CN113027980B - 电磁悬浮式空气弹簧及轨道车辆 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种电磁悬浮式空气弹簧及轨道车辆。空气弹簧包括上盖；下盖，其包括：盖板，与上盖间隔相对设置；支撑件，连接在盖板的下方，且内部中空与盖板形成第一容纳腔；气囊，设置在盖板与上盖之间，形成气腔；底座，与支撑件连接；电磁悬浮模块，包括通电的第一线圈和第二线圈；检测模块，包括：第一载荷传感器，设置在上盖上，用于检测空气弹簧承受的垂向载荷；第一高度传感器，用于检测上盖与底座底部之间的高度差；电磁控制模块，其分别与电磁悬浮模块和检测模块电性连接，且电磁控制模块被配置为接收检测模块的检测信号，并依据检测信号对电磁悬浮模块进行控制。本发明具有主动减振功能，有效提高了空气弹簧的减振性能以及运用可靠性。

Description

电磁悬浮式空气弹簧及轨道车辆

技术领域

本发明属于轨道车辆减振技术领域，尤其涉及一种电磁悬浮式空气弹簧及轨道车辆。

背景技术

空气弹簧安装在车体和转向架之间，作用为传递垂向载荷、横向载荷以及扭矩等，吸收垂向和水平振动，提供水平复原力，对车辆的平稳性和舒适度具有较大的影响。

现有技术中，空气弹簧多采用气囊与辅助弹簧串联的方式，通过气囊内的空气压缩以及辅助弹簧的橡胶变形实现减振效果。其结构主要包括上盖、气囊及辅助弹簧，其中上盖位于车体或摇枕的下方，起密封及传递载荷的功能，辅助弹簧位于气囊的下方，在空气弹簧正常充气的状态下，气囊起主要的减振作用，空气弹簧组成的性能取决于气囊的性能，辅助弹簧在空气弹簧无气的应急状态下使用。空气弹簧采用气囊与辅助弹簧串联的减振方式是一种吸收振动的被动减振方式，不能实现主动减振，其减振性能不佳；且辅助弹簧处于经常工作状态，其承受的载荷变化较大，使用寿命较低，严重影响车辆的运行可靠性。

发明内容

本发明针对上述技术问题，提出一种电磁悬浮式空气弹簧及轨道车辆。该空气弹簧具有主动减振功能，通过电磁控制模块的逻辑计算，可以实现垂向主动减振，从而控制车体不发生垂向振动，提高车辆的平稳性和舒适度。

为了实现上述目的，本发明提供一种电磁悬浮式空气弹簧，包括：

上盖；

下盖，其包括：

盖板，其与所述上盖间隔相对设置；

支撑件，所述支撑件连接在所述盖板的下方，且内部中空与所述盖板形成第一容纳腔；

气囊，其设置在所述盖板与所述上盖之间，形成气腔；

底座，其与所述支撑件连接；

电磁悬浮模块，其包括通电的

第一线圈，其设置在所述第一容纳腔内；

第二线圈，其套设在所述底座外侧；

检测模块，其包括：

第一载荷传感器，其设置在所述上盖上，用于检测空气弹簧所承受的垂向载荷；

第一高度传感器，用于检测所述盖板与所述底座底部之间的高度差；

电磁控制模块，其分别与所述电磁悬浮模块和所述检测模块电性连接，且所述电磁控制模块被配置为接收所述检测模块的检测信号，并依据所述检测信号对电磁悬浮模块进行控制。该结构通过电磁控制模块的逻辑计算，实现主动减振功功能，最终确保车体不发生垂向振动。

优选的是，还包括辅助弹簧，所述辅助弹簧包括第一橡胶堆，所述第一橡胶堆设置在所述气腔内，与所述盖板可拆卸固定连接。气囊无气的应急状态下，第一橡胶堆用于单独承受载荷，提供减振效果。

优选的是，所述辅助弹簧还包括第二橡胶堆，所述支撑件上设置有第一安装件，所述底座与所述第一安装件之间形成第二容纳腔，所述第二橡胶堆设置在所述第二容纳腔内。用于第二橡胶堆在正常运行状态时用于承载垂向载荷，通过电磁控制模块控制电磁悬浮模块的电磁力，使第二橡胶堆在整个工作状态的载荷变化较小，因此第二橡胶堆具有高寿命、低故障率的特点。

