CN104302491A - 前板簧 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及车辆悬架，该车辆悬架包括一对布置为在车架的相对侧上纵向延伸的板簧(61)。每个板簧(61)具有第一端，该第一端利用第一支架(63)枢转地连接到车辆，该第一支架(63)在第一位置(71)处刚性地接附到车架。第二端利用弹簧挂钩连接到车架，该弹簧挂钩在第二位置处枢转地连接到第二支架(64)，该第二支架(64)刚性地接附到车架，以补偿在载荷条件下的板簧(61)的长度改变。悬架进一步包括横向于车架延伸的轴(66)，所述轴在板簧(61)的第一端和第二端中间的位置处安装到每个板簧(61)。板簧(61)的至少上簧片是具有向车架延伸的凸起部分(70)的抛物线弹簧，且凸起部分(70)位于第一端和中间位置之间。

Description

前板簧
技术领域
本发明涉及包括板簧的车辆悬架，特别是用于刚性轴的带有改进的侧倾转向行为的悬架。
背景技术
在其中刚性轴通过板簧布置和控制的车辆悬架中，必须进行许多折中。在车辆运行期间悬架经受不同的载荷条件，这样的折中能够不利地反映在所述悬架性能上。这样的载荷条件的示例是围绕纵向侧倾中心的车辆侧倾，这在车辆跟随弯道或受到横向方向上的强风导致的力时发生。另外的载荷称为“颠簸转向”，这在车辆的一侧上的车轮由于路面上的障碍物而向上变形时发生。该类型的载荷影响了车辆的侧倾转向行为，且可通过改进悬架的辅助侧倾刚度部件而降低影响。弹簧刚度对于侧倾运动的影响与辅助侧倾刚度组合以给出总侧倾刚度。辅助侧倾刚度是总侧倾刚度的源自除弹簧自身的悬架部件(拖臂***、横向稳定杆等)以外的分量。
在如下所述的本发明之前已作出一些增加辅助侧倾刚度分量的尝试。车辆制造商已通过增加轴在弹簧上的间隙的纵向对称性而实现了有限的成功。特别地，通过将轴定位在板簧的中点和板簧与车架经由弹簧挂耳的直接连接之间的点处，且通过增加轴的扭转刚度，在辅助侧倾刚度分量已增加了大致百分之十。这是由于辅助侧倾刚度分量的两个子分量，即板扭曲和轴扭转的相关地增加。
板扭曲子分量的增加可以下面的方式形象化。当车辆改变方向时，弹簧在侧向方向上被不对称地加载。作为结果，车辆本体倾斜。这在侧向方向上在轴和车架之间产生了角度性，其中外弹簧被压缩到更大的程度且内弹簧释放到一定的程度。弹簧变成接受此角度差异的顺从性构件。即，弹簧沿其长度略微扭曲。因为板簧在其极限处固定到底盘，所以扭曲发生在前弹簧孔眼和中点轴接附部之间以及在后弹簧孔眼和中点轴接附部之间。总长度的每个弹簧半部分抵抗此扭曲的能力是材料的剪切模量、材料的极惯性矩和此半部分的长度的函数。因为总长度的弹簧半部分的扭转刚度是此半部分的长度的倒数的函数，所以通过纵向非对称性而形成为较短的弹簧半部分的扭转刚度增加率变得迅速地大于通过纵向非对称性而形成为较长的弹簧半部分的扭转刚度的降低率。因为弹簧和车架之间经由弹簧挂耳的直接连接通常比经由弹簧挂钩或在变形时补偿了弹簧长度变化的构件的连接更具有刚性，这通常是弹簧的向轴布置的端部。
辅助侧倾刚度的轴扭转子分量的增加可以下面的方式形象化。当车辆倾斜时，如前所述，外弹簧被压缩到更大的程度且内弹簧被释放到一定程度。当板簧被压缩时，在抛物线弹簧的情况中板簧通常变平，或在平弹簧的情况中板簧通常相反地变成抛物线形。其也在弹簧孔眼之间的距离方面发生改变，这解释了需要前述弹簧挂钩的原因。在一些点处或靠近其中点，在此点处拉出到弹簧的切线在弹簧的整个变形中维持相对于车辆的纵向轴线相当恒定的角度。在理论中点的前方和后方，在拉出到弹簧的切线和车辆纵向轴线之间的角度将在弹簧的整个变形中改变。通过将轴接附到不同于理论中点的点，通常在从理论中点向着弹簧和车架之间经由弹簧挂耳的直接连接部的方向上，扭转被引入到轴，由于如下事实，即内弹簧和外弹簧在相反的方向上变形从而导致拉出到弹簧的切线和车辆的纵向轴线之间的角度性的相反的改变。还通过增加轴的扭转刚度，增加了辅助侧倾刚度的轴扭转子分量。
