CN102176291B - 一种转角范围可调的方向盘路感模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种转角范围可调的方向盘路感模拟装置。本发明包括方向盘、支架、力矩传感器、电机***及台架，力矩传感器的一端经第一联轴器与方向盘连接，力矩传感器的另一端经第二联轴器与电机***中的电机轴连接。第一联轴器与方向盘之间装有减震***，力矩传感器的另一端经第二联轴器、齿轮轴和第三联轴器与电机***中的电机轴连接；与齿轮轴轴线垂直方向的台架上安装有两套完全相同的双螺纹双调节机构，两套完全相同的双螺纹双调节机构间装有齿条轴，齿轮轴上的齿轮与齿条轴上的齿条相啮合。本发明使方向盘沿轴向具有减震效果，减小来自于模拟器本体的振动；能够调节方向盘的转角范围；能够调节最大阻力矩，适用于不同类型车辆的模拟器。
Description
技术领域
本发明涉及一种方向盘路感模拟装置，尤其是涉及一种转角范围可调的方向盘路感模拟装置。
背景技术
车辆模拟器是专门针对各种车辆，给驾驶员提供一个在虚拟环境中体验驾驶感觉的平台。车辆模拟器的作用日益增加，用于培训驾驶员、研发测试虚拟样机、作为娱乐设施等都凸现了其重要意义。在培训驾驶员方面，利用车辆模拟器可以大幅降低训练危险性，降低对训练场地的要求，有效节省空间；在研发虚拟样机方面，可以在虚拟环境中测试各种设计参数能否满足要求或者是否具有良好的性能，为进一步优化设计了提供依据；在娱乐设施方面，给广大车辆爱好者提供了一个诸如塞车等的竞技项目平台，显示出了其强大的娱乐性和商业价值潜力。
车辆模拟器要最大程度的给人以沉浸感和真实感。人机交互是实现沉浸感和真实感的重要内容之一。本发明所涉及的路感模拟装置就是应用于车辆模拟器当中，是驾驶员与模拟器进行交互的重要接口。驾驶员操纵方向盘，路感模拟装置会根据当前的车辆状态参数、地面参数来给出阻力矩，使驾驶员获得尽量多的路面信息，增强沉浸感和真实感。不同类型车辆对方向盘转动范围的要求并不相同，对最大阻力矩的要求也不一样，因此发明一种在一定范围内可以调节方向盘转角范围，并且在不更换电机的情况下可以改变最大阻力矩的路感模拟装置具有非常现实的重要意义。
国内外学者对路感的研究已经非常深入，主要集中在对汽车模拟器方向盘回正力矩的模拟、真实车辆中各种助力转向***的路感模拟、工程车辆的电子转向器的设计等。吉林大学所设计的应用于汽车模拟器中的回正力矩模拟***由实时计算机、反馈控制***、力矩电机及方向盘组成，着重在电机的控制上；美国的V D Mills 和J R Wagner学者对汽车液压助力转向***、电动助力转向***从理论上进行了深入研究，为路感模拟装置的设计提供了很好的理论依据；国内有一些学者还针对真实车辆中的线控转向***，利用力矩电机作为路感生成器件，由于线控转向***取消了方向盘与车辆转向轮之间的机械连接，这与模拟器中的方向盘路感模拟装置具有非常相似的特点，因此具有很好的借鉴意义；江苏大学曾针对工程车辆设计了一种电子转向器，并对其力特性进行了试验研究及分析。工程车辆当中由于存在自动回正程序，因此所设计的电子转向器未考虑回正力矩的产生，其机械装置主要由方向盘、转矩传感器、磁阻尼器和旋转编码器组成。综上所述，对车辆模拟器路感模拟装置的设计研究，出现了两种情况：一是在早期整个路感模拟装置仅由弹簧阻尼***和方向盘组成，没有控制***。这种装置适合于对路感要求不高、安装空间极其有限的情况下；二是侧重控制***，将重点集中在电机的力矩生成控制上，机械部分仅由方向盘、力矩电机、力矩传感器以及必要的连接固定装置组成。第二种情况较第一种有了明显的进步，它利用电机作为力矩生成部件，可以充分考虑影响力矩生成的各种因素。但是第二种情况仍有不足，其体现在：
1）方向盘转角范围不可调，不能适应各种用户的要求；
2）方向盘在轴向方向不存在自由度，即不具有减震功能，它将模拟器的振动全部传给人手；
