一种多工况阻尼自适应油气弹簧及其控制方法技术

一种多工况阻尼自适应油气弹簧及其控制方法，主要包括缸筒、拉杆、拉杆活塞、杆筒、缸筒活塞、杆筒活塞。所述缸筒内固定有拉杆，所述拉杆的上端固定在缸筒顶部，下端固定有拉杆活塞，所述拉杆活塞设置在杆筒内形成第一活塞结构，所述杆筒的上端连接有缸筒活塞，其下端面将杆筒上端开口密封，所述缸筒活塞与缸筒形成第二活塞结构，所述杆筒外壁上还设有杆筒活塞，所述杆筒、杆筒活塞与缸筒形成第三活塞结构，本发明专利技术不仅可以满足车辆在不同载荷工况下车身固有频率基本不变的要求，而且可以在满足车辆行驶平顺性的基础上，有效抑制和衰减车辆由于紧急制动、高速转弯等典型极限工况带来的车身侧倾和俯仰振动，满足车辆行驶稳定性的需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种多工况阻尼自适应油气弹簧及其控制方法。
技术介绍
汽车在不平路面上行驶时，受到来自路面的冲击而产生振动，为了缓和冲击、衰减振动，悬架系统中并联安装有弹性元件和减振器。其中，弹性元件用来吸收冲击能量以过滤路面的振动，但弹簧自身还会有往复运动，而减振器就是用来抑制这种弹簧跳跃的。目前，汽车悬架系统中一般采用螺旋弹簧作为弹性元件，高档车、重型工程车辆会采用油气弹簧。油气弹簧因其具有良好的非线性刚度特性，因而相对于螺旋弹簧可以在一定程度上改善车辆的舒适性和稳定性。油气弹簧虽然具有刚度随载荷变化的优点，但同时也存在一定的缺陷：空载时刚度低，随着载荷的增加，刚度不断增大，从而导致满载时其刚度有可能变得过大，并不是系统在其所处工况下的最佳刚度值。这是因为，刚度和载荷的变化最终影响到悬架的固有频率：空载时平衡位置的频率低，随着载荷的增加，平衡位置的频率不断增大，从而导致满载时其固有频率可能变得过大而偏离理想频率范围。所以对于传统油气弹簧，往往只存在一个指定载荷下的频率为最佳频率，故而有必要研究其结构与频率特性的关系，降低悬架固有频率对车辆载荷、悬架位移变化的灵敏度。目前，汽车悬架系统中采用的减振器多是液力减振器，其工作原理是当车身与车桥间因振动而出现相对运动时，减振器内的活塞上下移动，减振器腔内的油液便反复地从一个腔经过不同的空隙流入另一个腔内。此时，孔壁与油液间的摩擦和油液分子间的内摩擦对振动形成阻力，使汽车振动能量转化为油液热能散发到空气中。在油液通道截面积、油液黏度不变的情况下，减振器阻尼力与活塞移动速的平方度成正比关系，这就是典型的被动悬架系统。传统被动悬架参数一经选定就难以改变，因此在设计过程中只能寻找一个较好的折中方案来确定参数。也就是只有在特定工况下，汽车的性能才是最佳的；一旦工况发生改变(例如路面变化、汽车行驶时的加速、制动转向状态变化)，其性能将会变差，这意味着传统被动悬架难以同时满足舒适性和稳定性的要求。为实时改变汽车悬架弹性元件和阻尼元件的结构参数，进一步提升汽车性能，而出现了半主动和全主动悬架系统。半主动悬架是一种通过传感器感知路面状况和车身姿态，对阻尼参数进行调节，从而改善汽车行驶平顺性和稳定性的一种可控式悬架系统。目前，半主动悬架系统主要集中在阻尼参数的调节，因此又可以称为阻尼可调式悬架系统。在半主动悬架系统中，按照阻尼调节范围的不同，分为阻尼连续可调式(无级)和阻尼可切换式(有级)两类。常见的阻尼可切换式悬架，阻尼系数可在几档之间快速切换，控制方法通常根据车身的相对速度和绝对速度来改变系统阻尼的设置。对于二级式悬架，阻尼设置为“硬”和“软”2个级别；对于三级式悬架，阻尼设置为“硬”、“中”和“软”3个级别。连续可调减振器的阻尼系数在一定范围内可以连续变化，有两种基本实现方式。一种是通过调节减振器节流阀的面积而改变阻尼特性的孔径调节式，其孔径的改变一般可由电磁阀或其它类似的机电式驱动阀来实现。另一种是电流变或磁流变可调阻尼器，其工作原理是通过改变电场或磁场强度来改变流变体的黏度特性。两种结构中，前者技术上比较成熟，发表的文献和专利也较多；后者属于新兴技术，随着对这项技术的研究和突破，可能会成为较有前途的半主动悬架形式。对于全主动悬架，则是在被动悬架系统(弹性元件、减振器、导向机构)中附加一个可控作用力的装置。它通常由执行机构、测量系统、反馈控制系统和能源系统四部分组成。执行机构的作用是执行控制系统的指令，一般为力发生器或转矩发生器(液压缸、气缸、伺服电动机、电磁铁等)。测量系统的作用是测量系统各状态，为控制系统提供依据，包括各种传感器。控制系统的作用是处理数据和发出各种控制指令，其核心部件是电子计算机。能源系统的作用是为以上各部分提供能量。全主动悬架可以在车身振动的全频段范围内兼顾汽车的平顺性与操纵稳定性；能够实时地控制车身高度，改善通过性；能够降低车轮载荷波动，提高附着性能，改善操纵性，同时减轻了轮胎的磨损。