常规的车辆悬架设计的示例在图1a和图1b中示出，图中示出了现有技术的一对前轮悬架的示意性侧视图。在这些附图中，相同的附图标号将用于指示相同的部件部分。在图1a中的车辆悬架包括一对布置为在车架12的相对侧上纵向延伸的板簧11(示出一个)。每个板簧具有第一端，所述第一端利用第一支架或弹簧挂耳13枢转地连接到车辆，该第一支架或弹簧挂耳13在第一位置处刚性地接附到每个板簧架。板簧的第二端利用第二支架或弹簧挂耳14a和弹簧挂钩15连接到车架，以补偿在载荷条件下板簧的长度改变。刚性轴16横向于车架延伸，所述轴借助于另外的支架在各第一端和第二端之间的位置处安装到每个板簧。轴16设有抵靠板簧11安放的轴板19。板簧11分别在前和后板簧端部孔眼17、18处接附到各弹簧挂耳13、14a。在此示例中，轴是前转向轴。例如空气弹簧的减振器装置(未示出)在轴处或邻近轴处安装在轴和车架之间。
图1a示出了用于正常转向的车辆的板簧布置，所述车辆具有可忽略的车轴转向。当板簧11在载荷下变形时，点P将跟随通过所谓的Ross点Rp的位置所确定的弧形，点P位于轴板19的中心处且在此点处与通过轴板的法平面相交。当弹簧上的载荷增加和降低时，所述点P将在上点P1和下点P2之间移动。如从图1a可见，通过上点P1和下点P2的假想线是大体上垂直的，从而导致基本上不带有轴转向的中性转向的悬架。
对于转向刚性的轴，通常的设计将造成转向不足的行为，这要求Ross线和基准线的相对大的向后倾斜。基准线是前和后弹簧端部孔眼之间的假想的参考线。其示例在图1b中示出，其中车辆悬架包括一对布置为在车架12的相对侧上纵向延伸的板簧11。每个板簧具有第一端，该第一端利用第一支架或弹簧挂耳13枢转地连接到车辆，该第一支架或弹簧挂耳13在第一位置处刚性地接附到每个板簧架。板簧的第二端利用延长的弹簧挂耳14b和弹簧挂钩15连接到车架。刚性轴16横向于车架延伸，所述轴通过另外的支架在各第一端和第二端之间的位置处安装到每个板簧。轴16设有抵靠板簧11安放的轴板19。板簧11分别在前和后板簧端部孔眼17、18处接附到各弹簧挂耳13、14a。延长的弹簧挂耳14b导致Ross线和基准线的所要求的向后倾斜。
基准线是前和后板簧端部孔眼17、18之间的假想参考线。在现有技术中通常已知板簧在载荷下将围绕空间中的称为“Ross点”的假想点成弧形，这继而确定了所谓的“Ross线”。在图1a和图1b中，Ross点在Rp处指示且Ross线在RL处指示。进一步已知，Ross线应尽可能平且长，且Ross线几何应配合车辆转向杆系(未示出)的拖杆几何形状。在常规的转向杆系中，拖杆将连杆臂和从动臂连接。
图1b示出了用于带有轴转向的转向不足车辆的板簧设计。当板簧11在载荷下变形时，点P将跟随以上所述的由Ross点Rp的位置所确定的弧形。当弹簧上的载荷增加和降低时，所述点P将在上点P1和下点P2之间移动。如从图1b中可见，通过上点P1和下点P2的假想线在向前和向后的方向上成角度。板簧11在图1b中的布置导致通过上点P1和下点P2的垂直线之间的纵向差异x，从而导致在X-Y平面内带有轴转向的转向不足的悬架。在随后的描述中，x轴位于车辆的纵向方向上，y轴位于车辆的横向方向上，且z轴位于垂线方向上与X-Y平面成直角。
