CN110549806B - 一种具有刚度连续调节的汽车横置板簧悬架系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有刚度连续调节的汽车横置板簧悬架系统。包括一对上支架、一对下支架和横置板簧；横置板簧上设有刚度连续调节机构；刚度连续调节机构包括一对可变阻尼减振器、驱动电机、传动机构和一对滑轮机构；传动机构包括双向丝杠和一对齿轮；双向丝杠的两侧丝杠螺纹旋向相反；滑轮机构包括上导向滑轮、下导向滑轮和滑轮座；上导向滑轮和下导向滑轮对上支架横梁和横置板簧呈上下夹持状；工作时，驱动电机通过传动机构带动一对滑轮机构做等速的同向或反向直线移动，实现对横置板簧弯曲变形程度的调节，从而实现横置板簧的刚度调节。本发明刚度连续调节机构均为常见的传动零部件，控制方式简单高效，结构紧凑，尺寸小，成本低廉，易于实现。

Description

一种具有刚度连续调节的汽车横置板簧悬架系统
技术领域
本发明属于车辆悬架系统技术领域，具体涉及一种汽车横置板簧悬架系统。
背景技术
当乘用车辆的乘载人数变化时，簧载质量变化较大，传统车辆悬架弹性元件的刚度固定，不可调节。质量变化时引起的偏频和阻尼比变化将对车辆平顺性造成较大影响。现有板簧刚度调节方式包括：1多级板簧，使车辆在空载和满载时接触板簧数量不同；2增加板簧连接点，使车辆在不同载荷时悬臂长度不同；3通过液压或电动系统调节板簧接触点位置。前两种方法属于被动且有级调节，对车辆行驶的平顺性的改善能力有限。第三种方法虽能实现刚度的连续调节，但需要持续维持作动力，需要消耗较多的能量，且作动器价格相对昂贵。
发明内容
为了实现根据簧载质量的变化，相应的调节悬架系统的刚度、阻尼，使车辆的偏频和阻尼比保持不变，满足平顺性需求，本发明提供一种具有刚度连续调节的汽车横置板簧悬架系统。
一种具有刚度连续调节的汽车横置板簧悬架系统包括一对上支架2、一对下支架3和横置板簧1，一对上支架固定连接着车架的上部，一对下支架固定连接着车架的下部，所述横置板簧1对应位于车架横梁下方，所述横置板簧1为玻璃纤维板簧；改进如下：
所述横置板簧1上设有刚度连续调节机构；所述刚度连续调节机构包括一对可变阻尼减振器7、驱动电机12、传动机构和一对滑轮机构；
所述一对可变阻尼减振器7分别位于横置板簧1的两端；可变阻尼减振器7的一端连接着上支架2，另一端连接着悬架下控制臂；
所述传动机构包括双向丝杠9和一对齿轮；双向丝杠9的两侧丝杠螺纹旋向相反；
所述滑轮机构包括上导向滑轮6、下导向滑轮5和滑轮座4；一对滑轮机构分别通过滑轮座4跨设在车架横梁和横置板簧1上，上导向滑轮6位于上支架2横梁中间的顶部，下导向滑轮5位于横置板簧1中间的底部，对上支架2横梁和横置板簧1呈上下夹持状；
工作时，驱动电机10通过传动机构带动一对滑轮机构做等速的同向或反向直线移动，实现对横置板簧1弯曲变形程度的调节，从而实现横置板簧1的刚度调节。
进一步限定的技术方案如下：
所述双向丝杠9的两端通过限位支座8固定设于车架上部，且平行位于车架横梁的上方；所述一对滑轮座4通过丝杠螺母设于双向丝杠9的中部；所述一对齿轮由主动齿轮10和从动齿轮11组成；所述从动齿轮11固定设于一对滑轮座4之间的双向丝杠9上；所述主动齿轮10设于驱动电机12的输出轴上；通过主动齿轮10和从动齿轮11啮合传动、双向丝杠9的转动带动一对滑轮座4沿双向丝杠9等速的同向或反向直线移动。
所述滑轮座4呈倒U型，所述上导向滑轮6和下导向滑轮5分别通过轮轴设于滑轮座4的开口端内，滑轮座4的封闭端设有丝杠螺母；所述一对滑轮座4分别通过丝杠螺母和双向丝杠9配合连接。
所述驱动电机12为直流永磁电机，固定设于限位支座8上。
所述主动齿轮10和从动齿轮11的传动比为3.5～5。
所述双向丝杠9的丝杠螺纹导程为2mm，当双向丝杠9静止时，滑轮座4实现自锁。
