CN107458481A - 一种平衡锥筒式汽车防侧翻装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平衡锥筒式汽车防侧翻装置及方法，包含左执行电机1、左拉杆2、左轨道3、锥筒4、右执行电机7、右拉杆6、右轨道5、支座8、轨道控制单元9和侧倾角传感器10。其中锥筒4内包含内置电池45、侧向加速度传感器41、内置电机控制单元42、内置电机43和小飞轮44。本发明通过测量车身侧倾角控制轨道外侧间距调整锥筒4的位置来实现质量再平衡，以及测量侧向加速度控制小飞轮44的转动来抵抗侧向加速度对锥筒4运动的阻碍两方面达到防侧翻的目的。

Description

一种平衡锥筒式汽车防侧翻装置及方法

技术领域

本发明涉及本发明涉及汽车防侧翻主动安全领域，尤其涉及一种横向质量再平衡的防侧翻装置及方法。

背景技术

侧翻是一类发生率较低但是致伤致死率极高的事故，每年因为汽车侧翻事故造成的死亡人数在当年总的交通事故致死人数中占有相当高的比例。如今，对侧翻的研究已经逐渐深入，针对防侧翻的设计和方案也越来越对。目前常用的直接抗侧倾力矩的方法通常有平衡块式、主动悬架式和防滚架式等。其中主动悬架式由于当前技术水平限制难以得到广泛使用，成本很高，而防滚架式会向外伸出防侧倾的支架，对外界环境有一定要求，也容易伤及其他车辆和行人。而平衡块式的防侧翻装置较主动悬架式更容易实现，较防滚架式与车外的物和人不发生直接联系。

如今，已经有很多学者和研究人员对平衡块式的防侧翻装置进行了设计和探索。山东的公丕国发明的“一种防侧翻装置”(专利申请号：201510140538.7)通过水平仪感知车辆侧倾状态，通过电机移动配重铅块达到防侧翻的目的。不过，该装置在移动铅块时，铅块的加速度全由电机产生。考虑到配重铅块的质量较大，那么为了装置反应速度，需要大功率的电机，这样，装置的耗能也大。苏州市伦琴工业设计有限公司的马根昌发明的“汽车防侧翻***”(专利申请号：201210151720.9)通过减震器对支撑杆的推力，再通过液压传递使大密度的重液在左右重液腔间转移来达到平衡横向载荷，达到防侧翻目的。但是，多数重液的密度仍比不上铁、铅等固态金属的密度，而使用液态汞有潜在的污染危险。故该该方法只适用于小型车辆，不适用于大型车辆。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供了一种平衡锥筒式汽车防侧翻装置及方法，通过测量车身侧倾角控制轨道外侧间距调整锥筒的位置来实现质量再平衡，以及测量侧向加速度控制小飞轮的转动来抵抗侧向加速度对锥筒运动的阻碍两方面达到防侧翻的目的。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种平衡锥筒式汽车防侧翻装置包含执行电机、拉杆、轨道、支座8、锥筒4、控制单元9以及倾角传感器10；其中，

所述支座8安装在车架或承载式结构车身的左右对称轴线位置上，在所述支座8两侧安装平行的轨道；

所述轨道包括左轨道3和右轨道5，均由平行放置的杆件组成，其一端铰接在支座8上，另一端通过螺纹与拉杆联接，随拉杆转动而移动；

所述执行电机包括左执行电机1和右执行电机7，左执行电机1和右执行电机7安装在车架或承载式结构车身上，连接拉杆分别控制两侧拉杆转动；所述拉杆转动使轨道顶端的间距变大或变小；

所述轨道控制单元9和侧倾角传感器10安装在车架或承载式结构车身上，侧倾角传感器10检测车身侧倾状态，轨道控制单元9提供输入信号，轨道控制单元9控制执行电机的运行；

