CN204904626U - 非接触式角度测量及电机驱动的汽车模拟器转向装置 - Google Patents

Abstract

非接触式角度测量及电机驱动的汽车模拟器转向装置，它涉及汽车模拟器技术领域，第一旋转轴的两端分别套有方向盘和第三齿轮，中部套有第一齿轮，第二齿轮与第一齿轮啮合，第二齿轮套在第二旋转轴上，第二旋转轴的中心处套有限位旋柄，限位旋柄的下方有限位三角柱，第二旋转轴的另一端有两块条形磁铁，磁铁的一侧有线路板，线路板中心有霍尔角度传感器，第三齿轮通过皮带与第四齿轮连接，第四齿轮套在电机的输出轴上。限位旋柄和限位三角柱用于限位，电机用于振动和回正，磁铁和霍尔角度传感器用于转角测量。本实用新型能够实现转向装置的限位、转角测量、回正和振动仿真。

Description

非接触式角度测量及电机驱动的汽车模拟器转向装置

技术领域

本实用新型涉及汽车模拟器技术领域，具体涉及非接触式角度测量及电机驱动的汽车模拟器转向装置。

背景技术

汽车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，汽车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：通常汽车方向盘转动的时候都有转动角度限制，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时候方向盘的感觉。

汽车模拟器转向装置可以分为机械式转向装置和电机式转向装置，机械式转向装置由弹簧提供回正力，电机式转向装置则由电机提供回正力和振动。通常来说，电机式转向装置回正力更为均匀且力度可调，而且还可以进行振动仿真，但是成本比机械式稍高。

以下描述现有汽车模拟器转向装置各种实现方法：

现有方案中，实现方向盘限位通常有2种方法：（1）采用蜗轮蜗杆装置将方向盘的旋转运动转化为直线运动，然后在直线运动方向上安装弹簧，采用弹簧的压缩极限实现方向盘的限位功能。这种方案中，优点是成本较低，缺点是弹簧被压缩到极致导致使用寿命较短、弹簧相互挤压也会产生噪音、采用蜗轮蜗杆装置导致方向盘手感较差。（2）采用齿轮结构将方向盘的多圈转动（±720度或±540度）变换成小于一圈的转动，再使用限位旋柄和限位用塑料圆柱实现限位功能。该方案的优点是由于没有蜗轮蜗杆装置，因此手感较好。缺点是限位旋柄与限位用塑料圆柱的接触为直线段式接触，接触面积非常小（理论上接触位置为一条直线段，接触面积为0），限位时限位旋柄与限位用塑料圆柱之间压强较大，限位用塑料圆柱很容易损坏。限位用塑料圆柱损坏后，整个转向装置就无法正常使用了。

现有方案中，实现方向盘回正通常有2种方法：（1）采用弹簧提供方向盘的回正力，这种方案中，回正力与弹簧的形变量成正比，方向盘转动角度越大，弹簧形变量也越大。优点是结构简单、成本较低，缺点是回正力不均匀、回正力大小不可调，且方向盘手感较差。（2）采用电机提供方向盘的回正力，其回正力大小及方向受控制信号决定，与方向盘转动位置无关，优点是回正力大小可调、反力均匀，方向盘手感较好。缺点是结构较复杂、成本偏高。

现有方案中，实现方向盘转角测量通常有3种方法：（1）利用蜗轮蜗杆装置将方向盘的旋转运动转化为直线运动，然后在直线运动方向安装直线式位移传感器。该方案的优点是可以将限位、回正和转角测量都在直线运动端处理，结构简单，对安装精度要求较低，成本较低。缺点是蜗轮蜗杆装置的挤压原理导致方向盘手感较差。（2）采用光电编码器实现转角测量功能，这种方案的优点是光电编码器能够提供非常高的方向盘转角精度，且数值稳定，缺点是对安装精度要求较高，对于便携模拟器来说，采用塑料开模配件，能够保证安装精度，但是使用寿命较短、耐用性较差。如果采用钢结构，则造价较高。另外一个缺点是光电编码器在方向盘进行剧烈地振动仿真时容易损坏。（3）采用非接触式角度传感器实现转角测量功能，相比于采用直线位移传感器的方案，这种方案常采用齿轮结构，实现限位功能的同时完成了方向盘的转角测量，使结构简化，成本降低，转角信号精度较高，方向盘仿真度较好。另外，角度传感器与被测物体之间不连接，使传感器与机械结构之间不存在机械磨损，使用寿命较长。即使在方向盘进行剧烈地振动仿真时也不会损坏传感器。

