本发明属于汽车电控及智能化领域，涉及一种锥齿轮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。现有技术中有的能解决等速旋转换向的问题，但是由于其机械结构与气动式的动力来源，换向延迟较大。行星齿轮虽然可以快速换向，但是没办法实现等速换向，因此在一些对等速要求比较严格的工况没法使用。申请号为201410021814.3，发明名称为“把手快速换向机构”，公开日为2014年5月14日，提出了一种把手快速换向结构，该发明为平动换向。申请号为201310329852.0，发明名称为“一种快速换向系统”，公开日为2015年2月11日，申请提出一种快速换向系统，该发明的快速换向结构使用机械结构，换向时间较长。
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，本发明提供一种锥齿轮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、无法完成正反向等速旋转以及容易卡死的问题。
本发明所采用的技术方案是，锥齿轮磁流变液双转筒力感反馈装置，包括托架，托架上依次设有轴承支座、转角及转矩传感器、外励磁线圈、惰轮轴承支架和电机，转向柱通过转向柱轴承固定在轴承支架上，方向盘与转向柱刚性连接，转向柱通过联轴器与转角及转矩传感器的一端相连接，转角及转矩传感器的另一端通过联轴器与隔磁套筒相连接，隔磁套筒通过隔磁套筒轴承连接到轴承支架上，电机的输出端通过联轴器与锥齿轮及与其固连的小套筒固定连接，锥齿轮及与其固连的小套筒通过小套筒轴承固定连接到托架的轴承支架上，锥齿轮及与其固连的小套筒通过两个内轴承和两个支撑轴承连接到隔磁套筒，锥齿轮及与其固连的小套筒与隔磁套筒之间充满磁流变液其连接处设有内密封圈，内励磁线圈分别缠绕在隔磁套筒中间轴的两侧上，惰轮通过惰轮轴承固定连接在惰轮轴承支架上，锥齿轮及与其固连的小套筒上的锥齿轮通过两个惰轮与锥齿轮及与其固连的大套筒上的锥齿轮啮合，锥齿轮及与其固连的大套筒通过两个外轴承连接到隔磁套筒，锥齿轮及与其固连的大套筒与隔磁套筒之间充满磁流变液其连接处设有外密封圈，外励磁线圈分别缠绕于隔磁套筒外周的两侧；转角及转矩传感器通过信号线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、电流发生器和外励磁线圈/内励磁线圈连接，电机控制器通过信号线依次与电机驱动器和电机连接。
进一步的，所述外励磁线圈和内励磁线圈缠绕方向不同。
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。
本发明所采用的另一种技术方案是，锥齿轮磁流变液双转筒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”)，
步骤二、电机控制器通过电机驱动器控制电机维持旋转，隔磁套筒被磁流变液包围，随时准备接收转筒的驱动力矩并通过转角及转矩传感器传递给方向盘，
步骤三、磁流变液控制器根据理论方向盘力矩m1的大小得出励磁线圈的理论电流大小，根据理论方向盘力矩的方向得出应该向哪个励磁线圈供电，τ0＝1150b4-2140b3+1169b2-64b+0.8，
本发明的有益效果是，与现有技术相比，本发明力感的方向控制由电机带动等速反向旋转的锥齿轮系统完成，锥齿轮机构为正反转转速相等，锥齿轮结构简单，安装方便，制造成本低，由于惰轮固定在支架上，因此工作稳定，且锥齿轮结构对内外套筒的支撑较好，机构的同轴度精度较高。锥齿轮结构还能够应用于其他的快速换向结构中，使换向延迟达到毫秒级，该结构不仅可以用于力感反馈装置，还可以用于其他装置。本发明不仅可以达到快速等速换向的效果，还可以控制换向后的力矩大小。本发明还具有可调节的功能。
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为锥齿轮式磁流变液双转筒力感反馈装置轴测图；
图2为锥齿轮式磁流变液双转筒力感反馈装置俯视图；
图3为锥齿轮式磁流变液双转筒力感反馈装置剖视图；
图4为锥齿轮式磁流变液双转筒力感反馈装置控制流程及信号传递图；
图5为锥齿轮式磁流变液双转筒力感反馈装置与方向盘连接的隔磁套筒轴测图；
图6为锥齿轮式磁流变液双转筒力感反馈装置锥齿轮及与其固连的小套筒轴测图；
图7为锥齿轮式磁流变液双转筒力感反馈装置锥齿轮及与其固连的大套筒轴测图；
图8为锥齿轮式磁流变液双转筒力感反馈装置惰轮轴测图；
