CN111114225A - 一种基于阵列式减振器的车用悬架控制臂及参数计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阵列式减振器的车用悬架控制臂，其包括控制臂本体、阵列式减振器与控制臂连接组件，控制臂本体为车用悬架控制臂最为基础的结构构件，用于承载车辆行驶过程中的载荷，为阵列式减振器、控制臂连接组件提供安装基座，阵列式减振器安装于控制臂本体上，用于吸收车辆行驶过程中由行驶系传递至车身的振动与冲击；控制臂连接组件安装于控制臂本体上，分别与车辆行驶系和车身进行连接。用以在车辆行驶过程中，通过控制臂中布置的阵列式减振器，对行驶系传递至底盘的冲击及振动进行衰减。从而在不明显增加车辆悬架系统构造复杂性与整备质量的前提下，尽可能降低车辆的振动加速度能量与幅值。

Description

一种基于阵列式减振器的车用悬架控制臂及参数计算方法

技术领域

本发明涉及车辆的零部件减振，尤其涉及一种具有减振结构的车用悬架控制臂及参数计算方法。

背景技术

车辆在行驶过程中的NVH特性(噪声、振动及粗糙度)对车辆的乘坐舒适性有着非常重要的影响。其中，路噪是车辆振动噪声的重要组成部分。车辆行驶过程中，轮胎与路面直接接触，并将路面不平整所产生的振动冲击通过行驶系统与悬架系统传递至车身，故路噪的减振降噪具有较大的难度，寻求一种在不显著增加悬架系统复杂性与质量情况下，对振动冲击进行衰减与阻隔的方法，一直以来为行业研究重点。

现阶段，车辆悬架系统的减振手段主要是通过减振器和设置减振轴套等手段完成的。期中，减振器用于衰减车辆垂向方向的振动冲击，车辆横向与侧向的冲击振动的衰减仅能通过控制臂与车身连接处安装减振轴套等手段完成。然而受限于车辆悬架系统必须的刚度需求，减振轴对振动的衰减量非常有限。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题和不足，提供一种基于阵列式减振器的车用悬架控制臂及参数计算方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

本发明提供一种基于阵列式减振器的车用悬架控制臂，其特点在于，其包括控制臂本体、阵列式减振器与控制臂连接组件，所述控制臂本体为车用悬架控制臂最为基础的结构构件，用于承载车辆行驶过程中的载荷，为阵列式减振器、控制臂连接组件提供安装基座，所述阵列式减振器安装于控制臂本体上，用于吸收车辆行驶过程中由行驶系传递至车身的振动与冲击；所述控制臂连接组件安装于控制臂本体上，分别与车辆行驶系和车身进行连接。

较佳地，所述阵列式减振器由数个相互独立的减振元件构成，所述数个相互独立的减振元件布置呈二维阵列分布于控制臂本体上，所述二维阵列采用二维周期性阵列与非周期性阵列，每一减振元件具有完全相同的材料参数特性与几何参数特性。

较佳地，每一减振元件包括基体、弹性体与散射体，所述基体位于减振元件最外围，内部呈方形空心结构，用于对减振元件进行限位，并将减振元件固定于控制臂本体上；所述弹性体由硅橡胶组成，位于基体的空心结构内，并在内部包含散射体；所述散射体由高密度材料构成(通常采用金属)；所述弹性体用于为散射体提供弹性势能，从而通过弹性-质量体的谐振效应，完成减振元件的局域共振效应，使振动能量在传播过程中受到较大的衰减。

较佳地，所述基体与控制臂本体通过永久性连接(如焊接、铆接)或半永久性连接(如胶接、螺栓连接)固定。并可快速对固定的位置、二维阵列的布置形式等参数进行调整。从而适用于不同车型与不同路况条件。

较佳地，所述弹性体采用空心结构，所述弹性体的外围与内侧通过边梁进行固定。通过边梁的宽度与弹性体其他结构尺寸参数，能够快速对弹性体在不同方向上(X方向、Y方向)的等效刚度进行调整，从而能够较为独立地调控行驶系从不同方向上传递至控制臂的振动特性。

较佳地，所述控制臂本体呈三角形状。

较佳地，所述控制臂连接组件包含球头铰链座与橡胶减振套筒，所述球头铰链座安装在控制臂本体的三角形状的相对两侧，所述橡胶减振套筒安装在控制臂本体的三角形状的顶点上表面。

本发明还提供一种车用悬架控制臂的参数计算方法，其特点在于，其利用上述的车用悬架控制臂实现，所述参数计算方法包括以下步骤：

1)测定双向输入车身方向振动能量峰值对应频率点：通过实验采集指定路面情况下输入车身的振动幅值与加速度信号；

2)沿车辆纵向(X方向)与横向(Y方向)对振动幅值与加速度信号进行分解，统计不同频谱下的振动幅值与能量，从而确定纵向与横向输入车身振动能量峰值对应的的频率点ω_x与ω_y，作为弹性体参数计算过程中的求解输入参数；

