專利名稱：車輛懸架的電磁減振器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及車輛懸架系統(tǒng)，特別是計算機控制的懸架系統(tǒng)。
用在機動車輛上的傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)有很多而且是各式各樣的，但目前它們都是被動式的。它們的結(jié)構可能看上去差別很大，但都采用了兩種基本元件，即彈簧和減振器，二者對懸架系統(tǒng)的動力學性能有重要影響。大多數(shù)汽車懸架系統(tǒng)中使用了卷簧、扭桿或片簧系列等形式的鋼制彈簧，盡管將空氣、橡膠和塑料復合材料用作彈簧介質(zhì)的情況在逐漸增多。減振器是一成不變的液壓裝置。這些元件需要在廣泛的運行狀態(tài)下滿足駕駛舒適性和車輛操縱性能這兩項相互沖突的性能要求，上述運行狀態(tài)包括有效載荷的大范圍變化、道路類型和輪廓。在減振器的情況下，無法提供單一的最佳設置，以滿足所有這些要求。為了提供良好的駕駛舒適性，需要采用低級別設置，除非車體質(zhì)量受到激勵或位于其諧振頻率附近，而此時就需要采用高級別設置。為了在駕駛操作中同時控制車體和車輪，還需要采用高級別設置。因此，傳統(tǒng)的減振器設置是一種折衷方案，并且通常被設置得在大多數(shù)狀態(tài)下高于需要，以便充分應付相對不常出現(xiàn)的異常情況。這種折衷方案的一個后果是，減振器有時會在錯誤的時間產(chǎn)生強大和不希望有的力。
因此，為了提供更好的整體性能，一種具有至少兩種設置的可變減振器被提出，它能夠在任何一種設置下操作。利用多級減振器可以獲得的益處是高度地取決于可以導致設置改變的車速，而且不同設置之間是彼此分離的。
作為一種替代性結(jié)構，空氣懸架系統(tǒng)被以純粹氣動的形式或以液壓—氣動系統(tǒng)的形式采用。這些空氣懸架系統(tǒng)的優(yōu)點是車輛可以維持在任何預定的高度，附加優(yōu)點是總能獲得大的彈簧偏移。此外，驅(qū)動器可以隨意改變駕駛高度，這一點對于用于將平臺高度帶到例如裝載碼頭處或者幫助進入車輛而言特別有益。
最近，液壓式“主動懸架”被研制出來。它們被設計得能夠通過快速改變每個車軸與車體之間的剛性支柱的長度而消除彈簧懸架的不可避免的俯仰和側(cè)傾動作。(一種此類主動懸架被設想得能夠根據(jù)需要而在凸起處抬升每個車輪并且可將車輪向下推入凹坑中。)問題在于需要連續(xù)地實施精確控制的物理運動。顯然，每個運動都需要一定的時間來完成，這就限制了在高速下應付小擾動的能力。一定數(shù)量的彈簧必須被約束住，以解決這一問題。峰值電能消耗問題和液壓系統(tǒng)的復雜性也導致了裝置昂貴并且不適合于大體積的應用場合。
本發(fā)明提出了一種懸架系統(tǒng)，其中氣動懸架裝置的動作可被一個電磁致動器改動，而這種改動被一個基于軟件的控制器控制，以確定改動后的特性。
電磁致動器產(chǎn)生的力疊加在空氣彈簧的力上，并且被快速和精確地控制，以產(chǎn)生理想的效果。電磁致動器可以與一個空氣彈簧元件組合，從而形成兩個分開的部件或一個整體組件?？諝鈴椈稍械膲毫梢愿鶕?jù)施加給懸架的命令而連續(xù)調(diào)節(jié)。
系統(tǒng)是一個非常高速的力調(diào)節(jié)器，它與其他任何類型的致動器都不相似。為了控制車輪傳遞到車輛上的力，不需要使任何部件從它離開。它可以在幾分之一毫秒內(nèi)作出反應，從而在車輛運動的每一英寸中使車輪的力能夠瞬時選擇性地與車輛隔離或與車輛耦合到任何所需程度，即使是在車輛滿速行駛的狀態(tài)下。事實上，這樣可以使客車、卡車、越野車或軍用車輛能夠在實時電控下移動，從而變成一個高精度穩(wěn)定化的平臺。電控系統(tǒng)的機械結(jié)構很簡單，并且具有內(nèi)在的可靠性。系統(tǒng)被設計得還能夠兼用作空氣彈簧，從而根據(jù)道路狀況、溫度變化、車輛負載分布等等而實施自動調(diào)節(jié)。此外，在被反向驅(qū)動時，它可以將運動能量轉(zhuǎn)換成電能。
