ITBZ990029A1

ITBZ990029A1 - DEVICE FOR COMMANDING STEERING, IN PARTICULAR OF AXLES.

Info

Publication number: ITBZ990029A1
Application number: IT1999BZ000029A
Authority: IT
Inventors: Mario Parise
Original assignee: Mario Parise
Priority date: 1999-07-01
Filing date: 1999-07-01
Publication date: 2001-01-01
Also published as: IT1310239B1

Description

“DISPOSITIVO PER COMANDARE LA STERZATURA, IN PARTICO-LARE DI ASSALI” "DEVICE TO CONTROL THE STEERING, IN PARTICULAR OF AXLES"

L'invenzione riguarda un dispositivo per comandare la sterzatura in particolare di assali autosterzanti o sterzanti di mezzi come autoveicoli, rimorchi o semirimorchi o bighe. The invention relates to a device for controlling the steering in particular of self-steering or steering axles of means such as motor vehicles, trailers or semi-trailers or chariots.

Questi mezzi verranno indicati in seguito tutti indistintamente con il termine veicolo. These means will be indicated hereinafter all indiscriminately with the term vehicle.

Per assale autosterzante si intende un assale in grado di sterzare automaticamente, senza l’ausilio di alcun dispositivo di comando. By self-steering axle we mean an axle that can steer automatically, without the aid of any control device.

Per assale sterzante si intende un assale con la proprietà di permettere la sterzatura delle proprie ruote. Steering axle means an axle with the property of allowing its own wheels to be steered.

Gli assali sterzanti o autosterzanti sono utilizzati per aumentare la massa complessiva e quindi la portata di un veicolo, in base alle disposizioni legislative che consentono una massa complessiva a pieno carico maggiore per i veicoli con il maggior numero di assi. Essi vengono usualmente impiegati sia su veicoli trainanti, sia su veicoli trainati. Steering or self-steering axles are used to increase the overall mass and therefore the capacity of a vehicle, according to the legislative provisions that allow a greater total mass at full load for vehicles with the greatest number of axles. They are usually used both on towing vehicles and on towed vehicles.

Gli assali autosterzanti non vengono collegati agli organi di guida del veicolo, poiché hanno la proprietà di sterzare automaticamente adattandosi alle condizioni di marcia del veicolo. Con questa espressione si intende che l'assale assume un angolo di sterzatura coerente con la traiettoria percorsa dal veicolo, evitando il più possibile attriti e strisciamento dei pneumatici. Solitamente gli assali autosterzanti hanno proprietà autodirezionale solo in un senso di marcia. Essi vengono usualmente montati sui veicoli in modo da risultare autodirezionali in marcia avanti. In marcia indietro invece si manifesta un fenomeno di instabilità che ne rende proibitivo l'impiego senza un dispositivo che ne controlli la sterzatura. Esistono rari casi di assali autosterzanti funzionanti in modo stabile in entrambe le direzioni di marcia. Gli assali sterzanti invece richiedono sempre di essere comandati in quanto non posseggono capacità autodirezionali. The self-steering axles are not connected to the driving parts of the vehicle, since they have the property of steering automatically, adapting to the running conditions of the vehicle. This expression means that the axle assumes a steering angle consistent with the trajectory traveled by the vehicle, avoiding friction and sliding of the tires as much as possible. Usually self-steering axles have self-directional properties only in one direction of travel. They are usually mounted on vehicles in such a way as to be self-directional in forward travel. In reverse, on the other hand, a phenomenon of instability occurs which makes its use prohibitive without a device that controls its steering. There are rare cases of self-steering axles operating stably in both directions of travel. The steering axles, on the other hand, always require to be controlled as they do not possess self-directional capabilities.

Gli assali autosterzanti o sterzanti, chiamati in seguito con il termine di assali comandati, solitamente dispongono di una barra di accoppiamento che vincola le due ruote a sterzare assieme. Con il termine angolo di sterzatura si intende l'angolo medio che le ruote formano con l'asse longitudinale del veicolo: esso si intende nullo quando le ruote sono orientate in modo che il veicolo proceda senza curvare, ossia dirette longitudinalmente. Self-steering or steered axles, later referred to as controlled axles, usually have a coupling bar that binds the two wheels to steer together. The term steering angle refers to the average angle that the wheels form with the longitudinal axis of the vehicle: it is understood to be zero when the wheels are oriented so that the vehicle proceeds without cornering, i.e. directed longitudinally.

