本发明属于汽车电控及智能化技术领域，涉及一种单筒锥齿轮式磁流变液力感反馈装置及其使用方法。
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。
技术实现要素：
为实现上述目的，本发明提供一种单筒锥齿轮式磁流变液力感反馈装置及其使用方法，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噪声大、成本高的问题。
本发明所采用的技术方案是，单筒锥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、励磁线圈和电机，方向盘和转向柱刚性连接，转向柱通过轴承固定到轴承支座上，转向柱通过联轴器与转角及转矩传感器刚性连接，滚筒设置在支架中部，转角及转矩传感器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相连接，电机通过联轴器与输入轴的一端刚性连接，输入轴的另一端通过键与半通孔大锥齿轮连接，半通孔大锥齿轮齿轮咬合换向小锥齿轮，输入轴上设有锥齿轮连接t形轴，锥齿轮连接t形轴两端穿过换向小锥齿轮并通过拧紧端盖与其螺纹连接，输入轴靠近电机的一端与通孔大锥齿轮连接，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，半通孔大锥齿轮与输出端盖板之间形成封闭空间，通孔大锥齿轮与输入端盖板之间形成封闭空间，两个封闭空间设有磁流变液，两个封闭空间外部均设有励磁线圈，输入轴上设有第一套筒和第二套筒，第一套筒置于磁流变液与输入轴之间，第二套筒置于半通孔大锥齿轮和锥齿轮连接t形轴之间，输入端盖板通过螺丝与密封垫片和密封端盖相连接，密封端盖与输入轴的连接处设有毡圈，滚筒通过o形密封圈与半通孔大锥齿轮和通孔大锥齿轮相连接，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电机、转角及转矩传感器、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，所述第一套筒和第二套筒均能够相对于输入轴自由转动。
进一步的，所述电流发生器设有两个通道。
本发明的另一种技术方案是，单筒锥齿轮式磁流变液力感反馈装置的使用方法，具体按照以下步骤进行：
步骤一、在驾驶过程中转动方向盘，转角及转矩传感器检测方向盘转角的大小以及方向并将其传递给力感控制器，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，ma＝qdsinβsinδ，my＝fy(ξ·+ξ··)，
步骤二、磁流变液控制器根据ml＝f(θ)＝(ma+my)/i+(md-bs·θ)/i+bs·θ得出理论方向盘力矩，方向与方向盘的转角相反，决策出应该向哪个励磁线圈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为励磁线圈的圈数，i为励磁线圈电流，l为磁路长度，然后通过电流发生器予以执行，磁流变液控制器还能接收转角及转矩传感器输出的转矩信号，根据理论方向盘力矩ml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＝ml-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、电机控制器通过电机驱动器控制电机维持等速旋转，通孔大锥齿轮和半通孔大锥齿轮作为主动源被电机驱动并被换向小锥齿轮换向，始终维持等速反向旋转，通孔大锥齿轮/半通孔大锥齿轮则能够通过磁流变液的剪切力将通孔大锥齿轮/半通孔大锥齿轮的驱动力矩传递给输出端盖板/输入断盖板与滚筒，确保随时输出力矩，根据
本发明的有益效果是，与现有技术相比，消除了传统力感反馈装置直接力矩控制的延迟和抖动，由于是采用液力传动的方式，因此传力过程更柔和，还提高了力感反馈的响应时间与准确度，同时对于已有的力感反馈的产品来讲，本发明着重提高发明的使用寿命与装置搭建的简易性，由于换向装置常处于磁流变液中，并且位于滚筒内部，采用锥齿轮换向装置的可以使得本发明的使用寿命变长，同时提高负荷承载力，耐化学和腐蚀性强，此外还有降噪和减震的作用，最为重要的是采用锥齿轮换向装置使得本发明总重量轻，降低制造成本，且易于成型、易于装配，从而解决装置结构复杂、振动噪声大、成本高的缺点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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为单筒锥齿轮式磁流变液力感反馈装置轴测图；
图2为单筒锥齿轮式磁流变液力感反馈装置主视图；
图3为单筒锥齿轮式磁流变液力感反馈装置俯视图；
图4为单筒锥齿轮式磁流变液力感反馈装置剖视图；
图5为单筒锥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为单筒锥齿轮式磁流变液力感反馈装置通孔大锥齿轮轴测图；
图7为单筒锥齿轮式磁流变液力感反馈装置半通孔大锥齿轴测图；
图8为单筒锥齿轮式磁流变液力感反馈装置换向小锥齿轮轴测图；
图9为单筒锥齿轮式磁流变液力感反馈装置锥齿轮连接t形轴轴测图；
图10为单筒锥齿轮式磁流变液力感反馈装置密封端盖轴测图；
图11为单筒锥齿轮式磁流变液力感反馈装置输出轴轴测图；
