技术领域
[0001] 本
发明属于
汽车悬架技术领域，具体涉及载货汽车的平衡悬架。
背景技术
[0002] 现有摆臂式平衡悬架主要用于6×2载货汽车上。这种车型的结构特点是前桥为转向桥，中桥为
驱动桥，后桥为支持桥。
[0003] 现有的后桥举升机构主要有摆臂式平衡悬架和空气悬架两种，它们的原有功能为：当汽车轻载或空载行驶时，可通过杠杆机构将后桥(支持轮)举起，使6×2汽车变成4×2汽车。以减少轮胎磨损和降低油耗，增加空车行驶时
驱动轮上的附着
力，以免由于驱动力不足而使驱动轮发生滑转现象。汽车重载时，将后桥放下，起到承载作用。其中摆臂式平衡悬架的结构为：中桥的悬架采用普通纵置椭圆
钢板
弹簧，后吊
耳不与车架连接，而是与摆臂前端相连。左、右后支持轮之间没有整轴联系，这种悬架
车轮外倾角调整机构设计。
[0004] 摆臂式平衡悬架的摆臂相当于一个杠杆，中、后桥上垂直
载荷的分配比例，取决于摆臂的杠杆比及
钢板弹簧前、后段长度之比。摆臂式平衡悬架还具有结构简单、多数零部件能与原4×2汽车通用等优点(吉林大学《汽车构造》)。
[0005] 另一方面，外倾角调整装置存在具有不同外倾的悬挂系统的许多其它实例。但是，这些实例有一个共同的特征，即相对常规的悬挂设备，它们包括额外的机动性功能，该功能除了垂直悬挂外，允许车轮相对于
车身外倾。
[0006] 目前，可变外倾悬架主要针对两轴汽车，一些外倾可调整悬架只说明了可以将调节元件设定在额定
位置，没有考虑行驶工况的改变也会改变外倾角的最优需求。
[0007] 再者，车辆在行驶过程中所受总侧向力FY＝Fα+Fγ其中地面作用力Fγ是由外倾角γ引起的，称为外
倾侧向力。车辆在低附着系数的路面上行驶时，调整外倾角γ可以起到改变侧向力的作用，从而提高车辆行驶
稳定性。
[0008] 《汽车理论》中用稳定性因数K表征汽车稳态转向特性。根据K的数值，汽车的稳态相应可分为三类：K＝0时，横摆
角速度增益与车速成线性关系，这种稳态称为中性转向；当K＞0时，汽车具有不足转向特性，K值越大，
横摆角速度增益曲线越低，不足转向量越大；当K＜0时，汽车具有过多转向特性，K值越小，(即K的绝对值越大)，过多转向量越大。简化的稳定性因数K的公式中仅包含汽车侧偏
刚度，没有考虑外倾角和外倾刚度对汽车稳态转向的影响。现有车辆随工况改变的行驶过程中，没有通过实时调整后轮外倾角实现改变稳定性因数的方法。
发明内容
[0009] 针对现有摆臂式平衡悬架无法调整外倾角的不足，本发明提供一种具有外倾角调整机构的摆臂式平衡悬架。
[0010] 一种具有外倾角调整机构的摆臂式平衡悬架包括车架、驱动轮机构和支持轮机构，所述驱动轮机构包括一对驱动轮1和驱动轮轴，所述驱动轮轴上设有一对钢板弹簧8，一对钢板弹簧8的一端分别铰接连接着车架3；所述支持轮机构包括一对支持轮6和一对举升
液压缸4，改进在于：
[0011] 还包括一对外倾角调整机构；每套外倾角调整机构包括调整机构和传动机构；
[0012] 所述调整机构包括调整
电机16、行星
齿轮机构和输出机构；所述行星齿轮机构和输出机构位于调整箱内；
[0013] 所述行星齿轮机构包括
太阳轮23、四个
行星轮22和齿圈21；
[0014] 所述输出机构包括输出齿轮19和调整
齿条15；
[0015] 所述传动机构包括摆臂连接轴12和支持连接轴13，每套外倾角调整机构通过输出机构分别连接着摆臂连接轴和支持连接轴；
