CN117002206A - 电磁式准零刚度空气悬架及汽车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁式准零刚度空气悬架及汽车，属于汽车悬架技术领域，包括空气弹簧机构和电磁弹簧机构，空气弹簧机构和电磁弹簧机构的顶部及底部分别设有上盖板及下底板，空气弹簧机构的两侧对称设有两个电磁弹簧机构；两个电磁弹簧机构为负刚度弹簧，空气弹簧机构为正刚度弹簧，并联设置在上盖板与下底板之间，组成准零刚度空气悬架；通过调整电磁弹簧机构的高度来抵消空气弹簧在伸缩时产生的恢复力，实现准零刚度。本发明结构简单、操作方便，能够实现较大区间范围的准零刚度，同时在悬架动挠度过大时电磁弹簧机构可停止参与工作，降低悬架撞击限位块的概率；且不受因空气弹簧簧载质量变化导致悬架静平衡位置改变的影响。

Description

电磁式准零刚度空气悬架及汽车

技术领域

本发明属于汽车悬架技术领域，尤其涉及一种电磁式准零刚度空气悬架及汽车。

背景技术

随着汽车保有量的增加，人们对于汽车的乘坐舒适性、行驶平顺性等提出了更高要求，使得悬架的性能需要进一步提升。

汽车悬架对于优化车身的垂向振动性能，降低路面传递给人体的力，提高汽车的乘坐舒适性和行驶平顺性起着至关重要的作用。空气弹簧具有较低的固有频率，悬架的刚度低可以大大的降低力的传递率，从而优化悬架的垂向性能。但是低刚度的悬架会大大降低汽车在静态时的承载能力，因此“高静低动”是理想的悬架性能。

基于此准零刚度悬架就具有“高静低动”的理性特性，常见的准零刚度悬架有螺旋弹簧形式、气动式、齿轮齿条等等。但是这些悬架均存在结构复杂、调节区间小的缺陷，同时当悬架弹簧的簧载质量发生变化时，就需要调整新的平衡位置，不利于汽车悬架上的应用。并且由于悬架动行程的限制，所以悬架在大动挠度需要大的刚度，来防止超过悬架动行程范围，但是负刚度会依然存在，从而大大增加了悬架撞击限位块的概率。

发明内容

本发明的目的是提供一种电磁式准零刚度空气悬架及汽车，旨在解决现有技术中准零刚度悬架存在结构复杂、调节区间小、操作繁琐、撞击限位块隐患大的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种电磁式准零刚度空气悬架，包括空气弹簧机构和电磁弹簧机构，所述空气弹簧机构和电磁弹簧机构的顶部设有上盖板，所述空气弹簧机构和电磁弹簧机构的底部设有下底板，所述空气弹簧机构的两侧对称设有两个电磁弹簧机构；两个电磁弹簧机构为负刚度弹簧，所述空气弹簧机构为正刚度弹簧，并联设置在上盖板与下底板之间，组成准零刚度空气悬架；通过调整电磁弹簧机构的高度来抵消空气弹簧在伸缩时产生的恢复力，实现准零刚度。

进一步的，当悬架静止时，所述电磁弹簧机构不通电，仅空气弹簧机构起支撑作用，即为静态高刚度；当悬架振动时，电磁弹簧机构通电后通过调整其高度抵消空气弹簧机构在压缩或拉伸时产生的恢复力，实现准零刚度，即为动态低刚度。

优选的，所述电磁弹簧机构为菱形电磁弹簧，包括四个边框及伸缩架，所述伸缩架为伸缩式结构、且设置于四个边框组成的框架内部，所述伸缩架的四个连接端分别与四个边框的内侧转动连接；四个边框分别为首尾依次转动相连的板Ⅰ、板Ⅱ、板Ⅲ和板Ⅳ，所述板Ⅰ及板Ⅲ相对的侧面上分别设有电磁铁Ⅰ及电磁铁Ⅱ，所述板Ⅱ及板Ⅳ相对的侧面上分别设有永磁铁Ⅰ及永磁铁Ⅱ，所述永磁铁Ⅰ及永磁铁Ⅱ相对的一侧磁极相反；所述伸缩架的四个连接端分别与四个边框的中部转动相连；通过改变电磁铁Ⅰ及电磁铁Ⅱ的通电线圈内电流大小和方向来调节其磁场强度和磁极，从而调节菱形电磁弹簧的刚度。

