弹性件、其组件、弹性件和缓冲器组件及包括弹性件的车

摘要

具有可彼此相对移动的第一部件(1)和第二部件(2)的弹性件，第一部件设置有至少一个永磁体(4、4’)，第二部件设置有面对至少一个永磁体的软磁性材料的至少一个齿部(5、5’)，由此，随着第一部件相对于第二部件移动，所述面对表面的总面积发生变化，所述第一和/或第二部件也设置有至少一组导电绕组(7)，所述绕组连接至电源(8)，从而产生用于对弹性件的力－位移特性产生影响的磁场。同样公开的是这种弹性件和传统弹性件和/或缓冲器的组件，以及设置有这种弹性件的车辆。

说明书

技术领域

本发明涉及一种弹性件，更具体地，涉及一种其第一部件上使用永磁体、其第二部件上使用软磁性材料的弹性件，这些部件具有沿着纵向轴线相对于彼此的冲程。

本发明也涉及一种弹性件的组件，涉及一种弹性件和缓冲器的组件，以及具有车轮和集成有根据本发明的弹性件的车轮悬挂的车辆。

背景技术

US 5,584,364记载用做车用冲击吸收器或者载荷校准器的一种磁性单元，该磁性单元具有多组以并列关系布置的永磁体。

EP-A-0 391 066记载一种包括传统弹性件、磁性弹性件和缓冲器的集成弹性件系统。该磁性弹性件具有内部件和外部件，每个部件都设置有永磁体，由此，内部件和外部件的场的方向是相反的，从而提供一种负弹性刚度(stiffness)，并与传统弹性件相结合地提供具有非线性弹性特性的弹性件系统。该弹性刚度在中间或对齐位置附近较小，当弹性件被进一步压缩时该弹性刚度较大。

在US’364和EP’066中，相反导向的两个相邻永磁体之间的排斥力用于产生弹性作用。

发明内容

本发明的目的是提供一种包括具有至少一个永磁体的第一部件的弹性件，由此提供大的弹性力响应，即，随着相对位移而产生的力的大增加或减小，其中，所述力响应在弹性件的操作期间是可快速调节的，同时弹性件的体积相对较小。

为了这一目的，本发明提供一种具有第一部件和第二部件的弹性件，这两个弹性件可沿着纵向轴线彼此相对地移动，第一部件设置有至少一个永磁体，第二部件设置有软磁性材料的至少一个齿部，当第一部件处于相对于第二部件的对齐位置时，该齿部以一面对表面面对至少一个永磁体，由此，随着第一部件相对于第二部件移动，所述面对表面的总面积发生变化，所述第一和/或第二部件也设置有至少一组导电绕组，所述绕组连接至电源，从而产生用于对弹性件的力-位移特性产生影响的磁场。

这种弹性件使用所谓的阻抗或止动力从而产生弹性力。该阻抗力展示出下述事实，由永磁体产生的磁场优选延伸穿过具有最大导磁性的路径。例如，当第一部件相对于第二部件移动离开对齐位置时，永磁体移动而不与它们的对应齿部对齐。因此，面对齿部表面的永磁体表面的总面积减小，由此，磁场穿过该面积。该磁场现在被促使延伸穿过齿部外部的具有较低导磁性的路径。因此，阻抗力或止动力促使第一和第二部件返回至面对表面的面积被最大化的位置。

由于阻抗力或止动力是强力，所以可在相对小的体积范围内获得大弹性力。此外，如上所述的弹性件示出大概线性的弹性力行为，即，不变的弹性刚度，即使紧靠两个弹性部件的中间或对齐位置附近。在传统机械弹性件中，线性弹性力行为仅在部分被压缩的压缩弹性件或部分被延伸的拉伸弹性件中被观察到。

根据本发明的弹性件提供沿两个方向的力，即，该弹性件具有在力-位移示意图的第一和第三象限中的力-位移特性。因此，沿着第一部件移动不与第二部件对齐的纵向轴线的方向理论上是不相关的：阻抗力将促使两个部件返回对齐位置，不管初始位移处于哪个方向。但是，实际上，很可能地，可进行选择，打破简单结构内在的对称结构。

