本發(fā)明涉及一種半主動(dòng)空氣懸掛裝置，具體是一種剛度和阻尼可調(diào)式高速列車半主動(dòng)空氣懸掛裝置，屬于高速列車裝備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

列車高速運(yùn)行使得其在運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)幅度較大，嚴(yán)重影響了列車運(yùn)行的平順性和乘坐舒適性，而且對(duì)長(zhǎng)期在高速列車上工作的工作人員的身心健康也會(huì)造成一定傷害，除此以外，劇烈的振動(dòng)還會(huì)損壞列車的零部件，縮短其使用壽命。二系懸掛是轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與車體之間的懸掛裝置，主要由中央彈簧和各式減振器組成，其主要功能是支撐車體與衰減振動(dòng)。

目前我國(guó)高速列車的二系懸掛普遍采用的是帶附加氣室的空氣彈簧，這種類型的空氣彈簧因帶有附加氣室可有效增加空氣彈簧的容積，降低了空氣彈簧系統(tǒng)的剛度；此外，空氣可以在壓力差的作用下通過(guò)節(jié)流孔在附加氣室與主氣室之間流動(dòng)，產(chǎn)生阻尼作用，通常這種阻尼作用可代替垂向阻尼器的作用。但由于節(jié)流孔開(kāi)度固定，該懸掛方式不能根據(jù)車輛不同的運(yùn)行工況實(shí)現(xiàn)最佳的剛度應(yīng)對(duì)；另外，由于采用節(jié)流孔代替垂向阻尼器來(lái)提供懸掛系統(tǒng)所需要的垂向阻尼，該懸掛方式使得系統(tǒng)的垂向阻尼無(wú)法自適應(yīng)調(diào)節(jié)，而且實(shí)際情況中僅依靠節(jié)流孔產(chǎn)生的阻尼遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)對(duì)于垂向阻尼的要求。因此，為了更好地適應(yīng)列車高速化運(yùn)行，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)方案實(shí)現(xiàn)列車二系懸掛中空氣彈簧系統(tǒng)的節(jié)流孔開(kāi)度可調(diào)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種剛度和阻尼可調(diào)式高速列車半主動(dòng)空氣懸掛裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)空氣彈簧系統(tǒng)節(jié)流孔開(kāi)度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，進(jìn)而提高列車對(duì)不同運(yùn)行工況的適應(yīng)性，特別適用于高速列車的二系懸掛系統(tǒng)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本剛度和阻尼可調(diào)式高速列車半主動(dòng)空氣懸掛裝置包括空氣彈簧機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)；

所述的空氣彈簧機(jī)構(gòu)包括主氣室和附加氣室；

所述的控制機(jī)構(gòu)包括聯(lián)接組件、缸體組件和固定底座，缸體組件豎直固定安裝在固定底座上；

缸體組件是筒狀結(jié)構(gòu)，包括缸筒，缸筒內(nèi)部注滿磁流變液，缸筒內(nèi)部自上而下依次設(shè)有活塞桿Ⅰ、缸蓋、阻尼活塞Ⅰ、阻尼活塞Ⅱ、活塞桿Ⅱ、支撐彈簧、隔板、阻尼活塞Ⅲ、活塞桿Ⅲ和缸底蓋；

阻尼活塞Ⅰ、阻尼活塞Ⅱ和阻尼活塞Ⅲ的外徑尺寸均與缸筒的內(nèi)徑尺寸間隙配合，且阻尼活塞Ⅰ和阻尼活塞Ⅲ的外圓柱面上沿周向均設(shè)有內(nèi)凹結(jié)構(gòu)并纏繞有勵(lì)磁線圈，阻尼活塞Ⅱ的外圓柱面上沿周向設(shè)有隔磁橡膠圈；隔板固定安裝在缸筒內(nèi)；

