CN111322341A - 空气弹簧、空气弹簧的控制系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于空气弹簧技术，公开了一种空气弹簧、空气弹簧的控制系统和控制方法。本发明的空气弹簧包括：具有上盖和下盖的缸体，上盖设有至少一个第一气孔，下盖设有至少一个第二气孔和至少一个第三气孔；设于缸体内部并与缸体内壁滑动配合的活塞，活塞将缸体内部阻隔为上气室和下气室，上气室与下气室之间无气体连通；贯穿下盖的推杆，推杆一端固定连接活塞，从而随活塞沿缸体直线往复运动；设于上气室或下气室内的弹性件，弹性件沿缸体上下方向压缩或拉伸。本发明的空气弹簧能够实现对刚性和高度的分离控制，响应快速，且具备失效保护功能。

Description

空气弹簧、空气弹簧的控制系统和控制方法

技术领域

本发明涉及空气弹簧技术领域，尤其涉及一种空气弹簧、空气弹簧的控制系统和控制方法。

背景技术

悬架是汽车的车架(或承载式车身)与车桥(或车轮)之间的一切传力连接装置的总称，其作用是传递作用在车轮和车架之间的力和扭矩并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，并减少由此引起的震动，以保证汽车能平顺地行驶。现代汽车越来越重视乘员的乘坐舒适性，而研究悬架系统及其设计对保证车辆具有良好的乘坐舒适性具有重要意义。汽车悬架按照其弹性元件的材质和特性可分为钢弹簧悬架和以橡胶材料为主的空气悬架。

空气弹簧的工作原理是在密闭的压力缸内充入惰性气体或者油气混合物，使腔体内的压力高于大气压的几倍或者几十倍，利用活塞杆的横截面积小于活塞的横截面积从而产生的压力差来实现活塞杆的运动。空气弹簧具有较理想的非线性弹性特性，加装高度调节装置后，车身高度不随载荷增减而变化，弹簧刚度可设计得较低，乘坐舒适性好。

但空气弹簧组成的空气悬架结构复杂、相对体积没有螺旋弹簧小；且制造成本高、寿命相对短；而且不能实现对空气弹簧的刚性和高度分离控制，响应缓慢快速，不具有失效保护的功能。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种空气弹簧，其旨在解决相关技术中空气弹簧不能实现对空气弹簧的刚性和高度分离控制，响应缓慢和不具有失效保护的技术问题。

为达到上述目的，本发明提供的方案是：一种空气弹簧，包括：具有上盖和下盖的缸体，所述上盖设有至少一个第一气孔，所述下盖设有至少一个第二气孔和至少一个第三气孔；设于所述缸体内部并与所述缸体内壁滑动配合的活塞，所述活塞将所述缸体内部阻隔为上气室和下气室，所述上气室与所述下气室之间无气体连通；贯穿所述下盖的推杆，所述推杆一端固定连接所述活塞，从而随所述活塞沿所述缸体直线往复运动；设于所述上气室或所述下气室内的弹性件，所述弹性件沿所述缸体上下方向压缩或拉伸。

可选地，还包括：连接所述第一气孔的三通，连接所述第三气孔的三通；所述三通和所述第二气孔均带有可控开关阀。

可选地，所述上盖和/或所述下盖与所述缸体为一体结构或与所述缸体固定连接。

可选地，所述固定连接为螺接方式。

可选地，所述第一气孔为1个；且/或，所述第二气孔为2、4、5、6、8、10或12个；且/或，所述第三气孔为2、4或6个。

可选地，设于所述上气室的弹性件为拉伸弹簧或膜片弹簧；且设于所述下气室的弹性件为压缩弹簧或膜片弹簧。

可选地，所述上盖与所述缸体的接触面、所述下盖与所述缸体的接触面、所述缸体的内侧壁与所述活塞的接触面和所述推杆与所述下盖的接触面均通过密封圈密封配合。

可选地，所述弹性件的刚度满足以下条件：

在初始条件下：

(P_{1_0}+P_a)A≥(K_sΔx_{s_max}+P_{2_0}A)

