CN103182916A - 多轴车辆油气悬架调平装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于轮式车辆上的多轴车辆油气悬架调平装置及方法，该装置包括油箱、油泵、公用储能器、车轮、油气弹簧组件，它是通过油气弹簧耦连的方式将两轴或多轴车辆的悬架转化为三点支撑，实现基于三点控制的车载平台调平方式；它还包括一个控制面板、一个微处理器，至少三个连接在油液管路上并与微处理器电连接的充放油控制阀，一个连接在油液管路上并与微处理器电连接的耦连阀，设置在每个悬架上横臂与车身之间的高度传感器，一个固定于车身上的倾角传感器，所述的高度传感器与倾角传感器通过信号线与微处理器电连接，所述的微处理器由解算器与控制器两部分组成。

Description

多轴车辆油气悬架调平装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于轮式车辆上的车身自动调平装置，具体的说是一种具有举升及调平功能的油气悬架系统——多轴车辆油气悬架调平装置及方法。

背景技术

众所周知，许多车载仪器的正常运行需要一个水平的工作平台，因此要求车载平台具有自动调平功能。

目前大多数车载平台采用的是刚性支腿调平装置，该装置尽管结构简单、可靠性高，精度容易控制，但是其调平时需要将刚性支腿伸出，调平时间较长，而且调平后各支撑腿之间载荷分配不均匀，容易造成虚腿现象，平台稳定性较差。此外，在车身上布置多个刚性支腿需要较大的安装空间，车身质量也会大幅增加，不利于整车的轻量化，降低了车辆的灵活性。

发明内容

为克服现有调平技术的缺陷，本发明在轮式车辆油气悬架基础上，增加相应的传感器、控制器与执行机构，形成一种具有调平功能的油气悬架，它不仅保持了油气悬架原有的优越性，如非线性刚度、变载荷等频以及结构简单，布置方便等优点；而且调平精度高（误差0.2°以内）；调平时间短（45s以内）；调平后轮胎载荷分布均匀，平台稳定性较好；这种调平装置不需要单独的刚性支腿，占有的空间及质量都很小。

本发明的目的是这样实现的：该装置包括油箱、油泵、公用储能器、车轮、油气弹簧组件，其特征在于：该装置是通过油气弹簧耦连的方式将两轴或多轴车辆的悬架转化为三点支撑，实现基于三点控制的车载平台调平方式；它还包括一个控制面板、一个微处理器，至少三个连接在油液管路上并与微处理器电连接的充放油控制阀，一个连接在油液管路上并与微处理器电连接的耦连阀，设置在每个车轮与车身之间的高度传感器，一个固定于车身上的倾角传感器，所述的高度传感器与倾角传感器通过信号线与微处理器电连接，所述的微处理器由解算器与控制器两部分组成。

采用上述调平装置实现多轴车辆油气悬架调平的方法包括以下步骤：

①、驾驶员通过设置在驾驶室中的控制面板给微处理器发出车身调平指令，微处理器控制高度传感器采集各悬架的高度信息，控制倾角传感器采集车身俯仰角与侧倾角信息；

②、将高度传感器采集的各悬架高度信息与倾角传感器采集车身俯仰角、侧倾角信息传递给微处理器中的解算器，解算器根据当前的车身姿态和各悬架的行程余量求出能够调至的最平状态，以及调平至此状态三个支撑点应该举升的最终高度H _az、H _bz、H _cz；解算器将目标状态的俯仰角、侧倾角以及三个支撑点的应举升高度返回控制面板并显示在显示屏上。驾驶员判断车辆当前姿态能调至的最平状态是否符合车载仪器的工作要求，如果不符合要求，则车辆前行重新寻找调平位置；如果满足要求，驾驶员按下执行按钮，将三个悬架应举升的目标高度H _az、H _bz、H _cz传递给控制器；

