朱志強(qiáng)，柴媛欣，石晶

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一種汽車(chē)自動(dòng)駕駛用轉(zhuǎn)向裝置的研究*

朱志強(qiáng)，柴媛欣，石晶

（遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

設(shè)計(jì)一種汽車(chē)自動(dòng)駕駛用轉(zhuǎn)向裝置，采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接齒圈組件進(jìn)而驅(qū)動(dòng)方向盤(pán)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向，裝置通過(guò)四對(duì)固定爪與方向盤(pán)固定，可以通過(guò)調(diào)節(jié)適用于不同尺寸，不同形式的方向盤(pán)，可以適用于大部分車(chē)型。結(jié)果表明，這種汽車(chē)自動(dòng)駕駛用轉(zhuǎn)向裝置安裝在方向盤(pán)下，不影響駕駛員正常操作，方便設(shè)備的標(biāo)定，以及方便在設(shè)備研發(fā)階段某些突發(fā)情況下駕駛員可以直接接入，減少損失。

汽車(chē)自動(dòng)駕駛；轉(zhuǎn)向裝置；方向盤(pán)

前言

隨著科技的進(jìn)步，人們的生活質(zhì)量不斷提高，傳統(tǒng)汽車(chē)已無(wú)法滿足人們?nèi)粘３鲂械男枰詣?dòng)駕駛汽車(chē)是一種通過(guò)電腦系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛的智能汽車(chē)，具有安全性和便利性。因此自動(dòng)駕駛汽車(chē)成為汽車(chē)技術(shù)發(fā)展的熱門(mén)方向。

汽車(chē)自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，常見(jiàn)的轉(zhuǎn)向裝置，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)同步帶與方向盤(pán)，需要改裝原車(chē)結(jié)構(gòu)，拆除安全氣囊，且控制精度低，通用性差，與駕駛員空間上干涉[1]。本文設(shè)計(jì)一種汽車(chē)自動(dòng)駕駛用轉(zhuǎn)向裝置，齒圈套設(shè)置在方向盤(pán)下方；內(nèi)齒圈設(shè)置在所述齒圈套上，并可拆卸連接方向盤(pán)；驅(qū)動(dòng)齒輪與所述內(nèi)齒圈嚙合，并能夠帶動(dòng)所述內(nèi)齒圈旋轉(zhuǎn)；驅(qū)動(dòng)電機(jī)可拆卸連接所述齒圈套，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸連接所述驅(qū)動(dòng)齒輪，并帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)。本裝置采用齒圈組件連接方向盤(pán)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向，無(wú)需改變?cè)?chē)結(jié)構(gòu)，安裝方便[2]。

1 轉(zhuǎn)向裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，為汽車(chē)自動(dòng)駕駛用轉(zhuǎn)向裝置結(jié)構(gòu)示意圖，其中，100-方向盤(pán)，110-齒圈套，120-內(nèi)齒圈，130-驅(qū)動(dòng)齒輪，140-驅(qū)動(dòng)電機(jī)，150-固定爪[3]。齒圈套110設(shè)置在方向盤(pán)100下方；內(nèi)齒圈120設(shè)置在齒圈套110上，并通過(guò)固定爪150連接方向盤(pán)100；驅(qū)動(dòng)齒輪130與內(nèi)齒圈120嚙合，并能夠帶動(dòng)內(nèi)齒圈120旋轉(zhuǎn)；驅(qū)動(dòng)電機(jī)140通過(guò)螺栓連接齒圈套110，驅(qū)動(dòng)電機(jī)140輸出軸連接驅(qū)動(dòng)齒輪130，并帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)[4]。

圖1 轉(zhuǎn)向裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 齒圈套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，為齒圈套的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示，為齒圈套與內(nèi)齒圈的連接示意圖，其中，111-連接耳，112-固定輪[5]。

齒圈套110為環(huán)形，并具有多個(gè)連接耳111。固定輪112可旋轉(zhuǎn)支撐在連接耳111上，固定輪112具有V型環(huán)槽，內(nèi)齒圈110通過(guò)V型環(huán)槽連接齒圈套110，內(nèi)齒圈110能夠活動(dòng)卡接在固定輪112內(nèi)。

圖2 齒圈套結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 齒圈套與內(nèi)齒圈連接示意圖

3 固定爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖4所示，為固定爪的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，151-第一固定部，152-第二固定部，153-凹槽，154-第一連接部，155-第二連接部，161-固定桿，162-螺母。如圖5所示，為固定爪固定部的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，156-蝸桿，157-蝸輪，158-伺服電機(jī)。

圖4 固定爪結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 固定爪固定部結(jié)構(gòu)示意圖

內(nèi)齒圈120通過(guò)多個(gè)固定爪150連接方向盤(pán)100，固定爪150包括：固定端和連接端，固定端連接內(nèi)齒圈120，連接端連接固定端，并具有容置孔，用于容納方向盤(pán)輪緣。固定端包括：第一固定部151和第二固定部152，第一固定部151底部具有凹槽153，內(nèi)齒圈120能夠沿凹槽153滑動(dòng)；第二固定部152其滑動(dòng)設(shè)置在第一固定部151內(nèi)，并具有外齒，外齒能夠穿過(guò)凹槽153，并與內(nèi)齒圈120嚙合。

連接端包括：第一連接部154和第二連接部155，第一連接部154具有半圓形第一凹槽；第二連接部155其滑動(dòng)設(shè)置在固定端，并具有半圓形第二凹槽；其中，第一凹槽和第二凹槽能夠圍合成容置孔，用于容納方向盤(pán)輪緣。固定桿161連接第二連接部155，并能夠通過(guò)螺母162。

