CN114987132A - 一种刚度可连续调节的主动横向稳定装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种刚度可连续调节的主动横向稳定装置及方法,所述装置包括:第一行星齿轮装置和第二行星齿轮装置;所述第一行星齿轮装置包括左侧稳定杆、左侧太阳轮、左侧行星架、固定点和左侧齿圈;所述第二行星齿轮装置包括右侧齿圈、右侧行星架、电机、右侧太阳轮和右侧稳定杆;所述第一行星齿轮装置的左侧太阳轮通过空心轴与固定点连接;所述第二行星齿轮装置的右侧太阳轮通过空心轴与电机连接;所述第一行星齿轮装置的左侧稳定杆穿过左侧太阳轮连接左侧行星架;所述第二行星齿轮装置的右侧稳定杆穿过右侧太阳轮连接右侧行星架;所述第一行星齿轮装置的左侧齿圈和第二行星齿轮装置的右侧齿圈固定连接。

Description

一种刚度可连续调节的主动横向稳定装置及方法
技术领域
本发明涉及稳定器技术领域,具体涉及一种刚度可连续调节的主动横向稳定装置及方法。
背景技术
横向稳定器用于在车身发生侧倾运动时提供抗侧倾的扭矩,而在左右两侧悬架仅发生垂向同步运动时,不产生额外的垂向力,保证在原有垂向刚度的条件下增加侧倾刚度,提升车辆在公路上行驶的稳定性。可一旦车辆行驶到崎岖路面上,由于路面不平导致车身发生扭曲变形,侧倾刚度的增加将导致垂向载荷在左右车轮之间的转移量增加,这样将导致垂向载荷降低的一侧车轮更容易发生打滑现象。因此我们需要车辆在公路上高速行驶时增加侧倾刚度,减少车身侧倾量;在崎岖路面上行驶时降低侧倾刚度,保证轮胎的贴地性。
根据驱动器的不同,主动横向稳定器可分为液压式主动横向稳定器与电机式主动横向稳定器。其中,液压式主动横向稳定器具有转矩容量大的优点,但其响应速度较慢,质量功率比小,且***的液压脉动与液压冲击均会影响***的工作效率与可靠性。相比之下,电动主动横向稳定器具有集成度较高、响应速度快,质量功率比大,能效高等特点,因此是目前技术发展的主要方向。
但是,现有的稳定装置存在的缺陷为:无法主动识别路况,且不能自动调整侧倾刚度。
现有技术中,专利文献CN102039790A公开了“一种自适应型车辆横向稳定控制装置”,将被动横向稳定杆从中间断开,两端分别和电机的定子和转子相连,行星传动机构仅仅起到了减速增扭的作用。当电机转动时,在两段稳定杆之间形成差动位移,传递侧倾扭矩。这种主动横向稳定器的核心是一种定子也可以转动的电机,将电机的定子与转子的相对运动转化成两段稳定杆之间的相对运动。而一旦电机失效,则相当于两段稳定杆完全断开,等同于失去了横向稳定功能。专利文献CN105109300B公开了“车用电机式主动稳定杆”,把两级行星减速机构替换成了一种异构行星减速器,结构更加紧凑。其核心部件仍然是定子也可以转动的电机,将电机的定子与转子的相对运动转化成两段稳定杆之间的相对运动。
综上,现有的稳定装置无法主动识别路况,且不能自动调整侧倾刚度。
发明内容
本发明解决了现有的稳定装置无法主动识别路况,且不能自动调整侧倾刚度的问题。
本发明所述的一种刚度可连续调节的主动横向稳定装置,所述装置包括:第一行星齿轮装置和第二行星齿轮装置;
所述第一行星齿轮装置包括左侧稳定杆3、左侧太阳轮4、左侧行星架5、固定点6和左侧齿圈7;
所述第二行星齿轮装置包括右侧齿圈8、右侧行星架9、电机10、右侧太阳轮11和右侧稳定杆12;
所述第一行星齿轮装置的左侧太阳轮4通过空心轴与固定点6连接;
所述第二行星齿轮装置的右侧太阳轮11通过空心轴与电机10连接;
所述第一行星齿轮装置的左侧稳定杆3穿过左侧太阳轮4连接左侧行星架5;
所述第二行星齿轮装置的右侧稳定杆12穿过右侧太阳轮11连接右侧行星架9;