活塞桿Ⅰ底端向下依次穿過(guò)缸蓋、阻尼活塞Ⅰ和阻尼活塞Ⅱ并置于阻尼活塞Ⅱ與隔板之間，缸蓋固定安裝在缸筒頂端、并與活塞桿Ⅰ之間設(shè)置密封，阻尼活塞Ⅰ與活塞桿Ⅰ固定安裝連接，阻尼活塞Ⅱ與活塞桿Ⅰ之間是間隙配合、且阻尼活塞Ⅱ與活塞桿Ⅰ間隙配合的內(nèi)圓柱面上沿周向設(shè)有內(nèi)凹結(jié)構(gòu)并纏繞有勵(lì)磁線圈；

活塞桿Ⅱ頂端與阻尼活塞Ⅱ固定安裝連接、底端穿過(guò)隔板并與阻尼活塞Ⅲ固定安裝連接，隔板與活塞桿Ⅱ之間設(shè)置密封，支撐彈簧套裝在活塞桿Ⅱ上、且支撐彈簧的上下兩端分別頂靠在阻尼活塞Ⅱ的下端面和隔板的上端面上；

活塞桿Ⅲ頂端與阻尼活塞Ⅲ固定安裝連接、底端穿過(guò)缸底蓋伸出至缸筒外部，缸底蓋固定安裝在缸筒底端、并與活塞桿Ⅲ之間設(shè)置密封；

阻尼活塞Ⅰ與缸筒內(nèi)壁之間的間隙、阻尼活塞Ⅱ與活塞桿Ⅰ之間的間隙、阻尼活塞Ⅲ與缸筒內(nèi)壁之間的間隙組成磁流變液阻尼通道；

聯(lián)接組件包括托盤，托盤上平面與高速列車的車體固定安裝、下平面固定安裝在活塞桿Ⅰ的頂端；

中空結(jié)構(gòu)的固定底座固定安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上，包括豎向設(shè)置的活塞腔、位于活塞腔內(nèi)部并與之尺寸配合的底座活塞和水平與活塞腔交叉連通的氣路通道，底座活塞的頂端與活塞桿Ⅲ的底端固定連接，氣路通道兩端分別通過(guò)管路與主氣室和附加氣室連通。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)方案，所述的缸蓋與阻尼活塞Ⅰ之間設(shè)置限位環(huán)，限位環(huán)固定安裝在缸筒內(nèi)壁上。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)方案，所述的限位環(huán)與阻尼活塞Ⅰ之間設(shè)置緩沖環(huán)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)方案，所述的缸筒的外壁或固定底座的上端面與托盤的下端面或活塞桿Ⅰ的外露桿體之間設(shè)置減振彈簧。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)方案，所述的托盤的下端面或活塞桿Ⅰ的外露桿體與缸筒的外壁之間設(shè)置防塵罩。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)方案，所述的活塞桿Ⅱ和支撐彈簧至少設(shè)置為兩套、中心對(duì)稱設(shè)置在阻尼活塞Ⅱ及阻尼活塞Ⅲ之間。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本剛度和阻尼可調(diào)式高速列車半主動(dòng)空氣懸掛裝置是利用磁流變液實(shí)現(xiàn)節(jié)流孔開(kāi)度大小的半主動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)空氣彈簧的剛度可調(diào)，改善二系懸掛系統(tǒng)的減振性能；同時(shí)，控制機(jī)構(gòu)可作為獨(dú)立的阻尼器提供垂向阻尼。本方案解決了現(xiàn)有二系懸掛剛度不可調(diào)及缺少垂向阻尼器的不足。另外，由于采用新型智能材料磁流變液，使得控制過(guò)程更加精密可靠、能耗小、反應(yīng)速度快、過(guò)程可逆。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明控制裝置部分的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是圖2的左視圖。

