CN115030986A - 一种车辆传动轴扭振抑制用压电主动飞轮及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种车辆传动轴扭振抑制用压电主动飞轮及控制方法，属于车辆传动轴扭振控制领域。包括主动外圈、从动内圈单元，从动内圈单元包括动平台、曲线柔性铰链、限幅弹簧单元、压电传感单元、压电作动单元，压电传感单元通过导线与电荷适调器模块的输入端联接，压电作动单元通过导线与压电驱动电源的输出端连接，电荷适调器模块的输出端顺序连接数据采集模块、信号处理模块、控制模块和数模转换模块；动平台通过压电作动单元与曲线柔性铰链实现从动内圈单元的主动角位移，补偿车辆传动轴的扭振变形，达到抑制车辆传动轴扭振的目的；具有结构紧凑、本体可靠性高、集成方便等优点，可有效进行车辆传动轴正反转双方向冲击负载扭振的抑制。

Description

一种车辆传动轴扭振抑制用压电主动飞轮及控制方法
技术领域
本发明涉及一种车辆传动轴扭振抑制用压电主动飞轮及控制方法，属于车辆传动轴扭振控制领域。
背景技术
环境污染和能源危机促进了新能源汽车的发展，由于纯电动汽车对于燃油车结构继承性好，动力结构成熟，因此成为我国新能源汽车的主要发展方向。纯电动汽车在使用过程中，车辆平顺性是衡量整车性能的重要指标参数，而动力传动系统的扭振又是影响车辆平顺性的关键因素，因此不少研究工作者对电动汽车动力传动系统的扭振特性及控制方法进行了深入研究。
双质量飞轮作为一种应用到汽车动力传动系统中具有良好减振性能的扭振减振器，在国内外得到了越来越广泛的应用。如学术论文“汽车三级分段变刚度双质量飞轮非线性振动研究”[中国机械工程，2018，29(20):2453-2459.]中介绍了一种三级分段变刚度双质量飞轮，该装置具有刚度连续变化的特性，有效地解决了由刚度跃变所带来的冲击问题。但是该变刚度双质量飞轮基于三段弹簧实现，本质上是一种被动减振方式，对于发动机/电机输出转矩波动这种可以预测的，具有较好的抑制效果，但是对轮毂负载端随机性较大的扰动，抑制效果有限；中国专利永磁直驱式截割部冲击负载扭振主动顺应装置及工作方法(ZL 201911038800.1)提出了一种截割部冲击负载扭振主动顺应装置，通过压电作动器驱动柔性梁进行主动形变，能够主动顺应外界冲击负载，在抑制负载端冲击扭振方面具有一定效果。但是在频繁冲击负载作用下，柔性梁本身挠度大易发生疲劳断裂，并且该装置中柔性梁有一定预弯曲，因此只能顺应一个方向的冲击负载，而对于车辆传动轴这种会频繁正反转的系统，上述装置显然存在局限性。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种车辆传动轴扭振抑制用压电主动飞轮及控制方法，克服现有技术中压电柔性梁结构强度低、以及无法双向调节的局限，在设计过程中，充分考虑负载端冲击负载影响。
为了实现上述目的，本发明车辆传动轴扭振抑制用压电主动飞轮，包括双层结构的主动外圈，主动外圈具体为轴心连接的双圆盘结构，双圆盘结构的厚度不同，薄的为主动外圈的A面，厚的为主动外圈的B面，其中主动外圈的A面上等间距设有多个扇形镂空槽，每个扇形镂空槽中均镶嵌有扇形结构的从动内圈单元，从动内圈单元包括动平台，动平台的底部即靠近轴心处通过曲线柔性铰链与主动外圈A面连接，主动外圈A面的扇形凹槽外缘处设有向扇形镂空槽内伸出的凸台，从动内圈单元的顶部设有与扇形镂空槽外缘处的凸台匹配的凹槽结构，凹槽结构的两侧与凸台通过设有限幅弹簧单元与主动外圈A面联接，动平台的两侧与主动外圈A面的扇形镂空槽之间设有电子单元安装槽，每个动平台两侧的电子单元安装槽内分别粘贴设置有压电传感单元和压电作动单元，相邻的动平台上的压电传感单元与压电作动单元交替设置在左右两侧；
