模拟线圈弹簧装置及其控制方法与流程

本发明涉及如悬架用线圈弹簧等能够产生反作用力的模拟线圈弹簧，及其控制方法。

背景技术：

车辆用悬挂装置的一种是麦弗逊式撑杆型悬架装置。麦弗逊式撑杆型悬架装置具有线圈弹簧、以及配置在线圈弹簧内侧的撑杆(减震器)。在所述线圈弹簧的上方施加压力使线圈弹簧压缩，所述线圈弹簧根据负重的大小产生相应收缩，同时所述撑杆也收缩。

麦弗逊式撑杆型悬架装置中，为了减少撑杆的滑动阻力，线圈弹簧的反作用力线位置偏离线圈弹簧的中心。例如将反作用力线设置在所述撑杆摩擦最小的位置处。因此需要知道线圈弹簧的反作用力线位置与撑杆滑动阻力的关系。然而生产的不同种类的线圈弹簧反作用力线都不相同，这样进行研究会浪费大量的时间和经费。因此我们提出使用模拟线圈弹簧代替线圈弹簧。

例如美国专利文件第7606690号(专利文件1)公开了一种模拟线圈弹簧装置。此外日本弹簧协会(名古屋)在2003年11月1日公开发表的预备稿件的第21-24页“通用弹簧的反作用力线对车辆特性影响的研究”(非专利文件1)，以及2014年4月8日在美国底特律发表的sae2014“线圈弹簧反作用力线对悬架装置特性的研究”(非专利文件2)都公开展示了改良的模拟线圈弹簧装置。这些模拟线圈弹簧装置都具有管家平台型平行结构，平行结构中具有6个液压气缸。每个液压气缸通过液压产生动作，产生与线圈弹簧相当的反作用力。

技术实现要素：

【发明拟解决的技术问题】

线圈弹簧根据轴方向施加的负荷重量长度(弯曲)会产生变化。对于弹簧常数指定的线圈弹簧，根据负荷的重量长度(弯曲)成比例增加。对于具有线圈弹簧的悬架装置，根据线圈弹簧的长度(压缩量)，特性(例如撑杆的滑动阻力或转向销动量)会发生变化。而且对于不同种类的线圈弹簧，弹簧常数并不是一定的。例如有的线圈弹簧随着压缩量的增加，弹簧常数也会增加。

专利文件1和非专利文件1，2中公开的现有模拟线圈弹簧装置中，针对上方施加的负荷重量，通常将指定压力的液体提供给各液压气缸。于是各液压气缸对上方施加的压缩重量通常会产生一定的反作用力。然而现有的模拟线圈弹簧装置，各液压气缸不能根据压缩的量产生相当的反作用力，并且对模拟线圈弹簧的种类也有限制，仍有改善余地。

于是，本发明提供了一种模拟弹簧装置，所述装置能够根据压缩的量使液压气缸产生相对应的反作用力，并且能够模拟多种线圈弹簧，此外还提供了控制方法。

【发明解决技术问题的方法】

本发明的其中一个实施例中，模拟弹簧装置包括具有撑杆的下侧弹簧基座和上侧弹簧基座，配置在所述下侧弹簧基座的第1附件部材料、配置在所述上侧线圈弹簧基座的第2附件部材料、所述第1附件部材料和所述第2附件部材料之间配置的伸缩动作的往复运动气缸单元，弹簧高度检测结构和控制部。所述弹簧高度检测结构检测第1附件部材料和第2附件部材料之间距离的变化量。所述控制部根据所述弹簧高度检测结构检测得到的所述变化量控制所述往复运动气缸单元。

所述往复运动气缸单元的一种是由管家平板型平行结构组成，所述结构具有6个液压气缸，位于所述第1附件部和第2附件部中间，能够改变倾斜角度。所述弹簧高度检测结构中的一种由直线变位计组成，分别配置在各个液压气缸上。所述变位计能够分别从所述各液压气缸的基准长度开始分别检测出变位量。变位计的一种是分别配置冲杆的lvdt(linearvariabledifferentialtransformer)。并且本实施例的模拟线圈弹簧装置还可以配备引导所述冲杆直线运动的导向杆。此外本实施例的模拟线圈弹簧装置还可以具有第1内部负载传感器和第2内部负载传感器，第1内部负载传感器能够检测出所述下侧弹簧基座沿着轴方向施加的力以及轴周围的动量，所述第2内部负载传感器能够检测出所述上侧弹簧基座沿着轴方向施加的力以及轴周围的动量。

