СИСТЕМА РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
VEHICLE STEERING SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к области транспортной техники и может быть использовано при создании рулевых систем автоматизированной и роботизированной транспортной техники и летательных аппаратов, а также дистанционно-управляемых силовых поворотных механизмов стационарных устройств.
Система рулевого управления транспортного средства, содержащая рулевое колесо, два гидроцилиндра с силовыми поршнями, гидронасос, емкость с рабочей жидкостью, соединенная с гидронасосом, золотник-гидропереключатель, гидравлически соединенный с гидронасосом, гидроцилиндрами и емкостью для рабочей жидкости, электродвигатель, соединенный с гидронасосом, устройство передачи силы от гидроцилиндров к осям колес транспортного средства [Автомобиль Урал-532301 и его модификации. Руководство по эксплуатации 53231 - 3902035 РЭ (издание первое). ОАО «Автомобильный завод «Урал». Миасс, УралАЗ, 2002. 233 с.].
В известном рулевом механизме поворот колес осуществляется силовым поворотом рулевого колеса, при котором создается повышенное давление в гидравлической системе рулевой колонки в одну из сторон поворота, которое путем гидроусиления создает необходимый поворотный момент на выходной сошке рулевой колонки.
При поворотах рулевого колеса сошка поворачивается вправо-влево на 30-40 град, угловых. К концу сошки соединена возвратно-поступательно перемещаемая штанга в направлениях поворачиваемых колес. На концах штанги слева и справа симметрично расположены поворотные кулисы, жестко связанные с штангой и с рычагами колесных стоек, соединенных с корпусом транспортного средства шаровыми опорами и свободно поворачиваемых в горизонтальной плоскости. Для преобразования горизонтального поворотного момента сошки рулевой колонки в возвратно поступательное перемещение штанги, а затем в симметричный поворотный момент рычагов колесных стоек и соответственно колесных осей, для прочности устройства и точности передачи поворотного момента от сошки к колесным осям система штанг, кулис и рычагов соединены в трапецию с изменяющимся пространственным положением. Передача поворотного момента от сошки рулевой колонки к колесным осям осуществляется преобразованием через поступательно возвратное движение в устройстве передачи движения.
Силовое поворотное воздействие на колеса в сравнении с силовым воздействием на рулевое колесо усиливается за счет соотношения площадей в гидросистеме и соотношения длин рычагов в механическом устройстве рулевого механизма, тем не менее в известной системе рулевое управление осуществляется приложением силы на рулевое колесо.
Недостатком известной системы рулевого управления является необходимость первичного механического силового воздействия на рулевое колесо, которое затем усиливается гидроусилителем и рычажными устройствами. Автоматизация известного рулевого механизма, соединение его с электронными системами управления для беспилотного управления транспортными средствами требует разработки дополнительных устройств перевода механической силы управления в электрические управляющие сигналы, то есть создания буферного устройства электропривода.
Техническое решение предполагаемого изобретения направлено на создание рулевого механизма, управляемого вручную или автоматически электрическими сигналами без применения механической силы.
Техническое решение достигается тем что система рулевого управления транспортного средства, содержащая рулевое колесо, два гидроцилиндра с силовыми поршнями, гидронасос, емкость с рабочей жидкостью, соединенная с гидронасосом, золотник-гидропереключатель, гидравлически соединенный с гидронасосом, гидроцилиндрами и емкостью для рабочей жидкости, электродвигатель, соединенный с гидронасосом, устройство передачи силы от гидроцилиндров к осям колес транспортного средства, при этом гидроцилиндры выполнены в виде силовой гидросистемы в едином корпусе, содержат поршни с силовыми водилами, гидроуплотнители на выходе водил из цилиндров, гидрошунты, соединяющие разделенные поршнями объемы гидроцилиндров и имеющие дифференциальные по давлению клапаны, входные гидропроводы с электромагнитными клапанами на запирание, и соединены гидравлически выходными объемами, а также соединены входными объемами посредством электромагнитного на отпирание дифференциального двунаправленного клапана, и магнитоуправляемые герконы средних положений поршней и водил с двумя парами нормально разомкнутых контактов каждый (контакты на корпусе, магниты на водилах),
при этом золотник-гидропереключатель выполнен осесимметричной формы с цилиндрическим поршнем с двумя секторными каналами на боковой поверхности и корпусом с четырьмя гидропроводами, соединяющими золотник-гидропереключатель с емкостью для рабочей жидкости, с гидронасосом и с входами гидроцилиндров,
при этом емкость для рабочей жидкости содержит аварийный клапан и выпускной дифференциальный клапан,
при этом гидронасос имеет второй выход, соединенный обратным гидропроводом с емкостью для рабочей жидкости, на котором содержит электромагнитный дифференциальный клапан на отпирание с регулируемым гидросопротивлением,
при этом электродвигатель выполнен по типу с питанием постоянным током, с параллельным возбуждением, с балластным резистором,
при этом рулевое колесо выполнено с неподвижным основанием и с поворотным колесом и содержит три магнитоуправляемых геркона положения поворотного колеса и колес транспортного средства: «движение прямо», «поворот направо», «поворот налево» с двумя парами нормально разомкнутых контактов каждый, потенциометр со средней точкой, расположенный на основании и с ползунком на поворотном колесе, соединяемый в цепь обмотки возбуждения электродвигателя последовательно с контактами герконов положения рулевого колеса, нажимной электрический контакт управления электромагнитными клапанами и фиксации положения водил гидроцилиндров и колес транспортного средства, механический фиксатор положения рулевого поворотного колеса на любом угле поворота и возвратный механизм поворотного колеса в положение «движение прямо»,
и дополнительно содержит
зубчатую реечно-колесную пару, закрепленную колесом к поршню золотника-гидропереключателя,
тяговое реле с тремя обмотками и одним сердечником, соединенным с рейкой зубчатой пары,
три реле включения с нормально разомкнутыми контактами, соединенными последовательно в цепи питания трех обмоток тягового реле, и с обмотками, соединенными последовательно с контактами герконов положения рулевого колеса,
три геркона положения сердечника тягового реле с нормально замкнутыми контактами, соединенными в цепи питания реле включения обмоток тягового реле, при этом геркон среднего положения дополнительно содержит нормально замкнутые контакты, соединенные в цепь питания обмотки возбуждения электродвигателя, нормально замкнутые контакты, соединенные в цепь включения балластного резистора, нормально замкнутые контакты, соединенные в цепь питания обмотки электромагнитного клапана гидронасоса и нормально разомкнутые контакты, соединенные в цепь питания обмотки реле возврата,
реле возврата поршней и водил в среднее положение, а колес транспортного средства в положение «прямо», содержащее нормально замкнутые контакты, соединенные в цепь питания реле включения средней обмотки тягового реле, нормально разомкнутые контакты, соединенные в цепь питания правой и левой обмоток тягового реле через нормально разомкнутые контакты герконов соответственно левого и правого водил гидроцилиндров, нормально разомкнутые контакты самоудержания, соединенные последовательно в цепь питания собственной обмотки параллельно с нормально разомкнутыми контактами геркона среднего положения тягового реле и последовательно с параллельно соединенными контактами герконов среднего положения водил гидроцилиндров,
а также реле включения электромагнитных клапанов, содержащее нормально разомкнутые контакты, соединенные в цепь питания электромагнитных клапанов на входах гидроцилиндров и между цилиндрами и нормально замкнутые контакты, соединенные в цепь питания электромагнитного клапана электродвигателя параллельно с контактами геркона среднего положения тягового реле,
при этом водила гидросистемы соединены с устройством передачи силы от гидроцилиндров к осям колес транспортного средства.