所述限位支座8包括一对支杆，分别固定直立设于车架的上部两侧，一对支杆的外侧上部分别设有凸块；所述可变阻尼减振器7的上端固定连接着限位支座8的凸块，可变阻尼减振器7的下端固定连接着悬架下控制臂。
本发明的工作原理说明如下：
驱动电机12通过传动齿轮带动双向丝杠9旋转，从而驱动滑轮座4作直线运动。实现悬架刚度调节。当传动过程无打滑现象时，电机旋转角度θ与板簧悬臂长度x满足以下关系
x＝ig1ig2θ (1)
其中ig1、ig2分别为主动齿轮10、双向丝杠9的传动比。由此可知，电机旋转角度θ与板簧悬臂长度x成正比。单侧板簧刚度K与悬臂长度x满足以下关系：
Figure BDA0002212238080000021
其中E为板簧弹性模量，I为板簧截面惯性矩。
根据公式(2)，可计算电机旋转角度θ与板簧刚度K的关系为：
Figure BDA0002212238080000022
因此，通过调节电机旋转角度可实现悬架系统刚度的精确调节。
可变阻尼减振器7与悬架系统控制器相连。以连续可变阻尼减振器为例，其阻尼系数c在可调范围内与控制电流I成正比，通过调节供电电流大小可实现悬架系统阻尼的精确调节。
压力传感器布置于座椅底部或横置板簧1与上支架2的连接处。以压力变送器为例，其信号线与悬架系统控制器相连，当簧载质量发生变化时，压力传感器所受压力随之改变，可将压力变化以模拟信号的行式输出。
悬架系统控制器采集压力传感器输出的模拟信号，并将传感器采集到的压力变化换算为簧载质量的变化。同时控制可变阻尼减振器7、驱动电机12对悬架系统的阻尼和刚度进行相应的调节。
当把1/4车辆模型简化为线性二自由度振动模型时，车身振动的偏频和阻尼比分别为：
Figure BDA0002212238080000031
Figure BDA0002212238080000032
其中，m为簧载质量，k为悬架系统刚度，c为悬架系统阻尼。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1.本发明通过电机驱动螺母座沿双向丝杠直线运动，可以调节横置板簧悬置力臂长度，因板簧刚度变化与悬臂长度3次方成反比，故该调节机构实现了板簧刚度的大范围连续调节，以某型乘用车板簧为例，其最大可调刚度约为最小可调刚度的5倍。当簧载质量发生变化时，可以相应的改变板簧刚度，维持悬架系统偏频不变，满足平顺性需求。
2.双向丝杠可实现刚度调节机构的位置自锁，刚度调整到设定值后，无需持续输入能量维持刚度，节能经济。当电控系统出现故障时，原有刚度能够通过自锁保持不变，提高系统的安全可靠性。
3.本发明刚度连续调节机构均为常见的传动零部件，无液压、强电系统参与，控制方式简单高效。结构紧凑，尺寸小，成本低廉，易于实现。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为图1的主视图；
图3为图1的局部放大图；
上图中序号：横置板簧1、上支架2、下支架3、滑轮座4、下导向滑轮5、上导向滑轮6、可变阻尼减振器7、限位支座8、双向丝杠9、主动齿轮10、从动齿轮11、驱动电机12。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
参见图1，一种具有刚度连续调节的汽车横置板簧悬架系统包括一对上支架2、一对下支架3和横置板簧1。一对上支架固定连接着车架的上部，一对下支架固定连接着车架的下部，横置板簧1对应位于车架横梁下方，横置板簧1为玻璃纤维板簧。
横置板簧1呈弓形，其上端中部与上支架横梁连接，下端两侧与悬架下控制臂连接。具体地，横置板簧1中部有孔，通过螺栓固定在上支架横梁的下端面上。横置板簧1两侧下端向反向弯卷，卷绕在下控制臂连接销上，当板簧发生弯曲变形时，板簧末端可相对下控制臂连接销伸缩。
