CN110103653A - 一种双横臂悬架的主动调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双横臂悬架的主动调节装置，包括转向节、转向摇臂、上横臂和下横臂，还包括外倾角调节机构、前束角调节机构和控制系统；所述转向节与上横臂之间设有外倾角调节机构，第一传感器用于检测当前外倾角大小；所述控制系统根据当前外倾角大小，通过所述外倾角调节机构调整外倾角。所述前束角调节机构一端与转向摇臂连接，所述前束角调节机构另一端与转向节臂连接；第二传感器用于检测当前前束角大小；所述控制系统根据当前前束角大小，通过所述前束角调节机构调整前束角。本发明可动态调整双横臂悬架的外倾角和前束角，解决了在不同工况下对外倾角和前束角的不同需求。

Description

一种双横臂悬架的主动调节装置

技术领域

本发明涉及汽车领域，特别涉及一种双横臂悬架的主动调节装置。

背景技术

车辆前轮外倾与前束值是前轮定位参数中的两个重要的参数，是影响轮胎磨损、行驶稳定性的重要参数。先有外倾角后有前束角，前束角是为了克服外倾角带来的不良影响而与外倾角合理匹配的设计参数，以保证车辆前轮纯滚动和正常行驶。独立悬架的设计和装车时，如何控制车轮的定位参数在合理的范围内，保证车辆操纵稳定性要求一直是一个重要的研究课题。

目前有技术人员正在试图通过负方向设定车轮外倾角以发挥轮胎的功能从而确保车辆的行驶性能。例如，如果外倾角设定为0，转弯时车体发生侧摆，车轮从地面浮起，从而不能发挥轮胎的抓地力。所以有些车辆通过预先在负方向设定外倾角防止车轮浮起，但是，以往的技术中，如果在负方向上设定外倾角，虽然可以确保行驶性能，却增加了车轮的滚动阻力，从而会浪费车辆行驶所需要的能源。这说明，根据车辆行驶状态的不同，为了达到最大的行驶稳定性和燃油经济性，对车辆的外倾角进行调整的重要性。

车辆在行驶的过程中，车轮的外倾角和前束角会由于车辆载荷以及行驶工况的变化而发生改变，会导致轮胎的异常磨损和行车安全问题。前束值和外倾角的匹配关系也不再适用，因此在车辆行驶过程中需要对外倾角与前束值动态调整。

一种外倾角调整装置，通过电机带动曲轴的方式调整车辆的外倾角，但无法对前束角进行调整。另一种外倾角可变机构，提及了一种能够通过促动器分别对各轮的外倾角和前束角进行控制，但是在通常使用的促动器机构中，为了维持规定的外倾角，始终需要动力，因此存在效率低，燃料消耗率恶化的缺陷。并且，若设置在规定位置停止促动器的动作的停止机构，则另外需要空间，而且还会增加重量。

现有技术存在以下问题:目前，主要通过手动调整外倾角和前束值，或者只能单独调整外倾角或前束角，导致外倾角和前束角的匹配关系被破坏，不能满足车辆行驶过程中的动态需求。此外，现有调整外倾角或是前束值的技术都是通过调整悬架导向机构或转向梯形拉杆，其缺陷是当外倾角不满足车辆操纵稳定需求时，不能通过转向节来调整外倾角和前束值，只能通过调整转向系统横拉杆调整前束值，或在转向节轴上加垫片被动调整外倾角，或是调整独立悬架导向臂长度，仅能调整外倾角，其缺陷是不能满足同时对车辆行驶过程中前束值与外倾角主动调整及自配需要，因而不能满足车辆直行稳定性和减小转向轮异常磨损的需求。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种双横臂悬架的主动调节装置，可动态调整双横臂悬架的外倾角和前束角，解决了在不同工况下对外倾角和前束角的不同需求。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种双横臂悬架的主动调节装置，包括转向节、转向摇臂、上横臂和下横臂，还包括外倾角调节机构和控制系统；所述转向节与上横臂之间设有外倾角调节机构，第一传感器用于检测当前外倾角大小；所述控制系统根据当前外倾角大小，通过所述外倾角调节机构调整外倾角。

进一步，还包括前束角调节机构，所述前束角调节机构一端与转向摇臂连接，所述前束角调节机构另一端与转向节臂连接；第二传感器用于检测当前前束角大小；所述控制系统根据当前前束角大小，通过所述前束角调节机构调整前束角。

