CN110733308A - 车辆的悬架系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种车辆的悬架系统，该悬架系统能够抑制作用于轮胎的冲击通过电磁减震器传递给车身。悬架系统具有：电磁减震器(2)，其设置在车辆的作为簧载部件的车身(B)和作为非簧载部件的轮胎(T)之间，通过马达对车身(B)和轮胎(T)施加沿行程方向的阻尼力和推动力；非簧载加速度传感器，其检测轮胎的沿行程方向的非簧载加速度；ECU，其控制马达。ECU控制马达以使其产生以下负载(Fm)：该负载的方向为使车身(B)的相对于轮胎(T)的相对速度增大的方向，且该负载的大小与非簧载加速度相对应。

Description

车辆的悬架系统
技术领域
本发明涉及一种车辆的悬架系统(suspension system)。
背景技术
近年来，正在推进如下技术的研究和开发：在车辆的簧载部件(弹簧上方部件)和非簧载部件(弹簧下方部件)之间设置电磁减震器(electromagnetic damper)，通过该电磁减震器控制在簧载部件和非簧载部件之间产生的推动力和阻尼力，据此，提高车辆的乘车舒适性(例如，参照专利文献1)。
例如，专利文献1中所记载的电磁减震器具有：外筒；螺纹轴，其与该外筒同轴地设置于该外筒的内部；螺母，其在外筒内能够沿行程(stroke：冲程)方向位移，且与螺纹轴旋合；马达，其通过带轮、传送带等连接于螺纹轴。在该电磁减震器中，当马达由于电磁减震器的伸缩而旋转时，产生感应电动势，据此产生相对于伸缩的阻尼力。另外，在该电磁减震器中，当从外部向马达供给电功率时，螺纹轴旋转，产生使电磁减震器伸缩的推动力。
【现有技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本发明专利公开公报特开2017-165283号
发明内容
【发明所要解决的技术问题】
像这样，当电磁减震器沿行程方向进行伸缩时，螺母和螺纹轴之间产生不小的摩擦力。该摩擦力在妨碍电磁减震器沿行程方向进行伸缩的方向上产生，因此，在例如当轮胎碰到一点台阶等时候，有较小的力作用于轮胎的情况下，有时电磁减震器不伸缩，作用于轮胎的力不发生衰减而直接传递给车身。
本发明的目的在于，提供一种车辆的悬架系统，该悬架系统能够抑制作用于轮胎的冲击经由电磁减震器传递给车身。
【用于解决技术问题的技术方案】
(1)本发明所涉及的车辆的悬架系统(例如，后述的悬架系统1)具有：电磁减震器(例如，后述的电磁减震器2)，其设置在车辆的簧载部件(例如，后述的车身B)和非簧载部件(例如，后述的轮胎T)之间，并通过电磁执行机构(例如，后述的马达M)对所述簧载部件和所述非簧载部件施加沿行程方向的阻尼力和推动力；加速度传感器(例如，后述的非簧载加速度传感器52)，其检测所述非簧载部件的沿所述行程方向的非簧载加速度；控制装置(例如，后述的ECU6)，其控制所述电磁执行机构，该车辆的悬架系统的特征在于，所述控制装置控制所述电磁执行机构以使其产生以下负载：该负载的方向为使所述簧载部件的相对于所述非簧载部件的相对速度增大的方向，且该负载的大小与所述非簧载加速度相对应。
(2)在该情况下，优选为：在所述非簧载加速度在包含0的死区宽度内的情况下，所述控制装置使负载为0。
(3)在该情况下，优选为：所述控制装置按照车速来改变所述死区宽度。
(4)在该情况下，优选为：所述控制装置限制负载以使其不超过所述电磁减震器的摩擦力。
(5)在该情况下，优选为：所述控制装置按照车速来改变负载的大小。
【发明效果】
