一種汽車自動駕駛用轉向裝置的研究*

朱志強，柴媛欣，石晶

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一種汽車自動駕駛用轉向裝置的研究*

朱志強，柴媛欣，石晶

（遼寧工業大學 汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121000）

設計一種汽車自動駕駛用轉向裝置，采用驅動電機連接齒圈組件進而驅動方向盤驅動轉向，裝置通過四對固定爪與方向盤固定，可以通過調節適用于不同尺寸，不同形式的方向盤，可以適用于大部分車型。結果表明，這種汽車自動駕駛用轉向裝置安裝在方向盤下，不影響駕駛員正常操作，方便設備的標定，以及方便在設備研發階段某些突發情況下駕駛員可以直接接入，減少損失。

汽車自動駕駛；轉向裝置；方向盤

前言

隨著科技的進步，人們的生活質量不斷提高，傳統汽車已無法滿足人們日常出行的需要，而自動駕駛汽車是一種通過電腦系統實現無人駕駛的智能汽車，具有安全性和便利性。因此自動駕駛汽車成為汽車技術發展的熱門方向。

汽車自動駕駛領域，常見的轉向裝置，通過驅動電機通過同步帶與方向盤，需要改裝原車結構，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]。本文設計一種汽車自動駕駛用轉向裝置，齒圈套設置在方向盤下方；內齒圈設置在所述齒圈套上，并可拆卸連接方向盤；驅動齒輪與所述內齒圈嚙合，并能夠帶動所述內齒圈旋轉；驅動電機可拆卸連接所述齒圈套，所述驅動電機輸出軸連接所述驅動齒輪，并帶動其旋轉。本裝置采用齒圈組件連接方向盤驅動轉向，無需改變原車結構，安裝方便[2]。

1 轉向裝置結構設計

如圖1所示，為汽車自動駕駛用轉向裝置結構示意圖，其中，100-方向盤，110-齒圈套，120-內齒圈，130-驅動齒輪，140-驅動電機，150-固定爪[3]。齒圈套110設置在方向盤100下方；內齒圈120設置在齒圈套110上，并通過固定爪150連接方向盤100；驅動齒輪130與內齒圈120嚙合，并能夠帶動內齒圈120旋轉；驅動電機140通過螺栓連接齒圈套110，驅動電機140輸出軸連接驅動齒輪130，并帶動其旋轉[4]。

圖1 轉向裝置結構示意圖

2 齒圈套結構設計

如圖2所示，為齒圈套的結構示意圖，如圖3所示，為齒圈套與內齒圈的連接示意圖，其中，111-連接耳，112-固定輪[5]。

齒圈套110為環形，并具有多個連接耳111。固定輪112可旋轉支撐在連接耳111上，固定輪112具有V型環槽，內齒圈110通過V型環槽連接齒圈套110，內齒圈110能夠活動卡接在固定輪112內。

圖2 齒圈套結構示意圖

圖3 齒圈套與內齒圈連接示意圖

3 固定爪結構設計

如圖4所示，為固定爪的結構示意圖，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構示意圖，其中，156-蝸桿，157-蝸輪，158-伺服電機。

圖4 固定爪結構示意圖

圖5 固定爪固定部結構示意圖

內齒圈120通過多個固定爪150連接方向盤100，固定爪150包括：固定端和連接端，固定端連接內齒圈120，連接端連接固定端，并具有容置孔，用于容納方向盤輪緣。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，內齒圈120能夠沿凹槽153滑動；第二固定部152其滑動設置在第一固定部151內，并具有外齒，外齒能夠穿過凹槽153，并與內齒圈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其滑動設置在固定端，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，用于容納方向盤輪緣。固定桿161連接第二連接部155，并能夠通過螺母162。

方向盤具有兩種轉動模式：

自動轉動：調整第一固定部151和第二固定部152的距離，使第二固定部152的外齒與內齒圈120的內齒嚙合，固定端與內齒圈120位置固定，內齒圈120由驅動電機140驅動旋轉，從而帶動方向盤100轉動。

手動轉動：調整第一固定部151和第二固定部152的距離，使第二固定部152的外齒與內齒圈120的內齒分離，內齒圈120固定不動，方向盤100帶動固定爪150沿內齒圈120轉動。

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158驅動。還包括固定內圈，其為圓形，并連接齒圈套110，伺服電機158固定在固定內圈上。

4 連接桿結構設計

如圖6所示，為連接桿的結構示意圖，其中，170-連接桿，171-吸盤。連接桿170，其與齒圈套110鉸接，連接桿170一端具有吸盤171，吸盤171能夠固定在汽車車窗上，從而將轉向裝置固定。

圖6 連接桿的結構示意圖

5 轉向裝置的工作過程

汽車自動駕駛用轉向裝置通過多個固定爪150固定在方向盤100下方，固定爪150選用4個，調整第一連接部154和第二連接部155的間距，以使方向盤100位于連接端的容置孔內，調整第一連接部154和第二連接部155的間距，然后通過螺母固定，使固定爪150與方向盤100固定連接。

當方向盤100為自動轉向模式時，通過伺服電機158驅動蝸輪157旋轉，調整第一固定部151和第二固定部152的距離，使第二固定部152的外齒與內齒圈120的內齒嚙合，固定端與內齒圈120位置固定，內齒圈120由驅動電機140驅動旋轉，從而帶動方向盤100轉動。

當方向盤100為手動轉向模式時，調整第一固定部151和第二固定部152的距離，使第二固定部152的外齒與內齒圈120的內齒分離，內齒圈120固定不動，方向盤100帶動固定爪150沿內齒圈120轉動[6]。

6 結論

本文設計的一種汽車自動駕駛用轉向裝置，本裝置安裝在方向盤下，采用驅動電機連接齒圈組件進而驅動方向盤驅動轉向，能夠精準控制轉向角度。裝置通過四對固定爪與方向盤固定，可以通過調節適用于不同尺寸，不同形式的方向盤，可以適用于大部分車型。整個裝置不改變任何原車結構，不拆除安全氣囊，安裝方便，行駛安全。

[1] 陳志鑫.汽車轉向技術的昨天,今天和明天[J].上海汽車,1999（12）: 5-9.

[2] 左建令,吳浩.汽車轉向系統的發展及展望[J].上海汽車,2005（1）: 37-40.

[3] 肖生發,趙樹朋.汽車構造[M].北京:中國林業出版社,2006.8.

[4] 趙海艷.雙方向盤轉向裝置的總體設計研究[J].重型汽車,201（2）: 22-23.

[5] 王望予.汽車設計（第4版）[M].北京:機械工業出版社,2006.

[6] 臧杰,閻巖.汽車構造:下冊[M].北京:機械工業出版社,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（1982.3-）男，天津大學碩士，主要研究方向：機械CAD/CAM技術；汽車測試技術；車輛系統動力學與控制。*遼寧省教育廳高等學校科學技術項目（編號JP2016002）資助。項目名稱：汽車自動駕駛機器人。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.015