专利名称：基于杠杆原理的缓冲装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可以减弱凹凸不平路面对移动物体所施冲击的缓 冲装置。上述缓冲装置常出现在汽车悬架装置里，本发明的主要用途 也应该是汽车，因此本说明书将以适用于汽车的悬架装置为主进行说明。
背景技术：
汽车悬架装置使用板弹簧或螺旋弹簧时最大的问题为无法同时满 足乘车感与稳定性。如果弹簧软，虽然可以满足乘车感，却在驾驶中 容易倾向一边而降低车辆的稳定性。如果弹簧硬，则会提高稳定性而 损害乘车感。能够缓解上述缺点的一个解决方案就是空气弹簧。空气弹簧在提 供了等同于铁制弹簧的稳定性时，还能提供优于铁制弹簧的乘车感。 然而，由于空气弹簧的附带设备比较多，气袋也有破裂的可能性，加 上其造价昂贵，不易安装在一般车辆。近来，虽然公交车或大型拖车 安装空气弹簧的情形比较普遍，但货车或小型车辆却几乎没有空气弹 簧的安装实例。发明内容为了进一步阐明本发明需要解决的技术课题，下面将说明铁制弹 簧之所以无法同时满足乘车感与稳定性的原因。物理学中有关弹簧性质的定律之一为虎克定律(F二kx)。这里的k 是弹簧常数(spring constant),是一个不变值。如果使用比较柔软 的弹簧，汽车行驶在路面的小凹凸形状时会使乘车感好一些。但是凹 凸不平的路面会对弹簧施加更大的力量，此时弹簧的变形长度将根据 虎克定律而变长并使冲击直接传达到车体。因此需要使用较长的弹簧 以获得足够的缓冲距离。然而，随着弹簧长度的变长，弹簧受到冲击 后的变形长度也会变长，将造成汽车过度晃动、车辆行经弯路时倾向 一边的现象。换言之，将大幅度地降低稳定性。确保稳定性的最简单方法是增强弹簧力量。然而弹簧被增强后， 在经过凹凸形状时，由于弹簧变形长度小于汽车车轮弹起的高度，因 此大部分的冲击都直接传达到车体并降低乘车感。因此，与静止状态 的空车重量相比，实际驾驶时的车辆总重变化较大的小型车或货车比 较难以针对重量调整其弹簧强度，因此需要使用比较强的弹簧，进而 降低了车辆的乘车感。现有技术为了缓解上述铁制弹簧的问题而采用了空气弹簧。空气 弹簧使用的是空气，空气遵守的不是虎克定律而是波义耳定律(=常 数)，因此对于乘车感与稳定性的掌握能力优于铁制弹簧。为了阐述 其间的差异，下面将举例说明铁制弹簧与空气弹簧的收縮。利用可以收缩37cm的铁制弹簧支撑5吨重物时，如果弹簧支撑 该重量而縮短了 17cm，则还能继续縮短20cm。如果上述铁制弹簧再 承受1吨重量，根据虎克定律，上述铁制弹簧能继续縮短的长度将剩 下16.6cm;如果承受2吨重量则能继续縮短的长度为13.2cm;如果 承受3吨重量则能继续縮短的长度为9.8cm;如果承受4吨重量则能 继续缩短的长度为6.4cm。现在利用适当的空气弹簧(气缸型)支撑5 吨重量时，充满空气的空间高度为20cin，如果承受1吨重的货物，其 高度将根据波义耳定律而縮小为16.6cm;如果承受2吨重的货物，其 高度将縮小为14.3cm;如果承受3吨重的货物，其高度将縮小为12. 5cm;如果承受4吨重的货物，其高度将縮小为ll.lcm。可知充满空 气的空间高度将逐渐缩小，其变化如图10所示。在图10中，铁制弹簧的縮短长度与所支撑的重量成正比，空气 弹簧的縮短长度则逐渐变小。支撑1吨重的货物时，铁制弹簧与空气 弹簧全部出现3.4cm的变形；但支撑4吨重的货物时，铁制弹簧缩小 的长度为13.6cm，空气弹簧縮小的长度则只有8.9cm。可知弹簧材料
