CN112026468A - 全域可控双联半主动车辆悬架系统 - Google Patents

全域可控双联半主动车辆悬架系统 Download PDF

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CN112026468A CN202010233226.1A CN202010233226A CN112026468A CN 112026468 A CN112026468 A CN 112026468A CN 202010233226 A CN202010233226 A CN 202010233226A CN 112026468 A CN112026468 A CN 112026468A
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白先旭
李成蹊
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Abstract

本发明提供了全域可控双联半主动车辆悬架系统，该悬架系统包括导向机构、四象限半主动阻尼可调执行器，四象限半主动阻尼可调执行器包括阻尼机构和双联机构，双联机构包括第一齿条、第二齿条、换向齿轮，换向齿轮位于第一齿条和第二齿条之间且分别与第一齿条和第二齿条相啮合；阻尼机构包括两支阻尼可调的减振器，两支减振器的减振器本体顶端共同安装在同一个塔顶上，两支减振器的活塞杆底端分别与两齿条顶端相连接；第一齿条底端与导向机构的转向羊角铰接，阻尼机构的塔顶与车辆的车身相连接；换向齿轮的齿轮轴通过连杆与车架或车身相连接。本发明的优点：实现了具有全域控制范围和低能耗、高可靠性的半主动车辆悬架系统。

Description

全域可控双联半主动车辆悬架系统
技术领域
本发明涉及车用悬架系统与振动控制领域，更具体地说是一种全域可控双联半主动车辆悬架系统。
背景技术
悬架系统作为汽车车身与路面之间的连接，与汽车操纵稳定性、行驶平顺性和安全性密切相关。自从18世纪法国人首次在车轮上使用单片板簧制作出正式的马车用悬架后，人类对于车轮与车身/车架间的关键部件——悬架，一直保持着研究与创新。然而，汽车技术发展至今，虽已有成熟的诸如麦弗逊悬架、单/双横臂独立悬架、单/双纵臂独立悬架等悬架构型，但汽车悬架系统在构型上已有几十年没有新的突破。
20世纪50年代后，智能悬架，即基于液压/气动执行器、驱动电机或电磁执行器等的主动悬架与基于刚度/阻尼可调减振器或可调惯容器等的半主动悬架，给汽车技术注入了新的血液和思路，被视为汽车悬架的新一轮“革命”。然而，主动悬架由于耗能巨大、系统笨重以及成本过高等“先天缺陷”，在工业化推广过程中遇冷，尽管主动悬架性能优越。相比之下，基于刚度/阻尼可调减振器和可调惯容器的半主动悬架，由于耗能低、系统简单，被寄予了厚望。但是，由于诸如空气弹簧、电/磁流变减振器、馈能式减振器和电磁阀式减振器等典型的刚度/阻尼可调减振器和可调惯容器不能像主动执行器一样输出负向控制力(即主动执行器能够在“阻尼力-激励速度”图中实现四象限范围内的力学控制，而半主动执行器仅能实现“阻尼力-激励速度”图中的第一和第三象限范围内的力学控制，在全频域范围内，半主动悬架系统性能与主动悬架系统性能之间存在较大差距。传统的汽车悬架构型已经“无能为力”。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种全域可控双联半主动车辆悬架系统，以期实现半主动悬架的低能耗和高可靠性性能的同时，也拥有主动悬架的全频域可控性能。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
全域可控双联半主动车辆悬架系统，所述车辆悬架系统包括安装在车架或车身上的导向机构，所述导向机构包括摆臂、转向羊角、制动盘和车轮，所述车辆悬架系统还包括四象限半主动阻尼可调执行器，所述四象限半主动阻尼可调执行器包括上下设置的阻尼机构和双联机构，
