一種獨立懸架前輪擺振的控制方法及裝置與流程

本發明涉及一種汽車前輪擺振的控制方法，尤其是涉及一種獨立懸架(含多連桿獨立懸架)前輪擺振的控制方法及裝置。

背景技術：

汽車前輪擺振的故障現象一般通過以下幾個方面解決：1、控制輪胎動平衡精度；2、提高鋁圈和輪轂的加工安裝精度；3、提高輪胎側偏剛度；4、提高轉向系的剛度和阻尼，減少間隙提高加工精度。

陀螺效應是引起前輪擺振的一個非常重要的因素。陀螺效應是由懸架系統本身所決定的，客觀存在的，不可抗拒的客觀規律，因此也就決定了它是汽車前輪擺振的一個非故障性原因。

目前，陀螺效應理論在汽車領域方面的應用僅僅停留在整體橋懸架結構方面，未見到陀螺效應理論在獨立懸架方面的應用。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明提供一種獨立懸架(含多連桿獨立懸架)前輪擺振的控制方法及裝置，解決陀螺效應在前輪擺振上的應用問題。

為解決上述問題，本發明提供一種獨立懸架前輪擺振的控制方法及裝置，該控制方法包括：

基于陀螺效應理論，建立獨立懸架前輪的分析模型；

根據所述分析模型，對與陀螺效應相關的獨立懸架和轉向系統硬點進行優化。

可選地，建立獨立懸架前輪的分析模型，包括：

建立分析模型的空間三維坐標系；

根據陀螺力矩公式，計算車輪外傾角變化產生的繞Z軸的第一陀螺力矩和前束角變化產生的繞X軸的第二陀螺力矩；

根據主銷內傾角、主銷后傾角計算主銷與X軸、Z軸的夾角；

將第一陀螺力矩和第二陀螺力矩向主銷上投影，根據主銷與X軸、Z軸的夾角計算投影的矢量和。

可選地，建立分析模型的空間三維坐標系，包括：

以主銷軸線與車輪旋轉軸線的交點為坐標原點，若主銷軸線與車輪旋轉線為異面直線，主銷軸線沿汽車行駛的前后方向平移至與車輪旋轉軸線相交，選取交點為坐標原點；

車輛行駛的前后方向為X軸，左右方相為Y軸，上下方向為Z軸。

可選地，根據陀螺力矩公式，計算車輪外傾角變化產生的繞Z軸的第一陀螺力矩和前束角變化產生的繞X軸的第二陀螺力矩，計算公式為：

其中，M_z為繞Z軸的第一陀螺力矩，M_x為繞X軸的第二陀螺力矩，J為車輪對其旋轉軸線的轉動慣量，V為車輛前進行駛速度，R為車輪滾動半徑，為車輪外傾角的變化率，為車輪前束角的變化率。

