CN108189635A - 一种悬架用惯性与刚度切换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种悬架用惯性与刚度切换装置，包括上半球、气室、橡胶油气隔膜、下半球、液压缸上腔、活塞、限压阀、液压缸下腔、底座、活塞杆、阻尼阀、连接管路、双向液压马达和飞轮。上半球可以产生刚度，液压马达连接飞轮产生惯性力。活塞杆外端连接车轮，底座与车身相固结，连接管路与液压缸接口处安装有阻尼阀，装置在低频振动下表现为惯性力，高频振动下表现为弹性力。本发明所实现的惯性与刚度自动切换，在被动悬架的车辆基础上改了其善乘坐舒适性与操纵稳定性，使车辆悬架系统能够在全频域范围内都处于较好的工作状态，并且无需外加主动控制的电子元件以及复杂的控制机构。

Description

一种悬架用惯性与刚度切换装置

技术领域

本发明属于车辆悬架系统技术领域，尤其涉及一种悬架用惯性与刚度切换装置。

背景技术

汽车悬架是车身与车轮之间一切传动装置的总称，路面作用在车轮上的垂直反力，纵向反力和倾向反力以及这些力所产生的力矩都要通过悬架传递到车身。悬架的作用就是在传递这些力和力矩的同时，缓和由不平路面传给车架或车身的冲击载荷，抑制车轮的不规则振动，提高车辆乘坐舒适性和行驶安全性，并减少由动载荷引起的零部件和货物损坏。

基于传统隔振理论设计的悬架系统只具有弹性与阻尼特性，缺乏惯性特性，不能有效解决减振效果的优异性与设备工作空间、动载荷之间的矛盾，减振效果不够理想。近年来发展起来的主动悬架和半主动悬架虽然能够有效的缓解上述矛盾，能够使车辆具有良好的动态响应特性，但主动悬架结构复杂、成本昂贵、可靠性差、响应慢、耗能大，大规模应用仍有困难；半主动悬架虽然能耗低，但时滞问题的存在限制了其性能的发挥，因此国内外相关研究人员都在积极探索改善车辆悬架综合性能的新技术。

剑桥大学学者SIMTH于2003年提出了惯容器的思想，并设计出齿轮齿条式惯容器与滚珠丝杠式惯容器，实现了机械与电子网络之间严格的对应。惯容器在机械网络中的作用与电容在电学网络中的作用相似，具有“通高频、阻低频”的特性。因此，在低频段，含有惯容器的车辆悬架的隔振性能较传统悬架有了很大的改善。但是在高频段，惯容器的隔振效果却非常有限，与传统悬架几乎没有什么不同，甚至有时候还会有所恶化。特别对于滚珠丝杠式惯容器和齿轮齿条式惯容器，由于其存在不可避免的“背隙”问题，在小振幅的高频振动下，容易导致惯容器受杆端轴承背隙的影响较为严重，悬架的性能会有所下降。近几年，出现了一些可控惯质系数的惯容器装置，但是在惯容器上增加主动控制环节，悬架就不再是被动悬架，变为主动或半主动悬架，有违惯容器设计能够改善被动悬架的车辆的乘坐舒适性与操纵稳定性的初衷。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提出了一种悬架用惯性与刚度切换装置，能够使得悬架系统在低频振动下的阻抗同时含有刚度特性、阻尼特性和惯性特性，而高频振动下的阻抗仅含有刚度特性和阻尼特性；并且依据弹簧与电感所具有相似的“阻高频”特性，该装置被设计能够加强悬架系统的弹性特性，使得悬架在全频域内都具有较优的隔振性能。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术的目的：

一种悬架用惯性与刚度切换装置，包括圆柱状的液压缸，所述液压缸由活塞分隔成上阻尼腔和下阻尼腔，所述上阻尼腔顶部设有与其相通的球状封闭结构，所述封闭结构中设有弹性油气隔膜，所述弹性油气隔膜将封闭结构分隔为上半球和下半球，所述上半球与油气隔膜之间构成气室，所述上阻尼腔和下阻尼腔通过连接管路连接惯容器，且上阻尼腔、下阻尼腔与连接管路的接口处均安装有阻尼阀，所述活塞底端固接活塞杆，所述下阻尼腔外部底端固接有底座，实现装置与车身相固结，且活塞杆依次穿过下阻尼腔、底座后连接车轮，所述活塞上安装有限压阀，以防止装置内部压力过大。所述下半球、上阻尼腔、下阻尼腔内均充满传力介质调谐流体，优选为具有低粘度、非腐蚀性的安全环保流体，所述气室内的气体为惰性气体，优选为所述惰性气体为氮气。

