CN102435452A - 一种汽车转向机器人的方向盘操纵装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种汽车转向机器人的方向盘操纵装置，包括夹紧盘机构、电机和固定杆系；所述夹紧盘机构包括活动圆盘、支撑盘和三组摆杆结构，所述支撑盘的直径大于方向盘的直径，其边缘设有卡固装置；距所述活动圆盘中心等半径的圆周上等弧度的开有三个相同的圆弧滑槽，轴位螺钉穿过所述圆弧滑槽与支撑盘连接，所述支撑盘与所述活动圆盘共轴；每组所述摆杆结构包括连杆和摆杆，其规格和连接方式相同且相邻的夹角为120度；所述电机固连于所述支撑盘上，其中轴线与所述夹紧盘机构的中轴线的重合；所述固定杆系两端分别与电机和吸盘连接。该装置能适应不同尺寸的方向盘，将电机的驱动扭矩有效地传递给方向盘，且安装简单，不破坏汽车原有结构。

Description

一种汽车转向机器人的方向盘操纵装置

技术领域

本发明涉及一种汽车用辅助装置，尤其涉及一种转向机器人的汽车方向盘操纵装置。

背景技术

转向机器人的功能是在汽车操纵稳定性试验或其他涉及到汽车转向系统的试验中代替试验人员操纵方向盘，用电机控制器控制电机的力矩输出，实现汽车特定的行驶状态，通过传感器测量各种数据（如汽车的侧向加速度、方向盘抖动频率等），完全客观的得出对汽车操纵稳定性及其他相关性能的评价，这样就可以消除驾驶员驾驶技术的差异对试验结果的影响。

在转向机器人的开发中，需要解决的首要问题是设计一种机构刚性连结方向盘和电机，同时保证方向盘回转轴线与电机轴线重合，以实现电机对方向盘的驱动。如果方向盘与电机直接没有足够的位置精度保证，电机的驱动力矩就不能有效的传递给方向盘，甚至造成电机的损坏。汽车在行驶过程中，由于路面的不平度、汽车加速、转向等因素，方向盘呈现出复杂的运动和受力情况，因而方向盘与电机的连结要具备足够的强度和刚度。

作为一种试验装置，这种机构应具有结构简易、安装方便的特点，同时不破坏汽车转向系统原有结构。现有的实现类似功能的装置（如汽车主动转向系统）是在汽车转向系中加入驱动总成（通常是在转向柱上串联或并联电机驱动总成），这样势必会破坏汽车的原有结构，安装复杂，不适用于对整车的试验评价。

在转向试验过程中，驾驶员也在车厢中进行必要的操作，因而方向盘操纵装置要为驾驶员留出富足的驾乘空间、无障碍的驾驶视野以及紧急情况下的逃生路线，主要包括驾驶员与方向盘或方向盘操纵装置间有合理的距离以方便驾驶员进出车厢，方向盘下方有足够的空间容纳驾驶员对油门踏板等的操纵，驾驶员对车辆前方、后视镜的视线没有阻挡，以及在驾驶员打开车门下车的路线上没有阻碍等。

发明内容

本发明的目的是提出一种连接方向盘与驱动电机的装置，该装置能适应不同尺寸的方向盘，将电机的驱动扭矩有效地传递给方向盘，且安装简单，不破坏汽车原有结构。

本发明的技术方案是：一种汽车转向机器人的方向盘操纵装置，包括夹紧盘机构、电机和固定杆系；所述夹紧盘机构包括活动圆盘、支撑盘和三组摆杆结构，所述支撑盘的直径大于方向盘的直径，其边缘设有卡固装置；距所述活动圆盘中心等半径的圆周上等弧度的开有三个相同的圆弧滑槽，轴位螺钉穿过所述圆弧滑槽与支撑盘连接，所述支撑盘与所述活动圆盘共轴；每组所述摆杆结构包括连杆和摆杆，其规格和连接方式相同且相邻的夹角为120度，所述摆杆的一端以转动副的形式连接在所述支撑盘上，另一端以转动副的形式连接抓紧装置，所述连杆一端以转动副的形式连接在所述活动圆盘上，另一端以转动副的形式连接在所述摆杆上；所述电机固连于所述支撑盘上，其中轴线与所述夹紧盘机构的中轴线的重合；所述固定杆系包括横杆、斜杆和纵杆，所述横杆的一端与套在电机轴上的连结块刚性连结，另一端以转动副的形式连结斜杆，所述斜杆的另一端以转动副的形式连结纵杆，所述纵杆的另一端以转动副的形式连结于吸盘上。

进一步，所述卡固结构为三个，等角度设置于支撑盘的边缘，所述卡固结构包括卡勾和固定螺钉。

进一步，所述抓紧装置包括抓手和卡圈，所述抓手由薄铁片组成。

进一步，所述转动副是螺母和螺栓的结构。

本发明的有益效果是：

支撑盘通过三个卡固结构定位方向盘的回转轴线，活动圆盘与夹紧盘机构通过圆弧滑槽连接，保证活动圆盘可以相对支撑盘在圆弧滑槽范围内轴向运动；电机与夹紧盘机构的固联也要保证二者中轴线的重合，同时通过一套固定杆系固定电机的定子部分以保证电机的正常工作；将电机轴固定，通过电机壳体的旋转带动方向盘，以减少装置悬置部分的质量，降低汽车在行驶过程中惯性力和冲击载荷对连结精度、强度的影响，以便采用简单的、易于布置的固定装置

