ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ КОНТУР ПРИВОДА УСИЛЕНИЯ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ И АВТОТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО, ОБОРУДОВАННОЕ ТАКИМ КОНТУРОМ
STEERING HYDRAULIC DRIVE BOOSTER AND VEHICLE EQUIPPED THEREWITH

Настоящее изобретение относится к гидравлическому контуру привода усиления рулевого управления для автотранспортного средства.
Областью применения изобретения являются системы рулевого управления автотранспортных средств с гидроусилителем для обеспечения маневрирования управляемыми колесами при помощи рулевого колеса, вращаемого пользователем.
Обычно автотранспортное средство содержит рулевую колонку, которая приводится в действие рулевым колесом и которая при помощи зубчатой передачи должна перемещать поступательным движением зубчатую рейку, механически соединенную с колесами для их поворота в нужном направлении.
При усилии вращения рулевой колонки приводится в действие стержень распределительного гидравлического клапана. Этот клапан гидравлически соединен с силовым цилиндром, соединенным в поступательном движении с зубчатой рейкой для создания на ней дополнительного усилия, действующего в направлении, совпадающем с направлением поворота рулевой колонки.
Иногда во время поворачивания колес система рулевого управления подвергается влиянию явления вибрации или биения (на английском языке: ripple), которое порождает неустойчивость, ощущаемую пользователем.
Это явление появляется, в частности, во время фазы маневров парковки при определенном сцеплении с землей.
В предшествующем уровне техники иногда полагают, что проблема действительно существует, но биение является допустимым для пользователя, поэтому для его устранения не предлагалось никакого технического решения.
В других случаях делались попытки уменьшить биение, внося изменения в гидравлический контур путем добавления и/или исключения гибких и/или жестких частей трубопровода, но без какой-либо специальной методологии. Разумеется, это приводит к существенным затратам времени на доводку.
Задачей настоящего изобретения является создание гидравлического контура привода усиления рулевого управления, который позволяет устранить недостатки известных технических решений и эффективно уменьшает явление неустойчивости при повороте колес.
В этой связи первым объектом настоящего изобретения является гидравлический контур привода усиления рулевого управления для автотранспортного средства, при этом контур содержит, по меньшей мере, один вход подачи команды управления и, по меньшей мере, один выход гидравлической жидкости, при этом выход предназначен для подачи давления гидравлической жидкости на силовой гидроцилиндр усиления рулевого управления для приведения в действие ходовой части транспортного средства, соединенной с силовым цилиндром, в зависимости от команды управления, полученной на входе,
при этом контур содержит:
- насос подачи гидравлической жидкости под давлением,
- по меньшей мере, одну первую магистраль гидравлической жидкости высокого давления и, по меньшей мере, одну вторую магистраль гидравлической жидкости,
- распределительный клапан гидравлической жидкости, содержащий первый и второй входы подачи гидравлической жидкости, соединенные соответственно с насосом через первую и вторую магистрали, и, по меньшей мере, один дополнительный вход, который соединен с выходом, при этом клапан имеет сечение прохождения гидравлической жидкости между дополнительным входом и первым или вторым входами, которое меняется в зависимости от команды, поступающей на вход,
характеризующийся тем, что
на первой магистрали высокого давления предусмотрено средство сужения сечения прохождения гидравлической жидкости.
