CN111565956A - 悬架和牵引系统 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于车辆的悬架和牵引系统，所述车辆配备有框架和推进元件(92)，该推进元件(92)通过在地面上滚动来推进。电致动器(M3)用于确定推进元件的转向角(β)。

Description

悬架和牵引系统
技术领域
本发明总体上涉及一种特别是电动车辆中的悬架和牵引系统。
背景技术
在最新一代电动车辆中，牵引装置已被直接设置到车轮中。例如WO2015155670描述了彼此独立地控制的两个电动马达，该电动马达可以改变车架与车轮之间的距离。然而没有给出如何使车轮转向的指示，由于结构的复杂性，这是特别具有挑战性的问题。
发明内容
本发明的主要目的是改进WO2015155670，特别是通过解决类似系统中的转向问题来对其进行改进。
通过根据随附权利要求的系统和/或方法来实现该目的，其中从属权利要求限定了有利的变型。
提出了一种用于车辆的悬架和牵引系统，所述车辆配备有底盘和推进元件，该推进元件通过在地面上滚动来推进，并且适于使车辆相对于地面移动，该系统包括：
-两个旋转的电动马达，该电动马达：
安装成沿着相同的方向向推进元件施加角向扭矩，以在地面上推进车辆，
彼此可独立控制，并且
每个电动马达包括定子和转子；其中，
两个转子：
联接至推进元件，以通过传动轴将其旋转运动传递到该推进元件，和
具有相对于车架固定的公共旋转轴线；并且
所述定子：
可控制以围绕相应的转子彼此独立地旋转，和
刚性地连接至电动马达外部的基本上同一点，以在该点上施加由这些定子沿着相反的角方向围绕其相应的转子的协调的角位移所产生的推力；
-将在所述点上产生的推力传递到推进元件的传动装置，该推力由此确定了推进元件相对于车架的相对位置，
-安装成施加推进元件的转向角的电致动器(例如旋转马达或线性致动器)。
确定转向角意味着确定推进元件的瞬时前进方向。在旋转的车轮中，该方向可以用几何的方式由与瞬时旋转轴线正交的矢量或由与旋转轴线正交并穿过车轮的平面的方向来表示。
转子在本领域中通常用于指示相对于定子旋转的部件，而定子是电动马达的固定部件。然而，根据本发明，转子和定子都可以运动，但转子是旋转最多的部分，因为转子向推进元件提供旋转运动。转子以必要的RPM旋转，以将动能传递至推进元件。如果需要的话并且当需要在将所述推力传递至所述点时，定子角向地运动。因此，本发明中的转子或定子总体上是指电动马达的这样两个部件，其在适当的通电之后可以以旋转运动相对地运动。然而，通常使用的定义对于在常用的电动马达中如何识别出如上所述的转子或定子的相应部件是有用的，这些部件可以互换地使用。
通过使定子围绕转子的公共旋转轴线运动，在所述点上产生力，该力可以用于改变悬架，例如改变所述点与推进元件之间的距离。
WO2015155670的图2表示出了一般原理，本文包括该文献作为参考，并且将其转呈给读者。两个电动马达被控制以将扭矩传递至推进元件，并且(例如相对于地面或推进元件)调节框架的高度或距离。注意，为了在所述点上产生力，也可以：
-仅使一个定子围绕转子的公共旋转轴线运动；和/或
-使两个定子沿着相同的角方向围绕转子的公共旋转轴线运动。
在这些情况下，所述点也将围绕轴线X旋转或仅围绕轴线X旋转。
利用上述构造，不仅可以为车辆的空转车轮配备电动马达，而且还可以为其配备一体式悬架。
由于定子可以相对于各自的转子成角度地运动，因此可以调节它们围绕转子(以及相对于转子的旋转轴线)的角位置，例如通过控制定子在其转子上施加的扭矩来进行。对每个定子的位置的调节转化成对所述点相对于推进元件的位置或高度以及由此框架相对于推进元件的位置或高度的调节。实际上，当在所述点上产生的推力传递至推进元件时，框架通过反作用力远离推进元件运动。