在增压状态下：

(K_sΔx_s+P₂A+P_aA)≥(P₁+P_a)A

当稳定后，所述空气弹簧的内部压力为：

P₁A＝(K_sΔx_s+P₂A)

其中，P₁为所述上气室的压强，P_{1_0}为初始所述上气室的压强，K_s为所述钢制弹性件的刚度，A为所述活塞的面积，Δx_s为所述钢制弹性件的压缩量，Δx_{s_max}为所述钢制弹性件在工作中的最大压缩量，P₂为所述下气室压强，P_{2_0}为初始所述下气室的压强，P_a为大气环境中的压强。

可选地，所述推杆为中空。

本发明的第二个目的在于提供一种空气弹簧的控制系统，包括：控制电路和如上述的空气弹簧；其中，所述第一气孔通过所述三通连接到高压气源或外界环境；所述第二气孔通过所述可控开关阀连接到低压真空气源；所述第三气孔通过所述三通连接到高压气源或外界环境；所述可控开关阀还设置在所述三通的开口处；所述控制电路与所述可控开关阀电性连接，以控制所述可控开关阀的开闭。

可选地，所述低压真空气源为发动机进气歧管或抽气机。

本发明的第三个目的在于提供一种空气弹簧的控制方法，包括：当需要所述上气室工作，且所述下气室不工作时，所述下气室连接进气歧管且所述下气室的压强低于外界环境；

当需要改变所述空气弹簧的高度和刚度，且需要所述下气室快速进气时，关闭所述下气室与进气歧管的连接，打开所述下气室与所述高压气源的连接；

当需要改变所述空气弹簧的刚度或高度，且需要所述下气室快速放气时，打开所述下气室与外界环境、进气歧管的连接；

当需要改变所述空气弹簧的高度和刚度，但不需要所述下气室作出快速响应时，通过所述高压气源对所述下气室进行充气，或通过外界环境对所述下气室进行排气。

本发明实施例提供的一种空气弹簧，包括：具有上盖和下盖的缸体，上盖设有至少一个第一气孔，下盖设有至少一个第二气孔和至少一个第三气孔；设于缸体内部并与缸体内壁滑动配合的活塞，活塞将缸体内部阻隔为上气室和下气室，上气室与下气室之间无气体连通；贯穿下盖的推杆，推杆一端固定连接活塞，从而随活塞沿缸体直线往复运动；设于上气室或下气室内的弹性件，弹性件沿缸体上下方向压缩或拉伸。本发明实施例提供的空气弹簧，一方面能够在缸体的密封失效时，通过弹性件起到支撑悬架的作用；另一方面通过引入第二气孔，使其与发动机进气歧管相连接，使得下气室为真空环境，能够实现快速响应的效果；且上气室与下气室之间无气体连通，能够实现对空气弹簧的刚性和高度分离控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的空气弹簧的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的空气弹簧的外部示意图；

图3是本发明实施例提供的空气弹簧的上盖；

图4是本发明实施例提供的空气弹簧的下盖；

图5是本发明实施例提供的空气弹簧的活塞；

图6是本发明实施例提供的空气弹簧控制系统的示意图。

附图说明：

200、缸体；201、上盖；202、下盖；203、活塞；204、弹性件；205、推杆；206、螺母；207、螺栓；

190、第一气孔；191、第二气孔；192、第三气孔；

300、可控开关阀；301、三通；302、低压真空气源；303、控制电路；304、高压气源。

具体实施方式

下面将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作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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，在本发明中涉及“第一”“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明实施例提供的空气弹簧，主要安装于SUV或商用车的悬架上。

