行程110，下跳行程110，在囊内气压为5Bar时承载载货为2530kg，在下跳40mm～上跳80mm范围内，弹簧刚度平均为157N/mm，偏频为1.2HZ。
根据以上资料，我们假设在气囊气室和活塞气室之间设置一个阀门，在车辆纵向或横向加速度都不大的工况下行驶，阀门打开，橡胶空气弹簧按设计刚度和偏频运行；在车辆纵向或横向加速度都比较大，需要提高弹簧刚度以减小刹车点头和转弯侧倾的时候，将阀门关闭，截断气囊气室和活塞气室间的联系，让气囊气室单独承担压缩和伸长的空间变化，其刚度将变为157*14.5/10.2＝223，刚度提高42％，据此，对气囊气室和活塞气室的通断主动控制对车辆操作稳定性有较大的帮助。
因此，本实施例可变刚度空气弹簧100在设计高度不变、载荷和气压不变的情况下为了获得更好的平顺性，将大客车正常行驶的偏频做到1HZ，据此应该将空气弹簧在0～80mm的行程范围内将压缩刚度设计到105～110N/mm，而要得到这样的刚度，整个空气弹簧总容积需提高到20.5～21升。
另外，在设计高度不变、载荷和气压不变的情况下为了获得在车辆急转弯和急刹车时候有更好的操控性，将弹簧刚度提高到274N/mm(即在刚度157的基础上增加75％)，由此气囊的静态容积将减少1.9升，阀门关闭后的刚度为14.5/(10.2-1.9)*157＝274N/mm。
为了实现以上方案，则需将弹簧的上跳行程压缩到80mm，也就是在原110mm的上跳行程基础上减少30mm的上跳行程，由此气囊的静态容积就可减少3*0.63＝1.9升，此时，气囊1的静态容积为10.2-1.9＝8.3升。
为了实现活塞刚度的可变，将活塞设计成倒T型，也就是在原活塞下座的下端在延伸出一个圆柱腔室，即所述孔道21下部以及所述第一辅助气室与所述第二辅助气室22下部，该圆柱腔室容积为7.9升，如此气囊和活塞的总容积＝7.9+4.3+8.3＝20.5升，从而满足了空气弹簧总容积的需求。
为了验证本实施例可变刚度空气弹簧的控制系统是否满足刚度要求，进了了测试验证。实验条件为：1)本次验证下腔容积由4.3增加到8.9升，但因上跳行程缩短了30mm，也即上腔的容积减少了1.9升，所以气囊和实验活塞在静态时的总容积为10.2+8.9-1.9＝17.2升。2)电磁阀的通径为20mm。其实验结果如表1所示。
表1可变刚度空气弹簧的刚度实验表
载荷(N) 激励频率(HZ) 行程(mm) 电磁阀状态 刚度(N.mm) 原刚度(N.mm)
13500 0.375 63 打开 84 94
13500 1.875 63 打开 85 94
13500 2.5 63 打开 91 94
13500 3 63 打开 96 94
13500 0.375 63 关闭 147 94
由表1可知，由于电磁阀的通径只有20mm，随着激励频率的增加，流经阀门的气体产生阻尼，引起刚度随激励频率而增加；电磁阀关闭后，弹簧刚度大幅度上升约57％。
本实施例一种基于可变刚度空气弹簧的控制系统的有益效果在于：在气囊气室与活塞气室间增加一个电磁阀，对两个气室的连通和阻断进行控制，从而实现刚度的可变，以提高弹簧刚度来抵抗侧倾和点头、后仰；充分利用活塞内部的空间，提高了空间利用率，解决了对汽车其他空间的占用问题；结合ECU控制系统、速度传感器和角度传感器，对汽车的速度变化、转向角度变化以及制动情况进行信息采集，从而实现对电磁阀开关的控制，科学合理的将汽车急刹车、急转弯等行驶状态与空气弹簧刚度的变化有机结合，从而获得了更好的操控性和操作稳定性。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种可变刚度空气弹簧，其特征在于：其包括气囊与活塞，所述气囊内部形成有气囊气室，所述活塞内部设置有辅助气室以及切断或导通所述气囊气室与所述辅助气室的电磁阀。
2.如权利要求1所述的可变刚度空气弹簧，其特征在于：所述活塞内设置有上下贯通且与所述气囊气室连通的孔道。
3.如权利要求2所述的可变刚度空气弹簧，其特征在于：所述辅助气室包括由所述孔道围绕形成的第一辅助气室以及围绕所述第一辅助气室形成的第二辅助气室。
4.如权利要求3所述的可变刚度空气弹簧，其特征在于：所述孔道内壁上部设置有连通所述第一辅助气室与所述第二辅助气室的连通口，所述电磁阀设置在所述连通口处。
5.如权利要求1所述的可变刚度空气弹簧，其特征在于：还包括固定在所述气囊上的顶板以及位于所述气囊内且固定在所述顶板上的防撞缓冲块。
6.如权利要求1所述的可变刚度空气弹簧，其特征在于：所述电磁阀为二通电磁阀或三通电磁阀。
7.一种基于如权利要求1所述的可变刚度空气弹簧的控制系统，其特征在于：其包括所述可变刚度空气弹簧、速度传感器、方向机角度传感器、制动踏板角度传感器、数模转换器、ECU控制系统以及驱动所述电磁阀开关的驱动电路。
8.如权利要求7所述的可变刚度空气弹簧的控制系统，其特征在于：所述ECU控制系统与所述速度传感器、所述方向机角度传感器、所述制动踏板角度传感器以及所述驱动电路电气连接。
9.如权利要求7所述的可变刚度空气弹簧的控制系统，其特征在于：所述速度传感器的信号直接取用汽车现有的车速脉冲或车速数字信号。
10.如权利要求7所述的可变刚度空气弹簧的控制系统，其特征在于：所述制动踏板角度传感器设置在制动踏板位置。
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