图9为锥齿轮式磁流变液双转筒力感反馈装置外励磁线圈轴测图。
图中，1.方向盘，2.轴承支架，3.联轴器，4.转角及转矩传感器，5.外励磁线圈，6.锥齿轮及与其固连的大套筒，7.惰轮，8.锥齿轮及与其固连的小套筒，9.电机，10.托架，11.惰轮轴承，12.惰轮轴承支架，13.转向柱，14.转向柱轴承，15.隔磁套筒轴承，16.外密封圈，17.外轴承，18.内轴承，19.内励磁线圈，20.磁流变液，21.内密封圈，22.小套筒轴承，23.支撑轴承，24.隔磁套筒，25.电机驱动器，26.电机控制器，27.力感控制器，28.磁流变液控制器，29.电流发生器，30.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。
锥齿轮磁流变液力感反馈装置，如图1-4所示，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；
锥齿轮磁流变液双转筒力感反馈装置，包括托架10，托架10上依次设有轴承支座2、转角及转矩传感器4、外励磁线圈5、惰轮轴承支架12和电机9；
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矩的大小和方向；包括方向盘1、轴承支架2、联轴器3、转角及转矩传感器4、转向柱13、转向柱轴承14、力感控制器27；托架10上依次设置有轴承支架2和转角及转矩传感器4，转向柱13通过转向柱轴承14固定到轴承支架2上，方向盘1与转向柱13刚性连接，转向柱13通过联轴器3与转角及转矩传感器4的一端刚性连接，转角及转矩传感器4通过信号线与力感控制器27连接；
力感控制系统：根据理论方向盘力矩产生相应的控制信号，用于控制电机9转速和磁流变液黏度；包括电机控制器26、电机驱动器25、磁流变液控制器28、电流发生器29，如图4所示，转角及转矩传感器4通过信号线与力感控制器27和磁流变液控制器28连接，力感控制器27通过信号线依次与磁流变液控制器28、电流发生器29和外励磁线圈5/内励磁线圈19连接，电机控制器26通过信号线依次与电机驱动器25和电机9连接；
力感产生系统：用于接收方向盘1力感的转角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3、外励磁线圈5、锥齿轮及与其固连的大套筒6、锥齿轮及与其固连的小套筒8、电机9、隔磁套筒轴承15、外密封圈16、外轴承17、内轴承18、内励磁线圈19、磁流变液20、内密封圈21、小套筒轴承22、支撑轴承23、隔磁套筒24，如图5-9所示，转角及转矩传感器4的另一端通过联轴器与隔磁套筒24相连接，隔磁套筒24通过隔磁套筒轴承15连接到轴承支架上，电机9的输出端通过联轴器与锥齿轮及与其固连的小套筒8连接，锥齿轮及与其固连的小套筒8通过小套筒轴承22固定连接在托架10的轴承支架上，锥齿轮及与其固连的小套筒8通过两个内轴承18和两个支撑轴承23连接到隔磁套筒24，锥齿轮及与其固连的小套筒8与隔磁套筒24之间充满磁流变液20其连接处设有内密封圈21，内励磁线圈19分别缠绕在隔磁套筒24中间轴的两侧上，惰轮7通过惰轮轴承11固定连接在惰轮轴承支架12上，锥齿轮及与其固连的小套筒8上的锥齿轮通过两个惰轮7与锥齿轮及与其固连的大套筒6上的锥齿轮啮合，锥齿轮及与其固连的大套筒6通过两个外轴承17连接到隔磁套筒24，锥齿轮及与其固连的大套筒6与隔磁套筒24之间充满磁流变液20其连接处设有外密封圈16，外励磁线圈5分别缠绕于隔磁套筒24外周的两侧；
换向系统：用于使由电机9驱动的锥齿轮及与其固连的小套筒8与锥齿轮及与其固连的大套筒6始终保持反向运动，产生相反方向的力感；包括锥齿轮及与其固连的大套筒6、惰轮7、锥齿轮及与其固连的小套筒8，锥齿轮及与其固连的小套筒8上的锥齿轮通过两个惰轮7与锥齿轮及与其固连的大套筒6上的锥齿轮啮合；该结构零件简单，加工成本较低，安装方便，且能够轻松的完成等速换向的功能；
供电系统：用于为装置提供电能；电源30通过供电线分别与转角及转矩传感器4、电机9、力感控制器27、电机控制器26、电机驱动器25、磁流变液控制器28、电流发生器29相连接。
电机控制器27用于控制电机9匀速旋转，保证电机9在有负载波动工况下能够维持匀速旋转驱动锥齿轮及与其固连的小套筒8和锥齿轮及与其固连的大套筒6转动，电机控制器26产生pwm控制信号传递给电机驱动器25用于控制电机9；
