CN104214295A - 用于汽车悬架的新型惯性元装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种惯容器装置，具体涉及一种用于汽车悬架的新型惯性元装置，包括丝杠，丝杠两端设为光滑结构，中间部分设置螺纹滚道，丝杠一端端部设置吊耳A，丝杠螺纹滚道部分伸入行程室外壳内部，行程室外壳一端端面固定端盖，另一端端面设置吊耳B，行程室外壳内固定滚珠丝杠副，滚珠丝杠副包括螺纹滚道、螺母A、螺母垫片和螺母B，螺母A和螺母B与螺纹滚道之间设置滚珠，螺母垫片设置在螺母A和螺母B之间，轴承A、B分别设置在螺母A、B外周，并与行程室外壳内壁相接触，端盖中心通孔，螺母A一端穿过该通孔固定飞轮。本发明运动摩擦力小，采用滚珠丝杠副，并通过预紧补偿滚珠丝杠副的间隙，消除相位滞后、冲击及噪声问题。

Description

用于汽车悬架的新型惯性元装置

技术领域

本发明涉及一种惯容器装置，具体涉及一种用于汽车悬架的新型惯性元装置。

背景技术

在驾驶汽车的过程中，汽车平顺性和操纵稳定性是给予驾乘人员直接感受的两个非常关键的性能，而悬架作为底盘的核心部件之一深刻地影响着汽车的平顺性和操纵稳定性。目前悬架技术的发展已经比较成熟，但仍然存在一些问题。

传统的悬架主要为被动悬架，尽管各种悬架的结构形式有多种多样，但减振元件、弹性元件和导向机构是悬架的三个主要组成部分。这种传统悬架比较可靠，具有固定的弹簧刚度和减震器阻尼，但该种悬架汽车平顺性和操纵稳定性是一对矛盾，设计目标悬架需要对该矛盾进行折衷，因此悬架总体性能有限。随着电子和控制等技术的发展，出现了可以通过传感器感知车辆行驶状况，来控制可调节刚度的弹簧元件和阻尼元件以改善悬架性能的半主动悬架；以及在悬架中再加入作动器，可以实现更多的悬架性能调控的主动悬架。由于主动悬架成本高昂，结构复杂，可靠性不如被动悬架，而且控制的实现环节过多，导致可控悬架的实际效果常常有不理想的情况，因此一直未出现较好的主动或者半主动悬架大规模应用车辆的情况。

2001年Smith发明了惯性元(Inerter)机械装置，该元件的动态特性对应相似与电子网络中的电容元件，和弹簧元件对应相似于电阻元件以及阻尼元件对应相似于电感元件，共同实现了机械网络与电子网络的完全相似对应。故将该惯性元元件添加进传统的“弹簧—阻尼”悬架***而构成新型的“惯性元—弹簧—阻尼(Inerter，Spring，Damper---ISD)”悬架***，可以充分利用业已成熟的电子网络技术，拓展了悬架技术的发展空间，新的“惯性元—弹簧—阻尼”结构实现了悬架结构上的创新，该三种元件结构可以形式多样化，为研究提高悬架隔振性能开拓了广阔的空间。

目前惯性元主要分为平动型和转动型两类，常用平动型惯性元有4类型：齿轮齿条式惯性元、滚珠丝杠式惯性元、杠杆质量式惯性元和液压液力式惯性元。在汽车悬架隔振领域，实际惯性元特性与理想惯性元特性接近程度方面，齿轮齿条式惯性元属于第一代惯性元。该惯性元的优点是，结构易于设计，承载能力也较大；其缺点是齿轮啮合传动的摩擦力偏大和齿间存在间隙，因此齿轮齿条式惯性元高速运动时会出现相位的滞后等迟滞现象，还有齿轮传动冲击力和噪声过大。若将齿轮间和齿条的中心距调小以减小齿间间隙，则会进一步增大齿间传动的摩擦力。

目前，性能较好的第二代惯性元技术是滚珠丝杠式惯性元，申请号为2010240715.X中国专利公开了一种滚珠丝杠式惯容器力学性能的仿真方法，但是目前国内还没有滚珠丝杠式惯性元结构方面的专利。

发明内容

为克服上述技术中的不足，本发明的目的在于：提供一种用于汽车悬架的新型惯性元装置，运动摩擦力小，采用滚珠丝杠副，并通过预紧结构补偿滚珠丝杠副间隙，消除相位滞后、冲击及噪声问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