上支架2焊接于车架的上部，其上安装有悬架上控制臂、限位支座8。具体地，悬架上控制臂通过关节轴承连接上支架，可随车轮跳动上下摆动。限位支座8包括一对支杆，一对支杆的外侧上部分别设有凸块。限位支座8通过螺栓分别安装在上支架2两侧，用于安装双向丝杠9，使其可沿轴向旋转；同时限位支座8可限制滑轮座4的最大运动行程。下支架3焊接于车架的下部，其上安装有悬架下控制臂。悬架下控制臂通过关节轴承连接下支架3，可随车轮跳动上下摆动。
横置板簧1上安装有刚度连续调节机构。刚度连续调节机构包括一对可变阻尼减振器7、驱动电机12、传动机构和一对滑轮机构。驱动电机12为直流永磁电机，固定安装于限位支座8上。
可变阻尼减振器7的上端固定连接着限位支座8的凸块，可变阻尼减振器7的下端固定连接着悬架下控制臂。
一对可变阻尼减振器7分别位于横置板簧1的两端；可变阻尼减振器7的一端连接着上支架2，另一端连接着悬架下控制臂。
参见图2，传动机构包括双向丝杠9和一对齿轮。双向丝杠9的两端通过轴承安装在限位支座8上，且平行位于车架横梁的上方。双向丝杠9的两侧丝杠螺纹旋向相反。一对齿轮由主动齿轮10和从动齿轮11组成；从动齿轮11通过花键安装于一对滑轮座4之间的双向丝杠9上；主动齿轮10安装于驱动电机12的输出轴上。通过主动齿轮10和从动齿轮11啮合传动、双向丝杠9的转动带动一对滑轮座4沿双向丝杠9实现等速的同向或反向直线移动。双向丝杠9的丝杠螺纹导程为2mm，当丝杠静止时，滑轮座4可实现自锁。
参见图3，滑轮机构包括上导向滑轮6、下导向滑轮5和滑轮座4。滑轮座4呈倒U型，上导向滑轮6和下导向滑轮5分别通过轮轴安装于滑轮座4的开口端内，滑轮座4的封闭端安装有丝杠螺母。一对滑轮座4通过丝杠螺母安装于双向丝杠9的中部，且跨装在车架横梁和横置板簧1上，上导向滑轮6位于上支架2横梁中间的顶部，下导向滑轮5位于横置板簧1中间的底部，对上支架2横梁和横置板簧1呈上下夹持状。
当需要提高横置板簧1的刚度时，驱动电机12通过传动齿轮带动双向丝杠9向一侧转动，本实施例中为顺时针转动。由于双向丝杠9两侧螺纹旋向相反，左右两侧的滑轮座4将以相同速度向两侧车轮方向运动。电机转动角度θ与滑轮座移动距离x满足以下关系：
x＝ig1ig2θ (1)
其中ig1、ig2分别为主动齿轮10、双向丝杠9的传动比。由此可知，电机旋转角度θ与板簧悬臂长度x成正比。
当滑轮座4向两侧运动时，由于上导向滑轮6与下导向滑轮5之间距离固定不变，下导向滑轮5将逐渐压迫横置板簧1与上支架2横梁贴合，使板簧曲率减小，板簧可自由摆动臂长减小，刚度提高。当滑轮座4运动至两侧限位支座时，横置板簧1达到最大刚度Kmax。单侧板簧刚度K与自由摆动悬臂长度l满足以下关系：
Figure BDA0002212238080000051
其中E为板簧弹性模量，I为板簧截面惯性矩。
同理，当需要降低板簧刚度时，只需让驱动电机12逆时针转动，带动两侧滑轮座4相向运动，使横置板簧1的摆动悬臂增长即可，当滑轮座4运动至从动齿轮11处时，板簧达到最小刚度Kmin。
由于滑轮座4位置可连续调节，因此，横置板簧1的刚度可在最小刚度Kmin与最大刚度Kmax之间连续调节。由于滑轮座4能在双向丝杠9上自锁，因此驱动电机12将滑轮座4驱动至目标位置后即可停止输出力矩，降低能耗。
实施例1
使用本发明的某型7座SUV车辆悬架系统。
悬架调节系统结构参数如下：横置板簧弹性模量为E＝420GPa，截面惯性矩I＝5×10-9m4，悬臂调节范围为550mm-750mm。根据公式(2)，其刚度调节范围为29800N/m-75700N/m。双向丝杠9的导程为2mm，主动齿轮10的齿数为19，从动齿轮11的齿数为67，传动比为3.53。驱动电机12的功率为400w、额定扭矩1.27Nm、额定转速3000rpm。
初始条件下，当仅有驾驶员一人乘坐时，乘客质量按75Kg计算，簧载质量m1为1385Kg。悬架默认初始刚度K1为31150N/m，根据公式(2)计算，此时板簧悬臂长度为740mm。根据公式(4)计算此时单侧车轮偏频为
Figure BDA0002212238080000061
