CN110869224A - 具有可变弹簧刚度的弹簧减振器*** - Google Patents

具有可变弹簧刚度的弹簧减振器*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于机动车的车轮悬架的弹簧减振器***，其包括具有弹簧常数kT的承载弹簧(10)和与承载弹簧(10)并联的并且填充有流体的减振器(20)，其特征在于，弹簧减振器***还包括至少两个附加弹簧模块(31、32、33、34)，通过所述附加弹簧模块能够改变弹簧减振器***的总弹簧常数kG。

Description

具有可变弹簧刚度的弹簧减振器***
技术领域
本发明涉及一种具有可变弹簧刚度的弹簧减振器***，尤其用于机动车的车轮悬架。
背景技术
在设计弹簧减振器***时，在通过弹簧减振器***可实现的行驶舒适性和可实现的行驶动力学性能之间产生目标冲突。
一方面，弹簧减振器***可以尽可能舒适地(高的行驶舒适性)设计，这例如可以通过小的弹簧刚度(也称为弹簧常数)实现。然而，弹簧减振器***的舒适的协调导致在机动车行驶特性的运动性和安全性方面的限制(差的行驶动力学性能)。
另一方面，弹簧减振器***可以与尽可能好的动力学性能或运动性(良好的行驶动力学性能)相协调。为此使用高弹簧刚度，由此在行驶舒适性方面产生限制。
为了能够实现弹簧减振器***的可变协调并且因此能够在弹簧减振器***的运动协调和舒适协调之间变化，在现有技术中已知不同的主动的弹簧减振器***。
在现有技术中已知的***中，弹簧减振器***的弹簧刚度部分地通过在其弹簧刚度方面可变的空气弹簧控制。然而不利的是，空气的待产生的压力必须在机组中产生，所述机组具有高的控制成本并且不仅具有高的结构空间需求而且具有高的能量需求。
其它已知的***例如采用由钢弹簧组成的串联作用的弹簧组，弹簧组必须设计成稳定的，以便承受住要弹性缓冲的质量。通过稳定的设计，弹簧组具有高的重量和高的结构空间需求，这尤其在机动车中的能量消耗的背景下是大的缺点。此外，利用这种***可形成的在行驶舒适性调节和行驶动力学性能调节之间的扩展以及其可变性小。
现有技术还公开了这样的***，在其中，弹簧减振器***的弹簧将通过车辆质量产生的力直接传递到减振器中的流体。由此在减振器和所有其它被流体流过的构件中产生非常高的压力，从而必须相应稳定地设计减振器和其它构件。由此，不仅***的重量而且结构空间都增加。此外，密封件必须被设计成用于高压力，从而密封件与必须被设计成用于较低的高压力的密封件相比变得更昂贵并且具有更短的寿命。此外，在这种***中的弹簧刚度大多与减振器的行程相关，从而在整个弹簧行程上不能保证保持不变的弹簧刚度。在载荷恒定的情况下，通常不能调节弹簧刚度或仅能借助于附加的执行器来调节弹簧刚度，从而功能性受到限制或者仅能通过附加的成本在结构空间需求提高和重量提高的情况下被建立。
发明内容
因此，本发明的任务在于，提供一种弹簧减振器***，其具有可控的总弹簧常数，具有小的结构空间需求，并且可以快速地以及在没有大能量消耗的情况下在不同的总弹簧常数之间转换。
该任务通过根据权利要求1的特征组合来解决。
根据本发明，为此提出一种用于机动车或单辙机动车的车轮悬架的弹簧减振器***。弹簧减振器***为此包括具有弹簧常数kT的承载弹簧和与承载弹簧并联的并且并联起作用的以及用流体填充的减振器。此外，弹簧减振器***包括至少两个附加弹簧模块，每个附加弹簧模块分别具有附加容器，其中，每个附加容器包括附加容器容积。附加容器容积由具有弹簧常数kn的附加弹簧加载压力。附加弹簧能够布置在附加容器中或附加容器上。附加弹簧模块的附加容器容积分别通过管状的流体管路与减振器的减振器区段流动作用地连接。减振器的减振器区段具有在减振器的压缩阶段中减小的减振器区段容积。此外，所述至少两个附加弹簧模块中的至少一个附加弹簧模块包括能够控制的截止阀，利用该截止阀能够截止相应的附加弹簧模块的相应的流体管路。弹簧减振器***例如可以集成到单辙机动车的伸缩叉中或者包括这种伸缩叉。
