CN1709728B - 主动车辆悬架 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种主动车辆悬架，其用于在轮式车辆的簧上车身上悬挂车轮组件，并适于使得车轮组件的中心在下沉和回弹行程上能够相对于簧上车身运动并限定相对于车身的车轮中心位置轨迹。所述悬架包括一致动器，其连接到车轮组件和所述簧上车身，并适于在车身和车轮组件之间施加一主动控制力，以移动车轮组件。所述车轮悬架被构造成使得在车轮中心位于标称驾驶高度的情况下，所述车轮中心位置轨迹的切线相对于竖直方向向后倾斜。

Description

主动车辆悬架
技术领域
本发明涉及用于诸如汽车之类的轮式交通工具的主动悬架。
背景技术
车辆的悬架系统的主要目的是提供道路与底盘之间的竖直柔顺性(compliance)，以便使底盘载乘物与道路上的不平隔离，以及保持轮胎与道路接触，从而提供将来自轮胎底部的力传递到底盘的途径，以便改变车辆的速度和方向。一些常用独立悬架联接装置(linkage)的例子已知的通常有支柱&联接件(strut&link)(又称为麦花臣支柱)、双A臂(又称为双叉臂或SLA)、半拖曳臂以及多链。
每个车轮组件通过一个或者多个联接件被连接到底盘上。联接件限定为各端上有着一个或者多个接头、使得能够进行特定运动的大致刚性的构件。它是当车轮上到道路不平物上或者从不平物上下来时控制车轮的运动(或轨迹)的那种联接件。这些联接件还必须将轮胎-道路界面处产生的力传送至底盘。
在主动悬架中，在车身及其载乘物的簧上质量(sprung mass)和车轮组件的非簧质量之间，通过例如液压或者电力致动器将受控的力引入至悬架。非簧质量是再现车辆未由悬架系统负载的那些部件的运动所产生的惯性力的等效质量。这主要包括车轮组件、与车轮组件相关联的所有质量阻尼器、以及悬架联接件的部分质量。簧上质量是车辆由悬架系统所负载的那些部件的质量，包括车身。主动悬架系统理想上能够引入与车轮相对运动和速度无关的力。
美国专利No.4981309公开了一种在轮式(rolling)车辆的每个车轮组件处使用电磁致动器的主动悬架系统。美国专利6364078和2000年3月1日公开的欧洲专利公报0982162一起公开了一种可用于这种电磁悬架致动器的质量阻尼器，其能够独立于车轮组件上、但是只能在大致竖直的方向上运动。在所有其它方向上，该质量阻尼器的质量实际上被增加到非簧质量的惯量(inertia)上。以上美国专利的全部内容如同它们整体上所陈述的那样通过引用被结合于此。
通常，所有以动力学方式引入的车轮力都或者是由轮胎与道路的相互作用所产生的，或者是由非簧质量的运动所产生的惯性力。轮胎与道路之间出现的力经由悬架系统被传递至车身。水平的轮胎接触面(tire patch)力包括横向(即，侧向)分量和纵向(即，前后方向)分量。在平滑的道路上，纵向分量主要是与道路之间滚动摩擦的结果，而横向分量是转向(steering)的结果。在不平滑的道路上，车轮相对于车身的上下运动由于悬架的几何构形的原因，可能在轮胎接触面处引入其它横向和纵向负荷。
在车轮的特定高度处相对于底盘测得的静态车轮束角(toe angle)是车辆的中心纵轴与一车轮的中心平面和道路表面相交的线之间的角度。如果车轮的前部转向车辆的的中心纵轴，则车轮为“内束的(toed-in)”，而如果向外转则是“外张的(toed-out)”。快速行使时，希望静态束角是非常接近零度，以减小轮胎磨损和滚动阻力。在车辆静止时名义上设置的束角是否会随着速度、滚动(roll)、俯仰(pitch)或者轮胎下沉和回弹而改变对于操纵考虑来说也是非常重要的。滚动是车身绕车辆纵轴的旋转，例如在突然转弯过程中导致的，尤其是在悬架的刚度非常柔软的情况下。倾斜是车身绕车辆横轴的旋转，例如由重刹车或加速导致的。下沉是车轮由静态状态向上朝着车身的相对位移，通常压缩悬架弹簧，而回弹是车轮由静态状态向下远离车身的相对位移。当车轮相对于车身上下运动时，车轮的中心相对于车身沿着一称为“车轮中心位置轨迹(locus path)”的轨迹运动，其在大多数标准悬架中是非线性的，并最主要地由悬架几何构形决定。
通过例如使车轮主动相对于车身以使得车轮越过道路上的不平之处的方式(例如车轮上下运动，而车身从车的外部观察并不运动)运动，主动悬架可以用于使从车轮传递到车身的力最小化。这样的效果需要在车轮与车身之间通过悬架致动器主动引入一力。因此，在主动悬架中，车轮中心会倾向于沿着其轨迹行进一更长的总距离(即，在越显著的下沉和回弹位置花费越多的时间)。因此，在主动悬架车辆中，当悬架起作用以保持车身稳定的时候，车轮的极严重的下沉和回弹会更频繁地出现。
