一种具有刚度连续调节的汽车横置板簧悬架系统的制作方法

本发明属于车辆悬架系统技术领域，具体涉及一种汽车横置板簧悬架系统。

背景技术：

当乘用车辆的乘载人数变化时，簧载质量变化较大，传统车辆悬架弹性元件的刚度固定，不可调节。质量变化时引起的偏频和阻尼比变化将对车辆平顺性造成较大影响。现有板簧刚度调节方式包括：1多级板簧，使车辆在空载和满载时接触板簧数量不同；2增加板簧连接点，使车辆在不同载荷时悬臂长度不同；3通过液压或电动系统调节板簧接触点位置。前两种方法属于被动且有级调节，对车辆行驶的平顺性的改善能力有限。第三种方法虽能实现刚度的连续调节，但需要持续维持作动力，需要消耗较多的能量，且作动器价格相对昂贵。

技术实现要素：

为了实现根据簧载质量的变化，相应的调节悬架系统的刚度、阻尼，使车辆的偏频和阻尼比保持不变，满足平顺性需求，本发明提供一种具有刚度连续调节的汽车横置板簧悬架系统。

一种具有刚度连续调节的汽车横置板簧悬架系统包括一对上支架2、一对下支架3和横置板簧1，一对上支架固定连接着车架的上部，一对下支架固定连接着车架的下部，所述横置板簧1对应位于车架横梁下方，所述横置板簧1为玻璃纤维板簧；改进如下：

所述横置板簧1上设有刚度连续调节机构；所述刚度连续调节机构包括一对可变阻尼减振器7、驱动电机12、传动机构和一对滑轮机构；

所述一对可变阻尼减振器7分别位于横置板簧1的两端；可变阻尼减振器7的一端连接着上支架2，另一端连接着悬架下控制臂；

所述传动机构包括双向丝杠9和一对齿轮；双向丝杠9的两侧丝杠螺纹旋向相反；

所述滑轮机构包括上导向滑轮6、下导向滑轮5和滑轮座4；一对滑轮机构分别通过滑轮座4跨设在车架横梁和横置板簧1上，上导向滑轮6位于上支架2横梁中间的顶部，下导向滑轮5位于横置板簧1中间的底部，对上支架2横梁和横置板簧1呈上下夹持状；

工作时，驱动电机10通过传动机构带动一对滑轮机构做等速的同向或反向直线移动，实现对横置板簧1弯曲变形程度的调节，从而实现横置板簧1的刚度调节。

进一步限定的技术方案如下：

所述双向丝杠9的两端通过限位支座8固定设于车架上部，且平行位于车架横梁的上方；所述一对滑轮座4通过丝杠螺母设于双向丝杠9的中部；所述一对齿轮由主动齿轮10和从动齿轮11组成；所述从动齿轮11固定设于一对滑轮座4之间的双向丝杠9上；所述主动齿轮10设于驱动电机12的输出轴上；通过主动齿轮10和从动齿轮11啮合传动、双向丝杠9的转动带动一对滑轮座4沿双向丝杠9等速的同向或反向直线移动。

所述滑轮座4呈倒u型，所述上导向滑轮6和下导向滑轮5分别通过轮轴设于滑轮座4的开口端内，滑轮座4的封闭端设有丝杠螺母；所述一对滑轮座4分别通过丝杠螺母和双向丝杠9配合连接。

所述驱动电机12为直流永磁电机，固定设于限位支座8上。

所述主动齿轮10和从动齿轮11的传动比为3.5～5。

所述双向丝杠9的丝杠螺纹导程为2mm，当双向丝杠9静止时，滑轮座4实现自锁。

所述限位支座8包括一对支杆，分别固定直立设于车架的上部两侧，一对支杆的外侧上部分别设有凸块；所述可变阻尼减振器7的上端固定连接着限位支座8的凸块，可变阻尼减振器7的下端固定连接着悬架下控制臂。

本发明的工作原理说明如下：

驱动电机12通过传动齿轮带动双向丝杠9旋转，从而驱动滑轮座4作直线运动。实现悬架刚度调节。当传动过程无打滑现象时，电机旋转角度θ与板簧悬臂长度x满足以下关系

x＝ig1ig2θ(1)