所述第一行星齿轮装置的左侧齿圈7和第二行星齿轮装置的右侧齿圈8固定连接。
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述第一行星齿轮装置还包括左侧稳定杆转臂2;
所述左侧稳定杆转臂2与左侧稳定杆3连接;
所述左侧稳定杆3通过左侧稳定杆转臂2与左侧车轮连接。
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述第二行星齿轮装置还包括右侧稳定杆转臂13;
所述右侧稳定杆转臂13与右侧稳定杆12连接;
所述右侧稳定杆12通过右侧稳定杆转臂13与右侧车轮连接。
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述电机10不工作时,右侧太阳轮11被锁死固定,则左侧行星架5和右侧行星架9同步转动;
当电机10工作时,左侧行星架5和右侧行星架9之间会形成转角差。
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述左侧行星架5和右侧行星架9之间转角差为:
Figure BDA0003671432020000031
式中,β为右侧行星架转角,α为左侧行星架转角,s为太阳轮齿数,r为齿圈齿数,θ为电机转角,i为电机减速比。
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述左侧行星架转角为:
Figure BDA0003671432020000032
式中,α为左侧行星架转角,γ为齿圈转角,s为太阳轮齿数,r为齿圈齿数。
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述右侧行星架转角为:
Figure BDA0003671432020000041
式中,β为右侧行星架转角,γ为齿圈转角,s为太阳轮齿数,r为齿圈齿数,θ为电机转角,i为电机减速比。
本发明所述的一种刚度可连续调节的主动横向稳定方法,该方法是采用上述方法所述的一种刚度可连续调节的主动横向稳定置实现的,具体为:
当车辆发生转向侧倾时,为了抑制车身的侧倾运动,需要增加左侧稳定杆3和右侧稳定杆12的刚度;
当车辆通过不平路面时,为了保证车辆的通过性,需要降低垂向载荷的横向转移量,左侧稳定杆3和右侧稳定杆12需要降低刚度。
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述稳定杆的刚度计算公式为:
Figure BDA0003671432020000042
式中,KA为稳定杆等效刚度,KB为稳定杆线刚度,SL为左侧悬架位移量,SR为右侧悬架位移量,SA为等效悬架位移量。
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述等效悬架位移量为:
Figure BDA0003671432020000043
式中,SA为等效悬架位移量,θ为电机转角,i为电机减速比,s为太阳轮齿数,r为齿圈齿数,l为稳定杆转臂长度。
由此推导得到目标电机转角为:
Figure BDA0003671432020000044
式中,θ为电机转角,KA为稳定杆等效刚度,KB为稳定杆线刚度,SL为左侧悬架位移量,SR为右侧悬架位移量,i为电机减速比,l为稳定杆转臂长度,s为太阳轮齿数,r为齿圈齿数。
本发明解决了现有的稳定装置无法主动识别路况,且不能自动调整侧倾刚度的问题。具体有益效果包括:
本发明所述的一种刚度可连续调节的主动横向稳定装置,当电机不工作时,两个行星架同步转动,该装置等同于普通的被动横向稳定杆;当电机转动时,两个行星架形成差动转角,使得稳定杆在原有的侧倾变形量基础上,叠加了一个扭转量,形成额外的侧倾转矩,即等效为侧倾刚度发生了变化。该侧倾转矩可以通过电机转角变化进行连续的调节,进而调节了稳定杆的等效刚度,解决了现有的稳定装置无法主动识别路况,且不能自动调整侧倾刚度的问题。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1是具体实施方式所述的主动横向稳定装置;1为左侧车轮;2为左侧稳定杆转臂;3为左侧稳定杆;4为左侧太阳轮;5为左侧行星架;6为固定点;7为左侧齿圈;8为右侧齿圈;9为右侧行星架;10为电机;11为右侧太阳轮;12为右侧稳定杆;13为右侧稳定杆转臂;14为右侧车轮。
图2是具体实施方式所述的符号名称图。
图3是具体实施方式所述的刚度控制图。
图4是具体实施方式所述的主动横向稳定方法图。
具体实施方式
下面结合附图将对本发明的多种实施方式进行清楚、完整地描述。通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
本实施方式所述的一种刚度可连续调节的主动横向稳定装置,所述装置包括:第一行星齿轮装置和第二行星齿轮装置;
所述第一行星齿轮装置包括左侧稳定杆3、左侧太阳轮4、左侧行星架5、固定点6和左侧齿圈7;
所述第二行星齿轮装置包括右侧齿圈8、右侧行星架9、电机10、右侧太阳轮11和右侧稳定杆12;
所述第一行星齿轮装置的左侧太阳轮4通过空心轴与固定点6连接;
所述第二行星齿轮装置的右侧太阳轮11通过空心轴与电机10连接;
所述第一行星齿轮装置的左侧稳定杆3穿过左侧太阳轮4连接左侧行星架5;
所述第二行星齿轮装置的右侧稳定杆12穿过右侧太阳轮11连接右侧行星架9;
所述第一行星齿轮装置的左侧齿圈7和第二行星齿轮装置的右侧齿圈8固定连接。
本实施方式中,所述第一行星齿轮装置还包括左侧稳定杆转臂2;
所述左侧稳定杆转臂2与左侧稳定杆3连接;
所述左侧稳定杆3通过左侧稳定杆转臂2与左侧车轮连接。
本实施方式中,所述第二行星齿轮装置还包括右侧稳定杆转臂13;
所述右侧稳定杆转臂13与右侧稳定杆12连接;
所述右侧稳定杆12通过右侧稳定杆转臂13与右侧车轮连接。
本实施方式中,所述电机10不工作时,右侧太阳轮11被锁死固定,则左侧行星架5和右侧行星架9同步转动;
当电机10工作时,左侧行星架5和右侧行星架9之间会形成转角差。
本实施方式中,所述左侧行星架5和右侧行星架9之间转角差为:
Figure BDA0003671432020000071
式中,β为右侧行星架转角,α为左侧行星架转角,s为太阳轮齿数,r为齿圈齿数,θ为电机转角,i为电机减速比。
本实施方式中,所述左侧行星架转角为:
Figure BDA0003671432020000072
式中,α为左侧行星架转角,γ为齿圈转角,s为太阳轮齿数,r为齿圈齿数。
本实施方式中,所述右侧行星架转角为:
Figure BDA0003671432020000073
式中,β为右侧行星架转角,γ为齿圈转角,s为太阳轮齿数,r为齿圈齿数,θ为电机转角,i为电机减速比。
本实施方式所述的一种刚度可连续调节的主动横向稳定方法,该方法是采用上述实施方式所述的一种刚度可连续调节的主动横向稳定置实现的,具体为:
当车辆发生转向侧倾时,为了抑制车身的侧倾运动,需要增加左侧稳定杆3和右侧稳定杆12的刚度;
当车辆通过不平路面时,为了保证车辆的通过性,需要降低垂向载荷的横向转移量,左侧稳定杆3和右侧稳定杆12需要降低刚度。
本实施方式中,所述稳定杆的刚度计算公式为:
Figure BDA0003671432020000074
式中,KA为稳定杆等效刚度,KB为稳定杆线刚度,SL为左侧悬架位移量,SR为右侧悬架位移量,SA为等效悬架位移量。
