磁流变液旋转扭簧力感反馈装置的制作方法

本实用新型属于汽车电控及智能技术领域，涉及一种磁流变液旋转扭簧力感反馈装置。

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，力矩电机直接输出反馈力矩，需要同时控制反馈力矩的大小以及方向，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。

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。

技术实现要素：

为实现上述目的，本实用新型提供一种磁流变液旋转扭簧力感反馈装置，解决了现有技术中传统的力感反馈装置需要同时控制反馈力矩的大小以及方向，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的问题。

本实用新型所采用的技术方案是，磁流变液旋转扭簧力感反馈装置，包括托架，托架依次设有轴承支架、转角及转矩传感器、励磁线圈套筒和电机，转向柱通过转向柱轴承固定连接在轴承支架上，转向柱的一端与方向盘刚性连接，转向柱的另一端通过联轴器与转角及转矩传感器的一端连接；转角及转矩传感器的另一端通过联轴器与内转子相连接，内转子置于励磁线圈套筒内，扭簧拨动件通过轴承固定连接在托架的轴承支架上，内转子通过联轴器与扭簧拨动件刚性连接，两个扭簧的终端分别与扭簧拨动件相接触，扭簧蜗轮通过键分别与两个扭簧的始端刚性连接，电机蜗杆与扭簧蜗轮啮合连接，电机蜗杆与电机的输出端相连接；内转子通过两个内转子轴承与励磁线圈套筒相连接，励磁线圈套筒与内转子内部有磁流变液，内转子两端与励磁线圈套筒连接处设有密封圈；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与电机控制器、磁流变液控制器相连接，电机控制器通过信号线依次与电机驱动器、电机相连接，磁流变液控制器通过信号线依次与电流发生器、励磁线圈套筒相连接。

进一步的，所述扭簧两个为不同的旋向。

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，所述扭簧拨动件通过轴承和轴承支架绕自身轴线旋转。

进一步的，所述扭簧蜗轮绕自身轴线旋转。

进一步的，所述内转子为滚筒式内转子或叠片式内转子的任意一种。

本实用新型的有益效果是，与现有技术相比，本实用新型的磁流变液旋转扭簧力感反馈装置，在于理论反馈力感中的回正力矩和阻尼力矩分别被控制，消除了传统力矩电机控制的不平顺和延迟特点，而且电机应用普通直流电机即可，降低了装置的成本。理论方向盘力矩主要包括回正力矩和阻尼力矩，回正力矩始终与方向盘转角的方向相反，起到令方向盘回归零位的作用；阻尼力矩始终与方向盘转动的方向相反，起到阻碍方向盘转动的作用。回正力矩由一组旋向相反的扭簧产生，且该扭簧的始端能够被电机驱动进行主动旋转，终端通过扭簧拨动件将回正力矩传递至转向柱；阻尼力矩由励磁线圈套筒配合磁流变液产生，能够实时调控磁流变液黏度，最终将大小可变的阻尼力矩通过内转子传递至转向柱上，回正力矩和阻尼力矩分别被控制在一定程度上消除了传统力矩电机直接输出反馈力矩方案的延迟和抖动，既能保证力矩准确反馈，又能克服力矩电机的一系列不足。本实用新型采用的内转子为滚筒式和叠片式两种，滚筒式转子加工简单，方便制造，能够节约装置的工艺成本，另外滚筒式转子结构简单，所需转子材料较少，能够进一步节约装置成本，再次，滚筒式内转子与励磁线圈套筒之间的空隙更容易被加工至足够小，这样不仅能够节约磁流变液的用量，还能够在不增加转子结构尺寸的前提下增大内转子与励磁线圈套筒之间的黏性阻力，进一步提高内、励磁线圈套筒传递扭矩的能力；叠片式内转子能够在不增加内转子轴向尺寸的前提下增大磁流变液的作用面积，相同尺寸的内转子能够传递更大的扭矩，或者在传递扭矩相同的情况下能够减少内转子径向尺寸，缩小装置的结构尺寸；另外，内转子由于传递扭矩能力较大，能够减少磁流变液智能材料的用量，进而节约装置的成本。