其中ig1、ig2分别为主动齿轮10、双向丝杠9的传动比。由此可知，电机旋转角度θ与板簧悬臂长度x成正比。单侧板簧刚度k与悬臂长度x满足以下关系：

其中e为板簧弹性模量，i为板簧截面惯性矩。

根据公式(2)，可计算电机旋转角度θ与板簧刚度k的关系为：

因此，通过调节电机旋转角度可实现悬架系统刚度的精确调节。

可变阻尼减振器7与悬架系统控制器相连。以连续可变阻尼减振器为例，其阻尼系数c在可调范围内与控制电流i成正比，通过调节供电电流大小可实现悬架系统阻尼的精确调节。

压力传感器布置于座椅底部或横置板簧1与上支架2的连接处。以压力变送器为例，其信号线与悬架系统控制器相连，当簧载质量发生变化时，压力传感器所受压力随之改变，可将压力变化以模拟信号的行式输出。

悬架系统控制器采集压力传感器输出的模拟信号，并将传感器采集到的压力变化换算为簧载质量的变化。同时控制可变阻尼减振器7、驱动电机12对悬架系统的阻尼和刚度进行相应的调节。

当把1/4车辆模型简化为线性二自由度振动模型时，车身振动的偏频和阻尼比分别为：

其中，m为簧载质量，k为悬架系统刚度，c为悬架系统阻尼。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.本发明通过电机驱动螺母座沿双向丝杠直线运动，可以调节横置板簧悬置力臂长度，因板簧刚度变化与悬臂长度3次方成反比，故该调节机构实现了板簧刚度的大范围连续调节，以某型乘用车板簧为例，其最大可调刚度约为最小可调刚度的5倍。当簧载质量发生变化时，可以相应的改变板簧刚度，维持悬架系统偏频不变，满足平顺性需求。

2.双向丝杠可实现刚度调节机构的位置自锁，刚度调整到设定值后，无需持续输入能量维持刚度，节能经济。当电控系统出现故障时，原有刚度能够通过自锁保持不变，提高系统的安全可靠性。

3.本发明刚度连续调节机构均为常见的传动零部件，无液压、强电系统参与，控制方式简单高效。结构紧凑，尺寸小，成本低廉，易于实现。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为图1的主视图；

图3为图1的局部放大图；

上图中序号：横置板簧1、上支架2、下支架3、滑轮座4、下导向滑轮5、上导向滑轮6、可变阻尼减振器7、限位支座8、双向丝杠9、主动齿轮10、从动齿轮11、驱动电机12。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

参见图1，一种具有刚度连续调节的汽车横置板簧悬架系统包括一对上支架2、一对下支架3和横置板簧1。一对上支架固定连接着车架的上部，一对下支架固定连接着车架的下部，横置板簧1对应位于车架横梁下方，横置板簧1为玻璃纤维板簧。

横置板簧1呈弓形，其上端中部与上支架横梁连接，下端两侧与悬架下控制臂连接。具体地，横置板簧1中部有孔，通过螺栓固定在上支架横梁的下端面上。横置板簧1两侧下端向反向弯卷，卷绕在下控制臂连接销上，当板簧发生弯曲变形时，板簧末端可相对下控制臂连接销伸缩。

上支架2焊接于车架的上部，其上安装有悬架上控制臂、限位支座8。具体地，悬架上控制臂通过关节轴承连接上支架，可随车轮跳动上下摆动。限位支座8包括一对支杆，一对支杆的外侧上部分别设有凸块。限位支座8通过螺栓分别安装在上支架2两侧，用于安装双向丝杠9，使其可沿轴向旋转；同时限位支座8可限制滑轮座4的最大运动行程。下支架3焊接于车架的下部，其上安装有悬架下控制臂。悬架下控制臂通过关节轴承连接下支架3，可随车轮跳动上下摆动。

横置板簧1上安装有刚度连续调节机构。刚度连续调节机构包括一对可变阻尼减振器7、驱动电机12、传动机构和一对滑轮机构。驱动电机12为直流永磁电机，固定安装于限位支座8上。

