超磁致伸缩材料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化领域，涉及一种超磁致伸缩材料力感反馈装置。

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，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。

超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Materials，简称GMM)，即具有极大的磁致伸缩系数的磁致伸缩材料，在常温下由于磁化状态的改变，其长度和体积会发生较大变化。GMM棒在无机械约束时发生磁致伸缩正效应，以位移形式输出，在有机械约束时，以位移和力的形式输出。利用的磁致伸缩正效应可制作驱动装置，实现磁能向机械能的转换，并且这种特性受外界其他因素(如温度)影响很小。超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应，为它在工程实际中提供了广泛的应用前景，已应用于诸多领域的磁致伸缩力传感器、生物机械传感器以及电能收集器等。

技术实现要素：

为实现上述目的，本实用新型提供一种超磁致伸缩材料力感反馈装置，解决了现有技术中存在的控制不平顺、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，超磁致伸缩材料力感反馈装置，包括支架，支架上设有滑槽，滑槽上设有滑块，支架上依次设有转向柱轴承支座、转角及转矩传感器、卷簧总成和摩擦盘轴承支座，方向盘和转向柱刚性连接，转向柱通过转向柱轴承固定连接到转向柱轴承支座上，转向柱通过联轴器与转角及转矩传感器的一端刚性连接，转角及转矩传感器的另一端通过联轴器与摩擦盘连接，摩擦盘的轴端通过摩擦盘轴承固定连接在摩擦盘轴承支座上，摩擦盘内对称设有两个放置方向相反的超磁致伸缩棒总成，两个超磁致伸缩棒总成通过卡扣固定连接在托架的末端，一个超磁致伸缩棒总成由底盖上的通孔通过螺钉固定连接在支架上，另一个超磁致伸缩棒总成由调整盖上的通孔通过螺钉固定连接在支架上，超磁致伸缩棒总成内的外筒通过螺钉分别与调整盖和底盖固定连接构成超磁致伸缩棒总成的外壳，超磁致伸缩棒总成内的固定筒通过螺钉分别与上固定板和下固定板固定连接构成固定筒总成，超磁致伸缩棒总成的外壳内依次设有碟片弹簧、连接件和固定筒总成，碟片弹簧与调整盖的内壁和连接件中部的凸起均接触，固定筒总成中上固定板和下固定板之间依次设有上导磁板、套筒和下导磁板，套筒置于线圈骨架内，套筒外周面与线圈骨架中空内壁相接触，励磁线圈缠绕于线圈骨架，固定筒内设有圆筒磁轭，圆筒磁轭外周面与固定筒内周面相接触，圆筒磁轭内周面与励磁线圈相接触，超磁致伸缩棒置于套筒内部，超磁致伸缩棒一端设有上导向块，另一端设有下导向块，上固定板、上导磁板和下导磁板的中心均设有通孔，通孔位于同一轴线上，连接件贯穿于上固定板和上导磁板并与上导向块相连接，连接件和底盖的外伸端设有通孔且关于超磁致伸缩棒总成上下对称，摩擦片一侧的轴端与一个超磁致伸缩棒总成的连接件外伸端通孔相连接，摩擦片另一侧的轴端与另一个超磁致伸缩棒总成的底盖外伸端通孔相连接，摩擦盘的轴端穿过卷簧总成，摩擦盘的轴端开槽与卷簧总成固定连接，摩擦盘的轴通过键与联轴器连接；中空圆柱形的摩擦盘轴端设有槽，拱形形状的摩擦片的两侧弯折处均设有凸起的轴端，转角及转矩传感器通过信号线分别与力感控制器和超磁致伸缩棒控制器连接，力感控制器通过信号线依次与超磁致伸缩棒控制器、电流发生器、励磁线圈连接。