本实施方式中,所述等效悬架位移量为:
Figure BDA0003671432020000081
式中,SA为等效悬架位移量,θ为电机转角,i为电机减速比,s为太阳轮齿数,r为齿圈齿数,l为稳定杆转臂长度。
由此推导得到目标电机转角为:
Figure BDA0003671432020000082
式中,θ为电机转角,KA为稳定杆等效刚度,KB为稳定杆线刚度,SL为左侧悬架位移量,SR为右侧悬架位移量,i为电机减速比,l为稳定杆转臂长度,s为太阳轮齿数,r为齿圈齿数。
本实施方式基于本发明所述的一种刚度可连续调节的主动横向稳定装置,结合具体对象提供一种实际的实施方式:
如图1所示,一种差分运动机构,可以将电机10的旋转运动转化成两个输出轴的差分运动。采用完全相同的两组行星齿轮,两组行星排的齿圈部件直接相连,两个行星架分别两个输出轴连接,左侧太阳轮4进行固定,右侧太阳轮11通过减速装置与电机相连。电机10和太阳轮之间的蜗轮蜗杆减速装置应具有自锁功能,当电机10不工作时,右侧太阳轮11被锁死固定,则两个行星架同步转动;当电机10转动时,两个行星架之间会形成差动转角。
将普通横向稳定杆在中间某处截断,将差分运动机构***其中。当电机10不工作时,两个行星架同步转动,该装置等同于普通的被动横向稳定杆;当电机10转动时,两个行星架形成差动转角,使得稳定杆在原有的侧倾变形量基础上,叠加了一个扭转量,形成额外的侧倾转矩,即等效为侧倾刚度发生了变化。该侧倾转矩可以通过电机转角变化进行连续的调节,进而调节了稳定杆的等效刚度。
本实施方式基于本发明所述的一种刚度可连续调节的主动横向稳定方法,结合具体对象提供一种实际的实施方式:
如图2所示,***有两个自由度,其中电机转角为θ,齿圈转角为γ,则:
左侧行星架的转角为:
Figure BDA0003671432020000091
右侧行星架的转角为:
Figure BDA0003671432020000092
两侧的转角差为:
Figure BDA0003671432020000093
由上式可知,两侧行星架的转角差只决定于电机转角,而与齿圈转角无关。
已知横向稳定杆的转臂长度为l,则可以等效为两个悬架产生额外的相对位移量SA为:
Figure BDA0003671432020000094
当左右两个车轮上下跳动时,会使稳定杆的两端自然产生相对位移量SL-SR,称作被动位移量。而当电机转动时,会在原有基础上又叠加了主动位移量SA,因此稳定杆的实际变形量为SL-SR+SA
设稳定杆的等效刚度为KA,则
(SL-SR+SA)×KB=(SL-SR)×KA
Figure BDA0003671432020000095
即得到稳定杆的等效刚度计算公式。
当电机静止,SA=0,则稳定杆的两个断点将同步转动,此时该装置等同于普通的横向稳定杆,KA=KB
Figure BDA0003671432020000101
即稳定杆的主动位移量与被动位移量符号相同,则KA>KB,稳定杆的等效刚度增加,车辆抵抗侧倾的能力增加,同时左右两侧轮胎载荷转移量增加;
Figure BDA0003671432020000102
即稳定杆的主动位移量与被动位移量符号相反,则KA<KB,稳定杆的等效刚度降低,车辆抵抗侧倾的能力降低,同时左右两侧轮胎载荷转移量减少。
通常侧倾力有两个来源,一个是转向时的离心力引起车身侧倾,另一个是通过不平路面时由于车身扭曲导致。转向时前后悬架在离心力作用下,会朝着同一个方向倾斜,使得前后悬架的侧倾量符号相同;而在通过不平路面时,车身扭曲对前后悬架产生的扭转力矩方向相反,使得前后悬架的侧倾量符号相反。转向侧倾力会使车身产生侧倾,路面不平会使车身产生扭曲变形。转向侧倾对稳态轮胎载荷几乎没有影响,而路面不平会导致前后悬架产生相反方向的垂向载荷转移。如图3和4所示,因此,当车辆发生转向侧倾时,为了抑制车身的侧倾运动,需要增加稳定杆的刚度;而当车辆通过不平路面时,为了保证车辆的通过性,需要降低垂向载荷的横向转移量,因此稳定杆需要降低刚度。为此控制器需要识别悬架侧倾力的来源,来做出相应的刚度控制。
