CN114475128A - 一种前支柱总成及车辆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种前支柱总成及车辆，包括减振器、弹簧上座、弹簧下座和两个斜向弹簧，所述弹簧上座和弹簧下座分别与减振器上、下端固定连接，所述两个斜向弹簧上、下端分别与弹簧上座和弹簧下座固定连接，且所述两个斜向弹簧以减振器轴线为中心线对称布置；当两个斜向弹簧处于非平衡状态时

，其中

为处于非平衡状态时两个斜向弹簧中心线夹角的一半，

为处于平衡状态时两个斜向弹簧中心线夹角的一半。其能够实现前支柱支撑整体成为弹性系数可变的软性弹簧，有效控制地面激励向车体的传递，提升整车舒适性及燃油经济性。

Description

一种前支柱总成及车辆

技术领域

本发明涉及汽车悬架系统，具体涉及前支柱总成及车辆。

背景技术

汽车前悬架系统的作用是传递汽车前部与地面之间的各种力各力矩，约束汽车与地面之间的相对运动。其有四大功能：支承、缓冲、减振、导向。而前支柱的在支承、缓冲、减振三项功能中起着主要作用。

一直以来，研究汽车悬架系统的弹性元件，以减小汽车行驶过程中路面激励向车体的传递，提高汽车的行驶舒适性，人们研究出了变簧径、变节距、渐并紧等各式各样弹簧用于汽车悬架系统，但是不管变簧径、变节距还是渐并紧弹簧，都是属于硬性弹簧(弹性系数逐渐增大)，根据振动传递理论及汽车行驶过程中运动特性，其在阻隔地面激励向车体传递的作用始终不如软性弹簧(弹性系数逐渐减小)。使用硬性弹簧除了会导致汽车舒适性提升困难外，由于地面激励向车体传递率的增大，同时会增大汽车行驶过程中的能量损耗，增大汽车行驶的油耗。目前所有汽车的前支柱弹簧都属于硬性弹簧，还没有使用软性弹簧的汽车前支柱总成。

发明内容

本发明的目的是提供一种前支柱总成及车辆，其能够实现前支柱支撑整体成为弹性系数可变的软性弹簧，有效控制地面激励向车体的传递，提升整车舒适性及燃油经济性。

本发明所述的前支柱总成，包括减振器、弹簧上座、弹簧下座和两个斜向弹簧，所述弹簧上座和弹簧下座分别与减振器上、下端固定连接，所述两个斜向弹簧上、下端分别与弹簧上座和弹簧下座固定连接，且所述两个斜向弹簧以减振器轴线为中心线对称布置；当两个斜向弹簧处于非平衡状态时

其中θ为处于非平衡状态时两个斜向弹簧中心线夹角的一半，θ₀为处于平衡状态时两个斜向弹簧中心线夹角的一半。

进一步，收集前支柱总成的边界条件，依据边界条件并通过几何运算反复修正并确定斜向弹簧刚度K₀、处于平衡状态时两个斜向弹簧中心线夹角2θ₀、处于平衡状态时两个斜向弹簧上下安装点的高度差h₀。

进一步，所述边界条件包括前支柱总成的布置空间、行程、最大弹性力及平衡位置弹性力。

进一步，所述斜向弹簧上端与弹簧上座、斜向弹簧下端与弹簧下座通过柔性铰接、球铰接或柱铰接固定。

进一步，所述弹簧上座呈倒“V”型，弹簧上座中部设有与减振器上端固定连接的第一安装部，弹簧上座前、后端设有与斜向弹簧上端固定连接的第二安装部；所述弹簧下座呈“V”型，弹簧下座中部设有与减振器下端固定连接的第三安装部，弹簧下座前、后端设有与斜向弹簧上端固定连接的第四安装部。

一种车辆，包括悬架系统，所述悬架系统包括上述的前支柱总成。

本发明通过将两个斜向弹簧及减振器组合形成前支柱总成的弹性元件，组合时两个斜向弹簧中心线形成一定角度，限定了两个斜向弹簧处于非平衡状态时

保证了前支柱总成工作时具有软性弹簧特性，当汽车行驶过程中遇到冲击时，斜向弹簧逐渐被压缩，前支柱总成的弹性元件整体的弹性系数逐渐减小，使得力和位移的传导同时减小，从而提高汽车的行驶舒适性。同时由于力乘以位移为功，那么力和位移的传导同时减小，将减小路面冲振动冲击能量向车体传递，从而减小了汽车行驶过程中的能量散逸，达到了节油的目的。