③、控制器接受解算器传来的三个悬架应举升的目标高度H _az、H _bz、H _cz，同时接收高度传感器测得的各悬架高度实时信息，将实测的三个支撑点高度与解算高度进行比较，如果某支撑点实测高度低于解算高度，则控制器发出指令给充放油控制阀使该支撑点对应的油气弹簧组件充油，该支撑点举升；如果某支撑点实测高度高于解算高度，则控制器发出指令给充放油控制阀使该支撑点对应的油气弹簧组件放油，该支撑点下降；

④、如果初始时车身倾角较大，为降低车身载荷转移、车轮外倾等因素造成的影响，采用多次解算分段调平的方法：在车身接近调平状态，即车身俯仰角、侧倾角减小至程序设定的重新解算范围时，控制器控制各传感器重新采集车身姿态信息，解算器重新解算目标高度，控制器按照重新解算出的目标高度控制各油气弹簧组件进行充油或放油。

本发明具有以下优点和积极效果：

1、本专利提出了一种与刚性支腿调平装置完全不同的油气悬架调平装置：在轮式车辆油气悬架基础上，增加相应的传感器、控制器与执行机构，形成一种具有调平功能的油气悬架，利用三点调平原理对车载平台进行调平。它不仅保持了油气悬架原有的优越性，如非线性刚度、变载荷等频以及结构简单，布置方便等优点；而且调平精度高；调平时间短；调平后轮胎载荷分布均匀，平台稳定性较好；这种调平装置不需要单独的刚性支腿，占有的空间及质量都很小。而且这种装置成本较低，结构也相对简单，实现起来比较容易。

2、本发明通过耦连阀与油液管路将两轴车辆的四点支撑简化为三点支撑，通过控制车身上三个支撑点的高度来逐步减小车载平台与水平面之间的夹角。通过耦连可以使两个油气弹簧充放油同步进行，两个支撑点简化为一个等效支撑点，其位置在两点连线的中点处。具体实现时可以视车辆的载荷分布与整车性能要求来选择采用前轴耦连正三角支撑方式或后轴耦连倒三角支撑方式。三点支撑可以使整车由静不定结构转化为静定结构，各车轮都能充分接地，载荷分布均匀，平台稳定性好，而且也大大降低了车身上的扭转力矩，使车身的可靠性与寿命提高。

3.多轴车辆可以通过将油气弹簧连通先简化为两轴，进而通过耦连阀将其简化为三点支撑。将多个油气弹簧通过管路连通后简化成一个等效支撑点，其位置在多个油气弹簧的几何中心处。根据整车的载荷分布状况与各油气弹簧之间的距离，多轴车辆可以通过多种耦连方式简化为三点支撑。

4、调平时目标是将车身相对于水平面的俯仰角与侧倾角降为零，本专利通过解算器将角度控制转化为高度控制，不直接控制车身的俯仰角与侧倾角，而是控制车身三个支撑点的高度。由于高度传感器精度高，响应时间快，这种转化不但使调平精度大大提高，而且降低了对传感器的要求以及整套系统的成本。而且，由于可以结合车辆当前姿态和悬架行程余量求解各悬架举升高度，系统可以将车载平台调至当前状态允许的最平状态，实现最佳的调平效果。

5、本发明在一次调平过程中，采用多次解算分段进行的方法，以降低车身载荷转移或车轮外倾等因素造成的影响，提高调平精度。

6、本发明中所用到的高度传感器实际上测量的是车身与传感器摇臂之间的夹角，这个夹角与悬架高度是一一对应的，本专利采用数据拟合的方式来确定这个夹角与悬架高度之间的对应关系，这种数据处理方式使各悬架高度之间的耦合关系以及车身载荷转移、车轮外倾等因素造成的影响有所降低，使传感器采集的数据具有更高的可信度，调平精度进一步提高。