所述锥筒4呈两个圆锥底相连的形状，初始安装在左轨道3和右轨道5的连接处，锥筒4轴线与汽车前后方向平行，并使其只能在轨道上滚动。

进一步的，所述锥筒4内部安装有内置电池45、侧向加速度传感器41、内置电机控制单元42、内置电机43和小飞轮44；

所述内置电池45给侧向加速度传感器41、内置电机控制单元42和内置电机43提供电能；

所述侧向加速度传感器测量锥筒4测量侧向加速度并向内置电机控制单元42提供输入信号；

所述内置电机控制单元42控制内置电机43的运行；

所述小飞轮44位于锥筒4轴线上，且安装在内置电机43输出轴上，随内置电机43的运动而运动。

进一步的，所述电机、拉杆、轨道均以支座为中心，对称设置。

本发明还提供一种平衡锥筒式汽车防侧翻装置的防侧翻控制方法，该方法包含以下步骤：

步骤1)，汽车起动，装置开始工作，侧倾角传感器10检测车身的侧倾角，侧向加速度传感器41采集锥筒4侧向加速度值；

步骤2)，轨道控制单元9接收并分析侧倾角传感器10的数据，内置电机控制单元42接收并分析侧向加速度传感器41的数据；

步骤3)，当车身有侧翻趋势，所述轨道控制单元9判断车身侧倾方向，通过控制执行电机来控制侧倾方向的反向侧轨道顶端的距离；所述内置电机控制单元42判断加速度方向并通过控制小飞轮44向加速度方向转控制所述锥筒4向与加速度相反的方向滚动；

步骤4)，车身侧倾得到控制，侧倾角传感器10检测到的侧倾角绝对值与侧向加速度传感器41检测到的侧向加速度值均有下降趋势；

步骤5)，当内置电机控制单元42根据侧向加速度传感器41数据回归加速度阈值以下时，控制内置电机43退出工作，小飞轮44转速逐渐降低直至回零，轨道控制单元9控制轨道顶端距离变小，轨道回到初始平行状态；

步骤6)，车身侧倾程度已回到安全区域，装置执行机构退出工作，侧倾角传感器10和侧向加速度传感器41继续工作。

进一步的，所述步骤3)具体为：

步骤3.1.1)，当轨道控制单元9根据侧倾角传感器10数据为正判断车身向左侧倾，根据传感器数据的绝对值大于侧倾角阈值时，控制右执行电机7介入工作，右执行电机7通过右拉杆6使右轨道5顶端距离变大，右轨道5呈“倒八字”形；

步骤3.1.2)，当内置电机控制单元42根据侧向加速度传感器41数据为正判断侧向加速度方向向左，根据侧向加速度传感器41数据超过加速度阈值时的值计算小飞轮44目标转速，并控制内置电机43带动小飞轮44向左逆时针转动，并维持在目标转速；

步骤3.1.3)，在右执行电机7和内置电机43的共同作用下，锥筒4沿右轨道5向右滚动，实现横向质量再分配；

另一侧的控制过程相同。

进一步的，所述步骤5)具体为：

步骤5.1.1)，当内置电机控制单元42根据侧向加速度传感器41数据为正判断侧向加速度方向向左，根据侧向加速度传感器41数据回归加速度阈值以下时，控制内置电机43退出工作，小飞轮44转速逐渐降低直至回零；

步骤5.1.2)，当轨道控制单元9根据侧倾角传感器10数据为正判断车身向左侧倾，根据传感器数据的绝对值回归至侧倾角阈值内时，控制右执行电机7通过右拉杆6使右轨道5顶端距离变小，右轨道5回到初始平行状态；

步骤5.1.3)，在执行电机和内置电机43共同作用下，锥筒4逐渐回到初始平衡位置；

另一侧的控制过程相同。

所述轨道控制单元9与内置电机控制单元42独立工作互不影响；

所述内置电机控制单元42中侧向加速度设置安全值范围大于轨道控制单元9中侧倾角设置安全值范围，内置电机43晚于左执行电机1和右执行电机7介入，早于左执行电机1和右执行电机7退出。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.节能高效，在平衡过程中，锥筒4滚动的同时质心下降，其重力势能转化为滚动时的动能，减少电能消耗；

