一种容积无级可调的空气弹簧及其控制方法与流程
本发明涉及一种车辆悬架系统，具体涉及一种空气弹簧。
背景技术：
空气弹簧是利用密封空气的气压和可压缩性实现静态承载和动态回弹的作用，具有缓和冲击、减小振动的功能。常规空气弹簧由于结构上一经固定，在应用时由于没有可调机构，就不能主动调节，因而难以适应复杂工况和多变的行驶环境，无法让汽车具有良好的乘坐舒适性及操作稳定性。因此，在常规空气弹簧结构基础上，如何进一步改进设计其结构使其具有多种性能是广大科研人员亟待解决的课题。
空气弹簧力学性能与初始气压、有效面积、容积及其变化率等有关，据文献可知，现有研究成果也是围绕这几个参数开展研究的。相当部分成果是利用气压来调控空气弹簧的力学性能，即用电磁阀不断地对空气弹簧进行充放气，虽然控制思路简单，但是空气不断充放会浪费能源，导致压缩机、电磁阀等零部件使用年限缩短。还有相当部分成果通过改变空气弹簧底座外部形状，以达到改善空气弹簧性能的目的，但是底座外部形状一经固定也不能动态调节。其他的成果主要围绕空气弹簧的容积展开，譬如增加若干个副气室，副气室的气体与空气弹簧内气体的通或断是由电磁阀来控制的，这种方法受副气室个数的影响往往是有级调控的，比较成熟的方案是由为软、中、硬三级可调，而实际的路面不平度对车轮的激励是随机激励，无级调节才能更好地适应道路状况，况且大空气弹簧体积三倍的副气室给安装带来不少挑战，浪费本就十分有限的悬架安装空间。
技术实现要素：
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种容积无级可调的空气弹簧及其控制方法，无需增加附加气室，只要通过底座内腔活塞的上下运动，就可以实现空气弹簧内腔容积的连续变化，实现空气弹簧性能的无级调控。
技术方案：一种容积无级可调的空气弹簧，包括与车架固定连接的盖板、气囊、固定于车轴弹簧座上的底座、填充于底座内腔中的活塞、连杆、曲轴及电动机，所述气囊的上封口与盖板过盈配合，下封口与底座过盈配合且活塞以上空间贯通下封口，所述活塞的活塞销通过连杆与曲轴的曲轴销相连，所述电动机控制曲轴转动并通过连杆带动活塞在底座中往复运动改变气囊的容积。
进一步，所述底座内壁两侧设有供曲轴穿过并旋转的主轴颈座。
进一步，所述曲轴通过齿轮传动与电动机的输出轴配合，且曲轴转角θ与输出轴转角α满足如下关系：
其中：Z1为主动轮齿数，Z2为从动轮齿数。
进一步，所述曲轴的曲轴销转动到最低位时，活塞到达下限位，此时曲轴的转角为0度，气囊的容积变化为0；所述曲轴的曲轴销转动到最高位时，活塞到达上限位，此时曲轴的转角为180度，气囊的容积变化最大。
进一步，气囊的统计变化量ΔV与曲轴转角θ满足如下关系式：
其中，Aeff为活塞头部上表面的几何面积，R为曲轴半径，为λ曲轴连杆比。
一种容积无级可调的空气弹簧的控制方法，包括以下步骤：
(1)在车辆行驶过程中，采集空气弹簧内部气压和车辆行驶速度；
(2)根据气压和车速找到车身垂向加速度最小时所对应的空气弹簧容积；
(3)控制电动机逆时针或顺时针转动使曲轴旋转带动连杆推动活塞向上或下动作，以此调节活塞上部空间连通气囊内部的容积。
进一步，步骤(2)计算得到的空气弹簧容积与当前空气弹簧容积之差即为ΔV，根据ΔV与曲轴转角θ的关系算出曲轴转角θ，根据曲轴转角θ与电动机输出轴转角α间的关系，得到电动机输出轴转角α，根据α控制电动机输出轴的转动角度。
有益效果：1、本发明中曲轴、连杆及活塞机构直接安装在底座内腔，在步进电机驱动下活塞可以在底座内腔沿轴向上下往复移动，活塞所扫过的容积等于空气弹簧容积变化量，无需外部再设置附气室就可以实现空气弹簧容积，节约了有限的悬架安装空间。
2、本发明在现有空气弹簧结构基础上，通过改进底座结构就可实现，具有成本小、而性能得到有效提高的优点。
3、本发明通过对步进电机旋转方向、通电时间长短的控制实现活塞的上下运动，活塞扫过容积连续变化，使得空气弹簧容积变化量无级可调。
附图说明
图1为本发明空气弹簧的结构示意图；
图2为本发明执行机构的结构示意图；
图3为本发明活塞位于下限位时的结构图；
图4为本发明活塞位于上限位时的结构图；
图5为气囊容积变化量随曲轴转角变化的关系示意图；
图6为本发明空气弹簧在使用时的整车控制示意图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例：一种容积无级可调的空气弹簧，如图1、2所示，包括盖板1、橡胶气囊2、底座3、活塞4、连杆5、曲轴6、从动齿轮7、主动齿轮8以及步进电机9。盖板1的顶面通过螺栓1a固定连接在车架10上，盖板1的底面为一个连接圆柱1c，圆柱1c的外表面与橡胶气囊2上封口2a的内圆面为过盈配合。底座3是柱形框架结构，底部为沿轴线贯通的空心圆环3f，该圆环3f的外圆面与橡胶气囊2下封口2b的内圆面过盈配合，底座3的底端通过底座螺栓3d固定于车轴11的弹簧座12上。
