CN111688812B - 车身侧倾驱动机构及设计方法 - Google Patents

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CN111688812B CN202010557967.5A CN202010557967A CN111688812B CN 111688812 B CN111688812 B CN 111688812B CN 202010557967 A CN202010557967 A CN 202010557967A CN 111688812 B CN111688812 B CN 111688812B
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D24/00—Connections between vehicle body and vehicle frame
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
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Abstract

本发明涉及车辆底盘技术领域，公开了一种车身侧倾驱动机构及设计方法，车身侧倾驱动机构包括：车架、车身、曲柄、连杆、摇杆、定位杆，曲柄、连杆、摇杆、定位杆顺序转动连接，形成同一相对运动平面内的曲柄摇杆机构，摇杆与车身固定连接，定位杆与车架固定连接；提供了车身侧倾驱动机构各杆长度、侧倾函数β＝f(α)、侧倾驱动减速比设计方法，采用曲柄摇杆机构驱动车身侧倾运动，由摇杆极限位置实现侧倾限位，由极位夹角实现不同的减速比，同时提供了同向和反向两种传动方式，应用于车辆在过弯时或者驶过倾斜路面时车身主动倾斜一定角度来抵抗离心力或侧翻力，保持车辆稳定的行驶姿态。

Description

车身侧倾驱动机构及设计方法
技术领域
本发明涉及一种车身侧倾驱动机构及设计方法，属于车辆底盘技术领域，特别涉及车身侧倾驱动及控制技术范畴。
背景技术
主动侧倾控制系统通过控制车辆在转弯时向转弯内侧倾斜程度，提高了车辆转弯时的操纵稳定性、平顺性、通行速度和安全性，车辆主动侧倾技术可以使车辆在过弯时或者驶过倾斜路面时自动倾斜一定角度，产生一个平衡力矩，来抵抗车辆受到的离心力或侧翻力，以保持车辆稳定的行驶姿态。
车辆主动侧倾技术通常由车身独立侧倾、车身和车轮联动侧倾两种方式实施，其中：车身和车轮联动侧倾方式，车身侧倾与车辆转向运动相互影响，车辆转弯时的操纵稳定性、平顺性和安全性较好，需要采用两轮独立转向或四轮独立转向，或者采用由侧倾机构和转向机构联动组成的车辆转向侧倾联动装置实现，但结构复杂、造价高，适宜于高端车辆；车身独立侧倾方式，车身侧倾与车辆转向运动独立进行、互不干涉，可以采用任意的转向机构，结构简单、造价低，通常由致动器经过减速器减速驱动或者直接驱动车身相对车架转动，造成车辆转弯时的操纵稳定性、平顺性及安全可靠性较差；探索车身独立侧倾驱动方式，研究车身独立侧倾传动、控制方法，为降低主动侧倾车辆造价、提高车身独立侧倾车辆性能具有理论意义和实用价值。
发明内容
本发明目的是要提供一种车身侧倾驱动机构及设计方法，采用曲柄摇杆机构驱动车身侧倾运动，由摇杆极限位置实现侧倾限位，由极位夹角实现不同的减速比，应用于车辆在过弯时或者驶过倾斜路面时车身主动倾斜一定角度来抵抗离心力或侧翻力，以保持车辆稳定的行驶姿态。
为了达到本发明的目的所采取的技术方案如下：
车身侧倾驱动机构包括：车架(1)、车身(2)、曲柄(3)、连杆(4)、摇杆(5)、定位杆(6)，曲柄(3)、连杆(4)、摇杆(5)、定位杆(6)顺序转动连接，各连接点M、S、T、N处相对转动轴线互相平行，形成同一相对运动平面内的曲柄摇杆机构MSTN，摇杆(5)与车身(2)固定连接，摇杆(5)上N、T点位于车身对称线上、且NT线与车身水平面垂直，定位杆(6)与车架(1)固定连接，车身侧倾中心N位于车架中线上、且NM线与车架水平面夹角为安装角γ，组成车身侧倾驱动机构；
其中：致动器驱动曲柄(3)相对车架(1)绕M点转动、致动角α，车身(2)相对车架(1)绕N点转动、侧倾角β，侧倾函数β＝f(α)，当α＝0时、β＝0，当α＝α1时曲柄(3)与连杆(4)重叠共线、β＝-β0车身右极限侧倾，右侧倾减速比iR＝-α1/β0；当α＝α2时曲柄(3)与连杆(4)拉伸共线、β＝β0车身左极限侧倾，左侧倾减速比iL＝α2/β0。
