CN107433833A - 一种开关式主动横向稳定杆装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关式主动横向稳定杆装置及其控制方法，所采用的主动横向杆主要包括左右谐波齿轮减速机构、左右稳定半杆及与悬架的连接臂、左右电磁离合器、电子控制单元及双输出轴直流电机等组成。在车辆转向时，电子控制单元给电磁离合器通电使其结合，主动横向稳定杆处于“ON”状态，实现对车辆侧倾的主动控制，避免车辆侧翻的发生。当车辆直线行驶时，电子控制单元给电磁离合器断电使其断开，主动横向稳定杆处于“OFF”状态，降低系统能耗，在车辆一侧车轮突遇不平路面时，由于左右稳定半杆的相互断开，使一侧车轮的跳动对另一侧车轮无干扰，改善了车辆的乘坐舒适性。

Description

一种开关式主动横向稳定杆装置及其控制方法

技术领域

本发明属于车辆主动侧倾控制技术领域，具体涉及一种开关式主动横向稳定杆装置及其控制方法。

背景技术

车辆上一般采用刚度较小的悬架弹簧来缓和路面冲击，以便获得较好的乘坐舒适性。而悬架弹簧的刚度过小会造成车辆转向时过大的侧倾角，影响车辆的行驶安全性。针对这一问题，一般采取在车辆的前悬架或前后悬架均安装横向稳定杆。它的主要作用是在汽车转向或者行驶在颠簸路面时，两侧悬架弹簧变形量不同，横向稳定杆产生扭转变形，从而形成控制车辆侧倾的反力矩，起到阻碍车辆侧倾的目的。由于横向稳定杆的扭转刚度值在设计时就被确定为某一定值，无法解决车辆处于复杂多变行驶工况下的车辆侧翻控制问题，而一种能根据车辆不同的行驶工况，主动调整车辆侧倾角刚度的主动横向稳定杆已成为各大厂商与研究机构研究的热点。目前在LANDROVER(路虎)览胜、宝马七系等少数高级车辆上采用是液压式主动横向稳定杆系统，考虑到液压控制式与电子控制式的主动横向稳定杆相比，存在响应速度慢、结构复杂、成本高、维修与改装麻烦等缺点，故电动主动横向稳定杆装置具有更好的发展前景。通过查询国内相关方面的专利发现，国内的少数高校也已经开发一些电子控制式的主动横向稳定杆装置。

中国专利ZL 201410066521.7公开的一种车用主动横向稳定杆，设计的电子控制式的主动横向稳定杆的执行机构均由左右两套相同的电机与行星齿轮减速机构组成，稳定杆从中间断开，分为左右各半段。电子控制单元根据车辆的侧倾情况，对电机的输出力矩与转动方向进行控制，通过行星齿轮机构实现对车辆的侧倾控制。但由于该种主动横向稳定杆中的减速机构采用两级式行星齿轮传动，存在机构复杂、传动效率低等问题。而且车辆直线行驶时，该主动横向稳定杆起到被动横向稳定杆的作用，一旦一侧车轮遇不平路面发生跳动时，对另一侧车轮产生较大干扰，导致车辆的乘坐舒适性变差。

中国专利ZL 201310630029.3公开了电控刚度可调式主动横向稳定装置，设计的电动主动横向稳定杆的执行机构采用一套直流电机与蜗轮蜗杆减速机构，稳定杆从中间断开，分为左右各半段。电子控制单元根据车辆的侧倾情况，对电机的输出力矩与转动方向进行控制，通过蜗轮蜗杆减速齿轮机构产生反侧倾力矩实现对车辆的侧倾控制。但存在经过电机与齿轮减速机构输出到左右稳定半杆的力矩大小不等，无法通过对电机输出力矩的控制来实现对车辆反侧倾力矩大小的精确控制。更为重要的是，国内目前现有的专利只侧重于从机械设计角度对车辆侧倾进行主动控制，缺少与设计的机械结构对应的控制方法，没有同时综合考虑在其它常见工况(直线行驶)下采用主动横向稳定杆实现对车辆的乘坐舒适性控制。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，现提供一种开关式主动横向稳定杆装置及其控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种开关式主动横向稳定杆装置，其创新点在于：包括壳体，左、右谐波齿轮机构，左、右稳定半杆，左、右电磁离合器，双输出轴直流电机，电子控制单元和悬架连接臂，所述左、右谐波齿轮机构通过左、右电磁离合器与双输出轴直流电机的两端进行固定连接，所述左、右稳定半杆固定安装在左、右谐波齿轮机构的外端部，所述左、右稳定半杆的另一端与悬架连接臂进行固定连接，所述左、右谐波齿轮机构，左、右电磁离合器和双输出轴直流电机均固定安装在壳体的内端部，所述电子控制单元与左、右电磁离合器和双输出轴直流电机进行电连接。

