CN108488288B - 一种惯质系数可调的二级结构惯容器 - Google Patents

一种惯质系数可调的二级结构惯容器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种惯质系数可调的二级结构惯容器，包括：液压缸筒、惯性力发生器A、惯性力发生器B、上活塞杆、下活塞杆、连通管路、阻断通道；惯性力发生器A和惯性力发生器B的外壁上均开有螺旋槽，惯性力发生器A的螺旋槽转动方向与惯性力发生器B的螺旋槽转动方向相反；通过设置上下两个惯性力发生器，相较于一级结构的惯容器，本发明是二级结构惯容器，惯性力发生器A和惯性力发生器B不直接连接，当车轮振动的能量给惯性力发生器B时，振动转换成下缸筒内液体流动的能量，不会通过惯容器直接将车轮振动传送给车身，能够大大减小车轮振动对车身的影响。

Description

一种惯质系数可调的二级结构惯容器
技术领域
本发明涉及减振和车辆悬架技术领域，特别是涉及一种惯质系数可调的二级结构惯容器。
背景技术
随着汽车制造技术不断地发展和完善，人们对汽车乘坐舒适性的要求越来越高，汽车振动问题也被更多的人关注。现阶段，汽车主要通过减振器来缓解汽车振动对乘坐舒适性的影响。减振器的使用除了可以提高乘坐舒适性外，还可以减少汽车其他零部件的损耗，延长零配件的使用寿命。因此减振器的研究也成为汽车领域的热门研究。目前为止国内外已经有很多减振器相关方面的研究，市场上使用的减振器大多数为弹簧减振器、液压减振器、空气弹簧等。
2003年，剑桥大学学者SIMTH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，实现了机械元件与电子网络之间严格的对应。目前惯容器有齿轮齿条式惯容器、滚珠丝杠惯容器、液力发生式惯容器、杠杆质量惯容器、扭转惯容器、少齿差行星齿轮扭转惯容器及摆线钢球扭转惯容器等多种形式。惯容器的提出，是汽车减振器研究领域中里程碑式的飞跃。但是，这些惯容器都存在相当多的移动部件，造成机构加工复杂，成本较高，各部件之间的摩擦也较多。从对理论结构的模拟仿真来看，二级结构的性能较一级结构更卓越稳定，但因二级结构较一级结构更为复杂，占据空间较大，现阶段使用的惯容器装置大多为一级结构。
此外，在车辆行驶的途中，受到的外力是非线性无规律的，且车辆本身的载重是不断变化的，由此，对应的惯容器的最优惯质系数也是不同的。对传统的带有飞轮式惯容器而言，要改变惯质系数会大大增加机构的复杂程度，加大了加工装配的困难程度和成本。
如中国专利申请号为：201610300595.1一种液力忆惯容器装置及其应用，公开了一种惯质系数可变惯容器，该惯容器通过在活塞上设置螺旋槽，与上下横截面积不统一的缸筒配合使用，通过活塞位移的改变达到连续改变惯容器惯质系数的目的。然而，车辆振动信号大多数情况下都是阶跃信号，惯质系数的连续性变化会产生严重的时滞现象。且该惯容器虽惯质系数可调，但因其螺旋槽参数、活塞大小、活塞行程不可变，实质上提供的是一种在一定范围内惯质系数变化过程固结且不可控的惯容器。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种惯质系数可调的二级结构惯容器，通过改变内置螺旋管路的物理结构，实现惯容器惯质系数可调的目的。