流过减振器和附加弹簧元件的流体尤其是油。该承载弹簧和减振器相对于车辆车桥之中的一个车辆车桥支撑机动车的质量。减振器优选布置在构造为螺旋弹簧的承载弹簧内部，从而承载弹簧和减振器形成一个紧凑的结构单元。
所述减振器在其内部具有两个由活塞分隔开的内部容积。在弹簧减振器***弹性压缩或弹性伸展时，活塞被活塞杆移位，使得减振器的两个内部容积改变。在弹簧减振器***弹性伸展时，减振器被以拉力加载(拉伸阶段)并且在弹性压缩时被以压力加载(压缩阶段)。因此，减振器的各内部容积在压缩阶段和拉伸阶段中改变它们相应的容积。在相应的各内部容积中的流体部分地并且根据运动而从减振器的一个内部容积通过阀流动到另一部分内部容积中。然而减振器的总内部容积在压缩阶段和拉伸阶段上不保持恒定，因为与具有伸出的活塞杆的减振器相比，具有缩回的活塞杆的减振器由于在减振器中的活塞杆的体积而具有更小的总容积。在本发明中，总容积的差(差容积)在压缩阶段期间被压入到附加弹簧模块中。因此，附加弹簧模块在流动技术上直接与减振器的减振器区段连接，所述减振器的内部容积或者说其减振器区段容积在减振器的压缩阶段中减小，从而流体在减振器的压缩阶段中可以流入到附加弹簧模块中并且在减振器的拉伸阶段中可以从附加弹簧模块中流入到减振器中。所述承载弹簧承担主弹簧工作并且优选具有在100至200N/mm之间的弹簧常数。附加弹簧模块的附加弹簧基于其弹簧行程而形成可利用弹簧减振器***表明的扩展(Spreizung)，也就是说形成在各个可能的总弹簧常数(或总弹簧刚度)之间的差距。通过在承担主弹簧工作的承载弹簧和承担实现扩展的附加弹簧工作的附加弹簧之间的任务分配，整个弹簧减振器***可以以不同的方式布置在车辆中并且特别节省空间地布置，从而所建议的弹簧减振器***具有特别有利的结构空间需求。
由承载弹簧与附加弹簧模块的附加弹簧的接线得出：附加弹簧模块的附加弹簧彼此串联地作用并且串联连接的附加弹簧共同地并联于承载弹簧地作用。
因此，弹簧减振器***的总弹簧常数kG是承载弹簧的弹簧常数kT与附加弹簧的总附加弹簧常数kGn的总和，附加弹簧对流动有效地与减振器区段连接的附加容器加载压力地作用。在此，与减振器区段流动有效地连接的仅是这样的附加容器，在其中，通过流体管路的流体流动未被截止阀阻断。
因此，总弹簧常数kG的公式为：
kG＝kT+kGn
总附加弹簧常数kGn基于串联电路而由所有弹簧常数kn倒数的总和的倒数得出。
然而这仅当减振器与每个所述附加弹簧模块的液压传动比相同时适用，从而从外部作用到减振器上的并且将液压液体从减振器压入到附加弹簧模块中的力均匀地分配到附加弹簧模块上或者附加弹簧上，使得分别有相同的力作用在各附加弹簧上。
因此，在减振器与每个所述附加弹簧模块之间的液压传动比相同的情况下或者在各附加弹簧模块之间的传动比为1：1的情况下，对于总附加弹簧常数kGn适用公式
Figure BDA0002358891100000041
其中，仅这样的弹簧常数kn代入，该弹簧常数的附加弹簧对未被相应截止阀与减振器在流动技术上分离的附加容器进行压力加载。
因此，在该情况下，以下公式适用于总弹簧刚度kG：
Figure BDA0002358891100000042
如果在各附加弹簧模块之间的液压传动比不是1：1(例如是由于不同的作用面，液压液体通过所述作用面作用到相应的附加弹簧上)，或者如果不同大小的力通过液压液体作用到附加弹簧上，则总附加弹簧常数kGn不能按照上述公式计算，因为各单个作用的附加弹簧常数kn与作用到相应弹簧上的力有关地算入由此产生的总附加弹簧常数中。