一般需要改进主动悬架构造，特别是针对由主动控制和所造成的下沉/回弹强度带来的不利之处。
发明内容
在我的研究过程中，我发现，当俯仰、滚动和竖直车身运动时，通过适当带宽的主动悬架系统大大地减小了振动，与较小的水平车轮运动相关联的附加力(这通常被其它车身运动所掩盖)变得可察觉和主观上非常无法接受。
这些力变得不可接受，并不仅仅因为消除了其它车身运动，而且因为主动悬架系统会由于比传统悬架更频繁地应用更多的可用悬架行程而放大它们的作用。同时，车轮组件中结合的较大的阻尼质量增大了水平车轮惯性，并可能进一步加重所引入的负载。作为一种总体上的类比，在主动悬架控制下，车身可以被控制沿大致线性的轨迹快速运动(象巡航导弹一样)，而车轮根据需要在路面不平物上主动上下运动。理想地，仅当确定出可用车轮行程不足以充分吸收道路输入(例如凸起或凹坑)时，车身本身才响应于这些输入沿纯前向直线方向以外的方向运动。这与传统的悬架有很大的不同，在传统悬架中，变刚度弹簧、防撞杆和阻尼器总是根据车轮相对于车身的位置和速度在车身上施加力。
一些实施例具体给出了较低的车辆悬架水平动态位移。广泛地相对于四轮车辆模型和独立悬架限定的水平动态位移，是非簧质量与簧上质量的比率，乘以非簧质量的重心的水平位移。换句话说，如果总的车重为18000牛顿(4000磅)，均匀地分布在四个车轮上，一个车轮处的有效非簧质量的重量为1100牛顿(250磅)，非簧质量的重心通过一相关联的车轮运动范围从起始位置最多水平运动100毫米，则悬架在该车轮处的最大水平动态位移应为(250/(4000/4))×100，即25毫米。应该认识到，在绝大多数情况下，轮毂的水平位移给出了非簧质量的重心的水平位移的一个很好的近似。水平位移意味着包括在大体上平行于路面的平面内发生的所有位移，而无论是否关系到轨距宽度或者轴距的变化。在很多情况下，水平位移会包括沿在车辆的行驶方向上延伸的轴测得的纵向分量和沿垂直于车辆行驶方向延伸的轴测得的横向分量。
本发明的各个方面提出了一种主动车轮悬架，其用于在有轮交通工具的簧上车身上悬挂车轮组件，并适于使得所述车轮组件的中心在下沉和回弹行程上能够相对于簧上车身运动并限定相对于所述车身的车轮中心位置轨迹。
根据本发明的一个方面，所述悬架包括一致动器，其连接到车轮组件和簧上车身，并适于在所述车身和所述车轮组件之间施加一主动控制力，以移动所述车轮组件。所述车轮悬架被构造成使得在车轮中心位于标称驾驶高度的情况下，所述车轮中心位置轨迹的切线相对于竖直方向向后倾斜。
“主动控制力”，我指的是由受控的致动器引入悬架的力。这样的力可以对立于相对车轮运动和速度。
在一些实施例中，主动车轮悬架被构造成在下沉和回弹过程中相对于车身沿大致线性的轨迹移动车轮中心，所述线性轨迹相对于竖直方向向后倾斜。
在变化的实施例中，所述车轮中心位置轨迹的切线限定了前后平面内相对于竖直方向的一缩进角，该缩进在大约1和5度之间。在其它实施例中，该缩进角在大约2和4度之间。在一优选实施例中，所述缩进角为大约3度。
在一应用中，所述主动车轮悬架包括一倾斜致动器，其适于将所述车轮中心位置轨迹的切线的向后倾斜度作为车辆速度的函数来使之改变。在一些设置中，所述车轮中心位置轨迹的切线的向后倾斜度的大小被构造成与车辆速度相反地改变。
在一些情况下，所述致动器包括一电磁致动器，例如线性马达。
在一应用中，所述主动车轮悬架被构造成一汽车前车轮悬架。在一些情况下，该致动器被设置为一支柱。在其它应用中，所述主动车轮悬架被构造成一汽车后车轮悬架。
在一示例中，所述车轮组件具有一大于大约530牛顿(120磅)的水平非簧质量重量。在另一示例中，所述车轮组件包括一相对于所述车轮组件实质上属于簧上质量的阻尼器质量。
在一实施例中，所述主动车轮悬架被构造成在沿车轮中心位置轨迹的至少0.2米的主动控制范围上在所述车身和所述车轮组件之间产生一主动控制力。
在一种情况下，所述主动车轮悬架包括机械挡块，其被设置成允许至少大约50毫米(大约2.0英寸)的下沉和大约50毫米(大约2.0英寸)的回弹。所述主动车轮悬架可以限定一几何构形，该几何构形被选择成在所述下沉和回弹过程中产生小于5毫米的最大胎面宽度变化。
