CN107452247A - 一种齿条限位且编码式测量的驾驶模拟器转向装置 - Google Patents

Abstract

一种齿条限位且编码式测量的驾驶模拟器转向装置，它包含方向盘，旋转轴，第一、二轴承，轴承套管，轴承套管固装板，第一、二、三齿轮，转向装置框架前板、底板、左侧板、右侧板，编码器、电机、齿条，转向装置框架前板、底板、左侧板和右侧板构成转向装置框架本体，轴承套管、轴承套管固装板和第一、二轴承用于安装旋转轴，旋转轴上依次套接有方向盘、第一、第三齿轮，齿条设置于所述转向装置框架本体上且与第三齿轮啮合，电机安装在转向装置框架前板上，第二齿轮安装在电机前出轴端上且与第一齿轮啮合，编码器安装在电机后出轴端上。第三齿轮和齿条实现限位，电机实现振动和回正，编码器用于转角测量。该转向装置手感好、结构简单、成本低。

Description

一种齿条限位且编码式测量的驾驶模拟器转向装置

技术领域

本发明涉及驾驶模拟器技术领域，尤其涉及驾驶模拟器转向装置。

背景技术

驾驶模拟器是一种驾驶训练的教学设备，它利用虚拟现实仿真技术营造虚拟驾驶训练环境，学员通过驾驶模拟器的操作部件与模拟驾驶软件进行交互，从而学习驾驶技能。利用模拟驾驶技术对新学员进行培训，不仅可以安全、高效地训练新学员，且具有成本低、零排放、绿色环保的特点；若充分利用模拟驾驶训练方法，将可以带来显著地经济效益和社会效益。驾驶模拟器通常包括方向盘、离合器、脚刹、油门、手刹、转向灯、雨刮、档位等操作部件。与方向盘相连的机构即为转向装置，它是汽车模拟器所有操作部件中最复杂也最为重要的操作部件，转向装置的仿真度将直接影响用户对整个汽车模拟器的体验。通常来说，驾驶模拟器中的转向装置需要有如下功能：限位、回正和转角测量，如果要获得更好的体验，通常转向装置还可以增加振动功能。

限位：通常，驾驶模拟器方向盘转动的时候其转动角度受到限制，通常包括±720度（即方向盘从中位开始可以向左或向右转两圈）和±540度（即方向盘从中位开始可以向左或向右转一圈半）两种。

回正：在车辆的行驶过程中，如果方向盘转动了一定的角度，则方向盘会自动回正到中位。

转角测量：为了使得模拟驾驶程序与方向盘联动，需要随时知道方向盘的转动角度，因此就需要在方向盘上安装转角测量传感器。

振动仿真：模拟驾驶过程中车辆遇到颠簸路面、碰撞等异常情况时，方向盘会产生振动。

以下描述现有常见的驾驶模拟器转向装置：

在现有技术中，参考中国专利ZL201520879731.8所描述的齿轮齿条式汽车驾驶模拟器转向装置，其利用方向柱、万向节与齿轮齿条进行配合，将方向盘的旋转运动转化为齿条的直线运动，并在齿条直线运动的过程中，基于蜗杆上设置的弹簧的压缩能力，使得转向装置实现回正与限位，同时，配合第一铆钉以及第二铆钉使得驱动杆上的条形磁铁在直线运动过程中磁场发生变化，导致霍尔器件的电压变化，实现方向盘角度测量的功能；虽然该方案也能实现汽车驾驶模拟器的回正、限位以及角度测量等基本功能，但是由于蜗杆阻力较大，需要配合较大的弹簧才能回正方向盘，导致方向盘回正力过大，安全性和手感较差。