该系统的其他重要优点是，它允许车辆配备主动悬架，使其能够根据道路和驾驶条件而调节其平衡，并且该系统易于集成到最常见的悬架标准中，从而可以将其安装在新车或已有的车辆上。
另一优点是电动马达通过轴与推进元件分开，因此，由推进元件吸收的应力不会释放在电动马达上。如果传动轴包括通过接合部(例如万向节)彼此连接的至少两个节段，并且推进元件的旋转轴线相对于转子的旋转轴线偏移，则该效果得到进一步改善。这允许将电动马达放置在受到更多保护和/或易于联接到车载电子设备的位置。
电动马达也可以通过不同的和/或更复杂的包括轴的运动学元件与推进元件分开。
另一优点在于，在车辆的启动或加速阶段，系统可以获得出乎意料的动力学效果。通过控制电动马达，以同时使转子向推进元件施加旋转扭矩和使定子运动以在推进元件上产生指向地面的力，大大改善了推进元件在地面上的初始附着力。因此，车辆可以在推进元件不磨蹭或打滑的情况下加速。
在制动阶段也可发生同样的情况，在该制动阶段，可以控制电动马达使定子运动以在推动元件上产生指向地面的力。因此，增加了车辆在制动期间的附着力。
总而言之，通过上述控制，可以产生力，该力在车辆处于静止或在运动中或者在加速或制动期间切向地并垂直于地面地推动推进元件。同样的现象自然发生在非常敏捷的掠食性猫科动物中，例如猎豹，这种动物通过不仅向后而且向地面推动其后腿来加速。
该系统的另一优点是可以将安全装置或驻车盘式制动器容纳在推进元件上，因为致动元件在推进元件的外部。
对于静止的推进元件，由于定子在(静止的)转子上施加的反作用力，该系统也可以工作。
优选地，转子通过旋转轴承(例如滚珠或圆柱滚子轴承)联接至框架，并安装成保持转子的旋转轴线相对于框架固定。
将在所述点上产生的推力传递到推进元件的传动装置可以具有多种实施例。
传动装置可以构造成使得推力优选地还使所述点产生位移，该位移可被用来借助于具有适当的返回装置的绳索或链条来移动推进元件。在另一实施例中，传动装置包括流体，通过所产生的推力来实现该流体的压缩。压力的升高使推进元件运动，这例如通过液压活塞来实现。
用于传递推力的传动装置优选地构造成使在所述点上产生的推力的方向反向，以使其指向推进元件。为此目的，并且为了构造简单，所述传动装置优选地包括：
在框架上枢转的杠杆，
杠杆包括用于所述产生的力的施加点和朝向推进元件的力传递的点，使得当所述产生的力使得施加点移动时，杠杆使力传递的点移动。
特别地，杠杆包括相对于框架固定的摆动轴线，使得杠杆相对于框架摆动(例如像摇臂一样)。优选地，杠杆的摆动轴线在用于所述产生的力的所述施加点和对推进元件的力传递的点的中间。以这种方式，杠杆能够使施加点的位移方向反向，从而有利于将力传递到推进元件。
特别地，杠杆通过两个相应的刚性臂连接到定子，其中，每个刚性臂具有连接至定子的点或端部，以及连接至杠杆的点或端部。
特别地，杠杆的摆动轴线基本上正交于穿过所述传动轴和/或转子的旋转轴线的竖直平面。
特别地，推进元件通过刚性臂连接至杠杆。
优选地，该系统包括用于控制所述电动马达的电子控制单元。这允许使用数字算法来进行精确的特别是可靠的控制。
优选地，电子控制单元构造成：
控制第三致动器，以根据由车辆驾驶员设定的基准值施加推进元件的转向角。
例如可以通过方向盘或操纵杆或模拟接口的其他方式来设置该基准值。电子控制单元连接至传感器，以检测驾驶员在方向盘或操纵杆或模拟接口上的动作。电子控制单元根据传感器感测到的信号来确定或计算之后将通过第三致动器施加到车轮上的方向基准值。
