CN108081894A - 汽车悬架系统、其控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽车悬架系统、其控制系统及控制方法，属于汽车悬架技术领域。汽车悬架系统包括下摆臂、减振器装配组件、上摆臂和车轮装配组件；该悬架系统能够根据传感器采集信号对悬架弹簧等效刚度做出调整，充分兼顾汽车操纵稳定性和行驶平顺性；以及对汽车底盘高度做出适当调整，改善汽车行驶通过性；该悬架系统的旋转式步进电机还具有类似于主动悬架系统中力发生器的作用，旋转式步进电机通过正转或反转可以为悬架系统提供抵消车轮冲击的反作用力，由于限位螺母与活塞杆螺纹构成丝杠螺母结构，具有自锁的功能，所以只有在旋转式步进电机正转或反转时才会消耗电能，所以该悬架系统要比主动悬架系统节能很多。

Description

汽车悬架系统、其控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于汽车悬架技术领域，具体涉及一种汽车悬架系统、其控制系统 及控制方法。

背景技术

汽车悬架是车桥(或车轮)与车架(或承载式车身)之间一切的传力连接装置的 总称，其作用在于传递作用于车轮和车架之间的力和扭矩，汽车悬架系统一般 包括由弹簧等组成的减振器组件，依靠减振器中的弹簧缓冲并吸收由于不平路 面传给车架或车身的冲击及振动，来保证汽车平顺行驶。汽车悬架是保证乘坐 舒适性的重要部件，同时，又是保证汽车行驶安全的重要部件。

目前为保证汽车行驶的平顺性和操纵稳定性，研究较多的是半主动独立悬 架，被动悬架只能够在行驶平顺性与操纵性之间选一个折中方案。主动悬架具 有非常好的动力学特性，但是因为能耗大而很少应用于普通乘用车，同时除了 主动悬架和空气悬架外，一般的被动悬架及半主动悬架基本上不具有抬升汽车 底盘高度来提高汽车通过性的能力。

现有技术的汽车悬架系统中，减振器组件大多刚度不可变，由此带来行驶 平顺性和乘坐舒适性差等问题。为此，部分刚度可变的汽车悬架系统被发明出 来，它们之中，减振器组件有的是采用不等截面和不同回旋半径的弹簧，有的 是通过电磁馈能实现刚度可变的，其不足这处在于，或制作难度大，刚度低的 和刚度高的地方容易疲劳断裂等毛病，或结构复杂，安装、制造、维修、保养 成本较高等，需要加以改进。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种通过改变减振器组件的弹簧刚度来 匹配不同行驶工况对操纵性和平顺性的要求，同时具有改变汽车底盘高度改善 汽车在恶劣路况下的行驶通过性，以及在汽车发生碰撞过程中减少车内人员伤 害的汽车悬架系统。

本发明的技术方案是：

一种汽车悬架系统，包括下摆臂、减振器组件、上摆臂和车轮装配组件， 其特征在于：

所述减振器组件包括旋转式步进电机、带有螺纹的减振器活塞杆、推向圆 锥滚子轴承、第二减振器副簧、限位螺母、第一减振器副簧、减振器底座、减 振器主簧、安装于减振器活塞杆上并相对于电机另一侧的螺母，所述减振器活 塞杆与旋转式步进电机的输出轴相连接，推向圆锥滚子轴承安装于减振器活塞 杆轴承座内，第二减振器副簧安装在减震器活塞杆螺纹与推向圆锥滚子轴承之 间，限位螺母装配于减震器活塞杆螺纹上，第一减振器副簧装与限位螺母下端， 使得限位螺母处于第一减振器副簧与第二减振器副簧之间，减震器活塞杆装配 于减振器底座中，减振器主簧安装于推向圆锥滚子轴承与另一侧螺母间，所述 旋转式步进电机与车架铰接，减振器底座与车轮装配组件铰接。

本发明的技术方案中，当旋转式步进电机正向旋转或反向旋转使得限位螺母 上升或下降，使得第一减振器副簧有不同的预紧度，当限位螺母处于减振器活 塞杆螺纹位置或螺纹下段时，第一减振器副簧与减震器主簧为并联，此时减振 器弹簧等效刚度较大；当限位螺母处于减振器活塞杆上段时，第一减振器副簧 与第二减振器副簧串联后再与减振器主簧并联，此时减振器弹簧等效刚度较小； 限位螺母所处的位置不同，实现减振器弹簧具有不同的等效刚度，以此来满足 汽车在不同工况对悬架弹簧不同刚度的要求。