На чертеже приведена функциональная схема системы рулевого управления транспортного средства.
Система рулевого управления транспортного средства (далее - система) содержит
рулевое колесо 61,
силовую гидросистему с двумя объединенными гидроцилиндрами 22, 23 с поршнями 24, 27 соответственно и силовыми дифференциально линейно перемещающимися водилами 5, 8,
устройство 6 передачи силы от гидроцилиндров 22, 23 к осям 2, 11 колес 1, 12 транспортного средства, преобразующее линейную силу водил 5, 8 в поворотный момент осей 2, 11 передних колес 1, 12 в комплексе с рулевой трапецией, содержащейся в этом устройстве 6. (далее - «устройство преобразования силы»),
гидронасос 38,
емкость 41 с рабочей жидкостью (далее - емкость), соединенную с гидронасосом 38прямым 47 и обратным 37 гидропроводами,
золотник-гидропереключатель 60 (далее - золотник)переключения гидронасоса 38 и емкости 41 к гидроцилиндрам 22, 23 силовой гидросистемы 7,
четыре гидропровода 48, 49,50, 52, соединяющих золотник 60 с гидронасосом 38, с входами 28, 31 гидроцилиндров 22, 23 и с емкостью 41 для рабочей жидкости,
тяговое реле К6 с магнитным сердечником 54, тремя электрическими обмотками L5, L6, L7 и тремя магнитоуправляемыми герконами К3, К4, К5 положения сердечника 54 с нормально замкнутыми контактами К3.1, К3.2, К4.1, К4.2, К4.3, К4.4, К4.5, К5.1, К5.2 предназначено для переключения золотника 60 по трем положениям (здесь и далее под понятием «геркон» подразумевается герконовое реле с одной и более парами контактов, в данной системе управляемые постоянными магнитами),
три реле включения К7, К8, К9 обмоток L5, L6, L7 тягового реле К6, в цепи питания которых соединены контакты К3.1, К4.1, К5.1 герконов К3, К4, К5 положения сердечника 54,
колесно-реечную пару 55, 56, соединенную колесом 56 с поршнем53 золотника 60, а рейкой 55 - с сердечником 54 тягового реле К6,
электродвигатель 43 постоянного тока с параллельным возбуждением с обмоткой L5 ОВ, механически соединенный валом через муфту 44 с валом 45 гидронасоса 38,
электромагнитные клапаны 32 L1, 36 L2 (нормально открытые) на входах 28, 31 гидроцилиндров 22, 23, электромагнитный дифференциальный клапан 40 L4 (нормально закрытый) на обратном гидропроводе 37 насоса 38, электромагнитный (на отпирание) дифференциальный двунаправленный клапан 34 L3 между входными объемами «Л» и «П» гидроцилиндров 22, 23 и дифференциальные клапаны 29, 30, 39, 42, 46 для управления гидропотоками в гидропроводах и гидроцилиндрах (Прим.: дифференциальный клапан - клапан закрывающий или открывающий канал под действием разности давлений и направления потока жидкости),
реле управления К14 электромагнитными клапанами 32 L1, 36 L2, 40 L4, 34 L3 контактами К14.1, К14.4, К14.2, К14.3 соответственно и с нормально замкнутыми контактами К14.5, соединеннымипоследовательно с контактами К4.5 параллельно балластному резистору R1, предназначенное для фиксации угла поворота рулевого поворотного колеса 61 колес 1,12,
реле возврата К13 колес 1, 12 в положение «движения прямо».
Гидронасос 38 выполнен в гидрообъемном варианте для обеспечения высоких давлений в гидросистеме и содержит впускной дифференциальный клапан 46 в трубопроводе 47 от емкости 41 и электромагнитный клапан 40 избыточного давления в обратном трубопроводе 37 из насоса 43 в емкость 41, срабатывающий под действием избыточного давления и управляемый магнитным полем электрической обмотки L4. Емкость 41 для рабочей жидкости содержит атмосферный клапан 39 и впускной клапан 42 для обратного потока жидкости из золотника 60.
