一种可变刚度的空气弹簧的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种车辆悬架系统的可变刚度的空气弹簧，气囊底座固定连接螺杆上端，沿螺杆轴向上同轴套有套筒及直齿轮，套筒下端与直齿轮的上端同轴固接，套筒空套在螺杆外，套筒外圈表面上固定装有滚柱轴向布置的第一滚柱轴承；直齿轮通过中心螺纹孔与螺杆连接，直齿轮上表面上装有滚柱径向布置的第二滚柱轴承；气囊衬托中心接触套在第一滚柱轴承外，气囊衬托底面置放在第二滚柱轴承上；直齿轮边缘处连接自由转动的导向圆环托架，导向圆环托架一侧固定连接导向轮，导向轮可在槽型导轨中上下移动，导向圆环托架固定连接电动机的壳体，电动机的输出轴上有主动齿轮，主动齿轮与直齿轮啮合；通过对电动机通断时长的控制实现空气弹簧刚度的无级可调。
【专利说明】一种可变刚度的空气弹簧
【技术领域】
[0001]本发明属于车辆悬架系统的【技术领域】，具体是用于车辆悬架系统的空气弹簧。
【背景技术】
[0002]传统的车辆悬架系统的空气弹簧的刚度一经确定就不可改变，因而不能适应复杂多变的行驶工况，无法满足汽车乘坐舒适性及操作稳定性的要求。空气弹簧利用气体的可压缩性实现其弹性作用，具有缓冲、隔振的功能。安装空气弹簧的悬架系统有比一般悬架更好的行驶平顺性及乘坐舒适性。在驾驶过程中如果对空气弹簧刚度进行合理调节，可以使悬架系统与整车性能得到合理的匹配。
[0003]空气弹簧按结构型式可以分为囊式、膜式两种。囊式空气弹簧的刚度较大，可以采用增加辅助气室的方法减小空气弹簧的刚度，膜式空气弹簧同样也可以通过增加附加气室得到较小的刚度。根据空气弹簧刚度公式可以发现膜式空气弹簧刚度除了与容积大小有关外,还与有效面积变化率有关，而有效面积变化率又与有效直径变化率有着密切的关系，查阅相关文献可知有效直径变化率取决于活塞形状。由于膜式空气弹簧结构的特殊性，可以通过改变底座形状的方法改变弹簧的刚度。
[0004]现有技术大多数是通过增加附加气室并改变附加气室的大小来改变空气弹簧的刚度，这种通过增加附加气室的方法往往是有级可调的，一般都是采用刚度分段式控制，即把弹簧的刚度分为软、中、硬三档，这种刚度调节不是连续的，而对于实际的路面更希望刚度是无级可调才能更好的适应路面的状况的变化。而且附加气室的体积往往很大，甚至有三至四倍于空气弹簧大小，给安装带来不便，且浪费本就有限的整车空间。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种可变刚度的空气弹簧，无需附加气室，通过自举升机构压缩或释放气囊，从而改变空气弹簧有效面积，获得较为理想的刚度特性，实现空气弹簧刚度的无级可调。
[0006]本发明采用的技术方案:本发明包括一个气囊，气囊底部中间固定连接气囊底座，气囊底表面与气囊衬托上表面接触在一起，气囊底座固定连接螺杆的上端，螺杆的下端固定连接车架，沿螺杆的轴向上同轴套有套筒及直齿轮，套筒的下端与直齿轮的上端同轴固接在一起，套筒空套在螺杆外，套筒的外圈表面上固定装有滚柱轴向布置的第一滚柱轴承；直齿轮通过中心螺纹孔与螺杆连接，直齿轮的外径大于套筒的外径，在直齿轮的上表面上装有滚柱径向布置的第二滚柱轴承；气囊衬托的中心接触套在第一滚柱轴承外，气囊衬托的底面置放在第二滚柱轴承上；直齿轮的边缘处连接自由转动的导向圆环托架，导向圆环托架的一侧固定连接导向轮，导向轮可在槽型导轨中上下移动，槽型导轨固定连接车架；导向圆环托架固定连接电动机的壳体，电动机的输出轴上有主动齿轮，主动齿轮与直齿轮啮口 ο
[0007]本发明的有益效果是: 1、本发明通过对电动机通断时长的控制实现空气弹簧刚度的无级可调，且只需切换电动机正反转即可增加或减小刚度。
[0008]2、本发明中的自举升机构直接安装在气囊底部，与螺杆成为一个可相对移动的整体，因此不会像附加气室那样占用很大的空间，节约了有限的整车空间
3、本发明结构简单，生产成本低，性能可靠。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]为了更全面地理解本发明的结构和工作原理，结合以下附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0010]图1是本发明一种可变刚度的空气弹簧压缩前(下止点位置)的结构示意图；
