CN108674115B - 一种包含惯质系数可变的滑块连杆式惯容器的isd悬架*** - Google Patents

一种包含惯质系数可变的滑块连杆式惯容器的isd悬架*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种惯质系数可变的滑块连杆式惯容器的ISD悬架***,包括弹簧、阻尼、惯容器；弹簧、阻尼、惯容器并联后的上端与簧上质量连接，下端与簧下质量连接；所述簧下质量的下端通过轮胎等效弹簧与路面激励连接；惯容器通过飞轮配合安装在飞轮轴；滑块连杆一端与飞轮边缘铰链连接，另一端与飞轮轴铰链链接；滑块连杆上套装有滑块；滑块通过铰链与导向杆链接；导向杆位于飞轮室内的导向槽，导向杆仅做垂直方向运动并同时带动滑块在滑块连杆上光滑滑动。所述滑块连杆式惯容器内的滑块连杆的转动范围仅在导向杆所在的半侧，能够有效减轻了惯容器的整体质量，使惯容器在工作过程中惯质系数可变。

Description

一种包含惯质系数可变的滑块连杆式惯容器的ISD悬架***
技术领域
本发明属于车辆悬架领域，尤其涉及一种包含惯质系数可变的滑块连杆式惯容器的ISD悬架***。
背景技术
机电一体化是如今工程领域一个重要的发展方向。机械与电子***之间的存在着对应关系，其中一种为“力流-电流”对应，即机械***中的质量、阻尼和弹簧分别与电子***中的电容、电阻和电感对应。电子***中的元件都有两个自由的端点，但是与之对应的机械***中，质量元件只是一个单端点元件，不能与电容严格对应，从而大大限制了机电一体化理论的应用与发展。
剑桥大学学者SMITH于2000年发明了惯容器并设计了滚珠丝杆式惯容器和齿轮齿条式惯容器。惯容器概念的提出使得机械***中出现了能够与电子***中的电容严格对应的元件，从而完善了机电一体化理论。之后，惯容器被应用于F1方程式赛车中并极大地改善了赛车轮胎的接地性。特别是惯容器在低频段改善振动的特点，使之在各领域得到了广泛的关注和应用，包括汽车悬架***、车辆转向***、火车悬架***以及建筑隔振***等。
在车辆悬架***领域，已有多种惯容器应用于其中；此类悬架***一般包含惯容器(Inerter)-弹簧(Spring)-阻尼(Damper)三种元件，简称ISD悬架。常见的应用于车辆悬架***的惯容器包括齿轮齿条惯容器，滚珠丝杠惯容器，扭转式惯容器，液压泵式惯容器，液压活塞式惯容器和液力式惯容器等。
在车辆ISD悬架***中，惯容器是重要的元件之一，其动力学方程为其中F表示施加在两端点上的力，b表示惯质系数(其单位为kg)，和表示两端点的加速度。不同的惯容器拥有不同惯质系数b，并且决定其惯质系数的参数也不相同，因此对于不同的惯容器，其惯质系数的表达式也不尽相同。
在现有的车辆ISD悬架***中，最常用的机械式惯容器是齿轮齿条式惯容器和滚珠丝杠式惯容器。但是装配这两种惯容器的ISD悬架在工作过程中均存在背隙问题，即在换向的短暂过程中惯容器的各部件之间不能有效接触，从而导致在高速旋转换向时产生迟滞现象和相位的滞后。同时，在应用过程中，由于机械式惯容器采用均质飞轮，惯容器的自身重量较大从而使得ISD悬架的整体质量上升，并且其惯容器一经设计惯质系数b不可变，不能适应不同的驾驶工况。
发明内容
本发明根据现有技术的不足与缺陷，提出了一种包含惯质系数可变的滑块连杆式惯容器的ISD悬架***，目的在于解决现有技术中惯质系数b不可变，不能适应不同的驾驶工况的问题。
一种惯质系数可变的滑块连杆式惯容器的ISD悬架***,包括弹簧、阻尼、惯容器；所述弹簧、阻尼、惯容器并联后的上端与簧上质量连接，下端与簧下质量连接；所述簧下质量的下端通过轮胎等效弹簧与路面激励连接；
所述惯容器包括飞轮、导向杆、滑块、滑块连杆、飞轮室和飞轮轴；所述飞轮配合安装在飞轮轴；所述滑块连杆一端与飞轮边缘铰链连接，另一端与飞轮轴铰链链接；所述滑块连杆上套装有滑块；所述滑块通过铰链与导向杆链接；所述导向杆位于飞轮室内的导向槽。该导向槽与飞轮轴轴心线的距离为一定值，导向杆仅做垂直方向运动并同时带动滑块在滑块连杆上光滑滑动。所述滑块连杆式惯容器内的滑块连杆的转动范围仅在导向杆所在的半侧。
