CN113883204A - 一种刚度可变的活塞式空气弹簧减震系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种刚度可变的活塞式空气弹簧减震系统，包括空气弹簧、润滑油路、辅助气路、电控系统。空气弹簧包括气缸、润滑油缸、油缸一、油缸二。空气弹簧工作时气缸、润滑油缸、油缸一、油缸二的容积同时变化。本空气弹簧的弹性介质为压缩空气，利用气缸内气压的变化实现空气弹簧弹力的变化。根据波义耳定律，若气缸内温度和空气的量不变，气缸容积的变化能够引起气缸内气压的变化。若气缸内空气量变化，会引起气缸容积的变化并改变空气弹簧高度和刚度。润滑油缸用来对活塞一进行润滑并且排出气缸泄露的空气。油缸一、油缸二中的油液通过活塞二上的小孔循环流动实现减震的效果。润滑油路、辅助气路、电控系统用来辅助空气弹簧工作。

Description

一种刚度可变的活塞式空气弹簧减震系统
技术领域
本发明涉及一种刚度可变的活塞式空气弹簧减震系统，属于空气弹簧技术领域，具体为车用空气弹簧减震系统。
背景技术
现有的车辆空气悬挂系统，很难实现舒适性、车辆底盘高度与支撑性的平衡。目前空气悬挂一般都能实现底盘高度和弹簧刚度的调节，由于目前车辆空气悬挂大多采用橡胶材料作为高压气包，其特性为充气后其气压升高，底盘高度升高，弹簧刚度增大；放气后其气压降低，底盘高度降低，弹簧刚度减小。在车辆底盘高度较低时其弹簧刚度一般较小，不能提供较好的支撑性，在底盘高度较高时其刚度较大，不能提供较好的舒适性。车辆在底盘高度较低时一般需要较好的支撑性，车辆底盘高度较高时一般需要较好的舒适性，目前的悬挂不能很好的满足此使用要求。而且橡胶材料作的高压气包其使用寿命较短，一旦发生泄露空气弹簧就不能正常工作。
发明内容
本发明提出一种刚度可变的活塞式空气弹簧减震系统，能够克服上述问题，它可以根据不同的行驶工况来调整空气弹簧的使用状态，使车辆能够实现舒适性、支撑性与车辆底盘高度的平衡，在车身高度较低时能够提供足够的支撑性，在车身高度较高时提供较好的舒适性，并且本空气弹簧减震系统寿命长，能够适应恶劣的工况。
本发明解决上述问题采取的技术方案是：一种刚度可变的活塞式空气弹簧减震系统，包括空气弹簧、润滑油路、辅助气路、电控系统，电控系统用来控制辅助气路对空气弹簧进行充放气从而控制空气弹簧的高度与刚度。润滑油路用来给空气弹簧的气缸提供润滑条件，其中空气弹簧包括缸体一、缸体二、下盖、活塞一、活塞二、活塞杆、顶柱、活塞杆螺母、橡胶缓冲块一、橡胶缓冲块二，所述的活塞杆有细端和粗端，粗端上端为上端面，细端到粗端的过度面为台阶面，活塞一固定连接在活塞杆的上端面处，活塞二套在活塞杆细端上，活塞二的上端与台阶面接触，顶柱套在活塞杆细端上，顶柱上端与活塞二下端接触，活塞杆螺母与活塞杆螺纹连接，活塞杆螺母上端与顶柱下端接触，活塞杆螺母将活塞二和顶柱紧固在活塞杆上，在空气弹簧的压缩或拉伸幅度过大时，为了防止活塞撞击缸体设置有橡胶缓冲块一和橡胶缓冲块二，橡胶缓冲块一固定连接在缸体二上端，橡胶缓冲块二固定连接在缸体二下端，在空气弹簧的压缩或拉伸幅度过大时活塞二会撞击橡胶缓冲块起到缓冲作用，活塞一在活塞二的限位下不会撞击到缸体，所述缸体一上设有进气孔一和出气孔一，所述活塞杆上设有排油口一，所述缸体二上设有进油口一，所述活塞二上设有单向阀一和油孔，所述活塞一与缸体一滑动密封连接，活塞二与缸体二滑动密封连接，缸体一与缸体二通过螺栓固定密封连接，缸体二与下盖通过螺栓固定密封连接，活塞杆与缸体二上端滑动密封连接，活塞二与活塞杆固定密封连接，顶柱与活塞杆固定密封连接，顶柱与下盖滑动密封连接。
进一步地，所述活塞一上端与缸体一构成气缸，活塞一下端与缸体一、缸体二上端构成润滑油缸，活塞二上端与缸体二构成油缸一，活塞二下端与缸体二、下盖上端构成油缸二，缸体一的进气孔一和出气孔一均与气缸连通，缸体二的进油口一和活塞杆的排油口一均与润滑油缸连通，在润滑油缸容积增大时进油口一能够向润滑油缸输入润滑油，在润滑油缸容积减小时排油口一能够排出润滑油缸的润滑油，所述活塞二上的单向阀一将油缸一单向连通至油缸二，油缸一的油液可以通过单向阀一流入油缸二，油缸二的油液不可以通过单向阀一流入油缸一，油孔将油缸一和油缸二双向连通，油缸一和油缸二的油液可以通过油孔相互流通。
进一步地，所述润滑油路包括润滑油罐、油管一、油管二、油管三、油管四、单向阀二、单向阀三，所述单向阀二、单向阀三均设有进口和出口，油液可以由单向阀二或单向阀三的进口单向流通至出口，油管一将缸体二的进油口一和单向阀二的出口连通，油管二将单向阀二的进口和润滑油罐的排油口二连通，油管三将润滑油罐的进油口二和单向阀三的出口连通，油管四将单向阀三的进口和活塞杆的排油口一连通，由于单向阀二和单向阀三的作用，则油液可以由排油口一经过单向阀三、进油口二单向流入润滑油罐，也可以由润滑油罐经过排油口二、单向阀二单向流入进油口一。
进一步地，所述润滑油罐包括罐体、阻流板一、阻流板二、阻流板三、隔板、空气滤芯、上盖板，罐体上设有排油口二、进油口二，所述阻流板一、阻流板二、阻流板三、隔板均与罐体固定连接，阻流板一、阻流板二和阻流板三上开有孔且孔错位分布，油液经过进油口二流入润滑油罐时油液会在润滑油罐内产生晃动，经过阻流板一、阻流板二和阻流板三的阻挡油液不会溢出润滑油罐，所述上盖板与罐体通过螺栓固定连接，隔板与上盖板之间的安装有空气滤芯，在润滑油罐工作过程中,润滑油罐内油液的容积不断变化，且润滑油罐接收气缸泄露的空气，为了保持润滑油罐内气压恒定，润滑油罐与大气连通，空气滤芯能够保证在润滑油罐与大气进行气体交换时不对油液造成污染。
