CN107429772A - 用于重型车辆的车轴/悬架系统的阻尼空气弹簧和减震器的组合 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于重型车辆的车轴/悬架系统的阻尼空气弹簧和减震器的组合，其包括阻尼空气弹簧和减震器，两者均可操作地附接到车轴/悬架系统。阻尼空气弹簧主要在第一频率范围内为车轴/悬架系统提供阻尼。减震器主要在第二频率范围内为车轴/悬架系统提供阻尼。第一频率范围为约0.0Hz至约6.0Hz，第二频率范围为约0.0Hz至约13.0Hz。

Description

用于重型车辆的车轴/悬架系统的阻尼空气弹簧和减震器的 组合

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年3月25日提交的美国临时专利申请No.62/137,866的优先权。

技术领域

本发明主要涉及用于重型车辆的车轴/悬架系统的技术领域。更特别地，本发明涉及用于重型车辆的空气悬挂式车轴/悬架系统，其利用阻尼空气弹簧来缓冲车辆的乘行。更具体地，本发明涉及用于重型车辆的空气悬挂式车轴/悬架系统的与减震器结合使用的阻尼空气弹簧的组合，其中，优化阻尼空气弹簧以便有助于在选定的频率范围内为车轴/悬架系统提供阻尼特性，并且优化减震器以便有助于在与由阻尼空气弹簧进行阻尼的频率范围大体不同的选定的频率范围内为车轴/悬架系统提供阻尼。一起工作的阻尼空气弹簧和减震器的组合相互补充，以便在车轴/悬架系统在运行期间所遇到的整个临界频率范围内提供优化的阻尼，从而增加车轴/悬架系统的乘行舒适特性，并且延长车轴/悬架系统的部件、轮胎和其他车辆部件的寿命，以及潜在地降低车轴/悬架系统的重量。

背景技术

多年以来，在重型卡车、公共汽车以及牵引式挂车行业使用一个或多个空气悬挂式拖臂和导向臂刚性梁型车轴/悬架系统一直是很普遍的。尽管这种车轴/悬架系统可以存在广泛变化的结构形式，但是通常它们的结构的相似之处在于每个系统通常包括悬架组件对。在一些重型车辆中，悬架组件直接连接到车辆的主车架上。在其他重型车辆中，车辆的主车架支撑副车架，并且悬架组件直接连接到副车架。对于那些支撑副车架的重型车辆，副车架可以是不可移动的或是可移动的，可移动的副车架通常被称为滑动箱、滑动副车架、滑动底盘或次级滑动车架。为了方便和清楚的目的，本文将参考主构件，但是应当理解，这种参考是作为示例性的，并且本发明适用于从如下部件的主构件悬挂的重型车辆车轴/悬架系统，所述部件为主车架、可移动的副车架和不可移动的副车架。

具体地，车轴/悬架系统的每个悬架组件均包括纵向延伸的细长梁。每个梁通常位于形成车辆框架的一个或多个横向构件以及间隔开的纵向延伸的一对主构件的相应的一个的附近和下方。更具体地，每个梁在其一个端部处枢转地连接到悬挂件，所述悬挂件转而附接到车辆的主构件中的相应的一个主构件并且从所述相应的一个主构件悬垂。车轴在悬架组件对的梁之间横向延伸，并且通常在从每个梁的大约中点处到与所述梁的枢转连接端部相对的所述梁的端部之间的选定位置处由一些装置连接到所述悬架组件对的梁。与枢转连接端部相对的梁的端部还连接到空气弹簧或其等同物，所述空气弹簧转而连接到主构件中的相应的一个主构件。空气弹簧在运行期间缓冲车辆的乘行，并且在一些情况下提供阻尼。高度控制阀安装在主构件或其他支撑结构上并且被可操作地连接到梁和空气弹簧，以便保持车辆的悬架装载高度。制动系统和一个或多个减震器也安装在车轴/悬架系统上。减震器在运行期间为车辆的车轴/悬架系统提供阻尼。梁可以从枢转连接处相对于车辆的前部向前或向后延伸，从而分别定义了通常所称的拖臂车轴/悬架系统或导向臂车轴/悬架系统。然而，为了包含在本说明书中的描述的目的，应当理解，术语“拖臂”将包括相对于车辆的前端部向后或向前延伸的梁。

重型车辆的车轴/悬架系统用于缓冲乘行、抑制振动并稳定车辆。更特别地，当车辆在道路上行进时，其车轮会遇到将各种力、载荷和/或应力(这里统称为力)传递到其上安装有车轮的相应的车轴，并且转而传递到连接到车轴并支撑车轴的悬架组件的道路状况。为了最小化这些力在车辆运行时对车辆的不利影响，车轴/悬架系统被设计成抵抗和/或吸收这些力中的至少一些。

这些力包括：当车轮遇到某些道路状况时由车轮的竖直移动引起的竖直力；由车辆的加速和减速引起的前后力；以及与横向的车辆移动(例如车辆的转向和车道变换操作)相关联的侧向载荷和扭转力。为了解决这些不相同的力，车轴/悬架系统具有不同的结构要求。更特别地，期望车轴/悬架系统相当刚性以便最小化车辆经受的摆动量，并且从而提供本领域中已知的侧倾稳定性。然而，还期望车轴/悬架系统相对柔性以便有助于缓冲车辆受到的竖直冲击，并提供柔顺性使得车轴/悬架系统的部件免受故障，从而提高车轴/悬架系统的耐用性。还期望的是抑制由这些力产生的振动或振荡。车轴/悬架系统的缓冲车辆乘行时受到的竖直冲击的关键部件是空气弹簧，而减震器通常为车轴/悬架系统提供阻尼特性(尽管也已经利用了具有阻尼特性的空气弹簧)。

