CN108819643B - 一种采用与主动力作动器同轴心橡胶弹簧的主动悬架 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种采用与主动力作动器同轴心橡胶弹簧的主动悬架,主动力作动器的内筒下端同轴心固定连接由刚性外圈、橡胶主簧、刚性导轨和刚性内管组成的第一橡胶弹簧,刚性外圈上端固定连接内筒下端,内部正中间容纳有橡胶主簧,前后布置的刚性内管穿过橡胶主簧,刚性内管的中心轴与主动力作动器的中心轴垂直相交,刚性内管前后两端各刚性连接一个内管安装座的上端,主动力作动器的外筒上端同轴心地刚性连接与第一橡胶弹簧结构相同的第二橡胶弹簧的刚性外圈下端,外筒外部同轴套有一个螺旋弹簧,悬架除了具有主动力作动器和螺旋弹簧形成的一级减振功能外,还具有由第一橡胶弹簧形成的第二级减振功能和第二橡胶弹簧形成的三级减振功能。
Description
技术领域
本发明属于车辆悬架技术领域,尤其涉及一种采用旋转电机式主动力作动器的车辆主动悬架。
背景技术
悬架是车辆的车架(或承载式车身)与车桥(或车轮)之间的传力连接装置的总称,其作用是传递作用在车轮和车架之间的力和力矩,并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力,并衰减由此引起的振动,以保证汽车平顺地行驶。
主动力作动器是车辆主动悬架的关键部件,主动力作动器具备向悬架提供主动控制力的能力而有潜力使汽车获得很好的平顺性。目前,主动力作动器有静液压式、气压式、直线电机式、滚珠丝杠-旋转电机式、静液压-马达/泵-电机式等,其中滚珠丝杠-旋转电机式主动力作动器由于采用滚珠丝杠对悬架间的运动速度进行了放大,因此其能量密度较大,但其存在的缺点是:放大了旋转电机转子的惯性,使得主动控制力并联了一个较大的等效惯性质量,使主动悬架所需的理想控制力被放大5倍以上。
发明内容
本发明针对现有采用了旋转电机式主动力作动器的悬架存在的因作动器等效惯性质量大导致悬架理想控制力被放大的问题,提出了一种主动力作动器与橡胶弹簧同轴心的主动悬架,将主动力作动器同轴心地串接一个或两个具有减振功能的整体外圈式橡胶弹簧,有效消除等效惯性质量对理想控制力的影响。
本发明所述的一种采用与主动力作动器同轴心橡胶弹簧的主动悬架采用的技术方案是:具有一个主动力作动器,主动力作动器的外筒内的旋转电机经丝杠螺母同轴连接内筒上端,内筒下端伸出外筒外且同轴心固定连接第一橡胶弹簧;第一橡胶弹簧由刚性外圈、橡胶主簧、刚性导轨和刚性内管组成,刚性外圈上端固定连接内筒下端,刚性外圈内部正中间容纳有橡胶主簧,橡胶主簧的中心与刚性外圈的中心重合;刚性外圈正前方和正后方各固定连接一个刚性导轨,刚性导轨上设有上下布置的腰形滑槽;前后布置的刚性内管穿过橡胶主簧和两个腰形滑槽,刚性内管的中心轴与主动力作动器的中心轴垂直相交;刚性内管前后两端各刚性连接一个内管安装座的上端,内管安装座的下端经下叉臂连接车身和车轮。
进一步地,所述的外筒上端同轴心地刚性连接与第一橡胶弹簧结构相同的第二橡胶弹簧的刚性外圈下端,第二橡胶弹簧的刚性内管前后两端是固定连接车身。
进一步地,主动力作动器的外筒外部同轴套有一个螺旋弹簧,螺旋弹簧上端相对于外筒固定不动、下端支撑在弹簧安装座上表面上,弹簧安装座固定套在内筒外。
进一步地,刚性内管的中心轴向下偏置在刚性外圈中心的正下方。
本发明采用上述技术方案后,具有的有益效果是:
1、本发明采用的橡胶弹簧是整体外圈式橡胶弹簧,除了具有联结功能外,还具有减振功能。因此,当串接第一橡胶弹簧时,悬架除了具有主动力作动器和螺旋弹簧形成的一级减振功能外,还具有由第一橡胶弹簧形成的第二级减振功能;当串接两个橡胶弹簧时,悬架除了具有二级减振功能外,还再加上由第二橡胶弹簧形成的三级减振功能,为此可有效地消除过大的主动力作动器控制力需求。
2、本发明工作时,当整体外圈式橡胶弹簧的内管受力向下运动,外形是圆管状的内管便对橡胶主簧发生挤压,相对地,橡胶主簧就对内管产生向四周扩散的周向力,该周向力的合力就是橡胶主簧的减振力,该减振力朝向上方,如此实现减振功能。
