CN108327477A - 一种只调节车辆非簧载质量的装置以及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种只调节车辆非簧载质量的装置以及方法，该装置包括：设置于车辆横臂下方且用于调整车辆车身稳定性的车桥翼板、固定设置于车辆横臂处且用于驱动车桥翼板转动的车桥翼板驱动伺服电机以及设置于车辆轮胎内且用于检测车辆轮胎内胎压与温度的胎压胎温监测传感器；车桥翼板驱动伺服电机经驱动电路与车辆ECU连接；胎压胎温监测传感器经无线传输电路与车辆ECU无线匹配。获取车辆静止时初始值胎压TP0，通过胎压胎温监测传感器实时监测轮胎的胎压，得到胎压TP1；通过车辆ECU计算|TP1‑TP0|的值，并将该值和与阈值Td1进行比较，进而判断是否需要通过车桥翼板驱动伺服电机控制车桥翼板转动，进而调整车辆的非簧载质量。本发明提出的技术方案可有效地改善行驶平顺性。
Description
技术领域
本发明涉及汽车领域，特别是一种只调节车辆非簧载质量的装置以及方法。
背景技术
随着技术的进步，车辆的速度越来越高。但由于车辆的外形的原因，汽车会产生升力，导致作用在车轮上的作用力减小。车速越高，升力会越大，进一步导致作用在车轮上的作用力进一步减小，不利于汽车的操纵稳定性，严重情况下，导致车辆失去操纵。
为了减少升力对汽车操纵稳定性的不良影响，设计师往往会优化汽车外形。但这种优化产生的效果是有限的。另外，高性能的汽车、跑车或者赛车在车辆前部或尾部安装前翼板或者尾翼。这种前翼板或者尾翼的截面形状类似于飞机机翼的截面形状，但其安装方式和飞机机翼正好相反，上下表面的压力差将会产生向下作用的压力，抵消汽车外形产生的升力，增大车轮的垂直载荷，从而提高车辆的操纵稳定性。但这种前翼板或者尾翼都是采用一块整体翼板，只能同时控制前轴两个车轮，或者后轴两个车轮，不能单独控制每个车轮的垂直载荷，具有一定的局限性。而且这种前翼板或者尾翼一般都是安装在车身，即簧载质量，虽然增大了车轮的垂直载荷，同时也影响了乘坐的舒适性。即翼板产生的下压力，首先传递到车身，然后通过悬架、减振器等连接件将翼板的作用力作用到车轮上。这种力的传递路线比较长，中间损失比较大。因此往往需要几块翼板组合，才能产生所需要的下压力。
另外，汽车在高速过弯时，由于离心力的作用，使汽车位于弯道内侧的车轮的垂直载荷减小，而弯道外侧的车轮的垂直载荷增大，汽车容易出现较大的侧倾，极端情况下导致超过弯道外侧的车轮的附着极限而发生滑移的情况。但是，由于前翼板或者尾翼对于汽车左右两侧的下压力是一致的，因此不能减轻这种情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种只调节车辆非簧载质量的装置以及方法，以克服现有技术中存在的缺陷。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种只调节车辆非簧载质量的装置，提供车辆轮胎、车辆减震器以及减震弹簧，包括：设置于车辆横臂下方且用于调整车辆车身稳定性的车桥翼板、固定设置于所述车辆横臂处且用于驱动所述车桥翼板转动的车桥翼板驱动伺服电机以及设置于车辆轮胎内且用于检测车辆轮胎内胎压与温度的胎压胎温监测传感器；所述车桥翼板驱动伺服电机经驱动电路与车辆ECU连接；所述胎压胎温监测传感器与所述车辆ECU无线匹配。
在本发明一实施例中，所述车桥翼板的上端面设置有一对翼板转轴；所述车桥翼板通过所述翼板转轴与所述车辆横臂的下端铰接；其中一翼板转轴的末端还设置有一翼板齿轮组，且该翼板转轴的末端通过所述翼板齿轮组与所述车桥翼板驱动伺服电机的输出轴啮合。
