ES2769505T3 - Sistemas de dirección y de control para un vehículo de tres ruedas - Google Patents

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Abstract

Un vehículo de tres ruedas, que comprende: una única rueda delantera (110; 13); dos ruedas traseras (104; 27, 27a); una cabina de pasajeros (108); una unidad electrónica de control de dirección, ESC; y un dispositivo de entrada de dirección (1), configurado para enviar a la unidad electrónica de control de dirección, ESC, una señal electrónica correspondiente a una entrada recibida en el dispositivo de entrada de dirección (1) y asociada al giro del vehículo de tres ruedas; en donde la unidad electrónica de control de dirección, ESC, está configurada para contravirar la rueda delantera en respuesta a la recepción de la señal electrónica, iniciando el contraviraje de la rueda delantera una inclinación de la cabina de pasajeros en la dirección de giro del vehículo de tres ruedas.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistemas de dirección y de control para un vehículo de tres ruedas
Antecedentes
La presente invención se refiere al campo de la tecnología de vehículos y, en particular, a sistemas de dirección y de control para un vehículo de tres ruedas con dirección por inclinación.
En los sistemas convencionales, cuando un vehículo de tres ruedas inclinable inicia un giro, la cabina del vehículo comienza a inclinarse. La inclinación de la cabina puede, posteriormente, activar mecánicamente el contraviraje de la rueda delantera. Sin embargo, se necesita una fuerza de gran magnitud para iniciar la inclinación del vehículo. Esto aplica una carga elevada sobre los accionadores de inclinación del vehículo.
El documento US 2011/0036655 se refiere a una motocicleta de tres ruedas que comprende: un bastidor que tiene una parte delantera, una intermedia y una trasera. Un motor está unido a dicha parte trasera de dicho bastidor. Una transmisión está conectada a dicho motor, a dicho bastidor y a dos palieres independientes, en donde cada uno de dichos dos palieres independientes está unido a una rueda y está posicionado en la parte trasera de dicho bastidor. Una horquilla delantera de dirección está unida a dicha parte delantera de dicho bastidor y comprende una única rueda para la dirección. Al menos una estructura de asiento está montada en dicho bastidor entre las ruedas traseras y la delantera; y una carrocería está configurada para encerrar dicho bastidor, dichas ruedas traseras y dicha rueda delantera.
Sumario
Una realización de la invención proporciona un vehículo de tres ruedas. El vehículo de tres ruedas incluye: una única rueda delantera; dos ruedas traseras; una cabina de pasajeros; una unidad electrónica de control de dirección; y un dispositivo de entrada de dirección configurado para enviar a la unidad electrónica de control de dirección una señal electrónica correspondiente a una entrada recibida en el dispositivo de entrada de dirección y asociada al giro del vehículo de tres ruedas; en donde la unidad electrónica de control de dirección está configurada para contravirar la rueda delantera en respuesta a la recepción de la señal electrónica, en donde el contraviraje de la rueda delantera inicia una inclinación de la cabina de pasajeros en la dirección de giro del vehículo de tres ruedas.
Otra realización no reivindicada proporciona una unidad electrónica de control de dirección para un vehículo de tres ruedas. La unidad electrónica de control de dirección incluye: una unidad de entrada configurada para recibir una primera señal electrónica correspondiente a una entrada recibida en un dispositivo de entrada de dirección, estando la primera señal electrónica asociada al giro del vehículo de tres ruedas; y una unidad de salida acoplada a un brazo accionador que controla la dirección de una única rueda delantera del vehículo de tres ruedas, en donde, en respuesta a la recepción de la primera señal electrónica desde la unidad de entrada, la unidad de salida está configurada para enviar una segunda señal electrónica al brazo accionador para contravirar la rueda delantera, en donde el contraviraje de la rueda delantera inicia una inclinación de la cabina de pasajeros del vehículo de tres ruedas en la dirección de giro del vehículo de tres ruedas.
Breve descripción de los dibujos
La FIG. 1 es un ejemplo de un vehículo de tres ruedas, de acuerdo con una realización.
Las FIGS. 2 y 3 son unos diagramas esquemáticos de una configuración del sistema de dirección de un vehículo de tres ruedas, de acuerdo con ciertas realizaciones.
La FIG. 3 es un diagrama esquemático de un vehículo que incluye dirección electrónica de las ruedas traseras, de acuerdo con una realización.
La FIG. 4 es un diagrama conceptual que compara la demanda de par para una inclinación directa frente a la inclinación con contraviraje, de acuerdo con una realización.
La FIG. 5 es un diagrama conceptual de un vehículo de tres ruedas, de acuerdo con una realización.
La FIG. 6 es un diagrama conceptual que ilustra la dirección de un vehículo de tres ruedas a bajas velocidades, de acuerdo con una realización.
La FIG. 7 es un diagrama conceptual que ilustra la dirección de un vehículo de tres ruedas a altas velocidades, de acuerdo con una realización.
La FIG. 8 es un diagrama conceptual de un accionador rotativo de ejemplo, de acuerdo con una realización. La FIG. 9 es un diagrama conceptual que ilustra un sistema de control de dirección, de acuerdo con una realización.
Las FIGS. 10A-10B son unos diagramas conceptuales que ilustran una comparación entre la dirección de las ruedas traseras frente al uso del control electrónico de estabilidad, de acuerdo con una realización.
