CN106183680B - 主动动态修整包括负刚度的悬挂阻尼的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种在簧载元件与非簧载元件之间的悬架组件包含位于簧载元件与非簧载元件之间的载荷承载弹簧和负刚度元件。该载荷承载弹簧元件被配置为具有正弹簧系数以支撑簧载元件的静态载荷。负刚度元件被配置为具有负弹簧系数并且被配置为施加与弹簧的弹簧系数相反的力，负刚度系数的大小在悬架组件的零偏移点处抵消正弹簧系数。该悬架组件还包含被配置为移动负刚度元件的多个枢轴点以获得负刚度元件的修整位置的主动修整机构。

Description

主动动态修整包括负刚度的悬挂阻尼的方法和装置

技术领域

本公开涉及在簧载元件和非簧载元件间的采用主动元件阻尼振动设备。

背景技术

本节的陈述仅旨在提供与本公开内容相关的背景信息。因此，该陈述不是意在构成承认为现有技术。

悬架系统被用来通过吸收和分散振动输入使簧载元件与在非簧载元件处经受的推动和振动能量输入分离。悬架系统用在静止系统和包括客车的移动系统两者上。已知的悬架系统元件包含与阻尼元件并联和/或串联联接的弹簧元件，阻尼元件例如是包含流体或者气动能量吸收和分散特征的吸振器。

当在车辆系统上使用时，包括弹簧和阻尼器的悬架系统被配置为共同提供与乘客的乘坐舒适性、车辆操控性和保持行驶方向能力相关的性能特征。乘坐舒适性通常与车辆主弹簧的弹簧常数、乘客座位的弹簧常数、轮胎以及所述阻尼器的阻尼系数相关地管理。为了最佳的乘坐舒适性，优选用于软式乘坐的相对较低的阻尼力。车辆操控性涉及车辆姿势的变化，车辆姿态根据侧倾、纵倾和横摆来定义。为了最佳的车辆操控性，需要相对较大的阻尼力或者硬式乘坐来避免在转弯、加速和减速期间车辆姿势的过快变化。保持行驶方向能力通常涉及轮胎和地面之间的接触量。为了优化保持行驶方向能力，当行驶在不规则表面上时，需要大的阻尼力以避免在单个车轮和地面之间失去接触。因此，已知的被动悬架系统具有在行驶和操纵间的基本权衡。

已知的车辆悬挂阻尼器采用各种方法来调节阻尼特性以响应车辆操作特性的变化，包括主动阻尼系统。主动车辆悬架系统采用控制各个悬架参数的制动器，以在车辆操作期间响应于操作条件动态地调节乘客的乘坐舒适性、车辆操控性和保持行驶方向能力中的一个或多个。这种致动器是由液压动力源、气动动力源或可以消耗车载动力的其他动力源控制。需要相当大的能量来改变所述被动元件的弹簧和阻尼力，以达到隔离和承载性能。

发明内容

一种在簧载元件与非簧载元件之间的悬架组件包含位于所述簧载元件与所述非簧载元件之间的载荷承载弹簧和负刚度元件。该载荷承载元件被配置为具有正弹簧系数以支撑所述簧载元件的静态载荷；该负刚度元件被配置为具有负弹簧系数并配置为施加与该弹簧的弹簧系数相反的力，该负弹簧系数的大小在所述悬架组件的零偏移点处抵消正弹簧系数。该悬架组件还包含主动修整机构，其被配置为移动所述负刚度元件的多个枢轴点，以获得该负刚度元件的修整位置。