参考中国专利ZL201420372533.8所描述的机械式回正的汽车驾驶模拟器转向装置，其在方向盘转动时，通过齿轮配合旋转带动了旋转轴旋转，进而带动了限位旋柄、第一条形磁铁和第二条形磁铁旋转，当限位旋柄向左或向右旋转触碰到限位块时，方向盘无法继续转动，这就是方向盘的限位功能。在旋转过程中，旋转轴上的两个弹簧还会提供给给方向盘一个自动回正的扭矩，实现方向盘自动回正，第一条形磁铁和第二条形磁铁旋转时与霍尔角度传感器的相对角度发生变化，从而输出不同的电压值，从而实现转角测量。同时，参考中国专利ZL201520224226.X所描述的双弹簧回正的汽车驾驶模拟器转向装置，其与中国专利ZL201420372533.8实现方案基本类似，改进了弹簧的安装位置，便于对弹簧进行拆装。但是这两项专利不可避免的缺点在于:（1）方向盘处于中心位置附近时，两弹簧的形变较小，使回正力矩较小，使方向盘在中心位置附近时较难自动回到正中心位。（2）限位块和限位旋柄占用较大空间，使转向装置体积较大。（3）采用了两个弹簧进行回正驱动，成本较高，两个弹簧的个体差异性易导致左右向回正力度不一致。

参考中国专利ZL201420372533.8所描述的霍尔感应和电机驱动的汽车驾驶模拟转向装置和中国专利ZL201520634318.5所描述的非接触式角度测量及电机驱动的汽车模拟器转向装置，这两项专利都采用了齿轮结构，使手感较好；都采用了电机驱动来实现转向装置的回正和振动功能，使转动力矩可调；都采用了非接触式传感器实现转角测量功能。但是这两项专利不可避免的缺点在于:（1）电机驱动采用齿轮及皮带连接，齿轮变比小，只能用较大功率的电机才能获得较好的驱动力，皮带易老化，使成本高。（2）限位块和限位旋柄占用较大空间，使转向装置体积较大，成本高。（3）转角测量时采用了齿轮缩放，方向盘的三圈左右的转动缩放成一圈左右的转角测量，使测量精度变小。

综上，现有技术中提供的驾驶模拟器转向装置虽然也能提供基本的如回正、限位角度测量等功能，但无法提供较佳的安全性、手感性、较高的转角精度，或者必然浪费较大的空间使得转向装置体积较大以及左右回正力度不一致等技术问题，用户体验较差。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种齿条限位且编码式测量的驾驶模拟器转向装置，其特征在于，包括方向盘1、旋转轴2、第一轴承3、轴承套管4、第二轴承5、轴承套管固装板6、第一齿轮7、转向装置框架前板8、转向装置框架底板12、转向装置框架左侧板13、转向装置框架右侧板14、齿条15、第三齿轮16、至少一组电机10以及与电机10配合的编码器9和第二齿轮11，转向装置框架前板8、转向装置框架底板12、转向装置框架左侧板13和转向装置框架右侧板14用于构成转向装置框架本体，轴承套管4端部固定连接轴承套管固装板6，轴承套管固装板6可固定安装在转向装置框架前板8上，轴承套管4两端分别设有第一轴承3和第二轴承5，旋转轴2穿入第一轴承3和第二轴承5中，旋转轴2的两端分别套接有方向盘1和第三齿轮16，齿条15设置于所述转向装置框架本体上且位于第三齿轮16下方，齿条15与第三齿轮16啮合，旋转轴2套接有第一齿轮7，第一齿轮7位于第二轴承5与第三齿轮16之间，第二齿轮11安装在电机10前出轴端并与第一齿轮7啮合，编码器9安装在电机10后出轴端，电机10安装在转向装置框架前板8上。

可选的，所述编码器9具体包括码盘901和光电对管902。

可选的，所述编码器9具体包括码盘901、光电发射管903和光电接收管904。

可选的，所述编码器9采用光电编码器905。

可选的，本发明中，可采用多个电机对转向装置进行驱动，电机均安装在转向装置框架前板上，每个电机的前出轴上均接有与电机配合的齿轮，接在每个电机上的齿轮均与所述第一齿轮7啮合，第一个电机后出轴上接有编码器，其余电机后出轴上可选择地连接编码器。