上述的车身侧倾驱动机构中，改变曲柄摇杆机构MSTN与车架和车身的连接方式，实现车身侧倾中心距离地面高度的变化，包括：车架(1)、车身(2)、曲柄(3)、连杆(4)、摇杆(5)、定位杆(6)，曲柄(3)、连杆(4)、摇杆(5)、定位杆(6)顺序转动连接，各连接点M、S、T、N处相对转动轴线互相平行、形成同一相对运动平面内的曲柄摇杆机构MSTN，定位杆(6)与车架(1)固定连接，定位杆(6)上N、M点位于车架中线上、且NM线与车架水平面垂直，摇杆(5)与车身(2)固定连接，车身侧倾中心N位于车身对称线上、且NT线与车身水平面夹角为安装角γ，组成一种车身侧倾驱动机构，满足侧倾函数β＝f(α)；车身侧倾中心N位于车架(1)上方为上置式车身侧倾驱动机构，车身侧倾中心N位于车架(1)下方为下置式车身侧倾驱动机构，车身侧倾中心距离地面高度影响车辆侧倾性能。
车身侧倾驱动机构设计方法包括：
①车身侧倾驱动机构转角函数关系
车身侧倾驱动机构中MSTN属于曲柄摇杆机构，曲柄MS、连杆ST、摇杆NT、定位杆NM各杆长度分别为a、b、c、d，曲柄MS为主动件、输入转角θ1，摇杆NT为从动件、输出转角θ3；
车身侧倾驱动机构输入、输出转角函数关系θ3＝p(θ1)：
Figure BSA0000211736930000021
摇杆右极限位置为曲柄与连杆重叠共线，相对位置关系为：
Figure BSA0000211736930000022
其中：曲柄与连杆重叠共线时，θ10、θ30为曲柄、摇杆分别与定位杆之间夹角，θ10＞0、θ30＞0；
摇杆左极限位置为曲柄与连杆拉伸共线，摇杆两极限位置夹角2β0，则θ3＝θ30～(θ30+2β0)，与摇杆两极限位置相对应的两曲柄之间夹角α0，为曲柄摇杆机构极位夹角α0＜90°；
主动件曲柄输入转角θ1，取θ1＝-θ10～[(180°+α0)-θ10]，θ3与θ1同向转动；
②车身侧倾驱动机构参数设计
给定：c、β0、α0，由摇杆两个极限位置条件和极位夹角条件：
c/sinθ10-(b-a)/sinθ30＝0
c/sin(θ10-α0)-(b+a)/sin(θ30+2β0)＝0
(b-a)2+(b+a)2-2(b-a)(b+a)cosα0-(2c sinβ0)2＝0
三个方程求解三参数：a、b、d，获得车身侧倾驱动机构各杆长a、b、c、d；
③车身不侧倾时，曲柄中位角求解
将θ3＝θ30+β0，代入下式：
Figure BSA0000211736930000031
由θ1＝q(θ3)，求解得θ11＝q(θ30+β0)，曲柄中位角θ11为侧倾角等于0时曲柄与定位杆之间夹角、θ11＞0；
④车身侧倾驱动机构侧倾函数确定
取：θ1＝α+θ11，θ3＝β+(θ30+β0)，对于函数θ3＝p(θ1)，进行参数替换，获得侧倾函数β＝f(α)，β与α同向转动；
由于θ1＝-θ10～[(180°+α0)-θ10]、且α＝θ1-θ11，侧倾函数β＝f(α)：α＝-(θ10+θ11)时、β＝-β0，α＝0时、β＝0，α＝(180°+α0)-(θ10+θ11)时、β＝β0；由此获得车身侧倾驱动机构的侧倾函数β＝f(α)取值范围：致动角α＝-(θ10+θ11)～[(180°+α0)-(θ10+θ11)]，侧倾角β＝-β0～β0；
安装角γ＝θ30+β0-90°，右极限侧倾曲柄转角α1＝-(θ10+θ11)，左极限侧倾曲柄转角α2＝(180°+α0)-(θ10+θ11)；右侧倾减速比iR＝(θ10+θ11)/β0，左侧倾减速比iL＝[(180°+α0)-(θ10+θ11)]/β0。
上述的车身侧倾驱动机构设计方法中，实现侧倾函数β＝f(α)中β与α反向转动，反向传动车身侧倾驱动机构设计方法包括：
①车身侧倾驱动机构转角函数关系
车身侧倾驱动机构中MSTN属于曲柄摇杆机构，曲柄MS、连杆ST、摇杆NT、定位杆NM各杆长度分别为a、b、c、d，曲柄MS为主动件、输入转角θ1，摇杆NT为从动件、输出转角θ3；
车身侧倾驱动机构输入、输出转角函数关系θ3＝p(θ1)：
Figure BSA0000211736930000032
摇杆右极限位置为曲柄与连杆重叠共线，相对位置关系为：
Figure BSA0000211736930000033
其中：曲柄与连杆重叠共线时，θ10、θ30为曲柄、摇杆分别与定位杆之间夹角，θ10＞0、θ30＞0；
摇杆左极限位置为曲柄与连杆拉伸共线，摇杆两极限位置夹角2β0，则θ3＝θ30～(θ30+2β0)，与摇杆两极限位置相对应的两曲柄之间夹角α0，为曲柄摇杆机构极位夹角α0＜90°；
主动件曲柄输入转角θ1，取θ1＝-θ10～[-(180°-α0)-θ10]，θ3与θ1反向转动；
②车身侧倾驱动机构参数设计
