CN114161890A - 一种基于准零刚度原理的空气悬架及其结构设计与优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于准零刚度原理的空气悬架及其结构设计与优化方法，悬架包括磁负刚度机构、空气弹簧机构；空气弹簧机构包括膜式空气弹簧，膜式空气弹簧固定安装在车桥上部；磁负刚度机构包括缸筒和活塞杆，缸筒置于膜式空气弹簧内，且缸筒的底部与膜式空气弹簧内的内底面相连；活塞杆固定在车身下部且延伸至缸筒内部；缸筒上装有通电线圈，活塞杆上装有环形永磁体，由环形永磁体和通电线圈构成的电磁弹簧；本申请中的磁负刚度机构置于膜式空气弹簧腔内，在空气悬架的基础上，提高了悬架的隔振性能。同时本申请的设计及优化方法，通过优化磁负刚度机构设计参数以及空气弹簧的结构参数，使得本发明准零刚度空气悬架能在平衡位置附近较大区域内产生很大的负刚度。

Description

一种基于准零刚度原理的空气悬架及其结构设计与优化方法
技术领域
本发明属于汽车悬架领域，具体设计一种基于准零刚度原理的空气悬架及其结构设计与优化方法。
背景技术
目前，在一些特种车辆上，如对防振性能要求较高的仪表车、特种作战车、救护车以及装载危险品的集装箱运输车对传统悬架的隔振性能提出了更高的要求。
悬架系统关系到整车的平顺性与操稳性。人体对4-12.5Hz的低频振动最敏感，故低频输入对悬架舒适性影响较大。低刚度悬架能有效吸收低频震动，但对悬架整体的承载力和操纵稳定性都有负面影响。所以，“高静低动”是理想悬架系统的刚度要求。对于这一问题，准零刚度能提供有效的解决方案。一些专利如CN201620730321.1中所述的正负刚度可调的准零刚度隔振器，通过螺旋弹簧的正负并联实现了准零刚度，提高了隔振性能，但仅适用于小振幅振动，未考虑到大振幅下负刚度系统带来的不稳定，且结构中使用多个弹簧，利用其串并联以及相互角度关系来实现准零刚度，结构显得复杂，不利于整体的性能稳定；又如CN201910227755.8中所述的准零刚度隔振系统和车辆，负刚度由气缸活塞、齿轮齿条装置实现，整体结构简单、更加节能，但负刚度装置、空气弹簧和齿轮齿条机构所占空间较大，不利于安装在车辆上。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本申请提出了一种基于准零刚度原理的空气悬架及其结构设计与优化方法，将准零刚度理论引入空气悬架，设计一种带有磁负刚度可调机构的新型空气弹簧结构。在部分范围内能实现准零刚度的隔振，并能通过调节电流大小，使得悬架在更大的振幅范围内，具有准零刚度的特性，极大降低系统的固有频率，提高了悬架的平顺性；而当车身振幅过大时，负刚度系统不工作，从而避免负刚度带来的不稳定性。
本发明所采用的技术方案如下：
一种基于准零刚原理设计的空气悬架，包括磁负刚度机构、空气弹簧机构；
所述空气弹簧机构包括膜式空气弹簧，所述膜式空气弹簧固定安装在车桥上部；
所述磁负刚度机构包括缸筒和活塞杆，所述缸筒置于膜式空气弹簧内，且缸筒的底部与膜式空气弹簧内的内底面相连；所述活塞杆固定在车身下部且延伸至缸筒内部；所述缸筒上装有通电线圈，所述活塞杆上装有环形永磁体，由环形永磁体和通电线圈构成的电磁弹簧；
由电磁弹簧和空气弹簧并联，构成准零刚度系统；且在悬架静止时，保持通电线圈和环形永磁体间的轴向合力为零，此时将通电线圈和环形永磁体间的相对位置作为静平衡位置；
进一步，在所述缸筒的内壁上设置环形槽，所述环形槽用于放置通电线圈，所述环形槽的上部设有防撞橡胶垫。
进一步，所述活塞杆上套装有套筒，所述环形永磁体置于套筒内。
进一步，所述膜式空气弹簧与活塞杆的接触处装有滑动轴承以及密封圈。
进一步，所述环形永磁体的材料为钕铁硼。