如图1至图6所示，本发明实施例提供的一种空气弹簧，包括：具有上盖201和下盖202的缸体200，上盖201设有至少一个第一气孔190，下盖202设有至少一个第二气孔191和至少一个第三气孔192；设于缸体200内部并与缸体200内壁滑动配合的活塞203，活塞203将缸体200内部阻隔为上气室和下气室，上气室与下气室之间无气体连通；贯穿下盖202的推杆205，推杆205一端固定连接活塞203，从而随活塞203沿缸体200直线往复运动；设于上气室或下气室内的弹性件204，弹性件204沿缸体200上下方向压缩或拉伸。一方面，当上气室或下气室的密封失效时，依然可以利用弹性件204实现支撑悬架的作用；另一方面，上气室与下气室之间无气体连通，可以实现空气弹簧的高度和刚度分离控制。当需要空气弹簧快速响应时，由于下气室与发动机进气歧管相连接，下气室形成真空状态，此时上气室的压强大于下气室，下气室可以通过第三气孔192快速地进行充气，以达到快速响应的目的。

上盖201与缸体200及活塞203围合形成上气室，下盖202与缸体200及活塞203围合形成下气室。

在一实施例中，空气弹簧还包括：连接第一气孔190的三通301，连接第三气孔192的三通301；三通301和第二气孔191均带有可控开关阀300。可控开关阀300通过控制电路303实现对三通301的开闭，从而控制第一气孔190、第二气孔191和第三气孔192的充放气。

在一实施例中，上盖201和下盖202与缸体200为一体结构。具体应用中，也可以设置上盖201与缸体200为一体结构，或者也可以设置下盖202与缸体200为一体结构。这样，使得空气弹簧更加紧固，上盖201与下盖202不容易与缸体200松脱。

在一实施例中，上盖201和下盖202与缸体200固定连接。具体应用中，也可以设置上盖201与缸体200固定连接，或者也可以设置下盖202与缸体200固定连接。固定连接方式可以是螺接方式，具体为通过螺栓207或螺母206进行连接。

在一实施例中，可以设置第一气孔190为1个，第二气孔191为2个，第三气孔192为6个。具体应用中，第二气孔191可以为4、5、6、8、10或12个，发动机的进气歧管位于节气门与引擎进气门之间，之所以称为进气歧管，是因为空气进入节气门后，经过进气歧管缓冲统后，空气流道就在此分歧了，对应引擎汽缸的数量，如四缸引擎就有四道，五缸引擎则有五道。根据发动机的进气歧管的数量不同，可以相应的设置第二气孔191的数量。同样的，第三气孔192的数量设置为多个，例如2个或4个，第三气孔192可以使得下气室快速排气，通过增大排气面积、增大压差的方式加速排气。同理，第一气孔190的数量也可以设置为多个，例如2个或3个，以实现上气室快速充气或排气的效果。

在一实施例中，设于下气室的弹性件204为拉伸弹簧或膜片弹簧；具体应用中，也可以将设于下气室的弹性件204安装于上气室，但设于上气室的弹性件204为压缩弹簧或膜片弹簧。

在一实施例中，上盖201与缸体200的接触面、下盖202与缸体200的接触面、缸体200的内侧壁与活塞203的接触面和推杆205与下盖202的接触面均通过密封圈密封配合。密封圈可以是O型密封圈。密封圈能够避免气体泄漏，起到很好的密封效果，保证空气弹簧的快速响应。

在一具体实施例中，在进行空气弹簧和的结构设计时需要考虑弹性件204的选型，其刚度应满足如下条件：

在初始条件下：

(P_{1_0}+P_a)A≥(K_sΔx_{s_max}+P_{2_0}A)

在增压状态下：

(K_sΔx_s+P₂A+P_aA)≥(P₁+P_a)A

当稳定后，空气弹簧的内部压力为：

P₁A＝(K_sΔx_s+P₂A)