配备所述变位计的线圈弹簧模拟装置根据所述变位计检测出的各液压气缸的变位量，计算出从基准高度开始的垂直方向的变位。所述垂直方向变位的弹簧常数乘以垂直负荷重量，合计为初期垂直负荷重量。然后适用合计值控制个液压气缸的液压，然后与实际线圈弹簧一样，控制弹簧常数的负荷重量(控制反作用力)。

【发明效果】

本发明实施例中的模拟线圈弹簧装置中，与具有弹簧常数的实际弹簧一样，根据压缩的量，各液压气缸能够产生反作用力，这样即使不适用试剂线圈弹簧，也能进行配备线圈弹簧的悬架装置的同等实验。

附图说明

图1是麦弗逊式撑杆型悬架装置的截面图。

图2是一种实施例中线圈弹簧装置的斜视图。

图3是图2所示模拟线圈弹簧装置的侧面图。

图4是图2所示模拟线圈弹簧装置的底面图。

图5是将图4沿着f5-f5的截面图。

图6是图2所示的模拟线圈弹簧装置构成的简略模式图。

图7是图2所示的模拟先圈弹簧装置的一部分模式的斜视图。

图8是各液压变位量与液压关系的示意图。

具体实施方式

图1显示了一种用于车辆的悬挂装置，该装置为麦弗逊式撑杆型悬架装置1。所述悬挂装置1包括用作撑杆2的减震器，悬架用线圈弹簧3(以后简称为线圈弹簧3)。撑杆2包括作为第1撑杆要件1的外筒4和作为第2撑杆要件的杆5。杆5插入外筒4中。插入外筒4的杆5缱绻具有减震发生结构。外筒4和杆5相互沿着l1轴的方向(撑杆轴)方向移动。

外筒4配置在下侧弹簧基座10。外筒4的下端配置在支架11上。支架11上安装关节部材料12。通过关节部材料12支撑车辆轴。杆5的上端配置上侧弹簧基座15。上侧弹簧基座15和身体部材料16之间配置固定绝缘体17。操作转向装置，将转向盘的操作力输入关节部材料12中，关节部材料12沿着转向销轴l2的周围旋转。线圈弹簧3配置在下侧弹簧基座10和上侧弹簧基座15之间，呈压缩状态。

下面以1种实施例为例，参照图2至图10对线圈弹簧装置20进行说明。图2是模拟线圈弹簧装置20的斜视图。图3是模拟线圈弹簧装置20的侧面图。图4为模拟线圈弹簧装置20的底面图。图5使图4沿f5-f5线的截面图。

模拟线圈弹簧装置20使用的撑杆2a(如图5所示)，包括作为第1撑杆要件的外筒4a、作为第2撑杆要件的杆5、下侧弹簧基座10a、支架11a和上侧弹簧基座15a。下侧弹簧基座10a安装在外筒4a。上侧弹簧基座15a位于下侧弹簧基座10a的上方，配置在杆5a附近。杆5a相对于外筒4a沿着轴l1(撑杆轴)方向移动。

模拟线圈弹簧装置20包括第1附件部材料21、第2附件部材料22、第1片状适配器27、第2片状适配器28、由管家平台型平行结构组成的往复运动气缸单元30、液压供给装置37、第1内部负载传感器41、第2内部负载传感器42、基础部材料45、旋转支持结构50和控制部70。

第1附件部材料21固定在下侧弹簧基座10a上。第1附件部材料21包括配置在下侧弹簧基座10a上方的第1原板部21a、从第1原板部21a向下方延伸的圆筒形第1延伸部21b和从第1延伸部21b下侧向外侧突出的第1凸缘部21c。也就是说第1附件部材料21呈心型结构。第1凸缘部21c沿着圆周方向的6个地方分别配置下侧关节连接部25。

