IT202000012553A1 - Veicolo dotato di una sospensione e di un dispositivo rotativo elettromeccanico per il controllo di tale sospensione, e metodo di regolazione del moto di una sospensione di veicolo - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE dell?invenzione industriale dal titolo: ?Veicolo dotato di una sospensione e di un dispositivo rotativo elettromeccanico per il controllo di tale sospensione, e metodo di regolazione del moto di una sospensione di veicolo?
DESCRIZIONE
Settore tecnico
La presente invenzione si colloca, in generale, nel settore automotive; in particolare, l?invenzione si riferisce a un veicolo dotato di una sospensione e di un dispositivo rotativo elettromeccanico per il controllo di tale sospensione, e a un metodo di regolazione del moto di una sospensione di veicolo. Tecnica nota
Sono note soluzioni in cui alla sospensione di un veicolo sia associato un dispositivo rotativo elettromeccanico per il controllo attivo e/o lo smorzamento del moto della stessa.
Un esempio di una soluzione simile ? noto dal documento US10166833 B2, in cui viene descritto un dispositivo elettromeccanico che attua una barra di torsione, collegata a sua volta al mozzo ruota o a uno dei bracci della sospensione attraverso un cinematismo.
Lo svantaggio principale di questo dispositivo ? che esso non pu? essere utilizzato n? per attuare il moto delle ruote in alta frequenza (F>5 Hz), e neppure per smorzare il moto della sospensione, poich? la presenza di un elemento con bassa rigidezza, quale la barra di torsione, posto in serie nella catena di trasmissione della coppia, abbassa notevolmente la banda passante del sistema.
Per questi motivi, il dispositivo pu? essere utilizzato solo per controllare i movimenti del veicolo in bassa frequenza, quelli cio? della cassa del veicolo stesso (rollio, beccheggio, scuotimento). Inoltre, per permettere un adeguato smorzamento del moto della sospensione del veicolo, il dispositivo deve necessariamente essere messo in parallelo a un tradizionale ammortizzatore.
Un secondo esempio di arte nota ? rappresentato dall?attuatore rotativo idraulico del brevetto DE10043711, in cui sono descritte due diverse architetture. Nella prima architettura, l?attuatore rotativo idraulico ? attaccato alla cassa del veicolo e interagisce con uno dei braccetti della sospensione attraverso un sistema costituito da una leva e da un?asta. Nella seconda architettura, l?attuatore rotativo idraulico ? supportato direttamente su uno dei braccetti della sospensione, attraverso una sospensione elastica costituita da un parallelogramma articolato o un pantografo e da una molla; l?attuatore pu? cos? oscillare in verticale rispetto al braccetto della sospensione, andando quindi a costituire una massa oscillante che smorza le vibrazioni della ruota. La trasmissione della coppia tra l?attuatore rotativo idraulico e la cassa del veicolo ? realizzata attraverso un cinematismo costituito da una leva e da un?asta.
Entrambe le architetture permettono in linea di principio un controllo attivo dei moti di rollio e beccheggio del veicolo, e un controllo dello smorzamento delle oscillazioni verticali delle ruote.
Anche per questo esempio, si tratta quindi di un controllo attivo dei soli moti a bassa frequenza della cassa del veicolo (rollio e beccheggio), mentre per i moti ad alta frequenza della sospensione viene descritta solamente la possibilit? che questi vengano smorzati.
Inoltre, mentre per la seconda architettura tale smorzamento delle oscillazioni della ruota avviene prevalentemente sfruttando l?effetto dinamico della massa oscillante, costituita dall?attuatore rotativo idraulico sospeso elasticamente rispetto al braccetto della sospensione, per la prima architettura non viene specificato alcun dettaglio su come l?attuatore rotativo idraulico possa essere utilizzato e controllato ai fini di smorzare dette oscillazioni, con il risultato che la descrizione di questo aspetto risulta del tutto vaga e valida solo in via teorica. In particolare, nessun dettaglio viene fornito sulle caratteristiche costruttive dell?attuatore rotativo idraulico, ad esempio non viene in alcun punto specificato se questo attuatore sia costituito da un attuatore idraulico direttamente mosso da un motore elettrico, a sua volta controllato da un?opportuna elettronica, oppure se sia costituito da un martinetto rotativo idraulico collegato a degli elementi di accumulo idraulici attraverso opportune valvole a solenoide controllate. Nessun dettaglio viene inoltre dato sui principi e sulle logiche a livello di dinamica del veicolo, in base ai quali viene controllato il motore rotativo idraulico.
In base quindi agli esempi reperibili nella tecnica nota, non ? possibile configurare una sospensione i cui moti in alta frequenza siano alternativamente inducibili attivamente e assoggettabili a smorzamento.
Sintesi dell?invenzione
Uno scopo della presente invenzione ? di ovviare ai limiti realizzativi summenzionati.
Per ottenere tale risultato, viene fornito un veicolo dotato di una sospensione cui ? associato un dispositivo rotativo elettromeccanico, capace di controllarne il movimento alle alte frequenze tipiche dei movimenti verticali delle ruote (F>5 Hz), permettendo sia di causare movimenti ad alta frequenza della sospensione, sia allo stesso tempo di smorzare i movimenti ad alta frequenza della sospensione, indotti da cause esterne (irregolarit? della strada, manovre quali frenate, accelerazioni, moti in curva), andando a frenare i moti della sospensione in modo elettrico e trasformando l?energia cinetica del moto della sospensione in energia elettrica (smorzamento rigenerativo).
