智能气弹簧

智能空气弹簧
一、前言
   悬架是汽车、火车、坦克等行走机械与路面的传力缓冲装置，其对车辆性能的影响及重要性仅次于发动机，世界汽车巨头非常重视对悬架技术的开发而耗巨资对新技术新工艺进行研究，由于悬架影响车辆的乘坐舒适性、操作稳定性和车辆的使用寿命外，还影响着路面的维护成本及路面使用寿命，汽车使用大国政府的相关部门都重视悬架标准的制定并支持汽车制造厂家研发高性能的车辆悬架。
   利用金属弹性变形来传力的汽车悬架经过近百年的发展已难以在舒适性和操作稳定性、安全性方面取得实质的突破，而橡胶胶囊空气弹簧和油气弹簧突破了金属变形的一次弹性系数具有二次曲线的弹性系数，应用到汽车悬架领域取得了极大的成功，实现了车辆行走乘坐性能的质的飞跃。橡胶空气弹簧和油气弹簧虽有传统金属弹簧无可 比拟的优势，但他们都有结构复杂、制造维护成本高的特点，所以几乎只在高档轿车和军工车辆上应用，它们的普及应用绝大多数车友只能轼目等待。
悬架中的弹簧和减震器的作用在矛盾中统一，在取舍中平衡。橡胶空气弹簧取代金属弹簧构成的主动悬架依然离不开减震器对它的制约和影响，因此这种悬架因其主动控制性能的需要不仅要对弹簧刚度、弹力进行主动控制，而且还要对减震器的阻尼力进行与之联动的主动控制，所以橡胶空气弹簧主控悬架结构复杂、系统成本高就不足为奇了。
二、探索
如何才能研制一款刚度既具有理想的二次或二次以上曲线变化的又不需要减震器损害其缓冲性能的且控制简单的主动悬架呢？立地人进行了大胆的探索和创新，通过对车轮通过各种凹凸障碍物时经悬架对车身的冲击力的研究发现了悬架最佳工况特性，现介绍如下：
1、        车轮翻越向上凸起障碍物：

                （凸起路面示意图）
A：当车轮快速相对车身向上升其位移幅度未超过一定值前，为了确保乘坐舒适我们希望悬架传到车身的作用力增加量尽量的小些，这样车身向上的加速度就更小，乘坐更舒适。      
B：当车轮快速相对车身向上升其位移幅度超过一定值后我们希望悬架刚度快速上升，防止车轮与车身间的过大位移而造成悬架刚性碰撞，将车身的向上振幅降到最小值，尽量提高乘坐舒适性。
C：在车轮翻越大的障碍物的顶点以后 ，我们希望悬架刚度减小使车轮能贴着地面行驶的同时悬架有足够大的支撑力尽量减小车身向下的俯冲，以避免车辆翻越凸起障碍物前后产生引起乘坐不舒适的车身摇晃。
2、        车轮逾越凹坑

            （凹坑路面示意图）
A、        当车轮从平面驶进各种凹坑底部时，我们希望车轮能贴着坑面行驶的同时悬架有不大的刚度，让悬架在伸长时有尽量大支撑力支撑车身以减小车身向下俯冲速度。
B、        当车轮逾过不大的凹坑底部后车轮会相对车身向上运动，相对位移在一定值范围内希望悬架刚度尽量小些，以减小悬架对车身作用力的增加量，从而减小车身向上的加速度和车身晃动幅度，乘坐更舒适。
C、        当车轮逾过过大的凹坑底部后车轮相对车身向上运动相对位移超过一定值范围后，我们希望悬架刚度快速上升，使悬架对车身的作用力增加量快速增加到足够大，以防悬架刚性碰撞。在车轮逾越过凹坑后的瞬间悬架对车身的作用力增加量降到低值，尽量减小车身向上的加速度。
三、研究
根据以上探讨的情况我们做出了这样的车轮与车身垂直传力装置的理想示功图（假设压缩行程为0— +6cm，伸长行程为0— -6cm，最大传力增加量为静态传力的220%）