Золотник 60 содержит корпус 59 и поворотно-подвижный поршень 53, который содержит два секторных канала 51, 58 на одной окружности поршня 53. Короткий канал 51 высокого давления соединяет гидропровод 50 насоса 38 поочередно с входными гидропроводами 52, 49 цилиндров 22, 23 силовой гидросистемы 7, расположенными на корпусе 59 по обе стороны под углом 45° от него. Длинный канал 58 низкого давления в секторе 225° соединяет поочередно входные гидропроводы 52, 49 цилиндров 22, 23 сосливным гидропроводом 48, соединенным к корпусу 59 золотника 60 диаметрально противоположно насосному гидропроводу 50. Поршень 53 золотника 60 имеет три рабочих положения: 1) гидропровод 50 от насоса 38 соединен коротким каналом 51 с гидропроводом 49 правого гидроцилиндра 23, а гидропровод 52 от левого гидроцилиндра 22 соединен длинным каналом 58 с гидропроводом 48 к емкости 41; 2) насос 38 соединен коротким каналом 51 поршня 53 золотника 60 с левым гидроцилиндром 22, а правый гидроцилиндр 23 соединен длинным каналом поршня 53 с емкостью 41; 3) среднее положение поршня 53 между первыми двумя положениями по углу, при котором все трубопроводы заглушаются поверхностью поршня 53, разделены друг от друга и не сообщаются через секторные каналы 51, 58 поршня 53 золотника 60. Эти три положения поршня 53 золотника 60 обеспечиваются поворотом зубчатого колеса 56 золотника 60 рейкой 55 на 90° через 45°. Угол между гидропроводами 52, 49 и соответственно углы секторных каналов 51, 58 поршня 53 могут иметь и другие значения. Предельные значения углов определяются соотношением размеров сечения гидропроводов диаметра поршня золотника. По отмеченным положениям поршень золотника переключается с помощью тягового реле К6 посредством реечной передачи 55, 56 и штока 57.
Тяговое реле К6 посредством золотника 60 переключает гидронасос 43 и емкость 41 к входам 28, 31 гидроцилиндров 22, 23.
Зубчатая рейка 55 приводится в действие тяговым реле К6, имеющим три отдельные обмотки L5, L6, L7, и один магнитный сердечник 54. Положение сердечника 54 устанавливается магнитным полем одной из включенных обмоток и фиксируется механическими устройствами, например парой ««шарик-пружинка-лунка», после чего ток обмотки выключается контактами собственного реле. После отключения обмотки положение сердечника 54 устойчиво сохраняется фиксатором, имеющимся под каждой обмоткой L5, L6, L7 тягового реле К6. Датчиками положения сердечника 54 являются герконы К3, К4, К5 с нормально замкнутыми контактами К3.1, К4.1, К5.1, через которые подается ток на обмотки реле включения К7, К8, К9 обмоток L5, L6, L7 тягового реле К6. Конструкционно герконы К3, К4, К5 располагаются на внутреннем каркасе обмоток L5, L6, L7 тягового реле К6. Токи на реле включения подаются герконами рулевого колеса. Например, при среднем положении рулевого поворотного колеса 61 через контакты К12.1 геркона К12 подается ток на реле включения К8, который замыкает контакты К8.1 и подает ток обмотку L6 тягового реле К6. Магнитное поле этой обмотки втягивает сердечник 54 в середину реле под обмотку L6, который посредством штока 57 и реечной передачи 55, 56 устанавливает поршень 53 золотника 60 в среднее положение. В этом положении локальный постоянный управляющий магнит на сердечнике 54 вводит в действие геркон положения К4, который размыкает свои контакты К;4.1, соединенные в цепь питания реле включения К8 данной обмотки. Ток обмотки L6 отключается, а положение сердечника 54 закрепляется фиксатором. Аналогичным образом включаются в действие другие обмотки L6, L7 тягового реле К6, золотник 60 при этом переключает подачу рабочей жидкости в гидросистему 7 и ее слив в емкость 41. Для разъединения действия на герконы в тяговом реле К6 одновременно управляющего локального магнита (на рисунке не показан) на сердечнике 54, продольных полей обмотки и сердечника, для большей надежности герконы могут быть расположены вне тягового реле К6 на золотнике 60, а управляющий магнит на рейке 55.
Силовая гидросистема 7 имеет симметричную конструкцию и содержит два гидроцилиндра 22, 23 с поршнями 24, 27 и силовыми водилами 5, 8, соединенными к механизму 6 преобразования силы водил в поворотные моменты сил колес 1, 12 транспортного средства, три отдельных гидрообъема: два входных объема цилиндров (левого «Л» и правого «П») и объем высокого давления «В» соединенных цилиндровых запоршневых объемов с водилами. Гидросистема содержит два гидрошунта 25, 26, соединяющих входные объемы «Л» и «П» с объединенным запоршневым объемом «В» и имеющих однонаправленные дифференциальные на отпирание по давлению клапаны 29, 30, два входа 28, 31 в цилиндры 22, 23, два электромагнитных клапана 32 L1, 36 L2, соединенных к входам 28, 31 цилиндров 22, 23 и к гидропроводам 52, 49, идущим к золотнику 60, электромагнитный на отпирание дифференциальный двунаправленный клапан 34 L3, установленный между входными объемами «Л» и «П» цилиндров 22, 23, два уплотнителя 20, 21 по высокому давлению на выходах водил 5, 8 из цилиндров 22, 23 в соединениях «водило-корпус», а также корпус 7 для крепления к несущей раме или к корпусу транспортного средства, два магнитоуправляемых геркона К1, К2 с двумя парами нормально разомкнутых контактов (магнит на водиле 5, 8, контакты герконов на корпусе 7 (гидросистемы). Магнитоуправляемые герконы К1, К2 устанавливаются так, что в среднем симметричном положении поршней 24, 27 и соответственно крепежных концов водил 5, 8 и устройство 6 передачи силы в состоянии движения транспортного средства «прямо», их контакты нормально разомкнуты. При повороте поршни 24, 27 в гидроцилиндрах 22, 23 уходят из среднего положения. Поршень цилиндра стороны поворота втягивает водило в цилиндр, и геркон этой стороны замыкается, а противоположный остается в нормально разомкнутом состоянии. Оба геркона разомкнуты только при движении в прямом направлении. Поршни цилиндров при этом находятся в средних положениях. Дифференциальные клапаны 29 30 в гидрошунтах 25, 26 открываются только в направлении от входного пространства цилиндров к пространству «В» (высокого давления), объединенное для обоих цилиндров и поддерживают в нем предельно высокое давление, создаваемое во входных объемах. Рабочая жидкость в объеме «В» передает силу перемещаемого насосом поршня одного цилиндра поршню другого цилиндра. При этом создается симметричная дифференциальная (в противоположных направлениях) пара равных сил на водилах 5, 8, выполняющих работу по повороту колес 1, 12 и по выдавливанию рабочей жидкости из другого цилиндра.