[0016] 所述支持连接轴连接着支持轮6的轮轴，所述摆臂连接轴通过摆臂5分别活动连接着上
连杆9的一端和下连杆10的一端，上连杆9的另一端铰接连接着对应的举升液压缸4的
活塞杆；下连杆10的另一端铰接连接着对应的钢板弹簧8的另一端；
[0017] 汽车空载或轻载时，驾驶员根据汽车的载荷情况，操纵一对举升液压缸4将一对支持轮6举起不用，此时一对外倾角调整机构不工作；汽车重载时，将一对支持轮6放下工作，当车辆转向时，外倾角调整机构开始工作，在一对外倾角调整机构的作用下，实现一对支持轮6分别绕对应的摆臂5的轻微旋转，调整一对支持轮6的外倾角；实现增大外倾侧向力，以增加汽车的行驶稳定性。
[0018] 进一步限定的技术方案如下：
[0019] 所述行星齿轮机构的太阳轮23设于调整电机16的
输出轴上，所述齿圈21同心位于太阳轮23的外侧，四个行星轮22分别和太阳轮23、齿圈21
啮合，所述行星齿轮机构的四个行星轮22、太阳轮23和齿圈21在同一平面内；四个行星轮22的轮轴连接着输出齿轮19的轴向一侧面，输出齿轮19平行于行星齿轮机构；与输出齿轮19啮合的调整齿条15的两端分别活动连接着摆臂连接轴和支持连接轴。
[0021] 所述传动机构包括摆臂连接轴12、支持连接轴13和两根传动杆11，所述摆臂连接轴12的轴向一端设有
定位盘，定位盘的轴向外端面上设有两个球冠状的凹槽和一个定位孔；所述支持连接轴13的轴向一端设有连接盘，连接盘的轴向外端面上设有两个连接球座和一个定位球座；每根传动杆11的两端均为连接球，两根传动杆11一端的连接球分别位于支持连接轴13的连接盘的两个连接球座内形成球
铰链，两根传动杆11另一端的连接球分别位于摆臂连接轴12的定位盘的两个球冠状的凹槽内形成转动连接；所述调整齿条15的一端为球状的驱动端，另一端为圆柱杆状的传动端，调整齿条15的驱动端位于支持连接轴13的连接盘的一个定位球座内形成万向球铰链，所述调整齿条15的传动端位于摆臂连接轴12的定位盘的定位孔内形成活动连接；所述支持连接轴13的另一端支持轮6的
轮毂轴承配合连接。
[0022] 所述两根传动杆11相互平行。
[0023] 所述上连杆9的中部通过支轴活动连接着车架3，上连杆9绕支轴转动形成杠杆。
[0024] 所述下连杆10的一端铰链连接着摆臂5，另一端通过连接
块铰链连接着钢板弹簧8的另一端。
[0025] 所述输出齿轮19的轴向一侧端面上均布设四个传动短轴18，所述四个传动短轴18分别对应连接着四个行星轮22的行星轮轴24；输出齿轮19的轴向另一侧端面上同轴设有卡环20；所述调整箱内设有卡槽，通过卡环20和卡槽的滑动配合，使输出齿轮19设于调整箱内。
[0026] 本发明推导了含有变量外倾角的三轴汽车二
自由度稳态横摆角速度增益，以及稳定性因数K。稳定性因数K能表征汽车稳态转向特性。调整后轮外倾角可以使稳定性因数保持在使车辆呈不足转向的一定范围内。
[0027] 用于一种具有外倾角调整机构的摆臂式平衡悬架的调整操作方法说明如下：
[0028] 以国产某三轴车辆为样车，将其转向系统简化为二自由度力学模型，推导出汽车稳定性因数K的计算公式：
[0029] 作平面运动汽车的运动微分方程为
[0030]
[0031] 式(1)和式(2)中字母说明如下：
[0033] ωr为汽车的横摆角速度；
[0034] Fy1为前轮所受地面侧向反作用力；