在一实施例中，所述主动车轮悬架包括一结构联接件，其耦接到所述车轮组件，以限定一相对旋转中心，并在一铰链处可旋转地耦接到所述簧上车身。在一示例中，所述结构联接件是一第一结构联接件，其耦接到所述车轮组件，以限定一相对旋转中心，并在一第一铰链处可旋转地耦接到所述簧上车身，所述悬架还包括一第二结构联接件，其耦接到所述车轮组件，以限定一相对旋转中心，并在所述第一铰链上方的一第二铰链处可旋转地耦接到所述簧上车身。
在其它一些应用中，所述主动车轮悬架限定一几何构形，该几何构形被选择成当所述致动器在其主动控制范围上运动时，产生小于大约4.0毫米的所述车轮组件的最大水平动态位移。在一示例中，所述主动控制范围覆盖了至少0.2米的所述车轮组件的重心的竖直位移。
在另一种情况下，所述主动车轮悬架限定一几何构形，该几何构形被选择成在所述下沉和回弹行程上产生小于0.1度的最大前束变化。
在主动车轮悬架的另一示例中，所述车轮组件和一支撑表面之间限定的一轮胎接触面的横向位移，乘以横向轮胎刚度，得到一小于大约2200牛顿(500磅)的最大乘积。
在主动车轮悬架的其它一些应用中，在所述下沉和回弹行程上所述车轮组件的车轮边缘绕一竖直轴的总的回转角，乘以所述车轮组件的轮胎的回转刚度，得到一小于大约130牛顿(30磅)的乘积。
在一示例中，所述车轮悬架包括一后车轮悬架，所述后车轮悬架包括一上结构构件，其耦接到所述车轮组件以限定一上相对旋转中心，并在一上铰链处旋转地耦接到所述簧上车身；和一下结构构件，其耦接到所述车轮组件以限定一位于所述车轮组件的重心的与所述上相对旋转中心相对的一侧的下相对旋转中心，并在一下铰链处旋转地耦接到所述簧上车身。
根据本发明的另一个方面，本发明提出了一主动车轮悬架，其用于在轮式车辆的簧上车身上悬挂车轮组件，并适于使得所述车轮组件的中心在下沉和回弹行程上能够相对于所述簧上车身运动并限定相对于所述车身的车轮中心位置轨迹。所述悬架包括一致动器，其连接到所述车轮组件和所述簧上车身，并适于在所述车身和所述车轮组件之间施加一主动控制力，以移动所述车轮组件。所述车轮悬架被构造成使得所述车轮中心位置轨迹的切线向后倾斜以相对于竖直方向在一前后平面内限定一缩进角，在所述车轮中心位于标称驾驶高度的情况下，该缩进角在大约1和5度之间。所述车轮悬架进一步被构造成沿相对于所述车身的大致线性的轨迹在下沉和回弹过程冲移动所述车轮中心，所述线性轨迹相对于竖直方向向后倾斜。
根据本发明的另一个方面，本发明提出了一种致动轮式车辆的主动车轮悬架的方法，所述方法包括在簧上车身与车轮组件之间施加一主动控制力，以移动所述车轮组件；以及沿相对于所述车身的车轮中心位置轨迹在下沉和回弹行程上相对于所述簧上车身移动所述车轮中心，在所述车轮中心位于标称驾驶高度情况下，所述车轮中心位置轨迹的切线相对于竖直方向向后倾斜。
在一应用中，所述方法包括沿相对于所述车身的大致线性的轨迹在下沉和回弹过程中移动所述车轮组件的中心。
在一示例中，所述方法包括将所述车轮中心位置轨迹的切线的向后倾斜度作为车辆速度的函数来使之改变。在另一示例中，所述车轮中心位置轨迹的切线的向后倾斜度的大小被构造成与车辆速度相反地改变。
本发明的各个方面提供了非常令人愉快的驾驶性能，尤其在完全主动客车悬架的情况下。在很多情况下，本发明提出了结合以前在传统悬架构造中被认为是不可接受的悬架参数。
在附图和以下说明中将描述本发明的一个或多个实施例的细节。本发明的其它特征、目的以及优点在说明书、附图和权利要求中将变得清晰。
附图说明
图1是主动客车悬架系统的透视图。
图2是悬架系统的总体电力示意图，示出了主要部件。
图3是主动客车悬架系统的一示例性实施例的示意性图示。
图4是从车辆前方或后方观察到的后悬架的示意性图示。
图5示出了后悬架的下沉和回弹运动。
图6是从上方观察到的后悬架的示意性图示。
图7是从车辆前方或后方观察到的前悬架的示意性图示。
各图中相同的标号指示相同的元件。
具体实施方式
