CN101462464B - 独立悬挂和驱动的不对称车轴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及独立悬挂和驱动的不对称车轴。具体地，提供了一种独立悬挂的从动车轴组，其中车轴彼此之间是不对称的，这种不对称性减轻了动力跳动。不对称车轴被选择为不对称的，以使它们之间的相对扭转刚度不同，比率大致在约1.4∶1和约2.0∶1之间。可以由任何已知形式提供这种不对称性，以改变扭转刚度，并与车轴的操作负载需求相一致，例如，使车轴长度相同，但横截面直径不同；或者使车轴的横截面直径相同，但长度不同；或者使车轴的长度和横截面直径都不相同。

Description

独立悬挂和驱动的不对称车轴

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2007年12月19日提交的美国临时专利申请61/014,783的权益，该临时专利申请目前处于未决状态。

技术领域

本发明一般涉及机动车辆的从动车轴，更具体地涉及阻尼式车轴组，其中车轴彼此间是不对称的，这种不对称性能减轻动力跳动。

背景技术

带有从动轴独立悬挂装置的机动车辆包括一对车轴(也称作分离轴或后轴)，每个车轮一个车轴，例如1987年10月13颁布的Anderson的美国专利4,699,235描述的，该专利被转让给本专利申请的受让人，在此以引用方式将该专利的公开内容并入本文。

现在参考图1来简要描述专利4,699,235的分离轴驱动系统，以作为参考，应理解本发明可以适用于两轮驱动系统或四轮驱动系统。

图示的是分时四轮驱动车辆的示意平面图，包括内燃发动机10，变速器12和安装在车辆底盘(未示出)上的分动器14。发动机10和变速器12与分动器14一样都是众所周知的组件，分动器14一般有输入轴(未示出)、主输出轴16和辅助输出轴18。主输出轴16被传动连接到分动器14中的输入轴，并通常与输入轴对准。辅助输出轴18通过分动器14中的离合器或类似元件可传动连接到输入轴，并通常与输入轴偏离。分动器的离合器由适当的选择器机构(未示出)启动或致动，选择器机构通常由车辆驾驶员远程控制。

主输出轴16被传动连接到后传动轴20，后传动轴20又传动连接到后差速器22。后差速器件22以众所周知的方式通过分离轴部件驱动后轮24。辅助输出轴18被传动连接到前传动轴26，前传动轴26又传动连接到分离轴驱动机构28，以选择性地通过分离轴部件驱动前轮30。分离轴驱动机构28通过包括延伸管66上的支架71在内的装置被附连到车辆底盘。

前轮驱动汽车的适当分离轴部件(通常称作半轴)是公知的。分离轴部件可以用来将分离轴驱动机构28连接到前轮30。附图示意性地图解说明了一种传动连接到独立悬挂的转向车轮的普通类型的车轴，包括车轴76，车轴76的内侧端有滑动万向节78，外侧端有公知的球笼型万向节80，滑动万向节78适于连接到诸如法兰72或74的输出装置，球笼型万向节80适于被连接到车轮30。

问题在于，在大量转矩被施加到车轴上时，车轴经常出现“动力跳动(powerhop)”。在车轴的扭转卷紧(windup)中的低频(即，低于约20Hz)振荡周期性地超过轮胎与路面的摩擦时会出现动力跳动。动力跳动产生的振荡反馈到悬挂装置和传动系组件，并且可以被车辆乘客感觉到，乘客可能将该情形描述为“突然一跃”，“砰的一声”，“突然弹了一下”或“跳动”。

车轴一般是由棒钢材料制成的，因此可用作非常有效的扭转弹簧。为了降低车轴中不希望的振荡，标准做法一直是以最小化振荡的负面影响的方式来调节车轴的大小(即，增加直径)，目的是调整谐振频率，从而降低动力跳动，最小化振荡是通过增加车轴的总体扭转刚度来实现的。然而，增加车轴的直径会带来需要另外组装，质量和成本相关的问题，而不能确实解决直接衰减与动力跳动相关的振荡的核心问题，也就是说：造成在硬纵向加速或减速期间没有阻尼来吸收轮胎的负阻尼特征置于传动系内的能量。

