ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ РУЛЕВОЙ МАШИНЫ
ELECTRIC HYDRAULIC AMPLIFIER FOR STEERING MACHINE

Изобретение относится к области электрогидропривода и может быть использовано в ракетостроении, самолетостроении и судостроении.
Известен электрогидравлический усилитель рулевой машины, содержащий электромеханический преобразователь, связанный с установленной на корпусе рулевой машины с помощью плоской нагрузочной пружины качалкой, к концам которой крепятся два золотниковых плунжера, размещенных в полых валах ведомых шестерен насоса, в стенках которых выполнены сквозные радиальные дросселирующие отверстия, частично перекрываемые золотниковыми плунжерами и сообщающиеся с рабочими полостями электрогидравлического усилителя [1].
Недостатком указанного электрогидравлического усилителя рулевой машины является его малая чувствительность, характеризуемая командными токами трогания рулевой машины, поскольку вращение гильз золотникового гидрораспределителя (валов насоса) приводит к эффекту увеличения углов наклона суммарных векторов скоростей потоков рабочей жидкости, истекающих через дросселирующие окна вращающихся гильз (валов насоса), к осям золотниковых плунжеров, что выражается в уменьшении гидродинамических сил, действующих на золотниковые плунжеры. Величина этого уменьшения зависит, в частности, от толщины стенок гильз (валов насоса) и обусловлена захватом части потоков рабочей жидкости стенками радиальных отверстий в гильзах, в результате чего эти части потоков за счет сил инерции и центробежных сил смещаются к стенкам радиальных отверстий, и дальнейшее движение рабочей жидкости происходит практически вдоль этих стенок, т.е. в направлении осей радиальных отверстий в стенках, при этом другая часть потоков преодолевает сквозные радиальные отверстия практически без изменения углов наклона.
K
Известен электрогидравлический усилитель рулевой машины [2], содержащий электромеханический преобразователь, на валу которого установлена нагруженная пружиной качалка, к концам которой крепятся два золотниковых плунжера, размещенных в полых валах ведомых шестерен насоса, в стенках которых выполнены сквозные радиальные дросселирующие отверстия, частично перекрываемые золотниковыми плунжерами и сообщающиеся с рабочими полостями электрогидравлического усилителя, при этом на наружных цилиндрических поверхностях валов ведомых шестерен насоса выполнены кольцевые канавки, причем ширина кольцевых канавок равна или больше максимального размера сквозных радиальных дросселирующих отверстий в плоскости, проходящей через осевые линии валов ведомых шестерен, и равна или меньше ширины рабочих полостей электрогидравлического усилителя, кромки сквозных радиальных дросселирующих отверстий расположены внутри кольцевых канавок, а радиус цилиндрической поверхности кольцевой канавки R определяется соотношением:
;
B
где R - радиус наружной цилиндрической поверхности вала ведомой шестерни;
O
R - радиус внутренней цилиндрической поверхности осевого отверстия вала ведомой шестерни;
n - количество сквозных радиальных отверстий в стенке вала ведомой шестерни;
b - диаметр цилиндрического или ширина прямоугольного сквозного радиального отверстия в стенке вала ведомой шестерни;
[σ] - допустимое напряжение растяжения для материала вала ведомой шестерни;
m - масса части вала ведомой шестерни, ограниченной торцом, противолежащим качалке, и плоскостью, перпендикулярной образующей цилиндрической поверхности вала ведомой шестерни и проходящей через оси сквозных радиальных отверстий;
k - коэффициент перегрузки, действующей на рулевую машину.
Рулевые машины с таким электрогидравлическим усилителем характеризуются более высокой чувствительностью, обусловленной действием на золотниковые плунжеры гидродинамических сил большей величины, так как из-за выполнения кольцевых канавок на наружных поверхностях гильз золотникового гидрораспределителя (валах ведомых шестерен насосов) уменьшается толщина набегающих стенок сквозных радиальных дросселирующих отверстий и возникает "ножевой" эффект, в результате которого влияние набегающих стенок ослабляется. Это выражается в уменьшении доли потоков, захватываемых стенками сквозных радиальных отверстий, и, как следствие, в уменьшении углов наклона суммарных векторов скоростей потоков к осям золотниковых плунжеров, а следовательно, приводит к увеличению гидродинамических сил, действующих на золотниковые плунжеры электрогидравлического усилителя и уменьшению зоны нечувствительности рулевой машины. Кроме этого, выполнение кольцевых канавок на внешних цилиндрических поверхностях валов ведомых шестерен в зонах сквозных радиальных отверстий практически не нарушает стабильность работы электрогидравлического усилителя.
