CN109849611A

CN109849611A - 一种惯质系数多级可调的油气isd悬架

Info

Publication number: CN109849611A
Application number: CN201910141969.3A
Authority: CN
Inventors: 汪若尘; 朱志豪; 叶青; 陈龙; 孟祥鹏; 孙泽宇
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2019-02-26
Filing date: 2019-02-26
Publication date: 2019-06-07

Abstract

本发明涉及一种惯质系数多级可调的油气ISD悬架，包括液压缸、ECU、蓄能器、螺旋管集束、传感器、通断控制阀系统。本发明中六个螺旋管对应的截止阀可以独立地通断以形成多个组合来改变整个惯容装置的惯质系数，并且ECU根据信号进行分析，自动选择所需的惯质系数以及所需通断的截止阀，并发送命令给对应截止阀上的执行器，执行器收到指令后完成对截止阀的通断。当路况恶劣，车辆振动较为剧烈时，可以主动将惯质系数调大，从而获得较大的惯性力来抑制振动，当路况良好，车辆行驶较为平稳时，可以关闭部分截止阀，使惯容装置、悬架刚度和减震器阻尼相匹配，使悬架处于最佳工作状态，提高车辆舒适性和稳定性。

Description

一种惯质系数多级可调的油气ISD悬架

技术领域

本发明属于油气悬架减振技术领域，具体涉及一种惯质系数多级可调的油气ISD悬架。

背景技术

在工业领域机电一体化的发展潮流之下，机电相似理论得到了广泛的研究。在传统理论关于机械与电子的对应关系中，不管质量元件对应电感还是电容，都是不完全正确的，因为在电子网络中，电感、电阻、电容都具有两个自由、独立的端点，而质量元件并不是一个两端元件，它的一端必须机械接地，这使得机械网络无法与电子网络严格地对应起来，使得电子网络的大量理论与方法无法运用于网络中，极大地阻碍了人们对机电系统的研究。2004年剑桥大学的SMITH教授提出了惯容器的概念，并发明了齿轮齿条式惯容器和滚珠丝杠式惯容器，使机械网络与电子网络能够严格对应起来，即惯容器、阻尼、弹簧分别与电容、电阻、电感对应，促进了机械网络的发展。同年，SMITH团队首次将惯容器应用于车辆悬架，构建了几种“惯容-弹簧-阻尼”(ISD)悬架，实验表明ISD悬架能有效改善车辆乘坐舒适性。中国专利公开了一种应用惯容器的车辆ISD悬架，在车轮动载荷与悬架动行程不增加的情况下，提高乘坐舒适性。但是传统ISD悬架一经设计，其惯质系数不可改变，在主动与半主动悬架的研究中，车辆需要根据具体工况调整悬架性能，传统惯容器难以满足这一要求，惯质系数可变的ISD悬架需要进一步研究。

此外，传统机械悬架中的螺旋弹簧和钢板弹簧由于结构原因难以融入ISD悬架的一体化设计，并且传统机械式惯容器存在响应滞后和机械磨损的问题。而油气悬架的结构特点利于实现惯容器与弹簧和阻尼元件的集成，并且2013年剑桥大学SMITH等人提出液力式惯容器，由液压缸、活塞、螺旋管等构成的液力式惯容器封装了流体质量的惯性，具有响应速度快、机械磨损小、承载能力强等优点以及利于和油气悬架进行融合，所以充分挖掘油气悬架与液力式惯容器的一体化设计是切实可行的。

发明内容

为了解决传统机械惯容装置惯质系数不可调以及难以进行ISD一体化设计的问题，本发明提供了一种惯质系数多级可调的油气ISD悬架。

本发明是利用以下技术手段达到上述目的的。

一种惯质系数多级可调的油气ISD悬架，包括液压缸、ECU、蓄能器、螺旋管集束、传感器和通断控制阀系统，所述通断控制阀系统包括执行器和截止阀；所述传感器与ECU相连，ECU与执行器的一端相连，执行器的另一端连接截止阀，截止阀通过高压软管分别连接液压缸和蓄能器，且高压软管上还设有螺旋管集束。