附图说明

图1是本发明所述前支柱总成的结构示意图；

图2是本发明所述减振器的结构示意图；

图3是本发明所述弹簧上座的结构示意图；

图4是本发明所述弹簧下座的结构示意图；

图5是本发明所述斜向弹簧的结构示意图；

图6是本发明所述前支柱总成的工作示意图；

图7是作用在非悬挂质量上的弹性作用力图；

图8是悬架系统单自由度振动模型示意图；

图9是悬架系统力传递模型示意图；

图10是旋转矢量法表示的悬架系统力传递示意图；

图11是不同阻尼系数下力的传导率η_力与λ₁的关系曲线；

图12是悬架系统位移传递模型示意图；

图13是不同阻尼系数下位移传导率η_位移与λ₂的关系曲线。

图中，1—减振器，2—弹簧上座，21—第一安装部，22—第二安装部，3—弹簧下座，31—第三安装部，32—第四安装部，4—斜向弹簧，5—制动盘。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

参见图1至图5，所示的前支柱总成，包括减振器1、弹簧上座2、弹簧下座3和两个斜向弹簧4，所述弹簧上座2和弹簧下座3分别与减振器1上、下端固定连接，所述减振器1下部与制动盘5连接。所述两个斜向弹簧4上、下端分别与弹簧上座2和弹簧下座3固定连接，且所述两个斜向弹簧4以减振器1轴线为中心线对称布置，参见图6，两个斜向弹簧4上端与弹簧上座2连接的两个上安装支点和两个斜向弹簧4上端与弹簧下座3连接的两个下安装支点的连线为等腰梯形。

所述弹簧上座2呈倒“V”型，弹簧上座2中部设有与减振器1上端固定连接的第一安装部21，弹簧上座2前、后端设有与斜向弹簧4上端固定连接的第二安装部22。所述弹簧下座3呈“V”型，弹簧下座3中部设有与减振器1下端固定连接的第三安装部31，弹簧下座3前、后端设有与斜向弹簧4上端固定连接的第四安装部32。

根据弹簧布置角度的大小及工作过程角度变化的大小，确定所述斜向弹簧4上端与弹簧上座2、斜向弹簧4下端与弹簧下座3通过柔性铰接、球铰接或柱铰接固定，柔性铰接只能在工作过程角度变化较小的情况下采用。

所述弹簧上座2和弹簧下座3采用压铸并机加成形，弹簧上座2与减振器1上、下端的连接方式与常规的麦弗逊式前支柱总成的连接方式相同。所述弹簧下座3与减振器1下端的连接能够采用焊接、螺栓装配或与转向节一体成型。所述弹簧上座2和弹簧下座3之间需保证只有减振器1轴线方向一个自由度。

为了保证前支柱总成工作时具有软性弹簧特性，限定了当两个斜向弹簧处于非平衡状态时

其中θ为处于非平衡状态时两个斜向弹簧中心线夹角的一半，θ₀为处于平衡状态时两个斜向弹簧中心线夹角的一半。

参见图6，将前支柱总成结构简化，其中2a为两个斜向弹簧下安装支点中心距，2b为两个斜向弹簧上安装支点中心距，2θ₀为两个斜向弹簧处于平衡位置O点时的夹角，2θ为两个斜向弹簧处于非平衡位置X点时的夹角，l₀为两个斜向弹簧处于平衡位置O点时的长度，l为两个斜向弹簧处于非平衡位置X点时的长度，K₀为斜向弹簧处于平衡位置O点时弹性系数，h₀为斜向弹簧处于平衡位置O点时上下安装支点高度差，h为斜向弹簧处于非平衡位置X点时上下安装支点高度差。

前支柱总成在工作过程中作用在非悬挂质量上的弹性作用力如图7所示，

分别分两个斜向弹簧的弹力，F为两个斜向弹簧弹力的合力，也即F为可控制弹性系数变化的前支柱总成在车体与轮边非簧载质量之间传递的弹性力，由图6的几何关系可知：

F＝2K₀(l₀-l)cosθ (2)

F＝kx＝2K₀(l₀cosθ-h₀+x)＝2K₀(h₀cosθ/cosθ₀-h₀+x) (3)

其中，k＝2K₀+2K₀h₀(cosθ/cosθ₀-1)/x， (4)

x＝h₀(1-tanθ₀cosθ)。 (5)