可選地，根據主銷內傾角、主銷后傾角計算主銷與X軸、Z軸的夾角，計算公式為：

其中，δ為主銷與X軸夾角，θ為主銷與Z軸夾角，α為主銷內傾角，β為主銷后傾角。

可選地，將第一陀螺力矩和第二陀螺力矩向主銷上投影，計算公式為：

其中，M₁為第一陀螺力矩和第二陀螺力矩在主銷投影的軸向分量和，M_z為繞Z軸的陀螺力矩，M_x為繞X軸的陀螺力矩，δ為主銷與X軸夾角，θ為主銷與Z軸夾角。

可選地，對與陀螺效應相關的獨立懸架和轉向系統硬點進行優化，包括：

降低獨立懸架上下跳動過程中車輪外傾角和前束角的變化率；

和/或調整車輪外傾角和前束角的變化趨勢，二者產生的陀螺力矩在主銷軸線上的分量方向相反，相互抵消。

另一方面，本發明還提供一種獨立懸架前輪擺振的控制裝置，控制裝置包括：

分析模塊：用于基于陀螺效應理論，建立獨立懸架前輪的分析模型；

優化模塊：用于根據分析模型，對與陀螺效應相關的獨立懸架和轉向系統硬點進行優化。

可選地，分析模塊包括：

坐標建立單元：用于建立分析模型的空間三維坐標系；

第一計算單元：用于根據陀螺力矩公式，計算車輪外傾角變化產生的繞Z軸的第一陀螺力矩和前束角變化產生的繞X軸的第二陀螺力矩；

第二計算單元：用于根據主銷內傾角、主銷后傾角計算主銷與X軸、Z軸的夾角；

第三計算單元：用于將第一陀螺力矩和第二陀螺力矩向主銷上投影，根據主銷與X軸、Z軸的夾角計算投影的矢量和；

其中，坐標建立單元包括：

原點子單元：用于以主銷軸線與車輪旋轉軸線的交點為坐標原點，若主銷軸線與車輪旋轉線為異面直線，主銷軸線沿汽車行駛的前后方向平移至與車輪旋轉軸線相交，選取交點為坐標原點；

坐標軸子單元：車輛行駛的前后方向為X軸，左右方相為Y軸，上下方向為Z軸。

可選地，優化模塊包括：

第一優化單元：用于降低獨立懸架上下跳動過程中車輪外傾角和前束角的變化率；

和/或第二優化單元：用于調整車輪外傾角和前束角的變化趨勢，二者產生的陀螺力矩在主銷軸線上的分量方向相反，相互抵消。

綜上所述，本發明對陀螺效應產生前輪擺振的非故障性原因進行分析，通過調整車輪外傾角與前束角的變化率；和/或調整車輪外傾角與前束角變化趨勢，使車輪外傾角與前束角產生的陀螺力矩相互抵消，通過設計優化達到降低陀螺力矩，弱化獨立懸架前輪擺振激勵源，最大限度的降低這種懸架結構的非故障原因引起的擺振，從而達到降低汽車前輪擺振發生的概率，提高整車的操縱穩定性和舒適性。

附圖說明

圖1為本發明實施例的雙橫臂式獨立懸架結構簡圖；

圖2為本發明實施例的獨立懸架前輪擺振的控制方法的一種流程圖；

圖3為本發明實施例的雙橫臂式獨立懸架的分析模型示意圖；

圖4為本發明實施例的獨立懸架前輪擺振的控制方法的另一種流程圖；

圖5為本發明實施例的獨立懸架前輪的陀螺力矩系數與車輪跳動關系的變化圖；

圖6為本發明實施例的獨立懸架前輪擺振的控制裝置示意圖。

附圖標記說明

1、車架；2、下控制臂；3、轉向節；4、轉向橫拉桿；5、上控制臂。

具體實施方式

為使本發明要解決的技術問題、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖及具體實施例進行詳細描述。

第一實施例

參見圖1，圖中示出了汽車雙橫臂式獨立懸架結構簡圖，該雙橫臂獨立懸架由五個構件組成，分別為：車架1，下控制臂2，轉向節3，轉向橫拉桿4和上控制臂5。

本實施例中，以上述雙橫臂獨立懸架為例闡述本實施例中獨立懸架前輪擺振的控制方法，參見圖2，該控制方法包括：

S201、基于陀螺效應理論，建立獨立懸架前輪的分析模型。

本實施例中，陀螺效應由懸架系統本身所決定，是引起前輪擺振的一個非故障性原因，本步驟將陀螺效應應用在獨立懸架上，分析陀螺效應產生汽車前輪高速擺振的機理。

上述陀螺效應是指旋轉軸線在水平位置時，其一端被支撐時，陀螺軸繞垂直軸緩慢轉動，此轉動即為進動。

上述獨立懸架是指每一側的車輪都是單獨地通過彈性懸架系統連接在車身或者車架上。

基于陀螺效應的理論，以左前輪為例建立分析模型，以主銷軸線與車輪旋轉軸線交點為坐標原點，(當車輪旋轉軸線與主銷為異面直線狀態時，把主銷軸線沿著汽車的前進或后退方向平移，對分析過程沒有影響，對結果僅僅增加一個當量折算系數即可)建立如圖3中所示的空間三維坐標系。