进一步地，所述辅助气路包括四通、单向阀四、压缩机、高压气罐、辅助气罐一、辅助气罐二、电磁阀一、电磁阀二、电磁阀三、电磁阀四，所述压缩机设有出气口，单向阀四设有进口和出口，空气可以通过单向阀四的进口单向流通至出口，电磁阀一、电磁阀二、电磁阀三、电磁阀四均设有接口一与接口二，电磁阀一、电磁阀二、电磁阀三、电磁阀四均有打开和关闭两种状态，处于打开状态时接口一和接口二双向连通，处于关闭状态时接口一和接口二不连通，四通设有接口一、接口二、接口三、接口四，四通的四个接口相互连通，高压气罐设有进气口与出气口，辅助气罐一、辅助气罐二均设有一个接口。
进一步地，所述辅助气路还包括气管一、气管二、气管三、气管四、气管五、气管六、气管七、气管八、气管九、气管十，气管一将压缩机的出气口与单向阀四的进口连通，气管二将单向阀四的出口与高压气罐的进气口连通，气管三将高压气罐的出气口与电磁阀三的接口一连通，气管四将电磁阀三的接口二与四通的接口一连通，气管五将电磁阀二的接口一与四通的接口二连通，气管六将电磁阀二的接口二与辅助气罐二的接口连通，气管七将四通的接口三与电磁阀一的接口一连通，气管八将电磁阀一的接口二与辅助气罐一的接口连通，气管九将四通的接口四与空气弹簧的进气孔一连通，气管十将空气弹簧的出气孔一与电磁阀四的接口一连通，电磁阀四的接口二不连接管路,电磁阀三打开时高压气罐的压缩空气能够流通至气缸，电磁阀二打开时气缸与辅助气罐二连通，电磁阀一打开时气缸与辅助气罐一连通，电磁阀四打开时气缸中的空气排出气缸。
进一步地，所述电控系统包括控制器、电磁阀一、电磁阀二、电磁阀三、电磁阀四、压缩机、控制面板、摄像头、气压传感器一、气压传感器二、气压传感器三、气压传感器四、车速传感器、活塞位置传感器、方向盘转角传感器，活塞位置传感器安装在缸体一上端，活塞位置传感器能够感知活塞一的位置，所述气压传感器一安装在缸体一上端，气压传感器一能够感知气缸的气压，所述气压传感器二安装在辅助气罐一上端，气压传感器二能够感知辅助气罐一的气压，所述气压传感器三安装在辅助气罐二上端，气压传感器三能够感知辅助气罐二的气压，所述气压传感器四安装在高压气罐上端，气压传感器四能够感知高压气罐的气压。所述车速传感器安装于车辆的车轮中，车速传感器能够感知车辆的速度，所述方向盘转角传感器安装在车辆的转向柱中，方向盘转角传感器能够感知方向盘的转角，所述的控制器安装在车辆的驾驶室内，所述电磁阀一、电磁阀二、电磁阀三、电磁阀四、压缩机、控制面板、摄像头、气压传感器一、气压传感器二、气压传感器三、气压传感器四、车速传感器、活塞位置传感器、方向盘转角传感器分别通过线束与控制器连通并且可以与控制器进行通讯。
进一步地，所述控制面板设有模式一按钮、模式一指示灯、模式二按钮、模式二指示灯、模式三按钮、模式三指示灯、模式四按钮、模式四指示灯、设置按钮、升高/变软按钮、降低/变硬按钮、工作指示灯、故障指示灯、处理器，所述模式一按钮、模式一指示灯、模式二按钮、模式二指示灯、模式三按钮、模式三指示灯、模式四按钮、模式四指示灯、设置按钮、升高/变软按钮、降低/变硬按钮、工作指示灯、故障指示灯均分别通过线束与处理器连通且能与处理器通讯。电控系统正常工作时工作指示灯亮,故障指示灯不亮，若不能正常工作则工作指示灯不亮，故障指示灯亮。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明的气缸是空气弹簧的弹力结构，以气缸中的压缩空气为弹性介质。气缸中气压不变时，气缸的容积发生改变能够改变空气弹簧的刚度与高度。在空气弹簧静载状态下通过对气缸充气或放气能够改变气缸的容积且不改变气缸中的气压。则本弹簧能够实现在静载状态下，将空气弹簧高度升高时刚度变小，将空气弹簧高度降低时刚度变大。
(2)本发明的气缸是空气弹簧的弹力结构，气缸中的压缩空气为弹性介质。气缸的容积不变时，气缸中气压发生改变能够改变空气弹簧的弹力和刚度。在空气弹簧负载改变时通过对气缸充气或放气使空气弹簧高度保持不变。则本空气弹簧能够实现在负载改变但不承受冲击载荷时如果将弹簧保持在固定高度，弹簧刚度和弹力随负载的增大而增大，随负载的减小而减小。
(3)本发明的气缸是空气弹簧的弹力结构，气缸中的压缩空气为弹性介质。根据波义尔定律，在定量定温下，理想气体的体积与气体的压强成反比。在温度不变且气缸内气体量不发生改变时，气缸容积越小空气弹簧刚度越大，气缸容积越大空气弹簧的刚度越小。本空气弹簧在车辆底盘高度较高时刚度较小，车辆底盘高度较低时刚度较大，其性能更适合车辆使用。
(4)本发明设置有两个辅助气罐，通过电磁阀控制辅助气罐与气缸的连通状况，从而瞬间改变工作容积，也就能瞬间改变空气弹簧的刚度。在过弯等过程中能够瞬间提高空气弹簧的刚度，提供更好地支撑性，在经过颠簸路段等过程时能瞬间降低空气弹簧的刚度，提高车辆舒适性，使车辆能够实现舒适性与支撑性的结合。
(5)本发明中空气弹簧的气缸为弹力结构，气缸中的压缩空气为弹性介质起到弹簧的作用，油液在油缸一、油缸二中循环流动起到减震器的作用，而气缸、油缸一、油缸二都包含在空气弹簧中。本发明将空气弹簧与减震器整合为一体，使空气弹簧减震系统的体积更小。
(6)本发明采取气缸作为弹性结构，由于没有橡胶结构且气缸的润滑条件良好，所以其使用寿命较长，制造以及使用成本较低。
