ИСПОЛНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ КУЗОВА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Полезная модель относится к системам стабилизации кузова транспортного средства (ТС) и используется при движении по дорожным покрытиям с различной неровностью, а также преодолении крупных неровностей, соизмеримых с размером колеса (искусственные неровности "лежачие полицейские"), и, в частности, к исполнительным устройствам таких систем в виде линейных электромеханических преобразователей. Процесс контроля положения кузова посредством управления характеристиками исполнительных устройств осуществляется непрерывно.
Из уровня техники известна система стабилизации кузова под управлением электронного контроллера с оригинальными электромагнитными исполнительными устройствами, состоящие из группы узлов, связанных с неподрессоренной массой, группы узлов, связанной с подрессоренной массой и единственного силового узла, который и создает управляемое усилие, приводящее к стабилизации кузова (см. US 4892328, опубл. 09.01.1990). Вариант исполнительного устройства данной системы приведен на Фиг.1, где оно состоит из группы узлов, связанных с неподрессоренной массой (30), группы узлов, связанной с подрессоренной массой (110) и единственного силового узла (позиции 70, 80, 90), который и создает управляемое усилие, приводящее к стабилизации кузова, где позиция 70 - это направляющий шток, связанный с подрессоренной массой, позиция 80 - постоянный магнит, жестко связанный со штоком и позиция 90 - электромагнитная катушка, связанная с неподрессоренной массой.
Основными отличительными особенностями системы является следующее: 1) постоянный магнит цилиндрической формы (80) намагничен радиально таким образом, что северный полюс находится на наружной стороне магнита, а южный на внутренней. При пропускании тока по катушке между ней и постоянным магнитом возникает магнитное взаимодействие, приводящее к силе, стремящейся сдвинуть части относительно друг друга. Система, посредством компьютера регулирует величину и направление тока катушки, управляя относительным перемещением подрессоренных и неподрессоренных масс; 2) Алгоритм управления системой основан на использовании датчика абсолютного перемещения (линейного преобразователя напряжения или его аналоге).
Недостатком системы является единственный силовой узел, что указывает на ярко выраженный асинхронный характер работы элемента, что накладывает ограничения на некоторые режимы работы системы, где требуется синхронность. Сила взаимодействия имеет нелинейный характер в зависимости от хода штока (из-за расположения единственного силового элемента в середине) и имеет больше пружинящий, чем демпфирующий характер динамических характеристик, что не соответствует концепции стабилизации. Не используется внешнее поле катушки, что несколько снижает КПД устройства.
Наиболее близкой к предложенной полезной модели является система стабилизации, исполнительным устройством которой является высокоэффективный многофазный шаговый линейный электродвигатель (см. Фиг.2), находящийся под управлением компьютера (см. US 4981309, опубл. 01.01.1991). В исполнительном устройстве такого типа сила смещения создается посредством взаимодействия постоянных магнитов (142), интегрированных в шток (131) и связанных с подрессоренными массами, и катушками (146), находящимися снаружи магнитов в корпусе (132) и связанными с неподрессоренными массами. Основными отличительными особенностями системы является следующее: 1) постоянные магниты имеют прямоугольную форму с чередующейся полярностью для обеспечения работы датчика перемещения; 2) датчик перемещения представляет собой «абсолютный датчик перемещения». Его выходной сигнал формируется при помощи кода Грея или подобным способом; 3) алгоритм управления системой основан на использовании датчика абсолютного перемещения; 4) конструкция катушек и способ навивки не описывается в данном патенте. Однако во всех известных синхронных и шаговых линейных электродвигателях применяются катушки с сердечниками.
Недостатком системы является отсутствие нулевого сопротивления относительному перемещению при нулевом токе в катушках. Это происходит из-за вероятного наличия в конструкции катушек сердечников, которые, находясь в поле постоянных магнитов, намагничиваются и начинают взаимодействовать с последними. Также имеет место ярко выраженный синхронный режим работы устройства, что накладывает ограничения на режимы работы системы, где требуется асинхронность.
Обеим описанным системам также свойственны следующие недостатки: большая стоимость, габаритные размеры и меньшая надежность применяемых абсолютных датчиков перемещения (при одинаковом качестве изготовления).
Затрудненность изменения клиренса транспортных средств без дополнительных затрат энергии (необходимость постоянно преодолевать сопротивление пружины подвески).
Задача полезной модели заключается в создании исполнительного устройства для систем стабилизации кузова транспортных средств, обладающего следующими характеристиками: независимостью рабочих параметров устройства от температуры окружающей среды, нечувствительностью к работе в загрязненных или запыленных средах, а также возможностью исполнять функцию стабилизации кузова транспортного средства при полном отсутствии рабочих жидкостей и газов. Применение такого устройства в составе систем стабилизации позволит эксплуатировать ТС в экстремальных климатических условиях, улучшить плавность хода, проходимость и безопасность ТС, снизить ударные нагрузки на элементы шасси и т.п.