优选地，电子控制单元构造成根据1)所述方向基准值和2)指示所述相对位置的值来计算所述转向角。
可以使用该变型来解决颠簸转向问题。颠簸转向表示车轮在沿着悬架行程移动时不顾驾驶员的控制进行转向的趋势。该问题经常遇到，因为当车轮碰到隆起或凹陷时，颠簸转向会使车辆自己转动。不言而喻，在即使是起伏不平的道路上也能够控制车辆是便利的。因此，如上所定义的那样被计算的转向角可以包括两个贡献值/作用值/起作用的因素，并且关于指示所述相对位置的值的那个贡献值可以用于解决颠簸转向问题，或者用于补偿由于颠簸转向引起的转向的不精确性。
本发明的另一方面涉及一种颠簸转向补偿方法。应当理解，本文描述的方法的每个步骤优选地由电子控制单元执行，该电子控制单元例如是可编程的(像微处理器或DSP一样)，并且通过软件程序指令来执行该方法。
该方法提供例如对实际转向角和所述相对位置的实际值的实时检测。利用这两个值，例如通过表格或数学函数，为第三致动器产生控制信号，以始终使转向回复到驾驶员设定的值，该值等于在没有道路缺陷时的值。
或者，该方法提供对实际转向角的实时检测，并且将其与标称转向角(即由驾驶员设定的值，该值等于在没有道路缺陷时的值)进行比较。两个值之间的差值或不相等由颠簸转向造成。例如可以通过减法来执行对由驾驶员设定的值与检测到的实际值之间的所述比较，以计算两者之间的差值，但是其他阐述也是可能的。例如，在实际转向角和标称转向角之间建立顺序关系就足够了，例如确定两者中的哪一个较大，或者计算指示相等或不相等的二进制值。
优选地，通过处理所述差值或所述顺序关系或者所述比较结果——例如通过表格或数学函数来处理，为第三致动器产生控制信号，以使转向始终回复到由驾驶员设定的值，该值等于在没有道路缺陷时的值。
优选地，所述差值或所述顺序关系或者所述比较的结果可以变成校正信号(例如反馈系统的输入)，以实时修改和校正转向角的值。甚至更优选地，将所述校正信号发送到第三致动器以产生校正移位，以根据需要使转向角回到标称值。
为了简化系统，其优选地包括用于检测所述相对位置的传感器。传感器连接至电子控制单元，并且向它发送指示相对位置的信号。
更优选地，通过处理来自第一和第二电动马达的反馈信号来获得指示所述相对位置的值或信号。换句话说，使用已经存在于马达上的电子控制器或预先布置在其上的传感器作为传感器。特别地，通过处理与第一和第二马达的定子的角位置有关的位置信号来获得指示所述相对位置的值或信号。该解决方案是上面定义的主动悬架结构的特征，并且具有利用系统中已经存在的部件和/或信号来增加颠簸转向补偿的优点。
因此，该方法大体上设置成根据所述基准值和指示定子的所述相对位置的值来计算所述转向角，以校正由推进元件相对于其滚动平面的竖直摆动(例如由于凹陷或隆起引起)所引起的相对于所述基准值的偏差。
附图说明
从下文参考附图对悬架和牵引系统的优选实施例的描述中，本发明的优点将更加清楚，图中：
-图1示出了原理框图；
-图2示出了用于计算对于转向角的校正值的框图；
-图3示出了简化的机械方案，所示部件处于使用中；
-图4示出了电致动器的横截面。
具体实施方式
图中，部件之间的箭头表示信号线，其中，箭头指向接收信号的部件。
所示系统MC用于控制推进元件(为车轮92的形式)的转向运动。车轮92通过在地面T(图3)上滚动，使相关联的车辆(未示出)运动。系统MC例如被复制用在车辆的所有车轮上。
系统MC包括：
两个相同的旋转的电动马达M1、M2，它们能够通过轴90使车轮92旋转；和
第三致动器或马达M3。
例如，可以通过逆变器或具有已知拓扑的电力功率级来获得对马达M1、M2、M3的电力供应。