首先参照图1，客车10的悬架包括两个独立前车轮悬架组件12和两个独立后车轮悬架组件14，每个包括将对应的车轮组件连接到车身的一电磁致动器16。在所示系统中，前悬架中的致动器16一般设置于在传统悬架中可能设置被动阻尼器(例如，振动吸收器或者支柱)的地方，但是该致动器16的功能显著不同于被动阻尼器的功能。前悬架12的其它主要部件包括：下控制臂18，其在下球窝接头20处铰链连接到前车轮组件，并在下球窝衬套(ball bush)22a和22b处连接到被悬挂的车身；可调节拉杆(tie rod)24，其铰链连接到前车轮组件的转向节，并连接到一连接转向联接装置(connecting steering linkage)(未示出)；和扭转弹簧26，其将被悬挂的车身与下控制臂连接，并被设置成抵抗由静态车辆负载引起的悬架挠曲，将控制臂偏置到希望的中立位置。后悬架14的主要部件包括：下控制臂28，其在下球窝接头30处铰链连接到后车轮组件，并在下球窝衬套32a和32b处连接到被悬挂的车身；上控制臂34，其在上球窝接头36处铰链连接到后车轮组件，并在上球窝衬套38a和38b处连接到被悬挂的车身；可调节前束联接件(toe link)40，其铰链连接到后车轮组件和被悬挂的车身，用于设置静态后束角；和扭转弹簧26，其目的与前悬架中的一样。所有控制臂衬套轴(bushing axes)基本上平行于车辆的前后中心线延伸。延伸在可旋转铰链之间的联接件，对延伸穿过滑动轴颈(slidingjournal)等的联接件相对，它们只需被构造并安装成支撑拉伸或压缩负载，而无需抵抗较大的力矩或弯曲负载，减小了联接件所需的重量和尺寸。
如美国专利6364078中所公开的，每个前车轮和后车轮组件包括封装在轮毂中的一质量阻尼器组件42。调谐的质量阻尼器42实质上是相当的反作用质量，其通过相应的弹簧和阻尼器(未示出)连接到车轮组件的其它部分上，并被限制于只能在大致竖直的方向上相对于车轮组件运动。
接下来参照图2，致动器16形成为被集成的主动的车辆悬架控制系统的一部分，所述主动悬架主动地控制作为各种系统输入的函数的相对车轮/车身动态和动力学参数(例如，负载、位移以及它们的速率)。系统从蓄电池44或者由与车辆推进系统(未示出)相关联的发电机46充电的其它电力储蓄装置接收电力。中心悬架控制模块(SCU)48控制来自电池44的电力如何被施加到各个车轮致动器16内的线圈上，以引起希望的车轮-车身作用力或挠曲(deflection)响应，控制向分别驱动前车轮和后车轮组件的致动器的前放大器50和后放大器52发送信号。SCU接收来自独立加速度计56的输入，所述加速度计被设置用于探测邻近各个上致动器连接处和各个车轮组件处的竖直车身加速度，SCU还可以接收来自手轮位置传感器54的其它输入。需要时，可以使用其它或者额外的传感器。除了控制各个致动器16以外，SCU48根据需要还可以控制负载均衡系统58，以减小由于静态车辆驾驶高度和姿态的变化引起的总的悬架功耗。SCU从车辆上的若干传感器处收集数据，计算提供最舒适驾驶所需的致动器作用力。然后，SCU命令各个致动器生成一详细计算得到的作用力，以保持车身几乎静止，或者以希望的方式运动，同时使得车轮能够行进越过道路的不平之处。
接下来参见图3，诸如图2所示的主动前悬架12和/或主动后悬架14之类的主动车轮悬架被构造成使得车轮组件的中心能够在下沉或者回弹中相对于簧上车身运动，并限定相对于车身的一车轮中心位置轨迹。车身悬架进一步被构造成使得在标称驾驶高度处，车轮中心位置轨迹的切线T相对于车辆向后倾斜，以减小传递到车身的纵向力，从而改善驾驶的不平稳感。主动悬架适于使得车轮组件的中心C在下沉和回弹行进中能够相对于簧上车身运动，并限定相对于车身的中心位置轨迹L。在一示例中，悬架可以包括连接至车轮组件和簧上车身、并适于在车身和车轮组件之间施加一主动控制力以移动车轮组件的一致动器。车轮悬架可以被构造成使得在车轮中心处于标称驾驶高度情况下，车轮中心位置轨迹L的切线能够相对于车辆向后倾斜。
车轮组件的中心沿着位置轨迹L相对于簧上车身运动。因为所得到的传递到车身的纵向力具有方向性，使切线向位置轨迹L倾斜，所以距离竖直轴V的缩进角(recession angle)θ减小了传递到车身的轴向力，其中所述竖直轴V基本上与所得到的来自道路的力传递(force transmission)的方向一致。缩进角θ至少作为车辆速度的函数而变化。在一实施例中，缩进角在大约1到5度之间。在另一实施例中，缩进角在大约2到4度之间。在另一实施例中，该缩进为大约3度。
继续参照图3，在另一实施例中，主动控制系统可以包括一适于随着车辆速度改变缩进角θ的倾斜致动器。在一示例中，缩进角θ被构造成作为车辆速度的函数而动态并相反地改变。对于较低的汽车速度(40到60km/h)，与所得到的道路力传递角度匹配的向后的缩进角θ会减小从路面传递到车身的纵向力。对于更高的汽车速度，向后的缩进角θ向0度或竖直方向移动。在一实施例中，连接悬架系统和底盘的独立的副架(subframe)可以设置用于基于汽车速度提供所希望的向后的缩进角。后悬架或者后悬架和前悬架可以被调节以提供希望的缩进角。例如滚珠丝杠致动器的倾斜致动器可以被用来改变作为车辆速度的副架相对于底盘的位移。