在图1b中，Ross线和基准线将导致轴转向，这导致轴在z方向上旋转，如在图2中所指示。图2示出了在图1b中所指示的悬架的示意性俯视图。图2示出了通过刚性转向的轴23连接的左和右板簧21、22，对应于图1b中在其不受载荷位置中的轴11。图中也示出了以虚线指示的转向的轴23，处于当弹簧上的载荷降低时的位置，且轴23的近侧处于下点P2处。在左转弯期间在转向方向S上的驾驶员转向输入导致车辆向右侧倾时，发生该载荷情况。图中也示出了转向盒25，所述转向盒25具有连接到转向杆26的连杆臂(未示出)和控制可转向车轮28的轴头臂27。转向盒25接附到车架，所述车架为清晰起见未示出。在左转弯期间，在弹簧上的载荷将导致轴从通过轴23所指示的位置位移到通过轴24所指示的位置，从而导致轮心29的位移。当转向杆26的位置被固定的转向盒25控制时，轮心29的位移将导致车轮28在与转向输入相反的方向上的旋转，从而导致转向不足。
然而，为实现此转转向，后弹簧支架14b要求高的刚度，因为从底盘架的垂直偏移相对大。此布置占空间、笨重且昂贵。
带有向后成角度的板簧和接***行的Ross线和基准线的以上所述的设计将给出在基准线的方向上的非常小的纵向运动。这减小在弹簧和轴***中的力，使得轴转向将对于总转向行为具有直接的转向不足影响。在此方面，总转向是由驾驶员给出的转向输入、转向不足和侧倾转向所造成的组合的转向效果。当转向杆将轴头臂在纵向方向上移动时，轴转向将导致在车架的侧倾运动期间的转向不足的效果。
图3示出了替代的现有技术的车辆悬架的侧视图，其中Ross线RL和基准线DL之间的角度足够大以实现希望的轴转向行为。图3中的现有技术的车辆悬架包括布置为在车架32a、32b的相对侧上纵向延伸的一对左和右板簧31a、31b。每个板簧具有第一端，该第一端利用第一支架或弹簧挂耳33a、33b枢转地连接到车辆，第一支架或弹簧挂耳33a、33b在第一位置处刚性地接附到每个板簧架。板簧的第二端利用第二支架或弹簧挂耳34a、34b和弹簧挂钩35a、35b连接到车架，以补偿在载荷条件下的板簧的长度改变。刚性轴36横向于车架延伸，所述轴借助于另外的支架在各第一端和第二端之间的位置处安装到每个板簧。轴36设有抵靠各板簧31a、31b的轴板39a、39b。板簧31a、31b分别在前和后板簧端部孔眼17a、17b；18a、18b处接附到各板簧挂耳33a、33b；34a、34b。
在图4中所指示的转向的轴36对应于当在左侧弹簧上的载荷降低时的轴位置，且轴36的端部在近侧处处于下点P2处。类似地，轴36的端部在远侧处处于上点P1处。在左转弯期间在转向方向S上的驾驶员转向输入导致车辆向右侧倾时，发生该载荷情况。
当Ross线RL和基准线DL之间的角度足够大以由于轮心41a、41b的位移实现希望的轴转向行为时，如通过图4中示意性地指示的轴位置所指示。然而，结果将是两个板簧11a、11b之间的大的反作用力。这将导致轴36和板簧11a、11b的扭曲变形，如在图5中示意性地指示。轴36的变形将使得轮心41a、41b位移，使得降低了对于总转向的希望的转向不足效果。图5示出了轴36的实际位置以及图4中所示的轴的希望的位置(虚线)。
根据本发明的解决方法旨在提供克服以上问题的改进的板簧设计。
发明内容
通过根据所附权利要求的抛物线板簧解决以上问题。
在下文中，车辆参考为商用车辆类型，包括由一对大体上平行的梁构成的车架，例如带有I型或C型横截面的梁。根据本发明，悬架优选地但不必需地意图于是包括可转向车轮的前悬架。应注意的是，除非另外地指定，在车辆静止且悬架处于完全受到载荷或设计状态中时给出所有距离参考。另外地，车辆可受到涉及颠簸、侧倾和制动的载荷状态，但在车辆移动时发生这些状态。