附图说明
图1为本发明的原理示意图；
图2为本发明的润滑油罐剖面示意图；
图3为本发明的空气弹簧剖面示意图；
图4为本发明的电器元件连接示意图；
图5为本发明的控制面板操作面示意图；
图6为本发明的控制面板内部电器元件连接示意图；
图7为本发明的活塞杆轴测图；
图8为本发明的空气弹簧轴测图；
附图标记说明
1-1空气弹簧、1-2润滑油罐、1-3进油口一、1-4油管一、1-5单向阀二、1-6排油口二、1-7进油口二、1-8油管二、1-9油管三、1-10排油口一、1-11油管四、1-12单向阀三、1-13辅助气罐二、1-14气管六、1-15电磁阀二、1-16气管五、1-17四通、1-18气管四、1-19电磁阀三、1-20气管三、1-21高压气罐、1-22气管二、1-23单向阀四、1-24气管一、1-25压缩机、1-26气管九、1-27进气孔一、1-28出气孔一、1-29气管十、1-30气管七、1-31电磁阀四、1-32电磁阀一、1-33气管八、1-34辅助气罐一、2-1上盖板、2-2空气滤芯、2-3隔板、2-4阻流板三、2-5阻流板二、2-6阻流板一、2-7罐体、3-1活塞位置传感器、3-2气压传感器一、3-3缸体一、3-4活塞一、3-5活塞杆、3-6缸体二、3-7活塞二、3-8单向阀一、3-9油孔、3-10下盖、3-11顶柱、3-12活塞杆螺母、3-13橡胶缓冲块二、3-14油缸二、3-15油缸一、3-16橡胶缓冲块一、3-17润滑油缸、3-18活塞顶面、3-19气缸、3-20气缸顶面、4-1控制器、4-2控制面板、4-3方向盘转角传感器、4-4车速传感器、4-5气压传感器四、4-6气压传感器三、4-7气压传感器二、4-8摄像头、5-1故障指示灯、5-2工作指示灯、5-3设置按钮、5-4升高/变软按钮、5-5降低/变硬按钮、5-6模式四指示灯、5-7模式四按钮、5-8模式三指示灯、5-9模式三按钮、5-10模式二指示灯、5-11模式二按钮、5-12模式一指示灯、5-13模式一按钮、6-1处理器、7-1上端面、7-2粗端、7-3台阶面、7-4细端。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明进行进一步详细的说明。
如图1到8，本发明提出了一种刚度可变的活塞式空气弹簧减震系统，它包括空气弹簧1-1、润滑油路、辅助气路、电控系统，电控系统用来控制辅助气路对空气弹簧1-1进行充放气从而控制空气弹簧1-1的高度与刚度。润滑油路用来给空气弹簧1-1的气缸3-19提供润滑条件，其中空气弹簧1-1包括缸体一3-3、缸体二3-6、下盖3-10、活塞一3-4、活塞二3-7、活塞杆3-5、顶柱3-11、活塞杆螺母3-12、橡胶缓冲块一3-16、橡胶缓冲块二3-13，所述的活塞杆3-5有细端7-4和粗端7-2，粗端7-2上端为上端面7-1，细端7-4到粗端7-2的过度面为台阶面7-3，活塞一3-4固定连接在活塞杆3-5的上端面7-1处，活塞二3-7套在活塞杆3-5细端7-4上，活塞二3-7的上端与台阶面7-3接触，顶柱3-11套在活塞杆3-5细端7-4上，顶柱3-11上端与活塞二3-7下端接触，活塞杆螺母3-12与活塞杆3-5螺纹连接，活塞杆螺母3-12上端与顶柱3-11下端接触，活塞杆螺母3-12将活塞二3-7和顶柱3-11紧固在活塞杆3-5上，在空气弹簧1-1的压缩或拉伸幅度过大时，为了防止活塞撞击缸体设置有橡胶缓冲块一3-16和橡胶缓冲块二3-13，橡胶缓冲块一3-16固定连接在缸体二3-6上端，橡胶缓冲块二3-13固定连接在缸体二3-6下端，在空气弹簧1-1的压缩或拉伸幅度过大时活塞二3-7会撞击橡胶缓冲块起到缓冲作用，活塞一3-4在活塞二3-7的限位下不会撞击到缸体，所述缸体一3-3上设有进气孔一1-27和出气孔一1-28，所述活塞杆3-5上设有排油口一1-10，所述缸体二3-6上设有进油口一1-3，所述活塞二3-7上设有单向阀一3-8和油孔3-9，所述活塞一3-4与缸体一3-3滑动密封连接，活塞二3-7与缸体二3-6滑动密封连接，缸体一3-3与缸体二3-6通过螺栓固定密封连接，缸体二3-6与下盖3-10通过螺栓固定密封连接，活塞杆3-5与缸体二3-6上端滑动密封连接，活塞二3-7与活塞杆3-5固定密封连接，顶柱3-11与活塞杆3-5固定密封连接，顶柱3-11与下盖3-10滑动密封连接。
本实施例的活塞一3-4上端与缸体一3-3构成气缸3-19，活塞一3-4下端与缸体一3-3、缸体二3-6上端构成润滑油缸3-17，活塞二3-7上端与缸体二3-6构成油缸一3-15，活塞二3-7下端与缸体二3-6、下盖3-10上端构成油缸二3-14，缸体一3-3的进气孔一1-27和出气孔一1-28均与气缸3-19连通，缸体二3-6的进油口一1-3和活塞杆3-5的排油口一1-10均与润滑油缸3-17连通，在润滑油缸3-17容积增大时进油口一1-3能够向润滑油缸3-17输入润滑油，在润滑油缸3-17容积减小时排油口一1-10能够排出润滑油缸3-17的润滑油，所述活塞二3-7上的单向阀一3-8将油缸一3-15单向连通至油缸二3-14，油缸一3-15的油液可以通过单向阀一3-8流入油缸二3-14，油缸二3-14的油液不可以通过单向阀一3-8流入油缸一3-15，油孔3-9将油缸一3-15和油缸二3-14双向连通，油缸一3-15和油缸二3-14的油液可以通过油孔3-9相互流通。