例如基于微处理器的电子控制单元U被编程或构造成控制马达M1、M2。例如，通过控制逆变器或电力功率级，控制单元U能够控制车轮92的转速以及点P和Q的高度(参见下文)。为此，电子控制单元U通过信号线M1L、M2L控制电动马达M1、M2，并且通过信号SM3*控制第三致动器或马达M3。
两个电动马达M1、M2由相应的定子M1s、M2s和相应的转子M1r、M2r构成。
转子M1r、M2r同轴，并且具有用X表示的公共旋转轴线。轴线X相对于车架是固定的，例如通过将转子M1r、M2r和/或轴90安装在具有与车架成为一体的环的滚珠轴承(未示出)上。
每个定子M1s、M2s连接至相应的刚性臂22、24，这些臂22、24连接至位于电动马达M1、M2外部的公共点P。
点P属于或连接至杠杆40的端部，该杠杆40大约在其自身中心处围绕相对于车架固定的轴线Y摆动。杠杆40的另一端(点Q)通过刚性臂26连接至车轮92的轮毂94。
优选地，车轮92还连接至悬架臂B，例如弹簧驱动式或阻尼振动臂。
转子M1r、M2r围绕轴线X的旋转使车轮92围绕其旋转轴线W旋转。
通过控制对电动马达M1、M2的功率供应(即通过提供比车轮92的所需功率更多或更少的功率)，可以使定子M1s、M2s围绕轴线X同时沿着相反的角方向(即一个沿着顺时针方向，一个沿着逆时针方向)运动。
例如，可以使臂22、24升高并向上推动点P(在这种情况下，点P移动远离轴线X)。然后，杠杆40围绕轴线Y旋转(由杠杆40与水平面形成的角度α变化)，并且使点Q向下移动。随后，臂26将轮毂94向下朝着地面推动，从而除了其他方面之外，实现在该示例中平行的轴线W和轴线X之间的距离变化。在该示例中，轴线Y正交于穿过X(和/或W)的假想竖直平面。
轮毂94的向上运动可以通过使对于先前情况所述的所有运动反向来实现(点P接近轴线X)。
应当注意，由转子M1r、M2r向车轮92施加的旋转扭矩和由定子M1s、M2s施加在车轮92上的朝向地面的力是可独立控制的变量。因此，例如在加速期间，可以将车轮92进一步推向地面以增加其抓地力。
第三马达或致动器M3安装在车辆上，以经由驱动构件91(例如刚性臂)在车轮92上施加力。控制由第三马达或致动器M3产生的力，以改变转向角β(见图1和3)，即，使车轮92围绕穿过车轮92的地面支撑点的竖直轴线K旋转。
电子控制单元U也控制第三马达或致动器M3。此外，电子控制单元U连接至：
-转向控制构件80(例如方向盘或钟形件)，该转向控制构件80向电子控制单元U的输入端发送用于转向的基准信号ST*。信号ST*包含与驾驶员对车辆的期望方向有关的信息或数据；和
-车速控制构件82(例如踏板加速器或操纵杆)，该车速控制构件82向电子控制单元U发送对于速度或加速的基准信号ACC*。信号ACC*包含与驾驶员对车辆的期望速度或加速度有关的信息或数据；和
-车速传感器84(例如光学编码器或转速计)，该车速传感器84向电子控制单元U发送关于车轮92的实际角速度或加速度的信号V*。信号V*包含与车轮92以及由此车辆的实际角速度或加速度有关的信息或数据。
电子控制单元U被编程为：
读取信号ST*，并且驱动马达M3以获得期望的转向(即期望的角度β)，和
读取信号ACC*和来自速度传感器84的信号，然后驱动马达M1、M2，以通过例如已知的反馈控制方案将车速保持在设定的基准值。
为了解决颠簸转向(bump steering)问题，系统MC的工作方式如下，参见图2，图2示出了描述控制单元U中的计算步骤的框图。
在电子控制单元U中通过计算模块W1处理信号ST*，以产生转向角的基准值β*，然后，计算模块W2处理该基准值β*，以产生电子基准值SM3*，该电子基准值SM3*用于驱动马达M3，以获得期望的转向角。例如，电子基准值SM3*是作用在马达M3上的反馈控制的输入基准值。