2.反应时间短，锥筒4的配重过程是内置电机43和重力共同作用下实现的，配重时拥有更大的加速度；

3.可适用各类型的汽车，该装置设计基于汽车侧翻的共性问题，在实际应用时，相应调整锥筒4质量及装置尺寸即可安装于不同类型的汽车上。

附图说明

图1为本发明一种平衡锥筒式汽车防侧翻装置示意图。

图2为本发明中锥筒内部结构示意图。

图中，1-左执行电机，2-左拉杆，3-左轨道，4-锥筒，5-右轨道，6-右拉杆，7-右执行电机，8-支座，9-轨道控制单元，10-侧倾角传感器，11-电源，41-侧向加速度传感器，42-内置电机控制单元，43-内置电机，44-小飞轮，45-内置电池。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明公开了一种平衡锥筒式汽车防侧翻装置，包含左执行电机1、左拉杆2、左轨道3、锥筒4、右执行电机7、右拉杆6、右轨道5、支座8、轨道控制单元9和侧倾角传感器10；

所述支座8安装在车架或承载式结构车身的左右对称轴线位置上，用以安装左轨道3和右轨道5；

所述左轨道3由两根平行放置的杆件组成，底端铰接在支座8左侧，顶端通过螺纹与左拉杆2联接，可随左拉杆2转动而移动；

所述右轨道5由两根平行放置的杆件组成，底端铰接在支座8右侧，顶端通过螺纹与右拉杆6联接，可随右拉杆6转动而移动；

所述左执行电机1安装在车架或承载式结构车身上，用来控制左拉杆2的转动；

所述右执行电机7安装在车架或承载式结构车身上，用来控制右拉杆6的转动；

所述左拉杆2转动可使左轨道3顶端的间距变大或变小，所述右拉杆6转动可使右轨道5顶端的间距变大或变小；

所述轨道控制单元9和侧倾角传感器10安装在车架或承载式结构车身上，侧倾角传感器10检测车身侧倾状态，轨道控制单元9提供输入信号，轨道控制单元9控制左执行电机1和右执行电机7的运行；

所述电源11安装在车架或承载式结构车身上，用来给左执行电机1、右执行电机7、侧倾角传感器10和轨道控制单元9提供电能；

所述锥筒4呈两个圆锥底相连的形状，初始安装在左轨道3和右轨道5的底端处，锥筒4轴线与汽车前后方向平行，并使其只能在轨道上滚动；

所述锥筒4内部安装有内置电池45、侧向加速度传感器41、内置电机控制单元42、内置电机43和小飞轮44；

所述内置电池45给侧向加速度传感器41、内置电机控制单元42和内置电机43提供电能；

所述侧向及速度传感器测量锥筒4受到的侧向及速度并向内置电机控制单元42提供输入信号；

所述内置电机控制单元42控制内置电机43的运行；

所述小飞轮44位于锥筒4轴线上，且安装在内置电机43输出轴上，随内置电机43的运动而运动。

本发明还公开了一种平衡锥筒式汽车防侧翻装置的防侧翻控制方法，包含以下步骤和情况：

1当汽车正常行驶时：

装置在汽车启动后开始工作，侧倾角传感器10检测车身的侧倾角，侧向加速度传感器41采集锥筒4侧向加速度值；轨道控制单元9接收并分析侧倾角传感器10的数据，内置电机控制单元42接收并分析侧向加速度传感器41的数据；各执行机构处于待机状态。

2当汽车发生向左侧翻时：

轨道控制单元9根据侧倾角传感器10数据为正判断车身向左侧倾，根据传感器数据的绝对值大于侧倾角阈值时，控制右执行电机7介入工作，右执行电机7转动右拉杆6使右轨道5顶端距离变大，右轨道5呈“倒八字”形。锥筒4在重力的作用下沿右轨道5向右轨道5顶端滚动。此处，虽然右轨道5的顶端高于底端，但是顶端的间距较底端大，锥筒4在顶端具有更小的重力势能。当内置电机控制单元42根据侧向加速度传感器41数据为正判断侧向加速度方向向左，根据侧向加速度传感器41数据超过加速度阈值，根据当前的加速度值计算小飞轮44目标转速，并控制内置电机43带动小飞轮44向左逆时针转动，并维持在目标转速。锥筒4在角动量平衡关系的作用下，克服了侧向加速度使其向左运动的趋势，沿轨道向右侧开始滚动。此时，锥筒4在重力和角动量平衡双重的作用下沿轨道向轨道顶端滚动。在锥筒4自身重量的影响下，汽车向左侧倾的程度减小，防止了侧翻的发生。当内置电机控制单元42检测到当前侧向加速度值小于加速度阈值时，内置电机43停止工作，小飞轮44的转速逐渐降低。当轨道控制单元9检测到当前侧倾角小于侧倾角阈值时，控制右执行电机7，转动右拉杆6使右轨道5顶端恢复到初始平行状态。锥筒4最终在重力的作用下，回到左轨道3和右轨道5的底端。车身侧倾程度已回到安全区域，装置执行机构暂时退出工作，侧倾角传感器10和侧向加速度传感器41继续工作。

