CN109606048A - 一种气压自适应变化空气弹簧及其气压控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种气压自适应变化空气弹簧及其气压控制方法，气囊通过盖板密封，气囊内置一圆筒，圆筒内部贴有导电材料，电容极板上极板可上下移动的设置在圆筒内，下极板内嵌于下盖板中，圆筒与电容上下极板形成密封空间，缸筒和气囊之间通过进气管路和出气管路连通，缸筒内设有活塞，所述活塞上端面和缸筒内下端面上设有导电层，活塞与推杆连接，所述电容极板和电磁阀均连接到控制模块。其产生的有益效果是：在没有电子控制单元的情况下，空气弹簧能够根据气囊内部实时的气压变化，依据其电压反馈，进行气压调节，实现气压自适应变化，以到达刚度的适应性变化，缸筒具体大小以及具体的分布位置可以依据实际情况进行改变，降低了成本，节约空间。

Description

一种气压自适应变化空气弹簧及其气压控制方法
技术领域
本发明属于车辆悬架技术，具体涉及一种气压自适应变化空气弹簧及其气压控制方法。
背景技术
随着汽车工业的快速发展，人们对汽车的平顺性和操纵稳定性的要求越来越高，传统的悬架已经不能满足人们的需求。相比传统的被动悬架，空气悬架具有刚度非线性和可调车身高度，更能满足人们的需求。因此，空气悬架是车辆悬架发展方向。并且，如何进一步提高空气悬架性能也是当前的研究热点。
另外，对于原车并不配备空气悬架的汽车来说，想要提高车辆的性能就必须对原车进行改装。但是，受到现有改装水平或车辆本身的限制，往往只是将原车的弹性元件与空气弹簧进行替换，并不具备真正的空气悬架的性能。因此高速行驶的此类改装车辆在经复杂路面时，空气弹簧气囊内部气压会陡然增大或降低，使得空气弹簧弹簧刚度不能完全和簧载质量相匹配，性能会大大降低，并伴有爆裂的风险。
发明内容
发明目的：
本发明的目的在于解决在现有空气弹簧性能的不足，提供一种气压自适应变化空气弹簧及其气压控制方法，在成本增加不大的情况下，通过简单的电子电路判断内部气压的变化并控制电磁阀和电机开关状态，使得气囊内气压自适应变化，可以极大提高空气弹簧的性能。
技术方案：
一种气压自适应变化空气弹簧，包括气囊、电容极板、缸桶、电磁阀、活塞、、电机、推杆和控制器，所述气囊上下两端通过盖板密封，气囊内置一圆筒，圆筒内部贴有导电材料，并与气囊下端盖板密封相连，所述电容极板包括上极板和下极板，上极板可上下移动的设置在圆筒内，下极板内嵌于下盖板中，上、下极板和圆筒形成密封空间，所述缸筒和气囊之间通过进气管路和出气管路连通，且均由电磁阀控制联通，所述缸筒内设有活塞，活塞与推杆连接，所述推杆电机、电容极板和电磁阀均连接到控制模块，并通过控制模块控制气囊内部的气压变化。
进一步的，所述活塞上端面和缸筒内下端面上设有导电层。
进一步的，所述上、下极板均与车载电源连接供电。
进一步的，缸筒和气囊的进气管路、出气管路出口处通过气嘴密封。
本发明的气压自适应变化空气弹簧的控制电路为控制模块的控制电路，包括电压转换电路、比较电路和开关控制电路：
电压转换电路连接在比较电路和电容极板之间，实现电容极板和比较电路之间的电容电压的转换；
比较电路,实现电压转换电路输入的电压和参考电压之间的比较，并将电压输出到开关控制电路；
开关控制电路，所述开关控制电路与比较电路的电压输出端连接，控制两个电磁阀和推杆电机。