附图说明

现在将参考附图以示例的方式描述一个或多个实施例，其附图中：

图1示出了根据本公开的包括用以抑制簧载元件和非簧载元件间振动的负刚度元件的被动悬架组件；

图2示出了根据本公开的包括用以在载荷下抑制簧载元件和非簧载元件间振动的负刚度元件的被动悬架组件；

图3示出了根据本公开的包括用以在载荷下抑制簧载元件和非簧载元件间振动的负刚度元件并且进一步包括主动修整机构的图2的被动悬架组件。

图4示出了根据本公开的在载荷变化导致偏向阶段期间包括负刚度元件和主动修整机构的悬架系统。

图5示出了根据本公开的包括具有主动动态修整的悬架系统中的主动修整机构534的前馈控制的示例性控制系统。

图6示出了根据本公开的包括具有主动动态修整的悬架系统中的主动修整机构的前馈控制的示例性过程的流程图。

图7示出了根据本公开的包括具有主动动态修整的悬架系统中的主动修整机构的反馈控制的示例性控制系统。

图8示意性地描绘了根据本公开的在具有不带有负刚度元件的被动悬架的车辆、具有带有负刚度元件而无主动修整的被动悬架的车辆、和具有带有负刚度元件和主动修整的被动悬架的车辆制动期间的起伏、侧倾和纵倾；以及

图9示意性地描绘了根据本公开的使用具有5Hz致动器的闭合回路控制的主动修整系统的修整控制仿真结果。

具体实施方式

现在参照附图，其中图示仅用于例示某些示例性实施例的目的而不是限制某些特定示例性实施例，图1示出了包括负刚度元件30的被动悬架组件20，负刚度元件30用于抑制簧载元件与非簧载元件之间的振动。如图所示，簧载元件是车身10，并且非簧载元件包含支撑车轮组件18的下控制臂14，车轮组件18与地面接触。下控制臂14在铰接点12处附接至车身10，并且与上控制臂共同作用，以提供用于安装车轮组件18的基座元件。用于安装车辆车轮组件18的细节是已知的，并且因此不在本文中进行描述。悬架组件20可能用于以相似的效果在固定设置中抑制簧载元件与非簧载元件之间的振动。悬架组件20包含负刚度元件30以保持优选性能，同时容许静态和动态载荷变化，包括与低动态刚度一起支撑较大载荷以隔离振动。这使得能够将总弹簧系数减少至零或者接近零，同时保持静态载荷承载能力。这种系统提供了用于乘客舒适性的期望乘坐性能和用于安全的车轮/轮胎抓地力，同时容许由于质量变化而引起的静态载荷变化以及容许在操纵动作期间的动态载荷变化。术语弹簧系数、弹簧常数和刚度是类似术语，都是指由与弹簧的偏移相关的弹簧所施加的力的变化。

悬架组件20是载荷承载元件，其支撑和传递非簧载元件14与簧载元件10(即，下控制臂14与车身10)之间的静态力和动态力以及载荷输入。在所示出的实施例中，悬架组件20包含并联设置在下控制臂14与车身10之间的弹簧24、阻尼器22以及负刚度元件30。如图所示，弹簧24和阻尼器22在下控制臂14上共同终止在铰接点15处并且在车身上共同终止在铰接点17处。负刚度元件30在下控制臂14上终止在铰接点15'处并且在车身上终止在铰接点17'处。如图所示并且在一个实施例中，铰接点15和铰接点15'是不同的点，从而对于由不同元件施加的力产生不同的力矩臂。替代地，铰接点15和铰接点15'是相同的点。相似地，如图所示并且在一个实施例中，铰接点17和铰接点17'是不同的点。替代地，铰接点17和铰接点17'是相同的点。在一个实施例中，悬架组件20是被动悬架系统，其被限定为没有外部控制元件的悬架系统，外部控制元件控制悬挂设备(即，弹簧24、阻尼器22和负刚度元件30)的操作。弹簧24和阻尼器22图示为机械设备，但可能被配置为任何适合的弹簧和阻尼器设备，例如包括气动设备、液压设备、机械设备及其组合。弹簧24、阻尼器22和负刚度元件30抑制并且以其他方式调节振动输入到非簧载元件14(例如，支撑当车辆移动时以及当车辆静止时与地表面接触的车辆车轮组件18的下控制臂14)。悬架系统20被配置为以低动态刚度静态地支撑较大载荷，低动态刚度实现振动隔离。优选地，悬架系统20的组合元件的总弹簧系数在零偏移点周围为零或者接近零。优选地，悬架系统20的组合元件的总弹簧系数响应于静态车辆加载的变化并且响应于与车辆操纵、转弯和粗糙路面条件相关联的动态载荷变化在静态条件下为零或者接近零。