进一步的，所述转向柱轴承支座、转角及转矩传感器、卷簧总成和摩擦盘轴承支座设有通孔通过螺钉与滑块相连接。

进一步的，所述卷簧总成由第一卷簧和第二卷簧组成，第一卷簧和第二卷簧按照不同旋向固定连接在卷簧总成的外圆筒上。

进一步的，所述上导向块、下导向块、超磁致伸缩棒与连接件位于同一轴线上。

进一步的，电源通过供电线分别与力感控制器、转角及转矩传感器、超磁致伸缩棒控制器、电流发生器相连接。

进一步的，所述调整盖通过螺钉与外筒连接，螺钉旋入的长度能够调节。

本实用新型的有益效果是，与现有技术相比，本实用新型将方向盘的力感反馈分解为回正力矩反馈(卷簧总成提供)和阻尼力矩反馈(摩擦盘和摩擦片摩擦作用提供)，二者共同作用，为方向盘提供连续可控的方向盘反馈力矩。本装置中力感产生系统由两个相同的超磁致伸缩棒总成按上下相反方向安装在左右支架上，将超磁致伸缩棒的长短伸缩作用转化为固定在伸缩棒总成上的两个摩擦片与摩擦盘之间的转动摩擦作用，结构对称且紧凑。线性弹性力、可控摩擦力的作用中心与方向盘轴线重合，保证了力矩作用的稳定性。同时，摩擦盘与两个摩擦片长时间摩擦不会产生热变形，提高了装置的使用寿命，本装置中没有传统力感反馈装置中电机的存在，减少了抖动和延时，提高了响应时间。本实用新型在于不需要用电机来提供力感反馈，转而由卷簧总成来模拟弹性力，用超磁致伸缩棒来提供阻力，共同作用提供所需力感。力感的大小控制由励磁线圈控制超磁致伸缩棒的伸缩来完成，消除了传统力矩电机直连方案的延迟和抖动，既能保证力矩准确反馈，又能克服力矩电机的一系列不足。

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为超磁致伸缩材料力感反馈装置轴测图；

图2为超磁致伸缩材料力感反馈装置俯视图；

图3为超磁致伸缩材料力感反馈装置后视图；

图4为超磁致伸缩材料力感反馈装置剖视图；

图5为超磁致伸缩材料力感反馈装置超磁致伸缩棒总成剖视图；

图6为超磁致伸缩材料力感反馈装置控制流程及信号传递图；

图7为超磁致伸缩材料力感反馈装置卷簧总成轴测图；

图8为超磁致伸缩材料力感反馈装置摩擦盘轴测图；

图9为超磁致伸缩材料力感反馈装置支架轴测图；

图10为超磁致伸缩材料力感反馈装置超磁致伸缩棒总成轴测图；

图11为超磁致伸缩材料力感反馈装置摩擦片轴测图；

图12为超磁致伸缩材料力感反馈装置滑块图。

图中，1.方向盘，2.转向柱轴承支座，3.联轴器，4.转角及转矩传感器，5.卷簧总成，6.摩擦盘，7.支架，8.摩擦盘轴承支座，9.超磁致伸缩棒总成，10.摩擦片，11.转向柱，12.转向柱轴承，13.第一卷簧，14.第二卷簧，15.摩擦盘轴承，16.连接件，17.调整盖，18.碟片弹簧，19.上固定板，20.外筒，21.上导磁板，22.固定筒，23.励磁线圈，24.超磁致伸缩棒，25.下固定板，26.底盖，27.下导向块，28.下导磁板，29.圆筒磁轭，30.线圈骨架，31.套筒，32.上导向块，33.力感控制器，34.超磁致伸缩棒控制器，35.电流发生器，36.电源，37.滑块。

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。

超磁致伸缩材料力感反馈装置，如图1-5所示，包括力感模拟系统、力感控制系统、力感产生系统、弹性力模拟系统和供电系统；

超磁致伸缩材料力感反馈装置包括支架7，支架7上设有滑槽，滑槽上设有滑块37，支架7上依次设有转向柱轴承支座2、转角及转矩传感器4、卷簧总成5和摩擦盘轴承支座8；转向柱轴承支座2、转角及转矩传感器4、卷簧总成5和摩擦盘轴承支座8设有通孔通过螺钉与滑块37相连接；