附图说明

图1是本发明油气悬架调平装置的整体结构原理图。

图2是本发明高度传感器的安装位置图。

图3是本发明两轴车辆前轴耦连正三角支撑方式结构示意图。

图4是本发明两轴车辆后轴耦连倒三角支撑方式结构示意图。

图5是本发明三轴车辆前轴耦连正三角支撑方式结构示意图。

图6是本发明三轴车辆中后轴耦连倒三角支撑方式结构示意图。

图7是本发明七轴车辆前三后四正三角支撑方式结构示意图。

图8是本发明七轴车辆前三后四倒三角支撑方式结构示意图。

图9是本发明七轴车辆前四后三正三角支撑方式结构示意图。

图10是本发明七轴车辆前四后三倒三角支撑方式结构示意图。

图11是本发明油气弹簧结构示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，该多轴车辆油气悬架调平装置包括：油箱1、油泵2、公用储能器3、车轮6、油气弹簧组件7，其特征是它还包括一个控制面板13、一个微处理器14，至少三个连接在油液管路17上并与微处理器14电连接的充放油控制阀4，一个连接在油液管路17上并与微处理器14电连接的耦连阀5，设置在每个悬架上横臂20与车身16之间的高度传感器12，一个固定于车身16上的倾角传感器15，所述的高度传感器12与倾角传感器15通过信号线33与微处理器14电连接。所述的微处理器14由解算器与控制器两部分组成。

由附图4所示：油气弹簧组件7具有充放油及闭锁功能，它由油气弹簧储能器9、油气弹簧工作缸10、活塞组件11和闭锁阀8构成，其中闭锁阀8设置在油气弹簧储能器9和工作缸10之间并与微处理器14电连接。

所述的充放油控制阀4为一种三位四通的电磁阀，当其处于上位时，油气弹簧工作缸10与高压油路连通，工作缸充油，车身举升；当其处于下位时，油气弹簧工作缸10与回油路连通，工作缸放油，车身下降；当其处于中位时，油气弹簧工作缸10与液压油路断开，车身保持现有高度。

所述的耦连阀5可以将两个或多个油气弹簧连通，使其载荷分布均匀，充放油同步进行，这样两个或多个油气弹簧可以简化为一个支撑点。

所述的闭锁阀8安装在油气弹簧储能器9与工作缸10之间，车身调平以后，将闭锁阀8置于闭锁位置，悬架变为刚性，可以承受车载仪器传来的较大的力，保持工作平台的稳定性。闭锁阀8是一种两位两通电磁阀，它和充放油控制阀4、耦连阀5一起，都是通过接收微处理器14发出的指令来执行相关动作。

所述的微处理器14由解算器和控制器两部分组成，其中解算器接受传感器采集的车身姿态信息，该信息包括车身俯仰角、车身侧倾角以及四个悬架的高度。解算器求解出当前姿态到调平状态各个悬架应该举升到的最终目标高度，并将其传递给控制器，控制器通过控制各充放油控制阀来调节各悬架的高度，最终实现车身调平。

附图3、4、5、6、7、8、9、10表示了车辆由多个支撑点简化为三点支撑的几种耦连方式。三点支撑可以消除车身的多余约束，使整车由静不定结构转化为静定结构，各轮都能充分接地，平台稳定性好，而且也降低了车身上的扭转力矩，使车身的可靠性与寿命提高。具体选择哪种耦连方式应视车身载荷分布情况、各轴之间的距离及整车性能要求而定。 