本发明工作原理：方向盘、第一齿轮和第三齿轮都套接在旋转轴上，使方向盘、第一齿轮和第三齿轮只能同步的绕旋转轴旋转；第二齿轮套接在电机的前出轴端上，使第二齿轮也只能同步的绕电机的中心轴旋转。

（1）由于齿条设置在第三齿轮的下方并且与第三齿轮啮合，齿条可将第三齿轮的旋转运动转变为直线运动，方向盘转动时，第三齿轮与方向盘同步转动，使齿条作直线运动，齿条的直线运动受到转向装置框架左侧板和转向装置框架右侧板的限制，使第三齿轮转动角度受到限制，从而使方向盘的旋转角度受到限制，实现了转向装置的限位功能。

（2）第二齿轮套接在电机前出轴端上，编码器连接在电机的后出轴端，编码器检测电机中心轴的转动角度，因第一齿轮和第二齿轮直接啮合，而方向盘与第一齿轮同步，所以，编码器也就能检测方向盘的角度，实现了转向装置的转角测量功能。

（3）当方向盘向左（或向右）偏离中心位置时，可对电机输入一控制电压（电压的极性控制电机的转动方向），使电机输出轴发生向右（或向左）转动，从而使第二齿轮也发生向右（或向左）转动，第一齿轮与第二齿轮啮合，使第一齿轮也受到力矩发生向右（或向左）转动，从而使方向盘也发生向右（或向左）转动回到中心位置，实现了转向装置的回位功能。

（4）电机进行快速的左转和右转切换时，通过第二齿轮、第一齿轮和第一旋转轴传递到方向盘，使方向盘也发生快速的左转和右转切换，实现了方向盘的振动仿真功能。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明可以完全实现转向装置所需要的限位、转角测量、回正功能，并能实现振动功能。

2、采用编码器进行转角测量，第二齿轮的齿数远小于第一齿轮，方向盘旋转一圈时第二齿轮旋转多圈，采用一低线数的编码器就可实现方向盘转角的高精度测量，使信号精度高、成本低，同时，编码器连接在电机的中心轴端，而电机安装在转向装置框架前板上，转向装置进行振动仿真时，电机和编码器进行同步振动，可以有效的降低转向装置振动时对转角测量产生的影响，使角度测量信号稳定度好、可靠性高。

3、采用电机驱动产生回正力，使回正力度均匀且力度大小可调，也可以进行振动仿真。

4、采用第一轴承、第二轴承、轴承套管和轴承套管固装板安装旋转轴，使旋转轴的两个受力点距离较远，旋转轴更稳固，轴承套管可同时用于安装模拟驾驶器的组合开关等组件，使结构简单可靠，成本低。

5、齿轮齿条限位结构，使转向装置只需要一个旋转轴，结构简单，并且齿轮齿条占用空间非常小，可极大的缩小转向装置的体积和成本，利于转向装置的安装。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的结构俯视示意图；

图3为本发明电机与编码器部分的第一实施例结构示意图；

图4为本发明电机与编码器部分的第二实施例结构示意图；

图5为本发明电机与编码器部分的第三实施例结构示意图；

图6为本发明在两个电机驱动下的立体结构示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。

具体实施方式一：

本发明提供了一种齿条限位且编码式测量的驾驶模拟器转向装置，如图1所示，其特征在于，它包括方向盘1、旋转轴2、第一轴承3、轴承套管4、第二轴承5、轴承套管固装板6、第一齿轮7、转向装置框架前板8、转向装置框架底板12、转向装置框架左侧板13、转向装置框架右侧板14、齿条15、第三齿轮16、至少一组电机10以及与电机10配合的编码器9和第二齿轮11，转向装置框架前板8、转向装置框架底板12、转向装置框架左侧板13和转向装置框架右侧板14用于构成转向装置框架本体，轴承套管4端部固定连接轴承套管固装板6，轴承套管固装板6可固定安装在转向装置框架前板8上，轴承套管4两端分别设有第一轴承3和第二轴承5，旋转轴2穿入第一轴承3和第二轴承5中，旋转轴2的两端分别套接有方向盘1和第三齿轮16，齿条15设置于所述转向装置框架本体上且位于第三齿轮16下方，齿条15与第三齿轮16啮合，旋转轴2套接有第一齿轮7，第一齿轮7位于第二轴承5与第三齿轮16之间，第二齿轮11安装在电机10前出轴端并与第一齿轮7啮合，编码器9安装在电机10后出轴端，电机10安装在转向装置框架前板8上。图2为本具体实施方式结构俯视图。