3)计算弹性体参数b和c，计算公式如下：

式中：R_a表示散射体直径，可根据规格进行初选，为已知量；E为弹性体材料对应杨氏模量，μ为弹性体材料对应的泊松比，ρ为散射体材料密度，从而得到弹性体中参数b与参数c，k_x为结构x方向等效刚度，k_y为结构y方向等效刚度。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：

本发明通过阵列式减振器的局域共振原理对沿控制臂传播的弹性波进行阻隔与吸收，故能够在不显著增加悬架系统复杂性与整体质量的情况下，对原有技术中难以完成的沿车辆横向与纵向传递至车身的振动进行阻隔。

本发明采用的阵列式减振元件由于体积小，且可通过多种手段与控制臂进行紧固，故安装调试方便，能够根据不同车型的控制臂几何尺寸与特征方便灵活的布置。同时，在部分减振元件损坏失效的情况下，能保证结构整体具有一定的减振特性。

本发明的阵列式减振元件在纵向与横向上均能够通过调整弹性体几何与材料参数进行灵活调控，从而能够较为灵活地匹配车辆横向与纵向振动特性，最大程度上满足用户对车辆振动特性的需求。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的基于阵列式减振器的车用悬架控制臂的结构示意图。

图2为本发明较佳实施例的基于阵列式减振器的车用悬架控制臂的俯视图。

图3为本发明较佳实施例的阵列式减振器的结构示意图。

图4为本发明较佳实施例的单一减振元件的力学等效模型示意图。

图5为本发明较佳实施例的阵列式减振器整体力学等效模型示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-3所示，本实施例提供一种基于阵列式减振器的车用悬架控制臂，其包括控制臂本体1、阵列式减振器2与控制臂连接组件，所述控制臂本体1为车用悬架控制臂最为基础的结构构件，用于承载车辆行驶过程中的载荷，为阵列式减振器2、控制臂连接组件提供安装基座，所述阵列式减振器2安装于控制臂本体1上，用于吸收车辆行驶过程中由行驶系传递至车身的振动与冲击；所述控制臂连接组件安装于控制臂本体1上，分别与车辆行驶系和车身进行连接。

所述控制臂本体1呈三角形状，所述控制臂连接组件包含球头铰链座31与橡胶减振套筒32，所述球头铰链座31安装在控制臂本体1的三角形状的相对两侧，所述橡胶减振套筒32安装在控制臂本体1的三角形状的顶点上表面。

其中，如图3所示，所述阵列式减振器2由数个相互独立的减振元件21构成，所述数个相互独立的减振元件21布置呈二维阵列分布于控制臂本体1上，所述二维阵列采用二维周期性阵列与非周期性阵列，每一减振元件21具有完全相同的材料参数特性与几何参数特性。

每一减振元件21包括基体211、弹性体212与散射体212，所述基体211位于减振元件21最外围，内部呈方形空心结构，用于对减振元件21进行限位，并将减振元件21固定于控制臂本体1上；所述弹性体212由硅橡胶组成，位于基体211的空心结构内，并在内部包含散射体213；所述散射体213由高密度材料构成(通常采用金属)；所述弹性体212用于为散射体213提供弹性势能，从而通过弹性-质量体的谐振效应，完成减振元件的局域共振效应，使振动能量在传播过程中受到较大的衰减。

所述基体211与控制臂本体1通过永久性连接(如焊接、铆接)或半永久性连接(如胶接、螺栓连接)固定。并可快速对固定的位置、二维阵列的布置形式等参数进行调整。从而适用于不同车型与不同路况条件。

所述弹性体212采用空心结构，所述弹性体212的外围与内侧通过边梁进行固定。通过边梁的宽度与弹性体其他结构尺寸参数，能够快速对弹性体在不同方向上(X方向、Y方向)的等效刚度进行调整，从而能够较为独立地调控行驶系从不同方向上传递至控制臂的振动特性。

下面具体介绍阵列式减振器工作原理：

阵列式减振器是一种通过周期性布置的阵列结构对弹性波进行衰减的减振元件。由弹性力学与晶格理论可知，弹性波在周期性结构中的传播遵循弹性波动方程及Bloch定律，即：

u(r)＝e^i(k·r)u_k(r)

式中，u(r,t)用于表述结构的位移矢量；μ与λ为拉梅常数；ρ表示材料的密度，k＝(k_x,k_y)表示波矢在倒易点阵的第一布里渊区，u_k(r)是具有相同晶格常数的周期性函数。当采用离散法对以上公式进行阐述，其表达式如下：

(K-ω²M)·U＝0

u(r+a)＝e^i(k·a)u_k(r)

其中，K表示单元刚度矩阵，U表示节点位移矩阵，M表示单元质量矩阵，a表示晶格常数。从中可见，当满足

结构对弹性波有着较强阻隔作用。

下面具体介绍基于阵列式减振器的车用悬架控制臂力学等效模型：

减振元件内均包含弹性体与散射体构成了完整的谐振组件，故其力学模型可等效为一个标准的弹簧-质量模型，单一减振元件的力学等效模型与阵列式减振器整体力学等效模型如图4与图5所示。根据建立力学平衡方程与受力分析，散射体等效质量与弹性体等效刚度可以通过傅里叶变换表示为

