CN105539045B - 一种主动式馈能悬架作动器及其控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种主动式馈能悬架作动器，包括上吊环、旋转电机、行星轮、太阳轮、行星架、外齿圈、电磁离合器C1、电磁离合器C2、固定杆、电磁离合器C3、电磁离合器C4、推力轴承、滚珠螺杆、滚珠螺母、上工作缸、下工作缸和下吊环；还涉及一种控制系统包括阻尼器、弹性元件、作动器、簧上质量、簧下质量、整车控制器模块、驱动电路模块和A/D转换器；作动器、阻尼器和弹性元件并联在簧上质量和簧下质量之间；作动器包括电机、电磁离合器和螺杆；整车控制器模块通过A/D转换器收集螺杆的转向信号、电磁离合器的状态信号和电机的转向和力矩信号，整车控制器模块将收到的信号分析并发出信号经驱动电路模块控制电磁离合器的通断和电机的工作状态。
Description
技术领域
本发明涉及汽车主动悬架技术，尤其涉及到一种主动式馈能悬架作动器及其控制系统。
背景技术
悬架一般由弹性元件、减震器和导向机构组成，悬架系统会在路面和发动机等激励下产生随机振动，传统悬架中的阻尼器，会将这部分机械能以热能形式耗散，产生阻尼力，而馈能式悬架则可以将这部分机械能以电能等形式回收。
现代汽车悬架可以分为被动、半主动和主动式悬架三种，被动悬架虽然结构简单成本较低，但是只能在某种特定的路面条件下达到最优性能；半主动悬架可以根据路面等条件调整悬架阻尼参数，实现一定程度的悬架性能改善；主动悬架则是在悬架系统中附加一个作动器，来实时调节悬架刚度和阻尼，可以最大程度的改善悬架性能。
现有技术中，对悬架中的作动器，主要采用旋转电机直接与滚珠丝杠结合的方案，该结构的缺点在于：在馈能或者主动调节悬架过程中，旋转电机需要频繁改变转向，导致电机高频转换，缩短电机寿命。另外，对悬架中的作动器，在旋转电机和滚珠丝杠之间加入行星轮系的方案也有一些设计结构，有的研究人员在其设计的电磁馈能型半主动悬架馈能阻尼实时控制装置中(专利申请号201210054782.8)，将行星轮系的齿圈固定，但该结构的不足之处在于：该结构在馈能过程中仍然需要频繁变换旋转电机转子转向，从而导致电机高频转换，缩短了电机寿命；有的设计人员在其设计的馈能悬架减震器中(专利申请号201420239203.1)也应用了类似结构，该方案在旋转电机与滚珠丝杠之间设置单向离合器以及行星轮系，并使行星轮系的行星架保持固定，但该结构的不足之处在于：只能实现旋转电机在馈能过程中保持单向旋转，不能实现主动调节悬架阻尼与刚度的的功能。
为了解决上述问题，根据行星齿轮系的特性，通过利用电磁离合器，依据工作需要对行星轮系不同部件进行固定，不仅可以实现馈能和主动调节悬架阻尼与刚度的功能，同时可以使旋转电机在馈能和主动调节悬架两种模式下始终保持单向旋转，避免了高频转换，延长了电机寿命。
发明内容
本发明提供一种主动式馈能悬架作动器及其控制系统，依据行星齿轮系的特性，通过利用电磁离合器，依据工作需要对行星轮系不同部件进行固定，不仅可以实现馈能和主动调节悬架阻尼与刚度的功能，同时可以使旋转电机在馈能和主动调节悬架两种模式下始终保持单向旋转，避免了高频转换，延长了电机寿命。
实现本发明目的的技术方案是：
一种主动式馈能悬架作动器，包括上吊环、旋转电机、太阳轮、行星架、行星轮、外齿圈、电磁离合器C1、电磁离合器C2、固定杆、电磁离合器C3、电磁离合器C4、推力轴承、滚珠螺杆、滚珠螺母、上工作缸、下工作缸和下吊环；
上吊环固定在上工作缸的外部顶端，上吊环与簧上质量连接；所述下工作缸上端嵌入上工作缸下端；下吊环固定在下工作缸的外部底端，下吊环与簧下质量连接；
旋转电机安装在上工作缸内顶部；太阳轮位于旋转电机下方且太阳轮的轴与旋转电机的转子同轴连接，行星轮与太阳轮啮合，行星轮与外齿圈啮合；行星架与行星轮和太阳轮连接；