此外，一种构造方式是有利的，在该构造方式中，所述至少两个附加弹簧模块之中的至少一个附加弹簧模块包括并联于截止阀作用的节流阀。当所属的截止阀截止在附加弹簧模块的相应附加容器与减振器之间的未经节流的流动时，节流阀节流经过相应流体管路的流动。如果为了控制弹簧减振器***的总弹簧刚度而控制截止阀，并且使截止阀从其通流位置进入其截止位置中，则在通过截止阀分离的附加容器(截止位置)中保持当前存在的压力。如果在稍后的时间点，截止阀再次被置于实现穿过截止阀的通流的位置(通流位置)并且减振器中的压力在此期间改变，则在弹簧减振器***的不同区段之间会出现突然的压力平衡，使得减振器由于在压力平衡时出现的压力冲击而突然地推入或推出活塞杆。通过节流阀，各区段之间的压力可以缓慢地彼此匹配，从而不会出现各区段之间的压力差并且因此也不会出现突然的压力平衡。该节流阀在其节流方面可调节并且可控制地构造，以便能够有针对性地控制流体通过节流阀的通流量。
为了能够针对性地控制压力平衡，一种有利的改进方案规定，所述附加弹簧模块之中的至少一个附加弹簧模块包括被节流阀阻断从减振器到相应附加容器的流体流的止回阀，该止回阀与节流阀串联并且与截止阀并联。代替止回阀，相应的附加弹簧模块也可以包括可控制的第二截止阀。
在另一有利的构造方式中，所述至少两个附加弹簧模块之中的一个附加弹簧模块的相应的附加弹簧是气压弹簧或螺旋弹簧。备选地，弹簧也可以由橡胶弹簧、空气弹簧或其它对附加容器容积加载压力的弹簧形成。弹簧减振器***的附加弹簧模块的不同附加弹簧可以分别由另外的弹簧类型构成。优选地，通过基于氮气的气压弹簧构成附加弹簧，该气压弹簧具有1至2N/mm的弹簧常数。
为了能够通过截止阀的被控制的截止来产生不同的弹簧常数，一种特别有利的改进方案规定，各弹簧常数kn彼此不同。
此外有利的是，所有弹簧常数kn之中的一个唯一的弹簧常数kn在1至2N/mm之间。此外有利的是，其它弹簧常数kn位于10至50N/mm之间。
由于带有附加弹簧的附加弹簧模块具有特别是在1至2N/mm之间的非常小的弹簧常数kn，则对于带有非常小的弹簧常数kn的附加弹簧模块对总附加弹簧常数kGn作贡献的情况来说，得出用于总附加弹簧常数kGn的非常小的值，该值小于或等于非常小的弹簧常数kn。因此，弹簧减振器***的总弹簧常数kG基本上等于承载弹簧的弹簧常数kT。在这种情况下，附加容器仅用作用于由活塞杆排挤的体积的补偿容器。
在附加弹簧模块的一种有利的改进方案中，各附加弹簧的弹簧常数kn是彼此的多倍。可选地，各单个弹簧常数kn可以由固定的中间值产生，使得弹簧常数kn是例如以十为步长增加的值。与弹簧常数是通过固定的中间值得出还是彼此的多倍无关，附加弹簧可以具有非常小的且与别的弹簧常数kn无关的弹簧常数kn，从而弹簧模块的附加容器可以用作流体的补偿容器。
在一种有利的构造形式中，附加容器是缸体，该缸体具有两个缸室，这两个缸室在其相应的容积中可变并且被可移动的分隔活塞分隔开。缸体的两个缸室中的第一缸室作为附加容器容积经由相应的流体管路与减振器区段连接，所述减振器区段的减振器区段容积在减振器的压缩阶段中减小。缸体的两个腔室中的第二缸室容纳相应的附加弹簧模块的相应的附加弹簧。容纳在第二缸室中的附加弹簧借助于分隔活塞加载压力地作用到第一缸室上并且为此支撑在缸体上。
为了节省材料和结构空间地集成地构造多个附加弹簧模块，一个有利的改进方案规定，至少两个附加弹簧模块具有一个共同的缸体。该共同的缸体具有至少三个缸室，这些缸室分别由分隔活塞分隔开。第一缸室容纳第一附加弹簧模块的附加弹簧，并且第三缸室容纳第二附加弹簧模块的附加弹簧。所述附加弹簧分别支撑在所述共同的缸体上并且可以共同加载压力地作用到所述第二缸室上。可选地，这两个附加弹簧可以分别向缸室施加压力地作用，其中，第一缸室中的附加弹簧向第二缸室加载压力地作用，并且第三缸室中的附加弹簧向第四缸室加载压力地作用。如果第二和第四缸室直接彼此相邻，则它们通过布置在它们之间的壁彼此分开地构造。