对弹簧性能的影响。即使在设计弹簧时设定其提供相同的乘车感，空气弹簧的稳定性 依然优于铁制弹簧。换句话说，如果稳定性相同，那么空气弹簧的乘 车感就会优于铁制弹簧。这是因为，铁制弹簧因为不受压縮强度的影 响而保持一定的弹簧常数值，空气弹簧的弹簧常数则会随着压縮强度 的升高而变大。由于目前还没有针对汽车悬架装置的理想反弹力的明确理论，因 此这里根据道路条件与经验数值提出了悬架装置的缓冲距离与反弹力 之间理想的相关关系在2cm范围内柔和地反应，在减速槛之类的道路条件下承受较大冲击时也能在5 6cm以内的距离内吸收一切冲击。 在实际的道路路面上大部分的凹凸形状高度低于lcm，因此车轮弹起 的高度低于2cm时弹簧只要柔和地动作就能得到良好的乘车感；如果 在缓冲距离超过2cm时弹簧反弹力变强，并且在整体缓冲距离5 6cm (现有车辆在经过减速槛时的缓冲距离)内吸收减速槛之类的冲击，就 能从容地避免车辆倾斜现象。图11表示了在上述理想的缓冲作用下 弹簧反弹力的变化。在图11中，X轴方向上较低的部分是乘车感良好的区段，之后急 剧上升的反弹力则表示汽车在经过弯路时不会出现倾向一边的侧倾(R oiling)现象。现有铁制弹簧或空气弹簧却无法实现上述曲线图中弹 簧反弹力的急剧变化。如前所述，本发明需要解决的技术课题如下本发明的结构即使 使用了铁制弹簧，也不是按照虎克定律吸收冲击能量，而是像上述曲 线图一样发挥出理想型反弹力，然后通过较现有悬架装置的弹簧还要 柔和的弹簧大幅度地改善乘车感并防止侧倾(Rolling)现象。换句话说，本发明的技术课题是同时实现良好的乘车感与驾驶稳定性。因此，本发明的铁制弹簧本身虽然受到材料特性影响而具有固定 的弹簧常数，本发明却可以通过连续可变的杠杆效果而使表现出来的 弹簧常数随着冲击力的增加而变大。
图1是本发明基于杠杆原理的缓冲装置安装在车辆时的侧视图。图2是本发明基于杠杆原理的缓冲装置的基本形态侧视图。 图3是图2所示缓冲装置的动作状态侧视图。图4是杠杆的阻力点与动力点以支点为基准位于同一方向时的侧视5与图6分别是图4所示缓冲装置的动作状态侧视图。图7是本发明基于杠杆原理的缓冲装置安装在实际车辆时的照片。图8是图7所示照片的侧视图。图9是本发明的具有液压缸的缓冲装置安装到小型车辆时的侧视图。 图10是表示铁制弹簧和空气弹簧的縮短长度与所支撑重量的关系的 曲线图。图11是表示在理想的缓冲作用下弹簧反弹力的变化的曲线图。〈图形主要符号的说明〉10:弹簧 20:减震板 40:杠杆板 45:支撑架 55:液压缸11:活塞 30:轴 43:滚动棒 50:脚部(leg)具体实施方式
图1是本发明基于杠杆原理的缓冲装置安装在小型货车时的实际形态。图2与图3则是本发明基于杠杆原理的缓冲装置的最基本形 态。在图2与图3的基本形态中，杠杆板(40)以作为杠杆支点的轴 (30)为中心出现了折曲，这是因为，如果在车辆制作阶段的设计作业中纳入了本缓冲装置而确保了足够空间时可以实现图2所示的基本型缓冲装置，但是针对板弹簧进行设计与制作的车辆却没有足够的垂直空间。图4、图5及图6是针对受到空间制约的情形而把杠杆的阻力 点与动力点设定在轴(30)的一侧之形态。虽然位置不同，但其效果与 作用却与图l、图2及图3所示形态的效果与作用相同。下面结合图1的实际形态对本发明的缓冲装置做进一步说明，然 而在说明中也会参考图2与图3的基本形态和图4、图5及图6的其 它形态进行综合说明。本发明的缓冲装置包括杠杆板(40)，作为杠杆支点的轴(30)固 定在车体上；弹簧(IO)，连接到杠杆板(40)的一侧并可以作为杠杆阻 力点；以及减震板(20)，连接到杠杆板(40)的另一侧并可以作为杠杆 动力点。