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il dispositivo rotativo elettromeccanico comprende una macchina elettrica (convenientemente, un tradizionale motore elettrico, di per s? noto a un tecnico del ramo nel contesto di applicazioni simili) accoppiata ad un riduttore, la cui uscita ? collegata in maniera rigida, attraverso un cinematismo di natura nota, ad uno degli elementi della sospensione che si muove assieme al mozzo ruota. Tale elemento pu? essere uno dei bracci della sospensione, il mozzo ruota stesso, oppure la parte strutturale che sostiene il piatto molla della sospensione.
Per una sospensione anteriore a doppio braccio trasversale, altrimenti nota come ?double wishbone?, un cinematismo particolarmente conveniente ? quello in cui il dispositivo rotativo ha il suo alloggiamento collegato alla cassa del veicolo, nelle vicinanze del punto di attacco a scocca del braccio inferiore della sospensione; una leva, facente parte del cinematismo e solidale al riduttore, ha il suo asse di rotazione parallelo all?asse di rotazione della cerniera che collega a scocca il braccio inferiore della sospensione, ed ? collegata tramite una cerniera ad un?asta, che a sua volta va a collegarsi tramite una cerniera all?elemento strutturale che sorregge il piatto appoggia molla della sospensione. Tale elemento strutturale pu? essere un tradizionale ammortizzatore, che svolge quindi un?azione smorzante dei moti della sospensione agendo in parallelo al dispositivo rotativo elettromeccanico; oppure tale elemento pu? non svolgere alcuna azione smorzante, costituendo quindi solamente una coppia cilindrica per il supporto del piatto appoggia molla della sospensione, nel qual caso l?unica azione smorzante dei moti della sospensione ? svolta dal dispositivo rotativo elettromeccanico. Tale implementazione risulta particolarmente conveniente, poich? permette un?istallazione del dispositivo rotativo elettromeccanico senza stravolgere la classica architettura della sospensione ?double wishbone?.
L?alloggiamento del dispositivo rotativo elettromeccanico pu? essere collegato alla cassa del veicolo in modo rigido, ad esempio attraverso collegamento con viti, oppure pu? essere collegato alla cassa del veicolo tramite l?interposizione di una sospensione su mezzi elastici e smorzanti (ad esempio, blocchetti di supporto o tasselli), di implementazione nota, in modo da ridurre la trasmissione delle vibrazioni verso la cassa del veicolo. I valori di rigidezza e di smorzamento di tali mezzi elastici e smorzanti sono opportunamente assegnati in modo tale da non introdurre dinamiche nella banda di frequenza di interesse, che per una sospensione automobilistica ? compresa orientativamente nel range di frequenze da 0 Hz a 50 Hz. In pratica, i mezzi elastici devono avere una rigidezza sufficientemente elevata, mentre gli elementi smorzanti possono essere esplicitamente richiesti oppure no, a seconda della prestazione richiesta in termini di filtraggio delle vibrazioni.
Il riduttore ? convenientemente realizzato nella forma di un rotismo epicicloidale a pi? stadi, in cui l?ingresso di ciascuno stadio ? il planetario e l?uscita di ciascun stadio ? il solare, e in cui la corona esterna sia fissa e solidale all?alloggiamento del dispositivo.
La macchina elettrica pu? essere controllata in posizione e coppia da una centralina di controllo elettronica (inverter), che controlla la macchina elettrica secondo note strategie di controllo della dinamica del veicolo, aventi l?obiettivo di ridurre i movimenti di scuotimento, rollio e beccheggio della cassa del veicolo e al tempo stesso ridurre le vibrazioni verticali delle ruote, sulla base di sensori, ad essa collegati, di per s? noti, e in grado di misurare l?entit? del movimento verticale del mozzo ruota e della cassa del veicolo. Come esempio di applicazione, tali sensori possono consistere di due accelerometri, capaci di misurare l?accelerazione verticale del punto a cui sono collegati, posizionati rispettivamente solidali al braccio inferiore della sospensione e al punto di collegamento con la cassa della molla della sospensione (duomo). Un?altra possibile soluzione ? quella di utilizzare un accelerometro solidale ad un punto della cassa del veicolo, e un sensore di corsa della sospensione.
La centralina elettronica di controllo ? elettricamente collegata ad un elemento di immagazzinamento dell?energia elettrica (batteria), dal quale viene prelevata l?energia elettrica per alimentare la macchina elettrica durante le fasi in cui la macchina elettrica causa un movimento della sospensione (funzionamento attivo), o al quale viene indirizzata l?energia elettrica rigenerata dalla macchina elettrica durante le fasi in cui la macchina elettrica frena il movimento della sospensione (smorzamento rigenerativo).
La centralina elettronica di controllo pu? essere un componente esterno al dispositivo rotativo elettromeccanico, e quindi essere posizionata all?interno del veicolo ad una distanza anche rilevante dal dispositivo stesso, oppure pu? essere completamente integrata all?interno del dispositivo elettromeccanico, costituendo un prolungamento nella direzione assiale della macchina elettrica. In quest?ultimo caso, si realizzerebbe sostanzialmente un?architettura cosiddetta di tipo ?Smart Actuator?, ben nota a un tecnico del ramo, in cui fondamentalmente tutte le componenti necessarie al funzionamento della sospensione sono integrate nella stessa, a meno di cablaggi elettrici di collegamento al resto del veicolo (ad esempio, per l?alimentazione dei dispositivi elettrici ed elettronici incorporati nella sospensione).
