附加刚度阻尼可调的二级减振液电式主动悬架及工作方法

技术领域

本发明属于汽车悬架领域，涉及刚度阻尼可调的主动悬架结构及其工作方法，对汽车实现主动减振。

背景技术

主动悬架在汽车减振方面有着巨大的优势，它可以根据汽车的行驶工况调节主动力作动器的输出力，从而兼顾汽车的平顺性和操纵稳定性。目前主动力作动器有直线电机式、液压式、旋转电机式等几类。直线电机式的结构最为简单，能量转化效率也最高，但其缺点是持续输出力密度小。液压式作动器通常分为流量调节式与压力调节式，需要外界动力源，因此体积较大且能量消耗较高。旋转电机式作动器主要采用滚珠丝杠、齿轮齿条、液压油缸（液压马达或泵）等机构，实现直线与旋转运动转换，并放大作动器电动控制力，但同时也放大了它的等效惯性质量。为了缓解采用滚珠丝杠的旋转电机式作动器等效惯性质量过大的问题，中国专利申请为201810431437.9、名称为“一种采用与主动力作动器同轴心橡胶弹簧的主动悬架”的文献中提出的主动悬架在主动力作动器下部同轴串联一个橡胶衬套弹簧，构成一种二级减振旋转电机式主动悬架结构方案，但是由于衬套弹簧动挠度需要满足橡胶压缩的安全阈值，所以要预留出一定的衬套弹簧压缩安全距离，导致衬套弹簧较大，进而要车身与车轮之间有更大的悬架安装空间，此外附加橡胶衬套弹簧的阻尼刚度固定不变，对汽车行驶工况适应性不甚理想。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述主动悬架在主动力作动器下部同轴串联一个橡胶衬套弹簧后存在的诸多问题，提出了一种附加刚度阻尼可调的二级减振液电式主动悬架，同时提出该主动悬架的工作方法，采用油气弹簧作为附加减振机构串联主动力作动器，使附加刚度阻尼可调，提高了汽车行驶工况的适应性，同时不影响车身与车轮之间的距离空间。

本发明所述的附加刚度阻尼可调的二级减振液电式主动悬架采用的技术方案是：其由主动力作动器和螺旋弹簧构成的一级减振结构以及阻尼刚度可调的二级减振结构组成，所述的主动力作动器包括作动器液压缸、补油蓄能器、液压泵/马达以及电动/发电机，所述的二级减振结构包括弹簧液压缸、可调节流阀、弹簧蓄能器、电磁阀以及储气罐；作动器液压缸垂直布置且内部设有第一活塞，第一活塞将作动器液压缸内部分为上下两个密封的油腔，作动器液压缸的上油腔通过第一油路连接液压泵/马达的一个进出油口，液压泵/马达的另一个进出油口通过第二油路连接至作动器液压缸的下油腔，第二油路还连接补油蓄能器，液压泵/马达的输入轴与电动/发电机的输出轴联结，第一活塞的中心固定连接第一活塞杆下端，第一活塞杆从作动器液压缸内垂直向上伸出后与车身下部固定连接，车身与作动器液压缸之间的第一活塞杆外部同轴套有螺旋弹簧；作动器液压缸的缸体下端同轴心固定连接弹簧液压缸缸体上端，弹簧液压缸的内部设有第二活塞，第二活塞将弹簧液压缸内部分为上油腔和下气腔两个密封的腔室，第二活塞的中心固定连接第二活塞杆上端，第二活塞杆垂直向下从弹簧液压缸内部向外伸出后固定车轮，弹簧液压缸的上油腔通过油路经可调节流阀连接弹簧蓄能器的下部油腔，弹簧蓄能器的上部气腔通过气路经电磁阀连接储气罐，弹簧液压缸的下气腔与大气相通。