Электромагнитные клапаны 32 L1, 36 L2 на входах 28, 31 цилиндров 22, 23 служат для стабилизации положений поршней 24, 27 для обеспечения постоянства заданного угла поворота колес 1, 12. При их (клапанов) закрывании рабочая жидкость замыкается в цилиндре. Одновременно с запиранием входов 28, 31 цилиндров 22, 23 открывается электромагнитный клапан 34 L3, разделяющий пространства «Л» и «П», что приводит к выравниванию давлений во входных пространствах «Л» и «П» цилиндров 22, 23, установлению силового равновесия в гидросистеме и стабилизации положений водил 5, 8, а соответственно положения поворота колес 1, 12. Давление в объеме «В» всегда равно наибольшему давлению, создаваемым в насосом в гидросистеме в реальном масштабе времени. Давление во объединенных клапаном входных пространствах после закрытия входных клапанов равно или меньше половины давления в объеме «В».
Устройство 6 передачи силы водил 5, 8, преобразующее линейную силу водил 5, 8 содержит рулевую трапеции и систему рычагов. Преобразование линейной силы водил и соответственно устройства 6 в поворотный момент колес 1, 12 транспортного средства осуществляется последовательно тягами 14, 18, рычагами 13, 18 и осями 2, 11, установленными на подвесках 4, 9 со свободным вращением на шкворнях 3, 10.
Рулевое колесо 67 содержит поворотное колесо 61 с магнитом управления 63 герконами и с двумя электрическими контактами (ползунками)65, 66, соединенными друг с другом и контактирующими с потенциометром и с токопроводящим электродом 64, неподвижное основание 62 с тремя парами герконов К10, К11, К12 положения поворотного колеса 61 («прямо», «налево», «направо»), управляемыми магнитом 63, и вспомогательные механические устройства. На основании расположены также дуговой потенциометр (реостат) R2 с автономными половинками R2Л и R2П с оконечными выводами «В» и «С» и со средней точкой «А», кольцевой электрод 64 с контактной поверхностью, соединенный с бортовой сетью, и нажимной нормально разомкнутый контакт S2, соединенный с обмоткой реле включения К14 электромагнитных клапанов 32 L1, 34 L3, 36 L2, 37 L4. При повороте поворотного колеса 61 его контакты (ползунки) 61 и 66 скользят соответственно по потенциометру R2 и по электроду 64. При этом ползунок 65 потенциометра R2 оказывается постоянно соединенной со средней точка потенциометра и соответственно с бортовой сетью. Скользящий контакт 66 с электродом 64 могут быть заменены свободно перемещаемым гибким проводником.
Рулевое колесо содержит механическое устройство фиксации угла поворота и возвратные пружины в нулевое положение (на рисунке не приведены).
Одни контакты (нормально разомкнутые) К10.1, К11.1, К12.1 герконов положения К10, К11, К12 поворотного колеса 61 («прямо», «налево», «направо») (расположены внутри реле К10, К11, К12) и соединены в цепи питания обмоток реле включения К7, К8, К9, контакты которых подают питание на обмотки L5, L6, L7 тягового реле К6. Контакты К11.2 предназначены для связи с цифровыми устройствами, на рисунке не показаны (как и контакты К11.1).
Другие пары нормально разомкнутых контактов К10.2, К12.2 герконов К10 и К12 положений поворотного колеса («налево», «направо») соединены между крайними контактами «В» и «С» потенциометрами обмоткой возбуждения L5 ОВ электродвигателя 43. Потенциометр R2 с переменным сопротивлением позволяет изменять ток возбуждения и соответственно частоту оборотов и момент вращения электродвигателя 43.
Для возврата колес 1, 12 транспортного средства из состояния поворота в положение «прямо» система рулевого управления содержит реле возврата К13, которое срабатывает при возврате рулевого поворотного колеса в положение «прямо» из любого состояния поворота и возвращает с помощью герконов К1, К2 гидроцилиндров 22, 23 сердечник 54 тягового реле К6 в среднее положение (движения «прямо»).
Реле возврата К13 поршней 22, 23, и водил 5, 8 в среднее положение, а колес 1, 12 транспортного средства в положение «прямо» содержит нормально замкнутые контакты К13.3, соединенные в цепь питания реле включения К8 средней обмотки L6 тягового реле К6, нормально разомкнутые контакты К13.2, соединенные в цепи питания левой L5 и правой L7 обмоток тягового реле К6 через нормально разомкнутые контакты герконов К2 и К1 соответственно правого 8 и левого 5 водил гидроцилиндров 23, 22, а также нормально разомкнутые контакты К13.1 самоудержания, соединенные последовательно в цепь питания собственной обмотки К13 параллельно с нормально разомкнутыми контактами К4.3 геркона К4 среднего положения тягового реле К6 и последовательно с параллельно соединенными контактами К1.1, К2.2 герконов К1, К2 среднего положения водил 5, 8 гидроцилиндров 22, 23.
Механизм преобразования линейной силы водил в силы поворотных моментов колес может быть выполнен на базе известных технических решений преобразования направления действия силы сошки рулевой колонки. В предполагаемом изобретении силовая гидросистема развивает две равные по величине и противоположно направленные в любой момент времени силы на водилах, изменяющиеся по направлениям в зависимости от направления поворота. Механизм преобразования формирует дифференциальные силы водил в равные в любой момент времени силы поворота осей колес.
В рассматриваемой конструкции рулевого управления силовое воздействие на исполнительный механизм системы рулевого управления (на рулевую трапецию) может осуществляться в разных вариантах. Наиболее простым является соединение водилы одного гидроцилиндра со штангой рулевой трапеции. В сравнении с поворотно-силовым воздействием сошки на линейно перемещающуюся штангу линейное действие водилы предлагаемой гидросистемы предпочтительнее. В соединении «сошка-штанга» поворотное движение преобразуется в линейное, а в соединении «водило-штанга» возвратно-поступательное линейное движение водилы передается непосредственно штанге трапеции. В такой конструкции передаточный механизм системы рулевого управления остается полностью неизменным. При этом конструкционных излишков в гидросистеме не оказывается, так как гидросистема работает как единый составной гидроцилиндр, а водило второго гидроцилиндра будет играть роль датчика. Затраты энергии электродвигателя и гидронасоса полностью реализуются на водиле одного используемого гидроцилиндра.
