在沿弯道行驶时控制具有可变刚度和转向式后轮的道路车辆的方法与流程

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2020年2月12日提交的意大利专利申请第102020000002746号的优先权，其全部公开内容通过引用合并于此。

本发明涉及一种在沿弯道行驶时控制具有可变侧倾刚度和转向式后轮的道路车辆的方法。

背景技术：

尽管没有多少主要以只允许将“固定的”转向角赋予后轮的被动机械系统为基础的可用模型，但四轮转向车辆(也被称为4ws车辆)已经由汽车工业生产了多年。在这些被动机械系统中，后轮耦合至前轮，以在前轮进行转向时将固定的转向角赋予后轮。

设有通过电子控制单元控制的(电动或液压型)主动致动器的更现代的动力系统能够通过将可在预定范围内变化的转向角赋予后轮来控制后轮的转向。

当在高速下(例如，超过60km/h)沿弯道行驶时，后轮的转向增加了车辆的稳定性，特别是接近抓地力损失；为了提高车辆在其沿弯道高速行驶时的稳定性，使后轮同相地转向(即，在与前轮相同的转向方向上，这意味着在前轮向右转向时后轮也向右转向)，以减小横摆角，从而使车辆更容易控制。换言之，后轮的同相转向抵抗了在沿弯道行驶时趋使车辆的后部打滑的离心力，从而使车辆的后部适应理想轨迹，从而增加稳定性和有效性。在这种情况下，使后轮以通常小于1-2°并以前轮的转向角为基础的转向角进行转向。

在低速(例如，最高60km/h)操纵的情况下，后轮的转向会显著减小转向半径，特别地，为了提高低速时车辆的操纵性，基于前轮的转向角使后轮以3-5°的最大转向角反相地转向(即，相对于前轮的转向在相反的方向上，这意味着在前轮向右转向时后轮向左转向，并且反过来也是一样)。

专利申请ep3153382a1描述了一种在沿弯道行驶时控制具有转向式后轮的道路车辆的方法；该控制方法包括以下步骤：确定道路车辆的实际姿态角；确定期望姿态角；并且根据实际姿态角与期望姿态角之间的差值来改变后轮的转向角。

文章“主动式悬架和后轮转向控制系统对车辆横向稳定性的综合影响”(liangwu等人所著，“ibec2003”和sae会议技术论文系列2002-01-20第48期，第1卷，2017年3月28日，xp055738637，usissn：0148-7191，doi：10.4271/2017-01-0257)描述了一种在沿弯道行驶时控制具有可变刚度和转向式后轮的道路车辆的方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种在沿弯道行驶时控制具有可变刚度和转向式后轮的道路车辆的方法，该控制方法在不会使车辆不稳定的情况下使道路车辆沿弯道行驶时的性能最大化，同时实施起来容易且经济。

根据本发明，提供了一种在沿弯道行驶时控制具有可变侧倾刚度和转向式后轮的道路车辆的方法；该道路车辆包括：车架、四个车轮、被设计为改变四个车轮与车架的连接部的刚度分布的至少一个第一致动器以及被设计为改变后轮的转向角的至少一个第二致动器；该控制方法包括以下步骤：

确定道路车辆的实际姿态角；

设定期望姿态角；

确定道路车辆的实际横摆角速度；

设定期望横摆角速度；以及

根据实际姿态角与期望姿态角之间的差值以及横摆角速度与期望横摆角速度之间的差值，以同时且协调的方式改变后轮的转向角和四个车轮与车架的连接部的刚度分布；

该控制方法的特征在于其还包括以下步骤：在沿弯道行驶时并且横向加速度小于4至6m/s²时，优先选择后轮的转向动作，以使车辆对驾驶员请求的前轮的转向指令的动态响应最大化，从而通过第一致动器相应地调节四个车轮与车架的连接部的刚度分布。