本发明涉及包括一对布置为在车架的相对侧上纵向延伸的板簧的车辆悬架。每个板簧具有第一端，该第一端借助于第一支架枢转地连接到车辆，该第一支架在第一位置处刚性地接附到车架。板簧进一步包括第二端，该第二端利用弹簧挂钩连接到车架，该弹簧挂钩枢转地连接到在第二位置处刚性地接附到车架的第二支架，以补偿在载荷条件下板簧的长度改变。轴布置为横向于车架延伸，所述轴在其第一端和第二端的中间位置处安装到每个板簧。常规的夹紧设备可用于将轴在板簧的中间位置处刚性地接附到每个板簧。合适的减振器装置安装在轴和车架之间。减振器可以是合适的常规的减振器，例如空气弹簧，例如气动波纹管，或悬架支柱，例如伸缩悬架支柱，但所使用的减振器的类型对于本发明不关键。
根据本发明，板簧的至少上簧片是具有向车架延伸的凸起部分的抛物线弹簧，且凸出部分位于第一端和中间位置之间。
因此，悬架可包括沿其纵向延伸具有此形状的单板簧。替代地，两个或多个板簧可组装为抛物线弹簧堆叠体，其中每个板簧具有这样的凸出部分。
凸出部分定位为靠近板簧的第一端，其中板簧的枢转地接附到第一支架的初始部分从其接附点向凸起部分向上且向后成角度。板簧在凸起部分和中间位置之间具有转折点，轴被附接到中间位置。
当板簧处于其中性位置时，上簧片的凸出部分的上表面优选地位于与参考线齐平过高于所述参考线，该参考线在第一支架处的第一端部孔眼和弹簧钩挂处的第二端部孔眼之间。参考线也称为基准线。在其不受载荷的状态中，上板簧的上表面在中间位置处位于所述参考下方的预先确定的第一距离B处。同时，凸出部分的上表面位于板簧的处于中间位置的所述上表面的位置上方的预先确定的第二距离C处，其中第二距离C限定为C≥0.75B。距离C的最大值当然受到板簧相对于车架和其他安装在悬架的可移动部分附近的部件的可允许移动的限制。第一端部孔眼和中间位置通过预先确定的长度A在板簧的纵向方向上分开，其中第一距离B限定为B>A/16。
本发明也涉及车辆，该车辆设有包括至少一个在以上示例中描述的板簧的悬架。
附图说明
本发明将在下文中参考附图描述。应理解的是附图仅设计为图示的目的且不意图于作为本发明的限度的定义，对于本发明的限度应参考所附权利要求。应进一步理解的是附图不必按比例绘制，且除非另外地指示，附图仅意图于示意性地图示在此所述的结构和过程。
图1a至图1b示出了替代的现有技术的一对前轮悬架的示意性侧视图；
图2示出了图1b中所示的前轮悬架的示意性俯视图；
图3示出了另外的现有技术的前轮悬架的示意性侧视图；
图4示出了在图3中示出的悬架的希望的轴位置的示意性俯视图；
图5示出了在图3中图示的悬架的实际轴位置的示意性俯视图；
图6示出了带有根据本发明的第一实施例的处于其设计状态的板簧的车轮悬架的示意性侧视图；
图7示出了在图6中所示的前轮悬架当受到载荷时的垂直位移的示意性侧视图；
图8示出了设有包括根据本发明的板簧的车轮悬架的车辆；
图9示出了指示了受到垂直侧倾的车辆的侧倾转向角与侧倾角(roll angle)之间的关系的示意性曲线图；和
图10示出了指示了受到侧向强制侧倾的车辆的侧倾转向角与侧倾角之间的关系的示意性曲线图。
具体实施方式
图6示出了带有根据本发明的第一实施例的板簧的车轮悬架的示意性侧视图。弹簧的位置示出为处于其设计状态，即弹簧的位置示出为当车辆完全受载时的情况。
车辆悬架包括板簧61，该板簧61布置为在车架62的相对侧上纵向延伸。每个板簧61具有第一端71，该第一端71利用第一支架63枢转地连接到车辆，该第一支架63在第一位置处刚性地接附到车架62。板簧进一步包括第二端72，该第二端72利用弹簧挂钩65连接到车架，该弹簧挂钩65枢转地连接到在第二位置处刚性地接附到车架的第二支架64，以补偿在载荷条件下板簧的长度改变。轴66(见图7)布置为横向于车架62延伸，所述轴在板簧61的第一端71和第二端72中间的位置73处安装到每个板簧61。在此所示的布置中，第一和第二端71、72分别与板簧61的第一和第二端部孔眼重合。因此，对于这些特征将使用相同的附图标号。常规的夹紧布置(未示出)用于将轴在板簧的中间位置73处刚性地接附到板簧。减振器装置(在图7中未示出)在轴和车架之间安装到板簧的上部分。减振器可以是合适的常规减振器，例如空气弹簧，例如气动波纹管，或悬架支柱，例如伸缩悬架支柱，这取决于车辆的重量和类型。