但是全主动悬架的缺点是结构和控制复杂，硬件要求高、成本高，由于含有能源系统必然耗能大，这些缺点限制了全主动悬架在汽车上的推广应用。相对于全主动悬架，半主动悬架结构简单，工作时几乎不消耗车辆动力，而且还能获得与全主动悬架接近的性能，故而在乘用车上有较好的应用前景；但是由于工作环境恶劣，可靠度不高，而且需要一套控制系统，相对于传统被动悬架系统成本增高较大，目前在大型工矿车辆等商用车上还没有相关应用。目前，还有一种结构形式的被动悬架系统的减振器，如专利号为：201520340607.4的技术专利，其阻尼力在不引入控制系统的情况下，也可实现调节，即行程相关减振器，与传统的减振器相比,这种减振器在工作缸筒内壁沿轴线方向开出具有一定长度的两道对称旁通槽,起到泄流的作用,活塞在旁通槽范围内上下移动时,减振器产生的阻尼力相对较小。当活塞移动幅度超出旁通槽时,则减振器产生的阻尼力相对较大。为避免活塞在移动过程中超出旁通槽时阻尼力瞬间增大,将旁通槽两端制成变截面的结构。于是,在减振器活塞的整个行程内,减振器的特性可以分为3个不同的区域:硬特性区、软特性区及过渡区。行程相关减振器产生的阻尼力不仅与悬架运动速度有关,还与悬架垂直位移有关,这种特性能够很好适应不同道路条件。当汽车在良好路面行驶时,活塞在旁通槽范围内上下移动,减振器产生的阻尼力较小,舒适性较好；当汽车在不平路面上行驶时,由于车轮的垂直位移较大,活塞移动幅度超出旁通槽导致流通面积较小,减振器产生的阻尼力较大,提高行驶的稳定性。但是这种结构也具有如下缺点：1、过渡区的变截面结构确定后，其阻尼力行程相关性将不再可调；2、所示软特性区中点，阻尼力并不可调；3、当减振器平衡位置不在软特性区中点时(车辆载重量的变化将导致平衡位置的变化)，悬架特性有可能无法满足拉伸行程阻尼力大、压缩行程阻尼力较小的趋势。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有技术的不足而提供一种能满足车辆在空载、半载、满载等多载荷工况下对车身频率特性稳定的性能需求，满足车辆对紧急制动、高速转弯等极限工况下的行驶稳定性和行驶平顺性等多工况行驶性能下的刚度阻尼匹配需求的多工况阻尼自适应油气弹簧及其控制方法。一种多工况阻尼自适应油气弹簧，包括缸筒端盖、拉杆支架、缸筒、缸筒活塞、拉杆、拉杆活塞、杆筒、杆筒活塞、单向阀、针阀及各部分的连接件和密封件。所述缸筒上端安装有拉杆支架、缸筒端盖，所述缸筒内固定有拉杆，所述拉杆的上端固定在缸筒顶部的拉杆支架上，下端固定有拉杆活塞，所述拉杆活塞设置在杆筒内形成第一活塞结构，所述杆筒的上端连接有缸筒活塞，所述缸筒活塞的下端面将杆筒上端开口密封，所述拉杆支架、缸筒活塞与缸筒形成第二活塞结构，所述杆筒外壁上还设有杆筒活塞，所述杆筒、杆筒活塞与缸筒形成第三活塞结构，所述缸筒活塞上方、缸筒内壁与拉杆支架之间形成缸筒正压气室，所述缸筒活塞中部设有环形凹槽，所述环形凹槽与缸筒内壁之间形成杆筒反压油气混合室，所述缸筒活塞下方、杆筒外壁、杆筒活塞上方与缸筒内壁之间形成环形油腔，所述杆筒活塞下方、杆筒外壁、缸筒内壁与缸筒底部之间形成缸筒反压气室，所述杆筒内无杆腔为杆筒正压气室，有杆腔为杆筒油室，所述杆筒反压油气混合室分别通过单向阀和阻尼孔与环形油腔连通，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多工况阻尼自适应油气弹簧，其特征在于：包括缸筒(3)，所述缸筒(3)内固定有拉杆(7)，所述拉杆(7)的上端固定在缸筒(3)顶部，下端固定有拉杆活塞(10)，所述拉杆活塞(10)设置在杆筒(9)内形成第一活塞结构，所述杆筒(9)的上端连接有缸筒活塞(4)，所述缸筒活塞(4)的下端面将杆筒(9)上端开口密封，所述杆筒(9)、缸筒活塞(4)与缸筒(3)形成第二活塞结构，所述杆筒(9)外壁上还设有杆筒活塞(8)，所述杆筒(9)、杆筒活塞(8)与缸筒(3)形成第三活塞结构，所述缸筒活塞(4)上方、缸筒(3)内壁与缸筒(3)内顶部之间形成缸筒正压气室(a)，所述缸筒活塞(4)中部设有环形凹槽，所述环形凹槽与缸筒(3)内壁之间形成杆筒反压油气混合室(b)，所述缸筒活塞(4)下方、杆筒(9)外壁、杆筒活塞(8)上方与缸筒(3)内壁之间形成环形油腔(c)，所述杆筒活塞(8)下方、杆筒(9)外壁、缸筒(3)内壁与缸筒(3)内底部之间形成缸筒反压气室(e)，所述杆筒(9)内无杆腔为杆筒正压气室(f)，有杆腔为杆筒油室(d)，所述杆筒反压油气混合室(b)分别通过至少一个单向阀(6)和至少一个阻尼孔(15)与环形油腔(c)连通，所述环形油腔(c)通过油孔与杆筒油室(d)连通，所述杆筒反压油气混合室(b)内设有改变阻尼孔导通率的上针阀，所述环形油腔(c)内设有改变阻尼孔导通率的下针阀，所述上针阀通过缸筒正压气室(a)的压力控制，所述下针阀通过缸筒反压气室(e)的压力控制。...

