CN210760119U - 用于双前轮倾斜车辆的主动倾斜控制装置及车辆 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及车辆设备技术领域，尤其涉及一种用于双前轮倾斜车辆的主动倾斜控制装置和控制方法，包括倾斜驱动部、倾斜摆臂、提升组件以及车轮，倾斜驱动部的输出端安装有扭矩传感器，所述倾斜驱动部用于驱动所述倾斜摆臂上下摆动，所述倾斜摆臂通过两侧的所述提升组件对所述车轮提升。本装置中悬架系统、转向系统和倾斜系统均相互独立，主动倾斜控制系统可感知倾斜摆臂处上下摆动时产生的扭矩。车辆包含IMU控制车身倾斜和扭矩控制车身倾斜2种自动倾斜方案，且在高速行驶时，驾驶员可通过开关切换为驾驶员控制倾斜模式。

Description

用于双前轮倾斜车辆的主动倾斜控制装置及车辆

技术领域

本实用新型涉及车辆设备技术领域，尤其涉及一种用于双前轮倾斜车辆的主动倾斜控制装置及车辆。

背景技术

采用单人座或者前后两座的小轮距的小型化汽车，节能环保，提高通行效率，是汽车发展的趋势之一。缩小左右轮距，车辆变窄，如果车辆重心高度不变，车辆过弯稳定性差，速度大了容易侧翻。为此，通过左右车轮的升降以致车身倾斜，产生离心力来提高车辆过弯稳定性，提高小轮距汽车的过弯速度，从而可以达到汽车小型化后，不降低过弯的行驶速度。左右车轮的升降，会导致悬架不同于传统汽车的布置。

另外车辆的控制模式一般是根据重力力矩、前后轮陀螺力、离心力矩平衡关系计算期望车身倾斜的角度，采用陀螺加速度计结算出当前车身倾斜角度，通过控制算法实现对车身的倾斜角度控制。但在两轮摩托车的骑行中发现，车辆的倾斜是靠驾驶人主动重心调整来实现的。但双前轮的主动倾斜车辆由于倾斜电机或在使能情况下，或在减速器的反向摩擦力矩的原因，不可以按照驾驶人主动调整重心来自由实现车车辆的倾斜，也就是目前的自动倾斜双前轮车辆，不能完成驾驶人自主骑行的目的。

申请公布号为CN 108859641 A的“非转向驱动轮的悬架装置”提出含一种非转向驱动前轮的悬架装置的自动倾斜车辆，克服了悬架和倾斜独立问题，但没有解决前轮转向的布置问题，也没有测量左右倾斜时倾斜力矩的大小。

专利CN108622272A方案，根据重力力矩、前后轮陀螺力矩，离心力矩平衡关系计算期望车身倾斜的角度，采用陀螺和加速度计算出当前车身倾斜角度，通过控制算法实现对车身的倾斜角度控制。该方案计算复杂，前后轮的陀螺力矩在车身力矩平衡方程中的作用很低，甚至可以忽略；而且，该方案没有驾驶人控制车身倾斜的骑行模式，当车辆全部由控制系统控制车身倾斜，在高速过弯的极限工况，当超出车辆的承受极限，车辆易发生侧翻。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种用于双前轮倾斜车辆的。

本实用新型为实现上述目的，采用以下技术方案：一种用于双前轮倾斜车辆的主动倾斜控制装置，其特征在于：包括倾斜驱动部、提升组件以及车轮，倾斜驱动部的输出端安装有扭矩传感器，所述倾斜驱动部通过提升组件对两侧的所述车轮提升。

优选地，所述倾斜驱动部包括驱动电机以及悬架摆臂，所述驱动电机固定在悬架摆臂上，悬架摆臂上安装有角度传感器。

优选地，所述提升组件包括倾斜摆臂、倾斜连杆、车轮摆臂、车轮以及固定架，所述倾斜摆臂的中部与所述驱动电机的输出端连接，所倾斜摆臂的两端分别与所述倾斜连杆的一端铰接，倾斜连杆的另一端与所述车轮摆臂铰接，所述车轮摆臂的中部通过转轴与所述固定架铰接，所述车轮摆臂的两端与所述车轮连接。

