CN114475135A - 一种油气互联悬架系统侧倾刚度的调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油气互联悬架系统侧倾刚度的调节方法，包括多组左右对称的第一液压缸和第二液压缸，第一蓄能器入口处通过液压管路与第一上腔室连通，第一蓄能器入口处还通过液压管路和第一液压阀与第二下腔室连通，第二蓄能器入口处通过液压管路和第二液压阀与第一下腔室连通，第二蓄能器入口处还通过液压管路与第二上腔室连通，第一蓄能器和第二蓄能器入口处与液压动力装置连通，液压动力装置通过向第一蓄能器和第二蓄能器入口处第一液压管路和第二液压管路中充油或排油进行悬架侧倾刚度的调整。本发明充分地考虑了可实施性和成本，用较为简单的结构和操作即可调节悬架的侧倾刚度特性，从而显著提高重型车辆的操纵稳定性和路面保持能力。

Description

一种油气互联悬架系统侧倾刚度的调节方法

技术领域

本发明涉及汽车悬架技术领域，具体说是一种油气互联悬架系统侧倾刚度的调节方法。

背景技术

从车辆行驶安全的角度考虑，侧倾稳定性是车辆的重要设计标准之一。由于商用卡车的大载货量和高重心位置，对其侧倾稳定性的要求比轻型车辆更为严格。此外，对于车辆宽度的限制会导致在转弯时产生较大的横向载荷转移，从而导致较差的侧倾稳定性。失控的重型车辆会对其驾驶员以及其他车辆和行人造成危险和严重伤害。因此，人们开发了很多控制系统以提高车辆的侧倾稳定性，如防侧倾杆、适用于轿车和卡车的电子稳定控制系统(ESC)、适用于铰接式车辆的侧倾稳定控制系统(RSC)、适用于重型商用车辆的平衡空气悬架等。此外，悬架系统的防侧倾特性对于限制簧载质量的横向载荷转移从而保持车辆稳定性方面起着至关重要的作用。一般来说，车辆在高速和低速时对悬架有不同的要求。在高速行驶情况下，需要悬架具有良好的稳定性，以减少车辆的侧倾角。在越野路面上驾驶时，需要悬架具有更好抓地力(更好地分配所有车轮上的负载)。因此，在铺面路行驶条件下，首选具有高侧倾刚度的悬架；在越野路面行驶条件下，需要有较低侧倾刚度的悬架。对于重型商用卡车来说，这些相互矛盾的需求点应同时满足。目前，重型车辆的悬架技术利用空气弹簧和防侧倾杆以提供一定的侧倾刚度，该方式很难适应多变的驾驶工况。因此，为了实现悬架可调节侧倾刚度的功能，我公司设计了一种油气互联悬架系统，以及可以控制该系统侧倾刚度的方法，使其可根据道路、行驶条件以及车辆负载的变化来调整悬架的侧倾刚度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种油气互联悬架系统侧倾刚度的调节方法，该油气互联悬架系统侧倾刚度的调节方法也可以应用于单轴悬架系统，并可以方便地扩展到多轴悬架系统。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种油气互联悬架系统侧倾刚度的调节方法，包括多组左右对称的第一液压缸和第二液压缸，第一液压缸和第二液压缸内部分别设置有活塞，活塞将第一液压缸分为第一上腔室和第一下腔室，活塞将第二液压缸分为第二上腔室和第二下腔室，活塞的上表面分别固定贯穿第一液压缸和第二液压缸的活塞杆，每条活塞杆的上端用于支撑连接簧载质量，第一液压缸和第二液压缸的底部用于连接簧下质量，第一蓄能器入口处通过第一液压管路与第一上腔室连通，第一蓄能器入口处还通过第一液压管路和第一液压阀与第二下腔室连通，第二蓄能器入口处通过第二液压管路和第二液压阀与第一下腔室连通，第二蓄能器入口处还通过通过第二液压管路与第二上腔室连通，第一液压缸和第二液压缸的一侧还分别设置有用于支撑和连接簧载质量和簧下质量的空气弹簧，第一蓄能器和第二蓄能器入口处与液压动力装置连通，液压动力装置通过向第一蓄能器和第二蓄能器入口处第一液压管路和第二液压管路中充油或排油进行悬架侧倾刚度的调整。

进一步地，包括两个缸式蓄能器，每个缸式蓄能器包括两端的第一油室和第二油室，第一油室和第二油室之间通过气室分开，其中第一油室与液压动力装置连通，另外第二油室分别与第一蓄能器入口处的对应液压管路连通；液压动力装置向每个缸式蓄能器的第一油室充入或移除油液，间接地控制各对应液压管路中的压力升高或降低，从而对悬架侧倾刚度进行调节。

