CN112277528A - 一种基于电气控制系统的主动气动轮辋装置及其散热方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于电气控制系统的主动气动轮辋装置及其散热方法，该装置包括主轮辋组件、活动轮辋组件、电机和控制器；电机安装于主轮毂上，活动轮毂安装于电机的传动轴上，控制器通过电信号线与电机连接；控制器根据卡钳温度传感器采集的信息以及整车CAN信号解析信息，分别获取环境信息参数和车辆工况信息参数，并通过驱动电机运转从而带动活动轮辋组件相对主轮辋组件转动。本发明通过转动活动轮辋组件可以增大或减小散热口的开口面积，进而可以根据车辆的实际车况调节散热口的开口面积或者轮辋旋转及转速，以使各个工况下的车辆均具有较佳的散热性能和气动性能。

Description

一种基于电气控制系统的主动气动轮辋装置及其散热方法
技术领域
本发明涉及汽车散热技术领域，具体涉及一种基于电气控制系统的主动气动轮辋装置及其散热方法。
背景技术
在节能减排的大背景下，汽车的减阻减排是目前的研究热点之一。车轮的气动阻力是汽车行驶阻力的重要组成部分，进行车轮气动阻力研究具有重要的意义。轮胎和轮辋混组的风洞实验结果表明，轮辐结构对气动阻力的影响明显大于胎面花纹的影响。计算流体力学仿真结果，车轮对整车气动力影响占整车气动阻力的24％；前轮的气动阻力占整个车轮的59.7％。同时，轮胎噪声是车辆高速行驶时重要的噪声源之一。开放式轮辐腔体会产生较大的气动噪声。轮辐的分段形式、布置方式和开口面积是影响轮胎气动噪声的关键因素。
当前越来越多新能源汽车(如现代昂西诺，几何A，比亚迪汉等)开始采用气动轮辋(动力性轮辋)，通过增加轮辐的面积，减小开口面积，并对造型进行气动设计，增加气体流道，不仅可以降低轮胎的气动阻力提高汽车的续航里程，同时可以改善轮胎的气动噪声。
现有的气动轮辋虽然可以改善高速行驶的轮胎引起的气动阻力和气动噪声，但是由于要满足散热的需求，必须保留部分开口面积，增加气体流道，因此，存在以下缺陷：①由于方案的局限性，不能将轮辐的开口面积完全取消，无法将气动阻力和气动噪声改善到最佳状态；②保留的开口面积较小，当环境温度过高或制动系统长时工作的情况下，轮辋散热性能无法满足需求，此时由于轮辋不能及时散热会引起制动系统的制动性能大幅度衰减，有很大安全隐患；同时，由于温度过热，对悬架系统和制动系统的疲劳寿命有很大影响。
针对现有的轮毂电机降温方法无法兼顾提高汽车制动过程中轮毂电机的降温效果和汽车正常行驶过程中的空气动力性能的技术问题，中国专利CN110682728A公开了一种汽车轮毂散热方法及其装置、汽车，其中，轮毂散热装置包括轮毂、检测单元、驱动单元和控制单元，轮毂包括法兰、轮辋和可转动地设置于法兰与轮辋之间的多个轮辐，多个轮辐与驱动单元连接，通过控制轮辐活动来开启关闭对应的散热口。该专利在轮毂的每个散热口处均设置可活动的轮辐，为了实现多个轮辐可以围绕一定的轴线旋转一定角度，需要在法兰与轮辋之间均匀设置多个转轴，每一转轴上转动地设置一个轮辐(详见说明书[0065]段)，由此可以推测该装置需要设置与转轴一一对应的多个电机，因此该装置具有结构力学性能/承载性差、整体结构复杂、工艺难以实现、可靠耐久性差、物料成本和保养成本较高等缺点。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种基于电气控制系统的主动气动轮辋装置及其散热方法，该主动控制的气动轮辋装置结构简单，不仅实现了最佳的气动阻力和气动噪声性能，同时也保证了制动散热性能、结构力学性能/承载性能和可靠耐久性，避免安全隐患。
本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