Согласно другим особенностям настоящего изобретения:
- средство сужения выполнено в виде локального элемента сужения проходного сечения первой магистрали высокого давления перед первым входом клапана, при этом первая магистраль высокого давления содержит мягкий трубопровод для гидравлической жидкости с объемом расширения, превышающим установленное значение, между элементом сужения и насосом;
- элемент сужения выполнен между выходным концом первой магистрали высокого давления, удаленным от насоса, и первым входом клапана;
- для ходовой части с динамикой, в которой первый порядок соответствует первому асимметричному режиму ходовой части с определенной собственной частотой, средство сужения выбирают таким образом, чтобы функция передачи давления выхода по отношению к командному сигналу на входе имела общий сдвиг по фазе, по меньшей мере, 20° по абсолютной величине на этой собственной частоте первого асимметричного режима ходовой части;
- для ходовой части с динамикой, в которой первый порядок соответствует первому асимметричному режиму ходовой части с определенной собственной частотой, средство сужения добавляет для этой собственной частоты первого асимметричного режима системы положительное значение сдвига фазы функции передачи давления выхода по отношению к командному сигналу на входе;
- добавленное положительное значение сдвига фазы средства сужения превышает или равно 60° на этой собственной частоте первого асимметричного режима ходовой части;
- для ходовой части с динамикой, в которой первый порядок соответствует первому асимметричному режиму ходовой части с определенной собственной частотой, средство сужения выбирают таким образом, чтобы функция передачи давления выхода по отношению к командному сигналу на входе имела ноль частоты, меньшей этой собственной частоты первого асимметричного режима ходовой части;
- частота нуля функции передачи равна одной трети собственной частоты первого асимметричного режима ходовой части;
- для двухступенчатого силового цилиндра предусмотрен первый выход для подачи давления гидравлической жидкости на первую сторону поршня силового цилиндра и второй выход для подачи давления гидравлической жидкости на вторую сторону поршня силового цилиндра, противоположную первой стороне;
- клапан содержит:
- третий вход, соединенный с первым выходом,
- четвертый вход, соединенный со вторым выходом,
- первую ветвь канала гидравлической жидкости, связанную с первым сужением проходного сечения, между третьим входом и первым входом,
- вторую ветвь канала гидравлической жидкости, связанную со вторым сужением проходного сечения, между третьим входом и вторым входом,
- третью ветвь канала гидравлической жидкости, связанную с третьим сужением проходного сечения, между четвертым входом и первым входом,
- четвертую ветвь канала гидравлической жидкости, связанную с четвертым сужением проходного сечения, между четвертым входом и вторым входом,
при этом сечение прохождения гидравлической жидкости первого и четвертого сужений или сечение прохождения гидравлической жидкости второго и третьего сужений являются функцией команды, подаваемой на вход.
Другим объектом настоящего изобретения является автотранспортное средство, содержащее рулевое колесо, соединенное через рулевую колонку с зубчатой рейкой для управления перемещением зубчатой рейки, соединенной с ходовой частью для поворота управляемых колес, соединенных с этой ходовой частью,
при этом зубчатая рейка соединена, по меньшей мере, с одним силовым гидравлическим цилиндром усиления перемещения зубчатой рейки,
при этом транспортное средство оборудовано гидравлическим контуром привода усиления рулевого управления в соответствии с вышеизложенным,
при этом предусмотрено средство для подачи, в зависимости от поворота рулевой колонки, команды управления на вход гидравлического контура привода усиления рулевого управления,
при этом силовой цилиндр соединен с выходом гидравлического контура для получения от него давления гидравлической жидкости для приведения в действие силового цилиндра с целью перемещения зубчатой рейки согласно команде управления.
Настоящее изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве неограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых представлено следующее:
фиг.1 - модульная схема рулевого управления автотранспортного средства с усилением от гидравлического контура в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.2 - эквивалентная схема усиленного рулевого управления и его приводного гидравлического контура в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.3 - эквивалентная схема гидравлического контура привода усиления рулевого управления из предшествующего уровня техники;
фиг.4 - эквивалентная схема гидравлического контура привода усиления рулевого управления в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.5 - диаграмма, показывающая модуль функции передачи выхода приводного гидравлического контура в дБ по оси ординат согласно частоте в герцах по оси абсцисс, в техническом решении, показанном на фиг.3;
фиг.6 - диаграмма, показывающая фазу функции передачи выхода приводного гидравлического контура в дБ по оси ординат согласно частоте в герцах по оси абсцисс, в техническом решении, показанном на фиг.3;
фиг.7 - диаграмма, показывающая модуль функции передачи выхода приводного гидравлического контура в дБ по оси ординат согласно частоте в герцах по оси абсцисс, в примере выполнения настоящего изобретения;
фиг.8 - диаграмма, показывающая фазу функции передачи выхода приводного гидравлического контура в дБ по оси ординат согласно частоте в герцах по оси абсцисс, в примере выполнения настоящего изобретения.