多轴车辆可以通过油气弹簧耦连的方式简化为两轴，以两轴车辆为例，阐述本发明的工作原理如下：

驾驶员通过控制面板发出调平指令时，系统启动：高度传感器采集各悬架高度信息，倾角传感器采集车身俯仰角与侧倾角信息，并将该信息传递给微处理器中的解算器。

解算器接收到传感器传来的车身姿态信息后，利用三点确定一个平面的原理进行解算。解算过程中所用到的符号说明如下：

α由倾角传感器测得的车身俯仰角、

β由倾角传感器测得的车身侧倾角、

H _fl由高度传感器测得的前左悬架高度、

H _fr由高度传感器测得的前右悬架高度、

H _rl由高度传感器测得的后左悬架高度、

H _rr由高度传感器测得的后右悬架高度、

H _ai由解算器解算出的a支撑点处应举升的初始目标高度，即当没有悬架行程限制时a支撑点处应举升的目标高度、

H _bi由解算器解算出的b支撑点处应举升的初始目标高度，即当没有悬架行程限制时b支撑点处应举升的目标高度、

H _ci由解算器解算出的c支撑点处应举升的初始目标高度，即当没有悬架行程限制时c支撑点处应举升的目标高度、

H _az由解算器解算出的a支撑点处应举升的最终目标高度，即当有悬架行程限制时a支撑点处应举升的目标高度、

H _bz由解算器解算出的b支撑点处应举升的最终目标高度，即当有悬架行程限制时b支撑点处应举升的目标高度、

H _cz由解算器解算出的c支撑点处应举升的最终目标高度，即当有悬架行程限制时c支撑点处应举升的目标高度、

H _amax a支撑点出悬架行程允许的最大举升高度、

H _bmax b支撑点出悬架行程允许的最大举升高度、

H _cmax c支撑点出悬架行程允许的最大举升高度。

解算过程分为两步：首先，求各悬架应举升的初始目标高度。根据传感器信号判断出当前的车身姿态，并按照追逐最高点的原则求解出当前姿态到调平状态三个支撑点（图1中a，b，c三点）应该举升的初始目标高度H _ai、H _bi、H _ci。其次，求各悬架应举升的最终目标高度。由于悬架行程限制各悬架无法举升到初始目标高度，需要将这三个初始目标高度都降低，直至三个目标高度都降至悬架行程以内。如果当前悬架行程内无法将车身调至水平，则把能调至的最平状态显示在显示器上，由驾驶员决定重新寻找位置还是继续执行调平。如果继续执行调平，则求出当前姿态至最平状态各悬架应举升的最终目标高度H _az、H _bz、H _cz，将此高度传给控制器，进而控制各动作原件改变悬架高度。

追逐最高点即保持最高点不动，将较低的两点举升到最高点所在水平面。最高点的举升高度为0，较低两点的举升高度由解算器求出（如若a点为最高点，则H _ai=0，H _bi、H _ci由车身倾角信息及轴距、轮距参数求出）。解算出这三个初始目标高度后，将其与各悬架行程允许最高高度H _amax、H _bmax、H _cmax分别进行比较,如果有：

H _ai>H _amax 或

H _bi>H _bmax 或

H _ci>H _cmax，  

则三点的目标高度都减去Max(H _ai-H _amax, H _bi-H _bmax, H _ci -H _cmax)作为最终的目标高度，即

H _az= H _ai - Max(H _ai-H _amax, H _bi-H _bmax, H _ci -H _cmax)

H _bz= H _bi - Max(H _ai-H _amax, H _bi-H _bmax, H _ci -H _cmax)

H _cz= H _ci - Max(H _ai-H _amax, H _bi-H _bmax, H _ci -H _cmax)

油箱1中的油液经电动油泵2泵油后变为高压油，当车身需要调平时，微处理器发出指令给三个充放油控制阀，控制它们动作，如果某个支撑点的当前高度低于解算出的最终目标高度，则车身需要上升，油液经过电磁阀进入油气弹簧工作缸10，使油气弹簧活塞组件11相对于工作缸10被推出，车身举升。当车身上的该支撑点达到解算器算出的目标高度后，微处理器发出指令，控制相应的电磁阀关闭，停止充油。如果某支撑点的高度高于解算出的最终目标高度，车身需要下降，微处理器控制相应的电磁阀处于卸油位置，则油气弹簧工作缸10与油箱1连通，由于车身自重，油气弹簧工作缸10内的油液会被压回油箱1，实现卸油，车身下降。充放油过程中，耦连阀一直处于开的位置，使前轴左右两个油气弹簧等效为一个（位于前轴中点a处）。这样车身在上升和下降过程中，总是由三点支撑。当车身调平后（俯仰角与侧倾角小于允许的误差范围即可认为调平），关闭油气弹簧工作缸10与蓄能器9之间的闭锁阀8，悬架变为刚性，平台变得十分稳固，车载仪器可以在平台上可靠工作。