上述方案中所述惯容器可以为双向液压马达和飞轮，所述飞轮位于双向液压马达外部，且与液压马达相连惯容器，还可以为螺旋管路。

本发明可以达到的技术效果是：

本发明涉及的悬架用惯性与刚度自动切换装置，弹性油气隔膜以及阻尼阀能够有效实现在低频与高频的振动激励下自动选择最优的刚度与惯性力模式，并且无需外加主动控制的电子元件以及冗余的复杂的控制机构，保持了惯容器设计能够改善被动悬架的车辆的乘坐舒适性与操纵稳定性的初衷；同时惯容器与本装置的一体化设计，使得含惯容器的车辆悬架系统能够在全频域范围内都处于较好的工作状态，并且使得悬架系统拥有与传统被动悬架一样的故障率低、安全可靠、响应迅速的特点。

附图说明

图1为两种悬架车身加速度功率谱密度与频率关系图；

图2为一种悬架用惯性与刚度切换装置结构示意图；

图3为一种悬架用惯性与刚度切换装置另一种实现结构示意图。

图中：1-上半球，2-气室，3-橡胶油气隔膜，4-下半球，5-上阻尼腔，6-活塞，7-限压阀，8-下阻尼腔，9-底座，10-活塞杆，11-阻尼阀，12-连接管路，13-双向液压马达，14-飞轮，15-螺旋管路。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1，为传统被动悬架与含惯容器悬架车身加速度功率谱密度与频率的关系图，从图中可以看出在1-3Hz的低频振动下，惯容器能够使得车身加速度得到了显著的减小，而在10Hz以上的高频振动下，惯容器几乎不起作用，如果车辆工况较差的情况下，甚至会使得减振效果更差。

如图2，一种悬架用惯性与刚度切换装置结构，包括圆柱状的液压缸，液压缸由活塞6分隔成上阻尼腔5和下阻尼腔8，上阻尼腔5顶部设有与其相通的球状封闭结构，封闭结构中设有橡胶油气隔膜3，橡胶油气隔膜3将封闭结构分隔为上半球1和下半球4，下半球4固结于上半球1与上阻尼腔5之间，下半球4与上阻尼腔5之间的传力介质是连通的，上半球1与橡胶油气隔膜3之间构成气室2，上阻尼腔5和下阻尼腔8通过连接管路12连接双向液压马达13和飞轮14，飞轮14位于双向液压马达13外部，且与液压马达13相连，且上阻尼腔5、下阻尼腔8与连接管路12的接口处均安装有阻尼阀11，活塞6底端固接活塞杆10，下阻尼腔8外部底端固接有底座9，且活塞杆10依次穿过下阻尼腔8、底座9，活塞杆10外端连接车轮，底座9与车身相固结，通过活塞杆10外端和底座9两端点的相对移动使得上阻尼腔5和下阻尼腔8内的调谐流体在连接管路12内流动，调谐流体进而带动液压马达13，液压马达13连接飞轮14产生惯性力；活塞6上还安装有限压阀7，以防止装置内部压力过大。

上半球1内充满高压的弹性介质，优选为惰性气体，进一步优选为氮气，下半球4、上阻尼腔5、下阻尼腔8内均充满传力介质调谐流体，进一步地，调谐流体优选为具有低粘度、非腐蚀性的安全环保流体。

切换装置的工作过程为：因为阻尼力大小与速度成正比，而弹性力的大小仅与位移相关，当路面的激励是低频振动激励时，调谐流体流过阻尼阀11所产生的阻尼力较小，而气室2内充满高压弹性介质，弹性力较大，所以在低频振动下，调谐流体对橡胶油气隔膜3产生的压力不足以压缩气室2内的高压弹性介质，仅能够通过连接管路12，调谐流体驱动液压马达13，进而带动飞轮14，产生惯性力，起到“阻低频”的作用；当路面的激励是高频振动激励时，调谐流体流过阻尼阀11所产生的阻尼力较大，当阻尼力大于气室2内的高压弹性介质的弹性力时，即调谐流体将不会进入连接管11，而是压迫橡胶油气隔膜3，进而压缩高压弹性介质，产生弹性力，起到“阻高频”的作用；在特殊工况下，如果液压缸上腔5或液压缸下腔8内压力过大，超过了限压阀7的设置压力，限压阀7将会打开，使得液压缸上腔5或液压缸下腔8内的调谐流体直接通过，快速的降低液压缸上腔5或液压缸下腔8内的压力。

