模拟线圈弹簧装置及其控制方法与流程

本发明涉及如悬架用线圈弹簧等能够产生反作用力的模拟线圈弹簧，及其控制方法。

背景技术：

车辆用悬挂装置的一种是麦弗逊式撑杆型悬架装置。麦弗逊式撑杆型悬架装置具有线圈弹簧、以及配置在线圈弹簧内侧的撑杆(减震器)。在所述线圈弹簧的上方施加压力使线圈弹簧压缩，线圈弹簧根据负重的大小产生相应收缩，同时撑杆也收缩。

麦弗逊式撑杆型悬架装置中，为了减少撑杆的滑动阻力，线圈弹簧的反作用力线位置从线圈弹簧的中心开始偏离。例如将反作用力线设置在所述撑杆摩擦最小的位置处。因此需要知道线圈弹簧的反作用力线位置与撑杆滑动阻力的关系。然而生产的不同种类的线圈弹簧反作用力线都不相同，这样浪费了大量的时间和经费。因此我们提出使用模拟线圈弹簧代替线圈弹簧。

例如美国专利文件第7606690号(专利文件1)公开了一种模拟线圈弹簧装置。此外日本弹簧协会(名古屋)在2003年11月1日公开发表的预备稿的第21-24页“通用弹簧的反作用力线对车辆特性影响的研究”(非专利文件1)，以及在2014年4月8日美国底特律发表的sae2014“线圈弹簧反作用力线对悬架装置特性的研究”(非专利文件2)都公开展示了模拟线圈弹簧装置。这些模拟线圈弹簧装置都具有管家平台型平行结构，平行结构中具有6个液压气缸。每个液压气缸通过液压产生动作，产生与线圈弹簧相当的反作用力。

麦弗逊式撑杆型悬架装置中，下侧的弹簧基座和上侧的弹簧基座之间的弹簧被压缩，根据亚压缩量的大小，在下侧的卷曲部和上侧的卷曲部之间产生弯曲(旋转方向的相对位置变化)。所述上侧弹簧基座和车体一侧的固定架部之间虽然配置上层轴承，但是上层轴承具有一定程度的摩擦(旋转阻力)。于是，线圈弹簧压缩后，所述轴承产生摩擦，下侧的基座卷曲部和上侧的基座卷曲部之间产生旋转方向的动量。所述动量使转向销产生动量(转向销轴周围的动量)。转向销动量是影响车辆操作性能的主要原因。转向销动量根据转向销轴和撑杆轴之间的几何位置关系发生相应的变化。此外转向销动量还可以改变反作用力线的位置。

技术实现要素：

【发明拟解决的技术问题】

发明人考虑的模拟线圈弹簧装置具有能被液压驱动的往复运动气缸单元(例如管家平台型平行结构)。所述模拟线圈弹簧装置中设定的撑杆具有第1撑杆要件(例如外筒)和第2撑杆要件(例如杆)。模拟线圈弹簧的上端，与实际车体的固定件部相同，通过基础材料制成。基础材料和上侧的弹簧基座之间配置轴承。

使用推拉试验机对转动销动量测量时，对所述第1撑杆要件沿着转向销轴施加扭矩。所述扭矩通过上述往复运动气缸单元传递至上侧弹簧基座。因此所述轴承的摩擦为零时，上侧的弹簧基座与下侧的弹簧基座仅旋转相同的量。然而由于实际上所述轴承存在摩擦，会阻碍所述上侧弹簧基座的旋转。于是所述往复运动气缸单元发生弯曲，反作用力线的位置也发生变化，不能精确的测量转动销的动量。