压电传感单元通过导线与电荷适调器模块的输入端联接，压电作动单元通过导线与压电驱动电源的输出端连接，电荷适调器模块的输出端顺序连接数据采集模块、信号处理模块、控制模块和数模转换模块，其中数据采集模块采集电荷适调器模块的输出信号并传输给信号处理模块，控制模块根据信号处理模块的输出信号进行运算处理确定压电作动单元的驱动电压信号，经数模转换模块与压电驱动电源驱动每个动平台上设置的压电作动单元工作。
主动外圈A面的每个从动内圈单元中心处设有安装用法兰孔，主动外圈的B面设有多个安装连接用法兰孔，从动内圈单元中心处的法兰孔与主动外圈的B面上的法兰孔二者轴线不重合。
每个动平台顶部凹槽结构内与主动外圈A面联接的限幅弹簧单元包含两组关于凸台对称设置的压簧，两组压簧一端与凸台固定联接，一端与动平台固定联接。
从动内圈单元在主动外圈A面上呈中心对称布置。
所述限幅弹簧单元中压簧的极限变形量为压电作动单元驱动动平台角位移的最大值，其中压电传感单元与压电作动单元的周向部分与动平台及主动外圈A面的扇形镂空槽黏贴，压电传感单元与压电作动单元的径向与主动外圈A面留有间隙，通过压电作动单元的变形实现动平台的补偿转动。
压电传感单元在主动外圈的A面等间距设置有四组，并且四组压电传感单元的中心和四组压电作动单元的中心到主动外圈A面的圆心距离相等。
电荷适调器模块有四个输入通道，分别为通道a、通道b、通道c和通道d，每个输入通道均分别与一个从动内圈单元的压电传感单元连接，压电驱动电源分别设有四个输出通道，分别为通道e、通道f、通道g和通道h，每个输出通道均分别与一个压电作动单元连接并进行控制。
一种车辆传动轴扭振抑制用压电主动飞轮的控制方法，其将压电主动飞轮通过销式联轴器安装在车辆动力输入轴和车轮传动轴之间；
具体步骤如下：
步骤1、将压电主动飞轮通过法兰孔安装在销式联轴器两端中间，车辆动力输入轴和车轮传动轴分别通过销式联轴器与压电主动飞轮两端连接，车辆动力输入轴设置在压电主动飞轮主动外圈B面一侧，车轮传动轴设置在压电主动飞轮主动外圈A面一侧；
步骤2、车辆行驶过程中，利用电荷适调器模块与数据采集模块实时采集动平台上压电传感单元的输出加速度信号，利用信号处理模块处理获得从动内圈单元的瞬时角位移值；
步骤3、计算从动内圈单元期望角位移值与瞬时角位移值的偏差，控制模块通过偏差运算得到压电作动单元的驱动电压信号，经数模转换模块与压电驱动电源传输，需保证压电驱动电源上输出的通道e和通道h输送给两个轴心相对设置的动平台上压电作动单元的输出电压极性相同，通道f和通道g输送给另两个轴心相对设置的动平台上压电作动单元的输出电压极性相同，通道e、通道f、通道g和通道h的电压绝对值相等；
步骤4、在外界行驶负载与驱动转矩作用下，控制压电作动单元作用，从而驱动动平台通过曲线柔性铰链弹性变形产生主动角位移，补偿车辆动力输入轴和车轮传动轴的扭振变形，从而抑制轮毂上的系统扭振，在此过程中，限幅弹簧单元随着动平台的转动在凸台的作用下压缩变形，从而限制动平台的转动角位移以避免曲线柔性铰链因变形过大发生断裂。
