ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ РУЛЯ АВТОМОБИЛЯ

Предлагаемое решение относится к средствам управления автомобилем и может быть использовано для осуществления снижения усилия на руле, в частности, при маневрах на малых скоростях и повороте колес на неподвижном автомобиле.
Известен электромеханический усилитель руля автомобиля, содержащий датчик момента на руле, датчик скорости автомобиля, блок управления электродвигателем, соединенный с указанными датчиками, а также управляемый по сигналам от блока управления электродвигатель, связанный с выходным валом через редуктор (RU 2158692, В62D 5/04, 10.11.2000). Электродвигатель в этом устройстве является трехфазным, а магнитная система электродвигателя выполнена со взаимным скосом зубцов ротора и статора, причем скос и ширина коронки зубцов статора и ротора по воздушному зазору выбраны в определенных соотношениях от зубцового шага по ротору.
Наличие в известном усилителе руля редуктора усложняет конструкцию и увеличивает массогабаритные показатели, а также снижает безопасность управления автомобилем из-за возможности заклинивания руля при отказе усилителя руля. Реактивный индукторный двигатель имеет пульсации электромагнитного момента на валу и обладает большими габаритами и весом.
Известен усилитель руля, содержащий корпус, расположенные в нем два соосных вала, входной и выходной, датчик момента, выполненный в виде торсиона и измерителя угла скручивания торсиона, датчик положения ротора, состоящий из трех датчиков Холла, закрепленных на подшипниковом щите и работающих от полей рассеяния магнитных полей ротора, электродвигатель, содержащий статор с магнитопроводом, имеющим n явно выраженных полюсов, и трехфазной обмоткой, выполненной с катушками, размещенными в шести равных чередующихся фазных зонах по одной катушке на полюс и по несколько катушек, принадлежащих одной фазе, в каждой фазной зоне, и ротор с n-2 полюсами, выполненными в виде постоянных магнитов, причем катушки трехфазной обмотки статора электродвигателя в фазных зонах, принадлежащих одной фазе, включены последовательно-согласно, управляемый источник питания трехфазной обмотки статора электродвигателя, блок управления, входы которого соединены с выходами датчика момента и датчика положения ротора электродвигателя, а выход подключен к управляющему входу упомянутого источника питания (RU 2181091, В62D 5/4, 10.04.2002).
Недостатком усилителя руля является относительно низкий электромагнитный момент и как следствие снижение качества работы электромеханического усилителя руля.
Наиболее близким к предложенному электромеханическому усилителю руля автомобиля является усилитель руля, содержащий корпус, расположенные в нем два соосных вала, входной и выходной, датчик момента, выполненный в виде упругой муфты, состоящей из двух, соединенных упругими элементами полумуфт с кольцевыми постоянными магнитами, датчик положения ротора в виде датчиков Холла, расположенных с внешней стороны цилиндрической поверхности кольцевых магнитов муфты, бесконтактный электродвигатель, состоящий из магнитопровода статора с зубцами с сосредоточенной многофазной обмоткой такой, что на каждом зубце статора располагается одна катушка одной фазы многофазной обмотки и магнитопровода ротора расположенного на выходном валу усилителя руля и жестко закрепленного через немагнитную втулку и имеющего трапециевидные пазы с постоянными магнитами, сужающимися к наружной цилиндрической поверхности ротора, образуя многополюсную магнитную систему с полюсами чередующейся полярности. С внутренней стороны магнитопровода ротора пазы имеют тонкие насыщающиеся перемычки, разделенные от выходного вала втулкой, блок управления электродвигателем (RU 65010, B62D 5/4, 27.07.2007).
Недостатком усилителя руля, принятого за прототип, является относительно низкие точность измерения момента и устойчивость работы при возникновении вибрации на валу электродвигателя.
Технический результат предлагаемого решения - повышение точности измерения крутящего момента и создание устройства устойчивого к биениям, не зависящего от вибраций на валу электродвигателя, т.е. повышение эксплуатационной надежности и повышение качества работы электромеханического усилителя руля.
Указанный технический результат достигается тем, что в электромеханическом усилителе руля, содержащем корпус, расположенные в нем два соосных вала, входной и выходной, датчик момента, выполненный в виде упругого элемента, связывающего валы, и измерителя угла скручивания упругого элемента, датчик положения ротора, бесконтактный электродвигатель, состоящий из магнитопровода статора с зубцами, имеющим n явно выраженных полюсов, сосредоточенной трехфазной обмотки, выполненной с катушками, и магнитопровода ротора, расположенного на выходном валу усилителя руля и жестко закрепленного через немагнитную втулку, и имеющего трапециевидные пазы с постоянными магнитами, сужающимися к наружной
цилиндрической поверхности ротора, такие, что с внутренней стороны магнитопровода ротора имеют тонкие насыщающиеся перемычки, разделенные от выходного вала втулкой, блок управления электродвигателем, измеритель угла скручивания упругого элемента выполнен в виде входного и выходного вращающихся трансформаторов, каждый из которых состоит из статорных и роторных обмоток на электроизоляционных каркасах, и электронного преобразователя, катушки статора располагаются в трех фазных зонах и в каждой фазной зоне по четыре группы, где две группы из двух последовательно-согласно соединенных катушек и другие две группы из отдельно расположенных одиночных катушек, числа полюсов статора и ротора бесконтактного электродвигателя отличаются на четыре. Обмотки вращающихся трансформаторов расположены в продольных пазах на внешних цилиндрических поверхностях электроизоляционных каркасов
В дальнейшем предлагаемое решение поясняется конкретным примером выполнения со ссылкой на чертежи, на которых показаны: фиг.1 - электромеханический усилитель руля в разрезе; фиг.2 - схема включения катушек полюсов.