于是，本发明提供了一种模拟弹簧装置，所述装置能够准确测定转动销动量，并提供了控制方法。

【发明解决技术问题的方法】

本发明的其中一个实施例中，模拟弹簧装置包括下侧弹簧基座和上侧弹簧基座之间配置的撑杆，配置在所述下侧弹簧基座的第1附件部材料、配置在所述上侧线圈弹簧基座的第2附件部材料、所述第1附件部材料和所述第2附件部材料之间配置的往复运动气缸单元，用于控制所述往复运动气缸单元的控制部，以及弯曲检测结构。所述弯曲检测结构能够检测出所述第1附件部材料和所述第2附件部材料之间产生的弯曲角度。

所述往复运动气缸单元的一种是由管家平板型平行结构组成，所述结构具有6个液压气缸，位于所述第1附件部和第2附件部中间，能够改变倾斜角度。所述弯曲检测结构中的一种配置在各个液压气缸上，有变位计组成，能够分别从所述各液压气缸的基准长度开始分别检测出位置变化量。

所述变位计为分别配置冲杆的lvdt，并且本实施例的模拟线圈弹簧装置具有与所述各冲杆平行配置的导向杆，导向杆引导所述冲杆直线运动。此外本实施例的模拟线圈弹簧装置具有第1内部负载传感器和第2内部负载传感器，第1内部负载传感器能够检测出所述下侧弹簧基座沿着轴方向施加的力以及轴周围的动量，所述第2内部负载传感器能够检测出所述上侧弹簧基座沿着轴方向施加的力以及轴周围的动量。

【发明效果】

本发明实施例中的模拟线圈弹簧装置能够通过所述弯曲检测结构检测出所述下侧弹簧基座和上侧弹簧基座之间相对弯曲的角度。所述弯曲角度能够影响配置在基础部材料和所述上侧弹簧基座之间的旋转支持结构的摩擦。实施例中的模拟线圈弹簧装置的所述控制部能够根据所述弯曲检测结构得到的弯曲角度调节反作用力线的位置。也就是说，能够将所述往复运动气缸单元控制呈与所述扭曲角度为零的方向。根据本实施例的模拟线圈弹簧装置，能够正确的检测出转动销动量。

附图说明

图1是麦弗逊式撑杆型悬架装置的截面图。

图2是一种实施例中线圈弹簧装置的斜视图。

图3是图2所示模拟线圈弹簧装置的侧面图。

图4是图2所示模拟线圈弹簧装置的底面图。

图5是将图4沿着f5-f5的截面图。

图6是图2所示的模拟线圈弹簧装置构成的简略模式图。

图7是图2所示的模拟先圈弹簧装置的一部分模式的斜视图。

图8是推拉试验机的控制的一部分的流程图。

图9是图2所示的一种模拟线圈弹簧装置的流程图。

图10是图2所示的其它种类的模拟线圈弹簧装置的流程图。

具体实施方式

图1显示了一种用于车辆的悬挂装置，该装置为麦弗逊式撑杆型悬架装置1。所述悬挂装置1包括用作撑杆2的减震器，悬架用线圈弹簧3(以后简称为线圈弹簧3)。撑杆2包括作为第1撑杆要件1的外筒4和作为第2撑杆要件的杆5。杆5插入外筒4中。插入外筒4的杆5缱绻具有减震发生结构。外筒4和杆5相互沿着l1轴的方向(撑杆轴)方向移动。

外筒4配置在下侧弹簧基座10。外筒4的下端配置在支架11上。支架11上安装关节部材料12。通过关节部材料12支撑车辆轴。杆5的上端配置上侧弹簧基座15。上侧弹簧基座15和身体部材料16之间配置固定绝缘体17。操作转向装置，将转向盘的操作力输入关节部材料12中，关节部材料12沿着转向轴l2的周围旋转。线圈弹簧3配置在下侧弹簧基座10和上侧弹簧基座15之间，呈压缩状态。

下面以1种实施例为例，参照图2至图10对线圈弹簧装置20进行说明。图2是模拟线圈弹簧装置20的斜视图。图3是模拟线圈弹簧装置20的侧面图。图4为模拟线圈弹簧装置20的底面图。图5使图4沿f5-f5线的截面图。