电磁离合器C1的主动盘与行星架连接，从动盘与固定杆连接；电磁离合器C2的主动盘与滚珠螺杆连接，从动盘与行星架连接；电磁离合器C3的主动盘与外齿圈连接，从动盘与固定杆连接；电磁离合器C4的主动盘与滚珠螺杆连接，从动盘与外齿圈连接；
推力轴承安装在电磁离合器C4正下方，滚珠丝杠安装在推力轴承正下方；滚珠螺母固定于下工作缸上端，滚珠螺杆的上端由推力轴承定位，滚珠螺杆下端贯穿滚珠螺母并伸入到下工作缸内。
进一步的，行星轮至少2个。
进一步的，旋转电机采用永磁直流无刷电机，电磁离合器C1、电磁离合器C2、电磁离合器C3、电磁离合器C4均采用干式单片离合器，推力轴承采用角接触球轴承的成对双联结构。
一种主动式馈能悬架作动器控制系统，包括阻尼器、弹性元件、作动器、簧上质量、簧下质量、整车控制器模块、驱动电路模块和A/D转换器；所述作动器、阻尼器和弹性元件并联在簧上质量和簧下质量之间；所述作动器为根据权利要求1所述的主动式馈能悬架作动器，包括旋转电机、电磁离合器、滚珠螺杆；所述整车控制器模块通过A/D转换器收集滚珠螺杆的转向信号、电磁离合器的状态信号和旋转电机的转向和力矩信号，整车控制器模块将收到的信号进行分析并发出信号经驱动电路模块控制电磁离合器的通断和电机的工作状态。
本发明的有益效果是：
1.旋转电机与滚珠螺杆之间设置一个行星齿轮系传递动力，结构紧凑，保障力矩和转速传递的有效性。
2.采用电磁离合器控制行星齿轮系元件的固定与动力结合，反应速度快，耐久性强，组装维护容易。
3.本发明与阻尼器并联，通过控制电磁离合器结合行星齿轮系等部件可实现馈能和主动调节悬架阻尼刚度及车身高度两种模式，以及两种模式下电机均可以保持同一方向旋转，避免了高频转换，延长了电机寿命，达到节能与提高悬架性能的双重目的。
4.根据行星齿轮系的特性，通过利用电磁离合器，依据工作需要对行星轮系不同部件进行固定，不仅可以实现馈能和主动调节悬架阻尼与刚度的功能，同时可以使旋转电机在馈能和主动调节悬架两种模式下始终保持单向旋转，避免了高频转换，延长了电机寿命。
5.该控制系统结构简单可以对作动器进行准确的控制，实现馈能和主动悬架模式。
附图说明
图1为一种主动式馈能悬架作动器结构示意图；
图2为在馈能模式下，滚珠螺杆顺时针转动时电磁离合器状态及传动部件旋转方向示意图；
图3为在馈能模式下，滚珠螺杆逆时针转动时电磁离合器状态及传动部件旋转方向示意图；
图4为在主动调节悬架模式下，滚珠螺杆顺时针转动时电磁离合器状态及传动部件旋转方向示意图；
图5为在主动调节悬架模式下，滚珠螺杆逆时针转动时电磁离合器状态及传动部件旋转方向示意图；
图6为本发明的控制系统原理图。
附图标记：
1-上吊环；2-旋转电机；3-太阳轮；4-行星架；17-行星轮；5-外齿圈；6-电磁离合器C1；7-电磁离合器C2；8-固定杆；9-电磁离合器C3；10-电磁离合器C4；11-推力轴承；12-滚珠螺杆；13-滚珠螺母；14-上工作缸；15-下工作缸；16-下吊环。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明：
如附图1所示，一种行星齿轮主动式馈能悬架作动器，包括上吊环1、旋转电机2、太阳轮3、行星架4、行星轮17、外齿圈5、电磁离合器C16、电磁离合器C27、固定杆8、电磁离合器C39、电磁离合器C410、推力轴承11、滚珠螺杆12、滚珠螺母13、上工作缸14、下工作缸15、下吊环16；