所附权利要求描述了本发明的优选实施方式，并且构成说明书的组成部分。

附图说明

现在将参照示出本发明的非限制性实施方式的附图来描述本发明，其中：

图1是具有根据本发明进行控制的转向式后轮的道路车辆的示意性平面图；

图2是图1的道路车辆的示意性平面图，其突出显示了后轮转向机构；

图3是图1的道路车辆沿弯道行驶时的示意性平面图，其突出显示了轨迹、行驶速度和姿态角；

图4是图1的道路车辆的示意性立体图，其突出显示了横摆角；并且

图5是示出根据本发明的控制方法的逻辑的框图。

具体实施方式

在图1中，附图标记1总体上表示具有两个前轮2和从动力传动系统4接收扭矩的两个后驱动轮3的道路车辆。

动力传动系统4包括设置在纵向前部位置并设有曲轴6的内燃热机5，以及将内燃机5产生的扭矩传递到后驱动轮3并具有被称为“驱动桥”的构造的伺服辅助传动系7。传动系7包括驱动轴8，其在一侧连接至曲轴6并且在另一侧机械地连接至变速器9，该变速器9设有至少一个离合器并且设置在纵向后部位置。变速器9以链状方式连接至电子控制自锁差速器10，一对半轴11从此处开始各自与相应的后驱动轮3集成为一体。

车轮2或3各自通过悬架13(在图1中部分示出)机械地连接至道路车辆1的车架12，悬架13设有电子控制致动器14，其允许改变(增加或减小)悬架元件的弹性刚度和阻尼。举例来说，致动器14可以与悬架13的传统弹性元件(螺旋弹簧和被动液压减震器)并行地调节悬架13的垂直安装刚度和阻尼常数。举例来说，这种调节可以通过不同的元件进行，例如电子控制防侧倾杆和磁流变减震器。

电子控制致动器14允许改变道路车辆1的四个车轮2和3与车架12的连接部的刚度，并因此允许在动态状况下(即，在存在纵向或横向加速度时)改变作用在车轮2和3上的垂直载荷在四个车轮2和3上的分布。换言之，通过改变电子控制致动器14的刚度，可以改变四个车轮2和3上的垂直载荷的分布，并因此改变作用在车轮2和3中的每一个上的点状(punctual)垂直载荷。

根据图2，后驱动轮3是转向轮，即，它们由对应的悬架13承载，使得它们可以围绕垂直轴线一起(即，以相同的旋转度)向右或向左旋转，从而改变对应的转向角α(在图3中示出)；特别地，设置有(电动或液压型)致动器15，其主动地控制后驱动轮3的转向角α的变化。

在高速下(例如，超过60km/h)沿弯道行驶时，后驱动轮3的转向增加了道路车辆1的稳定性；特别地，为了提高道路车辆1在其沿弯道高速行驶时的稳定性，使后驱动轮3同相地转向(即，在与前轮的转向相同的方向上，这意味着在前轮2向右转向时后驱动轮3也向右转向)。换言之，后驱动轮3的同相转向抵抗了在沿弯道行驶时趋使车辆的后部打滑的离心力，从而使车辆的后部适应理想轨迹，从而增加稳定性和有效性。在这种情况下，使后驱动轮3以通常小于1-2°并通常以前轮2的转向角为基础(即，前轮2的转向角越大，后驱动轮3的转向角α越大)的转向角α进行转向。

在低速(例如最高60km/h)操纵的情况下，后驱动轮3的转向会显著减小转向半径；特别地，为了提高道路车辆1的低速操纵性，基于前轮2的转向角(即，前轮2的转向角越大，后驱动轮3的转向角α越大)使后驱动轮3以3-5°的最大角度反相地转向(即，相对于前轮2的转向在相反的方向上，这意味着在前轮2向右转向时后轮3向左转向，并且反过来也是一样)。