所述用于汽车悬架的新型惯性元装置，包括吊耳、丝杠、飞轮、端盖、滚珠丝杠副和行程室外壳，丝杠两端设为光滑结构，中间部分设置螺纹滚道，丝杠一端端部设置吊耳A，丝杠螺纹滚道部分伸入行程室外壳内部，行程室外壳一端为圆筒形，其端面固定端盖，另一端设为锥筒形，其端面设置吊耳B，吊耳B与行程室外壳为一体结构，行程室外壳设为圆筒形的部分固定滚珠丝杠副，滚珠丝杠副包括螺纹滚道、螺母A、螺母垫片和螺母B，螺母A和螺母B与螺纹滚道之间设置滚珠，螺母垫片设置在螺母A和螺母B之间，轴承A和轴承B分别设置在螺母A和螺母B外周，与行程室外壳内壁相接触，端盖中心设有与螺母A外径相同的通孔，螺母A一端穿过端盖固定飞轮，飞轮同时设置在丝杠上。

本发明实质为一种滚珠丝杠式惯性元，具体地说，是一种丝杠直线运动带动丝杠螺母旋转，进而带动飞轮旋转的滚珠丝杠式惯性元。当作用于吊耳A和吊耳B两端等大反向的作用力F时，A、B两点产生相对的直线运动，因此丝杠的直线运动可以带动螺母A、B旋转，从而驱动了安装在螺母A上的飞轮旋转。飞轮设置在端盖外，其形状和质量就不会受到传统结构中飞轮室的空间限制，设计比较灵活，另外，除飞轮外的旋转质量由螺母和轴承内圈两部分组成，相对于丝杠旋转质量更小，更接近理想惯性元装置。

在不考虑除飞轮外运动部件的质量和丝杠副的摩擦情况下，即理想的惯性元装置，有如下的动力学公式

$f=b\frac{d({\mathrm{\υ}}_2-{\mathrm{\υ}}_1)}{\mathrm{dt}}$

式中，f为作用在两端点的等值反向的力，υ₁和υ₂为两端点的速度，b为惯性系数，单位为kg。

滚珠丝杠式惯性元惯性系数公式为：

$b=m_w{\left(\frac{\mathrm{\π}\·r_w}{P}\right)}^2$

其中，m_w为飞轮质量，r_w为飞轮半径和P为滚珠丝杠副螺距，为实现最优设计，三者的确定需要综合考虑惯性元的整体情况。

滚珠丝杠副工作承受的工作载荷会使得丝杠副接触区产生间隙，另外安装及制造的误差也会产生间隙。惯性元需要做往复运动，为了提高丝杠副的传动精度和降低冲击噪声和冲击力，需要采取一定的措施来消除间隙。因为本发明中螺母安装尺寸较小，为制造和安装方便，选用双螺母垫片预紧结构，通过在两个螺母之间放不同厚度的垫片，使得垫片左右螺母被压紧，达到预紧消隙的作用，其预紧力调整方便，预紧力稳定可靠。

行程室外壳设置为锥筒形的一段为预留空间，其作用是，当本发明在平衡位置之外，还需要承受静载荷和动载荷时，可以保证丝杠有足够的运动空间。

滚珠丝杠副的传动工作原理就是利用滚珠在螺旋滚道中的滚动来实现丝杠和螺母相对滚动摩擦的运动。在一定的滚珠数目下为了保证滚珠能够在滚道中持续不断地参加工作，使得滚珠在运动到滚道终点时能够返回到滚道起点重复工作，需要在螺母零件中加工滚珠返回通道或者加装滚珠循环部件。按照滚珠和丝杠表面的接触情况，分为滚珠内循环和外循环两种装置。本发明中滚珠丝杠副主要需求中、高等精度和中、小导程，要求螺母安装尺寸不能过大，制造工艺相对简单，所以，优选内循环式滚珠丝杠副。丝杠运转过程中，滚珠永不脱离于丝杠螺纹滚道，因为反向路程比较短且滚珠个数少，使得运动流畅，不易磨损，传动的效率高。

所述轴承A和轴承B均为角接触球轴承，两者采用面对面成对双联布置，为满足滚珠丝杠副将直线运动转换为旋转运动的需求，轴承需要同时承受轴向载荷和径向载荷，因此，选用轴承A和轴承B为相同规格的角接触球轴承，采用面对面成对双联布置。按照机械设计标准，由于单列角接触球轴承只能承受单方向轴向载荷，因此，轴承采用成对安装。轴承钢球与内圈、外圈的接触角有15°、25°、40°，其接触角越大，轴向载荷的承受力就越大。接触角越小，则有利于高速旋转，因此采用15°的接触角即可满足要求。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采用滚珠丝杠副，并通过双螺母垫片预紧结构消除丝杠副接触区间隙，预紧力调整方便，预紧力稳定可靠，从根源上消除齿轮齿条式惯性元相位滞后、冲击及噪声问题，通过丝杠的直线运动带动丝杠上的螺母旋转，进而带动飞轮旋转，飞轮设置在端盖外，其形状和质量就不会受到传统结构中飞轮室的空间限制，设计比较灵活，另外，除飞轮外的旋转质量由螺母和轴承内圈两部分组成，相对于丝杠旋转质量更小，更接近理想惯性元装置。滚珠丝杠副采用内循环式，丝杠运转过程中，滚珠永不脱离于丝杠螺纹滚道，因为反向路程比较短且滚珠个数少，使得运动流畅，不易磨损，传动效率高；为满足滚珠丝杠副将直线运动转换为旋转运动的需求，轴承需要同时承受轴向载荷和径向载荷，轴承A和轴承B采用面对面成对双联布置的角接触球轴承，接触角15°，有利于高速旋转轴承高速旋转。