在本发明一实施例中，所述翼板转轴采用螺栓。
在本发明一实施例中，所述车辆横臂的一端开设有一通孔；所述通孔的侧壁固定设置有一安装侧板；所述车桥翼板驱动伺服电机固定安装在所述安装侧板上。
在本发明一实施例中，所述传感器设置于轮胎气芯处，并安装在车辆轮毂上。
在本发明一实施例中，所述车辆ECU包括一第一单片机以及与第一单片机相连的第一无线收发电路；所述驱动电路包括伺服控制器以及PWM放大器；所述伺服控制器与所述第一单片机相连，所述PWM放大器与所述车桥翼板驱动伺服电机相连；所述车桥翼板驱动伺服电机内还设置有用于监测所述车桥翼板驱动伺服电机转速的测速电机以及用于监测车桥翼板驱动伺服电机转动角度的光电编码器，所述测速电机以及所述光电编码器分别经对应的接口电路与所述第一单片机相连。
在本发明一实施例中，所述胎压胎温监测传感器包括一第二单片机、与第二单片机相连且用于监测压力、加速度以及温度的集成式传感器、与第二单片机相连且与所述第一无线收发电路匹配的第二无线收发电路。
进一步的，还提供一种只调节车辆非簧载质量的装置的只调节车辆非簧载质量的方法，
所述胎压胎温监测传感器实时地将车辆轮胎的胎压和温度，传到所述车辆ECU上，为所述车辆ECU控制车桥翼板的攻角，提供实时数据；
当车辆静止时，胎压检测系统初始化，记录此时的胎压TP0；胎压TP0是初始值，每次发动机运行前进行记录；
车辆行驶且速度大于预设速度时，车辆产生向上的上升力，导致车轮的垂直载荷减小，从而导致纵向力和侧向力减小；通过所述胎压胎温监测传感器实时监测轮胎的胎压，得到胎压TP1；通过所述车辆ECU，计算|TP1- TP0|的值，并将该值和与阈值Td1进行比较，进而判断是否需要通过车桥翼板驱动伺服电机控制所述车桥翼板转动，进而调整车辆的非簧载质量。
在本发明一实施例中，
当|TP1- TP0|< Td1时，此时翼板攻角保持不变；
当TP1- TP0≥ Td1或TP1- TP0≤-Td1时，所述车辆ECU根据所述胎压以及温度，获取胎压差值以及轮胎温度，并计算所述车桥翼板攻角所需调整的角度值，并通过所述车桥翼板驱动伺服电机控制所述车桥翼板转动。
在本发明一实施例中，当所述胎压胎温监测传感器监测到轮胎的气压为额定值得70%时，所述车辆ECU通过与其连接的显示系统以及语音系统发出警告信息，提醒车主给轮胎充气；当轮胎内的温度超过100°，所述车辆ECU通过与其连接的显示系统以及语音系统发出警告信息，提醒车主减速并将轮胎降温。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、 本发明中的轿车前后桥均采用单横臂式独立悬架，即四个车轮均采用单横臂悬架与车桥相连接，四个车轮均可单独运动而不相互影响，悬架刚度较小，车身频率降低，改善了行驶平顺性；
2、本发明中的车桥翼板均安装在横臂上，每个车桥翼板单独调节相应的车轮，四个车轮的调节相互之间不影响，即可使每个车轮胎压维持在合理的范围之内；
3、 本发明中采用的直接式胎压胎温监测传感器，可根据车型、车主的用车习惯、地理位置自行设定胎压报警范围和温度报警范围。
附图说明
图1为本发明实施例中车桥翼板在单横臂式独立悬架中的安装位置示意图。
图2为本发明实施例中胎压胎温监测传感器在轮毂上的安装位置的示意图。
图3为图2的局部放大图。
图4为本发明实施例中控制系统控制流程图。
图5为本发明实施例中翼板伺服电机控制电路原理图。
图6为本发明实施例中单片机控制的伺服系统。
图7为本发明实施例中光电编码器与角度光栅的接口。
图8为本发明实施例中无线接收模块。
图9为本发明实施例中脉宽调制主回路。
