CN109677226B - 一种利用精密传动控制的车姿调节系统 - Google Patents

一种利用精密传动控制的车姿调节系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用精密传动控制的车姿调节系统，其包括控制器(1)和四个车姿调节伺服执行单元，四个车姿调节伺服执行单元与控制器(1)连接并分别对应每个车轮轮位布置；四个车姿调节伺服执行单元结构相同，每个车姿调节伺服执行单元包括油气弹簧(5)，油气弹簧(5)对应每个车轮轮位布置在底盘上，通过控制器1控制对油气弹簧(5)充放油，实现底盘升降。本发明与传统液压系统相比，该系统采用电动缸代替液压泵站的方式为系统提供动力，取消了传统液压系统中的溢流单元，能源利用率较高。

Description

一种利用精密传动控制的车姿调节系统
技术领域
本发明属于车辆悬挂调节技术领域，涉及一种利用精密传动控制的车姿调节系统。
背景技术
我国现有的轮式装甲车辆悬挂装置通常采用钢板弹簧或螺旋弹簧作为弹性元件。弹簧刚度与车身姿态的不可调节使车辆的越野性能很难得到大幅提升。近年来，以油气弹簧作为弹性元件的悬挂装置已大量应用于民用与军用车辆，油气弹簧之外再配置一套控制系统便可实现车辆悬挂刚度以及车身姿态的调节。因此，可调油气弹簧技术成为了未来装甲车辆研究与应用的热点。
为了进一步提高轮式装甲车辆的越野行驶性能，将油气弹簧作为车姿调节功能的实现平台，开发一种车身姿态无级可调的机电液一体化系统是很有必要的。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：提供一种利用精密传动控制的车姿调节系统，采用电动缸驱动液压缸的形式向油气弹簧装置充放油，实现各轮位油气弹簧的高精度协调动作，最终实现目标车姿的调节功能。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供利用精密传动控制的车姿调节系统，其包括控制器1和四个车姿调节伺服执行单元，四个车姿调节伺服执行单元与控制器1连接并分别对应每个车轮轮位布置；四个车姿调节伺服执行单元结构相同，每个车姿调节伺服执行单元包括油气弹簧5，油气弹簧5对应每个车轮轮位布置在底盘上，通过控制器1控制对油气弹簧5充放油，实现底盘升降。
其中，每个所述车姿调节伺服执行单元还包括：伺服电动缸2、液压缸3、液压阀组4，伺服电动缸2为带有行星丝杆的伺服电动缸，伺服电动缸连接液压缸3，液压缸3和油气弹簧5之间连接液压阀组4，液压阀组4接通液压缸3和油气弹簧5之间的油路时，伺服电动缸2内置电机正转驱动行星丝杆推动液压缸3的活塞将油液从液压缸3推入油气弹簧5，油气弹簧5实现充油；伺服电动缸2内置电机反转则驱动行星丝杆拉动液压缸3的活塞将油液从油气弹簧5抽回液压缸3，油气弹簧5实现放油。
其中，所述伺服电动缸2的行星丝杆上设置有大螺母9，活塞杆与大螺母9连接，并与行星丝杆形成同轴结构；液压缸3上设置有导向支撑环，活塞杆穿过导向支撑环，活塞杆与导向支撑环之间键槽配合，形成防旋转结构；当伺服电动缸2内的伺服电机驱动行星丝杆转动时，大螺母9沿着固定的行星丝杆做轴向运动，液压缸3的活塞杆在大螺母9的推动或拉动下驱动活塞将油液压入油气弹簧5或抽回液压缸3，油气弹簧5实现充放油动作。
其中，所述控制器1与伺服电动缸2之间通过动力电缆连接，向伺服电动缸2输出控制指令。
其中，每个所述车姿调节伺服执行单元还包括：悬挂摆臂，油气弹簧5一端、悬挂摆臂一端分别铰接在底盘上，油气弹簧5另一端与悬挂摆臂另一端相铰接。
其中，每个所述车姿调节伺服执行单元进一步还包括：压力传感器6和角度传感器7，压力传感器6安装于油气弹簧5上，角度传感器7安装于底盘与悬挂摆臂铰链处，通过压力传感器6和角度传感器7将油气弹簧5内的压力信号与悬挂摆臂的摆角信号传递至控制器1，控制器1根据目标车姿以及所接收的压力信号和摆角信号，调整所输出的控制指令。