负刚度元件30的功能在于将力引入到在簧载元件10与非簧载元件14之间的悬架组件20中，该力与例如在静态条件下由弹簧24引入到车辆的悬架中的力相反。负刚度元件30的反力有助于使簧载元件10与非簧载元件14分离，只要在考虑到相关元件的力矩臂的任何差异的情况下作用在簧载元件10上的力小于负刚度元件30的屈服力。负刚度元件30提供与弹簧24的弹簧力相反的力，并且优选地在静态加载情况下具有以下大小的负弹簧系数：在悬架组件20的零偏移点处部分地或者完全地抵消正弹簧系数。

该示例性系统可能另外包含电子控制单元80，电子控制单元80可以操作以控制负刚度元件30。电子控制单元80可能生成控制信号81，用于命令负刚度元件30。

控制模块、模块、控制、控制器、控制单元、处理器和类似术语指执行一个或多个软件或固件程序或例程的专用集成电路(ASIC)、电子电路、中央处理单元(优选地微处理器)和相关存储器以及存储装置(只读、可编程只读、随机访问、硬盘等)、组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、适当的信号调节和缓冲电路，以及用于提供所描述功能的其他组件中的一个或多个的任何一个或各种组合。软件、固件、程序、指令、例程、代码、算法和类似术语指包括刻度和查找表的任何指令集。控制模块具有为提供所需功能执行的控制例程集。例程是诸如通过中央处理单元执行并且可操作来监测来自传感装置和其他联网控制模块的输入，并且执行控制和诊断例程以控制致动器的操作。例程可以有规则的时间间隔执行，例如在正在进行发动机和车辆运行期间每100微秒、3.125、6.25、12.5和100微秒执行一次例程。替代地，例程可能响应于事件的发生而执行。

图1的示例性实施例使得能够将总弹簧系数减小到零，同时保持静态载荷承载能力。这允许产生良好的振动隔离，从而导致乘坐舒适性，然而其受由于质量变化产生的静态载荷变化和由于转向操纵产生的动态载荷变化的影响。静态载荷变化可能导致负刚度元件30未用正刚度来修整，并且在具有渐进特性的负刚度元件30的情况下，其可能影响振动隔离质量。将主动快速动态修整机构并入到基于负刚度元件的系统可能克服载荷变化对负刚度元件的修整的影响。

图2示出了图1的包括用以在载荷244下抑制簧载元件248和非簧载元件249之间的振动的负刚度元件230的被动悬架组件。在这个示例性实施例中，负刚度元件230是负弹簧装置232并且平行于包含正弹簧252和阻尼器254的标准悬架250。虽然这个示例性实施例使用负刚度元件230提供振动隔离，但是其受有效载荷248上的载荷变化(静态和动态)的影响。施加于有效载荷248和地面激励246的载荷244导致有效载荷248偏移242并且在具有渐进刚度特性的负刚度情况下降低振动隔离性能。载荷244和正弹簧252不平衡，导致负刚度元件230具有力分量。

图3示出了图2的包括用以在载荷344下抑制簧载元件348和非簧载元件349之间的振动的负刚度元件330并且进一步包含主动修整机构的被动悬架组件。在这个示例性实施例中，负刚度元件330是负弹簧装置332并且平行于包含正弹簧352和阻尼器354的标准悬架350。主动修整机构包含致动器334、335和336。图3示出了用于被配置为通过用致动器334、335和336移动枢轴点337、338、339相对于标准悬架修整负刚度元件330的修整致动器的示例性位置。枢轴点337、338、339可被调回到修整位置，使得负刚度元件330的负弹簧装置332没有施加任何力分量于悬架上。通过使用快速修整致动，系统可以使用更小的能耗提供全面主动悬架系统的优点。