Inoltre, il sensore di posizione angolare, tradizionalmente integrato nella macchina elettrica al fine di permettere il controllo in coppia e velocit? della stessa, pu? essere utilizzato come sensore di corsa della sospensione all?interno delle note strategie di controllo della dinamica del veicolo. Ci? ? possibile poich?, essendo rigido il meccanismo di trasmissione del moto dal mozzo ruota alla macchina elettrica del dispositivo rotativo elettromeccanico, esiste un legame cinematico univoco tra la posizione relativa del mozzo ruota rispetto alla cassa del veicolo e la rotazione della macchina elettrica. Questo permetterebbe di eliminare i noti sensori di posizione/accelerazione, che nella tecnica nota sono utilizzati per misurare il moto relativo del mozzo ruota rispetto alla cassa del veicolo, con conseguente riduzione di costi e di complessit? di installazione.
I suddetti ed altri scopi e vantaggi sono raggiunti, secondo un aspetto dell?invenzione, da un veicolo e un metodo aventi le caratteristiche definite nelle rivendicazioni annesse. Forme di attuazione preferenziali dell?invenzione sono definite nelle rivendicazioni dipendenti.
Breve descrizione dei disegni
Verranno ora descritte le caratteristiche funzionali e strutturali di alcune forme di realizzazione preferite di un veicolo e un metodo secondo l?invenzione. Si fa riferimento ai disegni allegati, in cui:
- la figura 1 ? una vista schematica di una sospensione associata a un veicolo, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 2 ? una vista schematica di una sospensione associata a un veicolo, secondo una forma di realizzazione alternativa della presente invenzione; - la figura 3 ? una vista prospettica schematica in sezione parziale di un attuatore rotativo elettromeccanico incluso nella sospensione, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione; - la figura 4 ? una vista in sezione laterale dell?attuatore rotativo elettromeccanico di figura 3;
- la figura 5 ? una vista schematica di un riduttore facente parte dell?attuatore illustrato in figura 4; - le figure 6A e 6B sono viste schematiche illustrative di due possibili configurazioni di attacco dell?attuatore rotativo elettromeccanico a una scocca di un veicolo;
- la figura 7 mostra schematicamente una sequenza di stati di un assieme ruota-cassa-sospensione nell?atto di superare un ostacolo sulla strada, secondo una modalit? di attuazione della presente invenzione; e
- la figura 8 ? un diagramma rappresentativo della relazione forza-velocit? dell?attuatore rotativo elettromeccanico nelle condizioni rappresentate in figura 7.
Descrizione dettagliata
Prima di spiegare nel dettaglio una pluralit? di forme di realizzazione dell?invenzione, va chiarito che l?invenzione non ? limitata nella sua applicazione ai dettagli costruttivi e alla configurazione dei componenti presentati nella seguente descrizione o illustrati nei disegni. L?invenzione ? in grado di assumere altre forme di realizzazione e di essere attuata o realizzata praticamente in diversi modi. Si deve anche intendere che la fraseologia e la terminologia hanno scopo descrittivo e non vanno intese come limitative.
Facendo esemplificativamente riferimento alle figure, un veicolo comprende una cassa di veicolo 9, almeno un mozzo 10, atto a supportare una ruota 11, in modo tale che la ruota 11 sia girevole attorno al mozzo 10, e una sospensione 12, che collega il mozzo 10 alla cassa di veicolo 9, in modo tale che il mozzo 10 sia oscillabile in senso verticale rispetto alla cassa di veicolo 9.
La sospensione 12 comprende a sua volta un braccio di sospensione 14 (convenientemente, un tradizionale braccetto oscillante inferiore), incernierato da una parte alla cassa di veicolo 9 e dall?altra parte al mozzo 10, e un mezzo elastico 16, atto a richiamare detto braccio di sospensione 14 verso una predeterminata posizione neutra di equilibrio di forze statiche rispetto alla cassa di veicolo 9 (ovvero, la posizione che il braccio di sospensione avrebbe in una condizione di sostanziale planarit? del terreno sotto l?azione della forza peso agente sulla cassa di veicolo 9).
E? altres? presente un attuatore rotativo elettromeccanico 18, collegato solidalmente alla cassa di veicolo 9 e comprendente una macchina elettrica 20 accoppiata ad un riduttore 22, il quale riduttore 22 include almeno uno stadio di riduzione 23a, 23b, accoppiato a un albero di uscita 23c avente il proprio asse di rotazione parallelo all?asse di cerniera del braccio di sospensione 14 alla cassa di veicolo 9.
La sospensione 12 comprende inoltre un leveraggio 24, atto a trasferire il moto dall?almeno uno stadio di riduzione 23a, 23b a detto braccio di sospensione 14 mediante l?albero di uscita 23c di detto stadio di riduzione 23a, 23b, i quali leveraggio 24 e albero di uscita 23c dello stadio di riduzione 23a, 23b sono configurati per evitare sostanzialmente di essere soggetti a deformazioni torsionali, flessionali, di trazione e di compressione.
Sono inoltre presenti mezzi sensori 26, atti a rilevare parametri indicativi di un moto del braccio di sospensione 14, una centralina elettronica 28, atta a controllare in coppia e posizione angolare la macchina elettrica 20 dell?attuatore rotativo elettromeccanico 18, in base a segnali trasmessi dai mezzi sensori 26, e una batteria 30, atta alternativamente ad alimentare l?attuatore rotativo elettromeccanico 18, e ricevere corrente elettrica dal medesimo.
L?attuatore rotativo elettromeccanico 18 ? operabile tra una condizione di regolazione attiva, in cui tale attuatore rotativo elettromeccanico 18 ? configurato per essere alimentato elettricamente dalla batteria 30 e per trasmettere a detto braccio di sospensione 14, per il tramite del leveraggio 24, una forza che sia tale da causare il moto relativo di detto braccio di sospensione 14 rispetto alla cassa di veicolo 9, compiendo un lavoro positivo sulla sospensione 12, e una condizione di smorzamento, in cui tale attuatore rotativo elettromeccanico 18 ? configurato per alimentare elettricamente la batteria 30 e per trasmettere a detto braccio di sospensione 14, per il tramite del leveraggio 24, una forza che si oppone al moto relativo di detto braccio di sospensione 14 rispetto alla cassa di veicolo 9, compiendo un lavoro negativo sulla sospensione 12.
