ЭЛЕКТРОУСИЛИТЕЛЬ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ
ELECTRIC POWER STEERING

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к машиностроению и может использоваться в транспортный средствах категории М и N.
Область техники
Известна система рулевого управления с усилителем с приводом от двигателя (Патент US 4724917 опубл. 16.02.1988), в которой используют электродвигатель для создания вспомогательного крутящего момента, который добавляется к крутящему моменту, приложенному к рулевому колесу транспортного средства водителем.
Недостатками данной конструкции являются:
- применение червячного вала. Как известно червячная передача имеет более низкий КПД, чем шарико-винтовая передача, что приводит к снижению эффективности использования электродвигателя. Также КПД в червячной передаче сильно зависит от скорости скольжения, является переменной величиной и создает дополнительные проблемы с управлением системой в динамических режимах работы;
- расположение электродвигателя соосно червячному валу, и имеет только одно положение, что ограничит применение данной системы в существующих транспортных средствах, где компоновка пространства уже закончена.
Известно устройство с проводным управлением (Заявка KR 20200039187 A опубл. 05.10.2020). В соответствии с вариантами осуществления предусмотрено устройство рулевого управления с управлением по проводам, которое содержит: шариковый винт, вращаемый приводным двигателем и имеющий внешнюю кольцевую канавку для винта на своей внешней периферийной поверхности; шариковую гайку, снабженную зубчатым колесом шестерни на ее внешней периферийной поверхности и внутренней кольцевой канавкой для винта, соответствующей внешней кольцевой канавке для винта на ее внутренней периферийной поверхности, для соединения с шариковой винтовой парой с использованием шарика в качестве среды; секторный вал, соединенный с зубчатым венцом шариковой гайки для приведения в действие рычага при вращении, когда шариковая гайка скользит в осевом направлении.
Недостатком конструкции рулевого механизма является применение червячной передачи в усиливающей цепи, что делает невозможным ее авариное отсоединение и отсоединение электродвигателя. Червячная передача не обратима и при движении после остановки. Отсутствуют иные варианты компоновки устройства.
Известен электроусилитель рулевого управления (Патент RU 2725016 опубл. 19.11.2019), который содержит узел привода, состоящий из электродвигателя и двухступенчатого редуктора с планетарной передачей и передачей с цилиндрическими зубчатыми колесами. Солнечная шестерня планетарной передачи установлена на выходном валу электродвигателя. Ведущая шестерня передачи с цилиндрическими зубчатыми колесами на ведомом валу, соосному выходному валу электродвигателя. Водило планетарной передачи соединено с ведущей шестерней посредством муфты. Ведомая шестерня устанавливается на выходном валу редуктора. Масляные полости корпуса, в которых установлены планетарная и зубчатая передачи разделены манжетой. На выходном валу редуктора ведущая муфта.
К недостатку конструкции электроусилителя относится отсутствие возможности аварийного механического отсоединения электродвигателя в случае пропадания питания, заклинивания его или поломки.
Сущность изобретения
Техническая задача направлена на создание рулевого механизма с электроусилителем с блочной компоновкой, которая позволяет различными способами компоновать механизм, достигая оптимального расположения в различных транспортных средствах, подстраиваясь под имеющееся пространство.
Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в усилении момента рулевого колеса и передачи его на вал сошки. Усиление крутящего момента на валу сошки достигается за счет включения в систему управляемого момента электродвигателя, и усиления на трех механических передачах. Изобретение позволяет также повысить безопасности вождения за счет включения в систему электромагнитной муфты исполняющей функции предохранительной.
Для решения технической задачи и достижения указанного технического результата электроусилитель рулевого управления, включающий электродвигатель и рулевой механизм, снабженный входным валом, связанным с торсионом и рулевой сошкой, согласно предложенному решению, дополнительно содержит блок управления электродвигателем и блок механической передачи, образованный двухступенчатым цилиндрическим редуктором, при этом рулевой механизм и электродвигатель выполнены в виде отдельных блоков для возможности продольного или поперечного расположения их относительно блока механической передачи, на входном валу рулевого механизма установлен магнитный датчик момента, блок механической передачи включает электромагнитную муфту, содержащую первую полумуфту, установленную на валу электродвигателя, и вторую полумуфту, являющуюся шестерней блока механической передачи, а блок управления электродвигателя соединен с электродвигателем, электромагнитной муфтой блока механической передачи, магнитным датчиком момента и бортовым питанием транспортного средства.