图12为单筒锥齿轮式磁流变液力感反馈装置输入轴轴测图；
图13为单筒锥齿轮式磁流变液力感反馈装置励磁线圈轴测图。
图中，1.方向盘，2.转向柱，3.轴承，4.轴承支座，5.联轴器，6.输出轴，7.键，8.输出端盖板，9.密封垫圈，10.励磁线圈，11.o形密封圈，12.滚筒，13.拧紧端盖，14.输入端盖板，15.密封垫片，16.密封端盖，17.电机，18.支架，19.输入轴，20.毡圈，21.第一套筒，22.通孔大锥齿轮，23.换向小锥齿轮，24.锥齿轮连接t形轴，25.第二套筒，26.半通孔大锥齿轮，27.转角及转矩传感器，28.力感控制器，29.电机控制器，30.电机驱动器，31.磁流变液控制器，32.电流发生器，33.电源。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
如图1-4所示，单筒锥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；
单筒锥齿轮式磁流变液力感反馈装置包括支架18，支架18上依次设有轴承支座4、转角及转矩传感器27、励磁线圈10和电机17；
力感模拟系统：根据方向盘1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1、转向柱2、轴承3、轴承支座4、联轴器5、转角及转矩传感器27、力感控制器28；方向盘1和转向柱2刚性连接，转向柱2通过轴承3固定到轴承支座4上，转向柱2通过联轴器5与转角及转矩传感器27刚性连接，转角及转矩传感器27通过信号线连接力感控制器28；
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17转速和磁流变液的黏度；包括电机控制器28、电机驱动器30、磁流变液控制器31、电流发生器32，如图4所示，转角及转矩传感器27通过信号线分别与力感控制器28和磁流变液控制器31连接，力感控制器28通过信号线依次与磁流变液控制器31、电流发生器32和励磁线圈10相连接，电机控制器29通过信号线依次与电机驱动器30、电机17相连接；
力感产生系统：用于接收方向盘1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；包括联轴器5、励磁线圈10、电机17、输入轴19、密封端盖16、密封垫片15、密封毡圈20、轴承3、第一套筒21、第二套筒25、o形密封圈11、通孔大锥齿轮22、半通孔大锥齿轮26、换向小锥齿轮23、锥齿轮连接t形轴24、拧紧端盖13、滚筒12、键7、输出端盖板8、输入端盖板14，如图5-13所示；滚筒12设置在支架18中部，转角及转矩传感器27通过联轴器与输出轴6刚性连接，输出轴6通过键7与输出端盖板8相连接，电机17通过联轴器与输入轴19的一端刚性连接，输入轴19的另一端通过键与半通孔大锥齿轮26连接，半通孔大锥齿轮26齿轮咬合换向小锥齿轮23，滚筒12通过螺丝和密封垫圈9与输入端盖板14和输出端盖板8的上下两侧相连接，半通孔大锥齿轮26与输出端盖板8之间形成封闭空间，通孔大锥齿轮22与输入端盖板14之间形成封闭空间，两个封闭空间设有磁流变液，两个封闭空间外部均设有励磁线圈10，输入轴19上设有第一套筒21和第二套筒25，第一套筒21置于磁流变液与输入轴19之间，第二套筒25置于半通孔大锥齿轮26和锥齿轮连接t形轴24之间，输入端盖板14通过螺丝和密封垫片15与密封端盖16相连接，密封端盖16与输入轴19的连接处设有毡圈20；
换向系统：用于使通孔大锥齿轮22与半通孔大锥齿轮26在电机17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19、通孔大锥齿轮22、半通孔大锥齿轮26、换向小锥齿轮23、锥齿轮连接t形轴24、拧紧端盖13；输入轴19上设有锥齿轮连接t形轴24，锥齿轮连接t形轴24两端穿过换向小锥齿轮23并通过拧紧端盖13与其螺纹连接，滚筒12通过o形密封圈11与半通孔大锥齿轮26和通孔大锥齿轮22相连接；
供电系统：用于为装置提供电能；电源33通过供电线分别与电机17、转矩传感器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和电流发生器32相连接。
电机控制器29用于控制电机17匀速旋转，保证电机17在有负载波动工况下能够维持匀速旋转驱动通孔大锥齿轮22和半通孔大锥齿轮26转动，电机控制器29产生pwm控制信号传递给电机驱动器30用于控制电机17；
电机驱动器30接收电机控制器29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17，使得电机17能够维持预先设定的转速；
通孔大锥齿轮22用于产生一个方向的运动以及使通孔大锥齿轮22和输入端盖板14之间的磁流变液产生驱动力矩；
第一套筒21相对于输入轴19自由转动，第一套筒21起到密封磁流变液的作用，第二套筒25同样位于输入轴19之上，第二套筒25相对于输入轴19自由转动，第二套筒25起到对锥齿轮连接t形轴24的限位作用；
半通孔大锥齿轮26用于产生另一个方向的运动以及使半通孔大锥齿轮26和输出端盖板8之间的磁流变液产生驱动力矩；