Так как рулевая трапеция предназначена на симметричное силовое воздействие на оси правого и левого колес посредством жесткой штанги, то конструкционно можно соединять водилы цилиндров к левой и правой сторонам трапеции с обеспечением общего центра поворотов колес. На рисунке устройство распределения сил и моментов на колеса приведено без детализации под единой позицией 6, так как является исходной конструкцией транспортного средства. Механизм 6 содержит поперечную штангу, связанную с тягами 14, 18, перемещаемыми штангой через шарнирно-подвижные элементы рулевой трапеции налево или направо. Оси 2, 11 передних колес 1, 12 установлены на передних подвесках 4, 9 с помощью вертикальных шкворней 3, 10 и свободно поворачиваются в горизонтальной плоскости. К осям 2, 11 жестко закреплены рычаги 13, 19. При однонаправленном (например, налево при повороте направо) силовом воздействии тяг 14, 18 на рычаги 13, 19, оси 2, 11 поворачиваются в горизонтальной плоскости как радиусы с центром на вертикальных шкворнях 3, 10 в подвесках 4, 9. При этом из-за подвижности элементов трапеции относительно друг друга оси 2, 11 колес 4, 10 поворачиваются, оставаясь каждая в направлении радиуса поворота относительно общего центра движения по окружности поворота машины. Из-за разных радиусов движения колес 1, 12 их оси 2, 11 относительно корпуса 7 поворачиваются тягами 14, 18 на разные углы. Ось 11 колеса 12 стороны поворота поворачивается относительно корпуса машины 6 на больший угол. Это достигается преобразованием дифференциальной силы водил 5, 8 рулевой трапецией механизма 6 преобразования силы.
Система рулевого управления транспортного средства работает следующим образом (далее - система). Она используется в четырех основных режимах работы автомобиля: стояние на месте, движение прямо, повороты направо и налево при движении и при стоянии. При поворотах налево и направо имеются три режима: поворот автомобиля с увеличивающимся углом поворота колес 1, 12 (с уменьшающимся радиусом поворота), поворот с постоянным радиусом поворота, и возврат к режиму движения «прямо» или поворот с увеличивающимся радиусом поворота (уменьшающимся углом) Эти режимы осуществляются при трех положениях поршня 53 золотника 60, соответственно при трех статических состояниях тягового реле К6 и при разных положениях ползунка 65 потенциометра R2 на рулевом колесе 67. Поворотное колесо 61 при управлении имеет три положения: «прямо», «налево», «направо». Рулевое колесо при повороте (в любую сторону) движется с увеличением угла, с уменьшением угла, а может быть зафиксировано при постоянном угле. При управлении движением автомобиля имеет значение и скорость изменения угла поворота рулевого колеса. Гидравлическая, электрическая, магнитная и механическая подсистемы устройства рулевого управления обеспечивают все режимы управления движением транспортного средства, подготовки к движению и завершения движения.
Рассмотрим основные режимы работы системы рулевого управления. Система подключается к бортовой сети выключателем питания S0.
Пусть рулевое поворотное колесо 61 до включения находилось в положении «прямо» (в нулевом положении), тогда тяговое реле К6 и золотник 60 находятся тоже в средних положениях («прямо»). Поршень 53 золотника находится в среднем положении - гидропроводы 52, 50, 49, 48 не сообщаются с каналами 51, 58 и заглушены поверхностью поршня 53. Вся силовая гидросистема 7 находится в статическом гидравлически изолированном состоянии, поршни 24, 27 и водила 5, 8 в средних положениях.
Если рулевое поворотное колесо находится в среднем положении «движение прямо», сердечник 54 тягового реле К6 из любого положения возвращается в среднее положение (рассмотрено ниже). В результате этого сердечник 54 включает контакты К4.2 геркона К4, и ток подается на обмотку возбуждения L5 ОВ электродвигателя 43, а размыканием контактов К4.5 в цепь обмотки возбуждения L5 ОВ электродвигателя 43 включается балластный резистор R1, уменьшающий величину тока возбуждения.
Контактами К4.4 ток подается на обмотку L4 электромагнитного клапана 40, который открывается, иначинают непрерывно работать электродвигатель 43 и гидронасос 38. Рабочая жидкость из емкости 41 втягивается через гидропровод 47 и клапан 46 в насос 38 и выпускается обратно в емкость 41 через электромагнитный клапан 40 L4 c небольшим дроссельным сопротивлением. Этот клапан 40 L4 открывается либо электромагнитным способом, либо вследствие повышения давления в насосе 38 выше заданного уровня давления в цилиндрах 22, 23 в процессе работы. В положении «прямо» клапан 40 L4 открывается замкнутыми контактами К4.4 геркона К4 тягового реле К6. Они соединены параллельно контактам К14.2 реле блокировки К14, предназначенной для управления электромагнитными клапанами. Прокачка жидкости по малому кругу вхолостую обеспечивает готовность всей гидросистемы к работе. Сопротивление дроссельной диафрагмыв клапане 40 L4 создает насосу 38 и электродвигателю 43 небольшую нагрузку. В этом холостом режимеработы насоса уменьшенный ток возбуждения обеспечивает работу электродвигателя в ненагруженном режиме, но подготовленным к быстродействующим операциям.
Действие «поворот направо». Рулевое поворотное колесо 61 поворачивают направо. В начале поворота под действием магнита 63 рулевого колеса замыкаются контакты К12.1 геркона К12 и подается ток на обмотку реле К9, контакты К9.1 которого замыкаются и подают ток питания на правую обмотку L5 тягового реле К6. Магнитный сердечник 54 тягового реле К6 из любого произвольного положения втягивается в правое положение под обмотку L7 и посредством штока 57, рейки 55 и колеса 56 поворачивает поршень 53 золотника 60 против часовой стрелки в крайнее левое положение. При этом поршень 53 соединяет коротким каналом 51 насос 38 через гидропроводы 50, 52 к входу 28 левого гидроцилиндра 22, а длинным каналом 58 через гидропроводы 49 и 48 соединяет емкость 41 к входу (выходу) 31 правого гидроцилиндра 23.