3）在不更换电机的情况下，最大阻力矩不可调，不能满足各种不同类型车辆模拟器的要求，适应性不好。
发明内容
针对目前应用于车辆模拟器中的方向盘路感模拟装置存在方向盘转角范围不可调、方向盘在轴向方向不具有减震功能、最大阻力矩不可调的不足，本发明提供了可以解决这些问题的一种转角范围可调的方向盘路感模拟装置。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括方向盘、支架、力矩传感器、电机***及台架，力矩传感器的一端经第一联轴器与方向盘连接，力矩传感器的另一端经第二联轴器与电机***中的电机轴连接。第一联轴器与方向盘之间装有减震***，力矩传感器的另一端经第二联轴器、齿轮轴和第三联轴器与电机***中的电机轴连接；与齿轮轴轴线垂直方向的台架上安装有两套完全相同的双螺纹双调节机构，两套完全相同的双螺纹双调节机构间装有齿条轴，齿轮轴上的齿轮与齿条轴上的齿条相啮合。
所述的减震***包括滑套轴、减震弹簧、端盖和导向轴；滑套轴远离方向盘一端开有阶梯形孔，导向轴靠近方向盘一端也开孔，滑套轴与导向轴间安装减震弹簧，滑套轴与导向轴间以导向键、槽形成滑动配合；滑套轴的另一端与方向盘连接，导向轴的另一端与第一联轴器连接。
所述的一个双螺纹双调节机构包括内调节轴、调节导套、弹簧和外导套；外导套和调节导套构成螺旋副，内调节轴与调节导套也构成螺旋副，弹簧的一端固定在内调节轴的轴端，弹簧的另一端顶在齿条轴的一个端面上，也可以与齿条轴的端面不接触；同理，所述的另一个双螺纹双调节机构与该机构关于齿轮轴的轴线对称布置。
本发明的有益效果是：
1、该模拟装置使方向盘沿轴向具有减震效果，减小来自于模拟器本体的振动。
2、能够调节方向盘的转角范围，满足不同用户的需求。
3、能够调节最大阻力矩，适用于汽车、工程车辆等不同类型车辆的模拟器。
附图说明
图1是该模拟装置的总体外形图。
图2是图1的俯视图。
图3是图2的A-A剖视图。
图4是图3的Ｃ处局部放大图。
图5是图4的D-D剖视图。
图6是图2的B-B剖视图。
图中：1、方向盘，2、减震***，3、支架，4、力矩传感器，5、齿轮齿条机构，6、双螺纹双调节机构，7、固定卡，8、电机***（包含电机、减速箱和光电编码器），9、台架，10、第一联轴器，11、第二联轴器，12、第三联轴器，13、滑套轴，14、减震弹簧，15、端盖，16、导向轴，17、沉头螺钉，18、齿条轴，19、齿轮轴，20、内调节轴，21、调节导套，22、弹簧，23、外导套。
具体实施方式
以下结合附图和实施方式对本发明作进一步的描述。
如图1、图2、图3所示，本发明包括方向盘1、支架3、力矩传感器4、电机***（包含电机、减速箱和光电编码器）8及台架9，力矩传感器4的一端经第一联轴器10与方向盘1连接，力矩传感器4的另一端经第二联轴器11与电机***8中的电机轴连接。第一联轴器10与方向盘1之间装有减震***2，力矩传感器4的另一端经第二联轴器11、齿轮齿条机构5的齿轮轴19和第三联轴器12与电机***8中的电机轴连接；与齿轮轴19轴线垂直方向的台架9上用两个相同的固定卡7安装两套完全相同的双螺纹双调节机构6，两套完全相同的双螺纹双调节机构6间装有齿条轴18，齿轮轴19上的齿轮与齿条轴18上的齿条相啮合，啮合点在齿轮轴19的轴线段中点位置。
如图4、图5所示，所述的减震***2包括滑套轴13、减震弹簧14、端盖15和导向轴16；滑套轴13远离方向盘1一端开有阶梯形孔，导向轴16靠近方向盘1一端也开孔，滑套轴13与导向轴16间安装减震弹簧14，滑套轴13与导向轴16间以导向键、槽形成滑动配合，端盖15穿过导向轴16的小径轴端并紧靠其与滑套轴13具有滑动配合部分的端面，压紧弹簧14，用沉头螺钉17固定在滑套轴13上；滑套轴13的另一端与方向盘1连接，导向轴16的另一端与第一联轴器10连接。