(1)当汽车向右侧翻时

轨道控制单元9根据侧倾角传感器10数据为负判断车身向右侧倾，根据传感器数据的绝对值大于侧倾角阈值时，控制左执行电机1介入工作，左执行电机1转动左拉杆2使左轨道3顶端距离变大，左轨道3呈“倒八字”形。锥筒4在重力的作用下沿左轨道3向左轨道3顶端滚动。此处，虽然左轨道3的顶端高于底端，但是顶端的间距较底端大，锥筒4在顶端具有更小的重力势能。当内置电机控制单元42根据侧向加速度传感器41数据为负判断侧向加速度方向向右，根据侧向加速度传感器41数据超过加速度阈值，根据当前的加速度值计算小飞轮44目标转速，并控制内置电机43带动小飞轮44向右顺时针转动，并维持在目标转速。锥筒4在角动量平衡关系的作用下，克服了侧向加速度使其向右运动的趋势，沿轨道向左侧开始滚动。此时，锥筒4在重力和角动量平衡双重的作用下沿轨道向轨道顶端滚动。在锥筒4自身重量的影响下，汽车向右侧倾的程度减小，防止了侧翻的发生。当内置电机控制单元42检测到当前侧向加速度值小于加速度阈值时，内置电机43停止工作，小飞轮44的转速逐渐降低。当轨道控制单元9检测到当前侧倾角小于侧倾角阈值时，控制左执行电机1，转动左拉杆2使左轨道3顶端恢复到初始平行状态。锥筒4最终在重力的作用下，回到左轨道3和右轨道5的底端。车身侧倾程度已回到安全区域，装置执行机构暂时退出工作，侧倾角传感器10和侧向加速度传感器41继续工作。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语包含技术术语和科学术语具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

Claims (7)

1.一种平衡锥筒式汽车防侧翻装置，其特征在于，包含执行电机、拉杆、轨道、支座(8)、锥筒(4)、控制单元(9)以及倾角传感器(10)；其中，

所述支座(8)安装在车架或承载式结构车身的左右对称轴线位置上，在所述支座(8)两侧安装平行的轨道；

所述轨道包括左轨道(3)和右轨道(5)，均由平行放置的杆件组成，其一端铰接在支座(8)上，另一端通过螺纹与拉杆联接，随拉杆转动而移动；

所述执行电机包括左执行电机(1)和右执行电机(7)，左执行电机(1)和右执行电机(7)安装在车架或承载式结构车身上，连接拉杆分别控制两侧拉杆转动；所述拉杆转动使轨道顶端的间距变大或变小；

所述轨道控制单元(9)和侧倾角传感器(10)安装在车架或承载式结构车身上，侧倾角传感器(10)检测车身侧倾状态，轨道控制单元(9)提供输入信号，轨道控制单元(9)控制执行电机的运行；

所述锥筒(4)呈两个圆锥底相连的形状，初始安装在左轨道(3)和右轨道(5)的连接处，锥筒(4)轴线与汽车前后方向平行，并使其在轨道上滚动。

2.根据权利要求1所述的一种平衡锥筒式汽车防侧翻装置，其特征在于，

所述锥筒(4)内部安装有内置电池(45)、侧向加速度传感器(41)、内置电机控制单元(42)、内置电机(43)和小飞轮(44)；

所述内置电池(45)给侧向加速度传感器(41)、内置电机控制单元(42)和内置电机(43)提供电能；

所述侧向加速度传感器测量锥筒(4)测量侧向加速度并向内置电机控制单元(42)提供输入信号；

所述内置电机控制单元(42)控制内置电机(43)的运行；

所述小飞轮(44)位于锥筒(4)轴线上，且安装在内置电机(43)输出轴上，随内置电机(43)的运动而运动。

3.根据权利要求1所述的一种平衡锥筒式汽车防侧翻装置，其特征在于，所述电机、拉杆、轨道均以支座为中心，对称设置。

4.根据权利要求1所述的一种平衡锥筒式汽车防侧翻装置的防侧翻控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1)，汽车起动，装置开始工作，侧倾角传感器(10)检测车身的侧倾角，侧向加速度传感器(41)采集锥筒(4)侧向加速度值；