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11、转向柱轴承12、转向柱轴承支座2、联轴器3、转角及转矩传感器4、力感控制器33；支架7上依次设有转向柱轴承支座2和转角及转矩传感器4，方向盘1和转向柱11刚性连接，转向柱11通过转向柱轴承12固定连接到转向柱轴承支座2上，转向柱11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33连接；

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超磁致伸缩棒24的伸长；包括超磁致伸缩棒控制器34、电流发生器35和励磁线圈23；转角及转矩传感器4通过信号线分别将转矩信号和转角信号传递给超磁致伸缩棒控制器34和力感控制器33，如图6所示，力感控制器33通过信号线依次与超磁致伸缩棒控制器34、电流发生器35、励磁线圈23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卷簧弹性力作用和超磁致伸缩棒24伸缩作用产生实际力；包括联轴器3、卷簧总成5、摩擦盘6、摩擦盘轴承15、摩擦盘轴承支座8、超磁致伸缩棒总成9、摩擦片10，如图7-11所示，超磁致伸缩棒总成9包括调整盖17、碟片弹簧18、连接件16、外筒20、上固定板19、上导磁板21、上导向块32、固定筒22、超磁致伸缩棒24、套筒31、下导向块27、线圈骨架30、圆筒磁轭29、下导磁板28、下固定板25、底盖26；支架7上依次设有卷簧总成5、摩擦盘轴承支座8，摩擦盘6的轴端通过摩擦盘轴承15固定连接在摩擦盘轴承支座8上；摩擦盘6内对称设有两个放置方向相反的超磁致伸缩棒总成9，两个超磁致伸缩棒总成9通过卡扣固定连接在托架7的末端，一个超磁致伸缩棒总成9由底盖26上的通孔通过螺钉固定连接在支架7上，另一个超磁致伸缩棒总成9由调整盖17上的通孔通过螺钉固定连接在支架7上，超磁致伸缩棒总成9内的外筒20通过螺钉分别与调整盖17和底盖26固定连接构成超磁致伸缩棒总成9的外壳，超磁致伸缩棒总成9内的固定筒22通过螺钉分别与上固定板19和下固定板25固定连接构成固定筒总成，超磁致伸缩棒总成9的外壳内依次设有碟片弹簧18、连接件16和固定筒总成，碟片弹簧18与调整盖17的内壁和连接件16中部的凸起均接触，固定筒总成中上固定板19和下固定板25之间依次设有上导磁板21、套筒31和下导磁板28，套筒31置于线圈骨架30内，套筒31外周面与线圈骨架30中空内壁相接触，励磁线圈23缠绕于线圈骨架30，固定筒22内设有圆筒磁轭29，圆筒磁轭29外周面与固定筒22内周面相接触，圆筒磁轭29内周面与励磁线圈23相接触，超磁致伸缩棒24置于套筒31内部，超磁致伸缩棒24一端设有上导向块32，另一端设有下导向块27，上固定板19、上导磁板21和下导磁板28的中心均设有通孔，通孔位于同一轴线上，连接件16贯穿于上固定板19和上导磁板21并与上导向块32相连接，连接件16和底盖26的外伸端设有通孔且关于超磁致伸缩棒总成9上下对称，摩擦片10一侧的轴端与一个超磁致伸缩棒总成9的连接件16外伸端通孔相连接，摩擦片10另一侧的轴端与另一个超磁致伸缩棒总成9的底盖26外伸端通孔相连接，摩擦盘6的轴端穿过卷簧总成5，摩擦盘6的轴端开槽与卷簧总成5固定连接，摩擦盘6的轴通过键与联轴器3连接；

弹性力模拟系统：用于将由两个不同旋向的卷簧组合在一起来提供弹性力，使得方向盘1向不同方向转动时都有弹性力的作用；包括卷簧总成5，卷簧总成5由第一卷簧13和第二卷簧14组成，第一卷簧13和第二卷簧14按照不同旋向固定连接在卷簧总成5的外圆筒上；

