Автомобильный реечный рулевой механизм с переменным передаточным отношением (варианты)
AUTOMOTIVE RACK-AND-PINION STEERING MECHANISM WITH VARIABLE GEAR RATIO (VERSIONS)

Область техники.
Заявляемый результат интеллектуальной деятельности изобретение, относится к автомобильным рулевым механизмам, в частности к реечным, работающим по принципу "ведущее зубчатое колесо/шестерня - ведомая зубчатая рейка" и предназначенных для изменения положения управляемых колес относительно транспортного средства.
Уровень техники.
Из уровня техники известна зубчатая передача, которая состоит из двух колес, на поверхности которых чередуются впадины и выступы-зубья. Меньшее из двух сопряженных (сцепляющихся) колес принято называть шестерней, большее - колесом; термин "зубчатое колесо" относится к обоим колесам передачи. Существует разновидность зубчатой передачи - "шестерня и рейка" для преобразования вращательного движения шестерни в поступательное движение рейки или наоборот (Батурин А.Т. и др.; "Детали машин"; М; "Машиностроение"; 1970; с. 190-191).
На основе данной передачи известны реечные рулевые механизмы транспортных средств, где ведомая рейка кинематически связаны с управляемыми колесами, а ведущее зубчатое колесо с рулевым валом.
В процессе эксплуатации вышеуказанных механизмов выявилась потребность в переменном передаточном числе. Поскольку при маневрировании на малых скоростях целесообразно минимальное передаточное число для выполнения рулевых операций, в идеале, без перехвата руля руками, тогда как для удержания траектории автомобиля на больших скоростях оптимально большее передаточное отношение с целью удобства и безопасности вождения (https://www.studiplom.ru/Technoloqy-DVS/Variable_number.html; http://meluk.ru/rulevoe-upravlenie-s-peremennym-peredatochnym-otnosheniem-ustrojstvo-princip-dejstviya.html).
Вышеуказанные механизмы требуют большой точности изготовления, не обладают большим диапазоном изменения передаточного отношения и часто имеют затруднения, ощутимые водителем, при переходе с переменного на постоянное передаточное отношение (журнал "Авторевю" №24(667) за 2018 г.; Свид. о регистр. №013310 от 07.02.1995 г.; стр. 3-4).
Известен рулевой механизм транспортного средства, содержащий корпус, размещенную в нем рейку, установленную в подшипниках с возможностью перемещения в осевом направлении и поворота относительно оси и кинематически связанную с управляемыми колесами посредством геликоидальных зубьев, расположенных на ней, - с шестерней, соединенной с рулевым колесом, и механизм поворота рейки относительно ее оси. С целью обеспечения переменного передаточного отношения механизм поворота выполнен в виде профилированной канавки, выполненной на рейке, и толкателя, установленного в корпусе с возможностью взаимодействия с профилированной канавкой (см. описание к патенту SU 900798, МПК5 В62D 3/02, опубл. 23.01.1982).
Недостатком данного механизма является наличие трения скольжения в паре колесо-рейка при повороте последней вокруг своей оси, а также относительно небольшое изменение передаточного числа.
Известно рулевое управление "RZAO", установленное на транспортное средство, которое состоит из рулевого механизма любого типа или типа шестерня и рейка, приведенного в действие рулевым валом через колесо, передающее вращение двум эксцентричным или эллипсоидным шестерням, или двум шестерням, одна из которых эксцентричная или эллипсоидная, с помощью зубчатых реек, размещенных на двух противоположно наклоненных поверхностях - по одному варианту, или наклонной поверхности для эксцентричной или эллипсоидной шестерни и параллельной оси перемещения рейки для нормальной шестерни на другом конце рейки - по другому варианту выполнения. Шестерни, в свою очередь, передают движение с помощью своих валов к колесам посредством сошки руля, шаровых шарниров, тяг и поворотных рычагов.