车辆动力输入轴通过销式联轴器Ⅱ与大功率永磁直驱电机电机直连；或者通过差速器将直流伺服电机通过减速器传输的动力传递给左右设置的两根车辆动力输入轴，左右两根车辆动力输入轴通过销式联轴器、车轮传动轴分贝连接有左右何止的轮毂Ⅱ和轮毂Ⅲ；直流伺服电机与减速器、减速器与差速器、差速器与车辆动力输入轴采用法兰联接、键联接。
有益效果：(1)本装置针对车辆轮毂端冲击负载，采用与动平台连接的曲线大变形柔性铰链配合压电作动单元，驱动动平台进行主动角位移，能有效补偿车辆动力输入轴和车轮传动轴的扭振变形，保证车辆传动轴的安全；(2)本装置的四组压电作动单元和压电传感单元相对于动平台交替布置，可有效进行正反转双方向冲击负载扭振补偿；(3)本装置结构紧凑，避免使用长挠度结构，有效保证了使用过程中装置本身的安全性；(4)本装置能够直接通过法兰与现有销式联轴器进行连接，继而安装在车辆传动轴上，不改变现有车辆传动轴结构，使用方便；
附图说明
图1为本发明车辆轮边传动轴扭振抑制用压电主动飞轮的结构示意图；
图2为本发明车辆轮边传动轴扭振抑制用压电主动飞轮的C-C剖视图；
图3为本发明车辆轮边传动轴扭振抑制用压电主动飞轮的轴视图；
图4为本发明车辆轮边传动轴扭振抑制用压电主动飞轮与车辆动力输入轴、车轮传动轴、销式联轴器的联接关系示意图；
图5为本发明车辆轮边传动轴扭振抑制用压电主动飞轮的实施例1简图；
图6为本发明车辆轮边传动轴扭振抑制用压电主动飞轮的实施例2简图；
图7为本发明永车辆轮边传动轴扭振抑制用压电主动飞轮的控制流程框图。
图中：1-主动外圈，2-从动内圈单元，2-1-动平台，2-2-曲线柔性铰链，3-限幅弹簧单元，4-压电传感单元，5-压电作动单元，6-电荷适调器模块，7-数据采集模块，8-信号处理模块，9-控制模块，10-数模转换模块，11-压电驱动电源，12-压电主动飞轮，13-销式联轴器，14-车辆动力输入轴，15-车轮传动轴，16-大功率永磁直驱电机，17-销式联轴器Ⅱ，18-轮毂，19-直流伺服电机，20-减速器，21-差速器，22-轮毂Ⅱ，23-轮毂Ⅲ。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述，但本发明的实施不限于此。
如图1所示，本发明车辆轮边传动轴扭振抑制用压电主动飞轮，其特征在于，包括主动外圈1、从动内圈单元2、限幅弹簧单元3、压电传感单元4、压电作动单元5、电荷适调器模块6、数据采集模块7、信号处理模块8、控制模块9、数模转换模块10、压电驱动电源11；所述的从动内圈单元2包括动平台2-1、曲线柔性铰链2-2；
如图2和图3所示，主动外圈1为双层结构，主动外圈1的B面上设有法兰孔，四组从动内圈单元2嵌套在主动外圈1A面的凹槽中，四组从动内圈单元2在主动外圈1A面上呈中心对称布置；四组从动内圈单元2的动平台2-1中心处设有法兰孔，并且动平台2-1中心处法兰孔与主动外圈1B面上法兰孔，须保证二者轴线不重合；在靠近主动外圈1A面圆心的一端，四组从动内圈单元2的动平台2-1通过曲线柔性铰链2-2与主动外圈1A面联接，另一端通过限幅弹簧单元3与主动外圈1A面联接；动平台2-1与限幅弹簧单元3联接处设有凹槽，限幅弹簧单元3放置在凹槽中；主动外圈1A面与限幅弹簧单元3联接中心处设有凸台，限幅弹簧单元3中的两组压簧关于凸台对称，并且两组压簧一端与凸台固定联接，一