CN102627063B - 电磁馈能型半主动悬架运动方向实时控制装置及方法 - Google Patents
电磁馈能型半主动悬架运动方向实时控制装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种车辆电磁馈能型半主动悬架运动方向实时控制装置及方法，在馈能电机和螺母-滚珠丝杠机构之间设有由同设在馈能电机转子输入轴上的第一、第二棘轮机构组成的双向可控双棘轮机构，第一、第二棘轮机构均包括棘轮、棘爪、棘爪转轴、拉紧弹簧和电磁铁，电磁铁电连接控制单元，与棘爪结合的两个棘轮旋向相反；当控制单元对第一、第二棘轮机构的第一、第二电磁铁其一输入控制信号，馈能电机转子输入轴仅能沿逆时针或顺时针转动，悬架只能拉伸或压缩；当控制单元对第一、第二电磁铁均不输入控制信号，悬架只能拉伸和压缩。在车辆受到较大惯性力作用时，可通过对相关悬架运动方向实时控制，减小车辆的俯仰及侧倾，改善车辆的行驶安全性。
Description
技术领域
本发明属于车辆悬架结构与控制技术领域，尤其涉及用于车辆的电磁馈能型半主动悬架的控制装置及方法。
背景技术
悬架是车辆重要的结构与功能部件，对车辆整体性能影响重大。车用悬架按其工作原理可分为被动悬架、半主动悬架及主动悬架。被动悬架主要由弹簧、减震器等组成，通过减震器消耗和弹簧缓冲车辆车轴与车身质量之间的振动能量来获得减振效果，但固定的刚度和阻尼难以满足各种减振要求。普通的半主动悬架是将被动悬架阻尼值不变的减震器改造成为阻尼值实时可调的阻尼元件以改善车辆的平顺性。主动悬架是在被动悬架的基础上增加一个可以产生主动控制力的控制力发生器，因此具有输出带有负阻尼特性主动控制力的能力，可使车辆平顺性达到最优，因此，从理论上讲主动悬架的性能要优于半主动悬架，而半主动悬架的优势在于控制***简单且无需外部动力源，成本低廉。
现有的一种电磁馈能型主动悬架使用螺母-滚珠丝杠机构将直线的悬架运动转化为圆周运动再传递给电机，电机起馈能装置和主动力发生器的功能，一般采用定电压的蓄电池作为电机起馈能的蓄能器和电机发出主动力的动力源。这种电磁馈能型半主动悬架的缺陷是；无法在车辆受到较大惯性力作用时对悬架的运动方向进行实时限制，导致车辆行驶安全性能不高。
发明内容
本发明的目的是提供一种电磁馈能型半主动悬架运动方向实时控制装置及方法，在车辆受到较大惯性力作用时通过对悬架运动方向进行实时控制以减小车辆的侧倾及俯仰，改善车辆的行驶安全性。
为实现上述目的，本发明电磁馈能型半主动悬架运动方向实时控制装置采用的技术方案是：包括电磁馈能阻尼力发生器和控制单元，电磁馈能阻尼力发生器上部是由馈能电机定子、馈能电机转子和馈能电机外壳组成的馈能电机、下部是由滚珠丝杠和滚珠螺母组成的螺母-滚珠丝杠机构，滚珠丝杠上端与馈能电机转子输入轴下端固定连接，电磁馈能阻尼力发生器通过馈能控制电路电连接控制单元，在馈能电机和螺母-滚珠丝杠机构之间设有双向可控双棘轮机构，双向可控双棘轮机构由同设在馈能电机转子输入轴上的第一、第二棘轮机构组成，第一、二棘轮机构均包括棘轮、棘爪、棘爪转轴、拉紧弹簧和电磁铁，棘轮固套在馈能电机转子输入轴上；棘爪转轴一端固接馈能电机外壳内壁、另一端连接棘爪；拉紧弹簧的一端固接馈能电机外壳内壁、另一端固接棘爪一端，棘爪的另一端靠近固接于馈能电机外壳内壁上的电磁铁；电磁铁电连接控制单元，与棘爪结合的两个所述棘轮旋向相反。