现有方案中，只要是采用电机进行方向盘回正的，通常都可以实现振动仿真功能。对于便携汽车模拟器来说，通常采用小电机，振动强度范围非常小。对于大型汽车模拟器来说，采用大功率电机，回正力和振动强度都可以在较大范围内调节。

比较上述方案，可以发现采用电机实现回正力的方案，可使回正力可控且均匀，并能实现振动功能，方向盘手感较好、仿真度也较高；采用非接触式角度传感器的方案，传感器与被测物之间不连接，因此不存在机械磨损，传感器使用寿命较长，也不会由于方向盘进行剧烈地振动而损坏传感器。而现有的2种限位方案都有较大缺陷，蜗轮蜗杆装置限位方法导致方向盘手感较差，而限位旋柄与限位用塑料圆柱的限位方法会导致限位用塑料圆柱很容易损坏。因此，本实用新型采用电机进行方向盘回正及振动、采用非接触式角度传感器进行转角测量、然后改进方向盘限位装置，则可以获得一个非常好的汽车模拟器转向装置。

发明内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种结构简单、设计合理、使用方便的非接触式角度测量及电机驱动的汽车模拟器转向装置。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：它包含方向盘、第一旋转轴、第一齿轮、第二旋转轴、第二齿轮、限位旋柄、限位三角柱、第一条形磁铁、第二条形磁铁、线路板、霍尔角度传感器、第三齿轮、皮带、第四齿轮和电机，第一旋转轴的一端套接有方向盘，第一旋转轴的另一端套接有第三齿轮，第一旋转轴的中部套接有第一齿轮，第一齿轮和第二齿轮啮合，第二齿轮套接在第二旋转轴上，第二旋转轴的中部套接有限位旋柄，限位旋柄的下方设置有限位三角柱，第二旋转轴的另一端粘有第一条形磁铁和第二条形磁铁，第一条形磁铁和第二条形磁铁处于同一平面内，粘合后的第一条形磁铁的S极和第二条形磁铁的N极在同一个平面，第一条形磁铁和第二条形磁铁的一侧设置有线路板，线路板的中心处焊接有霍尔角度传感器，第一条形磁铁、第二条形磁铁与线路板、霍尔角度传感器之间不接触，第三齿轮通过皮带与第四齿轮连接，第四齿轮套接在电机的输出轴上。

本实用新型工作原理：

（1）限位：向左或向右旋转方向盘，带动第一旋转轴旋转，第一旋转轴带动第一齿轮旋转，第一齿轮带动第二齿轮旋转，第二齿轮带动第二旋转轴旋转，第二旋转轴带动限位旋柄旋转，当限位旋柄接触到限位三角柱时，方向盘无法继续转动，这就是限位功能。设计限位旋柄和限位三角柱时，需要使得限位旋柄和限位三角柱的接触平面重合，这样接触面积较大，就不会损坏限位三角柱了。另外，三角柱的结构要比圆柱更加稳固，且更容易固定。

（2）转角测量：向左或向右旋转方向盘，带动第一旋转轴旋转，第一旋转轴带动第一齿轮旋转，第一齿轮带动第二齿轮旋转，第二齿轮带动第二旋转轴旋转，第二旋转轴带动第一条形磁铁和第二条形磁铁旋转，使霍尔角度传感器处的磁场方向发生变化，从而使霍尔角度传感器输出的电压发生变化，根据这个电压值可以计算出方向盘所处的角度，实现了转向装置的转角测量功能。

（3）回正：电机的输出轴以一定的扭矩向左或向右旋转时，带动第四齿轮旋转，第四齿轮通过皮带带动第三齿轮旋转，第三齿轮将电机的旋转扭矩通过第一旋转轴传递给方向盘，从而给方向盘提供回正力。