进一步，所述外倾角调节机构包括外倾伸缩臂、外倾传动螺杆和外倾伺服电机；所述外倾伸缩臂一端穿过上横臂与外倾螺母连接，所述外倾伸缩臂另一端与转向节连接；所述外倾伺服电机输出轴上设有外倾传动螺杆，所述外倾螺母安装在外倾传动螺杆上，通过外倾伺服电机旋转使所述外倾伸缩臂移动；所述外倾伺服电机安装在上横臂上。

进一步，所述前束角调节机构包括第一转向拉杆、第二转向拉杆、前束伸缩臂、前束传动螺杆和前束伺服电机；所述前束伸缩臂一端与第一转向拉杆固定连接，所述前束伸缩臂另一端穿入第二转向拉杆，所述第一转向拉杆与转向摇臂连接，第二转向拉杆与转向节臂连接；所述第一转向拉杆上安装前束螺母，所述第二转向拉杆上固定前束伺服电机，所述前束伺服电机的输出轴上设有前束传动螺杆，所述前束传动螺杆与前束螺母螺纹副配合，通过前束伺服电机旋转使所述前束伸缩臂在第二转向拉杆内移动。

进一步，所述控制系统包括PID控制器和伺服电机传动模块；所述PID控制器输入当前测量角度与期望值，输出电压值；所述伺服电机传动模块将所述PID控制器输出的电压值转换为伺服电机输出转角。

进一步，所述PID控制器根据当前测量角度与期望值，输出电压值具体计算为：

其中：

θ_req为期望值；

θ_actual为当前测量角度；

K_P为比例系数；K_I为积分系数；K_D为微分系数；

U为所述PID控制器输出电压值。

进一步，所述伺服电机传动模块根据所述PID控制器输出电压值输出伺服电机输出转角，具体公式为：

其中：

L_a为伺服电机电感；R_a为伺服电机电阻；J为伺服电机转子惯量；B为粘性阻尼系数；K_t为转矩常数；K_e为反电动势常数；U(s)为PID控制器输出电压值U。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的双横臂悬架的主动调节装置，通过外倾角调节机构和前束角调节机构，可动态调整双横臂悬架的外倾角和前束角，解决了在不同工况下对外倾角和前束角的不同需求。

2.本发明所述的双横臂悬架的主动调节装置，可以削弱由于车辆的空气弹簧高度调整，对外倾角和前束角不利影响。

3.本发明所述的双横臂悬架的主动调节装置，可以提高车辆的操纵稳定性，增强车辆的行驶安全性。

附图说明

图1为本发明所述的双横臂悬架的主动调节装置的结构示意图。

图2为本发明所述的外倾角调节机的构结构示意图。

图3为本发明所述的外倾伸缩臂的构结构示意图。

图4为本发明所述的外倾伺服电机的安装位置示意图。

图5为本发明所述的前束角调节机构的构结构示意图。

图6为本发明所述的第二转向拉杆的构结构示意图。

图7为本发明所述的第一转向拉杆的构结构示意图。

图8为本发明的1/2双横臂主动悬架SimMechanics模型；

图9为本发明所述的控制原理图；

图10为主动悬架外倾角时域变化曲线；

图11为主动悬架前束角时域变化曲线；

图12为被动悬架外倾角时域变化曲线；

图13为被动悬架前束角时域变化曲线。

图中：

1-外倾角调节机构；2-前束角调节机构；3-转向节；4-转向摇臂；5-下横臂；6-外倾伸缩臂；7-上横臂；8-外倾伺服电机；9-外倾电机安装板；10-外倾传动螺杆；11-外倾螺母；12-前束传动螺杆；13-前束伸缩臂；14-前束伺服电机；15-前束螺母；16-第一转向拉杆；17-前束电机安装板；18-第二转向拉杆；a-SimMechanics模型中路面激励输入；b-SimMechanics模型中外倾角调节机构；c-SimMechanics模型中下横臂；d-SimMechanics模型中前束角调节机构；e-SimMechanics模型中转向节；f-SimMechanics模型中轮跳量传感器；g-SimMechanics模型中外倾角传感器；h-SimMechanics模型中前束角传感器。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述的双横臂悬架的主动调节装置，包括转向节3、转向摇臂4、上横臂7、下横臂5、外倾角调节机构1、前束角调节机构2和控制系统；所述转向节3与上横臂7之间设有外倾角调节机构1，第一传感器用于检测当前外倾角大小；所述控制系统根据当前外倾角大小，通过所述外倾角调节机构1调整外倾角。所述前束角调节机构2一端与转向摇臂4连接，所述前束角调节机构2另一端与转向节臂连接；第二传感器用于检测当前前束角大小；所述控制系统根据当前前束角大小，通过所述前束角调节机构2调整前束角。