图10为本发明实施例中脉冲发生器及脉宽调制电路。
图11为本发明实施例中胎压胎温监测传感器系统内部基本组成示意图。
图12为本发明实施例中胎压胎温监测系统电路图。
【标号说明】：1-轮胎；2-减振器；3-减振弹簧；4-车桥翼板驱动伺服电机；5-横臂；6-车桥翼板；7-胎压胎温监测传感器；8-轮毂；9-胎压胎温监测传感器安装位置。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供一种只调节车辆非簧载质量的装置，如图1至图3所示，提供车辆轮胎1、车辆减震器2以及减震弹簧3，包括：设置于车辆横臂5下方且用于调整车辆车身稳定性的车桥翼板6、固定设置于车辆横臂5处且用于驱动车桥翼板转动的车桥翼板驱动伺服电机4以及设置于车辆轮胎内且用于检测车辆轮胎内胎压与温度的胎压胎温监测传感器7；车桥翼板驱动伺服电机经驱动电路与车辆ECU连接；胎压胎温监测传感器与车辆ECU无线匹配。
在本实施例中，车桥翼板的上端面设置有一对翼板转轴10；车桥翼板通过翼板转轴与车辆横臂的下端铰接；其中一翼板转轴的末端还设置有一翼板齿轮组11，且该翼板转轴的末端通过翼板齿轮组与车桥翼板驱动伺服电机的输出轴啮合。
在本实施例中，翼板转轴采用螺栓。
在本实施例中，车辆横臂的一端开设有一通孔；通孔的侧壁固定设置有一安装侧板12；车桥翼板驱动伺服电机固定安装在安装侧板上。
在本实施例中，胎压胎温监测传感器设置于轮胎气芯处，并安装在车辆轮毂8上。
在本实施例中，车辆ECU包括一第一单片机以及与第一单片机相连的第一无线收发电路；驱动电路包括伺服控制器以及PWM放大器；所服控制器与所述第一单片机相连，PWM放大器与车桥翼板驱动伺服电机相连；车桥翼板驱动伺服电机内还设置有用于监测车桥翼板驱动伺服电机转速的测速电机以及用于监测车桥翼板驱动伺服电机转动角度的光电编码器，测速电机以及光电编码器分别经对应的接口电路与第一单片机相连。
在本实施例中，胎压胎温监测传感器包括一第二单片机、与第二单片机相连且用于监测压力、加速度以及温度的集成式传感器、与第二单片机相连且与第一无线收发电路匹配的第二无线收发电路。
进一步的，为了让本领域技术人员了解本发明，结合图4进一步展开说明，以四个轮胎中的任一个轮胎为例进行说明，其余轮胎均可采用下述方式：
胎压胎温监测传感器采用直接式监测系统，即将胎压胎温监测传感器装在轮毂上，如图2和图3所示。胎压胎温监测传感器实时地将轮胎的气压和温度传到车载ECU上（无线传输信号），为车载ECU控制车桥翼板的攻角，提供实时数据。
当车辆静止时，胎压检测系统初始化，记录此时的胎压TP0。胎压TP0是初始值，每次发动机运行前进行记录。
车辆高速行驶时，由于汽车外形的原因，车辆产生向上的上升力，导致车轮的垂直载荷减小，从而导致纵向力和侧向力减小，不利于车辆的操纵稳定性。通过胎压胎温监测传感器实时监测轮胎的胎压，得到胎压TP1。通过车载ECU，计算|TP1- TP0|的值，并将该值和阈值Td1进行比较。
当|TP1- TP0|< Td1时，说明此时轮胎胎压在预设合理胎压范围内，即轮胎所受的垂直载荷在对应的合理范围内，车辆能够保持良好的操纵稳定性，此时翼板攻角保持不变。
当TP1- TP0≥ Td1时，说明此时轮胎胎压已经大于静止时，是因为车辆加速、减速或者转弯时簧载质量向某一个车轮或者某一侧车轮转移，导致此车轮胎压压力过大，胎压压力过大将导致轮胎加速损坏，甚至爆胎。此时，车桥翼板应产生向上的升力。通过所获取的胎压以及温度，获取胎压差值以及轮胎温度，并计算该升力对应翼板的攻角，抵消一部分作用在该轮胎上的垂直载荷力，使轮胎胎压维持在合理的范围内。