附图说明

图1本发明结构拆分图。

图2本发明装配体正视图。

图3实施例2所述新悬架结构示意图。

图4半车悬架Matlab模型的前轮胎动载荷频率响应特性。

图5半车悬架Matlab模型的车身质心垂直加速度频率响应特性。

图中：1、吊耳A；2、丝杠；3、飞轮；4、端盖；5、轴承A；6、螺母A；7、螺母垫片；8、螺母B；9、轴承B；10、行程室外壳；11、吊耳B；12、行程室；13、螺纹滚道；14、弹簧；15、惯性元；16、阻尼。

具体实施方式

下面结附图说明对本发明实施例做进一步说明：

如图1所示，本发明所述用于汽车悬架的新型惯性元装置，包括吊耳、丝杠2、飞轮3、端盖4、滚珠丝杠副和行程室外壳10，丝杠2两端设为光滑结构，中间部分设置螺纹滚道13，丝杠2一端端部设置吊耳A1，丝杠2螺纹滚道部分伸入行程室外壳10内部，行程室外壳10一端为圆筒形，其端面固定端盖4，另一端设为锥筒形，其端面设置吊耳B11，吊耳B11与行程室外壳10为一体结构，行程室外壳10设为圆筒形的部分固定滚珠丝杠副，滚珠丝杠副包括螺纹滚道、螺母A、螺母垫片和螺母B，螺母A和螺母B与螺纹滚道13之间设置滚珠，螺母垫片7设置在螺母A6和螺母B8之间，轴承A5和轴承B9分别设置在螺母A6和螺母B8外周，与行程室外壳10内壁相接触，端盖4中心设有与螺母A6外径相同的通孔，螺母A6一端穿过端盖4固定飞轮3，飞轮3同时设置在丝杠2上。

本发明实质为一种滚珠丝杠式惯性元，具体地说，是一种丝杠2直线运动带动丝杠螺母旋转，进而带动飞轮3旋转的滚珠丝杠式惯性元。当作用于吊耳A1和吊耳B11两端等大反向的作用力F时，A、B两点产生相对的直线运动，因此丝杠2的直线运动可以带动螺母A6、螺母B8旋转，从而驱动了安装在螺母A6上的飞轮3旋转。飞轮3设置在端盖4外，其形状和质量就不会受到传统结构中飞轮室的空间限制，设计比较灵活，另外，除飞轮3外的旋转质量由螺母和轴承内圈两部分组成，相对于丝杠2旋转质量更小，更接近理想惯性元装置。

在不考虑除飞轮3外运动部件的质量和丝杠副的摩擦情况下，即理想的惯性元装置，有如下的动力学公式

$f=b\frac{d({\mathrm{\υ}}_2-{\mathrm{\υ}}_1)}{\mathrm{dt}}$

式中，f为作用在两端点的等值反向的力，υ₁和υ₂为两端点的速度，b为惯性系数，单位为kg。

滚珠丝杠式惯性元惯性系数公式为：

$b=m_w{\left(\frac{\mathrm{\π}\·r_w}{P}\right)}^2$

其中，m_w为飞轮3质量，r_w为飞轮3半径和P为滚珠丝杠副螺距，为实现最优设计，三者的确定需要综合考虑惯性元的整体情况。

滚珠丝杠副工作承受的工作载荷会使得丝杠副接触区产生间隙，另外安装及制造的误差也会产生间隙。惯性元需要做往复运动，为了提高丝杠副的传动精度和降低冲击噪声和冲击力，需要采取一定的措施来消除间隙。因为本发明中螺母安装尺寸较小，为制造和安装方便，选用双螺母垫片预紧结构，通过在螺母A6和螺母B8之间放不同厚度的螺母垫片7，使得螺母垫片7左右两侧的螺母A和螺母B被压紧，达到预紧消隙的作用，其预紧力调整方便，预紧力稳定可靠。

行程室外壳10设置为锥筒形的一段为预留空间，其作用是，当本发明在平衡位置之外，还需要承受静载荷和动载荷时，可以保证丝杠2有足够的运动空间。根据半车模型，进行路面激励的仿真结果，可以得到惯性元装置的最大行程为48.9mm，在乘以固定的安全系数n为2，本实施例中行程室11预留空间长度为97.8mm，行程室外壳10长为190mm，行程室外壳长度＝吊耳B长度+行程室预留空间长度+螺母A长度+螺母B长度+垫片长度。