其中，P₁为上气室的压强，P_{1_0}为初始上气室的压强，K_s为钢制弹性件204的刚度，A为活塞203的面积，Δx_s为钢制弹性件204的压缩量，Δx_{s_max}为钢制弹性件204在工作中的最大压缩量，P₂为下气室压强，P_{2_0}为初始下气室的压强，P_a为大气环境中的压强。

在一实施例中，可以将推杆205设置为中空。实际使用中，将上盖201与车辆的车身连接，下盖202与半轴相连接，阻尼器(图未示)可以安装在推杆205的中空位置。阻尼器，是以提供运动的阻力，耗减运动能量的装置。利用阻尼来吸能减震，在汽车行业中可以应用阻尼器来减振消能。

本发明实施例还提供一种空气弹簧的控制系统，包括：控制电路303和空气弹簧；其中，第一气孔190通过三通301连接到高压气源304或外界环境；第二气孔191通过可控开关阀300连接到低压真空气源302；第三气孔192通过三通301连接到高压气源304或外界环境；可控开关阀300还设置在三通301的开口处；控制电路303与可控开关阀300电性连接，以控制可控开关阀300的开闭。可控开关阀300设置在三通301的开口处，用于控制三通301的气流大小。

在一实施例中，低压真空气源302为发动机进气歧管。具体应用中，低压真空气源302为抽气机。抽气机可以使得下气室形成真空状态。

本发明实施例还提供一种空气弹簧的控制方法，包括：当需要上气室工作，且下气室不工作时，下气室连接进气歧管且下气室的压强低于外界环境；

当需要改变空气弹簧的高度和刚度，且需要下气室快速进气时，关闭下气室与进气歧管的连接，打开下气室与高压气源304的连接；

当需要改变空气弹簧的刚度或高度，且需要下气室快速放气时，打开下气室与外界环境、进气歧管的连接；

当需要改变空气弹簧的高度和刚度，但不需要下气室作出快速响应时，通过高压气源对下气室进行充气，或通过外界环境对下气室进行排气。

上气室仅通过三通301与高压气源304、外界环境相连，不具备快速响应的能力，但可以通过充放气，配合下气室实现空气弹簧的刚性和高度分离控制。

需要说明的是，空气弹簧的响应快速功能具有快速放气及在与进气歧管相连时快速充气这两种。当空气弹簧需要快速响应时，仅对下气室进行快速响应控制。下气室如果需要快速放气，则选择开启多个第三气孔192将气体输送到外界环境中，第二气孔191与发动机进气歧管联通的可控开关阀300的阀门打开。

下气室与发动机进气歧管连接，其设计参考车辆的制动踏板真空助力器。真空助力器的真空软管连接进气歧管，工作时后腔接通大气，从而造成压差。因此通过前后两气腔的压差，真空助力器能够放大驾驶员踩踏制动踏板的力，方便驾驶员操作。

下气室的工作原理与此相同，在正常使用时，仅有上气室使用，下气室作为备用气室，并不充气且与进气歧管相连，第二气孔191打开，下气室处于低压状态(低于外界环境)，弹性件204压缩。当需要下气室工作时，第三气孔192打开，弹性件204的恢复力与下气室的气压产生的压力形成推力，由此推动活塞203运动，挤压上气室内部气体，提高上气室压力。由于弹性件204压缩时，能提供的推力更大，且初期下气室处于低压状态，其与高压气源304的压差最大，因此能够提升空气弹簧的工作速度。

需要注意的是刚度和高度分离控制时，只能在一个小范围内实现快速响应。上气室和下气室根据事先标定好的压强与刚度表、压强与高度表调节上气室和下气室的压强。当不需要空气弹簧快速响应时，上气室和下气室通过高压气源304进行补气，直接向外界环境释放高压气体以降低上气室或下气室的气压。上气室和下气室的气压小于高压气源304的气压。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (12)