电机驱动器25接收电机控制器26产生的pwm控制信号，并将其输送给电机9，使得电机9能够维持预先设定的转速；
锥齿轮及与其固连的小套筒8用于产生一个方向的转动以及驱动力矩，可以绕自身轴线旋转；
锥齿轮及与其固连的大套筒6用于产生另一个方向的转动以及驱动力矩，可以绕自身轴线旋转；
隔磁套筒24用于接受来自不同转筒的驱动力矩，并能够在两套转筒系统之间起到隔磁的作用；
外励磁线圈5和内励磁线圈19缠绕方向不同，不同的缠绕方式能够节省空间，在有限的空间下实现磁场的最大化利用。
磁流变液控制器28根据理论方向盘力矩的大小得出外励磁线圈5或者内励磁线圈19应接收的理论电流的数值，并将该数值传递给电流发生器29，然后磁流变液控制器28根据理论方向盘力矩的方向得出应该向哪一套套筒系统的励磁线圈供电，确保实际产生的力感方向与理论方向盘力矩一致，电流发生器29拥有两个通道，分别连接着外励磁线圈5和内励磁线圈19，磁流变液控制器28根据理论方向盘力矩的大小以及方向得出应该向外励磁线圈5或者内励磁线圈19其中哪一个提供多大的电流数值，然后电流发生器29通过相应的通道予以执行，无论哪一个励磁线圈被供电，另一个都没有电流，确保双套筒系统只有一套在工作，另一套空转，磁流变液控制器28还能接收转角及转矩传感器4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，确保最终传递给驾驶员的力矩与理论方向盘力矩相等。
锥齿轮式磁流变液双转筒力感反馈装置的使用方法应用锥齿轮式磁流变液双转筒力感反馈装置，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4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27，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”)，
步骤二、电机控制器26通过电机驱动器25控制电机9维持旋转，隔磁套筒24被磁流变液20包围，随时准备接收转筒的驱动力矩并通过转角及转矩传感器4传递给方向盘1，
步骤三、磁流变液控制器28根据理论方向盘力矩m1的大小得出励磁线圈的理论电流大小，根据理论方向盘力矩的方向得出应该向哪个励磁线圈供电，τ0＝1150b4-2140b3+1169b2-64b+0.8，
实施例
从该发明装置的方向盘1正面观看，电机9顺时针匀速旋转，则齿圈及与其固连的小套筒8也顺时针匀速旋转，但在换向系统的作用下锥齿轮及与其固连的大套筒6逆时针匀速旋转，由于磁流变液20产生的驱动力矩与转速差无关，因此正反向转速不同对系统并没有影响；此时驾驶员从零位逆时针转动方向盘1，力感控制器27决策出理论方向盘力矩的大小之后，通过磁流变液控制器28决策出励磁线圈的理论电流，与此同时力感控制器27决策出理论方向盘力矩的方向应该为顺时针，则磁流变液控制器28控制电流发生器29，选择向锥齿轮及与其固连的小套筒8对应的内励磁线圈19进行供电，于是内励磁线圈19向其外部的磁流变液20产生磁场，改变磁流变液20的黏度至合适大小，在顺时针转动的锥齿轮及与其固连的小套筒8的作用下，隔磁套筒24将产生与理论方向盘力矩大小相等的顺时针反馈力矩传递至方向盘1上，由于隔磁套筒24的隔磁作用，此时锥齿轮及与其固连的大套筒6空转，如若此时驾驶员从零位顺时针转动方向盘1，力感控制器27决策出理论方向盘力矩的大小之后，通过磁流变液控制器28决策出励磁线圈的理论电流，与此同时力感控制器27决策出理论方向盘力矩的方向应该为逆时针，则磁流变液控制器28控制电流发生器29，选择向与锥齿轮及与其固连的大套筒6相关的外励磁线圈5进行供电，于是外励磁线圈向其内部的磁流变液20产生磁场，改变磁流变液20的黏度至合适大小，在逆时针转动的锥齿轮及与其固连的大套筒6的作用下，隔磁套筒24将产生与理论方向盘力矩大小相等的逆时针反馈力矩传递至方向盘1上，由于隔磁套筒24的隔磁作用，此时锥齿轮及与其固连的小套筒8空转。
经过磁流变液控制器28的控制以及双套转筒系统的执行，而且电流发生器29随时切换供电通道，该发明在方向盘1的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9换向的存在，因此系统的响应速度将由磁流变液20的响应速度决定，而磁流变液20的响应速度在毫秒级，因此该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。