端与动平台2-1固定联接；限幅弹簧单元3中压簧的极限变形量为压电作动单元5驱动动平台2-1角位移的最大值；四组动平台2-1的两侧与主动外圈1A面相对处均设有沟槽，用于粘贴放置压电传感单元4和压电作动单元5，并且压电传感单元4与压电作动单元5相对于动平台2-1的放置位置呈交替布置，具体来说相邻的动平台2-1当其左边设置压电传感单元4右边设置压电作动单元5时，相邻的动平台2-1就是左边设置压电作动单元5右边设置压电传感单4；四组压电传感单元4结构完全相同，四组压电作动单元5结构完全相同，并且四组压电传感单元4的中心和四组压电作动单元5的中心到主动外圈1A面的圆心距离相等；
压电传感单元4通过导线与电荷适调器模块6的输入端联接，压电作动单元5通过导线与压电驱动电源11的输出端连接，电荷适调器模块6的输出端顺序连接数据采集模块7、信号处理模块8、控制模块9和数模转换模块10，其中数据采集模块7采集电荷适调器模块6的输出信号并传输给信号处理模块8，控制模块9根据信号处理模块8的输出信号进行运算处理确定压电作动单元5的驱动电压信号，经数模转换模块10与压电驱动电源11驱动四组压电作动单元5动作。
如图4所示，压电主动飞轮12设置在销式联轴器13两端中间，销式联轴器13两端分别联接有车辆动力输入轴14和车轮传动轴15；并且车辆动力输入轴14设置在压电主动飞轮12主动外圈1B面一侧，车轮传动轴15设置在压电主动飞轮12主动外圈1A面一侧；
如图5所示，一种使用权利要求1所述车辆传动轴扭振抑制用压电主动飞轮的控制方法，本实施例1为轮边驱动模式，电机为大功率永磁直驱电机16，大功率永磁直驱电机16的电机输出轴通过销式联轴器Ⅱ17联接有车辆动力输入轴14，车辆动力输入轴14与压电主动飞轮12主动外圈1B面联接，压电主动飞轮12另一端联接有车轮传动轴15，车轮传动轴15上设有轮毂18，压电主动飞轮12与车辆动力输入轴14和车轮传动轴15之间设有销式联轴器13；
如图6所示，一种使用权利要求1所述车辆传动轴扭振抑制用压电主动飞轮的控制方法，本实施例2为电机集中驱动模式，电机为直流伺服电机19，直流伺服电机19通过减速器20经差速器21将动力传递给2根车辆动力输入轴14，本实例2中，车辆动力输入轴14、车轮传动轴15、销式联轴器13、压电主动飞轮12联接方式如图4所示，2根车轮传动轴15分别设有轮毂Ⅱ22和轮毂Ⅲ23；本实施例2中，直流伺服电机19与减速器20、减速器20与差速器21、差速器21与车辆动力输入轴14采用法兰联接、键联接等公知的联接方式。
如图7所示，具体步骤如下：
步骤1、将压电主动飞轮12通过法兰孔安装在销式联轴器13两端中间，车辆动力输入轴14和车轮传动轴15与销式联轴器13两端分别联接，并且车辆动力输入轴14设置在压电主动飞轮12主动外圈1B面一侧，车轮传动轴15设置在压电主动飞轮12主动外圈1A面一侧；
步骤2、利用电荷适调器模块6与数据采集模块7实时采集动平台2-1上压电传感单元4的输出加速度信号，由信号处理模块8处理获得从动内圈单元2的瞬时角位移值；实施例1和实施例2中信号处理模块8主要功能是实现加速度到角位移的变换；
步骤3、车辆行驶过程中，外界行驶负载与驱动转矩作用下，在压电作动单元5作用下，压电主动飞轮12中动平台2-1通过曲线柔性铰链2-2弹性变形产生主动角位移，补偿车辆动力输入轴14和车轮传动轴15的扭振变形；