给定：c、β0、α0，由摇杆两个极限位置条件和极位夹角条件：
c/sinθ10-(b-a)/sinθ30＝0
c/sin(θ10-α0)-(b+a)/sin(θ30+2β0)＝0
(b-a)2+(b+a)2-2(b-a)(b+a)cosα0-(2c sinβ0)2＝0
三个方程求解三参数：a、b、d，获得车身侧倾驱动机构各杆长a、b、c、d；
③车身不侧倾时，曲柄中位角求解
将θ3＝θ30+β0，代入下式：
Figure BSA0000211736930000041
由θ1＝q(θ3)，求解得θ12＝q(θ30+β0)，曲柄中位角θ12为侧倾角等于0时曲柄与定位杆之间夹角、θ12＞0；
④车身侧倾驱动机构侧倾函数确定
取：θ1＝α-θ12，θ3＝β+(θ30+β0)，对于函数θ3＝p(θ1)，进行参数替换，获得侧倾函数β＝f(α)，β与α反向转动；
由于θ1＝-θ10～[-(180°-α0)-θ10]、且α＝θ1+θ12，侧倾函数β＝f(α)：α＝θ12-θ10时、β＝-β0，α＝0时、β＝0，
α＝-(180°-α0)+θ12-θ10时、β＝β0；由此获得车身侧倾驱动机构的侧倾函数β＝f(α)取值范围：致动角α＝(θ12-θ10)～[-(180°-α0)+θ12-θ10]，侧倾角β＝-β0～β0；
安装角γ＝θ30+β0-90°，右极限侧倾曲柄转角α1＝θ12-θ10，左极限侧倾曲柄转角α2＝(180°-α0)+θ12-θ10；右侧倾减速比iR＝-(θ12-θ10)/β0，左侧倾减速比iL＝[-(180°-α0)+θ12-θ10]/β0。
上述的车身侧倾驱动机构设计方法中，通过调整给定参数c、β0、α0，满足车身侧倾驱动机构的不同性能需求：
摇杆长度c：给定一个c值，即可获得一组几何尺寸参数a、b、c、d，选择不同的c值，实现车身侧倾驱动机构大小的比例缩放，以适应不同载荷车辆的侧倾驱动需求；
最大侧倾角β0：给定不同的β0值，给定了车身侧倾驱动机构中摇杆的两个极限位置，确定了车身的右极限侧倾角-β0、左极限侧倾角β0，以适应不同性能车辆的侧倾驱动需求；
曲柄摇杆机构极位夹角α0：给定不同的α0值，即可同时改变右侧倾减速比iR和左侧倾减速比iL的数值大小，实现车身侧倾驱动机构的不同减速比，以适应车辆侧倾驱动的动力配置和响应速度需求。
车身主动侧倾四轮车辆包括：车身侧倾驱动机构，由车架通过四组悬架和减震器按照给定的轴距和轮距分别连接左前轮、右前轮、左后轮、右后轮，双前轮转向，双后轮驱动，构成具备前轮转向、后轮驱动、车身主动侧倾特征的四轮车辆。
车身主动侧倾倒三轮车辆包括：车身侧倾驱动机构，由车架通过两组悬架和减震器按照给定的轮距分别连接左前轮、右前轮，双前轮转向，车身通过摆臂和减震器按照给定的轴距连接一个后轮，单后轮驱动，车身侧倾驱动机构控制车身侧倾、后轮自适应侧倾，构成具备前轮转向、后轮驱动、车身主动侧倾特征的倒三轮车辆，具备地面适应性好，机动、灵活特点。
车身主动侧倾正三轮车辆包括：车身侧倾驱动机构，由车架通过两组悬架和减震器按照给定的轮距分别连接左后轮、右后轮，双后轮驱动，车身通过减震器按照给定的轴距连接一个前轮，单前轮转向，车身侧倾驱动机构控制车身侧倾、前轮自适应侧倾，构成具备前轮转向、后轮驱动、车身主动侧倾特征的正三轮车辆，具备驱动力大，机动、灵活特点。
本发明的有益效果在于，所提出的一种车身侧倾驱动机构及设计方法，采用曲柄摇杆机构驱动车身侧倾运动，由摇杆极限位置实现侧倾限位，由极位夹角实现不同的减速比，同时提供了同向和反向两种传动方式，应用于车辆在过弯时或者驶过倾斜路面时车身主动倾斜一定角度来抵抗离心力或侧翻力，保持车辆稳定的行驶姿态。
附图说明
图1为车身侧倾驱动机构简图；
图2为上置式车身侧倾驱动机构简图；
图3为下置式车身侧倾驱动机构简图；
图4为车身侧倾驱动机构右侧倾原理图；
图5为车身侧倾驱动机构左侧倾原理图；
图6为车身侧倾驱动机构设计原理图；
图7为反向传动车身侧倾驱动机构设计原理图；
图8为车身主动侧倾四轮车辆组成原理图；
图9为车身主动侧倾倒三轮车辆组成原理图；
图10为车身主动侧倾正三轮车辆组成原理图；
图中：1--车架，2--车身，3--曲柄，4--连杆，5--摇杆，6--定位杆。
具体实施方式
下面根据附图对本发明的实施例进行描述。