本发明的目的还在于提供应用上述悬架系统的控制系统及控制方法。

其解决技术方案是：

汽车悬架系统的控制系统，包括电源、车辆行驶及周围环境信息采集装置、 电子控制单元ECU、优先级仲裁ECU，旋转式步进电机，所述车辆行驶及周围环 境信息采集装置可以包括车载摄像机、红外传感器、超声波雷达、车速传感器、 车身振动传感器、车身侧倾及前倾传感器中的一种或多种，信息采集装置的信 号输出端连接电子控制单元ECU的信号输入端，电子控制单元ECU的的信号输 出端连接优先级仲裁ECU的信号输入端，优先级仲裁ECU的信号输出端输出的 执行信号连接旋转式步进电机。

上述优先级仲裁ECU还包含有手动抬升信号输入端。

通过车载摄像机、红外传感器、超声波雷达、车速传感器、车身振动传感 器、车身侧倾及前倾传感器采集车辆行驶及周围环境信息给电子控制单元ECU， 经过电子控制单元ECU运算之后发送给优先级仲裁ECU，仲裁ECU依据信号的优 先级将执行信号送达旋转式步进电机，通过电机正转或反转实现抬升或降低汽 车底盘高度及改变悬架的等效刚度。其中，旋转式步进电机的动力来源于车载 蓄电池。

汽车悬架系统的控制方法，包括以下三个模式：碰撞安全模式，主动巡航 模式，手动输入模式；

所述碰撞安全模式不可关闭为完全开启模式，通过信息采集装置采集的信 息给碰撞模块ECU，碰撞模块ECU对各传感器的数据进行处理并给出发生碰撞的 概率，若碰撞概率大于预先设定的危险阈值(时，优先级仲裁模块ECU向旋转 式步进电机发出底盘抬升至最高的指令，当危险解除后延迟预先设定的一段时 间后，给出复原指令，汽车底盘恢复至抬升前设定的高度，该模式的优先级为 最高；

主动巡航模式，可选择关闭或开启该，当该模式开启后，通过息采集装置 采集的信息给巡航模块ECU，巡航模块ECU对所述传感器的数据进行处理并判断 当前车辆行驶路况；

当判断车辆低速行驶在颠簸路面时，旋转式步进电机旋转使限位螺母处于 减振器活塞杆螺纹上段，使得第一减振器副簧与第二减振器副簧串联再与减振 器主簧并联，此时减振器弹簧等效刚度最小，也就是悬架处于最软状态，提高 乘坐舒适性。当车辆驶离该路况时恢复至原悬架设定刚度，该悬架刚度调节指 令优先级低于碰撞安全模式抬升指令；

当巡航模块ECU依据所述传感器数据判定车辆正行驶在平直良好路面上， 该模块对当前行驶车速进行速度等级划分，并发送给优先级仲裁模块ECU。优先 级仲裁模块ECU仅对高速等级适当地增加悬架弹簧等效刚度提高操控稳定性， 当车辆不满足该路况条件时恢复至原悬架设定刚度，该悬架刚度调节指令优先 级低于碰撞安全模式抬升指令；

当巡航模块ECU依据所述传感器数据判定车辆正在过弯道，该模块对当前 过弯车速进行过弯速度等级划分，并将划分后的过弯速度等级发送给优先级仲 裁模块ECU。优先级仲裁模块ECU仅对高速过弯等级适当地增加悬架弹簧等效刚 度提高过弯稳定性，当车辆不满足该路况条件时恢复至原悬架设定刚度，该悬 架刚度调节指令优先级低于碰撞安全模式抬升指令；

手动输入模式，该模式只有在主动巡航模式关闭时才生效，在该模式下驾 驶员按照自己的喜好来选择抬升或降低汽车底盘高度或设定悬架软硬度，该模 式下设有一键恢复至原厂预设的底盘高度与悬架弹簧等效刚度，该模式的执行 优先级最低。