模拟线圈弹簧装置20使用的撑杆2a(如图5所示)，包括作为第1撑杆要件的外筒4a、作为第2撑杆要件的杆5、下侧弹簧基座10a、支架11a和上侧弹簧基座15a。下侧弹簧基座10a安装在外筒4a。上侧弹簧基座15a位于下侧弹簧基座10a的上方，配置在杆5a附近。杆5a相对于外筒4a沿着轴l1(撑杆轴)方向移动。

模拟线圈弹簧装置20包括第1附件部材料21、第2附件部材料22、第1片状适配器27、第2片状适配器28、由管家平台型平行结构组成的往复运动气缸单元30、液压供给装置37、弯曲检测结构40a、第1内部负载传感器41、第2内部负载传感器42、基础部材料45、旋转支持结构50和控制部70。往复运动气缸单元30通过旋转支持结构50的支持，在撑杆轴50周围旋转。旋转支持结构50的摩擦会影响转向销动量。

如后面详细所述，弯曲检测结构40a检测出弯曲角度的信号输入控制部70。控制部70控制液压供给装置37。液压供给装置37将指定的液压供给往复运动气缸单元30。

第1附件部材料21固定在下侧弹簧基座10a上。第1附件部材料21包括配置在下侧弹簧基座10a上方的第1原板部21a、从第1原板部21a向下方延伸的圆筒形第1延伸部21b和从第1延伸部21b下侧向外侧突出的第1凸缘部21c。也就是说第1附件部材料21呈心型结构。第1凸缘部21c沿着圆周方向的6个地方分别配置下侧关节连接部25。

第2附件部材料22固定在上侧弹簧基座15a上。第2附件部材料22包括配置在上侧弹簧基座15a上方的第2原板部22a、从第2原板部22a向上侧延伸的圆筒形第2延伸部22b和从第2延伸部22b上侧向外侧突出的第2凸缘部22c。也就是说第2附件部材料22呈心型结构。第2凸缘部22c沿着圆周方向的6个地方分别配置上侧关节连接部26。

下侧弹簧基座10a上侧配置第1片状适配器27。第1片状适配器27有铝合金等比铁轻的轻金属合金组成，具有平坦的上表面27a。第1片状适配器27的下表面27b具有与下侧弹簧基座10a嵌合的形状。

上侧弹簧基座15a下侧配置第2片状适配器28。第2片状适配器28也是由铝合金等比铁轻的轻金属合金组成，具有平坦的下表面28a。第2片状适配器28的上表面28b呈与上侧弹簧基座15a嵌合的形状。第2片状适配器28的下表面28a与第1片状适配器27的下表面平行。

第1附件部材料21的凸缘部21c位于下侧弹簧基座10a的下方。第2附件部材料22的凸缘部22c位于上侧弹簧基座15a的上表面。所述凸缘部21c和22c之间配置通过液压产生伸缩动作的往复运动气缸单元30。往复运动气缸单元30的其中一种为管家平台型平行结构。

图6为模拟线圈弹簧装置20构成的模式图。图7为模拟线圈弹簧20一部分的模式斜视图。由管家平台型平行结构组成的往复运动气缸单元30具有6个液压气缸311-316。这些液压气缸311-316中，相邻的液压气缸之间呈垂直线h(如图6所示)的角度相互在+θ或－θ倾斜变化。

6个液压气缸311-316的构造相互共通，此处仅以第1液压气缸311为代表进行说明。液压气缸311具有通过液压(例如油压)驱动的活塞杆32、使活塞杆32向第1方向(延伸侧)移动的第1液压室33、使活塞杆32向第2方向(收缩侧)移动的第2液压室34。第1液压室33和第2液压室34分别通过软管35、36与液压供给装置37连接。

液压供给装置37将产生的液压分别供给给第1液压室33和第2液压室34，于是使液压气缸311在延伸侧和收缩侧移动。液压气缸311的下端通过球窝接头等自由接头39，在第2附件部材料22的关节连接部26自由摇动连接。

