CN1970325A - 汽车抗侧倾主动空气悬架系统 - Google Patents

Abstract

一种车辆抗侧倾主动空气悬架系统，由空气弹簧、执行机构和控制系统组成，两个空气弹簧分别安装在左右悬架下横臂和车身之间；执行机构由汽缸和油缸组成；控制系统根据方向盘转角、车速和执行机构的位移，控制三位四通电磁阀的开关和左右切换，进而实现对油缸活塞的控制。空气弹簧起缓冲和支撑作用；执行机构连通左右两侧的空气弹簧，通过其线性运动同时改变两侧空气弹簧的体积，其中一侧空气弹簧体积变大，另一侧空气弹簧体积变小；控制系统控制执行机构根据离心加速度的大小适当调节执行机构的运动行程，从而达到主动控制的目的。

Description

汽车抗侧倾主动空气悬架系统

技术领域

本发明属于车辆底盘技术领域，主要涉及空气悬架系统，通过安装一个主动控制的执行机构，实现车辆抗侧倾的主动控制。

技术背景

通常安装在车辆上的空气悬架系统具有静态刚度调节能力，达到调节高度后，空气弹簧的刚度就不再发生变化。由于空气弹簧具有高的舒适性，采用空气悬架的车辆具有较低的共振频率，因此车辆在获得好的平顺性的同时，在车辆转向的时候也会产生大的侧倾角，这不但影响车辆的乘坐舒适性，而且也影响车辆行驶的安全性和稳定性。采用本发明的结构后将大大降低车身的侧倾，提高车辆转向时的行驶性能。

通常采用的被动式空气悬架系统如图1所示。本发明对高度调节系统没有影响，因此图中未表示高度调节系统的相关部件。从车辆的横截面上看到，左侧空气弹簧5和右侧空气弹簧6的上端与车身1相固接，下端分别于左侧下横臂7和右侧下横臂8相铰接。车辆行驶中，地面4的路面不平度激励左侧车轮2和右侧车轮3发生垂直振动，车轮的振动通过下横臂的传动比之后作用在空气弹簧5和6上，由于空气弹簧良好的隔振性能，车身的振动大大降低，因此乘坐舒适性提高。车辆转向行驶时，例如向左转向，车辆在重心位置受到离心力F_y的作用，由于重心和侧翻中心有距离h，车身即受到侧翻力矩的作用，左右空气弹簧发生伸长和压缩变形，产生相应的反作用力矩，与侧翻力矩相平衡，如图2所示。这种左右空气弹簧相反的变形即导致了车身的侧倾角。

发明内容

本发明的基本思想是通过一个执行机构，连通对应两侧的空气弹簧，当车辆转向时，根据离心加速度的大小，主动地改变两侧的空气弹簧体积，达到抗侧倾的效果。

为达到此目的，本发明的主动空气悬架系统包括：两个空气弹簧，分别安装在左右悬架下横臂和车身之间；执行机构，由汽缸和油缸组成；控制系统，根据方向盘转角、车速和执行机构的位移，控制三位四通电磁阀的开关和左右切换，进而实现对油缸活塞的控制。空气弹簧起缓冲和支撑作用，车辆正常行驶时，为乘客提供良好的平顺性；执行机构连通左右两侧的空气弹簧，通过其线性运动同时改变两侧空气弹簧的体积，其中一侧空气弹簧体积变大，另一侧空气弹簧体积变小；控制系统的作用是让执行机构根据离心加速度的大小适当调节执行机构的运动行程，从而达到主动控制的目的。

为实现执行机构的动作，最直接的方案是采用基本结构的执行机构。将一定大小的汽缸和油缸并行安装，用连接件将两个活塞杆在两端刚性连接。油缸作为驱动元件，汽缸为被动元件。汽缸的两个气室分别与两侧的空气弹簧连通。油缸的两个油室通过液压管路接在三位四通阀上，此后的液压管路其一端与油箱相通；另一端接油泵后进入油箱。为安全起见，油泵的输出管路通过一个T型管接口，其一端接到三位四通阀，另一端接限压阀，通过限压阀后回油箱。控制系统由一个位移传感器、控制器和三位四通阀组成。位移传感器安装在油缸和汽缸相连的连接件上，用于测量活塞杆的位移。所测信号送到控制器，经控制器处理后的控制信号进入三位四通电磁阀，控制电磁阀的开关和方向切换，这样即可以完成油缸的停止和左右运动。

执行机构在采用基本结构方案的基础上，可以进行三种改进：改变油缸和汽缸的布置方式；或者改变驱动方式；或者采用整体结构。采用同轴布置方式时，汽缸安装在油缸的两端，油缸和汽缸的活塞杆合而为一，汽缸与两侧的空气弹簧相通。从受力的角度出发，同轴布置方式优于并行布置方式。但后者具有较小的结构长度。因此，若结构空间的长度允许，最好采用同轴布置方式。此时，需改变汽缸的结构：或者采用两个独立的汽缸；或者采用两个独立的气囊。两个汽缸或气囊通过管路分别与两侧的承载空气弹簧相通。油缸的活塞杆两端分别与汽缸或气囊的活塞刚性连接。采用汽缸时，执行机构的运动具有较高的抗侧倾效果，因为汽缸中不存在滞留体积，但汽缸具有较大的摩擦力；采用气囊可以明显降低摩擦力，但由于存在滞留体积，执行机构运动的抗侧倾效果降低。