[0035] Fy2为中轮所受地面侧向反作用力；
[0036] Fy3为支持轮所受地面侧向反作用力；
[0037] Fα为侧偏力；
[0038] Fγ为外倾侧向力；
[0039] δ为前轮摆角，汽车高速行驶时可近似认为cosδ≈1；
[0040] u为质心速度在OX轴上的分量，v为质心速度在OY轴上的分量；
[0041] Fy1＝Fα1+Fγ1
[0042] Fy2＝Fα2+Fγ2
[0043] Fy3＝Fα3+Fγ3
[0044]
[0045]
[0046]
[0047] Fγ1＝k1左γ1左+k1右γ1右
[0048] Fγ2＝k2左γ2左+k2右γ2右
[0049] Fγ3＝k3左γ3左+k3右γ3右
[0050] 设A＝K1-K2+K3B＝aK1+bK2-cK3
[0051] 设
[0052] C＝aK1A-K2B+1/δ[B(k1左γ1左+k1右γ1右-k2左γ2左-k2右γ2右)+B(a(k1左γ1右+k1右γ1右)+b(k2左γ2左+k2右γ2右))]
[0053]
[0054] 式(3)中字母说明如下：
[0055] K1为前轮总侧偏刚度；
[0056] K2为中轮总侧偏刚度；
[0057] K3为支持轮总侧偏刚度；
[0059] u为质心速度在OX轴上的分量；
[0060] a为质心到前轴的距离；
[0062] c为质心到支持轮轴的距离；
[0063] k1左为左前轮的外倾刚度；
[0064] k1右为右前轮的外倾刚度；
[0065] k2左为左中轮的外倾刚度；
[0066] k2右为右中轮的外倾刚度；
[0067] k3左为左支持轮的外倾刚度；
[0068] k3右为右支持轮的外倾刚度；
[0069] γ1左为左前轮外倾角；
[0070] γ1右为右前轮外倾角；
[0071] γ2左为左中轮外倾角；
[0072] γ2右为右中轮外倾角；
[0073] γ3左为左支持轮外倾角；
[0074] γ3右为右支持轮外倾角；
[0075] L前轴到后轴的距离；
[0076] 上述公式(3)中，K为稳定性因数，当侧向
加速度为0.3g时，稳定性因数K一般为0.002～0.0035s2/m；侧偏刚度K1、K2、K3、外倾刚度k1左、k1右、k2左、k2右、k3左、k3右、侧偏角β、前轮外倾角γ1左、γ1右、和中轮外倾角γ2左、γ2右为是常数，转向时，汽车前进速度设为常量，支持轮外倾角γ3左、γ3右为变量。此时，根据公式质心横摆角速度是前轮摆角和后轮外倾角的函数；根据公式稳定性因数是质心横摆角速度、前轮摆角和后轮外倾角的函数。已知稳定性因数、质心横摆角速度和前轮摆角可以得出理想的目标外倾角大小。
[0077] 步骤(1).在车辆转向时，外倾角调整机构2开始工作，通过
传感器检测当前车速、一对支持轮6的外倾角大小，
方向盘摆角；
[0078] 步骤(2).将当前车速、方向盘摆角数值代入稳定性因数K的公式(3)中，计算出理想的一对支持轮6的目标外倾角。
[0079] 具体地说，根据所需的稳定性因数K值，通过公式(3)计算出所需的目标支持轮外倾角，此时计算出的两个支持轮外倾角数值为两个数集，且互为二元一次函数。同时，当前两支持轮外倾角与理想两支持轮外倾角之间存在差值Δγ左、Δγ右。根据当前支持轮外倾角与理想支持轮外倾角的差值Δγ左、Δγ右的大小决定先移动哪一个支持轮(若Δγ左较小则调整左支持轮，反之调整有支持轮。如果支持轮外倾角已经符合多组目标值中的任何一个，便不需要移动)，之后根据那一个支持轮的目标外倾角，得出另一个支持轮的目标外倾角。本例中左支持轮目标外倾角为0.005rad)。