图4示意性示出了从静止的车辆的前方或后方观察到的一个独立的后悬架14。上控制臂34是水平的，其外侧球窝接头36和内侧衬套38都设置在平行于路面的一个平面P1内。下控制臂28大致水平，其中它的外侧球窝接头30和内侧衬套32都近似处于平行于平面P1的一个平面P2内。致动器16在下铰链60处被铰链连接到车轮组件上，并在上铰链62处被连接到车身上。车轮几何中心64和后驱动轴CV接头的中心66也被示出，同时示出了有效非簧质量的重心68。车轮组件相对于车身的下沉运动收到机械挡块70的限制，该机械挡块可以可起作用地设置在致动器16的外壳内。车轮组件的回弹运动类似地收到机械挡块(未示出)的限制，该挡块可以如本领域普遍已知的那样被构造和设置，或者设置在致动器的外壳内。
如图5所示，当车轮组件遍历其整个主动行程(active travel)时，后悬架上下控制臂在一运动范围上运动，其中在所述主动行程中，主动悬架系统向车轮组件施加控制力。优选，这样的主动行程范围会覆盖机械挡块之间的可能行程的全部范围的至少80％(更优选，其会覆盖固定挡块之间的整个行程范围)，并且对于绝大多数客车应用来说至少为0.2米。为了说明，示出了下沉中的(车身72相对于路面处于最低位置)、回弹中的(车身相对于路面处于最高位置)、静止中的控制臂、车身以及车轮外形。优选对各种悬架联接件的几何构形进行选择，使得当车身沿着所示竖直轨迹运动时，轮胎与道路之间的接触部分74的中心在车轮运动的主动范围上具有非常小的横向位移，以使施加到车轮组件上、经过悬架、到达车身的横向轮胎接触面作用力最小化。这至少可以部分地通过使联接件较长、水平并平行而实现，而这通常是要避免以防止将滚动中心(roll center)设置得太低。由于主动悬架避开了滚动(rolling)，所以较低的滚动中心几何构形是可接受的。
较低的横向轮胎接触面位移对于有效地基本上消除了将快速行驶中由于道路障碍引起的不希望的竖直加速度的高带宽主动悬架尤为有利，因为，由于消除了这样的障碍，致使由驾驶引起的横向轮胎接触面运动所造成的横向加速度变得更显著和无法接受。
图5还示出了，当车轮组件在其主动下沉和回弹行程上运动时，非簧质量的有效重心68具有一定的水平运动。如图6中最佳示出的(其中为了图示将位移放大了)，水平位移δ可以被视为由两个分量构成：一前后分量δx和一横向分量δy。我发现，通过将后悬架构造成将各个后车轮组件的总的水平动态位移(kinetic displacement)(非簧质量与簧上质量的比率乘以水平车轮组件位移δ)保持在至少4.0毫米以下，主动悬架中的，特别是那些明显减小了快速行驶时的竖直加速度的主动悬架中的主观(subjective)驾驶质量得到显著改善，如果水平动态位移的限度低很多，则有利效果也更大。横向分量δy对悬架产生横向力和加速度，这在没有竖直加速度的情况下可能是不可接受的，所述横向分量优选保持充分地低，使得横向(即，沿垂直于车辆行进方向延伸的轴)测得的水平动态位移小于大约3.5毫米。前后分量会产生局部的前后力和加速度，其优选保持充分地低，使得前后方向上(即，沿着垂直于车辆行进方向延伸的轴)测得的水平动态位移小于大约1.5毫米。如以下描述的示例所显示的，即使在具有显著地设置在其相应的内侧控制臂衬套38和32的外侧的控制臂球窝接头36和30的双A臂和半拖曳臂构造中，也能够获得较低的水平动力学车轮位移。在半拖曳臂构造中，球窝接头也可以位于它们相应的控制臂衬套的较为靠后的位置。有各种机器可用于通过上下运动车身来测量水平悬架位移和车轮位移，例如，可从英国威尔特郡Bradford-on-Avon市的Anthony Best Dynamics公司购买到的悬架参数测量机器(Suspension Parameter Measuring Machine)SPMM 4000。
