一种适用于无人驾驶方程式赛车的自动转向离合装置

本申请涉及方程式赛车技术领域，尤其涉及一种适用于无人驾驶方程式赛车的自动转向离合装置。

背景技术：

近几年来随着科学技术突飞猛进的发展，出现了很多便利民生、服务于民的科学技术。而在这些新兴的领域中，无人驾驶技术尤为突出。它由各个领域先进技术相互融合而成，是计算机科学、图像识别、环境融合、人工智能技术等结合而发展出来的产物。无人驾驶车辆势必会是未来车辆发展的重要方向。

随着无人驾驶技术的发展，中国大学生无人驾驶方程式大赛也逐渐兴起。国内各大高校也都积极参与，为无人驾驶领域的技术开发注入了新的力量。而转向作为赛车中最基本最不可或缺的性能之一，有着很大的研究价值，也一直在吸引和考验着技术人员。而对于目前的无人方程式赛车转向系统而言，各大高校也分别针对比赛规则中的要求，在保证驾驶员能开的基础上实现赛车的无人驾驶功能。

实用新型专利cn208069787u提供了一种无人驾驶电动赛车线控化转向系统，该方案设计系统中有两个滑道，在两个滑道的内部分别装有第一和第二齿条总成。第一齿条总成与转向器齿轮啮合，第二齿条总成与电机输出轴上齿轮相啮合。有人驾驶时，驾驶员转动方向盘，通过转向器齿轮带动第一齿条总成进而拉动横拉杆实现转向；无人驾驶时，电机转动通过输出轴齿轮带动第二齿条总成进而拉动横拉杆实现转向。虽然这可以在驾驶员能开的基础上实现赛车的无人驾驶功能，但是在有人驾驶时，电机的转动阻力可能会加重驾驶员的转向负担。

发明专利申请cn111267942a公开了一种无人驾驶赛车转向离合机构。该装置可安装于方程式赛车的底盘转向器部位。无人驾驶状态下时，通过伺服电机输入力矩，经锥齿轮组改变其力矩传递方向后，输入到转向器中，进而实现转向；而在有人驾驶状态下时，伺服电机被其下方的小电机通过滚珠丝杆带动，从而使锥齿轮的啮合分离。这样，人转动方向盘时，也就不会受到伺服电机转动阻力的影响。但是在实际运用过程中，由于转向系统零件之间存在间隙以及在无人方程式赛车行驶过程中产生的扰动，可能会导致齿轮在分离之后，往往无法再次顺利啮合，这将影响到有人与无人两种转向状态切换的正常进行。

而实用新型专利cn212099046u提供了一种无人方程式赛车转向系统的自动和手动切换装置。利用直流式电磁铁和直流式电磁铁芯通电后相互吸引的特性，来实现有人与无人两种驾驶状态下转向的切换。无人驾驶时，直流式电磁铁断电，主动齿轮与从动齿轮完全啮合，转向舵机驱动主动齿轮，通过从动齿轮传动，带动齿轮轴、进而带动转向齿条平移实现转向；而有人驾驶时，直流式电磁铁通电，吸引直流式电磁铁芯，直流式电磁铁芯带动主动齿轮与从动齿轮分离，使舵机转动阻力不会影响到车手驾驶。但是该装置也存在着齿轮分离之后，再次切换为无人驾驶状态时，齿轮无法顺利啮合的问题。

技术实现要素：

本申请的目的在于提供一种适用于无人驾驶方程式赛车的自动转向离合装置。在保证无人方程式赛车驾驶员能开的前提下，实现了赛车无人驾驶的功能。并且由于自制离合器的安装与使用，可以随时实现直流伺服电机和行星齿轮减速器与传统转向机构的连接和分离。进而防止了在有人驾驶状态时，直流伺服电机和行星齿轮减速器转动阻力加重驾驶员的转向负担。

本发明为实现上述目的采用如下技术方案：

一种适用于无人驾驶方程式赛车的自动转向离合装置，其特征在于，包括有人转向机构和无人转向系统；

所述有人转向机构包括方向盘、快拆轴、传动轴、齿轮轴、转向器、齿条；

所述无人转向机构包括直流伺服电机、行星齿轮减速器、自制离合器、锥齿轮组；

其特征在于：所述无人转向机构中直流伺服电机与行星齿轮减速器相连接；自制离合器一端输入轴通过键与行星齿轮减速器周向固定连接，另一端输出轴则与锥齿轮组通过内六角紧定螺丝固定连接；锥齿轮组通过键与有人转向部分中的齿轮轴周向固定；