Con il termine di assali direzionali di un veicolo si intendono invece quegli assali collegati direttamente, tramite gli organi di guida, al volante del veicolo. Un autocarro dispone solitamente di uno o due assali direzionali, sempre in posizione anteriore rispetto al veicolo. The term of directional axles of a vehicle, on the other hand, refers to those axles which are directly connected, by means of the driving elements, to the steering wheel of the vehicle. A truck usually has one or two directional axles, always in front of the vehicle.

Allo stato attuale della tecnica esistono numerosi dispositivi in grado di comandare la sterzatura di un assale. In the current state of the art there are numerous devices capable of controlling the steering of an axle.

Per i soli assali autosterzanti, si impiega tradizionalmente per la fase di retromarcia un dispositivo meccanico che consente sol amente di bloccare la sterzatura dell’assale comandato in posizione centrale. Esso consiste in una spina che su comando del conducente viene introdotta nel foro praticato in una piastra fissata alla barra di accoppiamento dell'assale. Quando il foro si trova in corrispondenza della spina, ovvero con le ruote non sterzate, la spina può essere introdotta nel foro e quindi bloccare lo spostamento della piastra e quindi la sterzatura delle ruote. For self-steering axles only, a mechanical device is traditionally used for the reverse phase which only allows the steering of the controlled axle to be locked in the central position. It consists of a pin which, upon command of the driver, is inserted into the hole made in a plate fixed to the coupling bar of the axle. When the hole is in correspondence with the pin, that is with the wheels not steered, the pin can be introduced into the hole and thus block the movement of the plate and therefore the steering of the wheels.

Un sistema più evoluto impiega un cilindro idraulico per bloccare la sterzatura in qualsiasi posizione. I due sistemi sopra menzi onati non si possono definire sistemi di comando della sterzatura, ma solamente di bloccaggio. A more advanced system uses a hydraulic cylinder to lock the steering in any position. The two systems mentioned above cannot be defined as steering control systems, but only locking systems.

Esistono poi dispositivi in grado di comandare la sterzatura impiegando una fonte di energia. There are also devices capable of controlling steering using an energy source.

Nel caso di autocarri esistono sistemi a funzionamento idraulico, integrati o meno con gli organi di guida del veicolo, che regolano l’angolo di sterzatura dell’assale comandato in relazione a quello degli assali direzionali del veicolo. Per fare questo viene utilizzato un fluido in pressione per azionare uno o più cilindri idraulici che comandano la sterzatura dell’assale comandato. La sterzatura dell'assale comandato viene regolata con sistemi elettronici o meccanici che in ogni caso utilizzano come informazione di i ngresso l’angolo di sterzatura degli assali direzionali. La sorgente di fluido in pressione è solitamente una pompa azionata dal motore del veicolo o da apposito motore elettrico. In the case of trucks, there are hydraulically operated systems, integrated or not with the vehicle's driving components, which adjust the steering angle of the commanded axle in relation to that of the vehicle's directional axles. To do this, a pressurized fluid is used to operate one or more hydraulic cylinders that control the steering of the driven axle. The steering of the driven axle is adjusted with electronic or mechanical systems which in any case use the steering angle of the directional axles as input information. The source of pressurized fluid is usually a pump driven by the vehicle engine or by a suitable electric motor.

Questi sistemi possono controllare anche più di un assale co· mandato. These systems can also control more than one driven axle.

Nel campo dei rimorchi esistono sistemi analoghi, che impiegano come informazione per il comando dell'angolo di sterzatura degli assali comandati l’angolo formato dal timone del rimorchio con l’asse longitudinale del rimorchio stesso. Nel caso di semirimorchi viene invece utilizzato l'angolo di rotazione della ralla tra semirimorchio e veicolo trattore, ovvero l’angolo formato dagli assi longitudinali dei due componenti dell’autoarticolato. In the field of trailers there are similar systems, which use the angle formed by the drawbar of the trailer with the longitudinal axis of the trailer itself as information for controlling the steering angle of the controlled axles. In the case of semi-trailers, the angle of rotation of the fifth wheel between the semi-trailer and the tractor vehicle is used, i.e. the angle formed by the longitudinal axes of the two components of the articulated vehicle.