道路车辆1包括电子控制单元16(“ecu”)，如下文中更详细描述的那样，其尤其通过对悬架13的电子控制致动器14起作用并且对致动器15起作用来控制后驱动轮3的转向角α而调节道路车辆1在其沿弯道行驶时的行为。控制单元16可以在物理上由单独一个装置构成，或由彼此分离并通过道路车辆1的can网络彼此通信的不同装置构成。

根据图3，当沿弯道行驶时，控制单元16通过已知的方式确定道路车辆1的姿态角β(即，道路车辆1的纵向轴线x与道路车辆1在重心b处的行驶速度v的方向之间的角度)。举例来说，控制单元16使用通过三轴陀螺仪和gps跟踪单元实时提供的测量值来估算道路车辆1所遵循的轨迹t；特别地，轨迹t是通过对三轴陀螺仪测量的加速度进行两次时间积分而确定的，并且gps跟踪单元提供的测量值用于周期性地消除积分过程中出现的位置误差。此外，控制单元16使用三轴陀螺仪实时提供的测量值来估算道路车辆1在重心b处的行驶速度v；特别地，通过对三轴陀螺仪测量的加速度进行一次时间积分来确定道路车辆1在重心b处的速度v(确保道路车辆1在重心b处的行驶速度v实际上与道路车辆1所遵循的轨迹t相切，否则，在明显偏离的情况下，对计算值进行至少一次进一步的迭代，以对所使用的参数进行校正)。

在沿弯道行驶时，控制单元16实时地确定(例如，如下文所述那样)道路车辆1的实际(真实)姿态角β。此外，在沿弯道行驶时，控制单元16确定期望(理想)姿态角βtgt，其允许性能(即，沿弯道行驶的速度)最大化并同时使车辆1处于稳定状态(即，完全安全的状态)。

根据可能的(但不是约束性的)实施方式，控制单元16周期性地估算(例如，以至少几十hz的频率并且以已知的方式)车轮2和3对路面的抓地力，确定道路车辆1的轨迹t的曲率半径(即，确定轨迹t的弯曲度)并确定道路车辆1的行驶速度v。根据车轮2和3的抓地力(因此，根据道路车辆1的稳定性)、根据轨迹t的曲率半径并且根据行驶速度v，控制单元16周期性地确定期望姿态角βtgt；特别地，为了确定期望姿态角βtgt，控制单元16可以使用预定的图表(通常在道路车辆1的设计和构建阶段期间以实验的方式创建并且存储在存储器中)或道路车辆1的数学模型。

在沿弯道行驶时，控制单元16通过已知的方式确定道路车辆1的实际横摆角速度dψ/dt；横摆角速度dψ/dt是横摆角ψ(在图4中示出)的变化率，即，横摆角ψ的一阶时间导数。众所周知，横摆角ψ表示道路车辆1围绕穿过道路车辆1的重心b的垂直轴线y的摆幅。

在沿弯道行驶时，根据图5，控制单元16确定道路车辆1的实际姿态角β，设定期望姿态角βtgt，确定道路车辆1的实际横摆角速度dψ/dt，设定期望横摆角速度dψ/dttgt，然后根据实际姿态角β与期望姿态角βtgt之间的差值εβ以及实际横摆角速度dψ/dt与期望横摆角速度dψ/dttgt之间的差值εψ以同时且协调的方式改变后轮3的转向角α和四个车轮2和3与车架12的连接部的刚度分布。

图5示意性示出了上述内容，并且公开了控制单元16包括：计算模块17，其确定道路车辆1的实际姿态角β；计算模块18，其确定道路车辆1的实际横摆角速度dψ/dt；计算模块19，其设定期望姿态角βtgt和期望横摆角速度dψ/dttgt；减法器模块20，其计算实际姿态角β与期望姿态角βtgt之间的差值εβ；减法器模块21，其计算实际横摆角速度dψ/dt与期望横摆角速度dψ/dttgt之间的差值εψ；最后是计算模块22，其以同时且协调的方式控制电子控制致动器14(从而改变四个车轮2和3与车架12的连接部的刚度分布)和致动器15(从而改变后轮3的转向角α)。