设置在弹性件的一个部件上的并且连接至电源的一组导电绕组用于产生磁场，该磁场的强度可以通过调节通过绕组的电流的强度而在任何时刻进行改变。该绕组优选基本上是共轴的。设置在弹性件的第二部件上的绕组与设置在第一部件上的磁体相互作用，反之亦然。该绕组的磁场可以导向成与永磁体直接地相互作用，或者通过中间软磁性材料与永磁体相互作用。在后一种情况下，软磁性材料可提供高导磁性的路径，同时增强该磁场。任何一种方式，设置在一个部件上的绕组的磁场与设置在另一部件上的磁场之间的相互作用会影响弹性件的力响应，由此允许在操作期间调节其力-位移特性。

在本发明的一项实施例中，所述至少一组绕组的大体公共轴线沿着基本上平行于所述弹性件的纵向轴线的方向延伸。优选地，设置在第一部件上的所述永磁体相对于所述绕组定位，使得当第一部件相对于第二部件移动离开对齐位置时，永磁体沿着所述绕组移动。

如上所述定位绕组可确保在弹性件的操作期间，绕组与至少一个永磁体之间的正确相互作用，即，分别在弹性件的第一部件与第二部件之间。相互作用力的强度取决于至少一个永磁体的强度，齿部的设计以及流过绕组的电流的强度和其他特性。流过绕组的任何电流优选地是直流(DC)或者经整流或未经整流的交流(AC)，存在偏差或不存在偏差，从而保持稳定的磁场。然而，电流，尤其是电流的强度可被改变，从而改变相互作用力的强度，由此调节该弹性件的行为。对于电流的改变可在弹性件的操作期间的任何时刻应用。实际上，正是弹性件操作期间施加的变化使得该弹性件具有有利的动态行为。

如上所述，这种弹性件的行为可以通过改变流过绕组的电流而发生变化。图1示意性地示出这种弹性件相应于各种电流的力-位移特性。在图1中，示出力-位移示意图的第一象限，弹性力F相对于两个弹性件的相对位移d绘制。以字母A标示的直线表示在绕组没有承载电流时的大概线性弹性特性，即弹性件是被动的。该弹性件的力响应范围可以通过施加不变或可变的电流、采用或不采用DC分量、对绕组产生小波动(ripple)而改变。根据流过绕组的电流的方向，力-位移关系将采用曲线B1或曲线B2的形状。由此获得的曲线B1和B2已经发现不是直线型的，而是曲线型的。这有若干意义。首先，弹性件常数，即，曲线的斜度，在弹性件的相对位移区域上不再是不变的。其次，由于曲线图中的阴影区域并没有被曲线B1或B2覆盖，所以该操作区域无法达到实现相对位移区域的端部附近的动态和可控制弹性件行为的目的。

为了克服这一问题，根据本发明的一项实施例，至少一组绕组包括多个绕组子组，每个子组包括邻近绕组，所述子组位于沿着第一或第二部件长度的不同纵向位置，其中，流过所述子组的绕组的电流的至少一个参数，诸如电流的方向或强度，可由电源控制器控制，从而不同于流过另一所述子组的电流的对应参数。

采用这一实施例，即使在相对位移区域的端部附近也可获得可控制性。

在其他实施例中，电源控制器可使得至少两个子组承载相同但是相反的电流。因此，形成该弹性件的操作区域的边界的曲线可假定为基本上直线型的线的形状，类似于图1中的曲线C1和C2。因此，有利地，使用承载相对电流的绕组的两个子组允许该弹性件的操作区域的膨胀，如图1中的阴影区域所示，同时保持大概不变的弹性常数。