作为优选，使用气体压缩装置代替液压动力装置，且气体压缩装置通过气管与第一蓄能器和第二蓄能器的气室连通，通过压缩或扩充第一蓄能器和第二蓄能器气室内的气体，间接地控制第一蓄能器和第二蓄能器入口处第一液压管路和第二液压管路内的液压变化，从而对悬架侧倾刚度进行调节。

进一步地，气体压缩装置共两组，其中一组与第一蓄能器的气室连通，另一组与第二蓄能器的气室连通，每组气体压缩装置分别包括油气缸和液压泵，每个油气缸的油室与气室通过密封活塞隔开，每个液压泵进油端与油箱连通，每个液压泵出油端与油气缸的油室连通，油气缸的气室则与对应第一蓄能器或第二蓄能器的气室连通。

作为优选，使用空气悬架的空气供给单元代替液压动力装置，还包括两个增压器，每个增压器的两端分别设置有增压气室、增压油室，每个增压器的增压气室、增压油室通过位于增压气室一侧的气室活塞和位于增压油室一侧的油室活塞隔开，且增压气室的直径大于增压油室的直径，每个增压器的增压油室分别与对应的第一蓄能器或第二蓄能器入口处的液压管路连通，每个增压器的增压气室分别与空气悬架的空气供给单元连通。

进一步地，同一个增压器的气室活塞与油室活塞通过连杆固定连接。

通过以上设置，本发明给出了多种该油气互联悬架系统侧倾刚度的调节方法，可调节侧倾刚度意味着可以通过改变第一蓄能器和第二蓄能器中的初始气压方便地调节互联悬架系统的侧倾刚度特性。较高的侧倾刚度需要更高的系统压力，这可以通过对第一蓄能器和第二蓄能器加压来实现。类似地，通过降低第一蓄能器和第二蓄能器中的气压可以实现较低的侧倾刚度。

本发明具有以下优点：

1.本发明的互联悬架系统具有非线性的侧倾刚度，即随着悬架相对侧倾角的增大，其侧倾刚度随之增大。因此，悬架系统可以提供优异的侧倾稳定性，避免车辆侧翻。

2.本发明的互联悬架系统具有侧倾刚度易于调节的特点，可适配不同的车型。制造商可以通过调整蓄能器的初始气压，以实现不同的侧倾刚度，从而满足不同用户的需求。

3.本发明的互联悬架系统结构可以容易地扩展并应用于多轴悬架系统。

本发明充分地考虑了可实施性和成本，用较为简单的结构和操作即可调节悬架的侧倾刚度特性，从而显著提高重型车辆的操纵稳定性和路面保持能力。

附图说明

现结合附图对本发明做进一步说明。

图1为本发明油气互联悬架系统的结构示意图；

图2为本发明实施例1的结构示意图；

图3为本发明实施例2的结构示意图；

图4为本发明实施例3的结构示意图；

图5为本发明实施例4的结构示意图；

图6为本发明的系统建模动力学模型原理图；

图7为本发明油气互联悬架系统的侧倾刚度相对于悬架相对侧倾角的曲线图；

图8为本发明的使用状态结构简图。

具体实施方式

实施例1

如图1、图2所示，一种油气互联悬架系统侧倾刚度的调节方法，包括多组左右对称的第一液压缸1和第二液压缸2，第一液压缸1和第二液压缸2内部分别设置有活塞3，活塞3将第一液压缸1分为第一上腔室4和第一下腔室5，活塞3将第二液压缸2分为第二上腔室6和第二下腔室7，活塞3的上表面分别固定贯穿第一液压缸1和第二液压缸2的活塞杆8，每条活塞杆8的上端用于支撑连接簧载质量9，第一液压缸1和第二液压缸2的底部10用于连接簧下质量16，第一蓄能器11入口处通过第一液压管路19与第一上腔室4连通，第一蓄能器11入口处还通过第一液压管路19和第一液压阀14与第二下腔室 7连通，第二蓄能器12入口处通过第二液压管路13和第二液压阀15 与第一下腔室5连通，第二蓄能器12入口处还通过通过第二液压管路 13与第二上腔室6连通，第一液压缸1和第二液压缸2的一侧还分别设置有用于支撑和连接簧载质量9和簧下质量16的空气弹簧17，第一蓄能器11和第二蓄能器12入口处与液压动力装置18连通，液压动力装置18通过向第一蓄能器11和第二蓄能器12入口处第一液压管路 19和第二液压管路13中充油或排油进行悬架侧倾刚度的调整。