本发明所述的附加刚度阻尼可调的二级减振液电式主动悬架的工作方法采用的技术方案是包括以下步骤：

步骤A：当汽车载荷大于或等于设定的满载质量一半时，电磁阀关闭，可调节流阀在设定的大流通开度状态，汽车行驶后且车轮向上振动，压缩弹簧液压缸内上油腔的液压油经可调节流阀流向弹簧蓄能器的下部油腔中，弹簧蓄能器上部气腔内的气体被压缩，同时弹簧液压缸内的液压油向上推动弹簧液压缸缸体及作动器液压缸缸体向上运动，螺旋弹簧将运动传递给车身，同时第一活塞杆向下推动第一活塞，作动器液压缸下油腔内的液压油流向其上油腔，进入补油蓄能器储存；

步骤B：当汽车载荷大于或等于设定的满载质量一半时，电磁阀关闭，可调节流阀在设定的大流通开度状态，汽车行驶后且车轮向下时，弹簧液压缸的上油腔容积变大，弹簧蓄能器下油腔内的一部分液压油流入弹簧液压缸上油腔，弹簧液压缸缸体及作动器液压缸缸体向下运动，带动车身向下运动，同时作动器液压缸上油腔内的液压油被压缩流向其下油腔；

步骤C：当汽车载荷小于设定的满载质量的一半时，电磁阀接通，可调节流阀在设定的小流通开度状态，汽车行驶后，当弹簧液压缸上油腔的容积改变时，弹簧蓄能器上气腔的压力变化变小。

本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：

1、采用的油气弹簧不仅是作为附加的减振机构，而且具有连接的功能，因此当主动力作动器串联油气弹簧时，使悬架除了具有主动力作动器和螺旋弹簧形成的一级减振外，还具有由油气弹簧形成的第二级减振，因此可有效地减小一级减振结构等效惯性质量的伴生惯性力。

2、与所述的专利申请为201810431437.9文献中提出的二级减振主动悬架相比，本发明中的油气弹簧式二级减振结构无需考虑常规螺旋弹簧或橡胶弹簧的安全压缩限制，从而缩小了其安装在车身和车轮之间的尺寸。

3、本发明可以根据汽车载荷状态，很方便地调节可调节流阀和电磁阀的工作状态，从而改变二级减振的结构刚度及阻尼，对汽车装载工况具有更好的减振功能且改善其适应性。

附图说明

图1是本发明所述的附加刚度阻尼可调的二级减振液电式主动悬架的结构示意图；

图中：1. 车身；2. 螺旋弹簧；3. 第一油路；4. 液压泵/马达；5. 电动/发电机；6.第二油路；7. 补油蓄能器；8. 弹簧液压缸；9. 通气口；10. 车轮；11. 第二活塞杆；12. 第二活塞；13. 可调节流阀；14. 弹簧蓄能器；15. 储气罐；16．电磁阀；17．作动器液压缸；18.第一活塞；19．第一活塞杆；20. 螺旋弹簧。

具体实施方式

如图1所示，规定本发明的方位是：车轮10在“下方”，车身1在“上方”。

本发明所述的附加刚度阻尼可调的二级减振液电式主动悬架安装在车轮10和其上方的车身1之间，由主动力作动器和螺旋弹簧20构成的一级减振结构以及阻尼刚度可调的二级减振结构组成，其中，主动力作动器包括作动器液压缸17、补油蓄能器7、液压泵/马达4以及电动/发电机5；二级减振结构包括弹簧液压缸8、可调节流阀13、弹簧蓄能器14、电磁阀16以及储气罐15。