需要說明的是，右前輪的分析模型的建立方式與圖3中所示的類似，在此不再敷述。

S202、根據分析模型，對與陀螺效應相關的獨立懸架和轉向系統硬點進行優化。

本實施例中，通過對分析陀螺效應引起前輪擺振的激勵源，通過調整陀螺效應相關的獨立懸架和轉向系統硬點降低陀螺效應的擺振能量，例如通過調整車輪外傾角和前束角的變化率。

上述硬點是指是總布置設計過程中，為保證零部件之間的協調和裝配關系，及造型風格要求所確定的控制點(或坐標)，控制線，控制面及控制結構的總稱。

上述車輪外傾角(Camber)是指車輪在安裝后，其端面向外傾斜，即車輪所處平面和縱向垂直平面間的夾角，輪胎呈現“八”字形張開時稱為負外傾，而呈現“V”字形張開時稱正外傾。

上述車輪前束角(Toe)是指汽車的正上方向下看，由輪胎的中心線與汽車的縱向軸線之間的夾角稱為前束角。輪胎中心線前端向內收束的角度為正前束角，反之為負前束角。總前束值等于兩個車輪的前束值之和，即兩個車輪軸線之間的夾角。

綜上所述，本實施例通過應用陀螺效應建立獨立懸架前輪的分析模型，對分析模型進行與陀螺效應相關的獨立懸架和轉向系統硬點優化，達到減弱陀螺效應的影響，降低前輪擺振產生的概率，保證整車的操縱穩定性、舒適性、安全性以及輪胎與導向機構部件的疲勞壽命。

第二實施例

參見圖3～圖4，圖3中示出了基于陀螺效應的理論，以左前輪為例建立的分析模型，圖4中示出了獨立懸架前輪擺振的控制方法的另一種流程圖，包括以下步驟：

S401、建立分析模型的空間三維坐標系。

本實施例中，建立分析模型的空間三維坐標系包括以下步驟：

S4011、以主銷軸線與車輪旋轉軸線的交點為坐標原點，若主銷軸線與車輪旋轉線為異面直線，主銷軸線沿汽車行駛的前后方向平移至與車輪旋轉軸線相交，選取交點為坐標原點。

上述主銷(Kingpin)是指車輪定位中轉向輪的轉向軸線。當車輪旋轉軸線與主銷為異面直線狀態時，將主銷軸線沿著汽車行駛的前后方向(即汽車的前進或后退方向)平移至與車輪旋轉軸線相交，選取主銷軸線與車輪旋轉軸線的交點作為坐標原點，此時對最終的計算結果增加一個當量系數即可，以下以主銷軸線與車輪旋轉軸線相交為例進行理論推導。

S4012、車輛行駛的前后方向為X軸，左右方相為Y軸，上下方向為Z軸。

本實施例中，車輛行駛在地平面上，以汽車的前后方向為X軸，左右方相為Y軸，上下方向為Z軸，其中，X軸以向后為正，即以汽車后退的方向為正；Y軸以向左為正，即駕駛員座位所在方向為正；Z軸以向上為正，Z軸即為鉛垂線。

通過上述兩個步驟可以建立所需的分析模型的空間三維坐標系，之后的分析都基于此空間三維坐標系，當然，本實施例中的空間三維坐標系僅僅是一種優選方式。

S402、根據陀螺力矩公式，計算車輪外傾角變化產生的繞Z軸的第一陀螺力矩和前束角變化產生的繞X軸的第二陀螺力矩。

陀螺效應是指旋轉軸線在水平位置時，其一端被支撐時，陀螺軸繞垂直軸緩慢轉動，此轉動即為進動，此力矩即為陀螺效應進動力矩，簡稱陀螺力矩，其實質是角動量定理的一個具體應用，陀螺力矩公式如下：

其中，為陀螺力矩；J為車輪對其旋轉軸線的轉動慣量；為車輪旋轉軸線的角速度；V為車輛前進行駛速度；R為車輪滾動半徑。

由于陀螺效應，當車輪上下跳動時，外傾角的變化率會產生繞Z軸的第一陀螺力矩，前束角的變化率會產生繞X軸的第二陀螺力矩，這兩者的陀螺力矩計算公式分別為：

其中，M_z為繞Z軸的第一陀螺力矩，M_x為繞X軸的第二陀螺力矩，J為車輪對其旋轉軸線的轉動慣量，V為車輛前進行駛速度，R為車輪滾動半徑，為車輪外傾角的變化率，為車輪前束角的變化率。