进一步的，所述比较电路包括比较器U1A、比较器U1B、三极管Q1、三极管Q2和电阻R3、电阻R4、电阻R5和电阻R6，所述比较器U1A和比较器U1B并联，所述比较器U1A的反相输入端与电压转换电路的电压输出端连接，同相输入端接参考电压Vc1,输出端经电阻R3接三极管Q1的基极，并将三极管Q1的发射极接地，集电极经电阻R4接恒压电源，比较器U1B的同相输入端与电压转换电路的电压输出端连接，反向输入端接参考电压Vc0，输出端经电阻R5接三极管Q2基极，三极管Q2的发射极接地，集电极经电阻R6接恒压电源，其中Vc0为空载电压，Vc1为低于满载电压的参考低电压。
进一步的，所述开关控制的电路包括三路独立的光电耦合控制开关电路，分别控制电磁阀开关和电机的运动，所述三路光电耦合控制开关电路结构相同，包括光电耦合器U1、光电耦合器U2、光电耦合器U3、电阻R7、电阻R8、电阻R9和继电器K1，所述光电耦合器U1与光电耦合器U2串联，光电耦合器U2和光电耦合器U3并联，光电耦合器U2和光电耦合器U3之间连接继电器K1，
气囊排气电磁阀的光电耦合控制开关电路中，光电耦合器U1输入端连接比较器U1A的电压输出端，继电器K1输入端连接控制器U1B的电压输出端，光电耦合器U3输出端接气囊排气电磁阀；
气囊进气电磁阀的光电耦合控制开关电路中，光电耦合器U1输入端连接比较器U1B的电压输出端，继电器K1输入端接缸筒导电层，输出端接地，光电耦合器U3输出端接气囊排气电磁阀；
推杆电机的光电耦合控制开关电路中，光电耦合器U1输入端接比较器U1A的电压输出端，继电器输入端接缸筒导电层，输出端接地，光电耦合器U3输出端接电机。
根据所述气压自适应变化的空气弹簧，本发明提出了一种气压控制方法，包括如下：
在压缩行程中，空气弹簧受到压缩，气囊内部容积变小而气压增大，布置在气囊内的两极板与圆筒形成的封闭空间缩小，电容上极板向下移动，导致电容变大，经电容电压转换电路后输出电压V减小，当转换电压V小于参考电压Vc1时，经比较电路，输出控制电压接通电磁阀DC1，气囊开始排气，并保持电磁阀DC1处于打开状态。
在伸张行程中，气囊内部容积变大而气压减小，上极板上移，电容减小，经电容电压转换电路后输出电压增V大，当转换电压V大于参考电压Vc0，经比较电路，输出控制电压接通并保持电磁阀DC2和电机处于开启状态，同时关闭电磁阀DC1。此时，电机控制推杆驱动活塞将缸筒内气体压回气囊。当活塞到达缸筒底部，接通底部开关电路，从而断开电磁阀DC2并使电机停止。
在静平衡位置，气囊内气压保持稳定，电容极板位置保持不变，转换电压V维持在参考电压Vc1～Vc0之间，比较电路没有控制信号输出，电磁阀DC1和电磁阀DC2及电机保持原来状态。
有益效果：
1、本发明能够提升悬架性能，具体表现为在车辆高速行驶于复杂路面时，空气弹簧能够根据气囊内部气压实时的电压反馈，在没有电子控制单元的控制下，进行气压调节，实现气压自适应变化，以到达刚度的适应性变化。
2、本发明不使用高成本电子控制单元和传感器，并且缸筒具体大小以及具体的分布位置可以依据实际情况进行改变，降低了成本，节约空间。
本发明能够通过对参考电压的设定，从而规避空气弹簧内极限气压，降低爆缸风险。
附图说明
图1为气压自适应变化的空气弹簧的整体系统示意图。
图2为气压自适应变化的空气弹簧的三维效果图。
图3为气压自适应变化的空气弹簧的三维剖面图。
图4为气压自适应变化的空气弹簧的缸筒及活塞三维效果图。
图5为气压自适应变化的空气弹簧的电压转换电路示意图。
图6为气压自适应变化的空气弹簧的比较电路示意图。
图7为电磁阀DC1的开关控制电路示意图；
图8位电磁阀DC2的开关控制电路示意图；
图9为电机的开关控制电路示意图。