当TP1- TP0≤-Td1时，说明此时轮胎胎压已经小于静止时，是因为车辆高速行驶时，由于汽车外形原因产生上升力，此上升力作用在整车上，导致作用在轮胎上的垂直载荷减小，即车轮有脱离地面的趋势。此时，翼板应产生下压力。通过所获取的胎压以及温度，获取胎压差值以及轮胎温度，并计算该下压力对应翼板的攻角，维持轮胎所受的垂直载荷力在合理的范围内，即使轮胎胎压维持在合理的范围内。
在本实施例中，翼板攻角计算所采用的方法为模糊控制方法，具体的：采用两输入一输出的二维模糊控制结构。控制输入量为胎压差值和轮胎温度，输出量为相应的翼板攻角。其中输入和输出的隶属函数均采用三角型，输入和输出的语言模糊子集均为{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}，模糊控制方法为“Mamdani”法，用“max-min”法作为推理方法，以面积重心法为去模糊方法。
进一步的，在本实施例中，当胎压胎温监测传感器监测到轮胎的气压为额定值得70%时，车载ECU通过与其连接的显示系统以及语音系统发出警告信息，提醒车主给轮胎充气。当轮胎内的温度超过100°，车载ECU通过与其连接的显示系统以及语音系统发出警告信息，提醒车主减速并将轮胎降温。其中，轮胎的气压额定值以及轮胎温度均可根据实际情况进行调整。
如图5所示，在本发明实施例中翼板伺服电机控制电路原理图中，轮胎中的胎压和胎温信号经过无线传输到车辆ECU的单片机中，单片机根据接收到的信号，并经过模糊计算法则计算出翼板所需要转过的角度，发出控制信号，信号经过伺服控制器，再通过PWM放大器控制翼板电机转过相应的角度，以实现对车辆稳定性的控制。另外，伺服电机内还设置有光电编码器以及测速电机，可由光电编码器和测速电机测出翼板电机转过的位置和转速，并将信号反馈给单片机，形成闭环控制，从而可以精确地控制翼板电机转过的角度。
本发明实施例中采用了单片机控制直流伺服电动机的系统。图6是本发明实施例中单片机控制的角度伺服系统，包括了单片机8051、伺服电机及其接口、测速电机及其接口、光电编码器及其接口和无线接收模块及其接口。其中，伺服电机和测速电机、光电编码器同轴设置。
图7是本发明实施例中光电编码器与角度光栅的接口系统，由光栅信号检测电路、角度方向判断电路和位置计数电路三部分组成。光敏三极管从光栅检测出信号有光栅和单片机接口将该信号转换成脉冲信号，并对其进行计数。在光栅中，指示光栅每转动一个栅距，莫尔条纹将转动一个纹距，在光敏三极管中引起一个周期的正弦波周期信号可产生四个计数脉冲信号，对集成模块79193进行计数。可见，该接口检测光栅所产生的一个计数脉冲表示指示光栅转动1/4栅距，显然，接口精度为1/4栅距。由于一个电流正弦波周期可产生四个计数脉冲，所以这种方法称为四倍频法。单片机和光栅的接口把光栅的转过的角度变换成二进制数据，其量化单位为1/4栅距，单片机对接口变换的数据进行处理，从而可得到光栅转过的角度的现行位置。
图8是本发明实施例中无线接收模块系统。核心元器件为MAX1473，它具有-114~0Bm的信号输入范围，调制频率范围300~450MHz，接收数据速率为100kb/s，内部集成了低噪声放大器、全差分镜频抑制混频器、带压控的上锁相环、10.7MHz中频限幅放大器以及模拟基带数据恢复电路，只需少量的外部器件即可构成胎压接收器的射频前端。MAX1473外围电路主要包括LNA调谐电路、输入匹配和晶振电路三部分。LNA调谐电路由连接在LNAOUT引脚L3和C6组成，谐振频率。
