一种分布式电动冗余线控转向教学机构的制作方法

本实用新型涉及智能网联汽车线控转向教学领域，尤其涉及一种能够还原智能网联汽车纯电动转向和无人驾驶情况下线控转向功能以及故障模式下电动转向功能的冗余式线控转向系统教学机构。

背景技术：

线控转向系统作为智能网联汽车安全保障的最重要的系统之一，关系到转向系统的智能化和整车的智能化。电动线控转向系统完全取消了传统车辆上转向柱等机械结构的连接，仅依靠电机即可完成指定的转向动作，同时，由于机械结构的取消，转向柱的溃缩空间更大进一步保障了前向发生碰撞时驾驶员的人身安全。电动线控转向系统要求必须具备智能网联汽车线控转向功能，其次可保障在电机、传感器等电气元件失效情况下的安全转向冗余功能。

申请号为cn20181312177.3的中国专利公开了“一种汽车转向系统试验台”，该发明采用传统机械结构、电控转向机构和线控转向叠加的方式构建系统。但该发明保留了传统的转向柱结构，单纯依靠离合器控制转向柱之间的通断，限制了转向系统的溃缩空间。

申请号为cn201910107498.4的中国专利公开了“一种具有冗余机构的车用线控转向装置及控制方法”，该发明考虑了线控系统电控和机械传动的冗余技术。但该发明保留了传统的转向柱结构，过于依靠电气系统控制离合器通断和助力转向电机的工作，限制了转向系统的溃缩空间。

申请号为cn201711173069.4的中国专利公开了“线控转向的转向系统”，该发明立足于量产技术角度，通过离合器通断完成电子助力转向和线控转向。但该发明保留了传统的转向柱结构，需要为转向系统预留更大的溃缩空间。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种能保证转向系统转角的稳定性、保证故障模式下的转向的冗余执行、降低了系统的复杂程度并减小转向系统的占用空间的分布式电动冗余线控转向教学机构。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种分布式电动冗余线控转向教学机构，包括：

转向信号输入机构,所述的转向信号输入机构包括沿水平方向设置的转向阶梯轴，在所述的转向阶梯轴右端通过花键紧固连接有一个方向盘，在所述的转向阶梯轴左侧通过平键连接有转向角齿轮，所述的转向角齿轮与转向角采集齿轮啮合配合，所述的转向角采集齿轮与转向角编码器通过平键连接，所述的转向角编码器通过信号线与计算机相连以将转向阶梯轴的转向角信号传递给计算机，一个扭矩传感器的右端固定在转向阶梯轴底壁上的凹槽内，在所述的扭矩传感器左端通过螺栓紧固连接有路感反馈齿轮，所述的路感反馈齿轮与路感输出齿轮啮合配合，路感电机的输出轴与路感输出齿轮通过平键连接以驱动路感输出齿轮在竖直平面内转动，计算机通过驱动线束与路感电机相连以控制所述的路感电机的输出扭矩，所述的转向阶梯轴与固定在第一轴承座内的滚珠轴承相连，所述的第一轴承座通过支架固定在转向支撑框上，转向支撑框水平固定于地面或试验台桌面上；

复合减速器，所述的复合减速器包括沿水平方向设置的驱动轴，所述的驱动轴的右端与固定在第二轴承座内的滚珠轴承过盈配合，所述的第二轴承座通过支架固定在转向支撑框上，驱动轴和转向阶梯轴水平方向同轴线布置且位于转向阶梯轴左侧，在所述的驱动轴右端通过平键连接有冗余驱动蜗轮，所述的冗余驱动蜗轮左壁通过设置在驱动轴上的轴肩定位，所述冗余驱动蜗轮与一个冗余驱动蜗杆啮合配合；

所述的冗余驱动蜗杆一端与固定在第三轴承座内的滚珠轴承相连，所述的第三轴承座通过支架与转向支撑框固定连接，所述冗余驱动蜗杆的另一端通过冗余联轴器与冗余驱动电机的输出轴固接，所述的冗余驱动电机通过固定在支撑架上的冗余电机法兰与转向支撑框固定相连；