Как показано на фиг.1, автотранспортное средство содержит рулевое колесо 1, поворачивающее рулевую колонку 2, зацепленную своим концом 3 с зубчатой рейкой 4, входящей в состав ходовой части 5 транспортного средства. Эта ходовая часть 5 обеспечивает связь с землей управляемых колес транспортного средства, которые обычно являются двумя колесами, правым и левым, на передней оси. Обычно эта ходовая часть 5 содержит с каждой из своих сторон, правой и левой, узел 5а, 5b, содержащий следующие элементы: нижний рычаг, образованный нижним треугольником, шаровую опору для подшипника колеса, амортизатор, при этом нижний рычаг соединен с кузовом транспортного средства при помощи упругих соединений, что само по себе известно.
Для поворачивания колес зубчатую рейку 4 необходимо перемещать поступательным движением в боковом направлении ширины транспортного средства, то есть вправо или влево. Для этого, учитывая, что момент CPL вращения, прикладываемый пользователем к рулевой колонке 2 через рулевое колесо 1, является относительно слабым, на зубчатой рейке 4 закреплен силовой цилиндр 6 для усиления ее перемещения поступательным движением в направлении, соответствующем повороту колонки 2, вправо или влево. Силовой цилиндр 6 является, например, двухступенчатым цилиндром, содержащим поршень 60, выполненный заодно со штоком 61, который соединен с зубчатой рейкой 4 в точке крепления 40 и который выполнен с возможностью перемещения вправо или влево в неподвижном корпусе 6 с в зависимости от того, действует ли большее давление гидравлической жидкости с его левой или правой противоположной стороны. Силовой цилиндр 6 содержит первую правую гидравлическую камеру 6а, питаемую гидравлической жидкостью через патрубок 61 на первом выходе 71 для создания усилия на первую правую сторону поршня 60, а также вторую левую гидравлическую камеру 6b, питаемую гидравлической жидкостью через второй патрубок 62 на втором выходе 72 для создания усилия на вторую левую сторону поршня 60, противоположную первой правой стороне, при этом выходы 71, 72 выполнены, например, в виде каналов.
Рулевая колонка 2 приводит также в действие через стержень 8 распределительный клапан 9 гидравлической жидкости между первым и вторым выходами 71, 72. Клапан 9 содержит первый вход 91, соединенный со стороной высокого давления насоса 10 гидравлической жидкости через первую магистраль 11 высокого давления, второй вход 92, соединенный со стороной низкого давления насоса 10 через вторую магистраль 12 низкого давления, вход 93 гидравлической жидкости, соединенный с первым патрубком 61 через первый выход 71, и вход 94 гидравлической жидкости, соединенный со вторым патрубком 62 через второй выход 72. Со своей стороны низкого давления насос 10 соединен с резервуаром 15 гидравлической жидкости. Насос 10 связан с ограничителем 13 давления. Гидравлический насос 10 приводится во вращение посредством ременной передачи двигателем внутреннего сгорания автотранспортного средства. Клапан 9 содержит:
- между входами 91 и 94 - ветвь прохождения гидравлической жидкости, связанную с сужением 95 проходного сечения,
- между входами 91 и 93 - ветвь прохождения гидравлической жидкости, связанную с сужением 96 сечения прохождения гидравлической жидкости,
- между входами 94 и 92 - ветвь прохождения гидравлической жидкости, связанную с сужением 97 сечения прохождения гидравлической жидкости,
- между входами 93 и 92 - ветвь прохождения гидравлической жидкости, связанную с сужением 98 сечения прохождения гидравлической жидкости.
В клапане 9 сужения 96 и 97, расположенные на противоположных ветвях, управляются одинаково через вход 99 управления. Кроме того, два других сечения 95 и 98 изменяются одинаково. Давление гидравлической жидкости на выходе 71, 72 меняется в зависимости от командного сигнала, подаваемого на вход 99. Проходные сечения сужений 96 и 97 напрямую зависят от углового перемещения, создаваемого торсионным стержнем 8. Это перемещение представляет собой угловое смещение между кожухом и вращающимся золотником клапана 9. Вход управления 99 образован торсионным стержнем клапана 9 для изменения проходного сечения между дополнительным входом 93, 94 и первым или вторым входами 91, 92.