如图3、图6所示，所述的一个双螺纹双调节机构包括内调节轴20、调节导套21、弹簧22和外导套23；外导套23和调节导套21构成螺旋副，内调节轴20与调节导套21也构成螺旋副，弹簧22的一端固定在内调节轴20的轴端，弹簧22的另一端顶在齿条轴18的一个端面上，也可以与齿条轴18的端面不接触；同理，所述的另一个双螺纹双调节机构与该机构关于齿轮轴19的轴线对称布置。外导套23用固定卡7固定在台架9上，齿轮齿条机构5的齿条轴18在外导套23内可以自由滑动，调节导套21通过螺旋副在外导套23内旋进旋出，实现对齿条轴18的机械限位，内调节轴20在调节导套21内通过螺旋副旋进旋出，当齿条轴18一端面顶住调节导套21一端面时，弹簧22的压缩量不同，从而提供的最大阻力不同。
整个装置的工作过程描述如下：
本发明装置的工作过程有两种情况，分别为左右转角范围对称和不对称。左右转角范围对称的情况：首先将双螺纹双调节结构6的调节导套21通过螺旋副旋入外导套23内的某个位置，再将轴端与弹簧22一端固定的内调节轴20通过螺旋副旋入调节导套21内的某个位置。另外一套双螺纹双调节机构的调节位置与此相同。此时齿条轴18与弹簧22接触或不接触都可以。驾驶员转动方向盘时，转矩通过方向盘1依次传递给滑套轴13、导向轴16、第一联轴器10、力矩传感器4、第二联轴器11、齿轮轴19、齿条轴18、弹簧22、调节导套21，到达极限位置，停止转动，同时这一过程中由于齿轮轴19靠近电机轴一端通过第三联轴器12与电机轴连接，所以始终受到电机阻力矩的作用。此时如果想要将方向盘转角范围减小或增加，则可将调节导套21旋入外导套23的深度增加或减小，同时再调节内调节轴20，使得当齿条轴到达极限位置时的最大阻力矩大小合适。左右转角范围不对称的情况：如果两套双螺纹双调节机构的调节导套旋入外导套内的位置不同，则方向盘左右转角的范围也不同，到达极限位置时的最大阻力矩也可以通过调节内调节轴来实现。整个工作过程中来自于模拟器本体的振动传递到减震***2的导向轴16时被减震弹簧14衰减，起到了减震的作用。
Claims (1)
1.一种转角范围可调的方向盘路感模拟装置，包括方向盘（1）、支架（3）、力矩传感器（4）、电机***（8）及台架（9），力矩传感器（4）的一端经第一联轴器（10）与方向盘（1）连接，力矩传感器（4）的另一端经第二联轴器（11）与电机***（8）中的电机轴连接；其特征在于：第一联轴器（10）与方向盘（1）之间装有减震***（2），力矩传感器（4）的另一端经第二联轴器（11）、齿轮轴（19）和第三联轴器（12）与电机***（8）中的电机轴连接；与齿轮轴（19）轴线垂直方向的台架（9）上安装两套完全相同的双螺纹双调节机构（6），两套完全相同的双螺纹双调节机构（6）间装有齿条轴（18），齿轮轴（19）上的齿轮与齿条轴（18）上的齿条相啮合；
所述的减震***（2）包括滑套轴（13）、减震弹簧（14）、端盖（15）和导向轴（16）；滑套轴（13）远离方向盘（1）一端开有阶梯形孔，导向轴（16）靠近方向盘（1）一端也开孔，滑套轴（13）与导向轴（16）间安装减震弹簧（14），滑套轴（13）与导向轴（16）间以导向键、槽形成滑动配合；滑套轴（13）的另一端与方向盘（1）连接，导向轴（16）的另一端与第一联轴器（10）连接；
所述的一个双螺纹双调节机构（6）包括内调节轴（20）、调节导套（21）、弹簧（22）和外导套（23）；外导套（23）和调节导套（21）构成螺旋副，内调节轴（20）与调节导套（21）也构成螺旋副，弹簧（22）的一端固定在内调节轴（20）的轴端，另一端顶在齿条轴（18）的一个端面上，也可与齿条轴（18）的端面不接触；同理，所述的另一个双螺纹双调节机构与该双螺纹双调节机构关于齿轮轴（19）的轴线对称布置。
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