在所述的驱动轴的左端设置有太阳齿轮，环绕所述的太阳齿轮均匀安装有三个行星齿轮，所述的三个行星齿轮与太阳齿轮啮合配合且行星齿轮之间彼此互不接触，在每个行星齿轮的左侧壁中间设置有输出轴，所述的输出轴与行星轮轴承内圈过盈配合，所述的行星轮轴承外圈与一个沿竖直方向设置在三个行星齿轮左侧的行星轮支架过盈配合，一个蜗轮齿圈套在三个行星齿轮外且通过蜗轮齿圈内壁上的内齿与三个行星齿轮的外齿啮合配合，所述的蜗轮齿圈外壁上的外齿与一个驱动蜗杆啮合配合；

所述的驱动蜗杆一端与固定在第四轴承座内的滚珠轴承相连，所述的第四轴承座通过支架与减速器支撑框固定连接，使用时减速器支撑框固定在地面或试验台桌面上，所述驱动蜗杆的另一端通过驱动联轴器与转向驱动电机的水平输出轴固接，所述的转向驱动电机通过驱动电机法兰固定在减速器支撑框上；

转向驱动机构，所述的转向驱动机构包括与行星轮支架同轴线布置的转向驱动齿轮，所述的转向驱动齿轮的齿轮轴的右端与行星轮支架通过螺栓同轴线紧固连接，所述的转向驱动齿轮与驱动轴在水平方向同轴线布置；

多个轴承槽支撑座固定在地面或桌面上，在所述的多个轴承槽支撑座上固定有一个轴承槽，在所述的轴承槽的中间沿垂直于转向驱动齿轮的齿轮轴的方向固定有一个转向齿条，所述的转向齿条与转向驱动齿轮啮合配合以带动转向齿条沿垂直于转向驱动齿轮轴线的方向前后移动，在所述的转向齿条的左右两侧的轴承槽内沿转向齿条的移动方向各自安装有一排v槽轴承，每一排v槽轴承分别与转向齿条侧壁上的v型凸起以及轴承槽侧壁上的v型凸起滚动配合；

转角演示机构，所述的转角演示机构包括沿竖直方向布置的轮毂刹车盘，一根转向驱动杆的一端与转向齿条前端通过销轴旋转连接并且另一端与轮毂刹车盘上的肋板通过销轴旋转连接，在所述轮毂刹车盘朝向驱动齿条一侧的内壁上沿同一圆周方向间隔度分别设置有上端销轴和下端销轴，所述的上端销轴和下端销轴同轴线布置，一根沿水平方向设置的上支撑臂的一端与上端销轴旋转连接并且另一端焊接固定在刹车盘底座上；一根沿水平方向设置的下支撑臂与下端销轴旋转连接并且另一端焊接固定在刹车盘底座，所述的上支撑臂和下支撑臂的轴线与轮毂刹车盘的中心轴线平行设置，刹车盘底座固定在地面或桌面上。

本实用新型具有的有益效果是：本实用新型采用行星齿轮和蜗轮蜗杆组合而成的复合式减速结构，蜗轮蜗杆机构实现系统正常工作时的转向动作执行，在电子故障情况下，蜗轮蜗杆的自锁性能保证转向系统转角的稳定性，而行星齿轮减速机构可正常工作，保证了故障模式下的转向的冗余执行；本实用新型完全取消了方向盘与末端转向机构之间的机械连接，通过电机反馈模拟转向过程中的力矩，通过v型槽齿轮齿条机构模拟实车转向系统的齿轮齿条传动机构，降低了系统的复杂程度并减小了转向系统的占用空间，模拟智能网联线控转向功能和故障模式下电动冗余转向功能，还可以实现纯电动线控转向功能，便于进行智能网联汽车转向系统改装操作；对于中高职教学能够更加直观展示电动线控转向原理，也为实车量产在电动化转向实现和增加溃缩空间方面提供了技术参考。

附图说明

图1为本实用新型一种分布式电动冗余线控转向教学机构的立体图；

图2为图1所示的线控转向教学机构去掉减速器保护盖和所有支撑框的立体图；

图2-1为图2所示的复合式减速器俯视图；

图2-2为图2-1所示的复合式减速器a-a方向半剖视图；

图3为图2所示的转向信号输入机构的俯视图；

图3-1为图3所示的转向信号输入机构b-b方向半剖视图；

图4为图2所示的转向驱动机构部分的俯视图；

图4-1为图4所示的转向驱动机构去掉转角演示机构后c-c方向剖切视图；

图5为图1所示的机构中的转角演示机构的立体图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型加以详细说明。