所述双联机构包括第一齿条、第二齿条、换向齿轮，所述第一齿条和第二齿条均竖向延伸且相对设置，所述换向齿轮位于第一齿条和第二齿条之间，且所述换向齿轮分别与第一齿条和第二齿条相啮合；
所述阻尼机构包括并排设置的两支阻尼可调的减振器，两支减振器分别为第一减振器和第二减振器，每支减振器包括减振器本体和活塞杆，两支减振器的减振器本体顶端共同安装在同一个塔顶上，第一减振器的活塞杆竖直向下延伸且底端与第一齿条顶端相连接，第二减振器的活塞杆竖直向下延伸且底端与第二齿条顶端相连接，两支减振器外分别套装有一根被动弹簧，所述被动弹簧的上下两端分别与对应减振器的减振器本体顶端和活塞杆底端相连接；
所述阻尼机构的第一齿条底端与导向机构的转向羊角铰接，所述阻尼机构的塔顶与车辆的车身相连接；所述阻尼机构的换向齿轮转动安装在齿轮轴上，所述换向齿轮的齿轮轴通过连杆与车架或车身相连接；
当导向机构的摆臂在路面输入激励下做上下跳动时，由转向羊角带动第一齿条上下运动，并在换向齿轮的作用下，带动第二齿条与第一齿条做相反方向的运动，最终引起阻尼机构的一对阻尼可调的减振器做相反运动，分别调节两支减振器输出的阻尼力的大小，使得四象限半主动阻尼可调执行器的输出特征分别在“阻尼力-激励速度”图的四个象限内实现调节，从而实现双向联动和振动控制。
进一步的，所述车辆悬架系统为前悬架系统时，所述换向齿轮的齿轮轴与连杆之间通过一根竖向设置的轮轴摇杆实现转动连接，所述连杆另一端与车架或车身固定连接。
进一步的，所述车辆悬架系统为后悬架系统时，所述换向齿轮的齿轮轴与连杆一端固定连接，所述连杆另一端与与车架或车身固定连接。
进一步的，所述塔顶包括塔顶本体、以及转动设置在塔顶本体内部的转动部，所述转动部从塔顶本体底部向下伸出，两支减振器本体顶端共同安装在塔顶的转动部上。
进一步的，所述悬架系统按如下控制方法分情况进行控制：
若车轮上跳带动摆臂上跳，同时车身接近车轮，则控制第一减振器不输出阻尼力、第二减振器输出阻尼力，实现第一象限内的输出特征调节；
若车轮上跳带动摆臂上跳，同时车身远离车轮，则控制第一减振器输出阻尼力、第二减振器不输出阻尼力，实现第四象限内的输出特征调节；
若车轮下摆带动摆臂下落，同时车身远离车轮，则控制第一减振器不输出阻尼力、第二减振器输出阻尼力，实现第三象限内的输出特征调节；
若车轮下摆带动摆臂下落，同时车身接近车轮，则控制第一减振器输出阻尼力、第二减振器不输出阻尼力，实现第二象限内的输出特征调节。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明提供的一种全域可控双联半主动车辆悬架系统，通过将四象限半主动阻尼可调执行器运用于车辆悬架系统中，与传统半主动悬架相比，拥有更广泛的控制范围，对车辆振动的控制效果更好；与传统的主动悬架相比，不需要消耗主动级别的能源，就能达到接近主动悬架的全域控制的效果；即本悬架系统既拥有主动悬架的全域控制能力，又拥有与半主动悬架一样的高可靠性和低能耗的优势。
2、本发明提供的一种全域可控双联半主动车辆悬架系统，其换向齿轮与车辆的连接关系分为两种情况：(1)对于承载式车身的车辆，换向齿轮的齿轮轴通过连杆与车身相连接；(2)对于非承载式车身的车辆，换向齿轮的齿轮轴通过连杆与车架相连接。前一种情况，能实现悬架的减振效果；后一种情况，则可以在实现悬架的减振效果的同时，还能对车身产生悬置的效果。
3、本发明提供的一种全域可控双联半主动车辆悬架系统，其采用的四象限半主动阻尼可调执行器包括阻尼机构和双联机构，通过双联机构使得阻尼机构的一对阻尼可调的减振器始终做相反运动，分别调节两支减振器输出的阻尼力的大小，使得整个四象限半主动阻尼可调执行器的输出特征分别在“阻尼力-激励速度”图的四个象限内实现调节，振动控制效果更好，没有额外的能量输入，与主动式悬架相比较，能耗大大降低。
4、本发明提供的一种全域可控双联半主动车辆悬架系统的控制方法，贴近工程实际，易于实现，能够快速地被应用到车辆的控制领域。
附图说明
图1是本发明针对非承载式车身的车辆的前悬架系统的立体图。
图2是本发明针对非承载式车身的车辆的后悬架系统的立体图。
图3是本发明针对承载式车身的车辆的前悬架系统的立体图。