本发明所述调平装置的直接控制量为悬架高度，因为如果采用倾角信号作为直接控制量，质心转移造成的影响和车辆由于惯性造成的系统滞后将无法预估和消除。而且对于信号采集系统而言，现有的普通倾角传感器的信号采集频率都较低，响应时间较长，而使用陀螺仪的成本又过高。所以本专利选取各悬架的高度作为实时控制变量，而倾角信号只在解算各悬架需要的举升高度时采集，有效的避免了由于传感器采样频率和车辆系统反馈滞后造成的误差。

在车辆处于大倾角的状态时，其载荷分布、轴距、轮距与调平后的状态相差很大，如果系统只在调平之初解算一次高度，那么在系统按照该高度调整完后倾角的误差将会很大。所以应该在系统将要调整到第一次解算出的目标状态时重新根据当时的车身姿态进行解算，然后根据第二次解算值对车身姿态进行调整。经过试验证实，两次解算可使调平精度大幅提高。而对于精度要求较高的车辆可以进行增加多次解算，但是每次运动与解算之间要采取可靠的措施消除由于液压系统冲击造成的车辆抖动，具体的可以采用静止等待或者在运动末期降低充油速度的方法。

图2所示为高度传感器12在车身上的安装位置示意图。所谓的高度传感器实际上测量的是一个摆角。高度传感器由定子与转子两部分组成，定子固定在车身16上，转子通过摇臂22和连杆21与悬架的上横臂20相连。当车身举升时，摇臂22相对于车身16的转过的角度与该处悬架高度是一一对应的。测出摇臂22相对于车身16的转角以及该处悬架高度的数值，通过多项式拟合的方式确定两者之间的对应关系，就可以准确测出各车身支撑点的位置变化。这种拟合的方式，可以将各悬架高度之间的耦合以及轮胎定位参数变化引起的车身高度变化充分考虑在内，使高度控制更为准确。

本发明中多次用到控制量与实测量之间的转化，这种转化不但能使响应时间变短，调平精度提高，而且大大降低了对传感器的要求，使实际应用时选用一些普通的角度传感器就可以得到很好的调平效果，使整套调平装置的成本大大降低。

图11为本发明中所用到的油气弹簧组件7结构图。它主要由工作缸10、活塞组件11、蓄能器9以及闭锁阀8和充放油管路32等组成。活塞组件11包括单向阀24、复原阀片26、固定螺母25以及活塞杆27等主要部件。活塞杆是一个空心杆，其上有多个圆形小孔，使活塞杆腔与外面的环形腔相连。复原行程时，环形腔容积变小，里面的油液通过这些小孔被挤入活塞杆腔。活塞杆腔中的油液通过复原阀进入无杆腔，无杆腔中的体积增大由通过复原阀的油液以及蓄能器中排出的油液来补偿。复原阻尼主要产生在这些圆形小孔及复原阀上。压缩行程无杆腔中的油液一部分通过单向阀24直接进入环形腔，还有一部分被压入蓄能器，压缩阻尼主要由单向阀产生。车身举升及下降时，油气弹簧通过充放油管路32及相应的控制阀与液压油路相连实现充油与放油及车身高度的调节。图中28为导向器，29、30、31分别为Y型密封圈、O型圈及斯特封，通过多道密封件可以实现油气弹簧较好的密封效果。

Claims (5)