Descripción detallada
Algunas realizaciones descritas en el presente documento se refieren generalmente a un vehículo de tres ruedas que tiene dos ruedas traseras y una rueda delantera. La FIG. 1 es un ejemplo de un vehículo de tres ruedas 100, según una realización. Una sección trasera 102 del vehículo 100 incluye las dos ruedas traseras 104 y un motor que acciona las ruedas traseras 104. Una sección delantera 106 del vehículo 100 incluye una cabina 108 de pasajeros y una rueda delantera 110. La sección delantera 106 es rotativa con relación a la sección trasera 102 sobre un eje longitudinal, por lo que la sección delantera 106 puede inclinarse durante el giro.
Según diversas realizaciones, el vehículo 100 usa un sistema de conducción por cable (drive-by-wire), en el que la dirección, el control del motor y la inclinación de la sección delantera 106 están controlados por un sistema de sensores, accionadores y computadoras. La entrada del volante, así como las entradas del acelerador y del freno son recibidas por una unidad de control electrónico (“ECU”), que luego calcula las señales para enviar a los diversos accionadores y motores que controlan la dirección, la inclinación y la propulsión del vehículo 100. Por ejemplo, las mediciones procedentes de un sensor de ángulo de dirección, un sensor de par del volante y unos sensores de velocidad de cada rueda contribuyen a la determinación del ángulo de inclinación en una curva. El sistema de conducción por cable también puede proporcionar al conductor una retroalimentación táctil a través de un accionador de retroalimentación de dirección conectado al volante para proporcionar al conductor una retroalimentación de la dirección en una curva.
En diversas realizaciones, el sistema de conducción por cable dado a conocer tiene varios métodos de detección de fallos. Por ejemplo, normalmente hay unos codificadores integrados en los motores, tales como el motor de inclinación y los motores de dirección de la rueda delantera. Los codificadores sirven para proporcionar a la ECU información sobre las posiciones del ángulo de inclinación y del ángulo de giro de la rueda delantera. Se utilizan unos sensores redundantes, tales como el codificador del ángulo de inclinación absoluto y el sensor de posición lineal, para detectar cualquier error o inconsistencia en las mediciones del ángulo de inclinación y del ángulo de giro de la rueda delantera, respectivamente.
En una realización, para inclinar la parte delantera del vehículo se acopla un único accionador a la parte trasera y a la parte delantera del vehículo. El accionador se describe como un engranaje helicoidal que rota mediante una configuración de motor simple o redundante para inclinar la parte delantera del vehículo con respecto a la parte trasera.
El sistema de conducción por cable es capaz de contravirar la rueda delantera durante las etapas iniciales de un giro a alta velocidad o un giro inclinado. El contraviraje es el giro no intuitivo de la rueda delantera en la dirección opuesta de una curva para inducir la inclinación hacia el interior de la curva. El contraviraje reduce ampliamente la magnitud del par requerido para inducir la inclinación de la sección delantera del vehículo. Después de que haber iniciado la inclinación, se puede girar la rueda delantera hacia el interior de la curva para completar el giro.
Los vehículos de tres ruedas inclinables tienden a perder tracción en las ruedas traseras durante los giros a alta velocidad. En algunas realizaciones, el diseño dado a conocer aborda este problema integrando un sistema de control de tracción en el sistema de conducción por cable. Por ejemplo, el sistema de control de tracción utiliza el sistema de frenado del vehículo para frenar la rueda interior durante una curva para mantener el contacto de la rueda trasera con el suelo y el control del vehículo durante las curvas a gran velocidad.
Sistema electrónico de dirección y de control de inclinación
Algunas realizaciones descritas en el presente documento proporcionan un sistema de control electrónico para un vehículo de tres ruedas inclinable que es capaz de optimizar el control de inclinación y de dirección en una amplia gama de condiciones de conducción basándose en las entradas procedentes de varios sensores. Algunas realizaciones descritas en el presente documento proporcionan un sistema de control y unas rutinas de control para un vehículo de tres ruedas inclinable. Por ejemplo, las rutinas de control pueden incluir control de estabilidad en función de la dirección y del contraviraje para activar el giro inclinado del vehículo.
Una realización utiliza un sensor de guiñada para controlar un vehículo de tres ruedas inclinable. Además, el sensor de guiñada puede ser utilizado en combinación con otros sensores para implementar el sistema de conducción por cable. La ECU del vehículo puede recibir entradas de una serie de sensores (se proporcionan ejemplos a continuación) y realizar cálculos para controlar y/o predecir las condiciones que podrían conducir a la inestabilidad del vehículo o la pérdida de control. Esto no es posible utilizando enfoques convencionales ya que, en los sistemas anteriores, no está previsto procesar este tipo de datos de manera sofisticada.
Las FIGS. 2 y 3 muestran, esquemáticamente, la configuración del sistema de dirección de un vehículo de tres ruedas de acuerdo con algunas realizaciones de la divulgación. Ambas figuras describen una configuración de vehículo de tres ruedas que tiene una rueda 13 delante y dos ruedas 27, 27a detrás propulsadas por un motor eléctrico 31, un controlador del motor de propulsión , una transmisión variable 32, unos palieres de transmisión 26, 26a, un motor de combustión interna, o una combinación híbrida de los dos.