图10为气压自适应变化的空气弹簧的转换电压与设定参考电压极轴比较示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐述本发明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1、2、3、4所示，本发明的气压自适应空气弹簧，包括：气囊1、盖板2、圆筒3、电容极板4、气嘴5、进气电磁阀6、排气电磁阀7、缸筒8、活塞10、推杆11、电机12和控制器13，其中气囊1的上下两端通过盖板2密封，气囊1内置一圆筒3，圆筒3的下端与下盖板相连并密封，圆筒3内部贴有导电材料，电容极板4分为上极板和下极板，上极板可上下移动的设置在圆筒3内，下极板内嵌于下盖板中，上、下极板和圆筒3之间形成密封空间，气囊1的一侧设有缸筒8，缸筒8和气囊1之间通过进气管路和出气管路相连通，并在管路与缸筒8以及气囊1的连接位置由气嘴5密封，进气管路和出气管路均通过电磁阀控制联通。
缸筒8内设有活塞10，活塞10的上端面和缸筒内下端面上分别设有导电层9，活塞10与推杆11连接，推杆11通过电机12控制，电机12、电容极板4和电磁阀均连接到控制器13，并通过控制器13控制气囊内部的气压稳定。
在本发明中，电容极板4、控制器13和推杆电机12与车载电源14连接供电。
控制器电路分为电压转换电路、比较电路和开关控制电路。电压转换电路连接在比较电路和电容极板之间，实现电容极板和比较电路之间的电容电压的转换；比较电路,实现电压转换电路输入的电压和参考电压之间的比较，并将电压输出到开关控制电路；开关控制电路，所述开关控制电路与比较电路的电压输出端连接，控制两个电磁阀和推杆电机。
如图5所示，电压转换电路包括两个运算放大器AR1、运算放大器AR2、电容器C、电阻R1和电阻R2。运算放大器AR1的反相输入端经电容器C与车载电源相连，同相输入端接地，反馈回路接气囊内电容极板两端后接回反相输入端。运算放大器AR1输出端经电阻R1接运算放大器AR2的反相输入端，同相输入端接地，反馈回路经电阻R2接回反相输入端，输出端接比较电路。
如图6比较电路包括比较器U1A、比较器U1B、三极管Q1、三极管Q2和电阻R3、电阻R4、电阻R5和电阻R6，电压转换电路的输出电压分两路分别接比较器U1A的反相输入端和比较器U1B的同相输入端。所述比较器U1A的同相输入端接参考电压Vc1，比较器U1B的反相输入端接参考电压Vc0。比较器U1A输出端经电阻R3接三极管Q1基极，发射极接地，集电极经电阻R4接恒压电源，并由集电极输出控制电压接所述开关控制电路。比较器U1B输出端经电阻R5接三极管Q2基极，发射极接地，集电极经电阻R6接恒压电源，并由集电极输出控制电压接开关控制电路。其中Vc0为空载电压，Vc1为低于满载电压的参考低电压。
开关控制的电路包括三路独立的光电耦合控制开关电路，分别控制电磁阀开关和电机的运动，所述三路光电耦合控制开关电路结构相同，包括光电耦合器U1、光电耦合器U2、光电耦合器U3、电阻R7、电阻R8、电阻R9和继电器K1，所述光电耦合器U1与光电耦合器U2串联，光电耦合器U2和光电耦合器U3并联，光电耦合器U2和光电耦合器U3之间连接继电器K1：
如图7所示，气囊排气电磁阀的光电耦合控制开关电路中，光电耦合器U1输入端连接比较器U1A的电压输出端，继电器K1输入端连接控制器U1B的电压输出端，光电耦合器U3输出端接气囊排气电磁阀；
如图8所示，气囊进气电磁阀的光电耦合控制开关电路中，光电耦合器U1输入端连接比较器U1B的电压输出端，继电器K1输入端接缸筒导电层，输出端接地，光电耦合器U3输出端接气囊排气电磁阀；
如图9所示，推杆电机的光电耦合控制开关电路中，光电耦合器U1输入端接比较器U1A的电压输出端，继电器K1输入端接缸筒导电层，输出端接地，光电耦合器U3输出端接电机。