优选地，所述固定架的上部与所述悬架摆臂的中部铰接，固定架的一侧设有减震器，所述减震器的上部与所述悬架摆臂的后侧铰接，减震器的下部与所述固定架的后侧铰接。

优选地，所述固定架由底板、侧板以及框架构成，所述侧板固定在底板的一侧，所述侧板的外侧与所述减震器连接，所述侧板的内侧与所述框架固定连接，所述框架的顶部通过销轴与所述悬架摆臂的中部铰接。

优选地，所述车轮摆臂通过转轴与所述框架的中部铰接。

优选地，所述车轮摆臂为两个，分别上下铰接在框架的中部，两个车轮摆臂的两端分别与转向臂的两端铰接，转向臂的外侧与车轮连接。

一种带有主动倾斜控制装置的车辆，其特征在于：包括主动倾斜控制装置、转向装置、车身以及后轮机构；所述转向装置用于控制前车轮的转动并安装在所述主动倾斜控制装置上，所述车身的前部与主动倾斜控制装置中的固定架连接，所述后轮机构安装在所述车身后部。

优选地，所述转向装置包括转把、转把支架、第一摆臂、第二摆臂、摆杆、左连杆和右连杆；所转把支架固定在所述固定架上，所述转把支架的顶部设有转轴套，转把中部的转轴穿过所述转轴套与其转动配合，转轴的底部与所述第一摆臂的一端固定连接，所述第一摆臂的另一端与所述摆杆的上部连接，所述摆杆的中部与所述第二摆臂的一端连接，所述第二摆臂的另一端与所述固定架侧部铰接，所述摆杆的底部与所述左连杆和右连杆的一端连接，所述左连杆和右连杆的另一端分别通过连接块与所述转向臂的前侧连接。

优选地，所述后轮机构主要由双后轮倾斜装置构成，所述双后轮倾斜装置包括后轮固定架、后轮摆臂、后轮右摇臂、后轮右减振器、后轮右车轮、后轮左摇臂、后轮左减振器以及后轮左轮胎；所述后轮摆臂的中部通过铰轴与所述后轮固定架铰接，所述后轮摆臂的左端通过球铰链与所述后轮左减振器的一端铰接，所述后轮左减振器的另一端通过球铰链与所述后轮左摇臂的一端铰接，所述后轮左摇臂的另一端与所述后轮固定架通过轴套铰接，所述后轮左车轮安装在所述后轮左摇臂上；所述后轮摆臂的右端通过球铰链与所述后轮右减振器的一端铰接，所述后轮右减振器的另一端通过球铰链与所述后轮右摇臂的一端铰接，所述后轮右摇臂的另一端与所述后轮固定架通过轴套铰接，所述后轮右车轮安装在所述后轮右摇臂上。

本实用新型的有益效果是:本装置中悬架系统、转向系统和倾斜系统均相互独立，主动倾斜控制系统可感知倾斜摆臂处上下摆动时产生的扭矩。由于倾斜机构整体布置在减震器的车轮端，因此倾斜角的控制和减震器受力状态无关。车辆包含IMU控制车身倾斜和扭矩控制车身倾斜2种自动倾斜方案，且在高速行驶时，驾驶员可通过开关切换为驾驶员控制倾斜模式。车辆高速运行时，可切换为驾驶员控制模式，车身倾斜可跟随驾驶员动作倾斜(驾驶员控制车身倾斜模式)。通过车身自动倾斜(IMU控制方案)和车身自动倾斜(扭矩控制方案)互为冗余方案，可有效提高车辆的安全性和可靠性。