上吊环1固定在上工作缸14的外部顶端与簧上质量连接，下工作缸15上端嵌入上工作缸14下方，下吊环16固定在下工作缸15的外部底端与簧下质量连接；旋转电机2安装在上工作缸14内顶部，太阳轮3位于旋转电机2下方且太阳轮3的轴与电机转子同轴连接，行星轮17与太阳轮3啮合，行星轮17与外齿圈5啮合；电磁离合器C16的主动盘与行星架4连接，从动盘与固定杆8连接，电磁离合器C27的主动盘与滚珠螺杆12连接，从动盘与行星架4连接，电磁离合器C39的主动盘与外齿圈5连接，从动盘与固定杆8连接，电磁离合器C410的主动盘与滚珠螺杆12连接，从动盘与外齿圈5连接，推力轴承11安装在电磁离合器C410下方；滚珠丝杠安装在推力轴承11下方，滚珠螺母13固定于下工作缸15上端，滚珠螺杆12的上端由推力轴承11定位，下端贯穿滚珠螺母13伸入到下工作缸15内。
结合附图2所示，在馈能过程中，随着上工作缸14、下工作缸15之间的的相对运动，滚珠螺杆12转动，当滚珠螺杆12顺时针(俯视)转动时，传感器信号输入整车控制器，控制电磁离合器C27和电磁离合器C39的衔铁通电接合，电磁离合器C16和电磁离合器C410的衔铁断电分离，从而固定外齿圈5，动力由行星架4输入，太阳轮3输出，太阳轮3与行星架4旋转方向相同，旋转电机2转子顺时针转动。
结合附图3所示，在馈能过程中，随着上工作缸14、下工作缸15之间的的相对运动，滚珠螺杆转动12，当滚珠螺杆12逆时针(俯视)转动时，传感器信号输入整车控制器，控制电磁离合器C16和电磁离合器C410的衔铁通电接合，电磁离合器C27和电磁离合器C39的衔铁断电分离，从而固定行星架4，动力经外齿圈5输入，通过太阳轮3输出给旋转电机2，太阳轮3与外齿圈5转速方向相反，旋转电机2转子顺时针转动。
结合附图4所示，在旋转电机2作为电动机主动调节悬架性能过程中，旋转电机2转子旋转(顺时针)，整车控制器根据当前情况对滚珠螺杆12旋转方向的要求，发出信号控制电磁离合器电流的通断，若要求滚珠螺杆12顺时针转动，则使得电磁离合器C27和电磁离合器C39的衔铁通电接合，电磁离合器C16和电磁离合器C410的衔铁断电分离，从而固定外齿圈5，动力由旋转电机2的转子经太阳轮3输入，行星架4输出，滚珠螺杆12顺时针旋转与太阳轮3方向(即旋转电机2转子方向)相同，并通过滚珠螺母13带动下工作缸15朝着一定的方向直线运动。
结合附图5所示，旋转电机2电机保持顺时针旋转不变，若要求下工作缸15朝着相反方向直线运动即滚珠螺杆12螺杆逆时针转动，则使得电磁离合器C16和电磁离合器C410的衔铁通电接合，电磁离合器C27和电磁离合器C39的衔铁断电分离，从而固定行星架4，动力由旋转电机2的转子经太阳轮3输入，外齿圈5输出，带动滚珠螺杆12逆时针旋转，方向与太阳轮3方向(即旋转电机2转子方向)相反，并通过滚珠螺母13带动下工作缸15朝着相反方向直线运动。主动调节过程中，旋转电机2作为电动机消耗电能。
结合附图6所示为本发明的控制系统原理，进一步补充说明：1/4车辆振动系统由簧上质量、弹性元件、阻尼器、作动器、簧下质量和轮胎组成，其中阻尼器与作动器并联。控制单元包括整车控制器、驱动电路等，车载电源由蓄电池组成。在汽车行驶过程中：(1)在馈能模式下，螺杆的转向信号通过A/D转换器发送到整车控制器模块，整车控制器模块根据控制策略发出电磁离合器控制信号，经过驱动电路模块控制电磁离合器的电流的通断，实现电磁离合器导通或断开，从而保持电机转子单向转动并回收能量，回收的电能通过整流储存在蓄电池中，此模式下电机作为发电机；(2)在主动调节模式下，整车控制器模块根据控制策略以及当前电机转向和力矩大小和电磁离合器状态，发出电机转向信号和力矩信号与电磁离合器控制信号，经驱动电路模块控制电机和电磁离合器的状态，从而在保持电机单向旋转的情况下，实现传递力矩大小的控制和滚珠螺杆的正反转，从而带动作动器压缩或伸张，从而调节悬架的阻尼和刚度及车身高度，此时电机作为电动机，消耗蓄电池的电能。