Техническим результатом является обеспечение требуемой разности углов поворота управляемых колес для обеспечения катания их по своим окружностям без бокового проскальзывания независимо от применяемого типа рулевого механизма (см. описание к патенту RU 2142893, МПК С1, опубл. 20.12.1999). Данный механизм использует зубчатые передачи типа "эллиптическое колесо и сопряженная рейка" или "круглое эксцентриковое колесо и сопряженная рейка" для достижения необходимой разности поворота внутреннего и внешнего управляемого колеса, но может быть также использован для достижения переменного передаточного отношения рулевого управления при соответствующих характеристиках зубчатых передач.
Недостатком является сложность, последовательная множественность зацеплений при передаче рулевых усилий и, вытекающие из этого, потери на трение и пониженная кинематическая точность.
Наиболее близким аналогом заявляемого результата интеллектуальной деятельности является рулевой механизм транспортного средства, который включает, по меньшей мере, два закрепленных на ведущем валу зубчатых колеса, одно из которых установлено с возможностью взаимодействия с ведомым зубчатым реечным механизмом. Зубчатый реечный механизм выполнен в виде, по меньшей мере, двух реечных секторов, жестко скрепленных между собой и взаимодействующих с круглыми ведущими зубчатыми колесами.
Второе закрепленное на ведущем валу зубчатое колесо выполнено некруглым и установлено с возможностью взаимодействия с ведомым некруглым колесом, закрепленным на ведомом валу, соосно с круглым ведущим колесом. Круглые ведущие зубчатые колеса установлены с возможностью одновременного взаимодействия с соответствующими реечными секторами на диапазонах с совпадающими передаточными числами. Технический результат заключается в расширении диапазона изменения передаточного числа (см. описание к патенту RU 2268187, МПК С1, опубл. 20.01.2006).
Недостатком является сложность, последовательная множественность зацеплений при передаче рулевых усилий и, вытекающие из этого, потери на трение и пониженная кинематическая точность.
Раскрытие.
Задачей заявляемого результата интеллектуальной деятельности является устранение вышеуказанных недостатков прототипа.
Технический результат - уменьшение количества деталей, повышение кинематической точности.
Указанный результат достигается тем, что автомобильный реечный рулевой механизм с переменным передаточным отношением, включающий две различных, неподвижно закрепленных на рулевом валу ведущих шестерни, и два ведомых, неподвижно скрепленных между собой, реечных сектора, кинематически связанных с управляемыми колесами, при этом, вторая шестерня выполнена симметрично некруглой (например эллиптической), а одновременное попарное взаимодействие всех шестерен и соответствующих реечных секторов осуществляется на диапазонах с совпадающими передаточными числами.
По второму варианту автомобильный реечный рулевой механизм с переменным передаточным отношением, включающий две различных неподвижно закрепленные на рулевом валу ведущие круглые шестерни, и, по меньшей мере, два ведомых, неподвижно скрепленных между собой, реечных сектора, кинематически связанных с управляемыми колесами, при этом, вторая круглая шестерня выполнена меньшей и установлена с эксцентриситетом, а одновременное попарное взаимодействие всех шестерен и соответствующих реечных секторов осуществляется на диапазонах с совпадающими передаточными числами.
По третьему варианту автомобильный реечный рулевой механизм с переменным передаточным отношением, включающий неподвижно закрепленную на рулевом валу ведущую шестерню и взаимодействующую с ней ведомый зубчатый сектор, кинематически связанный с управляемыми колесами, при этом, шестерня выполнена симметрично некруглой, например эллиптической.
По четвертому варианту автомобильный реечный рулевой механизм с переменным передаточным отношением, включающий неподвижно закрепленную на рулевом валу ведущую круглую шестерню и взаимодействующий с ней ведомый зубчатый сектор, кинематически связанный с управляемыми колесами, при этом, круглая шестерня установлена на рулевом валу с эксцентриситетом.