为了改善附加弹簧模块或分隔活塞的响应特性，一种有利的设计变型规定，分隔活塞在各缸室之中的一个缸室与由分隔活塞构成的空腔之间具有膜片。膜片被在缸室中作用的压力压入到空腔中或者被吸入到缸室中。在不足以使整个分隔活塞运动的低压下，膜片作为弹簧元件起作用，从而在低压下也做弹簧功。在足够高的压力下，整个分隔活塞移动。由此改进了附加弹簧模块的响应特性，从而该附加弹簧模块在缸室中的压力变化时更快地或者说已经在更低的压力时做弹簧功。因此也减小了分隔活塞的所谓的滑动粘附效应，因为分隔活塞只有在足够高的压力下才运动，并且在低于该压力的压力情况下通过膜片完成弹簧功。
为了能够实现特别紧凑的并且节约结构空间的弹簧减振器***，一种改进方案规定，各附加弹簧模块之中的至少一个附加弹簧模块与减振器集成地构造并且形成一个结构单元。所述减振器与集成地构造的附加弹簧模块优选布置在承载弹簧的内部，以便整体上形成紧凑的弹簧减振器***。
此外，根据本发明提出了一种用于控制弹簧减振器***的弹簧常数的方法。为此，使用如前所述的根据本发明的弹簧减振器***。为了调节或控制弹簧常数，所述至少两个附加弹簧模块的截止阀分别通过截止阀控制器根据要达到的总弹簧常数kG截止地(截止位置)或释放地(通流位置)控制在相应的附加容器和减振器区段之间的流体流，减振器区段的减振器区段容积在减振器的压缩阶段中减小。
通过该控制和上述结构，至少在减振器与每个附加弹簧模块之间的液压传动比相同的情况下，对于总弹簧常数kG得出下述公式
Figure BDA0002358891100000071
在此，仅如下附加弹簧模块的弹簧常数kn被算入弹簧常数kn的倒数的总和，所述附加弹簧模块的截止阀处于释放相应的附加容器容积和减振器区段容积之间的流体流的位置(通流位置)中。
附图说明
上述公开的特征可以任意组合，只要这在技术上可行并且这些在技术上不相互矛盾即可。本发明的其它有利的改进方案在从属权利要求中表征或者下面与本发明的优选实施方案的说明一起借助附图详细示出。显示：
图1示出了带有两个附加弹簧模块的弹簧减振器***；
图2示出了带有四个附加弹簧模块的弹簧减振器***；
图3示出了具有两个彼此集成地构造的附加弹簧模块的弹簧减振器***。
具体实施方式
附图是示例性地示意性的。附图中相同的附图标记表示相同的功能特征和/或结构特征。
图1至3分别示出一种根据本发明的弹簧减振器***，这些弹簧减振器***分别仅通过它们相应的附加弹簧模块来区分。车辆车身FK和车辆车桥FA通过承载弹簧10相对于彼此支撑，其中，减振器20对运动和在此产生的力进行缓冲。减振器20是支撑在车辆车身FK上的缸体，活塞杆24从车辆车桥FA延伸到该缸体中。活塞杆24在缸体内固定在活塞23上并且由此被构造成通过活塞杆24的运动而使活塞23在缸体内移动。减振器20的缸体被活塞23分成第一减振器区段21和第二减振器区段22，第一减振器区段和第二减振器区段各自限定减振器区段容积。减振器区段21、22和相应从属的减振器区段容积根据活塞杆24和活塞23的运动而减小和增加。当活塞杆24运动进入缸内(压缩阶段)时，第一减振器区段21和从属的减振器区段容积变小，以及第二减振器区段22和从属的减振器区段容积变大，如果活塞杆24从缸体中运动出来(拉伸阶段)，那么第一减振器区段21和从属的减振器区段容积变大，以及第二减振器区段22和从属的减振器区段容积变小。