进一步，所述准零刚度空气悬架除环形永磁体和通电线圈外的其它零部件均为非导磁性或弱导磁性的材料。
进一步，当汽车振幅处于准零刚度系统的工作区间内时，电磁弹簧参与减振工作，汽车振幅超出准零刚度系统的工作区间内时，仅空气弹簧参与减振工作。
进一步，通过改变通入通电线圈电流的方向或大小，调节等效电磁弹簧刚度的大小。
一种基于准零刚度原理的空气悬架的结构设计与优化方法，包括如下步骤：
步骤1，构建由磁负刚度机构和空气弹簧机构组成的准零刚度空气悬架；并且根据准零刚度空气悬架的工况及技术要求，分别确定准零刚度空气悬架力的额定值及悬架刚度的额定值；
步骤2，基于准零刚度空气悬架的结构，分别推导出准零刚度空气悬架力Foverall、刚度 Koverall；表示如下：
Foverall＝F+FZ
Figure BDA0003382167690000021
FZ＝FC,A+FC,B
Koverall＝KZ+K
Figure BDA0003382167690000022
Figure BDA0003382167690000031
其中，F为空气弹簧机构的弹力，FZ为电磁弹簧的电磁力；K为空气弹簧机构的刚度， KZ为电磁弹簧的刚度；P为空气弹簧绝对气压，V0为空气弹簧初始体积，a体积变化率，Pa为标准大气压，A为有效横截面积，D为空气弹簧形变量；将环形永磁铁等效为内部和外部两个等效薄线圈，分别表示为Bt和At，故FC,A、FC,B分别是等效外部线圈At、内部线圈Bt与通电线圈之间电磁力；
步骤3，选取满足刚度、幅频特性、磁力大小条件下的磁负刚度机构的设计参数，磁负刚度机构的设计参数包括环形永磁体和通电线圈的高度、厚度以及环形永磁体和通电线圈的间隙；
步骤4，将所选取的磁负刚度机构的设计参数代入磁负刚度机构中磁力的解析表达式，得到磁力解析值；将空气弹簧的结构参数如空气弹簧初始气压、初始体积代入空气弹簧的弹力解析表达式，得到空气弹簧弹力解析值；同时基于磁力解析表达式和空气弹簧弹力解析表达式分别得到空气弹簧的刚度和电磁弹簧的刚度；
步骤5，基于步骤4得到准零刚度空气悬架力和刚度；分别将准零刚度空气悬架力、悬架刚度与步骤1中的额定值进行比较，若满足设计要求则进行下一步，否则回到步骤3；
步骤6，基于满足设计要求的磁负刚度机构设计参数以及空气弹簧的结构参数构建准零刚度空气悬架结构，利用仿真软件对所构建的准零刚度空气悬架结构进行仿真，并对磁负刚度机构的设计参数和空气弹簧的结构参数进行进一步优化调整；
步骤7，评价优化后准零刚度空气悬架的平顺性性能，若平顺性性能得到优化则进行下一步，否则回到步骤5；
步骤8，输出满足平顺性性能要求的磁负刚度机构的设计参数和空气弹簧的结构参数，由此完成准零刚度空气悬架的结构设计。
进一步，所述步骤6中采用ANSYS对所构建的准零刚度空气悬架结构进行仿真。
本发明的有益效果：
1、磁负刚度机构置于膜式空气弹簧腔内，在保留原空气悬架整体格局不变的基础上，提高了悬架的隔振性能。
2、将由环形永磁体和通电线圈构成的电磁弹簧作为磁负刚度机构，可以在无机械接触的条件下产生磁力，不仅能减少摩擦和挤压造成的损耗，还能使机构体积小型化、结构紧凑化。
3、可通过设计环形永磁体和电线圈的高度、厚度以及磁体的间隙等几何参数，使得本发明准零刚度空气悬架能在平衡位置附近较大区域内产生很大的负刚度，且能通过调节几何参数得到理想负刚度。因此，该准零刚度空气悬架能隔离较大幅值的基础激励。
4、一般而言，准零刚度系统只能在特定的某个位置或范围工作，而本发明可以调节电流大小来调节负刚度特性，从而扩大悬架系统的隔振范围。根据准零刚度的条件，调节电磁弹簧控制电流的大小，使系统始终工作在准零刚度状态下；通过调节电流改变电磁力，使电磁力与承载重量变化相匹配来满足准零刚度的数学关系，保持系统载荷变化条件下的准零刚度隔振性能。