所述的自制离合器包括前挡圈、后挡圈、左拉杆、右拉杆、左小电机、右小电机、直线轴承、前推力球轴承、后推力球轴承、连盘、深沟球轴承、连轴、连接轴和连接盘；

所述左小电机和右小电机的输出轴上有螺纹，通过左拉杆和右拉杆上的螺纹孔实现两者的连接和传动，并且输出轴相对拉杆外表面的伸长量相等。

所述左拉杆和右拉杆安装在连接盘的环形槽内，并通过螺栓和螺母将左拉杆和右拉杆固定连接；所述连盘和连接盘通过螺栓和螺母相连接，连轴和连接轴的盘部位相对，轴部位则分别穿过连盘和连接盘的孔部位。

所述连接轴、连轴轴上分别安装有深沟球轴承、后推力球轴承、前推力球轴承和直线轴承；并在适当位置处开设挡圈槽，用于安装前挡圈和后挡圈；以固定连接轴、连轴和连接盘、连盘之间的位置。

所述连盘和连接盘通过螺栓和螺母连接时，在连接盘和螺栓头部之间还安装有弹簧。

所述连接轴、连轴的盘部位开有凹槽。

所述方向盘转角传感器安装于方向盘快拆轴上，并通过固定装置固定。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、通过自制离合器来用作直流伺服电机、行星齿轮减速器与传统转向机构的解耦装置，以此来实现赛车有人与无人两种驾驶状态的切换。在保障了赛车有人驾驶的功能下，实现了赛车的无人转向功能。同时也能防止直流伺服电机、行星齿轮减速器的转动阻力加重有人转向的负担。

2、该方案中的自制离合器通过两个小电机的同时转动，再经螺纹传动，带动拉杆、连接盘和连接轴运动，实现连接轴和连轴的接合与分离。而且连接轴和连轴的接合部位开有凹槽，可以实现较大力矩的传递。这也为离合器的设计提供了一种新的思路。

附图说明

图1为本专利自动转向离合装置总结构示意图；

图2为本专利自动转向离合装置中自制离合器拆解图；

图中编号说明：1-直流伺服电机、2-行星齿轮减速器、3-自制离合器、3.1-挡圈、3.2-拉杆、3.3-小电机、3.4-直线轴承、3.5-推力球轴承、3.6-连盘、3.7-深沟球轴承、3.8-连轴、3.9-连接轴、3.10-连接盘、4-锥齿轮组、5-转向机、6-直齿轮轴、7-快拆轴、8-固定器、9-方向盘、10-方向盘转角传感器、11-齿条、12-传动轴。

具体实施方式

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本实例进行更清晰、完整的描述，

一种适用于无人驾驶方程式赛车的自动转向离合装置的工作原理如下：

1、无人驾驶状态

当处于无人驾驶时，自制离合器3中的左小电机3.3和右小电机3.3同时以相同速率转动，通过螺纹传动，使左拉杆3.2和右拉杆3.2向连接盘3.10施加压力。由于连接盘3.10背面凹台处装有前推力球轴承3.5，所以连接盘3.10会向前推力球轴承3.5传递压力，进而推动连接轴3.9与连轴3.8接合，接合时要微微地转动方向盘9，使连接轴3.9与连轴3.8背面能完美配合。接合后左小电机3.3和右小电机3.3停止转动，并利用自身带有的刹车装置，使连接轴3.9与连轴3.8保持接合。此时，直流伺服电机1开始转动，经行星齿轮减速器2减速增扭，带动连接轴3.9与连轴3.8转动，连接轴3.9和连接盘3.10配合之间的直线轴承3.4以及连轴3.8和连盘3.6配合之间的深沟球轴承3.7可以降低转动阻力。进而将转向所需转矩传递到锥齿轮组4中，经锥齿轮组4中啮合的锥齿轮改变转矩方向，进而带动直齿轮轴6转动，直齿轮轴6的齿轮部位在转向机5中与齿条11啮合，从而带动齿条11左右移动，齿条11再拉动转向横拉杆，带动车轮，实现转向。而转向角度可以通过快拆轴7上的固定器8上的方向盘转角传感器10采集，实现对无人转向角度的闭环控制。

2、有人驾驶状态

当处于有人驾驶状态时，自制离合器3中的左小电机3.3和右小电机3.3同时反方向同速率转动，通过螺纹传动，拉动左拉杆3.2和右拉杆3.2，进而拉动连接盘3.10。连接盘3.10向前挡圈3.1施加压力，拉动连接轴3.9，使连接轴3.9与连轴3.8分离。分离后左小电机3.3和右小电机3.3停止转动。此时，车手通过方向盘9带动快拆轴7转动，再经传动轴12等一系列零件和机构传动，带动直齿轮轴6转动。这时，直齿轮轴6一方面与转向机5中的齿条11相啮合，并带动齿条11左右移动，拉动转向横拉杆，带动车轮，实现转向；另一方面直齿轮轴6也会带动锥齿轮组4中的锥齿轮转动，从而带动连轴3.8转动。因为连轴3.8已经与连接轴3.9分离，所以直流伺服电机1和行星齿轮减速器2的转动阻力不会加重车手的转向负担。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明的技术方案所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。