本实用新型主要用于中高职院校线控转向系统的机构教学，通过机构和电机的配合模拟智能网联汽车的电动线控转向功能、转向力矩模拟反馈功能和电动冗余转向功能。

如附图所示本实用新型一种分布式电动冗余线控转向教学机构，包括：

转向信号输入机构,所述的转向信号输入机构包括沿水平方向设置的转向阶梯轴2，在所述的转向阶梯轴2右端通过花键紧固连接有一个方向盘1，在所述的转向阶梯轴2左侧通过平键连接有转向角齿轮3，所述的转向角齿轮3与转向角采集齿轮7啮合配合，所述的转向角采集齿轮7与转向角编码器6通过平键连接，所述的转向角编码器6通过信号线与计算机相连以将转向阶梯轴2的转向角信号传递给计算机。一个扭矩传感器4的右端固定在转向阶梯轴2底壁上的凹槽内，在所述的扭矩传感器4左端通过螺栓紧固连接有路感反馈齿轮5，所述的路感反馈齿轮5与路感输出齿轮8啮合配合，路感电机9的输出轴与路感输出齿轮8通过平键连接以驱动路感输出齿轮8在竖直平面内转动，计算机通过驱动线束与路感电机9相连以控制所述的路感电机9的输出扭矩。所述的转向阶梯轴2与固定在第一轴承座内的滚珠轴承相连，所述的第一轴承座通过支架固定在转向支撑框36上，转向支撑框36可水平固定于地面或试验台桌面上。

复合减速器，所述的复合减速器包括沿水平方向设置的驱动轴11，所述的驱动轴11的右端与固定在第二轴承座内的滚珠轴承过盈配合，所述的第二轴承座通过支架固定在转向支撑框36上，驱动轴11和转向阶梯轴2水平方向同轴线布置且位于转向阶梯轴2左侧，两者之间无机械连接，在所述的驱动轴11右端通过平键连接有冗余驱动蜗轮10，所述的冗余驱动蜗轮10左壁通过设置在驱动轴11上的轴肩定位，所述冗余驱动蜗轮10与一个冗余驱动蜗杆14啮合配合。

所述的冗余驱动蜗杆14一端与固定在第三轴承座内的滚珠轴承相连，所述的第三轴承座通过支架与转向支撑框36固定连接，所述冗余驱动蜗杆14的另一端通过冗余联轴器33与冗余驱动电机15的输出轴固接，所述的冗余驱动电机15通过固定在支撑架上的冗余电机法兰16与转向支撑框36固定相连。

在所述的驱动轴11的左端设置有太阳齿轮，环绕所述的太阳齿轮均匀安装有三个行星齿轮29，所述的三个行星齿轮29与太阳齿轮啮合配合且行星齿轮29之间彼此互不接触。在每个行星齿轮29的左侧壁中间设置有输出轴，所述的输出轴与行星轮轴承内圈过盈配合，所述的行星轮轴承外圈与一个沿竖直方向设置在三个行星齿轮29左侧的行星轮支架31过盈配合。一个蜗轮齿圈12套在三个行星齿轮29外且通过蜗轮齿圈12内壁上的内齿与三个行星齿轮29的外齿啮合配合，所述的蜗轮齿圈12外壁上的外齿与一个驱动蜗杆17啮合配合。

所述的驱动蜗杆17一端与固定在第四轴承座内的滚珠轴承相连，所述的第四轴承座通过支架与减速器支撑框37固定连接，使用时减速器支撑框3固定在地面或试验台桌面上，所述驱动蜗杆17的另一端通过驱动联轴器32与转向驱动电机18的水平输出轴固接，所述的转向驱动电机18通过驱动电机法兰19固定在减速器支撑框37上。

优选的，位于所述的行星齿轮29右侧的驱动轴11穿过一个筒形减速器保护盖13的中间阶梯孔设置，在所述的中间阶梯孔的左侧孔内安装有一个减速器轴承30，所述的减速器轴承30的内圈套在驱动轴11上并且减速器轴承30的左壁通过设置在驱动轴11上的轴肩定位。所述的筒形减速器保护盖13的侧壁压在蜗轮齿圈12顶壁上并且两者之间通过螺栓固定。

转向驱动机构，所述的转向驱动机构包括与行星轮支架31同轴线布置的转向驱动齿轮20，所述的转向驱动齿轮20的齿轮轴的右端与行星轮支架31通过螺栓同轴线紧固连接，所述的转向驱动齿轮20与驱动轴11在水平方向同轴线布置，两者间无直接的机械连接。