附图说明

图1是本实用新型一个方向的立体图；

图2是本实用新型另一个方向立体图；

图3是本实用新型中车辆的立体图；

图4是本实用新型中车辆的另一个方向立体图；

图5是本实用新型中的后轮为两轮结构的后视图；

图6是IMU控制方案-自动控制车身倾斜系统的流程图；

图7是扭矩控制方案-自动控制车身倾斜系统的流程图；

图8是基于扭矩传感器实现驾驶员控制车身倾斜角度流程图；

图9是安全控制策略流程图。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本实用新型的具体实施方式。如图1-2所示，一种用于双前轮倾斜车辆的主动倾斜控制装置，倾斜驱动部1、悬架摆臂2、扭矩传感器3、倾斜摆臂4、倾斜连杆5、车轮摆臂6、车轮7、固定架8、减震器9和编码器10。倾斜驱动部为电机，倾斜驱动部1固定在悬架摆臂2上，本装置中悬架摆臂2前部呈U型结构，后部是一块底板，倾斜驱动部的输出端穿过该U型结构，在U型结构内安装扭矩传感器和倾斜摆臂4，倾斜驱动部1的输出端连接扭矩传感器3带动倾斜摆臂4左右摆动，扭矩传感器可感知倾斜摆臂处上下摆动时产生的扭矩。倾斜摆臂4通过倾斜连杆5两端的球铰链与车轮摆臂6铰接。车轮7与车轮摆臂6连接。所述固定架由底板、侧板以及框架构成，所述侧板固定在底板的一侧，所述侧板的外侧与所述减震器连接，所述侧板的内侧与所述框架固定连接，所述框架的顶部通过销轴101与所述悬架摆臂的中部铰接。

减震器9一端与固定架中的侧板铰接，另一端与悬架摆臂2的后侧铰接。悬架摆臂2与固定架8在销轴101处单自由度铰接，使悬架摆臂2有且只能绕101处的销孔轴线旋转。车轮7颠簸时，上下的冲击力依次通过车轮摆臂6、倾斜连杆5、倾斜摆臂4、悬架摆臂2作用在减震器9上，能量在减震器9缓冲吸收，使得车身冲击较小，提高舒适性。

角度传感器10测量倾斜摆臂4转角，也就是倾斜驱动部1的输出角度。

由于倾斜机构整体布置在减震器的车轮端，因此倾斜角的控制和减震器受力状态无关。

本实用新型中，扭矩传感器起到的作用是，1、可以探知小的力矩变化并量化该值；2、能够与电机输出端连接向倾斜摆臂传递力矩，变形位移小；3、在传递大力矩时，不进行测量和显示该力矩值。

如图3所示，本实用新型还公开了一种带有双前轮倾斜的悬架装置的车辆，包括悬挂装置102、转向装置12、车身14以及后轮机构13；所述转向装置安装在所述悬挂装置上，所述车身的前部与固定架连接，所述后轮安装在所述车身后部。

如图4所示，所述转向装置包括转把11、转把支架122、第一摆臂123、第二摆臂124、摆杆125、左连杆126和右连杆127；所转把支架固定在所述固定架上，所述转把支架的顶部设有转轴套，转把中部的转轴穿过所述转轴套与其转动配合，转轴的底部与所述第一摆臂的一端固定连接，所述第一摆臂的另一端与所述摆杆的上部连接，所述摆杆的中部与所述第二摆臂的一端连接，所述第二摆臂的另一端与所述固定架侧部铰接，所述摆杆的底部与所述左连杆和右连杆的一端连接，所述左连杆和右连杆的另一端分别通过连接块与转向臂128的前侧连接。本实用新型中的转向装置也可以是方向盘和齿轮机构配合的结构。该结构申请人已经在申请日以前申请过专利。

本实用新型中后轮机构可以是普通的单后轮结构如图3所示，也可以是双后轮倾斜装置，如图5所示，包括后轮固定架131、后轮摆臂132、后轮右摇臂133、后轮右减振器134、后轮右车轮135、后轮左摇臂136、后轮左减振器137、后轮左轮胎138。后轮摆臂随后轮固定架摆动，后轮右减振器的两端与后轮摆臂的一端和后轮右摇臂的一端通过球铰链连接，后轮右摇臂的另一端与后轮固定架通过轴套铰接；后轮左减振器的两端与后轮摆臂的另一端和后轮左摇臂的一端通过球铰链连接，后轮左摇臂的另一端与后轮固定架通过轴套铰接。后轮右车轮和后轮左车轮分别固定在后轮右摇臂和后轮左摇臂上。后轮摆臂自由摆动，在右减振器和左减振器的作用下，右摇臂和左摇臂带着右车轮和左车轮上下运动。可在摆臂架上摆臂驱动器，可进行主动倾斜。

本实用新型中，扭矩传感器起到的作用是，1、可以探知小的力矩变化并量化该值；2、能够与电机输出端连接向倾斜摆臂传递力矩，变形位移小；3、在传递大力矩时，不进行测量和显示该力矩值。