步骤2)，轨道控制单元(9)接收并分析侧倾角传感器(10)的数据，内置电机控制单元(42)接收并分析侧向加速度传感器(41)的数据；

步骤3)，当车身有侧翻趋势，所述轨道控制单元(9)判断车身侧倾方向，通过控制执行电机来控制侧倾方向的反向侧轨道顶端的距离；所述内置电机控制单元(42)判断加速度方向并通过控制小飞轮(44)向加速度方向转控制所述锥筒(4)向与加速度相反的方向滚动；

步骤4)，车身侧倾得到控制，侧倾角传感器(10)检测到的侧倾角绝对值与侧向加速度传感器(41)检测到的侧向加速度值均有下降趋势；

步骤5)，当内置电机控制单元(42)根据侧向加速度传感器(41)数据回归加速度阈值以下时，控制内置电机(43)退出工作，小飞轮(44)转速逐渐降低直至回零，轨道控制单元(9)控制轨道顶端距离变小，轨道回到初始平行状态；

步骤6)，车身侧倾程度已回到安全区域，装置执行机构退出工作，侧倾角传感器(10)和侧向加速度传感器(41)继续工作。

5.根据权利要求4所述的一种平衡锥筒式汽车防侧翻装置的防侧翻控制方法，其特征在于，所述步骤3)具体为：

步骤3.1.1)，当轨道控制单元(9)根据侧倾角传感器(10)数据为正判断车身向左侧倾，根据传感器数据的绝对值大于侧倾角阈值时，控制右执行电机(7)介入工作，右执行电机(7)通过右拉杆(6)使右轨道(5)顶端距离变大，右轨道(5)呈“倒八字”形；

步骤3.1.2)，当内置电机控制单元(42)根据侧向加速度传感器(41)数据为正判断侧向加速度方向向左，根据侧向加速度传感器(41)数据超过加速度阈值时的值计算小飞轮(44)目标转速，并控制内置电机(43)带动小飞轮(44)向左逆时针转动，并维持在目标转速；

步骤3.1.3)，在右执行电机(7)和内置电机(43)的共同作用下，锥筒(4)沿右轨道(5)向右滚动，实现横向质量再分配；

另一侧的控制过程相同。

6.根据权利要求4所述的一种平衡锥筒式汽车防侧翻装置的防侧翻控制方法，其特征在于，所述步骤5)具体为：

步骤5.1.1)，当内置电机控制单元(42)根据侧向加速度传感器(41)数据为正判断侧向加速度方向向左，根据侧向加速度传感器(41)数据回归加速度阈值以下时，控制内置电机(43)退出工作，小飞轮(44)转速逐渐降低直至回零；

步骤5.1.2)，当轨道控制单元(9)根据侧倾角传感器(10)数据为正判断车身向左侧倾，根据传感器数据的绝对值回归至侧倾角阈值内时，控制右执行电机(7)通过右拉杆(6)使右轨道(5)顶端距离变小，右轨道(5)回到初始平行状态；

步骤5.1.3)，在执行电机和内置电机(43)共同作用下，锥筒(4)逐渐回到初始平衡位置；

另一侧的控制过程相同。

7.基于权利要求4所述的一种平衡锥筒式汽车防侧翻装置的防侧翻控制方法，其特征在于，所述轨道控制单元(9)与内置电机控制单元(42)独立工作互不影响；所述内置电机控制单元(42)中侧向加速度设置安全值范围大于轨道控制单元(9)中侧倾角设置安全值范围，内置电机(43)晚于左执行电机(1)和右执行电机(7)介入，早于左执行电机(1)和右执行电机(7)退出。