基於可調慣性質量的汽車橫向穩定杆及其控制方法與流程

2023-05-08 00:57:31

本發明涉及一種基於可調慣性質量的汽車橫向穩定杆及其控制方法，屬於車輛安全和舒適性技術領域。

背景技術：

橫向穩定杆，是汽車懸架系統中的一種輔助彈性元件。其作用是防止車身在轉彎時產生過大的側傾角，目的是防止汽車橫向傾翻，提高汽車的行駛安全性和改善駕駛平順性。傳統橫向穩定杆的單一扭轉剛度，使得橫向穩定杆的防側傾調節範圍有限，往往難以滿足車輛各種工況的要求，無法根據工況來調節橫向穩定杆的防側傾性能。尤其是汽車在大側向加速度工況下，車身側傾角較大容易產生危險。

主動式橫向穩定杆，例如液壓式主動橫向穩定杆和電機式主動橫向穩定杆，雖然也有在一些高檔汽車和特殊車輛上應用，但是高昂的成本、複雜的控制系統和較高的能耗也影響了主動橫向穩定杆的普及；半主動式橫向穩定杆，能較好地結合傳統橫向穩定杆和主動式橫向穩定杆的優點，具有適應工況範圍廣、控制系統簡單等優點。但現有技術中的半主動執行器(例如磁流變阻尼器)和半主動控制系統在通常需要一直外接供電設備，產生額外的能量消耗並使系統結構複雜。

技術實現要素：

本發明是為了解決上述現有的技術存在的不足之處，提出一種基於可調慣性質量的汽車橫向穩定杆及其控制方法，以期實現汽車橫向穩定杆扭轉剛度可調節，在低速轉彎時橫向穩定杆提供較小的扭轉剛度來提高平順性，而在高速轉彎時採用較大的扭轉剛度來減小車身側傾角，提高安全性。並且裝有發電機構、充電電路和儲能裝置。並輔以半主動控制電路和開關控制電路來實現本發明的汽車橫向穩定杆的扭轉剛度可調節特性。

本發明為解決技術問題採用如下技術方案：

本發明基於可調慣性質量的汽車橫向穩定杆的特點是：

設置可調慣性質量的阻尼器，所述阻尼器是由左端蓋和右端蓋在圓筒形殼體的兩端封閉形成圓筒體，在所述左端蓋上固定連接左側杆，阻尼器的中心軸的輸出端自右端蓋凸伸，並固定連接右側杆，構成汽車橫向穩定杆；在所述左側杆和右側杆發生扭轉時，利用所述阻尼器在左側杆和右側杆之間產生扭轉角和阻尼力；

所述阻尼器的結構形式是：在所述圓筒體中，自右端朝向左端依次設置變速機構、慣性質量調節機構、整流機構和發電機構；中心軸通過變速機構驅動慣性質量調節機構運動，產生阻尼力；利用所述慣性質量調節機構的轉動輸出為發電機構提供驅動力並產生電能；所述中心軸與發電機構的轉子軸為同軸裝配、相互之間通過軸承相連接，可相對獨立轉動，中心軸的右端通過軸套支承在右端蓋上，轉子軸的左端通過軸承支承在左端蓋上。

本發明基於可調慣性質量的汽車橫向穩定杆的特點也在於：所述慣性質量調節機構的結構形式是：

以長套筒為內筒，以勵磁外殼為外筒，在勵磁外殼的兩端利用螺釘固定連接環形擋板，長套筒的兩端在環形擋板的中心孔中凸伸，並能在中心孔中轉動，在環形擋板與長套筒之間設置密封圈，以所述長套筒、勵磁外殼以及環形擋板形成封閉的環形柱腔，長套筒與中心軸以軸承同軸裝配，利用變速機構的轉動輸出驅動所述長套筒發生轉動；

