РУЛЕВАЯ КОЛОНКА
STEERING COLUMN

Изобретение относится к средствам управления автомобилем и может быть использовано в рулевом управлении автомобиля при производстве новых моделей автомобилей и модернизации имеющихся моделей.
Известны усилители рулевого управления автомобилей гидравлического типа, в которых для создания усилия на деталях поворачиваемых колес устанавливается отдельный цилиндр или цилиндры (Гинцбург Л.Л. Гидравлические усилители рулевого управления автомобиля. М.: Машиностроение, 1972, рис. 9, с. 18).
Известны также встроенные гидроусилители, в которых распределитель совмещен с рулевым механизмом.
Недостаток подобных усилителей - значительное возрастание усилия на рулевом колесе при остановке двигателя, т.к. отверстия, через которые масло выталкивается поршнем из цилиндра усилителя, довольно узкие, имеют значительную длину, что при резком повороте рулевого колеса создает значительные сопротивление.
Известен электрический усилитель рулевого управления (RU 2159717) содержащий корпус, в котором установлены ведущий вал и ведомый вал, соединенные торсионом, датчик крутящего момента на ведущем валу и червячная передача, состоящая из червячного колеса, установленного концентрично ведомому валу, и червяка, приводимого во вращение связанным с ним электродвигателем, причем ведущий вал установлен на двух подшипниках, один из которых расположен на торсионе, а ведомый вал своим выходным концом установлен на подшипнике в первой крышке усилителя, ведомый вал расположен в корпусе усилителя на подшипнике своим внутренним концом, охватывающим внутренний конец ведущего вала, установленного относительно ведомого вала посредством подшипника на торсионе, связывающем внутренний конец ведущего вала с выходным концом ведомого вала, причем усилитель снабжен второй крышкой с подшипником со стороны выходного конца ведущего вала. Ведомый вал установлен на подшипниках, расположенных преимущественно по разные стороны от червячного колеса. Ведущий вал может быть установлен в подшипнике второй крышки посредством детали датчика крутящего момента. В электроусилителе использованы подшипники качения. Червячное колесо, как правило, жестко связано с ведомым валом. Червяк выполнен предпочтительно многозаходным.
Недостатком рассмотренной конструкции является ее сложность, отсутствие обратной связи с управляемыми колесами и трудность управления в случае отказа электродвигателя, датчика крутящего момента или при разряде аккумуляторной батареи из-за применения червячного редуктора, низкий КПД червячного редуктора, отсутствие возможности резкого воздействия на управляемые колеса при нештатных ситуациях, что существенно снижает безопасность управления автомобилем.
Известна выбранная в качестве прототипа рулевая колонка колесного транспортного средства (RU 2248294) включающая входной вал, на котором установлено рулевое колесо, выходной вал, связанный с колесами транспортного средства и расположенный соосно с входным валом, торсион, соединенный с входным и выходным валами и установленный таким образом, что при приложении крутящего момента к входному валу происходит его скручивание, электродвигатель, содержащий ротор и статор, редуктор, посредством которого электродвигатель связан с выходным валом, и блок управления, формирующий и подающий управляющие сигналы, зависящие от угла скручивания торсиона, электродвигателю, отличающаяся тем, что ротор электродвигателя выполнен полым и расположен на выходном валу соосно с ним, а редуктор выполнен планетарным, причем его солнечное зубчатое колесо соединено с ротором электродвигателя, центральное зубчатое колесо установлено неподвижно и связано с солнечным зубчатым колесом посредством по меньшей мере одного сателлита, а водило установлено на выходном валу и связано с сателлитом. Рулевая колонка снабжена измерителем угла скручивания торсиона, который содержит неподвижно установленную катушку индуктивности, а также первый перфорированный диск, установленный на входном валу, и второй перфорированный диск, установленный на выходном валу, причем катушка индуктивности, первый перфорированный диск и второй перфорированный диск установлены напротив друг друга, катушка индуктивности выполнена в форме диска, солнечное зубчатое колесо установлено с возможностью перемещения в радиальном направлении, ротор электродвигателя установлен на выходном валу посредством опоры, в соседних торцах входного и выходного валов выполнены полости, в которых установлен торсион, соседние торцы входного и выходного валов снабжены выступами и пазами, причем ширина названных выступов меньше ширины названных пазов, при этом названные валы установлены таким образом, что выступы каждого вала входят в пазы соседнего вала.