方向盤(pán)具有兩種轉(zhuǎn)動(dòng)模式：

自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)：調(diào)整第一固定部151和第二固定部152的距離，使第二固定部152的外齒與內(nèi)齒圈120的內(nèi)齒嚙合，固定端與內(nèi)齒圈120位置固定，內(nèi)齒圈120由驅(qū)動(dòng)電機(jī)140驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)方向盤(pán)100轉(zhuǎn)動(dòng)。

手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)：調(diào)整第一固定部151和第二固定部152的距離，使第二固定部152的外齒與內(nèi)齒圈120的內(nèi)齒分離，內(nèi)齒圈120固定不動(dòng)，方向盤(pán)100帶動(dòng)固定爪150沿內(nèi)齒圈120轉(zhuǎn)動(dòng)。

第二固定部152連接蝸桿156，蝸桿156與蝸輪157嚙合，蝸輪157由伺服電機(jī)158驅(qū)動(dòng)。還包括固定內(nèi)圈，其為圓形，并連接齒圈套110，伺服電機(jī)158固定在固定內(nèi)圈上。

4 連接桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖6所示，為連接桿的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，170-連接桿，171-吸盤(pán)。連接桿170，其與齒圈套110鉸接，連接桿170一端具有吸盤(pán)171，吸盤(pán)171能夠固定在汽車(chē)車(chē)窗上，從而將轉(zhuǎn)向裝置固定。

圖6 連接桿的結(jié)構(gòu)示意圖

5 轉(zhuǎn)向裝置的工作過(guò)程

汽車(chē)自動(dòng)駕駛用轉(zhuǎn)向裝置通過(guò)多個(gè)固定爪150固定在方向盤(pán)100下方，固定爪150選用4個(gè)，調(diào)整第一連接部154和第二連接部155的間距，以使方向盤(pán)100位于連接端的容置孔內(nèi)，調(diào)整第一連接部154和第二連接部155的間距，然后通過(guò)螺母固定，使固定爪150與方向盤(pán)100固定連接。

當(dāng)方向盤(pán)100為自動(dòng)轉(zhuǎn)向模式時(shí)，通過(guò)伺服電機(jī)158驅(qū)動(dòng)蝸輪157旋轉(zhuǎn)，調(diào)整第一固定部151和第二固定部152的距離，使第二固定部152的外齒與內(nèi)齒圈120的內(nèi)齒嚙合，固定端與內(nèi)齒圈120位置固定，內(nèi)齒圈120由驅(qū)動(dòng)電機(jī)140驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)方向盤(pán)100轉(zhuǎn)動(dòng)。

當(dāng)方向盤(pán)100為手動(dòng)轉(zhuǎn)向模式時(shí)，調(diào)整第一固定部151和第二固定部152的距離，使第二固定部152的外齒與內(nèi)齒圈120的內(nèi)齒分離，內(nèi)齒圈120固定不動(dòng)，方向盤(pán)100帶動(dòng)固定爪150沿內(nèi)齒圈120轉(zhuǎn)動(dòng)[6]。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的一種汽車(chē)自動(dòng)駕駛用轉(zhuǎn)向裝置，本裝置安裝在方向盤(pán)下，采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接齒圈組件進(jìn)而驅(qū)動(dòng)方向盤(pán)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向，能夠精準(zhǔn)控制轉(zhuǎn)向角度。裝置通過(guò)四對(duì)固定爪與方向盤(pán)固定，可以通過(guò)調(diào)節(jié)適用于不同尺寸，不同形式的方向盤(pán)，可以適用于大部分車(chē)型。整個(gè)裝置不改變?nèi)魏卧?chē)結(jié)構(gòu)，不拆除安全氣囊，安裝方便，行駛安全。

[1] 陳志鑫.汽車(chē)轉(zhuǎn)向技術(shù)的昨天,今天和明天[J].上海汽車(chē),1999（12）: 5-9.

[2] 左建令,吳浩.汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展及展望[J].上海汽車(chē),2005（1）: 37-40.

[3] 肖生發(fā),趙樹(shù)朋.汽車(chē)構(gòu)造[M].北京:中國(guó)林業(yè)出版社,2006.8.

[4] 趙海艷.雙方向盤(pán)轉(zhuǎn)向裝置的總體設(shè)計(jì)研究[J].重型汽車(chē),201（2）: 22-23.

[5] 王望予.汽車(chē)設(shè)計(jì)（第4版）[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[6] 臧杰,閻巖.汽車(chē)構(gòu)造:下冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

Research on a steering device for automobile automatic driving

Zhu Zhiqiang, Chai Yuanxin, Shi Jing

（Automobile & Traffic Engineering College, Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121000）

Design a steering device for automatic driving of automobiles, which uses a drive motor to connect the ring gear assembly to drive the steering wheel to drive the steering.The device is fixed to the steering wheel by four pairs of fixed claws.It can be adjusted to suit different sizes and different types of steering wheels, and can be applied to most models.The results show that the steering device for automatic driving of automobiles is installed under the steering wheel,which does not affect the normal operation of the driver, facilitates the calibration of the device, and facilitates direct access by the driver in certain emergency situations during the equipment development phase to reduce losses.

automatic driving of automobiles; steering device; steering wheel

A

1671-7988(2019)05-53-03

U462

A

1671-7988(2019)05-53-03

U462

朱志強(qiáng)（1982.3-）男，天津大學(xué)碩士，主要研究方向：機(jī)械CAD/CAM技術(shù)；汽車(chē)測(cè)試技術(shù)；車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與控制。*遼寧省教育廳高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目（編號(hào)JP2016002）資助。項(xiàng)目名稱(chēng)：汽車(chē)自動(dòng)駕駛機(jī)器人。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.015