进一步的，所述左谐波齿轮机构与右谐波齿轮机构结构完全一致，所述左谐波齿轮机构由波形发生器、柔轮和钢轮组成，所述柔轮固定安装在波形发生器的两端部，所述钢轮与柔轮进行传动连接，所述钢轮与左稳定半杆的一端通过外花键进行固定连接。

进一步的，所述左电磁离合器与右电磁离合器结构完全一致，所述左电磁离合器包括主动盘和从动盘，所述主动盘与从动盘传动连接而成，所述波形发生器与从动盘进行固定连接，所述主动盘与双输出轴直流电机进行固定连接。

进一步的，所述左、右稳定半杆与壳体之间还安装有左、右支承构件，所述左支承构件与右支承构件结构完全一致，所述左稳定半杆与右稳定半杆结构完全一致，所述左稳定半杆通过左支承构件与壳体进行连接，所述右稳定半杆通过右支承构件与壳体进行连接。

进一步的，所述双输出轴直流电机包括电机输出轴、定子和转子，所述转子固定安装在电机输出轴的外端部，所述定子包覆在转子的外端部。

本发明的另一个目的是公开一种开关式主动横向稳定杆装置的控制方法，其创新点在于：电子控制单元根据转向盘转角与侧向加速度传感器信号确定车辆的行驶状况，电子控制单元通过车辆的行驶状况，进行对电磁离合器的控制。

进一步的，所述方法为：当车辆处于直线行驶时，电子控制单元通过对两侧的电磁离合器断电使其处于“OFF”状态；

进一步的，所述方法为：当车辆处于转向行驶时，电子控制单元通过对两侧电磁离合器通电使其处于“ON”状态，电子控制单元根据侧向加速度信号计算出车辆的目标侧倾角，将车辆的目标侧倾角与实际侧倾角的差值送入电子控制单元进行运算控制，得到控制电机所需输出力矩对应的电流，从而实现对车辆侧倾的主动控制，防止车辆的侧翻。

进一步的，所述方法还包括：当电子控制单元或者电机出现故障时，电子控制单元处于不工作状态，此时电磁离合器也处于断开状态，双输出轴电机不工作，车辆在功能上等同于没有安装横向稳定杆，不影响车辆的正常行驶功能。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明的控制方法能根据车辆的实际运行状况，自动采用“ON”与“OFF”开关切换方式，实现车辆转向侧倾时的主动控制，车辆直线行驶时的乘坐舒适性控制，提高了车辆行驶的安全性与舒适性；同时当电子控制单元出现故障时,电子控制单元对电磁离合器与电机均不供电，车辆在功能上等同于没有安装横向稳定杆，不影响车辆的正常行驶功能。

(2)本发明实现了车辆转向侧倾的主动控制，防止车辆侧翻的发生；同时解决了车辆直线行驶时，当一侧车轮遇不平路面发生跳动，对另一侧车轮产生较大干扰，造成车辆乘坐舒适性变差的问题，有效解决了车辆采用被动横向稳定杆装置存在安全性与舒适性的矛盾。

附图说明

图1为本发明中采用的开关式主动横向稳定杆装置的结构示意图；

图2是本发明中车辆切换控制流程图；

图3是本发明的实际侧向加速度与理想侧倾角特性图；

图4是本发明在车辆转向侧倾时的控制原理图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

一种开关式主动横向稳定杆装置，包括壳体，左、右谐波齿轮机构，左、右稳定半杆，左、右电磁离合器，双输出轴直流电机，电子控制单元和悬架连接臂，左、右谐波齿轮机构通过左、右电磁离合器与双输出轴直流电机的两端进行固定连接，左、右稳定半杆固定安装在左、右谐波齿轮机构的外端部，左、右稳定半杆的另一端与悬架连接臂进行固定连接，左、右谐波齿轮机构，左、右电磁离合器和双输出轴直流电机均固定安装在壳体8的内端部，电子控制单元与左、右电磁离合器和双输出轴直流电机进行电连接。

左谐波齿轮机构与右谐波齿轮机构结构完全一致，左谐波齿轮机构由波形发生器2、柔轮3和钢轮4组成，柔轮3固定安装在波形发生器2的两端部，钢轮4与柔轮3进行传动连接，钢轮4与左稳定半杆1的一端通过外花键进行固定连接。

左电磁离合器与右电磁离合器结构完全一致，左电磁离合器包括主动盘12和从动盘11，主动盘12与从动盘11传动连接而成，波形发生器2与从动盘11进行固定连接，主动盘12与双输出轴直流电机进行固定连接。