本发明电磁馈能型半主动悬架运动方向实时控制装置的控制方法采用的技术方案是有如下步骤：1）控制单元对第一、第二棘轮机构的其一发出控制信号，控制第一电磁铁或第二电磁铁中其一吸合，使第一棘爪绕第一棘爪转轴逆时针旋转与第一棘轮结合，馈能电机转子输入轴仅能沿逆时针方向转动，悬架只能拉伸；或使第二棘爪绕第二棘爪转轴顺时针旋转与第二棘轮结合，馈能电机转子输入轴仅能沿顺时针方向转动，悬架只能压缩；2）控制单元对第一电磁铁和第二电磁铁均不输入控制信号，第一棘爪和第一棘轮、第二棘爪和第二棘轮均处于分离状态，悬架能拉伸和压缩。
本发明采用上述技术方案后，具有的有益效果是：在车辆受到较大惯性力作用时，可以通过对相关悬架运动方向进行实时控制，以减小车辆的俯仰及侧倾，以改善车辆的行驶安全性。
附图说明
图1是本发明的结构及控制原理示意图；
图2是图1中电磁馈能阻尼力发生器2的结构放大图；
图3是图2中双向可控双棘轮机构3的安装结构放大图；
图中：1.簧载质量；2电磁馈能阻尼力发生器；3.双向可控双棘轮机构；4.馈能控制电路；5.控制单元；6.车轮质量；7.轮胎等效弹簧；8.悬架弹簧；9.上吊耳；10.螺母-滚珠丝杠机构保护套；11.滚珠螺母；12.下吊耳；13.下工作缸；14.滚珠丝杠；15.馈能电机外壳；16.馈能电机定子；17.馈能电机转子；18-1.第一键；18-2.第二键；19-1.第一拉紧弹簧；19-2.第二拉紧弹簧；20-1.第一棘爪转轴；20-2.第二棘爪转轴；21-1.第一电磁铁；21-2.第二电磁铁；22-1.第一棘爪；22-2.第二棘爪；23.馈能电机转子输入轴；24-1.第一棘轮；24-2.第二棘轮。
具体实施方式
如图1所示，本发明所运用于的电磁馈能型半主动悬架及其控制***为；在铅垂方向上（与悬架运动相关的所有物理量的方向都是在铅垂方向上），车轮质量6与轮胎等效弹簧7组成车轮，车轮位于簧载质量1的下方，车轮与簧载质量1之间并联有悬架弹簧8与电磁馈能阻尼力发生器2，车轮直接与地面相互作用而使悬架产生振动。电磁馈能阻尼力发生器2中设有双向均实时可控的双向可控双棘轮机构3；双向可控双棘轮机构3通过控制线连接于控制单元5，电磁馈能阻尼力发生器2的两电流反馈导线连接于馈能控制电路4，馈能控制电路4与控制单元5有多根控制线和多根信号线连接，控制单元5另有来自于车辆方向盘转角传感器、制动踏板位置信号传感器、车身侧向加速度传感器及车身纵向加速度传感器输入的车辆方向盘转角、制动踏板位置信号、车身侧向加速度、车身纵向加速度等信号。
如图2所示，电磁馈能阻尼力发生器2最上部是上吊耳9，上吊耳9固定连接上部簧载质量1和下部的馈能电机外壳15，使电磁馈能阻尼力发生器2上端通过上吊耳9连接簧载质量1。馈能电机外壳15内腔中设置馈能电机和双向可控双棘轮机构3。馈能电机由馈能电机定子16、馈能电机转子17和馈能电机外壳15组成，馈能电机定子16固定于馈能电机外壳15上，馈能电机转子17与馈能电机定子16同轴且位于馈能电机定子16的中间。