一种基于电气控制系统的主动气动轮辋装置，包括主轮辋组件，所述主轮辋组件包括主轮毂、主轮辐和主轮辋，所述主轮辐之间设有主进风口；
所述主动气动轮辋装置还包括活动轮辋组件、电机和控制器；所述活动轮辋组件包括活动轮毂、活动轮辐和活动轮辋，所述活动轮辐之间设有活动进风口；所述电机安装于所述主轮毂上，所述活动轮毂安装于所述电机的传动轴上，所述控制器通过电信号线与电机连接；
所述主动气动轮辋装置还包括卡钳温度传感器，所述卡钳温度传感器集成在卡钳上，用于采集制动器工作环境温度信息，并传送给所述控制器；
所述控制器根据卡钳温度传感器采集的信息以及整车CAN信号解析信息，分别获取环境信息参数和车辆工况信息参数，并通过驱动电机运转从而带动所述活动轮辋组件相对主轮辋组件转动。
上述方案中，所述主动气动轮辋装置还包括轮辋角度传感器，所述轮辋角度传感器安装于活动轮毂上，用于采集活动轮辋的开启角度，并传送给所述控制器。
上述方案中，所述主轮毂的中心位置开设有电机安装孔，所述电机通过电机安装孔进行安装，并保证活动轮毂与主轮毂同轴安装。
相应的，本发明还提出上述基于电气控制系统的主动气动轮辋装置的散热方法，包括以下步骤：
步骤S1、系统运行过程中，控制器持续通过卡钳温度传感器和整车CAN信号解析信息分别获取环境信息参数和车辆工况信息参数；
步骤S2、控制器根据环境信息参数和车辆工况信息参数分析出当前的车辆综合工况，并计算出当前最优的轮辋气动性能需求和散热性能需求；
步骤S3、根据气动性能需求和散热性能需求确定目标控制参数，所述目标控制参数为轮辋开口及开口面积，或者轮辋旋转及转速；
步骤S4、控制器根据目标控制参数控制电机驱动活动轮辋组件工作，无极调节轮辋散热开口面积，或者控制轮辋旋转转速，实现精细化主动控制轮辋的气动性能和散热性能。
上述方法中，该方法还包括步骤S5、当目标控制参数为轮辋开口及开口面积时，轮辋角度传感器实时采集活动轮辋组件的开启角度，并计算出实时的实际开口面积，若实际开口面积与控制器需求的开口面积存在误差，则进行补偿控制调整，以在相应工况下将轮辋装置的散热开口面积调节至对应散热和气动性能均较佳的位置处。
上述方法中，步骤S1中，所述卡钳温度传感器采集的信号为制动器工作环境温度信号。
上述方法中，步骤S1中，所述车辆工况信息是通过读取整车CAN信号并解析获得车辆工况信息参数，包括车速和制动踏板力信息。
上述方法中，步骤S2中，所述车辆综合工况包括驾驶工况类型和驾驶环境。
本发明的有益效果在于：
1、本发明装置包括主轮辋组件和相对主轮辋组件可旋转的活动轮辋组件，主轮辋组件上开设有多个散热口，通过转动活动轮辋组件可以增大或减小散热口的开口面积或者控制活动轮辋组件旋转，进而可以根据车辆的实际车况调节散热口的开口面积或转速，以使各个工况下的车辆均具有较佳的散热性能和气动性能。
2、控制器实时通过卡钳温度传感器获取制动器工作的环境温度，同时读取整车CAN信号并解析获得车速和制动踏板力信息，进行驾驶工况类型判断和驾驶环境判断，并通过标定得到各个工况下可满足相应散热需求和气动需求的开口面积。轮辋角度传感器会实时采集活动轮辋的开启角度，并计算出实时的实际开口面积，若实际开口面积与控制器的需求的开口面积存在误差，进行补偿控制调整，以在相应工况下将轮毂的散热开口面积调节至对应散热和气动性能均较佳的位置处。
3、若散热口的开口面积调节到最大仍不能满足散热需求，控制器会通过电机控制活动轮辋组件相对固定轮辋组件像风扇的工作形式进行旋转，进行主动散热，使得通过轮辋装置的气流极大提升，主动散热性能达到被动散热性能的数倍，使制动系统温度迅速降低，极大的提高了制动可靠性。