Однако значительное уменьшение зоны нечувствительности рулевой машины с такой конструкцией электрогидравлического усилителя путем увеличения глубины канавки невозможно, поскольку глубина канавки ограничена требованием по обеспечению прочности, а следовательно, и целостности валов ведомых шестерен насоса. По этой причине требуемая чувствительность рулевой машины с такой конструкцией электрогидравлического усилителя не всегда может быть обеспечена.
Наиболее близким аналогом изобретения - прототипом является электрогидравлический усилитель рулевой машины [3], содержащий электромеханический преобразователь, на валу которого установлена нагруженная пружиной качалка, к концам которой крепятся два золотниковых плунжера, размещенных в полых валах ведомых шестерен насоса, в стенках которых выполнены сквозные радиальные дросселирующие отверстия, частично перекрываемые золотниковыми плунжерами и сообщающиеся с рабочими полостями электрогидравлического усилителя, а валы ведомых шестерен насоса снабжены пазами по числу сквозных радиальных дросселирующих отверстий, также выполненными на наружных цилиндрических поверхностях валов в плоскостях, перпендикулярных осям золотниковых плунжеров и проходящих через оси сквозных радиальных дросселирующих отверстий, при этом ширина пазов равна или больше ширины сквозных радиальных дросселирующих отверстий и равна или меньше ширины рабочих полостей электрогидравлического усилителя, а глубина h пазов определяется соотношением:
,
где R - радиус наружной поверхности вала ведомой шестерни;
r - радиус внутренней поверхности вала ведомой шестерни;
b - ширина сквозного радиального дросселирующего отверстия в стенке вала ведомой шестерни.
Такой электрогидравлический усилитель рулевой машины характеризуется еще более высокой чувствительностью, обусловленной действием на золотниковые плунжеры гидродинамических сил, так как путем выполнения пазов на наружных поверхностях полых валов ведомых шестерен насоса можно уменьшить толщину набегающих стенок сквозных радиальных дросселирующих отверстий практически до нуля.
Однако при вращении валов насосов с пазами возникают локальные вихревые возмущения рабочей жидкости в зонах дроссельных окон, обусловленные воздействием на рабочую жидкость плоских площадок пазов и углов соединения поверхностей пазов и наружных цилиндрических поверхностей валов ведущих шестерен насоса, что приводит к нестабильности работы таких электрогидравлических усилителей. Кроме этого, площадки пазов и углы соединения поверхностей смещают части потоков рабочей жидкости в направлениях к осям дроссельных окон, в результате чего "ножевой" эффект ослабляется, что вызывает необходимость еще большего углубления пазов для получения требуемой чувствительности рулевой машины.
Задачей изобретения является повышение стабильности работы электрогидравлического усилителя рулевой машины при одновременном повышении чувствительности.
Техническим результатом изобретения является уменьшение локальных вихревых возмущений рабочей жидкости в зонах дроссельных окон золотникового гидрораспределителя при одновременном увеличении гидродинамической силы, действующей на золотниковые плунжеры.