优选的，所述伸缩架包括可伸缩隔磁板Ⅰ和可伸缩隔磁板Ⅱ，所述可伸缩隔磁板Ⅰ和可伸缩隔磁板Ⅱ的中部转动相连，所述可伸缩隔磁板Ⅰ和可伸缩隔磁板Ⅱ的两端均为可伸缩的连接端；所述可伸缩隔磁板Ⅰ的两个连接端分别与板Ⅰ及板Ⅲ的中部转动相连，所述可伸缩隔磁板Ⅱ的两个连接端分别与板Ⅱ及板Ⅳ的中部转动相连。

优选的，所述板Ⅰ和板Ⅳ通过转轴Ⅰ转动相连，所述板Ⅰ和板Ⅱ通过转轴Ⅱ转动相连，所述板Ⅱ和板Ⅲ通过转轴Ⅲ转动相连，所述板Ⅲ和板Ⅳ通过转轴Ⅳ转动相连；所述可伸缩隔磁板Ⅰ的两个连接端分别与板Ⅰ及板Ⅲ通过转轴Ⅴ及转轴Ⅶ转动相连，所述可伸缩隔磁板Ⅱ的两个连接端分别与板Ⅱ和板Ⅳ通过转轴Ⅵ及转轴Ⅷ转动相连，所述可伸缩隔磁板Ⅰ和可伸缩隔磁板Ⅱ的中部通过转轴Ⅸ转动相连；所述转轴Ⅰ与上盖板相连，所述转轴Ⅲ与下底板相连。

优选的，所述板Ⅰ、板Ⅱ、板Ⅲ和板Ⅳ朝向内部的一侧均设有安装槽，所述电磁铁Ⅰ及电磁铁Ⅱ对应设置于板Ⅰ及板Ⅲ的安装槽内，所述永磁铁Ⅰ及永磁铁Ⅱ对应设置于板Ⅱ及板Ⅳ的安装槽内。

优选的，所述菱形电磁弹簧的四个边框及内部的伸缩架均为非导磁性或者弱导磁性材料。

优选的，所述永磁铁Ⅰ及永磁铁Ⅱ均为钕铁硼材料。

优选的，所述空气弹簧机构为膜式空气弹簧，所述膜式空气弹簧的上端与上盖板相连，所述膜式空气弹簧的下端通过底座与下底板相连。

本发明还提供一种汽车，包括上述的电磁式准零刚度空气悬架。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术相比，本发明通过在上盖板与下底板之间安装空气弹簧机构和电磁弹簧机构，两个作为负刚度的电磁弹簧机构对称设置于正刚度的空气弹簧机构两侧，组成准零刚度空气悬架；通过调整电磁弹簧机构的高度来抵消空气弹簧在伸缩时产生的恢复力，实现准零刚度。采用本发明结构简单、操作方便，能够实现较大区间范围的准零刚度，同时在悬架动挠度过大时电磁弹簧机构可停止参与工作，降低悬架撞击限位块的概率；且不受因空气弹簧簧载质量变化导致悬架静平衡位置改变的影响。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例提供的一种电磁式准零刚度空气悬架的结构示意图；

图2是图1中电磁弹簧机构的结构示意图；

图3是本发明实施例中电磁铁Ⅰ在板Ⅰ内的布置示意图；

图4是本发明中空气弹簧压缩时，电磁弹簧的工作状态示意图；

图5是本发明中空气弹簧拉伸时，电磁弹簧的工作状态示意图；

图中：10、空气弹簧机构；101、膜式空气弹簧；102、底座；

20、电磁弹簧机构；201、板Ⅰ；202、板Ⅱ；203、板Ⅲ；204、板Ⅳ；205、电磁铁Ⅰ；206、电磁铁Ⅱ；207、永磁铁Ⅰ；208、永磁铁Ⅱ；209、可伸缩隔磁板Ⅰ；210、可伸缩隔磁板Ⅱ；211、转轴Ⅰ；212、转轴Ⅱ；213、转轴Ⅲ；214、转轴Ⅳ；215、转轴Ⅴ；216、转轴Ⅵ；217、转轴Ⅶ；218、转轴Ⅷ；219、转轴Ⅸ；