第2附件部材料22固定在上侧弹簧基座15a上。第2附件部材料22包括配置在上侧弹簧基座15a上方的第2原板部22a、从第2原板部22a向上侧延伸的圆筒形第2延伸部22b和从第2延伸部22b上侧向外侧突出的第2凸缘部22c。也就是说第2附件部材料22呈倒心型结构。第2凸缘部22c沿着圆周方向的6个地方分别配置上侧关节连接部26。

下侧弹簧基座10a上侧配置第1片状适配器27。第1片状适配器27有铝合金等比铁轻的轻金属合金组成，具有平坦的上表面27a。第1片状适配器27的下表面27b具有与下侧弹簧基座10a嵌合的形状。

上侧弹簧基座15a下侧配置第2片状适配器28。第2片状适配器28也是由铝合金等比铁轻的轻金属合金组成，具有平坦的下表面28a。第2片状适配器28的上表面28b呈与上侧弹簧基座15a嵌合的形状。第2片状适配器28的下表面28a与第1片状适配器27的下表面平行。

第1附件部材料21的凸缘部21c位于下侧弹簧基座10a的下方。第2附件部材料22的凸缘部22c位于上侧弹簧基座15a的上表面。所述凸缘部21c和22c之间配置通过液压产生伸缩动作的往复运动气缸单元30。往复运动气缸单元30的其中一种为管家平台型平行结构。

图6为模拟线圈弹簧装置20构成的模式图。图7为模拟线圈弹簧20一部分的模式斜视图。由管家平台型平行结构组成的往复运动气缸单元30具有6个液压气缸311-316。这些液压气缸311-316中，相邻的液压气缸之间呈垂直线h(如图6所示)的角度相互在+θ或－θ倾斜变化。

6个液压气缸311-316的构造相同，此处仅以第1液压气缸311为代表进行说明。液压气缸311具有通过液压(例如油压)驱动的活塞杆32、使活塞杆32向第1方向(延伸侧)移动的第1液压室33、使活塞杆32向第2方向(收缩侧)移动的第2液压室34。第1液压室33和第2液压室34分别通过软管35、36与液压供给装置37连接。

液压供给装置37将产生的液压分别供给给第1液压室33和第2液压室34，于是使液压气缸311在延伸侧和收缩侧移动。液压气缸311的下端通过球窝接头等自由接头38，与第1附件部材料21的关节连接部25自由摇动连接。液压气缸311的上端通过球窝接头等自由接头39，与第2附件部材料22的关节连接部26自由摇动连接。

每个液压气缸311-316分别配置直线变位计401-406。通过这些变位计401-406，构成高度检测结构40a。每个变位计401-406的相互构造相同，因此这里仅以第1液压气缸311上配置的第1变位计401为代表进行说明。

变位计401的一种为具有冲杆54的lvdt(linearvariabledifferentialtransformer)。所述变位计401能够从液压冲杆311基准长度的变化(活塞杆32的基准位置)检测出直线变位。变位计401还可以使用光学线性编码器、磁力线性刻度等直线变位计。也就是说可以使用其它检测原理的直线变位计。

变位计401通过安装配件板55安装在液压气缸311、。变位计401的冲杆54通过连接部材料56与液压气缸311的活塞杆32的前端连接。安装配件板55中插入导向杆57。导向杆57通过连接部材料56与冲杆54连接。活塞杆32、冲杆54和导向杆57保持相互平行的关系，沿着液压轴线311的轴线方向移动。导向杆57引导活塞杆32和冲杆54的直线运动。此外，其它变位计402-406与第1变位计401的构成相同，图2-图5中共同的部分使用相同的符号标出。

第1附件部材料21的圆板部21a和第1片状适配器27之间配置第1内部负载传感器41。第1内部负载传感器41收纳在第1附件部材料21中，配置在下侧弹簧基座10a的上方。第1内部负载传感器41具有使外筒4a插入的贯穿孔41a、与第1圆板部下表面连接的扁平上表面41b、与第1片状适配器27上表面27a连接的扁平下表面41c，第1内部负载传感器41呈环状。第1内部负载传感器41中，上表面41b和下表面41c与轴l1呈直角，固定在第1片状适配器27上。