Изобретение поясняется рисунками
На фиг. 1 - представлен общий вид устройства, сечение, на фиг. 2 - блок механической передачи, на фиг. 4-6 представлены варианты компоновки электроусилителя.
На рисунках обозначено:
1 - вал рулевого колеса;
2 - торсион;
3 - датчик момента;
4 - датчик углового положения;
5 - блок управления;
6 - электродвигатель;
7 - блок механической передачи;
8 - винт шарико-винтовой передачи;
9 - рейка;
10 - вал сошки;
11 - электромагнитная муфта;
12 - сошка;
13 - рулевой механизм.
Рулевое колесо транспортного средства механически связано с входным валом 1 рулевого колеса. Входной вал 1 рулевого колеса связан с торсионом 2, при вращении рулевого колеса сначала скручивается торсион 2 затем вращение передается винту 8 шарико-винтовой передачи. Разность углов поворота входного вала 1 рулевого колеса и винта 8 шарико-винтовой передачи определяется датчиком момента 3. Датчик момента 3 передает блоку управления 5 текущее значение направления момента и его величину. Блок управления 5 питается от бортового питания транспортного средства. После получения данных по моменту блок управления 5, согласно внутреннему алгоритму, записанному в программном обеспечении блока управления 5 передает управляющий электрический сигнал на электродвигатель 6. Электродвигатель 6 преобразует электрическую энергию в механическую энергию вращения. На валу электродвигателя 6 установлена полумуфта из состава электромагнитной муфты 11. Вторая полумуфта является первой шестерней механической передачи. По команде от блока управления на катушку электромагнитной муфты 11 подается электрический ток, якорь электромагнитной муфты 11 замыкается с ее корпусом, замыкая муфту и передавая момент вращения электродвигателя на первую шестерню механической передачи. Полумуфты выполнены зубчатыми, момент передается когда зубья одной полумуфты входят во впадины другой. При аварии, пропадании питания или выхода из строя электродвигателя, электромагнитная муфта разъединяет механическую связь между шестерней первой ступени механической передачи и валом электродвигателя. Таким образом, рулевой механизм с электроусилителем становится просто рулевым механизмом позволяющим водителю не терять контроль над транспортным средством.
Механическая передача образована двуступенчатым цилиндрическим редуктором. Усиление (увеличение) момента происходит за счет разности чисел зубьев шестерни и колеса каждой передачи. В каждой передаче число зубьев шестерни примерно в 3 раза меньше числа зубьев парных им колес. Для плавности работы передач применены косозубые шестерни и колеса. Зубчатое колесо второй ступени жестко связано с валом шарико-винтовой передачи. Благодаря этому усиленный момент передается на винт шарико-винтовой передачи. Вращаясь винт преобразует вращательное движение в поступательное движение рейки. В шарико-винтовой передаче происходит значительное усиление. Далее рейка 9 двигаясь передает усилие на шестерню вала сошки заставляя ее вращаться, вал сошки вращает сошку транспортного средства. Таким образом, электроусилитель помогает водителю управлять транспортным средством. Рулевой механизм 13 и электродвигатель 6 выполнены в виде отдельных блоков для возможности продольного или поперечного расположения их относительно блока механической передачи 7.
Описание работы устройства. Вращение вала рулевого колеса 1 скручивает торсион 2, это угловое смещение сообщается датчику момента 3 и датчику углового положения 4. Блок управления 5 получает данные от датчиков положения и момента 3 и 4, и при достижении определенных значений, дает команду электродвигателю 6, который посредством усиливающей механической передачи 7 передает вращение винту 8 шарико-винтовой передачи. Винт 8 перемещает рейку 9, которая вращает вал сошки 10. Электромагнитная муфта 11 при пропадании питания, поломке или заклинивания электродвигателя отсоединяет электродвигатель механически, позволяя водителю управлять вручную.
Усиление крутящего момента на валу сошки 12 достигается за счет включения в систему управляемого момента электродвигателя 6, усиление момента на механической передаче, усиление момента на передачах винт-гайка, рейка-шестерня.
Изобретение позволяет реализовать разные варианты компоновки для встраивания электроусилителя в любое транспортное средство без его переделки и использовать имеющееся свободное пространство.