上述弹簧(10)直接安装在车体上或者安装在可以收纳缓冲装置的 箱内。如图1所示，弹簧(10)可以收纳在气缸(Cylinder)形状的圆筒 内部以使其稳定地动作。如图2所示，也可以在弹簧(10)与杠杆板(4 0)之间安装活塞(11)，上述活塞(11)通过接触方式缓和杠杆板(40)对 弹簧(10)的冲击。如图1所示，如果杠杆板(40)不直接对弹簧施力， 应该使用钢棒把弹簧(10)挂接到杠杆板(40)上并收纳在气缸形状的圆 筒里；如果杠杆板(40)直接对弹簧施力，应该在杠杆板(40)与弹簧(1 O)之间配置活塞(ll)，但不必限定于此。上述减震板(20)往上突起且越接近作为杠杆支点的轴(30)就越往 下倾斜，上述减震板(20)与杠杆板(40)随时在一个点上形成接点。上 述减震板(20)与车轮之间配置了脚部(50)，汽车车轮弹跳起来时的冲 击可以从上述脚部(50)传达到减震板(20)。虽然附图没有显示，也可 以不安装上述减震板(20)，只要通过脚部(50)与杠杆板(40)之间的直 接接触，就能使杠杆板(40)以轴(30)为中心进行圆周运动并缓和冲 击。
如图3与图5所示，汽车车轮受到路面凹凸形状的影响而弹跳时，减震板(20)把杠杆板(40)往上推并使减震板(20)与杠杆板(40)之 间的接点位置连续改变。上述接点位置越靠近轴(30)，杠杆板(40)推 压弹簧(IO)的力量也根据连续变化的杠杆效果而逐渐减弱。在基于杠 杆原理的本缓冲装置中，动力点[=减震板(20)与杠杆板(40)接触的地 点]与支点[二轴(30)]之间的距离虽然连续变化，但支点[二轴(30)]与 阻力点[二杠杆板(40)向弹簧(10)传达力量的地点]之间的距离维持一 定，进而对传达到弹簧(10)的力量进行调节，这可以说是本缓冲装置 的核心内容。也就是说，随着杠杆板(40)倾斜度的增加，传达到弹簧 (10)的力量比例跟着变小，上述过程所发挥的效果是弹簧常数将随着 冲击强度的增加而变大。上述接点沿着曲线轨迹往上述轴移动，为了使上述轨迹的曲率半 径可以随着接点的移动而逐渐地连续增加，把减震板(20)制作成圆弧 形态，但也可以为了使上述接点的移动不连续增加而把减震板(20)制 作成锯形。此外，虽然附图没有显示，上述接点可以位于杠杆板的两侧。例 如，在杠杆点的一侧与弹簧之间形成第一接点，杠杆点的另一侧与减 震板之间形成接点，支点与阻力点之间的距离根据第一接点而连续变 化，支点与动力点之间的距离也根据第二接点而连续变化，使第二接 点的变化率大于第一接点的变化率就能调整传达到上述弹簧的力量大 小。下面针对可以使本悬架装置发挥出理想反弹力的具体设置法做详 细说明。首先，需要时可以安装足够柔软的弹簧(安装后縮短的长度较长 的弹簧)后如下调节，在车辆静止状态下使得与减震板(20)接触的杠 杆板(40)尾端如图6所示稍微下降，但是减震板(20)上升2cm时则使 杠杆板(40)成为水平状态。在减震板(20)上升而使杠杆板(40)成为水 平状态之前，减震板(20)与杠杆板(40)之间接触的接点(即动力点)的