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为磁流变液旋转扭簧力感反馈装置轴测图；

图2为磁流变液旋转扭簧力感反馈装置剖视图；

图3为磁流变液旋转扭簧力感反馈装置励磁线圈套筒轴测图；

图4为磁流变液旋转扭簧力感反馈装置内转子轴测图；

图5为磁流变液旋转扭簧力感反馈装置扭簧拨动件轴测图；

图6为磁流变液旋转扭簧力感反馈装置扭簧蜗轮轴测图；

图7为磁流变液旋转扭簧力感反馈装置扭簧轴测图；

图8为磁流变液旋转扭簧力感反馈装置控制流程及信号传递示意图。

图中，1.方向盘；2.转向柱；3.轴承支架；4.联轴器；5.转角及转矩传感器；6.扭簧拨动件；7.扭簧；8.电机蜗杆；9.扭簧蜗轮；10.电机；11.托架；12.转向柱轴承；13.密封圈； 14.内转子轴承；15.励磁线圈套筒；16.内转子；17.磁流变液；18.力感控制器；19.电机控制器；20.电机驱动器；21.磁流变液控制器；22.电流发生器；23.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。

磁流变液旋转扭簧力感反馈装置，如图1-2所示，包括力感模拟系统、力感控制系统、回正力矩产生系统、阻尼力矩产生系统和供电系统；

磁流变液旋转扭簧力感反馈装置，包括托架11，托架11依次设有轴承支架3、转角及转矩传感器5、励磁线圈套筒15和电机10；

力感模拟系统，用于根据方向盘1转角信号得出理论方向盘力矩，该力感由回正力矩和阻尼力矩组成；包括方向盘1、转向柱2、轴承支架3、联轴器4、转角及转矩传感器5、转向柱轴承12、力感控制器18；托架11依次设有轴承支架3和转角及转矩传感器 5，转向柱2通过转向柱轴承12固定连接在轴承支架3上，转向柱2的一端与方向盘1 刚性连接，转向柱2的另一端通过联轴器4与转角及转矩传感器5连接，转角及转矩传感器5通过信号线与力感控制器18相连接；

力感控制系统，根据回正力矩的大小和方向产生相应的控制信号用于控制电机10转角大小和转角方向，根据阻尼力矩的大小产生相应的控制信号用于控制磁流变液黏度；包括电机控制器19、电机驱动器20、磁流变液控制器21、电流发生器22；如图8所示，转角及转矩传感器5通过信号线分别与力感控制器18和磁流变液控制器21连接，力感控制器18通过信号线与电机控制器19、磁流变液控制器21相连接，电机控制器19通过信号线依次与电机驱动器20、电机10相连接，磁流变液控制器21通过信号线依次与电流发生器22、励磁线圈套筒15相连接；

回正力矩产生系统，用于根据电机10驱动扭簧7的转角和驾驶员转动方向盘1的转角，通过扭簧拨动件6将回正力矩作用到转向柱2上；包括扭簧拨动件6、扭簧7、电机蜗杆8、扭簧蜗轮9、电机10，如图3-7所示；转角及转矩传感器5的另一端通过联轴器与内转子16相连接，内转子16置于励磁线圈套筒15内，扭簧拨动件6通过轴承固定连接在托架11的轴承支架上，内转子16通过联轴器与扭簧拨动件6刚性连接，两个扭簧7 的终端分别与扭簧拨动件6相接触，扭簧蜗轮9通过键分别与两个扭簧7的始端刚性连接，电机蜗杆8与扭簧蜗轮9啮合连接，电机蜗杆8与电机10的输出端相连接；

阻尼力矩产生系统，用于依据磁流变液的传动作用在内转子16上产生阻尼力矩；包括励磁线圈套筒15、内转子16、磁流变液17、密封圈13；内转子16通过两个内转子轴承14与励磁线圈套筒15相连接，励磁线圈套筒15与内转子16内部有磁流变液17，内转子16两端与励磁线圈套筒15连接处设有密封圈13；

供电系统：用于为装置提供电能；如图8所示，电源23通过供电线分别与转角及转矩传感器5、电机10、力感控制器18、电机控制器19、电机驱动器20、磁流变液控制器 21、电流发生器22相连接。

扭簧拨动件6分别接触两个扭簧7的终端，扭簧拨动件6通过轴承和轴承支架3能够绕自身轴线进行旋转，保证两个扭簧7上不同方向的力矩均能够传递至转向柱2上。

两个扭簧7为不同的旋向，无论驾驶员向哪个方向转动方向盘1，扭簧7都能够给驾驶员提供给回正力矩，回正力矩始终与方向盘1转角的方向相反，起到令方向盘1回归零位的作用；阻尼力矩始终与方向盘1转动的方向相反，起到阻碍方向盘1转动的作用。

扭簧蜗轮9连接着扭簧7的始端，且通过轴承和轴承支架3能够绕自身轴线进行旋转。

励磁线圈套筒15，根据其内部的励磁电流产生磁场控制其内部磁流变液17的黏度大小，励磁电流的大小由力感控制器18所产生的阻尼力矩大小决定；

内转子16为滚筒式内转子或叠片式内转子的任意一种，根据励磁线圈套筒15内部磁流变液17黏度的大小产生阻尼力矩，该力矩的大小由磁流变液17黏度所控制，该力矩的方向与驾驶员转动转向柱2的方向相反，起到阻碍驾驶员转动的作用；