根据左右两侧的悬架高度和侧向加速度,计算得到两种侧倾来源所占的比例大小。其中由于转向引起的侧倾需要增加稳定杆刚度,由于路面不平引起的侧倾需要降低稳定杆刚度。进而通过目标刚度KA,计算得到目标电机转角为:
Figure BDA0003671432020000103
得到
Figure BDA0003671432020000111
Figure BDA0003671432020000112
Figure BDA0003671432020000113
本实施方式基于本发明所述的一种刚度可连续调节的主动横向稳定方法,结合具体对象提供一种实际的实施方式:
1)高速通过弯道
当车辆高速通过弯道,由于车身的离心力作用,对前后悬架产生方向相同的侧倾力矩,导致前后稳定杆产生符号相同的变形量,车身发生侧倾。这种侧倾会严重影响乘员的乘坐舒适性和车辆的稳定性,严重时会导致车辆侧翻。因此我们希望稳定杆能够增加刚度,降低车辆的侧倾量,提升汽车的舒适性和安全性。
控制***根据侧向加速度信号识别到车辆正在高速过弯,计算出当前稳定杆的目标刚度KA,再根据目标刚度计算出电机目标转角。
Figure BDA0003671432020000114
由于前后悬架的侧倾变形符号相同,所以高速过弯时前后主动横向稳定杆的电机转角方向相同。且由于
Figure BDA0003671432020000115
所以稳定杆的主动位移量都与悬架自身的变形量符号相同。
2)通过坑洼路面
当车辆通过坑洼路面,车身发生扭曲变形,对前后悬架产生方向相反的扭曲力矩,导致前后稳定杆产生符号相反的变形量。这种变形会导致车轮的垂向载荷发生横向转移,且前后车轮的载荷转移量大小相等,方向相反。由于垂向载荷转移会导致一个车轮载荷量降低,另一个车轮载荷量增加。而载荷量降低的驱动轮会更容易发生打滑,导致车辆的通过性变差。因此我们希望稳定杆能够降低刚度,减少载荷的横向转移量,提升汽车的通过性。
控制***根据悬架高度信号识别到路面不平,计算出当前稳定杆的目标刚度KA,再根据目标刚度计算出电机目标转角。
Figure BDA0003671432020000121
由于前后悬架的侧倾变形符号相反,所以通过坑洼路面时前后主动横向稳定杆的电机转角方向相反。且由于
Figure BDA0003671432020000122
所以稳定杆的主动位移量都与悬架自身的变形量符号相反。
3)控制***失效
当主动横向稳定杆的控制***失效时,电机无法主动旋转,由于电机减速装置的反向自锁功能,右侧行星排的太阳轮被锁死,两个行星架的运动完全同步,此时***等同于普通的被动横向稳定杆,刚度等同于原侧倾杆刚度。
以上对本发明所提出的一种刚度可连续调节的主动横向稳定装置及方法进行了详细介绍,本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种刚度可连续调节的主动横向稳定装置,其特征在于,所述装置包括:第一行星齿轮装置和第二行星齿轮装置;
所述第一行星齿轮装置包括左侧稳定杆(3)、左侧太阳轮(4)、左侧行星架(5)、固定点(6)和左侧齿圈(7);
所述第二行星齿轮装置包括右侧齿圈(8)、右侧行星架(9)、电机(10)、右侧太阳轮(11)和右侧稳定杆(12);
所述第一行星齿轮装置的左侧太阳轮(4)通过空心轴与固定点(6)连接;