30、上盖板；40、下底板。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明提供的一种电磁式准零刚度空气悬架包括空气弹簧机构10和电磁弹簧机构20，所述空气弹簧机构10和电磁弹簧机构20的顶部设有上盖板30，所述空气弹簧机构10和电磁弹簧机构20的底部设有下底板40，所述空气弹簧机构10的两侧对称设有两个电磁弹簧机构20；两个电磁弹簧机构20为负刚度弹簧，所述空气弹簧机构10为正刚度弹簧，并联设置在上盖板30与下底板40之间，组成准零刚度空气悬架；通过调整电磁弹簧机构20的高度来抵消空气弹簧在伸缩时产生的恢复力，实现准零刚度。具体过程如下：

当悬架静止时，所述电磁弹簧机构20不通电，仅空气弹簧机构10起支撑作用，即为静态高刚度；当悬架振动时，电磁弹簧机构20通电后通过调整其高度抵消空气弹簧机构10在压缩或拉伸时产生的恢复力，实现准零刚度，即为动态低刚度。该方案具有很大的开放性，可以控制电磁弹簧机构的电磁铁内通电线圈的电流，根据悬架、汽车和路面等参数，调整合适的准零刚度动挠度区间，或者悬架的刚度。

在本发明的一个具体实施例中，如图2所示，所述电磁弹簧机构20为菱形电磁弹簧，包括四个边框及伸缩架，所述伸缩架为伸缩式结构、且设置于四个边框组成的框架内部，所述伸缩架的四个连接端分别与四个边框的内侧转动连接；四个边框分别为首尾依次转动相连的板Ⅰ201、板Ⅱ202、板Ⅲ203和板Ⅳ204，所述板Ⅰ201及板Ⅲ203相对的侧面上分别设有电磁铁Ⅰ205及电磁铁Ⅱ206，所述板Ⅱ202及板Ⅳ204相对的侧面上分别设有永磁铁Ⅰ207及永磁铁Ⅱ208，所述永磁铁Ⅰ207及永磁铁Ⅱ208相对的一侧磁极相反；所述伸缩架的四个连接端分别与四个边框的中部转动相连；通过改变电磁铁Ⅰ205及电磁铁Ⅱ206的通电线圈内电流大小和方向来调节其磁场强度和磁极，从而调节菱形电磁弹簧20的刚度。

通过调整电磁铁和永磁铁的参数，以及电磁铁通电线圈的电流大小和方向获得理想的负刚度，实现较大区间范围的准零刚度；同时可以在悬架动挠度过大时，电磁弹簧机构20停止参与工作，降低悬架撞击限位块的概率。

进一步优化上述技术方案，如图2所示，所述伸缩架包括可伸缩隔磁板Ⅰ209和可伸缩隔磁板Ⅱ210，所述可伸缩隔磁板Ⅰ209和可伸缩隔磁板Ⅱ210的中部转动相连，所述可伸缩隔磁板Ⅰ209和可伸缩隔磁板Ⅱ210的两端均为可伸缩的连接端；所述可伸缩隔磁板Ⅰ209的两个连接端分别与板Ⅰ201及板Ⅲ203的中部转动相连，所述可伸缩隔磁板Ⅱ210的两个连接端分别与板Ⅱ202及板Ⅳ204的中部转动相连。磁场通过可伸缩隔磁板Ⅰ209和可伸缩隔磁板Ⅱ210时可以大大衰减磁场强度，起到一定的隔磁作用，将菱形结构的电磁弹簧内部分为四个磁场区域。