以下为本实用新型的自动倾斜车辆的工作方式：

1)惯性测量单元(IMU)校正：惯性测量单元(IMU)校正包括加速度计(ax,ay,az)和陀螺仪(wx,wy,wz)三轴方向上校正；校正加速度计时，采用安装于车体上的扭矩传感器作为水平位置参考，当扭矩传感器的输出值为0时，校正ax，ay两个方向的水平值；wx,wy,wz三个方向的校正，则以采集当前三个轴向的噪声均值作为当前环境下的角速度偏置。

2)自动控制车身倾斜(IMU控制方案)：当车辆静止或行驶时，通过采集车速和转向角，计算此时的离心力矩，根据离心力矩和重力力矩分量平衡估计此时的期望车身倾斜角度。车辆倾斜角的反馈测量值由安装在车身上的车辆姿态测量的惯性测量单元(IMU)测算得到。根据车身倾斜角的期望值和测量得到的反馈值计算出倾斜驱动部的控制量。

图6为IMU控制方案-自动控制系统控制下的控制流程，其中车速来自左前轮、右前轮和后轮的三个轮速的测量，进而估算出车速，转向角采用绝对位置的编码器。车速和转向角的值应尽可能的准确，否则影响车身倾斜角的估计；IMU输出的车身加速度应去除离心力，这样有助于提高IMU解算的车身倾斜角的准确度。除此之外，这里无论是测量得到的速度、转向角，还是计算得到的期望倾斜角度值，都应该经过平滑滤波再使用。

3)自动控制车身倾斜(扭矩控制方案)：当车辆静止或行驶时，通过采集车速和转向角，确认车辆当前的状态，同时感知扭力传感器的扭矩变化，并通过试验确定一个扭矩阈值，以此扭矩阈值作为控制目标，根据力矩的大小和方向，控制倾斜驱动部的电机控制车身倾斜。

图7为扭矩控制方案-自动控制系统控制下的控制流程，其中车速和转向角用来确定车辆当前状态，根据车辆当前状态和扭矩值，控制车身倾斜。

4)自动控制车身倾斜(IMU控制方案)和自动控制车身倾斜(扭矩控制方案)，两套控制方案可互为冗余，保证车辆行驶的安全性和可靠性。

5)驾驶员控制车身倾斜：当车辆的车速较高时，为了达到驾驶的安全和舒适性，以及驾驶乐趣，驾驶员可通过开关，切换为驾驶员控制模式，驾驶员通过‘压弯’的方式控制车辆的车身倾斜角度。

基本处理方法是：在车辆需要转弯时，驾驶员控制车把转向的同时，通过驾驶员自身的重量，控制车辆向内侧倾斜，此时扭矩传感器检测到车辆向内侧倾斜的扭矩，控制系统根据扭矩的大小和方向，控制倾斜驱动部的电机实现车身倾斜，即控制系统是根据驾驶员反馈到车身上的扭矩，达到驾驶员控制车身倾斜的目的。

在同一车速下，转向角逐渐增大时，离心力矩也逐渐增大，同时离心力矩开始作用于车身上，车身开始向反相倾斜，驾驶员意识下，身体向转向方向倾斜，抵消离心力矩，当人和车身的重力力矩分量大于离心力矩后，车身跟随人体倾斜而发生同向倾斜(倾斜驱动部作用)，力矩平衡过程和驾驶员紧密相连的，即平衡点是驾驶员控制的。

图8是基于扭矩传感器实现驾驶员控制车身倾斜角度流程图。这里的控制系统是人脑，看作模糊控制，驾驶员通过对摆动电机实现车身的倾斜控制；但由于扭矩传感器的敏感度较高，模糊控制下，车身平衡的目标很难做到力矩为零的情况，因此当力矩在一个合理阈值下，倾斜驱动部对力矩不做响应。

6)车辆控制安全策略：如图9所示，车辆搭载的智能刹车系统，车辆在行驶过程中，当车身倾斜角超过安全警戒线时，控制系统控制智能刹车系统主动降低车速，降低车辆离心力，使车身倾斜角保持或减小，进而保证车辆不会发生侧翻。具体参考图9所示。车身倾斜角的安全警戒线即图9中Roll_Exp_Limit,此曲线可有试验数据得到，它可以简化为前轮转向角的2次或3次曲线，即Roll_Exp_Limit＝k1*beta^2+k2*beta，beta为前轮转向角。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于双前轮倾斜车辆的主动倾斜控制装置，其特征在于：包括倾斜驱动部、提升组件以及车轮，倾斜驱动部的输出端安装有扭矩传感器，所述倾斜驱动部通过提升组件对两侧的所述车轮提升。