式中，M表示控制臂总质量(不含散射体)、m_e表示散射体质量、ω表示结构中弹性波的频率、ω₀表示减振元件谐振频率。从中可得，即当弹性波频率ω→ω₀时，存在M_eff→∞、K_eff→0。从而对弹性波有着阻隔作用。

由于车辆行驶过程中，沿纵向与横向通过行驶系输入车辆的振动特性存在差异性。故减振元件的中弹性体与散射体参数根据可双向输入车辆的振动特性进行设计与匹配，弹性体结构参数如图5所示。以普通道路车辆为例，其参数计算流程如下：

1)测定双向输入车身方向振动能量峰值对应频率点：通过实验采集指定路面情况下输入车身的振动幅值与加速度信号；

2)沿车辆纵向(X方向)与横向(Y方向)对振动幅值与加速度信号进行分解，统计不同频谱下的振动幅值与能量，从而确定纵向与横向输入车身振动能量峰值对应的的频率点ω_x与ω_y，作为弹性体参数计算过程中的求解输入参数；

3)计算弹性体参数b和c，计算公式如下：

式中：R_a表示散射体直径，可根据规格进行初选，为已知量；E为弹性体材料对应杨氏模量，μ为弹性体材料对应的泊松比，ρ为散射体材料密度，从而得到弹性体中参数b与参数c，k_x为结构x方向等效刚度，k_y为结构y方向等效刚度。

与现有技术相比，本发明具有占用空间小、成本低、实用可靠性高、且不明显增加车辆悬架系统制造复杂性与整备质量等优点。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于阵列式减振器的车用悬架控制臂，其特征在于，其包括控制臂本体、阵列式减振器与控制臂连接组件，所述控制臂本体用于承载车辆行驶过程中的载荷，为阵列式减振器、控制臂连接组件提供安装基座，所述阵列式减振器安装于控制臂本体上，用于吸收车辆行驶过程中由行驶系传递至车身的振动与冲击；所述控制臂连接组件安装于控制臂本体上，分别与车辆行驶系和车身进行连接。

2.如权利要求1所述的基于阵列式减振器的车用悬架控制臂，其特征在于，所述阵列式减振器由数个相互独立的减振元件构成，所述数个相互独立的减振元件布置呈二维阵列分布于控制臂本体上，所述二维阵列采用二维周期性阵列与非周期性阵列，每一减振元件具有完全相同的材料参数特性与几何参数特性。

3.如权利要求2所述的基于阵列式减振器的车用悬架控制臂，其特征在于，每一减振元件包括基体、弹性体与散射体，所述基体位于减振元件最外围，内部呈方形空心结构，用于对减振元件进行限位，并将减振元件固定于控制臂本体上；所述弹性体由硅橡胶组成，位于基体的空心结构内，并在内部包含散射体；所述散射体由高密度材料构成；所述弹性体用于为散射体提供弹性势能，从而通过弹性-质量体的谐振效应，完成减振元件的局域共振效应，使振动能量在传播过程中受到较大的衰减。

4.如权利要求3所述的基于阵列式减振器的车用悬架控制臂，其特征在于，所述基体与控制臂本体通过永久性连接或半永久性连接固定。

5.如权利要求3所述的基于阵列式减振器的车用悬架控制臂，其特征在于，所述弹性体采用空心结构，所述弹性体的外围与内侧通过边梁进行固定。

6.如权利要求1所述的基于阵列式减振器的车用悬架控制臂，其特征在于，所述控制臂本体呈三角形状。

7.如权利要求6所述的基于阵列式减振器的车用悬架控制臂，其特征在于，所述控制臂连接组件包含球头铰链座与橡胶减振套筒，所述球头铰链座安装在控制臂本体的三角形状的相对两侧，所述橡胶减振套筒安装在控制臂本体的三角形状的顶点上表面。

8.一种车用悬架控制臂的参数计算方法，其特征在于，其利用如权利要求3-5中任意一项所述的车用悬架控制臂实现，所述参数计算方法包括以下步骤：

1)通过实验采集指定路面情况下输入车身的振动幅值与加速度信号；

2)沿车辆纵向与横向对振动幅值与加速度信号进行分解，统计不同频谱下的振动幅值与能量，从而确定纵向与横向输入车身振动能量峰值对应的的频率点ω_x与ω_y，作为弹性体参数计算过程中的求解输入参数；

3)计算弹性体参数b和c，计算公式如下：

式中：R_a表示散射体直径，可根据规格进行初选，为已知量；E为弹性体材料对应杨氏模量，μ为弹性体材料对应的泊松比，ρ为散射体材料密度，从而得到弹性体中参数b与参数c，k_x为结构x方向等效刚度，k_y为结构y方向等效刚度。

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