4、相比于通过控制多个轮辐转动的现有技术，本发明装置具有结构力学性能/承载性强、结构简单、传感器和控制电机数量少、生产工艺可实现、可靠耐久性好、维修方便、成本低、控制效率高、最大散热性能最佳的优点。
5、本发明散热控制方法可以实现：①不同环境状态的识别和不同驾驶工况的判断；②不同工况的综合性能需求分析；③不同性能需求的系统控制参数计算；④主动轮辋控制系统的精细化参数控制；⑤轮辋通过执行系统进行开口面积和旋转速度的参数化控制实现不同的性能特性。该主动控制的气动轮辋，不仅实现了最佳的气动阻力和气动噪声性能，同时也保证了制动散热性能，避免安全隐患。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明基于电气控制系统的主动气动轮辋装置的结构分解图；
图2是图1所示主动气动轮辋装置的主轮辋组件的结构图；
图3是图1所示主动气动轮辋装置的活动轮辋组件；
图4是本发明主动气动轮辋装置散热方法中各工况与性能需求的关系图；
图5是本发明主动气动轮辋装置散热方法中性能需求与控制系统参数的映射关系图；
图6是本发明主动气动轮辋装置散热方法的控制流程图；
图7是本发明实施例中活动轮辐旋转至轮辋装置散热开口面积最小时的状态示意图；
图8是本发明实施例中活动轮辐旋转一定角度后增加散热开口面积的状态示意图；
图9是本发明实施例中活动轮辐旋转至轮辋装置散热开口面积最大时的状态示意图；
图10是本发明实施例中活动轮辐持续旋转的示意图。
图中：10、主轮辋组件；11、主轮毂；111、电机安装孔；112、螺母孔；12、主轮辐；13、主轮辋；14、主进风口；20、活动轮辋组件；21、活动轮毂；22、活动轮辐；23、活动轮辋；24、活动进风口；30、电机；31、传动轴；40、控制器；41、电信号线。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1-3所示，为本发明实施例提供的一种基于电气控制系统的主动气动轮辋装置，包括主轮辋组件10、活动轮辋组件20、电机30和控制器40。
主轮辋组件10包括主轮毂11、主轮辐12和主轮辋13；主轮毂11的中心位置开设有电机安装孔111，围绕电机安装孔111均布开设多个螺母孔112；主轮辐12安装于主轮毂11周围，主轮辋13安装于主轮辐12周围，主轮辐12之间设有主进风口14作为轮辋装置的散热口。
活动轮辋组件20包括活动轮毂21、活动轮辐22和活动轮辋23；活动轮辐22安装于活动轮毂21周围，活动轮辋23安装于活动轮辐22周围，活动轮辐22之间设有活动进风口24。活动轮辋组件20整体通过电机30安装于主轮辋组件10一侧，具体的，电机30安装于主轮毂11上，活动轮毂21安装于电机30的传动轴31上，电机30通过电信号线41与控制器40连接。
主动气动轮辋装置还包括轮辋角度传感器和卡钳温度传感器；轮辋角度传感器安装于活动轮毂21上，用于采集活动轮辋23的开启角度，并传送给控制器40；卡钳温度传感器集成在卡钳上，用于采集制动器的工作温度信息，并传送给控制器40。控制器40通过读取整车CAN信号并解析获得车辆工况信息参数，包括车速和制动踏板力信息。控制器40通过对制动器温度信号和车速、踏板力信息进行处理分析，通过驱动电机30运转从而带动活动轮辋组件20相对主轮辋组件10转动，调节散热口的开口面积，以使各个工况下的车辆均具有较佳的散热性能和气动性能。
相应的，本发明还提出上述基于电气控制系统的主动气动轮辋装置的散热方法，包括以下步骤：
步骤S1、系统运行过程中，控制器40持续通过卡钳温度传感器获取制动器工作的环境温度，同时读取整车CAN信号并解析获得车速和制动踏板力信息。