活塞4由活塞本体4a、活塞销4b及活塞环4c组成，充盈在底座3的柱形内腔中，并可在活塞4上、下限位4e、4d之间上下运动，运动方向正对气囊2的下封口2b。活塞销4b上设有向下延伸的连杆5，活塞销连接连杆5的小头，连杆5的另一端大头与曲轴6的曲轴销连接，曲轴6的一端通过主轴颈座盖3c和座盖螺栓3d安装在底座3内壁上的主轴颈座3b中，另一端穿过底座3相对内壁上的另一个主轴颈座3b并水平延伸出底座3外。
伸出底座3的曲轴6端部安装有从动齿轮7，与从动齿轮7啮合的主动齿轮8安装在步进电动机9的输出轴上，步进电动机9启动旋转带动主齿轮转动8，与主动齿轮8啮合的从动齿轮7也旋转，能够带动曲轴6转动，使得与曲轴销连接的连杆5做往复的上下运动，推动活塞4沿底座的内壁动作，活塞4上部与气囊2下封口2b贯通的空间属于空气弹簧的容积，即随之大小改变。曲轴6的转角θ与输出轴转角α满足如下关系：
其中：Z1为主动齿轮8齿数，Z2为从动齿轮7齿数。
当活塞4运动至下限位4d时，如图3所示，连杆5大小头中心点连线与底座3垂向中心重合，活塞4头部顶面离曲轴6主轴颈距离最小，通过活塞4使空气弹簧容积改变量为0。调控时，步进电动机9输出轴带动主动齿轮8转动后，与主动齿轮8啮合的从动齿轮7带动曲轴6旋转，带动连杆5运动使得活塞4沿着底座3内壁向下移动，直到到达活塞4下限位4d位置处时电动机9停止动作，规定此时的曲轴6转角为0度，活塞扫4过容积为0。
当活塞4运动至上限位4e时，如图4所示，连杆5大小头中心点连线与底座3垂向中心线重合，活塞4头部顶面离曲轴6主轴颈距离最大，通过活塞4使空气弹簧容积改变量最大。调控时，步进电动机9输出轴带动主动齿轮8转动后，与主动齿轮8啮合的从动齿轮7带动曲轴6旋转，带动连杆5运动使得活塞4沿着底座3内壁向上移动，直到到达活塞4上限位4e位置处时步进电动机9停止动作，规定此时的曲轴6转角为180度，活塞4扫过容积最大。
当活塞4运动在介于下限位4d与上限位4e之间时，连杆5大小头两中心点连线与底座3垂向中心线成大于0的夹角，活塞4扫过容积介于0与最大值之间，具体大小且与活塞4头部面积、曲轴6半径、曲轴6连杆比和曲轴6转角确定。本发明中空气弹簧容积变化量随曲轴6转角的关系如图5所示，其中纵向标ΔV表示为容积变化量，横坐标为曲轴6转角θ，变化范围从0度到180度。可以看出，空气弹簧容积变化曲线从0度到180度是从0逐渐增加到最大，其特征满足以下关系
式中，Aeff活塞头部上表面的几何面积，R曲轴半径，λ曲轴连杆比，θ为曲轴转角。
配置四个本发明空气弹簧悬架的整车系统如图6所示，四个空气弹簧分别安装在前后车轴两端，四个步进电动机9由车载电源13供电，并通过信号线与控制器14相连被其控制，控制输入信号由布置在驾驶员座椅处的车速传感器15、布置于空气弹簧内气体压力传感器16、曲轴6转角传感器17所采集。事先对步进电动机9转角θ范围进行限定，规定在活塞4下限位6d时步进电动机9只能逆时针转动，且初始转角θ设置为0度；在活塞4上限位6e步进电动机9只能顺时针转动，转角θ最大为180度；活塞4在其他位置，步进电动机9既可以逆时针转动也可以顺时针转动。开发控制器14时，通过实验车根据车速传感器15、空气弹簧气体压力传感器的采集信号寻找到车身垂向加速度最小所对应的空气弹簧内部容积，并制成电子表格存放于控制器的储存单元。车辆行驶前，通过进排气管1b对空气弹簧进行充放气，达到条件后将关闭进排气管1b的通道；空气弹簧在车辆行驶过程，进排气管1b保持关闭状态，而具体控制过程：根据压力传感器16采集空气弹簧内部气压信号，车速传感器15的车速信号，与预先储存于ROM的数据进行配对，找到当前车速所对应的空气弹簧容积，控制器14可以根据ΔV与曲轴转角θ的关系算出曲轴转角θ，根据曲轴转角θ与电动机输出轴转角α间的关系，得到电动机输出轴转角α，通过继电器组18对四个同时或者其中的某个电动机9或单独进行控制的旋转方向及步进电动机9输出轴转角。配以不同的控制策略，除了空气弹簧容积可以随车速改变外，还可以实现多种其他的控制效果，譬如在紧急制动时快速减小前悬架的空气弹簧容积，可以使车身更好地抗点头，还有转向盘大转角可以减小外侧车轮上空气弹簧容积可以使车身具有较小侧倾角。
针对不同的车速和路况，由于可以通过车速传感器15对车速进行实时监测，因此可以使得车辆根据行驶路况条件利用控制器14主动地改变各个空气弹簧容积，达到提高车辆平顺性和操稳性的要求。
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