本实施例的的润滑油路包括润滑油罐1-2、油管一1-4、油管二1-8、油管三1-9、油管四1-11、单向阀二1-5、单向阀三1-12，所述单向阀二1-5、单向阀三1-12均设有进口和出口，油液可以由单向阀二1-5或单向阀三1-12的进口单向流通至出口，油管一1-4将缸体二3-6的进油口一1-3和单向阀二1-5的出口连通，油管二1-8将单向阀二1-5的进口和润滑油罐1-2的排油口二1-6连通，油管三1-9将润滑油罐1-2的进油口二1-7和单向阀三1-12的出口连通，油管四1-11将单向阀三1-12的进口和活塞杆3-5的排油口一1-10连通，由于单向阀二1-5和单向阀三1-12的作用，则油液可以由排油口一1-10经过单向阀三1-12、进油口二1-7单向流入润滑油罐1-2，也可以由润滑油罐1-2经过排油口二1-6、单向阀二1-5单向流入进油口一1-3。
本实施例的润滑油罐1-2包括罐体2-7、阻流板一2-6、阻流板二2-5、阻流板三2-4、隔板2-3、空气滤芯2-2、上盖板2-1，罐体2-7上设有排油口二1-6、进油口二1-7，所述阻流板一2-6、阻流板二2-5、阻流板三2-4、隔板2-3均与罐体2-7固定连接，阻流板一2-6、阻流板二2-5和阻流板三2-4上开有孔且孔错位分布，油液经过进油口二1-7流入润滑油罐1-2时油液会在润滑油罐1-2内产生晃动，经过阻流板一2-6、阻流板二2-5和阻流板三2-4的阻挡油液不会溢出润滑油罐1-2，所述上盖板2-1与罐体2-7通过螺栓固定连接，隔板2-3与上盖板2-1之间的安装有空气滤芯2-2，在润滑油罐1-2工作过程中,润滑油罐1-2内油液的容积不断变化，且润滑油罐1-2接收气缸3-19泄露的空气，为了保持润滑油罐1-2内气压恒定，润滑油罐1-2与大气连通，空气滤芯2-2能够保证在润滑油罐1-2与大气进行气体交换时不对油液造成污染。
本实施例的辅助气路包括四通1-17、单向阀四1-23、压缩机1-25、高压气罐1-21、辅助气罐一1-34、辅助气罐二1-13、电磁阀一1-32、电磁阀二1-15、电磁阀三1-19、电磁阀四1-31，所述压缩机1-25设有出气口，单向阀四1-23设有进口和出口，空气可以通过单向阀四1-23的进口单向流通至出口，电磁阀一1-32、电磁阀二1-15、电磁阀三1-19、电磁阀四1-31均设有接口一与接口二，电磁阀一1-32、电磁阀二1-15、电磁阀三1-19、电磁阀四1-31均有打开和关闭两种状态，处于打开状态时接口一和接口二双向连通，处于关闭状态时接口一和接口二不连通，四通1-17设有接口一、接口二、接口三、接口四，四通1-17的四个接口相互连通，高压气罐1-21设有进气口与出气口，辅助气罐一1-34、辅助气罐二1-13均设有一个接口。
本实施例的辅助气路还包括气管一1-24、气管二1-22、气管三1-20、气管四1-18、气管五1-16、气管六1-14、气管七1-30、气管八1-33、气管九1-26、气管十1-29，气管一1-24将压缩机1-25的出气口与单向阀四1-23的进口连通，气管二1-22将单向阀四1-23的出口与高压气罐1-21的进气口连通，气管三1-20将高压气罐1-21的出气口与电磁阀三1-19的接口一连通，气管四1-18将电磁阀三1-19的接口二与四通1-17的接口一连通，气管五1-16将电磁阀二1-15的接口一与四通1-17的接口二连通，气管六1-14将电磁阀二1-15的接口二与辅助气罐二1-13的接口连通，气管七1-30将四通1-17的接口三与电磁阀一1-32的接口一连通，气管八1-33将电磁阀一1-32的接口二与辅助气罐一1-34的接口连通，气管九1-26将四通1-17的接口四与空气弹簧1-1的进气孔一1-27连通，气管十1-29将空气弹簧1-1的出气孔一1-28与电磁阀四1-31的接口一连通，电磁阀四1-31的接口2不连接管路,电磁阀三1-19打开时高压气罐1-21的压缩空气能够流通至气缸3-19，电磁阀二1-15打开时气缸3-19与辅助气罐二1-13连通，电磁阀一1-32打开时气缸3-19与辅助气罐一1-34连通，电磁阀四1-31打开时气缸3-19中的空气排出气缸3-19。
本实施例的电控系统包括控制器4-1、电磁阀一1-32、电磁阀二1-15、电磁阀三1-19、电磁阀四1-31、压缩机1-25、控制面板4-2、摄像头4-8、气压传感器一3-2、气压传感器二4-7、气压传感器三4-6、气压传感器四4-5、车速传感器4-4、活塞位置传感器3-1、方向盘转角传感器4-3，活塞位置传感器3-1安装在缸体一3-3上端，活塞位置传感器3-1能够感知活塞一3-4的位置，所述气压传感器一3-2安装在缸体一3-3上端，气压传感器一3-2能够感知气缸3-19的气压，所述气压传感器二4-7安装在辅助气罐一1-34上端，气压传感器二4-7能够感知辅助气罐一1-34的气压，所述气压传感器三4-6安装在辅助气罐二1-13上端，气压传感器三4-6能够感知辅助气罐二1-13的气压，所述气压传感器四4-5安装在高压气罐1-21上端，气压传感器四4-5能够感知高压气罐1-21的气压。所述车速传感器4-4安装于车辆的车轮中，车速传感器4-4能够感知车辆的速度，所述方向盘转角传感器4-3安装在车辆的转向柱中，方向盘转角传感器4-3能够感知方向盘的转角，所述的控制器4-1安装在车辆的驾驶室内。所述电磁阀一1-32、电磁阀二1-15、电磁阀三1-19、电磁阀四1-31、压缩机1-25、控制面板4-2、摄像头4-8、气压传感器一3-2、气压传感器二4-7、气压传感器三4-6、气压传感器四4-5、车速传感器4-4、活塞位置传感器3-1、方向盘转角传感器4-3分别通过线束与控制器4-1连通并且可以与控制器4-1进行通讯。