并认为该偏频为最佳大小。
同时，悬架默认初始阻尼系数c1为2600Ns/m，根据公式(5)计算此时单侧车轮的阻尼比为
Figure BDA0002212238080000062
并认为该阻尼比为最佳大小。
当车内坐满7名乘客时，簧载质量m7为1835Kg。在原有默认刚度K1下的单侧车轮偏频为
Figure BDA0002212238080000063
偏离最佳偏频将使得乘坐舒适性变差。若要保持单侧车轮偏频不变，则悬架刚度应调整为
Figure BDA0002212238080000064
该刚度对应的板簧悬臂长度为670mm。需要对滑轮座4的位置进行调节。
滑轮座4所需调节距离为70mm，丝杠导程为2mm，计算可知，当双向丝杠9顺时针转动35转时，每一侧滑轮座4均向各自车轮方向移动距离为35×2＝70mm。根据传动齿轮之间的传动比为3.53计算，驱动电机12需转动35×3.53＝123.5转，当驱动电机12以额定转速3000rpm驱动时，可在2.47s将滑轮座4调节至目标位置，达到所需板簧刚度。
同时，为了保持阻尼比大小不变，根据公式(5)计算此时的阻尼系数应调整为
Figure BDA0002212238080000065
可通过改变可调阻尼减振器7供电电流实现调节。
根据上述方法，当传感器检测到乘坐人数不同，簧载质量发生变化时，可根据公式(4)(5)计算出目标板簧刚度及减振器阻尼系数。接着通过驱动电机12将滑轮座4调节至相应位置并调节减振器阻尼，从而改善乘坐舒适性。
实施例2：
使用本发明的某型12座MPV车辆悬架系统。
悬架调节系统结构参数如下：横置板簧弹性模量为E＝420GPa，截面惯性矩I＝1.37×10-8m4，悬臂调节范围为400mm-750mm。根据公式(2)，其刚度调节范围为82000N/m-540000N/m。双向丝杠9的导程为2mm，主动齿轮10的齿数为17，从动齿轮11的齿数为73，传动比为4.29。驱动电机12功率为750w、额定扭矩2.39Nm、额定转速3000rpm。
初始条件下，当仅有驾驶员一人乘坐时，乘客质量按75Kg计算，簧载质量m1为1695Kg。悬架默认初始刚度K1为88900N/m，根据公式(2)计算，此时板簧悬臂长度为730mm。根据公式(4)计算此时单侧车轮偏频为
Figure BDA0002212238080000071
并认为该偏频为最佳大小。
同时，悬架默认初始阻尼系数c1为3500Ns/m，根据公式(5)计算此时单侧车轮的阻尼比为
Figure BDA0002212238080000072
并认为该阻尼比为最佳大小。
当车内乘坐7名乘客时，簧载质量m7为2145Kg。若要保持单侧车轮偏频不变，则悬架刚度应调整为
Figure BDA0002212238080000073
该刚度对应的板簧悬臂长度为675mm。需要对滑轮座4的位置进行调节。
滑轮座4所需调节距离为55mm，丝杠导程为2mm，计算可知，当双向丝杠9顺时针转动27.5转时，每一侧滑轮座4均向各自车轮方向移动距离为27.5×2＝55mm。根据传动齿轮之间的传动比为4.29计算，驱动电机12需转动27.5×4.29＝118转，当驱动电机12以额定转速3000rpm驱动时，可在2.36s将滑轮座4调节至目标位置，达到所需板簧刚度。
同时，为了保持阻尼比大小不变，根据公式(5)计算此时的阻尼系数应调整为
Figure BDA0002212238080000074
可通过改变可调阻尼减振器7供电电流实现调节。
当车内坐满12名乘客时，簧载质量m12为2520Kg。若要保持单侧车轮偏频不变，则悬架刚度应调整为
Figure BDA0002212238080000075
该刚度对应的板簧悬臂长度为640mm。需要继续对滑轮座4的位置进行调节。
