CN114396448B - 一种空气弹簧及空气弹簧的高度和刚度解耦方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种空气弹簧高度和刚度解耦方法，根据空气弹簧需要调节的高度和刚度调节范围，采用两个刚度可调、且刚度调节范围不同的独立气室，通过上下布局的形式串联，通过两个气室的进排气量，达到不同气压组合，实现定刚度条件下高度可变和定高度条件下刚度可变功能。本发明还公开一种高度和刚度解耦的空气弹簧，包括两个独立的、刚度和高度可随气压变化的气室，两个气室上下串联，一个气室的垂向变形尺寸较另一个大，另一个气室的径向变形尺寸较前一个大，所述气室分别连接外部气体装置，单独对两气室充放气，通过分别控制进排气量来控制气室内压力的大小，获得不同的气压组合，从而得到两个气室不同的高度和刚度，实现空气弹簧的高度和刚度解耦。

Description

一种空气弹簧及空气弹簧的高度和刚度解耦方法
技术领域
本发明属于汽车车用悬架以及驾驶室座椅技术领域，具体涉及高度和刚度解耦的空气弹簧。
背景技术
随着消费者对汽车舒适性的追求提高，汽车良好的NVH性能成为了汽车的核心竞争力之一。空气弹簧有着自重轻、固有频率小、刚度可调节等性能，被广泛应用于商用车、重型卡车以及高档汽车上，在车辆中悬架和驾驶室均可应用。不仅如此，在轨道交通、工业设备、航空、航海等领域均有应用。
虽然空气弹簧应用广泛且具备上述优良性能，但存在高度和刚度调节耦合的问题，在空气弹簧充气时既提高了自身高度，又增加了空气弹簧的刚度，当汽车在不平整路面上转向、急刹车或者急加速时，若调节空气弹簧自身高度刚度必然增大，从而使得车内乘坐舒适性不理想。因此，实现空气弹簧在较高的高度条件依旧有较小的刚度，是保证舒适性的关键。
针对以上问题，公开号为CN106122340A的专利文献公开了一种刚度和车身高度调节的空气弹簧，该空气弹簧由高度控制腔和刚度控制腔构成，高度控制腔为液压腔，刚度控制腔为空气腔。该方法会增加空气弹簧自重，使得空气弹簧固有频率发生较大变化，另外除空气供压及调节装置外，还需要液压供压及调节装置，这会增加成本及控制难度。还有公开号为CN111322341B和公开号为CN105673759B的专利文献公开的技术，基本原理为在柱体空间内添加一活塞，使其分割为两个独立腔体，通过两个独立腔体的不同气压实现高度和刚度的独立调节。但是该形式的空气弹簧自重较大，并且活塞受到使用过程中温度和磨损的影响，密封和寿命问题有待考量。
发明内容
针对应用中空气弹簧高度调节和刚度调节需求，本发明提出一种空气弹簧的高度和刚度解耦方法，并设计一种基于膜式空气弹簧的高度和刚度可独立控制的空气弹簧，满足车辆单独调整车身姿态和舒适性的需求。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下：
本发明的目的之一是提供一种空气弹簧的高度和刚度解耦方法，所述方法是根据空气弹簧需要调节的高度和刚度调节范围，采用串联两个刚度可调、且刚度调节范围不同的独立气室，以上下布局的形式，通过两个气室的进排气量，达到不同气压组合，实现定刚度条件下高度可变和定高度条件下刚度可变功能。
本发明进一步提供一种高度和刚度解耦的空气弹簧，其包括两个独立的、刚度和高度可随室内气压变化的气室，两个气室上下串联，一个气室的垂向变形尺寸较另一个大，另一个气室的径向变形尺寸较前一个大，两个气室均设计有进排气口，分别连接外部气体装置，单独对两气室充放气，通过分别控制进排气量来控制气室内压力的大小，获得不同的气压组合，从而得到两个气室不同的高度和刚度，实现空气弹簧的高度和刚度解耦。