当气囊受到压缩时，气囊内气压增大，上下极板与圆筒3形成的封闭空间收到压缩，上极板向下移动。由于电容跟电容极板的横截面积和极板间距有关，由公式表示，(其中ε表示介电常数，A表示横截面积，d表示极板间距)。当上极板下移，极板间距变小，电容变大。在电容电压转换电路中，由第一个运放AR1电路可知，恒压电源给电容器C和气囊内电容极板持续充电，并由虚短和虚断的概念可知，运放反相输入端和同相输入端电压为0，由公式Q＝C·U(其中Q表示电容极板带电量，C表示电容量，U表示电容两端电压)，则运放AR1输出电压可由公式C·(U0-0)＝c·(0-Ui)表示，(其中C表示固定电容极板的电容量，U0表示输入电压，c表示气囊内电容极板电容量，Ui表示输出电压)，则输出电压(其中“-”表示输出电压极性和输入电压极性相反)经反相放大器后，输出电压极性和输入电压极性相同，输出电压随着气囊内电容极板电容量的增大而降低，减小而增大。
如图6所示，电容两端电压经转换电路后输出电压，分两路经电压比较器U1A和比较器U1B，分别与参考电压Vc1和Vc0进行比较。当同相端输入电压大于反相端输入电压，则比较器输出高电平，反之输出低电平。当输出高电平则导通三极管输出控制电压，反之，不导通不输出控制电压。其中Vc0为空载电压，Vc1为低于满载电压的参考低电压。
本发明提出的用于气压自适应变化空气弹簧控制过程如下：
如图10所示，当车辆从空载开始加载载荷，气囊开始压缩，转换电压从V1＝Vc0(其中Vc0为空载电压，也是设定的参考高电压)开始降低。当车辆稳定，转换电压稳定在V2(Vc1＜Vm＜V2＜Vc0，Vc1为设定的参考低电压，比满载电压Vm低)，则电压比较器U1A和比较器U1B同时输出低电压，则没有控制电压输出，电磁阀6、电磁阀7和电机关闭。
车辆行驶于平坦路面时，空气弹簧气囊内气压变化稳定，转换电压维持在Vm和Vc0之间。此时空气弹簧发挥其变刚度特性，保证车辆的平顺性和操纵稳定性。当汽车行驶于复杂路面时，由于恶劣的路面状况，如遇颠簸，气囊内气压陡然增大，则输出电压陡然下降至V3，低于设定参考电压Vc1，则比较器U1A输出高电平，导通三极管输出控制电压，如图7所示，光电耦合器U1导通，电磁阀6打开，并保持开启状态，气囊开始放气且比较器U1A接着输出的高低电平将不会影响电磁阀6的状态直至电磁阀6关闭。
当车辆驶过颠簸路面后，此时由于气囊一直处于放气状态，气囊内气压快速下降。当输出电压增大超过设定参考电压Vc0时，比较器U1B输出高电平导通三极管输出控制电压，如图7所示，继电器K1导通，断开电磁阀6，同时，电磁阀7控制电路中光耦U1导通，电磁阀7打开，并保持打开状态。其后，比较器U1B的输出将不会影响电磁阀7的开关直至电磁阀7关闭。电机12控制电路光耦U1导通，电机运行，并保持运行状态，其后比较器U1B的输出将不会影响电机12的开关直至电机12关闭。活塞上移将之前放出的气体压回气囊内，囊内气压重回初始状态，以保持车辆平顺性以及车身高度。当活塞到达缸筒底部时，活塞导电层和缸筒导电层连通，如图8、图9所示，触发继电器K1，从而断开电磁阀7并使电机12停止。
车辆卸载过程中，转换电压V不会超过空载电压，没有控制电压输出，因此电磁阀6和电磁阀7以及电机处于关闭状态，空气弹簧维持初始状态。
一般情况下参考电压Vc0的设定与空载电压相等，参考电压Vc1的设定需比满载电压Vm低，具体最优值需针对不同需求的路面状况进行实验设定。根据车主要求，在改装时可以设定不同的参考低电压Vc1以满足不同路面需求，进一步提升空气弹簧的性能。