图6示出了单独的板簧61，所述板簧61是具有向车架62延伸的凸出部分70的抛物线弹簧。图中示出了板簧的中性线N1，即弹簧在车辆完全受到载荷且处于静止时的位置。作为对比，标准的受到弯曲的弹簧的中性线N2以虚线指示。凸出部分70位于第一端71和中间位置73之间。
图6中的凸出部分70位于邻近板簧61的第一端71，其中枢转地接附到第一支架63的板簧的初始部分从其接附点向凸出部分70向上且向后成角度。板簧61具有在凸出部分70和所述的中间部分73之间的转折点PI，在所述转折点处接附了轴。
当板簧处于其中性位置时，板簧61的凸出部分70的上表面位于参考线DL的高度处或高于所述参考线，参考线DL在第一支架63处的第一端部孔眼71和弹簧挂钩65处的第二端部孔眼72之间。参考线DL也称为基准线。在其完全受载的状态中，板簧61的处于中间位置73处的上表面位于低于所述参考线DL的预先确定的第一距离B处。同时，凸出部分70的上表面位于板簧61的处于中间位置73的所述上表面的位置上方的预先确定的第二距离C处，其中第二距离C限定为C≥0.75B。距离C的最大值当然受到板簧相对于车架和其他安装在悬架的可移动部分附近的部件的可允许移动的限制。第一端部孔眼71和中间位置73在板簧61的纵向方向上分开预先确定的长度A，其中第一距离B限定为B>A/16。根据一个非限制性示例，根据本发明的抛物线板簧在第一和第二端部孔眼71、72之间的总长度可为1720mm。对于多种距离的合适的尺寸是A＝860mm，B＝55mm且C＝70mm。此设计将给出3.8°的Ross角α。减振器装置(未示出)在轴和车架之间安装到板簧的上部分。减振器可以是合适的常规减振器，例如空气弹簧，例如在图中以虚线指示的气动波纹管。
悬架可包括具有以上所述的沿其纵向延伸的形状的单独的板簧。替代地，两个或多个此板簧可组装为抛物线弹簧堆叠体，其中每个板簧具有此凸出部分。
图7示出了在图6中所示的前轮悬架在完全受载时的示意性侧视图。图7示出了根据本发明的板簧61，所述板簧61将提供对于转向不足车辆的预先限定的轴转向。在图7中，在Rp处指示了Ross点和在RL处指示了Ross线。参考线DL和Ross线RL之间的角度是Ross角α。当板簧61在载荷下偏转时，点P将如上所述跟随由Ross点Rp的位置所确定的弧形。在弹簧上的载荷增加和降低时，所述点P将在上点P1和下点P2之间移动。如从图7中可见，通过上点P1和下点P2的假想线在向上和向后的方向上成角度。在图7中的板簧61的布置导致通过上点P1和下点P2的垂直线之间的纵向距离x，从而导致带有在X-Y平面内的轴转向的转向不足的悬架。在此方面，x轴位于车辆的纵向方向上，y轴位于车辆的横向方向上，且z轴位于垂线方向上与X-Y平面成直角。
图8示出了设有车辆悬架81的车辆80，该车辆悬架81包括根据本发明的接附到刚性轴84的板簧82、83。车辆示出为当跟随弯道时，这导致了当车辆80受到侧向强制侧倾时在板簧82、83上的载荷状态。
图9示出了指示了设有根据本发明的板簧的车辆当受到垂直侧倾时的侧倾转向角与侧倾角之间的关系的示意性曲线图。垂直侧倾意味着车辆不受到侧向力。此类型的载荷是由于当刚性轴上的车轮中的一个由于路面上的例如***或石头的障碍物而向上变形时的所谓的“颠簸转向”所导致。在曲线图中的侧倾转向角是对于左侧和右侧车轮的平均侧倾转向角。