Las secciones A (conjunto de dirección por cable), B (conjunto de rueda delantera) y C (conjunto de control de inclinación) constituyen la sección delantera o “cabina” del vehículo, mientras que la sección D (módulo de propulsión/dirección de las ruedas traseras) es un módulo de propulsión independiente. Estas dos secciones están conectadas a través de la caja de engranajes 19 del accionador de inclinación a lo largo del eje longitudinal del vehículo. La cabina se mantiene en posición vertical con respecto al módulo de propulsión. A bajas velocidades, puede haber poca o ninguna inclinación de la cabina, mientras que a altas velocidades la inclinación de la cabina puede ser de hasta 45 grados.
La configuración del vehículo incluye una unidad electrónica de control de dirección (“ESC” o “E”), que se encarga de gestionar las funciones de dirección y estabilidad del vehículo. El vehículo también incluye una pluralidad de sensores que proporcionan información al ESC (E). Estos sensores incluyen un sensor de ángulo de dirección 3, un sensor de par de dirección 4, una pluralidad de sensores de velocidad de rueda 14, 29 y 29a correspondientes a cada rueda, un sensor de aceleración transversal 36, un sensor de tasa de guiñada 35, un sensor de balanceo 34, un sensor de ángulo de inclinación 37 y un sensor de posición 33 del brazo de dirección delantero. Naturalmente, otras realizaciones del vehículo podrían incluir mas o menos sensores. Las condiciones detectadas y las intenciones de dirección se convierten en señales calibradas que son indicativas del funcionamiento del vehículo y son comunicadas al ESC (E).
El accionador de dirección 8 de la rueda delantera es accionado por el sistema ESC (E) a través del controlador del motor del accionador de dirección 11 de la rueda delantera y del motor de dirección 10 de la rueda delantera. El ángulo de dirección de la rueda delantera 13 está controlado por la barra 9 del accionador y por el brazo 12 de dirección, y es confirmado por el ESC a través del sensor de posición 33 lineal. La pinza del freno 14 delantero también está acoplada a la rueda delantera. En la conducción normal, la magnitud del contraviraje aplicado a la rueda delantera 13 se calcula en función de la intención del conductor a través de un dispositivo de entrada de dirección 1, la columna de dirección 2, el sensor de ángulo de dirección 3, el sensor de par de dirección 4, la caja de engranajes dirección 6 de y/o la velocidad del vehículo según lo determinado por los sensores de velocidad 15, 29 y 29a de las ruedas.
A velocidades más bajas del vehículo, no se aplica ningún contraviraje y el vehículo simplemente sigue a la rueda delantera en la dirección de desplazamiento pretendida. A velocidades más altas, la dirección del giro se basa enteramente en el ángulo de inclinación del vehículo. Este método para girar es similar al giro de una motocicleta y sirve para resaltar la diferencia entre hacer “girar” el vehículo como un automóvil y hacerlo “girar por inclinación”. No se requiere intervención del conductor ya que el ESC interpreta la intención del conductor en función de la velocidad, el ángulo de dirección y la fuerza de la entrada de la dirección. Puesto que los accionadores 5 y 5a suministran al conductor una retroalimentación de dirección en forma de resistencia, el conductor no siente ninguna diferencia entre “girar” y “girar por inclinación”. Los accionadores de retroalimentación 5, 5a son motores controlados por un controlador de motor. El ECS proporciona comandos de retroalimentación a los accionadores de retroalimentación 5, 5a a través del controlador 7 de retroalimentación de dirección. Esta comunicación funciona en ambos sentidos, ya que el controlador 7 de retroalimentación de dirección también transmite datos de par y posición al ECS.
Cuando se gira por inclinación, una vez que el contraviraje de la rueda delantera ha iniciado el giro por inclinación, el accionador de inclinación balancea la cabina, hasta el ángulo de inclinación objetivo que se requiera para el giro solicitado, con respecto a un eje de pivote 20 por medio de un motor de inclinación 21, que puede estar montado sobre la cabina, según la referencia 18, con un tornillo sin fin 17 y controlado por un controlador 16 del motor de inclinación, mientras la rueda delantera 13 vuelve a la posición recta. En operaciones de conducción normales, la magnitud del par requerido para esto es casi cero. En tal caso, la mejor descripción puede ser que el accionador “regula” el giro por inclinación. La recuperación de un giro inclinado también se realiza por contraviraje, en este caso mediante el ECS que gira la rueda delantera hacia el interior del giro por inclinación, y usando el accionador de inclinación para llevar la cabina hasta una posición vertical.
En una realización, el sistema ESC realiza el control de la estabilidad trasera durante la maniobra a través de una aplicación o módulo electrónico de control de estabilidad integrado. Al detectar una condición inestable o una condición que exceda los objetivos de guiñada, balanceo o aceleración lateral del vehículo, se aplica selectivamente una fuerza de frenado sobre las pinzas traseras 28, 28a para que el vehículo vuelva al rumbo deseado.
Alternativamente, tal como se muestra en la FIG. 3, el control de estabilidad trasera se efectúa a través del conjunto 24 de dirección de las ruedas traseras a través de los brazos de dirección 25, 25a de las ruedas traseras controlados por el controlador 22 del motor de dirección de las ruedas traseras. En esta realización, la dirección trasera se calcula en función del ángulo de inclinación, y se controla a través del accionador de dirección 23 de las ruedas traseras (RWS). El control electrónico de estabilidad también se puede implementar en esta configuración.
