[发明专利]超磁致伸缩材料制得的力感反馈装置及其使用方法

权利要求书

1.超磁致伸缩材料制得的力感反馈装置，其特征在于，包括支架(7)，支架(7)上设有滑槽，滑槽上设有滑块(37)，支架(7)上依次设的转向柱轴承支座(2)、转角及转矩传感器(4)、卷簧总成(5)和超磁致伸缩棒总成(6)均设有通孔并通过螺钉与滑块(37)相连接，方向盘(1)和转向柱(8)刚性连接，转向柱(8)通过转向柱轴承(9)固定连接到转向柱轴承支座(2)上，转向柱(8)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)的另一端与通过联轴器(3)与动摩擦盘(13)轴上的键相连接，超磁致伸缩棒总成(6)的外筒(17)通过螺钉分别与底盖(19)和调整盖(30)固定连接构成超磁致伸缩棒总成(6)的外壳，超磁致伸缩棒总成(6)内的固定筒(27)通过螺钉分别与左固定板(15)和右固定板(18)连接构成上下两个固定筒总成，超磁致伸缩棒总成(6)的外壳内依次设有上固定筒总成、连接件(29)、碟片弹簧(14)和下固定筒总成，碟片弹簧(14)的固定端与调整盖(30)的内壁相接触，碟片弹簧(14)的挤压端置于连接件(29)的轴肩，连接件(29)的花键轴穿过碟片弹簧(14)的通孔，固定筒总成中左固定板(15)和右固定板(18)之间依次装入左导磁板(16)、圆筒磁轭(26)和右导磁板(20)，圆筒磁轭(26)外周面与固定筒(27)内周面相接触，圆筒磁轭(26)内周面与线圈骨架(21)上缠绕的励磁线圈(25)相接触，上下固定筒总成中的圆筒磁轭(26)之间设有套筒(22)，套筒(22)内设有超磁致伸缩棒(24)，超磁致伸缩棒(24)一端设有左导向块(28)，另一端设有右导向块(23)，左固定板(15)、左导磁板(16)、右导磁板(20)的中心均设有通孔，连接件(29)贯穿于左固定板(15)和左导磁板(16)并与左导向块(28)相连接，连接件(29)的花键轴通过花键槽与调整盖(30)固定连接，静摩擦盘(31)通过摩擦盘盖(32)与调整盖(30)相连接，连接件(29)的花键轴通过花键槽与静摩擦盘(31)非摩擦面的花键槽连接，静摩擦盘(31)的摩擦面与动摩擦盘(13)相接触，动摩擦盘(13)的轴贯穿卷簧总成(5)并与其固定连接，摩擦盘轴承(12)置于动摩擦盘(13)和摩擦盘盖(32)之间，摩擦盘盖(32)通过螺钉与调整盖(30)固定连接；圆盘状的连接件(29)中心处设有贯穿于其自身的轴，连接件(29)一侧轴端设有均匀排列的花键槽，另一侧轴端四周平滑，圆盘状的动摩擦盘(13)的轴端上设有一个花键槽，圆盘状的静摩擦盘(31)中心处镂空设有均匀排列的花键槽并与连接件(29)一侧轴端相对应，转角及转矩传感器(4)通过信号线分别与力感控制器(33)、超磁致伸缩棒控制器(34)连接，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(25)连接。

2.根据权利要求1所述的超磁致伸缩材料制得的力感反馈装置，其特征在于，所述卷簧总成(5)包括第一卷簧(10)和第二卷簧(11)，第一卷簧(10)和第二卷簧(11)按不同旋向固定连接在卷簧总成(5)的外圆筒上。

3.根据权利要求1所述的超磁致伸缩材料制得的力感反馈装置，其特征在于，所述左固定板(15)、左导磁板(16)、右导磁板(20)均设有通孔，通孔位于同一轴线上。

4.根据权利要求1所述的超磁致伸缩材料制得的力感反馈装置，其特征在于，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。

5.根据权利要求1所述的超磁致伸缩材料制得的力感反馈装置，其特征在于，所述左导向块(28)、右导向块(23)、超磁致伸缩棒(24)与连接件(29)位于同一轴线上。

6.一种如权利要求1-5任何一项所述的超磁致伸缩材料制得的力感反馈装置的使用方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：

步骤一、在驾驶模拟过程中转动方向盘(1)，卷簧总成(5)提供弹性力，转角及转矩传感器(4)检测方向盘(1)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，M_A＝QDsinβsinδ，M_Y＝F_Ye，其中，M_A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，M_Y为主销后倾引起的力矩，F_Y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，M_D＝B_s·θ+Q·f·sign(θ)，其中，B_s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)＝(M_A+M_Y)/i+(M_D-B_s·θ)/i+B_s·θ，其中，i为转向系统的传动比；由T_簧＝f(θ)＝(M_A+M_Y)/i，得出卷簧总成(5)提供的弹性力，动摩擦盘(13)与静摩擦盘(31)所需提供的阻尼力矩

其中，F为超磁致伸缩棒(24)所提供的动摩擦盘(13)与静摩擦盘(31)之间的压力，R为动摩擦盘(13)与静摩擦盘(31)的内筒半径，η为动摩擦盘(13)单位面积的压力，μ₀为动摩擦盘(13)与静摩擦盘(31)之间的摩擦系数，r为积分半径，0≤r≤R；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，A_r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，L_r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，E_s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，λ_s为超磁致伸缩棒(24)的饱和伸缩系数，σ_s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，M_s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，H_e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(25)的圈数，I是励磁线圈(25)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(25)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)和动摩擦盘(13)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转矩大小的比较完成反馈调节。