Технический результат достигается тем, что электрогидравлический усилитель рулевой машины содержит электромеханический преобразователь, на валу которого установлена нагруженная пружиной качалка, к концам которой крепятся два золотниковых плунжера, размещенных в полых валах ведомых шестерен насоса, в стенках которых выполнены сквозные радиальные дросселирующие отверстия, частично перекрываемые золотниковыми плунжерами, при этом валы ведомых шестерен насоса снабжены пазами по числу сквозных радиальных дросселирующих отверстий, также выполненными на наружных цилиндрических поверхностях валов в плоскостях, перпендикулярных осям золотниковых плунжеров и проходящих через оси сквозных радиальных дросселирующих отверстий, причем ширина пазов равна или больше ширины сквозных радиальных дросселирующих отверстий и равна или меньше ширины рабочих полостей электрогидравлического усилителя, а глубина h пазов определяется соотношением:
,
где R - радиус наружной поверхности вала ведомой шестерни;
r - радиус внутренней поверхности вала ведомой шестерни;
b - ширина сквозного радиального дросселирующего отверстия в стенке вала ведомой шестерни,
в отличие от прототипа пазы выполнены с двумя скруглениями по одному с каждой стороны паза, поверхность каждого из которых по касательной сопряжена с плоскостью паза и с наружной цилиндрической поверхностью вала ведомой шестерни, при этом образующие поверхностей скруглений параллельны оси золотникового плунжера, причем ширина поверхности скруглений соответствует ширине паза, а радиус ρ скруглений определяется соотношением:
0<ρ≤R-h.
Благодаря такой конструкции, т.е. выполнение пазов на внешних цилиндрических поверхностях валов ведомых шестерен с двумя скруглениями, уменьшается длина плоских поверхностей площадок пазов и исключаются углы в местах соединения плоских поверхностей площадок пазов и наружных цилиндрических поверхностей валов ведущих шестерен насоса, провоцирующие возникновение как локальных вихревых возмущений рабочей жидкости в зонах дроссельных окон, так и дополнительные смещения части потоков рабочей жидкости в направлениях к осям дроссельных окон, в результате которых "ножевой" эффект ослабляется. Выполнение пазов на внешних цилиндрических поверхностях валов ведомых шестерен в зонах сквозных радиальных дросселирующих отверстий с двумя скруглениями повышает стабильность работы рулевой машины и уменьшает ее зону нечувствительности.
Совокупность всех указанных существенных признаков позволяет повысить стабильность работы и чувствительность электрогидравлического усилителя рулевой машины за счет увеличения гидродинамической силы, действующей на ее золотниковые плунжеры, и уменьшения действия факторов, влияющих на нестабильность. Так как заявленная совокупность существенных признаков электрогидравлического усилителя рулевой машины позволяет решить поставленную задачу, то заявленный электрогидравлический усилитель рулевой машины соответствуют критерию "изобретательский уровень".
Заявленный электрогидравлический усилитель рулевой машины иллюстрируется фиг.1 и фиг.2.
На фиг.1 изображена конструкционная схема электрогидравлического усилителя рулевой машины.
На фиг.2 изображено в масштабе сечение вала ведомой шестерни в плоскости, перпендикулярной его оси и проходящей через оси сквозных радиальных дросселирующих отверстий.
Электрогидравлический усилитель рулевой машины содержит электромеханический преобразователь 1, на валу 2 которого установлена нагруженная пружиной 3 качалка 4, к концам которой крепятся два золотниковых плунжера 5, размещенных в полых валах 6 ведомых шестерен 7 насоса 8, в стенках которых выполнены сквозные радиальные дросселирующие отверстия 9, сообщенные с рабочими полостями 10 электрогидравлического усилителя. На наружных цилиндрических поверхностях валов 6 ведомых шестерен 7 насоса 8 в зонах сквозных радиальных дросселирующих отверстий 9 выполнены пазы 11, а в местах соединения плоскостей пазов 11 и наружных цилиндрических поверхностей 12 валов 6 ведомых шестерен 7 насоса 8 выполнены скругления 13, каждое из которых по касательной сопрягает плоскость паза 11 с наружной цилиндрической поверхностью 12 вала 6 ведомой шестерни 7 насоса 8, при этом образующие скруглений параллельны оси золотникового плунжера 5.
Электрогидравлический усилитель рулевой машины работает следующим образом.
При отсутствии управляющего тока, подаваемого в электромеханический преобразователь 1, его вал 2 и качалка 3 находятся в нейтральном положении, площади дроссельных окон, образуемых сквозными радиальными дросселирующими отверстиями 9 и золотниковыми плунжерами 5, равны, в результате чего разности давлений между рабочими полостями 10 электрогидравлического усилителя равны нулю, как и расходы рабочей жидкости на выходах из рабочих полостей 10.