В третьем и четвертом вариантах рабочий диапазон рулевого механизма равен 360 град. (+/-180 град.), либо большим, но уже с последующим обратным изменением передаточного отношения и далее периодично.
Кроме того, автомобильный реечный рулевой механизм с переменным передаточным отношением по первому варианту может быть выполнен так, что в паре "круглая ведущая зубчатая шестерня -ведомая рейка" в реечном секторе отсутствуют взаимодействующие зубья в диапазоне с несовпадающими передаточными числами с другой парой "некруглая симметричная шестерня - ведомая рейка", а в рейке, взаимодействующей с некруглой симметричной шестерней, зубья выполнены в диапазоне не более +/-180 град, поворота сопряженной шестерни.
Кроме того, автомобильный реечный рулевой механизм с переменным передаточным отношением по второму варианту может быть выполнен так, что в паре "большая круглая ведущая шестерня - ведомая рейка" в реечном секторе отсутствуют взаимодействующие зубья в диапазоне с несовпадающими передаточными числами с другой парой "меньшая круглая ведущая шестерня - ведомая рейка", а в рейке, взаимодействующей с меньшей круглой симметричной шестерней, зубья выполнены в диапазоне не более +/-180 град, поворота сопряженной шестерни.
Описание чертежей.
Заявляемый результат интеллектуальной деятельности в одном из своих вариантов изображен на прилагаемых изображениях.
На Фиг. 1 отображен вид сбоку заявляемого автомобильного реечного рулевого механизма с переменным передаточным отношением по второму варианту.
Позициями указаны:
- шестерня 1 меньшего размера, круглая, установленная с эксцентриситетом 6 на общем рулевом валу (условно не показан);
- реечный сектор 2 переменного вертикального профиля, взаимодействующий с шестерней 1;
- шестерня 3 круглая, большего размера, установленная совместно с шестерней 1 на общем рулевом валу (условно не показан);
- реечный сектор 4 постоянного вертикального профиля, взаимодействующий с шестерней 3;
- участок 5 реечного сектора 4 с отсутствующими зубьями для предотвращения взаимодействия с шестерней 3 при взаимодействии шестерни 1 и реечного сектора 2 переменного вертикального профиля;
- эксцентриситет 6, с которым установлена шестерня 1 на общем рулевом валу (условно не показан) совместно с шестерней 3.
Стрелками указано движение реечных секторов 2 и 4 при вращении рулевого вала и закрепленных на нем шестерней 1 и 3.
Неподвижное скрепление между собой реечных секторов 2 и 4, кинематические связи между скрепленными реечными секторами и управляемыми колесами автомобиля - на чертеже условно не показаны.
На Фиг. 2 отображен вид сверху заявляемого автомобильного реечного рулевого механизма с переменным передаточным отношением по второму варианту.
Позициями указаны:
- шестерня 1 меньшего размера, круглая, установленная на общем рулевом валу (условно показан осевой линией);
- реечный сектор 2 переменного вертикального профиля, взаимодействующий с шестерней 1;
- шестерня 3 круглая, большего размера, установленная совместно с шестерней 1 на общем рулевом валу (условно показан осевой линией);
- реечный сектор 4 постоянного вертикального профиля, взаимодействующий с шестерней 3;
- участок 5 реечного сектора 4 с отсутствующими зубьями для предотвращения взаимодействия с шестерней 3 при взаимодействии шестерни 1 и реечного сектора 2 переменного вертикального профиля;
Дополнительными осевыми линиями указаны участки с совпадающими передаточными числами, где происходит одновременное попарное взаимодействие шестерни 1 с реечным сектором 2, а также шестерни 3 с реечным сектором 4.
Стрелками указано движение реечных секторов 2 и 4 при вращении рулевого вала и закрепленных на нем шестерней 1 и 3.
Неподвижное скрепление между собой реечных секторов 2 и 4, кинематические связи между скрепленными реечными секторами и управляемыми колесами автомобиля - на чертеже условно не показаны.
Осуществление.
