一种抑制汽车转向轮多极限环自激摆振的减振装置的制作方法

本发明属于汽车转向减振
技术领域：
，具体涉及一种汽车转向减振装置。
背景技术：
：汽车是一个复杂的机械系统，在行驶过程中不可避免的会出现各种振动和噪音，汽车转向轮摆振则是一种对车辆各方面性能都有严重危害的情况。摆振分为强迫摆振和自激摆振。目前，随着制造工艺的提高，强迫型摆振可以通过对轮胎的动平衡予以解决；而对与自激摆振，如果在设计阶段没有考虑到这一因素，则在摆振发生以后要抑制自激摆振比较困难。国内外学者大量研究表明，汽车发生自激摆振，属于非线性动力学中的hopf分岔引发的极限环现象。汽车摆振可能出现单极限环和多极限环现象，即摆振发生hopf分岔和退化的hopf分岔。摆振出现单极限环响应时，摆振的幅值与初始激励大小无关，大激励和小激励激发相同幅值摆振；出现多极限环响应时大激励产生大幅摆振，小激励产生小幅摆振。多极限环自激摆振现象使得摆振机理变的更为复杂，一旦出现，危害大解决难。转向减振器一般安装于转向系中，一端安装在车身或车架上，另一端安装在转向传动机构中运动的部件上，但是目前的转向机构大多采用的是动力转向，使用动力转向就可以减少冲击、缓和振动，因而这类转向减振器在实际中采用的并不是特别多。而且现有技术也存在一些问题，如一种减振转向拉杆，但是只是在转向拉杆中添加减振橡胶，可以吸收和减小转向轮传递到方向盘上的冲击力，并未实际解决转向轮摆振问题。一种转向减振器，但仅是在前桥和转向直拉杆之间铰接一个液压阻尼器，虽可以在一定程度上抑制转向轮摆振，但无法主动连续调节阻尼，所以具有一定局限性。技术实现要素：为了实现主动连续抑制转向轮摆振，本发明提供一种抑制汽车转向轮多极限环自激摆振的减振装置。一种抑制汽车转向轮多极限环自激摆振的减振装置包括一对启停机构4、阻尼器5和电磁螺线管10；每只启停机构包括封闭的启停油缸42、活塞45和活塞杆41，活塞45位于启停油缸42内，活塞杆41外伸，外伸的活塞杆41为安装端；所述启停油缸42的缸体并联着电磁阀11；启停油缸42的一端设有连接臂46；所述阻尼器5为变截面阻尼器，通过电磁作用实现改变阻尼力；所述电磁螺线管10得电，实现刚度可调的弹簧功能；所述阻尼器5的固定端和电磁螺线管10的输出端分别连接着一只启停机构的连接臂46的两端，阻尼器5的移动端和电磁螺线管10的输入端分别连接着另一只启停机构的连接臂46的两端，使阻尼器5和电磁螺线管10呈并联状态；使用时，一对启停机构的活塞杆41的安装端分别连接着汽车转向桥的左转向节和右转向节；当汽车出现多极限环自激摆振的时候，阻尼器5、电磁螺线管10和一对启停机构的两只电磁阀11同时得电，转向减振装置开始工作。进一步限定的技术方案如下：所述启停油缸42为封闭式活塞油缸，缸体的轴向一端连接着连接臂46；连接臂46为板条状，两端沿缸体的径向外伸；活塞杆的外伸端位于缸体的轴向另一端的外部。所述电磁阀11为两位两通常开式电磁阀；所述启停油缸42的缸体上分别开设有进油孔43和出油孔44，电磁阀11并联在进油孔43和出油孔44之间；电磁阀11断电转向减振器不工作时，电磁阀11常开，启停油缸42上的进油孔43和出油孔44之间的油路连通；电磁阀11得电关闭时，启停油缸42上的进油孔43和出油孔44之间的油路被阻断，活塞杆41与活塞45位置固定，启停机构被接入转向系统中，转向减振器开始工作；当摆振消失后，减振器启停机构断电，电磁阀11断电打开，转向减振器与转向系统的连接断开。