左、右稳定半杆与壳体8之间还安装有左、右支承构件，左支承构件与右支承构件结构完全一致，左稳定半杆与右稳定半杆结构完全一致，左稳定半杆通过左支承构件与壳体8进行连接，右稳定半杆1’通过右支承构件9’与壳体8进行连接。

双输出轴直流电机包括电机输出轴5、定子7和转子6，转子6 固定安装在电机输出轴5的外端部，定子7包覆在转子6的外端部。

参图1所示，本实施例中的开关式主动横向稳定杆装置主要由左右谐波齿轮减速机构、左右稳定半杆及与悬架的连接臂、左右电磁离合器、电子控制单元及双输出轴直流电机等组成。左稳定半杆1一端通过左扭杆连接臂10与悬架下摆臂采用螺栓连接，另一端通过外花键与左谐波齿轮中的刚轮连接，左稳定半杆1通过左支承构件9支撑于主动横向稳定杆的壳体8中。左谐波齿轮机构中波发生器2与左电磁离合器的从动盘11连接，左谐波齿轮机构中的柔轮3固定在壳体 8中。双输出轴电机的一端与左电磁离合器的主动盘12连接，双输出轴电机的另一端与右电磁离合器的主动盘12’连接。右电磁离合器的从动盘11’与右谐波齿轮机构中的波发生器2’连接，右谐波齿轮机构中的刚轮4’固定在壳体8中，右谐波齿轮机构中的柔轮3’通过内花键与右稳定半杆1’连接，右稳定半杆1’一端通过右扭杆连接臂10’与悬架下摆臂采用螺栓连接，右稳定半杆杆1’通过右支承构件9’支撑于主动横向稳定杆的壳体8中。电子控制单元与左右电磁离合器及双输出轴电机连接，用于控制左右电磁离合器的结合与分离及电机的输出力矩。当主动横向稳定杆处于“ON”状态时，电子控制单元对电磁离合器及双输出轴电机进行通电，电机输出轴转动，在左、右两侧的谐波齿轮传动中，波发生器均为主动件，其中左侧的柔轮为固定件，刚轮为从动件；右侧的刚轮为固定件，柔轮为从动件；

设z₄，z₃，z₄′，z₃′分别为左、右刚轮与柔轮齿数，且取z₄＝z₃+n， z₄′＝z₃′+n(n为刚轮与柔轮的齿数差，取值为任意自然数)。

则左侧的谐波齿轮传动比

右侧的谐波齿轮传动比

选取z′₃＝z₄，此时i_h＝-i′_h，即左、右谐波齿轮的传动比大小相等，传动方向相反。此时，左、右稳定半杆产生相对扭转力矩，形成反侧倾力矩来控制车辆的侧倾。

参图2所示，本实施例中的主动横向稳定杆装置根据起作用的条件不同，将车辆的行驶工况分为转向行驶下的侧倾控制与直线行驶时的乘坐舒适性控制。车辆的转向与直线行驶一般可以通过转向盘转角传感器检测转向盘转角是否为零来进行区分。但为排除在原地转向时，车辆没有出现侧倾无需进行侧倾控制的情况，将侧向加速度a_y作为判断车辆转向侧倾的另一个重要参数，故当a_y*δ≠0时，车辆处于转向侧倾工况，电子控制单元对两侧的电磁离合器11与11’及电机通电，主动横向稳定杆处于“ON”状态，进行车辆侧倾主动控制；当a_y*δ＝0时，车辆处于直线行驶工况，电子控制单元对两侧的电磁离合器11与11’断电，此时电子控制单元对电机通电使其工作在怠速状态来保证主动侧倾控制时的灵敏性及延长电机的使用寿命，此时主动横向稳定杆处于“OFF”状态，实现了左右稳定半杆的断开，减小了主动横向稳定杆的刚度，在车辆一侧车轮突遇不平路面发生跳动时，对另一侧车轮的跳动无干扰，明显提高了车辆的乘坐舒适性。当电子控制单元出现故障时,电子控制单元对电磁离合器与电机均不供电，车辆在功能上等同于没有安装横向稳定杆，不影响车辆的正常行驶功能。

参图3所示，本发明在车辆转向行驶时，当车辆的行驶速度、转向盘转角或转向盘转角速度增加时，车辆的侧向加速度也会相应增加。为了让驾驶员感知车辆的侧倾随侧向加速度的变化情况，理想的车辆侧倾角应与车辆的侧向加速度满足如图3所示的关系，图中仅给出侧向加速度为正值时的部分区域，阴影区域为正常车辆侧倾角—侧向加速度变化的合理范围，其中曲线ABC段表示理想的侧倾角-侧向加速度曲线。为了让驾驶员感知车辆的侧倾随侧向加速度的变化符合驾驶员感知规律，以便驾驶员通过采取减速等方法减小车辆进一步的侧倾，从而防止车辆侧翻的发生，车辆的侧向加速度与理想侧倾角间的变化关系应具有如图3中的AB段所示的符合驾驶员感知规律的线性特性。