第1内部负载传感器41与旋转支持结构50同轴，也就是说内部负载传感器41的中心与轴l1位置一致。第1内部负载传感器41中，在第1片状适配器27上表面27a产生的轴力能够在轴周围检出动量。第1内部负载传感器41与外筒4a、下侧弹簧基座10a、第1片状适配器27和第1附件部材料21共同围绕轴l1转动。

第2附件部材料22的圆板部22a和第2片状适配器28之间配置第2内部负载传感器42。第2内部负载传感器42收容在第2附件部材料22中，配置在上侧弹簧基座15a的下方。第2内部负载传感器42具有使杆5a插入的贯穿孔42a、与第2圆板部上表面连接的扁平下表面42b、与第2片状适配器28下表面28a连接的扁平上表面42c，第2内部负载传感器41呈环状。21内部负载传感器42中，下表面42b和上表面42c与轴l1呈直角，固定在第2片状适配器28上。

第2内部负载传感器42与第1内部负载传感器41相同，与旋转支持结构50同轴，也就是说内部负载传感器42的中心与轴l1位置一致。第2内部负载传感器42中，在第2片状适配器28的下表面28a产生的轴力能够在轴周围检出动量。第2内部负载传感器41与上侧弹簧基座10a、第2附件部材料22和第2片状适配器28共同围绕轴l1转动。

上侧弹簧基座15和基本部材料45之间配置旋转支持结构50。旋转支持结构50相对于基础部材料45，使往复运动气缸单元30围绕着轴l1自由旋转。旋转支持结构50的一种为滚珠轴承，具有下侧的轴承部材料51、上侧的轴承部材料52、以及收容在轴承部材料51、52之间的多个转动材料53。下侧轴承部材料51配置在上侧弹簧基座15a的上面。上侧轴承部材料52配置在基本材料45的下面。

下面对模拟螺旋弹簧20的作用进行说明。

如图7所示，管家平台型平行结构组成的往复运动气缸单元30对6个轴力p1-p6进行合成，在6个自由度形成任意的力场。也就是说，6个液压气缸311-316产生的力的矢量中，轴l1方向的合成力是与线圈弹簧相当的反作用力。例如6个轴力p1-p6合成的值为正数值时，产生沿着轴l1向上的力pz。

下侧弹簧基座10a和上侧弹簧基座15a之间的往复运动气缸单元30如果发生收缩，6个液压气缸311-316产生的力的矢量中，轴方向的力施加至下侧弹簧基座10a。此时图7的坐标系中产生3种相互正交关系的轴力(px，py，pz)，发生三种动量(mx，my，mz)。向下侧弹簧基座10a施加的6种力(px，py，pz，mx，my，mz)通过第1内部负载传感器41检出，输入控制部70(如图6)所示。此外上侧弹簧基座15a施加的6种力通过第2内部负载传感器42检出，输入控制部70。基于这6种力，计算出反作用力的(负重轴)l3的中心位置。

此外6种轴力p1-p6在轴l1周围及其动量合计为在轴l1周围的动量mz。例如如图7所示，3个液压气缸311、313、315发生的力(正mz产生的轴力)合计比其它三个液压气缸312、314、316产生的力(负mz产生的轴力)更大时，在往复运动气缸单元30的上端(上侧弹簧基座15a)产生正mz的值。也就是说，6个液压气缸311-316产生的力的矢量沿着轴周围的成分为轴l1周围的动量(mz)。转向销轴l2受到6分力的影响，在转向轴l2周围发生动量(转向销动量)。因此，通过往复运动气缸单元30使6种力一边发生变化一边对转向销轴l2周围的动量进行测定。

变位计401-406通过各液压气缸311-316的基准长度检测出变位量。于是液压供给装置37通过变位计401-406检测出的所述变位量，将相应的液压供给给各液压气缸311-316。因为每个变位计401-406的功能是相同的，此处对配置在第1液压气缸311的第1变位计401为代表进行说明。

