CN113085810B - 一种基于磁流变的踏板力感模拟装置 - Google Patents

一种基于磁流变的踏板力感模拟装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于智能驾驶汽车领域，涉及一种基于磁流变的踏板力感模拟装置。包括并列设置的第一传动轴及第二传动轴，所述第一传动轴与第二传动轴通过无级变速机构相连；所述无级变速机构包括分设在所述第一传动轴与所述第二传动轴上的主动轮和从动轮、以及连接主动轮及从动轮的连接带；所述第一传动轴上设有扭力弹簧，以及通过扭力弹簧安装在第一传动轴上的踏板；所述第一传动轴端部设有用于记录其角位移及角速度的旋转编码器；所述第二传动轴上设有通过凸缘联轴器设置在其上的磁流变阻尼器。本发明利用磁流变阻尼器可输出连续可控阻尼力的特点，可以实现对任意非线性变化的力感模拟，从而提供汽车操纵的安全性和舒适性。

Description

一种基于磁流变的踏板力感模拟装置
技术领域
本发明属于智能驾驶汽车领域，涉及一种基于磁流变的踏板力感模拟装置。
背景技术
当今汽车正向着智能化，网联化方向发展，而无论是传统的机械式油门及制动踏板，还是线控油门及制动踏板，都未能完全融入到智能化，网联化的控制系统中，仅仅把驾驶员的踏板力操纵信号传递给控制系统，未能将车辆的控制效果通过踏板传递给驾驶员。当前的油门或制动踏板仅起到单向信息传递的作用，而随着技术的发展及对车辆的控制性能要求的不断提高，人们希望能通过踏板感知车辆工况信息，实现人机交互的智能体验，从而改善车辆的控制效果。
汽车线控技术是智能汽车发展的核心技术之一，其中线控油门和线控制动已应用于部分量产车型中。由于线控技术中取消了传统的机械连接和液压部分，使得驾驶员无法从线控系统直接感知车辆加速或踏板的力感反馈，因此需要提供一个踏板力感觉模拟器，以提供驾驶员在加速和制动时的踏板反馈力感，实现人机之间的信息交互，使驾驶员可以精确感知车辆的控制效果。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于磁流变的踏板力感模拟装置，采用磁流变阻尼器来提供踏板的反馈力矩，利用磁流变阻尼器可输出连续可控阻尼力的特点，可以实现对任意非线性变化的力感模拟，根据驾驶员的偏好，个性化的设置不同的操作风格需求，以定制化的实现更加舒适和准确的力感反馈，从而提供汽车操纵的安全性和舒适性。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于磁流变的踏板力感模拟装置，包括并列设置的第一传动轴及第二传动轴，所述第一传动轴与第二传动轴通过无级变速机构相连；所述无级变速机构包括分设在所述第一传动轴与所述第二传动轴上的主动轮和从动轮、以及连接主动轮及从动轮的连接带；所述第一传动轴上设有扭力弹簧，以及通过扭力弹簧安装在第一传动轴上的踏板；所述第一传动轴端部设有用于记录其角位移及角速度的旋转编码器；所述第二传动轴上设有通过凸缘联轴器设置在其上的磁流变阻尼器。
可选的，所述踏板上设有踏板力传感器。
可选的，还包括并列设置的第一支撑板及第二支撑板，所述第一传动轴及所述第二传动轴的两端均通过轴承分别安装在第一支撑板及第二支撑板上。
可选的，所述第一支撑板与第二支撑板之间通过连接柱轴向定位。
可选的，还包括用于安装第一支撑板与第二支撑板的底座。
可选的，所述第一支撑板与第二支撑板通过设置在其底部的三角吊耳与所述底座连接固定。
可选的，所述第二支撑板上设有过孔，所述扭力弹簧的两端带有折角，其一端折角穿过过孔设置，另一端折角与踏板相连接。
可选的，所述第一传动轴上设有用于限制所述踏板行程的止动销，所述止动销通过与固定设置的限位螺栓相配合限制踏板行程。
可选的，还包括用于设置限位螺栓的固定圆盘，所述固定圆盘上设有导槽，所述限位螺栓设置在导槽内，通过改变限位螺栓在导槽内的设置位置改变踏板的行程极限。
可选的，所述第一传动轴上设有与所述主动轮相配合的第一压盘，所述第二传动轴上设有与所述从动轮相配合的第二压盘，通过调整所述第一压盘与所述第二压盘的设置位置改变主动轮和从动轮上连接带的运转半径。
可选的，所述踏板包括踏板面及踏板杆，所述踏板面固定设置在踏板杆上，所述踏板杆远离所述踏板面的一端上设有花键，所述踏板杆通过花键与第一传动轴相连。
可选的，所述磁流变阻尼器通过阻尼器夹具设置在第二支撑板上。
可选的，所述阻尼器夹具包括至少两个对称布置的固定夹片以及用于将固定夹片固定在第二支撑板上的固定螺栓，通过固定夹片夹紧固定磁流变阻尼器。
本发明的有益效果在于：
1.在汽车线控系统工作时，提供踏板力感模拟，使驾驶员得到踏板的力感反馈，从而可以做出合理的调控。