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种惯质系数可调的二级结构惯容器，包括：液压缸筒(3)、惯性力发生器A(6)、惯性力发生器B(15)、上活塞杆(2)、下活塞杆(13)、连通管路(8)、阻断通道；液压缸筒(3)被阻断通道分割成上缸筒和下缸筒，阻断通道内部安装有隔断块(10)，将阻断通道分为左通道(9)和右通道(7)，左通道(9)和右通道(7)之间不连通；上缸筒的筒壁上开有通孔，通过连通管路(8)与阻断通道左端连接，下缸筒的筒壁上开有通孔，通过连通管路(8)与阻断通道右端连接；上缸筒内安装有惯性力发生器A(6)，惯性力发生器A(6)下端与上缸筒下端面固定连接，惯性力发生器A(6)通过惯性力发生器A上端面(4)与上活塞杆(2)的一端固定连接，上活塞杆(2)的另一端穿出液压缸筒(3)与上吊耳(1)固定连接；下缸筒内安装有惯性力发生器B(15)，惯性力发生器B(15)上端与下缸筒上端面固定连接，惯性力发生器B(15)通过惯性力发生器B下端面(12)与下活塞杆(13)一端固定连接，下活塞杆(13)另一端穿出液压缸筒(3)与下吊耳(14)固定连接；惯性力发生器A(6)和惯性力发生器B(15)的外壁上均开有螺旋槽，惯性力发生器A(6)的螺旋槽转动方向与惯性力发生器B(15)的螺旋槽转动方向相反。
进一步地，上缸筒的下端面和惯性力发生器A上端面(4)配套安装有单向阀(5a)，惯性力发生器A(6)内的液体流向为从上缸筒的下端面流向惯性力发生器A上端面(4)；下缸筒的上端面和惯性力发生器B下端面(12)配套安装有单向阀(5d)，惯性力发生器B(15)内的液体流向为从下缸筒的上端面流向惯性力发生器B下端面(12)。
进一步地，上缸筒的下端面和惯性力发生器A上端面(4)配套安装有电磁阀(5a)，控制器控制电磁阀(5a)使得惯性力发生器A(6)内的液体流向为从上缸筒的下端面流向惯性力发生器A上端面(4)；下缸筒的上端面和惯性力发生器B下端面(12)配套安装有电磁阀(5d)，控制器控制电磁阀(5d)使得惯性力发生器B(15)内的液体流向为从下缸筒的上端面流向惯性力发生器B下端面(12)。
进一步地，液压缸筒(3)、惯性力发生器A(6)、惯性力发生器B(15)、连通管路(8)和阻断通道内均填充有不可压缩的液体。
进一步地，所述不可压缩的液体为液压油。
进一步地，惯性力发生器A(6)下端面和惯性力发生器B(15)上端面均安装有限位块(11)，防止上活塞杆(2)与上缸筒碰撞，下活塞杆(13)与下缸筒碰撞。
进一步地，惯性力发生器A上端面(4)和惯性力发生器B下端面(12)均为防腐蚀钢性材料。
进一步地，惯性力发生器A(6)和惯性力发生器B(15)的材质为橡胶。
本发明的有益效果在于：
1.本发明通过在惯性力发生器A和惯性力发生器B的外壁上设置螺旋槽，使得惯性力发生器A和惯性力发生器B结构紧凑，无需外接飞轮等设备，元件数量较少，不易出现故障，是一种性能卓越的新型惯容器装置。
2.当上活塞杆和下活塞缸工作时，分别拉动惯性力发生器A和惯性力发生器B拉伸或压缩，使得惯性力发生器A和惯性力发生器B的槽夹角θ发生改变，从而使得螺旋槽的有效横截面积得到改变，达到调节惯质系数的目的。
3.在上活塞杆和下活塞杆上下运动时，惯性力发生器A和惯性力发生器B分别有一端运动，起到了类似于活塞的作用，相比于传统钢制活塞，性力发生器A和惯性力发生器B均采用橡胶材质，当上活塞杆和下活塞杆轴线偏离液压缸筒轴心线或者车辆出现严重侧倾状态时，惯容器不会出现严重的撞缸现象，也可以有效防止液压缸筒被刮伤，延长了使用寿命。