优选的是，所述检测模块还包括第二载荷传感器和第二高度传感器，所述第一安装件设置在所述底座的上方，且第一安装件与所述盖板连接；所述第二载荷传感器设置在所述底座上，与所述第二橡胶堆接触；所述第二高度传感器用于测量所述盖板所述底座上部的高度差。第一橡胶堆与第二橡胶堆配合，在气囊失气且电磁力不足的情况下串联工作，减振吸能优于常规空气弹簧。

优选的是，所述辅助弹簧进一步包括第三橡胶堆，所述支撑件上设置有第二安装件，所述第二安装件设置在底座的下方，与所述底座形成第三容纳腔，所述第三橡胶堆设置在第三容纳腔内。第一橡胶堆与第三橡胶堆配合，在气囊无气且电磁力过大的应急状态下进行垂向载荷的承载，进一步提高减振性能。

优选的是，所述检测模块还包括第二载荷传感器，所述第一安装件设置在所述底座的下方，所述第二载荷传感器设置在所述第一安装件上，与所述第二橡胶堆接触；所述第二高度传感器用于测量所述盖板与所述底座底部的高度差。

优选的是，所述辅助弹簧进一步包括第三橡胶堆，所述第三橡胶堆间隔设置在所述支撑件的下方；所述第三橡胶堆通过安装座与转向架连接。

优选的是，所述第一橡胶堆上方连接有支承座，所述支承座上方设置有摩擦件，摩擦件的设置提高了第一橡胶堆的耐磨性能。

本发明还提供了一种轨道车辆，包括上述任意一项的电磁悬浮式空气弹簧。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1、本发明提供的电磁悬浮式空气弹簧，具有主动减振功能，通过电磁控制模块的逻辑计算，可以实现垂向主动减振功能，最终控制车体不发生垂向振动。

2、本发明提供的电磁悬浮式空气弹簧，其具有常规空气弹簧的所有性能，并且优于常规空气弹簧；水平方向在电磁力和气囊、第二橡胶堆的共同作用下，传递水平、扭转载荷，承担水平、扭转位移，且第一高度传感器可代替现有技术中的高度阀，用于控制气囊的充排气。

3、本发明提供的电磁悬浮式空气弹簧，具有失效模式下的安全设计功能，可在空气弹簧失效或者电磁控制模块同时失效的情况下通过第一橡胶堆和第三橡胶堆或者第一橡胶堆和第二橡胶堆串联承受载荷，其刚度小，减振效果更好。

4、本发明提供的电磁悬浮式空气弹簧，其辅助弹簧的可靠性高，正常状态下只有第二橡胶堆工作，且与电磁力共同作用，其载荷变化较小；第一橡胶堆和第三橡胶堆在失效状态下承受载荷，正常状态下部承受任何载荷；辅助弹簧具有高寿命、低故障率的特点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一优选实施例中空气弹簧的结构示意图；

图2为本发明又一优选实施例中空气弹簧的结构示意图；

图3为本发明另一优选实施例中空气弹簧的结构示意图。

其中，上述各图中：1、上盖；21、盖板；22、支撑件；221、第一容纳腔；222、凹槽；3、气囊；4、底座；41、支撑部；411、第一安装件；412、第二安装件；51、第一线圈；52、第二线圈；61、第一载荷传感器；62、第一高度传感器；63、第二载荷传感器；64、第二高度传感器；71、第一橡胶堆；72、第二橡胶堆；73、第三橡胶堆；74、安装座；8、摩擦件；9、支承座。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1所示，在本发明提供的一种电磁悬浮式空气弹簧的一个示意性的实施例1中，该空气弹簧包括：

上盖1；

下盖，下盖包括：

盖板21，盖板21与所述上盖1间隔相对设置；

支撑件22，支撑件22连接在盖板21的下方，且支撑件22内部中空与盖板21形成第一容纳腔221；

气囊3，其设置在盖板21与上盖1之间，气囊3与盖板21、上盖1形成气腔；

底座4，底座4套设在支撑件22外部，且底座4连接至车体转向架上；

电磁悬浮模块，其包括通电的第一线圈51和第二线圈52，第一线圈51设置在第一容纳腔221内；第二线圈52套设在底座4外侧；通电后的第一线圈51和第二线圈52产生磁场形成电磁力；