因此，本领域显然需要这样一种车轴，它在非常接近振荡源时是固有地被衰减的，从而降低动力跳动以及相关的传动系扰动，例如轴闭停(axle shutter)。

发明内容

本发明是一种独立悬挂的从动车轴组，其中几个车轴彼此之间是不对称的，其中该不对称性减轻了动力跳动以及相关的传动系扰动，例如轴闭停。

根据本发明的一个优选形式，不对称车轴被调整得不对称，以使它们之间的相对扭转刚度是不同的，比率大致在约1.4∶1到约2.0∶1之间。可以由任何已知形式提供这种不对称性来改变扭转刚度，并与车轴的操作负载需求相一致，例如，使几个车轴长度相同，但横截面直径不同；或者使车轴的横截面直径相同，但长度不同；或者使车轴的实心性不同(即，实心对空心)；或者使车轴的材料成分不同；或者它们的结合。

不对称车轴被可操作地连接到防滑差速器，目的是提供轴与轴的摩擦转矩耦连，通过这种耦连，在不对称车轴之间产生异相的转矩振荡阻尼。根据本发明的一个优选形式，不对称车轴是悬挂在托架中的，托架本身直接或者通过多个弹性托架安装件连接到车架或车体，弹性托架安装件的刚度根据每个具体应用调整，以最大程度地减轻与不对称车轴结合时的动力跳动。

因此，本发明的目的是提供一种独立悬挂的从动车轴组，其中车轴彼此之间是不对称的，其中这种不对称性减轻了动力跳动和相关的传动系扰动，例如轴闭停。

从下文对优选实施例的说明，本发明的以上这些和附加目的，特征和益处会变得更加清楚。根据本发明的一个方面，提供一种阻尼式独立悬挂的车轴组，该车轴组包括：第一车轴，其具有第一扭转刚度；和第二车轴，其具有第二扭转刚度；其中，所述第一扭转刚度和所述第二扭转刚度之间的扭转刚度差异定义为所述第一扭转刚度和所述第二扭转刚度之间的比率，并且其中所述比率在1.4∶1到2.0∶1之间。根据本发明的另一个方面，提供一种驱动系统，该驱动系统包括：防滑差速器；第一车轴，其传动连接到所述差速器，所述第一车轴具有第一扭转刚度；和第二车轴，其传动连接到所述差速器，所述第二车轴具有第二扭转刚度；其中，所述第一扭转刚度和所述第二扭转刚度之间的扭转刚度差异定义为所述第一扭转刚度和所述第二扭转刚度之间的比率，并且其中所述比率在1.4∶1到2.0∶1之间；并且其中所述防滑差速器提供相对于所述第一车轴和第二车轴的预定摩擦转矩。根据本发明的又一个方面，提供一种减轻独立悬挂的从动车轴组动力跳动的方法，该方法包括以下步骤：选择车轴组中第一车轴的第一扭转刚度和车轴组中第二车轴的第二扭转刚度之间的扭转刚度差异，其中所述扭转刚度差异定义为所述第一扭转刚度和所述第二扭转刚度之间的比率，并且其中所述比率在1.4∶1到2.0∶1之间；提供具有预定第一扭转刚度的第一车轴；和提供具有预定第二扭转刚度的第二车轴。