馈能电机下部是双向可控双棘轮机构3，双向可控双棘轮机构3下部是螺母-滚珠丝杠机构，螺母-滚珠丝杠机构由滚珠丝杠14和滚珠螺母11组成，滚珠丝杠14外套一个螺母-滚珠丝杠机构保护套10，螺母-滚珠丝杠机构保护套10的上端与馈能电机外壳15相接，下端与下工作缸13相接；滚珠丝杠14与滚珠螺母11相配合，滚珠螺母11固定设置在下工作缸13的上端面上，滚珠丝杠14的下部伸入到下工作缸13内部，组成螺母-滚珠丝杠机构，可将直线运动转化为圆周运动。滚珠丝杠14、双向可控双棘轮机构3以及馈能电机转子17均同轴转动。滚珠螺母11相对于车轮在铅垂方向上没有位置变化和没有旋转运动。
下工作缸13的下端面连接下吊耳12，下吊耳12固定连接车轮质量6，使电磁馈能阻尼力发生器2下端通过下吊耳12固定连接车轮质量6。
如图3所示，双向可控双棘轮机构3由两组方向单向可控的棘轮机构同轴上、下安装组成，同时安装在馈能电机转子17的馈能电机转子输入轴23上，滚珠丝杠14的上端与馈能电机转子输入轴23下端固定连接。如图3a和3b所示是第一棘轮机构，如图3c和3d所示的是第二棘轮机构。其中，第一棘轮机构包括第一棘轮24-1、第一棘爪22-1、第一拉紧弹簧19-1、第一棘爪转轴20-1和第一电磁铁21-1；第一棘轮24-1通过第一键18-1固定套在馈能电机转子输入轴23上；第一棘爪转轴20-1一端固定在馈能电机外壳15的内壁上、另一端连接第一棘爪22-1；第一拉紧弹簧19-1的一端固定在馈能电机外壳15内壁上；第一拉紧弹簧19-1的另一端固定连接第一棘爪22-1的一端，靠近第一棘爪22-1的另一端处是第一电磁铁21-1，第一电磁铁21-1固定连接在馈能电机外壳15的内壁上且电连接控制单元5。
图3-a是第一电磁铁21-1未接收到来自控制单元5的工作信号，即第一电磁铁21-1未通电不产生吸合力，第一棘爪22-1在第一拉紧弹簧19-1拉力的作用下与第一棘轮24-1处于分离状态，此时馈能电机转子17的输入轴23的转动不受限制。图3-b是第一电磁铁21-1接收到来自控制单元5的工作信号而吸合第一棘爪22-1，吸合力带动第一棘爪22-1运动，克服第一拉紧弹簧19-1拉力使第一棘爪22-1绕第一棘爪转轴20-1逆时针旋转而使第一棘爪22-1与第一棘轮24-1处于结合状态，此时馈能电机转子输入轴23仅能沿逆时针方向转动。
如图3-c和3-d所示，第二棘轮机构包括第二棘轮24-2、第二棘爪22-2、第二棘爪转轴20-2、第二拉紧弹簧19-2和第二电磁铁21-2，第二棘轮24-2通过第二键18-2固定套在馈能电机转子17的输入轴23上；第二棘爪转轴20-2一端固定连接在馈能电机外壳15的内壁上、另一端连接第二棘爪22-2；第二拉紧弹簧19-2的一端固定在馈能电机外壳15内壁上，第二拉紧弹簧19-2的另一端固定连接第二棘爪22-2的一端，第二棘爪22-2的另一端靠近第二电磁铁21-2，第二电磁铁21-2固定连接在馈能电机外壳15的内壁上且电连接控制单元5。