本发明中，该空气弹簧只需要使用两个独立的气室，彼此不发生气体交换即可，布置形式上采用上下结构。可采用上囊式下膜式、上囊式下囊式、上膜式下囊式或上膜式下膜式的类型。
如在某一个支撑高度条件下实现刚度的变化，可对上气室进行充气，使得内部的压力变高，同时下气室进行放气。使得内部的压力变低，此时高度将维持不变，刚度值发生改变，由此可实现该支撑高度条件下刚度在一定范围内连续变化。如此，就可得到一个高度对应多个刚度的效果。同理，若想要在某一刚度条件下实现高度的变化，仅需改变上下两气室的气压，达到预先设定的气压即可实现定刚度变高度的效果。
本发明的优点如下：
1、空气弹簧高度和刚度可实现独立调节。本发明通过对上下两个气室充放气，利用不同的气压组合实现一个高度对应多个刚度的效果，实现了空气弹簧高度和刚度独立调节。可实现车辆在较高的高度条件下拥有较小刚度，提升了车辆的舒适性和通过性。
2、空气弹簧的自重轻，自振频率低，制备简单，安装方便。整个空气弹簧无复杂机械结构，质量仅有密封、橡胶以及连接件，因此保持着空气弹簧自重轻，自振频率低的优点。由于构成和与一般空气弹簧相同，无复杂结构，因此在制备上较简单，安装上易操作。
3、控制因素少，时效性较好。使用该空气弹簧，在对上下两个气室在进行充放气时，只用控制上下气室的充放气阀门即可，且上下气室可根据目标高度或刚度同时计算，缩减计算时长，控制时效性较好。
4、高度和刚度解耦在各车型中可通用化。由于车型的不同，需要对车辆进行调节的高度和刚度范围差异较大。本发明可根据车型，开发出不同高度和刚度调节范围空气弹簧。面对不同的车型，在明确要调节的高度和刚度范围后，合理设计膜式空气弹簧体积和刚度等结构参数，或者合理选取市场中已有的空气弹簧，采用上下布置的形式，利用不同气压组合得到上下气室充放气的高度和刚度变化规律即可完成解耦。合理设计空气弹簧体积和，采用上下结构形式，即可实现解耦，解耦方法具有通用性，可在各种车型中使用。
本发明在汽车上通常应用于悬架以及驾驶室座椅中，根据车用空气弹簧而设计，但不仅限于该领域，还可用于精密仪器隔振等需要调节高度和刚度的隔振设备上。
附图说明
图1为高度与刚度解耦的膜式空气弹簧剖视图结构示意图；
图2为下气室限位橡胶堆三维局部剖视图；
图3为压板和底座三维局部剖视图；
图4为下气室盖板三维视图；
图中，1-下气室底座，2-下气室气囊，3-下气室压板，4-下气室限位橡胶堆，5-下气室盖板，6-连接板，7-上气室盖板，8-上气室气囊，9-上气室限位橡胶堆，10-下气室压板，11-上气室底座，12，19-底座加强板，13-上气室进气孔，14-上气室排气孔15，16-固定螺栓，17-下气室排气孔，18-下气室进气孔，20-上气室，21-下气室。
具体实施方式
下面通过具体的实施并结合附图对本发明做进一步的描述，在本实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“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。
实施例1：
本实施例涉及一种空气弹簧的高度和刚度解耦方法，所述空气弹簧采用上下结构，两个气室相互独立，彼此不发生气体交换。可采用上囊式下膜式、上囊式下囊式、上膜式下囊式或上膜式下膜式的类型，本实施例中使用的空气弹簧采用上膜式下膜式的类型。
无论采取何种类型，首先要测得上部空气弹簧即上气室20和下部空气弹簧即下气室21各自的刚度和高度变化规律，其次是明确采用该连接方式后整个空气弹簧整体高度和刚度变化规律。上气室20充气时，进气孔13打开，达到设定的压力后，进气孔13关闭，排气孔14关闭，内部压力保持恒定，此时上气室20高度与刚度均增大。放气时，排气孔14打开，进气孔13关闭，内部压力减小，此时上气室20的高度和刚度均减小。下气室21采用同样的方式实现内部气压变化。