L?attuatore rotativo elettromeccanico 18 ? operabile tra tali condizioni di regolazione attiva e di smorzamento su comando della centralina elettronica 28, in modo tale rispettivamente da imprimere un moto a detto braccio di sospensione 14 di frequenza massima superiore a 5Hz, o smorzare un moto di detto braccio di sospensione 14 di frequenza massima superiore a 5Hz.
Secondo una forma di realizzazione preferita, l?asse di rotazione dell?albero di uscita 23c dello stadio di riduzione 23a, 23b ? parallelo e non coincidente con l?asse di cerniera del braccio di sospensione 14 alla cassa di veicolo 9.
La sospensione 12 pu? comprendente inoltre una coppia cilindrica 17 (come esemplificativamente illustrato in figura 1, che mostra una forma di realizzazione di una sospensione anteriore del tipo a doppio braccio trasversale o ?double wishbone?), avente almeno due parti estensibili telescopicamente tra loro, una di dette parti avendo una estremit? collegata per mezzo di uno snodo a detto braccio di sospensione 14, e l?altra di dette parti avendo una estremit? collegata per mezzo di uno snodo alla cassa di veicolo 9.
In alternativa (come esemplificativamente illustrato in figura 2, che mostra una forma di realizzazione di una sospensione posteriore del tipo a bracci trasversali), la coppia cilindrica pu? essere assente.
Secondo una forma di realizzazione, la coppia cilindrica 17 ? configurata per evitare sostanzialmente di esercitare un?azione smorzante del moto della sospensione. In questo caso, la coppia cilindrica 17 ? configurata sostanzialmente per non opporre una resistenza al moto della sospensione 12.
In alternativa, la coppia cilindrica 17 pu? essere configurata per esercitare un?azione smorzante del moto della sospensione 12, la quale va a sommarsi all?azione smorzante generata dall?attuatore rotativo elettromeccanico 18.
In questo caso, la coppia cilindrica 17 pu? essere ad esempio configurata come un tradizionale ammortizzatore automobilistico.
Secondo una forma di realizzazione, il mezzo elastico 16 ? collegato a una sua prima estremit? alla parte della coppia cilindrica 17 vincolabile alla cassa di veicolo 9, e a una sua seconda estremit? alla parte della coppia cilindrica 17 vincolata al braccio di sospensione 14, il leveraggio 24 essendo collegato a detta parte della coppia cilindrica 17 vincolata al braccio di sospensione 14 (ad esempio, in corrispondenza o in prossimit? di un piatto porta molla, su cui poggia un?estremit? della molla 16 ed ? solidale a detta parte della coppia cilindrica 17 vincolata al braccio di sospensione 14).
Preferibilmente, il leveraggio 24 comprende una leva 24a, torsionalmente solidale all?albero di uscita 23c dell?almeno uno stadio di riduzione 23a, 23b, e un?asta 24b, articolabile rispetto alla leva 24a e incernierata all?altra sua estremit? al braccio di sospensione 14, oppure al mozzo 10, oppure alla parte della coppia cilindrica 17 vincolata al braccio di sospensione 14. Tali leva 24a e asta 24b sono sostanzialmente rigide a torsione, a flessione, a trazione e a compressione.
Secondo una forma di realizzazione, il riduttore 22 comprende un rotismo epicicloidale a pi? stadi, tale riduttore 22 essendo accolto in un alloggiamento dell?attuatore rotativo elettromeccanico 18 collegato solidalmente alla cassa di veicolo 9.
Ciascuno stadio 23a, 23b di detto rotismo epicicloidale comprende un solare che ingrana i satelliti di un planetario, a loro volta ingrananti una corona radialmente esterna. Il rotismo epicicloidale ? configurato in modo tale che l?ingresso di ciascuno stadio sia il planetario e l?uscita di ciascun stadio sia il solare, e in cui la corona esterna sia fissa in rotazione e solidale a tale alloggiamento dell?attuatore rotativo elettromeccanico 18.
Convenientemente, il riduttore 22 comprende un rotismo epicicloidale a due stadi, in cui il planetario del primo stadio ? collegato in modo torsionalmente rigido alla leva 24a del leveraggio 24, e il solare del secondo stadio ? collegato in modo torsionalmente rigido all?albero della macchina elettrica 20.
Secondo una forma di realizzazione (esemplificativamente illustrata in figura 6A), l?attuatore rotativo elettromeccanico 18 ? collegato rigidamente alla cassa di veicolo 9, ad esempio mediante viti o simili.
In alternativa (come esemplificativamente illustrato in figura 6B), l?attuatore rotativo elettromeccanico 18 pu? essere collegato alla cassa di veicolo 9 tramite mezzi elastici e smorzanti 3, di per s? noti, in modo da ridurre la trasmissione delle vibrazioni verso la cassa di veicolo 9. I valori di rigidezza e di smorzamento di tali mezzi elastici e smorzanti 32 sono opportunamente assegnati in modo tale da non introdurre dinamiche nella banda di frequenza di interesse, che per una sospensione automobilistica ? compresa orientativamente nel range di frequenze da 0 Hz a 50 Hz. In pratica, i mezzi elastici devono avere una rigidezza sufficientemente elevata, mentre gli elementi smorzanti possono essere esplicitamente richiesti oppure no, a seconda della prestazione richiesta in termini di filtraggio delle vibrazioni.