(1)悬架系统具有：电磁减震器，其通过电磁执行机构对簧载部件和非簧载部件施加沿行程方向的阻尼力和推动力；加速度传感器，其检测非簧载部件的沿行程方向的非簧载加速度；控制装置，其控制电磁执行机构。控制装置控制电磁执行机构以使其产生以下负载：该负载的方向为使簧载部件的相对于非簧载部件的相对速度增大的方向，且该负载的大小与非簧载加速度相对应。据此，例如在由于非簧载部件碰到台阶而使非簧载加速度增大的情况下，产生大小与该非簧载加速度相对应的负载，该负载的方向为使相对速度增大的方向，即减少电磁减震器的摩擦力。因此，根据本发明的悬架系统，能够实现与摩擦力比本来的摩擦力小的电磁减震器等效的特性，因此，即使冲击作用于非簧载部件，也能够抑制该冲击传递给簧载部件。
(2)在非簧载加速度在包含0的死区宽度内的情况下，控制装置使负载为0。根据本发明的悬架系统，通过针对非簧载加速度设置这样的死区，能够防止由于加速度传感器中的噪声、非簧载部件的微小振动等而在电磁减震器中产生负载，因此能够提高车辆的乘车舒适性。
(3)控制装置按照车速来改变所述死区宽度。据此，能够按照车速来改变产生大小与非簧载加速度相对应的负载的区域，因此，能够进一步提高车辆的乘车舒适性。
(4)当电磁减震器产生超过摩擦力的大小的负载时，会存在加剧非簧载部件的暴走的情况。因此，在悬架系统中限制负载以使其不超过电磁减震器的摩擦力。据此，能够抑制非簧载部件的暴走。
(5)控制装置按照车速来改变负载的大小。据此，能够产生与车速相对应的合适大小的负载。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式所涉及的车辆的悬架系统的结构的图。
图2是表示悬架系统1的机械模型的图。
图3是表示摩擦力的相对于行程量的变化的特性的图。
图4是表示在目标负载运算部中计算目标负载的具体步骤的功能框图。
图5是表示由ECU对电磁减震器进行控制的一个例子的时序图。
【附图标记说明】
V：车辆；1：悬架系统；2：电磁减震器；20：减震器主体；21：外筒部件；30：螺纹轴；31：内筒部件；35：弹簧；M：马达(电磁执行机构)；52：非簧载加速度传感器(加速度传感器)；6：ECU(控制装置)；61：目标负载运算部；62：马达电流运算部。
具体实施方式
下面，一边参照附图一边对本发明的一个实施方式进行说明。
图1是表示本实施方式所涉及的车辆的悬架系统1的结构的图。车辆例如是具有4个轮胎的四轮车辆，对每一个轮胎都分别设有一个悬架系统1。图1仅图示出4个悬架系统1中的一个。
悬架系统1具有：电磁减震器2；各种传感器51、52，其检测车辆状态；电子控制单元6(下面使用简称“ECU(ElectronicControl Unit)6”)，其利用这些传感器51、52的检测信号来控制电子减震器2；和电池7。
电磁减震器2具有：减震器主体20，其设置在车辆的作为簧载部件的车身B和作为非簧载部件的轮胎之间；马达M，其作为电磁执行机构设置在减震器主体20上；逆变器(inverter)4，其向马达M供给来自电池7的电功率。
减震器主体20具有：外筒部件21；螺纹轴30，其设置在该外筒部件21的内部；内筒部件31，其一端被插入外筒部件21的内部；弹簧38，其设置于外筒部件21和内筒部件31之间。
外筒部件21具有：外筒22，其为圆筒形，螺纹轴30以能够旋转的方式轴支承于其内部；马达支承部24，其设置在外筒22的外周部，支承马达M；动力传递部件25，其将由马达M的输出轴S产生的动力传递给螺纹轴30。在外筒22的基端侧的内部设置有轴承23，其以螺纹轴30的基端部30a能够旋转的方式支承螺纹轴30的基端部30a。在外筒22的基端侧的外部设置有非簧载连接部26。另外，在外筒22的顶端侧的外周部设置有呈凸缘状的弹簧座部27，该弹簧座部27垂直于螺纹轴30的轴线而延伸。动力传递部件25具有设置于马达M的输出轴S上的第1带轮、设置于螺纹轴30的基端部30a的第2带轮和架设在该第1带轮和第2带轮上的环形传动带。