以下以附表的形式进一步直观地描述了上述控制方法。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明具有简单的结构设计，在汽 车上布置容易，可移植性优良；本发明实现悬架弹簧等效刚度可调，充放兼顾 了操纵稳定性和行驶平顺性；本发明中增加的电机与车架相连没有增加非簧载 质量，兼顾了汽车的舒适性；该减振器组件在尺寸上与原减振器并无太大差别， 不改变原来悬架的任何装配参数及定位参数，保证了悬架原有的操控稳定性； 由于限位螺母与活塞杆螺纹构成丝杠螺母结构，具有自锁的功能，所以只有在 旋转式步进电机正转或反转时才会消耗电能，所以该悬架系统能够实现主动悬 架的部分功能，同时比主动悬架系统更节能。本发明不需要额外增加举伸机构 及设备，而是利用减震器总成将汽车底盘抬高；本发明应用该悬架抬升底盘的汽车安全控制系统和方法利用可伸缩下摆臂的杠杆放大原理能够实现大幅度抬 高汽车底盘，减少车上人员碰撞伤害。所述悬架系统的旋转式步进电机还具有 类似于主动悬架系统中力发生器的作用，旋转式步进电机通过正转或反转可以 为悬架系统提供抵消车轮冲击的反作用力，由于限位螺母与活塞杆螺纹构成丝 杠螺母结构，具有自锁的功能，所以只有在旋转式步进电机正转或反转时才会 消耗电能，所以该悬架系统要比主动悬架系统节能。

附图说明

图1是四分之一悬架总成示意图；

图2是减振器组件装配图；

图3是旋转式步进电机主视图；

图4是减振器活塞杆主视图；

图5是减振器底座主视图；

图6是控制逻辑流程图；

附表是运行模式分类表；

图7是横臂式悬架总成图

图8是横臂式悬架二等轴视图

图中：1、减振器装配组件；2、上摆臂；3、车轮装配组件；4、下摆臂； 101、旋转式步进电机；102、轴销；103、推向圆锥滚子轴承；104、减振器主 簧；105、第二减振器副簧；106、限位螺母；107、第一减振器副簧；108、螺 母；109、减振器底座；110、减振器活塞杆；1011、电机铰接孔；1012、电机 轴孔；1101、六边形轴孔；1102、活塞杆轴孔；1103、活塞杆螺纹；1104、活 塞杆螺纹上段；1105、活塞杆螺纹下段；1091、减振器底座螺纹；1092、减振 器底座铰接孔。

具体实施方式

实施例一：

本发明提供一种通过改变弹簧刚度来匹配不同行驶工况对操纵性和平顺性 的要求，同时具有改变汽车底盘高度改善汽车在恶劣路况下的行驶通过性，以 及在汽车发生碰撞过程中减少车内人员伤害的独立悬架及应用该悬架抬升底盘 的汽车安全控制系统和方法，以双纵臂独立悬架为例结合附图具体实施方式详 细讲述该悬架系统结构、功能及控制流程。

本发明的技术方案是：一种独立悬架，包括减振器装配组件(1)、上摆臂 (2)和车轮装配组件(3)、下摆臂(4)；

所述减振器装配组件(1)如图2包括，旋转式步进电机(101)的六边形轴 装配到减振器活塞杆(110)的六边形轴孔(1101)中，轴销(102)装配到两 者配合的电机轴孔(1012)中完成轴孔装配；推向圆锥滚子轴承(103)装于减 振器活塞杆轴承做内，第二减振器副簧(105)装在减震器活塞杆螺纹(1103) 与推向圆锥滚子轴承之间，限位螺母(106)装配于减震器活塞杆螺纹(1103) 上，第一减振器副簧(107)装与限位螺母下端，使得限位螺母处于第一减振器 副簧与第二减振器副簧之间，减震器活塞杆装配于减振器底座(109)中，减振器主簧(104)从减振器底座端装入与推向圆锥滚子轴承完成配合，两个螺母(108) 拧于减振器底座螺纹(1091)上，对减振器副簧起到限位作用，到此减振器装 配组件完成装配。

所述减振器装配组件的电机铰接孔(1011)与车架铰接，减振器底座铰接孔(1092)与车轮装配组件(3)铰接，完成本发明悬架系统的装配。

所述悬架系统如图1所示，旋转式步进电机(101)正向旋转或反向旋转使 得限位螺母(106)上升或下降，使得第一减振器副簧(104)有不同的预紧度， 当限位螺母处于减振器活塞杆螺纹位置(1103)或螺纹下段(1105)时，第一 减振器副簧与减震器主簧为并联，此时减振器弹簧等效刚度较大；当限位螺母 处于减振器活塞杆上段(1104)时，第一减振器副簧与第二减振器副簧串联后 再与减振器主簧并联，此时减振器弹簧等效刚度较小；限位螺母所处的位置不 同，实现减振器弹簧具有不同的等效刚度，以此来满足汽车在不同工况对悬架 弹簧不同刚度的要求。