进一步，所述飞轮室上端设有上吊耳；所述导向杆下端设有下吊耳；上吊耳与下吊耳分别与ISD悬架***中的簧上质量和簧下质量连接。
进一步，所述滑块轴线处有一圆柱孔，圆柱孔直径与滑块连杆直径相同，滑块通过该圆柱孔套装在滑块连杆上；滑块连杆随飞轮一起绕飞轮轴转动并且两者角速度相同。
进一步，所述弹簧为螺旋弹簧，阻尼为液压减振器。
本发明的有益效果：
本发明采用滑块连杆机构大大减轻了惯容器的整体质量、降低了惯容器各部件的加工工艺难度和加工精度，相较于传统机械式惯容器，背隙问题明显改善，滑块连杆与水平位置的夹角变化使惯容器在工作过程中惯质系数可变，并且惯容器的整体结构简单，装配、拆卸便捷。装配有本新型惯容器的ISD悬架***整体质量下降，背隙问题得到改善并且能够适应多种道路工况。
附图说明
图1是一种包含惯质系数可变的滑块连杆式惯容器的ISD悬架***示意图；
图2是一种新型的惯质系数可变的滑块连杆式惯容器示意图；
图3是某一时刻滑块连杆与水平线夹角θ示意图；
图4(cosθ)4关于θ的函数图像；
其中，1、飞轮，2、导向杆，3、滑块，4、滑块连杆，5、上吊耳，6、飞轮室，7、飞轮轴，8、下吊耳，9、簧上质量，10、弹簧，11、阻尼，12、惯容器，13、簧下质量，14、轮胎等效弹簧，15、路面激励。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种惯质系数可变的滑块连杆式惯容器的ISD悬架***,包括弹簧10、阻尼11、惯容器12；所述弹簧10、阻尼11、惯容器12并联后的上端与簧上质量9连接，下端与簧下质量13连接；所述簧下质量13的下端通过轮胎等效弹簧14与路面激励15连接。
如图2所示，本发明惯容器12为：惯容器12包括飞轮1、导向杆2、滑块3、滑块连杆4、飞轮室6和飞轮轴7；飞轮轴7固定在飞轮室6内，飞轮1位于飞轮室6内并与飞轮轴7采用轴承配合连接，并且飞轮1轴心线与飞轮轴7轴心线重合，飞轮可绕飞轮轴自由转动；滑块连杆4为一根圆柱，一端与飞轮1边缘铰链连接，另一端与飞轮轴7铰链连接，滑块连杆4随飞轮1一起绕飞轮轴7转动并且两者角速度相同；滑块3为一长方体，其轴线处有一圆柱孔，圆柱孔直径与滑块连杆4直径相同，滑块套于滑块连杆4上，可沿滑块连杆4滑动；导向杆2与滑块3铰链连接，并且位于飞轮室6内的导向槽里，该导向槽与飞轮轴7的距离为一定值，导向杆2仅做垂直方向运动并同时带动滑块3在滑块连杆4上滑动；下吊耳8与导向杆2焊接在一起。导向杆2与飞轮室6内的导向槽配合。该导向槽与飞轮轴7轴心线的距离为一定值，导向槽上端固定在飞轮室6的上部分，导向杆2在导向槽内仅做垂直方向运动并同时带动滑块3在滑块连杆4上光滑滑动。滑块连杆式惯容器内的滑块连杆4的转动范围仅在导向杆所在的半侧，即导向杆2与飞轮室6距离较短的一侧。
建立弹性元件和阻尼元件的力学定义式：
弹簧的力学定义为
Fs＝k·(zs-zu) (1)
阻尼的力学定义为
其中，Fs为弹簧10两端的力，k为弹簧10的刚度，Fd为阻尼11两端的力，c为阻尼11的阻尼系数，zs为车身位移，zu为车轮位移。
如图3所示，设飞轮1半径为R，则滑块连杆4长度也为R，导向杆2与飞轮轴(7)轴心线的距离为L，滑块连杆4与水平线的夹角为θ，飞轮1的转动惯量为J，为方便说明，假设除飞轮1外其他组件的质量忽略不计，飞轮室6的运动加速度为导向杆2的运动加速度为沿导向杆2方向作用于导向杆2的力为F，惯容器的惯质系数为b，根据滑块连杆机构传动特点和飞轮转动运动，可以得到以下关系式：
根据惯容器的力学定义，有：
由式(3)和式(4)得，本发明中的滑块连杆式惯容器的惯质系数为：
根据式5可知，本发明中的滑块连杆式惯容器的惯质系数随滑块连杆4与水平方向的夹角θ的变化而变化。
如图4所示，结合推导的结论对本发明中的新型惯质系数可变的滑块连杆式惯容器做进一步说明。
滑块连杆4在运动过程中，与水平线的夹角θ时刻变化，由式5可知惯质系数随θ发生变化，飞轮1的转动惯量J以及导向杆3与飞轮轴7轴心线的距离L为常数，因此求得f(θ)＝(cosθ)4函数图像如图4所示。