位置变化很小。因此，在杠杆板(40)变成水平状态之前，几乎没有发 挥出杠杆效果而只存在弹簧(10)的反弹力。由于使用反弹力较弱的弹簧(IO)，因此在杠杆板(40)成为水平状态之前将维持良好的乘车感。如图3或图5所示，如果减震板(20)在杠杆板(40)成为水平状态 后继续推举杠杆板(40)，上述杠杆板(40)将倾斜并使减震板(20)与杠 杆板(40)的接点(即动力点)快速地接近轴(30)。此时，弹簧(10)的反 弹力将随着连续变化的杠杆效果而大幅增加。需要时，可以适当地调整减震板(20)上端的倾斜度，使得杠杆板 (40)成为水平状态后即使减震板(20)上升lcra,接点依然位于杠杆板 (40)的尾端与轴(30)的中间位置。接点位于杠杆板(40)尾端与轴(30) 之间的中间位置时，活塞(11)与杠杆板(40)之间的接触点对轴(30)的 直线距离可以随时维持一定值，弹簧(10)反弹力将根据杠杆效果而成 为静止时的反弹力的两倍多。也就是说，本装置在汽车车轮弹跳2cm 之前一直维持较弱的反弹力，但是当车轮多上升lcm后将发挥出两个 弹簧并列般的反弹力。发生缓冲作用时，如果减震板(20)与杠杆板(4 0)之间的接点达到离轴(30)0.25个杠杆板(40)长度的位置，弹簧常数值将根据杠杆效果而成为静止时的反弹力的四倍多。如前所述，只要调整减震板(20)上端的倾斜度，就能在杠杆板 (40)成为水平状态后使弹簧(10)的反弹力随着汽车车轮的弹起高度而 得以调节，因此可以在维持柔和乘车感的同时，在所需要的缓冲距离 内获得所需要的反弹力强度，这一点与现有弹簧是大不相同的。现有 弹簧只有牺牲乘车感才能获得较强的反弹力。最后，下面对本缓冲装置安装到实际车辆时的另一个实施例做进 一步说明。图7及图8的车辆是1吨卡车并与图1的结构相似。如果在车辆 制作阶段的设计作业中纳入了本缓冲装置而确保了足够空间时可以实 现图2所示形态的缓冲装置，但上述车辆是针对板弹簧进行设计的， 所以没有足够的垂直空间，因此杠杆板(40)的两侧端部以轴(30)为基
准弯曲80°到100°的角度(弯曲到90。的扇形则更好)，如此即可把 弹簧(10)安装成水平方向。图中照片，为了拍照而提起车体后拆下了 车轮，因此杠杆板(40)的位置稍微低于前文提到的理想反弹力的相应 设定位置。轴(30)与车体通过螺栓结合并离杠杆板(40)的一侧尾端17 cm。在圆形管内置入弹簧(IO)，以钢棒(41: Steel Rod)为介体连接 到杠杆板(40)。与上述实施例不同的是，减震板(20)被制作成圆形。 由于减震板(20)的安装位置与轴(30)的位置全部是固定不变的，而且 减震板(20)往轴(30)的方向倾斜，因此把减震板(20)制成圆形并允许 其进行旋转运动，如此即可在减震板(20)推举杠杆板(40)时尽量减少 摩擦。如果不把减震板(20)制作成图7及图8所示的旋转圆板以解决摩 擦问题而制成长杆形状并加以固定的话，应该采取措施缓和减震板 (20)与杠杆板(40)之间的摩擦力。图1显示了可以缓和减震板(20)与 杠杆板(40)之间摩擦的一个简单措施。在杠杆板(40)上挖凹槽并把圆 形滚动棒(43)切块后放进里面，然后在减震板(20)与杠杆板(40)之间 配置一个"H"字型的支撑架(45)即可消除摩擦。"H"字型的支撑架 (45)不仅可以防止减震板(20)与杠杆板(40)之间互相错位，还可以有 效地引导由铁棒切块后制成的滚动棒(43)顺利地滚动。把图2的基本形态或图4的其它形态缓冲装置安装到小型车辆 时，难以确保所需空间。把本缓冲装置插入车轮与车体之间并以串连 方式安装时，必须确保足够的空间，才能提供可以容纳弹簧(10)的尺 寸、杠杆板(40)的动作空间以及脚部(50)的移动空间，上述脚部(50) 可以把车轮的冲击传达给减震板(20)，然而小型车辆是很难拥有上述 垂直空间的。