供电系统：用于为装置提供电能；电源36通过供电线分别与力感控制器33、转角及转矩传感器4、超磁致伸缩棒控制器34、电流发生器35相连接。

摩擦盘6与卷簧总成5相连，用于两个摩擦片10共同作用提供阻力矩；摩擦盘6的对称结构及超磁致伸缩棒总成9的对称安装，保证上下两个圆环形摩擦片10形成的中心轴与摩擦盘6中心轴重合，当超磁致伸缩棒24有长度伸缩时，直接通过推动摩擦片10的端部作用于摩擦盘6上，通过摩擦盘6和摩擦片10之间的接触挤压作用，完成力感的反馈；图8中a图是摩擦盘6外部示意图，b图是摩擦盘6的内部示意图；

中空圆柱形的摩擦盘6轴端设有槽，拱形形状的摩擦片10的两侧弯折处均设有凸起的轴端，便于和其他零件进行安装。

卷簧总成5通过其上的凸台与螺钉固联在支架7上的滑块37上，保证能够给上摩擦盘6提供弹性力；

上固定板19、上导磁板21和下导磁板28的中心均设有通孔，通孔位于同一轴线上，分别为了通过上导向块32和下导向块27，以完成超磁致伸缩棒24的导向作用，上导向块32、下导向块27、超磁致伸缩棒24与连接件16位于同一轴线上；

调整盖17通过螺钉与外筒20连接，通过旋入螺钉的长度来调整碟片弹簧18对超磁致伸缩棒24的预压力；

超磁致伸缩棒控制器34：根据力感控制器33所产生的理论力感的大小运行控制算法，决策出励磁线圈23所需的励磁电流数值，从而作用于超磁致伸缩棒24，使其产生相应的伸长量来提供阻力，同时超磁致伸缩棒控制器34还接受转角及转矩传感器4的信号用于实时调节励磁线圈23电流的大小，确保转向柱11上传递给驾驶员的力矩大小与理论力感的数值相同。

图12a为滑块37的轴测图，图12b为滑块37的俯视图，图12c为滑块37的剖视图，滑块37位于支架7的滑槽中，螺钉通过各零件中的通孔将零件连接到滑块37上的螺纹孔中，完成零件与支架7之间的固定，如图2所示。滑块37可通过滑槽在支架7上滑动，从而实现方向盘1的伸缩。

方向盘力感反馈主要由回正力矩反馈和阻尼力矩反馈两个部分组成，其中，由于回正力矩与方向盘1所在转角位置有关，阻尼力矩与方向盘1转动方向有关，所以本实用新型由卷簧总成5来模拟回正力矩，由摩擦盘6与摩擦片10之间的摩擦力矩来模拟阻尼力矩。

由于回正力矩是一个与轮胎倾角有关的力矩，经过转向比的转换，将其转换为与方向盘1转角有关的函数，阻尼力矩也是一个与方向盘1转角有关的函数，因此，理论总反馈力矩即可视为与方向盘1转角相关的函数。