由图4可知，θ的变化范围是f(θ)的值由0递增到1再由1递减到0，实际工作过程中，θ无法达到和而惯质系数b与f(θ)的随θ的变化情况一致，因此可以通过调整装配时滑块连杆4的初始位置来达到惯容器12所需要的预期变化。
结合本发明的ISD悬架***在工作过程进一步说明，路面激励15作为输入，引起悬架***的振动，弹簧10、阻尼11和惯容器12处于工作状态，对于本发明中的新型惯质系数可变的滑块连杆式惯容器，其上吊耳5与下吊耳8分别与ISD悬架***中的簧上质量9和簧下质量13连接，簧上质量9和簧下质量13之间相对位置的变化会引起惯容器12的导向杆2沿导向槽在垂直方向上滑动，同时带动通过铰链连接在导向杆2上的滑块3做垂直方向上的运动；滑块3再带动与其滑动连接的滑块连杆4绕飞轮轴7转动，并且滑块连杆4与飞轮1边缘铰链连接，从而带动飞轮1转动产生较大的“虚质量”，达到惯容器的效果。
在该ISD悬架工作过程中，为了保证本新型惯容器中的滑块连杆机构在运动过程中不达到死点，本发明的ISD悬架***中的弹簧10和阻尼11的参数须选择合适的数值以确保该新型惯容器的滑块连杆4的转动范围仅在导向杆2所在的半侧。
本发明所设计的一种包含惯质系数可变的滑块连杆式惯容器的ISD悬架***可用于车辆悬架***，与传统的使用机械式惯容器的ISD悬架***相比，在减小ISD悬架***自重的同时，改善了背隙问题，并且其惯质系数可变，结构简单，组装拆卸方便，各部件加工难度和精度较低。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种惯质系数可变的滑块连杆式惯容器的ISD悬架***,其特征在于，包括弹簧(10)、阻尼(11)、惯容器(12)、轮胎等效弹簧(14)和路面激励(15)；所述弹簧(10)、阻尼(11)、惯容器(12)并联后的上端与簧上质量(9)连接，下端与簧下质量(13)连接；所述簧下质量(13)的下端通过轮胎等效弹簧(14)与路面激励(15)连接；
所述惯容器(12)包括飞轮(1)、导向杆(2)、滑块(3)、滑块连杆(4)、飞轮室(6)和飞轮轴(7)；所述飞轮(1)安装在飞轮轴(7)上；所述滑块连杆(4)一端与飞轮(1)边缘铰链连接，另一端与飞轮轴(7)铰链连接；所述滑块连杆(4)上套装有滑块(3)；所述滑块(3)通过铰链与导向杆(2)链接；滑块连杆式惯容器的惯质系数为：
其中，J为飞轮(1)的转动惯量，L为导向杆(3)与飞轮轴(7)轴心线的距离，θ为随滑块连杆(4)与水平方向的夹角；
所述飞轮室(6)上端设有上吊耳(5)；所述导向杆(2)下端设有下吊耳(8)，上吊耳(5)与下吊耳(8)分别与ISD悬架***中的簧上质量(9)和簧下质量(13)连接，簧上质量(9)和簧下质量(13)之间相对位置的变化会引起惯容器(12)的导向杆(2)沿导槽在垂直方向上滑动，同时带动通过铰链连接在导向杆(2)上的滑块(3)做垂直方向上的运动；滑块(3)再带动与其滑动连接的滑块连杆(4)绕飞轮轴(7)转动，并且滑块连杆(4)与飞轮(1)边缘铰链连接，从而带动飞轮(1)转动产生较大的“虚质量”，完成惯容器的封装。
2.根据权利要求1所述的一种惯质系数可变的滑块连杆式惯容器的ISD悬架***，其特征在于，所述滑块(3)轴线处设有有一圆柱孔，圆柱孔直径与滑块连杆(4)相同。
3.根据权利要求1所述的一种惯质系数可变的滑块连杆式惯容器的ISD悬架***，其特征在于，所述导向杆(2)位于飞轮室(6)内的导向槽。
4.根据权利要求1所述的一种惯质系数可变的滑块连杆式惯容器的ISD悬架***，其特征在于，所述弹簧(10)为螺旋弹簧。
5.根据权利要求1所述的一种惯质系数可变的滑块连杆式惯容器的ISD悬架***，其特征在于，所述阻尼(11)为液压减振器。
6.根据权利要求1所述的一种惯质系数可变的滑块连杆式惯容器的ISD悬架***，其特征在于，所述滑块连杆(4)工作范围为导向杆(2)所在一侧。
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