1.一种多轴车辆油气悬架调平装置，该装置包括油箱（1）、油泵（2）、公用储能器（3）、车轮（6）、油气弹簧组件（7），其特征在于：该装置是通过油气弹簧耦连的方式将两轴或多轴车辆的悬架转化为三点支撑，实现基于三点控制的车载平台调平方式；它还包括一个控制面板（13）、一个微处理器（14），至少三个连接在油液管路（17）上并与微处理器（14）电连接的充放油控制阀（4），一个连接在油液管路（17）上并与微处理器（14）电连接的耦连阀（5），设置在每个悬架上横臂（20）与车身（16）之间的高度传感器（12），一个固定于车身（16）上的倾角传感器（15），所述的高度传感器（12）与倾角传感器（15）通过信号线（33）与微处理器（14）电连接，所述的微处理器（14）由解算器与控制器两部分组成。

2.根据权利要求1所述的一种多轴车辆油气悬架调平装置，其特征在于：所述的油气弹簧组件（7）具有充放油及闭锁功能，它由油气弹簧储能器（9）、油气弹簧工作缸（10）、活塞组件（11）和闭锁阀（8）构成，所述的闭锁阀（8）设置在油气弹簧储能器（9）和工作缸（10）之间并与微处理器（14）电连接。

3.根据权利要求1所述的一种多轴车辆油气悬架调平装置，其特征在于：所述的悬架上横臂（20）和车身（16）之间设置有一个传感器连接臂，传感器连接臂由铰接在一起的连杆（21）和摇臂（22）组成；所述的高度传感器（12）由定子和转子两部分组成，其中定子固结在车身（16）上，转子与摇臂（22）铰接，连杆（210一端与摇臂（22）铰接，一端与悬架上横臂（20）铰接。

4.根据权利要求1所述的一种多轴车辆油气悬架调平装置，其特征在于：所述的耦连阀（5）连通两个或多个油气弹簧组件（7），使两个或多个油气弹簧组件（7）简化为一个支撑点，实现基于三点调平原理的调平方式，两轴车辆可以采用前轴耦连正三角支撑或后轴耦连倒三角支撑方式，多轴车辆可以根据载荷分布与各油气弹簧组件之间的距离选择相应的耦连方式，最后转化为三点支撑。

5.一种采用权利要求1所述多轴车辆油气悬架调平装置实现多轴车辆油气悬架调平的方法，其特征在于：

该方法包括以下步骤：

①、驾驶员通过设置在驾驶室中的控制面板给微处理器发出车身调平指令，微处理器控制高度传感器采集各悬架的高度信息，控制倾角传感器采集车身俯仰角与侧倾角信息；

②、将高度传感器采集的各悬架高度信息与倾角传感器采集车身俯仰角、侧倾角信息传递给微处理器中的解算器，解算器根据当前的车身姿态和各悬架的行程余量求出能够调至的最平状态，以及调平至此状态三个支撑点应该举升的最终高度H _az、H _bz、H _cz；解算器将目标状态的俯仰角、侧倾角以及三个支撑点的应举升高度返回控制面板并显示在显示屏上；

驾驶员判断车辆当前姿态能调至的最平状态是否符合车载仪器的工作要求，如果不符合要求，则车辆前行重新寻找调平位置；如果满足要求，驾驶员按下执行按钮，将三个悬架应举升的目标高度H _az、H _bz、H _cz传递给控制器；

③、控制器接受解算器传来的三个悬架应举升的目标高度H _az、H _bz、H _cz，同时接收高度传感器测得的各悬架高度实时信息，将实测的三个支撑点高度与解算高度进行比较，如果某支撑点实测高度低于解算高度，则控制器发出指令给充放油控制阀使该支撑点对应的油气弹簧组件充油，该支撑点举升；如果某支撑点实测高度高于解算高度，则控制器发出指令给充放油控制阀使该支撑点对应的油气弹簧组件放油，该支撑点下降；

④、如果初始时车身倾角较大，为降低车身载荷转移、车轮外倾等因素造成的影响，采用多次解算分段调平的方法：在车身接近调平状态，即车身俯仰角、侧倾角减小至程序设定的重新解算范围时，控制器控制各传感器重新采集车身姿态信息，解算器重新解算目标高度，控制器按照重新解算出的目标高度控制各油气弹簧组件进行充油或放油。

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