Осуществление заявляемого результата интеллектуальной деятельности основано на использовании работоспособного зубчатого зацепления "ведущая некруглая или эксцентричная шестерня - ведомая зубчатая рейка". Для данной передачи выполняется основная теорема зацепления, обуславливающая работоспособность, в т.ч. в ее варианте для переменного передаточного числа (Батурин А.Т. и др.; "Детали машин"; М; "Машиностроение"; 1970; с. 193-195).
Кроме того, вышеуказанная переменная зубчатая передача использована в патенте на изобретение RU 2142893 (МПК С1, опубл. 20.12.1999).
Общий профиль переменной зубчатой рейки можно рассматривать, как сумму соответствующих участков профилей под сопрягаемый участок некруглой или эксцентричной шестерни, которые образуют визуальный "горб" на рейке. Этот "горб" обеспечивает постоянство зацепления с переменным по радиусу контакта ведущим зубчатым элементом (шестерней) при его угловых вращениях.
В первом варианте автомобильный реечный рулевой механизм с переменным отношением может быть выполнен следующим образом.
На рулевом валу закреплены неподвижно две шестерни рядом друг с другом, одна из них круглая, другая симметричная некруглая, например эллиптическая. Максимальный радиус некруглой шестерни равен радиусу круглой шестерни и на этих совпадающих радиусах зацепления обе шестерни одновременно взаимодействуют со своими ведомыми реечными секторами. В других диапазонах (и соответствующих угловых положениях шестерен) происходит кинематическое взаимодействие либо через одну, либо через другую пару "шестерня - рейка". При прямом положении управляемых колес и центральном положении рулевого колеса механическая связь последовательно осуществляется: "рулевой вал - некруглая шестерня в месте своего минимального радиуса зацепления - наивысшая точка переменного реечного сектора - тяги к управляемым колесам автомобиля". Зацепление круглой шестерни со своим реечным сектором не происходит из-за отсутствия в этом месте на нем зубьев или выгиба реечного сектора в сторону от шестерни. В этом положении обеспечивается наибольшее передаточное отношение рулевого механизма. При повороте рулевого колеса и, соответственно, рулевого вала происходит поворот некруглой шестерни с увеличением радиуса зацепления и, соответственно, уменьшения передаточного отношения с ростом ведомой угловой скорости поворота управляемых колес. При повороте некруглой шестерни на углы близкие к +/-180 град, происходит зацепление второй пары "круглая шестерня - рейка", при этом в данном положении передаточные отношения пар одинаковы. Для идентичного по параметрам одновременного зацепления на данных участках обеих шестерен и реек зубья выполнены с одинаковым модулем, размерностью и расположением. Т.е., в случае прямозубого исполнения в диапазоне совпадающих передаточных отношений зубья реек одинаковы между собой и расположены на одной оси, также как и соответствующие им зубья обеих шестерен между собой.
При дальнейшем повороте рулевого вала некруглая шестерня выходит из зацепления со своим реечным сектором, а круглая шестерня продолжает взаимодействовать с постоянным передаточным отношением со своей рейкой.
По второму варианту автомобильный реечный рулевой механизм с переменным отношением может быть выполнен следующим образом.