如在某一个支撑高度条件下实现刚度的变化，可把空气弹簧上气室20内部的压力调高，同时把下气室21内部的压力调低，此时高度将维持不变，刚度值发生改变，由此可实现该支撑高度条件下刚度在一定范围内连续变化。如此，就可得到一个高度对应多个刚度的效果。同理，若想要在某一刚度条件下实现高度的变化，仅需改变上下两气室的气压，达到预先设定的气压即可实现定刚度变高度的效果。
这种空气弹簧的高度和刚度解耦方法，使用者可根据实际安装需求组合使用上下空气弹簧的类型，达到空气弹簧刚度和高度解耦的目的。
由于车型的不同，需要对车辆进行调节的高度和刚度范围差异较大。针对不同车型高度和刚度解耦需求，本解耦方法的基本流程为：首先明确该空气弹簧需要解耦的高度和刚度解耦目标范围，然后根据弹簧串联公式K为最大目标刚度，K1为下气室最大静刚度，K2为上气室最大静刚度，保证上气室刚度K2大于下气室刚度K1一倍及以上即可。再结合高度调节需求设计上下气室囊式或膜式空气弹簧，或者根据要求选取市场中已有的囊式或膜式空气弹簧作为上下气室。通过测试分别得到上下空气弹簧的高度和刚度变化规律。最后将两个空气弹簧按照上下布置形式进行组装，考虑连接方式影响，需要测得组装后的空气弹簧高度和刚度变化规律以校正上下气室实际充放气的压力。利用上下气室的不同气压组合，即可实现空气弹簧的高度和刚度解耦。
实施例2：
参见图1，本实施例是一种高度和刚度解耦的膜式空气弹簧，包括：下气室底座1、下气室气囊2、下气室压板3、下气室限位橡胶4、下气室盖板5、连接板6、上气室盖板7、上气室气囊8、上气室限位橡胶堆9、下气室压板10、上气室底座11。所述下气室气囊2的上端卷曲压缩固定在下气室盖板5底部的卷曲空间内，形成下气室气囊2与下气室盖板5之间的气密密封。下气室气囊2的下端被压板3的凸面与底座1上端的凹面挤压固定。如图2所示，下气室限位橡胶堆4通过螺栓安装于下压板3的上部。如图3所示，下压板3通过螺栓安装于下气室底座1上；整个下气室通过下气室盖板5上的6个均布螺栓与连接板6相连；上气室20的密封以及限位橡胶堆的固定方法与下气室21相同；整个上气室20通过上气室盖板7上的6个均布螺栓与连接板6相连。组装完的空气弹簧上端，通过上气室底座11上的6个均布螺栓孔与上固定端用螺栓刚性固定；空气弹簧下端，通过下气室底座1上的6个均布螺栓孔与下固定端用螺栓刚性固定。
所述空气弹簧的组装顺序是，为方便空气弹簧上部有足够组装空间，在上下两部分别组装完毕后，先把连接板6组装到密封后的上气室上，然后再将上气室和连接板的整体与下气室组装。
以上结构中，所述下气室气囊2的下端通过下气室底座1和下气室压板3的挤压实现密封，下气室底座1和下气室压板3又通过螺栓连接，这样可避免横向移动造成空气弹簧漏气的问题。同理，上气室气囊也采用该方法保证横向运动的密封性。下气室和上气室的限位橡胶堆4和9是为防止在极端工况下个多大冲击，起到缓冲作用。底座上的12、19为底座加强板，是为在使用过程总保证底座有足够的刚度。盖板上的固定螺栓15、16采用凸台式的结构如图4所示，其长度为保证进排气口安装的最小高度。
所述空气弹簧上部的上气室20，通过上气室进气孔13和上气室排气孔14的启闭实现上气室高度和刚度的变化，空气弹簧下部的下气室21，通过下气室进气孔18和下气室排气孔17的启闭实现下气室高度和刚度的变化。上气室主要进行高度姿态调整，下气室主要负责刚度的调整，因此上部空气弹簧具备垂向变形大的特点，为实现高度在较大范围内调节，故空气弹簧上部垂向尺寸较大；空气弹簧下部在保证高度改变的情况下还需保证一定的刚度变化范围，故空气弹簧下部径向尺寸较大。