圖中：1、空氣彈簧機(jī)構(gòu)，1.1、主氣室，1.2、附加氣室，2、控制裝置，2.1、聯(lián)接組件，2.1.1、托盤，2.2、缸體組件，2.2.1、缸筒，2.2.2、活塞桿Ⅰ，2.2.3、缸蓋，2.2.4、阻尼活塞Ⅰ，2.2.5、阻尼活塞Ⅱ，2.2.6、活塞桿Ⅱ，2.2.7、支撐彈簧，2.2.8、隔板，2.2.9、阻尼活塞Ⅲ，2.2.10、活塞桿Ⅲ，2.2.11、缸底蓋，2.2.12、磁流變液，2.2.13、限位環(huán)，2.2.14、緩沖環(huán)，2.2.15、減振彈簧，2.2.16、防塵罩，2.3、固定底座，2.3.1、活塞腔，2.3.2、底座活塞，2.3.3、氣路通道。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1所示，本剛度和阻尼可調(diào)式高速列車半主動(dòng)空氣懸掛裝置包括空氣彈簧機(jī)構(gòu)1和控制機(jī)構(gòu)2。

所述的空氣彈簧機(jī)構(gòu)1包括主氣室1.1和附加氣室1.2。

如圖2、圖3所示，所述的控制機(jī)構(gòu)2包括聯(lián)接組件2.1、缸體組件2.2和固定底座2.3，缸體組件2.2豎直固定安裝在固定底座2.3上。

缸體組件2.2是筒狀結(jié)構(gòu)，包括缸筒2.2.1，缸筒2.2.1內(nèi)部注滿磁流變液2.2.12，缸筒2.2.1內(nèi)部自上而下依次設(shè)有活塞桿Ⅰ2.2.2、缸蓋2.2.3、阻尼活塞Ⅰ2.2.4、阻尼活塞Ⅱ2.2.5、活塞桿Ⅱ2.2.6、支撐彈簧2.2.7、隔板2.2.8、阻尼活塞Ⅲ2.2.9、活塞桿Ⅲ2.2.10和缸底蓋2.2.11；

阻尼活塞Ⅰ2.2.4、阻尼活塞Ⅱ2.2.5和阻尼活塞Ⅲ2.2.9的外徑尺寸均與缸筒2.2.1的內(nèi)徑尺寸間隙配合，且阻尼活塞Ⅰ2.2.4和阻尼活塞Ⅲ2.2.9的外圓柱面上沿周向均設(shè)有內(nèi)凹結(jié)構(gòu)并纏繞有勵(lì)磁線圈，阻尼活塞Ⅱ2.2.5的外圓柱面上沿周向設(shè)有隔磁橡膠圈；隔板2.2.8固定安裝在缸筒2.2.1內(nèi)；

活塞桿Ⅰ2.2.2底端向下依次穿過(guò)缸蓋2.2.3、阻尼活塞Ⅰ2.2.4和阻尼活塞Ⅱ2.2.5并置于阻尼活塞Ⅱ2.2.5與隔板2.2.8之間，缸蓋2.2.3固定安裝在缸筒2.2.1頂端、并與活塞桿Ⅰ2.2.2之間設(shè)置密封，阻尼活塞Ⅰ2.2.4與活塞桿Ⅰ2.2.2固定安裝連接，阻尼活塞Ⅱ2.2.5與活塞桿Ⅰ2.2.2之間是間隙配合、且阻尼活塞Ⅱ2.2.5與活塞桿Ⅰ2.2.2間隙配合的內(nèi)圓柱面上沿周向設(shè)有內(nèi)凹結(jié)構(gòu)并纏繞有勵(lì)磁線圈；

活塞桿Ⅱ2.2.6頂端與阻尼活塞Ⅱ2.2.5固定安裝連接、底端穿過(guò)隔板2.2.8并與阻尼活塞Ⅲ2.2.9固定安裝連接，隔板2.2.8與活塞桿Ⅱ2.2.6之間設(shè)置密封，支撐彈簧2.2.7套裝在活塞桿Ⅱ2.2.6上、且支撐彈簧2.2.7的上下兩端分別頂靠在阻尼活塞Ⅱ2.2.5的下端面和隔板2.2.8的上端面上；