Nel campo dei veicoli speciali invece esistono sistemi idraulici o meccanici, spesso a controllo elettronico, in grado di comandare una moltitudine di assali. In the field of special vehicles, on the other hand, there are hydraulic or mechanical systems, often electronically controlled, capable of controlling a multitude of axles.

Tutti i sistemi di comando della sterzatura finora menzionati agiscono sulla base di informazioni geometriche quali l’angolo di sterzatura degli assali direzionali, l’angolo di rotazione del timone o l’angolo tra trattore e semirimorchio, l’angolo impostato dal manovratore. All the steering control systems mentioned so far act on the basis of geometric information such as the steering angle of the directional axles, the angle of rotation of the rudder or the angle between tractor and semi-trailer, the angle set by the operator.

Uno degli scopi dell'invenzione oggetto della presente domanda di brevetto è quello di proporre un dispositivo in grado di comandare l'angolo di sterzatura di un assale agendo sulla base di informazioni non geometriche. One of the purposes of the invention which is the subject of the present patent application is to propose a device capable of controlling the steering angle of an axle by acting on the basis of non-geometric information.

Questo scopo viene raggiunto in un dispositivo per controllare la sterzatura di assali autosterzanti dalle caratteristiche caratterizzanti della rivendicazione 1. This object is achieved in a device for controlling the steering of self-steering axles having the characteristic features of claim 1.

Il nuovo sistema basa la propria azione impiegando informazioni quali la velocità angolare di imbardata del veicolo e la velocità angolare di rotazione delle ruote. The new system bases its action by using information such as the vehicle's yaw angular rate and the angular rate of rotation of the wheels.

Per velocità angolare di imbardata del veicolo si intende tradizionalmente la velocità angolare con la quale il veicolo ruota attorno all’asse verticale. The yaw angular velocity of the vehicle traditionally refers to the angular velocity with which the vehicle rotates around the vertical axis.

Da queste informazioni viene ricavato l’angolo di sterzatura ottimale dell’assale comandato, coerentemente con la traiettoria percorsa dal veicolo. From this information, the optimal steering angle of the driven axle is obtained, consistent with the trajectory traveled by the vehicle.

Ulteriori caratteristiche e dettagli risultano dalle ulteriori rivendicazioni e dalla seguente descrizione di un preferito esempio di realizzazione rappresentato nelle Figure del disegno allegato, in cui mostrano, la Figura 1 schematicamente in vista frontale un assale dotato di un attuatore controllato da un dispositivo secondo l’invenzione, la Figura 2 uno schema a blocchi di un dispositivo secondo l'invenzione, le Figura 3 e 4 schematicamente le disposizioni delle ruote di un veicolo al fine della spiegazione del funzionamento. Further characteristics and details result from the further claims and from the following description of a preferred embodiment shown in the Figures of the attached drawing, in which Figure 1 schematically shows a front view of an axle equipped with an actuator controlled by a device according to the invention , Figure 2 a block diagram of a device according to the invention, Figures 3 and 4 schematically the arrangements of the wheels of a vehicle for the purpose of explaining the operation.

Come rappresentato nelle Figure 1 e 2 il dispositivo secondo l’invenzione è costituito da un organo attuatore 1, da un dispositivo di comando e regolazione 2 e da organi sensori 3 e 4. As shown in Figures 1 and 2, the device according to the invention consists of an actuator member 1, a control and adjustment device 2 and sensor members 3 and 4.

L’organo attuatore ha lo scopo di imporre all'ssale l’angolo di sterzatura voluto dal sistema di comando e regolazione. L’organo attuatore impiega una sorgente di energia per attuare il movimento. The actuator organ has the purpose of imposing the steering angle desired by the control and adjustment system on the wheelhouse. The actuator organ uses a source of energy to implement the movement.

