[发明专利]超磁致伸缩材料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)，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)的另一端通过联轴器(3)与摩擦盘(6)连接，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支架(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；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，转角及转矩传感器(4)通过信号线分别与力感控制器(33)和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(23)连接。

2.根据权利要求1所述的超磁致伸缩材料力感反馈装置，其特征在于，所述转向柱轴承支座(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。

3.根据权利要求1所述的超磁致伸缩材料力感反馈装置，其特征在于，所述卷簧总成(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。

4.根据权利要求1所述的超磁致伸缩材料力感反馈装置，其特征在于，所述上导向块(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。

5.根据权利要求1所述的超磁致伸缩材料力感反馈装置，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。

6.根据权利要求1所述的超磁致伸缩材料力感反馈装置，其特征在于，所述调整盖(17)通过螺钉与外筒(20)连接，螺钉旋入的长度能够调节。

7.一种如权利要求1-6任何一项所述的超磁致伸缩材料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，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，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，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(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的大小的比较完成反馈调节。