附图说明

图1是根据现有技术的分时四轮驱动车辆的示意平面图。

图2是采用本发明的不对称车轴的车辆后悬挂装置的示意图。

图3是根据本发明的第一不对称车轴的示例的侧视图。

图3A是沿图3的线3A-3A观察的横截面图。

图4是第二不对称车轴的第一示例，其相对于图3是不对称的。

图4A沿图4的线4A-4A观察的横截面图。

图5是第二不对称车轴的第二示例，其相对于图3是不对称的。

图5A是沿图5的线5A-5A观察的横截面图。

图5B是第二不对称车轴的第三示例的横截面图，其相对于图3是不对称的。

图6是根据现有技术的对称车轴组的车轴转矩与时间关系图。

图7是根据本发明的不对称车轴组的转矩与时间关系图。

图8是将对称车轴组和不对称车轴组两者的传动轴转矩与时间关系进行对比的图。

图9是将带高阻尼托架安装件的对称车轴组，带最小阻尼托架安装件的不对称车轴组和带高阻尼托架安装件的不对称车轴组三者的传动轴转矩与时间关系进行对比的图。

图10是对于防滑差速器摩擦转矩各个值的不对称车轴组的转矩与时间关系图。

图11A是后托架安装件的横截面图。

图11B是前托架安装件的横截面图。

图12是具有一个不对称车轴(包括中间动轴)的前轮驱动系统的示意图。

具体实施方式

现在参考附图，图2-图12描绘了根据本发明的独立悬挂的从动不对称车轴100，100′的多个方面。

图2描绘了机动车辆驱动系统的机动车辆后悬挂装置102的一个示例，其包括不对称车轴100。不对称车轴100的形式为一组2个互相不对称的车轴：第一车轴100a和第二车轴100b，其中它们之间的不对称性使每个车轴相对于另一个车轴的扭转刚度不同。后悬挂装置102包括托架104，在这个应用中，托架104通过弹性托架安装件106被附连到机动车辆的车架(未示出)。后差速器模块108通过弹性后差速器模块安装件110连接到托架104，并通过恒速接头112a，112b进一步被分别连接到不对称车轴100的第一车轴100a和第二车轴100b。第一车轴100a和第二车轴100b是通过恒速接头112a，112b独立悬挂的，使它们能够沿箭头114a，114b独立铰接。传动轴116的一端被连接到变速器(未示出)，另一端通过恒速(或其它类型的)接头118被连接到后差速器模块。

另外，参考图3-图12，将详细说明不对称车轴100，100′的结构和功能。

图3和图3A示出了第一车轴100a，100a′，图中长度L₁是预先选定的，横截面直径D₁也是预先选定的。本领域关于耐久性和转矩负载处理的选择准则基本是标准的。在这方面，第一车轴有选定的扭转刚度T₁。作为示例，第一车轴100a′由圆柱构形的实心或中空钢构成，每一端有花键122a，122b，以接合独立悬挂装置的等速接头。

与之相比，第二车轴100b相对于第一车轴100a是不对称的，这样，其物理性质提供不同的扭转刚度T₂，T₂可以大于或者小于T₁，其中扭转刚度的比率在约1.4∶1和约2.0∶1之间。通过例子，第二车轴100b是由圆柱构形的实心或中空钢构成的，每一端也有花键122a，122b，以接合独立悬挂装置的等速接头。

现在将注意力转向图4-图5B，它们是第一车轴100a和第二车轴100b之间的物理差异是如何提供扭转刚度的期望差异的例子。

图4和图4A显示第二车轴100b，100b′的第一示例，图中长度L₂等于L₁；不过横截面直径D₂与D₁不同(花键122a，122b与图3的相同)。在所示的例子中，D₂＞D₁，不过，使D₂＜D₁当然也是可行的，只需要使D₁与D₂不同，以提供扭转刚度的期望差异，其中比率在约1.4∶1和2.0∶1之间。

图5和图5A显示第二车轴100b，100b″的第二示例，图中横截面直径D₂′等于D₁；不过长度L₂′与L₁不同(花键122a，122b与图3的相同)。在所示的例子中，L₂′＜L₁，不过，使L₂′＞L₁当然也是可行的，只需要使L₁与L₂不同，以提供扭转刚度的期望差异，其中比率在约1.4∶1和2.0∶1之间。