在所述環形柱腔內，在長套筒的外圓周面上沿軸向間隔設置慣性質量盤，所述慣性質量盤隨長套筒發生轉動；在所述勵磁外殼的內周面上沿軸向間隔設置固定盤，使得在環形柱腔的縱切面上，慣性質量盤和固定盤一一間隔呈叉指結構，指間間隙為充有磁流變液的磁流變液通道；各電磁線圈位於由勵磁外殼、固定盤及其定位擋圈形成的環形腔內；各電磁線圈與各慣性質量盤在軸向位置上一一對應；相鄰的電磁線圈其繞組繞線方向相反；剪切模式下，磁流變液對慣性質量盤的轉動產生阻尼力，控制電磁線圈的工作電流實現對阻尼力的調節。

本發明基於可調慣性質量的汽車橫向穩定杆的特點也在於：所述變速機構採用行星齒輪機構，所述行星齒輪機構中的行星架在右側凸伸，並與中心軸固定裝配構成主動件，太陽輪與長套筒的右端固定裝配構成從動件，齒圈與勵磁外殼同軸且固定裝配。

本發明基於可調慣性質量的汽車橫向穩定杆的特點也在於：所述發電機構設置為他勵式發電機，包括轉子總成、定子總成、整流器和端蓋；

所述轉子總成由轉子軸、爪極、磁場繞組、磁軛和集電環組成；所述爪極是在圓盤的邊緣均布六個鳥嘴形磁極的結構，兩塊爪極上的磁極沿圓周方向交錯排布；轉子軸上壓裝兩塊爪極，在爪極的空腔內設置磁場繞組和磁軛；所述集電環是兩個相互絕緣的銅環，集電環壓裝在轉子軸上並與轉子軸絕緣，兩個銅環分別與磁場繞組的兩端相連接；所述定子總成由定子鐵芯和定子繞組組成，定子鐵芯由內圈帶槽的矽鋼片疊成，形成鐵芯槽，定子繞組設置在鐵芯槽中，定子繞組為三相繞組；所述整流器是由矽整流二極體組成的三相全波橋式整流電路，利用所述整流器將定子總成輸出的三相交流電整流為直流輸出；

本發明基於可調慣性質量的汽車橫向穩定杆的特點也在於：所述整流機構為機械式整流結構，位於長套筒與轉子軸之間的軸向位置上，利用整流機構使慣性質量調節機構和中心軸的雙向旋轉轉換為發電機構轉子總成的單向旋轉。

本發明基於可調慣性質量的汽車橫向穩定杆的控制方法的特點是：對於所述發電機構的輸出電能進行檢測和處理獲得發電機構輸出信號，並傳送至阻尼力控制電路；對於所述阻尼器的扭轉角和阻尼力進行檢測和處理獲得阻尼器輸出信號，並傳送至阻尼力控制電路；由所述阻尼力控制電路根據所述發電機構輸出信號和阻尼器輸出信號輸出阻尼力控制信號，並通過電流控制器向所述慣性質量調節機構輸出電流驅動信號，調整電流驅動信號以調整所述慣性質量調節機構中電磁線圈產生的磁場強度，進而改變磁流變液的屬性，實現阻尼器輸出阻尼力半主動調節。

本發明控制方法的特點也在於：在所述阻尼器投入工作的起始階段，發電機處於起動過程，由外部電源為磁場繞組供電，整流機構帶動轉子軸發生轉動，使發電機構得以發電；在轉子軸的轉速達到設定值時，發電機構的輸出電能經整流器整流後為儲能裝置充電或通過開關控制電路直接為磁場繞組供電，從而減少或去除外部電源輸入。

與已有技術相比，本發明有益效果體現在：

1、本發明採用可調慣性質量阻尼器，可以根據工況要求，半主動地控制橫向穩定杆阻尼力的輸出，進而調節了扭轉剛度和扭轉角，實現在低速轉彎時橫向穩定杆提供較小的扭轉剛度來提高平順性，而在高速轉彎時採用較大的扭轉剛度來提高安全性。