内筒部件31具有：内筒32，其为圆筒形，其顶端侧的一部分插入外筒22的内部；螺母33，其设置在内筒32的顶端侧。在螺纹轴30的外周面上形成有螺旋形的螺纹槽，该螺纹槽用于收装多个滚珠34。螺母33通过这些滚珠34与螺纹轴30旋合。因此，由上述螺纹轴30、螺母33和滚珠34构成滚珠丝杠。据此，外筒部件21和内筒部件31能够沿行程方向互相位移。在内筒32的基端侧的外部设置有簧载连接部35。另外，在内筒32的基端侧的外周部设置有呈凸缘状的弹簧座部36，该弹簧座部36垂直于轴线而延伸。
弹簧38例如为螺旋压缩弹簧，其以压缩的状态被夹装在外筒部件21的弹簧座部27和内筒部件31的弹簧座部36之间。因此，外筒部件21和内筒部件31被弹簧38向相互远离的方向施力。
马达M例如为三相交流无刷马达。马达M的输出轴S经由动力传递部件25连接于螺纹轴30。逆变器4响应由ECU6发出的马达电流指示信号，将由电池7供给的直流电转换为交流电并向马达M供给，或者将由马达M供给的交流电转换为直流电并向电池7供给。
作为簧载部件的车身连接于内筒部件31的簧载连接部35。另外，作为非簧载部件的轮胎经由未图示的悬架臂连接于外筒部件21的非簧载连接部26。
如上所述的电磁减震器2如下这样进行动作。
首先，当外筒部件21和内筒部件31沿行程方向相对位移时，螺纹轴30和螺母33沿行程方向相对位移，螺纹轴30旋转。螺纹轴30的旋转经由动力传递部件25传递给马达M的输出轴S，由此输出轴S旋转。同样，当马达M旋转时，外筒部件21和内筒部件31沿行程方向相对位移。像这样，外筒部件21和内筒部件31在行程方向上的相对位移、即电磁减震器2的伸缩和马达M的旋转联动。当马达M的输出轴S由于电磁减震器2的伸缩而旋转时，产生感应电动势，并产生与感应电动势相对应的转动阻力，从而针对电磁减震器2的伸缩产生阻尼力。另外，当马达M的输出轴S由于由电池7供给的电功率而旋转时，电磁减震器2沿行程方向产生向伸出侧或缩回侧的推动力，从而电磁减震器2进行伸缩。通过马达M和逆变器4之间电功率的授受来控制由电磁减震器2产生并施加给车身及轮胎的推动力和阻尼力。
车速传感器51检测车辆的速度即车速，并按照检测值将信号发送给ECU6。非簧载加速度传感器52设置在作为非簧载部件的轮胎上，检测作为轮胎的沿电磁减震器2的行程方向的加速度的非簧载加速度，并将与检测值相对应的信号发送给ECU6。
ECU6是由CPU、ROM、RAM、数据总线和输入输出接口等构成的车载计算机。ECU6按照存储在ROM中的程序，在CPU中执行各种运算处理，据此作为如下所说明的目标负载运算部61和马达电流运算部62发挥功能。
目标负载运算部61根据车速传感器51、非簧载加速度传感器52等各种传感器的检测信号，计算出目标负载，该目标负载为在电磁减震器2中由马达M所产生的负载的目标。下面，一边参照图2～图4，一边对在目标负载运算部61中计算目标负载的具体步骤进行说明。
图2是表示悬架系统1的机械模型的图。