3、橡胶弹簧的外圈的外形尺寸及倒角半径可根据刚度和阻尼的需要进行优化设计,避免整体橡胶弹簧因过度挤压而损坏;内管相对外圈的运动行程也可以根据悬架限位行程等同设计。
4、本发明结构简单,成本低,对原有悬架的结构改动较少。
附图说明
图1是本发明所述一种主动力作动器与橡胶弹簧同轴心的主动悬架的结构图:
图2是图1中主动力作动器的内部结构放大图及其外接结构图;
图3是图1中第一橡胶弹簧2的立体结构放大图;
图4是图3的主视图;
图5是图4中A—A剖视图;
图6是图1中主动力作动器上端同轴心串接第二橡胶弹簧14的结构图;
图7~图10是图4中刚性外圈2-2的四种设计结构放大图;
图中:1.内管安装座;2.第一橡胶弹簧;2-1.刚性外圈;2-2.橡胶主簧;2-3.刚性导轨;2-4.刚性内管;2-5.沉头螺钉;2-6.腰形滑槽;2-7.内外倒角;3.下叉臂;4.衬套;5.弹簧安装座;6.螺旋弹簧;7.上叉臂;8.衬套;9.主动力作动器;9-1.旋转电机;9-2.滚珠螺母;9-3.滚珠丝杠;9-4.内筒;9-5.外筒;10.联结总成;11.球头总成;12.转向节臂;13.车轮;14.第二橡胶主簧。
具体实施方式
如图1所示,规定本发明的方位是:地面在“下方”,联结总成10在“上方”;车轮13在地面上滚动,车轮13的滚动方向为“前、后”方向;车轮13在“外侧”、衬套4在“内侧”。
如图1所示,本发明具有一个主动力作动器9,主动力作动器9安装在车辆的车身和车轮13之间。主动力作动器9的上端固定连接联结总成10,联结总成10固定连接于车身。
如图2所示,主动力作动器9的外部是外筒9-5,外筒9-5内同轴套有旋转电机9-1和内筒9-4,内筒9-4内同轴套有滚珠螺母9-2。旋转电机9-1的壳体固定在外筒9-5上,并且旋转电机9-1的壳体上方固定连接于联结总成10,使联结总成10与主动力作动器9形成刚性连接。内筒9-4的外壁与外筒9-5的内壁密封相接,并且内筒9-4能沿外筒9-5的内壁上下滑动。旋转电机9-1的输出轴下端同轴固定连接滚珠丝杠9-3上端,滚珠丝杠9-3下端与滚珠螺母9-2同轴相配合。滚珠螺母9-2固定套接于内筒9-4上端内,内筒9-4的下端向下伸出外筒9-5之外并且同轴心地固定连接第一橡胶弹簧2,第一橡胶弹簧2的上下中心轴与主动力作动器9的中心轴共线。
旋转电机9-1工作时,带动滚珠丝杠9-3和滚珠螺母9-2转动,从而带动内筒9-4在外筒9-5内沿轴向直线滑动,带动下方的橡胶弹簧2上下运动。
如图3、图4和图5所示,第一橡胶弹簧2由刚性外圈2-1、橡胶主簧2-2、刚性导轨2-3和刚性内管2-4组成。橡胶弹簧2的外部是一个刚性外圈2-1,刚性外圈2-1的上端正中间固定连接主动力作动器9的内筒9-4下端,将橡胶弹簧2串接在主动力作动器9上。刚性外圈2-1的中间是开有前后贯通的通孔,该通孔内的正中间容纳了弹性的橡胶主簧2-2,橡胶主簧2-2的外壁与刚性外圈2-1的通孔的内壁固定联结。刚性外圈2-1的边角处以内外倒角2-7过渡连接。
在刚性外圈2-1的正前方和正后方各连接一个刚性导轨2-3,两个刚性导轨2-3前后对称。两个刚性导轨2-3与橡胶主簧2-2之间不接触。刚性导轨2-3的上下端均通过沉头螺钉2-5固定连接刚性外圈2-1。刚性导轨2-3上设有上下布置的腰形滑槽2-6,腰形滑槽2-6前后贯通。
前后布置的刚性内管2-4同时穿过一个橡胶主簧2-2和两个刚性导轨2-3的腰形滑槽2-6,刚性内管2-4的中心轴与主动力作动器9的中心轴垂直相交。刚性内管2-4的中心轴位于刚性外圈2-1中心的正下方,向下偏移一定距离。在非装车的初始状态时,橡胶主簧2-2的中心与刚性外圈2-1的中心重合,则刚性内管2-4的位置也相对于橡胶主簧2-2的中心向下偏移了相同的距离。刚性内管2-4的前后两端均伸出在刚性导轨2-3外,便于外接。