Contraviraje para inducir la inclinación
En algunas realizaciones, el umbral de vuelco de un vehículo se establece por la simple relación entre la altura del centro de gravedad (CG) y las fuerzas laterales máximas que pueden ser transferidas por los neumáticos. Los neumáticos modernos pueden desarrollar un coeficiente de fricción de hasta 0,8, lo que significa que el vehículo puede negociar giros que produzcan fuerzas laterales equivalentes al 80 % del peso del vehículo antes de que los neumáticos pierdan adherencia (es decir, 0,8 G (unidades de gravedad estándar)). La altura del CG con respecto a la banda de rodadura media efectiva del vehículo determina la relación longitud-altura (L/H) que establece la fuerza lateral requerida para volcar el vehículo. Mientras la capacidad de resistencia lateral de los neumáticos sea menor que la fuerza lateral requerida para volcar, el vehículo se deslizará antes de volcar.
Los giros de inicio rápido imparten una aceleración de balanceo a la carrocería del vehículo que puede hacer que la carrocería sobrepase su ángulo de balanceo en estado estable. Esto sucede con entradas de dirección repentinas, cuando un vehículo que patina recupera repentinamente la tracción y comienza a girar de nuevo, y cuando un giro brusco en una dirección es seguido por un giro igualmente brusco en la dirección opuesta (es decir, giros de slalom). El momento de balanceo del vehículo depende del desplazamiento vertical del centro de gravedad por encima de su centro de balanceo. El grado de superación del balanceo depende del equilibrio entre el momento de inercia del balanceo y las características de amortiguación de balanceo de la suspensión. Un automóvil con un 50 % de amortiguación (crítica) tiene un umbral de vuelco que es casi un tercio mayor que el del mismo vehículo con amortiguación cero.
Superar el ángulo de balanceo en estado estable puede levantar del suelo las ruedas internas, a pesar de que el vehículo tenga un alto margen de seguridad estática contra vuelcos. Una vez que se produce el despegue, la resistencia del vehículo al vuelco disminuye exponencialmente, lo que rápidamente da como resultado una condición que puede volverse irrecuperable. El momento de inercia del balanceo alcanza valores mucho mayores durante los giros de slalom donde el rebote de las fuerzas de suspensión y el giro opuesto se combinan para lanzar lateralmente la carrocería a través de sus límites de balanceo de un extremo al otro. Las fuerzas de inercia involucradas al sobrepasar el ángulo de balanceo en estado estacionario pueden exceder a las producidas por la propia velocidad de giro.
La FIG. 4 es un diagrama conceptual que compara la demanda de par para la inclinación directa frente a la inclinación con contraviraje, de acuerdo con una realización. Tal como se muestra en la FIG. 4, el uso del contraviraje de la rueda delantera tiene una influencia sustancial en la velocidad del accionador y la demanda de par durante las maniobras direccionales. Tal como se muestra en el diagrama de la izquierda en la FIG. 4, una maniobra de slalom estándar ISO a 100 km/h sin contraviraje requiere un par de inclinación máximo disponible de 1000 Nm, con una velocidad de inclinación máxima de solo 49° por segundo. Por el contrario, tal como se muestra en el diagrama de la derecha en la FIG. 4, con contraviraje, la misma maniobra requiere solo 100 Nm de par de inclinación disponible, un orden de magnitud menor. La velocidad de inclinación o de maniobra también aumenta considerablemente hasta 82° por segundo.
La FIG. 5 es un diagrama conceptual de un vehículo de tres ruedas, de acuerdo con una realización. Una forma sencilla de modelar el margen de seguridad frente al vuelco de un vehículo de tres ruedas no inclinable es construir un cono base utilizando la altura del CG, su ubicación a lo largo de la distancia entre ejes y la banda de rodadura media efectiva del vehículo. Las máximas cargas G laterales están determinadas por el coeficiente de rozamiento del neumático. Proyectando hacia el suelo la fuerza de giro máxima resultante se forma la base del cono. Una carga de 1,0 G actuando sobre el CG del vehículo, por ejemplo, daría como resultado una proyección de 45 grados hacia el plano del suelo. Si la base del cono cae fuera de la banda de rodadura media efectiva, el vehículo volcará antes de patinar. Si cae dentro de la banda de rodadura media efectiva, el vehículo patinará antes de volcar.
En algunas implementaciones, el vehículo tiene un diseño 1F2R (un neumático delantero, dos neumáticos traseros) en donde la rueda delantera y el compartimiento del pasajero se inclinan hacia el interior de las curvas, mientras que la sección trasera, que lleva las dos ruedas situadas lado a lado y el tren motriz, no se inclina. Las dos secciones están conectadas por un pivote mecánico. Los vehículos de tres ruedas inclinables ofrecen mayor resistencia al vuelco y una capacidad de giro mucho mayor, a menudo superior a la de un vehículo de cuatro ruedas. Un sistema de inclinación activo significa que el vehículo no requiere una disposición ancha y baja para obtener una alta estabilidad frente al vuelco. Permitir que el vehículo se incline en las curvas proporciona una latitud mucho mayor al seleccionar la ubicación del CG y la separación entre las ruedas opuestas.