多个轴承槽支撑座25固定在地面或桌面上，在所述的多个轴承槽支撑座25上固定有一个轴承槽24，在所述的轴承槽24的中间沿垂直于转向驱动齿轮20的齿轮轴的方向固定有一个转向齿条21，所述的转向齿条21与转向驱动齿轮20啮合配合以带动转向齿条21沿垂直于转向驱动齿轮轴线的方向前后移动。在所述的转向齿条21的左右两侧的轴承槽24内沿转向齿条21的移动方向各自安装有一排v槽轴承23，每一排v槽轴承23分别与转向齿条21侧壁上的v型凸起以及轴承槽24侧壁上的v型凸起滚动配合。

优选的在所述的转向齿条21上设置有限位结构以将转向齿条21前后移动的范围限定在设置位置。

作为本实用新型的一种实施方式，所述的限位结构包括设置在转向齿条21前端下侧面的限位凸起，转向齿条21向后滑动平移至限定位置时，所述的限位凸起与轴承槽24前端面卡紧以限制转向齿条21的向后平移运动，在所述转向齿条21的后端通过螺栓紧固连接有转向齿条限位杆34，当所述的转向齿条21向前滑动平移至限定位置时，所述的转向齿条限位杆34与在轴承槽24内最后端布置的两个v槽轴承23后端卡紧以限制转向齿条21向前的平移运动，所述的转向齿条21前端下侧面限位凸起与转向齿条限位杆34共同作用，限制驱动齿条21的前后平移的极限位置。

转角演示机构，所述的转角演示机构包括沿竖直方向布置的轮毂刹车盘26，一根转向驱动杆22的一端与转向齿条21前端通过销轴旋转连接并且另一端与轮毂刹车盘26上的肋板通过销轴旋转连接。在所述轮毂刹车盘26朝向驱动齿条21一侧的内壁上沿同一圆周方向间隔180度分别设置有上端销轴和下端销轴，所述的上端销轴和下端销轴同轴线布置，一根沿水平方向设置的上支撑臂27的一端与上端销轴旋转连接并且另一端焊接固定在刹车盘底座28上；一根沿水平方向设置的下支撑臂35与下端销轴旋转连接并且另一端焊接固定在刹车盘底座28，所述的上支撑臂27和下支撑臂35的轴线与轮毂刹车盘26的中心轴线平行设置，刹车盘底座28固定在地面或桌面上。

所述的转向支撑框36、减速器支撑框37、所述的轴承槽支撑座25和刹车盘底座28是根据各部分机构支撑要求焊接加工的框体，主要用于线控转向机构的支撑和定位。

在使用过程中，一台计算机与转向角编码器6、扭矩传感器4、路感电机9、冗余驱动电机15以及转向驱动电机18分别通过控制线连接，所述的计算机接收转向角编码器6输出的转角信号并将转角信号输出给转向驱动电机18和冗余驱动电机15。所述的计算机在接收到转角信号后，控制所述的路感电机9反向旋转以输出路感扭矩，路感扭矩的大小由计算机计算控制并通过扭矩传感器4采集输出的路感扭矩信号。所述的计算机根据外部操作选定的工作模式决定是否控制所述的冗余驱动电机15和路感电机9工作，转角信号决定冗余驱动电机15和转向驱动电机18转速和角位移。

本实用新型一种分布式电动冗余线控转向教学机构具有三种工作模式，分别为线控驾驶员操控模式、线控无人驾驶模式和故障电控冗余模式,一台计算机与转向角编码器6、扭矩传感器4、路感电机9、冗余驱动电机15以及转向驱动电机18分别通过控制线连接；