随侧向加速度的增加，当侧向加速度大于8m/s²时，为防止车辆的侧翻，理想侧倾角增加到4°时应不再变化，如图中的BC段所示。同时考虑到，当侧向加速度较小时，为防止车辆的微小侧倾引起驾驶员的紧张疲劳，故此时理想侧倾角应为零，如图中的0A段所示。整个理想曲线用分段函数表示如下：

式(1)中，a_y单位为m/s²，φ_ref单位为deg，φ_ref与a_y的函数为分段函数，一般无法直接用于控制，需要对侧向加速度与理想侧倾角的关系曲线进行拟合处理，得出两者间的拟合函数。

参图4所示，本发明在车辆转向侧倾时，选择车辆侧倾角作为控制参数进行PID控制时，车辆通过对侧向加速度传感器的采样并经计算得到车辆的理想侧倾角，并与车辆的实际侧倾角做差，作为PID控制器输入参数控制电机的输出力矩，使得主动横向稳定杆产生控制车辆侧倾的反侧倾力矩。车辆继续通过传感器采样计算车辆的实际侧倾角作为下一个循环的控制输入，构成一个闭环反馈控制器，实现对车辆侧倾的主动控制。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (9)

1.一种开关式主动横向稳定杆装置，其特征在于：包括壳体，左、右谐波齿轮机构，左、右稳定半杆，左、右电磁离合器，双输出轴直流电机，电子控制单元和悬架连接臂，所述左、右谐波齿轮机构通过左、右电磁离合器与双输出轴直流电机的两端进行固定连接，所述左、右稳定半杆固定安装在左、右谐波齿轮机构的外端部，所述左、右稳定半杆的另一端与悬架连接臂进行固定连接，所述左、右谐波齿轮机构，左、右电磁离合器和双输出轴直流电机均固定安装在壳体的内端部，所述电子控制单元与左、右电磁离合器和双输出轴直流电机进行电连接。

2.根据权利要求1所述的一种开关式主动横向稳定杆装置，其特征在于：所述左谐波齿轮机构与右谐波齿轮机构结构完全一致，所述左谐波齿轮机构由波形发生器、柔轮和钢轮组成，所述柔轮固定安装在波形发生器的两端部，所述钢轮与柔轮进行传动连接，所述钢轮与左稳定半杆的一端通过外花键进行固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种开关式主动横向稳定杆装置，其特征在于：所述左电磁离合器与右电磁离合器结构完全一致，所述左电磁离合器包括主动盘和从动盘，所述主动盘与从动盘传动连接而成，所述波形发生器与从动盘进行固定连接，所述主动盘与双输出轴直流电机进行固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种开关式主动横向稳定杆装置，其特征在于：所述左、右稳定半杆与壳体之间还安装有左、右支承构件，所述左支承构件与右支承构件结构完全一致，所述左稳定半杆与右稳定半杆结构完全一致，所述左稳定半杆通过左支承构件与壳体进行连接，所述右稳定半杆通过右支承构件与壳体进行连接。

5.根据权利要求1所述的一种开关式主动横向稳定杆装置，其特征在于：所述双输出轴直流电机包括电机输出轴、定子和转子，所述转子固定安装在电机输出轴的外端部，所述定子包覆在转子的外端部。

6.一种如权利要求1所述的开关式主动横向稳定杆装置的控制方法，其特征在于：电子控制单元根据转向盘转角与侧向加速度传感器信号确定车辆的行驶状况，电子控制单元通过车辆的行驶状况，进行对电磁离合器的控制。

7.根据权利要求6所述的一种开关式主动横向稳定杆装置的控制方法，其特征在于：所述方法为：当车辆处于直线行驶时，电子控制单元通过对两侧的电磁离合器断电使其处于“OFF”状态。

8.根据权利要求6所述的一种开关式主动横向稳定杆装置的控制方法，其特征在于：所述方法为：当车辆处于转向行驶时，电子控制单元通过对两侧电磁离合器通电使其处于“ON”状态，电子控制单元根据侧向加速度信号计算出车辆的目标侧倾角，将车辆的目标侧倾角与实际侧倾角的差值送入电子控制单元进行运算控制，得到控制电机所需输出力矩对应的电流，从而实现对车辆侧倾的主动控制，防止车辆的侧翻。

9.根据权利要求6所述的一种开关式主动横向稳定杆装置的控制方法，其特征在于：所述方法还包括：当电子控制单元或者电机出现故障时，电子控制单元处于不工作状态，此时电磁离合器也处于断开状态，双输出轴电机不工作，车辆在功能上等同于没有安装横向稳定杆，不影响车辆的正常行驶功能。