所述电机10为一双出轴电机，电机10可驱动齿轮给方向盘1提供转动力矩，实现了转向装置的回正功能。

齿条15和第三齿轮16实现了转向装置的限位功能。

编码器9可对其连接的电机10可行转角测量，而套接在电机10前出轴端的第二齿轮11与套接在旋转轴2的第一齿轮7啮合，从而，编码器9也即可对方向盘的转角进行测量，实现转向装置的转角测量功能。

可选的，在具体实施中，如图3所示，所述编码器具体包括码盘901和光电对管902。

可选的，在具体实施中，如图4所示，所述编码器具体包括码盘901、光电发射管903和光电接收管904。

可选的，在具体实施中，如图5所示，所述编码器采用光电编码器905。

相比现有技术，本实施例提出的一种齿条限位且编码式测量的驾驶模拟器转向装置，采用了齿轮结构、电机驱动、齿轮齿条式限位，使结构简单，成本低，手感好，还具有以下优点：（1）本发明可以完全实现转向装置所需要的限位、转角测量、回正功能，并能实现振动功能。（2）采用编码器进行转角测量，第二齿轮的齿数远小于第一齿轮，方向盘旋转一圈时第二齿轮旋转多圈，采用一低线数的编码器就可实现方向盘转角的高精度测量，使信号精度高、成本低，同时，编码器连接在电机的中心轴端，而电机安装在转向装置框架前板上，转向装置进行振动仿真时，电机和编码器进行同步振动，可以有效的降低转向装置振动时对转角测量产生的影响，使角度测量信号稳定度好、可靠性高。（3）采用电机驱动产生回正力，使回正力度均匀且力度大小可调，也可以进行振动仿真。（4）采用第一轴承、第二轴承、轴承套管和轴承套管固装板安装旋转轴，使旋转轴的两个受力点距离较远，旋转轴更稳固，轴承套管可同时用于安装模拟驾驶器的组合开关等组件，使结构简单可靠，成本低。（5）齿轮齿条限位结构，使转向装置只需要一个旋转轴，结构简单，并且齿轮齿条占用空间非常小，可极大的缩小转向装置的体积和成本，利于转向装置的安装。

具体实施方式二：

本具体实施方式提供了一种齿条限位且编码式测量的驾驶模拟器转向装置，与具体实施方式一相比，可以涵盖多个电机、编码器和齿轮的方案，为了和编码器9、电机10以及第二齿轮11进行区分，示例的，如图6所示，给出了两个电机共同对转向装置进行驱动的立体结构示意图。相比于图1，其特征在于，它还包括编码器9-1、电机10-1和第二齿轮11-1，编码器9-1是与编码器9具有相同结构及工作原理的编码器；电机10-1是与电机10具有相同结构及工作原理的电机，第二齿轮11-1是与第二齿轮11具有相同结构及工作原理的齿轮。所述电机10-1安装在转向装置框架前板8上，所述电机10-1后出轴端设置有编码器9-1，所述电机10-1前出轴端设置有第二齿轮11-1，所述第二齿轮11-1与所述第一齿轮7啮合，所述第二齿轮11以及所述第二齿轮11-1分别在电机10和电机10-1的驱动下相互配合驱动第一齿轮7转动。可以理解的，在具体实施时，编码器9-1可以不进行安装。