滚珠丝杠副的传动工作原理就是利用滚珠在螺旋滚道中的滚动来实现丝杠和螺母相对滚动摩擦的运动。在一定的滚珠数目下为了保证滚珠能够在滚道中持续不断地参加工作，使得滚珠在运动到滚道终点时能够返回到滚道起点重复工作，需要在螺母零件中加工滚珠返回通道或者加装滚珠循环部件。按照滚珠和丝杠表面的接触情况，分为滚珠内循环和外循环两种装置。本发明中滚珠丝杠副主要需求中、高等精度和中、小导程，要求螺母安装尺寸不能过大，制造工艺相对简单，所以选用内循环式滚珠丝杠副。丝杠2运转过程中，滚珠永不脱离于丝杠螺纹滚道，因为反向路程比较短且滚珠个数少，使得运动流畅，不易磨损，传动的效率高。表1为滚珠丝杠副各设计参数值。

表1

所述轴承A6和轴承B8均为角接触球轴承，两者采用面对面成对双联布置，为满足滚珠丝杠副将直线运动转换为旋转运动的需求，轴承需要同时承受轴向载荷和径向载荷，因此，选用轴承A6和轴承B8为相同规格的角接触球轴承，采用面对面成对双联布置。按照机械设计标准，由于单列角接触球轴承只能承受单方向轴向载荷，因此，轴承采用成对安装。轴承钢球与内圈、外圈的接触角有15°、25°、40°，其接触角越大，轴向载荷的承受力就越大。接触角越小，则有利于高速旋转，因此采用15°的接触角即可满足要求，按照惯性元装置的性能要求和轴承制造工业标准，该轴承尺寸设计为：内径d为35mm，外径D为62mm，宽B为mm。

实施例2：

将实施例1中所述的用于汽车悬架的新型惯性元装置添加进传统的“弹簧—阻尼”悬架中，得到新的“惯性元—弹簧—阻尼”悬架结构，如图3所示，惯性元15、弹簧14和阻尼16三者直接并联后再串联弹簧14和阻尼16的并联结构，之所以如此设计，是因为弹簧和阻尼组成的传统悬架***可以起到过滤高频振动的作用，而弹簧、惯性元和阻尼三者的***可以过滤到低频振动；因此两个***再串联，就可以起到既隔离低频振动又隔离高频振动的作用，提高了汽车的舒适性和操纵稳定性。新悬架结构的动态特性经过Matlab的仿真和计算后得出，该新悬架结构对于路面输入的频响特性，其汽车舒适性的评价指标车身垂向加速度响应和汽车行驶操稳性的评价指标车轮动载荷都明显要好于传统悬架，总体上可以提高传统悬架的舒适性和操纵稳定性，如图4和图5所示。

Claims (4)

1.一种用于汽车悬架的新型惯性元装置，其特征在于，包括吊耳、丝杠(2)、飞轮(3)、端盖(4)、滚珠丝杠副和行程室外壳(10)，丝杠(2)两端设为光滑结构，中间部分设置螺纹滚道(13)，丝杠(2)一端端部设置吊耳A(1)，丝杠(2)螺纹滚道(13)部分伸入行程室外壳(11)内部，行程室外壳(11)一端为圆筒形，其端面固定端盖(4)，另一端设为锥筒形，其端面设置吊耳B(11)，吊耳B(11)与行程室外壳(10)为一体结构，行程室外壳(11)设为圆筒形的部分固定滚珠丝杠副，滚珠丝杠副包括螺纹滚道(13)、螺母A(6)、螺母垫片(7)和螺母B(8)，螺母A(6)和螺母B(8)与螺纹滚道(13)之间设置滚珠，螺母垫片(7)设置在螺母A(6)和螺母B(8)之间，轴承A(5)和轴承B(9)分别设置在螺母A(6)和螺母B(8)外周，与行程室外壳(10)内壁相接触，端盖(4)中心设有与螺母A(6)外径相同的通孔，螺母A(6)一端穿过端盖固定飞轮(3)，飞轮(3)同时设置在丝杠(2)上。

2.根据权利要求1所述的用于汽车选件的新型惯性元装置，其特征在于，所述滚珠丝杠副采用内循环式滚珠丝杠副。

3.根据权利要求1所述的用于汽车选件的新型惯性元装置，其特征在于，所述轴承A(5)和轴承B(9)均为角接触球轴承，两者采用面对面成对双联布置。

4.根据权利要求3所述的用于汽车选件的新型惯性元装置，其特征在于，所述轴承A(5)和轴承B(9)中轴承钢球与内圈、外圈的接触角为15°。