CN208126215U - 单筒行星齿轮式磁流变液力感反馈装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单筒行星齿轮式磁流变液力感反馈装置，所述装置包括：力感模拟系统、力感产生系统、换向行星齿轮系统、供电系统。本实用新型的电机转速方向不用突变，磁流变液黏度不用突变，行星齿轮传动，所有齿轮始终相互啮合，传动、传力过程中没有齿轮的滑移，因此摩擦磨损小，寿命较长。

Description

单筒行星齿轮式磁流变液力感反馈装置

技术领域

本实用新型属于汽车电控及智能化技术领域，涉及一种单筒行星齿轮式磁流变液力感反馈装置。

背景技术

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。

实用新型内容

为实现上述目的，本实用新型提供一种单筒行星齿轮式磁流变液力感反馈装置，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容易卡死的问题。

本实用新型所采用的技术方案是，单筒行星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、限位圈和电机，转向柱穿过轴承通过联轴器与转角及转矩传感器的一端刚性连接，转向柱与方向盘刚性连接，转角及转矩传感器的另一端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连接，输入轴的一端通过联轴器与电机连接，输入轴的另一端通过键与太阳轮连接，输入轴上设有行星支架，输入轴贯穿于行星支架并通过键与其连接，行星支架上设有行星轮，行星轮与太阳轮齿轮连接，齿圈穿过行星支架与行星轮齿轮连接，滚筒设于支架中部，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，齿圈通过O形密封圈与滚筒连接，行星支架上设有轴承和套筒，套筒与轴承相连接，输入端盖板套在轴承外与滚筒相连接，行星支架通过密封毡圈与密封端盖相连接，密封端盖通过密封垫片与输入端盖板相连接，齿圈与输入端盖板之间形成封闭空间，太阳轮与输出端盖板之间形成封闭空间，两个封闭空间内部均设有磁流变液，两个封闭空间外部均设有励磁线圈，齿圈与输入端盖板之间的磁流变液与行星支架之间设有套筒，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转角及转矩传感器、电机、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，所述行星轮绕自身轴线转动。

进一步的，所述齿圈、太阳轮和行星轮轮齿啮合均在一个平面。

本实用新型的有益效果是，与现有技术相比，(1)本实用新型单筒行星齿轮式磁流变液力感反馈装置电机控制更为简单，消除了传统力感反馈装置直接力矩控制的延迟和抖动。由于电机在本实用新型中只是作为主动源，因此只要做到恒速控制即可，而且转速的延迟对于力感反馈的过程没有影响，因此改变了传统力感反馈装置因为电机性能不高而影响最终实现效果的不利状况；(2)本实用新型单筒行星齿轮式磁流变液力感反馈装置由于采用了智能材料磁流变液，使得装置的响应速度变为毫秒级，消除了传统力感反馈装置的延迟特性。而且由于是采用液力传动的方式，因此传力过程更柔和，使得驾驶员在驾驶模拟过程中能够更好地体验方向盘反馈力矩；(3)本实用新型单筒行星齿轮式磁流变液力感反馈装置由于采用了行星齿轮换向系统，使得控制过程中没有参数的突变，典型的代表是电机转速方向不用突变，磁流变液黏度不用突变，行星齿轮传动，所有齿轮始终相互啮合，传动、传力过程中没有齿轮的滑移，因此摩擦磨损小，寿命较长；行星齿轮机构结构简单、紧凑，其载荷被分配到数量众多的齿上，强度大，也就是说对于轮齿的强度要求低，降低了制造的难度与成本；所有的轮齿啮合均在同一个平面，降低了传动的长度，也就是使得整个力感反馈装置的长度缩短，整体结构较为精简，从本质上提升了装置的响应速度，因此该实用新型的性能优于传统的力感反馈装置；(4)本实用新型单筒行星齿轮式磁流变液力感反馈装置采用转矩传感信号进行实时反馈调节，能够确保实际产生的方向盘力感反馈数值与理论力感数值相等，控制效果更优。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为单筒行星齿轮式磁流变液力感反馈装置轴测图；