作为一种优选结构，如图1、2所示，所述板Ⅰ201和板Ⅳ204通过转轴Ⅰ211转动相连，所述板Ⅰ201和板Ⅱ202通过转轴Ⅱ212转动相连，所述板Ⅱ202和板Ⅲ203通过转轴Ⅲ213转动相连，所述板Ⅲ203和板Ⅳ204通过转轴Ⅳ214转动相连；所述可伸缩隔磁板Ⅰ209的两个连接端分别与板Ⅰ201及板Ⅲ203通过转轴Ⅴ215及转轴Ⅶ217转动相连，所述可伸缩隔磁板Ⅱ210的两个连接端分别与板Ⅱ202和板Ⅳ204通过转轴Ⅵ216及转轴Ⅷ218转动相连，所述可伸缩隔磁板Ⅰ209和可伸缩隔磁板Ⅱ210的中部通过转轴Ⅸ219转动相连；所述转轴Ⅰ211与上盖板30刚性连接，所述转轴Ⅲ213与下底板40刚性连接。具体制作时，转轴Ⅱ212与板Ⅱ202刚性连接，转轴Ⅳ214与板Ⅳ204刚性连接，转轴Ⅴ215、转轴Ⅵ216、转轴Ⅶ217及转轴Ⅷ218分别与板Ⅰ201、板Ⅱ202、板Ⅲ203及板Ⅳ204刚性连接，转轴Ⅸ219与可伸缩隔磁板Ⅱ210刚性连接。板Ⅰ201和板Ⅳ204绕转轴Ⅰ211旋转，板Ⅰ201绕转轴Ⅱ212旋转，板Ⅱ202和板Ⅲ203绕转轴Ⅲ213旋转，板Ⅲ203绕转轴Ⅳ214旋转，可伸缩隔磁板Ⅰ209可绕转轴Ⅴ215、转轴Ⅶ217及转轴Ⅸ219旋转，可伸缩隔磁板Ⅱ210可绕转轴Ⅵ216及转轴Ⅷ218旋转

具体设计时，所述板Ⅰ201、板Ⅱ202、板Ⅲ203和板Ⅳ204朝向内部的一侧均设有安装槽，所述电磁铁Ⅰ205及电磁铁Ⅱ206对应设置于板Ⅰ201及板Ⅲ203的安装槽内，所述永磁铁Ⅰ207及永磁铁Ⅱ208对应设置于板Ⅱ202及板Ⅳ204的安装槽内。如图3所示，电磁铁Ⅰ205对应设置于板Ⅰ201的安装槽内。其中，所述菱形电磁弹簧20的四个边框及内部的伸缩架均为非导磁性或者弱导磁性材料。永磁铁Ⅰ207及永磁铁Ⅱ208均为钕铁硼材料。通过改变电磁铁Ⅰ205及电磁铁Ⅱ206通电线圈内电流的大小和方向来调节电磁铁的磁场强度和磁极，从而调节菱形电磁弹簧20的刚度。

在一个具体实施例中，如图1所示，所述空气弹簧机构10为膜式空气弹簧101，所述膜式空气弹簧101的上端与上盖板30相连，所述膜式空气弹簧101的下端通过底座102与下底板40相连。

本发明的工作原理如下：

当悬架静止时，电磁铁Ⅰ205及电磁铁Ⅱ206的通电线圈不通电，仅有空气弹簧10来支撑车身重量，此时菱形电磁弹簧20刚度为零。当静止时簧载质量发生变化时，菱形电磁弹簧20随空气弹簧10的形变而发生相应的高度变化。因此在簧载质量发生变化时，不需要调节平衡位置。

当悬架振动时，电磁铁Ⅰ205和电磁铁Ⅱ206的通电线圈通电，产生磁场。如图4所示，空气弹簧10被压缩时，使电磁铁Ⅰ205和永磁铁Ⅰ207朝内部的磁极相反，电磁铁Ⅱ206和永磁铁Ⅰ207朝内部的磁极相同，则电磁铁Ⅰ205和永磁铁Ⅰ207之间产生吸力，电磁铁Ⅰ205和永磁铁Ⅱ208之间产生斥力，电磁铁Ⅱ206和永磁铁Ⅰ207之间产生斥力，电磁铁Ⅱ206和永磁铁Ⅱ208之间产生吸力，从而使板Ⅰ201和板Ⅱ202、板Ⅲ203和板Ⅳ204的夹角有变小的趋势，板Ⅰ201和板Ⅳ204、板Ⅱ202和板Ⅲ203的夹角有变大的趋势，从而导致菱形电磁弹簧20有高度变低的趋势，对上盖板30作用一个向下的力，对下底板40作用一个向上的力，调整通电线圈的电流，从而调整电磁场强度就可以抵消空气弹簧10的恢复力，实现悬架系统的准零刚度。