尽管很多悬架设计者通过在几何上改变前束(toe)来影响车辆的操纵性能，但是我发现，在很大地减轻了竖直加速度的量的主动悬架情况下，下沉和回弹期间的显著的前束变化(图6中标记为τ)可能在乘坐者舒适性和所感觉到的安全性和控制性方面来说主观上是不可接受的。由于主动悬架控制消除了车身滚动，所以前束变化可能引起很多人称为自转向或偏斜(wander)的情况。主动悬架中更多地使用极限车轮行程会加重这种作用。我发现，如果前束变化在主动控制范围上保持低于大约0.1度(优选，在挡块之间的整个行程范围上低于0.083度)，则可以大大地减小自转向作用。理想地，当车轮压缩或者回弹时，不应出现前束变化。应该认识到，通过正确选择适当的悬架几何构形和弹性衬套特性，可以控制动态前束变化。前束变化可以作为准静态条件下竖直行进过程中车轮绕竖直轴的回转角而近似地测得。
返回参照图5，在基本上没有车身滚动(roll)的主动悬架情况下，在主动竖直车轮运动中保持总的外倾角(camber)变化γ小于大约正负3.0度，同样有利。通过保持轮胎大致竖直，可获得的轮胎回转力(cornering force)在同时避免了横向非簧质量惯性力的情况下最大。但是，如果有必要，一定的微小外倾角变化可以被接受，以减小胎面宽度变化(以下将讨论)。例如，在以下详细描述的后悬架应用中，+/-2.0度的外倾角变化被用来将胎面宽度变化保持在大约2.5毫米以下。优选，轮胎选择为基本上不受外倾角变化的影响。为此，子午线轮胎是优选的。
图7示意性地示出了在下沉和回弹过程中前悬架12的主动运动范围。致动器16设置成在轮胎接触面处实现零转向半径(scrub radius)。如所示，当车身72沿纯竖直轨迹运动时，竖直悬架运动导致轮胎接触接触面中心76的较小的横向位移Δ。位移Δ也被称为胎面宽度变化。只要前轴在乘坐间之前，就可容忍较大的前悬架胎面宽度变化Δ。但是，位于乘坐者之后的轴必须被限制于极小的胎面宽度变化，否则所造成的横向力产生有人在左右地推动车辆的后部的不舒适感觉，
前悬架中的胎面宽度变化Δ优选小于大约35毫米，更优选，小于大约20毫米。后悬架中的胎面宽度变化更为显著和不可接受，我倾向于将后胎面宽度变化保持在10毫米以下，更优选，小于5毫米。
将胎面宽度变化保持得这么低意味着保持悬架滚动中心靠近地面。例如，滚动中心在路面上方的位置可以由胎面宽度变化-车轮行程曲线通过寻找垂直于该曲线的切线的一直线与表示车辆的横向中心线的一直线的交点而直接估算出。该交点在道路上方的高度大致为滚动中心高度(RCH)。但是，由于主动悬架控制能够有效的消除车身滚动，所以理想调谐的主动悬架车辆中的滚动量不会随较低的滚动中心变化。在很多应用中，通过限制胎面宽度变化而实现舒适性的改善，需要一定程度地增加抵抗滚动所需的致动器作用力。在很多应用中，同时在可获得足够的致动器作用力的情况下，滚动中心高度应该被优化，以实现最小的胎面宽度变化。一定的胎面宽度变化可以被容忍以实现更低的致动器作用力和系统动力需求。优选，最大胎面变化在前悬架中为小于大约20毫米，在后悬架中为小于大约5毫米。前后之间优选范围的差异来自于我们对主动车辆样机的观察，其中乘坐者情绪上更容易受到源自车辆后部的横向力的干扰。优选，前RCH应该不大于前静态胎面宽度的大约5％，而后RCH应该不大于后静态胎面宽度的大约1.25％。
优选，横向轮胎接触面位移Δ和非旋转横向轮胎刚度的乘积保持在小于大约2200牛顿(500磅)，优选小于大约670牛顿(150磅)。在修车厂利用例如那些在车轮校准机器中使用的横向轴承垫、通过测量车身在其下沉和回弹运动范围上上下缓慢运动时该垫的横向位移，可以测得胎面宽度变化，其中假设对称的悬架特性，各个轮胎处的横向位移取为总车辆轨距宽度变化的一半。横向轮胎刚度应该作为大约最初10毫米的横向轮胎接触面位移上的平均轮胎刚度来测量。
在一示例中，一成品车1994LEXUS LS400被改造以包括大体上如图1所示的前后悬架，其具有根据下表定位的有效悬架联接点。“X”坐标指示沿车辆的前后轴测得的距车轮中心的以毫米为单位的距离；“Y”坐标指示横向并垂直于前后方向测得的距车辆的前后中心线的以毫米为单位的距离。“Z”坐标指示距车轮中心的以毫米为单位的竖直距离。表的左栏对应于图中的标号。只给出了车辆一侧的值，车辆另一侧的悬挂点的位置可以通过关于车辆的前后中心平面对称而导出。
                            X       Y         Z
前悬架
78     车轮中心            0.00    786.10    0.00
80     上致动器接头        -38.30  550.21    584.05
82     下致动器接头        0.30    633.91    -1.45