本实施例的控制面板4-2设有模式一按钮5-13、模式一指示灯5-12、模式二按钮5-11、模式二指示灯5-10、模式三按钮5-9、模式三指示灯5-8、模式四按钮5-7、模式四指示灯5-6、设置按钮5-3、升高/变软按钮5-4、降低/变硬按钮5-5、工作指示灯5-2、故障指示灯5-1、处理器6-1，所述模式一按钮5-13、模式一指示灯5-12、模式二按钮5-11、模式二指示灯5-10、模式三按钮5-9、模式三指示灯5-8、模式四按钮5-7、模式四指示灯5-6、设置按钮5-3、升高/变软按钮5-4、降低/变硬按钮5-5、工作指示灯5-2、故障指示灯5-1均通过线束与处理器6-1连通且能与处理器6-1通讯。电控系统正常工作时工作指示灯5-2亮,故障指示灯5-1不亮，若不能正常工作则工作指示灯5-2不亮，故障指示灯5-1亮。
本实施例的工作原理如下：
在本实施例中，空气弹簧1-1能够实现高度和刚度的调节。本空气弹簧1-1运用在汽车悬挂系统中对车辆起到支撑作用，空气弹簧1-1的高度影响着车辆底盘的高度，空气弹簧1-1高度升高则车辆底盘高度升高，空气弹簧1-1高度降低则车辆底盘高度降低。空气弹簧1-1的刚度影响车辆的舒适性与对车辆的支撑性，空气弹簧1-1的刚度较小时车辆舒适性较好但是对车辆的支撑性较差，空气弹簧1-1的刚度较大时车辆舒适性较差但对车辆的支撑性较好。
本系统包括空气弹簧1-1、润滑油路、辅助气路和电控系统四部分。电控系统用来控制辅助气路对空气弹簧1-1进行充放气从而控制空气弹簧1-1的高度与刚度。润滑油路用来给空气弹簧1-1的气缸3-19提供润滑条件。空气弹簧1-1是本系统的核心工作元件，空气弹簧1-1有弹力结构和减震结构。在不考虑辅助气罐的情况下，空气弹簧1-1的弹力结构为气缸3-19，工作容积为气缸3-19的容积，弹性介质为气缸3-19中的压缩空气。气缸3-19内压缩空气对活塞一3-4产生压力，推动活塞杆3-5产生弹力。活塞一3-4的受力面积是固定的，气缸3-19内空气压强的大小决定活塞一3-4所受到压力的大小。空气弹簧1-1有静载状态和动载状态，静载状态指空气弹簧1-1负载不改变且空气弹簧1-1也不承受冲击载荷的工况，动载状态指空气弹簧1-1负载不改变且空气弹簧1-1承受冲击载荷的工况。
空气弹簧1-1受到动载时活塞一3-4相对缸体一3-3上下移动，气缸3-19的容积随着活塞一3-4的运动变化。活塞一3-4上移时气缸3-19容积变小空气弹簧1-1高度降低，活塞一3-4下移时气缸3-19容积变大空气弹簧1-1高度升高。根据波义耳定律，在定量定温下，理想气体的体积与气体的压强成反比。则在气缸3-19内空气量和温度不变的情况下，气缸3-19容积越小则气缸3-19内压强越大，则空气弹簧1-1弹力越大。而且当气缸3-19容积缩小为
Figure BDA0003316219930000091
时，空气弹簧1-1弹力增大为n倍。在气缸3-19内空气量和温度不变的情况下，气缸3-19容积越大则气缸3-19内压强越小，则空气弹簧1-1弹力越小。而且当气缸3-19容积增加为n倍时，空气弹簧1-1弹力缩小为
Figure BDA0003316219930000092
根据气缸3-19在不同容积时空气弹簧1-1弹力的变化与活塞一3-4上下移动距离的关系计算得到气缸3-19在不同容积时空气弹簧1-1的刚度，本空气弹簧1-1在气缸3-19内空气量和温度不变的情况下，气缸3-19容积越大时空气弹簧1-1刚度越小，气缸3-19容积越小时空气弹簧1-1刚度越大。则空气弹簧1-1的刚度呈现更适合车辆使用的非线性变化。
静载状态下空气弹簧1-1的负载对应着空气弹簧1-1的弹力，若空气弹簧1-1负载不变，则弹力不变，则气缸3-19内的压强不变。在静载状态下，气缸3-19内气体量的改变会改变气缸3-19容积，即气体量增加n倍则气缸3-19的容积增加n倍。在静载状态下，若气缸3-19内气体量增加，则气缸3-19容积增大，气缸3-19容积增大则活塞一3-4位置下移，空气弹簧1-1的高度升高。若静载状态下空气弹簧1-1弹力相同但气缸3-19容积不同，在空气弹簧1-1受到动载时弹力增加n倍，气缸3-19容积被压缩为静载状态下的
Figure BDA0003316219930000093
由于气缸3-19容积不同，将气缸3-19容积压缩为
Figure BDA0003316219930000094
时活塞一3-4的行程就不同，气缸3-19容积较大时活塞一3-4行程较大，此时空气弹簧1-1刚度较小；气缸3-19容积较小时活塞一3-4行程较小，此时空气弹簧1-1刚度较大，则空气弹簧1-1高度较高时刚度较小，空气弹簧1-1高度较低时刚度较大。若静载状态下空气弹簧1-1负载不同，但气缸3-19容积相同，在空气弹簧1-1受到动载时弹力增加n倍，气缸3-19容积被压缩为静载状态下的
Figure BDA0003316219930000101