检测模块，其包括：

第一载荷传感器61，其设置在上盖1上，用于检测空气弹簧的承受的垂向载荷Fz1；第一高度传感器62，用于检测盖板21与底座4底部之间的高度差H1；

电磁控制模块，其分别与所述电磁悬浮模块和所述检测模块电性连接，且所述电磁控制模块被配置为接收所述检测模块的检测信号，并依据所述检测信号对电磁悬浮模块进行控制。

具体的，参考图1，第一容纳腔221内壁上沿圆周方向设置有凹槽222，第一线圈51放置在凹槽222内。底座4底部设置有支撑部41，第二线圈52套设在底座4的外侧，支撑部41可以对第二线圈52进行限位。本实施例中，空气弹簧承受的垂向载荷完全由通电后的第一线圈51和第二线圈52产生磁场形成的电磁力或气囊3承受，由于电磁力与气囊3为串联关系，所以电磁力与气囊3承受的垂向载荷相同。车体静止时，第一载荷传感器61检测到的垂向载荷为车体的所有自重；当车体运行过程中，第一载荷传感器61检测到的载荷为车体的所有自重以及车体振动时产生的动载荷。具体地来说，当转向架发生上下振动时，会导致底座4位置发生变化时，进而导致高度差H1发生变化，从而导致第一线圈51所处位置的磁场强度发生改变，第一线圈51所受的磁场力发生变化会引起空气弹簧的垂向振动，此时第一载荷传感器61检测的载荷体的所有自重以及车体振动时产生的动载荷。为了消除第一线圈51所受的载荷变化，本实施例中，电磁控制模块通过接收第一载荷传感器61测得的载荷Fz1并进行计算，得到产生的动载荷，对电磁悬浮模块进行控制，通过调整第二线圈52的电流大小(需要时可调整电流方向)，从而改变第一线圈51所在位置磁场强度；或者通过调整第一线圈51的电流大小，从而改变第一线圈51所承受的电磁力；进而使磁场的电磁力增加或者减少，使电磁力的增加量或者减少量与动载荷相抵消，最终使得第一线圈51的位置不变，则空气弹簧不会发生垂向振动，从而使车体垂向不发生振动。同时，由于空气弹簧上部充气气囊3同时具有减振和阻尼效果，在检测模块数据获取、传输，以及电磁控制模块在逻辑计算、指令发出的瞬时内，不会引起车体的瞬时振动。作为优选的，本实施例可以通过设置辅助弹簧进行失效模式下的安全设计。

进一步的，作为另一优选实施方式，参考图2，空气弹簧还包括辅助弹簧，辅助弹簧包括第一橡胶堆71，第一橡胶堆71设置在气囊3与盖板21、上盖1形成的气腔内，第一橡胶堆71与盖板21可拆卸固定连接；第一橡胶堆71上方连接有支承座9，支承座9上方设置有摩擦件8。具体的，继续参考图2，第一橡胶堆71通过螺栓固定安装在盖板21上。在气囊3无气的应急状态下，第一橡胶堆71单独承受载荷，提供一定的减振作用，摩擦件8的设置提高了第一橡胶堆71的耐磨性能，并保证在气囊无气状态时，空气弹簧能够发生水平滑动。

继续参考图2，辅助弹簧还包括第二橡胶堆72，支撑件22上设置有第一安装件411，底座4与第一安装件411之间形成第二容纳腔，第二橡胶堆72设置在第二容纳腔内。优选地，第一安装件411设置在底座4的上方，且第一安装件411与盖板21连接，第二橡胶堆72置于第二容纳腔内，分别与第一安装件411和底座4接触；所述检测模块还包括第二载荷传感器63和第二高度传感器64，所述第一安装件411设置在所述底座4的上方，且第一安装件411与所述盖板21连接；所述第二载荷传感器63设置在所述底座4上，与所述第二橡胶堆72接触；所述第二高度传感器64用于测量所述盖板21与所述底座4上部的高度差。进一步的，辅助弹簧还包括第三橡胶堆73，支撑件22上设置有第二安装件412，第二安装件412设置在底座4的下方，第二安装件412与底座4形成第三容纳腔，第三橡胶堆73设置在第三容纳腔内。