系統(tǒng)可以在完全主動模式下使用，此時它從車輛直接吸取動力，以便在每個車輪支點處控制豎直力，從而可以實現(xiàn)最安全和最平穩(wěn)的駕駛。它還可以在半被動模式下操作，此時它從車輪的豎直運動中吸取動力，并且利用這種動力控制車輛的姿勢和位置，同時將任何多余的能量以電能的形式傳輸回中央動力源。
利用電磁致動器的一個優(yōu)點是，它具有一個銜鐵，銜鐵相對于定子的位置或位置變化可以用于提供控制信號，該信號被供應到控制器中，以用于一種或多種目的，例如控制銜鐵避免行程極限，或者控制空氣彈簧的壓力。
雖然參照的是空氣彈簧和系統(tǒng)，但可以理解，任何氣體或氣體混合物均可以采用，而非僅限于空氣。
懸架系統(tǒng)能夠以多個不同的模式操作。它還被安置得能夠退化而經(jīng)過多個性能級別。
為了更容易理解本發(fā)明，下面參照附圖而以示例的方式描述一個實施例，在附圖中


圖1是適于用在本發(fā)明中的空氣彈簧和電磁減振器的組合結(jié)構的示意性側(cè)向剖視圖；圖2是車輛的一個車輪上的懸架系統(tǒng)的示意性框圖；圖3是車輛的一個車輪上的主動懸架系統(tǒng)的示意性框圖。
在詳細描述懸架系統(tǒng)之前，希望先描述一下基本彈簧/減振器裝置。這可以根據(jù)空氣彈簧和電磁減振器的整體組件進行描述，但可以理解，組件中的這兩個元件可以單獨制成，只要它們能夠一起起作用即可。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖1，圖中示出了氣動彈簧和電磁減振器的整體組件。該結(jié)構基于兩個圓筒件，它們優(yōu)選但不是必須具有圓形橫截面。事實上，非圓形橫截面在某些特定情況下具有一些優(yōu)點。圓筒件具有這樣的尺寸，即圓筒件11可以滑動裝配在圓筒件12中。件11在其一端被端壁11a封閉，而圓筒件12被端壁12a封閉。在被裝配到一起后，圓筒件11和12構成一個具有封閉內(nèi)腔的大致圓筒形件，內(nèi)腔的容積可以通過圓筒件11在圓筒件12中滑動而改變。
圓筒件11在其敞開端帶有一個活塞狀結(jié)構，該結(jié)構將圓筒件11局部封閉，但設有一個孔18，用以將圓筒件11的內(nèi)腔與圓筒件12的內(nèi)腔連通。
在通過供氣口20充入氣體后，組件形成了一個彈簧，它的彈簧剛度是根據(jù)收縮或伸出時的裝置封閉容積比率而選擇的。氣動力可以在任何時刻通過改變組件中的氣壓而調(diào)節(jié)。
活塞銜鐵使得精確控制的電磁力能夠直接疊加到空氣彈簧系統(tǒng)的力上。在本實施例中，銜鐵由活塞狀元件16形成，該元件是由一個或多個磁體元件組件構成的，每個組件分別采用一個磁環(huán)22和兩個低碳鋼制環(huán)形磁極塊23的形式。一個定子形成在件12的內(nèi)壁上，而且在本例中定子由沿著件11的長度方向安置的多個線圈構成。通過來自銜鐵元件的磁通與定子線圈中的電流的作用，可以直接產(chǎn)生電磁力。磁環(huán)22的實際長度優(yōu)選與磁極塊的實際長度相等，后者又與定子上的每個線圈組件的實際長度相等。
件11可以由任何材料制成，因為它沒有磁性功能并且只用于將力從氣缸傳輸出來。此外，實際上需要件11穿過一個毗鄰軸承環(huán)20的滑動空氣密封。不論減振器是沿豎直方向安置的，還是被支承在水平位置而不存在大的承載力，件11的外表面均必須是堅硬的并且具有高表面光潔度，以實現(xiàn)密封功能。
此外，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，在件12中襯入一個襯管，以便向件11及其活塞狀元件16提供堅硬、光滑的支承表面，是很有益的。