5、本发明能够用有限元软件ANSYS不断优化结构参数，直到得到满足系统条件的相关参数。
附图说明
图1为本发明设计的基于准零刚度原理的空气悬架结构示意图；
图2为本发明设计空气悬架流程图；
图3中，图3(a)为本发明电磁弹簧结构图，图3(b)为本发明环形永磁体等效示意图，图3(c)为本发明电磁弹簧等效示意图；
图4为本发明准零刚度原理图；
图中，10、磁负刚度机构，101、通电线圈，102、环形永磁体，103、防撞橡胶垫，104、缸筒，105、套筒，106、活塞杆，107、锁止螺母，108、保护垫片，109、标记线，20、空气弹簧机构，201、膜式空气弹簧，202、滑动轴承，203、密封圈。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种基于准零刚原理设计的空气悬架，包括磁负刚度机构10、空气弹簧机构20。
磁负刚度机构10包括通电线圈101、环形永磁体102、防撞橡胶垫103、缸筒104、套筒105、活塞杆106、锁止螺母107、保护垫片108、标记线109。空气弹簧机构20包括膜式空气弹簧201、滑动轴承202、密封圈203。
空气弹簧201的底部与车桥相连接；膜式空气弹簧201腔内装有缸筒104，缸筒104的底部与膜式空气弹簧201内的内底面相连。所述缸筒104内壁的上部设有环形槽，环形槽内放置通电线圈101，环形槽形状与通电线圈101大小相适配。防撞橡胶垫103设置在环形槽的顶部，用于封住环形槽内的通电线圈101，防止通电线圈101沿轴向的相对运动，并且起到保护通电线圈的作用。活塞杆106的上端与车身相连接，活塞杆106的下端伸入膜式空气弹簧201腔内；在活塞杆106的底部套装有套筒105，在套筒105内装有环形永磁体102，利用锁止螺母107将套筒105、环形永磁体102和活塞杆106固定，在环形永磁体102和锁止螺母107间设置保护垫片108；在活塞杆106与膜式空气弹簧201接触处安装有滑动轴承202，活塞杆106与滑动轴承202小间隙配合，活塞杆106和滑动轴承202 可以沿轴向相对运动；滑动轴承202上方装有密封圈203，防止膜式空气弹簧201气体泄漏。在悬架静止时，保持通电线圈101和环形永磁体102间的轴向合力为零，此时将通电线圈101和环形永磁体102间的相对位置作为静平衡位置；为了表征静平衡时环形永磁体 102相对通电线圈101的位置，在活塞杆106上划上标记线109；当标记线109与密封圈 203的上端面重合时，说明环形永磁体102正对于通电线圈101，且环形永磁体102与通电线圈101之间表现为斥力形式。
作为本发明的优选实施方式，所述环形永磁体102的材料为钕铁硼。
作为本发明的优选实施方式，除环形永磁体102和通电线圈101外，所述准零刚度空气悬架的其它零部件均为非导磁性或弱导磁性的材料。
上述基于准零刚原理设计的空气悬架工作原理为：
当汽车在行驶过程中，路面会引起悬架的振动；此时，若环形永磁体102偏移静平衡位置(即密封圈203超过或者低于标记线109)时，环形永磁体102与通电线圈101之间的电磁力表现为斥力形式，且与偏移方向一致并加剧偏移量，所以由环形永磁体102和通电线圈101构成的电磁弹簧会产生很大的负刚度；并联电磁弹簧后，系统在平衡位置处的刚度很小，接近于零。因此，系统动刚度很小，振动时的固有频率很低。
准零刚度空气悬架存在工作区间，当内磁环偏移过大时，超出准零刚度结构起作用范围，磁力和磁负刚度趋向于零，系统就相当于仅有传统空气弹簧在工作。当汽车振幅处于准零刚度系统的工作区间内时，电磁弹簧参与减振工作，使得小振幅振动有效衰减：
准零刚度系统工作在平衡位置附近才能体现出良好的隔振效果，而当汽车的载重不同时，平衡位置就会产生变化。通过改变通电线圈101电流的大小，可以改变原有磁场的大小，以此来改变等效电磁弹簧刚度的大小，保证准零刚度系统工作在准零位置，尽可能的扩大准零刚度工作区间。