具体的，参考图2，本实施例中，通过设置有辅助弹簧，包括第一橡胶堆71、第二橡胶堆72和第三橡胶堆73，用于失效模式下的安全设计。第二橡胶堆72通过第一安装件411与盖板21连接，因而在正常运行状态下，由电磁悬浮模块提供的电磁力、气囊3和第二橡胶堆72共同承受载荷。检测模块还包括第二载荷传感器63和第二高度传感器64，第二载荷传感器63位于底座4上，且与第二橡胶堆72接触，该位置处的第二载荷传感器63检测的载荷Fz2为车厢的所有自重以及振动时产生的动载荷。第二高度传感器64检测的为所述盖板21与所述底座4上部的高度差H2。当转向架上下振动导致底座4位置发生变化时，高度差H2将发生变化，从而导致第一线圈51所处位置的磁场强度将发生改变，由于第一线圈51所受的电磁力发生变化，将会引起空气弹簧的垂向振动。同样的，电磁控制模块通过接收第二载荷传感器63测得的载荷Fz2并进行计算，得到产生的动载荷，对电磁悬浮模块进行控制，通过调整第二线圈52的电流大小，(需要时可调整电流方向)，从而改变第一线圈51所在位置磁场强度；或者通过调整第一线圈51的电流大小，从而改变第一线圈51所承受的电磁力，进而抵消掉产生的动载荷，使车体不发生垂向振动。

上述实施例中，当空气弹簧失气且电磁控制模块同时失效的极限失效状态即电磁力不足下，由第一橡胶堆71和第二橡胶堆72第二承受载荷，此时与常规的空气弹簧工作模式相同；车辆需要在限速状态下行驶时，由于是第一橡胶堆71和第二橡胶堆72串联工作，刚度小于常规橡胶堆的刚度，减振性能优于常规橡胶堆；第三橡胶堆73对垂向向上位移具有限位功能，当电磁控制模块故障模式下即电磁力过大时，可以限制空气弹簧不会发生过大的垂向位移，具有向上的垂向止挡功能；当气囊3无气且电磁控制模块失效状态下，第一橡胶堆71和第三橡胶堆73同时承受载荷；具备失效模式下的安全设计，提高了车辆运行可靠性。且正常运用状态下，第一橡胶堆71和橡胶堆第三不承受任何载荷，仅在应急状态下承受载荷，因此整个寿命期的大多数时期内，第一橡胶堆71和橡胶堆不承受任何载荷，大大提高了其可靠性，降低了其设计和制造难度。同时，对于正常运行状态下的第二橡胶堆72，可以通过电磁控制模块控制磁场的电磁力，进而控制第二橡胶堆72在工作状态下的所承受的垂向载荷，可以使其在整个工作状态下具有的小的载荷变化，大大提高了第二橡胶堆72的使用寿命，降低了故障率。

进一步的，所述空气弹簧可用第一高度传感器62代替现有的高度阀，用于控制空气弹簧气囊3的充排气。具体的，电磁控制模块通过保证第一载荷传感器61检测的垂向载荷不变的情况下，通过第一高度传感器62测量的高度差H1对空气弹簧进行充排气。当检测到高度差H1变小时，需要对空气弹簧的气囊3进行充气。该功能尤其适应于车辆调试环节。由于不同车辆的重量不同以及相同车辆不同位置的重量不同，会导致车辆底板面无法在同一水平面，目前采用调整垫的方式进行调平，调整效果不佳。利用第一高度传感器62测量的高度差H1以及电磁控制模块的控制，在垂向载荷不变的情况下，对空气弹簧进行充排气，能够精准调整空气弹簧高度，从而精准调整车辆的四角高。

进一步的，作为优选地，同时可以增加其他类型的传感器，并通过信号采集、数据处理、逻辑判断等功能，实现空气弹簧的智能化控制，采集的数据还可以作为产品运用工况的数据积累，用于产品故障分析，并实现故障预警等功能。

进一步的，作为另一优选实施例中，参考图3，其检测模块还包括第二载荷传感器63和第二高度传感器64，第一安装件411设置在底座4的下方，第二载荷传感器63设置在第一安装件411上，与第二橡胶堆72接触；第二高度传感器64用于测量盖板21与底座4底部的高度差。辅助弹簧进一步包括第三橡胶堆73，第三橡胶堆73间隔设置在支撑件22的下方；第三橡胶堆73通过安装座74与转向架连接。该实施例同样具备上述实施例的所有功能。