如曲线图中的实线可见，甚至相对大的侧倾角也将具有对于侧倾转向角的可忽略的影响。这可与如在图9中通过虚线所指示的常规的下弯板簧的侧倾转向行为相比较。曲线图指示了根据本发明的弹簧将导致增加的转向不足，当在不平的表面上行驶时这向驾驶员给出了改进的转向感觉。
图10示出了指示了设有根据本发明的板簧的车辆当受到侧向强制侧倾时的侧倾转向角与侧倾角之间的关系的示意性曲线图。在此情况中，侧向强制侧倾由于0.4g的侧向力导致。此类型的载荷由于车辆跟随弯道所导致。
如从曲线图中的实线可见，侧倾转向角随侧倾角增加而增加。与如在图8中通过虚线所指示的常规的下弯板簧的侧倾转向行为相比较，可见侧倾转向角在整个侧倾角的范围上改进。曲线图指示了根据本发明的弹簧将导致随着侧倾角的增加而增加的转向不足，这对于设有板簧的卡车和商用车是期望的。
本发明不限制于以上所述的实施例，而是可在所附权利要求的范围内自由变化。

Claims (10)

1.一种车辆悬架，所述车辆悬架包括一对板簧(61)，所述一对板簧(61)布置为在车架(62)的两个相反侧纵向延伸，每个板簧(61)的第一端通过第一支架(63)枢转地连接到车辆，所述第一支架(63)在第一位置处刚性地附接到所述车架；并且，每个板簧(61)的第二端通过与第二支架(64)枢转地连接的弹簧挂钩(65)连接到所述车架(62)，以补偿所述板簧(61)在载荷条件下的长度变化，所述第二支架(64)在第二位置处刚性地附接到所述车架(62)，所述悬架还包括横向于所述车架(62)延伸的轴(66)，所述轴在位于每个板簧(61)的第一端和第二端中间的中间位置处安装到每个板簧(61)，并且，在所述轴(66)和所述车架(62)之间安装有减振器装置，其特征在于，至少所述板簧(61)的上簧片是具有凸起部分(70)的抛物线弹簧，所述凸起部分(70)朝着所述车架(62)延伸，且所述凸起部分(70)位于所述第一端和所述中间位置之间。
2.根据权利要求1所述的悬架，其特征在于，每个板簧(61)均包括由多个具有凸出部分(70)的抛物线弹簧组成的抛物线弹簧堆叠体。
3.根据权利要求1或2所述的悬架，其特征在于，所述凸出部分(70)的位置邻近所述板簧(61)的第一端。
4.根据上述权利要求中的任一项所述的悬架，其特征在于，所述板簧(61)具有在所述凸出部分(70)和所述中间位置之间的转折点。
5.根据上述权利要求中的任一项所述的悬架，其特征在于，当所述板簧(61)处于其中性位置时，上板簧(61)的所述凸出部分(70)的上表面位于与所述第一支架(63)处的第一端部孔眼和所述弹簧挂钩(65)处的第二端部孔眼之间的参考线(DL)相同的高度处或高于所述参考线(DL)。
6.根据权利要求5所述的悬架，其特征在于，所述上板簧(61)的在所述中间位置处的上表面位于所述参考线(DL)下方的预定的第一距离(B)处，其中，所述凸出部分(70)的上表面位于所述板簧(61)的在所述中间位置处的位置上方的、预定的第二距离(C)处，其中，所述第二距离被限定为C≥0.75B。
7.根据权利要求5或6所述的悬架，其特征在于，所述第一端部孔眼和所述中间位置在所述板簧(61)的纵向方向上隔开预定长度(A)，其中，所述第一距离(B)被限定为B>A/16。
8.根据上述权利要求中的任一项所述的悬架，其特征在于，所述减振器装置是空气弹簧，例如气动波纹管。
9.根据上述权利要求1至7中的任一项所述的悬架，其特征在于，所述减振器装置是悬架支柱。
10.一种车辆，其特征在于，所述车辆设有根据权利要求1至9中的任一项所述的悬架。
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