基于负刚度的悬架系统的主动动态修整的示例性方法可能使用一组传感器和借助于模型估算或计算作用于有效载荷上的静态和动态外力。控制模块可估算或计算作用于有效载荷上的静态或动态外力，并且借助于模型可能计算被作为前馈命令提供到修整控制系统的所需修整状态，所述修整控制系统向致动器产生命令信号以独立于作用于有效载荷上的外力提供振动隔离。对于地面激励，具有主动动态修整的负刚度元件可以表现为软弹簧被动配置，且对于车身激励，具有主动动态修整的负刚度元件可以表现为硬弹簧被动配置。在被动悬架中使用负刚度元件可能提供足够的振动隔离性能且不需要主动动态修整致动。主动动态修整致动可以在包括弹簧和铰链、屈曲梁、液压、磁性元件和波纹管的负刚度核心技术的所有已知种类的实施方式中被利用。在其中主动动态修整致动在车辆悬架中实施的示例性实施例中，可能移除防倾杆，以减小重量和成本并且改进直接行驶中的行为。负刚度元件的主动动态修整致动可能在包括汽车悬架马达底座的一系列产品中被实施。负刚度元件的主动动态修整致动可能在包括机载和海运的任何运输系统(经历有效载荷重量或作用于有效载荷上的其他外力的变化)中被实施。包括电动和液压的任何致动方法均可能用于修整。

图4示出了起因于载荷变化的偏移阶段期间包括负刚度元件430和主动修整机构434的悬挂系统。在阶段401，载荷448和正弹簧452平衡。负刚度元件430在支杆方向上不具有力分量。在阶段402，载荷450由于静态或动态载荷变化而增加。在这个阶段，载荷450和正弹簧452不平衡。负刚度元件430在支杆方向上具有力分量，因为负刚度元件呈现出与修整线460的偏移442。在阶段403，保持增加载荷450。主动修整机构434的致动器可以被致动为移动负刚度元件430的枢轴点437，使得负刚度元件430被带到新的修整位置，主动修整机构434在垂直范围435内移动枢轴点437，使得负刚度元件430在支杆方向上不具有力分量。图4中的悬挂的实施例是示例性的，并且负刚度元件和悬挂的任何实施例可能与主动动态修整一起使用。

图5示出了包括具有主动动态修整的悬挂系统中的主动修整机构534的前馈控制的示例性控制系统。悬挂系统包括载荷548下的正弹簧552和负刚度元件530。载荷548导致了实际的悬挂偏移544。传感器系统510包含制动器和油门传感器512以及加速度传感器514。传感器系统510的传感器可能包含本领域中已知的任何传感器。传感器系统510可能另外包含指示车辆运行参数的任何传感器。传感器系统将来自传感器512和514的传感器测量516输出到前馈模块518。示例性控制系统可能包含用于主动修整机构534的控制模块。控制模块可能包括前馈模块518和修整控制模块524。前馈模块518和修整控制模块524还可能是独立电子控制模块。前馈模块518包含提供制动器和油门以及悬挂偏移之间的关系的模型。所述模型可能另外或替代地提供纵向加速度与悬挂偏移之间的关系。所述模型可能另外提供悬挂偏移作为转向角和无负刚度的被动悬挂的横向加速度的函数。前馈模块的模型可以替代地由提供传感器测量516与悬挂偏移之间的关系的查找表组成。前馈模块518基于来自传感器系统510的输入传感器测量516确定悬挂偏移并且基于已确定的悬挂偏移来估计所需修整状态520。基于已测量的实际修整偏移542在点522处比较所需修整状态520与实际修整状态550。然后将已比较的修整状态523输入到修整控制系统524中。使用位置控制和力控制，修整控制系统524确定将在载荷548下实现负刚度元件530的新修整位置的主动修整机构534的信号输入526。这是通过在范围535内垂直地移动枢轴点537而实现。主动修整机构534可能是线性或旋转的致动器，并且可能包括包含电动、液压的任何致动器。主动修整机构相对于正弹簧552沿相对于正弹簧552的任意垂直方向535移动负刚度元件530的枢轴点537。主动修整机构的示例性前馈控制导致解耦行驶与操纵。因此，改进的行驶性能是通过包含负刚度元件而实现，同时还可能实现无负刚度元件的被动悬挂系统的所需操纵性能。