每个液压气缸311-316之间分别配置直线变位计401-406。通过这些变位计401-406，构成弯曲检测结构40a。每个变位计401-406的相互构造相同，因此这里仅以第1液压气缸311上配置的第1变位计401为代表进行说明。

变位计401的一种为具有冲杆54的lvdt(linearvariabledifferentialtransformer)。所述变位计401能够从液压冲杆311基准长度的变化(活塞杆32的基准位置)检测出直线变位。变位计401还可以使用光学线性编码器、磁力线性刻度等直线变位计。也就是说可以使用其它检测原理的直线变位计。

变位计401通过安装配件板55与液压气缸311平行放置。变位计401的冲杆54通过连接部材料56与液压气缸311的活塞杆32的前端连接。安装配件板55中插入导向杆57。导向杆57通过连接部材料56与冲杆54连接。活塞杆32、冲杆54和导向杆57保持相互平行的关系，沿着液压轴线311的轴线方向移动。导向杆57引导活塞杆32和冲杆54的直线运动。此外，其它变位计402-406与第1变位计401的构成相同，图2-图5中共同的部分使用相同的符号标出。

下侧弹簧基座10a和上侧弹簧基座15a之间如果产生弯曲，各液压气缸311-316根据弯曲的角度伸缩。例如第2附件部材料22相对于第1附件部材料21向第1方向弯曲，第1、第3、第5液压气缸311、313、315延伸，第2、第4、第6液压气缸312、314、316收缩。相反，第2附件部材料22相对于第1附件部材料21向第2方向弯曲，第1、第3、第5液压气缸311、313、315收缩，第2、第4、第6液压气缸312、314、316延伸。因此变位计401-406检出各液压气缸311-316的长度变化，得出下侧弹簧基座10a和上侧弹簧基座15a之间产生的弯曲大小，也就是第1附件部材料21和第2附件部材料22之间产生的弯曲角度。

第1附件部材料21和第2附件部材料22相互平行的场合下，6个变位计401-406中至少1个基于输出(变位量)也可以检测出弯曲的角度。第1附件部材料21和第2附件部材料22不是相互平行的场合下，可以基于所有变位计401-406的输出检测出弯曲角度。

第1附件部材料21的圆板部21a和第1片状适配器27之间配置第1内部负载传感器41。第1内部负载传感器41收纳在第1附件部材料21中，配置在下侧弹簧基座10a的上方。第1内部负载传感器41具有使外筒4a插入的贯穿孔41a、与第1圆板部下表面连接的扁平上表面41b、与第1片状适配器27上表面27a连接的扁平下表面41c，第1内部负载传感器41呈环状。第1内部负载传感器41中，上表面41b和下表面41c与轴l1呈直角，固定在第1片状适配器27上。

第1内部负载传感器41与旋转支持结构50同轴，也就是说内部负载传感器41的中心与轴l1位置一致。第1内部负载传感器41中，在第1片状适配器27上表面27a产生的轴力能够在轴周围检出动量。第1内部负载传感器41与外筒4a、下侧弹簧基座10a、第1片状适配器27和第1附件部材料21共同围绕轴l1转动。

第2附件部材料22的圆板部22a和第2片状适配器28之间配置第2内部负载传感器42。第2内部负载传感器42收容在第2附件部材料22中，配置在上侧弹簧基座15a的下方。第2内部负载传感器42具有使杆5a插入的贯穿孔42a、与第2圆板部上表面连接的扁平下表面42b、与第2片状适配器28下表面28a连接的扁平上表面42c，第2内部负载传感器41呈环状。21内部负载传感器42中，下表面42b和上表面42c与轴l1呈直角，固定在第2片状适配器28上。