图2为单筒行星齿轮式磁流变液力感反馈装置主视图；

图3为单筒行星齿轮式磁流变液力感反馈装置俯视图；

图4为单筒行星齿轮式磁流变液力感反馈装置剖视图；

图5为单筒行星齿轮式磁流变液力感反馈装置控制流程及信号传递图；

图6为单筒行星齿轮式磁流变液力感反馈装置换向总成拆解轴测图；

图7为单筒行星齿轮式磁流变液力感反馈装置齿圈轴测图；

图8为单筒行星齿轮式磁流变液力感反馈装置励磁线圈轴测图；

图9为单筒行星齿轮式磁流变液力感反馈装置太阳轮轴测图；

图10为单筒行星齿轮式磁流变液力感反馈装置行星轮轴测图；

图11为单筒行星齿轮式磁流变液力感反馈装置行星支架轴测图；

图12为单筒行星齿轮式磁流变液力感反馈装置输入轴轴测图；

图13为单筒行星齿轮式磁流变液力感反馈装置输出轴轴测图；

图14为单筒行星齿轮式磁流变液力感反馈装置限位圈轴测图。

图中，1.支架，2.电机，3.联轴器，4.限位圈，5.密封端盖，6.输入端盖板，7.O形密封圈，8.滚筒，9.齿圈，10.行星轮，11.太阳轮，12.励磁线圈，13.输出端盖板，14.轴承支座，15.转向柱，16.方向盘，17.转角及转矩传感器，18.输出轴，19.键，20.行星支架，21.输入轴，22.套筒，23.密封垫圈，24.轴承，25.密封垫片，26.密封毡圈，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.电源。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-3所示，单筒行星齿轮式磁流变液力感反馈装置，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；

单筒行星齿轮式磁流变液力感反馈装置，包括支架1，支架1上依次设有轴承支座14、转角及转矩传感器17、励磁线圈12、限位圈4和电机2；

力感模拟系统：根据方向盘16的转角信号，用于产生理论方向盘力感的大小和方向；包括方向盘16、转向柱15、轴承24、轴承支座14、联轴器3、转角及转矩传感器17、力感控制器27；支架1上依次设有轴承支座14和转角及转矩传感器17，转向柱15穿过轴承通过联轴器与转角及转矩传感器17的一端连接，转向柱15与方向盘16刚性连接，转角及转矩传感器17通过信号线与力感控制器27连接；

力感控制系统：根据理论力感产生相应的控制信号，用于控制电机2转速和磁流变液黏度；包括电机控制器27、电机驱动器29、磁流变液控制器30、电流发生器31，如图4所示，转角及转矩传感器17通过信号线分别与力感控制器27和磁流变液控制器30连接，力感控制器27通过信号线依次与磁流变液控制器30、电流发生器31和励磁线圈12相连接，电机控制器28通过信号线依次与电机驱动器29、电机2相连接；

