CN203838902U - 一种力反馈及振动的汽车驾驶模拟器转向装置 - Google Patents

Abstract

一种力反馈及振动的汽车驾驶模拟器转向装置，它涉及汽车驾驶模拟器技术领域，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、限位块、第一条形磁铁、第二条形磁铁、霍尔角度传感器、线路板、第三齿轮、光电编码器、第三旋转轴、第四齿轮、皮带、第五齿轮、第四旋转轴和电机。本实用新型结构简单、设计合理且操作方便，它能够实现转向装置的限位、转角测量、回正和振动功能，并且能很好地修正方向盘进行振动仿真时信号错误问题。

Description

一种力反馈及振动的汽车驾驶模拟器转向装置

技术领域：

    本实用新型涉及汽车驾驶模拟器技术领域，具体涉及一种力反馈及振动的汽车驾驶模拟器转向装置。

背景技术：

汽车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，它是汽车驾驶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驾驶模拟器的体验。通常来说，汽车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（即方向盘可以向左转两圈，也可以向右转两圈），±540度（即方向盘可以向左转一圈半，也可以向右转一圈半）。

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。

以下描述现有常见的汽车驾驶模拟器转向装置：

现有方案1：方向盘上安装有一条中心旋转轴，在中心旋转轴上安装有方向机（即蜗轮蜗杆装置）, 从而将方向盘的旋转运动转化为直线运动，在直线运动的轴两边安装有弹簧，用于方向盘回正。另外，在直线运动的轴上的一端，安装有直线位移传感器。在直线轴的两端，安装有两个限位螺帽，用于限制直线轴的运动范围，从而限制了方向盘的转动角度。这种方案的优点是对安装精度要求不高，生产成本较为低廉。缺点是位移传感器通常采用电压大小表示方向盘转角，电压会有一定的波动，从而导致方向盘转角数值波动。另外，由于蜗轮蜗杆阻力较大，需要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。

现有方案2：方向盘轴上安装有小齿轮，小齿轮与大齿轮相连，在大齿轮上安装限位装置。方向盘轴上再通过齿轮组，安装电机和光电编码器。其中电机用于提供方向盘回正力和振动仿真，光电编码器用于测量方向盘转角。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。力矩电机能够提供较为均匀的方向盘反力，手感较好，另外，通过控制力矩电机可以模拟颠簸路面的方向盘振动。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旋转过程中（尤其是方向盘有振动的情况下），容易丢失信号，从而使得方向盘转角数值出现错误。

现有方案3：方向盘轴上安装有小齿轮，小齿轮与大齿轮相连，在大齿轮上安装限位装置。另外，在方向盘轴上安装齿轮组，在齿轮组上安装弹簧，用于方向盘回正。在方向盘轴上再安装一个偏心轮，用于安装位移传感器从而测量方向盘转角。这种方案与方案1和方案2相比，回正力手感比方案1好，比方案2差。位移传感器的测量精度和数值抖动与方案1类似，精度不如方案2好。安装难度比方案1难，比方案2简单，另外由于没有电机，因此无法实现方向盘振动仿真。

比较上述三种方案，可以发现方案2能够提供最好的效果，但是如果在方向盘振动过程中光电编码器出现信号偏差，随着振动时间的延长，方向盘传感器数值偏差越来越大，从而导致整个***无法使用。

实用新型内容：

本实用新型的目的是提供一种力反馈及振动的汽车驾驶模拟器转向装置，它结构简单、设计合理且操作方便，它能够实现转向装置的限位、转角测量、回正和振动功能，并且能很好地修正方向盘进行振动仿真时信号错误问题。

为了解决背景技术所存在的问题，本实用新型是采用以下技术方案：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、限位块、第一条形磁铁、第二条形磁铁、霍尔角度传感器、线路板、第三齿轮、光电编码器、第三旋转轴、第四齿轮、皮带、第五齿轮、第四旋转轴和电机，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四齿轮，第一旋转轴的中心处套接有第一齿轮，第一齿轮的右侧设置有第二齿轮，第一齿轮与第二齿轮啮合，第二齿轮套接在第二旋转轴上，第二旋转轴的中心处套接有限位旋柄，限位旋柄的下端设置有限位块，第二旋转轴的另一端设置有粘合在一起的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，第一齿轮的左侧设置有第三齿轮，第一齿轮与第三齿轮啮合，第三齿轮套接在第三旋转轴的一端上，第三旋转轴的另一端连接有光电编码器，第四齿轮的通过皮带与第五齿轮连接，第五齿轮的中心套接有第四旋转轴，第四旋转轴的一端设置有电机。