磁流变液控制器31根据力感控制器28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10所需的励磁电流数值，根据力感控制器28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10进行供电，确保通孔大锥齿轮22和输入端盖板14之间的磁流变液或半通孔大锥齿轮26和输出端盖板8之间的磁流变液通磁，同时外部的对应的励磁线圈10通电，同时磁流变液控制器31还接受转角及转矩传感器27的信号用于实时调节励磁线圈10电流的大小，进而调节对应的磁流变液的黏度，确保转向柱2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32接收磁流变液控制器31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10，电流发生器32设有两个通道分别连接两个励磁线圈10，具体向哪个通道输送电流取决于理论力感的方向，该选择由磁流变液控制器31决策。
电机17用于使得通孔大锥齿轮22和半通孔大锥齿轮26反向旋转，电机17与输入轴19连接，电机17带动输入轴19转动，进而带动半通孔大锥齿轮26的转动，半通孔大锥齿轮26又带动换向小锥齿轮23转动，锥齿轮连接t形轴24套在输入轴19上，锥齿轮连接t形轴24两端各直接穿过换向小锥齿轮23中部通孔，换向小锥齿轮23能够在锥齿轮连接t形轴24上自由转动，锥齿轮连接t形轴24两端与拧紧端盖13螺纹连接，防止换向小锥齿轮23脱落，换向小锥齿轮23又带动通孔大锥齿轮22转动，使得通孔大锥齿轮22与半通孔大锥齿轮26转动方向相反。
单筒锥齿轮式磁流变液力感反馈装置的使用方法应用单筒锥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1，转角及转矩传感器27检测方向盘1转角的大小以及方向并将其传递给力感控制器28，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，ma＝qdsinβsinδ，my＝fy(ξ·+ξ··)，
步骤二、磁流变液控制器31根据ml＝f(θ)＝(ma+my)/i+(md-bs·θ)/i+bs·θ得出理论方向盘力矩，方向与方向盘1的转角相反，决策出应该向哪个励磁线圈10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10的圈数，i为励磁线圈10电流，l为磁路长度，然后通过电流发生器30予以执行，磁流变液控制器31还能接收转角及转矩传感器27输出的转矩信号，根据理论方向盘力矩ml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＝ml-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29通过电机驱动器30控制电机17维持等速旋转，通孔大锥齿轮22和半通孔大锥齿轮26作为主动源被电机17驱动并被换向小锥齿轮23换向，始终维持等速反向旋转，通孔大锥齿轮22/半通孔大锥齿轮26则能够通过磁流变液的剪切力将通孔大锥齿轮22/半通孔大锥齿轮26的驱动力矩传递给输出端盖板8/输入断盖板14与滚筒12，确保随时输出力矩
实施例
电机17以2转/秒的转速顺时针匀速旋转，则半通孔大锥齿轮26、通孔大锥齿轮22以相同的转速相反转动，此时驾驶员从零位逆时针转动方向盘1，力感控制器28决策出理论力感的大小之后，通过磁流变液控制器31决策出励磁线圈10的理论电流，与此同时力感控制器28决策出理论力感的方向应该为顺时针，则磁流变液控制器31控制电流发生器32，选择向半通孔大锥齿轮26和输出端盖板8之间的磁流变液通磁，其对应的外部励磁线圈10进行通电，励磁线圈10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，在顺时针转动的半通孔大锥齿轮26的作用下，输出端盖板8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1上，此时通孔大锥齿轮22空转；此时驾驶员从零位顺时针转动方向盘1力感控制器28决策出理论力感的大小之后，通过磁流变液控制器31决策出励磁线圈10的理论电流，与此同时力感控制器28决策出理论力感的方向应该为逆时针，则磁流变液控制器31控制电流发生器32，选择向通孔大锥齿轮22和输入端盖板14之间的磁流变液通磁，其对应的外部励磁线圈10进行通电，励磁线圈10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，在逆时针转动的通孔大锥齿轮22的作用下，输入端盖板14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1上，此时半通孔大锥齿轮26空转。
经过磁流变液控制器31的控制以及锥齿轮换向系统的执行，而且电流发生器32随时切换供电通道，该发明能够在方向盘1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17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，因此发明比现有传统的力感反馈装置更具优势。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。