所述阻尼器5包括缸筒52、滑动活塞51、阻尼活塞机构和阻尼活塞杆55，阻尼活塞机构连接着阻尼活塞杆55的一端，阻尼活塞杆55的另一端伸至缸筒52外部；滑动活塞51位于缸筒52的无杆腔内；所述阻尼活塞机构包括阻尼活塞53，阻尼活塞53的中部通过活塞杆孔连接着阻尼活塞杆55的一端，与阻尼活塞53连接的阻尼活塞杆55的一端上连接有中心齿轮537，与中心齿轮537啮合设有三只齿条；所述三只齿条中第一齿条534为主动齿条，所述第一齿条534的齿条端材料为磁性材料；第二齿条535和第三齿条536为从动齿条，与第一齿条534对应的阻尼活塞53上设有电磁铁532；第一齿条534、第二齿条535和第三齿条536转动设于阻尼活塞53上；与第一齿条534、第二齿条535和第三齿条536对应的阻尼活塞53上分别开设有三个流通孔533；电磁铁532得电通过第一齿条534驱动中心齿轮537转动，再带动第二齿条535和第三齿条536同步转动，改变三个流通孔533的实际工作面积，实现阻尼器5的阻尼力的连续改变。所述阻尼活塞53一侧面的活塞杆孔的外周设有品字形凹槽539，与品字形凹槽539对应的三只齿条上分别设有定位块5342，三只齿条上的定位块5342分别对应位于品字形凹槽539中，实现对三只齿条转动范围的限定。所述定位块5342为l形块，其中直立的一侧边连接着对应的齿条。所述第一齿条534、第二齿条535和第三齿条536为结构相同的扇片状，一端为齿条，另一端为活动连接端，活动连接端活动连接着阻尼活塞53。本发明适用性广，比如针对某一车型，以此车型为样车建立动力学模型，并进一步建立转向轮摆振微分方程，运用仿真分析方法找到转向轮摆振随速度的分岔区间，在此区间内将速度均匀的离散化，通过调整参数来找出可以抑制极限环摆振、多极限环摆振的阻尼和刚度，然后将这一系列数据存入控制器中作为初始数据备用。在汽车实际上路行驶时，若摆振传感器检测到汽车出现摆振，则本发明减振装置开始工作，根据相应车速给出预先设定的刚度和阻尼，看是否能抑制摆振，若可以则结束，若不能抑制摆振则协调增加刚度和阻尼，直至可以抑制摆振，再将此时的刚度和阻尼送入与速度对应的控制器存储空间，以实现根据车辆使用状况的不同实时更新数据。具体以某国产独立悬架汽车为样车建立转向轮摆振简易模型，将其简化为三自由度力学模型，如图9所示，θ1、θ2为右左转向轮绕主销摆角，y为齿条位移。运用拉格朗日方程推导出运动学微分方程为：i2θ2″+(ct+c2l2(cos(γ)sin(β))2)θ2′+k2l2(cos(γ)sin(β))2θ2-c2lcos(γ)sin(β)y′-k2lcos(γ)sin(β)cos(λ)y+t2(rγ+n)-fxlcos(γ)+m2＝0m0y″+(c1(cos(λ))2+c2(cos(λ))2+c3)y′+(k1(cos(λ))2+k2(cos(λ))2+k3)y-c1lcos(γ)sin(β)cos(λ)θ1′-k1lcos(γ)sin(β)cos(λ)θ1-c2lcos(γ)sin(β)cos(λ)θ2′-k2lcos(γ)sin(β)cos(λ)θ2＝0式(1)中：i1为右前轮绕主销的转动惯量；i2为左前轮绕主销的转动惯量；m0为齿条质量；k1为左转向横拉刚刚度；k2为右转向横拉杆刚度；k3为齿轮齿条啮合刚度；c1为右横拉杆的等效阻尼；c2为左横拉杆的等效阻尼；c3为齿轮齿条啮合等效阻尼；ct车轮绕主销的当量角阻尼；r为轮胎的滚动半径；l为转向节臂有效长度；l为左右横拉杆长度；f为滚动阻力系数；γ为主销后倾角；n为轮胎拖距；β为转向节臂与转向横拉杆夹角；λ为齿条与转向横拉杆夹角；v为车辆行驶速度；t1为右轮的动