用如图2所示的二自由度振动系统来表示悬架系统1，悬架系统1中由电磁减震器2连结作为非簧载部件的轮胎T和作为簧载部件的车身B。另外，电磁减震器2由弹性结构要素2a、减震结构要素2b、摩擦结构要素2c、马达结构要素2d并联而成的电磁减震器表示，其中，弹性结构要素2a的特征由弹性系数kd表示，减震结构要素2b的特征由粘性阻尼系数cd表示，摩擦结构要素2c的特征由摩擦系数fd表示，马达结构要素2d产生与目标负载相对应的负载。另外，轮胎T由弹性结构要素Ta来表示，其中，弹性结构要素Ta的特征由弹性系数kt来表示。
当设从轮胎T的规定的基准位置开始的位移量为“x1”，设从车身B的规定的基准位置开始的位移量为“x2”，设轮胎T的质量为“m1”，设车身B的质量为“m2”，设路面L的位置为“x0”，设由马达结构要素2d产生的负载为“Fm”时，图2所示的二自由度振动系统中的运动方程式用下面的公式(1-1)和(1-2)来表示。另外，在下面的公式(1-1)和(1-2)中，以在位移量x1、x2上添加一个点的形式来表示对位移量x1、x2进行时间上的微分得到的量、即轮胎T和车身B的绝对速度，还以在位移量x1、x2上添加两个点的形式来表示对这些绝对速度进行时间上的微分得到的量、即轮胎T和车身B的加速度。另外，以下还将从轮胎T的绝对速度中减去车身B的绝对速度所得到的速度称为车身B的相对于轮胎T的相对速度。另外以下还将轮胎T的加速度称为非簧载加速度。
【数学公式1】
Figure BDA0002059074600000071
Figure BDA0002059074600000072
在此讨论当轮胎T碰到高度为δx的台阶的情况。在该情况下，轮胎T产生与高度δx相对应的位移量δSt的挠曲，据此，如下面的公式(2)所示的弹力Ft作用于轮胎T。
【数学公式2】
Ft＝kt×δSt (2)
另外，当设作为轮胎T的基准位置和车身B的基准位置之间的间隔的基准间隔为“Sd”，设从轮胎T和车身B之间的间隔的所述基准间隔Sd开始的位移量、即电磁减震器2的行程量为“δSd”时，可认为，如图3中的虚线所示，作为在上述运动方程式(1-1)和(1-2)中与摩擦系数fd成正比的项的摩擦力Fd，在微小的行程量δSd时产生，并以规定值Fd-static达到饱和。因此，在作用于所述轮胎T的弹力Ft小于摩擦力Fd的情况下，行程量δSd大致为0，其结果，车身B上沿行程方向产生与弹力Ft成正比的加速度。
因此，如下面的公式(3)所示，在目标负载运算部61中，以使马达结构要素2d产生与由非簧载加速度传感器52得到的非簧载加速度成正比的负载Fm的方式计算出目标负载。更具体而言，如下面的公式(3)所示，目标负载运算部61以产生以下负载Fm的方式计算出目标负载：该负载Fm的方向为使车身B的相对于轮胎T的相对速度增大的方向、且其大小与非簧载加速度相对应。通过在马达结构要素2d中产生下面的公式(3)所示的负载Fm，如图3中的实线所示，能够使电磁减震器2中产生的摩擦力的特性为与行程量δSd呈线性关系。即，通过产生下面的公式(3)所示的负载Fm，能够实现与摩擦力比本来的摩擦力小的电磁减震器等效的特性，因此，即使上述那样的冲击作用于轮胎T，也能抑制该冲击传递给车身B。
【数学公式3】
Figure BDA0002059074600000081
图4是表示在目标负载运算部61中计算目标负载的具体步骤的功能框图。目标负载运算部61通过使用死区(dead band)滤波器611、增益设定部612、乘法部613和限幅器614，来计算作为所述负载Fm的目标的目标负载Fm-cmd。
死区滤波器611对非簧载加速度传感器52的检测信号进行死区滤波处理。更具体而言，在由非簧载加速度传感器52所获得的非簧载加速度的检测值在包含0的规定的死区宽度内的情况下，死区滤波器611输出值0，在非簧载加速度的检测值在所述死区宽度外的情况下，死区滤波器611直接输出该检测值。以下用“a1”表示经死区滤波器611进行的死区滤波处理得到的非簧载加速度的值。
