УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ШАРНИР ДЛЯ РУЛЕВОЙ КОЛОНКИ

Полезная модель относится к универсальному шарниру для соединения валов, передающих крутящий момент, в частности, в рулевых колонках автомобилей, а также к рулевой колонке, содержащей такой универсальный шарнир.
Уровень техники
Известны технологии передачи угла поворота и момента сопротивления повороту от рулевого колеса к рулевому механизму, например, реечному рулевому механизму, в рулевой колонке моторных транспортных средств. Используемые в настоящее время рулевые колонки имеют в каналах передачи шарнирные соединения, в частности, универсальные шарниры с крестовиной (шарниры Гука), для обеспечения работы даже при смещенной траектории соединения рулевой колонки. Это позволяет сделать секции рулевой колонки более короткими и компактными, следовательно, имеющими преимущества с точки зрения аварийности и приспособления к пространственным ограничениям. Однако передаточное отношение рулевой колонки в этом случае, по существу представляет собой периодическую функцию угла поворота рулевого колеса, что приводит к неравномерной передаче рулевой колонкой вращательного движения, что может быть описано с помощью передаточной функции.
Одним из известных способов является обеспечение передаточного отношения рулевого управления как для быстрого, так и для медленного отношения в центральном положении управления, либо выбор передаточного отношения таким образом, чтобы свести к минимуму общую неравномерность работы рулевой колонки. Подобные и другие требования описаны, например, в спецификации SDS-SO-0075.
В публикации патентной заявки DE 10012222 A1 от 04.10.2001 (которая может быть выбрана в качестве ближайшего аналога полезной модели) раскрыт автомобиль, имеющий рулевую систему с соединением рулевой колонки, в котором использован универсальный шарнир, передающий вращательное движение неравномерно, с переменным передаточным отношением. Рулевая колонка со стороны выхода вращает шестерню реечного рулевого механизма, при этом на переменные передаточные отношения шарнирного соединения накладывается противоположным образом меняющееся передаточное отношение между шестерней и зубчатой рейкой реечного рулевого механизма.
В маленьких легковых автомобилях более высокое (быстрое) передаточное отношение в центральном положении управления может улучшить ощущение управляемости, в частности, при движении по прямой. Однако более медленное передаточное отношение рулевого управления может способствовать улучшению управляемого поведения автомобиля, например, при движении с прицепом, в частности, для маленьких грузовых автомобилей.
В известных рулевых колонках, которые имеют традиционные универсальные шарниры в канале передачи, существуют определенные пределы адаптации передаточного отношения, поскольку передаточная функция таких рулевых колонок из-за устройства используемых универсальных шарниров имеет период в 180°. Из соображений удобства неравномерность вращательного движения рулевой колонки должна постоянно поддерживаться ниже заданного уровня во избежание нежелательных ощутимых отклонений крутящего момента, например, при парковке автомобиля. В некоторых случаях корректировка неравномерности передаточного отношения обычных рулевых колонок может также привести к высокому моменту рулевого управления в области замка рулевой колонки, что также является нежелательным.
На основании вышесказанного существует необходимость в конструкции универсального шарнира для соединения валов рулевых колонок, которая существенно расширит свободу действия при расчете передачи крутящего момента данных валов, по сравнению с известными решениями.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом полезной модели является улучшение возможностей конфигурации рулевой колонки и компенсация нежелательной неравномерности рулевого управления.
Для достижения указанного эффекта предложен универсальный шарнир для соединения валов, передающих крутящий момент, который включает в себя две шарнирные вилки, соединенные с валами и имеющие по два опорных элемента, которые задают ось шарнира, и промежуточное звено, расположенное между шарнирными вилками и имеющее две пары ответных опорных элементов для попарного взаимодействия с опорными элементами шарнирных вилок. При этом по меньшей мере одна ось шарнира образует угол с соответствующей продольной осью вала, величина которого отклоняется по модулю от прямого угла менее чем на 10°.
Каждая пара ответных опорных элементов промежуточного звена задает опорную ось, и эти опорные оси пересекаются под прямым углом, под острым углом или под тупым углом.
Каждый ответный опорный элемент промежуточного звена может представлять собой опорную шейку, а каждый опорный элемент вилки представляет собой отверстие для соответствующей опорной шейки.
Таким образом, обеспечивают универсальный шарнир, имеющий передаточную функцию с периодом в 360°, как более подробно рассмотрено ниже, вследствие чего предложенный универсальный шарнир имеет совершенно новые возможности конфигурации без увеличения требуемого конструктивного пространства по сравнению с традиционным универсальным шарниром.