磁流变液17，分布于励磁线圈套筒15与内转子16之间，用于产生大小可控的阻尼力矩。

电机控制器19，用于控制电机10的转角，保证电机10在有负载波动工况下能够保持期望转角大小和方向，通过电机蜗杆8与扭簧蜗轮9驱动扭簧7旋转至期望角度，具体转角大小和方向由力感控制器18给出的理论方向盘回正力矩大小和方向决定，电机控制器19产生PWM控制信号传递给电机驱动器20，电机驱动器20将其输送给电机10，用于控制电机10旋转，使得电机10能够维持期望的转角大小和方向；

磁流变液控制器21，根据力感控制器18所产生的阻尼力矩的大小进行计算，得出励磁线圈所需的励磁电流数值，同时磁流变液控制器21还接受转角及转矩传感器5的信号用于实时调节励磁线圈电流的大小，确保转向柱2上传递给驾驶员的力矩大小与理论方向盘力矩的数值相同；

电流发生器22，接收磁流变液控制器21所传递的理论电流信号并产生与之大小相同的励磁电流用于输入给励磁线圈，实时调控磁流变液17黏度。

磁流变液旋转扭簧力感反馈装置的使用方法应用磁流变液旋转扭簧力感反馈装置，具体按照以下步骤进行：

步骤一、在驾驶过程中转动方向盘1，转角及转矩传感器5检测方向盘1转角的大小以及方向并将信号传给力感控制器18，回正力矩由主销内倾回正力矩MA和轮胎拖距回正力矩MY组成，MA＝QDsinβsinδ，Q＝mg·b/L，其中，MA为主销内倾回正力矩，Q为轮胎载荷， D为主销内移距离，β为主销内倾角，δ为前轮转角，m为车辆质量，g为重力加速度，b 为车辆质心至后轴的距离，L为轴距；MY＝FY(ξ'+ξ″)，其中，MY为轮胎拖距回正力矩，FY为侧向力，ξ'为气胎拖距，ξ″为后倾拖距，v为车速，R 为转弯半径，k2为后轮侧倾刚度，k1为前轮侧倾刚度，a为车辆质心至前轴的距离，阻尼力矩MD＝Bs·δs+Q·f·sign(δs)，其中，Bs为转向系统折算至转向柱2的阻尼系数；δs为方向盘1转角；f为轮胎与地面摩擦系数；sign表示取符号算子；其中，M1为理论方向盘回正力矩，理论方向盘回正力矩与方向盘(1)转角方向相反；M2为理论方向阻尼力矩，理论方向阻尼力矩与方向盘1转动方向相反；i为转向系统传动比；p为助力系统助力系数；力感控制器18通过转角的大小以及方向计算出应该反馈给驾驶员的理论方向盘力矩，将理论方向盘力矩分为理论方向盘回正力矩和理论方向阻尼力矩分别控制，力感控制器18将理论方向盘回正力矩的大小和方向传递给电机控制器19，将理论方向阻尼力矩的大小传递给磁流变液控制器21；

步骤二、力感控制器18根据理论方向盘回正力矩M1判断扭簧7应有的实际扭转角度，其中，θspring为扭簧7应有的扭转角度；KC为扭簧7实际刚度，并将该值传递给电机控制器19，电机控制器19结合转角和转矩传感器5传递过来的驾驶员转动的方向盘1的转角，判断扭簧7需要补偿的角度，将扭簧7应有的实际扭转角度与方向盘1的转角做差值得到扭簧7的始端应该被扭簧蜗轮9驱动的补偿角度θtheory＝θspring-δs，其中，δs为方向盘1转角，确保扭簧7实际扭转角度能够给驾驶员提供期望的回正力矩，通过扭簧蜗轮9和电机蜗杆8传动比转换得到电机10期望的转角大小和方向，电机控制器19 将电机控制所需要的PWM信号并传输入给电机驱动器20，电机驱动器20接收PWM信号，然后将其传递给电机10，过程中电机10负载发生变化，电机控制器19通过调节PWM 信号，仍能维持电机10期望的理论转角大小和方向不变，外加驾驶员旋转方向盘1，回正力矩便通过扭簧拨动件6传递至内转子16；