Convenientemente, la centralina elettronica 28 ? completamente integrata all?interno del dispositivo elettromeccanico, formando un prolungamento nella direzione assiale della macchina elettrica 20.
Secondo un aspetto dell?invenzione, viene fornito un metodo per la regolazione del moto di una sospensione di veicolo, comprendente le fasi di predisporre un veicolo secondo una qualsiasi delle forme di realizzazione sopra descritte, e rilevare, tramite i mezzi sensori 26, posizione e velocit? relative tra la cassa di veicolo 9 e il mozzo 10.
Quando sia rilevato un movimento reciproco tra la cassa di veicolo 9 e il mozzo 10, il metodo secondo l?invenzione prevede inoltre la fase di controllare, mediante la centralina elettronica 28, l?attuatore rotativo elettromeccanico 18, e comprende le fasi di:
- se il movimento del mozzo 10 sia tale che la distanza tra quest?ultimo e la cassa di veicolo 9 tenda a diminuire, rispetto alla distanza che detto mozzo 10 avrebbe da detta cassa di veicolo 9 in una condizione neutra di equilibrio di forze statiche della sospensione 12 (quando cio? la ruota affronti una salita, e il mozzo 10 si sollevi, oscillando - in senso orario per chi osservi le figure 1 e 2 ? al di sopra della posizione neutra), alimentare l?attuatore rotativo elettromeccanico 18 con corrente elettrica dalla batteria 30, in modo tale da generare una coppia che, trasmessa al braccio di sospensione 14 per mezzo del leveraggio 24, generi su detto braccio di sospensione 14 un?azione con una frequenza massima F>5Hz, tendente a ridurre ulteriormente la distanza tra il mozzo 10 e la cassa di veicolo 9, fintantoch? la velocit? relativa tra il mozzo 10 e la cassa di veicolo 9 non cambi segno, nel qual caso interrompere l?alimentazione elettrica dalla batteria 30 all?attuatore rotativo elettromeccanico 18, e far lavorare detto attuatore rotativo elettromeccanico 18 come generatore, trasmettendo la corrente elettrica prodotta alla batteria 30;
- se il movimento del mozzo 10 sia tale che la distanza tra quest?ultimo e la cassa di veicolo 9 tenda ad aumentare, rispetto alla distanza che detto mozzo 10 avrebbe da detta cassa di veicolo 9 in una condizione neutra di equilibrio di forze statiche della sospensione 12 (quando cio? la ruota affronti una discesa, e il mozzo 10 si abbassi, oscillando -in senso antiorario per chi osservi le figure 1 e 2 ? al di sotto della posizione neutra), alimentare l?attuatore rotativo elettromeccanico 18 con corrente elettrica dalla batteria 30, in modo tale da generare una coppia che, trasmessa al braccio di sospensione 14 per mezzo del leveraggio 24, generi su detto braccio di sospensione 14 un?azione con una frequenza massima F>5Hz, tendente ad aumentare ulteriormente la distanza tra il mozzo 10 e la cassa di veicolo 9, fintantoch? la velocit? relativa tra il mozzo 10e la cassa di veicolo 9 non cambi segno, nel qual caso interrompere l?alimentazione elettrica dalla batteria 30 all?attuatore rotativo elettromeccanico 18, e far lavorare detto attuatore rotativo elettromeccanico 18 come generatore, trasmettendo la corrente elettrica prodotta alla batteria 30.
Per meglio comprendere la strategia di controllo sopra descritta, verr? di seguito illustrato un esempio di regolazione del moto della sospensione, con riferimento alle figure 7 e 8.
Si consideri un modello semplificato di sospensione del veicolo (esemplificativamente illustrato in figura 7), in cui la cassa del veicolo 9 e ciascuna ruota 11 del veicolo siano schematizzate con due masse, una massa superiore ed una inferiore rispettivamente, collegate tra di loro attraverso una molla 16 e un attuatore rotativo elettromeccanico 18 tra di loro meccanicamente in parallelo.
Si consideri lo scenario particolare, in cui la ruota vada ad impattare contro un ostacolo presente sulla strada, ad esempio un dosso artificiale. L?obiettivo della strategia di controllo (di per s? nota) ? quello di controllare in coppia e in posizione l?attuatore rotativo 18, in modo da mantenere sempre alla medesima quota verticale la cassa del veicolo 9, andando quindi a compensare l?inevitabile variazione di forza della molla 16 dovuta allo spostamento verticale della ruota 11 rispetto alla cassa del veicolo 9 nell?attraversamento dell?ostacolo.
Si indica con Fs la forza che la molla esercita sulla cassa del veicolo, considerata convenzionalmente positiva se diretta verso l?alto, e sulla ruota, considerata convenzionalmente positiva se diretta verso il basso, per il principio di azione e reazione. Si indica con V la velocit? verticale relativa tra cassa e ruota, considerata convenzionalmente positiva in estensione. Si indica con F la forza esercitata dall?attuatore rotativo sulla cassa, considerata convenzionalmente positiva se diretta verso il basso; per il principio di azione e reazione, l?attuatore rotativo esercita una forza F della stessa entit? sulla ruota, che viene considerata convenzionalmente positiva se diretta verso l?alto.
Con tali convenzioni sui segni, si consideri il noto diagramma forza F ? velocit? V in figura 8, in cui viene visualizzata la velocit? V e la forza F dell?attuatore. Il primo e il terzo quadrante (indicati dalle lettere romane I e III) sono per convenzione i tipici quadranti di funzionamento di un ammortizzatore, in cui un ammortizzatore tradizionale dissiperebbe l?energia cinetica della sospensione, e in cui l?attuatore rotativo elettromeccanico della presente invenzione smorza il moto della sospensione e contemporaneamente rigenera l?energia cinetica della sospensione in energia elettrica, realizzando quindi uno smorzamento rigenerativo e un flusso di energia elettrica dall?attuatore alla batteria. Il secondo e il quarto quadrante (indicati dalle lettere romane II e IV) sono per convenzione i quadranti di funzionamento non ammissibili per un ammortizzatore, poich? corrispondono ad un funzionamento attivo della sospensione, rispettivamente in compressione e in estensione; in questi due quadranti, l?attuatore rotativo elettromeccanico della presente invenzione causa il moto della sospensione determinando un assorbimento di energia elettrica dalla batteria, e realizzando quindi un flusso di energia elettrica dalla batteria all?attuatore.
I principali fenomeni che avvengono durante l?attraversamento dell?ostacolo possono essere cos? schematizzati. Nella fase 1 (prima configurazione da sinistra in figura 7) il veicolo si muove su strada liscia, la molla della sospensione regge il carico verticale dovuto al peso della cassa, la sospensione non si muove in verticale (V=0), e l?attuatore rotativo esercita una forza F nulla. Sul piano forza ? velocit? di figura 8, questa condizione corrisponde all?origine. Nella fase 2, in cui la ruota sale sull?ostacolo, la strategia di controllo ha l?obiettivo di mantenere la cassa alla stessa quota verticale che essa aveva nella fase 1. Poich? la ruota sale sull?ostacolo e si avvicina alla cassa, la sospensione ? in fase di compressione (V<0), la molla risulta essere pi? compressa di quanto non fosse nella fase 1 e quindi esercita sulla cassa una forza elastica addizionale Fs diretta verso l?alto. Per compensare questa forza Fs, l?attuatore rotativo deve esercitare sulla cassa una forza F uguale e opposta, diretta quindi verso il basso. Per il principio di azione e reazione, l?attuatore rotativo esercita sulla ruota una forza F uguale e opposta, diretta quindi verso l?alto. L?attuatore funziona nel secondo quadrante del grafico forza ? velocit? di figura 8, che corrisponde a un funzionamento attivo in compressione. In pratica, in questa fase l?attuatore ?aiuta? in maniera attiva la ruota a seguire il dosso, tirando la ruota verso la cassa, e senza che si abbia un effetto di spostamento della cassa stessa. Nel fare ci?, l?attuatore compie lavoro positivo sulla sospensione, visto che la forza F esercitata dall?attuatore sulla ruota e la velocit? verticale della ruota sono sempre di verso concorde durante questa fase (la velocit? verticale della cassa ? teoricamente nulla, quindi ? teoricamente nullo anche il lavoro della forza F che l?attuatore esercita sulla cassa). Si noti che in questa situazione di velocit? relativa V tra cassa e ruota negativa (compressione), un ammortizzatore si sarebbe opposto al moto relativo di compressione tra cassa e ruota, esercitando quindi una forza sulla cassa diretta verso l?alto che avrebbe favorito il movimento verso l?alto della cassa, e andando cos? a lavorare nel terzo quadrante del grafico forza ? velocit?.
Nella fase 3, in cui la ruota ha raggiunto l?apice dell?ostacolo, la strategia di controllo ha ancora l?obiettivo di mantenere la cassa alla stessa quota verticale che essa aveva nelle fasi 1 e 2. Poich? la ruota ? sull?apice dell?ostacolo, la sospensione ha velocit? relativa nulla (V=0), ma la molla risulta essere pi? compressa di quanto non fosse nella fase 2 e quindi incrementa il valore della forza elastica Fs esercitata sulla cassa verso l?alto. Per compensare questa aumentata forza Fs, l?attuatore rotativo deve a sua volta incrementare il valore della forza F che esso esercita verso il basso sulla cassa. Per il principio di azione e reazione, l?attuatore rotativo esercita sulla ruota una forza F uguale e opposta, diretta quindi verso l?alto. L?attuatore funziona a velocit? nulla esercitando una forza F positiva, quindi lavora sull?asse delle ordinate tra il primo e il secondo quadrante del grafico forza ? velocit? di figura 8, che corrisponde a un funzionamento attivo con velocit? nulla. In pratica, in questa fase l?attuatore continua a mantenere in maniera attiva la ruota sull?apice del dosso, senza che si abbia un effetto di spostamento verticale della cassa. Si noti che in questa situazione di velocit? relativa V tra cassa e ruota nulla, un ammortizzatore avrebbe reagito con una forza F nulla, andando cos? a lavorare nell?origine del grafico forza ? velocit?.
Infine, nella fase 4, in cui la ruota scende dall?ostacolo, ancora una volta la strategia di controllo ha l?obiettivo di mantenere la cassa alla stessa quota verticale che essa aveva nelle fasi da 1 a 3. Poich? la ruota scende dall?ostacolo e si allontana dalla cassa, la sospensione ? in fase di estensione (V>0), la molla risulta essere sempre compressa e quindi esercita sulla cassa una forza elastica Fs diretta verso l?alto. Per compensare questa forza Fs, l?attuatore rotativo deve esercitare sulla cassa una forza F uguale e opposta, diretta quindi verso il basso. Per il principio di azione e reazione, l?attuatore rotativo esercita sulla ruota una forza F uguale e opposta, diretta quindi verso l?alto. L?attuatore quindi funziona in estensione esercitando una forza F su cassa e ruota che si oppone all?estensione stessa, quindi l?attuatore sta funzionando da ammortizzatore nel primo quadrante del grafico forza ? velocit? di figura 8, che corrisponde a un funzionamento di smorzamento rigenerativo in estensione. Nel fare ci?, l?attuatore compie lavoro negativo sulla sospensione, visto che la forza F esercitata dall?attuatore sulla ruota e la velocit? verticale della ruota sono sempre di verso discorde durante questa fase (la velocit? verticale della cassa ? teoricamente nulla, quindi ? teoricamente nullo anche il lavoro della forza F che l?attuatore esercita sulla cassa). Durante questo funzionamento, l?attuatore rigenera quindi l?energia cinetica della sospensione in energia elettrica, con un flusso di energia elettrica che va dall?attuatore alla batteria.