Таким образом, когда командный сигнал, подаваемый на вход 99 управления, соединенный с торсионным стержнем 8, достигает проходного сечения гидравлической жидкости, меньшего на сужениях 95 и 98, чем на двух других сужениях 96 и 97 клапана 9, от входа 91 на первый выход 71 гидравлическая жидкость поступает с гораздо большим давлением, чем на второй выход 72, что приводит к перемещению поршня 60 и штока силового цилиндра 6 в сторону левой части 5b ходовой части 5.
И, наоборот, когда командный сигнал, подаваемый на вход 99 управления через стержень 8, увеличивает проходное сечение сужений 95 и 98 по сравнению с двумя другими сужениями 96 и 97, от входа 91 высокого давления на первый выход 71 подается давление, меньшее, чем на второй выход 72, что приводит к перемещению поршня 60 и штока силового цилиндра 6 в сторону правой части 5а ходовой части 5.
Как показано на фиг.1, на вход 99 управления клапана 9 в качестве командного сигнала поступает угловое смещение Δθ стержня 8 между вращающимся золотником, обозначенным знаком -, и кожухом, обозначенным знаком +, клапана 9.
На фиг.2 показано, что создание дополнительного усилия силовым цилиндром 6 получают в результате сочетания механики (рулевое колесо 1, рулевая колонка 2, зубчатая рейка 4, ходовая часть 5, торсионный стержень 8 и момент CPL, прикладываемый водителем на рулевое колесо 1) и гидравлического контура С, представленного в виде гидроусилителя. Этот гидроусилитель преобразует командный сигнал Δθ, подаваемый на вход 99 управления, в разность давления ΔР между выходами 71 и 72.
Вместе с тем явление биения является результатом локальной неустойчивости, возникающей по причине динамического поведения ходовой части 5. Динамика ходовой части 5, представленная в первом порядке ее первым асимметричным режимом, может действительно стать неустойчивой за счет связи, возникающей из-за контрреакции гидроусилителя. Эта неустойчивость порождает колебания на уровне колес, соединенных с ходовой частью 5, и рулевой колонки 2. В этом случае пользователь ощущает биения в рулевом колесе 1.
train
train
Ходовая часть 5 с управляемыми колесами имеет симметричный режим резонанса, в котором возмущение в продольном направлении транспортного средства между передней стороной и задней стороной заставляет управляемые колеса вибрировать в фазе, и первый асимметричный режим резонанса, в котором возмущение в продольном направлении транспортного средства заставляет управляемые колеса вибрировать с противоположностью фазы. Именно в этом асимметричном режиме ходовой части вибрация управляемых колес передается зубчатой рейкой 4 на рулевую колонку 2 и на рулевое колесо 1 на определенной собственной частоте f. Эта классическая частота f первого асимметричного режима ходовой части обычно равна 20 Гц. В симметричном режиме ходовая часть 5 содержит на каждом узле 5а, 5b боковой элемент жесткости kT ходовой части и пневматический боковой элемент жесткости kP с приведенной массой М подвижной части ходовой части со стороны зубчатой рейки 4.
Согласно изобретению эту неустойчивость уменьшают, адаптируя реакцию по частоте гидроусилителя.
Без технического решения в соответствии с настоящим изобретением гидроусилитель С можно представить, как на фиг.3.
Магистраль 11 высокого давления содержит мягкий трубопровод для гидравлической жидкости. В этом случае динамическое поведение гидроусилителя С выражается следующим образом:
,
где
ΔР - разность давления между камерами 6а и 6b,
а
K() - значение эквивалентного сужения клапана вокруг рабочей точки,
a
0
K() - значение эквивалентного сужения клапана в рабочей точке,
k - общее расширение мягких трубок магистрали 11 высокого давления, обозначенное на фигурах позицией 16.