活塞桿Ⅲ2.2.10頂端與阻尼活塞Ⅲ2.2.9固定安裝連接、底端穿過(guò)缸底蓋2.2.11伸出至缸筒2.2.1外部，缸底蓋2.2.11固定安裝在缸筒2.2.1底端、并與活塞桿Ⅲ2.2.10之間設(shè)置密封；

阻尼活塞Ⅰ2.2.4與缸筒2.2.1內(nèi)壁之間的間隙、阻尼活塞Ⅱ2.2.5與活塞桿Ⅰ2.2.2之間的間隙、阻尼活塞Ⅲ2.2.9與缸筒2.2.1內(nèi)壁之間的間隙組成磁流變液阻尼通道。

聯(lián)接組件2.1包括托盤2.1.1，托盤2.1.1上平面與高速列車的車體固定安裝、下平面固定安裝在活塞桿Ⅰ2.2.2的頂端。

中空結(jié)構(gòu)的固定底座2.3固定安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上，包括豎向設(shè)置的活塞腔2.3.1、位于活塞腔2.3.1內(nèi)部并與之尺寸配合的底座活塞2.3.2和水平與活塞腔2.3.1交叉連通的氣路通道2.3.3，底座活塞2.3.2的頂端與活塞桿Ⅲ2.2.10的底端固定連接，氣路通道2.3.3兩端分別通過(guò)管路與主氣室1.1和附加氣室1.2連通。

車輛運(yùn)行過(guò)程中，活塞桿隨著車體的振動(dòng)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，磁流變液流過(guò)活塞與工作缸之間的阻尼通道，給纏繞在活塞上的勵(lì)磁線圈通電產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁力線與磁流變液的流動(dòng)方向垂直，通過(guò)改變勵(lì)磁電流的大小改變磁場(chǎng)強(qiáng)度，繼而改變磁流變液的粘度。

本剛度和阻尼可調(diào)式高速列車半主動(dòng)空氣懸掛裝置的工作原理：通過(guò)阻尼活塞Ⅰ2.2.4、阻尼活塞Ⅱ2.2.5和阻尼活塞Ⅲ2.2.9將整個(gè)缸體組件2.2分為阻尼半主動(dòng)控制部分、節(jié)流孔開(kāi)度調(diào)節(jié)部分和開(kāi)度固定與防復(fù)位部分。

阻尼半主動(dòng)控制部分是包括活塞桿Ⅰ2.2.2桿部及阻尼活塞Ⅰ2.2.4的缸筒2.2.1上部部分，這一部分是利用磁流變液在外加磁場(chǎng)下粘度的變化產(chǎn)生可控阻尼，在不涉及下一部分的節(jié)流孔開(kāi)度調(diào)節(jié)工作時(shí)相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的磁流變阻尼器，在下一部分開(kāi)始工作時(shí)，這一部分起到一個(gè)通過(guò)外力驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)源的作用.當(dāng)車體在高速運(yùn)行時(shí),車體振動(dòng)，帶動(dòng)與之相連接的活塞桿Ⅰ2.2.2上下運(yùn)動(dòng)，缸筒2.2.1內(nèi)的磁流變液2.2.12流經(jīng)阻尼活塞Ⅰ2.2.4與缸筒2.2.1內(nèi)壁之間的阻尼通道，在阻尼活塞Ⅰ2.2.4與缸筒2.2.1內(nèi)壁之間產(chǎn)生阻尼作用，給阻尼活塞Ⅰ2.2.4上的勵(lì)磁線圈通電，產(chǎn)生垂直于磁流變液阻尼通道的磁場(chǎng)，且磁場(chǎng)強(qiáng)度是可控的，通過(guò)改變勵(lì)磁電流的大小，來(lái)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度繼而改變磁流變液的粘度，對(duì)阻尼實(shí)現(xiàn)半主動(dòng)控制。