图1所示的车身侧倾驱动机构简图，车身侧倾驱动机构包括：车架(1)、车身(2)、曲柄(3)、连杆(4)、摇杆(5)、定位杆(6)，曲柄(3)、连杆(4)、摇杆(5)、定位杆(6)顺序转动连接，各连接点M、S、T、N处相对转动轴线互相平行，形成同一相对运动平面内的曲柄摇杆机构MSTN，摇杆(5)与车身(2)固定连接，摇杆(5)上N、T点位于车身对称线上、且NT线与车身水平面垂直，定位杆(6)与车架(1)固定连接，车身侧倾中心N位于车架中线上、且NM线与车架水平面夹角为安装角γ，γ＝θ30+β0-90°，γ＞0时、M位于过N点车架水平面下方，γ＜0时、M位于过N点车架水平面上方，组成车身侧倾驱动机构；
其中：致动器驱动曲柄(3)相对车架(1)绕M点转动、致动角α，车身(2)相对车架(1)绕N点转动、侧倾角β，侧倾函数β＝f(α)，当α＝0时、β＝0，当α＝α1时曲柄(3)与连杆(4)重叠共线、β＝-β0车身右极限侧倾(如图4所示)，右侧倾减速比iR＝-α1/β0；当α＝α2时曲柄(3)与连杆(4)拉伸共线、β＝β0车身左极限侧倾(如图5所示)，左侧倾减速比iL＝α2/β0；致动器选用电磁式致动器、或者机电式致动器、或者电液式致动器，均可获得所需车身侧倾角β。设工作中车身质量m、车身质心距离侧倾中心N的距离h、重力加速度g，车身侧倾角β，平衡力矩W＝mg·h·sin(β)，由平衡力矩W来抵抗车辆受到的离心力或侧翻力，以保持车辆稳定的行驶姿态。
图2、图3所示的一种车身侧倾驱动机构简图，上述的车身侧倾驱动机构中，改变曲柄摇杆机构MSTN与车架和车身的连接方式，实现车身侧倾中心距离地面高度的变化，包括：车架(1)、车身(2)、曲柄(3)、连杆(4)、摇杆(5)、定位杆(6)，曲柄(3)、连杆(4)、摇杆(5)、定位杆(6)顺序转动连接，各连接点M、S、T、N处相对转动轴线互相平行、形成同一相对运动平面内的曲柄摇杆机构MSTN，定位杆(6)与车架(1)固定连接，定位杆(6)上N、M点位于车架中线上、且NM线与车架水平面垂直，摇杆(5)与车身(2)固定连接，车身侧倾中心N位于车身对称线上、且NT线与车身水平面夹角为安装角γ，γ＝θ30+β0-90°，组成一种车身侧倾驱动机构，满足侧倾函数β＝f(α)；车身侧倾中心N位于车架(1)上方为上置式车身侧倾驱动机构(如图2所示)，当γ＞0时、T位于过N点车身水平面上方，当γ＜0时、T位于过N点车身水平面下方：车身侧倾中心N位于车架(1)下方为下置式车身侧倾驱动机构(如图3所示)，当γ＞0时、T位于过N点车身水平面下方，当γ＜0时、T位于过N点车身水平面上方，车身侧倾中心距离地面高度影响车辆侧倾性能。
图6所示的车身侧倾驱动机构设计原理图，车身侧倾驱动机构设计方法包括：
①车身侧倾驱动机构转角函数关系
车身侧倾驱动机构中MSTN属于曲柄摇杆机构，曲柄MS、连杆ST、摇杆NT、定位杆NM各杆长度分别为a、b、c、d，曲柄MS为主动件、输入转角θ1，摇杆NT为从动件、输出转角θ3；
车身侧倾驱动机构输入、输出转角函数关系θ3＝p(θ1)：
Figure BSA0000211736930000061
摇杆右极限位置为曲柄与连杆重叠共线，相对位置关系为：
Figure BSA0000211736930000062
其中：曲柄与连杆重叠共线时，θ10、θ30为曲柄、摇杆分别与定位杆之间夹角，θ10＞0、θ30＞0；
摇杆左极限位置为曲柄与连杆拉伸共线，摇杆两极限位置夹角2β0，则θ3＝θ30(θ30+2β0)，与摇杆两极限位置相对应的两曲柄之间夹角α0，为曲柄摇杆机构极位夹角α0＜90°；
取NM为x坐标轴正向，主动件曲柄输入转角θ1，取θ1＝-θ10[(180°+α0)-θ10]，θ3与θ1同向转动；对于转角θ1、θ3逆时针转动为正，顺时针转动为负；
②车身侧倾驱动机构参数设计
给定：c、β0、α0，
由摇杆两个极限位置条件：c/sinθ10-(b-a)/sinθ30＝0和c/sin(θ10-α0)-(b+a)/sin(θ30+2β0)＝0
极位夹角条件：(b-a)2+(b+a)2-2(b-a)(b+a)cosα0-(2c sinβ0)2＝0
三个方程求解三参数：a、b、d，获得车身侧倾驱动机构各杆长a、b、c、d；
③车身不侧倾时，曲柄中位角求解
将θ3＝θ30+β0，代入下式：
Figure BSA0000211736930000071
由θ1＝q(θ3)，求解得θ11＝q(θ30+β0)，曲柄中位角θ11为车身侧倾角等于0时曲柄与定位杆之间夹角、θ11＞0；
④车身侧倾驱动机构侧倾函数确定
取：θ1＝α+θ11，θ3＝β+(θ30+β0)，对于函数θ3＝p(θ1)，进行参数替换，获得侧倾函数β＝f(α)，β与α同向转动；