另外，死区滤波器611按照由车速传感器51检测出的车速来改变这样的死区宽度。更具体而言，例如车速越大，死区滤波器611使死区宽度越窄。
增益设定部612设定正值的增益GA，该正值的增益GA相当于非簧载加速度a1和目标负载Fm-cmd的比值。增益设定部612以使目标负载Fm-cmd按照车速发生变化的方式，按照由车速传感器51检测出的车速改变增益GA的值。更具体而言，例如车速越大，增益设定部612使增益GA的值越大。
如下面的公式(4)所示，乘法部613通过将经死区滤波器611得到的非簧载加速度a1乘以由增益设定部612设定的增益GA，来计算出目标负载的基本值Fm-bs。
【数学公式4】
Fm-bs＝GA·a1 (4)
限幅器614通过对由乘法部613得到的目标负载的基本值Fm-bs进行限幅处理，来计算出目标负载Fm-cmd。如上面的公式(4)所示，目标负载的基本值Fm-bs与轮胎T的沿行程方向的加速度成正比。因此，当直接使用由乘法部613得到的基本值Fm-bs时，例如在较大的冲击沿行程方向作用于轮胎T的情况下，电磁减震器2中产生的负载大幅地超过摩擦力Fd，其结果，有时轮胎T暴走，而损害车辆的操纵稳定性。
因此，限幅器614通过限制由乘法部613算出的目标负载的基本值Fm-bs来计算出目标负载Fm-cmd，以使电磁减震器2中产生的负载Fm不超过摩擦力Fd。更具体而言，在由乘法部613算出的基本值Fm-bs在预先规定的为正值的上限值Fm-U以下且在为负值的下限值Fm-L以上的情况下，限幅器614直接将基本值作为目标负载(Fm-cmd＝Fm-bs)，在基本值Fm-bs比上限值Fm-U大的情况下，将上限值作为目标负载(Fm-cmd＝Fm-U)，在基本值Fm-bs比下限值Fm-L小的情况下，将下限值作为目标负载(Fm-cmd＝Fm-L)。
回到图1，为了在电磁减震器2中实现由目标负载运算部61算出的目标负载Fm-cmd，马达电流运算部62生成马达电流指示信号，并将其输入逆变器4，其中马达电流指示信号相当于向马达M供给的电流的目标。据此，向马达M供给与马达电流指示信号相对应的电流，马达M对非簧载部件和簧载部件产生与目标负载Fm相对应的负载。
图5是表示由ECU6对电磁减震器2进行控制的一个例子的时序图。在图5中，按从上到下的顺序依次示出由非簧载加速度传感器52检测出的非簧载加速度[m/s2]、在电磁减震器2中由马达M产生的负载[N]、与相对速度成正比的阻尼力[N]以及将上述负载和阻尼力合并所得到的电磁减震器2的输出[N]。另外，在图5中，示出在时刻t2～t5轮胎T碰到如图2所示的台阶时对电磁减震器2进行控制的一个例子。
如图5所示，由于非簧载加速度传感器52中的噪声、路面上轻微的凹凸，即使在轮胎T碰到台阶的时刻t2～t5以外的期间，非簧载加速度也轻微振动。与此相对，在ECU6中，使用对非簧载加速度传感器52的检测信号实施死区滤波处理而得到的非簧载加速度，计算出目标负载。因此，在非簧载加速度传感器52的检测值在死区宽度内的期间，由马达M产生的负载为0，仅在非簧载加速度传感器52的检测值超出死区宽度的时刻t1、t2～t5、t6等时刻由马达M产生负载。