基于上述准零刚度空气悬架结构，本发明提出了图2所示的一种基于准零刚度原理的空气悬架的结构设计与优化方法，包括步骤：
步骤1，设计如图1所示的零刚度空气悬架结构；并且根据准零刚度空气悬架的具体工况及技术要求，分别确定准零刚度空气悬架力、悬架刚度需要达到的额定值。
步骤2，基于所设计的空气悬架结构，分别推导出该准零刚度空气悬架中磁负刚度机构的电磁力解析表达式和空气弹簧机构的弹力解析表达式，进而得到准零刚度空气悬架力 Foverall及刚度Koverall；具体过程如下：
①电磁力解析表达式的推导过程如下：
磁负刚度机构10由电磁弹簧组成，电磁弹簧如图3(a)所示，其由通电线圈101与轴向磁化的环形永磁铁102组成，两者同轴心配置，固定通电线圈101的位置，环形永磁铁 102在轴向进行移动。如图3(b)所示，基于安培电流模可对环形永磁铁102进行等效替换，环形永磁铁102可等效为内部和外部两个等效薄线圈，分别表示为Bt和At。
为了计算电磁弹簧的电磁力，将通电线圈101和环形永磁铁102等效为若干麦克斯韦线圈，并通过每对麦克斯韦线之间的作用力圈叠加而得到。因此，电磁负刚度结构10可以等效为图3(c)，参数如图3所示。通电线圈
Figure BDA0003382167690000061
与等效线圈At、Bt间的磁力表示：
Figure BDA0003382167690000062
Figure BDA0003382167690000063
式中：μ0为磁感应强度，
Figure BDA0003382167690000064
为常系数，分别表示为
Figure BDA0003382167690000065
Figure BDA0003382167690000066
Ra，Rb为通电线圈
Figure BDA0003382167690000067
半径、等效外部线圈半径和等效内部线圈半径；
Figure BDA0003382167690000068
分别为等效外部线圈轴向位移、等效内部线圈轴向位移；E(·)与K(·)为第一类和第二类完全椭圆积分；Ia，Ib，Ic为等效外部线圈，等效内部线圈，通电线圈101中麦克斯韦线圈电流；
由此，等效外部线圈At、内部线圈Bt与通电线圈101之间电磁力分别用下式表示:
Figure BDA0003382167690000071
故电磁弹簧的电磁力、刚度表示为:
Figure BDA0003382167690000072
Figure BDA0003382167690000073
其中，T是等效薄线圈(Bt和At)的高度，Q、P分别是通电线圈101的高度和厚度。
②空气弹簧弹机构的弹力解析表达式的推导过程如下：
对于空气弹簧机构，其弹力c可写为：
F＝(P-Pa)A (3)
式中，P为空气弹簧绝对气压，Pa为标准大气压，A为有效横截面积。有效横截面积在空气弹簧工作行程内，基本保持不变。
空气弹簧在工作过程中，气压与体积满足以下关系：
Figure BDA0003382167690000074
式中，P0为空气弹簧初始气压，V0为空气弹簧初始体积，V为空气弹簧工作体积， n为气体多变指数，其数值大于1.3小于1.4。
为了表示初始体积、工作体积之间的关系，引入体积变化率a。它表示空气弹簧体积变化与形变量之间的关系，则上述三者的关系可表示为：
V＝V0-aD (5)
式中，a为体积变化率，a为负值时表示空气弹簧处于拉伸状态，正值时表示空气弹簧处于压缩状态；D为空气弹簧形变量。
联立(1)～(5)式，可得空气弹簧弹力、刚度表达式：
Figure BDA0003382167690000075
Figure BDA0003382167690000076