图3-c表示第二电磁铁21-2未接收到来自控制单元5的工作信号，即第二电磁铁21-2未通电不产生吸合力，第二棘爪22-2在第二拉紧弹簧19-2拉力的作用下与第二棘轮24-2处于分离状态，此时馈能电机转子17的输入轴23的转动不受第二棘轮机构的限制；图3-d表示第二电磁铁21-2接收到来自控制单元5的工作信号而吸合第二棘爪22-2，吸合力克服第二拉紧弹簧19-2拉力使第二棘爪22-2绕第二棘爪转轴20-2顺时针旋转而使第二棘爪22-2与第二棘轮24-2处于结合状态，此时馈能电机转子输入轴23仅能沿顺时针方向转动。
双向可控双棘轮机构3中的两个棘轮的旋向相反，以此控制悬架的拉伸和压缩。如图3a和3b所示的第一棘轮机构工作时，第一棘轮24-1与第一棘爪结合时，只能逆时针方向转动，即悬架运动只能拉伸；如图3c和3d所示的第二棘轮机构工作时，第二棘轮24-2与第二棘爪结合时只能沿顺时针方向转动，即悬架运动只能压缩。
图1和图2显示在铅垂方向上滚珠螺母11通过下工作缸13和下吊耳12连接于车轮，且滚珠螺母11相对于车轮没有位置变化和旋转运动；滚珠丝杆14与馈能电机转子17固定连接，即滚珠丝杆14相对馈能电机定子16与馈能电机外壳15在铅垂方向上无位置变化，但在旋转方向上有位置变化。馈能电机外壳15通过上吊耳9与簧载质量1固定连接，导致滚珠丝杆14相对簧载质量1在铅垂方向上无位置变化，但在旋转方向上有位置变化。
车辆行驶时，控制单元5仅对第一棘轮机构与第二棘轮机构中的其一输入控制信号。当控制单元5对第一电磁铁21-1和第二电磁铁21-2均不输入工作信号，第一棘爪22-1与第一棘轮24-1处于分离状态，第二棘爪22-2与第二棘轮24-2也处于分离状态，此时悬架可拉伸或压缩。
当车辆在直线行驶紧急制动时，控制单元5根据制动踏板位置信号、车身纵向加速度信号判断车身可能发生较大俯仰时，控制单元5对车辆后悬架的电磁馈能阻尼力发生器2上的第二电磁铁21-2输入控制信号，第二电磁铁21-2产生吸合力克服第二拉紧弹簧19-2拉力使第二棘爪22-2绕第二棘爪转轴20-2顺时针旋转而使第二棘爪22-2与第二棘轮24-2处于结合状态，此时馈能电机转子输入轴23仅能沿顺时针方向转动，馈能电机转子输入轴23的转动带动滚珠丝杠14相对于滚珠螺母11在铅垂方向上仅能做向下的直线运动。由于在铅垂方向上滚珠丝杠14与簧载质量1的位置变化完全一致，滚珠螺母11与车轮质量6的位置变化完全一致，因此上述仅能向下的直线运动导致车辆的悬架仅可压缩。同时控制单元5对车辆前悬架的电磁馈能阻尼力发生器2中的第一电磁铁22-1输出工作信号，第一电磁铁22-1产生吸合力克服第一拉紧弹簧19-1拉力使第一棘爪22-1绕第一棘爪转轴20-1逆时针旋转而使第一棘爪22-1与第一棘轮24-1处于结合状态，此时馈能电机转子输入轴23仅能沿逆时针方向转动，馈能电机转子输入轴23转动带动滚珠丝杠14与滚珠螺母11相互作用，使滚珠丝杠14相对于滚珠螺母11在铅垂方向上仅能做向上的直线运动，导致车辆的前悬架仅可拉伸，从而实现减小车身的俯仰，进而提高车辆直线行驶紧急制动时的安全性。