力感产生系统：用于接收方向盘16力感的控制信号并依照电磁作用和黏性液体传动作用产生实际力矩；如图7-14所示，包括联轴器3、励磁线圈12、电机2、输入轴21、输出轴18、密封端盖5、密封垫片23、密封垫片25、密封毡圈26、轴承24、套筒22、O形密封圈7、齿圈9、太阳轮11、行星轮10、行星支架20、滚筒8、键19、输出端盖板13、输入端盖板6、限位圈4；转角及转矩传感器17的另一端通过联轴器与输出轴18刚性连接，输出轴18通过键19与输出端盖板13连接，输入轴21的一端通过联轴器3与电机2连接，输入轴21的另一端通过键与太阳轮11连接，输入轴21靠近联轴器3的一端设有限位圈4，输入轴21上设有行星支架20，输入轴21贯穿于行星支架20并通过键与其连接，行星支架20上设有行星轮10，行星轮10与太阳轮11齿轮连接，齿圈9穿过行星支架20与行星轮10齿轮连接，滚筒8设于支架1中部，滚筒8通过螺丝和密封垫圈23与输入端盖板6和输出端盖板13的上下两侧相连接，齿圈9通过O形密封圈7与滚筒8连接，行星支架20上设有轴承24和套筒22，套筒22与轴承24相连接，输入端盖板6套在轴承24外与滚筒8相连接，行星支架20通过密封毡圈26与密封端盖5相连接，密封端盖5通过密封垫片25与输入端盖板6相连接，齿圈9与输入端盖板6之间形成封闭空间，太阳轮11与输出端盖板13之间形成封闭空间，两个封闭空间内部均设有磁流变液，两个封闭空间外部均设有励磁线圈12，齿圈9与输入端盖板6之间的磁流变液与行星支架20之间设有套筒22；

换向系统：用于使太阳轮11与齿圈9在电机2开启后始终保持反向运动，产生相反方向的力感；包括输入轴21、齿圈9、太阳轮11、行星轮10、行星支架20；如图5-6所示，输入轴21上设有行星支架20，输入轴21贯穿于行星支架20并通过键与其连接，行星支架20上设有行星轮10，行星轮10与太阳轮11齿轮连接，齿圈9穿过行星支架20与行星轮10齿轮连接；

供电系统：用于为装置提供电能；电源32通过供电线分别与转角及转矩传感器17、电机2、力感控制器27、电机控制器28、电机驱动器29、磁流变液控制器30、电流发生器31相连接。

方向盘16用于给驾驶员提供转向装置；

转角及转矩传感器17用于检测方向盘16转角的大小和方向和后续的力感控制，并检测传递到驾驶员手中的转向柱15上的力矩数值，用于后续的力矩数值反馈控制，使得力感大小更接近理论力感；

力感控制器27根据驾驶员转动方向盘16的转角和方向，运行内部的理论力感模拟算法，产生具有和实车驾驶时相同大小和方向的理论方向盘力矩。

电机控制器28用于控制电机2匀速旋转，保证电机2在有负载波动工况下能够维持匀速旋转驱动太阳轮11与齿圈9转动，电机控制器28产生PWM控制信号传递给电机驱动器29用于控制电机2；

电机驱动器29接收电机控制器28产生的PWM控制信号，并将其转换成电压电流信号输送给电机2，使得电机2能够维持预先设定的转速；

如图5所示，磁流变液控制器30根据力感控制器27所产生的理论方向盘力矩的大小运行控制算法，决策出励磁线圈12所需的励磁电流数值，根据力感控制器27所产生的理论方向盘力矩的方向决策出应该向哪个励磁线圈12进行供电，确保太阳轮11和输入端盖板6之间的磁流变液或齿圈9和输出端盖板13之间的磁流变液通磁，同时外部的对应的励磁线圈12通电，同时磁流变液控制器30还接受转角及转矩传感器17的信号用于实时调节励磁线圈12电流的大小，确保转向柱15上传递给驾驶员的力矩大小与理论力感的数值相同；

电流发生器31接收磁流变液控制器30所传递的理论电流产生大小一致的励磁电流用于输入给励磁线圈12，电流发生器31拥有两个通道分别连接两个励磁线圈12，具体向哪个通道输送电流取决于理论方向盘力矩的方向，该选择由磁流变液控制器30决策。

电机2用于齿圈9与太阳轮11反向旋转；电机2与输入轴21连接，电机2带动输入轴21转动，进而带动太阳轮11的转动，太阳轮11又带动行星轮10转动，行星轮10安装在行星支架20上，并且行星轮10仅有绕自身轴线的转动运动，行星支架20受到固连在支架1上的限位圈4的作用，不会产生任何运动，齿圈9与太阳轮11的转速比确定，行星轮10又带动齿圈9转动，从而齿圈9与太阳轮11转动方向相反，并且传递相反的力矩，且齿圈9、太阳轮11和行星轮10轮齿啮合均在一个平面。