El umbral de vuelco de este tipo de vehículo depende del umbral de vuelco de cada una de las dos secciones tomadas independientemente. La sección no inclinable se comporta de acuerdo con el análisis de cono base tradicional. Su relación longitud-altura determina su umbral de vuelco. La sección inclinable, suponiendo que no tuviera un límite de inclinación, se comportaría como una motocicleta y se inclinaría hasta el ángulo necesario para un giro equilibrado. La altura del centro de gravedad de la sección inclinable es crítica, siempre que no haya un límite de inclinación efectivo.
En algunas realizaciones, el umbral de vuelco de un vehículo de tres ruedas inclinable está determinado por las mismas fuerzas dinámicas y relaciones geométricas que determinan el umbral de vuelco de los vehículos convencionales, excepto que los efectos de la inclinación intervienen en la ecuación. Siempre que el ángulo de inclinación coincida con el vector de fuerzas durante un giro, entonces, al igual que una motocicleta, el vehículo no tiene un umbral de vuelco significativo. En otras palabras, no habrá una proyección externa de la resultante durante los giros, como es el caso de los vehículos no inclinables.
En un giro continuamente en aumento, el vehículo se inclinará con un ángulo cada vez mayor, según sea necesario para mantener el equilibrio con las fuerzas de giro. En consecuencia, el ancho de la pista es en gran medida irrelevante para la estabilidad de vuelco en condiciones de inclinación libres. Sin embargo, con los vehículos que tienen un límite de inclinación, la resultante comenzará a migrar hacia el exterior cuando el grado de giro aumente por encima del grado que puede equilibrarse con el ángulo de inclinación máximo. Por encima del límite de inclinación, las cargas se transfieren a la rueda exterior, como en un vehículo convencional.
El umbral de vuelco de un vehículo sin un límite de inclinación efectivo estará determinado en gran medida por el umbral de vuelco de la sección no inclinable. Pero la sección inclinable puede tener un efecto positivo o negativo, dependiendo de la elevación del eje de pivote en el punto de intersección con la línea central de las ruedas situadas lado a lado. Si el eje de pivote (es decir, el eje de balanceo de la sección inclinable) se proyecta sobre la línea central del árbol en un punto más alto que el centro de las ruedas, entonces se reducirá el umbral de vuelco establecido por la sección no inclinable. Si se proyecta sobre un punto que esté más bajo que el centro de las ruedas situadas lado a lado, entonces el umbral de vuelco aumentará de hecho a medida que aumente la tasa de giro. En otras palabras, el vehículo se volverá más resistente al vuelco en las curvas más cerradas. Si el eje de pivote se proyecta sobre la línea central del árbol, entonces la sección inclinable no tiene ningún efecto sobre el umbral de vuelco establecido por la sección no inclinable.
Las realizaciones de la invención proporcionan un contraviraje de la rueda delantera para inducir la inclinación. El contraviraje es la técnica utilizada por los conductores de vehículos de dos ruedas, tales como ciclistas y motociclistas, para iniciar un giro hacia una dirección determinada virando momentáneamente en contra de la dirección deseada (“virando a la izquierda para girar a la derecha”).
El documento U.S. 6.435.522 da a conocer un sistema que tiene un “direccionamiento opuesto”, más comúnmente conocido como “contraviraje”. Este método de dirección es utilizado por las motocicletas para iniciar un viraje inclinado. Sin embargo, el sistema del documento U.S. 6.435.522 se basa en señales hidráulicas de los accionadores de inclinación trasera para controlar el contraviraje de la rueda delantera. En otras palabras, el vehículo del documento U.S. 6.435.522 de hecho debe comenzar a inclinarse antes de que se active el contraviraje de la rueda delantera.
Por el contrario, las realizaciones descritas en el presente documento usan el contraviraje para inducir la inclinación, girando la rueda delantera antes de que el vehículo se incline. Contravirar la rueda delantera reduce en gran medida la magnitud del par requerido para inclinar la carrocería del vehículo. En el sistema del documento U.S. 6.435.522, se requiere un alto grado de par (p. ej., hasta 1000 Nm (Newton-metros)) para iniciar la inclinación del vehículo antes de que la rueda delantera pueda girar en la dirección opuesta. Hacerlo requiere grandes accionadores hidráulicos y sistemas hidráulicos de alta presión en el vehículo.
En una realización, a velocidades inferiores a un cierto umbral de velocidad (por ejemplo, 30 km/h (kilómetros por hora)), el vehículo vira al girar la rueda delantera hacia el interior de la curva. La FIG. 6 es un diagrama conceptual que ilustra cómo vira un vehículo de tres ruedas a bajas velocidades, de acuerdo con una realización. A bajas velocidades, el vehículo es lo suficientemente estable como para girar de manera segura sin inclinarse. El valor de contraviraje influye crecientemente en la desviación objetivo de la rueda, creando un grado de subviraje en el límite de este umbral. Tal como se muestra en la FIG. 6, en el momento A, el vehículo se mueve hacia adelante; en el momento B, el vehículo gira; y, en el momento C, el vehículo se mueve nuevamente hacia adelante. Tal como se muestra en la tabla de tiempos de la FIG. 6, no se imparte ninguna inclinación al vehículo cuando se completa un giro a bajas velocidades. La rueda delantera se dirige en la dirección de la curva y las ruedas traseras no están dirigidas.