由式(2)、(3)、(4)、(5)推出：

F＝kx＝2K₀(h₀cosθ/cosθ₀-h₀tanθ₀cotθ)； (6)

k＝2K₀+2K₀(cosθ/cosθ₀-1)/(1-tanθ₀cotθ)； (7)

对F、K分别进行求导得到：

F′＝2K₀h₀(sinθ₀-sin³θ)/(cosθ₀sin²θ)；(8)

根据式(9)可知，为了保证斜向弹簧压缩过程中的弹性系数变化为减函数，K′需小于零，由于该计算式分母始终大于零，分子在θ∈(θ₀，π/2)时，第一项及第三项始终小于零，只要使第二项小于等于0，则可保证K′小于零，即：sinθ₀-cosθ≤0；

根据正余弦函数的性质可知：当θ∈(θ₀，π/2-θ₀)时必有：sin_θ0-cosθ≤0。

故当θ∈(θ₀，π/2-θ₀)时K′必小于零，K随θ角增大而减小，故斜向弹簧在向上压缩运动的过程中为弹性系数逐渐减小的软性弹簧。

同时根据式(8)，为了保证F为增函数，即汽车悬架在工作过程中遇到冲击时，斜向弹簧压缩，其弹力必须为行程的增函数，即随行程的增大斜向弹簧回复力逐渐增大，须有：sinθ₀-sin³θ＞0，即：

式(11)主要是在θ₀取值较大时，在设计上限制前支柱支撑压缩工作行程，防止行程过大反而使弹簧工作弹力减小。在θ₀取值较小时，前支柱支撑在工作行程中θ值变化较小，实际一般不会有该方面的情况产生。求出前支柱总成的最大压缩行程，即：

因此当两个斜向弹簧处于非平衡状态时

其中θ为处于非平衡状态时两个斜向弹簧中心线夹角的一半，θ₀为处于平衡状态时两个斜向弹簧中心线夹角的一半，保证了前支柱总成工作时具有软性弹簧特性，即当汽车行驶过程中遇到冲击时，斜向弹簧逐渐被压缩，前支柱总成的弹性元件整体的弹性系数逐渐减小。

以常规的前悬架设计方法确定前支柱总成的边界条件:布置空间、行程、最大弹性力、平衡位置弹性力，进而根据上述式(1)、(2)、(11)、(12)并结合前支柱总成的边界条件反复修正并确定K₀、θ₀、h₀值，从而最终确定前支柱支撑的结构参数a、b、K₀、θ₀、h₀的值。同时根据弹簧尺寸大小、前悬空间尺寸、工作行程等确定斜向弹簧与弹簧上座、弹簧下座之间的连接形式以及弹簧上、下座之间是否需要弹簧导向杆等

进一步,通过模型分析上述前支柱总成使用在汽车上的优势，采用的前悬架系统设定为独立悬架系统，参见图8，将悬架系统模型简化为单自由度振动模型，m₁为车体重量，m₂为非簧载重量，O₁为车体平衡位置点，O₂为非簧载质量块平衡位置点，O₃为轮胎平衡位置点，X₁为车体位移，X₂为非簧载质量质心位移，X₃为轮胎位移，c为减振器的阻尼系数，K₁为车体与非簧载重量之间的弹性系数，K₂为非簧载重量与地面之间的弹性系数。

为了方便研究，将图8所示的悬架系统单自由度振动模型分为力的传递模型及位移传递模型两个模型进行研究。参见图9，在力的传递模型中，由于车体重量m₁远大于非簧载重量m₂,因此能够假设车体为固定状态，来看非簧载重量m₂振动过程中向车体m₂的传力情况。得到非簧载重量m₂的振动方程：

H为非簧载重量m₂力的振幅，ω为角速度，t为时间。令

则振动方程简化为：

该二阶微分方程的通解由两部分构成：对应的齐次方程的通解和该方程的一个特解，其解为：

其中A、r、β、B₂、ε为常数。

式(15)右端第一项为Ae^-rtsin(ω₂+β)衰减振动，经过短暂时间，即趋于衰减，称瞬态响应。最后得到持续的等幅振动，称稳态响应，即系统的受迫振动：

B₂sin(ωt-ε)。 (16)