如图5中所描述，图6描述了具有主动动态修整的悬挂系统中的主动修整机构的前馈控制的示例性过程。表1提供作为关键，其中以数字标记的方框和对应功能被阐释如下。

表1

图7示出了包括具有主动动态修整的悬挂系统中的主动修整机构734的前馈控制的示例性控制系统。由悬挂的加速度、速度和偏移定义的所需悬挂状态718被输入到车身运动控制系统720中。另外，由悬挂的加速度、速度和偏移定义的实际悬挂状态是基于实际悬挂偏移744而确定并且作为反馈输入到车身运动控制系统720中。车身运动控制系统可能使用任何已知方法(包含线性二次型高斯(LOG)控制)，以建立最优反馈命令信号726到主动修整机构734，所述主动修整机构734以最优方式移动修整点737以实现最佳性能。主动修整机构734可能是线性或旋转的致动器，并且可能包括包含电动、液压的任何致动器。主动修整机构相对于正弹簧752沿相对于正弹簧752的任意垂直方向735移动负刚度元件730的枢轴点737。

这种反馈控制方法可能用作图4的前馈控制方法的替代方法，或者除了前馈控制方法之外还可能使用这种反馈控制方法。在示例性实施例中，主动修整机构的反馈控制方法无须确定实际修整状态550或修整位置控制524。

图8图示地描述了具有不带有负刚度元件812的被动悬架的车辆、具有带有负刚度元件而没有主动修整814的被动悬架的车辆和具有带有负刚度元件和主动修整816的被动悬架的车辆制动期间的起伏804、侧倾806和纵倾808。对于图表801、802和803中的每一个，该车辆在1.8m/s²的加速度条件下制动时间2秒。图表801描述了具有不带有负刚度元件812的被动悬架的车辆、具有带有负刚度元件而没有主动修整814的被动悬架的车辆和具有带有负刚度元件和主动修整816的被动悬架的车辆中的每个车辆以秒计810随着时间推移以米计804的起伏。图表802描述了具有不带有负刚度元件812的被动悬架的车辆、具有带有负刚度元件而没有主动修整814的被动悬架的车辆和具有带有负刚度元件和主动修整816的被动悬架的车辆中的每个车辆以秒计810随着时间推移以度计806的侧倾。在这个示例性实施例中，使用前馈和反馈控制实现了主动修整816。图表803描述了具有不带有负刚度元件812的被动悬架的车辆、具有带有负刚度元件而没有主动修整814的被动悬架的车辆和具有带有负刚度元件和主动修整816的被动悬架的车辆中的每个车辆以秒计810随着时间推移以度计808的纵倾。图表803清晰地示出了制动具有负刚度元件和主动修整816的车辆的纵倾808可以明显小于不具有主动修整或负刚度元件的车辆。