当然，可以以其它方式改变物质性质以达到第一车轴100a和第二车轴100b之间的扭转刚度差异，例如通过选择组合横截面直径差异，长度差异，实心性差异(即，实心相对中空构造)或材料组分的差异(然而，由于对某一几何形状的钢材，各种钢都具有大致相同的扭转刚度，所以代替物本身不可能具有足够的差异)。由于实心性差异造成的扭转钢度不对称的一个例子通过对比图3和图5B进行了显示，其中第三示例的第二车轴100b，100b′″是中空的，横截面直径可以比D₁大或比D₁小，长度可以比L₁大，或者比L₁短，从而两者之间的扭转刚度是不同的。如前文提到的，第一车轴100a或第二车轴100b，或者它们两者可以是实心的，或者可以是空心的。

不对称车轴100，100′可操作地连接到防滑差速器，防滑差速器可以是机械式的或者是电动式的(例如图2的108或图12的306)，目的是提供轴与轴之间的机械耦连，通过这种耦连不对称的车轴之间会出现异相的转矩振荡阻尼。防滑差速器中的机械耦连在不对称车轴之间提供摩擦转矩耦连，其中例如通过经验性实验或数学建模提供最佳摩擦转矩，该最佳摩擦转矩对于每种具体应用在不对称车轴之间的扭转刚度的某种差异方面是最佳的。在这方面，如果不对称车轴之间没有摩擦转矩耦连，则通过异相的转矩振荡，车轴的不对称性不能提供轴与轴之间的阻尼；另一方面，如果使用普通差速器，而不使用防滑差速器，或者如果耦连不会在不对称车轴之间滑动，则它们之间的转矩振荡会趋于同相，阻尼会被减轻，也就是被减少。

图6是传统的对称车轴的车轴转矩与时间关系图200，其中曲线202，204分别对应每一车轴，其中每个车轴的扭转刚度为525Nm/deg.(即牛顿米/度)。可以看出，转矩振荡是同相的，从而动力跳动的条件不能得以减轻，原因是每个车轴的转矩振荡相对于彼此是相长的。

图7是根据本发明的不对称车轴100的车轴转矩与时间关系图210，其中曲线212对应第一车轴100a，第一车轴100a的扭转刚度为270Nm/deg.，其中曲线214对应第二车轴100b，第二车轴100b的扭转刚度为525Nm/deg.。可以看出，与图6不同，转矩振荡是异相的，从而使动力跳动的条件被减轻，原因是每个车轴的转矩振荡相对于彼此是相消的(在动力跳动最容易被车辆乘客感觉到的开始部分，异相的转矩振荡是最明显的)。

图8是传统的对称车轴(曲线222)和根据本发明的不对称车轴100(曲线224)的传动轴(见图2的116)转矩与时间关系图220，曲线222中，每个车轴的扭转刚度为525Nm/deg.，传动轴的扭转刚度为138Nm/deg.，托架安装件(见图2的106)阻尼是2Nsec/mm，曲线224中，第一车轴100a的扭转刚度为270Nm/deg.，第二车轴100b的扭转刚度为525Nm/deg.，其中传动轴的扭转刚度为138Nm/deg.，其中托架安装件阻尼为2Nsec/mm，电防滑差速器的摩擦转矩为400Nm。可以看出，转矩振荡的幅度在曲线开始部分222a是高的，这解释为表明动力跳动是乘客可以感觉到的充分大的幅度。另一方面，曲线开始部分224a比曲线开始部分222a的转矩振荡的幅度要低，这解释为表明动力跳动的幅度不足以由乘客感觉到。结果，曲线224随后的曲线部分224b的其余幅度比曲线222随后的曲线部分222b的幅度大这一现象会消失，这是由于这些转矩振荡的幅度不会被车辆的乘客感觉到。