作动器液压缸17垂直布置，其内部设有第一活塞18，被第一活塞18分为上下两个密封的油腔，油腔内是液压油。第一活塞18在作动器液压缸17内能上下运动。作动器液压缸17的上油腔通过第一油路3连接至液压泵/马达4的一个进出油口，液压泵/马达4的另一个进出油口通过第二油路6连接至作动器液压缸17的下油腔，第二油路6上另外还连接补油蓄能器7，液压泵/马达4的输入轴与电动/发电机5的输出轴通过联轴器联结。液压泵/马达4、电动/发电机5和补油蓄能器7均位于作动器液压缸17外部的旁侧。第一活塞18的中心固定连接第一活塞杆19的下端，第一活塞杆19从作动器液压缸17的内垂直向上伸出作动器液压缸17外，延伸至车身1并且与车身1下部固定连接。在车身1与作动器液压缸17之间的第一活塞杆19外部同轴套有螺旋弹簧20。螺旋弹簧20的上下端各连接一个弹簧安装座2，上方的弹簧安装座2套在第一活塞杆19外且固定连接安装在车身1的下部，下方的弹簧安装座2固定连接在作动器液压缸17的缸体上端面上。第一活塞18、螺旋弹簧20、第一活塞杆19和作动器液压缸17四者之间具有相同的中心轴。

作动器液压缸17的缸体下端固定连接弹簧液压缸8的缸体上端，两者同轴固定连接，可将作动器液压缸17缸体下端面与弹簧液压缸8的缸体上端面共用，做成一体式。

弹簧液压缸8的内部设有第二活塞12，弹簧液压缸8被第二活塞12分为上油腔和下气腔两个密封的腔室，上油腔内是液压油，下气腔内是气体。第二活塞12能沿弹簧液压缸8上下运动。第二活塞12的中心固定连接第二活塞杆11的上端，第二活塞杆11垂直向下从弹簧液压缸8内部向外伸出后固定车轮10的中心，车轮10在地面上滚动。弹簧液压缸8的上油腔通过油路经可调节流阀13连接至弹簧蓄能器14的下部油腔，弹簧蓄能器14的上部气腔通过气路经电磁阀16连接至储气罐15。同时，在弹簧液压缸8的下气腔侧壁上开有通气口9，通过通气口9与外部大气相通。

电磁阀16是一种二位二通电磁阀，液压泵/马达4采用双向齿轮泵，电动/发电机5的转子轴与液压泵/马达4的驱动轴连接，电动/发电机5采用永磁同步电机，电动/发电机5的绕组与电力电子系统连接。弹簧液压缸8的上下垂直高度是作动器液压缸17上下垂直高度的一半。

补油蓄能器7与弹簧蓄能器14是囊式蓄能器，通过气囊将气体与油液隔离，气囊内充有一定压力的惰性气体，如氮气等。弹簧蓄能器14的上部是气腔，气腔通过气口与电磁阀16连接，下部是油室，通过可调节流阀13和弹簧液压缸8的上油腔相通。电磁阀16的另一个气口与储气罐15连接，并且弹簧蓄能器14与储气罐15并排布置。

主动力作动器及螺旋弹簧20构成的一级减振结构，连接于车身1之下；弹簧液压缸8、可调节流阀13、弹簧蓄能器14、电磁阀16、储气罐15及相关连接油路组成一个刚度和阻尼可调的油气弹簧，形成二级减振结构，连接于车轮10之上并且在一级减振结构之下。

工作时，当汽车载荷大于或等于设定的满载质量一半时，控制电磁阀16在关闭状态，可调节流阀13在设定的大流通的开度状态，此时，若汽车静止不动，车身10通过螺旋弹簧20在垂直方向上支持在作动器液压缸17的缸体上，通过与作动器液压缸17缸体同轴心固定连接弹簧液压缸8缸体经弹簧液压缸8内的液压油、第二活塞12及第二活塞杆11支撑在路面之上的车轮10上，由作动器液压缸17上油腔、第一油路3、液压泵/马达4、第二油路6、补油蓄能器7、作动器液压缸17下油腔成的作动器工作油路内没有液压油流动，这样，第一活塞18处于禁止状态，同时，由弹簧液压缸8的上油腔、可调节流阀13、弹簧蓄能器14下油腔及相关油路组成的二级减振工作油路的液压油压力与弹簧蓄能器14的上气腔内的气体压力平衡，使得二级减振工作油路内没有液压油流动，弹簧液压缸8内和弹簧蓄能器14的气腔内气体压力相同。