根据电机驱动转矩以及行驶负载转矩，计算从动内圈单元2期望角位移值，利用信号处理模块8处理获得从动内圈单元2的瞬时角位移值，计算从动内圈单元2期望角位移值与瞬时角位移值的偏差，控制模块9通过偏差运算得到压电作动单元5的驱动电压信号，经数模转换模块10与压电驱动电源11传输，需保证压电驱动电源通道a和通道d输出电压极性相同，通道b和通道c输出电压极性相同，通道a、通道b、通道c和通道d电压绝对值相等，控制四组压电作动单元5动作，驱动动平台2-1产生主动角位移，补偿车辆动力输入轴14和车轮传动轴15的扭振变形，抑制系统扭振。

Claims (9)

1.一种车辆传动轴扭振抑制用压电主动飞轮，其特征在于：包括双层结构的主动外圈(1)，主动外圈(1)具体为轴心连接的双圆盘结构，双圆盘结构的厚度不同，薄的为主动外圈(1)的A面，厚的为主动外圈(1)的B面，其中主动外圈(1)的A面上等间距设有多个扇形镂空槽，每个扇形镂空槽中均镶嵌有扇形结构的从动内圈单元(2)，从动内圈单元(2)包括动平台(2-1)，动平台(2-1)的底部即靠近轴心处通过曲线柔性铰链(2-2)与主动外圈(1)A面连接，主动外圈(1)A面的扇形凹槽外缘处设有向扇形镂空槽内伸出的凸台，从动内圈单元(2)的顶部设有与扇形镂空槽外缘处的凸台匹配的凹槽结构，凹槽结构的两侧与凸台通过设有限幅弹簧单元(3)与主动外圈(1)A面联接，动平台(2-1)的两侧与主动外圈(1)A面的扇形镂空槽之间设有电子单元安装槽，每个动平台(2-1)两侧的电子单元安装槽内分别粘贴设置有压电传感单元(4)和压电作动单元(5)，相邻的动平台(2-1)上的压电传感单元(4)与压电作动单元(5)交替设置在左右两侧；
压电传感单元(4)通过导线与电荷适调器模块(6)的输入端联接，压电作动单元(5)通过导线与压电驱动电源(11)的输出端连接，电荷适调器模块(6)的输出端顺序连接数据采集模块(7)、信号处理模块(8)、控制模块(9)和数模转换模块(10)，其中数据采集模块(7)采集电荷适调器模块(6)的输出信号并传输给信号处理模块(8)，控制模块(9)根据信号处理模块(8)的输出信号进行运算处理确定压电作动单元(5)的驱动电压信号，经数模转换模块(10)与压电驱动电源(11)驱动每个动平台(2-1)上设置的压电作动单元(5)工作。
2.根据权利要求1所述车辆传动轴扭振抑制用压电主动飞轮，其特征在于：主动外圈(1)A面的每个从动内圈单元(2)中心处设有安装用法兰孔，主动外圈(1)的B面设有多个安装连接用法兰孔，从动内圈单元(2)中心处的法兰孔与主动外圈(1)的B面上的法兰孔二者轴线不重合。
3.根据权利要求1所述车辆传动轴扭振抑制用压电主动飞轮，其特征在于：每个动平台(2-1)顶部凹槽结构内与主动外圈(1)A面联接的限幅弹簧单元(3)包含两组关于凸台对称设置的压簧，两组压簧一端与凸台固定联接，一端与动平台(2-1)固定联接。
4.根据权利要求1所述车辆传动轴扭振抑制用压电主动飞轮，其特征在于：从动内圈单元(2)在主动外圈(1)A面上呈中心对称布置。
5.根据权利要求1所述车辆传动轴扭振抑制用压电主动飞轮，其特征在于：所述限幅弹簧单元(3)中压簧的极限变形量为压电作动单元(5)驱动动平台(2-1)角位移的最大值，其中压电传感单元(4)与压电作动单元(5)的周向部分与动平台(2-1)及主动外圈(1)A面的扇形镂空槽黏贴，压电传感单元(4)与压电作动单元(5)的径向与主动外圈(1)A面留有间隙，通过压电作动单元(5)的变形实现动平台(2)的补偿转动。