通常，为满足高度调节要求，上部空气弹簧气室的高度和下部空气弹簧气室高度满足1.5：1的比例关系。如设计空气弹簧气室部分总高度为200mm，上气室高度即为120mm，下气室高度为80mm。径向尺寸可根据刚度要求大致确定，如上气室径向尺寸D为60mm，则下气室径向尺寸约为120mm左右。再根据上下气室刚度设计要求，即上气室最大静刚度K2大于下气室最大静刚度K1一倍及以上，确定帘线层参数、橡胶厚度以及活塞直径。以保证调节要求。
按以上方式连接即获得两个独立的密封气室，两个气室分别于外部气体装置连接，通过分别控制进气量多少和排气门的启闭来控制上下气室内压力的大小，从而得到两个气室不同的高度和刚度。通过不同的气压组合，可以实现一个高度条件下对应多个刚度和一个刚度条件下对应多个高度，从而实现了整个高度与刚度解耦的膜式空气弹簧的高度和刚度独立调节。
由以上实施例可见，本发明设计的是一种新的空气弹簧结构，实现空气弹簧高度和刚度解耦的功能，在体积和安装方式及所需安装空间上与普通空气弹簧相似。其是根据空气弹簧需要调节的高度和刚度调节范围，采用串联两个刚度可调，且刚度调节范围不同的气囊的方法，通过上下串联的布局的形式，明确两个气囊各自的密封方式、上下两个膜式空气弹簧的连接形式，在该结构形式下，使用充放气口便可以调节各自气压，利用不同气压组合，实现定刚度条件下高度可变和定高度条件下刚度可变功能。
本发明根据刚度值的大小，合理设计空气弹簧体积，可实现空气弹簧在轿车、高级大客车、货车等车型上高度和刚度的解耦，提升车辆舒适性。

Claims (4)

1.一种空气弹簧高度和刚度解耦方法，其特征在于，所述方法是根据空气弹簧需要调节的高度和刚度调节范围，采用两个刚度和高度可随室内气压变化且刚度调节范围不同的独立气室，以上下布局的形式串联，两个气室中，一个气室的垂向变形尺寸较另一个大，另一个气室的径向变形尺寸较前一个大，两个气室均设计有进排气口，分别连接外部气体装置，单独对两气室充放气，通过分别控制进排气量来控制气室内压力的大小，获得不同的气压组合，从而得到两个气室不同的高度和刚度，实现定刚度条件下高度可变和定高度条件下刚度可变功能，实现空气弹簧的高度和刚度解耦；在设计之初所述上气室刚度K2大于下气室刚度K1一倍及以上。
2.根据权利要求1所述的空气弹簧高度和刚度解耦方法，其特征在于，所述上下两个串联的气室采用上囊式下膜式、上囊式下囊式、上膜式下囊式或上膜式下膜式。
3.根据权利要求1所述的空气弹簧高度和刚度解耦方法，其特征在于，所述上下两个串联的气室采用上膜式下膜式；
下气室（21）包括下气室底座（1）、下气室气囊（2）、下气室压板（3）、下气室限位橡胶堆（4）和下气室盖板（5）；所述下气室气囊（2）的上端卷曲压缩固定在下气室盖板（5）底部的卷曲空间内，形成下气室气囊（2）与下气室盖板（5）之间的气密密封；下气室气囊（2）的下端被下气室压板（3）的凸面与下气室底座（1）上端的凹面挤压固定；下气室限位橡胶堆（4）通过螺栓安装于下气室压板（3）的上部；下气室压板（3）通过螺栓安装于下气室底座（1）上；
上气室（20）包括上气室盖板（7）、上气室气囊（8）、上气室限位橡胶堆（9）、下气室压板（3）和上气室底座（11），结构形式与上气室相同，位置与上气室对称；
下气室和上气室通过各自的盖板与中间的连接板（6）相连，形成上下串联的整体。
4.根据权利要求3所述的空气弹簧高度和刚度解耦方法，其特征在于，在下气室和上气室各自的盖板上均设置所述进排气口。
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