滑轮座4所需调节距离为35mm，丝杠导程为2mm，计算可知，当双向丝杠9顺时针转动17.5转时，每一侧滑轮座4均向各自车轮方向移动距离为17.5×2＝35mm。根据传动齿轮之间的传动比为4.29计算，驱动电机12需转动17.5×4.29＝75转，当驱动电机12以额定转速3000rpm驱动时，可在1.5s将滑轮座4调节至目标位置，达到所需板簧刚度。
同时，为了保持阻尼比大小不变，根据公式(5)计算此时的阻尼系数应调整为
Figure BDA0002212238080000081
可通过改变可调阻尼减振器7供电电流实现调节。
根据上述方法，当传感器检测到乘坐人数不同，簧载质量发生变化时，可根据公式(4)(5)计算出目标板簧刚度及减振器阻尼系数。接着通过驱动电机12将滑轮座4调节至相应位置并调节减振器阻尼，从而改善乘坐舒适性。

Claims (7)

1.一种具有刚度连续调节的汽车横置板簧悬架系统，包括一对上支架（2）、一对下支架（3）和横置板簧（1），一对上支架固定连接着车架的上部，一对下支架固定连接着车架的下部，所述横置板簧（1）对应位于车架横梁下方，所述横置板簧（1）为玻璃纤维板簧；其特征在于：
所述横置板簧（1）上设有刚度连续调节机构；所述刚度连续调节机构包括一对可变阻尼减振器（7）、驱动电机（12）、传动机构和一对滑轮机构；
所述一对可变阻尼减振器（7）分别位于横置板簧（1）的两端；可变阻尼减振器（7）的一端连接着上支架（2），另一端连接着悬架下控制臂；
所述传动机构包括双向丝杠（9）和一对齿轮；双向丝杠（9）的两侧丝杠螺纹旋向相反；
所述滑轮机构包括上导向滑轮（6）、下导向滑轮（5）和滑轮座（4）；一对滑轮机构分别通过滑轮座（4）跨设在车架横梁和横置板簧（1）上，上导向滑轮（6）位于上支架（2）横梁中间的顶部，下导向滑轮（5）位于横置板簧（1）中间的底部，上支架（2）横梁和横置板簧（1）呈上下夹持状；
工作时，驱动电机（12）通过传动机构带动一对滑轮机构做同时向靠近车轮方向或远离车轮方向移动，实现对横置板簧（1）弯曲变形程度的调节，从而实现横置板簧（1）的刚度调节。
2.根据权利要求1所述的一种具有刚度连续调节的汽车横置板簧悬架系统，其特征在于：所述双向丝杠（9）的两端通过限位支座（8）固定设于车架上部，且平行位于车架横梁的上方；一对滑轮座（4）通过丝杠螺母设于双向丝杠（9）的中部；所述一对齿轮由主动齿轮（10）和从动齿轮（11）组成；所述从动齿轮（11）固定设于一对滑轮座（4）之间的双向丝杠（9）上；所述主动齿轮（10）设于驱动电机（12）的输出轴上；通过主动齿轮（10）和从动齿轮（11）啮合传动、双向丝杠（9）的转动带动一对滑轮座（4）沿双向丝杠（9）同时向靠近车轮方向或远离车轮方向移动。
3.根据权利要求1所述的一种具有刚度连续调节的汽车横置板簧悬架系统，其特征在于：所述滑轮座（4）呈倒U型，所述上导向滑轮（6）和下导向滑轮（5）分别通过轮轴设于滑轮座（4）的开口端内，滑轮座（4）的封闭端设有丝杠螺母；一对滑轮座（4）分别通过丝杠螺母和双向丝杠（9）配合连接。
4.根据权利要求1所述的一种具有刚度连续调节的汽车横置板簧悬架系统，其特征在于：所述驱动电机（12）为直流永磁电机，固定设于限位支座（8）上。
5.根据权利要求2所述的一种具有刚度连续调节的汽车横置板簧悬架系统，其特征在于：所述主动齿轮（10）和从动齿轮（11）的传动比为3.5～5。
6.根据权利要求1所述的一种具有刚度连续调节的汽车横置板簧悬架系统，其特征在于：所述双向丝杠（9）的丝杠螺纹导程为2mm，当双向丝杠（9）静止时，滑轮座（4）实现自锁。
7.根据权利要求2所述的一种具有刚度连续调节的汽车横置板簧悬架系统，其特征在于：所述限位支座（8）包括一对支杆，分别固定直立设于车架的上部两侧，一对支杆的外侧上部分别设有凸块；所述可变阻尼减振器（7）的上端固定连接着限位支座（8）的凸块，可变阻尼减振器（7）的下端固定连接着悬架下控制臂。
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