2.通过控制磁流变阻尼器的输出力矩连续可调，可实现任意个性化风格的踏板力感的柔顺模拟。
3.基于磁流变阻尼器可实现非线性阻尼力矩输出的优点，该发明可以实现非线性踏板力感的模拟，使的驾驶员得到更加舒适的反馈力感。
4.采用无级变速传动机构，可以获得连续可调的传动速比，提高了力矩传动的平稳性，提供驾驶员更平顺的反馈力感。
5.可根据空间、尺寸、结构及力感范围等具体约束，合理调节系统传动比，以适应不同应用对象的需求。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为踏板的结构示意图；
图3为阻尼器夹具的结构示意图；
图4为踏板的行程范围调节结构示意图。
附图标记：底座1、第一支撑板2、第一传动轴3、旋转编码器4、第一轴承5、扭力弹簧6、磁流变阻尼器7、阻尼器夹具8、力传感器9、踏板10、连接柱11、第二传动轴12、凸缘联轴器13、从动轮14、第二轴承15、连接带16、第二支撑板17、第二压盘18、止动销19、限位螺栓20、主动轮21、固定圆盘22、三角吊耳23、第一压盘24、踏板面101、踏板杆102、花键103、固定夹片25、固定螺栓26、紧固螺栓27。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图4，为一种基于磁流变的踏板力感模拟装置，由踏板10、扭力弹簧6、无级变速机构、磁流变阻尼器7、旋转编码器4、踏板力传感器9及第一传动轴3、第二传动轴12等部件组成。
如图1所示，踏板10、扭力弹簧6、无级变速机构的主动轮21以及旋转编码器4都布置在第一传动轴3上；无级变速机构的从动轮14布置在第二传动轴12上，磁流变阻尼器7通过凸缘联轴器13与第二传动轴12同轴连接；两根第一传动轴3、第二传动轴12过第一轴承5及第二轴承15安装在第一支撑板2、第二支撑板17之上，第一支撑板2、第二支撑板17之间通过六角连接柱11轴向连接定位；第一支撑板2、第二支撑板17底部通过三角吊耳23连接固定在底座1上面。
该装置采用旋转式磁流变阻尼器7，来为线控系统提供踏板力感反馈，代替了传统液压系统中的机械和液压结构。利用磁流变阻尼器7可以输出非线性阻尼力矩的特点，该装置可以实现对非线性踏板力感的模拟。该力感反馈机构，装在制动系统中可以作为制动踏板力感反馈机构；装在线控油门系统中，也可用于油门踏板力感反馈，对机构做较小的改动，可实现不同功能。
该装置利用旋转编码器4测量踏板角位移和角速度信号，利用踏板力传感器9测量控制踏板的踏板力大小，通过测得的踏板角位移、角速度和踏板力信号，控制单元可以相应地控制磁流变阻尼器7的输出力矩，从而实现对多种不同踏板力感的模拟。
该装置采用扭力弹簧6，其通过扭转变形产生的弹性力在踩踏板时，可以为踏板提供一定的反馈力矩，在踏板回复行程又可以作为回位弹簧，而且相比压缩弹簧节省了大量的安装空间。扭力弹簧6安装在第一传动轴3上，扭力弹簧内径大于安装处的轴径。扭力弹簧6的左端折角与踏板杆搭接，右端折角安装在第一支撑板2上的小孔内，扭力弹簧6位置固定后，踩动踏板旋转，扭力弹簧6将会发生扭转变形，从而产生扭转弹簧力矩。
磁流变阻尼器7的转轴通过凸缘联轴器13与第二传动轴12同轴连接，从而可以保证磁流变阻尼器7与第二传动轴12同轴转动，也可以将磁流变阻尼器7产生的反馈力矩通过第二传动轴12、无级变速机构、第一传动轴3依次传递给控制踏板10。
在第一传动轴3和第二传动轴12之间加入无级变速机构，通过连接带16连接主动轮21和从动轮14，同时在主动轮21和从动轮14的一侧安装了第二压盘18、第一压盘24，通过控制第二压盘18、第一压盘24位置来改变主动轮21和从动轮14上连接带16的运转半径，从而连续调节传动比，实现减速增扭的目的，放大磁流变阻尼器7产生反馈力矩，从而扩大了该装置可模拟的踏板力感范围。
该装置采用扭力弹簧6、旋转式磁流变阻尼器7、无级变速机构等旋转部件，并将其合理地安装在第一支撑板2、第二支撑板17上面，使得整体结构更加紧凑，减小了该装置的安装空间。
该装置所用的踏板是用板材线切割加工而成，包括踏板面101、踏板杆102两个部分，在踏板杆上加工花键103，踏板杆102和踏板面101之间焊接在一起，踏板10通过花键103固定在第一传动轴3上。
阻尼器夹具8包括固定夹片25、固定螺栓26。固定夹片25通过2个固定螺栓26固定在第一支撑板2上，通过上下两个固定夹片25夹紧磁流变阻尼器7。
踏板行程调节器主要由限位螺栓20，止动销19，固定圆盘22及紧固螺栓27组成。其中止动销19固定安装在第一传动轴3上，固定圆盘22通过紧固螺栓27安装在第二支撑板17上，限位螺栓20安装在固定盘22的导槽内，通过调节限位螺栓20在导槽内的位置可以改变踏板行程范围。