当控制单元5根据方向盘转角信号和车身侧向加速度信号判断车身可能发生较大侧倾时，控制单元5对车辆转向行驶内侧悬架的电磁馈能阻尼力发生器2中的第二电磁铁21-2输入控制信号，第二电磁铁21-2产生吸合力克服第二拉紧弹簧19-2拉力使第二棘爪22-2绕第二棘爪转轴20-2顺时针旋转而使第二棘爪22-2与第二棘轮24-2处于结合状态，此时馈能电机转子输入轴23仅能沿顺时针方向转动，逆时针方向的转动被限制，馈能电机转子输入轴23转动限制传递到滚珠丝杠14，滚珠丝杠14与滚珠螺母11相互作用，导致车辆转向行驶内侧悬架仅可压缩；同时控制单元5对车辆转向行驶外侧悬架的电磁馈能阻尼力发生器2上的第一电磁铁22-1输入控制信号，第一电磁铁22-1产生吸合力克服第一拉紧弹簧19-1拉力使第一棘爪22-1绕第一棘爪转轴20-1逆时针旋转而使第一棘爪22-1与第一棘轮24-1处于结合状态，此时馈能电机转子输入轴23仅能沿逆时针方向转动，顺时针方向的转动被限制，馈能电机转子输入轴23的转动最终使车辆转向行驶外侧悬架仅可拉伸，从而实现减小车身的侧倾，进而提高车辆转向行驶安全性。
当车辆在转向行驶制动时，控制单元5根据方向盘转角信号、制动踏板位置信号、车身侧向加速度信号、车身纵向加速度判断车身可能同时发生侧倾和俯仰时，控制单元5对车辆转向行驶内侧后悬架的电磁馈能阻尼力发生2上的第二电磁铁21-2输入控制信号，第二电磁铁21-2产生吸合力克服第二拉紧弹簧19-2拉力使第二棘爪22-2绕第二棘爪转轴20-2顺时针旋转而使第二棘爪22-2与第二棘轮24-2处于结合状态，此时馈能电机转子输入轴23仅能沿顺时针方向转动，逆时针方向的转动被限制，馈能电机转子输入轴23转动限制传递到滚珠丝杠14，滚珠丝杠14与滚珠螺母11相互作用将该馈能电机转子输入轴23转动限制在铅垂方向上转化为滚珠丝杠14相对于滚珠螺母11仅能做向下的直线运动，因此上述仅能向下的直线运动导致车辆转向行驶内侧后悬架仅可压缩；同时控制单元5对车辆转向行驶外侧悬架和另一前悬架的电磁馈能阻尼力发生2中的第一电磁铁22-1输入控制信号，第一电磁铁22-1产生吸合力克服第一拉紧弹簧19-1拉力使第一棘爪22-1绕第一棘爪转轴20-1逆时针旋转而使第一棘爪22-1与第一棘轮24-1处于结合状态，此时馈能电机转子输入轴23仅能沿逆时针方向转动，顺时针方向的转动被限制，上述馈能电机转子输入轴23转动限制传递到滚珠丝杠14，滚珠丝杠14与滚珠螺母11相互作用将该馈能电机转子输入轴23转动限制在铅垂方向上转化为滚珠丝杠14相对于滚珠螺母11仅能做向上的直线运动，因此上述仅能向上的直线运动导致车辆转向行驶外侧悬架和另一前悬架仅可拉伸，从而实现同时减小车身的侧倾和俯仰，进而达到提高车辆转向行驶制动时安全性的目的。
Claims (5)
1.一种电磁馈能型半主动悬架运动方向实时控制装置，包括电磁馈能阻尼力发生器（2）和控制单元（5），电磁馈能阻尼力发生器（2）上部是由馈能电机定子（16）、馈能电机转子（17）和馈能电机外壳（15）组成的馈能电机，电磁馈能阻尼力发生器（2）下部是由滚珠丝杠（14）和滚珠螺母（11）组成的螺母-滚珠丝杠机构，滚珠丝杠（14）上端与馈能电机转子输入轴（23）下端固定连接，电磁馈能阻尼力发生器（2）通过馈能控制电路（4）电连接控制单元（5），其特征是：在馈能电机和螺母-滚珠丝杠机构之间设有双向可控双棘轮机构（3），双向可控双棘轮机构（3）由同设在馈能电机转子输入轴（23）上的第一、第二棘轮机构组成，第一、二棘轮机构均包括棘轮、棘爪、棘爪转轴、拉紧弹簧和电磁铁，棘轮固套在馈能电机转子输入轴（23）上；棘爪转轴一端固接馈能电机外壳（15）内壁、另一端连接棘爪；拉紧弹簧的一端固接馈能电机外壳（15）内壁、另一端固接棘爪一端，棘爪的另一端靠近固接于馈能电机外壳（15）内壁上的电磁铁；电磁铁电连接控制单元（5），与棘爪结合的两个所述棘轮旋向相反。