[0080] 步骤(3).通过控制调整电机16，在外倾角调整机构2的作用下，实现一对支持轮6绕摆臂5的轻微旋转，将两个支持轮6分别调整到目标外倾角。
[0081] 本发明的有益技术效果体现在以下方面：
[0082] 1.保留了传统车辆摆臂式平衡悬架的功能：空载或轻载时，可以将一对支持轮6升起不用，减少轮胎磨损和降低油耗，增加空车行驶时驱动轮上的
附着力。车辆重载时，可将一对支持轮6放下工作；同时增加功能，让汽车在低附着路面上的转向行驶工况下，以及在对开路面行驶工况下，可将一对支持轮6放下工作，并进行一对支持轮6外倾角的调整，增大外倾侧向力，以增加汽车的行驶稳定性。此摆臂式平衡悬架两轴仅用一副钢板弹簧。中桥的悬架采用普通纵置半椭圆钢板弹簧，后吊耳不与车架连接，而是与摆臂的前端相连。摆臂轴
支架固定在车架上。摆臂的后端与后桥相连。一对支持轮6之间没有整轴联系。左右后轴都采用断开设计，两部分由外倾角调整装置和两根
横杆相连。
[0083] 2.本发明可以在放下一对支持轮6后，调整一对支持轮6外倾角以使稳定性因数保持在使车辆呈不足转向的一定范围内。从而进一步增加车辆在
冰雪路面等恶劣车况下的行驶稳定性。这一功能由ECU控制伺服电机自动实现。该外倾角调整装置可以根据检测支持轮外倾角状态获取当前车辆后轮外倾角，同时基于控制策略控制外倾调整齿条调整车轮外倾角。
[0084] 3.本发明的调整外倾功能可以随行驶工况的改变进行调整，有良好的路面适应性。
附图说明
[0085] 图1为本发明结构示意图。
[0086] 图2为图1中的局部放大图。
[0087] 图3为外倾角调整机构和车架侧后轴、车轮侧后轴、后轴
连接杆配合连接状态图。
[0088] 图4为外倾角调整机构示意图。
[0089] 图5为外倾角调整机构的齿
轮齿条配合状态图。
[0090] 图6为外倾角调整机构的爆炸图。
[0091] 图7为外倾角调整机构剖视图。
[0092] 图8为图7的A-A剖视图。
[0093] 图9为外倾角调整机构和车轮侧后轴配合连接状态图。
[0094] 图10为汽车行驶二自由度力学模型。
[0095] 图11为外倾调整装置调整外倾角状态的传动简图。
[0096] 图12为支持轮的外倾角调整前后对比示意图。
[0097] 图13为某货车稳定性因数K随两后轮外倾角变化的仿真曲线图。图13中，x、y轴分别表示左、右后轮的外倾角，左轮外倾为正，右轮外倾为负。z轴表示稳定性因数K。
[0098] 上图1-9中序号：驱动轮1、外倾调整机构2、车架3、举升液压缸4、摆臂5、支持轮6、后轴7、钢板弹簧8、摆臂上连杆9、摆臂下连杆10、传动杆11、摆臂连接轴12、支持连接轴13、调整箱14、外倾调整齿条15、调整电机16、调整电机输出轴17、传动短轴18、输出齿轮19、卡环20、行星轮系齿圈21、行星轮系行星轮22、行星轮系太阳轮23、行星轮轴套24。
具体实施方式
[0099] 下面结合附图，通过
实施例对本发明作进一步地描述。
[0100] 参见图1，一种具有外倾角调整机构的摆臂式平衡悬架包括车架、驱动轮机构和支持轮机构。驱动轮机构包括一对驱动轮1和驱动轮轴，驱动轮轴上安装有一对钢板弹簧8，一对钢板弹簧8的一端分别铰接连接着车架3。支持轮机构包括一对支持轮6和一对举升液压缸4。