4.本发明为二级结构惯容器，一般来说上吊耳连接车身，下吊耳连接车轮，当车轮开始振动时，振动依次通过下吊耳、下活塞杆传送到惯性力发生器B上，往复拉伸压缩惯性力发生器B，在往复拉伸压缩惯性力发生器B的过程中带动下缸筒内的液体沿螺旋槽做旋转上升或旋转下降，将车轮振动的能量存储在惯容器的下缸筒内。因为本发明是二级结构惯容器，惯性力发生器A和惯性力发生器B不直接连接，当车轮振动的能量给惯性力发生器B时，振动转换成下缸筒内液体流动的能量，不会通过惯容器直接将车轮振动传送给车身，能够大大减小车轮振动对车身的影响。
5.当上缸筒和下缸筒内的不可压缩性液体流动速度较快时，会产生较大的离心力，如若惯性力发生器A和惯性力发生器B的螺旋槽的转动方向相同，会引起惯容器发生晃动，不利于车辆保持平稳，而惯性力发生器A和惯性力发生器B转动方向相反的螺旋槽，可使上缸筒和下缸筒中运动的液体产生方向相反的离心力，从而使上缸筒和下缸筒中的离心力相互抵消，防止惯容器发生剧烈晃动。
附图说明
图1为本发明所述的一种惯质系数可调的二级结构惯容器结构示意图。
图2本发明所述的惯性力发生器拉伸、压缩状态示意图；图2a为所述的惯性力发生器A拉伸状态示意图；图2b为所述的惯性力发生器B压缩状态示意图。
图3为本发明所述的惯性力发生器A上单个螺旋槽实际状态、近似状态示意图；图3a为所述的惯性力发生器A上单个螺旋槽实际状态示意图；图3b为所述的惯性力发生器A上单个螺旋槽近似状态示意图。
图中：
1-上吊耳；2-上活塞杆；3-液压缸筒；4-惯性力发生器A上端面；5a-5d-单向阀；6-惯性力发生器A；7-右通道；8-连通管路；9-左通道；10-隔断块；11-限位块；12-惯性力发生器B下端面；13-下活塞杆；14-下吊耳；15-惯性力发生器B。
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所示，一种惯质系数可调的二级结构惯容器，包括液压缸筒3，惯性力发生器A6，惯性力发生器B15，上活塞杆2，下活塞杆13，连通管路8，阻断通道；
液压缸筒3被阻断通道分割成上缸筒和下缸筒，阻断通道内部安装有隔断块10，将阻断通道分为左通道9和右通道7，左通道9和右通道7之间不连通，从而使上缸筒和下缸筒之间不连通。
上缸筒的筒壁上开有通孔，通过连通管路8与阻断通道左端连接，下缸筒的筒壁上开有通孔，通过连通管路8与阻断通道右端连接，上缸筒内安装有惯性力发生器A6，惯性力发生器A6下端与上缸筒下端面固定连接；
惯性力发生器A6通过惯性力发生器A上端面4与上活塞杆2的一端固定连接，上活塞杆2的另一端穿出液压缸筒3与上吊耳1固定连接；下缸筒内安装有惯性力发生器B15，惯性力发生器B15上端与下缸筒上端面固定连接，惯性力发生器B15通过惯性力发生器B下端面12与下活塞杆13一端固定连接，下活塞杆13另一端穿出液压缸筒3与下吊耳14固定连接。
进一步地，惯性力发生器A6下端面和惯性力发生器B15上端面均安装有限位块11，防止上活塞杆2与上缸筒碰撞，下活塞杆13与下缸筒碰撞。
进一步地，惯性力发生器A上端面4和惯性力发生器B下端面12均为防腐蚀钢性材料。
进一步地，惯性力发生器A6和惯性力发生器B15的材质优选为橡胶。
进一步地，液压缸筒3、惯性力发生器A6、惯性力发生器B15、连通管路8和阻断通道内均填充有不可压缩的液体。上述不可压缩的液体可以为液压油。
进一步地，上缸筒的下端面和惯性力发生器A上端面4配套安装有单向阀5a，惯性力发生器A6内的液体流向为从上缸筒的下端面流向惯性力发生器A上端面4；下缸筒的上端面和惯性力发生器B下端面12配套安装有单向阀5d，惯性力发生器B15内的液体流向为从下缸筒的上端面流向惯性力发生器B下端面12。
一般地，惯容器上吊耳1连接车身，下吊耳14连接车轮。