在本发明的一项实施例中，在该弹性件的操作期间，包括所述绕组的子组的绕组组合是可变的。

为了改善该弹性件的行为的可控制性，并因此改善该弹性件的力-位移特性，包括绕组子组的绕组组合可以在弹性件的操作期间是可变的。

可在一项实施例中获得可变性，在该实施例中，所述组绕组的多个邻近绕组构成线圈，绕组的所述子组包括多个所述线圈。在这种实施例中，电源控制器可包括切换组件，每个开关连接至线圈，所述线圈经由所述开关连接至所述电源，使得在所述开关的第一位置，电流沿第一方向流过所述线圈，在所述开关的第二位置，所述电流沿相反于第一方向的第二方向流过所述线圈。控制该开关的电源控制器然后判定电流是否流过特定线圈，如果是这样，判定沿着哪个方向。在这种结构中，子组可包括享有相同电流特性的多个相邻线圈。如果需要，那么电源控制器可以立刻决定使线圈不活动，或者通过改变开关的状态而使得另一子组的部分共享其他电流特性。

根据本发明的另一方面考虑，该弹性件包括位移检测装置，用于提供第一部件与参考位置相比相对于第二部件移动的距离的信息，所述位移检测装置设置成与电源控制器协同配合地工作。

优选地，电源控制器设置成与位移检测装置协同配合地工作以根据第一和第二部件的相对位移、通过所述绕组的不同子组来调节电流，包括电流方向。

为了优选地控制流过该弹性件的绕组的电流，理想地，关于两个弹性部件的当前相对位移的信息提供给电源控制器。

在本发明的一项实施例中，所述电源控制器确保流过所述组绕组的子组的电流沿着第一方向导向，所述子组包括直接面对永磁体的绕组，所述电源控制器还确保流过其他绕组的电流沿着相对于第一方向的第二方向导向。

测试已经示出，尤其地采用这种实施例，限定该弹性件的操作面积的曲线可假定为基本上直线型的线的形状，类似于图1中的曲线C1和C2，并因此允许在保持不变弹性件常数的同时使得该弹性件的操作区域膨胀。

关于两个部件的相对位置的信息例如通过机械、电子或光学位置传感器进行收集。

根据本发明的另一方面考虑，电源控制器具有用于载荷传感器的输入，以提供关于正在施加至所述弹性件的力的信息。优选地，电源控制器设置成与载荷传感器协同配合地工作以通过所述绕组的不同子组来调节电流，包括电流方向。

为了优选地通过弹性件的绕组控制电流，理想地，关于施加至弹性件的力的信息可快速提供至电源控制器。施加至该弹性件的力的突然变化例如需要增强电流强度形式的电源控制器的迅速反应，从而防止该弹性件被突然地压缩。关于所施加的力的信息可以例如通过使用在由该弹性件支承的车轮的轴承中的商业购得的载荷传感器(load cell)或载荷力传感器而收集到。但是，将载荷传感器作为该弹性件的一部分的实施例也是可行的。

根据本发明的另一实施例，当第一部件相对于第二部件处于对齐位置时，所述面对表面的总面积最大，随着第一部件相对于第二部件移动离开对齐位置，所述面对表面的总面积减小。

在对齐位置，永磁体直接地面对它们的对应齿部。因此，除了由流过绕组或其他弹性力产生装置诸如第二部件上的额外传统弹性件和/或额外永磁体的电流产生的效果，由阻抗力产生的弹性力将会是最小的。随着该弹性件的两个部件移动而不彼此对齐，并且该面对表面的总面积减小，由阻抗力产生的弹性力增加。

该弹性件的第二部件上的齿部优选地通过软磁性材料的基部互相连接。除此之外，安装在第一部件上的永磁体优选地安装在软磁性材料的基部上。采用这种方式，形成对于磁场具有高导磁性的封闭路径，从而获得经由第二部件的基部、永磁体和第一部件的基部延伸穿过相邻齿部的封闭磁场。在两个弹性部件移动不彼此对齐的这种结构中产生的阻抗或止动力较大，因为随着位置的导磁性的改变率和磁场的强度也较大。

本发明也提供一种根据前述任一实施例所述的弹性件和传统弹性件的组件从而形成弹性件组件。

根据本发明的弹性件可连接至传统弹性件，诸如螺旋或气体弹性件，并联或者串联。

将两个弹性件并联地设置会导致每个弹性件的载荷减小，同时保留根据本发明的弹性件的相同冲程长度。将两个弹性件串联设置会一直使得两个弹性件产生相同的力，同时减小根据本发明的弹性件的冲程长度。