根据优选实施方式，计算模块22根据两个差值εβ和εψ一起(即，以同时且协调的方式)确定后轮3的期望转向角αtgt(通过其控制致动器15)和四个车轮2和3与车架12的连接部的期望刚度分布dtgt(通过其控制电子控制致动器14)。

根据优选实施方式，计算模块22通过将开环控制逻辑和反馈控制逻辑组合在一起来确定后轮3的期望转向角αtgt和四个车轮2和3与车架12的连接部的期望刚度分布dtgt。

此外，根据优选实施方式，后轮3的期望转向角αtgt和四个车轮2和3与车架12的连接部的期望刚度分布dtgt通过独一个通用数学模型确定(因此，该模型一起协调针对后轮3的转向的动作和针对刚度分布的动作)。

根据优选实施方式，在时域中比较实际姿态角β和期望姿态角βtgt；即，将实际姿态角β与期望姿态角βtgt一个时刻接一个时刻地直接进行比较。另一方面，在频域中比较实际横摆角速度dψ/dt和期望横摆角速度dψ/dttgt。应用于实际姿态角β的时域分析表示其相对于时间变量的标准描述，与应用于横摆角速度dψ/dttgt的频域分析不同，该频域分析在另一方面表示其在频率范围(频谱)方面的描述。在频域中，横摆角速度dψ/dttgt被认为是复杂的正弦波的叠加，每个正弦波都代表一个给定的频率(通常忽略相应的相位)。

根据优选实施方式，控制单元16的计算模块22被编程为使得在中-低横向加速度条件下(通常仅被称为“线性”域，其中横向加速度通常小于4至6m/s²，即在横向加速度小于4至6m/s²的阈值并且例如等于5m/s²时)沿弯道行驶时所述致动要求增强道路车辆1跟随驾驶员的指令的动态响应，该指令是通过使前轮2转向而施加的。后轮3的转向角α和四个车轮2和3与车架12的连接部的期望刚度分布dtgt之间的协调优先选择对后轮3的转向角α进行确定，从而有利于从后轮3快速产生横向力，然后在必要时关联刚度分布dtgt。换言之，当在中-低横向加速度条件下沿弯道行驶时，唯一地通过改变后轮3的转向角α来执行主要动作，而四个车轮轮2和3与车架12的连接部的刚度分布dtgt仅作为从动动作相对于后轮3的转向角α的变化进行调节(即，对其进行调节以适应后轮3的转向角α的变化)。

根据优选实施方式，控制单元16的计算模块22被编程为使得在高横向加速度条件下(这通常意味着接近横向稳定性极限，即在横向加速度接近横向稳定性极限时)所述致动要求使横向稳定性最大化。举例来说，横向加速度在与代表横向稳定性极限的最大横向加速度相差1-2m/s²时接近横向稳定性极限；即，在当前横向加速度与代表横向稳定性极限的最大横向加速度之间的差值小于1至2m/s²范围内的阈值并且例如等于1.5m/s²时，横向加速度接近横向稳定性极限。从另一个角度来看，当前横向加速度在达到(超过)代表横向稳定性极限的最大横向加速度的85％时接近横向稳定性极限。应当指出的是，最大横向加速度不是适用于所有条件的恒定值，而是通过控制单元16周期性地更新(估算)；特别地，由于轮胎与路面之间的相互作用，最大横向加速度基本上根据抓地力状况而变化。