2、本發明能夠解決傳統主動控制或半主動控制橫向穩定杆需要額外配置供電電源的問題，集半主動可控阻尼力和發電儲能功能於一體，避免了外接電源的複雜系統。

3、本發明採用的整流機構安裝於慣性質量調節機構的長套筒與發電機構轉子總成之間：(i)通過設定行星系齒輪之間的固定方式和模數比能夠實現發電機輸入端運動速度的放大，增加發電量同時也增加阻尼力；(ii)通過整流機構使電機輸入端無論如何旋轉，輸出端始終向著一個方向旋轉，減少了發電機正反轉時候的能量損失和產生的慣性質量衝擊。

4、本發明中的可調慣性質量阻尼器尤其適用於小扭轉角大扭力需求的應用場合；通過慣性質量盤和發電機構的自身慣性質量產生阻尼力；通過磁流變效應再產生並調節阻尼力；通過變速機構放大慣性質量調節機構產生的阻尼力，多個阻尼力產生來源並放大，實現了小轉角工況下的大阻尼力的輸出。

附圖說明

圖1為本發明汽車橫向穩定杆的示意圖；

圖2為本發明可調慣性質量阻尼器結構示意圖；

圖3為本發明中慣性質量調節機構結構示意圖；

圖4a為本發明中發電機構結構示意其電路原理圖；

圖4b為本發明中發電機構中爪極的結構示意圖；

圖5a為本發明中半主動系統反饋控制框圖；

圖5b為基於圖5a控制方法的可調慣性質量阻尼器的控制框圖；

圖5c為本發明汽車橫向穩定杆的半主動控制框圖；

圖6為本發明另一實施方式；

圖7為不同控制方法時，車身側向加速度和側傾角的關係對比圖。

圖中標號：1阻尼器，2左側杆，3右側杆，4右端蓋，5左端蓋，6發電機構，7整流機構，8慣性質量調節機構，9變速機構，10中心軸，61定子鐵芯，62定子繞組，63端蓋，64轉子軸，65爪極，66磁場繞組，67磁軛，68集電環，69整流器，81擋板，82慣性質量盤，83固定盤，84電磁線圈，85定位擋圈，86通道密封螺栓，87長套筒，88長套筒軸承，89密封圈，810磁流變液，811勵磁外殼。

具體實施方案

本實施例中基於可調慣性質量的汽車橫向穩定杆的結構形式是：

參見圖1和圖2，設置可調慣性質量的阻尼器1，阻尼器1是由左端蓋5和右端蓋4在圓筒形殼體的兩端封閉形成圓筒體，在左端蓋5上固定連接左側杆2，阻尼器的中心軸10的輸出端自右端蓋4凸伸，並固定連接右側杆3，構成汽車橫向穩定杆；在左側杆2和右側杆3發生扭轉時，利用阻尼器1在左側杆2和右側杆3之間產生扭轉角和阻尼力。

如圖2和圖3所示，阻尼器1的結構形式是：在圓筒體中，自右端朝向左端依次設置變速機構9、慣性質量調節機構8、整流機構7和發電機構6；中心軸10通過變速機構9驅動慣性質量調節機構8運動，產生阻尼力；利用慣性質量調節機構8的轉動輸出為發電機構6提供驅動力並產生電能；中心軸10與發電機構6的轉子軸64為同軸裝配、相互之間通過軸承相連接，可相對獨立轉動，中心軸10的右端通過軸套支承在右端蓋4上，轉子軸64的左端通過軸承支承在左端蓋5上，中心軸10和轉子軸64可相互獨立轉動。