所述第二行星齿轮装置的右侧太阳轮(11)通过空心轴与电机(10)连接;
所述第一行星齿轮装置的左侧稳定杆(3)穿过左侧太阳轮(4)连接左侧行星架(5);
所述第二行星齿轮装置的右侧稳定杆(12)穿过右侧太阳轮(11)连接右侧行星架(9);
所述第一行星齿轮装置的左侧齿圈(7)和第二行星齿轮装置的右侧齿圈(8)固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种刚度可连续调节的主动横向稳定装置,其特征在于,所述第一行星齿轮装置还包括左侧稳定杆转臂(2);
所述左侧稳定杆转臂(2)与左侧稳定杆(3)连接;
所述左侧稳定杆(3)通过左侧稳定杆转臂(2)与左侧车轮连接。
3.根据权利要求1所述的一种刚度可连续调节的主动横向稳定装置,其特征在于,所述第二行星齿轮装置还包括右侧稳定杆转臂(13);
所述右侧稳定杆转臂(13)与右侧稳定杆(12)连接;
所述右侧稳定杆(12)通过右侧稳定杆转臂(13)与右侧车轮连接。
4.根据权利要求1所述的一种刚度可连续调节的主动横向稳定装置,其特征在于,所述电机(10)不工作时,右侧太阳轮(11)被锁死固定,则左侧行星架(5)和右侧行星架(9)同步转动;
当电机(10)工作时,左侧行星架(5)和右侧行星架(9)之间会形成转角差。
5.根据权利要求4所述的一种刚度可连续调节的主动横向稳定装置,其特征在于,所述左侧行星架(5)和右侧行星架(9)之间转角差为:
Figure FDA0003671432010000021
式中,β为右侧行星架转角,α为左侧行星架转角,s为太阳轮齿数,r为齿圈齿数,θ为电机转角,i为电机减速比。
6.根据权利要求5所述的一种刚度可连续调节的主动横向稳定装置,其特征在于,所述左侧行星架转角为:
Figure FDA0003671432010000022
式中,α为左侧行星架转角,γ为齿圈转角,s为太阳轮齿数,r为齿圈齿数。
7.根据权利要求5所述的一种刚度可连续调节的主动横向稳定装置,其特征在于,所述右侧行星架转角为:
Figure FDA0003671432010000023
式中,β为右侧行星架转角,γ为齿圈转角,s为太阳轮齿数,r为齿圈齿数,θ为电机转角,i为电机减速比。
8.一种刚度可连续调节的主动横向稳定方法,其特征在于,该方法是采用权利要求1所述的一种刚度可连续调节的主动横向稳定置实现的,具体为:
当车辆发生转向侧倾时,为了抑制车身的侧倾运动,需要增加左侧稳定杆(3)和右侧稳定杆(12)的刚度;
当车辆通过不平路面时,为了保证车辆的通过性,需要降低垂向载荷的横向转移量,左侧稳定杆(3)和右侧稳定杆(12)需要降低刚度。
9.根据权利要求8所述的一种刚度可连续调节的主动横向稳定方法,其特征在于,所述稳定杆的刚度计算公式为:
Figure FDA0003671432010000031
式中,KA为稳定杆等效刚度,KB为稳定杆线刚度,SL为左侧悬架位移量,SR为右侧悬架位移量,SA为等效悬架位移量。
10.根据权利要求9所述的一种刚度可连续调节的主动横向稳定方法,其特征在于,所述等效悬架位移量为:
Figure FDA0003671432010000032
式中,SA为等效悬架位移量,θ为电机转角,i为电机减速比,s为太阳轮齿数,r为齿圈齿数,l为稳定杆转臂长度。
由此推导得到目标电机转角为:
Figure FDA0003671432010000033
式中,θ为电机转角,KA为稳定杆等效刚度,KB为稳定杆线刚度,SL为左侧悬架位移量,SR为右侧悬架位移量,i为电机减速比,l为稳定杆转臂长度,s为太阳轮齿数,r为齿圈齿数。
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