图2是图1中自举升机构意图；
图3是图2中去掉了气囊衬托3、车架7和槽型导轨10之后的结构放大示意图；
图4是本发明一种可变刚度的空气弹簧压缩后(上止点位置)的结构示意图；
图5是本发明在使用时的整车控制示意图。
[0011]图中:1.气囊顶盖；2.气囊；3.气囊衬托；4.导向圆环托架；5.1.套筒；5.2.套筒上的滚柱轴承；5.3.直齿轮上的滚柱轴承；5.4.直齿轮；6.螺杆；6a.螺杆下止点；6b.螺杆上止点；7.车架；8.电动机；9.导向轮；10.槽型导轨；11.气囊底座；12.控制器；13.车速传感器；14.压力传感器。
【具体实施方式】
[0012]图1为本发明压缩前的结构，具体指空气弹簧处于螺杆6的螺杆下止点6a时的结构，此时，气囊2是未压缩时，空气弹簧刚度最小。再参见图2，本发明包括一个气囊2，气囊2的顶部是气囊顶盖1，气囊2的底部中间固定连接气囊底座11，气囊2的底表面与气囊衬托3的上表面接触在一起。
[0013]在气囊2的下方设置一个自举升机构，再参见图3，自举升机构包括螺杆6、套筒5.1、直齿轮5.4、电动机8、导向轮9、槽型导轨10等。气囊底座11固定在螺杆6的上端，螺杆6的下端固定连接车架7，螺杆6与车架7相垂直，螺杆6的直径需满足刚度要求。沿螺杆6的轴向上同轴套有套筒5.1以及直齿轮5.4，其中，套筒5.1的下端与直齿轮5.4的上端沿同轴方向固定焊接在一起，套筒5.1与螺杆6有间隙配合，套筒5.1的内径大于螺杆6的外径，套筒5.1空套在螺杆6外，当螺杆6旋转时，套筒5.1不跟随转动，在套筒5.1的外圈表面上固定装有滚柱轴承5.2，滚柱轴承5.2的滚柱轴向布置。
[0014]直齿轮5.4的中心是螺纹孔，直齿轮5.4通过螺纹孔与螺杆6连接，因为螺纹结构具有自锁能力，所以当直齿轮5.4旋转到不同位置时能保持当前位置固定不变而不需要额外的锁紧机构。直齿轮5.4的外径要大于套筒5.1的外径,在直齿轮5.4的上表面上装有滚柱轴承5.3，滚柱轴承5.2的滚柱径向布置。气囊衬托3的中心接触套在滚柱轴承5.2外，使滚柱轴承5.2与气囊衬托3内侧表面接触，起到限制气囊衬托3径向移动的作用，同时，气囊衬托3的底面置放在滚柱轴承5.2上，滚柱轴承5.2用来支撑气囊衬托3。
[0015]在直齿轮5.4的上边缘处开有一圈上凹槽、下边缘开有一圈下凹槽，导向圆环托架4套在上、下凹槽中并可以沿上、下凹槽自由地转动。导向圆环托架4的一侧上端面和下端面均沿直齿轮5.4的径向延伸至直齿轮5.4的外部，并且上端面和下端面的延伸末端处分别固定连接一个导向轮9，两个导向轮9 一上一下安装在槽型导轨10中，可以在槽型导轨10中同时上下垂直移动，导向轮9上下移动的行程受螺杆6下止点6a和上止点6b的限制。槽型导轨10垂直固定在车架7上，槽型导轨10与螺杆6同相并且相平行。在导向圆环托架4的延伸的上端面和下端面之间设置电动机8,电动机8的壳体固定在导向圆环托架4上，在电动机8的输出轴上安装主动齿轮，主动齿轮啮合直齿轮5.4，由电动机8带动直齿轮5.4转动。导向圆环托架4的作用主要是为电动机8和导向轮9的安装提供支撑。
[0016]参见图4的空气弹簧压缩后的结构，具体指空气弹簧处于上止点6b时的结构。电动机8带动直齿轮5.4转动后，直齿轮5.4沿着螺杆6向上移动，同时导向圆环托架4也在导向轮9的作用下带着电动机8沿着槽型导轨10向上移动，抬升气囊衬托3，到达上止点6b位置处时电动机8停止动作，得到压缩后气囊2以及行程范围内空气弹簧最大刚度。气囊衬托3与空气弹簧气囊2直接接触，且由于与套筒5.1上的滚柱轴承5.2和直齿轮5.4上的滚柱轴承5.3接触，因此气囊衬托3不会随着直齿轮5.4的转动而转动，只会沿着螺杆6轴线方向上下移动，从而保证了压缩和释放空气弹簧时的可靠性。