襯管應當盡可能薄，因為它構成了磁性氣隙距離的一部分。此外，它應當具有高電路阻力，因為否則的話它會相對于件12上的電線圈形成短路。另外，在設計組件的整體結(jié)構時，必須考慮到熱應力，因為線圈在猛烈受激時會出現(xiàn)突然的強烈溫度變化。作為這些變化因素所要求的結(jié)果，建議襯管可以采用一薄層硬塑料或纖維材料，或許其內(nèi)表面上可以鍍上一層硬質(zhì)金屬膜。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到定子的結(jié)構及其線圈控制，線圈被設計得能夠被一個以三相電機的形式操作的電驅(qū)動裝置激勵。換言之，線圈被分為三組，每組中的線圈組件與相鄰一組中的相位不同。
這一點可以通過下面的方式最方便地實現(xiàn)，即將一個輸入電源轉(zhuǎn)換成一個DC(直流)干線電壓(如果它不是已經(jīng)是DC的話)，再將其分流出其他三個DC電壓。這些DC電壓被這樣分布，即它們相對于等于DC干線電壓一半的電壓值對稱分布并且變化，但它們彼此之間的相位相差120°。其結(jié)果是，裝置中的繞組被三個準DC電流激勵。這些電流的相位被鎖定在活塞狀元件18的位置處，從而使得推力總是被最優(yōu)化。為了將定子電流的相位鎖定在銜鐵位置處，必須設有一個位置傳感器，以探測銜鐵的位置。該位置傳感器可以安置在任何方便的位置上，既可以在定子本身中，也可以安置在系統(tǒng)外側(cè)。
電流的量值(正弦函數(shù)的幅值或梯形函數(shù)的峰值)將決定推力值。電流量值是通過銜鐵的命令位置周圍的伺服控制回路的參數(shù)而設置的。一個輔助電路用于處理作為激勵電流量值和方向的函數(shù)的輸出信號。這樣可以控制與致動器相關的空氣彈簧中的壓力，從而使系統(tǒng)能耗最小化。
由于氣動元件中必然存在的密封和支承摩擦以及它們的熱動力損失，因此這些因素均會導致空氣彈簧的隔離性能下降并將一些車輪力傳遞到車輛上。電磁致動器用于精確地補償如此產(chǎn)生的任何反作用力以及因車輪豎直運動而引起的任何回復力。
另外，由于車輛重心通常位于各車輪支點所在平面的上方，因此車輛在轉(zhuǎn)彎時趨向于側(cè)傾并在改變速度時趨向于前俯。傳統(tǒng)的懸架系統(tǒng)被安置得具有非零彈簧剛度，以抵抗這些運動。本發(fā)明的系統(tǒng)能夠隨著運動的進行而在瞬間產(chǎn)生非常強有力的快速作用的電磁力，以保持車輛平面穩(wěn)定。每個單獨車輪支點處的加速度計可以被安置得能夠控制力的瞬時值，從而產(chǎn)生非常強勁的抗側(cè)傾動作和抗驅(qū)動動作。由于四個車輪處的裝置產(chǎn)生的向上的合力保持不變，因此車體可以維持在相同高度上。
應當指出，致動器不產(chǎn)生恒定的電磁力。電磁力被瞬時調(diào)節(jié)，以將車輪支點處的凈力保持在這樣的值，即車體高度和姿勢不會變化。同電磁信號相比，理想的凈力值只緩慢地變化(在幾百毫秒內(nèi)而非幾分之一毫秒內(nèi))。盡管乘車人可能感覺到只是逐漸起反應的，但事實上并非如此。此外，每個車輪支點處的空氣彈簧被連續(xù)最優(yōu)化，從而利用一種簡單的算法在幾秒鐘的時間內(nèi)取平均值，以降低電能消耗。這樣可以針對負載分布變化以及漏氣、氣門故障和溫度變化而自動校正。在車輛的使用中，如果駕駛高度相對于粗糙地帶而言設置得太低，則這種簡單的算法能夠自動修正駕駛高度。
一種替代性操作模式是動力學控制的減振器的操作。這種操作以框圖的形式顯示于圖2中。在致動器活塞移動時，它將在定子的控制線圈中產(chǎn)生電壓，該電壓與銜鐵的瞬時速度成正比。如果線圈保持為開路，則不會有電流流過而且活塞中沒有反作用力。然而，如果線圈中出現(xiàn)短路，則反作用力可以很大，這取決于活塞速度。因此，通過控制呈現(xiàn)在線圈上的負載的阻抗，可以控制致動器的速度(以控制它的運動抑制)。應當想起，我們所稱的“減振”實際上指的是車輪的豎直運動與車輛自身豎直運動之間的耦合程度。通過改變一個有效連接在定子的相繞組之間的高頻開關晶體管的脈沖間隔，圖1中所示裝置的阻尼系數(shù)可以在幾分之一毫秒內(nèi)改變。