图9是传统的对称车轴(曲线242)、根据本发明的不对称车轴100(曲线244)以及根据本发明的不对称车轴100(曲线246)的传动轴转矩与时间关系图240，曲线242中每个车轴的扭转刚度为525Nm/deg.，传动轴的扭转刚度为138Nm/deg.，托架安装件阻尼是高的，大约为2Nsec/mm，曲线244中第一车轴100a的扭转刚度为270Nm/deg.，第二车轴100b的扭转刚度为525Nm/deg.，其中传动轴的扭转刚度为138Nm/deg.，其中托架安装件阻尼是最小的，在约10Hz时大约0.2Nsec/mm左右，曲线246中，第一车轴100a的扭转刚度为270Nm/deg.，第二车轴100b的扭转刚度为525Nm/deg.，其中传动轴的扭转刚度为138Nm/deg.，托架安装件阻尼是高的，大约2Nsec/mm。可以看出，曲线242的曲线部分242a中转矩振荡的幅度是高的，这被解释为表明动力跳动的幅度足以被乘客感觉到，而曲线244的开始曲线部分244a和曲线246的开始曲线部分246a各自的转矩振荡幅度低到乘客可能感觉不到动力跳动的程度。不过可进一步看出，开始曲线部分244a有相对低的转矩振荡幅度，对于接下来的曲线部分244b，转矩振荡幅度增加到可以由乘客感觉到的水平。另一方面，曲线246任何地方的转矩振荡幅度都很低，这被解释为表明动力跳动不会被乘客感觉到。因此，根据应用，可能需要具有带不对称车轴100的高阻尼托架安装件，不过应注意，也存在不利用托架安装件的应用，但还是会提供不对称车轴阻尼。

防滑差速器摩擦转矩的影响的一个示例示于图10中，图10是根据本发明的不对称车轴100的车轴转矩与时间关系图250。在这个示例中，第一车轴100a的扭转刚度为270Nm/deg.，第二车轴100b的扭转刚度为525Nm/deg.，其中传动轴的扭转刚度为138Nm/deg.，托架安装件阻尼为2Nsec/mm。可以看出，对曲线252来说，100Nm的摩擦转矩可能太低，对曲线254来说，400Nm的摩擦转矩可能是最佳的，对曲线256来说，2000Nm的摩擦转矩可能太高。

在使用弹性托架安装件106的情况下，托架安装件的刚度是通过配置和橡胶的选择来调节的。通过示例说明，弹性托架安装件描绘于图11A和图11B，其中图11A描述后托架安装件106′，图11B描述前托架安装件106″。每一托架安装件106，106″分别由上金属垫圈106a，106a′，下金属垫圈106b，106b′，橡胶芯106c，106c′和外套管106d，106d′构成。

图12是前轮驱动系统300的示意描述，前轮驱动系统300包括发动机302，变速器304，防滑差速器306和不对称车轴100′。第一车轴100a，100a″例如象描绘于图3中一样。第二车轴100b，100b″″是第二车轴组件100c和中间动轴组件100d的组合，中间动轴组件100d传动连接到(通过例子如在托架安装件106′″)第二车轴组件。应理解，第一车轴和第二车轴之间的不对称性包括第一车轴100a，100a″相对于第二车轴100b，100b″″的每个，或者相对于第二车轴组件100c和中间动轴组件100d的物理性质(即，长度，横截面直径，实心性，组成等)。

举例而言，但并非限制性的，下面的例子只是出于参考目的给出的。例子1

不对称车轴的第一车轴100a的扭转刚度为270Nm/deg.(右手边车轴在花键之间的直径为35mm，长度为0.6米，由实心300M型钢制成)，第二车轴100b的扭转刚度为525Nm/deg.(左手边车轴在花键之间的直径为55mm，长度为0.52米，由空心的壁厚8mm的300M型钢制成)；传动轴的扭转刚度为138Nm/deg.；防滑差速器的摩擦转矩为400Nm；托架安装件的垂直阻尼为2Nsec/mm。