如圖2和圖3所示，慣性質量調節機構8的結構形式是：以長套筒87為內筒，以勵磁外殼811為外筒，在勵磁外殼811的兩端利用螺釘固定連接環形擋板81，長套筒87的兩端在環形擋板81的中心孔中凸伸，在長套筒87與中心軸10之間設置長套筒軸承88，長套筒87與中心軸10以長套筒軸承同軸裝配，使長套筒87能夠在中心孔中轉動，實現慣性質量調節機構8與中心軸10的同軸裝配，在環形擋板81與長套筒87之間設置密封圈89，以長套筒87、勵磁外殼811以及環形擋板81形成封閉的環形柱腔，利用變速機構9的轉動輸出驅動長套筒87發生轉動，通道密封螺栓86用於對設置在環形擋板81上的通孔進行密封；在環形柱腔內，在長套筒87的外圓周面上沿軸向間隔設置慣性質量盤82，慣性質量盤82隨長套筒87發生轉動；在勵磁外殼811的內周面上沿軸向間隔設置固定盤83，使得在環形柱腔的縱切面上，慣性質量盤82和固定盤83一一間隔呈叉指結構，指間間隙為充有磁流變液810的磁流變液通道；各電磁線圈84位於由勵磁外殼811、固定盤83及其定位擋圈85形成的環形腔內；各電磁線圈84與各慣性質量盤82在軸向位置上一一對應；相鄰的電磁線圈其繞組繞線方向相反；當線圈通電後，形成的磁路方向為：慣性質量盤82-磁流變液810-固定盤83-勵磁外殼811-固定盤83-磁流變液810-慣性質量盤82；剪切模式下，磁流變液對慣性質量盤82的轉動產生阻尼力，控制電磁線圈84的工作電流即控制磁場強度，產生可控阻尼力，實現對阻尼力的調節。

如圖2所示，變速機構9採用行星齒輪機構，行星齒輪機構中的行星架在右側凸伸，並與中心軸10固定裝配構成主動件，太陽輪與長套筒87的右端固定裝配構成從動件，齒圈與勵磁外殼811同軸且固定裝配。

如圖2、圖4a和圖4b所示，發電機構6設置為他勵式發電機，包括轉子總成、定子總成、整流器69和端蓋63；轉子總成由轉子軸64、爪極65、磁場繞組66、磁軛67和集電環68組成；圖4b所示的本實施例中的爪極65是在圓盤的邊緣均布六個鳥嘴形磁極的結構，兩塊爪極65上的磁極沿圓周方向交錯排布；轉子軸64上壓裝兩塊爪極65，在爪極65的空腔內設置磁場繞組66和磁軛67；集電環68是兩個相互絕緣的銅環，集電環68壓裝在轉子軸64上並與轉子軸64絕緣，兩個銅環分別與磁場繞組66的兩端相連接；定子總成由定子鐵芯61和定子繞組62組成，定子鐵芯61由內圈帶槽的矽鋼片疊成，形成鐵芯槽，定子繞組62設置在鐵芯槽中，定子繞組為三相繞組；整流器69是由矽整流二極體組成的三相全波橋式整流電路，利用整流器69將定子總成輸出的三相交流電整流為直流輸出。

圖2所示的本實施例中的整流機構7為機械式整流結構，位於長套筒87與轉子軸64之間的軸向位置上，整流機構7的結構形式引自公開號為cn106369101a、發明名稱為《一種饋能式磁流變液能量吸收器》的發明專利申請公開文本中，如公開文本cn106369101a中圖6a、圖6b和圖6c所示，整流機構7中第一級齒輪組行星架凸伸與慣性質量調節機構8的長套筒87的左側固定連接，第二級齒輪組太陽輪與發電機構6的轉子軸64的右側固定連接，利用整流機構7使慣性質量調節機構8和中心軸10的雙向旋轉轉換為發電機構轉子總成的單向旋轉，避免發電機構6因雙向旋轉形成的能量損失和慣性質量衝擊。

本實施例中基於可調慣性質量的汽車橫向穩定杆的控制方法是：對於發電機構6的輸出電能進行檢測和處理獲得發電機構輸出信號，並傳送至阻尼力控制電路；對於阻尼器1的扭轉角和阻尼力進行檢測和處理獲得阻尼器輸出信號，並傳送至阻尼力控制電路；由阻尼力控制電路根據發電機構輸出信號和阻尼器輸出信號輸出阻尼力控制信號，並通過電流控制器向慣性質量調節機構8輸出電流驅動信號，調整電流驅動信號以調整慣性質量調節機構8中電磁線圈84產生的磁場強度，進而改變磁流變液的屬性，實現阻尼器輸出阻尼力半主動調節。