       （传力装置理想示功图）
从理想示功图上我们可以看出-6 — +3cm的传力变化可以通过增加压缩气体体积来实现，+3 cm— +6cm 段的传力变化曲线怎幺实现呢？如果在+3cm后我们通过阀门切换并缩小参与压缩的气体体积，即可得到传力增加量随位移快速增加的曲线，但在传力装置缩短时传力减少量也会随位移的减少按原增加曲线返回。如果要按理想示功图运行就需要很大的附加气室体积进行转换，这在现代轿车上是无法容忍的。
   根据F=P×S，我们想能不能在-6— +3cm段只改变P而在+3cm-+6cm的压缩阶段让P和S同时增加而在伸长阶段让P和S同时减小，这样就可保证+3cm后传力装置缩短时其传力快速增加，而从缩短后的伸长其传力也可以快速减小呢？
   我们观察到缸筒式气动系统和橡胶空气弹簧的压缩气体的有效作用面积是活塞的上端面，因活塞面积固定不变，所以它们在压缩伸长时的弹力只能随活塞位移按同一条二次曲线变化，所以橡胶空弹簧必须并联减震器构成垂直传力装置。我们通过多年的反复研究和试验，成功地开发出了具有理想传力特性的智能气弹簧。
我们将活塞上端面及缸体上端盖设计成一个独立的上气室单元，在气动缸上设置了一组连通活塞上腔和下腔的管道，并在此管道上设置能感知其压缩伸长行程的阀门，该阀门在-6— +3cm范围内的压缩伸长让活塞上端面与缸体形成的上气室和活塞下端面、缸体及活塞杆形成的下气室相通，这样活塞、活塞杆上下运动时，压缩气体作用在活塞上的有效面积实际上是活塞杆的截面积，即有F↑↓=P↑↓×S。而在+3— +6cm后的压缩行程阀门关闭，上下气室不通，随活塞向上运动上气室P↑下气室P↓，这就等效于在P↑的同时S↑，有F↑↑=P↑×S↑。当传力装置伸长瞬间阀门打开，上下气室的气压迅速平衡，此时P↓和S↓同时进行，F↓↓=P↓×S↓。通过合理的上下气室体积配搭和设计恰到好处的（活塞）杆（气）缸面积比便可实现上述理想的传力装置示功图。

四、试验
下面二图是某进口高级轿车的空气弹簧的示功图和智能气弹簧的示功图。


                       橡胶空气弹簧（带减震器）
   说明：弹力为正，压缩位移为正，伸长位移为负。
                 
                              智能气弹簧
说明：弹力为负值，压缩位移为负，伸长位移为正。




五、智能气弹簧的优势
智能气弹簧在汽车悬架系统上应用的优势

1，        具有路面自动适应性：由行程感知系统根据车轮跳动的幅度的大小自动改变智能气弹簧的刚度及刚度变化曲线，最大程度的降低悬架传给车身的作用力，提高乘坐舒适性。
2，        智能气弹簧构成的主动悬架系统不需要配置电控减震器:智能气弹簧伸长行程的刚度特性大大降低了车身的震动幅度。
3，        车辆起步、制动、转弯时，只需开启变容电磁阀大幅度提高弹簧及悬架的横向刚度，既可防转弯侧倾、刹车点头、起步后坐 ，提高车辆的操控性能。
4、 智能气弹簧构成的悬架系统安全性能更高: 智能气弹簧几乎没有爆裂的可能,密封出问题也不可能造成安全事故。如配备轮胎爆裂检测系统，这种悬架能轻松实现在轮胎爆胎时保持车身平衡。
5、  智能气弹簧构成的主动悬架不需要路面检测系统，控制电路比其它主动悬架的控制电路简单。
6、 智能气弹簧构成的悬架系统的制造成本相对较低、使用寿命长，容易实现各种车辆普及安装。

                     乐山市立地悬架技术开发有限公司
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