在重型空气悬挂式车轴/悬架系统中所使用的通常的无阻尼特性类型的空气弹簧包括三个主要部件：柔性波纹管、活塞和波纹管顶板。波纹管通常由橡胶或其它柔性材料形成，并且被操作地安装在活塞的顶部上。活塞通常由钢、铝、纤维增强塑料或其他刚性材料形成，并通过本领域普遍公知的紧固件而被安装在悬架组件的梁的顶板的后端部上。容纳在空气弹簧内的加压空气的体积或“空气容积”是决定空气弹簧的弹簧系数的主要因素。更具体地，该空气容积容纳在波纹管内，并且在某些情况下容纳在空气弹簧的活塞内。空气弹簧的空气容积越大，空气弹簧的弹簧系数越低。在重型车辆行业中，更低的弹簧系数通常更为理想，因为更低的弹簧系数在运行期间为车辆提供了更舒适的乘行。通常，活塞包含中空腔(所述中空腔与波纹管连通并且通过允许活塞和波纹管容积之间的空气的不受限制的连通而增加了空气弹簧的空气容积)，或者活塞具有大体中空的圆筒形状并且不与波纹管容积连通，由此活塞不会对空气弹簧的空气容积有所贡献。空气弹簧的空气容积与空气源(例如供气箱)流体连通，并且还与车辆的高度控制阀流体连通。高度控制阀通过引导空气流流入和流出车轴/悬架系统的空气弹簧来帮助保持所期望的车辆悬架装载高度。

现有技术的空气弹簧(例如如上所述的空气弹簧)在车辆运行期间为车辆、货物和乘客(多位乘客)提供缓冲的同时，还对车轴/悬架系统提供少量(如果有的话)阻尼。尽管也使用单个减震器并且所述单个减震器在本领域中一般是众所周知的，但这种阻尼却通常由一对液压减震器来提供。减震器通常包括填充有流体的缸体。具有安装在其端部上的隔板的柱塞纵向布置在流体填充的缸体内，使得柱塞和隔板可以在流体填充的缸体内运动。隔板通常包括多个开口，并且还包括安装在隔板上的排放阀。排放阀包括更大的开口，所述更大的开口允许本领域通常公知的两级阻尼曲线。减震器缸体安装到悬架组件中的相应的一个悬挂组件的梁，并且柱塞安装到车辆的主构件中的相应的一个主构件。当梁在车辆运行期间朝向主构件向上旋转时，柱塞和隔板穿过流体填充的缸体向下运动。当梁在车辆运行期间远离主构件向下旋转时，柱塞和隔板穿过流体填充的缸体向上运动。柱塞和隔板穿过流体填充的缸体的运动导致车轴/悬架系统的粘滞阻尼。

对于重型车辆的拖车来说，在车轴/悬架系统(多个车轴/悬架系统)的最佳阻尼处于临界时的频率为从车身振动模式的约1.8Hz至车轮跳动模式的约13Hz。在这些固有频率下，车轴/悬架系统易于移动，因此在这些频率下的道路输入可能导致在车轴/悬架系统中的移动的积累，这可能潜在不利地影响车轴/悬架系统的性能。

现有技术的减震器在更高频率下具有不断增加的阻尼曲线。这意味着随着车轴/悬架系统上的输入频率的增加，减震器为车轴/悬架系统提供的阻尼也在增加。这种在更高输入频率下增加的阻尼导致通过减震器作用在车轴/悬架系统上的力的传递性增加，这转而可以降低车轴/悬架系统在更高频率下的乘行舒适特性，并且还可以导致车轴/悬架系统的部件、轮胎和其他车辆部件的过早磨损。现有技术的减震器的不断增加的阻尼曲线还可以潜在地引起减震器的“喷雾”(misting)。更具体地，当减震器运行期间，容纳在减震器中的流体被迫围绕减震器的柱塞喷出时，发生所述喷雾。当在车辆运行期间，通过车辆的车轮给车轴/悬架系统赋予高能量的道路输入时，会发生这种情况。由于减震器的不断增加的阻尼曲线，车轴/悬架系统上的这些高能量输入在现有技术的减震器中引起更大的阻尼力。这种增大的阻尼力转而导致减震器产生非常高的内部压力，该内部压力可以引起减震器喷雾。虽然减震器的喷雾通常不会损害减震器提供阻尼的能力，但是喷雾可以通过利用来自减震器的流体来污染减震器周围的部件从而对所述部件产生不利的影响，并且喷雾还可以导致在减震器或其他部件没有损坏的情况下认为所述减震器或其他部件已经出现故障，由此导致减震器或其他部件的过早更换，这增加了额外的成本。因此，为了最小化部件周围的污染以及减震器或其他车辆部件的过早更换的可能性，降低减震器的喷雾量是优选的。此外，现有技术的减震器在更高频率下增大的阻尼力可以对车轴/悬架系统的部件造成增加的应力，这转而可以潜在地增加磨损并且降低车轴/悬架系统的部件、轮胎和其他车辆部件的使用寿命。

车辆可以携带的货物量由地方、州、和/或国家的道路和桥梁法律所约束。大多数道路和桥梁法律背后的基本原则是限制车辆可以承载的最大载荷，以及限制单独车轴可以支撑的最大载荷。由于标准现有技术的减震器相对较重，所以这些部件为车轴/悬架系统增加了不期望的重量，并且因此减少了重型车辆可以承载的货物量。取决于所使用的减震器，所述减震器还为车轴/悬架系统增加了不同程度的复杂性，这也是不期望的。

具有阻尼特性的空气弹簧(例如在本申请的受让人所拥有的美国专利No.8,540,222中描述的空气弹簧)也是已知的。在上述尾号222专利中所示出和描述的具有阻尼特性的空气弹簧可以结合到车轴/悬架系统(例如如上所述的车轴/悬架系统)中，并且包括波纹管和活塞。波纹管的顶部端部与波纹管的顶板密封地接合。空气弹簧安装板通过紧固件而被安装在顶板的顶部部分上，所述紧固件还用于将空气弹簧的顶部部分安装到车辆的主构件中的相应的一个主构件。活塞是大体圆筒形的并且包括连续的大体阶梯状的侧壁，所述侧壁附接到大体平坦的底板并与顶板一体地形成。活塞的底板形成有中心开口。穿过所述开口布置紧固件，以便在梁的后端部处将活塞附接到梁的顶板。