Il dispositivo di comando e regolazione 2 decide sul la base delle informazioni ricevute l’angolo di sterzatura ottimale di un assale 5 comandato e fornisce all ’organo attuatore 1 questa i nformazi one. The control and adjustment device 2 decides on the basis of the information received the optimal steering angle of a controlled axle 5 and provides the actuator 1 with this information.

Gli organi sensori 4 rilevano ed elaborano invece le i nformazioni necessarie al dispositivo di comando e regolazione 2. Queste i nformazioni sono: la velocità angolare di imbardata del veicolo, la velocità angolare delle ruote del veicolo, la velocità del veicolo. Gli organi sensori 3 invece permettono il controllo a carena chi usa dell’attuatore 1. The sensor members 4 instead detect and process the information necessary for the control and adjustment device 2. These information are: the yaw angular speed of the vehicle, the angular speed of the vehicle wheels, the vehicle speed. The sensor organs 3, on the other hand, allow the user to control the actuator 1 from the hull.

Questi organi sono sensori 3 e 4 comunemente utilizzati allo stato attuale della tecn ica : These organs are sensors 3 and 4 commonly used in the current state of the art:

Per le velocità di rotazione sensori quali dinamo tachimetriche, sensori magnetici, capacitivi o ottici accoppiati a ruote foniche. Per la misura della velocità angolare di imbardata si possono utilizzare sensori qual i gi roscopi meccanici o a stato solido, i nclinometri, accelerometri, oppure questa grandezza può essere ricavata indirettamente da elaborazione della velocità di rotazi one delle ruote. For the rotation speed sensors such as tacho dynamos, magnetic, capacitive or optical sensors coupled to phonic wheels. To measure the yaw angular velocity, sensors such as mechanical or solid-state gyroscopes, clinometers, accelerometers can be used, or this quantity can be obtained indirectly from processing the rotational speed of the wheels.

Per la misura della velocità del veicolo si può ricorrere ad una elaborazione della velocità di rotazione del le ruote oppure impi egare sensori specifici. To measure the vehicle speed, it is possible to use a processing of the rotation speed of the wheels or to use specific sensors.

La figura 3 illustra dal punto di vista teorico quali dovrebbero essere gli angoli di sterzatura ideali per ciascuna ruota di un autocarro a tre assi, dei quali quello centrale fisso. Gli assi 6, 7 e 8 di ciascuna ruota si incrociano in un unico punto C che corrisponde al centro di curvatura della traiettoria del veicolo. In questo modo ciascuna ruota percorre una circonferenza di centro C e marcia sul terreno senza strisciamento. Nel caso reale, gli angoli di sterzatura delle ruote di ciascun assale sono legati tra loro a causa della presenza della barra di accoppiamento o comunque della tiranteria dello sterzo, per cui la condizione illustrata nel caso teorico non sarà soddisfatta in modo esatto: la deformazione elastica dei pneumatici permette di compensare i piccoli errori rispetto agli angoli teorici. Si può comunque individuare, ai fini dell'invenzione, un angolo medio di sterzatura (alfa) delle ruote destra e sinistra. Figure 3 illustrates from a theoretical point of view what the ideal steering angles should be for each wheel of a three-axle truck, of which the central one is fixed. The axles 6, 7 and 8 of each wheel cross at a single point C which corresponds to the center of curvature of the vehicle's trajectory. In this way, each wheel covers a circumference with center C and travels on the ground without sliding. In the real case, the steering angles of the wheels of each axle are linked together due to the presence of the coupling bar or in any case of the steering linkage, so the condition illustrated in the theoretical case will not be satisfied exactly: the elastic deformation of tires allows you to compensate for small errors with respect to theoretical angles. However, for the purposes of the invention, an average steering angle (alpha) of the right and left wheels can be identified.