时活塞一3-4行程相同，静载状态下空气弹簧1-1负载较大时其弹力增加的较多，则空气弹簧1-1刚度较大；静载状态下空气弹簧1-1负载较小时其弹力增加的较少，则空气弹簧1-1刚度较小。在静载状态下，若将空气弹簧1-1位置维持在固定高度，则空气弹簧1-1的刚度随负载的增大而增大随负载的减小而减小，更加符合车辆的使用需求。
本空气弹簧减震系统在考虑辅助气罐的情况下，空气弹簧1-1的弹力结构为气缸3-19和与气缸3-19连通的辅助气罐，工作容积为气缸3-19容积和与气缸3-19连通的辅助气罐容积之和。辅助气路中设有辅助气罐一1-34、辅助气罐二1-13。电磁阀一1-32打开、电磁阀二1-15关闭时辅助气罐一1-34与气缸3-19连通，此时工作容积为气缸3-19容积与辅助气罐一1-34容积之和，电磁阀一1-32关闭、电磁阀二1-15打开时辅助气罐二1-13与气缸3-19连通，此时工作容积为气缸3-19容积与辅助气罐二1-13容积之和。若电磁阀一1-32和电磁阀二1-15同时打开则工作容积为气缸3-19、辅助气罐一1-34、辅助气罐二1-13的容积之和。而工作容积越大则空气弹簧1-1刚度越小，工作容积越小则空气弹簧1-1刚度越大。正常状态辅助气罐一1-34与气缸3-19连通，辅助气罐二1-13不与气缸3-19连通，且辅助气罐二1-13中的气压与气缸3-19在静载状态下的气压相同。在车辆行驶过程中，根据车速传感器4-4和方向盘转角传感器4-3的信号，当车速和方向盘转角大于一定值时认为车辆在急转弯，则将电磁阀一1-32关闭，工作容积仅为气缸3-19容积，空气弹簧1-1刚度瞬间提高增加支撑性。过弯结束后电磁阀一1-32打开，工作容积为气缸3-19容积和辅助气罐一1-34的容积之和，空气弹簧1-1刚度恢复。根据摄像头4-8信号，当识别到车辆即将经过颠簸路段时电磁阀二1-15会打开，工作容积为气缸3-19、辅助气罐一1-34、辅助气罐二1-13的容积之和，空气弹簧1-1刚度瞬间降低增加舒适性，颠簸路段结束后再将电磁阀二1-15关闭，工作容积为气缸3-19容积和辅助气罐一1-34的容积之和，空气弹簧1-1刚度恢复。电磁阀二1-15关闭时能够保证辅助气罐二1-13的气压与电磁阀二1-15开启前相同，保证在电磁阀二1-15开闭前后辅助气罐二1-13内空气量不变。
本电控系统包括控制器4-1、电磁阀、传感器、控制面板4-2、压缩机1-25。电磁阀包括电磁阀一1-32、电磁阀二1-15、电磁阀三1-19、电磁阀四1-31。传感器包括摄像头4-8、气压传感器一3-2、气压传感器二4-7、气压传感器三4-6、气压传感器四4-5、车速传感器4-4、活塞位置传感器3-1、方向盘转角传感器4-3。控制器4-1可以接收传感器、控制面板4-2的信号，并且根据接收的信号来控制电磁阀、压缩机1-25的工作状态。控制面板4-2可以选择工作模式，按下相应的模式按钮会选择相应的工作模式，选择工作模式后相应的模式按钮后边的指示灯会亮起。控制器4-1会根据活塞位置传感器3-1的信号来将空气弹簧1-1的高度调整至该模式对应的高度，空气弹簧1-1调整高度时可以处于静载状态或动载状态，若处于动载状态则需要将活塞位置传感器的信号进行相应的处理，计算出对应的静载状态下空气弹簧1-1的高度。若当前高度低于预设高度则电磁阀三1-19会打开，高压气罐1-21中的高压空气就会进入气缸3-19中，空气弹簧1-1高度升高到预设高度后电磁阀三1-19关闭。若空气弹簧1-1高度高于预设高度，则电磁阀四1-31打开，气缸3-19中的空气就会排出气缸3-19，空气弹簧1-1高度降低到预设值后电磁阀四1-31关闭。若在某个模式下按下升高/变软按钮5-4或降低/变硬按钮5-5，则该模式下的预设高度就会暂时改变，重启系统后预设高度就会恢复调节前的高度。若调节完高度后按下设置按钮5-3则预设高度会永久改变，重启系统后预设高度保持调节后的高度。在工作过程中高压气罐1-21的压力会维持在一定范围，若高压气罐1-21的压力低于该范围则压缩机1-25启动向高压气罐1-21内充气，若压力达到该范围的上限则压缩机1-25停止工作。
本空气弹簧的润滑油路包括润滑油罐1-2、油管一1-4、油管二1-8、油管三1-9、油管四1-11、单向阀二1-5、单向阀三1-12。润滑油路用来给润滑油缸3-17提供润滑油，润滑油缸3-17内装有润滑油。由于单向阀二1-5和单向阀三1-12的存在，排油口二1-6到进油口一1-3单向连通，油液只能由排油口二1-6流到进油口一1-3；排油口一1-10到进油口二1-7单向连通，油液只能由排油口一1-10流到进油口二1-7。润滑油缸3-17容积缩小时润滑油缸3-17内的油液经过活塞杆3-5上的排油口一1-10排出至润滑油罐1-2；润滑油缸3-17容积增大时润滑油罐1-2的油液经过进油口一1-10进入润滑油缸3-17。由于气缸3-19很难做到完全密封，会产生少量的气体泄露，当空气泄露至润滑油缸3-17时泄露的空气会随油液一同排出至润滑油罐1-2，再从润滑油罐1-2排出至大气。
本空气弹簧1-1的减震结构包括活塞二3-7、油缸一3-15和油缸二3-14，在空气弹簧1-1承受动载时活塞二3-7上下运动，油缸一3-15和油缸二3-14的容积发生变化。当空气弹簧1-1被压缩时活塞二3-7上移，油缸一3-15容积减小，油缸二3-14容积增大，单向阀一3-8打开，油缸一3-15内油液通过单向阀一3-8和油孔3-9流入油缸二3-14，则在空气弹簧1-1被压缩时减震器的阻尼力较小；当空气弹簧1-1伸张时活塞二3-7下移，油缸二3-14容积减小，油缸一3-15容积增大，单向阀一3-8关闭，油缸二3-14内油液通过油孔3-9流入油缸一3-15，则在空气弹簧1-1伸张时减震器的阻尼力较大。则减震器能实现在压缩和拉伸过程中阻尼力不同。