活塞的顶板、侧壁和底板限定具有内部容积的活塞腔室。活塞顶板形成有圆形的、向上延伸的突出部，所述突出部具有围绕其圆周的唇部。唇部与波纹管的最下侧端部配合以在波纹管和唇部之间形成气密密封。替代的附接方式也是已知的并且在本领域中被通常地使用。波纹管、顶板和活塞顶板限定具有内部容积的波纹管腔室。活塞顶板形成有一对开口，所述一对开口允许活塞腔室的容积和波纹管腔室的容积相互连通。活塞腔室容积、波纹管腔室容积以及在活塞顶板中形成的在活塞腔室和波纹管腔室之间的开口的横截面面积在车辆运行期间为空气弹簧提供了阻尼特性。

其它现有技术的空气弹簧已经试图通过将阀布置在空气弹簧的波纹管腔室和活塞腔室之间来为空气弹簧提供阻尼特性。其它现有技术的空气弹簧还已经试图通过在空气弹簧的波纹管腔室和活塞腔室之间形成开口来为空气弹簧提供阻尼特性，所述开口被毗邻开口安装的橡胶折片部分地覆盖。

这些现有技术的具有阻尼特性的空气弹簧可以在大约5Hz以上的更高的频率下提供小于最佳阻尼的阻尼，这转而可能潜在地导致车轴/悬架系统的部件的寿命缩短，所述寿命缩短包括潜在增加的轮胎磨损和有效载荷损伤。

通过提供与优化的减震器结合使用的优化的阻尼空气弹簧使得在临界输入频率的整个频谱内获得改善的车轴/悬架系统的阻尼特性，本发明的阻尼空气弹簧和减震器的组合克服了与现有技术的阻尼空气弹簧和与无阻尼空气弹簧一起使用的减震器相关的问题。用于重型车辆的阻尼空气弹簧和减震器的组合允许对减震器的某些结构部件进行调谐以便在更高的频率处提供最佳的阻尼，这使得改善了车轴/悬架系统的阻尼，并且同时降低在现有技术的标准减震器中常见的力的传递性和雾化，节省了重量和成本，并且使得重型车辆能够运送更多的货物。此外，在车辆运行期间，降低到车轴/悬架系统的部件中的道路输入的传递性提高了车轴/悬架系统和车轴/悬架系统的部件的耐用性，并且同时保持了车轴/悬架系统在更高的临界输入频率下的乘行舒适特性。此外，阻尼空气弹簧在低于约5Hz的更低的频率处提供了最佳阻尼，这转而增加了车轴/悬架系统的部件、轮胎和其他车辆部件的使用寿命。

发明内容

本发明的目的包括提供一种用于重型车辆的车轴/悬架系统的阻尼空气弹簧和减震器的组合，所述阻尼空气弹簧和减震器的组合在运行期间在车轴/悬架系统遇到的整个临界频率范围内优化阻尼。

本发明的另一个目的是提供一种用于重型车辆的车轴/悬架系统的阻尼空气弹簧和减震器的组合，所述阻尼空气弹簧和减震器的组合允许对减震器的某些结构部件进行调谐，以便在更高的频率处提供最佳的阻尼，使得在降低了现有技术的标准减震器中常见的力的传递和喷雾的同时，改善了车轴/悬架系统的阻尼。

本发明的另一个目的是提供一种用于重型车辆的车轴/悬架系统的阻尼空气弹簧和减震器的组合，所述阻尼空气弹簧和减震器的组合降低重量和成本，并且使得重型车辆能够运送更多的货物。

本发明的另一个目的是提供一种用于重型车辆的车轴/悬架系统的阻尼空气弹簧和减震器的组合，所述阻尼空气弹簧和减震器的组合在车辆运行期间降低到车轴/悬架系统的部件中的道路输入的传递性，这增加了车轴/悬架系统以及车轴/悬架系统的部件的耐用性，同时保持了车轴/悬架系统在更高的临界输入频率下的舒适的乘行特性。

本发明的又一个目的是提供一种用于重型车辆的车轴/悬架系统的阻尼空气弹簧和减震器的组合，由此阻尼空气弹簧在低于约5Hz的更低的频率处提供最佳的阻尼，这转而增加了车轴/悬架系统的部件、轮胎和其他车辆部件寿命。

这些目的和优点通过本发明的用于重型车辆的车轴/悬架系统的阻尼空气弹簧和减震器的组合来获得，所述阻尼空气弹簧和减震器的组合包括可操作地附接到车轴/悬架系统的阻尼空气弹簧，以及可操作地附接到车轴/悬架系统的减震器。阻尼空气弹簧主要在第一临界频率范围内为车轴/悬架系统提供阻尼，减震器主要在第二临界频率范围内为车轴/悬架系统提供阻尼。第一临界频率范围和第二临界频率范围彼此不同。

附图说明

本发明的优选实施例(其中申请人考虑了实施原理的说明性的最佳模式)在下面的描述中进行了阐述并且示出在附图中，并且在所附权利要求书中具体地和明确地进行了指明和阐述。

图1是包括现有技术的一对非阻尼空气弹簧的车轴/悬架系统的顶部后部透视图，并且示出了一对减震器，其中一对减震器中的每一个减震器均安装在车轴/悬架系统的悬架组件中的相应的一个悬架组件上；

图2是图1所示的现有技术的减震器的示意性横截面视图，其示出了柱塞和减震器的填充有流体的缸体，所述柱塞延伸到减震器的下部部分中并且附接到包括排放阀和一对开口的隔板；

图3是现有技术的具有阻尼特性的空气弹簧的透视图，其剖面示出了形成在活塞顶板中的开口，所述开口位于活塞腔室和波纹管腔室之间并与所述活塞腔室和波纹管腔室连通，并且还示出了附接到活塞的顶板的缓冲器；

图4是示出了在车轴/悬架系统的临界频率范围内每次循环的相对阻尼水平的图表，所述车轴/悬挂系包括图1所示的现有技术的非阻尼空气弹簧和减震器；

图5是示出了在车轴/悬架系统的临界频率范围内每次循环的相对阻尼水平的图表，所述车轴/悬架系统包括图3所示的阻尼空气弹簧但不使用减震器；

图6是包括本发明的优化的阻尼空气弹簧和优化的减震器的组合的第一优选实施例的车轴/悬架系统的透视图；

图7是图6所示的优化的减震器的示意性横截面视图，其示出了柱塞，所述柱塞延伸到减震器的下部部分中并且附接到隔板，所述隔板包括一对开口以及优化的排放阀；

图8是示出了在车轴/悬架系统的临界频率范围内每次循环的相对阻尼水平的图表，所述车轴/悬架系统包括图6所示的本发明的优化的阻尼空气弹簧和优化的减震器的组合的第一优选实施例；