态侧偏力；t2为左轮的动态侧偏力；fx为前轮所受纵向阻力；α1为右前轮侧偏角；α2为左前轮侧偏角；a为轮胎印迹半长度；σ为轮胎松弛长度；m1为右轮换算到主销处的干摩擦；m2为左轮换算到主销处的干摩擦；m1、m2选用迟滞环模型；侧向力t采用简化的轮胎魔术公式，并考虑路面附着系数的影响：ti＝dsin(ci(arctan(biαi-ei(biα-arctan(biαi)))))(2)其中：式(2)、(3)中：bi、ci、di、ei分别为侧向力魔术公式中的刚度因子、形状因子、峰值因子、曲率因子；a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8为由实验拟合得到的参数；根据上述方程(1)、(2)、(3)在matlab中搭建simulink模型，将样车模型的各项参数输入matlab中进行仿真分析，用matlab的画图功能画出前轮摆角θ随行驶速度v的分岔图，给予摆振系统不同的初始激励，可以得出单极限环摆振区间、多极限环摆振区间，在发生摆振的速度区间内，将连续的速度均匀离散化，然后在每一个离散点，给摆振模型里增加一个横向刚度和阻尼，协调调整横向刚度和阻尼，直至将摆振抑制在可接受的范围内，然后记录下对应此速度的刚度和阻尼，这个离散点的工作完成后再进行下一个离散点的调整工作，直至将分岔区间内的离散点一一调整完毕并记录相应数据，然后将这些数据作为初始数据存进控制器备用。当汽车实际上路行驶时，摆振检测器检测到车辆发生摆振，则本发明减振装置开始工作，控制器根据车速传感器送来的信号决定要输出的k(刚度)、c(阻尼)值，由所需的k(刚度)、c(阻尼)值来决定可控电源供给电磁螺线管的电流大小、方向以及供给变截面阻尼器的电流大小。然后由角度传感器检测摆振是否已经被抑制在可接受的范围内，若摆振已经被抑制，则主动减振器停止工作，若摆振没有被抑制在可接受的范围内，则协调增加k(刚度)、c(阻尼)值，直至将摆振抑制在可接受的范围内，然后将此时的k(刚度)、c(阻尼)值存入控制器。因为随着汽车的使用，其各项参数是变化的，这也就会导致摆振特性的变化，上述流程可解决这一问题，根据汽车实际情况和工况随时更新数据。表1对应于摆振速度的阻尼刚度摆角值v(km/h)39.641.443.245.046.848.650.452.254.057.661.2θ(°)0.835.446.186.636.937.147.277.347.367.297.09θ′(°)0.820.851.020.990.990.990.980.991.027.297.09k(kn/m)35.037.539.942.444.746.948.850.551.853.353.0c(n*m*s/rad)10.010.711.412.112.813.413.914.414.815.315.7θ″(°)00000000000v(km/h)64.866.668.470.27273.875.677.479.281θ(°)6.786.596.366.115.825.485.094.613.830.76θ′(°)1.010.960.940.910.890.880.910.910.820.73k(kn/m)51.249.848.246.444.442.440.538.336.635.0c(n*m*s/rad)15.915.715.514.813.212.111.610.910.410.0θ″(°)0000000000表1中数据是由大量仿真分析得出的，包括不同初始激励值下的转向轮摆角，相应的对应于不同速度，经过实验分析计算，都有相应的刚度值k、阻尼值c与之对应。