后轮3的转向角α和四个车轮2和3与车架12的连接部的期望刚度分布dtgt之间的协调优先选择使产生前半轴(由两个前轮2组成)和后半轴(由两个后轮3组成)的横向力的能力最大化，这种产生能力根据弯道覆盖条件而变化，即存在驱动或制动用纵向力(在弯道的开始或结束时)或仅覆盖弯道。在这种情况下，通过四个车轮2和3与车架12的连接部的刚度分布dtgt所关联的动作来发挥主要作用，其之后与后轮3的转向角α的同相转向相关联。换言之，当在高横向加速度条件下沿弯道行驶时，唯一地通过改变四个车轮2和3与车架12的连接部的期望刚度分布dtgt来执行主要动作，而后轮3的转向角α仅作为从动动作相对于期望刚度分布dtgt的变化进行调节(即，对其进行调节以适应期望分布dtgt的变化)。

在这种特定的动态情况下，为了使前轮2和后轮3的横向力产生能力最大化，此时方便的是通过选择性地对弯道内侧或外侧上的电子控制(前和后)致动器14起作用而调节四个车轮2和3与车架12的连接部的刚度来减小道路车辆1的重心高度。

根据优选实施方式，控制单元16的计算模块22被编程为使得在沿弯道行驶时并且运动条件介于上述两种情况之间时(即，在中-低横向加速度条件和高横向加速度条件之间)可以通过协调的方式进行调节，这考虑到通过后轮3产生的力跟随驾驶员所请求的前轮2的转向指令进行的快速响应来减少后半轴的响应时间的动态需求以及调节弹性刚度的需求，例如为了在存在转向和垂直振动的组合作用时减小道路车辆的侧倾运动或优化悬架13的特征角的变化。换言之，当运动条件介于上述两种情况之间时(即，在中-低横向加速度条件和高横向加速度条件之间)，主要动作既包括四个车轮2和3与车架12的连接部的期望刚度分布dtgt的变化也包括后轮3的转向角α的变化，即对四个车轮2和3与车架12的连接部的期望刚度分布dtgt以及后轮3的转向角α的变化进行相同层级的调节(即，它们都是“主要”动作，其中一个没有比另一个优先)。

在附图所示的实施方式中，控制单元16对电子控制致动器14起作用，以改变将车轮2和3连接至车架12的悬架13的动态响应；即，电子控制致动器14允许改变将车轮2和3连接至车架12的悬架13的动态响应，并因此允许改变四个车轮2和3与车架12的连接部的侧倾刚度的分布。

如上所述，电子控制致动器14可以包括四个电子控制减震器(车轮2或3各自设有一个)和/或两个电子控制防侧倾杆(分别为前部的和后部的)。

在此描述的实施方式可以彼此组合，而不会因此超出本发明的保护范围。

上述控制方法具有不同的优点。

首先，上述控制方法在不会使道路车辆1不稳定的情况下(即，接近车辆1的稳定性极限但是保持适当的安全裕度)使道路车辆在沿弯道行驶时的性能最大化(即，使弯道覆盖速度最大化)。

此外，上述控制方法是特别安全的，因为它总是使道路车辆1处于受控状态，并且总是能够在需要时迅速而有效地采取行动。

上述控制方法使车辆跟随驾驶员对前轮2请求的转向指令的动态响应速度最大化。

最后，除了如上所述的使道路车辆的性能最大化之外，上述控制方法还允许通过实现对致动器的组合调节来对道路车辆1在其整个使用范围内(即从低到高的横向加速度范围)进行统一的控制，并满足了调节悬架13的特征角并减少车身侧倾运动的需求。

附图标记列表

1车辆

2前轮

3后轮

4动力传动系统

5发动机

6曲轴

7传动系

8驱动轴

9机械变速器

10自锁差速器

11半轴

12车架

13悬架

14电子控制致动器

15转向式后轮的致动器

16控制单元

17计算模块

18计算模块

19计算模块

20减法器模块

21减法器模块

22计算模块

b重心

β姿态角

ψ横摆角

z垂直轴线

fx纵向力

fy横向力

x纵向轴线

y横向轴线

z垂直轴线

α后轮的转向角

d刚度分布。