式(1)中电磁力和式(6)中弹力，通过空气弹簧形变量D产生联系，则准零刚度空气悬架力、刚度分别为：
Foverall＝F+FZ，
Koverall＝KZ+K
电磁弹簧和空气弹簧并联，构成准零刚度系统，原理如图(4)所示。
步骤3，选取满足刚度、幅频特性、磁力大小等条件下的磁负刚度机构10的设计参数，磁负刚度机构10的设计参数包括环形永磁体102和通电线圈101的高度、厚度以及环形永磁体102和通电线圈101的间隙等。
步骤4，将所选取的磁负刚度机构10的设计参数代入磁负刚度机构中磁力的解析表达式，得到磁力解析值；将空气弹簧的结构参数如空气弹簧初始气压、初始体积等代入空气弹簧的弹力解析表达式，得到空气弹簧弹力解析值。同时，基于磁力解析表达式和空气弹簧弹力解析表达式分别得到空气弹簧的刚度和电磁弹簧的刚度；
步骤5，基于步骤4得到准零刚度空气悬架力和刚度；分别将准零刚度空气悬架力、悬架刚度与步骤1中的额定值进行比较，若满足设计要求则进行下一步，否则回到步骤3；
步骤6，基于满足设计要求的磁负刚度机构10设计参数以及空气弹簧的结构参数构建准零刚度空气悬架结构，利用仿真软件对所构建的准零刚度空气悬架结构进行仿真。以 ANSYS为例，将DesignModeler模块与ansys workbench平台结合，根据不同区域划分网格，对准零刚度系统进行静态及动态特性分析，研究磁负刚度机构10的设计参数和空气弹簧的结构参数变化对准零刚度空气悬架系统工作的影响，对磁负刚度机构10的设计参数和空气弹簧的结构参数进行进一步优化调整。优化的内容包括永磁强度、磁体间隙、内外磁环半径、气隙宽度、空气弹簧体积、有效横截面积等参数。
步骤7，得到优化后的磁负刚度机构10的设计参数和空气弹簧的结构参数，对比优化前后准零刚度空气悬架的平顺性性能(例：在Simulink中得到车身加速度、悬架动行程和轮胎动载荷数据评价)，若没有明显优化，则回到步骤5。
步骤8，输出满足平顺性性能要求的磁负刚度机构10的设计参数和空气弹簧的结构参数，由此完成准零刚度空气悬架的结构设计。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于准零刚原理设计的空气悬架，其特征在于，包括磁负刚度机构(10)、空气弹簧机构(20)；
所述空气弹簧机构(20)包括膜式空气弹簧(201)，所述膜式空气弹簧(201)固定安装在车桥上部；
所述磁负刚度机构(10)包括缸筒(104)和活塞杆(106)，所述缸筒(104)置于膜式空气弹簧(201)内，且缸筒(104)的底部与膜式空气弹簧(201)内的内底面相连；所述活塞杆(106)固定在车身下部且延伸至缸筒(104)内部；所述缸筒(104)上装有通电线圈(101)，所述活塞杆(106)上装有环形永磁体(102)，由环形永磁体(102)和通电线圈(101)构成的电磁弹簧；
由电磁弹簧和空气弹簧并联，构成准零刚度系统；且在悬架静止时，保持通电线圈(101)和环形永磁体(102)间的轴向合力为零，此时将通电线圈(101)和环形永磁体(102)间的相对位置作为静平衡位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于准零刚原理设计的空气悬架，其特征在于，在所述缸筒(104)的内壁上设置环形槽，所述环形槽用于放置通电线圈(101)，所述环形槽的上部设有防撞橡胶垫(103)。
3.根据权利要求1所述的一种基于准零刚原理设计的空气悬架，其特征在于，所述活塞杆(106)上套装有套筒(105)，所述环形永磁体(102)置于套筒(105)内。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于准零刚原理设计的空气悬架，其特征在于，所述膜式空气弹簧(201)与活塞杆(106)的接触处装有滑动轴承(202)以及密封圈(203)。