Sulla base della spiegazione precedente, si comprende come l?attuatore rotativo passi dal funzionamento attivo al funzionamento di smorzamento rigenerativo sulla base della strategia di controllo della dinamica del veicolo sopra descritta.
Secondo una forma di attuazione, la fase di rilevare posizione e velocit? relative tra la cassa di veicolo 9 e il mozzo 10 ? attuata mediante un sensore di posizione angolare, integrato nella macchina elettrica 20 e atto a permetterne il controllo in coppia e velocit?.
Sono stati descritti diversi aspetti e forme di realizzazione di un veicolo e un metodo secondo l?invenzione. Si intende che ciascuna forma di realizzazione pu? essere combinata con qualsiasi altra forma di realizzazione. L?invenzione, inoltre, non ? limitata alle forme di realizzazione descritte, ma potr? essere variata entro l?ambito definito dalle rivendicazioni annesse.
Claims (14)
1. Veicolo, comprendente:
- una cassa di veicolo (9);
- almeno un mozzo (10), atto a supportare una ruota (11), in modo tale che la ruota (11) sia girevole attorno al mozzo (10); e
- una sospensione (12), che collega il mozzo (10) alla cassa di veicolo (9), in modo tale che il mozzo (10) sia oscillabile in senso verticale rispetto alla cassa di veicolo (9), detta sospensione (12) comprendendo:
- un braccio di sospensione (14), incernierato alla cassa di veicolo (9) e al mozzo (10);
- un mezzo elastico (16), atto a richiamare detto braccio di sospensione (14) verso una predeterminata posizione neutra di equilibrio di forze statiche rispetto alla cassa di veicolo (9);
- un attuatore rotativo elettromeccanico (18), collegato solidalmente alla cassa di veicolo (9) e comprendente una macchina elettrica (20) accoppiata ad un riduttore (22), il quale riduttore (22) include almeno uno stadio di riduzione (23a, 23b), che a sua volta include un albero di uscita (23c) avente il proprio asse di rotazione parallelo all?asse di cerniera del braccio di sospensione (14) alla cassa di veicolo (9);
- un leveraggio (24), atto a trasferire il moto dall?almeno uno stadio di riduzione (23a, 23b) a detto braccio di sospensione (14) mediante detto albero di uscita (23c) di detto stadio di riduzione (23a, 23b), detti leveraggio (24) e albero di uscita (23c) dello stadio di riduzione (23a, 23b) essendo configurati per evitare sostanzialmente di essere soggetti a deformazioni torsionali, flessionali, di trazione e di compressione;
- mezzi sensori (26), atti a rilevare parametri indicativi di un moto del braccio di sospensione (14); - una centralina elettronica (28), atta a controllare in coppia e posizione angolare la macchina elettrica (20) dell?attuatore rotativo elettromeccanico (18), in base a segnali trasmessi dai mezzi sensori (26); e
- una batteria (30), atta alternativamente ad alimentare l?attuatore rotativo elettromeccanico (18), e ricevere corrente elettrica dal medesimo; l?attuatore rotativo elettromeccanico (18) essendo operabile tra una condizione di regolazione attiva, in cui detto attuatore rotativo elettromeccanico (18) ? configurato per essere alimentato elettricamente dalla batteria (30) e trasmettere a detto braccio di sospensione (14), per il tramite del leveraggio (24), una forza che ? tale da causare il moto relativo di detto braccio di sospensione (14) rispetto alla cassa di veicolo (9), compiendo lavoro positivo sulla sospensione (12), e una condizione di smorzamento, in cui detto attuatore rotativo elettromeccanico (18) ? configurato per alimentare elettricamente la batteria (30) e trasmettere a detto braccio di sospensione (14), per il tramite del leveraggio (24), una forza che si oppone al moto relativo di detto braccio di sospensione (14) rispetto alla cassa di veicolo (9), compiendo lavoro negativo sulla sospensione (12);
detto attuatore rotativo elettromeccanico (18) essendo operabile tra dette condizioni di regolazione attiva e di smorzamento su comando della centralina elettronica (28), in modo tale rispettivamente da imprimere un moto a detto braccio di sospensione (14) di frequenza massima superiore a 5Hz, o smorzare un moto di detto braccio di sospensione (14) di frequenza massima superiore a 5Hz.
2. Veicolo secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre una coppia cilindrica (17), avente almeno due parti estensibili telescopicamente tra loro, una di dette parti avendo una estremit? collegata per mezzo di uno snodo a detto braccio di sospensione (14), e l?altra di dette parti avendo una estremit? collegata per mezzo di uno snodo alla cassa di veicolo (9).
3. Veicolo secondo la rivendicazione 2, in cui la coppia cilindrica (17) ? configurata per evitare sostanzialmente di esercitare un?azione smorzante del moto della sospensione.
4. Veicolo secondo la rivendicazione 2, in cui la coppia cilindrica (17) ? configurata per esercitare un?azione smorzante del moto della sospensione (12), la quale va a sommarsi all?azione smorzante generata dall?attuatore rotativo elettromeccanico (18).