本实用新型工作原理：方向盘转动时，带动第一旋转轴旋转，从而带动第一齿轮旋转，第一齿轮分别带动了第二齿轮和第三齿轮旋转，第二齿轮旋转带动了第二旋转轴旋转，从而带动了限位旋柄、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，这就是方向盘限位功能的实现。

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位置发生变化，从而输出不同的电压值，从而可以得到一个转角测量值。

第三齿轮旋转带动第三旋转轴和光电编码器的中心轴旋转，从而使得光电编码器输出脉冲信号，统计输出的脉冲信号，即可知道方向盘转动的角度值。

电机的中心轴以一定的扭矩向左或向右旋转时，从而带动第四旋转轴和第五齿轮旋转，第五齿轮通过皮带带动第四齿轮旋转，第四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；电机进行快速的左转和右转切换，可以模拟振动功能，该振动依次通过第四旋转轴、第五齿轮、皮带、第四齿轮和第一旋转轴传递到方向盘，这就是方向盘的振动仿真功能。

通过计数光电编码器的脉冲值，可以知道方向盘的旋转角度，但是在方向盘振动时，光电编码器的值经常出现错误，因此需要利用霍尔角度传感器的值对光电编码器的值进行实时修正，从而输出一个正确的转向角度值。

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、针对汽车驾驶模拟器方向盘采用光电编码器作为传感器时，由于方向盘振动导致信号丢失问题，通过在限位轴的一端安装条形磁铁和霍尔角度传感器，实时修正方向盘角度数值，从而解决了使用光电编码器作为方向盘传感器信号错误问题。

3、如果光电编码器损坏不能正常工作，可以采用霍尔角度传感器的数值作为方向盘的转角测量数值，从而有效保障方向盘转角测量的可靠性。

附图说明：

图1是本实用新型结构示意图。

图2是图1的俯视图。

具体实施方式：

参看图1-图2，本具体实施方式采用以下技术方案：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、限位块7、第一条形磁铁8、第二条形磁铁9、霍尔角度传感器10、线路板11、第三齿轮12、光电编码器13、第三旋转轴14、第四齿轮15、皮带16、第五齿轮17、第四旋转轴18和电机19，第一旋转轴2的一端套接有方向盘1，第一旋转轴2的另一端套接有第四齿轮15，第一旋转轴2的中心处套接有第一齿轮3，第一齿轮3的右侧设置有第二齿轮5，第一齿轮3与第二齿轮5啮合，第二齿轮5套接在第二旋转轴4上，第二旋转轴4的中心处套接有限位旋柄6，限位旋柄6的下端设置有限位块7，第二旋转轴4的另一端设置有粘合在一起的第一条形磁铁8和第二条形磁铁9，粘合后的第一条形磁铁8的S极和第二条形磁铁9的N极设置在同一个平面，该平面与线路板11上用于焊接霍尔角度传感器10所在的平面平行，第一条形磁铁8和第二条形磁铁9的一侧设置有线路板11，线路板11的中心处焊接有霍尔角度传感器10，第一齿轮3的左侧设置有第三齿轮12，第一齿轮3与第三齿轮12啮合，第三齿轮12套接在第三旋转轴14的一端上，第三旋转轴14的另一端连接有光电编码器13，第四齿轮15的通过皮带16与第五齿轮17连接，第五齿轮17的中心套接有第四旋转轴18，第四旋转轴18的一端设置有电机19。

本具体实施方式工作原理：方向盘1转动时，带动第一旋转轴2旋转，从而带动第一齿轮3旋转，第一齿轮3分别带动了第二齿轮5和第三齿轮12旋转，第二齿轮5旋转带动了第二旋转轴4旋转，从而带动了限位旋柄6、第一条形磁铁8和第二条形磁铁9旋转，当限位旋柄6向左或向右旋转到限位块7时，方向盘1无法继续转动，这就是方向盘1限位功能的实现。