К недостаткам прототипа относятся:
1. Сложность конструкции, связанная с наличием датчиков крутящего момента, блока управления электродвигателем, размещением планетарного редуктора в корпусе электродвигателя, компоновкой вращающегося ротора и солнечной шестерни редуктора на практически неподвижном, выходном валу на подшипниках скольжения.
2. Маленький ресурс устройства, связанный с невозможностью смазки подшипников скольжения, на которых вращается ротор, что приведет к нагреву соприкасающихся деталей и выходу из строя устройства.
3. Применение электродвигателя с большим пусковым током, что может вызвать нагрев проводов и отказ работы устройства при слабом аккумуляторе.
Задача предлагаемого изобретения в устранении вышеуказанных недостатков и создании рулевой колонки с электрогидротрансформаторным усилителем руля с разными вариантами установки и обратной связью с управляемыми колесами.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение усилия на руле, при маневрах на малых скоростях и повороте колес на неподвижном автомобиле за счет обеспечения возможности дополнительного регулирования величины вращающего момента на рулевом колесе, бесшумность, простота в изготовлении, повышение надежности в эксплуатации.
Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что предлагается рулевая колонка, включающая входной вал, на котором установлено рулевое колесо, выходной вал, связанный с колесами транспортного средства и расположенный соосно с входным валом, торсион, соединенный с входным и выходным валами и установленный таким образом, что при приложении крутящего момента к входному валу происходит его скручивание, электродвигатель, содержащий ротор и статор, блок управления, формирующий и подающий электродвигателю управляющие сигналы, зависящие от угла скручивания торсиона, торцы входного и выходного валов снабжены выступами и пазами, причем ширина названных выступов меньше ширины названных пазов, при этом названные валы установлены таким образом, что выступы каждого вала входят в пазы соседнего вала отличающаяся тем, что блок управления включает установленные на входном валу токонепроводящие пластины с щетками и токосъемником, диск, установленный напротив токонепроводящих пластин на выходном валу, с размещенными на нем по краям левой и правой токопроводящими дорожками, соединенными с отрицательным полюсом источника питания, и сегментированной токопроводящей дорожкой с нечетным числом сегментов, размещенной между дорожками, соединенными с отрицательным полюсом, которые попарно соединены между собой проводами, а центральный сегмент соединен с положительным полюсом источника питания, причем дорожки отрицательного полюса и сегменты положительного полюса на диске расположены так, что когда происходит скручивание торсиона, щетка одной из токонепроводящих пластин соединяется с отрицательным полюсом источника питания, а щетка другой токонепроводящей пластины соединяется с положительным полюсом источника питания; сервомеханизм, содержащий реверсивный электродвигатель и установленный на валу электродвигателя гидротрансформатор, содержащий жестко закрепленное на валу электродвигателя насосное колесо и свободно вращающееся на валу электродвигателя турбинное колесо, совмещенное с корпусом и кинематически связанное с выходным валом, причем лопасти насосного колеса имеют расширение в периферийной части, а лопасти турбинного колеса прикреплены к поверхности корпуса и закрыты с боковых сторон дисками, вовнутрь полого входного вала вставлена шлицевая втулка с возможностью перемещения внутри входного вала в продольном направлении, внутри которой закреплен торсион, второй конец которого жестко соединен с выходным валом.
Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:
Фиг. 4, фиг 5 - Сервомеханизм, где
1 - гидротрансформатор;
2 - лопасти насосного колеса;
3 - вал электродвигателя;
4 - подшипники;
5 - сальники;
6 - гайка;
7 - звездочка на сервомеханизме;
8 - шестеренка;
9 - резьбовое соединение;
10 - реверсивный электродвигатель;
11 - соединительная втулка;
12 - диск;
13 - лопасти турбинного колеса;
14 - насосное колесо.
Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3 - Рулевые валы и устройство управления сервомеханизмом рулевой колонки, где
15 - полый входной вал со шлицами;
16 - шлицевая втулка с пазом;
17 - торсион;
18 - токонепроводящие пластины;
19 - диск с токопроводящими дорожками;
20 - звездочка на выходном валу;
21 - выходной вал;
22 - левая щетка;
23 - токосъемник переменного резистора;
24 - левая токопроводящая дорожка отрицательного полюса;
25 - сегментированная токопроводящая дорожка положительного полюса;
26 - соединительные провода;
27 - паз;
28 - правая щетка;
29 - переменный резистор;
30 - правая токопроводящая дорожка отрицательного полюса.
31 - шлицы выходного вала;
32 - шлицы входного вала.
Рулевая колонка включает в свой состав:
Сервомеханизм (Фиг. 1), который содержит реверсивный электродвигатель 10, скорость вращения и мощность которого зависят от величины подаваемого тока, соединенный жестко с ротором электродвигателя вал 3, с размещенным на нем гидротрансформатором 1, закрепленным втулкой 11 с одной стороны и гайкой 6 - с другой стороны. Гидротрансформатор 1 содержит бочкообразный корпус 1, (фиг. 4, фиг. 5,) состоящий из двух половинок (полубочек, тарелок) цилиндрической формы с размещенными в них ступицами с подшипниками 4 и сальниками 5. Половинки корпуса соединены при помощи резьбового соединения 9. Корпус свободно вращается на подшипниках на валу 3 электродвигателя 10. Обе половинки имеют внутри радиально направленные лопасти 13, перпендикулярно прикрепленные к поверхностям половинок корпуса и закрытые с боковых сторон дисками 12. На валу 3, между дисками 12, жестко закреплено насосное колесо 14 с лопастями 2, имеющими расширение в периферийной части. На одном из концов корпуса гидротрансформатора 1 жестко крепится звездочка 7 - для передачи крутящего момента от корпуса гидротрансформатора 1 к выходному валу или шестеренка 8 - для передачи крутящего момента от корпуса гидротрансформатора 1 к рулевой рейке. Внутренняя полость турбины заполнено рабочей жидкостью.
Устройство управления сервомеханизмом и рулевой колонкой (Фиг 1, Фиг. 2 и Фиг. 3), содержащая полый входной вал 15, с внутренними шлицами по всей длине, кроме места установки рулевого колеса (не показано), расположенными в стенке диаметрально противоположными продольными пазами 27. Вовнутрь полого входного вала вставлена шлицевая втулка 16, с возможностью перемещения внутри входного вала без люфта по пазам 27 в продольном направлении для изменения жесткости торсиона 17 закрепленного во втулке через отверстие 33, соосный с входным валом 15 выходной вал 21, который заходит шлицами 31 в шлицы 32 входного вала 15. К входному валу 21 жестко крепится второй конец торсиона 17. Шлицы 31 выходного вала имеют размер канавок больше, чем размер выступов шлицов 32 входного вала, что позволяет валам вращаться друг относительно друга в каждую сторону с люфтом от среднего положения, ограничивая этим вращением угол скручивания торсиона 17. На входном валу установлены под углом друг к другу токонепроводящие пластины 18 с щетками 22 и 28 и токосъемником 23. За пластинами 18, на входном валу 21, закреплен диск 19 содержащий левую 24 и правую 30 токопроводящие дорожки отрицательного полюса источника питания, токопроводящую дорожку положительного полюса источника питания 25 с нечетным числом сегментов, попарно соединенных между собой проводами 26, и центральным сегментом, постоянно соединенным с положительным полюсом источника питания. Дорожки 24 и 30 отрицательного полюса и сегменты дорожки положительного полюса 25 на диске 19 расположены так, что когда происходит скручивание торсиона 17, щетка 22 или 28 одной токонепроводящей пластины соединяется с отрицательным полюсом источника питания, а щетка 22 или 28 другой токонепроводящей пластины соединяется с положительным полюсом источника питания.