图9是包括本发明的优化的阻尼空气弹簧和传统减震器的组合的第二优选实施例的车轴/悬架系统的透视图；

图10是示出了在车轴/悬架系统的临界频率范围内每次循环的相对阻尼水平的图表，所述车轴/悬架系统包括图8所示的本发明的优化的阻尼空气弹簧和传统减震器的组合的第二优选实施例；和

图11是对图4、图5、图8和图10中如上所示的在车轴/悬架系统的临界频率范围内每次循环的相对阻尼水平进行对比的图表。

在全部附图中类似的附图标记表示类似的部分。

具体实施方式

为了更好地理解利用本发明的用于重型车辆的阻尼空气弹簧和减震器的组合的环境，在图1中示出通常以附图标记10指示的包括现有技术的非阻尼空气弹簧24的拖臂上置梁式空气悬挂式车轴/悬架系统，现在将如下进行详细描述。

应当注意，车轴/悬架系统10通常安装在重型车辆的纵向延伸的、间隔开的一对主构件(未示出)上，所述一对主构件通常代表用于重型车辆的各种类型的车架，包括不支撑副车架的主车架以及支撑副车架的主车架和/或底板结构。对于支撑副车架的主车架和/或底板结构来说，副车架可以是不可移动的或是可移动的，可移动的副车架通常被称为滑动箱。因为车轴/悬架系统10通常包括相同的一对悬架组件14，为了清楚和简明起见，下面将仅描述一个悬架组件。

悬架组件14经由拖臂上置梁18被枢转地连接到悬挂件16。更具体地，梁18形成为具有顶板65和一对侧壁66的大体倒置的一体形成的U形，其中，梁的开口部分大体朝下。底板(未示出)在侧壁66的最下侧端部之间延伸并且通过任何适当的方法(例如焊接)而附接到所述最下侧端部以便完成梁18的结构。拖臂上置梁18包括具有衬套组件22的前端部20，以便有助于将梁枢转连接到悬挂件16，所述衬套组件22包括本领域公知的衬套、枢轴螺栓和垫圈。梁18还包括后端部26，所述后端部26被焊接或以其他方式刚性地附接到横向延伸的车轴32。

悬架组件14还包括空气弹簧24，所述空气弹簧安装在梁的后端部26和主构件(未示出)上并且在所述梁的后端部和所述主构件之间延伸。空气弹簧24包括波纹管41和活塞42。波纹管41的顶部部分与波纹管顶板43密封地接合。空气弹簧安装板44通过紧固件45安装在顶板43上，所述紧固件还用于将空气弹簧24的顶部部分安装到车辆主构件(未示出)。用于将顶板43安装到车辆主构件的替代方式(例如直接附接、经由紧固件或焊接)也是本领域通常所公知的。活塞42是大体圆筒形的并且具有大体平坦的底板和顶板(未示出)。波纹管41的底部部分与活塞顶板(未示出)密封地接合。活塞底板位于梁的后端部26处的梁的顶板65上，并且以本领域技术人员已知的方式(例如通过紧固件或螺栓(未示出))附接到所述顶板上。活塞顶板形成为没有开口，使得活塞42和波纹管41之间没有流体连通。结果，活塞42通常不会为空气弹簧24贡献任何明显的容积。减震器40的顶端以本领域已知的方式经由安装支架19和紧固件15来安装在悬挂件16的内侧延伸的翼片17上。减震器40的底端以本领域技术人员公知的方式安装到梁18(未示出安装)。为了相对的完整性，制动系统28示出为安装在现有技术的悬架组件14上。

如上所述，车轴/悬架系统10被设计成吸收在车辆运行时作用在车辆上的力。更具体地，期望车轴/悬架系统10是刚性的或刚硬的，以便抵抗侧倾力，并且从而为车辆提供侧倾稳定性。这通常通过使用刚性的梁18来实现，所述梁还刚性地附接到车轴32。然而，还期望车轴/悬架系统10是柔性的以便有助于缓冲车辆(未示出)受到的竖直冲击并提供柔顺性，使得车轴/悬架系统抵抗故障。这种柔性通常通过梁18利用衬套组件22而与悬挂件16的枢转连接来实现。空气弹簧24为货物和乘客缓冲了车辆的乘行，而减震器40则有助于控制车辆的乘行。

现在转向图2，现有技术的减震器40包括滑动配合在缸体118上的上部倒杯状部分116。包括衬套组件108的孔眼部109安装在减震器缸体118的最下侧端部上，并且还安装在倒杯状部分116的最上侧端部上。更具体地，衬套组件108包括由金属或其它足够刚性的材料形成的外部的大体圆筒形的承载部110。在其中心形成有连续开口113的衬套112压配合到圆筒形承载部110中。具有大体圆筒形形状并且在其中心形成有连续开口115的内部套筒114压配合到衬套112的开口113中。内部套筒114大体向外延伸通过衬套112和承载部110。承载部110经由焊接或其它类似的刚性附接方法而被固定地附接到柱塞126的最上侧端部。缸体118包括填充有流体124的腔室119。腔室119还包括形成有一对开口122的大体圆形的平坦的隔板120，所述一对开口允许穿过隔板并且在整个腔室内或贯穿整个腔室的流体的连通。隔板120的最上侧表面附接到柱塞126。柱塞126从隔板120延伸穿过腔室119和流体124、穿过形成在缸体118的最上侧部分中的开口131，并且所述柱塞被附接到如上所述的倒杯状部分116的内表面和承载部110。当倒杯状部分116在车辆运行期间沿减震器40的缸体118向下滑动时，柱塞126沿方向D向下移动隔板120。相反地，当倒杯状部分116在车辆运行期间沿减震器40的下部部分118向上滑动时，柱塞126沿方向U向上移动隔板120。在重型车辆运行期间，隔板120的向上移动和向下移动为减震器40提供粘滞阻尼，并且转而为附接有所述减震器的车轴/悬架系统提供粘滞阻尼。排放阀133位于隔板120上。排放阀133提供缸体腔室119中的隔板120的任意侧上的峰值压力的受控释放，所述峰值压力来源于隔板穿过容纳在缸体腔室中的流体124的移动。在高能量载荷输入期间，排放阀133被激活，从而降低缸体腔室119内的压力，并且降低减震器40内阻尼的增加速率。相反地，对于低能量输入，排放阀133通常保持关闭。