本實施例中，陀螺力矩的方向、車輪軸線擺動的方向和車輪的旋轉方向三者滿足右手定則。

本實施例中，車輛旋轉軸線的擺動方向和車輪旋轉方向決定了和的矢量方向。

S403、根據主銷內傾角、主銷后傾角計算主銷與X軸、Z軸的夾角。

上述主銷內傾角(Kingpin inclination angle)是指汽車轉向節主銷軸線(獨立懸架的上擺臂球銷與下擺臂球銷中心的連接線)與鉛垂線在垂直于車輛縱向對稱平面的平面上的投影銳角，其作用為車輪在受外力偏離直線行駛時，前輪會在側力作用下自動回正。

在汽車縱向平面內，主銷軸線上端略向后傾斜，這種現象稱為主銷后傾(Kingpin caster)，在縱向垂直平面內，主銷軸線與鉛垂線之間的夾角叫主銷后傾角(Kingpin caster angle)，其值大小對汽車轉向與操縱性能密切相關。

在圖2中，主銷軸線(AO)延長交地面于R，其中，主銷內傾角∠BOC＝α，主銷后傾角∠BOC＝β，主銷與X軸的夾角即為∠BOC＝δ，主銷與Z軸的夾角即為∠AOC＝θ，則有以下計算公式：

S404、將第一陀螺力矩和第二陀螺力矩向主銷上投影，根據主銷與X軸、Z軸的夾角計算投影的矢量和。

本實施例中，將外傾角的變化率產生的繞Z軸的第一陀螺力矩和前束角的變化率產生的繞X軸的第二陀螺力矩全部向主銷上進行投影求矢量和，其中，矢量和可以分解為軸向分量和與法向分量和，投影的軸向分量和的計算公式為：

其中，M₁為第一陀螺力矩和第二陀螺力矩在主銷投影的軸向分量和，M_z為繞Z軸的第一陀螺力矩，M_x為繞X軸的第二陀螺力矩，δ為主銷與X軸夾角，θ為主銷與Z軸夾角。

需要說明的是，另一個方向的分量合成(法向分量和)與本實施例關注的內容無關，在此略去。

步驟S402～S403中的計算公式帶入，可得到的詳細計算公式為：

本實施例中，作用在車輪上，驅動車輪繞主銷旋轉，即為陀螺效應引起前輪擺振的激勵源。

本實施例中，旋轉的車輪加上車輪軸線的擺動就一定產生動態的陀螺力矩，二者缺一不可。車輪跳動一定引起車輪旋轉軸線的擺動，車輪跳動的快慢直接影響陀螺力矩的大小。所以車輪上下跳動周期性的變化，就產生同頻率的陀螺力矩，其振幅與車輪跳動時車輪旋轉軸線擺動角速度的大小成正比。即大小和方向變化的陀螺力矩即為陀螺效應產生汽車前輪高速擺振的激勵源。

S405、根據分析模型，對與陀螺效應相關的獨立懸架和轉向系統硬點進行優化。

本實施例中，與陀螺效應相關的獨立懸架和轉向系統硬點優化的邊界條件包括以下任一項或多項：

降低獨立懸架上下跳動過程中車輪外傾角和前束角的變化率；

調整車輪外傾角和前束角的變化趨勢，二者產生的陀螺力矩在主銷軸線上的分量方向相反，相互抵消；

本實施例中，車輪外傾角和前束角的陀螺力矩在主銷軸線上的投影方向相反，能夠相互抵消，故而形成極小值，從而使得獨立懸架跳動工作區域內的陀螺力矩較小。通過調整陀螺效應相關的獨立懸架和轉向系統硬點能夠降低擺振能量，減弱陀螺效應的影響，下面以同樣的雙橫臂獨立懸架結構形式來說明。