第2内部负载传感器42与第1内部负载传感器41相同，与旋转支持结构50同轴，也就是说内部负载传感器42的中心与轴l1位置一致。第2内部负载传感器42中，在第2片状适配器28的下表面28a产生的轴力能够在轴周围检出动量。第2内部负载传感器41与上侧弹簧基座10a、第2附件部材料22和第2片状适配器28共同围绕轴l1转动。

上侧弹簧基座15和基本部材料45之间配置旋转支持结构50。旋转支持结构50相对于基础部材料45，使往复运动气缸单元30围绕着轴l1自由旋转。旋转支持结构50的一种为滚珠轴承，具有下侧的轴承部材料51、上侧的轴承部材料52、以及收容在轴承部材料51、52之间的多个转动材料53。下侧轴承部材料51配置在上侧弹簧基座15a的上面。上侧轴承部材料52配置在基本材料45的下面。

推拉试验机60(如图6所示)是检测出转动销动量的一种检测手段。推拉试验机60包括按压牵引拉力螺栓61的线性促动装置62，检测对拉力螺栓61施加的轴力(拉力螺栓轴力)的负载传感器63。拉力螺栓61通过关节部材料12连接。

下面对模拟螺旋弹簧20的作用进行说明。

如图7所示，管家平台型平行结构组成的往复运动气缸单元30对6个轴力p1-p6进行合成，在6个自由度形成任意的立场。也就是说，6个液压气缸311-316产生的力的矢量，轴方向的力施加至下侧弹簧基座10a。此时图7的坐标系中产生3种相互正交关系的轴力(px，py，pz)，发生三种动量(mx，my，mz)。向下侧弹簧基座10a施加的6中力(px，py，pz，mx，my，mz)通过第1内部负载传感器41检出，输入控制部70(如图6)所示。此外上侧弹簧基座15a施加的6种力通过第2内部负载传感器42检出，输入控制部70。基于这6种力，计算出反作用力的(负重轴)l3的中心位置。

此外6种轴力p1-p6在轴l1周围及其动量合计为在轴l1周围的动量mz。例如如图7所示，3个液压气缸311、313、315发生的力(正mz产生的轴力)合计比其它三个液压气缸312、314、316产生的力(负mz产生的轴力)更大时，在往复运动气缸单元30的上端(上侧弹簧基座15a)产生正mz的值。也就是说，6个液压气缸311-316产生的力的矢量沿着轴周围的成分为轴l1周围的动量(mz)。转向销轴l2受到6分力的影响，在转向轴l2周围发生动量(转向销动量)。

使用本实施例的模拟线圈弹簧装置20进行撑杆2a的性能试验(例如撑杆2a的滑动阻力活转向销动量的测定)。图5和图6展示了负荷试验机的一部分80。通过所述负荷试验机对模拟线圈弹簧装置20施加指定的重量。受到负荷重量的影响，下侧弹簧基座10a和上侧弹簧基座15a之间的距离变小，产生垂直反作用力。在垂直反作用力产生的情况下，例如上下方向的冲程为±5mm，0.5hz的波形使基本部材料45上下运动，通过外部负载传感器81测定负荷重量。撑杆2a产生的摩擦力可以评价为测定负荷的滞后一半的数值。

下侧弹簧基座10a和上侧弹簧基座15a之间产生指定垂直反作用力的状态下，通过推拉试验机60(如图6所示)检测出转向销动量。例如通过线性执行机构62使关节部材料12向第1方向和第2方向交互旋回，拉力螺栓61施加的轴力通过负载传感器63检测出。接着根据关节部材料12旋转至第1方向的轴力减去旋回至第2方向的轴力差，得出转向销动量。

图8是流程图，显示了使用推拉试验机60计算转向销(kpm)的顺序。图8的步骤s1中，将计算器(n)数值设定为零。步骤s2中，通过线性执行机构62使关节部材料12驱动至推方向(第1方向)。步骤s3中，对拉力螺栓61施加的轴力(拉力螺栓轴力)通过负载传感器63检测出。步骤s4中，线性执行机构62判断推侧的冲程末端是否达到，如果是“yes”则转移至步骤s5。步骤4中如果是“no”，返回至步骤s2，继续进行推方向的驱动。