所述悬架系统特征在于，如图6控制逻辑流程图所示，通过车载摄像机、红 外传感器、超声波雷达、车速传感器、车身振动传感器、车身侧倾及前倾传感 器采集车辆行驶及周围环境信息给电子控制单元ECU，经过电子控制单元ECU运 算之后发送给优先级仲裁ECU，仲裁ECU依据信号的优先级将执行信号送达旋转 式步进电机，通过电机正转或反转实现抬升或降低汽车底盘高度及改变悬架的 等效刚度。其中，旋转式步进电机的动力来源于车载蓄电池。

如附表、图6所示，所述悬架控制系统模式一为碰撞安全模式，该模式不 可关闭为完全开启模式，通过车载摄像机、超声波雷达、车速传感器和红外传 感器采集汽车周围环境信息给碰撞模块ECU，碰撞模块ECU对四种传感器的数据 进行处理并给出发生碰撞的概率，若碰撞概率大于危险阈值(如5％)时优先级 仲裁模块ECU向旋转式步进电机发出底盘抬升至最高的指令，当危险解除后延 迟一段时间(如5s)汽车底盘恢复至抬升前设定的高度，该模式的优先级为最 高。

所述独立悬架控制系统模式二为主动巡航模式，可以按照驾驶员的喜好来 选择关闭或开启该模式，如果开启该模式，通过车载摄像机、车速传感器、车 身振动传感器、车身侧倾及前倾传感器采集行驶路况信息给巡航模块ECU，巡航 模块ECU对所述传感器的数据进行处理并判断当前车辆行驶路况。

路况一：巡航模块ECU依据所述传感器采集数据判断车辆低速行驶在颠簸 路面时，旋转式步进电机正转让限位螺母(106)处于减振器活塞杆螺纹上段 (1105)，使得第一减振器副簧与第二减振器副簧串联再与减振器主簧并联，此 时减振器弹簧等效刚度最小，也就是悬架处于最软状态，提高乘坐舒适性。当 车辆驶离该路况时恢复至原悬架设定刚度，该悬架刚度调节指令优先级低于碰 撞安全模式抬升指令；

路况二：巡航模块ECU依据所述传感器数据判定车辆正行驶在平直良好路 面上，该模块对当前行驶车速进行划分(小于等于90Km/h为低速，大于90Km/h 为高速)，低速、高速对应2.1与2.2速度等级，并将划分后的速度等级发送给 优先级仲裁模块ECU。优先级仲裁模块ECU仅对高速等级适当地增加悬架弹簧等 效刚度提高操控稳定性，当车辆不满足该路况条件时恢复至原悬架设定刚度， 该悬架刚度调节指令优先级低于碰撞安全模式抬升指令；

路况三：巡航模块ECU依据所述传感器数据判定车辆正在过弯道，该模块 对当前过弯车速进行划分(小于等于60Km/h为低速，大于60Km/h为高速)，低 速、高速对应3.1与3.2过弯速度等级，并将划分后的过弯速度等级发送给优 先级仲裁模块ECU。优先级仲裁模块ECU仅对高速过弯等级适当地增加悬架弹簧 等效刚度提高过弯稳定性，当车辆不满足该路况条件时恢复至原悬架设定刚度， 该悬架刚度调节指令优先级低于碰撞安全模式抬升指令；

所述独立悬架控制系统模式三为手动输入模式，该模式只有在模式二主动 巡航模式关闭时才生效，在该模式下驾驶员按照自己的喜好来选择抬升或降低 汽车底盘高度或设定悬架软硬度，该模式下设有一键恢复至原厂预设的底盘高 度与悬架弹簧等效刚度，该模式的执行优先级最低。

所述悬架系统的旋转式步进电机还具有类似于主动悬架系统中力发生器的 作用，旋转式步进电机通过正转或反转可以为悬架系统提供抵消车轮冲击的反 作用力，由于限位螺母与活塞杆螺纹构成丝杠螺母结构，具有自锁的功能，所 以只有在旋转式步进电机正转或反转时才会消耗电能，所以该悬架系统要比主 动悬架系统节能。

实施例二：

将本发明所述减振器组件运用于横臂式独立悬架中，装配样式如图7和图8 所示，减振器组件下端铰接孔与横臂悬架下摆臂连接，减振器组件上端铰接孔 与车架连接，本发明的减振器组件还可以应用于多连杆式独立悬架、麦弗逊独 立悬架等独立悬架之中，文中只是以纵臂式独立悬架和横臂式独立悬架为实施 案例来详细说明其工作原理及控制方法。