如图1所示，线控踏板力感模拟装置工作时，驾驶员踩动踏板10绕第一传动轴3转动，第一传动轴上的无级变速机构的主动轮21、扭力弹簧6随第一传动轴3同时转动；踏板10的行程可以通过安装在第一传动轴3上的止动销19限制其行程；在踩踏板时，动力传递到第一传动轴上的主动轮21，再通过连接带(钢带)16将动力传递至从动轮14，从而带动第二传动轴12转动；踏板10的转动使得扭力弹簧6产生扭转变形，产生弹性扭矩通过踏板10直接反馈给驾驶员，第二传动轴12带动磁流变阻尼器7转动，同时磁流变阻尼器7产生的阻尼力依次通过第二传动轴12、无级减速机构、第一传动轴3传递给踏板10，至此，驾驶员可通过踏板10感知到来自扭力弹簧6和磁流变阻尼器7的反馈力感。扭力弹簧6所产生的反馈力矩与其扭转变形量有关，是不能控制的。但是磁流变阻尼器7所产生的反馈力矩，可以通过控制其输出力矩的大小进行控制。因此可以通过控制磁流变阻尼器7的输出力矩，实现可变的踏板力感的模拟。
如图1，旋转编码器4与第一传动轴3固定连接，当驾驶员踩踏板10对汽车进行操控时，旋转编码器4可以测量第一传动轴3的角位移和角速度信号，即可以测量踏板10的角位移和角速度信号。踏板力传感器9可以测量驾驶员踩踏板时的踏板力(即驾驶员施加在踏板面上的压力大小)。通过采集踏板10的角位移、角速度和踏板力信号，发送至控制单元，经分析处理可以控制磁流变阻尼器7的输出力矩大小，并通过无级变速机构中第一压盘24、第二压盘18位置来改变主动轮21和从动轮14上连接带16的运转半径，实现传动比的连续调节，达到减速增扭的目的，将放大的力矩传递至踏板10，从而可以实现连续可变的力感模拟。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于磁流变的踏板力感模拟装置，其特征在于：包括并列设置的第一传动轴及第二传动轴，所述第一传动轴与第二传动轴通过无级变速机构相连；所述无级变速机构包括分设在所述第一传动轴与所述第二传动轴上的主动轮和从动轮、以及连接主动轮及从动轮的连接带；所述第一传动轴上设有扭力弹簧，以及通过扭力弹簧安装在第一传动轴上的踏板；所述第一传动轴端部设有用于记录其角位移及角速度的旋转编码器；所述第二传动轴上设有通过凸缘联轴器设置在其上的磁流变阻尼器；还包括并列设置的第一支撑板及第二支撑板，所述第一传动轴及所述第二传动轴的两端均通过轴承分别安装在第一支撑板及第二支撑板上；所述第一传动轴与第二传动轴纵向并列布置，所述第一传动轴上设有用于限制所述踏板行程的止动销，所述第二支撑板上安装有固定圆盘，所述固定圆盘上设有导槽，所述导槽内安装有限位螺栓，所述止动销通过与固定设置的限位螺栓相配合限制踏板行程；通过调节限位螺栓在导槽内的位置改变踏板行程范围。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁流变的踏板力感模拟装置，其特征在于：所述踏板上设有踏板力传感器。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁流变的踏板力感模拟装置，其特征在于：所述第一支撑板与第二支撑板之间通过连接柱轴向定位。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁流变的踏板力感模拟装置，其特征在于：还包括用于安装第一支撑板与第二支撑板的底座。
5.根据权利要求1所述的一种基于磁流变的踏板力感模拟装置，其特征在于：所述第二支撑板上设有过孔，所述扭力弹簧的两端带有折角，其一端折角穿过过孔设置，另一端折角与踏板相连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于磁流变的踏板力感模拟装置，其特征在于：所述第一传动轴上设有与所述主动轮相配合的第一压盘，所述第二传动轴上设有与所述从动轮相配合的第二压盘，通过调整所述第一压盘与所述第二压盘的设置位置改变主动轮和从动轮上连接带的运转半径。
7.根据权利要求1所述的一种基于磁流变的踏板力感模拟装置，其特征在于：所述踏板包括踏板面及踏板杆，所述踏板面固定设置在踏板杆上，所述踏板杆远离所述踏板面的一端上设有花键，所述踏板杆通过花键与第一传动轴相连。
8.根据权利要求1所述的一种基于磁流变的踏板力感模拟装置，其特征在于：所述磁流变阻尼器通过阻尼器夹具设置在第二支撑板上。
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