超磁致伸缩材料力感反馈装置的使用方法应用超磁致伸缩材料力感反馈装置，具体按照以下步骤进行：

步骤一、在驾驶中转动方向盘1，卷簧总成5提供弹性力模拟回正力矩，转角及转矩传感器4检测方向盘1的转角的大小以及方向，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＝FYe，其中，MA为主销内倾引起的路面对车轮的转向力矩，Q为转向轮胎负载，D为主销倾角位移，β为主销倾角，δ为轮胎转角，MY为主销后倾引起的力矩，FY为轮胎侧偏力，e为轮胎拖矩；阻尼力矩由转向系统和地面摩擦引起，MD＝Bs·θ+Q·f·sign(θ)，其中，Bs为转向系统中转向轴的阻尼系数，θ为方向盘1转角，f是地面摩擦系数，sign(θ)表示摩擦力矩方向与方向盘1转动方向相反，因此，理论方向盘的总反馈力矩可表示为：T总＝F(θ)＝(MA+MY)/i+(MD-Bs·θ)/i+Bs·θ，其中，i为转向系统的传动比；由T簧＝f(θ)＝(MA+MY)/i，得出卷簧总成5提供的弹性力，摩擦盘6所需提供的阻尼力矩T盘＝2·μ0FR，其中，F为超磁致伸缩棒24所提供的摩擦片10与摩擦盘6之间的压力，R为摩擦盘6的内筒半径，μ0为摩擦片10与摩擦盘6之间的摩擦系数；将阻尼力矩T盘传递给力感控制器33，力感控制器33根据理论总反馈力矩T总＝T盘+T簧，得出理论方向盘力矩的大小以及方向并传递给超磁致伸缩棒控制器34；

步骤二、根据步骤一中F与超磁致伸缩棒24所提供的力大小相等，方向相同，超磁致伸缩棒24的内部应力其中，Ar为超磁致伸缩棒24对应的截面面积；超磁致伸缩棒24的应变量其中，ε为超磁致伸缩棒24的应变量，Lr为超磁致伸缩棒24的长度，ΔL为超磁致伸缩棒24的变化长度，Es为磁化强度达到饱和值时超磁致伸缩棒24所对应的弹性模量，λs为超磁致伸缩棒24的饱和伸缩系数，σs为超磁致伸缩棒24的饱和应力，M是超磁致伸缩棒24的磁化强度，Ms为超磁致伸缩棒24内的磁化强度饱和值；超磁致伸缩棒24的应变量其中，B为磁感应强度，E为超磁致伸缩棒24的弹性模量，d33为超磁致伸缩棒24的压磁系数，μ^σ横压力下超磁致伸缩棒24的导磁率，He为超磁致伸缩棒24内的有效作用磁场强度；磁感应强度B＝μH，其中，μ为介质导磁率，H为磁场强度；由安培环路定理Hl＝NI，其中，N是励磁线圈23的圈数，I是励磁线圈23的电流，l是磁路长度，超磁致伸缩棒控制器34根据理论方向盘力矩的大小得出励磁线圈23的理论电流大小，然后通过电流发生器35予以执行；

步骤三、卷簧总成5和摩擦盘6共同提供的阻力矩通过转角及转矩传感器4传递给方向盘1，并随时通过转角及转矩传感器4向超磁致伸缩材料棒控制器34传递转矩信号，通过实时转矩大小与理论方向盘力矩大小的比较完成反馈调节。

实施例

从该实用新型装置的方向盘1正面观看，此时驾驶员从零位逆时针转动方向盘1，卷簧总成5给方向盘提供一个弹性力的反馈，同时力感控制器33决策出理论力感的大小之后，通过超磁致伸缩棒控制器34决策出励磁线圈23的理论电流，与此同时力感控制器33决策出理论力感的方向应该为顺时针，则超磁致伸缩棒控制器34控制电流发生器35，向励磁线圈23通入相应大小的电流，使得超磁致伸缩棒24在磁场中完成相应长度的伸长，通过连接件16的传递，对摩擦片10提供相应的推力，并作用于摩擦盘6的转动上，形成阻力矩，与卷簧总成5的弹性力共同作用，完成力感的反馈；此时驾驶员从零位逆时针转动方向盘1，则具体作用情况与顺时针转动相似，通过卷簧总成5的弹性力作用和摩擦盘6与超磁致伸缩棒24共同提供的阻力矩作用，完成力感的反馈。

经过超磁致伸缩棒控制器34的控制以及弹性力模拟系统的执行，而且电流发生器35随时提供不同大小的电流，该实用新型可以在方向盘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的存在，因此系统的响应速度将由超磁致伸缩棒的响应速度决定。而超磁致伸缩棒的响应速度在毫秒级，因此实用新型比现有传统的力感反馈装置更具优势。

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。