Sin embargo, más allá del umbral de velocidad (por ejemplo, por encima de 30 km/h), la dirección activa de la rueda delantera está efectivamente inhabilitada. El control electrónico de dirección (ECS) utiliza el contraviraje para iniciar y controlar el viraje por inclinación.
La FIG. 7 es un diagrama conceptual que ilustra la dirección de un vehículo de tres ruedas a altas velocidades, de acuerdo con una realización. A velocidades superiores a un cierto umbral, por ejemplo, por encima de 30 km/h, el ángulo y el par del volante de dirección son interpretados como intención de inclinarse. Cuando el conductor de un vehículo de tres ruedas mete el vehículo en una curva a alta velocidad (por ejemplo, girando un volante o accionando un joystick), se usa el contraviraje para iniciar una inclinación basándose en estas entradas, junto con la velocidad del vehículo, la guiñada, el balanceo y la aceleración transversal. La dirección de las ruedas traseras está acoplada mecánicamente al ángulo de inclinación. Las cargas de par máximas generalmente se producen en el inicio y la recuperación del balanceo. En algunas realizaciones, una posible excepción sería una maniobra evasiva a velocidades más bajas, donde la inclinación sería útil para mantener la estabilidad del vehículo.
Tal como se muestra en la FIG. 7, en el momento A, el vehículo se mueve hacia adelante; en el momento B, el vehículo comienza a girar usando contraviraje; en el momento C, el vehículo gira con la rueda delantera recta; en el momento D, el vehículo termina la curva girando en la dirección de la curva; y, en el momento E, el vehículo vuelve a moverse hacia adelante. Tal como se muestra en el diagrama de tiempos de la FIG. 7, en el momento B, el vehículo está inclinándose hacia el suelo, en el momento C, la inclinación es estable y, en el momento D, el vehículo sale de la inclinación. En el momento B, la rueda delantera está contravirando, en el momento C, la rueda delantera está dirigida hacia adelante y, en el momento D, la rueda delantera se dirige en la dirección de la curva. Tal como se muestra también, la dirección de las ruedas traseras está basada en, y corresponde a, la magnitud de la inclinación. En algunas realizaciones, se imparte poca o ninguna guiñada al módulo de propulsión durante los eventos de inclinación. La velocidad del accionador, y por lo tanto la respuesta de la dirección, está acoplada a la carga. Durante la dirección coordinada, la carga de par es relativamente baja, en comparación con los enfoques anteriores. Se pueden lograr tasas de inclinación tan altas como 80° por segundo. El contraviraje es realizado por un accionador dedicado y no tiene un impacto negativo sobre la tasa de inclinación.
Algunas realizaciones prevén el uso de un único accionador eléctrico para controlar el ángulo de inclinación de un vehículo de tres ruedas. En algunos casos, el uso de un único accionador eléctrico ayuda a la disminución del costo y a la eficiencia general del sistema. Los enfoques convencionales (es decir, los enfoques de inclinarse y DESPUÉS contravirar) requieren una fuerza mucho mayor para iniciar una inclinación. El esquema de “contravirar y DESPUÉS inclinarse” descrito en el presente documento permite un accionador único, ya que se necesita mucho menos par. En algunas implementaciones, el accionador eléctrico único tiene un engranaje helicoidal.
Al usar un único accionador que impulsa la inclinación del vehículo, las realizaciones de la invención no requieren un elemento de inclinación asistido que comprenda dos elementos motrices conectados entre sí. Adicionalmente, el accionador único del vehículo desvelado no tiene una primera posición límite para una posición neutral y una segunda posición límite para la inclinación en una dirección o en una dirección opuesta. El accionador del vehículo desvelado no está en ningún límite cuando se encuentra en la posición neutral. De hecho, en la posición neutral, el accionador está aproximadamente en el centro de su rango de movimiento, para que pueda moverse ya sea a izquierdas o a derechas para inclinar el vehículo en cualquier dirección.
El accionador del vehículo desvelado es sustancialmente diferente y no funciona simplemente avanzando hasta unas posiciones límite. En algunas implementaciones, el accionador del vehículo desvelado hace rotar un engranaje helicoidal para mover un collarín hasta diferentes posiciones.
Dirección de las ruedas traseras
En una realización, un vehículo puede usar una dirección de las ruedas traseras que está mecánicamente vinculada al ángulo de inclinación del vehículo. Al torcer las ruedas traseras hacia el interior de la curva, se evita una oscilación inducida por deslizamiento de la parte trasera del vehículo. En una realización de ejemplo, existe una conexión física, entre el bastidor delantero del vehículo y el eje trasero, que engrana mecánicamente la dirección de las ruedas traseras cuando el bastidor delantero del vehículo está inclinándose.
En otra realización, cada rueda trasera puede ser dirigida por un controlador de motor independiente que coordina tanto los accionadores de inclinación como la dirección de las ruedas traseras.
En otra realización más, las ruedas traseras pueden ser dirigidas por un controlador de motor único que coordina los accionadores de inclinación y la dirección de las ruedas traseras. En algunas implementaciones, tal sistema puede estar limitado a una inclinación de 33°. El ESC controla electrónicamente un único brazo accionador en función del ángulo de inclinación del bastidor delantero del vehículo.