图9为本发明实施例中的脉宽调制主回路；图10为本发明实施例中的脉冲发生器及脉宽调制电路，由三角波发生器、脉宽调制方波发生器和方波输出等部分组成。图9和图10所示电路图即为PWM功率放大器系统。三角波发生器由两级运算放大器组成，第一级运算器IC6（8）组成的线路是频率可调的自激方波发生器。R144的压降为放大器工作的门槛电平，C46通过R136和RP7充电，充电时间常数确定了放大器的工作频率。当C46充电到门槛电平时，IC6的输出端8改变极性，从正限幅值跃变为负限幅值，于是R144的压降（门槛电平）变为负值。于此同时，C46负向充电。当其电平低于门槛值时，IC6的8端立即跃为正的限幅值，以此循环工作。图10中的V37，V38为正反向限幅二极管，用来限制输出电压u1的幅度。开关工作频率由RP7调整，该线路整定为2kHz。第二级运算放大器IC6（14）为三角波发生器，依靠C48的积分作用形成三角波。调整RP8的充电电流，以改变三角波的斜率。脉宽调制方波发生器由运放器IC6（7）构成，这是不带反馈的放大器，输入有直流信号ui0和三角波信号，二者在输入端5叠加。一旦叠加值小于0，输出端7就为正的限幅值，其值有VD39确定。负输出由VD39钳位至零伏。ui0是电流调节器的输出，为缓慢变化的直流变化的直流信号，该值的上下变化就可以改变脉冲的宽度。脉冲输出电路的与门IC2和驱动器IC1组成。与门的封锁信号为保护信号。系统中有多种保护，当发生意外故障时，该信号将上述脉冲信号封锁，不输出到晶体管。驱动器用于提高控制信号的功率。图10中输出分为两路，一路给OP1和OP2，另一路给OP3和OP4。电路中RP2、R55、R57、C25和RP1、R56、R58、C26用于脉冲上升沿的延时。目的是为了保护主回路的晶体管，以避免桥电路同一侧两只晶体管同时导通而造成短路。
图11为本发明实施例中胎压胎温监测传感器系统内部基本组成，它以PIC16F684单片机为核心，包括三合一集成式传感器芯片SP12，全双工无线通信收发模块nRF2401A。其中SP12可在单片机的控制下测量车胎的压力、加速度和温度值，并以数字量形式输出，再经过单片机打包后通过nRF2401A发射出去。同时，单片机也通过nRF2401A接收主机发来的指令，完成相应的控制和参数配置任务。较佳的，在本实施例中，采用气门嘴作为天线。
图12为本发明实施例中胎压胎温监测传感器系统电路图，PIC16F684外部扩展了2个外设,其中同nRF2401A的接口使用了6个I/O口,它们是CS2(输出口，片选信号)、CE(输出口，工作模式控制)、WR_UP(输出口，休眠使能)、DATA(输入口，数据接收)、DR1(输出口，数据发送)、CLK1(输出口,通讯同步信号)。PIC16F684与SPl2的接口使用了4个I/O口,它们是CS1(输出口，片选信号)、SD0(输出口，数据输出)、SDI(输入口，数据输入)、SCK(输出口，通讯同步信号)。PIC16F684与nRF2401A、SPl2的通讯均采用SPI协议,其中PIC16F684为主机,nRF2401A和SP12为从机,通讯协议在PIC16F684上由软件实现。nRF2401A片内集成有RF放大器、本振与混频器和调制/解调器、数字接口等电路,因而外围元件很少；SP12的传感器探头安装在芯片封装上,因此。只需通电就可以通过PIC16F684向SP12发指令以启动采样。SP12的外围电路也很简单,只有电源接口和MCU的数字接口。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种只调节车辆非簧载质量的装置，提供车辆轮胎、车辆减震器以及减震弹簧，其特征在于，包括：设置于车辆横臂下方且用于调整车辆车身稳定性的车桥翼板、固定设置于所述车辆横臂处且用于驱动所述车桥翼板转动的车桥翼板驱动伺服电机以及设置于车辆轮胎内且用于检测车辆轮胎内胎压与温度的胎压胎温监测传感器；所述车桥翼板驱动伺服电机经驱动电路与车辆ECU连接；所述胎压胎温监测传感器与所述车辆ECU无线匹配。