6.根据权利要求1所述的车辆传动轴扭振抑制用压电主动飞轮，其特征在于：压电传感单元(4)在主动外圈(1)的A面等间距设置有四组，并且四组压电传感单元(4)的中心和四组压电作动单元(5)的中心到主动外圈(1)A面的圆心距离相等。
7.根据权利要求1所述的车辆传动轴扭振抑制用压电主动飞轮，其特征在于：电荷适调器模块(6)有四个输入通道，分别为通道a、通道b、通道c和通道d，每个输入通道均分别与一个从动内圈单元(2)的压电传感单元(4)连接，压电驱动电源分别设有四个输出通道，分别为通道e、通道f、通道g和通道h，每个输出通道均分别与一个压电作动单元(5)连接并进行控制。
8.一种使用权利要求1-7中任意一条权利要求所述车辆传动轴扭振抑制用压电主动飞轮的控制方法，其特征在于将压电主动飞轮(12)通过销式联轴器(13)安装在车辆动力输入轴(14)和车轮传动轴(15)之间；
具体步骤如下：
步骤1、将压电主动飞轮(12)通过法兰孔安装在销式联轴器(13)两端中间，车辆动力输入轴(14)和车轮传动轴(15)分别通过销式联轴器(13)与压电主动飞轮(12)两端连接，车辆动力输入轴(14)设置在压电主动飞轮(12)主动外圈(1)B面一侧，车轮传动轴(15)设置在压电主动飞轮(12)主动外圈(1)A面一侧；
步骤2、车辆行驶过程中，利用电荷适调器模块(6)与数据采集模块(7)实时采集动平台(2-1)上压电传感单元(4)的输出加速度信号，利用信号处理模块(8)处理获得从动内圈单元(2)的瞬时角位移值；
步骤3、计算从动内圈单元(2)期望角位移值与瞬时角位移值的偏差，控制模块(9)通过偏差运算得到压电作动单元(5)的驱动电压信号，经数模转换模块(10)与压电驱动电源(11)传输，需保证压电驱动电源(11)上输出的通道e和通道h输送给两个轴心相对设置的动平台(2-1)上压电作动单元(5)的输出电压极性相同，通道f和通道g输送给另两个轴心相对设置的动平台(2-1)上压电作动单元(5)的输出电压极性相同，通道e、通道f、通道g和通道h的电压绝对值相等；
步骤4、在外界行驶负载与驱动转矩作用下，控制压电作动单元(5)作用，从而驱动动平台(2-1)通过曲线柔性铰链(2-2)弹性变形产生主动角位移，补偿车辆动力输入轴(14)和车轮传动轴(15)的扭振变形，从而抑制轮毂(18)上的系统扭振，在此过程中，限幅弹簧单元(3)随着动平台(2-1)的转动在凸台的作用下压缩变形，从而限制动平台(2-1)的转动角位移以避免曲线柔性铰链(2-2)因变形过大发生断裂。
9.根据权利要求8所述控制方法，其特征在于：车辆动力输入轴(14)通过销式联轴器Ⅱ(17)与大功率永磁直驱电机(16)电机直连；或者通过差速器(21)将直流伺服电机(19)通过减速器(20)传输的动力传递给左右设置的两根车辆动力输入轴(14)，左右两根车辆动力输入轴(14)通过销式联轴器(13)、车轮传动轴(15)分贝连接有左右何止的轮毂Ⅱ(22)和轮毂Ⅲ(23)；直流伺服电机(19)与减速器(20)、减速器(20)与差速器(21)、差速器(21)与车辆动力输入轴(14)采用法兰联接、键联接。
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