另外，如图5所示，当在时刻t2～t5的期间轮胎T碰到台阶时，非簧载加速度增大。ECU6通过将非簧载加速度乘以规定的增益来计算出电磁减震器2的目标负载，其中，所述非簧载加速度是通过对非簧载加速度传感器52的检测信号进行死区滤波处理而得到的。据此，如图5所示，在时刻t2～t5的期间，产生以下负载：该负载的方向为使相对速度增大的方向、即方向与阻尼力的方向相反，且其大小与非簧载加速度成正比。在时刻t2轮胎T刚刚碰到台阶以后，在妨碍电磁减震器2伸缩的方向上产生摩擦力，因此，电磁减震器2难以沿行程方向伸缩。与此相对，ECU6通过使用马达M产生与非簧载加速度成正比的负载，能够如虚线5a所示那样施加用于抵抗摩擦力而促进电磁减震器2伸缩的辅助力。
另外，当像这样产生大小与非簧载加速度成正比的负载时，在时刻t3～t4的期间非簧载加速度大幅变化的情况下，有时会出现由马达M产生的负载超过摩擦力，加剧轮胎T的暴走的情况。与此相对，ECU6通过实施限幅处理来将目标负载Fm-cmd限制在规定的上限值Fm-U和下限值Fm-L之间，能够如图5中的虚线5b所示那样实现不产生超过摩擦力的负载。
根据本实施方式所涉及的悬架系统1，可以取得以下的效果。
(1)ECU6控制马达M以使其产生以下负载：该负载的方向为使车身B的相对于轮胎T的相对速度增大的方向，且其大小与非簧载加速度相对应。据此，例如在由于轮胎T碰到台阶而使非簧载加速度增大的情况下，产生大小与该非簧载加速度相对应的负载，该负载的方向为使相对速度增大的方向，即减少电磁减震器2的摩擦力。因此，根据悬架系统1，能够实现与摩擦力比本来的摩擦力小的电磁减震器等效的特性，因此，即使冲击作用于轮胎T，也能够抑制该冲击传递给车身B。
(2)在非簧载加速度在包含0的死区宽度内的情况下，ECU6使负载为0。根据悬架系统1，通过针对非簧载加速度设置这样的死区，能够防止由于非簧载加速度传感器52中的噪声、轮胎T的微小震动等而在电磁减震器2中产生负载，因此能够提高车辆的乘车舒适性。
(3)ECU6按照车速来改变所述死区宽度。据此，能够按照车速来改变产生大小与非簧载加速度相对应的负载的区域，因此，能够进一步提高车辆的乘车舒适性。
(4)在悬架系统1中，限制负载以使其不超过电磁减震器2的摩擦力。据此，能够抑制轮胎T的暴走。
(5)ECU6按照车速来改变负载的大小。据此，能够产生与车速相对应的合适大小的负载。
以上对本发明的一个实施方式进行了说明，但是本发明并不仅限于此。也可以在本发明的主旨的范围内对细节部分的结构进行适当变更。

Claims (5)

1.一种车辆的悬架系统，其具有：
电磁减震器，其设置在车辆的簧载部件和非簧载部件之间，通过电磁执行机构对所述簧载部件和所述非簧载部件施加沿行程方向的阻尼力和推动力；
加速度传感器，其检测所述非簧载部件的沿所述行程方向的非簧载加速度；和
控制装置，其控制所述电磁执行机构，
所述车辆的悬架系统的特征在于，
所述控制装置控制所述电磁执行机构以使其产生以下负载：该负载的方向为使所述簧载部件相对于所述非簧载部件的相对速度增大的方向，且该负载的大小与所述非簧载加速度相对应。
2.根据权利要求1所述的车辆的悬架系统，其特征在于，
在所述非簧载加速度在包含0的死区宽度内的情况下，所述控制装置使负载为0。
3.根据权利要求2所述的车辆的悬架系统，其特征在于，
所述控制装置按照车速来改变所述死区宽度。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的车辆的悬架系统，其特征在于，
所述控制装置限制负载以使其不超过所述电磁减震器的摩擦力。
5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的车辆的悬架系统，其特征在于，
所述控制装置按照车速来改变负载的大小。
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