上述方案中，所述螺旋管集束中的各螺旋管半径相同、螺旋半径相同、螺旋圈数不同；所述螺旋管集束中的各螺旋管半径不同、螺旋半径相同、螺旋圈数相同。

上述方案中，所述截止阀可安装在螺旋管的输入端，所述截止阀还可安装在螺旋管的输出端，所述螺旋管的输入、输出端均可安装截止阀。

上述方案中，所述液压缸缸体的半径远大于螺旋管集束中各螺旋管的半径。

上述方案中，所述螺旋管集束中的螺旋管的材质为铜、铝或特种塑料。

本发明的有益效果是为：

本发明中液压缸可以用来承载高压，消除背隙问题，六个螺旋管对应的截止阀可以独立地通断以形成多个组合来改变整个惯容装置的惯质系数，且ECU可以根据信号进行分析，自动选择所需的惯质系数以及所需通断的截止阀，并发送命令给对应截止阀上的执行器，执行器收到指令后完成对截止阀的通断。

附图说明

图1为本发明所述惯质系数多级可调的油气ISD悬架实施例1的结构图；

图2为本发明所述惯质系数多级可调的油气ISD悬架实施例2的结构图；

图3为本发明所述惯质系数多级可调的油气ISD悬架的运行流程图；

图4为本发明所述惯质系数多级可调的油气ISD悬架实施例3的结构图；

图5为本发明所述惯质系数多级可调的油气ISD悬架实施例4的结构图；

图中：1.传感器，2.高压软管A，3.油口A，4.液压缸，5.液压缸筒，6.腔A，7.活塞，8.活塞杆，9.腔B，10.油口B，11.高压软管E，12.油管接头C，13.高压软管F，14.高压软管G，15.高压软管H，16.执行器D，17.执行器E，18.执行器F，19.截止阀D，20.截止阀E，21.截止阀F，22.螺旋管D，23.螺旋管E，24.螺旋管F，25.螺旋管集束B，26.油管接头D，27.高压软管J，28.蓄能器B，29高压软管I，30.油管接头B，31.蓄能器A，32.螺旋管集束A，33.螺旋管A，34.螺旋管B，35.螺旋管C，36.截止阀A，37.截止阀B，38.截止阀C，39.执行器A，40.执行器B，41.执行器C，42.高压软管B，43.高压软管C，44.高压软管D，45.ECU，46.油管接头A，47.通断控制阀系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

根据截止阀的通断情况，下面通过四个实施例对本发明的技术方案加以说明。

实施例1

如图1所示，本发明包括10个高压软管、液压缸4、中央处理器ECU45、2个蓄能器、2个螺旋管集束、传感器1、通断控制阀系统47；

液压缸4包括缸筒5、活塞7、活塞杆8，所述活塞7设置在缸筒5中，活塞7把缸筒5分为腔A6和腔B9，活塞杆8与活塞7相连，活塞杆8从缸筒5的腔B9伸出，腔A6内靠近缸筒5顶端设有油口A3，油口A3通过高压软管A2、油管接头A46分别与高压软管B42、高压软管C43、高压软管D44相连，腔B9内靠近缸筒5底端设有油口B10，油口B10通过高压软管E、油管接头C分别与高压软管F13、高压软管G14、高压软管H15相连；

蓄能器包括壳体、限流阀，所述限流阀设置在壳体底端，壳体底端设有油口，该油口蓄能器28通过高压软管J27、油管接头C30分别与高压软管B42、高压软管C43、高压软管D44相连，蓄能器31通过高压软管I29、油管接头D26分别与高压软管F13、高压软管G14、高压软管H15相连；

通断控制阀系统47包括截止阀A36、截止阀B37、截止阀C38、截止阀D19、截止阀E20、截止阀F21、执行器A39、执行器B40、执行器C41、执行器D16、执行器E17、执行器F18；