На рулевом валу закреплены неподвижно две шестерни рядом друг с другом, одна из них круглая большего размера 3, другая шестерня 1 также круглая, но меньшего размера и установленная с эксцентриситетом е (позиция на чертеже 6). При этом соблюдается соотношение R=r+e, где R радиус большей круглой шестерни 3, r радиус меньшей круглой шестерни 1, а е эксцентриситет установки меньшей шестерни на общем ведущем валу (условно указан осевой линией на Фиг. 2). При таком соотношении максимальный радиус зацепления круглой эксцентричной шестерни 1 равен радиусу зацепления большей круглой шестерни 3 и на этих совпадающих радиусах обе шестерни одновременно взаимодействуют со своими ведомыми реечными секторами (позиции на чертеже 2 и 4; участки одновременного взаимодействия указаны на Фиг. 2 осевыми линиями). Для реализации диапазона изменения передаточного отношения 1,5, т.е. в околонулевом положения рулевого колеса передаточное отношение равно 3, а в крайних равно 2 (или, например, соответственно: 2,4 и 1,6) - получаем соотношение радиусов зацеплений шестерен R/(r-e)=1,5. Решая его совместно с вышеприведенным соотношением R=r+e, находим результат для соотношения радиусов шестерен: R=1,2r. Например, диаметр большей круглой шестерни 3 равен 96 мм. Тогда диаметр меньшей шестерни 1 равен 80 мм, и она установлена на общем ведущем рулевом валу с эксцентриситетом (сдвигом от своего центра; позиция на чертеже 6) 8 мм.
В других диапазонах (и соответствующих угловых положениях шестерен) происходит кинематическое взаимодействие либо через одну, либо через другую пару "шестерня - рейка". При прямом положении управляемых колес и центральном положении рулевого колеса, механическая связь последовательно осуществляется "рулевой вал - эксцентричная круглая шестерня в месте своего минимального радиуса зацепления - наивысшая точка переменного реечного сектора - тяги к управляемым колесам автомобиля". Зацепление большей круглой шестерни со своим реечным сектором не происходит из-за отсутствия в этом месте на нем зубьев или выгиба реечного сектора в сторону от шестерни. В этом положении обеспечивается наибольшее передаточное отношение рулевого механизма. При повороте рулевого колеса и, соответственно, рулевого вала происходит поворот эксцентричной круглой шестерни с увеличением радиуса зацепления и, соответственно, уменьшения передаточного отношения с ростом ведомой угловой скорости поворота управляемых колес. При повороте эксцентричной круглой шестерни на углы близкие к +/-180 град, происходит зацепление второй пары "круглая шестерня - рейка", при этом, в данном положении передаточные отношения пар одинаковы.
Для идентичного по параметрам одновременного зацепления на данных участках обеих шестерен зубья выполнены с одинаковым модулем, размерностью и расположением. Т.е., например в случае использования прямозубого зацепления в диапазоне совпадающих передаточных отношений зубья реек одинаковы между собой и расположены на одной оси, также как и соответствующие им зубья обеих шестерен между собой.
При дальнейшем повороте рулевого вала эксцентричная круглая шестерня выходит из зацепления со своим реечным сектором, т.к. он заканчивается, а круглая продолжает взаимодействовать с постоянным передаточным отношением со своей рейкой.
По третьему варианту автомобильный реечный рулевой механизм с переменным отношением может быть выполнен аналогично первому варианту, но только с той лишь разницей, что отсутствует вторая шестерня, которая круглая. И в этом варианте рабочий диапазон автомобильного реечного механизма будет только 360 град., т.е. +/-180 град. Либо больше, но уже с последующим обратным изменением передаточного отношения: в диапазоне +/-180 град, уменьшение передаточного отношения, затем от +/-180 град, до +/-360 град. -увеличение и т.д. периодично.
По четвертому варианту автомобильный реечный рулевой механизм с переменным отношением может быть выполнен аналогично второму варианту, но с отсутствием шестерни 3 без эксцентриситета.
И в этом варианте рабочий диапазон автомобильного реечного механизма будет только 360 град., т.е. +/- 180 град. Либо больше, но уже с последующим обратным изменением передаточного отношения: в диапазоне +/-180 град. уменьшение передаточного отношения, затем от +/-180 град. до +/-360 град. - увеличение и т.д. периодично.
Предлагаемый рулевой реечный механизм с переменным передаточным отношением также может использоваться и в других транспортных средствах для получения эксплуатационной нелинейности управляющих устройств: руль катера, яхты, гидроцикла, снегохода, квадроцикла, штурвал самолета, аэроплана и пр.
Заявляемый результат интеллектуальной деятельности соответствует критерию «промышленная применимость».