实施例2

如图3所示，一种油气互联悬架系统侧倾刚度的调节方法，在实施例 1的基础上使用气体压缩装置代替液压动力装置18，且气体压缩装置通过气管与第一蓄能器11和第二蓄能器12的气室连通，通过压缩或扩充第一蓄能器11和第二蓄能器12气室内的气体，间接地控制第一蓄能器11和第二蓄能器12入口处第一液压管路19和第二液压管路 13内的液压变化；

气体压缩装置共两组，其中一组与第一蓄能器11的气室连通，另一组与第二蓄能器12的气室连通，每组气体压缩装置分别包括油气缸101 和液压泵102，每个油气缸101的油室与气室通过密封活塞103隔开，每个液压泵102的进油端与油箱104连通，每个液压泵102出油端与油气缸101的油室连通，油气缸101的气室则与对应第一蓄能器11或第二蓄能器12的气室连通。

通过从油箱104向油气缸101中充入液压油，密封活塞板103向外移动，从而导致蓄能器中的气体压缩，进而液压回路管13中的压力升高。

实施例3

如图4所示，一种油气互联悬架系统侧倾刚度的调节方法，在实施例 1的基础上还包括两个缸式蓄能器201，每个缸式蓄能器201包括两端的第一油室202和第二油室203，第一油室202和第二油室203之间通过气室204分开，其中第一油室202与液压动力装置18连通，另外第二油室203分别与第一蓄能器11入口处的对应液压管路连通；液压动力装置18向每个缸式蓄能器201的第一油室202充入或移除油液，间接地控制各对应液压管路中的压力升高或降低。

通过向这两个第一油室202充入或移除一定量的油液，间接经过蓄能器气室204控制两个第二油室203中的压力会相应地升高或降低，从而使两处蓄能器入口处液压回路管压力相应地升高或降低。

实施例4

如图4所示，一种油气互联悬架系统侧倾刚度的调节方法，在实施例 1的基础上使用空气悬架的空气供给单元301代替液压动力装置18，还包括两个增压器302，每个增压器302的两端分别设置有增压气室 303、增压油室304，每个增压器302的增压气室303、增压油室304 通过位于增压气室303一侧的气室活塞305和位于增压油室304一侧的油室活塞306隔开，且增压气室303的直径大于增压油室304的直径，每个增压器302的增压油室304分别与对应的第一蓄能器11或第二蓄能器12入口处的液压管路连通，每个增压器302的增压气室303 分别与空气悬架的空气供给单元301连通，同一个增压器302的气室活塞板305与油室活塞板306通过连杆307固定连接。

通过控制空气悬架的气动系统301，使各增压器302的增压气室303 的气压发生变化，从而推动各活塞板使相应的增压油室304压力发生变化，进而使对应蓄能器入口处液压回路管13压力相应地升高或降低，该系统通常可将气压调节至7bar。

空气悬架的气动系统301最初是为了调节空气悬架系统中空气弹簧内部气压，其可以用来调整悬架高度和垂向刚度。因此，该新型增压器的设计可以利用现有的气动系统，不需要额外的液压泵或液压动力装置。

使用这种增压器的好处之一是降低系统所需的气压，由于气室活塞板 305与油室活塞板306之间的面积差异，在增压气室303中施加相对较低的气压即可在增压油室304中产生较高的油压，由于高气压是互联悬架系统中一个潜在安全隐患，因此该增压器的设计可以利用低气压获得高气压的推动效果，可以消除高气压带来的潜在风险。

下面将结合系统建模对本发明进行原理性的详细说明。

主要方程

通孔与液压阀：通孔一般具有非线性的压力-流量特性，且在液压系统中起着重要作用。建模时使用了一个简化的通孔模型，该模型假设通孔内部的液体体积可忽略不计，且压力损失与流量呈线性关系。因此，通孔方程可以写为