本发明也提供根据本发明的弹性件或弹性件组件以及缓冲装置的组件，该弹性件或弹性件组件以及缓冲装置并联地连接。该缓冲装置可以是分离于该弹性件的装置，或者可集成入该弹性件。

本发明也提供一种设置有至少一个车轮和悬挂的车辆，该车轮经由该悬挂连接至车辆底盘，该悬挂包括根据前述任一权利要求所述的至少一个弹性件或弹性件组件。由于该弹性件采用主动类型，即，包括由控制器控制的线圈以对该弹性件的弹性特性产生影响，可获得具有非常短的响应时间的主动悬挂，同时从结构的观点来看，该弹性件相当简单并且稳定。

附图说明

图1示出根据本发明的弹性件的示意性力-位移示意图的第一象限；

图2示出弹性件的第一实施例的示意性剖面图；

图3A示出弹性件的第二实施例的示意性剖面图；

图3B示意性地示出切换组件；

图4示意性地示出具有车轮和车轮悬挂的车辆；

图5示意性地示出车辆的两个车轮以及车体角位移横向平衡杆和根据本发明的弹性件的实施例。

具体实施方式

图1已经在上文进行详细说明。

图2的实施例示出具有可沿着纵向轴线L相对于彼此移动的第一部件1和第二部件2的弹性件。在该实施例中，第一部件1是移动件，第二部件2是固定件。该移动件被导引在通过轴承以公知方式设置的轨道中移动。该轴承可采用各种类型，诸如滚珠或滚柱支承轴承、磁性轴承、流体轴承、滑动轴承等。在第一部件1与第二部件2之间，存在间隙3。第一部件1设置有采用硬磁性材料的永磁体4、4’。在该实施例中，永磁体4、4’安装在软磁性材料的基部6上。第二部件2包括并且优选地整体由软磁性材料制成。第二部件2设置有由软磁性材料制成的两个齿部5、5’，当第一部件1处于相对于第二部件2的对齐位置时，这两个齿部的每个都以面对表面5a、5a’面对永磁体4、4’。每个齿部5、5’的面对表面5a、5a’朝向对应永磁体4、4’的面对表面或磁极4a、4a’导向。相邻永磁体4、4’优选地具有相反的磁性方向。在图2中，每个磁体4、4’的磁性方向由磁体4、4’中的箭头示出。磁体4、4’的北极由N表示，南极由S表示。间隙3在两个齿部5、5’与对应永磁体4、4’之间延伸。当第一部件1相对于第二部件2沿着纵向轴线L移动离开对齐位置进入非对齐位置时，面对表面的总面积发生变化。在图2所示的实施例中，当第一部件1处于相对于第二部件2的对齐位置时，面对表面的总面积是最大的，当第一部件1沿着纵向轴线L相对于第二部件2移动离开对齐位置时，该面对表面的总面积减小。

随着第一部件1相对于第二部件2移动离开对齐位置，由于阻抗或者止动(detent)力，两个部件1、2将被促使返回对齐位置，由此提供沿着平行于纵向轴线L的方向的弹性力。对于特定体积范围(volume envelope)的弹性件，阻抗或止动力可提供相对高的弹性力特性。该弹性件具有将压缩弹性和拉伸弹性特性结合到一起的特殊特征。换句话说，在力-位移特性图中，弹性件在第一象限和第三象限中产生作用，由此，弹性力-位移特性在对齐位置附近是线性的以进行良好地逼近。

第二部件2设置有并且部分地由线圈7环绕，该线圈连接至可变电源8。该电源由控制器9控制。当电流流过该线圈的绕组时，该线圈7产生线圈磁场CMF。该线圈磁场可具有与由永磁体4、4’产生的磁场PMF相同的方向。如果是这样，弹性力相对于该被动结构而增加，即，没有电流流过该线圈的绕组。另一方面，该线圈磁场可具有与由永磁体4、4’产生的磁场PMF的方向相反的方向。在那种情况下，弹性力相对于该被动结构来说减小。该线圈磁场CMF的方向由流过该线圈的绕组的电流的方向确定。该线圈磁场的密度由该线圈中的电流强度确定。