В другом аспекте полезная модель относится к рулевой колонке для транспортного средства, которая содержит по меньшей мере два вала, передающих крутящий момент и соединенных друг с другом с помощью вышеописанных универсальных шарниров.
Краткое описание чертежей
Другие предпочтительные подробности и функции предложенного решения далее более подробно рассматриваются со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых отражен один из примеров реализации.
Фиг. 1 представляет собой общий вид сбоку части рулевой колонки, известной из уровня техники,
Фиг. 2 представляет собой общий вид сбоку разобранного универсального шарнира, известного из уровня техники,
Фиг. 3 представляет собой вид сбоку и геометрический вид универсального шарнира с Фиг. 2, известного из уровня техники, в собранном состоянии,
Фиг. 4 представляет собой вид сбоку и геометрический вид предложенной конструкции универсального шарнира,
На Фиг. 5 приведена первая диаграмма, на которой изображен принцип действия рулевой колонки с предложенным универсальным шарниром,
На Фиг. 6 приведена вторая диаграмма, на которой изображен принцип действия рулевой колонки с предложенным универсальным шарниром.
На разных фигурах одинаковые детали имеют ссылочные позиции с одинаковыми номерами, поэтому они описываются в тексте только один раз.
Осуществление полезной модели
На Фиг. 1 показан общий вид секции рулевой колонки 1, известной из уровня техники. Изображенная часть рулевой колонки включает в себя вал 2, передающий крутящий момент, осевые концы которого соединены традиционными универсальными шарнирами 3 и 4, известными из уровня техники. Показанная на Фиг. 1 часть рулевой колонки предназначена для передачи известным способом вращательных движений не показанного на Фиг. 1 рулевого колеса также не показанному рулевому механизму, например, реечному рулевому механизму. Для этого рулевое колесо соединено, например, через другой, не показанный на Фиг. 1 вал с шарнирной вилкой 5 показанного на Фиг. 1 верхнего универсального шарнира 3, а входная сторона рулевого механизма - с шарнирной вилкой 5 показанного на Фиг. 1 нижнего универсального шарнира 4. Выходная сторона рулевого механизма соединяется известным способом, например, через систему рулевых тяг, с поворачиваемыми колесами автомобиля, вследствие чего управляющие воздействия, создаваемые водителем автомобиля при помощи рулевого колеса, передаются через рулевую колонку и рулевой механизм на колеса. Рулевая колонка 1 может включать в себя в зависимости от требований одну или несколько показанных на Фиг. 1 секций рулевой колонки.
Универсальные шарниры 3 и 4 обеспечивают работу рулевой колонки при смещении траектории, что позволяет сделать секции рулевой колонки более короткими, компактными, следовательно, имеющими преимущества с точки зрения аварийности и приспособления к пространственным ограничениям. Однако передаточная функция вращательного движения универсального шарнира, соединяющего два вала друг с другом, сильно зависит от угла наклона универсального шарнира. В целом, неравномерность передачи вращательного движения универсальным шарниром с одного на другой вал возрастает с увеличением угла наклона.
Как можно увидеть на Фиг. 1, универсальные шарниры 3 и 4 имеют по две шарнирные вилки 5 и 6. Каждая из показанных на Фиг. 1 шарнирных вилок 5, 6 имеет по одной паре опорных элементов 7 в виде опорных отверстий, при этом каждая пара опорных элементов 7 или опорных отверстий задает шарнирную ось 8 или 9, как это можно отчетливо увидеть на Фиг. 2, где показан пример универсального шарнира 3 в общем виде в разобранном состоянии. На Фиг. 2 также видно, что вал 2 имеет продольную ось 10, а соединенный на Фиг. 2 с шарнирной вилкой 5 вал 11 имеет соответствующую продольную ось 12.
Также на Фиг. 2 можно увидеть в универсальном шарнире 3 промежуточное звено 13, расположенное между шарнирными вилками 5 и 6, имеющее две пары дополняющих опорных элементов 14 в форме опорной шейки под подшипник. В собранном универсальном шарнире 3 опорные элементы 7 или опорные отверстия 7 шарнирных вилок 5 и 6 попарно взаимодействуют с ответными опорными элементами 14 или опорными шейками, вследствие чего шарнирные вилки 5 и 6 через промежуточное звено 13 соединяются друг с другом. Как можно также увидеть на Фиг. 2, оси 8 и 9 известного универсального шарнира 3 образуют прямые углы с соответствующими продольными осями 12 или 10. Кроме того, оси 8 и 9 и продольные оси 10 и 12 в собранном универсальном шарнире 3 пересекаются в одной точке.
Каждая пара ответных опорных элементов или шеек 14 имеет не показанную на Фиг. 2 опорную ось. Опорные оси соответствуют продольным осям шеек 14.