由于θ1＝-θ10～[(180°+α0)-θ10]、且α＝θ1-θ11，侧倾函数β＝f(α)：α＝-(θ10+θ11)时、β＝-β0，α＝0时、β＝0，α＝(180°+α0)-(θ10+θ11)时、β＝β0；由此获得车身侧倾驱动机构的侧倾函数β＝f(α)取值范围：致动角α＝-(θ10+θ11)～[(180°+α0)-(θ10+θ11)]，侧倾角β＝-β0～β0；对于转角α、β逆时针转动为正，顺时针转动为负；
安装角γ＝θ30+β0-90°，右极限侧倾曲柄转角α1＝-(θ10+θ11)，左极限侧倾曲柄转角α2＝(180°+α0)-(θ10+θ11)；右侧倾减速比iR＝(θ10+θ11)/β0，左侧倾减速比iL＝[(180°+α0)-(θ10+θ11)]/β0；其中，侧倾减速比iR和iL均为平均减速比；
⑤车身侧倾驱动机构性能实现
通过调整给定参数c、β0、α0，满足车身侧倾驱动机构的不同性能需求：
摇杆长度c：给定一个c值，即可获得一组几何尺寸参数a、b、c、d，选择不同的c值，实现车身侧倾驱动机构大小的比例缩放，以适应不同载荷车辆的侧倾驱动需求；
最大侧倾角β0：给定不同的β0值，给定了车身侧倾驱动机构中摇杆的两个极限位置，确定了车身的右极限侧倾角-β0、左极限侧倾角β0，以适应不同性能车辆的侧倾驱动需求，β0改变时影响车身侧倾驱动机构减速比的数值大小；
曲柄摇杆机构极位夹角α0：给定不同的α0值，即可同时改变右侧倾减速比iR和左侧倾减速比iL的数值大小，实现车身侧倾驱动机构的不同减速比，以适应车辆侧倾驱动的动力配置和响应速度需求。
设计示例1：给定：摇杆长度c＝60mm，最大侧倾角β0＝30°，曲柄摇杆机构极位夹角α0＝10°；
通过计算求得：摇杆右极限相对位置关系角θ10＝30.5875°、θ30＝55.7874°，曲柄中位角θ11＝73.6645°；
车身侧倾驱动机构各杆长a＝28.0425mm、b＝125.5506mm、c＝60mm、d＝117.6760mm；
安装角γ＝-4.2126°，右极限侧倾曲柄转角α1＝-104.2520°，左极限侧倾曲柄转角α2＝85.7480°；右侧倾减速比iR＝3.4751，左侧倾减速比iL＝2.8583；侧倾函数β＝f(α)取值范围：致动角α＝-104.2520°～85.7480°，侧倾角β＝-30°～30°，侧倾角β与致动角α转向相同。
设计示例2：给定：摇杆长度c＝120mm，最大侧倾角β0＝45°，曲柄摇杆机构极位夹角α0＝20°；
通过计算求得：摇杆右极限相对位置关系角θ10＝35.0719°、θ30＝48.2192°，曲柄中位角θ11＝80.1141°；
车身侧倾驱动机构各杆长a＝75.8697mm、b＝231.6011mm、c＝120mm、d＝207.4093mm；
安装角γ＝3.2192°，右极限侧倾曲柄转角α1＝-115.1861°，左极限侧倾曲柄转角α2＝84.8139°；右侧倾减速比iR＝2.5597，左侧倾减速比iL＝1.8848；侧倾函数β＝f(α)取值范围：致动角α＝-115.1861°～84.8139°，侧倾角β＝-45°～45°，侧倾角β与致动角α转向相同。
图7所示的反向传动车身侧倾驱动机构设计原理图，上述的车身侧倾驱动机构设计方法中，实现侧倾函数β＝f(α)中β与α反向转动，反向传动车身侧倾驱动机构设计方法包括：
①车身侧倾驱动机构转角函数关系
车身侧倾驱动机构中MSTN属于曲柄摇杆机构，曲柄MS、连杆ST、摇杆NT、定位杆NM各杆长度分别为a、b、c、d，曲柄MS为主动件、输入转角θ1，摇杆NT为从动件、输出转角θ3；
车身侧倾驱动机构输入、输出转角函数关系θ3＝p(θ1)：
Figure BSA0000211736930000081
摇杆右极限位置为曲柄与连杆重叠共线，相对位置关系为：
Figure BSA0000211736930000082
其中：曲柄与连杆重叠共线时，θ10、θ30为曲柄、摇杆分别与定位杆之间夹角，θ10＞0、θ30＞0；
摇杆左极限位置为曲柄与连杆拉伸共线，摇杆两极限位置夹角2β0，则θ3＝θ30～(θ30+2β0)，与摇杆两极限位置相对应的两曲柄之间夹角α0，为曲柄摇杆机构极位夹角α0＜90°；
取NM为x坐标轴正向，主动件曲柄输入转角θ1，取θ1＝-θ10～[-(180°-α0)-θ10]，θ3与θ1反向转动；对于转角θ1、θ3逆时针转动为正，顺时针转动为负；
②车身侧倾驱动机构参数设计
给定：c、β0、α0，
由摇杆两个极限位置条件：c/sinθ10-(b-a)/sinθ30＝0和c/sin(θ10-α0)-(b+a)/sin(θ30+2β0)＝0
极位夹角条件：(b-a)2+(b+a)2-2(b-a)(b+a)cosα0-(2c sinβ0)2＝0