控制器9适于连续地控制该线圈7中的电流强度，并且在需要的情况下改变该电流强度，由此控制该弹性件的弹性力。代替相应于被动弹性件(即，没有设置线圈)获得的力-位移示意图中的单一特性，该示意图的第一象限和第三象限中的整个弹性力区域由单一弹性件覆盖。在任何时刻，在任何位移位置，由弹性件施加的弹性力可瞬时地通过改变线圈7中的电流而进行调节。这可在基本上没有响应时间的情况下以很高的速率实现。因此，获得主动弹簧。

从结构的观点来看，优选地将该线圈集成入弹性件的固定部件中，这里是固定件2。但是，本发明也覆盖该线圈集成入该弹性件的可移动部件中的实施例，这里是移动件1。

图3A示出根据本发明的弹性件的第二实施例的示意性剖视图。该弹性件示出围绕纵向轴线M的旋转对称性。该弹性件的第一部件11设置有永磁体14、14’。第二部件12具有内部部件12a和外部部件12b，由此在第一部件11与第二部件12之间形成两个间隙。该弹性件的第二部件的外部部件12b设置有齿部15、15’。该第二部件12的内部部件12a设置有齿部15b、15b’。第二部件12也设置有永磁体16、16’，两组导电绕组17、17’以及凸起止动件20。永磁体14、14’、16、16’内部的箭头表示磁场的方向，从南指向北，但是所有永磁体的极性可以在没有功能性结果的情况下反向，只要任何两个磁体之间的相对极性被保留。

为了增加可由弹性件施加的弹性力，多个齿部15a、15a’、15b、15b’沿着纵向轴线设置在第二部件12上，由此，每个齿部对应于设置在第一部件11上的永磁体14、14’。在对齐位置处(未示出)，齿部15a、15a’、15b、15b’分别地直接面对其对应永磁体14、14’，由此最小化阻抗力。应该清楚的是，该弹性件可以设置有任意数量的齿部-永磁体组合部件，最少数量是一个。

齿部15a、15a’、15b、15b’不是如图2中的齿部5、5’的方块形状，而是带有斜面的。一般地，改变齿部表面的轮廓会影响弹性件的力-位移特性，并且允许该特性被调整。该齿部可具有所需要的任何形状；它们可以例如是方块形状的、带有斜面的、锯齿形状的，或者遵循凹入曲面的凸出点。

为了进一步增加可由弹性件施加的弹性力，第二部件12已经设置有永磁体16、16’。永磁体16和16’分别靠近齿部15b和15b’定位，并且导向成使得随着第一部件11沿冲程方向相对于第二部件12移动离开对齐位置，永磁体16和16’的磁场逐渐增加地反作用于设置在第一部件11上的永磁体14和14’的相应磁场。该永磁体16和16’也可用于提供力/位移示意图中的一力/位移特性，即，力的突然增加在零位移区域附近直接地出现，使得似乎力/位移特性在该示意图中沿竖直方向被抵消。在一项备选实施例中，永磁体16和16’可以由线圈或线圈组代替，可连接至电源从而形成电磁体，使得磁体的强度和/或有效位置可在弹性件的操作期间被调节。

图3A所示的弹性件的实施例的特征在于两组基本上共轴的导电绕组17、17’，每组绕组包括多个线圈17a、17a’、17b、17b’等，在本实施例中为十七个。线圈17a、17a’、17b、17b’等的绕组部分地环绕该弹性件的第二部件12的内部件。图3B示意性地示出线圈组17、17’是如何经由切换组件21连接至可变电源18的，切换组件21的开关由同样控制电源18本身的电源控制器19控制。下面将更多地说明图3B。

该弹性件的第二部件12大部分由软磁性材料制成：齿部15a、15a’、15b、15b’，第二部件连接该齿部15、15’的非永磁性部件，以及线圈所围绕设置的第二部件12的内部件都由软磁性材料制成。该软磁性材料增加弹性件内部的吸引力，并且提供更高的力响应。出于相同的原因，第一部件11连接永磁体14、14’的非永磁性部件也由软磁性材料制成。