因此，轿车之类的小型车辆可以采取图9所示方法，把 缓冲装置安装到行李箱或车体下部的适当位置，然后使用液压缸(55) 连接车轮与缓冲装置。如果制作缓冲装置时如图4所示把杠杆板(40) 的动力点与阻力点设在轴(30)的一侧，则如图9所示把缓冲装置水平 安装到行李箱或车体下部即可改善有效地改善乘车感。产业上的用途本发明使用的铁制弹簧比现有的车辆用弹簧柔软，不仅提供了良 好的乘车感，还可以如现有的强力弹簧一样提供良好的稳定性。本发 明可以通过连续可变的杠杆效果在车辆行驶凹凸形状时根据其冲击强 度而实时调整缓冲装置的反弹力，到目前为止，还没有任何悬架装置 可以根据冲击强度而实时调整反弹力以获得最佳缓冲效果。本发明不仅使用柔软的弹簧改善乘车感，还可以凭借装置本身的 结构来改善乘车感。现有的弹簧安装方法采取了串连方式，从车轮传来的冲击通过弹 簧直接传达到汽车本体，因此没有被弹簧吸收的冲击将毫无顾虑地直接传达到车辆本体。本发明的缓冲装置则如图5所示，车轮受到冲击 后，支撑杠杆板(40)的轴(30)因为受到车重的影响而下降相当于H的 高度，进而导致车体下落。因此，随着脚部(50)弹跳而推举车体的运 动及轴(30)下降H距离而使车体下落的运动之间互相作用的结果，汽 车本体受到冲击而弹上来的实际高度低于现有弹簧串连方式的实际弹 起高度，有效地改善了乘车感。本发明在路面上的突出物行驶时可以降低冲击强度，如同现有悬 架装置在较低的突出物上行驶一样。由于减震板(20)如图5所示往轴 (30)的方向下降了一定距离，减震板(20)弹跳后推举杠杆板(40)的高 度比减震板(20)的实际弹跳高度小了 h的距离。也就是说，在突出物 上行驶时，安装了本发明的杠杆板(40)实际承受的冲击强度等同于现 有弹簧串连方式在高度减少了 h的突出物上行驶时所承受的冲击强 度，不仅改善了乘车感，还缓解了车体的金属疲劳现象。
权利要求
1.一种缓冲装置，在凹凸不平路面上行驶时可以把车轮传达给车体的冲击加以缓解，其特征为包括杠杆板，作为杠杆支点的轴固定在车体上；弹簧，连接到杠杆板的一侧并可以作为杠杆阻力点；以及减震板，连接到杠杆板的另一侧并可以作为杠杆动力点，上述杠杆板与上述减震板之间的接点位置变化时可以利用其杠杆效果。
2. 根据权利要求l所述的缓冲装置，其特征为上述轴与阻力点之间的距离虽然维持 一 定值，上述轴与 动力点之间的距离则根据上述接点的移动而连续变化。
3. 根据权利要求2所述的缓冲装置，其特征为上述接点沿着曲线轨迹而向上述轴的方向移动。
4. 根据权利要求3所述的缓冲装置，其特征为上述轨迹的曲率半径随着接点的移动而逐渐增加。
5. 根据权利要求1或3所述的缓冲装置，其特征为上述减震板是上述曲率半径固定不变的圆板。
6. 根据权利要求l所述的缓冲装置，其特征为减震板与上述杠杆板接触的一面往杠杆板的方向突起，使上述接点 可以连续可变。
7. 根据权利要求6所述的缓冲装置，其特征为 上述突起面往上述轴的方向下降倾斜。
8. 根据权利要求1所述的缓冲装置，其特征为杠杆板与上述减震板接触的一面往减震板的方向突起，使上述接点 可以连续可变。
9. 根据权利要求l所述的缓冲装置，其特征为上述轴与阻力点之间的距离虽然维持 一 定值，上述轴与 动力点之间的距离则根据上述接点的移动而出现不连续变化。
10. 根据权利要求9所述的缓冲装置，其特征为为了使上述接点的移动不连续可变而把减震板接触上述杠杆板的 一面制作成锯形或者在上述减震板的一面按装多个滚动棒。
11. 根据权利要求l所述的缓冲装置，其特征为上述阻力点与上述动力点以上述支点为基准而分别位于不同的 方向并利用其杠杆效果。