【技术特征摘要】
1.一种多工况阻尼自适应油气弹簧，其特征在于：包括缸筒(3)，所述缸筒(3)内固定有拉杆(7)，所述拉杆(7)的上端固定在缸筒(3)顶部，下端固定有拉杆活塞(10)，所述拉杆活塞(10)设置在杆筒(9)内形成第一活塞结构，所述杆筒(9)的上端连接有缸筒活塞(4)，所述缸筒活塞(4)的下端面将杆筒(9)上端开口密封，所述杆筒(9)、缸筒活塞(4)与缸筒(3)形成第二活塞结构，所述杆筒(9)外壁上还设有杆筒活塞(8)，所述杆筒(9)、杆筒活塞(8)与缸筒(3)形成第三活塞结构，所述缸筒活塞(4)上方、缸筒(3)内壁与缸筒(3)内顶部之间形成缸筒正压气室(a)，所述缸筒活塞(4)中部设有环形凹槽，所述环形凹槽与缸筒(3)内壁之间形成杆筒反压油气混合室(b)，所述缸筒活塞(4)下方、杆筒(9)外壁、杆筒活塞(8)上方与缸筒(3)内壁之间形成环形油腔(c)，所述杆筒活塞(8)下方、杆筒(9)外壁、缸筒(3)内壁与缸筒(3)内底部之间形成缸筒反压气室(e)，所述杆筒(9)内无杆腔为杆筒正压气室(f)，有杆腔为杆筒油室(d)，所述杆筒反压油气混合室(b)分别通过至少一个单向阀(6)和至少一个阻尼孔(15)与环形油腔(c)连通，所述环形油腔(c)通过油孔与杆筒油室(d)连通，所述杆筒反压油气混合室(b)内设有改变阻尼孔导通率的上针阀，所述环形油腔(c)内设有改变阻尼孔导通率的下针阀，所述上针阀通过缸筒正压气室(a)的压力控制，所述下针阀通过缸筒反压气室(e)的压力控制。2.根据权利要求1所述的多工况阻尼自适应油气弹簧，其特征在于：所述杆筒正压气室(f)设有与外界连通的第一充气孔(11)，所述缸筒反压气室(e)设有与外界连通的第二充气孔(12)，所述缸筒正压气室(a)与外界连通的第三充气孔(21)，所述第一充气孔(11)、第二充气孔(12)和第三充气孔(21)上均安装有阀门，所述杆筒反压油气混合室(b)上设有与外界连通的充油充气孔(17)，所述充油充气孔设有充油充气阀门(18)。3.根据权利要求2所述的多工况阻尼自适应油气弹簧，其特征在于：所述缸筒活塞(4)与杆筒(9)通过螺栓固定连接，所述缸筒(3)的顶部通过端盖(1)密封，所述端盖(1)通过螺栓密封固定在缸筒(3)上。4.根据权利要求1至3之一所述的多工况阻尼自适应油气弹簧，其特征在于：所述上针阀和下针阀结构相同，所述上针阀包括与阻尼孔大小相匹配的上油针，所述下针阀包括与阻尼孔大小相匹配的下油针，所述上油针和下油针分别通过回位弹簧分别安装在缸筒活塞和杆筒活塞的阶梯孔内，所述上油针和下油针的尖端分别设置在杆筒反压油气混合室(b)和环形油腔(c)内，并且相对设置在阻尼孔的两端，所述上油针和下油针的平顶端分别与缸筒正压气室(a)和缸筒反压气室(e)连通并且通过挡圈限位，所述回程弹簧在初始状态时将上油针和下油针的平顶端紧压在挡圈上。5.根据权利要求4所述的多工况阻尼自适应油气弹簧，其特征在于：所述单向阀(6)...

【专利技术属性】
技术研发人员：张沙，谷正气，胡洪波，庄晓东，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43