節(jié)流孔開(kāi)度調(diào)節(jié)部分是包括活塞桿Ⅰ2.2.2下端部、阻尼活塞Ⅱ2.2.5、活塞桿Ⅱ2.2.6、支撐彈簧2.2.7及隔板2.2.8的缸筒2.2.1中部部分，這一部分在系統(tǒng)不需要改變空氣彈簧剛度、不需要調(diào)節(jié)節(jié)流孔開(kāi)度時(shí)不工作，不給阻尼活塞Ⅱ2.2.5上的勵(lì)磁線圈通電、沒(méi)有磁場(chǎng)，那么該部分就不與阻尼半主動(dòng)控制部分產(chǎn)生聯(lián)系，依靠支撐彈簧2.2.7支撐在隔板2.2.8上，不影響阻尼半主動(dòng)控制部分的工作狀態(tài)；由于活塞桿Ⅰ2.2.2是一直上下運(yùn)動(dòng)的，活塞桿Ⅰ2.2.2與阻尼活塞Ⅱ2.2.5之間阻尼通道內(nèi)的磁流變液2.2.12也來(lái)回流動(dòng)，當(dāng)需要增大節(jié)流孔開(kāi)度時(shí)，在活塞桿Ⅰ2.2.2向上運(yùn)動(dòng)時(shí)為阻尼活塞Ⅱ2.2.5上的勵(lì)磁線圈通一定大小的電流，產(chǎn)生磁場(chǎng)，活塞桿Ⅰ2.2.2與阻尼活塞Ⅱ2.2.5之間阻尼通道內(nèi)的磁流變液2.2.12粘度變得很粘稠，可以使活塞桿Ⅰ2.2.2與阻尼活塞Ⅱ2.2.5暫時(shí)連接在一起，這樣阻尼活塞Ⅱ2.2.5及其活塞桿Ⅱ2.2.6、活塞桿Ⅲ2.2.10等以下部分都隨著活塞桿Ⅰ2.2.2向上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)底座活塞2.3.2向上運(yùn)動(dòng)，直到節(jié)流孔開(kāi)度大小滿足要求為止；反之亦然，當(dāng)需要減小節(jié)流孔開(kāi)度時(shí)，在活塞桿Ⅰ2.2.2向下運(yùn)動(dòng)時(shí)為阻尼活塞Ⅱ2.2.5上的勵(lì)磁線圈通一定大小的電流，產(chǎn)生磁場(chǎng)，活塞桿Ⅰ2.2.2與阻尼活塞Ⅱ2.2.5之間阻尼通道內(nèi)的磁流變液2.2.12粘度變得很粘稠，可以使活塞桿Ⅰ2.2.2與阻尼活塞Ⅱ2.2.5暫時(shí)連接在一起，這樣阻尼活塞Ⅱ2.2.5及其活塞桿Ⅱ2.2.6、活塞桿Ⅲ2.2.10等以下部分都隨著活塞桿Ⅰ2.2.2向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)底座活塞2.3.2向下運(yùn)動(dòng)，直到節(jié)流孔開(kāi)度大小滿足要求為止。

開(kāi)度固定與防復(fù)位部分是包括阻尼活塞Ⅲ2.2.9的缸筒2.2.1下部部分，這一部分在節(jié)流孔調(diào)節(jié)過(guò)程中是不工作的，這一部分的作用是運(yùn)動(dòng)的傳遞與節(jié)流孔開(kāi)度的固定和防復(fù)位，是一個(gè)緩沖保護(hù)裝置，當(dāng)節(jié)流孔調(diào)節(jié)完畢后，阻尼活塞Ⅱ2.2.5與活塞桿Ⅰ2.2.2處于分離狀態(tài)，因此阻尼活塞Ⅱ2.2.5及活塞桿Ⅱ2.2.6會(huì)在自身重力的作用下發(fā)生復(fù)位現(xiàn)象，這時(shí)給阻尼活塞Ⅲ2.2.9上的勵(lì)磁線圈一個(gè)很大的恰當(dāng)電流，使得在阻尼活塞Ⅲ2.2.9與缸筒2.2.1內(nèi)壁之間的磁流變液阻尼通道里的磁流變液2.2.12發(fā)生劇變，產(chǎn)生很大的阻尼，阻止阻尼活塞Ⅱ2.2.5及活塞桿Ⅱ2.2.6向下運(yùn)動(dòng)，這部分結(jié)構(gòu)在整個(gè)裝置中主要起到一個(gè)傳動(dòng)與保護(hù)節(jié)流孔工作位的作用。