На Фиг. 3 показан вид сбоку (верхнее изображение) и геометрический вид (нижнее изображение) показанного на Фиг. 2 универсального шарнира 3 в собранном состоянии. Как можно увидеть, опорные оси промежуточного звена 13, задаваемые опорными шейками 14, в собранном универсальном шарнире 3 совпадают с шарнирными осями 8 и 9, задаваемыми шарнирными вилками 5 и 6. Кроме того, в известном универсальном шарнире 3, как отчетливо видно на Фиг. 2, опорные оси промежуточного звена 13 пересекаются под прямым углом, то есть около 90°. Аналогично под прямым углом пересекаются шарнирные оси 8 и 9 показанного на Фиг. 3 известного универсального шарнира 3. Также, как было сказано ранее, продольные оси 10 и 12 в универсальном шарнире 3 также образуют прямой угол с соответствующей шарнирной осью 9 или 8.
Постоянная скорость вращения, например, на валу 11, будет неравномерно передаваться на вал 2 универсальным шарниром 3 в соответствии с углом наклона, образуемым между продольными осями 12 и 10. Передаточная функция скорости вращения является нелинейной функцией, зависящей преимущественно от угла поворота вала 11 и угла наклона между валами 11 и 2. Передаточная функция в показанном на Фиг. 2 и 3 известном универсальном шарнире 3 имеет период угла поворота в 180°. Это значит, что характеристики передаточной функции после полуоборота вала 11 (180°) снова будут повторяться после оборота на 180°.
Поскольку, как показано на Фиг. 1, рулевая колонка может иметь два или более универсальных шарниров и, следовательно, несколько передающих крутящий момент валов, для воздействия на общую передаточную функцию рулевой колонки может быть использовано ориентирование угла отдельных секций рулевой колонки. Например, может быть поставлена цель сократить неравномерность общей передаточной функции рулевой колонки или обеспечить управление с более высоким или низким передаточным отношением в центральном положении, то есть при движении автомобиля по прямой. Однако подобные вариации ограничены по причине периода в 180° для передаточной функции известных универсальных шарниров.
На Фиг. 4 показан вид сбоку (верхнее изображение) и геометрический вид (нижнее изображение) предложенного универсального шарнира 15. Универсальный шарнир 15 отличается от показанного на Фиг. 3 универсального шарнира 3 по существу другим типом шарнирной вилки 16. Шарнирная вилка 16 аналогично шарнирной вилке 5 универсального шарнира 3 имеет пару опорных элементов в виде опорных отверстий (не показаны на Фиг. 4), определяющих шарнирную ось 17, расположенную под углом ψ к шарнирной оси 8 универсального шарнира 15 в плоскости чертежа. Шарнирная ось 9 на примере, показанном на Фиг. 4, напротив, остается неизменной по сравнению с показанным на Фиг. 3 универсальным шарниром 3. Аналогичным образом, две пары ответных опорных элементов 14 в форме опорных шеек также образуют показанное на Фиг. 2 промежуточное звено 13, через которое шарнирные вилки 16 и 6 соединяются друг с другом.
Благодаря наклону шарнирной оси 17 предлагаемого универсального шарнира 15 образуется острый угол α или тупой угол β (в зависимости от точки зрения) между шарнирной осью 17 и продольной осью 12.
Благодаря наклону шарнирной оси 17 на угол ψ относительно шарнирной оси 8 известного универсального шарнира 3, передаточная функция предлагаемого универсального шарнира 15 имеет периодичность в 360°, превышающую периодичность традиционного универсального шарнира на 180°. Другими словами, характеристики передаточной функции предлагаемого универсального шарнира 15 будут повторяться только после полного поворота на 360°.
На нижнем рисунке на Фиг. 4 видно, что отрезок M-C проходит перпендикулярно плоскости, образуемой точками А, М и В, далее обозначаемой также как плоскость A-M-B. Точка B′ лежит в плоскости A-M-B, поэтому отрезок M-C проходит перпендикулярно отрезку М-В, а также перпендикулярно отрезку M-B′. Точка B′ получается при перемещении точки В вокруг отрезка M-C на угол ψ. В вышеприведенном описании плоскость A-M-B расположена в плоскости Фиг. 4. Отрезок M-B указывает направление шарнирной оси 8 известного универсального шарнира 3 с Фиг. 3, а отрезок M-B′ указывает направление шарнирной оси 17 предлагаемого универсального шарнира 15 с Фиг. 4.