在汽车载荷大于或等于设定的满载质量一半，关闭电磁阀16，可调节流阀13在大流通的开度状态。此时，当汽车行驶时，不平路面导致车轮10振动，该振动由经第二活塞杆11、第二活塞12、弹簧液压缸8内的液压油、弹簧液压缸8的缸体、作动器液压缸17缸体与螺旋弹簧20和第一活塞18及第一活塞杆19传递至车身1。

汽车行驶时的车轮10开始向上振动的瞬间，车身1还来不及运动，车轮10向上，带动第二活塞杆11、第二活塞12向上运动，通过第二活塞杆11、第二活塞12压缩弹簧液压缸8内上油腔的液压油，弹簧液压缸8内的一部分液压油经可调节流阀13流向弹簧蓄能器14的下部油腔中，带动弹簧蓄能器14上部气腔内的气体被压缩及压力升高；同时，与弹簧蓄能器14上气腔内的气体压力同步升高的弹簧液压缸8内的液压油压力打破整个悬架系统的平衡，向上推动弹簧液压缸8缸体及作动器液压缸17缸体向上运动，这与没有二级减振的直接将车轮10连接至作动器液压缸17缸体的仅有一级减振结构的液电式主动悬架相比，由于弹簧液压缸8内的液压油经调节流阀13流向弹簧蓄能器14，导致车轮10输入给作动器液压缸17缸体包括位移、速度及加速度的振动输入被衰减了，减小了由电动/发电机5及液压泵/马达4的转动部件产生的主动力作动器等效惯性质量伴生的惯性力，进而达到降低主动力作动器的需求控制力的效果。作动器液压缸17缸体向上运动，螺旋弹簧20向上压缩，压缩的螺旋弹簧20将运动传递给车身1，同时，第一活塞杆19向下推动第一活塞18，使得作动器液压缸17下油腔内的液压油被压缩产生压力，导致作动器液压缸17下油腔内的液压油经第二油路6、液压泵/马达4、第一油路3流向作动器液压缸17的上油腔，由于第一活塞杆19存在导致作动器液压缸17上下油腔存有截面积上小下大，使一部分液压油进入补油蓄能器7储存起来。如果车身1的当前减振需要是延缓螺旋弹簧20被压缩的速度，即当需要提供半主动控制力时，控制电动/发电机5处于发电工作状态，作动器液压缸17下油腔流向上油腔的液压油则带动液压泵/马达4转动，进而驱动电动/发电机5发电，同时延缓第一活塞杆19向上运动及螺旋弹簧20被压缩的速度，实现对车身1进行半主动一级减振。如果车身1的当前减振需要是加速螺旋弹簧20被压缩的速度，当需要提供主动控制力时，控制电动/发电机5处于电动工作状态，电动/发电机5驱动液压泵/马达4工作，则作动器液压缸17下油腔液压油流向上油腔，则加快第一活塞杆19向上运动及螺旋弹簧20被压缩的速度，实现对车身1进行主动一级减振。