将式(16)代入微分方程式(13)，化简后得到受迫振动的振幅和位相差：

其中：

根据式(13)和式(16)可知，汽车在行驶中非簧载重量振动时，通过斜向弹簧传到车身上的力为：

通过阻尼器传到车身上的力为：

它们以相同的频率作简谐变化，但相位差90度。参见图10，用旋转矢量表示，则悬架系统的缓冲减振元件传给车身的力的最大值为：

可知悬架力的传导率：

参见图11，根据式(20)得到不同阻尼情况下的曲线，即得到ζ₁为0、0.125、0.2、0.35、0.7和2.0时λ₁与η_力的关系曲线，当λ₁>1之后，η_力始终是λ₁的减函数，即随λ₁增大力的传导率η_力减小，而对软性弹簧来讲，随着路面振幅的增大，弹性系数k₁减小，ω₂增大，λ₁增大，力的传导减小。故本发明所述前支柱总成结构能够在汽车行驶过程中降低路面冲击，减少路面冲击力向车身传导。

进一步，我们来研究悬架的位移传递模型，根据前述图8所示简化的悬架单自由度振动模型，假设路面传递到非簧载质量的振动为：

x₂＝d sinωt， (21)

式中，d为非簧载重量m₂位移的振幅，参见图12，将位移传递模型简化，确定车体m₁的振动微分方程为：

其中：

同样令：

则方程(22)变为：

由受迫振动理论可知，车体m₁的振动方程应为：

x₁＝B₁sin(ωt-ε)。 (25)

将式(25)代入微分方程(24)中可得:

式中：

则位移传导率为：

参见图13，根据式(27)得到不同阻尼情况下的曲线，即得到ζ₁为0、0.125、0.2、0.35、0.7和2.0时λ₂与η_位移的关系曲线，当λ₂＞1之后，不管阻尼为多大，η_位移始终是λ₂的减函数，即随λ₂增大力的位移传导率减小，而对软性弹簧来讲，随着路面振幅的增大，斜向弹簧弹性系数k₁减小，ω₁增大，λ₂增大，位移向车体m₁的传导减小。故本发明所述前支柱总成结构能够在汽车行驶过程中降低非簧载重量振动位移向车身的传导，也就减少了路面不平度向车身的传导。

综合力传导率和位移传导率的研究可以知道，采用本发明所述软性弹簧的前支柱总成时，当汽车行驶过程中遇到冲击时，由于前支柱总成的弹性系数减小，使得力和位移的传导同时减小，从而提高了汽车的行驶舒适性。同时由于力乘以位移为功，那么力和位移的传导同时减小，将减小路面冲振动冲击能量向车体传递，从而减小了汽车行驶过程中的能量散逸，达到了节油的目的。

一种车辆，包括悬架系统，所述悬架系统包括上述的前支柱总成。

以上所述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 (6)

1.一种前支柱总成，其特征在于：包括减振器、弹簧上座、弹簧下座和两个斜向弹簧，所述弹簧上座和弹簧下座分别与减振器上、下端固定连接，所述两个斜向弹簧上、下端分别与弹簧上座和弹簧下座固定连接，且所述两个斜向弹簧以减振器轴线为中心线对称布置；

当两个斜向弹簧处于非平衡状态时，

其中θ为处于非平衡状态时两个斜向弹簧中心线夹角的一半，θ₀为处于平衡状态时两个斜向弹簧中心线夹角的一半。

2.根据权利要求1所述的前支柱总成，其特征在于：收集前支柱总成的边界条件，依据边界条件并通过几何运算反复修正并确定斜向弹簧刚度K₀、处于平衡状态时两个斜向弹簧中心线夹角2θ₀、处于平衡状态时两个斜向弹簧上下安装点的高度差h₀。

3.根据权利要求2所述的前支柱总成，其特征在于：所述边界条件包括前支柱总成的布置空间、行程、最大弹性力及平衡位置弹性力。

4.根据权利要求1或2所述的前支柱总成，其特征在于：所述斜向弹簧上端与弹簧上座、斜向弹簧下端与弹簧下座通过柔性铰接、球铰接或柱铰接固定。

5.根据权利要求1或2所述的前支柱总成，其特征在于：所述弹簧上座呈倒“V”型，弹簧上座中部设有与减振器上端固定连接的第一安装部，弹簧上座前、后端设有与斜向弹簧上端固定连接的第二安装部；

所述弹簧下座呈“V”型，弹簧下座中部设有与减振器下端固定连接的第三安装部，弹簧下座前、后端设有与斜向弹簧上端固定连接的第四安装部。

6.一种车辆，包括悬架系统，其特征在于：所述悬架系统包括权利要求1～5任一项所述的前支柱总成。

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