高压软管F13、高压软管G14、高压软管H15、高压软管B42、高压软管C43、高压软管D44上设有截止阀D19、截止阀E20、截止阀F21、截止阀A36、截止阀B37、截止阀C38以及螺旋管A33、螺旋管B34、螺旋管C35、螺旋管D22、螺旋管E23、螺旋管F24，截止阀D19、截止阀E20、截止阀F21、截止阀A36、截止阀B37、截止阀C38分别与执行器D16、执行器E17、执行器F18、执行器A39、执行器B40、执行器C41相连，执行器D16、执行器E17、执行器F18、执行器A39、执行器B40、执行器C41均与ECU45连接，螺旋管A33、螺旋管B34、螺旋管C35组成螺旋管集束32，螺旋管D22、螺旋管E23、螺旋管F24组成螺旋管集束25，螺旋管集束中的各螺旋管半径相同、螺旋半径相同、螺旋圈数不同。液压缸筒5的半径远大于螺旋管集束中各螺旋管的半径，螺旋管的材质为铜、铝或特种塑料。

设液压缸4的内径为r₁，活塞杆7半径为r₂，螺旋管螺旋半径为r₃，螺旋管半径为r₄，螺旋螺距为h，螺旋管A33和螺旋管D22的螺旋圈数为n₁，螺旋管B34和螺旋管E23的螺旋圈数为n₂，螺旋管C35和螺旋管F24的螺旋圈数为n₃，油液密度为ρ，活塞线位移为x。

如图3所示，所述惯质系数多级可调的油气ISD悬架的运行流程包括以下步骤：

步骤一：传感器1采集运行信息；

步骤二：ECU45结合车辆基本参数处理车辆运行信息数据，计算出适合当前工况的惯质系数值；

步骤三：ECU45发出指令控制执行器对相应截止阀进行通断；

步骤四：传感器1继续采集车辆运行信息，ECU45对信息进行评价，如需调整转至步骤三；

步骤五：若车辆出行结束，结束本次服务，否则转至步骤一。

在ECU45的指令下，执行器使得截止阀A39和截止阀D16打开，其余截止阀闭合时：由于惯容器是理想元件，为了提高研究效率，需要作忽略次要因素的理想化处理，不考虑温度、势能和热量变化对液压系统的影响，且认为油液不可压缩。

液压缸腔A6的截面积A₁＝πr₁ ²，液压缸腔B9的截面积A₂＝π(r₁ ²-r₂ ²)，螺旋管A33和螺旋管D22的截面积A₄＝πr₄ ²，螺旋周长L＝2πr₃。

螺旋管A33和螺旋管D22拉直后的长度约为可得：

螺旋管A33和螺旋管D22中的油液质量约为：

由于流经液压缸腔A6的油液体积等于流经螺旋管A33的油液体积，即：

可得螺旋管A33中油液角位移约为：

螺旋管A33中油液总质量关于螺旋管轴线的惯性力矩约为J_A＝m_Ar₃ ²；

由于螺旋管两端点的惯性力与活塞加速度成比，可得：

进一步可得只有油液经过螺旋管A33时，惯质系数为：

由于流经液压缸腔B9的油液体积等于流经螺旋管D22的油液体积，即

可得螺旋管D22中油液角位移约为：

螺旋管D22中油液总质量关于螺旋管轴线的惯性力矩约为J_D＝m_Dr₃ ²；

由于螺旋管两端点的惯性力与活塞加速度成比例，所以可得：

进一步可得只有油液经过螺旋管D22时，惯质系数为：

在ECU45的指令下，执行器使得截止阀A36、截止阀B37、截止阀D19和截止阀E20打开，其余截止阀闭合时：

对于螺旋管集束A32中的螺旋管A33和螺旋管B34，这里近似认为两个螺旋管中油液流动速度相同，由此及以上推论分析可得：

油液经过螺旋管A33和螺旋管B34的总惯质系数为：

油液经过螺旋管D22和螺旋管E23的总惯质系数为：

实施例2

如图2所示，实施例2与实施例1的不同之处在于，螺旋管集束中的各螺旋管半径不同、螺旋半径相同、螺旋圈数相同，其余装置与实施例1完全相同。

设液压缸4内径为r₁，活塞杆7半径为r₂，螺旋管螺旋半径为r₃，螺旋管A33和螺旋管D22的为r₄₁，螺旋管B34和螺旋管E23的为r₄₂，螺旋管C35和螺旋管F24的为r₄₃，螺旋螺距为h，螺旋管螺旋圈数为n，油液密度为ρ，活塞线位移为x。