其中，所述车姿调节伺服执行单元与控制器1之间通过通信电缆连接。
其中，所述车姿调节过程中，液压阀组4接到控制器1传送的控制指令后接通液压缸3与油气弹簧5之间的油路，以解算出的悬挂摆臂摆角值作为调节目标值，控制器1调控各轮位伺服电动缸2做摆角闭环控制，实现油气弹簧5充放油当各轮位悬挂摆臂摆角均达到目标值时，液压阀组4断电，油气弹簧5与液压缸3之间的工作油路被切断，车姿调节动作完成。
其中，所述控制器1调控各轮位伺服电动缸2做摆角闭环控制过程中，先到达目标位置的油气弹簧5自动切换至保压状态，即伺服电动缸2内置电机只输出维持推力稳定的零转速转矩，油气弹簧5内部油液保持定量恒压状态；其它轮位悬挂摆臂相继到达目标位置后，先到达目标状态并处于保压状态的油气弹簧5内部压力与相应悬挂摆臂铰链处的摆角发生微动，伺服电动缸2则根据摆角值与压力值的变化做出适应性充放油调节。
其中，所述车姿调节过程中，控制器1记录各轮位伺服电动缸2内置电机在调节过程中的相对转数，电机转数、行星丝杆轴向位移量、油气弹簧5充放油量、悬挂摆臂摆角，需要恢复正常车姿时，根据记录的电机相对转数做油气弹簧5逆向充放油动作，各轮位油气弹簧5恢复至初始油量状态，横臂摆角调节至正常距地高状态，车姿恢复完毕。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的利用精密传动控制的车姿调节系统，采用控制器调控行星丝杆伺服电动缸进而驱动直动式液压动力油缸直接为油气弹簧提供工作油液，该方式控制传递环节少，控制精度高，油路简单，调控速度快；伺服电动缸内伺服电机的转数与油量有确定的比例关系，通过控制器记录各轮位电机工作转数可解算油气弹簧内的油液变化量，便于正常车姿与初始悬挂状态的准确恢复；采用伺服电动缸调控技术可实现油量与油压交互可控调节，确保车姿调节过程中无虚腿现象发生；采用行星丝杆伺服电动缸直接驱动直动式液压缸，能够消除常规液压系统的溢流损耗，系统能源利用率高。
附图说明
图1为本发明车姿调节系统的原理图。
图2为行星丝杆伺服电动缸与液压缸的集成部件总成示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
参照图1所示，本实施例车姿调节系统包括控制器1和四个车姿调节伺服执行单元，四个车姿调节伺服执行单元与控制器1连接并分别对应每个车轮轮位布置；四个车姿调节伺服执行单元结构相同，每个车姿调节伺服执行单元包括油气弹簧5，油气弹簧5对应每个车轮轮位布置在底盘上，通过控制器1控制对油气弹簧5充放油，实现底盘升降。
每个车姿调节伺服执行单元还包括：伺服电动缸2、液压缸3、液压阀组4，伺服电动缸2为带有行星丝杆的伺服电动缸，伺服电动缸连接液压缸3，液压缸3和油气弹簧5之间连接液压阀组4，液压阀组4接通液压缸3和油气弹簧5之间的油路时，伺服电动缸2内置电机正转驱动行星丝杆推动液压缸3的活塞将油液从液压缸3推入油气弹簧5，油气弹簧5实现充油；伺服电动缸2内置电机反转则驱动行星丝杆拉动液压缸3的活塞将油液从油气弹簧5抽回液压缸3，油气弹簧5实现放油。
伺服电动缸2的行星丝杆与液压缸3的活塞杆的连接结构形式如图2所示，行星丝杆上设置有大螺母9，活塞杆与大螺母9连接，并与行星丝杆形成同轴结构；液压缸3上设置有导向支撑环，活塞杆穿过导向支撑环，活塞杆与导向支撑环之间键槽配合，形成防旋转结构，保证导向支撑环与大螺母9相对转动的过程中活塞杆与大螺母9组成的同轴结构不产生跟随转动。当伺服电动缸2内的伺服电机驱动行星丝杆转动时，大螺母9沿着固定的行星丝杆做轴向运动，液压缸3的活塞杆在大螺母9的推动或拉动下驱动活塞将油液压入油气弹簧5或抽回液压缸3，油气弹簧5实现充放油动作。
控制器1与伺服电动缸2之间通过动力电缆连接，向伺服电动缸2输出控制指令。