При подаче управляющего тока положительной полярности в электромеханический преобразователь 1 его вал 2 за счет действия позиционного момента, создаваемого пружиной 3, поворачивается на некоторый угол в направлении против часовой стрелки, а вместе с ним поворачивается и качалка 4 с закрепленными на ней золотниковыми плунжерами 5. При этом первый золотниковый плунжер 5 движется вниз внутри первого полого вала 6, а второй золотниковый плунжер 5 движется вверх внутри второго полого вала 6. При этом первый плунжер 5, идущий вниз, уменьшает дроссельные окна, образуемые им и сквозными радиальными дросселирующими отверстиями 9 в первом полом вале 6, а второй золотниковый плунжер 5, идущий вверх, увеличивает дроссельные окна, образуемые им и сквозными радиальными дросселирующими отверстиями 9 во втором полом вале 6. В результате давление рабочей жидкости в первой полости 10 повышается, а во второй полости 10 - понижается. Между рабочими полостями 10 электрогидравлического усилителя создается перепад давления, под действием которого на выходах рабочих полостей 10 возникают расходы рабочей жидкости (расход рабочей жидкости, отдаваемый первой полостью 10 электрогидравлического усилителя в гидродвигатель рулевой машины, и расход рабочей жидкости, получаемый второй полостью 10 электрогидравлического усилителя от гидродвигателя рулевой машины).
При подаче управляющего тока обратной (отрицательной) полярности в электромеханический преобразователь 1 его вал 2 за счет действия позиционного момента, создаваемого пружиной 3, поворачивается на некоторый угол в направлении по часовой стрелке, а вместе с ним поворачивается и качалка 4 с закрепленными на ней золотниковыми плунжерами 5. При этом первый золотниковый плунжер 5 движется вверх внутри первого полого вала 6, а второй золотниковый плунжер 5 движется вниз внутри второго полого вала 6. При этом первый плунжер 5, идущий вверх, увеличивает дроссельные окна, образуемые им и сквозными радиальными дросселирующими отверстиями 9 в первом полом вале 6, а второй золотниковый плунжер 5, идущий вниз, уменьшает дроссельные окна, образуемые им и сквозными радиальными дросселирующими отверстиями 9 во втором полом вале 6. В результате давление рабочей жидкости в первой полости 10 понижается, а во второй полости 10 повышается. Между рабочими полостями 10 электрогидравлического усилителя создается перепад давления, под действием которого на выходах рабочих полостей 10 возникают расходы рабочей жидкости (расход рабочей жидкости, отдаваемый второй полостью 10 электрогидравлического усилителя в гидродвигатель рулевой машины, и расход рабочей жидкости, получаемый первой полостью 10 электрогидравлического усилителя от гидродвигателя рулевой машины).
При вращении полых валов 6 ведомых шестерен 7 насоса 8, выполняющих роль гильз золотниковых плунжеров 5, части потоков, протекающих через дроссельные окна, образуемые золотниковыми плунжерами 5 и сквозными радиальными дросселирующими отверстиями 9, захватываются стенками сквозных радиальных дросселирующих отверстий 9, что приводит к увеличению углов наклона суммарных векторов скоростей потоков к осям золотниковых плунжеров 5 и, как следствие, к уменьшению гидродинамических сил, действующих на золотниковые плунжеры 5, а следовательно, к увеличению зоны нечувствительности рулевой машины с таким электрогидравлическим усилителем, причем величины этих изменений определяются, в частности, толщиной набегающих стенок сквозных радиальных дросселирующих отверстий 5. Однако выполнение пазов 11 на внешних цилиндрических поверхностях полых валов 6 ведомых шестерен 7 насоса 8 в зонах сквозных радиальных дросселирующих отверстий 9 уменьшает толщину набегающих стенок и приводит к возникновению "ножевого" эффекта, в результате которого влияние набегающих стенок ослабляется, что выражается в уменьшении доли потоков, захватываемых стенками сквозных радиальных дросселирующих отверстий 9, и, как следствие, в уменьшении углов наклона суммарных векторов скоростей потоков к осям золотниковых плунжеров 5, а следовательно, приводит к увеличению стационарных составляющих гидродинамических сил, действующих на золотниковые плунжеры 5, и уменьшению зоны нечувствительности.