2.一种如权利要求1所述电磁馈能型半主动悬架运动方向实时控制装置的控制方法，其特征是采用如下步骤：
1）控制单元（5）对第一、第二棘轮机构的其一输入控制信号，控制第一电磁铁（21-1）或第二电磁铁（21-2）中其一吸合，使第一棘爪（22-1）绕第一棘爪转轴（20-1）逆时针旋转与第一棘轮（24-1）结合，馈能电机转子输入轴（23）仅能沿逆时针方向转动，悬架只能拉伸；或使第二棘爪（22-1）绕第二棘爪转轴（20-2）顺时针旋转与第二棘轮（24-2）结合，馈能电机转子输入轴（23）仅能沿顺时针方向转动，悬架只能压缩；
2）控制单元（5）对第一电磁铁（21-1）和第二电磁铁（21-2）均不输入控制信号，第一棘爪（22-1）和第一棘轮（24-1）、第二棘爪（22-2）和第二棘轮（24-2）均处于分离状态，悬架能拉伸和压缩。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征是：当车辆直线行驶紧急制动时，控制单元（5）判断车身将发生较大俯仰时，控制单元（5）对车辆后悬架的电磁馈能阻尼力发生器（2）中的第二电磁铁（21-2）输入控制信号，使第二棘爪（22-2）与第二棘轮（24-2）结合，馈能电机转子输入轴（23）仅能沿顺时针方向转动，带动滚珠丝杠（14）相对于滚珠螺母（11）在铅垂方向上仅能向下直线运动，车辆的后悬架只能压缩；同时控制单元（5）对车辆前悬架的电磁馈能阻尼力发生器（2）中的第一电磁铁（22-1）输入控制信号，车辆的前悬架只能拉伸，减小车身的俯仰。
4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征是：当控制单元（5）判断车身可能发生较大侧倾时，控制单元（5）对车辆转向行驶内侧悬架的电磁馈能阻尼力发生器（2）中的第二电磁铁（21-2）输入控制信号，第二棘爪（22-2）与第二棘轮（24-2）结合，馈能电机转子输入轴（23）仅能沿顺时针方向转动，车辆转向行驶内侧悬架只能压缩；同时控制单元（5）对车辆转向行驶外侧悬架的电磁馈能阻尼力发生器（2）中的第一电磁铁（22-1）输入控制信号，车辆转向行驶外侧悬架只能拉伸，减小车身的侧倾。
5.根据权利要求2所述的控制方法，其特征是：当车辆在转向行驶制动时，控制单元（5）判断车身将同时发生侧倾和俯仰时，控制单元（5）对车辆转向行驶内侧后悬架的电磁馈能阻尼力发生器（2）中的第二电磁铁（21-2）输入控制信号，第二棘爪（22-2）与第二棘轮（24-2）结合，车辆转向行驶内侧后悬架只能压缩；同时控制单元（5）对车辆转向行驶外侧悬架和另一前悬架的电磁馈能阻尼力发生器（2）中的第一电磁铁（22-1）均输出工作信号，车辆转向行驶外侧悬架和另一前悬架只能拉伸，同时减小车身的侧倾和俯仰。
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