由于上述现有技术的空气弹簧24的结构不能提供如上所述的功能，因此，其阻尼能力非常有限或没有阻尼能力。相反地，现有技术的空气弹簧24依赖于减震器40来为车轴/悬架系统10提供阻尼。

现在转向图4，图4中示出了图1中所示的车轴/悬架系统10在整个临界频率范围内所绘制的每次循环的相对阻尼水平。在这种现有技术的布置中，减震器40被依赖作为向车轴/悬架系统10提供阻尼特性的唯一装置。因此，利用减震器40与通常的现有技术的不具有阻尼特性的空气弹簧24的组合的车轴/悬架系统10大体在约1.8Hz处(在点A处)大体提供最佳的阻尼。在更高的频率下，在点I处的约12.0Hz-14.0Hz之间，由于通常的现有技术的减震器40的阻尼曲线的不断增加，车轴/悬架系统10受到增加的阻尼。减震器40的增加的阻尼导致作用在车轴/悬架系统上的力的传递性增加，这转而可以降低车轴/悬架系统的乘行舒适特性，并且可能导致车轴/悬架系统的部件、轮胎和其他车辆部件的过早磨损。当所述减震器遇到如前所述的高能量输入时，现有技术的车轴/悬架系统10的减震器40所示的这种增加的阻尼还可能潜在地引起减震器的喷雾，所述喷雾通过利用来自减震器的流体污染减震器周围的部件而能够对所述部件产生不利的影响，并且还能够导致减震器或周围部件的过早更换。此外，现有技术的减震器40的增加的阻尼需要大而重的安装件，以用于在车辆运行期间通过车轴/悬架系统有效地传递作用在减震器上的力，这非期望地增加了车辆的重量，并且转而由于增加的燃料消耗而增加了车辆的运行成本。

在图3中以附图标记224大体示出了现有技术的具有阻尼特性的空气弹簧，所述空气弹簧与车轴额定总重(GAWR)为约20,000磅的车轴/悬架系统的车轴结合使用，这是美国专利No.8,540,222的主题，并且将在下面进行详细描述。与上述的现有技术的空气弹簧24类似，空气弹簧224也被结合到车轴/悬架系统10或其它类似的空气悬挂式车轴/悬架系统中。然而，通常在没有减震器40的情况下使用空气弹簧224。空气弹簧224包括波纹管241和活塞242。波纹管241的顶部端部以本领域公知的方式与波纹管顶板243密封地接合。空气弹簧安装板(未示出)被紧固件(未示出)安装在顶板243的顶部表面上，所述紧固件还用于将空气弹簧224的顶部部分安装到车辆的主构件(未示出)中的相应的一个主构件上。替代地，波纹管顶板243也可以直接安装在车辆的主构件(未示出)的相应的一个主构件上。活塞242是大体圆筒形的并且包括连续的大体阶梯状的侧壁244，所述侧壁244附接到大体平坦的底板250并与顶板282一体形成。底板250形成有向上延伸的中心毂252。中心毂252包括形成有中心开口253的底板254。穿过开口253布置紧固件251，以便在梁的后端部26处将活塞242附接到梁的顶板65(图1)。

活塞242的顶板282、侧壁244和底板250限定了具有内部容积V₁的活塞腔室299。活塞242的顶板282形成有圆形的向上延伸的突出部283，所述突出部283具有围绕其圆周的唇部280。如那些本领域普通技术人员所公知的，唇部280与波纹管241的最下侧端部配合以便在波纹管和唇部之间形成气密密封。波纹管241、顶板243和活塞顶板282限定了具有标准静态悬架装载高度的内部容积V₂的波纹管腔室298。缓冲器281通过本领域普遍公知的方式刚性地附接到缓冲器安装板286。缓冲器安装板286转而被紧固件284安装在活塞顶板282上。缓冲器281从缓冲器安装板286的顶部表面向上延伸。缓冲器281用作活塞顶板282和波纹管顶板243之间的缓冲垫以为了在车辆的运行期间阻止所述活塞顶板和所述波纹管顶板相互接触(这可能潜在地导致各顶板的损坏)。

波纹管腔室298优选地具有在标准静态悬架装载高度下约305立方英寸至约915立方英寸的内部容积V₂。活塞腔室299优选地具有在标准静态悬架装载高度下约150立方英寸至约550立方英寸的内部容积V₁。

活塞顶板282形成有一对开口285，所述开口允许活塞腔室299的容积V₁和波纹管腔室298的容积V₂彼此连通。更特别地，开口285允许在车辆运行期间流体或空气在活塞腔室299和波纹管腔室298之间穿过。活塞顶板开口285优选地具有约0.039平方英寸至约0.13平方英寸的组合的横截面面积。

以平方英寸为单位测量的开口285的横截面面积与以立方英寸为单位测量的活塞腔室299的容积以及与以立方英寸为单位测量的波纹管腔室298的容积的比值处于在大约1：600：1200至约1：14100：23500的比值范围内。

现在已经描述了现有技术的阻尼空气弹簧224的结构，下面将详细描述空气弹簧的阻尼特性的运行。当车轴/悬架系统10的车轴32经历颠簸情形时(例如当车轮遇到道路中的路缘或凸出的隆起时)，车轴朝向车辆底盘竖直向上移动。在这样的颠簸情形中，当车辆的车轮在道路中的路缘或凸出的隆起上行进时，波纹管腔室298被车轴/悬架系统10压缩。空气弹簧的波纹管腔室298的压缩导致波纹管腔室的内部压力增加。因此，在波纹管腔室298和活塞腔室299之间产生压力差。该压力差使得空气从波纹管腔室298流动穿过活塞顶板开口285并且进入活塞腔室299。波纹管腔室298之间的空气穿过活塞顶板开口285进入到活塞腔室299中的受限制的流动导致阻尼发生。作为穿过开口285的气流的额外的结果，波纹管腔室298和活塞腔室299之间的压力差减小。空气继续流动穿过活塞顶板开口285，直到活塞腔室299和波纹管腔室298的压力已经平衡。