三个方程求解三参数：a、b、d，获得车身侧倾驱动机构各杆长a、b、c、d；
③车身不侧倾时，曲柄中位角求解
将θ3＝θ30+β0，代入下式：
Figure BSA0000211736930000091
由θ1＝q(θ3)，求解得θ12＝q(θ30+β0)，曲柄中位角θ12为车身侧倾角等于0时曲柄与定位杆之间夹角、θ12＞0；
④车身侧倾驱动机构侧倾函数确定
取：θ1＝α-θ12，θ3＝β+(θ30+β0)，对于函数θ3＝p(θ1)，进行参数替换，获得侧倾函数β＝f(α)，β与α反向转动；
由于θ1＝-θ10～[-(180°-α0)-θ10]、且α＝θ1+θ12，侧倾函数β＝f(α)：α＝θ12-θ10时、β＝-β0，α＝0时、β＝0，α＝-(180°-α0)+θ12-θ10时、β＝β0；由此获得车身侧倾驱动机构的侧倾函数β＝f(α)取值范围：致动角α＝(θ12-θ10)～[-(180°-α0)+θ12-θ10]，侧倾角β＝-β0～β0；对于转角α、β逆时针转动为正，顺时针转动为负；
安装角γ＝θ30+β0-90°，右极限侧倾曲柄转角α1＝θ12-θ10，左极限侧倾曲柄转角α2＝-(180°-α0)+θ12-θ10：右侧倾减速比iR＝-(θ12-θ10)/β0，左侧倾减速比iL＝[-(180°-α0)+θ12-θ10]/β0；其中，侧倾减速比iR和iL均为平均减速比；
⑤车身侧倾驱动机构性能实现
通过调整给定参数c、β0、α0，满足车身侧倾驱动机构的不同性能需求：
摇杆长度c：给定一个c值，即可获得一组几何尺寸参数a、b、c、d，选择不同的c值，实现车身侧倾驱动机构大小的比例缩放，以适应不同载荷车辆的侧倾驱动需求；
最大侧倾角β0：给定不同的β0值，给定了车身侧倾驱动机构中摇杆的两个极限位置，确定了车身的右极限侧倾角-β0、左极限侧倾角β0，以适应不同性能车辆的侧倾驱动需求，β0改变时影响车身侧倾驱动机构减速比的数值大小；
曲柄摇杆机构极位夹角α0：给定不同的α0值，即可同时改变右侧倾减速比iR和左侧倾减速比iL的数值大小，实现车身侧倾驱动机构的不同减速比，以适应车辆侧倾驱动的动力配置和响应速度需求。
设计示例3：给定：摇杆长度c＝100mm，最大侧倾角β0＝30°，曲柄摇杆机构极位夹角α0＝15°；
通过计算求得：摇杆右极限相对位置关系角θ10＝34.4069°、θ30＝65.1522°，曲柄中位角θ12＝131.6859°；
车身侧倾驱动机构各杆长a＝42.7407mm、b＝203.3285mm、c＝100mm、d＝174.5132mm；
安装角γ＝5.1522°，右极限侧倾曲柄转角α1＝97.2790°，左极限侧倾曲柄转角α2＝-67.7210°；右侧倾减速比iR＝-3.2426，左侧倾减速比iL＝-2.2574；侧倾函数β＝f(α)取值范围：致动角α＝97.2790°～-67.7210°，侧倾角β＝-30°～30°，侧倾角β与致动角α转向相反。
设计示例4：给定：摇杆长度c＝200mm，最大侧倾角β0＝40°，曲柄摇杆机构极位夹角α0＝20°；
通过计算求得：摇杆右极限相对位置关系角θ10＝33.7778°、θ30＝60.9510°，曲柄中位角θ12＝134.3817°；
车身侧倾驱动机构各杆长a＝107.2859mm、b＝421.7629mm、c＝200mm、d＝358.5046mm；
安装角γ＝10.9510°，右极限侧倾曲柄转角α1＝100.6039°，左极限侧倾曲柄转角α2＝-59.3961°；右侧倾减速比iR＝-2.5151，左侧倾减速比iL＝-1.4849；侧倾函数β＝f(α)取值范围：致动角α＝100.6039°～-59.3961°，侧倾角β＝-40°～40°，侧倾角β与致动角α转向相反。
图8所示的车身主动侧倾四轮车辆组成原理图，车身主动侧倾四轮车辆包括：车身侧倾驱动机构，由车架通过四组悬架和减震器按照给定的轴距和轮距分别连接左前轮、右前轮、左后轮、右后轮，两组前悬架相同，等腰梯形转向机构联动双前轮转向，两组后悬架相同，双后轮轮毂电机驱动，构成具备前轮转向、后轮驱动、车身主动侧倾特征的四轮车辆。
图9所示的车身主动侧倾倒三轮车辆组成原理图，车身主动侧倾倒三轮车辆包括：车身侧倾驱动机构，由车架通过两组相同的悬架和减震器按照给定的轮距分别连接左前轮、右前轮，等腰梯形转向机构联动双前轮转向，车身通过摆臂和减震器按照给定的轴距连接一个后轮，单后轮轮毂电机驱动，车身侧倾驱动机构控制车身侧倾、后轮自适应侧倾，构成具备前轮转向、后轮驱动、车身主动侧倾特征的倒三轮车辆，具备地面适应性好，机动、灵活特点。
