ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ РУЛЕВОЙ МАШИНЫ
ELECTRO-HYDRAULIC BOOSTER OF 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.
Наиболее близким аналогом изобретения - прототипом является 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 валы ведомых шестерен насоса в зоне сквозных радиальных дросселирующих отверстий снабжены кольцевыми канавками, причем кромки сквозных радиальных дросселирующих отверстий расположены внутри кольцевых канавок.
Рулевые машины с таким электрогидравлическим усилителем характеризуется 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 на поток 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.
Задачей изобретения является увеличение гидродинамической силы, действующей на золотниковые плунжеры электрогидравлического усилителя рулевой машины при сохранении прочности и целостности валов ведомых шестерен насоса.
Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности электрогидравлического усилителя рулевой машины.
Технический результат достигается тем, что в электрогидравлическом усилителе рулевой машины, содержащем 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 валы ведомых шестерен насоса в зоне сквозных радиальных дросселирующих отверстий снабжены кольцевыми канавками, причем кромки сквозных радиальных дросселирующих отверстий расположены внутри кольцевых канавок, в отличие от прототипа в сквозных радиальных дросселирующих отверстиях со стороны кольцевых канавок выполнены конические фаски, кромки которых расположены внутри кольцевых канавок, при этом глубина конической фаски l и угол α наклона образующей фаски к оси сквозного радиального дросселирующего отверстия определяются формулами:
где l - глубина фаски;
α - угол наклона образующей конической фаски к оси радиального отверстия;
к
R - радиус цилиндрической поверхности кольцевой канавки;
о
R -радиус цилиндрической поверхности осевого отверстия вала ведомой шестерни;
d - диаметр сквозного радиального дросселирующего отверстия;
H - ширина канавки.
Благодаря такой конструкции, т.е. выполнению конических фасок сквозных радиальных дросселирующих отверстий со стороны кольцевых канавок полых ведомых осей насоса электрогидравлического усилителя, локально уменьшается толщина набегающих на поток стенок сквозных радиальных дросселирующих отверстий, в результате чего "ножевой" эффект усиливается, а влияние набегающих на поток стенок ослабляется. Это выражается в еще большем 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. При этом, поскольку размеры сквозных радиальных дросселирующих отверстий малы по сравнению с размером сквозного продольного отверстия полого вала, а выборка материала стенок полых валов ведомых шестерен насоса при выполнении в них конических фасок сквозных радиальных дросселирующих отверстий является незначиельной, это практически не влияет на прочность полых валов ведомых шестерен насоса и обеспечивает их целостность при эксплуатации.
Совокупность всех указанных существенных признаков позволяет повысить чувствительность электрогидравлического усилителя рулевой машины за счет увеличения гидродинамической силы, действующей на ее золотниковые плунжеры, при сохранении прочности и целостности валов ведомых шестерен насоса. 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 чертежами.
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.
На фиг.3 изображена в масштабе часть сечения вала ведомой шестерни в плоскости, проходящей через его ось и ось сквозного радиального дросселирующего отверстия.
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, размещенные в полых валах 6 ведомых шестерен 7 насоса 8. В стенках полых валов 6 выполнены сквозные радиальные дросселирующие отверстия 9, частично перекрываемые золотниковыми плунжерами 5 и 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 кольцевые канавки 11. В сквозных радиальных дросселирующих отверстиях 9 со стороны кольцевых канавок 11 выполнены конические фаски 12, кромки которых расположены внутри кольцевых канавок 11.
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 кольцевых канавок 11 на внешних цилиндрических поверхностях полых валов 6 в зонах сквозных радиальных дросселирующих отверстий 9 и конических фасок 12, выполненных в сквозных радиальных дросселирующих отверстиях 9 со стороны кольцевых канавок 11, уменьшает толщину набегающих на потоки стенок и приводит к возникновению "ножевого" эффекта, в результате которого влияние набегающих на потоки стенок ослабляется, что выражается в уменьшении доли потоков, захватываемых стенками сквозных радиальных 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 рулевой машины.
Это позволяет повысить чувствительность электрогидравлического усилителя рулевой машины за счет увеличения гидродинамической силы, действующей на ее золотниковые плунжеры.
Выполнение фаски в сквозном радиальном дросселирующем отверстии с диаметром d (фиг.2) начинается с момента касания режущим инструментом образующей канавки в точке C, при этом при перемещении режущего инструмента к центру O осевого отверстия вала ведомой шестерни на расстояние меньше BC, коническая образующая фаски будет состоять из двух разомкнутых дуг, не превышающих 180°, при перемещении режущего инструмента на расстояние, равное ВС, дуги замкнутся в точках E и F, и при дальнейшем перемещении на расстояние CK образуется сплошная коническая образующая фаски.
При перемещении режущего инструмента на расстояние, большее CK, изменяется диаметр сквозного радиального дросселирующего отверстия, что недопустимо.
Поэтому для получения заявленного технического результата глубина фаски l должна быть не более CK, но не менее CB, т.е. должно выполняться соотношение
при этом
к
о
CK=R-R,
к
где R - радиус цилиндрической поверхности кольцевой канавки;
о
R - радиус цилиндрической поверхности осевого отверстия вала ведомой шестерни;
к
где OC=AO=R.
Из треугольника AOB:
где d - диаметр сквозного радиального дросселирующего отверстия.
Отсюда из (4):
По известным тригонометрическим соотношениям:
Подставляя (5) в (6), получаем
Подставляя (7) в (3), получаем:
откуда в соответствии с (2)
,
а выражение (1) принимает вид:
Максимальный угол наклона образующей конической фаски будет при совпадении кромки фаски с образующей канавки в точке M. Тогда максимальный угол наклона образующей фаски α определяем из треугольника PMC (фиг.3), в котором PC=l,  откуда
где d - диаметр сквозного радиального дросселирующего отверстия;
Н - ширина канавки.
Следовательно угол наклона образующей фаски α должен удовлетворять соотношению:
Выполнение в радиальных дросселирующих отверстиях фасок с указанными соотношениями глубины и угла наклона образующей позволяет повысить чувствительность электрогидравлического усилителя рулевой машины.
Поскольку стационарная составляющая гидродинамической силы зависит от обоих параметров фаски, а также от большого числа различных факторов, таких как давление, плотность рабочей жидкости, параметров микрогеометрии электрогидравлического усилителя и т.д. [3], выбор конкретных значений глубины конической фаски l и угла наклона фаски α к оси радиального отверстия из указанных диапазонов является предметом оптимизации под конкретное техническое задание.
Источники информации
1. Патент РФ №2034747.
2. Патент РФ №2293687 (прототип).
3. Белоногов О.Б. Методы расчета статических характеристик двухдроссельных и четырехдроссельных электрогидравлических усилителей. // Сб.: Ракетно-космическая техника. Труды. Сер. XII. Вып.1. - РКК "Энергия", 2005, с.70.