表中θ是指转向轮在小激励状态下所产生的小极限环幅值，θ′是指在大激励下所产生的大极限环幅值，对应不同的行驶速度，转向轮摆振幅值不同，这也就使得需要转向减振装置提供不同的刚度k和阻尼c，θ″是指转向减振装置工作后，转向轮的摆振幅值，可以看出转向减振器工作后，转向轮的摆振已被有效抑制。从图9可以看出，合适的刚度值k、阻尼值c可以有效抑制转向轮摆振。将表1中的刚度值k、阻尼值c取出，并将其与速度一一对应可得出k-v图(图10)、c-v图(图11)，图像趋势都是先增大后减小，这与θ-v分岔图(图9)走势一直，说明摆振角越大，相应转向减振装置所需提供的附加刚度、阻尼越大。本发明的有益技术效果体现在以下方面：1.本发明可根据转向轮的情况决定是否接入转向系统。使用时，本发明横向安装于左右两个转向节之间，可实现刚度和阻尼的连续可调，出现摆振时通电工作，摆振消除后断电，节约能量。2.本发明由可控电源供电，实现刚度和阻尼的连续可调。3.本发明结构简单，生产成本低，适用范围广泛。4.本发明适用于不同车型以及不同使用状况的汽车。附图说明图1为本发明使用状态图。图2为阻尼器的结构示意图。图3为阻尼活塞机构爆炸图。图4为阻尼活塞剖视图。图5为齿条结构示意图。图6为减振器启停机构剖视图；图7为减振器启停机构轴测图；图8为本发明所用独立悬架样车动力学模型简图。图9为独立悬架样车前轮摆角随速度的分岔图(点划线代表初始激励为10°时的分岔图，虚线代表初始激励为2°时的分岔图，实线代表调整刚度和阻尼后的分岔图)。图10为独立悬架汽车预期的k-v曲线图。图11为独立悬架汽车预期的c-v曲线图。上图中序号：1外半轴，2等速万向节，3左转向节，4启停机构，5阻尼器，6驱动桥壳，7右转向节，8右转向轮，9内半轴，10电磁螺线管，11电磁阀，12连接臂，13左转向轮，41活塞杆，42缸体，43进油孔，44出油孔，45活塞，46连接臂，51滑动活塞，52缸筒，53阻尼活塞，54内腔，55阻尼活塞杆，531平头螺钉，532电磁铁，533流通孔，534第一齿条，535第二齿条，536第三齿条，537中心齿轮，538卷簧，539品字形凹槽，5341磁性材料，5342限位块。具体实施方式下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。参见图1，一种抑制汽车转向轮多极限环自激摆振的减振装置包括一对启停机构4、阻尼器5和电磁螺线管10。参见图6，每只启停机构包括封闭式活塞油缸，具体为启停油缸42、活塞45和活塞杆41，活塞45位于启停油缸42内，活塞杆41外伸，外伸的活塞杆41为安装端。启停油缸42的缸体并联着电磁阀11；启停油缸42的一端设有连接臂46，参见图7，缸体的轴向一端连接着连接臂46；连接臂46为板条状，两端沿缸体的径向外伸；活塞杆的外伸端位于缸体的轴向另一端的外部。参见图6和图7，启停油缸42的缸体上分别开设有进油孔43和出油孔44，电磁阀11并联在进油孔43和出油孔44之间；电磁阀11为两位两通常开式电磁阀。电磁阀11断电转向减振器不工作时，电磁阀11常开，启停油缸42上的进油孔43和出油孔44之间的油路连通；电磁阀11得电关闭时，启停油缸42上的进油孔43和出油孔44之间的油路被阻断，活塞杆41与活塞45位置固定，启停机构被接入转向系统中，转向减振器开始工作；当摆振消失后，减振器启停机构断电，电磁阀11断电打开，转向减振器与转向系统的连接断开。参见图2，阻尼器5为变截面阻尼器，通过电磁作用实现改变阻尼力。