图4是本发明针对承载式车身的车辆的后悬架系统的立体图。
图5是本发明的阻尼机构与塔顶和双联机构的连接关系示意图。
图6是本发明的减振器采用的磁流变减振器的立体图。
图7是图1中的换向齿轮与连杆的连接关系示意图。
图8是本发明的四象限半主动阻尼可调执行器的阻尼力-激励速度工作原理图。
图中，1a转向拉杆，1b传动半轴，2摆臂，3车身，4塔顶，5转动部，6第一减振器，7第二减振器，8减振器本体，9活塞杆，10上限位座，11下限位座，12第一齿条，13第二齿条，14换向齿轮，15轮轴摇杆，16连杆，17车架，18被动弹簧，19耳件，20转向羊角，21制动盘，22安装轴套，23齿轮轴，24支撑弹簧。
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，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作出创造性劳动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。
请参照图1至图8，本实施例公开了全域可控双联半主动车辆悬架系统，该车辆悬架系统包括安装在车架17或车身3上的导向机构，导向机构包括摆臂2、转向羊角20、制动盘21和车轮(图未示出)，转向羊角20固定安装在摆臂2上，制动盘21固定安装在转向羊角20上，车轮固定安装在制动盘21外侧。对于非承载式车身3的车辆，导向机构通过摆臂2铰接安装在车架17上；对于承载式车身3的车辆，由于没有车架17，其导向机构通过摆臂2铰接安装在车身3上。
该车辆悬架系统还包括四象限半主动阻尼可调执行器，四象限半主动阻尼可调执行器包括上下设置的阻尼机构和双联机构。
双联机构即双向联动机构，该双联机构包括第一齿条12、第二齿条13、换向齿轮14，第一齿条12和第二齿条13均竖向延伸且相对设置，换向齿轮14位于第一齿条12和第二齿条13之间，且换向齿轮14分别与第一齿条12和第二齿条13相啮合。
阻尼机构包括并排设置的两支阻尼可调的减振器，两支减振器分别为第一减振器6和第二减振器7，每支减振器包括减振器本体8和活塞杆9，两减振器的减振器本体8顶端共同安装在同一塔顶4上。塔顶4包括塔顶4本体、以及转动设置在塔顶4本体内部的转动部5，转动部5从塔顶4本体底部向下伸出，两支减振器本体8顶端共同安装在塔顶4的转动部5上，以适应前悬架系统中车轮在转向时，两减振器随之一起转动的转向要求。
第一减振器6的活塞杆9竖直向下延伸且底端与第一齿条12顶端相连接，第二减振器7的活塞杆9竖直向下延伸且底端与第二齿条13顶端相连接，两支减振器外分别套装有一根被动弹簧18，被动弹簧18的上下两端分别与对应减振器的减振器本体8顶端和活塞杆9底端相连接。每支减振器中，其减振器本体8的顶端设有上限位座10，其活塞杆9的底端设有下限位座11，被动弹簧18的上下两端分别与上限位座10和下限位座11相连接。当减振器被压缩或拉伸时，由被动弹簧18提供被动力，保证减振器的活塞杆9的复位。
其中，减振器采用可变阻尼减振器(例如磁流变减振器/电流变减振器)或馈能式减振器。参见图6，本实施例中的两支减振器均选用磁流变减振器，每支磁流变减振器上端和下端均设有一个安装轴套22，两支磁流变减振器上端的轴套分别与塔顶4的转动部5之间通过同一个上销轴铰接，两支磁流变减振器上端的轴套分别与两齿条一一对应的相铰接。
阻尼机构的第一齿条12底端设有耳件19，第一齿条12通过耳件19与导向机构的转向羊角20铰接，阻尼机构的塔顶4与车辆的车身3固定连接；阻尼机构的换向齿轮14通过轴承转动安装在齿轮轴23上，换向齿轮14的齿轮轴23通过连杆16与车架17或车身3相连接。
换向齿轮14与车辆的连接关系分为以下四种情况：
参见图1，图1示出为针对非承载式车身3的车辆的前悬架系统，其导向机构中包括转向拉杆1a和传动半轴1b，车身3与车架17之间通过一根支撑弹簧24进行弹性支撑。其换向齿轮14的齿轮轴23通过连杆16与车架17相连接。具体连接方式为：换向齿轮14的齿轮轴23与连杆16之间通过一根竖向设置的轮轴摇杆15实现转动连接，连杆16另一端与车架17固定连接，此处通过设置轮轴摇杆15，在车轮和转向羊角20转向时，能保证换向齿轮14及两支齿条均随之一起转动。