可以理解的，本具体实施方式在实际实施时，也可采用3个电机、4个电机、5个电机……同时对转向装置进行驱动，此时，相比于图1，其特征在于，它还包括编码器9-1、编码器9-2、编码器9-3……、电机10-1、电机10-2、电机10-3……和第二齿轮11-1、第二齿轮11-2、第二齿轮11-3……，所述电机10-1、电机10-2、电机10-3……，编码器9-1、编码器9-2、编码器9-3……是与编码器9具有相同结构及工作原理的编码器；电机10-1、电机10-2、电机10-3……是与电机10具有相同结构及工作原理的电机，第二齿轮11-1、第二齿轮11-2、第二齿轮11-3……是与第二齿轮11具有相同结构及工作原理的齿轮。所述电机10-1、电机10-2、电机10-3……安装在转向装置框架前板8上，所述电机10-1、电机10-2、电机10-3……的后出轴端分别设置有编码器9-1、编码器9-2、编码器9-3……，所述电机10-1、电机10-2、电机10-3……的前出轴端分别设置有第二齿轮11-1、第二齿轮11-2、第二齿轮11-3……，所述第二齿轮11-1、第二齿轮11-2、第二齿轮11-3……与所述第一齿轮7啮合，所述第二齿轮11以及所述第二齿轮11-1、第二齿轮11-2、第二齿轮11-3……分别在电机10和电机10-1、电机10-2、电机10-3……的驱动下相互配合驱动第一齿轮7转动。可以理解的，在具体实施时，编码器9-1、编码器9-2、编码器9-3……也可以不进行安装。采用三个及以上电机的实施方案，因编码器、电机和第二齿轮的安装方式及工作原理相同，在此不予附图赘述。

在实际中，电机以及与电机配合的编码器、齿轮结构可以有至少一个，本申请不对电机和与电机配合的编码器、齿轮的数量做具体限定，凡是与本方案具备相同或者相似数量以及原理的编码器、电机和齿轮配合关系均落入本申请的保护范围。

本具体实施方式与具体实施方式一相比，采用多个电机同时对转向装置进行驱动，在获得同等驱动力时本具体实施方式可以采用更小型的电机，使电机选择面广，电机成本低，本实施例的其它技术效果与第一实施例相同，在此不予赘述。

可以理解的，本发明可以用于模拟传统的燃油车辆，也可以用于模拟混合动力车辆或者纯电动车辆，在此不做限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种齿条限位且编码式测量的驾驶模拟器转向装置，其特征在于，它包括方向盘1、旋转轴2、第一轴承3、轴承套管4、第二轴承5、轴承套管固装板6、第一齿轮7、转向装置框架前板8、转向装置框架底板12、转向装置框架左侧板13、转向装置框架右侧板14、齿条15、第三齿轮16、至少一组电机10以及与电机10配合的编码器9和第二齿轮11，转向装置框架前板8、转向装置框架底板12、转向装置框架左侧板13和转向装置框架右侧板14用于构成转向装置框架本体，轴承套管4端部固定连接轴承套管固装板6，轴承套管固装板6可固定安装在转向装置框架前板8上，轴承套管4两端分别设有第一轴承3和第二轴承5，旋转轴2穿入第一轴承3和第二轴承5中，旋转轴2的两端分别套接有方向盘1和第三齿轮16，齿条15设置于所述转向装置框架本体上且位于第三齿轮16下方，齿条15与第三齿轮16啮合，旋转轴2上套接有第一齿轮7，第一齿轮7位于第二轴承5与第三齿轮16之间，第二齿轮11安装在电机10前出轴端并与第一齿轮7啮合，编码器9安装在电机10后出轴端，电机10安装在转向装置框架前板8上。

2.根据权利要求1所述的一种齿条限位且编码式测量的驾驶模拟器转向装置，其特征在于，所述编码器9具体包括码盘901和光电对管902。

3.根据权利要求1所述的一种齿条限位且编码式测量的驾驶模拟器转向装置，其特征在于，所述编码器9具体包括码盘901、光电发射管903和光电接收管904。

4.根据权利要求1所述的一种齿条限位且编码式测量的驾驶模拟器转向装置，其特征在于，所述编码器9采用光电编码器905。