低频隔振和高频隔振两种工况具体的自动切换过程可用下式表示：

其中，Y(s)为该惯性与刚度自动切换装置的机械导纳，k_l为高压弹性介质的刚度，b_l为惯容器的惯质系数，c₀为可调阻尼阀的阻尼系数，v_l为连接管内的流速，其与振动频率成正比，Δ为橡胶油气隔膜的微小位移，s为自变量。

在低频振动激励下，阻尼力较小，弹性力较大，c₀v_l＜k_lΔ，所以在低频振动下，调谐流体无法压缩上半球内的高压弹性介质，仅通过连接管路12，带动液压马达13旋转，产生惯性力，起到“阻低频”的作用；在高频振动激励下，阻尼力较大，当阻尼力大于弹性力时，即c₀v_l＞k_lΔ，调谐流体将不会进入连接管路，而是压缩高压弹性介质，产生弹性力，起到“阻高频”的作用。

如图3，为一种悬架用惯性与刚度切换装置的另一种实现结构示意图，包括上半球1、气室2、橡胶油气隔膜3、下半球4、液压缸上腔5、活塞6、限压阀7、液压缸下腔8、底座9、活塞杆10、阻尼阀11、连接管路12、螺旋管路15。其结构和工作原理与图2中所述结构相似，但是惯性力的产生不是通过飞轮，而是通过液体在在弯曲管路内流动形成液体飞轮，进而产生惯性力。

当车辆在行驶过程中，因路面不平产生的振动传递到车轮上，经悬架吸收振动能量之后再传递到车身，对于低频率的振动激励，惯容器起隔振作用，使得悬架系统的整体阻抗中含有惯性特性。对于高频率的振动激励，惯容器被阻尼阀屏蔽，此时起作用的是高压弹性介质，产生弹性力，使得悬架系统的整体阻抗中有更多的弹性特性。这样就使得悬架系统能够自动的切换刚度与惯性力模式，使得含惯容器的车辆悬架系统能够在全频域范围内都处于较好的工作状态。并且本装置无需外加主动控制的电子元件以及冗余的复杂的控制机构，保持了惯容器设计能够改善被动悬架的车辆的乘坐舒适性与操纵稳定性的初衷，使得含有惯性与刚度切换装置的悬架系统拥有与传统被动悬架一样的故障率低，安全可靠，响应迅速的特点。

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)

1.一种悬架用惯性与刚度切换装置，其特征在于，包括圆柱状的液压缸，所述液压缸由活塞(6)分隔成上阻尼腔(5)和下阻尼腔(8)，所述上阻尼腔(5)顶部设有与其相通的球状封闭结构，所述封闭结构中设有弹性油气隔膜(3)，所述弹性油气隔膜(3)将封闭结构分隔为上半球(1)和下半球(4)，所述上半球(1)与油气隔膜(3)之间构成气室(2)，所述上阻尼腔(5)和下阻尼腔(8)通过连接管路(12)连接惯容器，且上阻尼腔(5)、下阻尼腔(8)与连接管路(12)的接口处均安装有阻尼阀(11)。

2.如权利要求1所述的一种悬架用惯性与刚度切换装置，其特征在于，所述活塞(6)底端固接活塞杆(10)，所述下阻尼腔(8)外部底端固接有底座(9)，实现装置与车身相固结，且活塞杆(10)依次穿过下阻尼腔(8)、底座(9)后连接车轮。

3.如权利要求1所述的一种悬架用惯性与刚度切换装置，其特征在于，所述惯容器为双向液压马达(13)和飞轮(14)，所述飞轮(14)位于双向液压马达(13)外部，且与液压马达(13)相连。

4.如权利要求1所述的一种悬架用惯性与刚度切换装置，其特征在于，所述惯容器为螺旋管路(15)。

5.如权利要求1所述的一种悬架用惯性与刚度切换装置，其特征在于，所述活塞(6)上安装有限压阀(7)，以防止装置内部压力过大。

6.如权利要求1所述的一种悬架用惯性与刚度切换装置，其特征在于，所述下半球(4)、上阻尼腔(5)、下阻尼腔(8)内均充满传力介质调谐流体。

7.如权利要求6所述的一种悬架用惯性与刚度切换装置，其特征在于，所述调谐流体为具有低粘度、非腐蚀性的安全环保流体。

8.如权利要求1所述的一种悬架用惯性与刚度切换装置，其特征在于，所述气室(2)内的气体为惰性气体。

9.如权利要求8所述的一种悬架用惯性与刚度切换装置，其特征在于，所述惰性气体为氮气。