一种汽车自动驾驶用转向装置的研究*

朱志强，柴媛欣，石晶



一种汽车自动驾驶用转向装置的研究*

朱志强，柴媛欣，石晶

（辽宁工业大学 汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121000）

设计一种汽车自动驾驶用转向装置，采用驱动电机连接齿圈组件进而驱动方向盘驱动转向，装置通过四对固定爪与方向盘固定，可以通过调节适用于不同尺寸，不同形式的方向盘，可以适用于大部分车型。结果表明，这种汽车自动驾驶用转向装置安装在方向盘下，不影响驾驶员正常操作，方便设备的标定，以及方便在设备研发阶段某些突发情况下驾驶员可以直接接入，减少损失。

汽车自动驾驶；转向装置；方向盘

前言

随着科技的进步，人们的生活质量不断提高，传统汽车已无法满足人们日常出行的需要，而自动驾驶汽车是一种通过电脑系统实现无人驾驶的智能汽车，具有安全性和便利性。因此自动驾驶汽车成为汽车技术发展的热门方向。

汽车自动驾驶领域，常见的转向装置，通过驱动电机通过同步带与方向盘，需要改装原车结构，拆除安全气囊，且控制精度低，通用性差，与驾驶员空间上干涉[1]。本文设计一种汽车自动驾驶用转向装置，齿圈套设置在方向盘下方；内齿圈设置在所述齿圈套上，并可拆卸连接方向盘；驱动齿轮与所述内齿圈啮合，并能够带动所述内齿圈旋转；驱动电机可拆卸连接所述齿圈套，所述驱动电机输出轴连接所述驱动齿轮，并带动其旋转。本装置采用齿圈组件连接方向盘驱动转向，无需改变原车结构，安装方便[2]。

1 转向装置结构设计

如图1所示，为汽车自动驾驶用转向装置结构示意图，其中，100-方向盘，110-齿圈套，120-内齿圈，130-驱动齿轮，140-驱动电机，150-固定爪[3]。齿圈套110设置在方向盘100下方；内齿圈120设置在齿圈套110上，并通过固定爪150连接方向盘100；驱动齿轮130与内齿圈120啮合，并能够带动内齿圈120旋转；驱动电机140通过螺栓连接齿圈套110，驱动电机140输出轴连接驱动齿轮130，并带动其旋转[4]。

图1 转向装置结构示意图

2 齿圈套结构设计

如图2所示，为齿圈套的结构示意图，如图3所示，为齿圈套与内齿圈的连接示意图，其中，111-连接耳，112-固定轮[5]。

齿圈套110为环形，并具有多个连接耳111。固定轮112可旋转支撑在连接耳111上，固定轮112具有V型环槽，内齿圈110通过V型环槽连接齿圈套110，内齿圈110能够活动卡接在固定轮112内。

图2 齿圈套结构示意图

图3 齿圈套与内齿圈连接示意图

3 固定爪结构设计

如图4所示，为固定爪的结构示意图，其中，151-第一固定部，152-第二固定部，153-凹槽，154-第一连接部，155-第二连接部，161-固定杆，162-螺母。如图5所示，为固定爪固定部的结构示意图，其中，156-蜗杆，157-蜗轮，158-伺服电机。

图4 固定爪结构示意图

图5 固定爪固定部结构示意图

内齿圈120通过多个固定爪150连接方向盘100，固定爪150包括：固定端和连接端，固定端连接内齿圈120，连接端连接固定端，并具有容置孔，用于容纳方向盘轮缘。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，内齿圈120能够沿凹槽153滑动；第二固定部152其滑动设置在第一固定部151内，并具有外齿，外齿能够穿过凹槽153，并与内齿圈120啮合。

连接端包括：第一连接部154和第二连接部155，第一连接部154具有半圆形第一凹槽；第二连接部155其滑动设置在固定端，并具有半圆形第二凹槽；其中，第一凹槽和第二凹槽能够围合成容置孔，用于容纳方向盘轮缘。固定杆161连接第二连接部155，并能够通过螺母162。

方向盘具有两种转动模式：

自动转动：调整第一固定部151和第二固定部152的距离，使第二固定部152的外齿与内齿圈120的内齿啮合，固定端与内齿圈120位置固定，内齿圈120由驱动电机140驱动旋转，从而带动方向盘100转动。

手动转动：调整第一固定部151和第二固定部152的距离，使第二固定部152的外齿与内齿圈120的内齿分离，内齿圈120固定不动，方向盘100带动固定爪150沿内齿圈120转动。

第二固定部152连接蜗杆156，蜗杆156与蜗轮157啮合，蜗轮157由伺服电机158驱动。还包括固定内圈，其为圆形，并连接齿圈套110，伺服电机158固定在固定内圈上。

4 连接杆结构设计

如图6所示，为连接杆的结构示意图，其中，170-连接杆，171-吸盘。连接杆170，其与齿圈套110铰接，连接杆170一端具有吸盘171，吸盘171能够固定在汽车车窗上，从而将转向装置固定。

图6 连接杆的结构示意图

5 转向装置的工作过程

汽车自动驾驶用转向装置通过多个固定爪150固定在方向盘100下方，固定爪150选用4个，调整第一连接部154和第二连接部155的间距，以使方向盘100位于连接端的容置孔内，调整第一连接部154和第二连接部155的间距，然后通过螺母固定，使固定爪150与方向盘100固定连接。

当方向盘100为自动转向模式时，通过伺服电机158驱动蜗轮157旋转，调整第一固定部151和第二固定部152的距离，使第二固定部152的外齿与内齿圈120的内齿啮合，固定端与内齿圈120位置固定，内齿圈120由驱动电机140驱动旋转，从而带动方向盘100转动。

当方向盘100为手动转向模式时，调整第一固定部151和第二固定部152的距离，使第二固定部152的外齿与内齿圈120的内齿分离，内齿圈120固定不动，方向盘100带动固定爪150沿内齿圈120转动[6]。

6 结论

本文设计的一种汽车自动驾驶用转向装置，本装置安装在方向盘下，采用驱动电机连接齿圈组件进而驱动方向盘驱动转向，能够精准控制转向角度。装置通过四对固定爪与方向盘固定，可以通过调节适用于不同尺寸，不同形式的方向盘，可以适用于大部分车型。整个装置不改变任何原车结构，不拆除安全气囊，安装方便，行驶安全。

[1] 陈志鑫.汽车转向技术的昨天,今天和明天[J].上海汽车,1999（12）: 5-9.

[2] 左建令,吴浩.汽车转向系统的发展及展望[J].上海汽车,2005（1）: 37-40.

[3] 肖生发,赵树朋.汽车构造[M].北京:中国林业出版社,2006.8.

[4] 赵海艳.双方向盘转向装置的总体设计研究[J].重型汽车,201（2）: 22-23.

[5] 王望予.汽车设计（第4版）[M].北京:机械工业出版社,2006.

[6] 臧杰,阎岩.汽车构造:下册[M].北京:机械工业出版社,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

朱志强（1982.3-）男，天津大学硕士，主要研究方向：机械CAD/CAM技术；汽车测试技术；车辆系统动力学与控制。*辽宁省教育厅高等学校科学技术项目（编号JP2016002）资助。项目名称：汽车自动驾驶机器人。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.015