可以通過調(diào)節(jié)每個車輪支點處的空氣彈簧壓力而使車輛的平均高度緩慢變化。然而，也可以通過改變每個懸架裝置的阻尼系數(shù)而快速且精確地控制車輛的姿勢。例如，適宜的懸架裝置可以在車輪向上運動時被加強，從而抵抗不希望有的俯仰和側(cè)傾，但在車輪向下運動時被放松，以使車輪能夠保持抓附在路面上。這種控制車輪運動的能力可以使向上運動的速率不必與向下運動相同，這是本發(fā)明的一項重要優(yōu)點。
作為一個實際例子，在移動通過標準級別的地面時，車輪被其空氣彈簧懸架支承著行駛。對于不會擾動車輛平均姿勢的小量值運動，阻尼系數(shù)保持較低，以實現(xiàn)較為平穩(wěn)的駕駛。然而，在車輛的平均高度或姿勢開始變化超過預定極限后，阻尼將非對稱地增加，以加強懸架系統(tǒng)，從而抵抗不希望有的運動。
通過與主動模式下利用懸架裝置繞組中的電流方向控制空氣彈簧壓力相同的方式，減振電流的平均方向也可以被探測到，并且通過相同方式用于修正每個車輪的平均彈簧設置。
可以理解，圖1中所示的懸架系統(tǒng)應當包含一個位于其行程下限的柔性元件，例如橡膠端部擋塊，以便在主動控制系統(tǒng)、減振器控制系統(tǒng)和空氣彈簧控制系統(tǒng)同時失效時產(chǎn)生彈性回復力。
此外，傳統(tǒng)的車輛減振器將運動能量轉(zhuǎn)化成熱量，而熱量被滑動氣流吸收。與此相反，圖1中所示的裝置的輸出采用的是電能的形式，電能的大部分會通過變流器而反饋到一個中央儲能器例如車輛電池中，并被儲存在此。除了電能效率以外，這還可以提高車輪保持與路面接觸的力，并且實現(xiàn)更平穩(wěn)的駕駛。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖3，圖中示出了整個電磁氣動懸架系統(tǒng)的功能框圖。懸架部分30(活塞和推力管、附加接頭或附件)通過一個空氣彈簧31而與定子體分開，但這種分離由于以塊32表示的活塞軸承和密封中的摩擦作用而退化。電磁力直接作用在活塞與定子之間，并且超過了其他力。這以塊33表示。
在使用中，這個活塞安置在車輛的車輪支點與車輪的轉(zhuǎn)向軸之間，以承擔所有的豎直力。橫向力被傳統(tǒng)的懸臂例如叉桿承擔。
可以認識到，在活塞行程的極限內(nèi)，從車輪傳遞到車輪支點上的力可以通過電磁力而被精確地控制。一個力傳感器35用于控制線圈系統(tǒng)中的電流，從而不論車輪的豎直運動如何，總能將向上的合力保持在恒定值。這個“恒定”力的量值反過來又可以通過車輪支點加速度計36的輸出值而確定，從而保持車輛穩(wěn)定，以抵抗俯仰和側(cè)傾運動，例如，一個力控制回路系統(tǒng)40將來自加速度計36的輸出信號、來自活塞位置傳感器的輸出信號以及其他必要的輸入信號作為輸入信號接收，以產(chǎn)生一個信號，該信號在經(jīng)過處理后用于控制線圈系統(tǒng)電流，從而不論車輪的豎直運動如何，總能將合力保持在恒定值。作為示例，這個力的理想“恒定”值是變化的，從而可以保持車輛穩(wěn)定，以抵抗俯仰和側(cè)傾運動。如果需要電磁系統(tǒng)提供主要向下作用的力，則壓力增大，反之亦然。這以塊41表示。
在每個車輪支點處的車輛駕駛高度可以從活塞的平均伸出長度計算出來，因此可以通過從外界向每個活塞控制器輸入信號而改動車輛的姿勢或離地間隙。懸架活塞移動到其新的平均位置，而空氣彈簧壓力被自動調(diào)節(jié)到適合的值。這以駕駛高度控制塊42表示，該控制塊將來自活塞位置傳感器的輸出信號作為主要輸入信號接收。
通過類似的方式，因車輛對粗糙地帶作出反應而引起的作用在所有車輪上的一系列的強勁向下作用(抬升車體)的電磁力可以自動導致空氣彈簧壓力升高，并且使駕駛高度增大?？梢砸胍粋€程序控制的偏壓結(jié)構，以使車輛從位于平滑表面上的小離地間隙自動移動到位于粗糙地面上的大離地間隙。