每个车姿调节伺服执行单元还包括：悬挂摆臂，油气弹簧5一端、悬挂摆臂一端分别铰接在底盘上，油气弹簧5另一端与悬挂摆臂另一端相铰接。
每个车姿调节伺服执行单元进一步还包括：压力传感器6和角度传感器7，压力传感器6安装于油气弹簧5上，角度传感器7安装于底盘与悬挂摆臂铰链处，通过压力传感器6和角度传感器7将油气弹簧5内的压力信号与悬挂摆臂的摆角信号传递至控制器1，控制器1根据目标车姿以及所接收的压力信号和摆角信号，调整所输出的控制指令。
车姿调节伺服执行单元与控制器1之间通过通信电缆连接。
车姿调节系统进入工作状态时，压力传感器6与角度传感器7将油气弹簧5内的压力信号与悬挂摆臂的摆角信号传递至控制器1；控制器1根据摆角信号确定各轮位悬挂摆臂的位置状态。当驾驶员输入目标车姿参数后，控制器1解算目标车姿下各轮位悬挂摆臂的摆角值，并将该摆角值作为调节目标量对各油气弹簧5进行充放油。
调节过程中，液压阀组4接到控制器1传送的控制指令后接通液压缸3与油气弹簧5之间的油路。以解算出的悬挂摆臂摆角值作为调节目标值，控制器1调控各轮位伺服电动缸2做摆角闭环控制。这时，伺服电动缸2内置电机正转驱动行星丝杆推动液压缸3活塞将油液从液压缸3推入油气弹簧5，油气弹簧5实现充油。伺服电动缸2内置电机反转则驱动行星丝杆拉动液压缸3活塞将油液从油气弹簧5抽回液压缸3，油气弹簧5实现放油。在逻辑充放油的过程中，当各轮位悬挂摆臂摆角均达到目标值时，液压阀组4断电，油气弹簧5与液压缸3之间的工作油路被切断，车姿调节动作完成。
由于各轮位载荷分配系数的不同致使各轮位的调节速度各不相同。调节过程中，各轮位悬挂摆臂不可能同时达到目标状态。在角度闭环控制调控下，先到达目标位置的油气弹簧5自动切换至保压状态，即伺服电动缸2内置电机只输出维持推力稳定的零转速转矩，油气弹簧5内部油液保持定量恒压状态。随着其它轮位悬挂摆臂相继到达目标位置后，先到达目标状态并处于保压状态的油气弹簧5内部压力与相应悬挂摆臂铰链处的摆角会发生少量变化，伺服电动缸2则会根据摆角值与压力值的变化做出适应性的充放油调节，以确保每组悬挂摆臂在调节完毕后不会出现虚腿现象。
在特殊车姿工况行驶任务结束后，车辆需要恢复至正常车姿状态。控制器1会记录各轮位伺服电动缸2内置电机在调节过程中的相对转数，电机转数、行星丝杆轴向位移量、油气弹簧5充放油量、悬挂摆臂摆角有确定的比例关系。因此，恢复正常车姿就是根据记录的电机相对转数做油气弹簧5逆向充放油动作，各轮位油气弹簧5就可以恢复至初始油量状态，横臂摆角也调节至正常距地高状态，车姿恢复完毕。
由以上技术方案可以看出，本发明具有以下显著特点：
车姿调节系统采用高精密传动装置-伺服电动缸作为可控动力单元，通过车姿调节系统控制器对伺服电动缸做位置闭环控制来完成液压缸与油气弹簧间的油液交互传递；同时配备液压阀组实现了液压缸与油气弹簧之间油路的自动通断控制；该系统具有控制传递环节少，油路简单，调控响应速度快，调节精度高的特点；伺服控制技术可实现对油气弹簧内油压与油量间的交互控制，解决了车姿调节过程中悬挂虚腿问题；伺服电动缸对油气弹簧充放油量的精准调控实现了正常车姿的快速准确恢复。此外，与传统液压系统相比，该系统采用电动缸代替液压泵站的方式为系统提供动力，取消了传统液压系统中的溢流单元，能源利用率较高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种利用精密传动控制的车姿调节系统，其特征在于，包括控制器(1)和四个车姿调节伺服执行单元，四个车姿调节伺服执行单元与控制器(1)连接并分别对应每个车轮轮位布置；四个车姿调节伺服执行单元结构相同，每个车姿调节伺服执行单元包括油气弹簧(5)，油气弹簧(5)对应每个车轮轮位布置在底盘上，通过控制器( 1) 控制对油气弹簧(5)充放油，实现底盘升降；