22a    下臂、前衬套        424.94  352.43    -82.22
22b    下臂、后衬套        7.29    352.43    -104.11
20     下臂球窝接头        8.48    728.47    -126.82
84     内侧拉杆铰链        87.9    3353.06   -79.17
86     外侧拉杆球窝铰链    132.51  754.02    -97.56
后悬架
64     车轮中心            0.00    786.92     0.00
66     车轮CV接头          -0.38   676.43     0.00
38a    上臂、前衬套        102.6   4444.50    151.49
38b   上臂、后衬套           -115.09    444.50    140.06
36    上臂球窝接头           -6.02      700.38    141.91
32a   下臂、前衬套           6.12       238.13    -90.12
32b   下臂、后衬套           -316.13    -238.13   -107.01
30    下臂球窝接头           6.32       706.42    -93.90
62    上致动器接头           -43.51     513.84    714.98
60    下致动器接头           -3.28      -611.15   86.79
      内侧前束联接件衬套     -187.38    295.28    -66.75
      外侧前束联接件球窝接头 -122.00    717.04    -68.83
      半轴/差动接            17.58      130.94    14.96
在该应用中，后致动器的主动行程范围在下沉情况下为108毫米，在回弹情况下为108毫米，总的主动范围超过200毫米。前致动器的主动行程范围在下沉情况下为108毫米，在回弹情况下为108毫米。
该主动型凌志车的前部具有87毫米的静态滚动中心高度(RCH)(在主动悬架驾驶高度处计算得到，该高度近似处于悬架行程的中心)。该凌志车的后部具有0毫米的RCH，以及仅为2.3毫米的最大后胎面变化。
以上描述了本发明的若干实施例。然而，应该认识到，在不背离本发明精神和范围的情况下可以做出各种修改。因此，其它实施例落入所附权利要求的范围内。

Claims (30)

1.一主动车轮悬架，其用于从轮式交通工具的簧上车身上悬挂车轮组件，并适于使得所述车轮组件的中心在下沉和回弹行程上能够相对于所述簧上车身运动并限定相对于所述车身的车轮中心位置轨迹，所述悬架包括：
一致动器，其连接到所述车轮组件和所述簧上车身，并适于在所述车身和所述车轮组件之间施加一主动控制力，以移动所述车轮组件；
其中，所述车轮悬架被构造成使得在车轮中心位于标称驾驶高度的情况下，所述车轮中心位置轨迹的切线相对于竖直方向向后倾斜。
2.如权利要求1所述的主动车轮悬架，其中，所述悬架被构造成在下沉和回弹过程中沿相对于所述车身的线性的轨迹移动所述车轮中心，所述线性轨迹相对于竖直方向向后倾斜。
3.如权利要求1所述的主动车轮悬架，其中，在车轮中心位于标称驾驶高度情况下，所述车轮中心位置轨迹的切线限定了前后平面内相对于竖直方向的一缩进角，该缩进在1和5度之间。
4.如权利要求3所述的主动车轮悬架，其中，所述缩进角在2和4度之间。
5.如权利要求4所述的主动车轮悬架，其中，所述缩进角为3度。
6.如权利要求1所述的主动车轮悬架，其中，还包括一适于将所述车轮中心位置轨迹的切线的向后倾斜度作为车辆速度的函数来使之改变的致动器。
7.如权利要求6所述的主动车轮悬架，其中，所述车轮中心位置轨迹的切线的向后倾斜度的大小被构造成与车辆速度相反地改变。
8.如权利要求1所述的主动车轮悬架，其中，所述致动器包括一电磁致动器。
9.如权利要求8所述的主动车轮悬架，其中，所述致动器包括一线性马达。
10.如权利要求1所述的主动车轮悬架，其中，所述车轮悬架包括一汽车的前车轮悬架。
11.如权利要求10所述的主动车轮悬架，其中，所述致动器被设置为一支柱。