12. 根据权利要求l所述的缓冲装置，其特征为 上述阻力点与上述动力点相对于上述支点位于同一侧。
13. 根据权利要求l所述的缓冲装置，其特征为.上述弹簧连接到外壳一侧并由上述外壳支持，上述外壳安装了 上述缓冲装置并固定在上述车体上。
14. 根据权利要求13所述的缓冲装置，其特征为 上述弹簧与上述杠杆板之间为了接触上述阻力点而安装活塞。
15. 根据权利要求l所述的缓冲装置，其特征为 上述轴使用螺栓紧固到车体，上述杠杆板以上述轴为中心进行上下 铰接。
16. 根据权利要求15所述的缓冲装置，其特征为上述杠杆板以上述轴为中心向 一侧弯曲；上述杠杆板的一端部连接上述减震板，上述杠杆板的另一端 部铰接在钢棒上；上述钢棒连接并固定在弹簧的端部。
17. 根据权利要求16所述的缓冲装置，其特征为 上述杠杆板的两侧端部形成扇形。
18. 根据权利要求16所述的缓冲装置，其特征为 上述弹簧为了稳定地动作而收纳在气缸形状的圆筒内部。
19. 根据权利要求l所述的缓冲装置，其特征为在上述车轮与减震板之间安装脚部； 上述车轮的冲击可以通过上述脚部传达给减震板。
20. 根据权利要求19所述的缓冲装置，其特征为 上述脚部的 一侧安装液压缸，即使上述车轮与上述减震板不 位于同一直线上也能把车轮的冲击传达给上述减震板。
21. —种缓冲装置，在凹凸不平路面上行驶时可以把车轮传达给 车体的冲击加以缓解，其特征为包括杠杆板，作为杠杆支点的轴固定在车体上；弹簧，连接到杠杆板的一侧并可以作为杠杆阻力点；以及减震板，连接到杠杆板的另一侧并可以作为杠杆动力点， 上述杠杆板与弹簧及上述杠杆板与上述减震板分别形成了第 一接点与第二接点。
22. 根据权利要求21所述的缓冲装置，其特征为-上述支点与阻力点之间的距离根据第 一 接点而连续变化， 上述支点与动力点之间的距离也根据第二接点而连续变化，第二 接点的变化率大于第一接点的变化率。
23. 根据权利要求21所述的缓冲装置，其特征为上述第一、第二接点沿着曲线轨迹向轴的方向移动，上述轨迹的曲率半径随着接点的移动而逐渐增加，第二接点的上述增加率大于第一接点的上述增加率。
24. —种缓冲装置，在凹凸不平路面上行驶时可以利用杠杆效果把 车轮传达给车体的冲击加以缓解，其特征为包括杠杆板，作为杠杆支点的轴固定在车体上； 弹簧，连接到杠杆板的一侧并可以作为杠杆阻力点；以及 脚部， 一侧连接上述车轮，另一侧连接上述杠杆板的 另一侧，可以作为杠杆动力点。
全文摘要
铁制弹簧的弹簧常数虽然受到材料特性的影响而固定不变并导致无法同时满足乘车感与稳定感，但本发明的缓冲装置即使使用铁制弹簧也可以同时满足乘车感与稳定感。使用螺栓把作为杠杆支点的轴紧固到车体上，使得杠杆板以轴为中心进行上下铰接；在上述杠杆板的一侧安装可以作为杠杆阻力点的弹簧；在杠杆板的另一侧安装可以作为杠杆动力点的减震板，为了使杠杆板与上述减震板随时在一个点上形成接点，上述减震板的一面往杠杆板的方向突起。本发明的上述接点位置越靠近轴，弹簧的反弹力将根据杠杆效果而大幅增加，因此从车轮传上来的冲击越大，弹簧常数值也跟着越大，进而实现了柔软的铁制弹簧所无法满足的稳定感。本发明可以使用所需要的柔软铁制弹簧以实现良好的乘车感，还可以在设计者设定的缓冲距离内获得所需要的弹簧反弹力。
文档编号B60G3/00GK101112856SQ20071010824
公开日2008年1月30日 申请日期2007年6月7日 优先权日2006年6月20日
发明者郑万熙 申请人:郑万熙