在具体实施时，为了保证空气弹簧1-1便于控制及调节，本发明作了进一步研究及公开，具体如下：
本空气弹簧1-1工作时的刚度和弹力可以根据理想气体状态方程PV＝NRT、压力的计算公式F＝PS和气缸3-19容积公式V＝SH计算出来，式中P为压强、V为气缸3-19容积、N为气体的量、R为理想气体常数、T为温度、F为空气弹簧的弹力、S为气缸3-19的截面积、H为活塞顶面3-18到气缸顶面3-20的距离，当气缸3-19参数和气缸3-19内工作介质确定后，气缸3-19的截面积S和理想气体常数R就确定了，在本实施例中可认为气缸3-19的截面积S和理想气体常数R是常数。在气缸3-19容积公式V＝SH中，由于气缸3-19的截面积S是常数，则活塞顶面3-18到气缸顶面3-20的距离H与气缸3-19容积V成正比，活塞顶面3-18到气缸顶面3-20的距离H越大则气缸3-19容积越大空气弹簧1-1高度越高，活塞顶面3-18到气缸顶面3-20的距离H越小则气缸3-19容积越小空气弹簧1-1高度越低。经过对公式的推导得到空气弹簧1-1的弹力公式
Figure BDA0003316219930000121
并且利用微分的思想可以推导出空气弹簧1-1的刚度公式
Figure BDA0003316219930000122
利用空气弹簧1-1弹力公式和刚度公式可以更加快速且准确的计算出空气弹簧1-1在不同工况的弹力和刚度。
通过以上公式，在具体实施时，可以直接通过控制活塞顶面3-18到气缸顶面3-20的距离来控制空气弹簧1-1的弹力及刚度。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种刚度可变的活塞式空气弹簧减震系统，其特征在于：包括空气弹簧(1-1)，空气弹簧(1-1)包括缸体一(3-3)、缸体二(3-6)、下盖(3-10)、活塞一(3-4)、活塞二(3-7)、活塞杆(3-5)、顶柱(3-11)、活塞杆螺母(3-12)、橡胶缓冲块一(3-16)、橡胶缓冲块二(3-13)，所述的活塞杆(3-5)有细端(7-4)和粗端(7-2)，粗端(7-2)上端为上端面(7-1)，细端(7-4)到粗端(7-2)的过度面为台阶面(7-3)，活塞一(3-4)固定连接在活塞杆(3-5)的上端面(7-1)处，活塞二(3-7)套在活塞杆(3-5)细端(7-4)上，活塞二(3-7)的上端与台阶面(7-3)接触，顶柱(3-11)套在活塞杆(3-5)细端(7-4)上，顶柱(3-11)上端与活塞二(3-7)下端接触，活塞杆螺母(3-12)与活塞杆(3-5)螺纹连接，活塞杆螺母(3-12)上端与顶柱(3-11)下端接触，活塞杆螺母(3-12)将活塞二(3-7)和顶柱(3-11)紧固在活塞杆(3-5)上，橡胶缓冲块一(3-16)固定连接在缸体二(3-6)上端，橡胶缓冲块二(3-13)固定连接在缸体二(3-6)下端，所述缸体一(3-3)上设有进气孔一(1-27)和出气孔一(1-28)，所述活塞杆(3-5)上设有排油口一(1-10)，所述缸体二(3-6)上设有进油口一(1-3)，所述活塞二(3-7)上设有单向阀一(3-8)和油孔(3-9)，所述活塞一(3-4)与缸体一(3-3)滑动密封连接，活塞二(3-7)与缸体二(3-6)滑动密封连接，缸体一(3-3)与缸体二(3-6)通过螺栓固定密封连接，缸体二(3-6)与下盖(3-10)通过螺栓固定密封连接，活塞杆(3-5)与缸体二(3-6)上端滑动密封连接，活塞二(3-7)与活塞杆(3-5)固定密封连接，顶柱(3-11)与活塞杆(3-5)固定密封连接，顶柱(3-11)与下盖(3-10)滑动密封连接。
2.如权利要求1所述刚度可变的活塞式空气弹簧减震系统，其特征在于：所述活塞一(3-4)上端与缸体一(3-3)构成气缸(3-19)，活塞一(3-4)下端与缸体一(3-3)、缸体二(3-6)上端构成润滑油缸(3-17)，活塞二(3-7)上端与缸体二(3-6)构成油缸一(3-15)，活塞二(3-7)下端与缸体二(3-6)、下盖(3-10)上端构成油缸二(3-14)，所述缸体一(3-3)的进气孔一(1-27)和出气孔一(1-28)均与气缸(3-19)连通，缸体二(3-6)的进油口一(1-3)和活塞杆(3-5)的排油口一(1-10)均与润滑油缸(3-17)连通，所述活塞二(3-7)上的单向阀一(3-8)将油缸一(3-15)单向连通至油缸二(3-14)，油孔(3-9)将油缸一(3-15)和油缸二(3-14)双向连通。
3.如权利要求1所述刚度可变的活塞式空气弹簧减震系统，其特征在于：还包括润滑油路，所述润滑油路包括润滑油罐(1-2)、油管一(1-4)、油管二(1-8)、油管三(1-9)、油管四(1-11)、单向阀二(1-5)、单向阀三(1-12)，所述单向阀二(1-5)、单向阀三(1-12)均设有进口和出口，油管一(1-4)将缸体二(3-6)的进油口一(1-3)和单向阀二(1-5)的出口连通，油管二(1-8)将单向阀二(1-5)的进口和润滑油罐(1-2)的排油口二(1-6)连通，油管三(1-9)将润滑油罐(1-2)的进油口二(1-7)和单向阀三(1-12)的出口连通，油管四(1-11)将单向阀三(1-12)的进口和活塞杆(3-5)的排油口一(1-10)连通。