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，该平面与线路板11上焊接霍尔角度传感器10所在的平面平行。第一条形磁铁8和第二条形磁铁9旋转时与霍尔角度传感器10的相对位置发生变化，从而输出不同的电压值，从而可以得到一个转角测量值。

第三齿轮12旋转带动第三旋转轴14和光电编码器13的中心轴旋转，从而使得光电编码器13输出脉冲信号，统计输出的脉冲信号，即可知道方向盘1转动的角度值。

电机19的中心轴以一定的扭矩向左或向右旋转时，从而带动第四旋转轴18和第五齿轮17旋转，第五齿轮17通过皮带16带动第四齿轮15旋转，第四齿轮15将电机19的旋转扭矩通过第一旋转轴2传递给方向盘1，从而给方向盘1提供回正力；电机19进行快速的左转和右转切换，可以模拟振动功能，该振动依次通过第四旋转轴18、第五齿轮17、皮带16、第四齿轮15和第一旋转轴2传递到方向盘1，这就是方向盘1的振动仿真功能。

通过计数光电编码器13的脉冲值，可以知道方向盘1的旋转角度，但是在方向盘1振动时，光电编码器13的值经常出现错误，因此需要利用霍尔角度传感器10的值对光电编码器13的值进行实时修正，从而输出一个正确的转向角度值。

在具体实施过程中，也可以不安装第三齿轮12和第三旋转轴14，而把光电编码器13安装到第一旋转轴2的末端或第四旋转轴18的末端。为了节省成本，也可以不安装第三齿轮12、光电编码器13和第四旋转轴18，而只用霍尔角度传感器10测量方向盘转角。

本具体实施方式具有以下有益效果：

1、本实用新型可以完全实现汽车驾驶模拟器转向装置的限位、转角测量、回正和振动功能。

2、针对汽车驾驶模拟器转向装置采用光电编码器作为传感器时，由于方向盘振动导致信号错误问题，通过在限位轴的一端安装条形磁铁和霍尔角度传感器，实时修正方向盘角度数值，从而解决了使用光电编码器作为方向盘传感器信号错误问题。

3、如果光电编码器损坏不能正常工作，可以采用霍尔角度传感器的数值作为方向盘的转角测量数值，从而有效保障方向盘转角测量的可靠性。

Claims (1)

1.一种力反馈及振动的汽车驾驶模拟器转向装置，其特征在于它包含方向盘(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)、限位块(7)、第一条形磁铁(8)、第二条形磁铁(9)、霍尔角度传感器(10)、线路板(11)、第三齿轮(12)、光电编码器(13)、第三旋转轴(14)、第四齿轮(15)、皮带(16)、第五齿轮(17)、第四旋转轴(18)和电机(19)，第一旋转轴(2)的一端套接有方向盘(1)，第一旋转轴(2)的另一端套接有第四齿轮(15)，第一旋转轴(2)的中心处套接有第一齿轮(3)，第一齿轮(3)的右侧设置有第二齿轮(5)，第一齿轮(3)与第二齿轮(5)啮合，第二齿轮(5)套接在第二旋转轴(4)上，第二旋转轴(4)的中心处套接有限位旋柄(6)，限位旋柄(6)的下端设置有限位块(7)，第二旋转轴(4)的另一端设置有粘合在一起的第一条形磁铁(8)和第二条形磁铁(9)，该平面与线路板(11)上用于焊接霍尔角度传感器(10)所在的平面平行，第一条形磁铁(8)和第二条形磁铁(9)的一侧设置有线路板(11)，线路板(11)的中心处焊接有霍尔角度传感器(10)，第一齿轮(3)的左侧设置有第三齿轮(12)，第一齿轮(3)与第三齿轮(12)啮合，第三齿轮(12)套接在第三旋转轴(14)的一端上，第三旋转轴(14)的另一端连接有光电编码器(13)，第四齿轮(15)的通过皮带(16)与第五齿轮(17)连接，第五齿轮(17)的中心套接有第四旋转轴(18)，第四旋转轴(18)的一端设置有电机(19)。