为了补偿颠簸转向，计算模块W2产生作为第二信号S的函数的电子基准值SM3*，其中，S表示车轮92的平面与其标称值(没有碰撞、隆起或凹陷时的值，或者与车辆的直线轨迹相关的值)相比的偏差。
换句话说，SM3*＝F(S；β*)，其中，F()是在模块W2中执行的二变量数学函数或算法。
例如，可以由以下各项计算信号或数据S：
-分别来自于马达M1、M2的并在之后由计算模块W3处理的反馈M1f、M2f的信号LV，，和/或
-来自于实时检测角度α的传感器88的信号αcurrent。
电子控制单元U例如在模块W4(例如是减法器)中计算偏差：
Δα*＝α*-αcurrent
并且使用Δα*作为用于计算电信号SM3*的函数或算法的另一个自变量。例如通过计算模块W5处理信号ST*来获得角度基准值α*。
当车轮92不具有其在平坦或规整的地面上应有的高度时(例如Δα*≠0的情况)，借助于模块W2，改变电信号SM3*，以补偿由于车轮92的悬架变化而引起的转向变化，即颠簸转向。也就是说，模块W2向电信号SM3*加入了从信号LV或Δα*得到的贡献值/作用值，只要在悬架中仍存在异常，该贡献值就存在，并且作为LV和/或Δα*的函数的该贡献值转化为马达M3在车轮92上的校正运动。所述校正运动重新确立了正确的角度β，该角度β保证了由信号ST*设置的并且期望的转向方向。在所示的示例中，所述校正运动包括构件91的移位。
模块W2例如可以是查找表，其具有两个或三个输入索引(例如Δα*、LV和β*)以及一个输出数据(即SM3*)。对于每个β*以及LV和/或Δα*的各值，该查找表都包含电信号SM3*的表列值。或者，可以在数字域中实时执行模块W2中的计算，这例如在图2中的信号是数字式(即通过采样获得)或模拟式的情况下进行。
图2的表示仅是对一般逻辑的说明，一些计算模块能够以不同的方式实现或甚至不存在。系统不一定必须提供对LV或Δα*的计算，这两项中的一项或另一等同信号就足够了。
或者可以通过利用其他信号来推导信号SM3*。例如，如图所示的一些计算模块或全部计算模块可以彼此集成，或者仅用一种在微处理器中计算的算法来实现。
图4示出了致动器M3的示意图。它是配备有丝杠70和循环滚珠螺母72的旋转的电动马达。丝杠70与构件91(例如活塞)成为一体，螺母72与马达50的转子74成为一体。可选地但有利地具有例如由橡胶制成的保护盖76，以防止灰尘进入丝杠。
对马达50的控制允许构件91往复运动，以控制角度β。
系统MC不排除多种变化和变型。
电动马达M1、M2不一定必须相同。
优选地在轴90上安装至少一个接头(例如万向节/卡登接头)，以允许或便于轴线W和X的偏移和/或轴线W的不同取向。
每个定子M1s、M2s也可以通过与臂22、24不同的装置连接到点P，并且点P不一定代表几何点，为了满足机械需求，它也可以是延伸元件/延伸元素，其中定子M1s、M2s在稍微隔开的点处连接至该延伸元件/延伸元素。
杠杆40可以在除了其中心以外的点处摆动，并且可以例如通过简单的枢转来获得相对于车架固定的轴线Y。
杠杆40上的点Q和P的布置以及用于将通过移动定子M1s、M2s而产生的力从点Q传递至车轮92的装置也可以改变。
优选地，在车轮92和框架之间安装与臂26平行的机械(例如螺旋)弹簧或气弹簧，以补偿框架的重量。
图1和/或图2的信号可以是数字式(例如通过电参量的采样获得)或模拟式。
马达M3也可以是气动型。
车轮悬架的运动链不是必不可少的，使用电动马达足以能够改变车轮-框架距离。

Claims (10)

1.一种用于车辆的悬架和牵引系统，所述车辆配备有底盘和推进元件(92)，所述推进元件(92)通过在地面上滚动来推进，并且适于使所述车辆相对于地面移动，所述系统包括：