所述的线控驾驶员操控模式包括以下控制步骤：

计算机将系统工作模式选定为线控驾驶员操控模式，驾驶员操控通过花键连接在转向阶梯轴2右端的方向盘1进行转向动作，通过与方向盘1连接的转向阶梯轴2将转向动作传递给固定在转向阶梯轴2上的转向角齿轮3，所述的转向角齿轮3通过啮合驱动转向角采集齿轮7在竖直面内转动，所述的转向角采集齿轮7固定在转向角编码器6上，通过转向角编码器6采集方向盘的转动方向、转动角度和转动速度并传递给计算机，计算机向路感电机9输出控制信号使路感电机9与方向盘1反向同步转动，与所述的路感电机9输出轴通过平键连接的路感输出齿轮8与路感反馈齿轮5啮合配合以带动路感反馈齿轮5转动，路感电机9产生的路感扭矩通过与路感反馈齿轮5螺栓固连的扭矩传感器4传递给转向阶梯轴2，最终路感扭矩反馈给方向盘1。当路感电机9动作的同时，计算机控制转向驱动电机18的转动轴同步转动，转向驱动电机18的转动轴带动驱动蜗杆17转动，所述的驱动蜗杆17与蜗轮齿圈12外壁上的外齿啮合以驱动与蜗轮齿圈12内齿啮合的三个行星齿轮29在竖直平面内同步转动，行星齿轮29带动位于三个行星齿轮29左侧的行星轮支架31在竖直平面内同步同向转动。齿轮轴的右端与行星轮支架31通过螺栓同轴线紧固连接的转向驱动齿轮20将转动继续传递至与驱动齿轮20啮合的转向齿条21，所述的转向齿条21在驱动齿轮20的驱动下沿垂直于转向驱动齿轮的轴线方向前后移动，所述的转向齿条21通过转向驱动杆22带动轮毂刹车盘26绕上端销轴和下端销轴所在轴线转动。线控驾驶员操控模式下，所述的冗余驱动电机15通电但不执行任何动作，通过蜗轮蜗杆机构完成对太阳齿轮位置的锁定。

所述的线控无人驾驶模式包括以下控制步骤：

计算机将系统工作模式选定为线控无人驾驶模式，沿水平方向设置的转向驱动电机18的转动轴带动驱动蜗杆17转动，所述的驱动蜗杆17与蜗轮齿圈12外壁上的外齿啮合以驱动与蜗轮齿圈12内齿啮合的三个行星齿轮29在竖直平面内同步转动，行星齿轮29带动行星轮支架31同步同向转动。所述的行星轮支架31将转动传递至转向齿条21带动转向齿条21沿垂直于转向驱动齿轮的轴线方向前后移动，所述的转向齿条21通过转向驱动杆22带动轮毂刹车盘26绕上端销轴和下端销轴所在轴线转动。线控无人驾驶模式下，驾驶员与所述的方向盘1无接触，仅有所述的转向驱动电机18工作，所述的冗余驱动电机15通电但不执行任何动作，通过蜗轮蜗杆机构完成对太阳齿轮位置的锁定。

所述的故障电控冗余模式包括以下控制步骤：

计算机将系统工作模式选定为故障电控冗余模式，驾驶员操控通过花键连接在转向阶梯轴2右端的方向盘1进行转向动作，通过与方向盘1连接的转向阶梯轴2将转向动作传递给固定在转向阶梯轴2上的转向角齿轮3，所述的转向角齿轮3通过啮合驱动转向角采集齿轮7在竖直面内转动，所述的转向角采集齿轮7固定在转向角编码器6上，通过转向角编码器6采集方向盘的转动方向、转动角度和转动速度并传递给计算机。在计算机采集到转向角编码器6输出的方向盘的转动方向、转动角度和转动速度信号的同时，计算机输出控制信号给冗余驱动电机15使冗余驱动电机沿水平方向设置的输出轴同步转动，冗余驱动电机15的转动轴带动冗余驱动蜗杆14转动，所述的冗余驱动蜗杆14与冗余驱动蜗轮10齿轮啮合以驱动与冗余驱动蜗轮10通过平键固连的驱动轴11同步转动，设置在所述的驱动轴11左端的太阳齿轮在驱动轴11带动下转动，环绕所述的太阳齿轮均匀安装的三个行星齿轮29与太阳齿轮啮合转动，三个行星齿轮29带动行星轮支架31在竖直平面内同步同向转动。所述的行星轮支架31将转动传递至转向齿条21且带动转向齿条21沿垂直于转向驱动齿轮的轴线方向前后移动，所述的转向齿条21通过转向驱动杆22带动轮毂刹车盘26绕上端销轴和下端销轴所在轴线转动。故障电控冗余模式下，所述的转向驱动电机18断电，通过蜗轮蜗杆机构完成所述的蜗轮齿圈12运动自锁，通过所述的太阳齿轮驱动所述的行星齿轮29实现降转速、增力矩的目的，提高故障模式下转向的稳定性。