На диске 19 расположен переменный резистор 29, сопротивление которого при перемещении щетки 23 от середины к его краям в любом направлении уменьшается, что в свою очередь, вызывает увеличение тока, подаваемого на электродвигатель 10 сервомеханизма широтно-импульсным регулятором постоянного тока. (Для управления током электродвигателя может быть использован простой широтно-импульсный регулятор постоянного тока).
Соединение выходного вала 21 с сервомеханизмом осуществляется при помощи жестко закрепленной на выходном валу 21 звездочки 20 с необходимым передаточным числом.
Рулевая колонка работает следующим образом.
При повороте рулевого колеса и жестко связанного с ним входного вала 15, в ту или другую сторону, при наличии сопротивления со стороны рулевой колонки торсион 17 скручивается что вызывает перемещение щеток 22 и 28, расположенных на пластинах 18. В случае поворота направо щетка 22 прикоснется к плюсовой дорожке, а щетка 28 прикоснется к минусовой дорожке 30 и реверсивный электродвигатель 10 начнет вращаться направо. Лопасти насосного колеса 2, закрепленные жестко на валу 3 электродвигателя 10, при своем вращении будут сообщать рабочей жидкости, которой заполнена внутренняя полость гидротрансформатора, две скорости: центробежную, направленную от центра оси радиально к периферии и тангенциальную, направленную по касательной к радиусу лопастей. При этом жидкость, разгоняемая насосным колесом, почти полностью отдает свой импульс турбинному колесу (корпусу), который кинематически связан с выходным рулевым валом, не имеющим большой угловой скорости. Усилие передаваемое турбинным колесом сервомеханизма (корпусом) выходному валу вращает его в направлении вращения входного вала. Диск 19 двигается вместе с выходным валом в том же направлении до момента, пока токопроводящая дорожка 25 не окажется между щетками 22 и 28 пластин 18, что приведет к отключениию питания электродвигателя 10. Таким образом, происходит порционное вращение выходного вала, соответствующее повороту входного вала. Направление поворота рулевого колеса и входного вала меняет полярность тока, подаваемого на электродвигатель 10.
При увеличении угла скручивания торсиона величина тока, подаваемого на электродвигатель сервомеханизма, будет увеличиваться, вследствие уменьшения сопротивления дорожки с омическим сопротивлением, что приведет к увеличению крутящего момента, сообщаемого сервомеханизмом рулевой колонке, а при прекращении усилия на рулевое колесо подача тока на электродвигатель сервомеханизма прекратится.
При слишком больших усилиях на рулевой вал прикоснувшиеся друг к другу выступы входного и выходного шлицевых валов, не дадут сломаться торсиону, а усилитель руля будет оказывать максимальную помощь. При больших скоростях движения, когда усилие на рулевой вал будет небольшим, торсион не будет скручиваться, а сервомеханизм не будет включаться.
Учитывая то, что внутреннее трение в жидкостях маленькое, угловая скорость вращения рулевого вала низкая, корпус гидротрансформатора взаимодействует с электродвигателем не механической передачей, а через жидкость, то при слабом аккумуляторе, возникновении неисправности в системе управления сервомеханизмом, устройство сохраняет работоспособность в ручном режиме и обратную связь с дорогой.
Таким образом, предложенная конструкция рулевой колонки позволяет снизить усилия на руле при маневрах на малых скоростях и повороте колес на неподвижном автомобиле за счет обеспечения возможности дополнительного регулирования величины вращающего момента на рулевом колесе, проста в изготовлении, обладает бесшумностью, повышенной надежностью в эксплуатации, возможностью расположения на значительном расстоянии от рулевого вала.