Перемещение сердечника 54 из среднего положения тягового реле К6 от катушки L6 и геркона К4 отпускает контакты реле К4 в нормальные положения. Размыкание К4.2 отключает ток возбуждения электродвигателя 38, размыкание контактов К4.4 отключает ток обмотки L4, и электромагнитный клапан 40 L4 запирается.
Одновременно магнит 63 рулевого поворотного колеса 61 в положении поворота «направо» замыкает на основании 62 рулевого колеса 67 еще одну пару контактов К12.2 геркона К12, которыми соединяет вывод «В» левой половины R2П потенциометра R2 к обмотке возбуждения L5 ОВ электродвигателя 37. Средняя точка «А» потенциометра соединена с источником питания «+».
Обмотка возбуждения L5 ОВ гидронасоса 38 получает питание, и электродвигатель 43 посредством насоса 38 через гидропроводы 50, 52 и канал 51 нагнетает рабочую жидкость во входном объеме «Л» левого гидроцилиндра 22. При этом электромагнитный двунаправленный дифференциальный клапан 34 закрывается давлением в входном объеме «Л», а дифференциальный клапан 25 в гидрошунте 29 открывается только в случае, если давление в запоршневом объеме «В» меньше давления во входном объеме «Л», нагнетаемом гидронасосом 38. Давление во входном объеме «П» правого гидроцилиндра цилиндра 23 равно давлению в емкости 41, то есть равно атмосферному давлению. Поэтому в установившемся режиме давление в объемах «Л» и «В» определяется силовой реакцией концов водил 5, 8, дифференциальной силой воздействия симметричных и противоположно направленных сил на концах водил 5, 8. Время нарастания и предельная величина силы водил определяется мощностью гидрообъемного насоса 38.
При увеличении угла поворота рулевого поворотного колеса 61 (по часовой стрелке) ползунок 65, соединенный через контакт (ползунок) 66 и проводящее кольцо 64 со средней точкой «А» потенциометра, уменьшает величину сопротивления левой половины R2Л потенциометра R2, что приводит к увеличению тока обмотки возбуждения L5 ОВ электродвигателя 37 и соответственно к увеличению последовательно момента вращения двигателя 37, давления во входном объеме «Л» левого гидроцилиндра 17, линейной силы на водилах 7 и 13 гидроцилиндров 17 и 18 соответственно, момента поворота рулевой трапеции в механизме 6 и момента поворота осей 2, 11 передних колес 1, 12 автомобиля. При повышенном давлении в входном объеме «Л» левого гидроцилиндра и в случае меньшего давления в запоршневом объеме высокого давления «В» дроссельный клапан в шунте открывается и давление в объемах «Л» и «В» выравнивается. В процессе работы при изменяющихся давлениях в гидроцилиндрах 22, 23 давление в объеме «В» поддерживается на уровне максимального значения в гидросистеме. Такое положение объединяет поршни 24, 27 гидроцилиндров 22, 23 и жидкость в межпоршневом объеме по силовому действию в единое целое.
При повороте направо давление, создаваемое гидронасосом 38 во входном объеме «Л» левого цилиндра 22, оказывает силовое действие на поршень 24 левого цилиндра, которое через рабочую жидкость объема «В» передается на поршень 27 правого цилиндра 23 в направлении его входа 31. Силовым действием поршня 27 правого цилиндра 23 выдавливается рабочая жидкость в емкость 41, и водило 8 поршня 27 втягивается в цилиндр 23. Силовое действие рабочей жидкости во входном объеме «Л» на поршень 24 уравновешивается силовой реакцией поворачиваемых колес, передаваемой устройством 6 преобразования силы на водила 5, 8 гидроцилиндров 22, 23.
Таким образом, увеличение угла поворота рулевого поворотного колеса 61 приводит к увеличению мощности электродвигателя, скорости нарастания и предельной величины давления рабочей жидкости во входном объеме «Л» левого гидроцилиндра 22, скорости и силы перемещения водил 5, 8, передаваемой механизму преобразования 6, формирующую однонаправленную силу на штанге рулевой трапеции (на рисунке не показана). Штанга трапеции через подвижные элементы трапеции перемещает тяги 14, 18, налево, которые рычагами 13, 19 поворачивают оси 2, 11 колес 1, 12 вокруг шкворней 3, 10 в подвесках 4, 9 в горизонтальной плоскости направо. Сила и скорость поворота увеличиваются с увеличением угла поворота рулевого поворотного колеса 61.
В любом угловом положении рулевого колеса 61 гидронасос 38 создает силовое действие на поршневую систему гидроцилиндров 22, 23 и соответственно на водила 5, 8 поршней 24, 27. Вследствие этого происходит увеличение угла поворота колес 1, 12 автомобиля, радиус поворота непрерывно уменьшается. Для установления неизменного радиуса поворота необходимо на достигнутом угле поворота колес 1, 12 и соответственно положения поршней 24, 27 гидроцилиндров 22, 23 остановить перемещение поршней в цилиндрах. Для этого с помощью электромагнитных клапанов 32 L1, 36 L2 закрываются входы гидроцилиндров и для выравнивания давлений во входных объемах «Л» и «П» открывается электромагнитный клапан 34 L3. Это осуществляется нажатием рулевого колеса 67. При этом замыкается ключ S2 и подается питание на реле включения К14 электромагнитных клапанов 32 L1, 36 L2, 34 L3, 40 L4. Рабочая жидкость блокируется в гидросистеме с максимальным давлением в объеме «В» и усредненным давлением в сообщающихся объемах «Л» и «П». В нажатом состоянии положение рулевого поворотного колеса 61 фиксируется механическими фиксаторами (на схеме не приведены); при этом угловое положение колес и соответственно радиус поворота остаются постоянными. Состояние неизменного угла поворота колес 1, 12 завершают поворотом рулевого поворотного колеса 61 в любую сторону, в частности, на установку колес в положение «прямо». При этом механизм рулевого колеса выталкивает поворотное колесо 61 вверх и отпускает контакт S2.