如图5所示， 空气弹簧10被拉伸时，使电磁铁Ⅰ205和永磁铁Ⅰ207朝内部的磁极相同，电磁铁Ⅱ206和永磁铁Ⅰ207朝内部的磁极相反，则电磁铁Ⅰ205和永磁铁Ⅰ207之间产生斥力，电磁铁Ⅰ205和永磁铁Ⅱ208之间产生吸力，电磁铁Ⅱ206和永磁铁Ⅰ207之间产生吸力，电磁铁Ⅱ206和永磁铁Ⅱ208之间产生斥力，从而使板Ⅰ201和板Ⅱ202、板Ⅲ203和板Ⅳ204的夹角有变大的趋势，板Ⅰ201和板Ⅳ204、板Ⅱ202和板Ⅲ203的夹角有变小的趋势，从而导致菱形电磁弹簧20有高度变高的趋势，对上盖板30作用一个向上的力，对下底板40作用一个向下的力，调整通电线圈的电流，从而调整电磁场强度就可以抵消空气弹簧10的恢复力，实现悬架系统的准零刚度。

本发明还提供一种汽车，包括上述的电磁式准零刚度空气悬架。凡是包含上述电磁式准零刚度空气悬架的汽车均在本发明的保护范围之内。

本发明采用电磁铁和永磁铁与菱形构件相结合的设计，通过改变电磁铁内通电线圈的电流大小和方向，来改变电磁铁的磁场强度和磁极，与永磁铁相互作用来改变菱形电磁弹簧的高度变化趋势，抵消空气弹簧的恢复力，实现准零刚度，降低系统的固有频率和力的传递率，提高悬架的隔振性能。当悬架振幅过大时，电磁铁通电线圈不通电，则仅有空气弹簧参与工作，降低悬架撞击限位块的概率。

综上所述，本发明具有结构简单紧凑、操作方便的优点，具有空气弹簧较低固有频率和高静载刚度的特性，保留了空气弹簧的原本结构，利用上盖板和下盖板之间的空间安装菱形电磁弹簧。采用电磁弹簧的无接触力可以减少摩擦，和零件损耗；本发明不受因簧上质量变化导致悬架静平衡位置改变的影响，不需要静平衡位置改变时通过空气弹簧充放气调回原来位置；通过调整电磁铁和永磁铁的参数，以及电磁铁通电线圈的电流大小和方向获得理想的负刚度，实现较大区间范围的准零刚度，同时可以在悬架动挠度过大时停止参与工作，降低悬架撞击限位块的概率。

本发明具有很大的开放性，可以通过对电磁铁通电线圈电流的控制，根据悬架、汽车和路面等参数，调整合适的准零刚度动挠度区间，或者悬架的刚度。本发明实现了悬架“高静低动”的理想特性，提高了悬架的隔振性能。

在上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受上面公开的具体实施例的限制。

Claims (10)

1.一种电磁式准零刚度空气悬架，其特征在于：包括空气弹簧机构和电磁弹簧机构，所述空气弹簧机构和电磁弹簧机构的顶部设有上盖板，所述空气弹簧机构和电磁弹簧机构的底部设有下底板，所述空气弹簧机构的两侧对称设有两个电磁弹簧机构；两个电磁弹簧机构为负刚度弹簧，所述空气弹簧机构为正刚度弹簧，并联设置在上盖板与下底板之间，组成准零刚度空气悬架；通过调整电磁弹簧机构的高度来抵消空气弹簧在伸缩时产生的恢复力，实现准零刚度。

2.根据权利要求1所述的电磁式准零刚度空气悬架，其特征在于：当悬架静止时，所述电磁弹簧机构不通电，仅空气弹簧机构起支撑作用，即为静态高刚度；当悬架振动时，电磁弹簧机构通电后通过调整其高度抵消空气弹簧机构在压缩或拉伸时产生的恢复力，实现准零刚度，即为动态低刚度。