图10所示的车身主动侧倾正三轮车辆组成原理图，车身主动侧倾正三轮车辆包括：车身侧倾驱动机构，由车架通过两组相同的悬架和减震器按照给定的轮距分别连接左后轮、右后轮，双后轮轮毂电机驱动，车身通过减震器按照给定的轴距连接一个前轮，单前轮转向，车身侧倾驱动机构控制车身侧倾、前轮自适应侧倾，构成具备前轮转向、后轮驱动、车身主动侧倾特征的正三轮车辆，具备驱动力大，机动、灵活特点。
通过以上实施例，本发明所提出的一种车身侧倾驱动机构及设计方法，采用曲柄摇杆机构驱动车身侧倾运动，由摇杆极限位置实现侧倾限位，由极位夹角实现不同的减速比，同时提供了同向和反向两种传动方式及设计方法，应用于车辆在过弯时或者驶过倾斜路面时车身主动倾斜一定角度来抵抗离心力或侧翻力，保持车辆稳定的行驶姿态。

Claims (8)

1.车身侧倾驱动机构，其特征在于，包括：车架、车身、曲柄、连杆、摇杆、定位杆，曲柄、连杆、摇杆、定位杆顺序转动连接，各连接点M、S、T、N处相对转动轴线互相平行，形成同一相对运动平面内的曲柄摇杆机构MSTN，摇杆与车身固定连接，摇杆上N、T点位于车身对称线上、且NT线与车身水平面垂直，定位杆与车架固定连接，车身侧倾中心N位于车架中线上、且NM线与车架水平面夹角为安装角γ；
其中：致动器驱动曲柄相对车架绕M点转动、致动角α，车身相对车架绕N点转动、侧倾角β，侧倾函数β＝f(α)，当α＝0时、β＝0，当α＝α1时曲柄与连杆重叠共线、β＝-β0车身右极限侧倾，右侧倾减速比iR＝-α1/β0；当α＝α2时曲柄与连杆拉伸共线、β＝β0车身左极限侧倾，左侧倾减速比iL＝α2/β0。
2.根据权利要求1所述的车身侧倾驱动机构，改变曲柄摇杆机构MSTN与车架和车身的连接方式，实现车身侧倾中心距离地面高度的变化，其特征在于，包括：车架、车身、曲柄、连杆、摇杆、定位杆，曲柄、连杆、摇杆、定位杆顺序转动连接，各连接点M、S、T、N处相对转动轴线互相平行、形成同一相对运动平面内的曲柄摇杆机构MSTN，定位杆与车架固定连接，定位杆上N、M点位于车架中线上、且NM线与车架水平面垂直，摇杆与车身固定连接，车身侧倾中心N位于车身对称线上、且NT线与车身水平面夹角为安装角γ，满足侧倾函数β＝f(α)，车身侧倾中心N位于车架上方为上置式车身侧倾驱动机构，车身侧倾中心N位于车架下方为下置式车身侧倾驱动机构。
3.车身侧倾驱动机构设计方法，其特征在于，包括：
①车身侧倾驱动机构转角函数关系
车身侧倾驱动机构中MSTN属于曲柄摇杆机构，曲柄MS、连杆ST、摇杆NT、定位杆NM各杆长度分别为a、b、c、d，曲柄MS为主动件、输入转角θ1，摇杆NT为从动件、输出转角θ3；
车身侧倾驱动机构输入、输出转角函数关系θ3＝p(θ1)：
Figure FSA0000211736920000011
摇杆右极限位置为曲柄与连杆重叠共线，相对位置关系为：
Figure FSA0000211736920000012
其中：曲柄与连杆重叠共线时，θ10、θ30为曲柄、摇杆分别与定位杆之间夹角，θ10＞0、θ30＞0；
摇杆左极限位置为曲柄与连杆拉伸共线，摇杆两极限位置夹角2β0，则θ3＝θ30～(θ30+2β0)，与摇杆两极限位置相对应的两曲柄之间夹角α0，为曲柄摇杆机构极位夹角α0＜90°；
主动件曲柄输入转角θ1，取θ1＝-θ10～[(180°+α0)-θ10]，θ3与θ1同向转动；
②车身侧倾驱动机构参数设计
给定：c、β0、α0，由摇杆两个极限位置条件和极位夹角条件：
c/sinθ10-(b-a)/sinθ30＝0
c/sin(θ10-α0)-(b+a)/sin(θ30+2β0)＝0
(b-a)2+(b+a)2-2(b-a)(b+a)cosα0-(2c sinβ0)2＝0
三个方程求解三参数：a、b、d，获得车身侧倾驱动机构各杆长：a、b、c、d；
③车身不侧倾时，曲柄中位角求解
将θ3＝θ30+β0，代入下式：
Figure FSA0000211736920000021
由θ1＝q(θ3)，求解得θ11＝q(θ30+β0)，曲柄中位角θ11为侧倾角等于0时曲柄与定位杆之间夹角、θ11＞0；
④车身侧倾驱动机构侧倾函数确定
取：θ1＝α+θ11，θ3＝β+(θ30+β0)，对于函数θ3＝p(θ1)，进行参数替换，获得侧倾函数β＝f(α)，β与α同向转动；
由于θ1＝-θ10～[(180°+α0)-θ10]、且α＝θ1-θ11，侧倾函数β＝f(α)：α＝-(θ10+θ11)时、β＝-β0，α＝0时、β＝0，α＝(180°+α0)-(θ10+θ11)时、β＝β0；