En aún otra realización, se puede usar un accionador rotativo para controlar la dirección de las ruedas traseras. La FIG. 8 es un diagrama conceptual de un accionador rotativo de ejemplo, de acuerdo con una realización. El movimiento rotativo de un motor 804 acciona un tornillo sinfín 802 que gira el engranaje 801 de inclinación más o menos 45 grados alrededor de su eje. La caja 803 de engranajes del accionador está montada en la sección de la cabina, mientras que el módulo de propulsión trasero está firmemente sujeto al núcleo del engranaje 801 de inclinación. Unos cojinetes 805, 805a de servicio pesado aseguran un movimiento rotativo suave del conjunto. Al igual que los accionadores lineales, este diseño es autoblocante y permite un posicionamiento preciso y repetible. En otra realización, las ruedas traseras se pueden dirigir utilizando un sistema de control de estabilidad o de tracción (TCS). En un ejemplo de TCS, un sensor de velocidad mide la velocidad de cada rueda. Un sensor de tasa de rotación mide la rotación del vehículo (es decir, la guiñada) alrededor de un eje vertical. Un sensor de ángulo de dirección conectado al volante mide la intención direccional del conductor. Una unidad de control recibe señales y envía señales desde y hacia los sensores de velocidad, el sensor de velocidad de rotación y el sensor del ángulo de dirección para controlar las unidades hidráulicas que aumentan y/o disminuyen la presión de frenado sobre los frenos. En un ejemplo, se controla la velocidad de la rueda trasera interna en una curva (por ejemplo, se reduce la velocidad) para ajustar la estabilidad trasera del vehículo. Esto eliminaría la necesidad de un conjunto de cremallera de dirección trasera, cubos de ruedas orientables y otros elementos de suspensión. En otra implementación, en lugar de reducir la velocidad de la rueda trasera interna durante el giro, se puede acelerar la rueda trasera externa para controlar la estabilidad. En otra implementación más, se puede implementar una combinación de ralentizar la rueda trasera interna y acelerar la rueda trasera externa.
Las FIGS. 10A-10B son unos diagramas conceptuales que ilustran una comparación entre la dirección de las ruedas traseras frente al uso del control de tracción, de acuerdo con una realización.
En la Fig. 10A, la dirección de la rueda trasera está mecánicamente vinculada al ángulo de inclinación. En el momento (1), el vehículo se acerca a una curva. El conductor comienza a aplicar un par sobre el volante. En el momento (2), basándose en la velocidad del vehículo, el sistema hidráulico comienza a inclinar la cabina hacia el interior de la curva, haciendo que la rueda delantera contravire. Esto coloca una carga entre moderada y alta en el sistema hidráulico de inclinación. En el momento (3), la rueda delantera vuelve a la posición hacia adelante. El ángulo de inclinación aumenta en respuesta a la entrada de par del conductor sobre el volante. Las ruedas traseras se dirigen mecánicamente hacia el interior de la curva a medida que aumenta la inclinación. En esta situación, el subviraje sigue siendo un problema.
En la Fig. 10B, el control activo de dirección, tracción y estabilidad responde a las condiciones y a la intención del conductor. En el momento (1), el vehículo se acerca a una curva. El control de estabilidad y tracción está activo. El conductor comienza a girar el volante. En el momento (2), en función de la velocidad del vehículo, la intención calculada del conductor y otras fuerzas dinámicas, la rueda delantera contravira para inclinar la cabina hacia el interior de la curva. La carga sobre los accionadores de inclinación es mínima, por ejemplo, cercana a cero. En respuesta, en la dirección aumenta la retroalimentación de par. En el momento (3), la rueda delantera vuelve a la posición hacia adelante. El sistema de dirección controla la velocidad de las ruedas traseras según sea necesario para mantener el control de giro.
Controlador de entrada del volante (Interfaz de dirección)
La FIG. 9 es un diagrama conceptual que ilustra un sistema de control de dirección, de acuerdo con una realización. Algunas realizaciones de la divulgación proporcionan un controlador de dirección que comprende un volante 902, similar al de un automóvil normal de 4 ruedas. En otra implementación, se puede usar un joystick para controlar la dirección en lugar de un volante. Al igual que en un automóvil, el controlador de dirección se usa para controlar la dirección del vehículo mientras se maniobra. El controlador de dirección divulgado usa dos accionadores redundantes 904 que tienen una relación de 180° entre sí, están configurados similarmente (por ejemplo, configurados idéntica, pero opuestamente) y realizan las mismas o idénticas funciones. Los accionadores 904 proporcionan no solo fuerza de dirección y retroalimentación de control, sino que también sirven para medir el ángulo de dirección. La intención 906 de virar y la entrada 908 del par de viraje se miden mediante sensores del sistema de control de dirección. La retroalimentación 910 del viraje se puede enviar de vuelta al volante a través de la columna de dirección. Por lo tanto, los sensores de posición de dirección montados en el vástago pueden ser innecesarios ya que ambos accionadores pueden incluir sus propios codificadores ópticos y pueden determinar el ángulo de dirección directamente.