-两个旋转的电动马达(M1、M2)，所述电动马达(M1、M2)：
安装成沿着相同的方向对所述推进元件施加角向扭矩，以在地面上推进所述车辆；
能被彼此独立地控制，并且
每个所述电动马达均包括定子(M1s、M2s)和转子(M1r、M2r)；
其中，两个所述转子(M1r、M2r)：
联接至所述推进元件(92)，以通过传动轴(90)将旋转运动传递到所述推进元件(92)；和
具有相对于所述车辆的车架固定的公共旋转轴线(X)；并且
所述定子(M1s、M2s)：
可控制以围绕相应的转子彼此独立地旋转，和
刚性地连接至所述电动马达的外部的基本上同一点(P)以施加推力，所述推力由这些定子沿着相反的角向方向围绕相应的转子的协调的角位移所产生；
-机械传动装置(26)，用于将在所述点(P)上产生的推力传递到所述推进元件，所述推力由此确定了所述推进元件相对于所述车架的相对位置，
其特征在于，所述系统包括：
安装成确定所述推进元件的转向角(β)的电致动器(M3)。
2.根据权利要求1所述的系统，包括用于控制所述马达的电子控制单元(U)，其中，所述电子控制单元构造成：
控制所述致动器，以根据由所述车辆的驾驶员设定的基准值(ST*)来施加所述推进元件的转向角。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述电子控制单元构造成根据所述基准值(ST*)和指示所述相对位置的值(αcurrent)来计算所述转向角。
4.根据权利要求2或3所述的系统，包括用于检测所述相对位置的传感器(88)。
5.根据权利要求2或3或4所述的系统，其中，所述电子控制单元构造成通过处理来自于所述第一马达和第二马达的反馈信号(M1f、M2f)来计算指示所述相对位置的值。
6.根据权利要求2或3或4或5所述的系统，其中，所述电子控制单元构造成通过处理相对于所述第一定子和第二定子的角位置的位置信号(M1f,M2f)来计算指示所述相对位置的值。
7.根据权利要求2或3或4或5或6所述的系统，其中，所述控制单元构造成根据所述基准值(ST*)和指示所述相对位置的值(αcurrent)来计算所述转向角(β)，以校正由所述推进元件相对于其滚动平面的竖直摆动所引起的相对于所述基准值的偏差。
8.一种颠簸转向校正方法，该方法在根据上述权利要求中任一项所述的系统中实施，并且包括计算步骤，该计算步骤根据基准值(ST*)和指示推进元件和车架的相对位置的值(αcurrent)来计算待施加在所述推进元件上的转向角(β)，
从而校正由所述推进元件相对于其滚动平面的竖直摆动引起的相对于所述基准值的偏差。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，例如通过表格或数学函数从计算出的转向角(β)产生用于致动器的控制信号。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，
实时检测当前转向角(αcurrent)，
将所述当前转向角(αcurrent)与标称转向角(ST*)进行比较，所述标称转向角(ST*)即由驾驶员设定的值，并且等于在没有道路缺陷时的值；
对比较结果(▽α)进行处理，以产生用于作用在所述推进元件(92)上的致动器(M3)的校正控制信号(SM3*)，所述致动器(M3)特别是所述第三致动器，
从而由所述校正信号引起的所述致动器的位移使所述转向角(β)回复至由驾驶员设定的并等于在没有道路缺陷时的值的值(ST*)。
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