阻尼器5包括缸筒52、滑动活塞51、阻尼活塞机构和阻尼活塞杆55，阻尼活塞机构连接着阻尼活塞杆55的一端，阻尼活塞杆55的另一端伸至缸筒52外部；滑动活塞51位于缸筒52的无杆腔内。参见图3，阻尼活塞机构包括阻尼活塞53，阻尼活塞53的中部通过活塞杆孔连接着阻尼活塞杆55的一端，与阻尼活塞53连接的阻尼活塞杆55的一端上连接有中心齿轮537，与中心齿轮537啮合设有三只齿条。参见图3和图4，阻尼活塞53一侧面的活塞杆孔的外周设有品字形凹槽539，参见图5，与品字形凹槽539对应的三只齿条上分别设有定位块5342，定位块5342为l形块，其中直立的一侧边连接着对应的齿条。三只齿条上的定位块5342分别对应位于品字形凹槽539中，实现对三只齿条转动范围的限定。第一齿条534、第二齿条535和第三齿条536为结构相同的扇片状，一端为齿条，另一端为活动连接端，活动连接端活动连接着阻尼活塞53。其中第一齿条534为主动齿条，第一齿条534的齿条端材料为磁性材料5341；第二齿条535和第三齿条536为从动齿条，与第一齿条534上的磁性材料5341对应的阻尼活塞53上安装有电磁铁532。第一齿条534、第二齿条535和第三齿条536通过平头螺钉531转动安装于阻尼活塞53上；与第一齿条534、第二齿条535和第三齿条536对应的阻尼活塞53上分别开设有三个流通孔533；电磁铁532得电通过第一齿条534驱动中心齿轮537转动，再带动第二齿条535和第三齿条536同步转动，改变三个流通孔533的实际工作面积，实现阻尼器5的阻尼力的连续改变。参见图1，电磁螺线管10包括下线圈、导向杆、位置传感器、上线圈和位置传感器参照点，当电磁螺线管10得电，即可实现刚度可调的弹簧功能。参见图1，阻尼器5的固定端和电磁螺线管10的输出端分别连接着一只启停机构的连接臂46的两端，阻尼器5的移动端和电磁螺线管10的输入端分别连接着另一只启停机构的连接臂46的两端，使阻尼器5和电磁螺线管10呈并联状态。使用时，一对启停机构的活塞杆41的安装端分别连接着汽车转向桥的左转向节3的连接臂12和右转向节7的连接臂。参见图1，汽车转向桥包括驱动桥壳6、等速万向节2、外半轴1、内半轴9、左转向轮13和右转向轮8。本发明的工作原理说明如下：当汽车出现多极限环自激摆振的时候，阻尼器5、电磁螺线管10和一对启停机构的两只电磁阀11同时得电，通过电磁螺线管10调整横向刚度，通过阻尼器5来调整横向阻尼，来抑制转向轮多极限环摆振；若摆振被抑制，则减振装置断电，停止工作。关于电磁螺线管10，工作时，通过供给电流的方向来决定电磁螺线管10上的上线圈下线圈之间是吸引力还是排斥力，因此电流的大小和方向是由车速、位置、两个螺线管之间距离的函数决定的。关于阻尼器5，通过改变供给电磁铁532的电流大小，可以改变电磁铁532对第一齿条534的吸引力大小，第一齿条534在吸引力的作用下向电磁铁532靠近，第一齿条534通过其右端的轮齿与中心齿轮537相啮合，中心齿轮537带动第二齿条535、第三齿条536同步转动，这样流通孔533的实际工作面积就会变小，阻尼活塞53的阻尼系数c就会变大。当需要将阻尼系数变小时，降低供给电磁铁532的电流大小，中心齿轮537在卷簧538的回复力矩作用下顺时针转动，第一齿条534、第二齿条535、第三齿条536在中心轮537的带动下反方向转动，这样流通孔533的实际工作面积就会变大，阻尼活塞53的阻尼系数c就会变小。这样就实现了减振器阻尼系数c从小到大，再从大到小的连续变化。当前第1页12