具体的工作实施例
(1)馈能模式：随着上工作缸14、下工作缸15之间的相对运动，滚珠螺杆12转动：
A.当滚珠螺杆12顺时针(俯视)转动时，滚珠螺杆12转向信号经A/D转换器到整车控制器模块，整车控制器模块发出信号经驱动电路模块控制电磁离合器C27和C39的衔铁通电接合，电磁离合器C16和电磁离合器C410的衔铁断电分离，从而固定外齿圈5，动力由行星架4输入，太阳轮3输出，太阳轮3与行星架4旋转方向相同，旋转电机2转子顺时针转动；
B.当滚珠螺杆12逆时针(俯视)转动时，滚珠螺杆12转向信号经A/D转换器到整车控制器模块，整车控制器模块发出信号经驱动电路模块控制电磁离合器C16和C410的衔铁通电接合，电磁离合器C27和电磁离合器C39的衔铁断电分离，从而固定行星架4，动力经外齿圈5输入，通过行星轮17传递，由太阳轮3输出给旋转电机2，太阳轮3与外齿圈5转速方向相反，旋转电机2转子顺时针转动；
(2)主动调节悬架模式：当旋转电机2转子顺时针旋转时：
A.若要求滚珠螺杆12顺时针转动，整车控制器模块接收经A/D转换器转换后的旋转电机2发出转向信号，对信号进行分析，整车控制器模块发出信号经驱动电路模块控制电磁离合器C27和电磁离合器C39的衔铁通电接合，电磁离合器C16和电磁离合器C410的衔铁断电分离，从而固定外齿圈5，动力由旋转电机2转子经太阳轮3传输后由行星架4输出，滚珠螺杆12顺时针旋转，滚珠螺杆12通过滚珠螺母13带动下工作缸15朝着一定的方向直线运动；
B.若要求滚珠螺杆12逆时针转动，整车控制器模块接收经A/D转换器转换后的旋转电机2发出的转向信号，对信号进行分析，整车控制器模块发出信号经驱动电路模块控制电磁离合器C16和电磁离合器C410的衔铁通电接合，电磁离合器C27和电磁离合器C39的衔铁断电分离，从而固定行星架4，动力由旋转电机2转子经太阳轮3传输后由外齿圈5输出，滚珠螺杆1逆时针旋转，滚珠螺杆12通过滚珠螺母13带动下工作缸15朝着相反方向做直线运动。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种主动式馈能悬架作动器，其特征在于，包括上吊环(1)、旋转电机(2)、太阳轮(3)、行星架(4)、行星轮(17)、外齿圈(5)、电磁离合器C1(6)、电磁离合器C2(7)、固定杆(8)、电磁离合器C3(9)、电磁离合器C4(10)、推力轴承(11)、滚珠螺杆(12)、滚珠螺母(13)、上工作缸(14)、下工作缸(15)和下吊环(16)；
所述上吊环(1)固定在上工作缸(14)的外部顶端，上吊环(1)与簧上质量连接；所述下工作缸(15)上端嵌入上工作缸(14)下端；下吊环(16)固定在下工作缸(15)的外部底端，下吊环(16)与簧下质量连接；
所述旋转电机(2)安装在上工作缸(14)内顶部；太阳轮(3)位于旋转电机(2)下方且太阳轮(3)的轴与旋转电机(2)的转子同轴连接；行星轮(17)与太阳轮(3)啮合，外齿圈(5)与行星轮(17)啮合，行星架(4)与行星轮(17)和太阳轮(3)连接；
所述电磁离合器C1(6)的主动盘与行星架(4)连接，从动盘与固定杆(8)连接；电磁离合器C2(7)的主动盘与滚珠螺杆(12)连接，从动盘与行星架(4)连接；电磁离合器C3(9)的主动盘与外齿圈(5)连接，从动盘与固定杆(8)连接；电磁离合器C4(10)的主动盘与滚珠螺杆(12)连接，从动盘与外齿圈(5)连接；
所述推力轴承(11)安装在电磁离合器C4(10)正下方，滚珠螺杆(12)安装在推力轴承(11)正下方；滚珠螺母(13)固定于下工作缸(15)上端，滚珠螺杆(12)下端贯穿滚珠螺母(13)并伸入到下工作缸(15)内。
2.根据权利要求1所述的一种主动式馈能悬架作动器，其特征在于，所述行星轮(17)至少2个。