Nel caso di un veicolo con più di un assale fisso, quale ad esempio un semirimorchio con tre assi l'ultimo dei quali autosterzante, la coordinata X del centro di curvatura non è esattamente determinata, in quanto non esiste un punto di incontro di due assi paralleli. Detta coordinata trova generalmente in una posizione compresa tra quella dei due assi fissi. La posizione esatta dipende da condizioni quali il carico applicato a ciascun assale e l’aderenza sul terreno e sarà piu vicina alla coordinata del’assale con maggiore carico ed aderenza. In ogni caso, per gli scopi del dispositivo, si potrà considerare arbitrariamente la coordinata X del punto C in posizione mediana rispetto a quelle degli assi fissi, oppure diversa a seconda che si voglia utilizzare il dispositivo per avere effetto sovrasterzante o sottosterzante. Nota la geometria del veicolo, come rappresentato nelle Figure 3 e 4, un eventuale sistema possibile funziona nel modo seguente: viene misurata la velocità angolare di imbardata (ω) e viene misurata la velocità del veicolo (v). Il rapporto ν/ω fornisce il raggio di curvatura della traiettoria percorsa dal punto nel quale è stata effettuata la misura della velocità (co è comune a tutti i punti). Questa informazione permette di ricavare le coordinate del punto C nel sistema di riferimento prescelto e da queste, attraverso procedimenti trigonometrici, calcolare l’angolo di sterzatura alfa. Un sistema attuatore provvederà a sterzare le ruote secondo tale angolo. Poiché, dati la natura e gli scopi del sistema, non è necessario calcolare l’angolo alfa con grande precisione, l’algoritmo di calcolo può essere semplificato, ad esempio non tenendo conto' della posizione esatta del punto di misura della velocità periferica rispetto al veicolo. Ciò equivale a considerare il veicolo di dimensioni trascurabili rispetto al raggio di curvatura. In the case of a vehicle with more than one fixed axle, such as a semi-trailer with three axles, the last of which is self-steering, the X coordinate of the center of curvature is not exactly determined, as there is no meeting point of two axles parallel. Said coordinate is generally located in a position between that of the two fixed axes. The exact position depends on conditions such as the load applied to each axle and the grip on the ground and will be closer to the coordinate of the axle with the greatest load and grip. In any case, for the purposes of the device, the X coordinate of point C can be arbitrarily considered in a median position with respect to those of the fixed axes, or different depending on whether the device is to be used to have an oversteer or understeer effect. Once the geometry of the vehicle is known, as shown in Figures 3 and 4, a possible system works as follows: the yaw angular velocity (ω) is measured and the vehicle speed (v) is measured. The ratio ν / ω gives the radius of curvature of the trajectory traveled from the point where the speed measurement was made (co is common to all points). This information allows you to obtain the coordinates of point C in the chosen reference system and from these, through trigonometric procedures, calculate the steering angle alpha. An actuator system will steer the wheels according to this angle. Since, given the nature and purpose of the system, it is not necessary to calculate the alpha angle with great precision, the calculation algorithm can be simplified, for example by not taking into account the exact position of the peripheral velocity measurement point with respect to the vehicle. This is equivalent to considering the vehicle of negligible dimensions with respect to the radius of curvature.

È evidente che l’algoritmo descritto non è l’unico possibile per il calcolo di alfa: ad esempio alfa può essere ricavato da una mappa ottenuta in altri modi, come per autoapprendimento. It is clear that the algorithm described is not the only one possible for calculating alpha: for example, alpha can be obtained from a map obtained in other ways, such as by self-learning.

Vari possono essere i sistemi attuatori e di misura senza lasciare l’ambito di protezione della presente invenzione come per esempio:. There can be various actuator and measurement systems without leaving the scope of protection of the present invention such as:

Sistema attuatore: di qualsiasi tipo: oleodinamico, motore elettrico, meccanico, ecc , a controllo ad anello aperto o chiuso Misura della velocità angolare di imbardata: si può calcolare indirettamente attraverso la misura della velocità di almeno due ruote, oppure si può misurare in modo diretto (ad esempio con giroscopio), oppure si può misurare in qualsiasi altro modo permesso dalla tecnica. Actuator system: of any type: hydraulic, electric motor, mechanical, etc., with open or closed loop control Measurement of the angular speed of yaw: it can be calculated indirectly by measuring the speed of at least two wheels, or it can be measured in direct (for example with gyroscope), or it can be measured in any other way allowed by the technique.