2.根据权利要求1所述的一种只调节车辆非簧载质量的装置，其特征在于，所述车桥翼板的上端面设置有一对翼板转轴；所述车桥翼板通过所述翼板转轴与所述车辆横臂的下端铰接；其中一翼板转轴的末端还设置有一翼板齿轮组，且该翼板转轴的末端通过所述翼板齿轮组与所述车桥翼板驱动伺服电机的输出轴啮合。
3.根据权利要求2所述的一种只调节车辆非簧载质量的装置，其特征在于，所述翼板转轴采用螺栓。
4.根据权利要求1所述的一种只调节车辆非簧载质量的装置，其特征在于，所述车辆横臂的一端开设有一通孔；所述通孔的侧壁固定设置有一安装侧板；所述车桥翼板驱动伺服电机固定安装在所述安装侧板上。
5.根据权利要求1所述的一种只调节车辆非簧载质量的装置，其特征在于，所述胎压胎温监测传感器设置于轮胎气芯处，并安装在车辆轮毂上。
6.根据权利要求1所述的一种只调节车辆非簧载质量的装置，其特征在于，所述车辆ECU包括一第一单片机以及与第一单片机相连的第一无线收发电路；所述驱动电路包括伺服控制器以及PWM放大器；所述伺服控制器与所述第一单片机相连，所述PWM放大器与所述车桥翼板驱动伺服电机相连；所述车桥翼板驱动伺服电机内还设置有用于监测所述车桥翼板驱动伺服电机转速的测速电机以及用于监测车桥翼板驱动伺服电机转动角度的光电编码器，所述测速电机以及所述光电编码器分别经对应的接口电路与所述第一单片机相连。
7.根据权利要求6所述的一种只调节车辆非簧载质量的装置，其特征在于，所述胎压胎温监测传感器包括一第二单片机、与第二单片机相连且用于监测压力、加速度以及温度的集成式传感器、与第二单片机相连且与所述第一无线收发电路匹配的第二无线收发电路。
8.一种权利要求1所述的一种只调节车辆非簧载质量的装置的只调节车辆非簧载质量的方法，其特征在于，
所述胎压胎温监测传感器实时地将车辆轮胎的胎压和温度，传到所述车辆ECU上，为所述车辆ECU控制车桥翼板的攻角，提供实时数据；
当车辆静止时，胎压检测系统初始化，记录此时的胎压TP0；胎压TP0是初始值，每次发动机运行前进行记录；
车辆行驶且速度大于预设速度时，车辆产生向上的上升力，导致车轮的垂直载荷减小，从而导致纵向力和侧向力减小；通过所述胎压胎温监测传感器实时监测轮胎的胎压，得到胎压TP1；通过所述车辆ECU，计算|TP1- TP0|的值，并将该值和与阈值Td1进行比较，进而判断是否需要通过车桥翼板驱动伺服电机控制所述车桥翼板转动，进而调整车辆的非簧载质量。
9.根据权利要求6所述的一种只调节车辆非簧载质量的方法，其特征在于，
当|TP1- TP0|< Td1时，此时翼板攻角保持不变；
当TP1- TP0≥ Td1或TP1- TP0≤-Td1时，所述车辆ECU根据所述胎压以及温度，获取胎压差值以及轮胎温度，并计算所述车桥翼板攻角所需调整的角度值，并通过所述车桥翼板驱动伺服电机控制所述车桥翼板转动。
10.根据权利要求6所述的一种只调节车辆非簧载质量的方法，其特征在于，当所述胎压胎温监测传感器监测到轮胎的气压为额定值得70%时，所述车辆ECU通过与其连接的显示系统以及语音系统发出警告信息，提醒车主给轮胎充气；当轮胎内的温度超过100°，所述车辆ECU通过与其连接的显示系统以及语音系统发出警告信息，提醒车主减速并将轮胎降温。
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