应当理解，虽然本说明书是按照实施例描述的，这种叙述方式仅仅是为清楚 起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可 以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体 说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的 等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种汽车悬架系统，包括下摆臂、减振器组件、上摆臂和车轮装配组件，其特征在于：

所述减振器组件包括旋转式步进电机、带有螺纹的减振器活塞杆、推向圆锥滚子轴承、第二减振器副簧、限位螺母、第一减振器副簧、减振器底座、减振器主簧、安装于减振器活塞杆上并相对于电机另一侧的螺母，所述减振器活塞杆与旋转式步进电机的输出轴相连接，推向圆锥滚子轴承安装于减振器活塞杆轴承座内，第二减振器副簧安装在减震器活塞杆螺纹与推向圆锥滚子轴承之间，限位螺母装配于减震器活塞杆螺纹上，第一减振器副簧装与限位螺母下端，使得限位螺母处于第一减振器副簧与第二减振器副簧之间，减震器活塞杆装配于减振器底座中，减振器主簧安装于推向圆锥滚子轴承与另一侧螺母间，所述旋转式步进电机与车架铰接，减振器底座与车轮装配组件铰接。

2.应用上述汽车悬架系统的控制系统，其特征在于：包括电源、车辆行驶及周围环境信息采集装置、电子控制单元ECU、优先级仲裁ECU，旋转式步进电机，信息采集装置的信号输出端连接电子控制单元ECU的信号输入端，电子控制单元ECU的的信号输出端连接优先级仲裁ECU的信号输入端，优先级仲裁ECU的信号输出端输出的执行信号连接旋转式步进电机。

3.根据权利要求2所述的应用上述悬架系统的控制系统，其特征在于：所述车辆行驶及周围环境信息采集装置可以包括车载摄像机、红外传感器、超声波雷达、车速传感器、车身振动传感器、车身侧倾及前倾传感器中的一种或多种。

4.根据权利要求2所述的应用上述悬架系统的控制系统，其特征在于：上述优先级仲裁ECU还包含有手动抬升信号输入端。

5.应用上述汽车悬架系统的控制方法，其特征在于：包括以下三个模式：碰撞安全模式，主动巡航模式，手动输入模式；

所述碰撞安全模式不可关闭为完全开启模式，通过信息采集装置采集的信息给碰撞模块ECU，碰撞模块ECU对各传感器的数据进行处理并给出发生碰撞的概率，若碰撞概率大于预先设定的危险阈值时，优先级仲裁模块ECU向旋转式步进电机发出底盘抬升至最高的指令，当危险解除后延迟预先设定的一段时间后，给出复原指令，汽车底盘恢复至抬升前设定的高度，该模式的优先级为最高；

主动巡航模式，可选择关闭或开启该模式，当该模式开启后，通过信息采集装置采集的信息给巡航模块ECU，巡航模块ECU对所述传感器的数据进行处理并判断当前车辆行驶路况；

当判断车辆低速行驶在颠簸路面时，旋转式步进电机旋转使限位螺母处于减振器活塞杆螺纹上段，使得第一减振器副簧与第二减振器副簧串联再与减振器主簧并联，此时减振器弹簧等效刚度最小，也就是悬架处于最软状态，提高乘坐舒适性；当车辆驶离该路况时恢复至原悬架设定刚度，该悬架刚度调节指令优先级低于碰撞安全模式抬升指令；

当巡航模块ECU依据所述传感器数据判定车辆正行驶在平直良好路面上，该模块对当前行驶车速进行速度等级划分，并发送给优先级仲裁模块ECU，优先级仲裁模块ECU仅对高速等级适当地增加悬架弹簧等效刚度提高操控稳定性，当车辆不满足该路况条件时恢复至原悬架设定刚度，该悬架刚度调节指令优先级低于碰撞安全模式抬升指令；

当巡航模块ECU依据所述传感器数据判定车辆正在过弯道，该模块对当前过弯车速进行过弯速度等级划分，并将划分后的过弯速度等级发送给优先级仲裁模块ECU，优先级仲裁模块ECU仅对高速过弯等级适当地增加悬架弹簧等效刚度提高过弯稳定性，当车辆不满足该路况条件时恢复至原悬架设定刚度，该悬架刚度调节指令优先级低于碰撞安全模式抬升指令；

手动输入模式，该模式只有在主动巡航模式关闭时才生效，在该模式下驾驶员按照自己的喜好来选择抬升或降低汽车底盘高度或设定悬架软硬度，该模式下设有一键恢复至原厂预设的底盘高度与悬架弹簧等效刚度，该模式的执行优先级最低。