相反地，当车轴/悬架系统10的车轴32经历回弹情形时(例如当车辆的车轮遇到道路中的大坑或凹陷时)，车轴远离车辆底盘竖直向下移动。在这种反弹情形中，当车辆的车轮行进进入道路中的坑或凹陷中时，波纹管腔室298被车轴/悬架系统10扩大。空气弹簧的波纹管腔室298的扩大导致波纹管腔室的内部压力降低。结果，在波纹管腔室298和活塞腔室299之间产生压力差。该压力差导致空气从活塞腔室299穿过活塞顶板开口285流动，并且进入到波纹管腔室298中。穿过活塞顶板开口285的空气的受限制的流动导致阻尼发生。作为穿过开口285的气流的额外的结果，波纹管腔室298和活塞腔室299之间的压力差减小。空气将继续流动穿过活塞顶板开口285直到活塞腔室299和波纹管腔室298的压力已经平衡。当在数秒内的一段时间内几乎没有或没有发生悬挂移动时，波纹管腔室298和活塞腔室299的压力可以被认为是相等的。

通过调整活塞腔室299的容积V₁、波纹管腔室298的容积V₂和/或活塞顶板开口285的相对尺寸，可以调谐所获得的阻尼水平以及发生最高的阻尼水平的频率。通过在一个周期或振荡内由阻尼而损失的能量来测量所获得的阻尼水平。例如，相对更小的波纹管腔室容积V₂将通常产生更高的阻尼水平，这是因为波纹管腔室298内的压力变化对于给定的情形来说将是更高的，即，更高的压力差意味着更多的穿过活塞顶板开口285的流动，从而导致更多的阻尼。通过另外的示例，相对更大的活塞腔室容积V₁通常也将产生更高的阻尼水平，这是因为活塞腔室299和波纹管腔室298之间的压力差通常将需要更长的时间来平衡，即将需要更多的空气流动穿过活塞顶板开口285，导致在活塞腔室和波纹管腔室之间更多的阻尼。通过另外的示例，改变活塞顶板开口285的相对横截面尺寸、形状、数量或甚至长度将转而影响活塞腔室299和波纹管腔室298中的压力平衡所花费的时间。因此，可以改变活塞顶板开口285的横截面尺寸，以改变阻尼水平和发生最高的阻尼水平时的频率。

现在转向图5中，图5示出了在车轴/悬架系统10的临界频率范围内的每次循环的相对阻尼水平，所述车轴/悬架系统包括现有技术的阻尼空气弹簧224而不具有减震器40。如从图5可以看出，车轴/悬架系统10与具有阻尼空气弹簧224而不具有不具有减震器40的组合在大约1.5-4.0Hz的范围内的B处示出了最大阻尼。当车轴/悬架系统10的输入频率增加时，由阻尼空气弹簧224提供的相对阻尼开始下降(如C处所示)。这是因为阻尼空气弹簧224在高于约6.0Hz的频率处提供更小的阻尼。这种在更高频率下的减小的阻尼可以潜在地导致轮胎磨损和有效载荷损坏。

更具体地，现有技术的具有阻尼特性的空气弹簧224可以潜在地在更高的临界频率D(例如约13.0Hz)处提供小于最佳阻尼的阻尼，这转而可以潜在地导致车轴/悬架系统的部件寿命缩短，包括潜在增加的轮胎磨损和有效载荷损坏。

现有技术的减震器40(例如图1和图2中所示的那些类型的减震器)在约13.0Hz附近的更高的临界频率I处具有连续增加的阻尼曲线。这意味着随着车轴/悬架系统10上的输入频率的增加，由减震器40向车轴/悬架系统提供的阻尼增加。减震器40在更高的输入频率下的这种增加的阻尼导致作用在车轴/悬架系统10上的力的传递性增加，这转而可以降低车轴/悬架系统在更高频率下的乘行舒适特性，并且还可以导致车轴/悬架系统的部件、轮胎和车辆的其他部件的过早磨损和使用寿命降低。因为现有技术的减震器40表现出连续增加的阻尼曲线，所以当减震器遇到高能量输入时，可能会发生如上所述的减震器的“喷雾”，这可能导致对减震器或其它部件的过早更换的潜在需求，并且可能潜在地引起周围部件的污染。本发明的阻尼空气弹簧和减震器的组合克服了这些问题，下面将详细描述本发明的优点和益处。

阻尼空气弹簧和减震器300的组合的第一优选实施例主要在图6和图7中示出，并且将在下面进行详细描述。阻尼空气弹簧324大体与如上详细描述的现有技术的具有阻尼特性的空气弹簧224相同，并且其在车轴/悬架系统10上的布置也大体相同。优化的减震器340在某些方面与如上详细描述的现有技术的减震器40相似，其中，减震器340在车轴/悬架系统10上的布置与上面详细描述的现有技术的减震器40的布置大体相同。然而，优化的减震器340与现有技术的减震器40相比更小并且制造成本更低，并且所述优化的减震器利用了尺寸减小的安装硬件，从而节省了重量。

现在转向图7，优化的减震器340示出为从车轴/悬架系统10中移出。优化的减震器340包括滑动配合在缸体318上的上部倒杯状部分316。包括衬套组件308的孔眼309安装在减震器缸体318的最下侧端部上，并且还安装在倒杯状部分316的最上侧端部上。更具体地，衬套组件308包括由金属或其它足够刚性的材料形成的外部的大体圆筒形的承载部310。在其中心处形成有连续开口313的衬套312压配合到圆筒形承载部310中。具有大体圆筒形形状并且在其中心形成有连续开口315的内部套筒314压配合到衬套312的开口313中。内部套筒314大体向外延伸通过衬套312和承载部310。承载部310经由焊接或其它类似的刚性附接方法而被固定地附接到柱塞326的最上侧端部。缸体318包括填充有流体325的腔室319。腔室319还包括形成有一对开口322的大体圆形的平坦的隔板320，所述开口322允许穿过隔板以及在整个腔室内或贯通整个腔室的流体的连通。隔板320的最上侧表面附接到柱塞326。柱塞326从隔板320延伸穿过腔室319和流体325、穿过形成在缸体318的最上侧部分的开口331，并且附接到倒杯状部分316和承载部310。当倒杯状部分316在车辆运行期间沿优化的减震器340的缸体318向下滑动时，柱塞326沿方向D向下移动隔板320。相反地，当倒杯状部分316在车辆运行期间沿优化的减震器340的下部部分318向上滑动时，柱塞326沿方向U向上移动隔板320。隔板320穿过流体325向上和向下的移动为减震器340提供了粘滞阻尼，并且转而在重型车辆运行期间为附接有所述减震器的车轴/悬架系统提供了粘滞阻尼。