[0101] 参见图3，还包括一对外倾角调整机构；每套外倾角调整机构包括调整机构和传动机构；
[0102] 参见图4，调整机构包括调整电机16、行星齿轮机构和输出机构，行星齿轮机构和输出机构位于调整箱14内。参见图6，行星齿轮机构包括太阳轮23、四个行星轮22和齿圈21；参见图5，输出机构包括输出齿轮19和调整齿条15；参见图3，传动机构包括摆臂连接轴12、支持连接轴13和两根传动杆11；每套外倾角调整机构通过输出机构分别连接着摆臂连接轴
12和支持连接轴13。
[0103] 参见图6和图7，行星齿轮机构的太阳轮23安装于调整电机16的输出轴上，调整电机16为伺服电机。齿圈21同心位于太阳轮23的外侧，四个行星轮22分别和太阳轮23、齿圈21啮合。参见图7和图8，行星齿轮机构的四个行星轮22、太阳轮23和齿圈21在同一平面内，输出齿轮19平行于行星齿轮机构；输出齿轮19的轴向一侧端面上均布设四个传动短轴18，四个传动短轴18分别对应连接着四个行星轮22的行星轮轴24；输出齿轮19的轴向另一侧端面上同轴设有卡环20；调整箱14内设有卡槽，通过卡环20和卡槽的滑动配合，使输出齿轮19安装于调整箱14内。与输出齿轮19啮合的调整齿条15的两端分别活动连接着摆臂连接轴12和支持连接轴13。
[0104] 参见图3和图9，传动机构的摆臂连接轴12的轴向一端设有定位盘，定位盘的轴向外端面上设有两个球冠状的凹槽和一个定位孔。支持连接轴13的轴向一端设有连接盘，连接盘的轴向外端面上设有两个连接球座和一个定位球座。两根传动杆11相互平行；每根传动杆11的两端均为连接球，两根传动杆11一端的连接球分别位于支持连接轴13的连接盘的两个连接球座内形成球铰链，两根传动杆11另一端的连接球分别位于摆臂连接轴12的定位盘的两个球冠状的凹槽内形成转动连接。参见图5，调整齿条15的一端为球状的驱动端，另一端为圆柱杆状的传动端，参见图3，调整齿条15的驱动端位于支持连接轴13的连接盘的一个定位球座内形成万向球铰链，调整齿条15的传动端位于摆臂连接轴12的定位盘的定位孔内形成活动连接。支持连接轴13的另一端支持轮6的轮毂轴承配合连接。
[0105] 参见图2，摆臂连接轴12通过摆臂5分别活动连接着上连杆9的一端和下连杆10的一端，上连杆9的另一端铰接连接着对应的举升液压缸4的
活塞杆；上连杆9的中部通过支轴活动连接着车架3，上连杆9绕支轴转动形成杠杆。下连杆10的一端铰链连接着摆臂5，另一端通过连接块铰链连接着钢板弹簧8的另一端。
[0106] 本发明的工作原理说明如下：
[0107] 以某三轴货车为例，说明一对外倾角调整机构2对车辆行驶稳定性的调整作用：
[0108] 某满载三轴货车总
质量m＝82000kg，其他参数如下：
[0109] 前轴 中轴 支持轮轴
质心到各
轴距离 3600mm 690mm 2600mm
各轴总侧偏刚度 78400N/rad 78400N/rad 78400N/rad
左侧各轮外倾刚度 56000N/rad 56000N/rad 56000N/rad
右侧各轮外倾刚度 56000N/rad 56000N/rad 56000N/rad
左侧各轮外倾角 -0.018rad -0.018rad 可调