固定杆系的三段杆之间的角度可以调整，纵杆的回转轴与吸盘的连结角度也可以调整，从而适应由电机安装位置以及其他试验具体情况决定的固定杆系的不同安装角度。当由于汽车震动、电机工艺精度等因素造成的电机轴偏心时，固定杆系可以适应电机轴的径向窜动而摆动，防止产生过分约束。同时，横杆只会相对于电机轴线偏转很小的角度，不干扰电机扭矩的传递。采用这样的电机轴固定方式，结构简单，装置质量小，不用精确定位固定端吸盘与方向盘的相对位置，易于布置、安装；占用空间小，不干扰驾驶员、乘客的驾乘空间、驾驶视野。

附图说明

图1.夹紧盘机构示意图；

图2.支撑盘-活动圆盘配合示意图；

图3.夹紧盘与方向盘连接示意图；

图4.夹紧盘机构装配示意图；

    图5.电机与夹紧盘机构连接示意图；

图6.安装电机示意图；

图7.电机轴固定示意图；

图8.固定杆系装配示意图；

图9.发明装置总示意图；

    附图标记的名称：1-方向盘，2-连杆，3-活动圆盘，4-螺栓A，5-卡勾，6-支撑盘，7-摆杆，8-卡圈A，9-抓手，10-轴位螺钉，11-螺钉A，12-支撑座，13-金属片，14-螺钉B，15-电机，16-螺钉C，17-连结块，18-横杆，19-螺母A，20-斜杆，21-螺母B，22-螺栓B，23-纵杆，24-固定座，25-吸盘，26-卡圈B；A-圆弧滑槽，B-光轴，C-中心孔。

具体实施方式

本发明的装置包括夹紧盘机构、电机15和固定杆系。夹紧盘机构如图1所示，主要由三组曲柄摆杆子机构和一个支撑盘6组成。三组曲柄摆杆机构相互成夹角120度，而且机构尺寸相同，其三个曲柄由一个活动圆盘3代替，其运动轨迹为同一个圆，因此随着活动圆盘相对于支撑盘的转动，即三个曲柄同步转动。摆杆结构由连杆2、摆杆7组成，摆杆7的一端以转动副的形式连接在支撑盘6上，另一自由端与抓手9连接，连杆2一端以转动副的形式连接在活动圆盘3上，另一端以转动副的形式连接在摆杆7上。当转动活动圆盘3时，三个摆杆7自由端同步地远离或靠近支撑盘6中心，而且三个自由端到支撑盘6中心的距离始终相等。当三个摆杆自由端的抓手9同时顶住方向盘1内侧时，依据三点定圆原理，即可确定方向盘1中心，且与活动圆盘3中心重合。

如图2，活动圆盘3与支撑盘6之间的转动靠支撑盘的中心孔C与活动圆盘上的光轴B之间的配合实现，活动圆盘3上的圆弧滑槽A用于限制活动圆盘3的转动角度，使摆杆7自由端距活动圆盘3的距离适应一般的方向盘尺寸，圆弧滑槽A内的轴位螺钉10将活动圆盘3压在支撑盘6上。又由于支撑盘6垂直地压在方向盘1上方，二者的中轴线平行，且夹紧盘机构的中轴线即为活动圆盘3、支撑盘6的中轴线，因而所确定的方向盘1回转轴线就和支撑盘6中轴线重合。

如图3，抓手9以旋转副的形式连结于摆杆7，这样可以调整抓手9与方向盘1外圈的相对位置以适应不同尺寸的方向盘。随着卡圈A8的夹紧，抓手9上的薄铁片会变形进而紧密地贴合方向盘1内侧。同时夹紧盘机构通过三个卡勾5在螺栓A4的作用下压紧于方向盘1上方，保证连结的稳定性。

如图5和图6所示，三个支撑座12均布于支撑盘上，通过支撑座12上的圆弧型台阶定位电机轴线使其与支撑盘中轴线重合，在三个金属片13在螺钉B14的作用下压紧电机15。

如图7，本发明中采用固定杆系将电机轴固定。横杆18的一端与套在电机15轴上的连结块17刚性连结，另一端以转动副的形式连结斜杆20，斜杆的另一端同样以转动副的形式连结纵杆23，纵杆23的另一端也以转动副的形式连结于吸附在汽车前挡风玻璃上的吸盘25。转动副以螺母A21和螺栓B22的结构实现。三段杆之间的角度可以调整，纵杆23的回转轴的连结角度可以通过转动固定座24加以调整，从而适应由电机安装位置以及其他试验具体情况决定的固定杆系的不同安装角度。