本发明的优化的减震器340和现有技术的减震器40之间的主要区别在于，所述优化的减震器包括优化的排放阀333，并且因此产生了在所有频率上均减小的阻尼。此外，孔眼309不那么稳固地安装到倒杯状部分316的最上侧端部和减震器缸体318的最下部部分，这减轻了重量。由于减震器与阻尼空气弹簧324组合使用，因此减震器所需的阻尼减小，所以较不稳固的安装是足够的。

现在转向图8，图8示出了在车轴/悬架系统的临界频率范围内的每次循环的相对阻尼水平，所述车轴/悬架系统包括本发明的阻尼空气弹簧和减震器300的组合的第一优选实施例。如从图8中可以看出，本发明的阻尼空气弹簧和减震器300的组合在车轴/悬架系统的临界固有频率的整个范围内(从约1.8Hz的E点至约13.0Hz的F点)为车轴/悬架系统提供了最佳阻尼，并且还在整个频率范围内(主要从约0.0Hz到约14.0Hz)为车轴/悬架系统提供了最佳阻尼。更具体地，阻尼空气弹簧324主要在低于约6Hz的更低频率下为车轴/悬架系统10提供最佳阻尼，而优化的减震器340主要在高于约6Hz的更高频率下为车轴/悬架系统提供最佳阻尼。本发明的阻尼空气弹簧和减震器300的组合在包括所有临界频率范围的整个频率范围内提供了最佳阻尼，对于拖车来说，所述临界频率范围包括车身振动模式的1.8Hz和车轮跳动模式的13.0Hz。

通过提供与优化的减震器340组合使用的阻尼空气弹簧324并且由此导致在整个临界输入频率的频谱内车轴/悬架系统10的优化的阻尼特性，本发明的阻尼空气弹簧和减震器300的组合克服了与现有技术的阻尼空气弹簧224和与非阻尼空气弹簧24一起使用的现有技术的减震器40相关联的问题。本发明的用于重型车辆的阻尼空气弹簧和减震器300的组合允许对减震器340的某些结构部件进行调谐，以便在更高频率处提供最佳阻尼，从而在降低了现有技术的标准减震器40中常见的传递性和喷雾的同时，改善对于车轴/悬架系统10的阻尼，潜在地节省了重量和成本，并且允许重型车辆运送更多的货物。此外，在车辆运行期间，降低到车轴/悬架系统10的部件中的道路输入的传递性提高了车轴/悬架系统和车轴/悬架系统的部件的耐用性，同时保持了车轴/悬架系统在更高的临界输入频率下的乘行舒适特性。

现在转向图9，阻尼空气弹簧和减震器400的组合的第二优选实施例在图9中大体示出并且将在下面被详细描述。阻尼空气弹簧424与上述详细描述的具有阻尼特性的现有技术的空气弹簧224大体相同，并且其在车轴/悬架系统10上的布置也大体相同。减震器440与上面详细描述的现有技术的减震器40大体相同，并且减震器440在车轴/悬架系统10上的布置也与上述详细描述的现有技术的减震器40的布置大体相同。

近年来，某些管辖区实施了“友好道路”立法。在这些管辖区内，政府法规对在该管辖区内的道路上行驶的车辆要求极高水平的阻尼。通常，这种增加的阻尼已经通过使用“过载荷”减震器来实现，并且所述“过载荷”减震器提供了所需的阻尼的最小阈值。这些减震器需要昂贵的重/稳固的安装结构。

本发明的阻尼空气弹簧和减震器400的组合的第二优选实施例通过利用阻尼空气弹簧424和减震器440的组合来实现增加的阻尼水平。

现在转向图10，图10示出了在车轴/悬架系统的临界频率范围内的每次循环的相对阻尼水平，所述车轴/悬架系统包括本发明的阻尼空气弹簧和减震器400的组合的第二优选实施例。如从图10中可以看出，本发明的阻尼空气弹簧和减震器400的组合在车轴/悬架系统的两个临界固有频率(1.8Hz的G点和13.0Hz的H点)下为车轴/悬架系统提供增加的阻尼水平。这种增加的阻尼允许本发明的阻尼空气弹簧和减震器400的组合的第二优选实施例提供符合“友好道路”管辖区的阻尼，而不需要实施较重的并且需要重/稳固的安装结构的“过载荷”减震器。因此，利用本发明的阻尼空气弹簧和减震器400的组合的第二优选实施例可以节省重量，这转而允许使用本发明的车辆承载更多的货物。