3.根据权利要求1或2所述的一种主动式馈能悬架作动器，其特征在于，所述旋转电机(2)采用永磁直流无刷电机，电磁离合器C1(6)、电磁离合器C2(7)、电磁离合器C3(9)、电磁离合器C4(10)均采用干式单片离合器，推力轴承(11)采用角接触球轴承的成对双联结构。
4.一种主动式馈能悬架作动器控制系统，其特征在于，包括阻尼器、弹性元件、作动器、簧上质量、簧下质量、整车控制器模块、驱动电路模块和A/D转换器；所述作动器为根据权利要求1所述的主动式馈能悬架作动器，包括旋转电机、电磁离合器、滚珠螺杆；所述作动器、阻尼器和弹性元件并联在簧上质量和簧下质量之间；所述整车控制器模块通过A/D转换器收集滚珠螺杆的转向信号、电磁离合器的状态信号和旋转电机的转向和力矩信号，整车控制器模块将收到的信号进行分析并发出信号经驱动电路模块控制电磁离合器的通断和电机的工作状态。
5.根据权利要求4所述的一种主动式馈能悬架作动器控制系统，其特征在于，包括如下工作方式：
(1)馈能模式：随着上工作缸(14)、下工作缸(15)之间的相对运动，滚珠螺杆(12)转动：
A.当滚珠螺杆(12)从俯视角度看顺时针转动时，滚珠螺杆(12)转向信号经A/D转换器到整车控制器模块，整车控制器模块发出信号经驱动电路模块控制电磁离合器C2(7)和C3(9)的衔铁通电接合，电磁离合器C1(6)和电磁离合器C4(10)的衔铁断电分离，从而固定外齿圈(5)，动力由行星架(4)输入，太阳轮(3)输出，太阳轮(3)与行星架(4)旋转方向相同，旋转电机(2)转子从俯视角度看顺时针转动；
B.当滚珠螺杆(12)从俯视角度看逆时针转动时，滚珠螺杆(12)转向信号经A/D转换器到整车控制器模块，整车控制器模块发出信号经驱动电路模块控制电磁离合器C1(6)和电磁离合器C4(10)的衔铁通电接合，电磁离合器C2(7)和电磁离合器C3(9)的衔铁断电分离，从而固定行星架(4)，动力经外齿圈(5)输入，通过行星轮(17)传递，由太阳轮(3)输出给旋转电机(2)，太阳轮(3)与外齿圈(5)转速方向相反，旋转电机(2)转子从俯视角度看顺时针转动；
(2)主动调节悬架模式：当旋转电机(2)转子从俯视角度看顺时针旋转时：
A.若要求滚珠螺杆(12)从俯视角度看顺时针转动，整车控制器模块接收经A/D转换器转换后的旋转电机(2)发出转向信号，对信号进行分析，整车控制器模块发出信号经驱动电路模块控制电磁离合器C2(7)和电磁离合器C3(9)的衔铁通电接合，电磁离合器C1(6)和电磁离合器C4(10)的衔铁断电分离，从而固定外齿圈(5)，动力由旋转电机(2)转子经太阳轮(3)传输后由行星架(4)输出，滚珠螺杆(12)从俯视角度看顺时针旋转，滚珠螺杆(12)通过滚珠螺母(13)带动下工作缸(15)朝着一定的方向直线运动；
B.若要求滚珠螺杆(12)从俯视角度看逆时针转动，整车控制器模块接收经A/D转换器转换后的旋转电机(2)发出的转向信号，对信号进行分析，整车控制器模块发出信号经驱动电路模块控制电磁离合器C1(6)和电磁离合器C4(10)的衔铁通电接合，电磁离合器C2(7)和电磁离合器C3(9)的衔铁断电分离，从而固定行星架(4)，动力由旋转电机(2)转子经太阳轮(3)传输后由外齿圈(5)输出，滚珠螺杆(12)从俯视角度看逆时针旋转，滚珠螺杆(12)通过滚珠螺母(13)带动下工作缸(15)朝着相反方向做直线运动。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20171205 Termination date: 20191214 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |