单筒锥齿轮式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单筒锥齿轮式磁流变液力感反馈装置及其使用方法，单筒锥齿轮式磁流变液力感反馈装置包括：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。本发明专利技术采用锥齿轮换向装置使得本发明专利技术的装置总重量轻，降低制造成本，且易于成型、易于装配，从而解决装置结构复杂、振动噪声大、成本高的缺点。

Single cylinder bevel gear type magnetorheological fluid force feedback device and its using method

The invention discloses a single cylindrical bevel gear type magnetorheological fluid induction feedback device and its use method. The single cylindrical bevel gear type magnetorheological fluid induction feedback device comprises a force induction simulation system, a force induction control system, a force induction generation system, a reversing system and a power supply system. The bevel gear reversing device adopted in the invention makes the total weight of the device light, reduces the manufacturing cost, and is easy to form and assemble, thereby solving the disadvantages of complex structure, high vibration and noise and high cost of the device.

【技术实现步骤摘要】
单筒锥齿轮式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
，涉及一种单筒锥齿轮式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，因此本专利提出了一种单筒行星齿轮式磁流变液力感反馈装置，主要区别在于力感的方向控制由电机带动反向旋转的行星齿轮系统完成，力感的大小控制由励磁线圈控制磁流变液黏度完成，在一定程度上消除了传统力矩电机直连方案的延迟和抖动，能保证力矩准确反馈，又能克服力矩电机的一系列不足。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单筒锥齿轮式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、机械连接装置复杂以及噪声大、成本高的问题。本专利技术所采用的技术方案是，单筒锥齿轮式磁流变液力感反馈装置，包括支架，支架上依次设有轴承支座、转角及转矩传感器、励磁线圈和电机，方向盘和转向柱刚性连接，转向柱通过轴承固定到轴承支座上，转向柱通过联轴器与转角及转矩传感器刚性连接，滚筒设置在支架中部，转角及转矩传感器通过联轴器与输出轴刚性连接，输出轴通过键与输出端盖板相连接，电机通过联轴器与输入轴的一端刚性连接，输入轴的另一端通过键与半通孔大锥齿轮连接，半通孔大锥齿轮齿轮咬合换向小锥齿轮，输入轴上设有锥齿轮连接T形轴，锥齿轮连接T形轴两端穿过换向小锥齿轮并通过拧紧端盖与其螺纹连接，输入轴靠近电机的一端与通孔大锥齿轮连接，滚筒通过螺丝和密封垫圈与输入端盖板和输出端盖板的上下两侧相连接，半通孔大锥齿轮与输出端盖板之间形成封闭空间，通孔大锥齿轮与输入端盖板之间形成封闭空间，两个封闭空间设有磁流变液，两个封闭空间外部均设有励磁线圈，输入轴上设有第一套筒和第二套筒，第一套筒置于磁流变液与输入轴之间，第二套筒置于半通孔大锥齿轮和锥齿轮连接T形轴之间，输入端盖板通过螺丝与密封垫片和密封端盖相连接，密封端盖与输入轴的连接处设有毡圈，滚筒通过O形密封圈与半通孔大锥齿轮和通孔大锥齿轮相连接，转角及转矩传感器通过信号线分别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、电流发生器和励磁线圈相连接，电机控制器通过信号线依次与电机驱动器、电机相连接。进一步的，电源通过供电线分别与电机、转角及转矩传感器、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。进一步的，所述第一套筒和第二套筒均能够相对于输入轴自由转动。进一步的，所述电流发生器设有两个通道。本专利技术的另一种技术方案是，单筒锥齿轮式磁流变液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，回正力矩由主销倾角和位移及接地面分布的微元侧反力引起，MA＝QDsinβsinδ，My＝Fy(ξ·+ξ··)，其中，MA为主销内倾引起的路面对车轮的转向力矩，Q为转向轮负载，D为主销位移，β为主销内倾角，δ为车轮转角，My为主销后倾引起的力矩，Fy为轮胎侧向力，ξ·为轮胎拖距，ξ··为主销后倾拖距，m为整车质量，v为车辆速度，b为从质心到后桥的距离，R为转向半径，L为轴距，阻尼力矩由转向系统和地面摩擦引起MD＝Bs·θ+Q·f·sign(θ)，其中，Bs为转向系统中转向轴的阻尼系数，θ为方向盘转角，f是地面摩擦系数，sign(θ)表示摩擦力矩方向与方向盘转动方向相反，因此，理论方向盘力矩可表示为：Ml＝F(θ)＝(MA+My)/i+(MD-Bs·θ)/i+Bs·θ，得出理论方向盘力矩的大小以及方向，并将理论方向盘力矩的大小以及方向传递给磁流变液控制器；步骤二、磁流变液控制器根据Ml＝F(θ)＝(MA+My)/i+(MD-Bs·θ)/i+Bs·θ得出理论方向盘力矩，方向与方向盘的转角相反，决策出应该向哪个励磁线圈供电并提供所供的电流大小，磁流变液产生的剪切应力τ0＝1150B4-2140B3+1169B2-64B+0.8，其中，B为磁感应强度，B＝μH，其中，μ为磁导率，H为磁场强度，由安培环路定理Hl＝NI，其中N为励磁线圈的圈数，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Ml的数值和实际力矩M的数值进行反馈调节，反馈力矩补偿量ΔM＝Ml-M，确保最终传递给驾驶员的力矩与理论方向盘力矩相等；步骤三、电机控制器通过电机驱动器控制电机维持等速旋转，通孔大锥齿轮和半通孔大锥齿轮作为主动源被电机驱动并被换向小锥齿轮换向，始终维持等速反向旋转，通孔大锥齿轮/半通孔大锥齿轮则能够通过磁流变液的剪切力将通孔大锥齿轮/半通孔大锥齿轮的驱动力矩传递给输出端盖板/输入断盖板与滚筒，确保随时输出力矩，根据其中，r为通孔大锥齿轮/半通孔大锥齿轮与磁流变液接触面的半径，τ0为磁流变液产生的剪切应力，输出端盖板和输入断盖板被磁流变液紧贴覆盖，随时准备接收通孔大锥齿轮/半通孔大锥齿轮的驱动力矩并通过转角及转矩传感器传递给方向盘，一侧通孔大锥齿轮/半通孔大锥齿轮工作时，另一侧半通孔大锥齿轮/通孔大锥齿轮进行空转其对应的励磁线圈没有电流。本专利技术的有益效果是，与现有技术相比，消除了传统力感反馈装置直接力矩控制的延迟和抖动，由于是采用液力传动的方式，因此传力过程更柔和，还提高了力感反馈的响应时间与准确度，同时对于已有的力感反馈的产品来讲，本专利技术着重提高专利技术的使用寿命与装置搭建的简易性，由于换向装置常处于磁流变液中，并且位于滚筒内部，采用锥齿轮换向装置的可以使得本专利技术的使用寿命变长，同时提高负荷承载力，耐化学和腐蚀性强，此外还有降噪和减震的作用，最为重要的是采用锥齿轮换向装置使得本专利技术总重量轻，降低制造成本，且易于成型、易于装配，从而解决装置结构复杂、振动噪声大、成本高的缺点。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是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.单筒锥齿轮式磁流变液力感反馈装置，其特征在于，包括支架(18)，支架(18)上依次设有轴承支座(4)、转角及转矩传感器(27)、励磁线圈(10)和电机(17)，方向盘(1)和转向柱(2)刚性连接，转向柱(2)通过轴承(3)固定到轴承支座(4)上，转向柱(2)通过联轴器(5)与转角及转矩传感器(27)刚性连接，滚筒(12)设置在支架(18)中部，转角及转矩传感器(27)通过联轴器与输出轴(6)刚性连接，输出轴(6)通过键(7)与输出端盖板(8)相连接，电机(17)通过联轴器与输入轴(19)的一端刚性连接，输入轴(19)的另一端通过键与半通孔大锥齿轮(26)连接，半通孔大锥齿轮(26)齿轮咬合换向小锥齿轮(23)，输入轴(19)上设有锥齿轮连接T形轴(24)，锥齿轮连接T形轴(24)两端穿过换向小锥齿轮(23)并通过拧紧端盖(13)与其螺纹连接，输入轴(19)靠近电机(17)的一端与通孔大锥齿轮(22)连接，滚筒(12)通过螺丝和密封垫圈(9)与输入端盖板(14)和输出端盖板(8)的上下两侧相连接，半通孔大锥齿轮(26)与输出端盖板(8)之间形成封闭空间，通孔大锥齿轮(22)与输入端盖板(14)之间形成封闭空间，两个封闭空间设有磁流变液，两个封闭空间外部均设有励磁线圈(10)，输入轴(19)上设有第一套筒(21)和第二套筒(25)，第一套筒(21)置于磁流变液与输入轴(19)之间，第二套筒(25)置于半通孔大锥齿轮(26)和锥齿轮连接T形轴(24)之间，输入端盖板(14)通过螺丝与密封垫片(15)和密封端盖(16)相连接，密封端盖(16)与输入轴(19)的连接处设有毡圈(20)，滚筒(12)通过O形密封圈(11)与半通孔大锥齿轮(26)和通孔大锥齿轮(22)相连接，转角及转矩传感器(27)通过信号线分别与力感控制器(28)和磁流变液控制器(31)连接，力感控制器(28)通过信号线依次与磁流变液控制器(31)、电流发生器(32)和励磁线圈(10)相连接，电机控制器(29)通过信号线依次与电机驱动器(30)、电机(17)相连接。...

【技术特征摘要】
1.单筒锥齿轮式磁流变液力感反馈装置，其特征在于，包括支架(18)，支架(18)上依次设有轴承支座(4)、转角及转矩传感器(27)、励磁线圈(10)和电机(17)，方向盘(1)和转向柱(2)刚性连接，转向柱(2)通过轴承(3)固定到轴承支座(4)上，转向柱(2)通过联轴器(5)与转角及转矩传感器(27)刚性连接，滚筒(12)设置在支架(18)中部，转角及转矩传感器(27)通过联轴器与输出轴(6)刚性连接，输出轴(6)通过键(7)与输出端盖板(8)相连接，电机(17)通过联轴器与输入轴(19)的一端刚性连接，输入轴(19)的另一端通过键与半通孔大锥齿轮(26)连接，半通孔大锥齿轮(26)齿轮咬合换向小锥齿轮(23)，输入轴(19)上设有锥齿轮连接T形轴(24)，锥齿轮连接T形轴(24)两端穿过换向小锥齿轮(23)并通过拧紧端盖(13)与其螺纹连接，输入轴(19)靠近电机(17)的一端与通孔大锥齿轮(22)连接，滚筒(12)通过螺丝和密封垫圈(9)与输入端盖板(14)和输出端盖板(8)的上下两侧相连接，半通孔大锥齿轮(26)与输出端盖板(8)之间形成封闭空间，通孔大锥齿轮(22)与输入端盖板(14)之间形成封闭空间，两个封闭空间设有磁流变液，两个封闭空间外部均设有励磁线圈(10)，输入轴(19)上设有第一套筒(21)和第二套筒(25)，第一套筒(21)置于磁流变液与输入轴(19)之间，第二套筒(25)置于半通孔大锥齿轮(26)和锥齿轮连接T形轴(24)之间，输入端盖板(14)通过螺丝与密封垫片(15)和密封端盖(16)相连接，密封端盖(16)与输入轴(19)的连接处设有毡圈(20)，滚筒(12)通过O形密封圈(11)与半通孔大锥齿轮(26)和通孔大锥齿轮(22)相连接，转角及转矩传感器(27)通过信号线分别与力感控制器(28)和磁流变液控制器(31)连接，力感控制器(28)通过信号线依次与磁流变液控制器(31)、电流发生器(32)和励磁线圈(10)相连接，电机控制器(29)通过信号线依次与电机驱动器(30)、电机(17)相连接。2.根据权利要求1所述的单筒锥齿轮式磁流变液力感反馈装置，其特征在于，电源(33)通过供电线分别与电机(17)、转角及转矩传感器(27)、力感控制器(28)、电机控制器(29)、电机驱动器(30)、磁流变液控制器(31)、电流发生器(32)相连接。3.根据权利要求1所述的单筒锥齿轮式磁流变液力感反馈装置，其特征在于，所述第一套筒(21)和第二套筒(25)均能够相对于输入轴(19)自由转动。4.根据权利要求1所述的单筒锥齿轮式磁流变液力感反馈装置，其特征在于，所述电流发生器(32)设有两个通道。5.一种如权利要求1-4任何一项所述的单筒锥齿轮式磁流变液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...

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