可变阻尼减振器7的上端固定连接着限位支座8的凸块，可变阻尼减振器7的下端固定连接着悬架下控制臂。

一对可变阻尼减振器7分别位于横置板簧1的两端；可变阻尼减振器7的一端连接着上支架2，另一端连接着悬架下控制臂。

参见图2，传动机构包括双向丝杠9和一对齿轮。双向丝杠9的两端通过轴承安装在限位支座8上，且平行位于车架横梁的上方。双向丝杠9的两侧丝杠螺纹旋向相反。一对齿轮由主动齿轮10和从动齿轮11组成；从动齿轮11通过花键安装于一对滑轮座4之间的双向丝杠9上；主动齿轮10安装于驱动电机12的输出轴上。通过主动齿轮10和从动齿轮11啮合传动、双向丝杠9的转动带动一对滑轮座4沿双向丝杠9实现等速的同向或反向直线移动。双向丝杠9的丝杠螺纹导程为2mm，当丝杠静止时，滑轮座4可实现自锁。

参见图3，滑轮机构包括上导向滑轮6、下导向滑轮5和滑轮座4。滑轮座4呈倒u型，上导向滑轮6和下导向滑轮5分别通过轮轴安装于滑轮座4的开口端内，滑轮座4的封闭端安装有丝杠螺母。一对滑轮座4通过丝杠螺母安装于双向丝杠9的中部，且跨装在车架横梁和横置板簧1上，上导向滑轮6位于上支架2横梁中间的顶部，下导向滑轮5位于横置板簧1中间的底部，对上支架2横梁和横置板簧1呈上下夹持状。

当需要提高横置板簧1的刚度时，驱动电机12通过传动齿轮带动双向丝杠9向一侧转动，本实施例中为顺时针转动。由于双向丝杠9两侧螺纹旋向相反，左右两侧的滑轮座4将以相同速度向两侧车轮方向运动。电机转动角度θ与滑轮座移动距离x满足以下关系：

x＝ig1ig2θ(1)

其中ig1、ig2分别为主动齿轮10、双向丝杠9的传动比。由此可知，电机旋转角度θ与板簧悬臂长度x成正比。

当滑轮座4向两侧运动时，由于上导向滑轮6与下导向滑轮5之间距离固定不变，下导向滑轮5将逐渐压迫横置板簧1与上支架2横梁贴合，使板簧曲率减小，板簧可自由摆动臂长减小，刚度提高。当滑轮座4运动至两侧限位支座时，横置板簧1达到最大刚度kmax。单侧板簧刚度k与自由摆动悬臂长度l满足以下关系：

其中e为板簧弹性模量，i为板簧截面惯性矩。

同理，当需要降低板簧刚度时，只需让驱动电机12逆时针转动，带动两侧滑轮座4相向运动，使横置板簧1的摆动悬臂增长即可，当滑轮座4运动至从动齿轮11处时，板簧达到最小刚度kmin。

由于滑轮座4位置可连续调节，因此，横置板簧1的刚度可在最小刚度kmin与最大刚度kmax之间连续调节。由于滑轮座4能在双向丝杠9上自锁，因此驱动电机12将滑轮座4驱动至目标位置后即可停止输出力矩，降低能耗。

实施例1

使用本发明的某型7座suv车辆悬架系统。

悬架调节系统结构参数如下：横置板簧弹性模量为e＝420gpa，截面惯性矩i＝5×10^-9m⁴，悬臂调节范围为550mm-750mm。根据公式(2)，其刚度调节范围为29800n/m-75700n/m。双向丝杠9的导程为2mm，主动齿轮10的齿数为19，从动齿轮11的齿数为67，传动比为3.53。驱动电机12的功率为400w、额定扭矩1.27nm、额定转速3000rpm。

初始条件下，当仅有驾驶员一人乘坐时，乘客质量按75kg计算，簧载质量m1为1385kg。悬架默认初始刚度k1为31150n/m，根据公式(2)计算，此时板簧悬臂长度为740mm。根据公式(4)计算此时单侧车轮偏频为并认为该偏频为最佳大小。

同时，悬架默认初始阻尼系数c1为2600ns/m，根据公式(5)计算此时单侧车轮的阻尼比为并认为该阻尼比为最佳大小。

当车内坐满7名乘客时，簧载质量m7为1835kg。在原有默认刚度k1下的单侧车轮偏频为偏离最佳偏频将使得乘坐舒适性变差。若要保持单侧车轮偏频不变，则悬架刚度应调整为该刚度对应的板簧悬臂长度为670mm。需要对滑轮座4的位置进行调节。