在图1中，两个附加弹簧模块31、32通过流体管路30与第一减振器区段21或减振器区段容积相连接。所述附加弹簧模块31包括用流体填充的构造为缸体311的附加容器。缸体311中的流体借助于分隔活塞313由附加弹簧312加载压力，从而附加弹簧312的弹簧力对流体施加压力，该压力通过流体管路30传递到减振器20中并且通过减振器20传递到车辆车身FK和车辆车桥FA上。由于第二附加弹簧模块32的截止阀324处于使通往构造为缸体321的附加容器的流体管路中断的位置(截止位置)中，因此附加弹簧322没有作用到在流动方面有效地与减振器20连接的流体上。因此，第二附加弹簧322不作用到车辆车身FK和车辆车桥FA上。在截止阀324的在图1中示出的切换状态下，附加弹簧312和承载弹簧10彼此并联地作用，从而图1的弹簧减振器***的总弹簧常数kG1由承载弹簧的弹簧常数kT和第一附加弹簧模块的弹簧常数k31的和得出(kn，其中n通过起作用的附加弹簧模块31的附图标记来代替)。图1中的总弹簧常数因此由公式kG1＝kT+k31得出。附加弹簧322的弹簧常数k32比弹簧常数k31小许多倍，从而通过将截止阀324从所示截止位置切换到建立与减振器连接的通流位置中，总弹簧刚度kG基本上对应于kT。
在图2所示的弹簧减振器***中，四个附加弹簧模块31、32、33、34分别构造有截止阀314、324、334、344，节流阀315、325、335、345分别在流体技术上与所述截止阀并联，从而在附加弹簧模块31、32、33、34或减振器20之间的压差高的情况下会出现缓慢的压力平衡。各附加弹簧模块分别具有缸体311、321、331、341，在所述缸体中，流体相应地借助于分隔活塞313、323、333、343由附加弹簧312、322、332、342向所述缸体加载压力。第二和第三附加弹簧模块的截止阀324、334在其相应的通流位置中，从而第二和第三附加弹簧模块32、33的附加弹簧322、332借助于流体将其弹簧力传递到减振器20上并且因此传递到车辆车身FK和车辆车桥FA上。附加弹簧322、332相互串联地且平行于承载弹簧10地作用，从而在图2所示的截止阀314、324、334、344的切换位置中得到作为用于弹簧减振器***的总弹簧常数kG2的公式
Figure BDA0002358891100000101
图3示出了一种对于图1中的弹簧减振器***替代的实施方式，在其中，第一和第二附加弹簧模块41、42具有共同的缸体40，在所述缸体中布置了相应的由附加弹簧44、45加载压力的附加容器。附加弹簧模块41、42的仅第二附加弹簧模块42包括截止阀46，节流阀47与该截止阀并联。由于处于其通流位置中的截止阀46的切换位置，所述附加弹簧模块41、42的附加弹簧44、45彼此串联地作用。因为如在图1中所描述的一样，所述附加弹簧41、42的弹簧常数之中的一个弹簧常数非常小，所以附加弹簧模块41、42的附加容器基本上用作用于通过活塞杆24挤出的流体的补偿容器，而没有对弹簧减振器***的总弹簧常数kG产生较大影响。因此，图3中弹簧减振器***的总弹簧常数kG基本上与承载弹簧的弹簧常数kT相等。
本发明在其实施方案中不限于上述优选实施例。相反，可以设想多种变型，这些变型即使在基本上不同类型的实施方案中也可以由所示出的解决方案使用。例如，附加弹簧的相应预紧可以通过相应的预紧机构机械地调节。

Claims (11)

1.一种用于机动车的车轮悬架的弹簧减振器***，包括具有弹簧常数kT的承载弹簧(10)和与所述承载弹簧(10)并联并且填充有流体的减振器(20)，其特征在于，
所述弹簧减振器***还包括至少两个附加弹簧模块(31、32、33、34)，所述附加弹簧模块分别具有附加容器(311、321、331、341)，其中，每个附加容器包括附加容器容积，所述附加容器容积由具有弹簧常数kn的附加弹簧(312、322、332、342)加载压力，并且各附加容器容积分别通过流体管路(30)流动有效地与减振器(20)的减振器区段(21)连接，所述减振器区段的减振器区段容积在减振器(20)的压缩阶段中减小，其中，所述至少两个附加弹簧模块(31、32、33、34)中的至少一个附加弹簧模块包括可控的截止阀(314、324、334、344)，利用所述截止阀能够截止相应的流体管路(30)。