Claims (7)

1.一种气压自适应变化空气弹簧，其特征在于：包括气囊（1）、电容极板（4）、缸筒（8）、电磁阀、活塞（10）、推杆（11）、电机（12）和控制模块（13），所述气囊（1）上下两端通过盖板（2）密封，气囊（1）内置一圆筒（3），圆筒（3）内部贴有导电材料，并与气囊的下端盖板密封相连，所述电容极板（4）包括上极板和下极板，上极板可上下移动的设置在圆筒（3）内，下极板内嵌于下盖板中，上、下极板和圆筒（3）之间形成密封空间，所述缸筒（8）和气囊（1）之间通过进气管路和出气管路连通，且均由电磁阀控制联通，所述缸筒（8）内设有活塞（10），所述活塞（10）上端面和缸筒（8）内下端面上设有导电层，活塞（10）与推杆（11）连接，所述电容极板（4）、电磁阀和电机（12）均连接到控制模块，并通过控制模块（13）控制气囊内部的气压变化。
2.根据权利要求1所述的气压变化自适应空气弹簧，其特征在于：所述上、下极板均与车载电源（14）连接供电。
3.根据权利要求1所述的气压变化自适应空气弹簧，其特征在于：缸筒和气囊的进气管路、出气管路出口处通过气嘴（5）密封。
4.根据权利要求1所述的气压变化自适应空气弹簧，其特征在于：所述控制电路为控制模块的控制电路，包括电压转换电路、比较电路和开关控制电路：
电压转换电路连接在比较电路和电容极板之间，实现电容极板和比较电路之间的电容电压的转换；
比较电路,实现电压转换电路输入的电压和参考电压之间的比较，并将电压输出到开关控制电路；
开关控制电路，所述开关控制电路与比较电路的电压输出端连接，控制两个电磁阀和电机。
5.根据权利要求4所述的气压自适应变化空气弹簧的控制电路，其特征在于：所述比较电路包括比较器U1A、比较器U1B、三极管Q1、三极管Q2和电阻R3、电阻R4、电阻R5和电阻R6，所述比较器U1A和比较器U1B并联，所述比较器U1A的反相输入端与电压转换电路的电压输出端连接，同相输入端接参考电压Vc1,输出端经电阻R3接三极管Q1的基极，并将三极管Q1的发射极接地，集电极经电阻R4接恒压电源，比较器U1B的同相输入端与电压转换电路的电压输出端连接，反向输入端接参考电压Vc0，输出端经电阻R5接三极管Q2基极，三极管Q2的发射极接地，集电极经电阻R6接恒压电源，其中Vc0为空载电压，Vc1为低于满载电压的参考低电压。
6.根据权利要求5所述的气压自适应变化空气弹簧的控制电路，其特征在于：所述开关控制的电路包括三路独立的光电耦合控制开关电路，分别控制电磁阀的开关和电机的运动，所述三路光电耦合控制开关电路结构相同，包括光电耦合器U1、光电耦合器U2、光电耦合器U3、电阻R7、电阻R8、电阻R9和继电器K1，所述光电耦合器U1与光电耦合器U2串联，光电耦合器U2和光电耦合器U3并联，光电耦合器U2和光电耦合器U3之间连接继电器K1：
气囊排气电磁阀的光电耦合控制开关电路中，光电耦合器U1输入端连接比较器U1A的电压输出端，继电器K1输入端连接控制器U1B的电压输出端，光电耦合器U3输出端接气囊排气电磁阀；
气囊进气电磁阀的光电耦合控制开关电路中，光电耦合器U1输入端连接比较器U1B的电压输出端，继电器K1输入端接缸筒导电层，输出端接地，光电耦合器U3输出端接气囊排气电磁阀；
电机的光电耦合控制开关电路中，光电耦合器U1输入端接比较器U1A的电压输出端，继电器K1输入端接缸筒导电层，输出端接地，光电耦合器U3输出端接电机。
7.根据权利要求4中所述的气压自适应变化空气弹簧的气压控制方法，其特征在于：
在压缩行程中，空气弹簧受到压缩，气囊内部容积变小而气压增大，布置在气囊内的两极板与圆筒形成的封闭空间缩小，电容上极板向下移动，导致电容变大，经电容电压转换电路后输出电压V减小，当转换电压V小于参考电压Vc1时，经比较电路，输出控制电压接通电磁阀DC1，气囊开始排气，并保持电磁阀DC1处于打开状态；
在伸张行程中，气囊内部容积变大而气压减小，上极板上移，电容减小，经电容电压转换电路后输出电压增V大，当转换电压V大于参考电压Vc0，经比较电路，输出控制电压接通并保持电磁阀DC2和电机处于开启状态，同时关闭电磁阀DC1，此时，电机控制推杆驱动活塞将缸筒内气体压回气囊，当活塞到达缸筒底部，接通底部开关电路，从而断开电磁阀DC2并使电机停止；
在静平衡位置，气囊内气压保持稳定，电容极板位置保持不变，转换电压V维持在参考电压Vc1~Vc0之间，比较电路没有控制信号输出，电磁阀DC1和电磁阀DC2及电机保持原来状态。
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Application publication date: 20190412

Assignee: Jiangsu University of Science and Technology Technology Transfer Center Co.,Ltd.

Assignor: JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Contract record no.: X2022980022975

Denomination of invention: An adaptive air spring with variable air pressure and its air pressure control method

Granted publication date: 20210709

License type: Common License

Record date: 20221128

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Assignee: Jiangsu University of Science and Technology Technology Transfer Center Co.,Ltd.

Assignor: JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Contract record no.: X2022980022975

Date of cancellation: 20230310

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