步骤三、磁流变液控制器21接收力感控制器18传递的理论方向盘阻尼力矩大小信号，根据τ0＝1150B⁴-2140B³+1169B²-64B+0.8，其中，L1为有效工作长度，R1为内转子16有效工作半径，R2为励磁线圈套筒15有效工作半径，τ0为磁流变液17剪切磁致应力；B为磁感应强度；μ为介质磁导率；N为励磁线圈匝数，I为励磁线圈电流，l为磁路长度，进而得出励磁电流的理论数值，磁流变液控制器21还接收转角及转矩传感器5输出的转矩信号，根据理论方向盘阻尼力矩的数值和实际阻尼力矩的数值进行反馈调节，ΔT＝M1+M2-Tsensor，Δτ0＝1150B⁴-2140B³+1169B²-64B+0.8，其中，Tsensor为转角及转矩传感器5检测到的实际方向盘反馈力矩，ΔT为反馈力矩补偿量，Δτ0为磁流变液17剪切应力补偿量；磁流变液控制器21实时调节励磁电流并通过电流发生器22予以执行，电流发生器22产生实际电流输送给励磁线圈套筒15产生实际磁场改变磁流变液17的黏度并最终调节实际阻尼力矩的大小，励磁线圈套筒15能够产生可变磁场改变内部磁流变液17的黏度，通过驾驶员旋转方向盘1即可产生大小可控的阻尼力矩，最终回正力矩和阻尼力矩均被叠加到转角及转矩传感器5上，并通过转向柱2最终传递至方向盘1上，最终反馈给驾驶员，确保最终传递给驾驶员的力矩与理论方向盘力矩相等。

实施例

从该实用新型装置的方向盘1正面观看，若此时驾驶员从零位逆时针转动方向盘1，力感控制器18接收转角及转矩传感器5的信号决策出理论方向盘力矩中回正力矩的方向应为顺时针，阻尼力矩的方向亦为顺时针；力感控制器18将回正力矩的大小和方向传递给电机控制器19，同时电机控制器19接收转角及转矩传感器5所检测到的驾驶员转动方向盘1的角度，判断扭簧7需要补偿的角度，如果扭簧7在驾驶员逆时针转动方向盘1 的作用下还不足以提供足够大的回正力矩，则电机10应通过电机蜗杆8驱动扭簧蜗轮9 带动扭簧7的始端顺时针旋转一定的角度，补偿扭簧7的实际扭转角，以便通过扭簧拨动件6在转向柱2上作用出期望的回正力矩；反之如果扭簧7在驾驶员逆时针转动方向盘1的作用下已经提供过多的回正力矩，则电机10应通过电机蜗杆8驱动扭簧蜗轮9带动扭簧7的始端逆时针旋转一定的角度，减少扭簧7的实际扭转角，因此通过扭簧拨动件6在转向柱2上作用出期望的回正力矩；力感控制器18将阻尼力矩的大小传递给磁流变液控制器21，磁流变液控制器21接收力感控制器18传递的阻尼力矩大小信号，计算出磁流变液17的理论黏度并进而推算出励磁电流的理论数值，磁流变液控制器21还接收转角及转矩传感器5输出的转矩信号，根据理论方向盘力矩的数值和实际力矩的数值进行反馈调节，磁流变液控制器21实时调节励磁电流并通过电流发生器22予以执行，电流发生器22产生实际电流输送给励磁线圈套筒15产生实际磁场改变磁流变液17的黏度并最终调节阻尼力矩的大小，励磁线圈套筒15能够产生可变磁场改变内部磁流变液17 的黏度，通过驾驶员旋转方向盘1即可产生大小可控的阻尼力矩，最终回正力矩和阻尼力矩均被叠加到转角及转矩传感器5上，并通过转向柱2最终传递至方向盘1上，最终反馈给驾驶员，确保最终传递给驾驶员的力矩与理论方向盘力矩相等。

本实用新型磁流变液旋转扭簧力感反馈装置将方向盘反馈力矩中的回正力矩和阻尼力矩分开进行控制，避免了传统力感反馈装置同时控制二者合力矩的方向及大小而产生的延迟和抖动现象，回正力矩中电机10控制更为简单，只需进行转角控制即可，回正力矩的产生由扭簧7和扭簧拨动件6作用而来，没有延迟现象。电机通过扭簧蜗轮9和电机蜗杆8驱动扭簧7的始端只要做到转角跟随控制即可，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；由于将方向盘1反馈力矩中的回正力矩和阻尼力矩分开进行控制，由不同控制器和力矩产生结构进行控制和输出，而后二者自然叠加至转向柱上进而传递给驾驶员，因此控制过程中没有参数的突变，使得控制过程更加平顺；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1力感反馈数值与理论方向盘力矩数值相等，控制效果更优。

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。