滑轮座4所需调节距离为70mm，丝杠导程为2mm，计算可知，当双向丝杠9顺时针转动35转时，每一侧滑轮座4均向各自车轮方向移动距离为35×2＝70mm。根据传动齿轮之间的传动比为3.53计算，驱动电机12需转动35×3.53＝123.5转，当驱动电机12以额定转速3000rpm驱动时，可在2.47s将滑轮座4调节至目标位置，达到所需板簧刚度。

同时，为了保持阻尼比大小不变，根据公式(5)计算此时的阻尼系数应调整为可通过改变可调阻尼减振器7供电电流实现调节。

根据上述方法，当传感器检测到乘坐人数不同，簧载质量发生变化时，可根据公式(4)(5)计算出目标板簧刚度及减振器阻尼系数。接着通过驱动电机12将滑轮座4调节至相应位置并调节减振器阻尼，从而改善乘坐舒适性。

实施例2：

使用本发明的某型12座mpv车辆悬架系统。

悬架调节系统结构参数如下：横置板簧弹性模量为e＝420gpa，截面惯性矩i＝1.37×10^-8m⁴，悬臂调节范围为400mm-750mm。根据公式(2)，其刚度调节范围为82000n/m-540000n/m。双向丝杠9的导程为2mm，主动齿轮10的齿数为17，从动齿轮11的齿数为73，传动比为4.29。驱动电机12功率为750w、额定扭矩2.39nm、额定转速3000rpm。

初始条件下，当仅有驾驶员一人乘坐时，乘客质量按75kg计算，簧载质量m1为1695kg。悬架默认初始刚度k1为88900n/m，根据公式(2)计算，此时板簧悬臂长度为730mm。根据公式(4)计算此时单侧车轮偏频为并认为该偏频为最佳大小。

同时，悬架默认初始阻尼系数c1为3500ns/m，根据公式(5)计算此时单侧车轮的阻尼比为并认为该阻尼比为最佳大小。

当车内乘坐7名乘客时，簧载质量m7为2145kg。若要保持单侧车轮偏频不变，则悬架刚度应调整为该刚度对应的板簧悬臂长度为675mm。需要对滑轮座4的位置进行调节。

滑轮座4所需调节距离为55mm，丝杠导程为2mm，计算可知，当双向丝杠9顺时针转动27.5转时，每一侧滑轮座4均向各自车轮方向移动距离为27.5×2＝55mm。根据传动齿轮之间的传动比为4.29计算，驱动电机12需转动27.5×4.29＝118转，当驱动电机12以额定转速3000rpm驱动时，可在2.36s将滑轮座4调节至目标位置，达到所需板簧刚度。

同时，为了保持阻尼比大小不变，根据公式(5)计算此时的阻尼系数应调整为可通过改变可调阻尼减振器7供电电流实现调节。

当车内坐满12名乘客时，簧载质量m12为2520kg。若要保持单侧车轮偏频不变，则悬架刚度应调整为该刚度对应的板簧悬臂长度为640mm。需要继续对滑轮座4的位置进行调节。

滑轮座4所需调节距离为35mm，丝杠导程为2mm，计算可知，当双向丝杠9顺时针转动17.5转时，每一侧滑轮座4均向各自车轮方向移动距离为17.5×2＝35mm。根据传动齿轮之间的传动比为4.29计算，驱动电机12需转动17.5×4.29＝75转，当驱动电机12以额定转速3000rpm驱动时，可在1.5s将滑轮座4调节至目标位置，达到所需板簧刚度。

同时，为了保持阻尼比大小不变，根据公式(5)计算此时的阻尼系数应调整为可通过改变可调阻尼减振器7供电电流实现调节。

根据上述方法，当传感器检测到乘坐人数不同，簧载质量发生变化时，可根据公式(4)(5)计算出目标板簧刚度及减振器阻尼系数。接着通过驱动电机12将滑轮座4调节至相应位置并调节减振器阻尼，从而改善乘坐舒适性。