在对齐位置处，设置在第二部件12上的齿部15a、15a’、15b、15b’以它们的面对表面直接地面对设置在第一部件11上的对应永磁体14、14’。随着第一部件11相对于第二部件12移动离开对齐位置，面对表面的总面积，即，直接面对它们对应永磁体的表面的齿部的表面的总面积减小。在图3A中，面对表面的总面积已经减小至对齐位置处的值的大约一半。

随着第一部件11移动而不与第二部件12对齐，作用在两个弹性部件之间的若干或多或少的分别可识别力被激发，所有这些都有助于提供总弹性力。第一力分量由阻抗力或止动力形成，直接由于齿部与它们对应永磁体的表面的直接面对的表面的总面积减小而产生。第二力分量由排斥力形成，作用在设置在第一部件上的永磁体14、14’与分别设置在第二部件上的永磁体16、16’之间。总弹性力的第三分量由设置在第二部件12上的线圈17a、17b、17a’、17b’等的电流承载绕组与设置在第一部件11上的永磁体14、14’之间的相互作用力而形成。

由线圈17a、17b、17a’、17b’等产生的磁场是可变的，因为所述线圈经由切换组件21连接至可变电源18，切换组件21的开关由本身也控制电源18的电源控制器19控制。因此，直接或间接包括由线圈17a、17b、17a’、17b’等产生的磁场的力分量也是可变的。

在图3B中，示出电源控制器19已经将每组线圈17、17’分为两个子组。流过两个子组的电流沿相反方向流动，由此产生两个相对导向的磁场。由于电源控制器19连接至位置传感器22，该传感器为电源控制器19提供关于部件11和12的相对位置的信息，能够确保流过直接面对一经过(passing)永磁体的一组线圈17a”、17b”等即第一子组的电流沿第一方向导向以及流过其余线圈即第二子组的电流沿第二相反方向导向。对于这种结构，图3A所示的随机冲程位置例如大概对应于图3B所示的情况。

在一项备选实施例中，在附图中未示出，至少一组绕组构成一个线圈，其中，该线圈的绕组与可连接至电源的电触点滑动接触，使得流过该触点一侧上的绕组子组的电流方向相反于流过该触点另一侧上的绕组子组的电流方向。该线圈的自由端可接地，该触点可连接至具有地上电势的DC源，该电势可以是可变的。这种连接使得在一个线圈的两个部分中形成相反的电流。

图4示意性地示出具有车轮W和车轮悬挂T的车辆V。该车辆悬挂设置有根据本发明的弹性件S。更具体地，该悬挂设置有组件30，包括根据本发明的弹性件S和缓冲器31。虽然分别进行说明，但是该缓冲器31可集成入弹性件S。当弹性件S如上所述属于主动类型时，该弹性特性可相应于车辆V的驱动情况进行调整。例如，例如，可在曲面中对偏转进行反作用，可对制动期间的车辆的俯冲(diving)进行反作用，可调整弹性力/位移特性以适应道路的类型，速度和/或驱动方式，即运动型或放松和舒适型。所有这些变化方案都可借助控制弹性件S的线圈17a、17b、17a’、17b’等中的电流大小和电流方向的控制器19而瞬间实现，几乎不需要任何响应时间。

图5示意性地示出设置有第一和第二车轮W1、W2和车体角位移横向平衡杆32的车辆V的实施例。该车辆包括车体角位移横向平衡杆弹性件33，该弹性件是根据本发明的弹性件的实施例，并且与第一车轮W1与第二车轮W2之间的车体角位移横向平衡杆32串联连接。另外，缓冲器34和传统弹性件35或根据本发明一项实施例的其他弹性件可设置用于每个车轮W1、W2的悬挂。尤其当车体角位移横向平衡杆弹性件33属于主动类型时，车辆V的偏转行为可按需要进行调整，例如，取决于道路的类型，速度和/或驱动方式，即，运动型或放松和舒适型。所有这些可在几乎不需要任何响应时间的同时瞬间实现。

应该清楚，本发明并不局限于上述实施例，但是由所附的权利要求限定。各种实施例的组合也是可行的。例如，本发明的范围也包括多间隙弹性件，在每个间隙中具有多于两个的齿部并且在邻接齿部之间具有线圈，以产生线圈磁场。