锥齿轮磁流变液力感反馈装置及其使用方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种锥齿轮磁流变液力感反馈装置及其使用方法，锥齿轮磁流变液力感反馈装置包括力感模拟系统、力感控制系统、力感产生系统、换向系统和供电系统。本发明专利技术的锥齿轮机构为正反转转速相等，锥齿轮结构简单，安装方便，制造成本低，由于惰轮固定在支架上，因此工作稳定，且锥齿轮结构对内外套筒的支撑较好，机构的同轴度精度较高。

Bevel gear magnetorheological fluid force feedback device and its using method

The invention discloses a bevel gear magnetorheological fluid force induction feedback device and its use method. The bevel gear magnetorheological fluid force induction feedback device includes force induction simulation system, force induction control system, force induction generation system, commutation system and power supply system. The bevel gear mechanism of the invention has the advantages of equal forward and reverse rotational speed, simple bevel gear structure, convenient installation, low manufacturing cost, stable operation because the idler wheel is fixed on the bracket, good support for the inner and outer sleeves of the bevel gear structure, and high coaxiality precision of the mechanism.

【技术实现步骤摘要】
锥齿轮磁流变液力感反馈装置及其使用方法
本专利技术属于汽车电控及智能化领域，涉及一种锥齿轮磁流变液力感反馈装置及其使用方法。
技术介绍
传统车辆道路试验具有成本高、时间长、场地条件有限以及极限工况易发生事故等缺点，采用汽车驾驶模拟系统替代传统车辆道路试验是目前的主流趋势。成熟的驾驶模拟系统能较为真实地反映出车辆运动状态、道路条件、周围环境以及各种体感、力感，极大地降低了车辆道路试验资金成本、时间成本和人力成本。其中准确的方向盘力感反馈是必不可少的，其很大程度上决定了驾驶员能否按照给定的路线或者驾驶意图做出相应的操作，对驾驶员的操作决策至关重要。传统的力感反馈装置主要由力矩电机配合减速机构组成，但它存在控制不平顺、延迟和抖动大、机械连接装置复杂以及容易出现电机卡死等缺点。现有技术中有的能解决等速旋转换向的问题，但是由于其机械结构与气动式的动力来源，换向延迟较大。行星齿轮虽然可以快速换向，但是没办法实现等速换向，因此在一些对等速要求比较严格的工况没法使用。申请号为201410021814.3，专利技术名称为“把手快速换向机构”，公开日为2014年5月14日，提出了一种把手快速换向结构，该专利技术为平动换向。申请号为201310329852.0，专利技术名称为“一种快速换向系统”，公开日为2015年2月11日，申请提出一种快速换向系统，该专利技术的快速换向结构使用机械结构，换向时间较长。磁流变液是一种智能材料，是将微米尺寸的磁极化颗粒分散于非磁性液体(矿物油、硅油等)中形成的悬浮液。在零磁场情况下磁流变液可以自由流动，表现出牛顿流体的行为，其表观黏度很小；在外加磁场作用下可在短时间(毫秒级)内表观黏度增加几个数量级以上，并呈现类固体特性，具有一定的抗剪切屈服应力，而且这种变化是连续的、可逆的，即去掉磁场后又恢复到原来的流动状态，并且这种特性受外界其他因素(如温度)影响很小。磁流变液的磁流变效应，为它在工程实际中提供了广泛的应用前景。
技术实现思路
为实现上述目的，本专利技术提供一种锥齿轮磁流变液力感反馈装置及其使用方法，解决了现有技术中力感反馈装置延迟抖动以及控制不平顺、机械连接装置复杂、无法完成正反向等速旋转以及容易卡死的问题。本专利技术所采用的技术方案是，锥齿轮磁流变液双转筒力感反馈装置，包括托架，托架上依次设有轴承支座、转角及转矩传感器、外励磁线圈、惰轮轴承支架和电机，转向柱通过转向柱轴承固定在轴承支架上，方向盘与转向柱刚性连接，转向柱通过联轴器与转角及转矩传感器的一端相连接，转角及转矩传感器的另一端通过联轴器与隔磁套筒相连接，隔磁套筒通过隔磁套筒轴承连接到轴承支架上，电机的输出端通过联轴器与锥齿轮及与其固连的小套筒固定连接，锥齿轮及与其固连的小套筒通过小套筒轴承固定连接到托架的轴承支架上，锥齿轮及与其固连的小套筒通过两个内轴承和两个支撑轴承连接到隔磁套筒，锥齿轮及与其固连的小套筒与隔磁套筒之间充满磁流变液其连接处设有内密封圈，内励磁线圈分别缠绕在隔磁套筒中间轴的两侧上，惰轮通过惰轮轴承固定连接在惰轮轴承支架上，锥齿轮及与其固连的小套筒上的锥齿轮通过两个惰轮与锥齿轮及与其固连的大套筒上的锥齿轮啮合，锥齿轮及与其固连的大套筒通过两个外轴承连接到隔磁套筒，锥齿轮及与其固连的大套筒与隔磁套筒之间充满磁流变液其连接处设有外密封圈，外励磁线圈分别缠绕于隔磁套筒外周的两侧；转角及转矩传感器通过信号线与力感控制器和磁流变液控制器连接，力感控制器通过信号线依次与磁流变液控制器、电流发生器和外励磁线圈/内励磁线圈连接，电机控制器通过信号线依次与电机驱动器和电机连接。进一步的，所述外励磁线圈和内励磁线圈缠绕方向不同。进一步的，电源通过供电线分别与转角及转矩传感器、电机、力感控制器、电机控制器、电机驱动器、磁流变液控制器、电流发生器相连接。本专利技术所采用的另一种技术方案是，锥齿轮磁流变液双转筒力感反馈装置的使用方法，具体按照以下步骤进行：步骤一、在驾驶过程中转动方向盘，转角及转矩传感器检测方向盘转角的大小以及方向并将其传递给力感控制器，回正力矩由主销内倾回正力矩MA和轮胎拖距回正力矩MY组成，MA＝QDsinβsinδ，Q＝mg·b/L，其中，MA为主销内倾回正力矩，Q为轮胎载荷，D为主销内移距离，β为主销内倾角，δ为前轮转角，m为车辆质量，g为重力加速度，b为车辆质心至后轴的距离，L为轴距；MY＝FY(ξ'+ξ”)，其中，MY为轮胎拖距回正力矩，FY为侧向力，ξ'为气胎拖距，ξ”为后倾拖距，v为车速，R为转弯半径，k2为后轮侧倾刚度，k1为前轮侧倾刚度，a为车辆质心至前轴的距离，阻尼力矩MD＝Bs·δs+Q·f·sign(δs)，其中，Bs为转向系统折算至转向柱的阻尼系数，δs为方向盘转角，f为轮胎与地面摩擦系数，sign表示取符号算子；理论方向盘力矩其中，i为转向系统传动比，p为助力系统助力系数，F(δs)为理论方向盘力矩与方向盘转角δs之间的函数，力感控制器得出理论方向盘力矩的大小以及方向并传递给磁流变液控制器；步骤二、电机控制器通过电机驱动器控制电机维持旋转，隔磁套筒被磁流变液包围，随时准备接收转筒的驱动力矩并通过转角及转矩传感器传递给方向盘，τ0＝1150B4-2140B3+1169B2-64B+0.8，其中，T1为隔磁套筒和锥齿轮及与其固连的小套筒之间实际输出的力矩，T2为隔磁套筒和锥齿轮及与其固连的大套筒之间实际输出的力矩；L1为有效工作长度；R1为锥齿轮及与其固连的小套筒工作半径；R2为隔磁套筒的有效工作半径；R3为锥齿轮及与其固连的大套筒工作半径；τ0为磁流变液剪切磁致应力；最终接收哪一个转筒的驱动力矩由磁流变液的黏度决定该套转筒系统则能够将与锥齿轮及与其固连的套筒的驱动力矩传递给隔磁套筒，最终传递给驾驶员，一套转筒系统工作的同时另一套的励磁线圈没有电流，进行空转；步骤三、磁流变液控制器根据理论方向盘力矩M1的大小得出励磁线圈的理论电流大小，根据理论方向盘力矩的方向得出应该向哪个励磁线圈供电，τ0＝1150B4-2140B3+1169B2-64B+0.8，其中，B为磁感应强度；μ为介质磁导率，N为励磁线圈匝数，I为励磁线圈电流，l为磁路长度，然后通过电流发生器予以执行；磁流变液控制器还能接收转角及转矩传感器输出的转矩信号，根据理论方向盘力矩的数值和实际力矩的数值进行反馈调节，ΔT＝M1-T，其中，T为锥齿轮及其固连的套筒与隔磁套筒间实际方向盘反馈力矩，ΔT为反馈力矩补偿量，确保最终传递给驾驶员的力矩与理论方向盘力矩相等。本专利技术的有益效果是，与现有技术相比，本专利技术力感的方向控制由电机带动等速反向旋转的锥齿轮系统完成，锥齿轮机构为正反转转速相等，锥齿轮结构简单，安装方便，制造成本低，由于惰轮固定在支架上，因此工作稳定，且锥齿轮结构对内外套筒的支撑较好，机构的同轴度精度较高。锥齿轮结构还能够应用于其他的快速换向结构中，使换向延迟达到毫秒级，该结构不仅可以用于力感反馈装置，还可以用于其他装置。本专利技术不仅可以达到快速等速换向的效果，还可以控制换向后的力矩大小。本专利技术还具有可调节的功能。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.锥齿轮磁流变液双转筒力感反馈装置，其特征在于，包括托架(10)，托架(10)上依次设有轴承支座(2)、转角及转矩传感器(4)、外励磁线圈(5)、惰轮轴承支架(12)和电机(9)，转向柱(13)通过转向柱轴承(14)固定在轴承支架(2)上，方向盘(1)与转向柱(13)刚性连接，转向柱(13)通过联轴器(3)与转角及转矩传感器(4)的一端相连接，转角及转矩传感器(4)的另一端通过联轴器与隔磁套筒(24)相连接，隔磁套筒(24)通过隔磁套筒轴承(15)连接到轴承支架上，电机(9)的输出端通过联轴器与锥齿轮及与其固连的小套筒(8)固定连接，锥齿轮及与其固连的小套筒(8)通过小套筒轴承(22)固定连接到托架(10)的轴承支架上，锥齿轮及与其固连的小套筒(8)通过两个内轴承(18)和两个支撑轴承(23)连接到隔磁套筒(24)，锥齿轮及与其固连的小套筒(8)与隔磁套筒(24)之间充满磁流变液(20)其连接处设有内密封圈(21)，内励磁线圈(19)分别缠绕在隔磁套筒(24)中间轴的两侧上，惰轮(7)通过惰轮轴承(11)固定连接在惰轮轴承支架(12)上，锥齿轮及与其固连的小套筒(8)上的锥齿轮通过两个惰轮(7)与锥齿轮及与其固连的大套筒(6)上的锥齿轮啮合，锥齿轮及与其固连的大套筒(6)通过两个外轴承(17)连接到隔磁套筒(24)，锥齿轮及与其固连的大套筒(6)与隔磁套筒(24)之间充满磁流变液(20)其连接处设有外密封圈(16)，外励磁线圈(5)分别缠绕于隔磁套筒(24)外周的两侧；转角及转矩传感器(4)通过信号线与力感控制器(27)和磁流变液控制器(28)连接，力感控制器(27)通过信号线依次与磁流变液控制器(28)、电流发生器(29)和外励磁线圈(5)/内励磁线圈(19)连接，电机控制器(26)通过信号线依次与电机驱动器(25)和电机(9)连接。...

【技术特征摘要】
1.锥齿轮磁流变液双转筒力感反馈装置，其特征在于，包括托架(10)，托架(10)上依次设有轴承支座(2)、转角及转矩传感器(4)、外励磁线圈(5)、惰轮轴承支架(12)和电机(9)，转向柱(13)通过转向柱轴承(14)固定在轴承支架(2)上，方向盘(1)与转向柱(13)刚性连接，转向柱(13)通过联轴器(3)与转角及转矩传感器(4)的一端相连接，转角及转矩传感器(4)的另一端通过联轴器与隔磁套筒(24)相连接，隔磁套筒(24)通过隔磁套筒轴承(15)连接到轴承支架上，电机(9)的输出端通过联轴器与锥齿轮及与其固连的小套筒(8)固定连接，锥齿轮及与其固连的小套筒(8)通过小套筒轴承(22)固定连接到托架(10)的轴承支架上，锥齿轮及与其固连的小套筒(8)通过两个内轴承(18)和两个支撑轴承(23)连接到隔磁套筒(24)，锥齿轮及与其固连的小套筒(8)与隔磁套筒(24)之间充满磁流变液(20)其连接处设有内密封圈(21)，内励磁线圈(19)分别缠绕在隔磁套筒(24)中间轴的两侧上，惰轮(7)通过惰轮轴承(11)固定连接在惰轮轴承支架(12)上，锥齿轮及与其固连的小套筒(8)上的锥齿轮通过两个惰轮(7)与锥齿轮及与其固连的大套筒(6)上的锥齿轮啮合，锥齿轮及与其固连的大套筒(6)通过两个外轴承(17)连接到隔磁套筒(24)，锥齿轮及与其固连的大套筒(6)与隔磁套筒(24)之间充满磁流变液(20)其连接处设有外密封圈(16)，外励磁线圈(5)分别缠绕于隔磁套筒(24)外周的两侧；转角及转矩传感器(4)通过信号线与力感控制器(27)和磁流变液控制器(28)连接，力感控制器(27)通过信号线依次与磁流变液控制器(28)、电流发生器(29)和外励磁线圈(5)/内励磁线圈(19)连接，电机控制器(26)通过信号线依次与电机驱动器(25)和电机(9)连接。2.根据权利要求1所述的锥齿轮磁流变液双转筒力感反馈装置，其特征在于，所述外励磁线圈(5)和内励磁线圈(19)缠绕方向不同。3.根据权利要求1所述的锥齿轮磁流变液双转筒力感反馈装置，其特征在于，电源(30)通过供电线分别与转角及转矩传感器(4)、电机(9)、力感控制器(27)、电机控制器(26)、电机驱动器(25)、磁流变液控制器(28)、电流发生器(29)相连接。4.一种如权利要求1-3任何一项所述的锥齿轮磁流变液双转筒力感反馈装置的使用方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：步骤一、在驾驶过程中转动方向盘(1)，转角及转矩传感器(4)检测方向盘(1)转角的大小以及方向并将其传递给力感控制器(27)，回正力矩由主销内倾...

【专利技术属性】
技术研发人员：张素民，仲首任，姜玉瑶，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22