现在转向图11，图11示出了对图4、图5、图8和图10中的图表中所示出的各种车轴/悬架系统的临界频率范围内的每次循环的相对阻尼水平彼此之间的比较。

可以想到，本发明的阻尼空气弹簧和减震器300、400的组合的第一优选实施例和第二优选实施例可以使用在牵引式挂车或其他重型车辆上，而不改变本发明的整体理念或者运行，所述其他重型车辆包括卡车(特别是8级商用卡车)或具有一个或多个车轴的公共汽车等。还可以想到，本发明的阻尼空气弹簧和减震器300、400的组合的优选实施例可以使用在具有可移动或不可移动的车架或副车架的车辆上，而不改变本发明的整体理念。甚至还进一步想到，本发明的阻尼空气弹簧和减震器300、400的组合的优选实施例可以使用在那些本领域技术人员所知的所有类型的空气悬挂式的导向臂车轴/悬架系统和/或拖臂梁型车轴/悬架系统设计，而不改变本发明的整体理念或运行。例如，本发明应用于由钢以外的材料制成的梁或臂中，所述材料例如为铝、其他金属、金属合金、复合材料和/或以上材料的组合。还可以想到，本发明的阻尼空气弹簧和减震器300、400的组合的优选实施例可以使用在具有上置/顶部安装构造或下置/底部安装构造的车轴/悬架系统中，而不改变本发明的整体理念。本发明还应用于具有不同于上面所示的设计和/或构造的梁或臂，例如实心梁、壳型梁、桁架结构、交叉板、弹性梁和平行板。本发明还应用于例如弹簧座的中间结构。还可以想到，本发明的阻尼空气弹簧和减震器300、400的组合的优选实施例可以与例如那些使用U型螺栓、U型螺栓支架/轴座等的其他类型的空气悬挂刚性梁式车轴/悬架系统结合使用，而不改变本发明的整体理念或运行。还可以想到，本发明的阻尼空气弹簧和减震器300、400的组合的优选实施例可以由各种材料形成，而不改变本发明的整体理念或运行，所述材料包括但不限于复合材料、金属等。还可以想到，本发明的阻尼空气弹簧和减震器300、400的组合的优选实施例可以与任何流体(例如空气或液压流体)一起使用，而不改变本发明的整体理念。还应当理解，本发明的阻尼空气弹簧和减震器300、400的组合的优选实施例可以被修改以便使用在临界车身振动模式为1.5Hz并且车轮跳动模式为11.0Hz的公共汽车上，而不改变本发明的整体理念或运行。甚至进一步设想，在阻尼空气弹簧和减震器300、400的优选实施例中分别使用的阻尼空气弹簧324、424可以经由导管(多个导管)连接到外部贮存器而不是连接到包含在活塞腔室299中的贮存器，而不改变本发明的整体理念或运行。还应当理解，不同类型的车轴/悬架系统可以呈现不同的车身振动模式以及车轮跳动模式的临界固有频率，并且本文的教导可应用于所述不同类型的车轴/悬架系统。可以想到，本发明的阻尼空气弹簧和减震器300的组合的优选实施例可以与不包括排放阀的减震器一起使用，而不改变本发明的整体理念或运行。还可以想到，在阻尼空气弹簧和减震器300、400的组合的优选实施例中分别使用的阻尼空气弹簧324、424可以是具有不同结构和构成的不同类型的阻尼空气弹簧，而不改变本发明的整体理念或运行。

因此，用于重型车辆的车轴/悬架系统的阻尼空气弹簧和减震器的组合被简化，提供了实现所有列举目标的有效、安全、便宜且高效的结构和方法，消除了现有技术的空气弹簧和减震器所遇到的困难，解决了本领域中的问题并且获得了本领域的新成果。

在前面的描述中，为了简洁、清晰和理解已经使用了某些术语；但是因为这些术语是用于描述的目的并且旨在被广泛地解释，因此在现有技术的要求之外，所述术语没有暗示不必要的限制。

此外，本发明的描述和说明仅作为示例，并且本发明的范围不限于所示出或描述的确切细节。

现在已经描述了本发明的特征、发现和原理，在使用并且安装用于重型车辆的车轴/悬架系统的阻尼空气弹簧和减震器的组合的方式中，获得了结构、布置和方法步骤的特征以及有利的、新的和有用的成果；在所附权利要求中对新的有用的结构、装置、元件、布置、工艺、部件和组合进行了阐述。

Claims (12)

1.一种用于重型车辆的车轴/悬架系统的阻尼空气弹簧和减震器的组合，包括：

阻尼空气弹簧，所述阻尼空气弹簧可操作地附接到所述车轴/悬架系统，和

减震器，所述减震器可操作地附接到所述车轴/悬架系统，由此所述阻尼空气弹簧主要在第一临界频率范围内为所述车轴/悬架系统提供阻尼，所述减震器主要在第二临界频率范围内为所述车轴/悬架系统提供阻尼，所述第一临界频率范围和所述第二临界频率范围彼此不同。

2.根据权利要求1所述的用于重型车辆的车轴/悬架系统的阻尼空气弹簧和减震器的组合，其中，所述第一临界频率范围为约0.0Hz至约6.0Hz。

3.根据权利要求1所述的用于重型车辆的车轴/悬架系统的阻尼空气弹簧和减震器的组合，其中，所述第二临界频率范围为约0.0Hz至约13Hz。

4.根据权利要求1所述的用于重型车辆的车轴/悬架系统的阻尼空气弹簧和减震器的组合，其中，所述第二临界频率范围为大于约6.0Hz。

5.根据权利要求1所述的用于重型车辆的车轴/悬架系统的阻尼空气弹簧和减震器的组合，所述阻尼空气弹簧还包括波纹管腔室和活塞腔室，所述波纹管腔室经由至少一个开口与所述活塞腔室流体连通。

6.根据权利要求4所述的用于重型车辆的车轴/悬架系统的阻尼空气弹簧和减震器的组合，所述活塞腔室包括位于所述阻尼空气弹簧外部的外部贮存器。

7.根据权利要求4所述的用于重型车辆的车轴/悬架系统的阻尼空气弹簧和减震器的组合，所述活塞腔室位于所述阻尼空气弹簧的活塞内。

8.根据权利要求4所述的用于重型车辆的车轴/悬架系统的阻尼空气弹簧和减震器的组合，所述至少一个开口的横截面面积为约0.039平方英寸至约0.13平方英寸。

9.根据权利要求7所述的用于重型车辆的车轴/悬架系统的阻尼空气弹簧和减震器的组合，其中，以平方英寸为单位所测量的所述至少一个开口的横截面面积与以立方英寸为单位测量的所述活塞腔室的容积以及与以立方英寸为单位测量的所述波纹管腔室的容积的比值处于约1:600:1200至约1:14100:23500的比值范围内。

10.根据权利要求4所述的用于重型车辆的车轴/悬架系统的阻尼空气弹簧和减震器的组合，所述活塞腔室的容积为约150立方英寸至约550立方英寸。

11.根据权利要求4所述的用于重型车辆的车轴/悬架系统的阻尼空气弹簧和减震器的组合，所述波纹管腔室的容积为约305立方英寸至约915立方英寸。

12.根据权利要求1所述的用于重型车辆的车轴/悬架系统的阻尼空气弹簧和减震器的组合，所述减震器包括排放阀，所述排放阀在所有频率上产生减小的阻尼。