对于本发明所属技术领域的技术人员而言，上述优选实施例可以被改变或改进。这种改变或改进可以在不偏离本发明的范围下实现，本发明的范围应该仅由所附权利要求的范围限定。

Claims (13)

1.一种阻尼式独立悬挂的车轴组，包括：

第一车轴，其具有第一扭转刚度；和

第二车轴，其具有第二扭转刚度；

其中，所述第一扭转刚度和所述第二扭转刚度之间的扭转刚度差异定义为所述第一扭转刚度和所述第二扭转刚度之间的比率，并且其中所述比率在1.4∶1到2.0∶1之间。

2.根据权利要求1所述的阻尼式车轴组，其中所述第一车轴具有第一组物理性质，所述第二车轴具有第二组物理性质，其中所述物理性质之间的差异提供了所述扭转刚度差异。

3.根据权利要求2所述的阻尼式车轴组，其中所述物理性质之间的差异是所述第一车轴和所述第二车轴分别在横截面直径、长度、实心性和成分中的至少一个方面的相对差异。

4.根据权利要求2所述的阻尼式车轴组，其中所述第二车轴包括：

第二车轴组件；和

中间动轴组件，其传动连接到所述第二车轴组件；

其中所述差异是由所述第二车轴组件和所述中间动轴组件的所选的物理性质造成的。

5.根据权利要求4所述的阻尼式车轴组，其中所述物理性质之间的差异是所述第一车轴和所述第二车轴分别在横截面直径、长度、实心性和成分中的至少一个方面的相对差异。

6.一种驱动系统，包括：

防滑差速器；

第一车轴，其传动连接到所述差速器，所述第一车轴具有第一扭转刚度；和

第二车轴，其传动连接到所述差速器，所述第二车轴具有第二扭转刚度；

其中，所述第一扭转刚度和所述第二扭转刚度之间的扭转刚度差异定义为所述第一扭转刚度和所述第二扭转刚度之间的比率，并且其中所述比率在1.4∶1到2.0∶1之间；和

其中所述防滑差速器提供相对于所述第一车轴和第二车轴的预定摩擦转矩。

7.根据权利要求6所述的驱动系统，进一步包括：

托架；和

多个托架安装件，用来将所述托架安装到机动车辆的车架上；

其中所述多个托架安装件具有范围在2Nsec/mm内的竖直刚度。

8.根据权利要求6所述的驱动系统，其中响应所述比率和所述预定摩擦转矩，随时间变化的转矩振荡相对于所述第一车轴和第二车轴是大致异相的。

9.根据权利要求8所述的驱动系统，其中所述摩擦转矩大于大100Nm而小于2000Nm。

10.根据权利要求9所述的驱动系统，其中所述摩擦转矩为400Nm/deg.。

11.根据权利要求6所述的驱动系统，其中所述第二车轴包括：

第二车轴组件；和

中间动轴组件，其传动连接到所述第二车轴组件；

其中所述差异是由所述第二车轴组件和所述中间动轴组件的所选的物理性质提供的。

12.一种减轻独立悬挂的从动车轴组动力跳动的方法，包括以下步骤：

选择车轴组中第一车轴的第一扭转刚度和车轴组中第二车轴的第二扭转刚度之间的扭转刚度差异，其中所述扭转刚度差异定义为所述第一扭转刚度和所述第二扭转刚度之间的比率，并且其中所述比率在1.4∶1到2.0∶1之间；

提供具有预定第一扭转刚度的第一车轴；和

提供具有预定第二扭转刚度的第二车轴。

13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：

选择防滑差速器的摩擦转矩；

提供具有所选摩擦转矩的防滑差速器；和

将所述第一车轴和第二车轴传动连接到所述防滑差速器；

其中所述扭转刚度差异被选择成响应所述比率和所选的摩擦转矩，使随时间变化的转矩振荡相对于所述第一车轴和第二车轴是大致异相的。

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