中空的固定底座2.3是整個(gè)系統(tǒng)調(diào)節(jié)節(jié)流孔開(kāi)度大小的執(zhí)行部分，當(dāng)?shù)鬃钊?.3.2通過(guò)活塞桿Ⅲ2.2.10傳遞的上下運(yùn)動(dòng)在活塞腔2.3.1內(nèi)上下移動(dòng)時(shí)即改變氣路通道2.3.3與活塞腔2.3.1交叉連通處的節(jié)流孔開(kāi)度大小。

為了防止因車體振動(dòng)動(dòng)作過(guò)大造成活塞桿Ⅰ2.2.2帶動(dòng)阻尼活塞Ⅰ2.2.4向上移動(dòng)碰撞缸蓋2.2.3造成缸蓋2.2.3損毀，進(jìn)而造成磁流變液泄漏，作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)方案，所述的缸蓋2.2.3與阻尼活塞Ⅰ2.2.4之間設(shè)置限位環(huán)2.2.13，限位環(huán)2.2.13固定安裝在缸筒2.2.1內(nèi)壁上。

為了防止活塞桿Ⅰ2.2.2帶動(dòng)阻尼活塞Ⅰ2.2.4向上移動(dòng)碰撞限位環(huán)2.2.13時(shí)造成阻尼活塞Ⅰ2.2.4碰撞損毀，作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)方案，所述的限位環(huán)2.2.13與阻尼活塞Ⅰ2.2.4之間設(shè)置緩沖環(huán)2.2.14。

為了進(jìn)一步增加控制機(jī)構(gòu)2的吸收振動(dòng)效果，作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)方案，所述的缸筒2.2.1的外壁或固定底座2.3的上端面與托盤2.1.1的下端面或活塞桿Ⅰ2.2.2的外露桿體之間設(shè)置減振彈簧2.2.15。

為了減少灰塵自缸蓋2.2.3進(jìn)入缸筒2.2.1內(nèi)部，作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)方案，所述的托盤2.1.1的下端面或活塞桿Ⅰ2.2.2的外露桿體與缸筒2.2.1的外壁之間設(shè)置防塵罩2.2.16。

為了保證阻尼活塞Ⅱ2.2.5及阻尼活塞Ⅲ2.2.9整體平穩(wěn)上下移動(dòng)，作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)方案，所述的活塞桿Ⅱ2.2.6和支撐彈簧2.2.7至少設(shè)置為兩套、中心對(duì)稱設(shè)置在阻尼活塞Ⅱ2.2.5及阻尼活塞Ⅲ2.2.9之間。

本剛度和阻尼可調(diào)式高速列車半主動(dòng)空氣懸掛裝置是利用磁流變液2.2.12實(shí)現(xiàn)節(jié)流孔開(kāi)度大小的半主動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)空氣彈簧的剛度可調(diào)，改善二系懸掛系統(tǒng)的減振性能；同時(shí)，控制機(jī)構(gòu)可作為獨(dú)立的磁流變阻尼器提供垂向阻尼。本方案解決了現(xiàn)有二系懸掛剛度不可調(diào)及缺少垂向阻尼器的不足。另外，由于采用新型智能材料磁流變液，使得控制過(guò)程更加精密可靠、能耗小、反應(yīng)速度快、過(guò)程可逆，特別適用于高速列車二系懸掛系統(tǒng)。