0
ΔP - постоянная давления.
train
Поведение соответствует поведению фильтра низких частот первого порядка (20 дБ/декада, сдвиг фазы -90°). Граничная круговая частота фильтра выражается как . Она является функцией точки тока. С точки зрения устойчивости, когда поведение этого фильтра интегрируют в контур контрреакции, наиболее критический случай соответствует статическому коэффициенту усиления и граничной частоте, при которой на собственной частоте f асимметричного режима ходовой части этот коэффициент усиления превышает 1 и сдвиг фазы является максимальным (то есть близким к -90° для этого типа фильтра). В этот момент риск неустойчивости является максимальным. Если возникает неустойчивость, явление будет ощущаться пользователем, как колебание рулевого колеса с частотой, близкой к частоте асимметричного режима ходовой части.
Как показано на фиг.1 и 4, изобретением предусмотрено средство 20 сужения проходного сечения гидравлической жидкости на магистрали 11 высокого давления между насосом 10 и первым входом 91 распределительного клапана 9. Сужение 20 калибруют по определенному значению.
В этом случае динамическое поведение гидроусилителя изменяется согласно следующей функции передачи между выходами 71, 72 и входом 99:
,
r
где K является значением дополнительного сужения проходного сечения гидравлической жидкости средства 20 на магистрали 11 высокого давления между насосом 10 и первым входом 91 распределительного клапана 9.
Поведение представляет собой поведение фильтра с отставанием по фазе, граничные частоты которого выражаются:
- для нуля:
- и для полюса:  при
r
train
Преимуществом этой структуры является возможность выбора сужения K, чтобы гидроусилитель не имел сдвига по фазе на частотах, близких к частоте f асимметричного режима ходовой части. Для этого можно, например, выбрать
train
train
, то есть , где ω=2·П·f.
Как показано на фиг.5-8, ||ΔP|| представляет собой модуль функции передачи гидроусилителя С, φ обозначает фазу этой функции передачи, и f обозначает частоту.
train
На фиг.5 и 6 показан случай гидравлического контура из предшествующего уровня техники, в котором среднее значение ΔР составляет 40 бар. Как показано на фиг.5 и 6, на частоте f асимметричного режима ходовой части, равной 20 Гц, коэффициент усиления ||ΔP|| составляет еще 15 дБ и фаза φ равна -80°.
r
train
train
На фиг.7 и 8 показан пример сужения K, выполненного на входе распределительного клапана для коррекции фазы гидроусилителя на частоте f асимметричного режима ходовой части, равной 20 Гц, для сравнения с фиг.5 и 6. Как показано на фиг.7 и 8, на частоте f асимметричного режима ходовой части, равной 20 Гц, коэффициент усиления ||ΔP|| составляет 28 дБ и фаза φ равна -10°.
r
train
p1
train
Положение сужения 20 определяет расширение мягких трубок, которое необходимо учитывать (значение параметра k). Другими словами, если необходимо достичь максимального рассеяния энергии на границах сужения K на частоте f, равной частоте f асимметричного режима ходовой части, необходимо разместить сужение 20, чтобы параметр k (расширение трубок на входе сужения) был таким, чтобы граничная круговая частота  при  была намного меньше частоты указанного режима, при этом нижняя граница характеризуется доступностью для усиления (отсутствие барьерного эффекта, недостаточная динамика). Например, частота полюса ω меньше, по меньше мере, на одну декаду, чем частота f.
Как правило, это соответствует максимуму на мягком трубопроводе 16 на входе сужения 20. Сужение 20 располагают, например, непосредственно между входом 91 высокого давления и магистралью 11.
train
r
Это условие гарантирует, что рассеянная энергия зависит только от разности давления ΔР между камерами 6а, 6b на частоте f асимметричного режима ходовой части и от выбранного сужения K.
train
В варианте выполнения изобретения φ(f)≥-20°.
train
В варианте выполнения изобретения добавленное сужение 20 увеличивает сдвиг фазы на частоте f асимметричного режима ходовой части, по меньшей мере, на 60°, то есть при коррекции, обеспечиваемой дополнительным сужением 20, показанным на фиг.4, по сравнению со случаем без коррекции, показанным на фиг.3.