4.如权利要求3所述刚度可变的活塞式空气弹簧减震系统，其特征在于：所述润滑油罐(1-2)包括罐体(2-7)、阻流板一(2-6)、阻流板二(2-5)、阻流板三(2-4)、隔板(2-3)、空气滤芯(2-2)、上盖板(2-1)，罐体(2-7)上设有排油口二(1-6)、进油口二(1-7)，所述阻流板一(2-6)、阻流板二(2-5)、阻流板三(2-4)、隔板(2-3)与罐体(2-7)固定连接，阻流板一(2-6)、阻流板二(2-5)和阻流板三(2-4)上开有孔且孔错位分布，所述上盖板(2-1)与罐体(2-7)通过螺栓固定连接，隔板(2-3)与上盖板(2-1)之间安装有空气滤芯(2-2)。
5.如权利要求1所述刚度可变的活塞式空气弹簧减震系统，其特征在于：还包括辅助气路，所述辅助气路包括四通(1-17)、单向阀四(1-23)、压缩机(1-25)、高压气罐(1-21)、辅助气罐一(1-34)、辅助气罐二(1-13)、电磁阀一(1-32)、电磁阀二(1-15)、电磁阀三(1-19)、电磁阀四(1-31)，所述压缩机(1-25)设有出气口，单向阀四(1-23)设有进口和出口，电磁阀一(1-32)、电磁阀二(1-15)、电磁阀三(1-19)、电磁阀四(1-31)均设有接口一与接口二，四通(1-17)设有接口一、接口二、接口三、接口四，四通(1-17)的四个接口相互连通，高压气罐(1-21)设有进气口与出气口，辅助气罐一(1-34)、辅助气罐二(1-13)均设有一个接口。
6.如权利要求5所述刚度可变的活塞式空气弹簧减震系统，其特征在于：所述辅助气路还包括气管一(1-24)、气管二(1-22)、气管三(1-20)、气管四(1-18)、气管五(1-16)、气管六(1-14)、气管七(1-30)、气管八(1-33)、气管九(1-26)、气管十(1-29)，所述气管一(1-24)将压缩机(1-25)的出气口与单向阀四(1-23)的进口连通，气管二(1-22)将单向阀四(1-23)的出口与高压气罐(1-21)的进气口连通，气管三(1-20)将高压气罐(1-21)的出气口与电磁阀三(1-19)的接口一连通，气管四(1-18)将电磁阀三(1-19)的接口二与四通(1-17)的接口一连通，气管五(1-16)将电磁阀二(1-15)的接口一与四通(1-17)的接口二连通，气管六(1-14)将电磁阀二(1-15)的接口二与辅助气罐二(1-13)的接口连通，气管七(1-30)将四通(1-17)的接口三与电磁阀一(1-32)的接口一连通，气管八(1-33)将电磁阀一(1-32)的接口二与辅助气罐一(1-34)的接口连通，气管九(1-26)将四通(1-17)的接口四与空气弹簧(1-1)的进气孔一(1-27)连通，气管十(1-29)将空气弹簧(1-1)的出气孔一(1-28)与电磁阀四(1-31)的接口一连通，电磁阀四(1-31)的接口2不连接管路。
7.如权利要求1所述刚度可变的活塞式空气弹簧减震系统，其特征在于：还包括电控系统，电控系统包括控制器(4-1)、电磁阀一(1-32)、电磁阀二(1-15)、电磁阀三(1-19)、电磁阀四(1-31)、压缩机(1-25)、控制面板(4-2)、摄像头(4-8)、气压传感器一(3-2)、气压传感器二(4-7)、气压传感器三(4-6)、气压传感器四(4-5)、车速传感器(4-4)、活塞位置传感器(3-1)、方向盘转角传感器(4-3)，所述活塞位置传感器(3-1)安装在缸体一(3-3)上端，所述气压传感器一(3-2)安装在缸体一(3-3)上端，所述气压传感器二(4-7)安装在辅助气罐一(1-34)上端，所述气压传感器三(4-6)安装在辅助气罐二(1-13)上端，所述气压传感器四(4-5)安装在高压气罐(1-21)上端，所述车速传感器(4-4)安装于车辆的车轮中，所述方向盘转角传感器(4-3)安装在车辆的转向柱中，所述的控制器(4-1)安装在车辆的驾驶室内，所述电磁阀一(1-32)、电磁阀二(1-15)、电磁阀三(1-19)、电磁阀四(1-31)、压缩机(1-25)、控制面板(4-2)、摄像头(4-8)、气压传感器一(3-2)、气压传感器二(4-7)、气压传感器三(4-6)、气压传感器四(4-5)、车速传感器(4-4)、活塞位置传感器(3-1)、方向盘转角传感器(4-3)分别通过线束与控制器(4-1)连通。
8.如权利要求7所述刚度可变的活塞式空气弹簧减震系统，其特征在于：所述控制面板(4-2)设有模式一按钮(5-13)、模式一指示灯(5-12)、模式二按钮(5-11)、模式二指示灯(5-10)、模式三按钮(5-9)、模式三指示灯(5-8)、模式四按钮(5-7)、模式四指示灯(5-6)、设置按钮(5-3)、升高/变软按钮(5-4)、降低/变硬按钮(5-5)、工作指示灯(5-2)、故障指示灯(5-1)、处理器(6-1)，所述模式一按钮(5-13)、模式一指示灯(5-12)、模式二按钮(5-11)、模式二指示灯(5-10)、模式三按钮(5-9)、模式三指示灯(5-8)、模式四按钮(5-7)、模式四指示灯(5-6)、设置按钮(5-3)、升高/变软按钮(5-4)、降低/变硬按钮(5-5)、工作指示灯(5-2)、故障指示灯(5-1)分别通过线束与处理器(6-1)连通。
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