3.根据权利要求2所述的电磁式准零刚度空气悬架，其特征在于：所述电磁弹簧机构为菱形电磁弹簧，包括四个边框及伸缩架，所述伸缩架为伸缩式结构、且设置于四个边框组成的框架内部，所述伸缩架的四个连接端分别与四个边框的内侧转动连接；四个边框分别为首尾依次转动相连的板Ⅰ、板Ⅱ、板Ⅲ和板Ⅳ，所述板Ⅰ及板Ⅲ相对的侧面上分别设有电磁铁Ⅰ及电磁铁Ⅱ，所述板Ⅱ及板Ⅳ相对的侧面上分别设有永磁铁Ⅰ及永磁铁Ⅱ，所述永磁铁Ⅰ及永磁铁Ⅱ相对的一侧磁极相反；所述伸缩架的四个连接端分别与四个边框的中部转动相连；通过改变电磁铁Ⅰ及电磁铁Ⅱ的通电线圈内电流大小和方向来调节其磁场强度和磁极，从而调节菱形电磁弹簧的刚度。

4.根据权利要求3所述的电磁式准零刚度空气悬架，其特征在于：所述伸缩架包括可伸缩隔磁板Ⅰ和可伸缩隔磁板Ⅱ，所述可伸缩隔磁板Ⅰ和可伸缩隔磁板Ⅱ的中部转动相连，所述可伸缩隔磁板Ⅰ和可伸缩隔磁板Ⅱ的两端均为可伸缩的连接端；所述可伸缩隔磁板Ⅰ的两个连接端分别与板Ⅰ及板Ⅲ的中部转动相连，所述可伸缩隔磁板Ⅱ的两个连接端分别与板Ⅱ及板Ⅳ的中部转动相连。

5.根据权利要求4所述的电磁式准零刚度空气悬架，其特征在于：所述板Ⅰ和板Ⅳ通过转轴Ⅰ转动相连，所述板Ⅰ和板Ⅱ通过转轴Ⅱ转动相连，所述板Ⅱ和板Ⅲ通过转轴Ⅲ转动相连，所述板Ⅲ和板Ⅳ通过转轴Ⅳ转动相连；所述可伸缩隔磁板Ⅰ的两个连接端分别与板Ⅰ及板Ⅲ通过转轴Ⅴ及转轴Ⅶ转动相连，所述可伸缩隔磁板Ⅱ的两个连接端分别与板Ⅱ和板Ⅳ通过转轴Ⅵ及转轴Ⅷ转动相连，所述可伸缩隔磁板Ⅰ和可伸缩隔磁板Ⅱ的中部通过转轴Ⅸ转动相连；所述转轴Ⅰ与上盖板相连，所述转轴Ⅲ与下底板相连。

6.根据权利要求4所述的电磁式准零刚度空气悬架，其特征在于：所述板Ⅰ、板Ⅱ、板Ⅲ和板Ⅳ朝向内部的一侧均设有安装槽，所述电磁铁Ⅰ及电磁铁Ⅱ对应设置于板Ⅰ及板Ⅲ的安装槽内，所述永磁铁Ⅰ及永磁铁Ⅱ对应设置于板Ⅱ及板Ⅳ的安装槽内。

7.根据权利要求3所述的电磁式准零刚度空气悬架，其特征在于：所述菱形电磁弹簧的四个边框及内部的伸缩架均为非导磁性或者弱导磁性材料。

8.根据权利要求3所述的电磁式准零刚度空气悬架，其特征在于：所述永磁铁Ⅰ及永磁铁Ⅱ均为钕铁硼材料。

9.根据权利要求1所述的电磁式准零刚度空气悬架，其特征在于：所述空气弹簧机构为膜式空气弹簧，所述膜式空气弹簧的上端与上盖板相连，所述膜式空气弹簧的下端通过底座与下底板相连。

10.一种汽车，其特征在于：包括如权利要求1-9任一项述的电磁式准零刚度空气悬架。