如图2、图3和图4所示，所述外倾角调节机构1包括外倾伸缩臂6、外倾传动螺杆10和外倾伺服电机8；所述外倾伸缩臂6一端穿过上横臂7与外倾螺母11连接，所述外倾伸缩臂6另一端与转向节3连接；所述外倾伺服电机8输出轴上通过外倾电机安装板9安装外倾传动螺杆10，所述外倾螺母11安装在外倾传动螺杆10上，通过外倾伺服电机8旋转使所述外倾伸缩臂6移动；所述外倾伺服电机8安装在上横臂7上。

如图5、图6和图7所示，所述前束角调节机构2包括第一转向拉杆16、第二转向拉杆18、前束伸缩臂13、前束传动螺杆12和前束伺服电机14；所述前束伸缩臂13一端与第一转向拉杆16固定连接，所述前束伸缩臂13另一端穿入第二转向拉杆18，所述第一转向拉杆16与转向摇臂4连接，第二转向拉杆18与转向节臂连接；所述第一转向拉杆16上安装前束螺母15，所述第二转向拉杆18上通过前束电机安装板17固定前束伺服电机14，所述前束伺服电机14的输出轴上设有前束传动螺杆12，所述前束传动螺杆12与前束螺母15螺纹副配合，通过前束伺服电机14旋转使所述前束伸缩臂13在第二转向拉杆18内移动。

如图9所示，所述控制系统包括PID控制器和伺服电机传动模块；所述PID控制器输入当前测量角度与期望值，输出电压值；所述伺服电机传动模块将所述PID控制器输出的电压值转换为伺服电机输出转角。

所述PID控制器根据当前测量角度与期望值，输出电压值具体计算为：

其中：

θ_req为期望值；

θ_actual为当前测量角度；

K_P为比例系数；K_I为积分系数；K_D为微分系数；

U为所述PID控制器输出电压值。

所述伺服电机传动模块根据所述PID控制器输出电压值输出伺服电机输出转角，具体公式为：

其中：

L_a为伺服电机电感；R_a为伺服电机电阻；J为伺服电机转子惯量；B为粘性阻尼系数；K_t为转矩常数；K_e为反电动势常数；U(s)为PID控制器输出电压值U。

当汽车行驶时，传感器向主动悬架电子控制单元提供车轮外倾角，前束角和轮跳量数据。将传感器值与控制系统中期望的外倾角和前束角值进行比较，期望的外倾角和前束角一般皆为0°，根据外倾角和前束角的变化计算相应的臂长。因此，利用两个伺服驱动器可实时改变伸缩臂的长度来保证合理的外倾角和前束角。

下面通过simulink建模仿真来验证本发明的可行性和有效性。

步骤一，在UG中建立某型号公交车双横臂前悬架三维模型，由于研究对象是外倾角和前束角随轮跳量的变化情况，减振器和空气弹簧这两个部件可以忽略。考虑双横臂空气悬架左右对称，所以只需建立一侧的悬架模型，根据二维图纸建立1/2双横臂悬架三维模型。并在此基础上，对被动悬架结构进行改进，通过伸缩臂和伺服电机的配合，实现主动调节外倾角和前束角，设计出主动悬架示意图。

步骤二，由UG建立的被动双横臂悬架三维模型，测量得到各部件的参数，如质量、质心、转动惯量、关键硬点。根据在UG中建立的三维模型测得的关键参数，在SimMechanics中建立1/2主动悬架SimMechanics模型，如图8，其中，虚框中b对应外倾角调节机构1，虚框中c对应下横臂5，虚框中d对应前束角调节机构2，虚框中e对应转向节3。

步骤三，对主动悬架SimMechanics模型进行闭环反馈PID控制，外倾角控制器输出为其中θ_Creq为期望外倾值，θ_Cactual为实时外倾值，U_C为外倾角PID控制器输出。前束角控制器输出为：中θ_Treq为期望前束值，θ_Tactual为实时前束值，U_T为前束角PID控制器输出。