参见图2，图2示出为针对非承载式车身3的车辆的后悬架系统，其导向机构中包括传动半轴1b，其换向齿轮14的齿轮轴23通过连杆16与车架17相连接。具体连接方式为：换向齿轮14的齿轮轴23与连杆16一端固定连接，连杆16另一端与与车架17固定连接。由于后悬架系统的车轮没有转向的要求，因此，换向齿轮14的齿轮轴23与连杆16之间直接固定连接即可。
参见图3，图3示出为针对承载式车身3的车辆的前悬架系统，其导向机构中包括转向拉杆1a，由于没有车架17，因此其换向齿轮14的齿轮轴23通过连杆16与车身3相连接。具体连接方式为：换向齿轮14的齿轮轴23与连杆16之间通过一根竖向设置的轮轴摇杆15实现转动连接，连杆16另一端与车身3固定连接，此处通过设置轮轴摇杆15，在车轮和转向羊角20转向时，能保证换向齿轮14及两支齿条均随之一起转动。
参见图4，图4示出为针对承载式车身3的车辆的后悬架系统，其导向机构中包括传动半轴1b，其换向齿轮14的齿轮轴23通过连杆16与车身3相连接。具体连接方式为：换向齿轮14的齿轮轴23与连杆16一端固定连接，连杆16另一端与与车身3固定连接。由于后悬架系统的车轮没有转向的要求，因此，换向齿轮14的齿轮轴23与连杆16之间直接固定连接即可。
当导向机构的摆臂2在路面输入激励下做上下跳动时，由转向羊角20带动第一齿条12上下运动，并在换向齿轮14的作用下，带动第二齿条13与第一齿条12做相反方向的运动，最终引起阻尼机构的一对阻尼可调的减振器做相反运动，即使得一对尼器始终保持相反的拉伸压缩状态。分别调节两支减振器输出的阻尼力的大小，使得四象限半主动阻尼可调执行器的输出特征分别在“阻尼力-激励速度”图的四个象限内实现调节，从而实现双向联动和振动控制。
本实施例还公开了上述全域可控双联半主动车辆悬架系统的其中一种控制方法，该控制方法按如下情况分别进行：
若车轮上跳带动摆臂2上跳，此时第一齿条12向上运动，使得第一减振器6及其上的被动弹簧18均被压缩，第二齿条13向下运动，使得第二减振器7及其上的被动弹簧18均被拉伸，若此时车身3运动方向与摆臂2运动方向相反，即车身3接近车轮，则控制第一减振器6不输出阻尼力、第二减振器7输出阻尼力，实现第一象限内的输出特征调节；
若车轮上跳带动摆臂2上跳，此时第一齿条12向上运动，使得第一减振器6及其上的被动弹簧18均被压缩，第二齿条13向下运动，使得第二减振器7及其上的被动弹簧18均被拉伸，若此时车身3运动方向与摆臂2运动方向相同，即车身3远离车轮，则控制第一减振器6输出阻尼力、第二减振器7不输出阻尼力，实现第四象限内的输出特征调节；
若车轮下摆带动摆臂2下落，此时第一齿条12向下运动，使得第一减振器6及其上的被动弹簧18均被拉伸，第二齿条13向上运动，使得第二减振器7及其上的被动弹簧18均被压缩，若此时车身3运动方向与摆臂2运动方向相反，即车身3远离车轮，则控制第一减振器6不输出阻尼力、第二减振器7输出阻尼力，实现第三象限内的输出特征调节；
若车轮下摆带动摆臂2下落，此时第一齿条12向下运动，使得第一减振器6及其上的被动弹簧18均被拉伸，第二齿条13向上运动，使得第二减振器7及其上的被动弹簧18均被压缩，若此时车身3运动方向与摆臂2运动方向相同，即车身3接近车轮，则控制第一减振器6输出阻尼力、第二减振器7不输出阻尼力，实现第二象限内的输出特征调节。
参见图8，图8示出了四象限半主动阻尼可调执行器的阻尼力-激励速度工作原理图。当摆臂2上跳，车身3接近车轮时，四象限半主动阻尼可调执行器整体上输出正向阻尼力，对应第一象限；当摆臂2上跳，车身3远离车轮时，四象限半主动阻尼可调执行器整体上输出负向阻尼力，对应第四象限；当摆臂2下落，车身3接近车轮时，四象限半主动阻尼可调执行器整体上输出正向阻尼力，对应第二象限；当摆臂2下落，车身3远离车轮时，四象限半主动阻尼可调执行器整体上输出负向阻尼力，对应第三象限。