步骤S2、控制器40根据环境温度信号和车速、踏板力信息分析出当前的车辆综合工况(包括驾驶工况类型和驾驶环境)，计算出当前最优的轮辋气动性能需求和散热性能需求。具体计算方法为，根据工况与性能需求的关系图(如图4所示)确定当前状态的实际各项性能需求，图4是根据具体车型、轮辋装置的结构经过相关实验标定得到。
步骤S3、根据气动性能需求和散热性能需求确定目标控制参数，目标控制参数为轮辋开口及开口面积，或者轮辋旋转及转速。具体的，目标控制参数是根据气动性能需求和散热性能需求与控制参数之间的映射关系图(如图5所示)确定，图5是根据具体车型、轮辋装置的结构经过相关实验标定得到。
步骤S4、控制器40根据目标控制参数控制电机30驱动活动轮辋组件20工作，无极调节轮辋散热开口面积，或者控制轮辋旋转转速，实现精细化主动控制轮辋的气动性能和散热性能。
步骤S5、轮辋角度传感器实时采集活动轮辋组件20的开启角度，并计算出实时的实际开口面积，若实际开口面积与控制器40需求的开口面积存在误差，则进行补偿控制调整，以在相应工况下将轮辋装置的散热开口面积调节至对应散热和气动性能均较佳的位置处。
以下是本发明装置及方法的具体实施过程：
当车辆启动后，控制器会实时通过传感器采集车辆的环境信息和车辆工况信息，进行驾驶工况类型判断例如，高速定速行驶，高速行驶伴随高强度制动，中速行驶伴随偶尔制动、中低速跟车行驶伴随频繁制动和驾驶环境判断高温高湿环境、高温低湿环境、低温低湿环境等，并通过标定得到各个工况下可满足相应散热需求的开口面积。轮辋角度传感器会实时采集活动轮辋的开启角度，并计算出实时的实际开口面积，若实际开口面积与控制器需求的开口面积存在误差，会进行补偿控制调整，以在相应工况下将轮毂的散热开口面积调节至对应散热和气动性能均较佳的位置处。
当高速行驶且制动系统没有开启时，主动气动轮辋可以根据实际实时的工况信息和环境信息，计算出此时散热性能需求很小，但需要气动阻力和气动噪声达到最优状态。控制器根据控制策略，控制电机驱动活动轮辋组件工作，使活动轮辐完全覆盖主轮辋组件的主进风口，实现轮辋的最小的实际开口面积(如图7)，此时，轮辋的气动阻力和气动噪声性能均达到最佳改善状态，大幅提高车辆续航里程电动车，降低车辆油耗燃油车并降低车内噪声，同时散热性能也是满足要求的，制动性能得到保障，没有安全隐患。
当车辆制动系统开始工作时，控制器根据实际的实时的工况信息此时包含制动信号和车速信息和环境信息，计算出此时散热性能需求增加，根据控制策略，会增加部分开口面积，使高速气流通过制动卡钳和刹车盘，带走产生热量，通过控制电机驱动活动轮辋组件工作，使活动轮辐旋转一定角度，增加轮辋开口面积(如图8)，使高速气流通过制动卡钳和刹车盘，带走产生热量，轮辋的散热性能得到改善。若制动时间过长，产生的热量急剧上升，散热性能达不到要求，控制系统会进一步增加轮辋开口面积，进一步优化散热性能直至满足需求，极大提升制动的可靠性，避免安全隐患。
当车辆制动系统持续时间过长或者需要长时间频繁开启和关闭制动系统且环境温度和湿度不利于散热，制度系统会产生大量热量，得不到有效控制，控制器根据采集到的工况信息包含一段时间内的制动信号和车速信息和环境信息包含一段时间内的温度、湿度等信息，判断出用户处于高强度制动工况和恶劣的散热的条件，此时散热性能需求最大。控制器根据控制策略，将控制电机驱动活动轮辋组件工作，使活动轮辐旋转一定角度，使得轮辋的实际开口面积达到最大(如图9)。轮辋角度传感器会实时反馈当前的活动轮辋组件的开启状态，并通过控制器进行补偿控制调整。此时，轮辋的散热性能达到最佳状态，可以确保制动的可靠性，避免安全隐患。