本實施例中的控制方法包括：在阻尼器1投入工作的起始階段，發電機6處於起動過程，由外部電源為磁場繞組66供電，整流機構7帶動轉子軸64發生轉動，使發電機構6得以發電；在轉子軸64的轉速達到設定值時，發電機構6的輸出電能經整流器69整流後為儲能裝置充電或通過開關控制電路直接為磁場繞組66供電，從而減少或去除外部電源輸入。

圖5a所示為實施例中磁流變阻尼器的半主動系統反饋控制系統，包括：磁流變執行器、被控對象、傳感器、電流驅動器、系統狀態控制電路和阻尼力控制電路。被控對象在輸入激勵後輸出到傳感器，系統狀態控制電路輸出目標值給阻尼力控制電路，目標值和磁流變執行器的輸出力在阻尼力控制電路中分析處理後，電流驅動器輸出控制電流給磁流變執行器，進而輸出力到被控對象。

圖5b所示為基於圖5a的可調慣性質量阻尼器的半主動控制方法，定子總成輸出經過電壓幅值檢測電路和信號處理後輸出信號到阻尼力控制電路；阻尼器在輸入激勵後輸出扭轉角和阻尼力至力和角度傳感器和發電機構6的轉子；力和角度傳感器輸出信號至阻尼力控制電路，產生控制信號至電流控制器，電流驅動器在電流控制器作用下為慣性質量調節機構8輸入控制電流；改變慣性質量調節機構8的電磁線圈84產生的磁場強度可改變磁流變液的屬性，實現可調慣性質量阻尼器1輸出阻尼力半主動調節。

圖5c所示本發明汽車橫向穩定杆的半主動控制框圖，設置被控對象為橫向穩定杆，輸入外部激勵並在半主動控制後輸出阻尼力和扭轉角；橫向穩定杆輸出的轉動運動使發電機構轉子總成轉動產生電能；定子總成的輸出可為儲能裝置充電或通過開關控制電路輸入轉子總成；橫向穩定杆輸出經過傳感器反饋到阻尼力控制模塊，並控制電流驅動器輸出控制電流到慣性質量調節機構8；可調慣性質量阻尼器1在半主動控制下輸出阻尼力和扭轉角到橫向穩定杆。

圖6為本發明可調慣性質量阻尼器的另一實施方案，可調慣性質量阻尼器由左端蓋5、右端蓋4、慣性質量調節機構8、變速機構9和中心軸10組成；變速機構9和慣性質量調節機構8與圖2和圖3所示結構相同，外部電源按控制信號要求輸入到慣性質量調節機構8的電磁線圈84，可改變慣性質量調節機構產生的阻尼力。圖6所示實施方式是一種無發電功能的可調慣性質量阻尼器。

圖7中曲線a，b，d和e分別是在慣性質量調節機構輸入不同電流，產生的阻尼力是傳統汽車橫向穩定杆的2倍、1.5倍、1倍和0.7倍時的側向加速度和側傾角關係；曲線c表示對慣性質量調節機構輸入變化的控制電流，並且控制電流隨著側傾角的增大而增大時的側向加速度和側傾角關係。慣性質量調節機構的輸入電流越大，磁流變效應產生的阻尼力越大，汽車橫向穩定杆的扭轉剛度越大；反映在汽車車身即電流越大，在相同的側向加速度工況下，車身側傾角越小；單一的輸入電流只能產生不變的扭轉剛度。在本發明所述的控制方法的控制下，基於可調慣性質量的汽車橫向穩定杆相對於傳統汽車橫向穩定杆，可實現在較小側向加速度工況下有較大的側傾角；在較大側向加速度工況下有較小的側傾角，提高安全性。

本發明所述的可調慣性質量阻尼器及其控制方法，還可以應用到其他小扭轉角大阻尼力的場合，並進行半主動控制。