從上面的描述可以清楚地看到，流過電磁活塞中的電流的量值和方向被連續(xù)探測，從而提供出用在相關空氣彈簧控制系統(tǒng)中的信號。電流信號被連續(xù)積分(或者電流信號的平方，或他任何從電流信號或電流信號平方推導出來或相關的參數(shù)被積分)，再與正或負的臨界值進行比較，從而控制空氣彈簧壓力。通過探測豎直力矢并且改動各個車輪的高度命令，可以將特定的車輛方向強加在懸架系統(tǒng)上，以使車輛自動地“傾斜”變化一圈。此外，這還可以用于使車輛“前屈”，以便接觸到貨物或者使得殘疾人能夠進入公共設施車輛和類似物中。
系統(tǒng)的另一個優(yōu)點是，能夠在同一電氣和機械結(jié)構中采用不同程度的復雜性。利用預定阻尼率的減振器系統(tǒng)，可以從完全主動懸架系統(tǒng)變化到半被動式可變阻尼率減振器，最終變化到只有空氣彈簧的模式?？梢岳斫猓耆鲃酉到y(tǒng)中可以設有適宜的退回位置，從而可以在多個模式失誤的情況下適度地最終停靠在橡膠端部擋塊上。換言之，完全主動系統(tǒng)可以完全變成這樣一個模式，即它被用作半被動式可變阻尼率減振器，此時用于產(chǎn)生力的能量可以從車輪沿豎直方向的運動得到，從而減輕中央儲能器的負載，使之不必供應產(chǎn)生力所需的所有能量。接下來的一種退化模式是減振器系統(tǒng)不再受控，而僅僅具有跨過定子的固定就位減振功能，從而相當于一個液壓減振器。然而，此時空氣彈簧壓力仍然根據(jù)每個減振器中的電流方向而變向。接下來的一種退化模式是車輛只被僅具有內(nèi)部摩擦減振功能的空氣彈簧支承著。盡管如此，彈簧壓力仍繼續(xù)自動變向，以將車輛帶到適合于行駛狀態(tài)的最佳高度和姿勢。接下來的模式是取消空氣彈簧的變向功能并將它們設置在欠壓力，最終使車輛只支承在止動擋塊上而慢速行駛。
所有上述模式或其中的一種選擇可以根據(jù)需要而設置。
權利要求
1.一種用于將一個部件相對于基準表面維持在理想方向上的懸架系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個表面貼合器具；一個懸架裝置，其連接在表面貼合器具與用于向表面貼合器具供應和/或從表面貼合器具吸收力的部件之間，該懸架裝置具有一種預定的基本特性；以及電氣器具，其用于改動懸架裝置的基本特性。
2.如權利要求1所述的懸架系統(tǒng)，其特征在于，電氣器具是一個電磁裝置。
3.如權利要求1或2所述的懸架系統(tǒng)，其特征在于，懸架裝置由兩個圓筒件構成，其中一個圓筒件在另一個中滑動，以形成一個容積可變的內(nèi)腔。
4.如權利要求3所述的懸架系統(tǒng)，其特征在于，電氣器具包括用于沿著一個圓筒件的長度方向形成一系列交替磁極的器具和用于毗鄰另一圓筒件的端部形成磁極的銜鐵器具。
5.如權利要求4所述的懸架系統(tǒng)，其特征在于，懸架裝置的內(nèi)腔中充滿氣體。
6.如前面權利要求中任一所述的懸架系統(tǒng)，其特征在于，電氣器具被控制器具控制，以實現(xiàn)一種預定的功能。
7.如權利要求6所述的懸架系統(tǒng)，其特征在于，電氣控制器具改變懸架裝置的阻尼特性。
8.如權利要求6或7所述的懸架系統(tǒng)，其特征在于，控制器具被安置得向懸架系統(tǒng)供應力，以擴張內(nèi)腔的容積。
9.如權利要求6、7或8所述的懸架系統(tǒng)，其特征在于，控制器具控制內(nèi)腔中的氣體壓力。
全文摘要
一種懸架系統(tǒng)包括:一個由兩個圓筒件構成的空氣彈簧,其中一個圓筒件在另一個中滑動;以及一個電磁裝置,其在電氣控制下向空氣彈簧供應力或從空氣彈簧吸收力。空氣彈簧和電磁裝置優(yōu)選構成單一的組合裝置。懸架系統(tǒng)可以用在完全主動模式下,例如用在車輛懸架系統(tǒng)中,或者也可以僅僅用作可變減振器。
文檔編號F16F9/00GK1367744SQ0081001
公開日2002年9月4日 申請日期2000年7月4日 優(yōu)先權日1999年7月5日
發(fā)明者菲利普·雷蒙德·邁克爾·登內(nèi) 申請人:動力發(fā)展有限公司