液压缸腔A6的截面积为A₁＝πr₁ ²，液压缸腔B9的截面积为A₂＝π(r₁ ²-r₂ ²)，螺旋管A33和螺旋管D22的截面积为A′₄＝πr₄₁ ²，螺旋周长为L＝2πr₃。

螺旋管A33和螺旋管D22拉直后的长度约为可得：

螺旋管A33和螺旋管D22中的油液质量约为：

可得螺旋管A33中油液角位移约为：

螺旋管A33中液体总质量关于螺旋管轴线的惯性力矩约为J′_A＝m′_Ar₃ ²；

由于螺旋管两端点的惯性力与活塞加速度成比，可得：

进一步可得只有油液经过螺旋管A33时，惯质系数为：

由于流经液压缸腔B9的油液体积等于流经螺旋管D22的油液体积，即：

可得对于螺旋管D22中油液角位移约为：

螺旋管D22中油液总质量关于螺旋管轴线的惯性力矩约为J′_D＝m′_Dr₃ ²；

由于螺旋管两端点的惯性力与活塞加速度成比，可得：

进一步可得只有油液经过螺旋管D22时，惯质系数为：

螺旋管A33和螺旋管B34的总惯质系数：

螺旋管D22和螺旋管E23的总惯质系数：

由于惯容器提供的惯性力由实施例1可知螺旋管集束中螺旋管的总圈数越大，惯质系数b越大，由实施例2可知螺旋管集束中螺旋管的半径越大，惯质系数b越大，从而提供的惯性力越大。可以通过控制各个截止阀开闭以排列组合的方式实现多级惯质系数的调节从而调节惯性力。当路况恶劣，车辆振动较为剧烈时，可以主动将惯质系数调大，从而获得较大的惯性力来抑制振动，当路况良好，车辆行驶较为平稳时，可以关闭部分截止阀，使惯容器、悬架刚度和减震器阻尼相匹配，使悬架处于最佳工作状态，提高车辆舒适性和稳定性。

实施例3

如图4所示，所述实施例中各截止阀亦可安装在各螺旋管的输出端。

实施例4

如图5所示，为防止截止阀关闭瞬间螺旋管中油液的回流现象的发生，可在螺旋管输出端和输入端都安装截止阀并同时进行开闭。

以上依据本发明的技术方案详细描述了具体实施方式。根据本发明的技术方案在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，上文描述的具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

Claims

1.一种惯质系数多级可调的油气ISD悬架，其特征在于，包括液压缸(4)、ECU(45)、蓄能器、螺旋管集束、传感器(1)和通断控制阀系统(47)，所述通断控制阀系统(47)包括执行器和截止阀；所述传感器(1)与ECU(45)相连，ECU(45)与执行器的一端相连，执行器的另一端连接截止阀，截止阀通过高压软管分别连接液压缸(4)和蓄能器，且高压软管上还设有螺旋管集束。

2.根据权利要求1所述的惯质系数多级可调的油气ISD悬架，其特征在于，所述螺旋管集束中的各螺旋管半径相同、螺旋半径相同、螺旋圈数不同。

3.根据权利要求1所述的惯质系数多级可调的油气ISD悬架，其特征在于，所述螺旋管集束中的各螺旋管半径不同、螺旋半径相同、螺旋圈数相同。

4.根据权利要求1所述的惯质系数多级可调的油气ISD悬架，其特征在于，所述截止阀安装在螺旋管的输入端。

5.根据权利要求1所述的惯质系数多级可调的油气ISD悬架，其特征在于，所述截止阀安装在螺旋管的输出端。

6.根据权利要求2-5所述的惯质系数多级可调的油气ISD悬架，其特征在于，所述螺旋管的输入、输出端均可安装截止阀。

7.根据权利要求6所述的惯质系数多级可调的油气ISD悬架，其特征在于，所述液压缸(4)缸体的半径远大于螺旋管集束中各螺旋管的半径。

8.根据权利要求7所述的惯质系数多级可调的油气ISD悬架，其特征在于，所述螺旋管集束中的螺旋管的材质为铜、铝或特种塑料。