Возврат колес в положение «движение прямо» осуществляется поворотом рулевого поворотного колеса 61 в среднее положение, в положение «прямо». Из незафиксированного состояния на любом угле поворота при отсутствии внешнего воздействия (руки) рулевое колесо устанавливает в исходное положение (движение прямо) возвратный механический пружинный механизм (на чертеже не показан). При возврате в нулевое положение и ненажатом состоянии рулевого колеса 61 контакты S2 разомкнуты и питание реле К14 отключено, все электромагнитные клапаны находятся в исходных состояниях. Магнит 63 рулевого колеса контактами К12.2 отключает ток на обмотку возбуждения L5 ОВ электродвигателя 38, включает геркон К11, который замыкает свои контакты К11.1 и подает питание на обмотку реле включения К8, который контактами К8.1 подает ток на среднюю обмотку L6 тягового реле К6. Сердечник 54 тягового реле К6 втягивается под обмотку L6 и включает геркон К4, контакты К4.1 которого размыкаются и отключают ток на обмотку L6. Положение сердечника закрепляется механическим фиксатором. При перемещении в среднее положение сердечник тягового реле посредством штока и реечной передачи переключает поршень золотника тоже в среднее положение. Все гидропроводы (48, 50, 52, 49) заглушаются поршнем 53 золотника 60; положения поршней 24, 27 цилиндров 22, 23 фиксируются в том состоянии, в каком были до переключения золотника 60.
При среднем положении сердечника тягового реле третья пара контактов К4.3 геркона К4 подает ток на электромагнитный клапан 32 L4, который соединяет насос с емкостью, и перекачка рабочей жидкости будет происходить, минуя гидросистему, напрямую из насоса в емкость.
В среднем положении сердечника 54 в тяговом реле К6 одновременно с контактами К4.1 замыкаются контакты К4.2, размыкаются контакты К4.5, и ток на обмотку возбуждения L5 ОВ электродвигателя 38 подается через резистор R1. Реле К4 замыкает контакты К4.4, и открывается электромагнитный клапан 40 L4. Гидронансос 38 в малонагруженном режиме при уменьшенной мощности электродвигателя 43 в ждущем режиме перекачивает рабочую жидкость по гидропроводам 47 и 37 по малому кругу (по байпасной линии). При этом замыкаются контакты К4.3 в цепи питания реле возврата К13 колес 1, 12 в «положение прямо» и создают условия к действию этого реле. Так как рулевое колесо 61 установлено в нулевое положение с положения какого-то угла поворота, то колеса 1, 12 остались в положении «поворот», а водилы 5, 8 гидроцилиндров 22, 23 соответственно в несимметричном состоянии. После возвратарулевого колеса 61 с положения «поворот направо» в положение «прямо» в гидросистеме правое водило 8 остается втянутым в правый цилиндр 5, а левое водило 8выдвинутым из цилиндра 23 больше, чем среднее положение. В таком положении контакты К1.1 геркона К1 на левом водиле5 остаются разомкнутыми, а контакты К2.1 и К2.2 геркона К2 на правом водиле 22 оказываются замкнутыми. Через эти контакты К2.2 и контакты К4.3 реле К4 (сердечник 54 в середине, а колеса в повороте) получает питание реле возврата К13 и включает контакты самозахвата К13.1 (до первого выключения), а также контакты К13.2. Последовательно соединенные с контактами К13.2 замкнутые контакты К2.2 геркона К2 водилы 8 правого цилиндра 23 соединяют левую обмотку L5 тягового реле К6 к бортовой сети питания, которая своим магнитным полем притягивает сердечник 54 в левое положение под обмотку L5. При этом из-за ухода сердечника 54 контакт К4.3 размыкается, но реле захвата К13 сохраняет соединенность к бортовой цепи своими контактами самозахвата К13.1. Из-за ухода сердечника 54 со среднего положения контакты К4.1 замыкаются и вместе с контактами К11.1 готовы к подаче тока на обмотку L6 тягового реле К6, но реле К13, включившись к бортовой сети, размыкает контакты К13.3 и не пропускает ток питания на обмотку L6. При переходе сердечника 54 в левое положение под обмотку L5 шток 57 с рейкой 55 поворачивают зубчатое колесо 56 и поршень 53 золотника 60 по часовой стрелке. Поршень 53 соединяет коротким каналом 51 насос 38 к входу 31 правого цилиндра 23, а емкость 41 к входу 28 левого цилиндра 22. С уходом сердечника 54 из середины тягового реле К6 контакты К4.4 отключают ток обмотки L4, и электромагнитный клапан 40 L4 закрывается; контакты К4.5 замыкаются, и через контакты К14.4 реле К14 управления электромагнитными клапанами подается на обмотку L5 ОВ полный ток возбуждения в обход резистора R1. Насос 38 полной мощностью создает давление во входном объеме «П» правого цилиндра 23 и перемещает поршень 27 и через жидкость объема «В» поршень 24 в средние положения. Как только на правом водиле 8 контакты К2.1 и К2.2 геркона К2 разомкнутся, а контакты геркона К1 еще не замкнутся (среднее положение поршней и водил) реле возврата К13 отключается, ток на обмотку L5 отключается, контакты К13.1 размыкаются Контакты К13.3 замыкаются, реле К8 срабатывает и подает контактами К8.1 ток на среднюю обмотку L6 тягового реле К6. Сердечник 54 втягивается под обмотку L6 в среднее положение, выключает контакты К4.1 и ток реле К8 отключается, размыкаются контакты К8.1 и отключается ток обмотки L6. При этом геркон К4 размыкает контакты К4.5 резистора R1, замыкает контакты К4.4 питания обмотки L4 электромагнитного клапана 40 L4. Клапан 40 открывается и перекачка жидкости пойдет вхолостую по малому кругу. Насос не выключается для обеспечения готовности к следующей операции по управлению. Однако ток на катушку возбуждения L5 ОВ уменьшается соединением в цепь возбуждения резистора R1 путем размыкания нормально замкнутых контактов К4.5 реле К4 и контактов К14.5 реле К14. Ток возбуждения уменьшается также при блокировке угла поворота включением реле К14 и размыканием нормально замкнутых контактов К14.5.