兩款實車(前懸架均采用雙橫臂獨立懸架結構)由于硬點的不同，當車輪上下跳動時，車輪外傾角和前束角的變化趨勢的差異產生的陀螺力矩數值差異巨大。

參見圖5，圖中示出了陀螺力矩系數的變化曲線圖，其中橫軸為車輪上下跳動量，縱軸為陀螺力矩系數，陀螺力矩系數是根據外傾角和前束角的變化量計算出的相對結果，在A、B懸架處于同等狀態下，A懸架的陀螺力矩(擺振能量)比B懸架大2～8倍，即在同等情況下，裝有A懸架的整車更容易出現前輪擺振。

綜上所述，本實施例通過建立陀螺效應的分析模型，計算車輛外傾角和前束角變化產生的陀螺力矩在主銷投影的軸向分量和，分析前輪擺振的非故障性原因，并且通過調整與陀螺效應相關的獨立懸架和轉向系統硬點來降低由于陀螺效應產生的擺振能量，提高整車的操縱穩定性、舒適性和安全性。

第三實施例

參見圖6，圖中示出了獨立懸架前輪擺振的控制裝置的結構示意圖，控制裝置包括：

分析模塊601：用于基于陀螺效應理論，建立獨立懸架前輪的分析模型；

優化模塊602：用于根據分析模型，對與陀螺效應相關的獨立懸架和轉向系統硬點進行優化。

其中，分析模塊601包括：坐標建立單元6011、第一計算單元6012、第二計算單元6013和第三計算單元6014。

本實施例中，坐標建立單元6011用于建立分析模型的空間三維坐標系，具體包括：

原點子單元60111：用于以主銷軸線與車輪旋轉軸線的交點為坐標原點，若主銷軸線與車輪旋轉線為異面直線，主銷軸線沿汽車行駛的前后方向平移至與車輪旋轉軸線相交，選取交點為坐標原點。

上述主銷(Kingpin)是指車輪定位中轉向輪的轉向軸線，當車輪旋轉軸線與主銷為異面直線狀態時，可以將主銷沿著汽車的前進或后退方向進行平行移動，直至主銷軸線與車輪旋轉軸線相交，選取主銷軸線與車輪旋轉軸線的交點作為坐標原點，結果中僅僅增加當量折算系數。

坐標軸子單元60112：用于以車輛行駛的前后方向為X軸，左右方相為Y軸，上下方向為Z軸。

本實施例中，第一計算單元6012：用于根據陀螺力矩公式，計算車輪外傾角變化產生的繞Z軸的第一陀螺力矩和前束角變化產生的繞X軸的第二陀螺力矩。

陀螺效應是指旋轉軸線在水平位置時，其一端被支撐時，陀螺軸繞垂直軸緩慢轉動，此轉動即為進動，此力矩即為陀螺效應進動力矩，簡稱陀螺力矩，其實質是角動量定理的一個具體應用。

上述車輪外傾角(Camber)是指車輪在安裝后，其端面向外傾斜，即車輪所處平面和縱向垂直平面間的夾角；上述車輪前束角(Toe)是指汽車的正上方向下看，由輪胎的中心線與汽車的縱向軸線之間的夾角。

由于陀螺效應，當車輪上下跳動時，外傾角的變化率會產生繞Z軸的第一陀螺力矩，前束角的變化率會產生繞X軸的第二陀螺力矩，這兩者的陀螺力矩計算公式分別為：

其中，M_z為繞Z軸的第一陀螺力矩，M_x為繞X軸的第二陀螺力矩，J為車輪對其旋轉軸線的轉動慣量，V為車輛前進行駛速度，R為車輪作用半徑，為車輪外傾角的變化率，為車輪前束角的變化率。

陀螺力矩的方向、車輪軸線擺動的方向和車輪的旋轉方向三者滿足右手定則。

本實施例中，第二計算單元6013用于根據主銷內傾角、主銷后傾角計算主銷與X軸、Z軸的夾角。

上述主銷內傾角(Kingpin inclination angle)是指汽車轉向節主銷軸線與鉛垂線在垂直于車輛縱向對稱平面的平面上的投影銳角；在汽車縱向平面內，主銷軸線上端略向后傾斜，這種現象稱為主銷后傾(Kingpin caster)，在縱向垂直平面內，主銷軸線與鉛垂線之間的夾角叫主銷后傾角(Kingpin caster angle)。