液压缸：随着簧载质量和簧下质量的相对运动，液压缸上下腔内的容积也会发生变化。考虑到流体的可压缩性，微分方程可写为

式中，A是活塞面积，Δz是悬架相对位移，V是腔室的体积,ΔP是腔室中的压降，β是体积模量，Q是相应的流量。

蓄能器：假设蓄能器内部均为绝热过程，其中油液的压缩性可忽略，因为油液刚度远大于氮气刚度。根据理想气体定律，蓄能器气室中任何时刻的气体压力和体积有如下关系：

式中，P₀和V₀是车辆静止状态下蓄能器的气体压力和体积，n是气体多变系数，P₁和V₁是蓄能器的工作压力和体积。

此处以双轴悬架为例，对互联油气悬架系统的动力学模型进行介绍，如图6所示。其中包括簧载质量、两个驱动桥、四个液压缸，这些液压缸通过液压管、蓄能器和液压阀相互连接。该模型考虑了四个车轮的垂向运动(z_w1，z_w2，z_w3，z_w4)以及簧载质量的垂向z_s、侧倾

和俯仰θ_s运动。另外，车辆系统建模基于ISO-8855中定义的笛卡尔坐标系。

首先，根据悬架的相对位移，计算出液压缸上下腔室的容积。假设液压缸在车辆静止状态下的压缩与拉伸行程分别为S₁和S₂，则八个液压缸腔室内容积可分别表示为

V₁＝-A₁Δz₁+A₁S₁

V₂＝A₂Δz₁+A₂S₂

V₃＝A₂Δz₃+A₂S₂

V₄＝-A₁Δz₃+A₁S₁

V_s＝-A₁Δz₂+A₁S₁

V₆＝A₂Δz₂+λ₂S₂

V₇＝A₂Δz₄+A₂S₂

V₈＝-A₁Δz₄+A₁S₁

其中Δz₁(左前)、Δz₂(左后)、Δz₃(右前)和Δz₄(右后)表示在液压缸四个安装位置处的悬架相对位移。

其次，根据前一时刻的悬架相对速度和系统内部压力，可通过方程(1) 和方程(2)计算当前时刻液压缸内部油压关于时间的一阶导数。

式中

式中

式中

式中

式中

式中

式中

式中

式中，C₁～C₈表示液压管路中的等效流阻参数。

根据蓄能器初始气体体积，可以迭代地计算出两个蓄能器内部的气体体积。

V₉＝V₀-∫(Q₁+Q₃+Q₅+Q₇)dt

V₁₀＝V₀-∫(Q₂+Q₄+Q₆+Q₈)dt

基于液压管路中的流量和蓄能器气体体积，蓄能器中的气压关于时间的一阶导数可根据方程(3)求得。

在悬架稳定状态下，其侧倾力矩可以写成

其中，l_s表示在同一车桥上的左右两个空气弹簧的横向距离的一半，l_d表示在同一车桥上的左右两个液压缸的横向距离的一半。

侧倾刚度可以通过悬架相对侧倾角和相对应的侧倾力矩求得，如下所示：

蓄能器中气体压力相对于时间的一阶导数可表示为

因此，悬架的侧倾刚度可以推导为

当假设气体多变系数n＝1时，上式可以简化为：

可以看出，由于蓄能器中的气体压缩现象，互联悬架的侧倾刚度随着悬架侧倾角的增加而增加。同时，与传统独立悬架相比，互联结构显著地增加了悬架的侧倾刚度。总的来说，该互联悬架系统可以提供优异的防侧倾性能，对于车辆行驶性能和操纵性能均有显著的提升效果，并且不需要配备侧倾稳定杆。请注意，传统的双轴悬架总侧倾刚度的 84％以上由防侧倾杆提供，只有一小部分由空气弹簧提供。该互联结构可提供足够的侧倾刚度，因此不需要再使用侧倾稳定杆。在下面的分析中，基于产品成本和可行性选择了表一中的参数作为示例进行分析。基于这些系统参数，该双轴互联悬架的侧倾刚度相对于悬架相对侧倾角的曲线如图7所示。可以看出，通过控制蓄能器的初始压力(在 1384psi至1730psi的压力范围内)，可以在很大程度上方便地改变悬架侧倾刚度。主要参数、描述以及数值如表一

表一

为了在各种行驶条件下合理地调整悬架的侧倾刚度，下面根据道路、行驶条件以及车辆载荷提出三种侧倾刚度的调整依据：

商用车辆的标定载荷通常会达到几十吨及以上。同时，车辆重心位置也会根据运输商品的质量和密度而变化。一般来说，悬架侧倾刚度应随着载荷的增加而增加。

当车辆在崎岖不平的道路上行驶时，需要更好的路面保持能力，即抓地力。因此，在越野道路上需要降低悬架的侧倾刚度。

当车辆在城市街道和高速公路等铺面路上行驶时，较高速度下的转弯和变道操作可能会导致车辆失稳和侧翻。在这种情况下，需要增加悬架的侧倾刚度，以保证车辆在高速行驶时的侧倾稳定性。