励磁线圈12用于控制产生磁场控制齿圈9/太阳轮11与输入端盖板6/输出端盖板13之间的磁流变液的黏度大小；

齿圈9用于产生一个方向的运动以及和输入端盖板6之间的磁流变液产生驱动力矩；

太阳轮11用于产生另一个方向的运动以及和输出端盖板13之间的磁流变液产生驱动力矩；

磁流变液分布于齿圈9与输入端盖板6和太阳轮11与输出端盖板13之间形成两个封闭空间内。

单筒行星齿轮式磁流变液力感反馈装置的使用方法应用单筒行星齿轮式磁流变液力感反馈装置，具体按照以下步骤进行：

步骤一、在驾驶过程中转动方向盘16，转角及转矩传感器17检测方向盘16转角的大小以及方向并将其传递给力感控制器27，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，M_A＝QDsinβsinδ，M_y＝F_y(ξ^·+ξ^··)，其中，M_A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，M_y为主销后倾引起的力矩，F_y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M_D＝B_s·θ+Q·f·sign(θ)，其中，B_s为转向系统中转向轴的阻尼系数，θ为方向盘16转角，f是地面摩擦系数，sign(θ)表示摩擦力矩方向与方向盘16转动方向相反，因此，理论方向盘的力矩可表示为：M_l＝F(θ)＝(M_A+M_y)/i+(M_D-B_s·θ)/i+B_s·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30；

步骤二、磁流变液控制器30根据M_l＝F(θ)＝(M_A+M_y)/i+(M_D-B_s·θ)/i+B_s·θ得出理论方向盘力矩，方向与方向盘16的转角相反，决策出应该向哪个励磁线圈12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12的圈数，I为励磁线圈12电流，l为磁路长度，然后通过电流发生器31予以执行，磁流变液控制器30还能接收转角及转矩传感器17输出的转矩信号，根据理论方向盘力矩M_l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＝M_l-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28通过电机驱动器29控制电机2维持等速旋转产生出理论方向盘力感，齿圈9、太阳轮11作为主动源被电机2驱动并被行星轮10换向，齿圈9和太阳轮11始终维持反向旋转，齿圈9/太阳轮11则能够通过磁流变液的剪切力将齿圈9/太阳轮11的驱动力矩传递给输入端盖板6(或者输出端盖板13)与滚筒8，确保能够随时输出力矩r为齿圈9/太阳轮11与磁流变液接触面的半径，τ₀为磁流变液产生的剪切应力，输入端盖板6和输出端盖板13被磁流变液紧贴覆盖，随时准备接收齿圈9/太阳轮11的驱动力矩并通过转角及转矩传感器17传递给方向盘16；一侧齿圈9(或太阳轮11)工作时另一侧的励磁线圈12没有电流，太阳轮11(或齿圈9)进行空转。

实施例

电机2以2转/秒的转速顺时针匀速旋转，则太阳轮11、齿圈9以相反方向转动，此时驾驶员从零位逆时针转动方向盘16，力感控制器27决策出理论力感的大小之后，通过磁流变液控制器30决策出励磁线圈12的理论电流，与此同时力感控制器27决策出理论力感的方向应该为顺时针，则磁流变液控制器30控制电流发生器31，选择向太阳轮11和输出端盖板13之间的磁流变液通磁，也就是对对应的外部励磁线圈12进行通电，线圈向其内部的磁流变液产生磁场，改变磁流变液的黏度至合适大小，在顺时针转动的太阳轮11的作用下，输出端盖板13将产生与理论力感大小相等的顺时针反馈力矩传递至方向盘16上，此时齿圈9空转；如若此时驾驶员从零位顺时针转动方向盘16，力感控制器27决策出理论力感的大小之后，通过磁流变液控制器30决策出励磁线圈12的理论电流。与此同时力感控制器27决策出理论力感的方向应该为逆时针，则磁流变液控制器30控制电流发生器31，选择向齿圈9和输入端盖板6之间的磁流变液通磁，也就是对对应的外部励磁线圈12进行通电，线圈向其内部的磁流变液产生磁场，改变磁流变液的黏度至合适大小，在逆时针转动的齿圈9的作用下，输入端盖板6将产生与理论力感大小相等的逆时针反馈力矩传递至方向盘16上，此时太阳轮11空转。