計算公式為：

其中，δ為主銷與X軸夾角，θ為主銷與Z軸夾角，α為主銷內傾角，β為主銷后傾角。

本實施例中，第三計算單元6014用于將第一陀螺力矩和第二陀螺力矩向主銷上投影，根據主銷與X軸、Z軸的夾角計算投影的矢量和。

其中投影的軸向分量和的計算公式為：

其中，M₁為第一陀螺力矩和第二陀螺力矩在主銷投影的軸向分量和，M_z為繞Z軸的第一陀螺力矩，M_x為繞X軸的第二陀螺力矩，δ為主銷與X軸夾角，θ為主銷與Z軸夾角，投影的另一個方向(法向)分量和與本實施例的內容無法，在此不進行贅述。

本實施例中，優化模塊602包括：

第一優化單元：用于降低獨立懸架上下跳動過程中車輪外傾角和前束角的變化率；

和/或第二優化單元：用于調整車輪外傾角和前束角的變化趨勢，二者產生的陀螺力矩在主銷軸線上的分量方向相反，能夠相互抵消；

綜上所述，本實施例通過分析模塊建立獨立懸架前輪的分析模型，通過優化模塊根據分析模型，對與陀螺效應相關的獨立懸架和轉向系統硬點進行優化，降低陀螺效應產生的擺振能量，減少前輪擺振產生的概率，提高整車的操縱穩定性，舒適性和安全性。

應理解，說明書通篇中提到的“一個實施例”或“一實施例”意味著與實施例有關的特定特征、結構或特性包括在本發明的至少一個實施例中。因此，在整個說明書各處出現的“在一個實施例中”或“在一實施例中”未必一定指相同的實施例。此外，這些特定的特征、結構或特性可以任意適合的方式結合在一個或多個實施例中。

在本發明的各種實施例中，應理解，上述各過程的序號的大小并不意味著執行順序的先后，各過程的執行順序應以其功能和內在邏輯確定，而不應對本發明實施例的實施過程構成任何限定。

應理解，本文中術語“和/或”，僅僅是一種描述關聯對象的關聯關系，表示可以存在三種關系，例如，A和/或B，可以表示：單獨存在A，同時存在A和B，單獨存在B這三種情況。另外，本文中字符“/”，一般表示前后關聯對象是一種“或”的關系。

在本申請所提供的實施例中，應理解，“與A相應的B”表示B與A相關聯，根據A可以確定B。但還應理解，根據A確定B并不意味著僅僅根據A確定B，還可以根據A和/或其它信息確定B。

需要說明的是，在本申請所提供的幾個實施例中，應該理解到，所揭露方法和裝置，可以通過其它的方式實現。例如，以上所描述的裝置實施例僅僅是示意性的，例如，所述單元的劃分，僅僅為一種邏輯功能劃分，實際實現時可以有另外的劃分方式，例如多個單元或組件可以結合或者可以集成到另一個系統，或一些特征可以忽略，或不執行。

另外，在本發明各個實施例中的各功能單元可以集成在一個處理單元中，也可以是各個單元單獨獨立包括，也可以兩個或兩個以上單元集成在一個單元中。上述集成的單元既可以采用硬件的形式實現，也可以采用硬件加軟件功能單元的形式實現。

上述以軟件功能單元的形式實現的集成的單元，可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質中。上述軟件功能單元存儲在一個存儲介質中，包括若干指令用以使得一臺計算機設備(可以是個人計算機，服務器，或者網絡設備等)執行本發明各個實施例中獨立懸架前輪擺振的控制方法的部分步驟。而前述的存儲介質包括：U盤、移動硬盤、只讀存儲器(Read-Only Memory，簡稱ROM)、隨機存取存儲器(Random Access Memory，簡稱RAM)、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質。

以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明所述原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。