安装角γ＝θ30+β0-90°，右极限侧倾曲柄转角α1＝-(θ10+θ11)，左极限侧倾曲柄转角α2＝(180°+α0)-(θ10+θ11)；右侧倾减速比iR＝(θ10+θ11)/β0，左侧倾减速比iL＝[(180°+α0)-(θ10+θ11)]/β0。
4.根据权利要求3所述的车身侧倾驱动机构设计方法，实现侧倾函数β＝f(α)中β与α反向转动，其特征在于，包括：
①车身侧倾驱动机构转角函数关系
车身侧倾驱动机构中MSTN属于曲柄摇杆机构，曲柄MS、连杆ST、摇杆NT、定位杆NM各杆长度分别为a、b、c、d，曲柄MS为主动件、输入转角θ1，摇杆NT为从动件、输出转角θ3；
车身侧倾驱动机构输入、输出转角函数关系θ3＝p(θ1)：
Figure FSA0000211736920000022
摇杆右极限位置为曲柄与连杆重叠共线，相对位置关系为：
Figure FSA0000211736920000023
其中：曲柄与连杆重叠共线时，θ10、θ30为曲柄、摇杆分别与定位杆之间夹角，θ10＞0、θ30＞0；
摇杆左极限位置为曲柄与连杆拉伸共线，摇杆两极限位置夹角2β0，则θ3＝θ30～(θ30+2β0)，与摇杆两极限位置相对应的两曲柄之间夹角α0，为曲柄摇杆机构极位夹角α0＜90°；
主动件曲柄输入转角θ1，取θ1＝-θ10～[-(180°-α0)-θ10]，θ3与θ1反向转动；
②车身侧倾驱动机构参数设计
给定：c、β0、α0，由摇杆两个极限位置条件和极位夹角条件：
c/sinθ10-(b-a)/sinθ30＝0
c/sin(θ10-α0)-(b+a)/sin(θ30+2β0)＝0
(b-a)2+(b+a)2-2(b-a)(b+a)cosα0-(2c sinβ0)2＝0
三个方程求解三参数：a、b、d，获得车身侧倾驱动机构各杆长a、b、c、d；
③车身不侧倾时，曲柄中位角求解
将θ3＝θ30+β0，代入下式：
Figure FSA0000211736920000031
由θ1＝q(θ3)，求解得θ12＝q(θ30+β0)，曲柄中位角θ12为侧倾角等于0时曲柄与定位杆之间夹角、θ12＞0；
④车身侧倾驱动机构侧倾函数确定
取：θ1＝α-θ12，θ3＝β+(θ30+β0)，对于函数θ3＝p(θ1)，进行参数替换，获得侧倾函数β＝f(α)，β与α反向转动；
由于θ1＝-θ10～[-(180°-α0)-θ10]、且α＝θ1+θ12，侧倾函数β＝f(α)：α＝θ12-θ10时、β＝-β0，α＝0时、β＝0，α＝-(180°-α0)+θ12-θ10时、β＝β0；
安装角γ＝θ30+β0-90°，右极限侧倾曲柄转角α1＝θ12-θ10，左极限侧倾曲柄转角α2＝-(180°-α0)+θ12-θ10；右侧倾减速比iR＝-(θ12-θ10)/β0，左侧倾减速比iL＝[-(180°-α0)+θ12-θ10]/β0。
5.根据权利要求3或4所述的车身侧倾驱动机构设计方法，通过调整给定参数c、β0、α0，满足车身侧倾驱动机构的不同性能需求，其特征在于，包括：
摇杆长度c：给定一个c值，即可获得一组几何尺寸参数a、b、c、d，选择不同的c值，实现车身侧倾驱动机构大小的比例缩放；
最大侧倾角β0：给定不同的β0值，给定了车身侧倾驱动机构中摇杆的两个极限位置，确定了车身的右极限侧倾角-β0、左极限侧倾角β0；
曲柄摇杆机构极位夹角α0：给定不同的α0值，即可同时改变右侧倾减速比iR和左侧倾减速比iL的数值大小，实现车身侧倾驱动机构的不同减速比。
6.车身主动侧倾四轮车辆，其特征在于，包括：权利要求1或2所述的车身侧倾驱动机构，由所述的车架通过四组悬架和减震器按照给定的轴距和轮距分别连接左前轮、右前轮、左后轮、右后轮，双前轮转向，双后轮驱动，构成具备前轮转向、后轮驱动、车身主动侧倾特征的四轮车辆。
7.车身主动侧倾倒三轮车辆，其特征在于，包括：权利要求1或2所述的车身侧倾驱动机构，由所述的车架通过两组悬架和减震器按照给定的轮距分别连接左前轮、右前轮，双前轮转向，车身通过摆臂和减震器按照给定的轴距连接一个后轮，单后轮驱动，车身侧倾驱动机构控制车身侧倾、后轮自适应侧倾，构成具备前轮转向、后轮驱动、车身主动侧倾特征的倒三轮车辆。
8.车身主动侧倾正三轮车辆，其特征在于，包括：权利要求1或2所述的车身侧倾驱动机构，由所述的车架通过两组悬架和减震器按照给定的轮距分别连接左后轮、右后轮，双后轮驱动，车身通过减震器按照给定的轴距连接一个前轮，单前轮转向，车身侧倾驱动机构控制车身侧倾、前轮自适应侧倾，构成具备前轮转向、后轮驱动、车身主动侧倾特征的正三轮车辆。
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