5.根据权利要求4所述的一种基于准零刚原理设计的空气悬架，其特征在于，所述环形永磁体(102)的材料为钕铁硼。
6.根据权利要求4所述的一种基于准零刚原理设计的空气悬架，其特征在于，所述准零刚度空气悬架除环形永磁体(102)和通电线圈(101)外的其它零部件均为非导磁性或弱导磁性的材料。
7.根据权利要求1所述的一种基于准零刚原理设计的空气悬架，其特征在于，当汽车振幅处于准零刚度系统的工作区间内时，电磁弹簧参与减振工作，汽车振幅超出准零刚度系统的工作区间内时，仅空气弹簧参与减振工作。
8.根据权利要求1所述的一种基于准零刚原理设计的空气悬架，其特征在于，通过改变通入通电线圈(101)电流的方向或大小，调节等效电磁弹簧刚度的大小。
9.一种针对如权利要求1所述基于准零刚原理设计的空气悬架的结构设计与优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，构建由磁负刚度机构(10)和空气弹簧机构(20)组成的准零刚度空气悬架；并且根据准零刚度空气悬架的工况及技术要求，分别确定准零刚度空气悬架力的额定值及悬架刚度的额定值；
步骤2，基于准零刚度空气悬架的结构，分别推导出准零刚度空气悬架力Foverall、刚度Koverall；表示如下：
Foverall＝F+FZ
Figure FDA0003382167680000021
FZ＝FC,A+FC,B
Koverall＝KZ+K
Figure FDA0003382167680000022
Figure FDA0003382167680000023
其中，F为空气弹簧的弹力，FZ为电磁弹簧的电磁力；K为空气弹簧的刚度，KZ为电磁弹簧的刚度；P为空气弹簧绝对气压，V0为空气弹簧初始体积，a体积变化率，Pa为标准大气压，A为有效横截面积，D为空气弹簧形变量；将环形永磁铁(102)等效为内部和外部两个等效薄线圈，分别表示为Bt和At，故FC,A、FC,B分别是等效外部线圈At、内部线圈Bt与通电线圈(101)之间电磁力；
步骤3，选取满足刚度、幅频特性、磁力大小条件下的磁负刚度机构(10)的设计参数，磁负刚度机构(10)的设计参数包括环形永磁体(102)和通电线圈(101)的高度、厚度以及环形永磁体(102)和通电线圈(101)的间隙；
步骤4，将所选取的磁负刚度机构(10)的设计参数代入磁负刚度机构中磁力的解析表达式，得到磁力解析值；将空气弹簧的结构参数如空气弹簧初始气压、初始体积代入空气弹簧的弹力解析表达式，得到空气弹簧弹力解析值；同时基于磁力解析表达式和空气弹簧弹力表达式分别得到空气弹簧的刚度和电磁弹簧的刚度；
步骤5，基于步骤4得到准零刚度空气悬架力和刚度；分别将准零刚度空气悬架力、悬架刚度与步骤1中的额定值进行比较，若满足设计要求则进行下一步，否则回到步骤3；
步骤6，基于满足设计要求的磁负刚度机构(10)设计参数以及空气弹簧的结构参数构建准零刚度空气悬架结构，利用仿真软件对所构建的准零刚度空气悬架结构进行仿真，并对磁负刚度机构(10)的设计参数和空气弹簧的结构参数进行进一步优化调整；
步骤7，评价优化后准零刚度空气悬架的平顺性性能，若平顺性性能得到优化则进行下一步，否则回到步骤5；
步骤8，输出满足平顺性性能要求的磁负刚度机构(10)的设计参数和空气弹簧的结构参数，由此完成准零刚度空气悬架的结构设计。
10.根据权利要求9所述的一种基于准零刚原理设计的空气悬架的结构设计与优化方法，其特征在于，所述步骤6中采用ANSYS对所构建的准零刚度空气悬架结构进行仿真。
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