安装整个方向盘操作装置之前，先分按图4和图8组装夹紧盘机构和电机轴固定杆系。将夹紧盘机构置于方向盘1上方，同时使方向盘1位于支撑盘6与卡勾5之间。然后拨动摆杆7，以及调整抓手9与摆杆7的角度，使抓手9贴合方向盘1内侧，依次夹紧三个铁片上的卡圈A8，紧固三个螺栓A4，即完成夹紧盘机构与方向盘1的连接。再如图5安装电机15，紧固六枚压紧螺钉B14。最后将固定杆系的横杆18和连结块17用螺钉C16固定之后套于电机轴上，以螺母A19固定，根据纵杆23自由端大致确定吸盘25在汽车前挡风玻璃上的吸附位置，将吸盘吸附在前挡风玻璃上；再调整固定杆系的角度以及吸盘25上固定座24的角度，使固定杆系与吸盘25相适应，紧固固定座24与吸盘25间的卡圈B26，用螺栓B22连结纵杆与吸盘25上的固定座24，这样即完成整个装置在试验车辆上的安装。

本发明可以根据操作方向盘的转速、扭矩特性选择合适的电动机。考虑到汽车在行驶过程中的中惯性力和冲击载荷，如果将质量较大的电机壳体悬置，以电机轴驱动方向盘，势必会增加固定装置的强度要求和复杂度，不便于在车厢中相对狭小的空间内布置。因而将电机轴固定，通过电机壳体的旋转带动方向盘，以减少装置悬置部分的质量，降低汽车在行驶过程中惯性力和冲击载荷对连结精度、强度的影响，以便采用简单的、易于布置的固定装置。

本发明考虑电机轴的质量不大，电机本身的轴与壳体之间存在一定的间隙且轴向相对位置已有约束，因此对电机轴的固定只需将电机轴绕轴线旋转的自由度加以限制。当由于汽车震动、电机工艺精度等因素造成的电机轴偏心时，固定杆系可以适应电机轴的径向窜动而摆动，防止产生过分约束。同时，横杆只会相对于电机轴线偏转很小的角度，不干扰电机扭矩的传递。采用这样的电机轴固定方式，结构简单，装置质量小，不用精确定位固定端吸盘与方向盘的相对位置，易于布置、安装；占用空间小，不干扰驾驶员、乘客的驾乘空间、驾驶视野。

本发明装置的汽车中进行车辆操作稳定性或转向试验时，不用破坏汽车的原有结构，拆装简易、方便。装置主体只占用了方向盘上方的小部分空间，吸盘可吸附在汽车前挡风玻璃远离驾驶座的位置，发明装置主体与吸盘之间的固定杆系可以靠近车厢顶部布置。试验人员只需要适当调整座椅就可以正常坐到驾驶位置，油门等踏板以及变速箱拨杆的操作空间都不受影响，不妨碍试验人员对车辆的必要操作；仅仅是装置中的固定杆系会对驾驶员前方的视野的产生影响影响，但固定杆系的尺寸不大，影响的程度有限。此外装置的安装不影响驾驶员上下车的路线，可以保证在紧急情况下驾驶员正常逃离车辆。

Claims (4)

1.一种汽车转向机器人的方向盘操纵装置，包括夹紧盘机构、电机（15）和固定杆系；所述夹紧盘机构包括活动圆盘（3）、支撑盘（6）和三组摆杆结构，所述支撑盘（6）的直径大于方向盘的直径，其边缘设有卡固装置；距所述活动圆盘（3）中心等半径的圆周上等弧度的开有三个相同的圆弧滑槽，轴位螺钉穿过所述圆弧滑槽与支撑盘（6）连接，所述支撑盘（6）与所述活动圆盘（3）共轴；每组所述摆杆结构包括连杆（2）和摆杆（7），其规格和连接方式相同且相邻的夹角为120度，所述摆杆（7）的一端以转动副的形式连接在所述支撑盘（6）上，另一端以转动副的形式连接抓紧装置，所述连杆（2）一端以转动副的形式连接在所述活动圆盘（3）上，另一端以转动副的形式连接在所述摆杆（7）上；所述电机（15）固连于所述支撑盘上，其中轴线与所述夹紧盘机构的中轴线的重合；所述固定杆系包括横杆（18）、斜杆（20）和纵杆（23），所述横杆（18）的一端与套在电机轴上的连结块（17）刚性连结，另一端以转动副的形式连结斜杆（20），所述斜杆（20）的另一端以转动副的形式连结纵杆（23），所述纵杆（23）的另一端以转动副的形式连结于吸盘（25）上。

2.根据权利要求1所述的一种汽车转向机器人的方向盘操纵装置，其特征在于：所述卡固结构为三个，等角度设置于支撑盘（6）的边缘，所述卡固结构包括卡勾（5）和固定螺钉。

3.根据权利要求1所述的一种汽车转向机器人的方向盘操纵装置，其特征在于：所述抓紧装置包括抓手（9）和卡圈（8），所述抓手（9）由薄铁片组成。

4.根据权利要求1所述的一种汽车转向机器人的方向盘操纵装置，其特征在于：所述转动副是螺母和螺栓的结构。

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