[0017]参见图5，整车的悬架系统采用四个本发明空气弹簧，将四个空气弹簧的四个电动机8分别安装在四个车轮上，将四个电动机8通过导线连接电源和控制器12动作。控制器12利用车速传感器13传来的信号与预设的空气弹簧刚度值进行配对，找到此车速工况下所需刚度对应的空气弹簧内部压力。事先对直齿轮5.4的升降行程进行限位，规定螺杆6的上止点6b和下止点6a，以下止点6a为初始位置。通过压力传感器14监测空气弹簧中气囊2的内部压力，控制器12接收并处理车速传感器13传来的信号，并与预先存储的数据进行配对，不同的车速路况对应不同的空气弹簧刚度，控制器12可以同时或单独控制四个电动机8的正转或反转。当压力传感器14监测到的气囊2的内部压力达到配对压力时，控制器12同时或单独使四个电动机8停止动作，从而可以得到需要的空气弹簧刚度。具体为，当从低速进入高速时，控制器12接收处理车速传感器13传来的信号，在有必要增大空气弹簧刚度时，控制器12接通电动机8正转，电动机8上带动直齿轮5.4沿着螺杆6正转抬升，同时导向圆环托架4也在导向轮9的作用下带着电动机8沿着槽型导轨10向上移动，气囊衬托3受到直齿轮5.4作用向上挤压气囊2，刚度逐渐增大，到达上止点6b时电动机8必须停止动作，此时空气弹簧刚度最大。当从高速进入低速时，控制器12接收并处理车速传感器13传来的信号，在有必要减小空气弹簧刚度时，控制器12反向接通电动机8反转，电动机8带动直齿轮5.4沿着螺杆6反转下降，同时导向圆环托架4也在导向轮9的作用下带着电动机8沿着槽型导轨10向下移动，气囊衬托3逐渐释放气囊2，但始终和气囊2接触，刚度逐渐减小，到达下止点6a时电动机8必须停止动作，此时空气弹簧刚度最小。
[0018]如果配以不同的控制策略，除了可以在不同车速下改变空气弹簧刚度外，还可以得到多种不同的控制效果，比如在刹车时提高前轮空气弹簧刚度可以得到更好的抓地力，在转向时提高外侧车轮上空气弹簧刚度可以得到较好的转向性能。
[0019]针对不同的车速和路况，由于可以通过车速传感器13对车速进行实时监测，因此可以使得车辆根据行驶路况的好坏利用控制器12主动地改变各个空气弹簧的刚度，达到提高车辆平顺性和操稳性的要求。
【权利要求】
1.一种可变刚度的空气弹簧，包括一个气囊(2)，气囊(2)底部中间固定连接气囊底座(11)，气囊(2)底表面与气囊衬托(3)上表面接触在一起，其特征是:气囊底座(11)固定连接螺杆(6)的上端，螺杆(6)的下端固定连接车架(7)，沿螺杆(6)的轴向上同轴套有套筒(5.1)及直齿轮(5.4)，套筒(5.1)的下端与直齿轮(5.4)的上端同轴固接在一起，套筒(5.1)空套在螺杆(6)外，套筒(5.1)的外圈表面上固定装有滚柱轴向布置的第一滚柱轴承(5.2);直齿轮(5.4)通过中心螺纹孔与螺杆(6)连接，直齿轮(5.4)的外径大于套筒(5.1)的外径，在直齿轮(5.4)的上表面上装有滚柱径向布置的第二滚柱轴承(5.3);气囊衬托(3)的中心接触套在第一滚柱轴承(5.2)外，气囊衬托(3)的底面置放在第二滚柱轴承(5.2)上；直齿轮(5.4)的边缘处连接自由转动的导向圆环托架(4)，导向圆环托架4的一侧固定连接导向轮(9)，导向轮(9)可在槽型导轨(10)中上下移动，槽型导轨(10)固定连接车架(7);导向圆环托架(4)固定连接电动机(8)的壳体，电动机(8)的输出轴上有主动齿轮，主动齿轮与直齿轮(5.4)啮合。
2.根据权利要求1所述一种可变刚度的空气弹簧，其特征是:直齿轮(5.4)的上边缘处开有一圈上凹槽、下边缘开有一圈下凹槽，导向圆环托架(4)套在上、下凹槽中并可沿上、下凹槽自由地转动；导向圆环托架(4)的一侧上端面和下端面均沿直齿轮(5.4)的径向延伸至直齿轮(5.4)的外部，且上端面和下端面的延伸末端处分别固定连接一个导向轮(9)，两个导向轮(9) 一上一下地设在槽型导轨(10)中。
3.根据权利要求2所述一种可变刚度的空气弹簧，其特征是:在导向圆环托架(4)的延伸的上端面和下端面之间设置电动机(8 )。
4.根据权利要求1所述一种可变刚度的空气弹簧，其特征是:槽型导轨(10)垂直固定连接车架(7)，槽型导轨(10)与螺杆(6)同相并且相平行。
5.根据权利要求1所述一种可变刚度的空气弹簧，其特征是:螺杆(6)具有下止点(6a)和上止点(6b)，导向轮(9)上下移动的行程受下止点(6a)和上止点(6b)的限制；在气囊衬托(3)受到直齿轮(5.4)作用向上挤压气囊(2)到达所述上止点(6b)时电动机(8)必须停止动作，在气囊衬托(3)逐渐释放气囊(2)到达所述下止点(6a)时电动机(8)必须停止动作。
【文档编号】F16F9/04GK104047986SQ201410271380
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月18日 优先权日:2014年6月18日
【发明者】李仲兴, 马孜立, 江洪, 李萌 申请人:江苏大学