Действие «поворот налево» осуществляется операциями, симметричными повороту направо, а именно рулевое поворотное колесо 61 поворачивают направо. Магнит 61 замыкает контакты К10.1 реле К10 и включает через контакты К3.1 реле К7, которое контактами К7.1 подает ток на обмотку L5 тягового реле К6. Сердечник 54 втягивается магнитным полем под обмотку L5 и посредством штока 57 и рейки 55 поворачивает колесо 56 и поршень 53 по часовой стрелке в крайнее правое положение. При этом короткий канал 51 поршня 53 соединяет гидронасос 38 через гидропроводы 50 и 49 и электромагнитный клапан 36 L2 к входу 31 гидроцилиндра 23. Длинный канал 58 поршня 53 соединяет вход 28 гидроцилиндра 22 через электромагнитный клапан 32 L1, гидропроводы 52, 48, клапан 42 с емкостью 41. Гидронасос 38 нагнетает рабочую жидкость в во входной объем «П» левого цилиндра, а также восполняет потерю давления в пространстве «В» через шунт 26 и дифференциальный клапан 30. Уплотнители 20, 21 поддерживают давление в объеме «В». Давление рабочей жидкости в объеме «Л» создает силу, воздействующую на поршень 27, который выдвигает водило 8 из гидроцилиндра 23. Контакты реле К2 остаются разомкнутыми. Давлением в объеме «В» поршень 24 гидроцилиндра 22 перемешается к входу 28 и вытесняет рабочую жидкость из входного объема «Л» левого цилиндра 22. Водило 5 втягивается в гидроцилиндр 22 и контакты реле К1 замыкаются. Движение водилы 8 наружу и водилы 5 внутрь гидроцилиндров создают симметричное силовое действие на рулевую трапецию поворотного механизма 6. Величина сил на концах водил 5, 8 зависит от силы противодействия поворотного механизма 2 и в пределе ограничивается мощностью электродвигателя 43 гидронасоса 38. При этом толкатели 14, 19 перемещаются направо и посредством жестко соединенных и рычагов 13, 19 сосями 2, 10 поворачивают колеса 1, 12 на подвесках 4, 9 и шкворнях 3, 10 налево.
Увеличение угла поворота рулевого поворотного колеса 61 увеличивает скорость и силу поворота. При этом ползунок 65 потенциометра R2 перемещается по правой половинке резистора R2П, уменьшает его сопротивление, ток возбуждения и увеличивает момент вращения электродвигателя 43.
Для постоянства радиуса поворота на любом угле поворота колес рулевое колесо фиксируют нажатием и включением ключа S2. Возврат колес в положение «движение прямо» осуществляется возвратом рулевого поворотного колеса 61 в среднее положение принудительно рукой или автоматически пружинным механизмом, иди электрическими сигналами. Процесс возврата колес в положение «прямо» аналогичен возврату колес из положения «поворот направо»
Фактически работа гидросистемы с двумя гидроцилиндрами аналогична работе двустороннего гидроцилиндра с одним составным поршнем «металл-жидкость-металл». Промежуточное жидкостное поршневое звено в гидросистеме позволяет располагать гидроцилиндры под любым углом в компланарных или колинеарных плоскостях. При этом силовое действие водил цилиндров симметрично по величине и противоположно по перемещениям в цилиндрах. Такая гидросистема имеет широкие возможности по преобразованию направления силовых действий.
В рассматриваемой конструкции рулевого управления силовое воздействие на исполнительный механизм системы рулевого управления (на рулевую трапецию) может осуществляться в разных вариантах. Наиболее простым является соединение водилы одного гидроцилиндра со штангой рулевой трапеции. В сравнении с поворотно-силовым воздействием сошки на линейно перемещающуюся штангу действие водилы предлагаемой гидросистемы предпочтительнее. В соединении «сошка-штанга» поворотное движение преобразуется в линейное, а в соединении «водило-штанга» возвратно-поступательное линейное движение водилы передается непосредственно штанге трапеции. В такой конструкции передаточный механизм системы рулевого управления остается полностью неизменным. При этом конструкционных излишков в гидросистеме не оказывается, так как гидросистема работает как единый составной гидроцилиндр, а водило второго гидроцилиндра в таком варианте конструкции будет играть роль датчика. Затраты энергии электродвигателя и гидронасоса полностью реализуются на водиле одного используемого гидроцилиндра.
Так как рулевая трапеция предназначена на симметричное силовое воздействие на оси правого и левого колес посредством жесткой штанги, то конструкционно можно соединять водилы цилиндров к левой и правой сторонам трапеции с обеспечением общего центра поворотов колес. На рисунке устройство распределения сил и моментов на колеса приведено без детализации под единой позицией 2, так как является исходной конструкцией транспортного средства.
Приведенный вариант схемы системы рулевого управления, построенный на релейных устройствах имеет высокую надежность, так как герконы обладают высоким быстродействием и надежностью работы в любых климатических условиях. Вариант конструкции на релейных устройствах построен для большей наглядности демонстрации работоспособности системы.
Отличительной особенностью технического решения в предполагаемом изобретении является управление рулевой системой электрическими сигналами без применения механической силы. Повороты рулевого колеса можно автоматизировать электронным переключением поворотов направо, налево, а скорости поворотов можно регулировать изменением сопротивления половинок потенциометра электронным способом.
Так как электронным аналогом электромеханических реле являются транзисторные ключи, то приведенная схема может быть полностью на электронных ключах, формирующие существенно более широкие функциональные возможности системы.
Электромагнитные герконы и реле можно заменить электронными ключами без изменений принципа и алгоритмов работы системы. Управление электронными ключами может осуществляться с помощью быстродействующих алгоритмов и микропроцессорных систем. Разработанная система может быть использована для управления движением других механических устройств и в частности в роботизированных устройствах.
Все алгоритмы режимов эксплуатации предполагаемого изобретения могут быт переведены простым образом на микропроцессорную форму исполнения.
Сопоставительный анализ показал, что разработанная система рулевого управления транспортного средства приводится в действие вручную или автоматически электрическими сигналами без применения механической силы.