1.一种空气弹簧，其特征在于，包括：具有上盖和下盖的缸体，所述上盖设有至少一个第一气孔，所述下盖设有至少一个第二气孔和至少一个第三气孔；设于所述缸体内部并与所述缸体内壁滑动配合的活塞，所述活塞将所述缸体内部阻隔为上气室和下气室，所述上气室与所述下气室之间无气体连通；贯穿所述下盖的推杆，所述推杆一端固定连接所述活塞，从而随所述活塞沿所述缸体直线往复运动；设于所述上气室或所述下气室内的弹性件，所述弹性件沿所述缸体上下方向压缩或拉伸。

2.如权利要求1所述的空气弹簧，其特性在于，还包括：连接所述第一气孔的三通，连接所述第三气孔的三通；所述三通和所述第二气孔均带有可控开关阀。

3.如权利要求1所述的空气弹簧，其特性在于，所述上盖和/或所述下盖与所述缸体为一体结构或与所述缸体固定连接。

4.如权利要求3所述的空气弹簧，其特性在于，所述固定连接为螺接方式。

5.如权利要求1至4任一项所述的空气弹簧，其特性在于，所述第一气孔为1个；且/或，所述第二气孔为2、4、5、6、8、10或12个；且/或，所述第三气孔为2、4或6个。

6.如权利要求5所述的空气弹簧，其特性在于，设于所述上气室的弹性件为拉伸弹簧或膜片弹簧；且设于所述下气室的弹性件为压缩弹簧或膜片弹簧。

7.如权利要求1至4任一项所述的空气弹簧，其特性在于，所述上盖与所述缸体的接触面、所述下盖与所述缸体的接触面、所述缸体的内侧壁与所述活塞的接触面和所述推杆与所述下盖的接触面均通过密封圈密封配合。

8.如权利要求1至4任一项所述的空气弹簧，其特征在于，所述弹性件的刚度满足以下条件：

在初始条件下：

(P_{1_0}+P_a)A≥(K_sΔx_{s_max}+P_{2_0}A)

在增压状态下：

(K_sΔx_s+P₂A+P_aA)≥(P₁+P_a)A

当稳定后，所述空气弹簧的内部压力为：

P₁A＝(K_sΔx_s+P₂A)

其中，P₁为所述上气室的压强，P_{1_0}为初始所述上气室的压强，K_s为所述钢制弹性件的刚度，A为所述活塞的面积，Δx_s为所述钢制弹性件的压缩量，Δx_{s_max}为所述钢制弹性件在工作中的最大压缩量，P₂为所述下气室压强，P_{2_0}为初始所述下气室的压强，P_a为大气环境中的压强。

9.如权利要求1至4任一项所述的空气弹簧，其特征在于，所述推杆为中空。

10.一种空气弹簧的控制系统，其特征在于，包括：控制电路和如权利要求1至9所述的空气弹簧；其中，所述第一气孔通过所述三通连接到高压气源或外界环境；所述第二气孔通过所述可控开关阀连接到低压真空气源；所述第三气孔通过所述三通连接到高压气源或外界环境；所述可控开关阀还设置在所述三通的开口处；所述控制电路与所述可控开关阀电性连接，以控制所述可控开关阀的开闭。

11.如权利要求10所述的空气弹簧的控制系统，其特征在于，所述低压真空气源为发动机进气歧管或抽气机。

12.一种空气弹簧的控制方法，其特征在于，包括：

当需要所述上气室工作，且所述下气室不工作时，所述下气室连接进气歧管且所述下气室的压强低于外界环境；

当需要改变所述空气弹簧的高度和刚度，且需要所述下气室快速进气时，关闭所述下气室与进气歧管的连接，打开所述下气室与所述高压气源的连接；

当需要改变所述空气弹簧的刚度或高度，且需要所述下气室快速放气时，打开所述下气室与外界环境、进气歧管的连接；

当需要改变所述空气弹簧的高度和刚度，但不需要所述下气室作出快速响应时，通过所述高压气源对所述下气室进行充气，或通过外界环境对所述下气室进行排气。

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