Misura della velocità periferica: in qualsiasi modo ESEMPIO DI APPLICAZIONE PROTOTIPO REALIZZATO Measurement of peripheral speed: in any way EXAMPLE OF PROTOTYPE APPLICATION MADE

Di questo dispositivo è stato realizzato un prototipo ed installato su di un autocarro a 3 assi. Il veicolo utilizzato è un IVECO 190-30 del 1982 con terzo asse autosterzante realizzato dalla ditta GIRELLI di Verona. All'assale autosterzante è stato aggiunto un cilindro idraulico con la seguenti caratteristiche: A prototype of this device was made and installed on a 3-axle truck. The vehicle used is an IVECO 190-30 from 1982 with self-steering third axle made by the company GIRELLI of Verona. A hydraulic cylinder has been added to the self-steering axle with the following characteristics:

Alesaggio: 60 mm Corsa : 190 mm Diametro dello stelo: 30 mm Il corpo del cilindro idraulico è collegato tramite una boccola cilindrica al corpo dell’assale comandato, mentre lo stelo è collegato sempre tramite boccola cilindrica alla barra di accoppiamento. I perni sui quali sono infilate le boccole hanno asse parallelo a quello comune a tutte le articolazioni dell'assale. La distanza tra i due perni, variabile con l'angolo di sterzatura, è stata scelta in modo che con le ruote dritte, cioè con angolo di sterzatura nullo, il cilindro si trovi a metà della sua corsa, che è stata scelta in modo da consentire alle ruote la massima sterzatura permessa dalle articolazioni dell'assale. Bore: 60 mm Stroke: 190 mm Rod diameter: 30 mm The body of the hydraulic cylinder is connected via a cylindrical bushing to the body of the driven axle, while the rod is always connected via a cylindrical bushing to the coupling bar. The pins on which the bushings are inserted have an axis parallel to that common to all the joints of the axle. The distance between the two pins, which varies with the steering angle, has been chosen so that with straight wheels, i.e. with zero steering angle, the cylinder is in the middle of its stroke, which has been chosen so as to allow the wheels to steer the maximum allowed by the axle joints.

Il movimento del cilindro viene regolato da elettrovalvole idrauliche ed il sistema viene alimentato da olio in pressione fornito da una pompa. The movement of the cylinder is regulated by hydraulic solenoid valves and the system is powered by pressurized oil supplied by a pump.

Una centralina elettronica a microprocessore elabora i dati sulla velocità angolare di imbardata del veicolo e sulla velocità di rotazione di due ruote e calcola l’angolo di sterzatura corretto per l’assale comandato. Un sistema di regolazione ad anello chiuso comanda le elettrovalvole sopracitate An electronic control unit with microprocessor processes the data on the vehicle's yaw angular speed and on the rotation speed of two wheels and calculates the correct steering angle for the driven axle. A closed loop regulation system controls the aforementioned solenoid valves

Claims

R I V E N D I C A Z I O N I 1. Device for controlling the steering, in particular, of self-steering or steering axles of vehicles such as motor vehicles, trailers or semi-trailers or chariots, comprising an actuator, adapted to steer the wheels, and an actuator supply line, characterized in that the power supply line is controlled by a control unit (2) connected via a line with sensors (4) suitable for measuring non-geometric quantities intrinsic to the vehicle being maneuvered.

2. Device according to claim 1, characterized in that the control unit (2) is also connected via a line with a sensor (3) intended to measure a geometric quantity intrinsic to the steering carried out on command of the control unit ( 2), the control unit (2) containing a comparison and calculation element to compare the real steering angle with a nominal one calculated through an algorithm with non-geometric quantities.

Device according to the preceding claims, characterized in that the control unit processes the quantities relating to data on the yaw angular speed of the vehicle and on the rotation speed of two wheels and calculates the correct steering angle for the axle commanded.

4. Device according to the preceding claims, characterized in that the actuator system is of the hydraulic, electric motor, mechanical, etc. type, with open or closed loop control.

5. Device according to claim 3, characterized in that gyroscopic, mechanical or solid-state sensors, inclinometers, accelerometers are used to measure the yaw angular velocity, or this quantity is obtained indirectly from processing the speed of the wheels.

6. Device according to claim 3, characterized in that tachometric, magnetic, capacitive or optical dynamo sensors coupled to phonic wheels are used for measuring the rotational speeds.

7. Device according to the previous claims, characterized in that the actuator is connected between a coupling bar of a steering axle and a fixed structure, for example the axle body.