变位计401-406的输出进入控制部70。控制部70通过变位计401检测出的液压气缸311的变位量，从液压气缸311基准高度计算垂直方向变位。所述垂直方向变位乘以弹簧常数得到垂直负荷重量，再加上初期负荷重量。利用所述合计值控制液压气缸311的液压，与实际线圈弹簧相同，控制弹簧常数的负荷重量(反作用力控制)。

例如，弹簧常数在恒定的情况下，如图8线段a所示，检测出变位量s1，将液压a1供给液压气缸311。负荷重量增加后检测出变位量s2时，将液压a2(a2>a1)供给液压气缸311。如果负荷重量继续增加检测出变位量s3时，将液压a3(a3>a2)供给液压气缸311。

弹簧常数上升两个阶段的情况下，如图8线段b所示，检测出变位量s1，将液压b1供给液压气缸311。负荷重量增加后检测出变位量s2时，将液压b2(b2>b1)供给液压气缸311。如果负荷重量继续增加检测出变位量s3时，将液压b3(b3>b2)供给液压气缸311。

弹簧常数连续上升的情况下，如图8线段c所示，检测出变位量s1，将液压c1供给液压气缸311。负荷重量增加后检测出变位量s2时，将液压c2(c2>c1)供给液压气缸311。如果负荷重量继续增加检测出变位量s3时，将液压c3(c3>c2)供给液压气缸311。

这样本实施例的模拟线圈弹簧装置20，根据变位计401-406检测出的各液压气缸311-316的变位量，与实际线圈弹簧相同，控制具有弹簧常数的负荷重量(反作用力控制)。此外，弹簧高度检测结构作为其它的实施例，如图5点划线所示，将直线变位计40b配置在附件部材料21，22之间，通过所述直线变位计40b直接检测出垂直方向的变位。

使用本实施例的模拟线圈弹簧装置20进行撑杆2a的性能试验(例如撑杆2a的滑动阻力活转向销动量的测定)。图5和图6展示了负荷试验机的一部分80。通过所述负荷试验机对模拟线圈弹簧装置20施加指定的重量。受到负荷重量的影响，下侧弹簧基座10a和上侧弹簧基座15a之间的距离变小，产生垂直反作用力。在垂直反作用力产生的情况下，例如上下方向的冲程为±5mm，0.5hz的波形使基本部材料45上下运动，通过外部负载传感器81测定负荷重量。撑杆2a产生的摩擦力可以评价为测定负荷的滞后一半的数值。

通过控制供给给各液压气缸311-316的液压，下侧弹簧基座10a和上侧弹簧基座15a之间沿着轴l1周围如果产生动量(mz)时，根据轴l1和转向销轴l2的几何位置关系会相应产生转向销动量，往复运动气缸单元30通过旋转支持结构50得到支持。旋转支持结构50的摩擦控制转向销动量的大小。下侧弹簧基座10a和上侧弹簧基座15a之间产生了垂直反作用力后，检测出产生的转向销动量。

【生产上的可能性】

本发明实施例中的模拟线圈弹簧装置，不仅限于麦弗逊式撑杆型悬架装置，只要是具有撑杆的其它类型悬架装置都可以适用。往复运动气缸单元并不仅限于管家平台型平行结构，只要是具有气缸、使用流体(如液体或气体)进行伸缩的往复运动气缸单元都可以适用。往复运动气缸单元还可以为具有圆头螺钉和继动器的线性执行机构，也就是可以采用差动变压器的往复运动气缸单元。还可以采用具有液压的往复运动气缸单元，通过液压进行伸缩运动。此外本发明在实施过程中，对第1和第2附件部材料，由弹簧高度检测结构构成的变位计、液压供给装置等构成或形状和配置，以及对模拟线圈弹簧装置的构成都可以进行变形。

【符号说明】

2a…撑杆(减震器)、10a…下侧弹簧基座、15a…上侧弹簧基座、20…模拟线圈弹簧装置、21…第1附件部材料、22…第2附件部材料、27…第1片状适配器、28…第2片状适配器、30…往复运动气缸单元、311-316…液压气缸、37…液压供给装置、40a…弯曲检测结构、401-406…变位计、41…第1内部负载感应器、42…第2内部负载感应器、54…冲杆、57…导向杆、70…控制部。