（4）振动：电机进行快速的左转和右转切换时，通过第四齿轮、皮带、第三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。

本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型可以完全实现方向盘的限位、转角测量、回正和振动功能。

2、采用霍尔角度传感器进行转角测量，信号精度高、可靠性好，同时因为霍尔角度传感器为非接触式传感器，传感器与旋转轴之间不连接，传感器与旋转轴之间不存在磨损，传感器使用寿命长。

3、采用电机驱动，回正力度均匀且力度大小可调，也可以进行振动仿真。

4、限位旋柄和限位三角柱之间为面与面的接触，接触面积大，受力均匀，耐用性好。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图；

图2是图1的正视图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作进一步的说明。

参看如图1——图2所示，本具体实施方式采用如下技术方案：它包含方向盘1、第一旋转轴2、第一齿轮3、第二旋转轴4、第二齿轮5、限位旋柄6、限位三角柱7、第一条形磁铁8、第二条形磁铁9、线路板10、霍尔角度传感器11、第三齿轮12、皮带13、第四齿轮14和电机15，第一旋转轴2的一端套接有方向盘1，第一旋转轴2的另一端套接有第三齿轮12，第一旋转轴2的中部套接有第一齿轮3，第一齿轮3和第二齿轮5啮合，第二齿轮5套接在第二旋转轴4上，第二旋转轴4的中部套接有限位旋柄6，限位旋柄6的下方设置有限位三角柱7，第二旋转轴4的另一端粘有第一条形磁铁8和第二条形磁铁9，第一条形磁铁8和第二条形磁铁9处于同一平面内，粘合后的第一条形磁铁8的S极和第二条形磁铁9的N极在同一个平面，第一条形磁铁8和第二条形磁铁9的一侧设置有线路板10，线路板10的中心处焊接有霍尔角度传感器11，第一条形磁铁8、第二条形磁铁9与线路板10、霍尔角度传感器11之间不接触，第三齿轮12通过皮带13与第四齿轮14连接，第四齿轮14套接在电机15的输出轴上。

本具体实施方式能够实现转向装置的限位、转角测量、回正和振动仿真。

具体实施方式二：本具体实施与具体实施方式一的不同之处在于：将所述的第一条形磁铁8和第二条形磁铁9更换为一个NS同面的磁铁。

具体实施方式三：本具体实施与具体实施方式一的不同之处在于：将所述的第一条形磁铁8、第二条形磁铁9、线路板10、霍尔角度传感器11更换为一个将NS同面的磁铁和霍尔角度传感器封装在一起的角度测量装置，并与第二旋转轴4连接。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征以及本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.非接触式角度测量及电机驱动的汽车模拟器转向装置，其特征在于：它包含方向盘、第一旋转轴、第一齿轮、第二旋转轴、第二齿轮、限位旋柄、限位三角柱、第一条形磁铁、第二条形磁铁、线路板、霍尔角度传感器、第三齿轮、皮带、第四齿轮和电机，第一旋转轴的一端套接有方向盘，第一旋转轴的另一端套接有第三齿轮，第一旋转轴的中部套接有第一齿轮，第一齿轮和第二齿轮啮合，第二齿轮套接在第二旋转轴上，第二旋转轴的中部套接有限位旋柄，限位旋柄的下方设置有限位三角柱，第二旋转轴的另一端粘有第一条形磁铁和第二条形磁铁，第一条形磁铁和第二条形磁铁处于同一平面内，粘合后的第一条形磁铁的S极和第二条形磁铁的N极在同一个平面，第一条形磁铁和第二条形磁铁的一侧设置有线路板，线路板的中心处焊接有霍尔角度传感器，第一条形磁铁、第二条形磁铁与线路板、霍尔角度传感器之间不接触，第三齿轮通过皮带与第四齿轮连接，第四齿轮套接在电机的输出轴上。

2.根据权利要求1所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，其特征在于：所述的第一条形磁铁和第二条形磁铁更换为一个NS同面的磁铁。

3.根据权利要求1所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，其特征在于：所述的第一条形磁铁、第二条形磁铁、线路板、霍尔角度传感器更换为一个将NS同面的磁铁和霍尔角度传感器封装在一起的角度测量装置，并与第二旋转轴连接。