如图2(a)和图2(b)所示，惯性力发生器A6和惯性力发生器B15的外壁上均开有螺旋槽，惯性力发生器A6的螺旋槽转动方向与惯性力发生器B15的螺旋槽转动方向相反，螺旋槽夹角为θ，惯性力发生器A6的外半径r和惯性力发生器B15的外半径r′与液压缸筒3的半径R相等，即r＝r′＝R，螺旋槽与液压缸筒3紧密贴合，为了方便液体流动上下端面上均开有导流槽。当液体流过导流槽时，液体顺时针或逆时针螺旋上升或下降，形成惯性力。如图3(a)和3(b)所示，可将图3(a)惯性力发生器A上单个螺旋槽的横截面积的实际状态近似为图3(b)，在计算时，可将螺旋槽与液压缸筒3内壁封闭形成的液体通道近似为一个半圆管路。
根据惯容器惯质系数公式(1)(属于本领域的公知常识，本发明暂不描述)，可知惯质系数b与ρ、l、A1成正比，与A2成反比，
其中，b为惯质系数(单位为kg，表示当前状态下液体产生的虚质量，使得悬架系统同时包含阻尼特性、惯性特性和刚度特性)，ρ为液体密度，l为螺旋槽长度，A1为缸筒横截面积，A2为螺旋槽单个槽道的横截面积。根据公式(1)可知惯质系数b与螺旋槽单个槽道的横截面积A2成反比。
下面详细说明本发明的工作过程。
当车辆行驶遇到障碍物时，车轮承受冲击力，车轮相对于惯容器向上运动，下活塞杆13压缩惯性力发生器B15，惯性力发生器B15内不可压缩性液体受挤压产生一定压力，推开单向阀5d，使一部分不可压缩性液体从惯性力发生器B15内流出进入下缸筒、连通管路8b和右通道7内，通过惯容器内的液体运动吸收车轮运动产生的动能，只尽可能少的使车身在纵向产生位移；当车辆越过障碍物时，车轮相对于惯容器趋向于向下运动时，下活塞杆13拉伸惯性力发生器B15，惯性力发生器B15内部出现真空使下缸筒上端面上的单向阀5c两侧的压力不一致，即右通道7内的压力大于惯性力发生器B15内的压力，此时单向阀5c打开，右通道7内的不可压缩性液体流入惯性力发生器B15。
当车轮上的一部分振动传送到车身上时，车身也会相对于惯容器发生向上或向下的运动。当车身相对于惯容器向下运动时，上活塞杆2压缩惯性力发生器A6发生形变，惯性力发生器A6内不可压缩性液体受挤压产生一定压力，推开单向阀5a，使一部分不可压缩性液体从惯性力发生器A6中流出进入上缸筒、连通管路8a和左通道9内；当车身相对于惯容器向上运动时，上活塞杆2拉伸惯性力发生器A6，惯性力发生器A6内部出现真空使上缸筒下端面上的单向阀5b两侧的压力不一致，即左通道9内的压力大于惯性力发生器A6内的压力，此时单向阀5b打开，左通道9内的不可压缩性液体流入惯性力发生器A6内。
由于惯性力发生器A6和惯性力发生器B15的外壁上均开有螺旋槽，在其发生拉伸或压缩运动时，螺旋槽夹角θ随之发生变化，从而惯质系数b随之发生变化，达到惯质系数可调的目的。
当车辆在行驶过程中忽然遇到障碍物，地面给车轮一个较大的冲击力时，冲击力依次通过下吊耳14、下活塞杆13传送到惯性力发生器B15上，拉伸压缩惯性力发生器B15。在拉伸压缩惯性力发生器B15的过程中带动下缸筒内的不可压缩性液体沿螺旋槽做旋转上升或旋转下降，旋转运动的不可压缩性液体起到了类似飞轮的作用，通过螺旋运动将车轮收到的大多数冲击能量存储在惯容器下缸筒的不可压缩性液体内，只将少部分冲击能量向上缸筒传递导致车身振动。因惯容器上缸筒和下缸筒之间的运动是相互独立的，惯性力发生器A和惯性力发生器B不直接连接，所以该惯容器在结构上为二级惯容器。
上述实施例描述了本发明二级结构惯容器应用于车轮遇到障碍物的情况，而车轮遇到凹坑的情况同样也适用，其工作原理基本相同。
上述实施例中虽然采用了单向阀5a-5d来控制不可压缩性液体的流向，然而也可以采用其他类型的阀，例如电磁阀等，并通过控制器对其进行控制，以达到相同的目的。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种惯质系数可调的二级结构惯容器，其特征在于，包括：液压缸筒(3)、惯性力发生器A(6)、惯性力发生器B(15)、上活塞杆(2)、下活塞杆(13)、连通管路(8)、阻断通道；
液压缸筒(3)被阻断通道分割成上缸筒和下缸筒，阻断通道内部安装有隔断块(10)，将阻断通道分为左通道(9)和右通道(7)，左通道(9)和右通道(7)之间不连通；
上缸筒的筒壁上开有通孔，通过连通管路(8)与阻断通道左端连接，下缸筒的筒壁上开有通孔，通过连通管路(8)与阻断通道右端连接；
上缸筒内安装有惯性力发生器A(6)，惯性力发生器A(6)下端与上缸筒下端面固定连接，惯性力发生器A(6)通过惯性力发生器A上端面(4)与上活塞杆(2)的一端固定连接，上活塞杆(2)的另一端穿出液压缸筒(3)与上吊耳(1)固定连接；
下缸筒内安装有惯性力发生器B(15)，惯性力发生器B(15)上端与下缸筒上端面固定连接，惯性力发生器B(15)通过惯性力发生器B下端面(12)与下活塞杆(13)一端固定连接，下活塞杆(13)另一端穿出液压缸筒(3)与下吊耳(14)固定连接；
惯性力发生器A(6)和惯性力发生器B(15)的外壁上均开有螺旋槽，惯性力发生器A(6)的螺旋槽转动方向与惯性力发生器B(15)的螺旋槽转动方向相反；
液压缸筒(3)、惯性力发生器A(6)、惯性力发生器B(15)、连通管路(8)和阻断通道内均填充有不可压缩的液体；
惯性力发生器A(6)和惯性力发生器B(15)的材质为橡胶；上缸筒的下端面和惯性力发生器A上端面(4)配套安装有单向阀(5a)，惯性力发生器A(6)内的液体流向为从上缸筒的下端面流向惯性力发生器A上端面(4)；下缸筒的上端面和惯性力发生器B下端面(12)配套安装有单向阀(5d)，惯性力发生器B(15)内的液体流向为从下缸筒的上端面流向惯性力发生器B下端面(12)；
惯性力发生器A(6)和惯性力发生器B(15)的外壁上均开有螺旋槽，在其发生拉伸或压缩运动时，螺旋槽夹角θ随之发生变化，从而惯质系数随之发生变化，达到惯质系数可调的目的。
2.如权利要求1所述的一种惯质系数可调的二级结构惯容器，其特征在于，上缸筒的下端面和惯性力发生器A上端面(4)配套安装有电磁阀(5a)，控制器控制电磁阀(5a)使得惯性力发生器A(6)内的液体流向为从上缸筒的下端面流向惯性力发生器A上端面(4)；下缸筒的上端面和惯性力发生器B下端面(12)配套安装有电磁阀(5d)，控制器控制电磁阀(5d)使得惯性力发生器B(15)内的液体流向为从下缸筒的上端面流向惯性力发生器B下端面(12)。
3.如权利要求1所述的一种惯质系数可调的二级结构惯容器，其特征在于，所述不可压缩的液体为液压油。
4.如权利要求1-2任一项所述的一种惯质系数可调的二级结构惯容器，其特征在于，惯性力发生器A(6)下端面和惯性力发生器B( 15) 上端面均安装有限位块(11)，防止上活塞杆(2)与上缸筒碰撞，下活塞杆(13)与下缸筒碰撞。
5.如权利要求1-2任一项所述的一种惯质系数可调的二级结构惯容器，其特征在于，惯性力发生器A上端面(4)和惯性力发生器B下端面(12)均为防腐蚀钢性材料。
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