每个所述车姿调节伺服执行单元还包括：伺服电动缸(2)、液压缸(3)、液压阀组(4)，伺服电动缸(2)为带有行星丝杆的伺服电动缸，伺服电动缸连接液压缸(3)，液压缸(3)和油气弹簧(5)之间连接液压阀组(4)，液压阀组(4)接通液压缸(3)和油气弹簧(5)之间的油路时，伺服电动缸(2)内置电机正转驱动行星丝杆推动液压缸(3)的活塞将油液从液压缸(3)推入油气弹簧(5)，油气弹簧(5)实现充油；伺服电动缸(2)内置电机反转则驱动行星丝杆拉动液压缸(3)的活塞将油液从油气弹簧(5)抽回液压缸(3)，油气弹簧(5)实现放油；
所述伺服电动缸(2)的行星丝杆上设置有大螺母(9)，活塞杆与大螺母( 9）连接，并与行星丝杆形成同轴结构；液压缸(3)上设置有导向支撑环，活塞杆穿过导向支撑环，活塞杆与导向支撑环之间键槽配合，形成防旋转结构；当伺服电动缸(2)内的伺服电机驱动行星丝杆转动时，大螺母( 9) 沿着固定的行星丝杆做轴向运动，液压缸(3)的活塞杆在大螺母(9) 的推动或拉动下驱动活塞将油液压入油气弹簧(5)或抽回液压缸(3)，油气弹簧(5)实现充放油动作；
所述控制器(1)与伺服电动缸(2)之间通过动力电缆连接，向伺服电动缸(2)输出控制指令；
每个所述车姿调节伺服执行单元还包括：悬挂摆臂，油气弹簧( 5) 一端、悬挂摆臂一端分别铰接在底盘上，油气弹簧( 5) 另一端与悬挂摆臂另一端相铰接；
每个所述车姿调节伺服执行单元进一步还包括：压力传感器(6)和角度传感器(7)，压力传感器(6)安装于油气弹簧( 5) 上，角度传感器(7)安装于底盘与悬挂摆臂铰链处，通过压力传感器(6)和角度传感器(7)将油气弹簧( 5) 内的压力信号与悬挂摆臂的摆角信号传递至控制器(1)，控制器(1)根据目标车姿以及所接收的压力信号和摆角信号，调整所输出的控制指令；
所述车姿调节伺服执行单元与控制器(1)之间通过通信电缆连接；
车姿调节系统进入工作状态时，压力传感器(6)与角度传感器(7)将油气弹簧(5)内的压力信号与悬挂摆臂的摆角信号传递至控制器(1)；控制器(1)根据摆角信号确定各轮位悬挂摆臂的位置状态；当驾驶员输入目标车姿参数后，控制器(1)解算目标车姿下各轮位悬挂摆臂的摆角值，并将该摆角值作为调节目标量对各油气弹簧(5)进行充放油；
所述车姿调节过程中，液压阀组(4)接到控制器(1)传送的控制指令后接通液压缸(3)与油气弹簧(5)之间的油路，以解算出的悬挂摆臂摆角值作为调节目标值，控制器(1)调控各轮位伺服电动缸(2)做摆角闭环控制，伺服电动缸(2)内置电机正转驱动行星丝杆推动液压缸(3)活塞将油液从液压缸(3)推入油气弹簧(5)，油气弹簧(5)实现充油；伺服电动缸(2)内置电机反转则驱动行星丝杆拉动液压缸(3)活塞将油液从油气弹簧(5)抽回液压缸(3)，油气弹簧(5)实现放油；在逻辑充放油的过程中，当各轮位悬挂摆臂摆角均达到目标值时，液压阀组(4)断电，油气弹簧(5)与液压缸(3)之间的工作油路被切断，车姿调节动作完成；
所述控制器(1)调控各轮位伺服电动缸(2)做摆角闭环控制过程中，先到达目标位置的油气弹簧(5)自动切换至保压状态，即伺服电动缸(2)内置电机只输出维持推力稳定的零转速转矩，油气弹簧(5)内部油液保持定量恒压状态；其它轮位悬挂摆臂相继到达目标位置后，先到达目标状态并处于保压状态的油气弹簧(5)内部压力与相应悬挂摆臂铰链处的摆角发生微动，伺服电动缸(2)则根据摆角值与压力值的变化做出适应性充放油调节；
所述车姿调节过程中，控制器(1)记录各轮位伺服电动缸(2)内置电机在调节过程中的相对转数、 电机转数、行星丝杆轴向位移量、油气弹簧(5)充放油量、悬挂摆臂摆角，需要恢复正常车姿时，根据记录的电机相对转数做油气弹簧(5)逆向充放油动作，各轮位油气弹簧(5)恢复至初始油量状态，横臂摆角调节至正常距地高状态，车姿恢复完毕。
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