需要说明的是，液压管路的布置可根据车辆底盘的可用空间进行调整。该互联结构也适用于单轴、双轴及多轴悬架系统。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种油气互联悬架系统侧倾刚度的调节方法，包括多组左右对称的第一液压缸（1）和第二液压缸（2），第一液压缸（1）和第二液压缸（2）内部分别设置有活塞（3），活塞（3）将第一液压缸（1）分为第一上腔室（4）和第一下腔室（5），活塞（3）将第二液压缸（2）分为第二上腔室（6）和第二下腔室（7），活塞（3）的上表面分别固定贯穿第一液压缸（1）和第二液压缸（2）的活塞杆（8），每条活塞杆（8）的上端用于支撑连接簧载质量（9），第一液压缸（1）和第二液压缸（2）的底部（10）用于连接簧下质量（16），第一蓄能器（11）入口处通过第一液压管路（19）与第一上腔室（4）连通，第一蓄能器（11）入口处还通过第一液压管路（19）和第一液压阀（14）与第二下腔室（7）连通，第二蓄能器（12）入口处通过第二液压管路（13）和第二液压阀（15）与第一下腔室（5）连通，第二蓄能器（12）入口处还通过通过第二液压管路（13）与第二上腔室（6）连通，第一液压缸（1）和第二液压缸（2）的一侧还分别设置有用于支撑和连接簧载质量（9）和簧下质量（16）的空气弹簧（17），其特征在于：第一蓄能器（11）和第二蓄能器（12）入口处与液压动力装置（18）连通，液压动力装置（18）通过向第一蓄能器（11）和第二蓄能器（12）入口处第一液压管路（19）和第二液压管路（13）中充油或排油进行悬架侧倾刚度的调整。

2.如权利要求1所述的一种油气互联悬架系统侧倾刚度的调节方法，其特征在于：使用气体压缩装置代替液压动力装置（18），且气体压缩装置通过气管与第一蓄能器（11）和第二蓄能器（12）的气室连通，通过压缩或扩充第一蓄能器（11）和第二蓄能器（12）气室内的气体，间接地控制第一蓄能器（11）和第二蓄能器（12）入口处第一液压管路（19）和第二液压管路（13）内的液压变化。

3.如权利要求1所述的一种油气互联悬架系统侧倾刚度的调节方法，其特征在于：还包括两个缸式蓄能器（201），每个缸式蓄能器（201）包括两端的第一油室（202）和第二油室（203），第一油室（202）和第二油室（203）之间通过气室（204）分开，其中第一油室（202）与液压动力装置（18）连通，另外第二油室（203）分别与第一蓄能器（11）入口处的对应液压管路连通；液压动力装置（18）向每个缸式蓄能器（201）的第一油室（202）充入或移除油液，间接地控制各对应液压管路中的压力升高或降低。

4.如权利要求2所述的一种油气互联悬架系统侧倾刚度的调节方法，其特征在于：气体压缩装置共两组，其中一组与第一蓄能器（11）的气室连通，另一组与第二蓄能器（12）的气室连通，每组气体压缩装置分别包括油气缸（101）和液压泵（102），每个油气缸（101）的油室与气室通过密封活塞（103）隔开，每个液压泵（102）的进油端与油箱（104）连通，每个液压泵（102）出油端与油气缸（101）的油室连通，油气缸（101）的气室则与对应第一蓄能器（11）或第二蓄能器（12）的气室连通。

5.如权利要求1所述的一种油气互联悬架系统侧倾刚度的调节方法，其特征在于：使用空气悬架的空气供给单元（301）代替液压动力装置（18），还包括两个增压器（302），每个增压器（302）的两端分别设置有增压气室（303）、增压油室（304），每个增压器（302）的增压气室（303）、增压油室（304）通过位于增压气室（303）一侧的气室活塞（305）和位于增压油室（304）一侧的油室活塞（306）隔开，且增压气室（303）的直径大于增压油室（304）的直径，每个增压器（302）的增压油室（304）分别与对应的第一蓄能器（11）或第二蓄能器（12）入口处的液压管路连通，每个增压器（302）的增压气室（303）分别与空气悬架的空气供给单元（301）连通。

6.如权利要求5所述的一种油气互联悬架系统侧倾刚度的调节方法，其特征在于：同一个增压器（302）的气室活塞板（305）与油室活塞板（306）通过连杆（307）固定连接。

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