Dado que dicho sistema es de naturaleza completamente electrónica, la retroalimentación de fuerza, el par de entrada y las relaciones de control de las entradas pueden ser ajustados dinámicamente. Esto se puede hacer en función de la velocidad del vehículo, la situación de conducción o simplemente según las preferencias del usuario. El diseño de doble accionador del controlador de dirección proporciona que, en caso de fallo de un accionador, el accionador funcional restante es totalmente capaz de cumplir con todos los requisitos del sistema, con solo una pequeña pérdida de par de retroalimentación en el extremo superior. El control de dirección no se vería afectado. En una implementación, el diseño de doble accionador se puede implementar en aviones, incluidos aviones militares. Las realizaciones divulgadas en el presente documento incluyen un mecanismo de dirección basado en un sistema hidráulico. De acuerdo con algunas realizaciones, el vehículo puede implementarse usando un sistema de conducción por cable en el que la dirección, el control del motor y la inclinación de la sección delantera están controlados por un sistema de sensores, accionadores y computadoras. La entrada del volante, así como las entradas del acelerador y del freno son recibidas por una unidad de control electrónico (“ECU”) que luego calcula las señales para enviar a los diversos accionadores y motores que controlan la dirección, la inclinación y la propulsión del vehículo. Por ejemplo, las mediciones procedentes de un sensor de ángulo de dirección, un sensor de par del volante y unos sensores de velocidad en cada rueda contribuyen a la determinación del ángulo de inclinación en una curva. El sistema de conducción por cable también puede proporcionar al conductor una retroalimentación táctil a través de un accionador de retroalimentación de dirección conectado al volante para proporcionar al conductor una retroalimentación de dirección durante el giro.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Un vehículo de tres ruedas, que comprende:
una única rueda delantera (110; 13);
dos ruedas traseras (104; 27, 27a);
una cabina de pasajeros (108);
una unidad electrónica de control de dirección, ESC; y
un dispositivo de entrada de dirección (1), configurado para enviar a la unidad electrónica de control de dirección, ESC, una señal electrónica correspondiente a una entrada recibida en el dispositivo de entrada de dirección (1) y asociada al giro del vehículo de tres ruedas;
en donde la unidad electrónica de control de dirección, ESC, está configurada para contravirar la rueda delantera en respuesta a la recepción de la señal electrónica, iniciando el contraviraje de la rueda delantera una inclinación de la cabina de pasajeros en la dirección de giro del vehículo de tres ruedas.
2. El vehículo de tres ruedas de la reivindicación 1, que comprende adicionalmente un único brazo accionador (9, 12), acoplado a la rueda delantera, configurado para dirigir la rueda delantera en respuesta a las señales recibidas desde la unidad electrónica de control de dirección.
3. El vehículo de tres ruedas de la reivindicación 1, en donde las ruedas traseras (104; 27, 27a) están acopladas mecánicamente a la cabina de pasajeros (108) y están configuradas para ser dirigidas en la dirección de giro del vehículo de tres ruedas de acuerdo con la inclinación de la cabina de pasajeros.
4. El vehículo de tres ruedas de la reivindicación 1, que comprende adicionalmente unos brazos accionadores (25, 25a), acoplados a las ruedas traseras, en donde los brazos accionadores están configurados para dirigir las ruedas traseras en la dirección de giro del vehículo de tres ruedas.
5. El vehículo de tres ruedas de la reivindicación 4, en donde los brazos accionadores están configurados para dirigir las ruedas traseras en la dirección de giro del vehículo de tres ruedas en función de las señales de dirección recibidas desde la unidad electrónica de control de dirección.
6. El vehículo de tres ruedas de la reivindicación 1, que comprende adicionalmente un accionador rotativo (804, 802, 801), acoplado a las ruedas traseras, y configurado para dirigir las ruedas traseras en la dirección de giro del vehículo de tres ruedas.
7. El vehículo de tres ruedas de la reivindicación 6, en donde el accionador rotativo está configurado para dirigir las ruedas traseras en la dirección de giro del vehículo de tres ruedas basándose en las señales de dirección recibidas desde la unidad electrónica de control de dirección.
8. El vehículo de tres ruedas de la reivindicación 1, que comprende adicionalmente una unidad de control de estabilidad (22), acoplada a las ruedas traseras y configurada para recibir señales de control de estabilidad desde la unidad electrónica de control de dirección.
9. El vehículo de tres ruedas de la reivindicación 8, en donde la unidad de control de estabilidad (22) está configurada para ralentizar la rotación de la rueda trasera interna con respecto a la dirección de giro del vehículo de tres ruedas.
10. El vehículo de tres ruedas de la reivindicación 8, en donde la unidad de control de estabilidad (22) está configurada para aumentar la rotación de la rueda trasera exterior con respecto a la dirección de giro del vehículo de tres ruedas.
11. El vehículo de tres ruedas de la reivindicación 1, en donde el dispositivo de entrada de dirección (1) comprende un volante o un joystick.
12. El vehículo de tres ruedas de la reivindicación 1, que comprende adicionalmente:
una columna de dirección (2), acoplada al dispositivo de entrada de dirección (1); y
dos accionadores redundantes (904), acoplados rotacionalmente a la columna de dirección (2), y configurados para detectar la intención de dirección en el viraje y en la entrada de par del dispositivo de entrada de dirección.
13. El vehículo de tres ruedas de la reivindicación 1, en donde la unidad electrónica de control de dirección, ESC, está configurada para contravirar la rueda delantera en respuesta a la recepción de la señal electrónica, cuando el vehículo de tres ruedas viaja a una velocidad superior a una velocidad umbral.
14. El vehículo de tres ruedas de la reivindicación 13, en donde la velocidad umbral es de aproximadamente 30 kilómetros por hora.
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