左侧各轮外倾角 0.018rad 0.018rad 可调
[0110] 现给定一行驶工况：车辆转向，车速u＝20km/h，横摆角速度ω＝0.45rad/s，前轮摆角δ＝0.12rad。
[0111] 汽车空载或轻载时，驾驶员根据汽车的载荷情况，操纵一对举升液压缸4通过上连杆9和下连杆10将一对支持轮6举起不用，此时一对外倾角调整机构不工作；汽车重载时，将一对支持轮6放下工作。
[0112] 步骤(1).在车辆转向时，外倾角调整机构2开始工作，通过传感器检测当前车速、一对支持轮6的外倾角大小，方向盘摆角；
[0113] 具体地说：当车辆转向时，
车速传感器检测当前车速、安装在支持轮上的外倾角传感器检测该支持轮的外倾角大小，安装在方向盘上摆角传感器检测出方向盘的摆角，并传输到ECU。
[0114] 步骤(2).将当前车速、方向盘摆角数值代入稳定性因数K的公式(3)中，计算出理想的一对支持轮6的目标外倾角。
[0115] 具体地说：
[0116] 三轴汽车的简化二自由度力学模型如图10所示，可以据此推导出稳定性因数K的公式(3)。以两后轮外倾角为两自变量做出三维图，如图13所示，从图13可以直观地看出后轮外倾角改变对稳定性因数K的影响，由图可知，在此行驶工况下，调整一对支持轮6外倾角可以使稳定性因数K的值在0.02到-0.07间变动，即使汽车在不足转向、中性转向和过多转向之间变化。
[0117] 举例为：车辆在转向时，
电子控制单元(electronic control unit，简称ECU)根据所需的稳定性因数K值(本例设为0.0086)通过公式(3)计算出所需的目标支持轮外倾角，此时计算出的两个支持轮外倾角数值互为二元一次函数(如右支持轮外倾角为-0.025rad对应左支持轮外倾角为0，或右支持轮外倾角为-0.036rad对应左支持轮外倾角为0.011rad，都符合公式(3)。对应图中的K等于某值时的平面与曲线相交的一条直线)。当前两支持轮外倾角与理想两支持轮外倾角之间存在差值Δγ左、Δγ右。通过ECU使控制电机16将两个后分别调整到目标外倾角根据当前的支持轮外倾角(本例假设当前右支持轮外倾角为-0.03rad，当前左支持轮外倾角为0.03rad)，根据当前支持轮外倾角与理想支持轮外倾角的差值
Δγ左、Δγ右的大小决定先移动哪一个支持轮(若Δγ左较小则调整左支持轮，反之调整有支持轮。如果支持轮外倾角已经符合多组目标值中的任何一个，便不需要移动)在本例中右支持轮因为符合一个目标外倾角的值，所以不需要移动，之后根据那一个支持轮的目标外倾角，得出另一个支持轮的目标外倾角。本例中左支持轮目标外倾角为0.005rad)。
[0118] 步骤(3).通过控制调整电机16，在外倾角调整机构2的作用下，实现一对支持轮6绕摆臂5的轻微旋转，将两个支持轮6分别调整到目标外倾角。
[0119] 即通过控制相应的举升液压缸4，在外倾角调整机构2的作用下，ECU控制外倾调整机构中的调整电机16通过输出轴17将动力传至行星轮系，经过行星轮系减速后通过传动短轴18带动输出端齿轮19，再通过外倾调整齿条15调整外倾角。如图11、12所示：外倾调整机构在调整过程中会使车轮外倾角发生轻微的变化，这种变化是通过外倾调整齿条位置的变化而产生的。
[0120] 最终实现左右支持轮6分别绕相对应的摆臂5的轻微旋转，使两个支持轮6分别调整到目标外倾角；实现增加汽车的行驶稳定性。