本实施例在传统被动/半主动悬架系统中联合了具有双向联动功能的四象限半主动阻尼可调执行器，在系统功率输入可以忽略不计的情况下，达到了主动悬架系统性能。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.全域可控双联半主动车辆悬架系统，所述车辆悬架系统包括安装在车架(17)或车身(3)上的导向机构，所述导向机构包括摆臂(2)、转向羊角(20)、制动盘(21)和车轮，其特征在于：所述车辆悬架系统还包括四象限半主动阻尼可调执行器，所述四象限半主动阻尼可调执行器包括上下设置的阻尼机构和双联机构，
所述双联机构包括第一齿条(12)、第二齿条(13)、换向齿轮(14)，所述第一齿条(12)和第二齿条(13)均竖向延伸且相对设置，所述换向齿轮(14)位于第一齿条(12)和第二齿条(13)之间，且所述换向齿轮(14)分别与第一齿条(12)和第二齿条(13)相啮合；
所述阻尼机构包括并排设置的两支阻尼可调的减振器，两支减振器分别为第一减振器(6)和第二减振器(7)，每支减振器包括减振器本体(8)和活塞杆(9)，两支减振器的减振器本体(8)顶端共同安装在同一个塔顶(4)上，第一减振器(6)的活塞杆(9)竖直向下延伸且底端与第一齿条(12)顶端相连接，第二减振器(7)的活塞杆(9)竖直向下延伸且底端与第二齿条(13)顶端相连接，两支减振器外分别套装有一根被动弹簧(18)，所述被动弹簧(18)的上下两端分别与对应减振器的减振器本体(8)顶端和活塞杆(9)底端相连接；
所述阻尼机构的第一齿条(12)底端与导向机构的转向羊角(20)铰接，所述阻尼机构的塔顶(4)与车辆的车身(3)相连接；所述阻尼机构的换向齿轮(14)转动安装在齿轮轴(23)上，所述换向齿轮(14)的齿轮轴(23)通过连杆(16)与车架(17)或车身(3)相连接；
当导向机构的摆臂(2)在路面输入激励下做上下跳动时，由转向羊角(20)带动第一齿条(12)上下运动，并在换向齿轮(14)的作用下，带动第二齿条(13)与第一齿条(12)做相反方向的运动，最终引起阻尼机构的一对阻尼可调的减振器做相反运动，分别调节两支减振器输出的阻尼力的大小，使得四象限半主动阻尼可调执行器的输出特征分别在“阻尼力-激励速度”图的四个象限内实现调节，从而实现双向联动和振动控制。
2.如权利要求1所述的全域可控双联半主动车辆悬架系统，其特征在于：所述车辆悬架系统为前悬架系统时，所述换向齿轮(14)的齿轮轴(23)与连杆(16)之间通过一根竖向设置的轮轴摇杆(15)实现转动连接，所述连杆(16)另一端与车架(17)或车身(3)固定连接。
3.如权利要求1所述的全域可控双联半主动车辆悬架系统，其特征在于：所述车辆悬架系统为后悬架系统时，所述换向齿轮(14)的齿轮轴(23)与连杆(16)一端固定连接，所述连杆(16)另一端与与车架(17)或车身(3)固定连接。
4.如权利要求1所述的全域可控双联半主动车辆悬架系统，其特征在于：所述塔顶(4)包括塔顶(4)本体、以及转动设置在塔顶(4)本体内部的转动部(5)，所述转动部(5)从塔顶(4)本体底部向下伸出，两支减振器本体(8)顶端共同安装在塔顶(4)的转动部(5)上。
5.如权利要求1至4任一项所述的全域可控双联半主动车辆悬架系统，其特征在于：所述悬架系统按如下控制方法分情况进行控制：
若车轮上跳带动摆臂(2)上跳，同时车身(3)接近车轮，则控制第一减振器(6)不输出阻尼力、第二减振器(7)输出阻尼力，实现第一象限内的输出特征调节；
若车轮上跳带动摆臂(2)上跳，同时车身(3)远离车轮，则控制第一减振器(6)输出阻尼力、第二减振器(7)不输出阻尼力，实现第四象限内的输出特征调节；
若车轮下摆带动摆臂(2)下落，同时车身(3)远离车轮，则控制第一减振器(6)不输出阻尼力、第二减振器(7)输出阻尼力，实现第三象限内的输出特征调节；
若车轮下摆带动摆臂(2)下落，同时车身(3)接近车轮，则控制第一减振器(6)输出阻尼力、第二减振器(7)不输出阻尼力，实现第二象限内的输出特征调节。
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