12.如权利要求1所述的主动车轮悬架，其中，所述车轮悬架包括一汽车的后车轮悬架。
13.如权利要求1所述的主动车轮悬架，其中，所述车轮组件具有一大于530牛顿的水平非簧质量重量。
14.如权利要求1所述的主动车轮悬架，其中，所述车轮组件包括一相对于所述车轮组件垂直弹簧负荷的阻尼器质量。
15.如权利要求1所述的主动车轮悬架，其中，所述主动车轮悬架被构造成在沿所述车轮中心位置轨迹的至少0.2米的主动控制范围上在所述车身和所述车轮组件之间产生一主动控制力。
16.如权利要求1所述的主动车轮悬架，其中，还包括机械挡块，其限制下沉和回弹的行程，其中所述机械挡块被设置成允许至少50毫米的下沉和50毫米的回弹。
17.如权利要求1所述的主动车轮悬架，其中，所述主动车轮悬架限定一几何构形，该几何构形被选择成在所述下沉和回弹过程中产生小于5毫米的最大胎面宽度变化。
18.如权利要求1所述的主动车轮悬架，其中，还包括一结构联接件，其耦接到所述车轮组件，以限定一相对旋转中心，并在一铰链处可旋转地耦接到所述簧上车身。
19.如权利要求18所述的主动车轮悬架，其中，所述结构联接件是一第一结构联接件，其耦接到所述车轮组件，以限定一相对旋转中心，并在一第一铰链处可旋转地耦接到所述簧上车身，所述悬架还包括一第二结构联接件，其耦接到所述车轮组件，以限定一相对旋转中心，并在所述第一铰链上方的一第二铰链处可旋转地耦接到所述簧上车身。
20.如权利要求1所述的主动车轮悬架，其中，所述主动车轮悬架限定一几何构形，该几何构形被选择成当所述致动器在其主动控制范围上运动时，产生小于4.0毫米的所述车轮组件的最大水平动态位移。
21.如权利要求20所述的主动车轮悬架，其中，所述主动控制范围覆盖了至少0.2米的所述车轮组件的重心的竖直位移。
22.如权利要求1所述的主动车轮悬架，其中，所述主动车轮悬架限定一几何构形，该几何构形被选择成在所述下沉和回弹行程上产生小于0.1度的最大前束变化。
23.如权利要求1所述的主动车轮悬架，其中，所述车轮组件和一支撑表面之间限定的一轮胎接触面的横向位移，乘以横向轮胎刚度，得到一小于2200牛顿的最大乘积。
24.如权利要求1所述的主动车轮悬架，其中，在所述下沉和回弹行程上所述车轮组件的车轮边缘绕一竖直轴的总的回转角，乘以所述车轮组件的轮胎的回转刚度，得到一小于130牛顿的乘积。
25.如权利要求1所述的主动车轮悬架，其中，所述车轮悬架包括一后车轮悬架，所述后车轮悬架包括：
一上结构构件，其耦接到所述车轮组件以限定一上相对旋转中心，并在一上铰链处旋转地耦接到所述簧上车身；和
一下结构构件，其耦接到所述车轮组件以限定一位于所述车轮组件的重心的与所述上相对旋转中心相对的一侧的下相对旋转中心，并在一下铰链处旋转地耦接到所述簧上车身。
26.一主动车轮悬架，其用于从轮式交通工具的簧上车身上悬挂车轮组件，并适于使得所述车轮组件的中心在下沉和回弹行程上能够相对于所述簧上车身运动并限定相对于所述车身的车轮中心位置轨迹，所述悬架包括：
一致动器，其连接到所述车轮组件和所述簧上车身，并适于在所述车身和所述车轮组件之间施加一主动控制力，以移动所述车轮组件；
其中，所述车轮悬架被构造成使得所述车轮中心位置轨迹的切线向后倾斜以相对于竖直方向在一前后平面内限定一缩进角，在所述车轮中心位于标称驾驶高度的情况下，该缩进角在1和5度之间；
其中，所述车轮悬架被构造成沿相对于所述车身的线性的轨迹在下沉和回弹过程中移动所述车轮中心，所述线性轨迹相对于竖直方向向后倾斜。
27.一种致动轮式车辆的主动车轮悬架的方法，所述方法包括：
在簧上车身与车轮组件之间施加一主动控制力，以移动所述车轮组件；以及
沿相对于所述车身的车轮中心位置轨迹在下沉和回弹行程上相对于所述簧上车身移动所述车轮中心，其中在所述车轮中心位于标称驾驶高度情况下，所述车轮中心位置轨迹的切线相对于竖直方向向后倾斜。
28.如权利要求27所述的方法，其中，还包括沿相对于所述车身的线性的轨迹在下沉和回弹过程中移动所述车轮组件的中心。
29.如权利要求27所述的方法，其中，还包括将所述车轮中心位置轨迹的切线的向后倾斜度作为车辆速度的函数来使之改变。
30.如权利要求29所述的方法，其中，所述车轮中心位置轨迹的切线的向后倾斜度的大小被构造成与车辆速度相反地改变。
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