执行机构的驱动方式也可以改变，如采用机械式传动结构，即机构中的液压油缸被机械传动结构代替，如涡轮蜗杆结构，齿轮齿条结构或螺纹传动结构。动力驱动用电机完成。因此，控制系统由位移传感器、控制器和电机组成，控制器根据车速、方向盘转角和执行结构位移控制电机实现正转、反转或停止。

执行机构可以采用整体结构。采用汽缸的结构中，两个汽缸连成一体，油缸安装在气缸的活塞内部。油缸的活塞杆也是汽缸的活塞杆，活塞杆是空心杆，在接近油缸活塞的两侧分别有孔，使油缸的两个油室通过活塞杆上的孔及空心活塞杆与外部液压管路连同。控制系统由位移传感器、控制器和三位四通电磁阀组成。控制器根据车速、方向盘转角和执行机构位移控制电磁阀的开关和切换，实现执行机构的左右运动或停止。在采用气囊的结构中，两个气囊的活塞连通成为一体，液压油缸安装在气囊活塞的内部。油缸的活塞杆通过气囊的内部及顶部端盖与外部液压管路连通。

附图说明

通过以下结合附图的描述，本发明的特点会更加显而易见。

图1所示为一般空气弹簧安装在车辆上时的截面示意图；

图2所示为被动空气悬架车辆受测向力时空气弹簧的变形；

图3所示为装有主动空气悬架车辆的截面示意图；

图4所示为基本结构的执行机构示意图；

图5所示为油缸和汽缸同轴布置的执行机构示意图；

图6所示为采用机械式传动结构的执行机构示意图；

图7所示为油缸和汽缸整体化的执行机构示意图；

图8所示为油缸和气囊同轴布置的执行机构示意图；

图9所示为采用气囊和机械式传动结构的执行机构示意图；

图10所示为油缸和气囊整体化的执行机构示意图。

具体实施方式

下面参照附图详细阐述本发明的实施例。如图3所示为安装有本发明的主动空气悬架系统，其中1是车身，2和3是左右车轮，4是路面，5和6是左右空气弹簧。空气弹簧的上端盖刚性连接在车身1上，其活塞的下端分别铰接在左右悬架下横臂7和8上。如图1所示，车辆在水平直线行驶时，左右空气弹簧的压力相等，车身没有侧倾运动。当车辆转向时，车身受到离心力的作用，产生相对于侧倾中心的侧翻力矩，如图2所示。左右空气弹簧的受力改变，产生与侧翻力矩相平衡的抗侧倾力矩。在图2所示的被动空气悬架系统条件下，空气弹簧受力增大则体积减小，受力减小则体积变大。因此，车身发生侧倾运动。在图3所示的主动空气悬架系统条件下，液压驱动系统中液压油源或油箱9中的油被液压油泵10抽出，经液压油管11流向限压阀12或者是三位四通电磁阀13。当液压压力低于限压阀压力时，液压油流向三位四通阀；当压力高于限压阀压力时，限压阀打开，液压油经限压阀流回油箱。一般情况下，三位四通电磁阀将根据控制信号打开，液压油经过三位四通阀进入液压油缸14，因此，液压压力将作用在油缸活塞上，推动油缸活塞向压力低的一侧运动。由于液压油缸的活塞与汽缸15的活塞是刚性平行连接的，因此汽缸活塞随油缸活塞运动。汽缸的两个气室分别通过空气管路16与空气弹簧5和6连通，因此，汽缸压力高的一侧气室的空气被压入空气弹簧，则与该气室连通的空气弹簧体积变大；压力低的一侧的空气弹簧的空气进入汽缸的另一个气室，则该空气弹簧的体积变小。这种空气弹簧体积的变化将减小车辆侧倾角，起到抗侧倾的作用。为实现执行机构按照需要的方向和大小进行运动，对三位四通阀进行控制。控制器21根据方向盘转角信号17、车速信号18和执行结构位移信号19输出控制信号，经控制线路20控制三位四通电磁阀的开关和切换，实现执行机构的左右运动或停止。

本发明在实现执行机构的运动时，最直接的方案是采用基本结构的执行机构，如图4所示。油缸体14和汽缸体15固定在车身上，油缸通过油管11与三位四通阀连接，汽缸通过气管16与左右空气弹簧连通。汽缸活塞杆52和油缸活塞杆42平行布置，并通过连接件45在两端刚性连接。这样，作用在油缸活塞41上的液压力通过连接件45传递给汽缸活塞51，推动气缸左右气室内空气的运动。本发明方案具有结构简单，制造成本低等优点，但结构的运动需要克服较大的摩擦力，如液压油缸和气缸的摩擦力，以及由于活塞杆变形引起的摩擦力。