图9图示地描述了使用具有5Hz致动器的闭合回路控制的主动动态修整系统的修整控制模拟结果。图9中的每个图表都包含用于具有不带有负刚度元件901的被动悬架的车辆、具有带有负刚度元件而没有主动修整902的被动悬架的车辆和具有带有负刚度元件和具有5Hz致动器903的主动修整的被动悬架的车辆中的每个车辆的图表线。图表910描述了与以秒计时间911成函数关系的重力中的起伏加速度912。图表920描述了与以秒计时间921成函数关系的以度计的侧倾922。图表930描述了与以秒计时间931成函数关系的以度计的纵倾932。示出了具有带有负刚度元件和具有5Hz致动器903的主动修整的被动悬架的车辆的侧倾经历比不具有主动修整控制901和902的车辆较少地剧烈的变化。图表940描述了与以赫兹(Hz)计频率941成函数关系的重力中的起伏加速度942。如可参照图表901、902、903所看到的，较低的共振导致改进的乘坐(减少起伏加速度)。进一步地示出了图表903中具有带有负刚度元件和具有5Hz致动器的主动修整的被动悬架的车辆比图表901和图表902中不具有主动修整控制的车辆已减少起伏加速度。图表950描述了与以赫兹计频率951成函数关系的以度/秒的侧倾率952。由于防侧倾杆的存在，具有负刚度元件902的车辆不显示相对于既无主动修整控制又无负刚度901的车辆的显著改善。然而，采用主动修整控制和负刚度903降低了侧倾率。图表960描述了与以赫兹计频率961成函数关系的以度/秒的纵倾率962。图表970描述了与以秒计时间971成函数关系的以米计的起伏972。

本公开已经描述了某些优选实施例及其修改。其他人在阅读和理解了本说明书时可能想到进一步的修改和变更。因此，旨在本公开不限于作为用于实施本公开而设想的最佳模式所公开的具体实施例，而是本公开将包含落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种在簧载元件和非簧载元件之间的悬架组件，包括：

在所述簧载元件和所述非簧载元件之间的载荷承载弹簧和负刚度元件；

所述载荷承载弹簧，其配置为具有正弹簧系数以支撑所述簧载元件的静态载荷；

所述负刚度元件，其配置为具有负弹簧系数并配置成施加与所述载荷承载弹簧的弹簧系数相反的力，所述负弹簧系数的大小在所述悬架组件的零偏移点处抵消正弹簧系数；以及

主动修整机构，其包括控制模块，被配置为移动所述负刚度元件的多个枢轴点以获得所述负刚度元件的修整位置。

2.根据权利要求1所述的悬架组件，其中其大小在所述悬架组件的零偏移点处抵消所述正弹簧系数的所述负弹簧系数包括其大小在所述悬架组件的零偏移点处完全地抵消所述正弹簧系数的所述负弹簧系数。

3.根据权利要求1所述的悬架组件，其中其大小在所述悬架组件的零偏移点处抵消所述正弹簧系数的所述负弹簧系数包括其大小在所述悬架组件的零偏移点处部分地抵消所述正弹簧系数的所述负弹簧系数。

4.根据权利要求1所述的悬架组件，其中所述负刚度元件包括张力弹簧和连杆组件，其被配置为相对于所述非簧载元件在所述簧载元件上产生分离力。

5.根据权利要求1所述的悬架组件，其中所述主动修整机构配置成，基于所述簧载元件的静态载荷和所述簧载元件的动态载荷中的至少一种的变化，移动所述负刚度元件的多个枢轴点以获得所述负刚度元件的修整位置。

6.根据权利要求1所述的悬架组件，其中所述主动修整机构包括至少一个致动器，其被配置为移动所述负刚度元件的枢轴点以获得所述负刚度元件的修整位置。

7.根据权利要求6所述的悬架组件，其中所述至少一个致动器包括液压线性致动器。

8.根据权利要求6所述的悬架组件，其中所述至少一个致动器包括电动线性致动器。

9.根据权利要求6所述的悬架组件，其中所述至少一个致动器包括旋转致动器。

10.根据权利要求5所述的悬架组件，其中所述主动修整机构包括至少一个传感器装置，其被配置成确定所述簧载元件的静态载荷和所述簧载元件的动态载荷。