刚性内管2-4是圆筒状,其中间段的外径大于前后段的外径,中间段贯穿并通过四周连接于橡胶主簧2-2中,前后段与腰形滑槽2-6相配合,可沿腰形滑槽2-6的槽壁上下滑动。
在悬架非装车状态下,刚性外圈2-1、橡胶主簧2-2和刚性内管2-4均与地面平行,刚性导轨2-3与地面垂直。
如图1-5所示,在主动力作动器9的外筒9-5和橡胶弹簧2之间设有一个弹簧安装座5,弹簧安装座5是圆环形,固定套在内筒9-4外。
主动力作动器9的外筒9-5外部同轴套有一个螺旋弹簧6,螺旋弹簧6的下端支撑在弹簧安装座5上表面上,螺旋弹簧6的上端支撑在联结总成10下端面上,相对于外筒9-5固定不动,联结总成10下端的外径大于螺旋弹簧6。
橡胶主簧2-2的刚性内管2-4的前后两端各刚性连接一个内管安装座1的上端,内管安装座1的下端刚性连接一个下叉臂3,下叉臂3同时连接在车身和车轮13之间。连接时,将内管安装座1连接在下叉臂3中间段上,下叉臂3外端连接于车轮13,下叉臂3内端通过一个衬套4联结到车身对应的位置上。
在下叉臂3的上方设有上叉臂7,上叉臂7内端通过衬套8联结到车身对应的位置上,上叉臂7外端通过球头总成11与转向节臂12上端联结,转向节臂12端连接车轮13,因球头总成11的作用,使上叉臂7可绕转向节臂12上端上下摆动。这样,由上叉臂7、下叉臂3、转向节臂12构成悬架基础结构,使得车轮13随悬架基础结构绕车身外侧上下摆动。当车轮13上下摆动时,刚性内管2-4受力运动,作用于有弹性的橡胶主簧2-2,橡胶主簧2-2便产生减振力。这样,在主动力作动器9和螺旋弹簧6本身具有的减振功能的基础上又增加了一级减振功能,实现两级减振。
如图6所示,在图1结构的基础上,本发明还在主动力作动器9的上端同轴心地固定连接第二橡胶弹簧14,第二橡胶弹簧14也与外筒9-5刚性连接。第二橡胶弹簧14的本身结构与第一橡胶弹簧2的结构完全相同,所不同的仅是外接方式:第二橡胶弹簧14的刚性外圈2-1下端与旋转电机9-1的壳体上端固定联结,第二橡胶弹簧14的刚性内管2-4前后两端是通过螺栓直接固定联结到车身的对应位置上。而螺旋弹簧6的上端支撑在第二个弹簧安装座5上,第二个弹簧安装座5固定套在外筒9-5上固定不动,使螺旋弹簧6的上端相对于外筒9-5固定不动。这样,将主动力作动器9上下两端均采用一个橡胶弹簧联结至车身和车轮13之间。此时,本发明则由两级减振结构转变成三级减振结构,与图1所示的两级减振结构相比,三级减振结构的刚度要增加1倍,刚性内管2-4中心相对刚性外圈2-1中心的行程要减小50%。
如图1-6所示,当刚性内管2-4相对于刚性外圈2-1运动时,由橡胶主簧2-2产生的刚度和阻尼等于橡胶弹簧2、14的刚度和阻尼。在非装车的初始状态时,刚性内管2-4中心轴与外圈2-1中心的垂直偏置距离等于簧载质量除以橡胶弹簧2、14的刚度,规定所述的簧载质量等于与本发明悬架相连接的1/4车身质量。这样,在悬架承载后重心下移时,刚性内管2-4的位置上移至刚性外圈2-1中心位置的附近,能使刚性外圈2-1的设计尺寸不会过大。
刚性外圈2-1的上下高度应该满足:刚性内管2-4相对刚性外圈2-1的运动行程等于悬架固有限位行程的0.3-0.6倍,这样,当橡胶主簧2-2变形达到极限时,能避免橡胶弹簧2、14的刚度发生非线性突变。
第一、第二橡胶弹簧2、14和螺旋弹簧6的串联刚度等于汽车悬架固有刚度,橡胶弹簧2、14的阻尼在悬架固有阻尼的0.2-0.5倍之间进行选择。
如图7-10所示,刚性外圈2-1的外形尺寸及内外倒角2-7的半径可根据刚度和阻尼的设计需要进行优化设计确定。刚性外圈2-1的内外长度为a、上下高度为b、壁厚为c。刚性外圈2-1的内外倒角2-7的外壁倒角半径为β1,内壁倒角半径为β2,半径β1与半径β2需要协调确定确保刚性外圈2-1的壁厚宽度c维持不变。通过改变刚性外圈2-1的各参数可改变刚性外圈2-1整体的形状,从而实现橡胶弹簧2的刚度和阻尼的改变。例如当a=b时,半径β1与半径β2较小时,刚性外圈2-1为如图7所示的正方形外框;当a=b、β1=a/2、β2=(a-2c)/2时,刚性外圈2-1为如图8所示的圆形外框;当a>b,半径β1与半径β2较小时,刚性外圈2-1如图9所示的长方形外框;当a>b、β1=b/2、β2=(b-2c)/2时,刚性外圈2-1为如图10所示的椭圆形外框。
Claims (10)
1.一种采用与主动力作动器同轴心橡胶弹簧的主动悬架,具有一个主动力作动器(9),主动力作动器(9)的外筒(9-5)内的旋转电机(9-1)经丝杠螺母同轴连接内筒(9-4)上端,其特征是:内筒(9-4)下端伸出外筒(9-5)外且同轴心固定连接第一橡胶弹簧(2);第一橡胶弹簧(2)由刚性外圈(2-1)、橡胶主簧(2-2)、刚性导轨(2-3)和刚性内管(2-4)组成,刚性外圈(2-1)上端固定连接内筒(9-4)下端,刚性外圈(2-1)内部容纳有橡胶主簧(2-2),橡胶主簧(2-2)的中心与刚性外圈(2-1)的中心重合;刚性外圈(2-1)正前方和正后方各固定连接一个刚性导轨(2-3),刚性导轨(2-3)上设有上下布置的腰形滑槽(2-6);前后布置的刚性内管(2-4)穿过橡胶主簧(2-2)和两个腰形滑槽(2-6),刚性内管(2-4)的中心轴与主动力作动器(9)的中心轴垂直相交;刚性内管(2-4)前后两端各刚性连接一个内管安装座(1)的上端,内管安装座(1)的下端经下叉臂(3)连接车身和车轮(13)。
2.根据权利要求1所述的一种采用与主动力作动器同轴心橡胶弹簧的主动悬架,其特征是:所述的外筒(9-5)上端同轴心地刚性连接与第一橡胶弹簧(2)结构相同的第二橡胶弹簧(14)的刚性外圈(2-1)下端,第二橡胶弹簧(14)的刚性内管(2-4)前后两端是固定连接车身。
3.根据权利要求1或2所述的一种采用与主动力作动器同轴心橡胶弹簧的主动悬架,其特征是:主动力作动器(9)的外筒(9-5)外部同轴套有一个螺旋弹簧(6),螺旋弹簧(6)上端相对于外筒(9-5)固定不动、下端支撑在弹簧安装座(5)上表面上,弹簧安装座(5)固定套在内筒(9-4)外。
4.根据权利要求1或2所述的一种采用与主动力作动器同轴心橡胶弹簧的主动悬架,其特征是:刚性内管(2-4)的中心轴向下偏置在刚性外圈(2-1)中心的正下方。
5.根据权利要求4所述的一种采用与主动力作动器同轴心橡胶弹簧的主动悬架,其特征是:在非装车的初始状态时,刚性内管(2-4)中心轴与刚性外圈(2-1)中心的垂直偏置距离等于簧载质量除以第一橡胶弹簧(2)的刚度,所述的簧载质量等于1/4车身质量。
6.根据权利要求1或2所述的一种采用与主动力作动器同轴心橡胶弹簧的主动悬架,其特征是:刚性外圈(2-1)的四角处以内外倒角(2-7)过渡连接,刚性外圈(2-1)的外形尺寸及内外倒角(2-7)的半径根据刚度和阻尼确定,刚性外圈(2-1)与橡胶主簧(2-2)的外形同是正方形、圆形、长方形或椭圆形。
7.根据权利要求1或2所述的一种采用与主动力作动器同轴心橡胶弹簧的主动悬架,其特征是:橡胶主簧(2-2)的外壁与刚性外圈(2-1)的内壁固定联结,两个刚性导轨(2-3)与橡胶主簧(2-2)不接触。
8.根据权利要求1或2所述的一种采用与主动力作动器同轴心橡胶弹簧的主动悬架,其特征是:刚性内管(2-4)是圆筒状,其中间段的外径大于前后段的外径,中间段贯穿在橡胶主簧(2-2)中,前后段与腰形滑槽(2-6)相配合且能沿腰形滑槽(2-6)的槽壁上下滑动。
9.根据权利要求1或2所述的一种采用与主动力作动器同轴心橡胶弹簧的主动悬架,其特征是:橡胶主簧(2-2)运动产生的刚度和阻尼等于橡胶弹簧的刚度和阻尼。
10.根据权利要求1或2所述的一种采用与主动力作动器同轴心橡胶弹簧的主动悬架,其特征是:刚性外圈(2-1)的上下高度应满足:刚性内管(2-4)相对刚性外圈(2-1)的运动行程等于悬架固有限位行程的0.3-0.6倍,橡胶弹簧的阻尼在悬架固有阻尼的0.2-0.5倍之间。
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