执行机构采用油缸和汽缸同轴布置的方式，结构受力更加合理，活塞杆变形的影响可以忽略。如图5所示，两个汽缸15安装在油缸14的两端，通过气管16与两侧的空气弹簧连通。汽缸和油缸的活塞杆合而为一，油缸活塞41上的力直接通过活塞杆42传递到汽缸活塞51上，没有力矩产生，受力合理。

执行机构采用机械式传动结构，其运动可以用电机来驱动，如图6所示。此机械结构是涡轮蜗杆结构，或者是齿轮齿条结构，或者是螺纹螺杆结构。图6所示为一个螺纹螺杆传动结构，螺母22的旋转运动，通过螺纹传动成为螺杆23的直线运动，推动汽缸15的活塞51左右运动。

执行结构采用整体化的结构。两个汽缸合而为一，油缸14安装在汽缸活塞51内部，如图7所示。活塞51与油缸14刚性连接，活塞杆42是空心杆，在接近油缸活塞41的两侧分别开小孔，油室通过小孔和活塞杆与外部液压管路连同。汽缸通过气管16与两侧空气弹簧连通。动作时，三位四通阀根据控制信号打开，液压油通过活塞杆内部和小孔进入油缸油室，油缸活塞41与活塞杆42固定不动，所以推动油缸体14运动，即汽缸活塞51运动，实现推动汽缸空气运动。

采用气囊代替汽缸可以降低执行机构的摩擦力，如图8～10所示。气囊通过气管16与两侧的空气弹簧连通。在图8所示的执行机构中，气囊活塞51与油缸活塞杆42刚性连接。在图9所示的执行机构中，气囊活塞51与螺纹螺杆传动结构的螺杆23刚性连接。在图10所示的执行机构中，气囊活塞51与油缸体14刚性连接，中空的活塞杆42穿过气囊活塞51和气囊顶部端盖与外部液压管路连通。

Claims (9)

1.一种用于车辆的主动空气悬架系统，包括：

两个空气弹簧，分别安装在左右悬架下横臂和车身之间；

执行机构，由汽缸和油缸组成；

控制系统，根据方向盘转角、车速和执行机构的位移，控制三位四通电磁阀的开关和左右切换，进而实现对油缸活塞的控制；

所述空气弹簧起缓冲和支撑作用，所述执行机构连通左右两侧的空气弹簧，通过其线性运动同时改变两侧空气弹簧的体积，其中一侧空气弹簧体积变大，另一侧空气弹簧体积变小；所述控制系统控制执行机构根据离心加速度的大小适当调节执行机构的运动行程。

2.如权利要求1所述的主动空气悬架系统，所述汽缸的两个气室与左右空气弹簧连通，油缸和汽缸平行布置，油缸的活塞杆两端刚性连接，控制系统实现油缸的活塞的左右运动以及停止的动作。

3.如权利要求1所述的主动空气悬架系统，所述执行机构采用油缸和汽缸同轴布置的结构：两个汽缸分别布置在油缸左右，油缸和汽缸的活塞杆相对刚性连接；两个汽缸分别与车身两侧的空气弹簧连通。

4.如权利要求2或3所述的主动空气悬架系统，所述执行机构的油缸可以由涡轮蜗杆或者齿轮齿条或者螺纹螺杆传动代替，两个汽缸分别与两侧的空气弹簧相通；汽缸的活塞杆与涡轮蜗杆传动中的蜗杆、或者齿轮齿条传动中的齿条、或者螺纹螺杆传动中的螺杆刚性连接；传动结构采用电机驱动，控制器根据方向盘转角、车速以及执行机构的运动位移来控制电机进行相应的动作。

5.如权利要求3所述的主动空气悬架系统，所述执行机构采用整体结构，左右汽缸合而为一整体，油缸安装在气缸活塞内部，油缸和汽缸共有一个中空的活塞杆，活塞杆在靠近油缸活塞的位置两侧开有小孔，保证油缸油室通过小孔和活塞杆与外部液压油管连通。

6.如权利要求3所述的主动空气悬架系统，所述执行机构采用气囊代替汽缸，两个气囊分别与左右空气弹簧连通，气囊的活塞与油缸的活塞杆刚性连接。

7.如权利要求4所述的主动空气悬架系统，所述的执行机构可以采用气囊代替汽缸，两个气囊分别与左右空气弹簧连通，气囊的活塞与蜗杆两端刚性连接，或者气囊的活塞与齿条两端刚性连接，或者气囊的活塞与螺杆两端刚性连接。

8.如权利要求5所述的主动空气悬架系统，所述执行机构可以采用气囊代替汽缸，两个气囊的活塞合而为一整体，油缸安装在活塞内部，活塞杆穿过气囊活塞、气囊内部和气囊上端盖与外部液压管路连通。

9.一种车辆，安装有如权利要求1-8所述的主动空气悬架系统。

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