На Фиг. 5 показана первая диаграмма, иллюстрирующая принцип действия рулевой колонки, имеющей по меньшей мере один универсальный шарнир согласно полезной модели. По оси абсцисс отложен угол поворота от -360° до 360°. По оси ординат отложено общее передаточное отношение рулевой колонки. Первый график 18 диаграммы с Фиг. 5 показывает параметры рулевой колонки с высоким передаточным отношением при движении по прямой или в центральном положении (около 0°). Вторая возможная конфигурация данной рулевой колонки с неравномерностью передаточной функции передаточного отношения в 360° показана на втором графике 19. Как видно на Фиг. 5, высокое передаточное отношение рулевого управления согласно кривой 19 достигается в преимущественно большем диапазоне углов поворота вокруг центрального положения (0°) по сравнению с кривой 18. Также для кривой 19 колебание крутящего момента по сравнению с кривой 18 меньше по всему диапазону углов поворота, причем вариант с кривой 19 менее чувствителен к асимметрии (смещение кривой 19 параллельно оси абсцисс). С другой стороны, при конфигурации рулевой колонки в соответствии с кривой 19 может быть допущена большая неравномерность общей передаточной функции с достижением более высокого передаточного отношения в центральном положении.
С помощью предлагаемого универсального шарнира также может быть достигнута прямо противоположная ситуация с медленным передаточным отношением рулевого управления в центральном положении рулевой колонки, что, например, будет предпочтительным для маленьких грузовиков с точки зрения улучшения управляемости при движении с прицепом.
В целом, возможности конфигурации рулевой колонки с применением предлагаемых универсальных шарниров могут быть существенно улучшены благодаря обеспечению 360-градусной неравномерности передаточной функции управляющего воздействия.
В некоторых случаях, например, в спортивных машинах, для повышения маневренности будет желательным высокое передаточное отношение рулевого управления при отклонении от центрального положения рулевой колонки, при этом передаточное отношение рулевого управления в центральном положении должно находиться в пределах заданного диапазона. На Фиг. 6 представлен такой вариант, где показан принцип действия рулевой колонки, имеющей по меньшей мере один универсальный шарнир 15 согласно настоящей полезной модели. Кривая 20 на Фиг. 6 отображает общее передаточное отношение (ось ординат) рулевой колонки при изменении угла поворота, показанного на оси абсцисс, без универсального шарнира согласно полезной модели, а кривая 21 отображает общее передаточное отношение рулевой колонки с по меньшей мере одним универсальным шарниром согласно полезной модели. Как можно легко заметить, кривая 21 отображает конфигурацию рулевой колонки с низким передаточным отношением в пределах центрального положения 22, при этом хорошая маневренность (высокое передаточное отношение) автомобиля задана областью маневрирования 23. В области 24 замка рулевой колонки передаточное отношение снова увеличивается, вследствие чего в данной области требование к поддержке момента сопротивления повороту может быть предпочтительно уменьшено.
Во всех описанных выше вариантах реализации предложенной конструкции универсального шарнира значение острого или тупого угла α или β не отклоняется от прямого угла по модулю более чем на 10°, при этом рассматриваемая рулевая колонка должна иметь сверху или снизу по меньшей мере один предлагаемый универсальный шарнир (аналогично изображению с Фиг. 1).
В других вариантах, когда центр тяжести рулевой колонки находится за пределами ее оси вращения, при периоде в 360° могут наблюдаться нежелательные колебания крутящего момента. Благодаря предложенной конструкции универсального шарнира, имеющего также период в 360°, подобная нежелательная неравномерность рулевой колонки может быть также компенсирована.
Вышеописанный универсальный шарнир не ограничивается рассмотренными выше вариантами реализации и может включать в себя другие варианты с аналогичным действием. В частности, указанный наклон шарнирной оси одной из (первой) шарнирных вилок может также присутствовать и на другой (второй) шарнирной вилке. Также допустим наклон самих осей крепления промежуточного звена в отличие от описанной прямоугольной ориентации.
Список ссылочных позиций:
1 Рулевая колонка
2 Вал
3 Универсальный шарнир
4 Универсальный шарнир
5 Шарнирная вилка
6 Шарнирная вилка
7 Опорный элемент, опорное отверстие
8 Ось шарнира
9 Ось шарнира
10 Продольная ось вала
11 Вал
12 Продольная ось вала
13 Промежуточное звено (крестовина) шарнира
14 Дополняющий опорный элемент, опорная шейка
15 Универсальный шарнир
16 Шарнирная вилка
17 Шарнирная вилка
18 Первая кривая
19 Вторая кривая
20 Первая кривая
21 Вторая кривая
22 Область центрального положения
23 Область маневрирования
24 Область замка рулевой колонки
α Острый угол
β Тупой угол
ψ Угол наклона