步骤s5中，通过线性执行机构62，驱动关节部材料12至拉方向(第2方向)。步骤s6中，拉力螺栓61施加的轴力(拉力螺栓轴力)通过负载传感器63检测出。步骤s7中，线性执行机构62判断拉侧冲程末端是是否达到，如果是“yes”则移动至步骤s8。如果步骤s7是“no”，则返回步骤s5，继续进行推方向的驱动。

步骤s8中，判断计算值(n)是否达到指定数值。步骤s8中如果是“no”，计算值(n)加1返回步骤s2。步骤s8中如果是“yes”则移动至步骤s10。步骤s10中，基于推方向的所述拉力螺栓的轴力与拉方向的所述拉力螺栓的轴力之间的差，计算出转向销动量(kpm)。

这样通过推拉试验机60在模拟线圈弹簧装置20中对转向销轴周围施加扭矩，下侧弹簧基座10a和上侧弹簧基座15a之间相对弯曲角度通过弯曲检测结构40a，检测出实时情况。例如如图9所示的步骤s11中(flp修正)，基于弯曲角度，通过坐标变换修正反作用力中心线(flp)的位置。基于修正的flp，得出更准确的转向销动量。

或者如图10所示，在步骤s12(弯曲角度的控制)中，控制液压气缸311-316的液压，使弯曲角度变位零。也就是说液压供给装置37基于变位计401-406的输出，使弯曲角度变位零，控制各液压气缸311-316。此外，如图9所示的步骤s11(flp修正)和如图10所示的步骤s12(弯曲角度的控制)也是可以的。

上面所述的本实施例的模拟线圈弹簧装置20的控制方法，为了通过转向销测定，含有以下的步骤。

(1)在第1撑杆要素(外筒4a)施加第1方向(推侧)的扭矩。

(2)第1附件部材料21和第2附件部材料22之间产生的弯曲角度通过弯曲检测结构40a进行检测。

(3)检测出第1方向(推侧)的拉力螺栓的轴力。

(4)在第1撑杆要素(外筒4a)施加第2方向(推侧)的扭矩。

(5)通过弯曲检测结构40a检测出第1附件部材料21和第2附件部材料22之间产生的弯曲角度。

(6)检测出第2方向(拉侧)的拉力螺栓轴力。

(7)根据所述弯曲角度修正反作用力线的位置，或者控制液压气缸。

(8)基于所述拉力螺栓的轴力，计算出转向销动量(kpm)。

【生产上的可能性】

本发明实施例中的模拟线圈弹簧装置，不仅限于麦弗逊式撑杆型悬架装置，只要是具有撑杆的其它类型悬架装置都可以适用。往复运动气缸单元并不仅限于管家平台型平行结构，只要是具有气缸、使用流体(如液体或气体)进行伸缩的往复运动气缸单元都可以适用。往复运动气缸单元还可以为具有圆头螺钉和继动器的线性执行机构，也就是可以采用差动变压器的往复运动气缸单元。还可以采用其它往复运动气缸单元。此外本发明在实施过程中，对第1和第2附件，弯曲检测结构等构成或形状和配置，以及对模拟线圈弹簧装置的构成都可以进行变形。

【符号说明】

2a…撑杆(减震器)、10a…下侧弹簧基座、15a…上侧弹簧基座、20…模拟线圈弹簧装置、21…第1附件部材料、22…第2附件部材料、27…第1片状适配器、28…第2片状适配器、30…往复运动气缸单元、311-316…液压气缸、37…液压供给装置、40a…弯曲检测结构、401-406…变位计、41…第1内部负载感应器、42…第2内部负载感应器、54…冲杆、57…导向杆、70…控制部。