2.根据权利要求1所述的弹簧减振器***，其中，所述至少两个附加弹簧模块(31、32、33、34)中的至少一个附加弹簧模块包括并联于截止阀(314、324、334、344)作用的、对通过相应的流体管路的流动进行节流的节流阀(315、325、335、345)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的弹簧减振器***，其中，所述至少两个附加弹簧模块(31、32、33、34)之中的一个附加弹簧模块的相应的附加弹簧(312、322、332、342)是气压弹簧或螺旋弹簧。
4.根据前述权利要求中任一项所述的弹簧减振器***，其中，各所述弹簧常数kn彼此不同。
5.根据前述权利要求中任一项所述的弹簧减振器***，其中，各弹簧常数kn之中的一个弹簧常数kn位于1至2N/mm之间。
6.根据前述权利要求中任一项所述的弹簧减振器***，其中，各附加弹簧模块(31、32、33、34)的附加弹簧(312、322、332、342)的弹簧常数kn是彼此的多倍。
7.根据前述权利要求中任一项所述的弹簧减振器***，其中，所述附加容器是缸体(311、321、331、341)，所述缸体具有两个缸室，这两个缸室在其容积方面可变并且被可移动的分隔活塞(313、323、333、343)分隔开，其中，
第一缸室作为附加容器容积通过相应的流体管路(30)与所述减振器区段(21)连接，在减振器(20)的压缩阶段中，所述减振器区段的减振器区段容积减小，并且
第二缸室容纳相应的附加弹簧(312、322、332、342)，所述附加弹簧通过所述分隔活塞(313、323、333、343)加载压力地作用到第一缸室上。
8.根据前一项权利要求所述的弹簧减振器***，其中，至少两个附加弹簧模块(41、42)具有共同的缸体(40)，该缸体具有至少三个分别通过分隔活塞(43)分隔开的缸室，其中，所述第一缸室容纳第一附加弹簧模块(41)的附加弹簧(44)，并且第三缸室容纳第二附加弹簧模块(42)的附加弹簧(45)。
9.根据前述权利要求7或8中任一项所述的弹簧减振器***，其中，所述分隔活塞具有在各缸室之中的一个缸室与由分隔活塞形成的空腔之间的膜片。
10.根据前述权利要求中任一项所述的弹簧减振器***，其中，各附加弹簧模块(31、32、33、34、41、42)中的至少一个附加弹簧模块被集成地构造成与减振器形成一个结构单元。
11.一种用于利用根据前述权利要求中任一项所述的弹簧减振器***进行弹簧常数控制的方法，其中，所述至少两个附加弹簧模块(31、32、33、34、41、42)的截止阀(314、324、334、344、46)分别通过截止阀控制器根据要达到的总弹簧常数kG截止或释放地控制在相应的附加容器(311、321、331、341)与减振器区段(21)之间的流体流，所述减振器区段的减振器区段容积在减振器(20)的压缩阶段中减小，从而至少在减振器(20)与各附加弹簧模块之中的每个附加弹簧模块之间的液压传动比相同的情况下，从以下公式得到总弹簧常数kG，
Figure FDA0002358891090000031
其中，仅其截止阀(314、324、334、344、46)处于释放流体流的位置中的附加弹簧模块(31、32、33、34、41、42)的弹簧常数kn被算入弹簧常数kn的倒数的总和。
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