本实施例与上个实施例的不同之处在于：第二橡胶堆72与下盖2的连接位置不同，第三橡胶堆73与底座为非连接结构以及第二高度传感器64的安装位置不同。具体的，以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制。

综上，本发明提供的电磁悬浮式空气弹簧，可通过电磁控制模块的智能化逻辑控制，实现主动减振功能。在车辆在直线轨道和过曲线时，可以根据需要快速调整空气弹簧的高度，从而满足车辆动力学的性能要求，例如过曲线时，将转向架两侧的空气弹簧调整至不同高度，使车体倾斜，提供向心力，从而使车辆可以快速通过曲线。同时该空气弹簧具有失效模式下的安全设计功能，以及改进车辆的安装调试和高度控制的优点，且其使用的辅助弹簧具有高可靠性，能保证整个寿命期内性能基本不变，具备低故障率极低的特性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种电磁悬浮式空气弹簧，其特征在于，包括：

上盖；

下盖，其包括盖板和支撑件，所述盖板与所述上盖间隔相对设置，所述支撑件连接在所述盖板的下方，且所述支撑件内部中空与所述盖板形成第一容纳腔；

气囊，其设置在所述盖板与所述上盖之间，形成气腔；

底座，其套设在所述支撑件外部；

电磁悬浮模块，其包括通电的第一线圈和第二线圈，所述第一线圈设置在所述第一容纳腔内，所述第二线圈套设在所述底座外侧；

检测模块，其包括第一载荷传感器和第一高度传感器，所述第一载荷传感器设置在所述上盖上，用于检测空气弹簧承受的垂向载荷；所述第一高度传感器用于检测所述上盖与底座底部之间的高度差；

电磁控制模块，其分别与所述电磁悬浮模块和所述检测模块电性连接，且所述电磁控制模块被配置为接收所述检测模块的检测信号，并依据所述检测信号对电磁悬浮模块进行控制。

2.如权利要求1所述的电磁悬浮式空气弹簧，其特征在于，还包括辅助弹簧，所述辅助弹簧包括第一橡胶堆，所述第一橡胶堆设置在所述气腔内，与所述盖板可拆卸固定连接。

3.如权利要求2所述的电磁悬浮式空气弹簧，其特征在于，所述辅助弹簧还包括第二橡胶堆，所述支撑件上设置有第一安装件，所述底座与所述第一安装件之间形成第二容纳腔，所述第二橡胶堆设置在所述第二容纳腔内。

4.如权利要求3所述的电磁悬浮式空气弹簧，其特征在于，所述检测模块还包括第二载荷传感器和第二高度传感器，所述第一安装件设置在所述底座的上方，且第一安装件与所述盖板连接；所述第二载荷传感器设置在所述底座上，与所述第二橡胶堆接触；所述第二高度传感器用于测量所述盖板与所述底座上部的高度差。

5.如权利要求4所述的电磁悬浮式空气弹簧，其特征在于，所述辅助弹簧进一步包括第三橡胶堆，所述支撑件上设置有第二安装件，所述第二安装件设置在底座的下方，与所述底座形成第三容纳腔，所述第三橡胶堆设置在第三容纳腔内。

6.如权利要求3所述的电磁悬浮式空气弹簧，其特征在于，所述检测模块还包括第二载荷传感器和第二高度传感器，所述第一安装件设置在所述底座的下方，所述第二载荷传感器设置在所述第一安装件上，与所述第二橡胶堆接触；所述第二高度传感器用于测量所述盖板与所述底座底部的高度差。

7.如权利要求6所述的电磁悬浮式空气弹簧，其特征在于，所述辅助弹簧进一步包括第三橡胶堆，所述第三橡胶堆间隔设置在所述支撑件的下方；所述第三橡胶堆通过安装座与转向架连接。

8.如权利要求2所述的电磁悬浮式空气弹簧，其特征在于，所述第一橡胶堆上方连接有支承座，所述支承座上方设置有摩擦件。

9.一种轨道车辆，其特征在于，包括权利要求1~8中任意一项所述的电磁悬浮式空气弹簧。

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