汽车行驶时的车轮10开始向下振动的瞬间，车身1还来不及运动，车轮10通过第二活塞杆11带动第二活塞12向下运动，使得弹簧液压缸8的上油腔容积变大，弹簧蓄能器14下油腔内的一部分液压油经可调节流阀13流入弹簧液压缸8的上油腔，弹簧蓄能器14上气腔内的气体压力降低，与弹簧蓄能器14气腔内气体压力同步降低的弹簧液压缸8内上油腔内的液压油压力打破了整个悬架系统的平衡，使得弹簧液压缸8缸体及作动器液压缸17缸体向下运动，这与没有二级减振的直接将车轮10连接至作动器液压缸17缸体的仅有一级减振结构的液电式主动悬架相比，由于弹簧蓄能器14下油腔内的一部分液压油经可调节流阀13流向弹簧液压缸8上油腔内，延缓了弹簧液压缸8缸体及作动器液压缸17缸体向下的振动，导致作动器液压缸17缸体包括位移、速度及加速度振动输入被衰减，减小了由电动/发电机5及液压泵/马达4的转动部件产生的主动力作动器等效惯性质量伴生的惯性力，进而达到降低主动力作动器的需求控制力的效果。在作动器液压缸17缸体向下运动时，向下拉伸螺旋弹簧20，进而带动车身1向下运动，同时使得作动器液压缸17上油腔内的液压油被压缩产生压力，导作动器液压缸17上油腔内的液压油经第一油路3、液压泵/马达4、第二油路6流向作动器液压缸17下油腔，同时一部分液压油从补油蓄能器7流向作动器液压缸17的下油腔。此时，如果车身1的当前减振需要的是延缓螺旋弹簧20舒张的速度，即当需要提供半主动控制力，便控制电动/发电机5处于发电工作状态，作动器液压缸17上油腔流向下油腔的液压油带动液压泵/马达4转动，进而驱动电动/发电机5发电，同时延缓第一活塞杆19向下运动及螺旋弹簧20的舒张速度，实现对车身1进行半主动一级减振。如果车身1的当前减振需要的是加速螺旋弹簧20的舒张速度，即当需要提供主动控制力时，则控制电动/发电机5处于电动工作状态，驱动液压泵/马达4工作，带动作动器液压缸17上油腔液压油流向下油腔，同时，加快了第一活塞杆19向下的运动以及螺旋弹簧20的舒张速度，实现对车身1进行主动一级减振。

如果汽车载荷小于设定的满载质量的一半，则控制电磁阀16在接通状态，可调节流阀13在设定的小流通开度状态，车轮10在路面不平度的作用下，工作过程与上述的当汽车载荷大于或等于设定的满载质量一半时的工作过程雷同，但唯一的不同之处：由于电磁阀16处于接通状态，弹簧蓄能器14和储气罐15接通，当弹簧液压缸8上油腔的容积改变时，弹簧蓄能器14上气腔的压力变化变小，即减小二级减振结构刚度，降低了车轮10振动的固有频率；同时，由于可调节流阀13处于小流通开度的状态，增加了弹簧液压缸8上油腔及弹簧蓄能器14油腔间的阻尼力，即增大了二级减振结构阻尼，提高车轮10振动的阻尼比，与控制电磁阀16和可调节流阀13处于名义工作状态相比，实现减小车轮10的高频振动强度，即有利于二级减振主动悬架降低车身1的振动强度。

为确定本发明中二级减振液电式主动悬架的一级减振弹簧刚度及二级减振阻尼、弹簧蓄能器的体积及充气压力、储气罐体积，采用中国专利申请号为201810431986.6、名称为“二级减振式主动悬架的结构与控制参数协调设计方法”的文献中的方法确定。具体为以下三步：第一步：在汽车满载工况下确定一级减振弹簧刚度及满载工况下的二级减振阻尼、满载工况下二级减振刚度系数，然后根据蓄能器设计方法确定弹簧蓄能器14的体积及充气压力。第二步：在汽车空载工况下，维持第一步确定的一级减振弹簧刚度不变，再确定空载工况下的二级减振阻尼、空载工况下二级减振刚度系数，然后根据蓄能器设计方法在维持弹簧蓄能器14体积及充气压力不变时确定储气罐15体积。第三步：当汽车总质量接近满载质量时，二级减振阻尼选为第一步满载工况下的确定值，并控制电磁阀16切断关闭弹簧蓄能器14与储气罐15的气体流通；当汽车总质量接近空载质量时，二级减振阻尼选为第二步空载工况下的确定值，并控制电磁阀16维持弹簧蓄能器14与储气罐15间的气体流通。