若轮辋开口面积调节到最大仍不能满足散热需求，控制器会通过电机控制活动轮辋相对固定轮辋像风扇的工作形式进行旋转(如图10)，进行主动散热，使得通过轮辋的气流极大提升，主动散热性能达到被动散热性能的数倍，使制动系统温度迅速降低，极大的提高了制动可靠性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种基于电气控制系统的主动气动轮辋装置，包括主轮辋组件(10)，所述主轮辋组件(10)包括主轮毂(11)、主轮辐(12)和主轮辋(13)，所述主轮辐(12)之间设有主进风口(14)；其特征在于，
所述主动气动轮辋装置还包括活动轮辋组件(20)、电机(30)和控制器(40)；所述活动轮辋组件(20)包括活动轮毂(21)、活动轮辐(22)和活动轮辋(23)，所述活动轮辐(22)之间设有活动进风口(24)；所述电机(30)安装于所述主轮毂(11)上，所述活动轮毂(21)安装于所述电机(30)的传动轴(31)上，所述控制器(40)通过电信号线(41)与电机(30)连接；
所述主动气动轮辋装置还包括卡钳温度传感器，所述卡钳温度传感器集成在卡钳上，用于采集制动器工作环境温度信息，并传送给所述控制器(40)；
所述控制器(40)根据卡钳温度传感器采集的信息以及整车CAN信号解析信息，分别获取环境信息参数和车辆工况信息参数，并通过驱动电机(30)运转从而带动所述活动轮辋组件(20)相对主轮辋组件(10)转动。
2.根据权利要求1所述的基于电气控制系统的主动气动轮辋装置的散热方法，其特征在于，所述主动气动轮辋装置还包括轮辋角度传感器，所述轮辋角度传感器安装于活动轮毂(21)上，用于采集活动轮辋(23)的开启角度，并传送给所述控制器(40)。
3.根据权利要求1所述的基于电气控制系统的主动气动轮辋装置，其特征在于，所述主轮毂(11)的中心位置开设有电机安装孔(111)，所述电机(30)通过电机安装孔(111)进行安装，并保证活动轮毂(21)与主轮毂(11)同轴安装。
4.根据权利要求1所述的基于电气控制系统的主动气动轮辋装置的散热方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、系统运行过程中，控制器(40)持续通过卡钳温度传感器和整车CAN信号解析信息分别获取环境信息参数和车辆工况信息参数；
步骤S2、控制器(40)根据环境信息参数和车辆工况信息参数分析出当前的车辆综合工况，并计算出当前最优的轮辋气动性能需求和散热性能需求；
步骤S3、根据气动性能需求和散热性能需求确定目标控制参数，所述目标控制参数为轮辋开口及开口面积，或者轮辋旋转及转速；
步骤S4、控制器(40)根据目标控制参数控制电机(30)驱动活动轮辋组件(20)工作，无极调节轮辋散热开口面积，或者控制轮辋旋转转速，实现精细化主动控制轮辋的气动性能和散热性能。
5.根据权利要求1所述的基于电气控制系统的主动气动轮辋装置的散热方法，其特征在于，该方法还包括步骤S5、当目标控制参数为轮辋开口及开口面积时，轮辋角度传感器实时采集活动轮辋组件(20)的开启角度，并计算出实时的实际开口面积，若实际开口面积与控制器(40)需求的开口面积存在误差，则进行补偿控制调整，以在相应工况下将轮辋装置的散热开口面积调节至对应散热和气动性能均较佳的位置处。
6.根据权利要求1所述的基于电气控制系统的主动气动轮辋装置的散热方法，其特征在于，步骤S1中，所述卡钳温度传感器采集的信号为制动器工作环境温度信号。
7.根据权利要求1所述的基于电气控制系统的主动气动轮辋装置的散热方法，其特征在于，步骤S1中，所述车辆工况信息是通过读取整车CAN信号并解析获得车辆工况信息参数，包括车速和制动踏板力信息。
8.根据权利要求1所述的基于电气控制系统的主动气动轮辋装置的散热方法，其特征在于，步骤S2中，所述车辆综合工况包括驾驶工况类型和驾驶环境。
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