Выполнение пазов 11 на внешних цилиндрических поверхностях полых валов 6 ведомых шестерен 7 насоса 8 с двумя скруглениями 13 (по одному с каждой стороны паза) уменьшает длину плоских площадок пазов 11 и исключает углы соединения поверхностей пазов 11 и наружных цилиндрических поверхностей 12 полых валов 6 ведомых шестерен 7 насоса 8, провоцирующие возникновение как локальных вихревых возмущений рабочей жидкости в зонах дроссельных окон, образуемых золотниковыми плунжерами 5 и сквозными радиальными дросселирующими отверстиями 9, так и дополнительные смещения части потоков рабочей жидкости в направлениях к осям дроссельных окон, в результате которых "ножевой" эффект ослабляется. Выполнение пазов 11 на внешних цилиндрических поверхностях валов 6 ведомых шестерен 7 насоса 8 в зонах сквозных радиальных дросселирующих отверстий 9 с двумя скруглениями 13 (по одному с каждой стороны паза) повышает стабильность работы и уменьшает зону нечувствительности.
Для получения эффекта необходимо, чтобы радиус скруглений 13 был больше нуля, так как в противном случае не происходит уменьшение плоских поверхностей площадок пазов 11 и не исключаются углы в местах соединения плоских поверхностей пазов 11 и наружных цилиндрических поверхностей 12 валов 6 ведущих шестерен 7 насоса 8.
С другой стороны, при величинах радиусов скруглений ρ, больших R-h (ρ>R-h), в местах сопряжения поверхностей скруглений образуются углы, которые также приводят к возникновению локальных вихревых возмущений рабочей жидкости в зонах дроссельных окон, образуемых золотниковыми плунжерами 5 и сквозными радиальными дросселирующими отверстиями 9.
Кроме этого, плоскости пазов, во избежание возникновения уступов, должны с двух сторон по касательным сопрягаться с наружной цилиндрической поверхностью вала 6 ведомой шестерни 7 насоса 8, ширина скруглений должна соответствовать ширине паза, а образующие скруглений должны быть параллельны осям золотниковых плунжеров, так как в противном случае в местах сопряжения поверхностей скруглений и наружных цилиндрических поверхностей 12 полых валов 6 ведомых шестерен 7 насоса 8 образуются углы, которые также приводят к возникновению локальных вихревых возмущений рабочей жидкости в зонах дроссельных окон, образуемых золотниковыми плунжерами 5 и сквозными радиальными дросселирующими отверстиями 9.
Поэтому пазы должны выполняться с двумя скруглениями (по одному с каждой стороны паза), каждое из которых по касательной сопрягает плоскость паза с наружной цилиндрической поверхностью вала ведомой шестерни, при этом образующие скруглений должны быть параллельны оси золотникового плунжера, ширина скруглений должна соответствовать ширине паза, а радиус ρ скруглений должен определяться соотношением:
0<ρ≤R-h.
Выбор конкретных величин радиусов скруглений из указанного диапазона является предметом оптимизации под конкретное техническое задание.
Таким образом, выполнение пазов на внешних цилиндрических поверхностях валов ведомых шестерен с двумя скруглениями (по одному с каждой стороны паза) уменьшает длину плоских поверхностей площадок пазов и исключает углы в местах соединения плоских поверхностей площадок пазов и наружных цилиндрических поверхностей валов ведущих шестерен насоса, провоцирующие возникновение как локальных вихревых возмущений рабочей жидкости в зонах дроссельных окон, так и дополнительные смещения части потоков рабочей жидкости в направлении к осям дроссельных окон, в результате которых "ножевой" эффект ослабляется. Это позволяет повысить стабильность работы и чувствительность электрогидравлического усилителя рулевой машины за счет увеличения гидродинамической силы, действующей на ее золотниковые плунжеры, и уменьшения действия факторов, влияющих на нестабильность.
Источники информации
1. Патент РФ №2034747.
2. Патент РФ №2293687.
3. Патент РФ №2131827 (прототип).