Электромеханический усилитель руля автомобиля, содержит корпус 1, расположенные в нем два соосных вала, входной 2 и выходной 3, датчик момента 4, датчик положения ротора 5, бесконтактный электродвигатель 6 и блок управления 7 электродвигателем. Датчик момента 4 выполнен в виде упругого элемента 8, связывающего валы 2, 3, и измерителя угла скручивания упругого элемента, состоящего из входного 9 и выходного 10 вращающихся трансформаторов, электронного преобразователя 11 для питания обмоток входного вращающегося трансформатора 9 и обработки сигналов выходного вращающегося трансформатора 10, выполненной в виде печатной платы. Входной вращающийся трансформатор 9 состоит из статорных обмоток 12 на электроизоляционном каркасе 13, расположенном на корпусе 1 усилителя руля и роторных обмоток 14 на электроизоляционном каркасе 13, расположенном на упругом элементе 8 связанном с входным валом 2, причем все обмотки соосные и симметричные относительно общей оси. Выходной вращающийся трансформатор 10 состоит из статорных обмоток 15 на электроизоляционном каркасе 13, расположенном на корпусе усилителя руля и роторных обмоток 16 на электроизоляционном каркасе 13, расположенном на упругом элементе 3 связанной с выходным валом 3, причем все обмотки соосные и симметричные относительно общей оси. Обмотки вращающихся трансформаторов размещены в продольных пазах на внешних цилиндрических поверхностях электроизоляционных каркасов 13. Статорные обмотки 12, 15 входного 9 и выходного 10 вращающихся трансформаторов с каркасами 13 жестко соосно соединены друг с другом посредством печатной платы 11 и расположены по разные ее стороны.
Электронный преобразователь 11 выполняет функции питания обмоток входного вращающегося трансформатора «sin-cos» напряжением и обработки сигналов выходного вращающегося трансформатора с целью получения информации о вращающем моменте. Каркасы 13 с роторными 14, 16 обмотками входного 9 и выходного 10 вращающихся трансформаторов расположены концентрически внутри каркасов 13 с статорными обмотками 12, 15 на упругом элементе 8, связанном соответственно с входным 2 и выходным 3 валами.
Бесконтактный электродвигатель 6, состоит из магнитопровода статора 17 с зубцами, имеющим n явно выраженных полюсов, сосредоточенной трехфазной обмотки 18, выполненной с катушками и на каждом зубце статора располагается одна катушка, и магнитопровода ротора 19, расположенного на выходном валу 3 усилителя руля, жестко закрепленного через немагнитную втулку и имеющего трапециевидные пазы с постоянными магнитами 20, сужающимися к наружной цилиндрической поверхности ротора, образуя многополюсную магнитную систему с полюсами чередующейся полярности. С внутренней стороны магнитопровода ротора 19 пазы имеют тонкие насыщающиеся перемычки, разделенные от выходного вала 3 втулкой из немагнитного материала для уменьшения потоков рассеивания магнитного поля, созданного постоянными магнитами 20.
Число полюсов статора отличается от числа полюсов ротора на четыре.
Катушки статора (фиг.2) располагаются в трех фазных зонах и в каждой фазной зоне по четыре группы, где две группы из двух последовательно-согласно соединенных катушек и другие две группы из отдельно расположенных одиночных катушек.
Предлагаемый электродвигатель для электромеханического усилителя руля работает следующим образом.
При возникновении момента на входном валу 2 упругий элемент 8 скручивается на угол, пропорциональный величине момента и роторные обмотки 16 выходного вращающегося трансформатора 10 смещаются в пределах упругой деформации упругого элемента 8. Этот угол является заданием на систему управления двигателем. На выходе статорных обмоток 15 выходного вращающегося трансформатора 10 появляются «sin-cos» напряжения, сдвинутые по фазе относительно «sin-cos» напряжений статорных обмоток 12 входного вращающегося трансформатора 9. При превышении заданного минимального момента на входном валу 2, блок управления 7 электродвигателем вырабатывает силовой управляющий сигнал, приложенный к обмоткам бесконтактного электродвигателя 6, для создания на рулевом механизме требуемого компенсирующего момента. В блоке управления 7 электродвигателем в соответствии с сигналом задания формируется ток
синусоидальной формы, который, протекая по фазам обмотки 18 статора, взаимодействует с постоянными магнитами 20, расположенными в трапециевидных пазах ротора, создает электромагнитный момент, приложенный непосредственно к выходному валу 3 усилителя руля.
Применение зубцовой обмотки с включением катушек в фазных зонах группами последовательно-согласно и одиночными, а также выбор определенного соотношения между числами полюсов статора и ротора позволили повысить электромагнитный момент двигателя. Также, использование в конструкции датчика момента вращающихся трансформаторов позволило повысить точность измерения крутящего момента и создать устройство устойчивое к биениям, не зависящее от вибраций на валу электродвигателя, т.е. повысить эксплуатационную надежность и повысить качество работы электромеханического усилителя руля в целом.
Проведенные испытания показали применимость на автомобилях заявляемого устройства в модификациях электромеханического усилителя рулевого управления, таких как «ЭМУР-24», «ЭМУР-30», «ЭМУР-35».