步骤四，通过所述伺服电机传动模块，将所述PID控制器输出电压值输出伺服电机输出转角。然后进行仿真，得到外倾角和前束角时域仿真曲线，分别如图10和图11。被动悬架的外倾角和前束角时域曲线仿真曲线，分别如图12和图13。从图10和图12中可以看出，采用闭环反馈PID控制外倾角的主动悬架的外倾角变化范围为-0.56°—0.93°，被动悬架-1.38°—2.16°，约减幅了56.9％，从而提高了车辆的操纵稳定性。从图11和图13可以看出，采用闭环反馈PID控制前束角的主动悬架的前束角变化范围为-0.98°—0°，被动悬架-1.94°—0，约减幅了48.5％，从而提高了车辆的操纵稳定性。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种双横臂悬架的主动调节装置，包括转向节(3)、转向摇臂(4)、上横臂(7)和下横臂(5)，其特征在于，还包括外倾角调节机构(1)和控制系统；所述转向节(3)与上横臂(7)之间设有外倾角调节机构(1)，第一传感器用于检测当前外倾角大小；所述控制系统根据当前外倾角大小，通过所述外倾角调节机构(1)调整外倾角。

2.根据权利要求1所述的双横臂悬架的主动调节装置，其特征在于，还包括前束角调节机构(2)，所述前束角调节机构(2)一端与转向摇臂(4)连接，所述前束角调节机构(2)另一端与转向节臂连接；第二传感器用于检测当前前束角大小；所述控制系统根据当前前束角大小，通过所述前束角调节机构(2)调整前束角。

3.根据权利要求1所述的双横臂悬架的主动调节装置，其特征在于，所述外倾角调节机构(1)包括外倾伸缩臂(6)、外倾传动螺杆(10)和外倾伺服电机(8)；所述外倾伸缩臂(6)一端穿过上横臂(7)与外倾螺母(11)连接，所述外倾伸缩臂(6)另一端与转向节(3)连接；所述外倾伺服电机(8)输出轴上设有外倾传动螺杆(10)，所述外倾螺母(11)安装在外倾传动螺杆(10)上，通过外倾伺服电机(8)旋转使所述外倾伸缩臂(6)移动；所述外倾伺服电机(8)安装在上横臂(7)上。

4.根据权利要求2所述的双横臂悬架的主动调节装置，其特征在于，所述前束角调节机构(2)包括第一转向拉杆(16)、第二转向拉杆(18)、前束伸缩臂(13)、前束传动螺杆(12)和前束伺服电机(14)；所述前束伸缩臂(13)一端与第一转向拉杆(16)固定连接，所述前束伸缩臂(13)另一端穿入第二转向拉杆(18)，所述第一转向拉杆(16)与转向摇臂(4)连接，第二转向拉杆(18)与转向节臂连接；所述第一转向拉杆(16)上安装前束螺母(15)，所述第二转向拉杆(18)上固定前束伺服电机(14)，所述前束伺服电机(14)的输出轴上设有前束传动螺杆(12)，所述前束传动螺杆(12)与前束螺母(15)螺纹副配合，通过前束伺服电机(14)旋转使所述前束伸缩臂(13)在第二转向拉杆(18)内移动。

5.根据权利要求1或2所述的双横臂悬架的主动调节装置，其特征在于，所述控制系统包括PID控制器和伺服电机传动模块；所述PID控制器输入当前测量角度与期望值，输出电压值；所述伺服电机传动模块将所述PID控制器输出的电压值转换为伺服电机输出转角。

6.根据权利要求5所述的双横臂悬架的主动调节装置，其特征在于，所述PID控制器根据当前测量角度与期望值，输出电压值具体计算为：

其中：

θ_req为期望值；

θ_actual为当前测量角度；

K_P为比例系数；K_I为积分系数；K_D为微分系数；

U为所述PID控制器输出电压值。

7.根据权利要求5所述的双横臂悬架的主动调节装置，其特征在于，所述伺服电机传动模块根据所述PID控制器输出电压值输出伺服电机输出转角，具体公式为：

其中：

L_a为伺服电机电感；R_a为伺服电机电阻；J为伺服电机转子惯量；B为粘性阻尼系数；K_t为转矩常数；K_e为反电动势常数；U(s)为PID控制器输出电压值U。