2.根据权利要求1 所述的用于双前轮倾斜车辆的主动倾斜控制装置，其特征在于：所述倾斜驱动部包括驱动电机以及悬架摆臂，所述驱动电机固定在悬架摆臂上，悬架摆臂上安装有角度传感器。

3.根据权利要求2 所述的用于双前轮倾斜车辆的主动倾斜控制装置，其特征在于：所述提升组件包括倾斜摆臂、倾斜连杆、车轮摆臂、车轮、固定架以及转向臂，所述倾斜摆臂的中部与所述驱动电机的输出端连接，所倾斜摆臂的两端分别与所述倾斜连杆的一端铰接，倾斜连杆的另一端与所述车轮摆臂铰接，所述车轮摆臂的中部通过转轴与所述固定架铰接，所述车轮摆臂的两端与所述车轮连接。

4.根据权利要求3 所述的用于双前轮倾斜车辆的主动倾斜控制装置，其特征在于：所述固定架的上部与所述悬架摆臂的中部铰接，固定架的一侧设有减震器，所述减震器的上部与所述悬架摆臂的后侧铰接，减震器的下部与所述固定架的后侧铰接。

5.根据权利要求4 所述的用于双前轮倾斜车辆的主动倾斜控制装置，其特征在于：所述固定架由底板、侧板以及框架构成，所述侧板固定在底板的一侧，所述侧板的外侧与所述减震器连接，所述侧板的内侧与所述框架固定连接，所述框架的顶部通过销轴与所述悬架摆臂的中部铰接。

6.根据权利要求5 所述的用于双前轮倾斜车辆的主动倾斜控制装置，其特征在于：所述车轮摆臂通过转轴与所述框架的中部铰接。

7.根据权利要求6 所述的用于双前轮倾斜车辆的主动倾斜控制装置，其特征在于：所述车轮摆臂为两个，分别上下铰接在框架的中部，两个车轮摆臂的两端分别与所述转向臂的两端铰接，转向臂的外侧与车轮连接。

8.一种带有权利要求7 所述的用于双前轮倾斜车辆的主动倾斜控制装置的车辆，其特征在于：包括主动倾斜控制装置、转向装置、车身以及后轮机构；所述转向装置用于控制前车轮的转动并安装在所述主动倾斜控制装置上，所述车身的前部与主动倾斜控制装置中的固定架连接，所述后轮机构安装在所述车身后部。

9.根据权利要求8 所述的车辆，其特征在于：所述转向装置包括转把、转把支架、第一摆臂、第二摆臂、摆杆、左连杆和右连杆；所述转把支架固定在所述固定架上，所述转把支架的顶部设有转轴套，转把中部的转轴穿过所述转轴套与其转动配合，转轴的底部与所述第一摆臂的一端固定连接，所述第一摆臂的另一端与所述摆杆的上部连接，所述摆杆的中部与所述第二摆臂的一端连接，所述第二摆臂的另一端与所述固定架侧部铰接，所述摆杆的底部与所述左连杆和右连杆的一端连接，所述左连杆和右连杆的另一端分别通过连接块与所述转向臂的前侧连接。

10.根据权利要求8 所述的车辆，其特征在于：所述后轮机构主要由双后轮倾斜装置构成，所述双后轮倾斜装置包括后轮固定架、后轮摆臂、后轮右摇臂、后轮右减振器、后轮右车轮、后轮左摇臂、后轮左减振器以及后轮左轮胎；所述后轮摆臂的中部通过铰轴与所述后轮固定架铰接，所述后轮摆臂的左端通过球铰链与所述后轮左减振器的一端铰接，所述后轮左减振器的另一端通过球铰链与所述后轮左摇臂的一端铰接，所述后轮左摇臂的另一端与所述后轮固定架通过轴套铰接，所述后轮左车轮安装在所述后轮左摇臂上；所述后轮摆臂的右端通过球铰链与所述后轮右减振器的一端铰接，所述后轮右减振器的另一端通过球铰链与所述后轮右摇臂的一端铰接，所述后轮右摇臂的另一端与所述后轮固定架通过轴套铰接，所述后轮右车轮安装在所述后轮右摇臂上。

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