经过磁流变液控制器30的控制以及换向系统的执行，电流发生器31随时切换供电通道，该实用新型能够在方向盘16任意位置下输出任意大小和方向的力矩，整个控制过程没有电机换向的存在，因此系统的响应速度将由磁流变液的响应速度决定，而磁流变液的响应速度在毫秒级，因此实用新型比现有传统的力感反馈装置更具优势。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (4)

1.单筒行星齿轮式磁流变液力感反馈装置，其特征在于，包括支架(1)，支架(1)上依次设有轴承支座(14)、转角及转矩传感器(17)、励磁线圈(12)、限位圈(4)和电机(2)，转向柱(15)穿过轴承通过联轴器与转角及转矩传感器(17)的一端刚性连接，转向柱(15)与方向盘(16)刚性连接，转角及转矩传感器(17)的另一端通过联轴器与输出轴(18)刚性连接，输出轴(18)通过键(19)与输出端盖板(13)连接，输入轴(21)的一端通过联轴器(3)与电机(2)连接，输入轴(21)的另一端通过键与太阳轮(11)连接，输入轴(21)上设有行星支架(20)，输入轴(21)贯穿于行星支架(20)并通过键与其连接，行星支架(20)上设有行星轮(10)，行星轮(10)与太阳轮(11)齿轮连接，齿圈(9)穿过行星支架(20)与行星轮(10)齿轮连接，滚筒(8)设于支架(1)中部，滚筒(8)通过螺丝和密封垫圈(23)与输入端盖板(6)和输出端盖板(13)的上下两侧相连接，齿圈(9)通过O形密封圈(7)与滚筒(8)连接，行星支架(20)上设有轴承(24)和套筒(22)，套筒(22)与轴承(24)相连接，输入端盖板(6)套在轴承(24)外与滚筒(8)相连接，行星支架(20)通过密封毡圈(26)与密封端盖(5)相连接，密封端盖(5)通过密封垫片(25)与输入端盖板(6)相连接，齿圈(9)与输入端盖板(6)之间形成封闭空间，太阳轮(11)与输出端盖板(13)之间形成封闭空间，两个封闭空间内部均设有磁流变液，两个封闭空间外部均设有励磁线圈(12)，齿圈(9)与输入端盖板(6)之间的磁流变液与行星支架(20)之间设有套筒(22)，转角及转矩传感器(17)通过信号线分别与力感控制器(27)和磁流变液控制器(30)连接，力感控制器(27)通过信号线依次与磁流变液控制器(30)、电流发生器(31)和励磁线圈(12)相连接，电机控制器(28)通过信号线依次与电机驱动器(29)、电机(2)相连接。

2.根据权利要求1所述的单筒行星齿轮式磁流变液力感反馈装置，其特征在于，电源(32)通过供电线分别与转角及转矩传感器(17)、电机(2)、力感控制器(27)、电机控制器(28)、电机驱动器(29)、磁流变液控制器(30)、电流发生器(31)相连接。

3.根据权利要求1所述的单筒行星齿轮式磁流变液力感反馈装置，其特征在于，所述行星轮(10)绕自身轴线转动。

4.根据权利要求1所述的单筒行星齿轮式磁流变液力感反馈装置，其特征在于，所述齿圈(9)、太阳轮(11)和行星轮(10)轮齿啮合均在一个平面。