5. Veicolo secondo la rivendicazione 4, in cui la coppia cilindrica (17) ? configurata come un tradizionale ammortizzatore automobilistico.
6. Veicolo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il mezzo elastico (16) ? collegato a una sua prima estremit? alla parte della coppia cilindrica (17) vincolabile alla cassa di veicolo (9), e a una sua seconda estremit? alla parte della coppia cilindrica (17) vincolata al braccio di sospensione (14), il leveraggio (24) essendo collegato a detta parte della coppia cilindrica (17) vincolata al braccio di sospensione (14).
7. Veicolo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il leveraggio (24) comprende una leva (24a), torsionalmente solidale all?albero di uscita (23c) dell?almeno uno stadio di riduzione (23a, 23b), e un?asta (24b), articolabile rispetto alla leva (24a) e incernierata ad un?estremit? al braccio di sospensione (14), oppure al mozzo (10), oppure alla parte della coppia cilindrica (17) vincolata al braccio di sospensione (14), dette leva (24a) e asta (24b) essendo sostanzialmente rigide a torsione, a flessione, a trazione e a compressione.
8. Veicolo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il riduttore (22) comprende un rotismo epicicloidale a pi? stadi, detto riduttore (22) essendo accolto in un alloggiamento dell?attuatore rotativo elettromeccanico (18) collegato solidalmente alla cassa di veicolo (9), ciascuno stadio (23a, 23b) di detto rotismo epicicloidale comprendendo un solare che ingrana i satelliti di un planetario, a loro volta ingrananti una corona radialmente esterna, detto rotismo epicicloidale essendo configurato in modo tale che l?ingresso di ciascuno stadio sia il planetario e l?uscita di ciascun stadio sia il solare, e in cui la corona esterna sia fissa in rotazione e solidale a detto alloggiamento dell?attuatore rotativo elettromeccanico (18).
9. Veicolo secondo la rivendicazione 8, in cui il riduttore (22) comprende un rotismo epicicloidale a due stadi, in cui il planetario del primo stadio ? collegato in modo torsionalmente rigido al leveraggio (24), e il solare del secondo stadio ? collegato in modo torsionalmente rigido all?albero della macchina elettrica (20).
10. Veicolo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l?attuatore rotativo elettromeccanico (18) ? collegato alla cassa di veicolo (9) tramite mezzi elastici e smorzanti (32).
11. Veicolo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la centralina elettronica (28) ? completamente integrata all?interno del dispositivo elettromeccanico (18), formando un prolungamento nella direzione assiale della macchina elettrica (20).
12. Veicolo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l?asse di rotazione dell?albero di uscita (23c) dello stadio di riduzione (23a, 23b) ? parallelo e non coincidente con l?asse di cerniera del braccio di sospensione (14) alla cassa di veicolo (9).
13. Metodo di regolazione del moto di una sospensione di veicolo, comprendente le fasi di:
a) predisporre un veicolo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 12;
b) rilevare, tramite i mezzi sensori (26), posizione e velocit? relative tra la cassa di veicolo (9) e il mozzo (10);
c) quando sia rilevato un movimento reciproco tra la cassa di veicolo (9) e il mozzo (10), mediante la centralina elettronica (28) controllare l?attuatore rotativo elettromeccanico (18) in modo tale che: c1) se il movimento del mozzo (10) sia tale che la distanza tra quest?ultimo e la cassa di veicolo (9) tenda a diminuire, rispetto alla distanza che detto mozzo (10) avrebbe da detta cassa di veicolo (9) in una condizione neutra di equilibrio di forze statiche della sospensione (12), alimentare l?attuatore rotativo elettromeccanico (18) con corrente elettrica dalla batteria (30), in modo tale da generare una coppia che, trasmessa al braccio di sospensione (14) per mezzo del leveraggio (24), generi su detto braccio di sospensione (14) un?azione con una frequenza massima F>5Hz, tendente a ridurre ulteriormente la distanza tra il mozzo (10) e la cassa di veicolo (9), fintantoch? la velocit? relativa tra il mozzo (10) e la cassa di veicolo (9) non cambi segno, nel qual caso interrompere l?alimentazione elettrica dalla batteria (30) all?attuatore rotativo elettromeccanico (18), e far lavorare detto attuatore rotativo elettromeccanico (18) come generatore, trasmettendo la corrente elettrica prodotta alla batteria (30); e
c2) se il movimento del mozzo (10) sia tale che la distanza tra quest?ultimo e la cassa di veicolo (9) tenda ad aumentare, rispetto alla distanza che detto mozzo (10) avrebbe da detta cassa di veicolo (9) in una condizione neutra di equilibrio di forze statiche della sospensione (12), alimentare l?attuatore rotativo elettromeccanico (18) con corrente elettrica dalla batteria (30), in modo tale da generare una coppia che, trasmessa al braccio di sospensione (14) per mezzo del leveraggio (24), generi su detto braccio di sospensione (14) un?azione con una frequenza massima F>5Hz, tendente ad aumentare ulteriormente la distanza tra il mozzo (10) e la cassa di veicolo (9), fintantoch? la velocit? relativa tra il mozzo (10) e la cassa di veicolo (9) non cambi segno, nel qual caso interrompere l?alimentazione elettrica dalla batteria (30) all?attuatore rotativo elettromeccanico (18), e far lavorare detto attuatore rotativo elettromeccanico (18) come generatore, trasmettendo la corrente elettrica prodotta alla batteria (30).
14. Metodo secondo la rivendicazione 13, in cui la fase (b) ? attuata mediante un sensore di posizione angolare, integrato nella macchina elettrica (20) e atto a permetterne il controllo in coppia e velocit?.
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