Поставленная задача решается с помощью системы стабилизации основанной на применении в качестве исполнительных устройств линейных электромеханических преобразователей (ЛЭМП). Исполнительное устройство системы стабилизации кузова транспортного средства, выполненное в виде ЛЭМП, имеет намагниченный цельный цилиндрический сердечник, намагниченный полый цилиндр, по меньшей мере две электромагнитные катушки и линейный сервопривод.
Согласно полезной модели цилиндрический сердечник выполнен из постоянного магнита, связан с неподрессоренными массами, расположен внутри катушек для взаимодействия с их внутреннем полем и имеет аксиальную намагниченность; полый цилиндр выполнен из постоянного магнита, связан с неподрессоренными массами, расположен снаружи катушек для взаимодействия с их наружным полем и имеет аксиальную намагниченность; электромагнитные катушки расположены последовательно вдоль оси работы исполнительного устройства, связаны с подрессоренными массами и намотаны так, что при протекании тока по ним, их магнитные полюсы ориентируются аксиально - вдоль оси работы устройства; линейный сервопривод выполнен с шаговым электродвигателем, устойчивый к осевым нагрузкам, расположенный последовательно с ЛЭМП и предназначенный для обработки низкочастотных сигналов системы и изменения клиренса транспортного средства; дополнительно имеется датчик перемещения, встроенный в корпус устройства и предназначенный для контроля степени сокращения и растяжения устройства.
В частности, датчик перемещения является датчиком абсолютного типа.
В частности, датчик перемещения является датчиком относительного типа.
В частности, сервопривод расположен сверху устройства.
В частности, сервопривод расположен снизу устройства.
В частности, намагниченный полый цилиндр, сердечник и сборка катушек соизмеримы друг с другом по высоте.
В частности, намагниченный полый цилиндр интегрирован в корпус и располагается на одной высоте с сердечником, относительно основания устройства.
Конструкция предлагаемого исполнительного устройства позволяет применять его там, где применение других аналогов ограничено или невозможно из соображений компоновки или особенностей эксплуатации. Так, геометрические параметры устройства имеют простую форму без выступов и углов, что позоляет использовать их в подвесках традционной конструкции без существенных изменений. Также, в зависимости от выполняемой задачи, устройство позволяет реализовать любой из трех режимов работы: синхронный, асинхронный или синхронно-асинхронный. Предлагаемый вариант устройства с комбинированным использованием линейного ЭМП (3.2) и вращательного ЭМП (3.3), соединенных последовательно (см. Фиг.3 д)), способен решать большинство задач таких же комбинированных устройств-аналогов, перечисленных на Фиг.3 а), б), в) и г), по обработке низкочастотных сигналов и изменению клиренса, но отличается простотой реализации.
На Фиг.4 а), б) и в) видно, что кузов (3.1) транспортного средства, сервопривод (3.3) и сборка катушек (4.1) представляют собой группу узлов подрессоренных масс, а шасси (3.4) транспортного средства, шток (4.2), намагниченный полый цилиндр (4.3) и корпус (4.4) исполнительного устройства представляют группу узлов неподрессоренных масс. Между ними находится пружина (3.5), которая задает среднее положение кузова (3.1) и принимает на себя всю его массу. Между штоком (4.2) и сборкой катушек (4.1), также как между сборкой катушек (4.1) и корпусом (4.4) с интегрированным в него намагниченным полым цилиндром (4.3) нет механической связи и присутствуют воздушные зазоры (S1) и (S2), позволяющие массам свободно двигаться друг относительно друга.
Сборка катушек (4.1) состоит из соосно расположенных двух или более катушек, каждая из которых ориентирована так, что при пропускании тока по ним, один из полюсов окажется вверху, другой внизу.
Корпус (4.4) исполнительного устройства имеет трубчатую форму, сделан из парамагнитного материала и содержит постоянный магнит (4.3) полой цилиндрической формы, намагниченный аналогично магниту сердечника (один полюс вверху, другой внизу). Намагниченный полый цилиндр (4.3), сердечник (4.5) и каждая катушка (4.6) из сборки катушек (4.1) соизмеримы друг с другом по высоте. Намагниченный полый цилиндр (4.3) интегрирован в корпус (4.4) и располагается примерно на такой же высоте относительно основания устройства, что и сердечник (4.5). Намагниченный полый цилиндр (4.3) предназначен для взаимодействия с внешними полями катушек (4.6).
Шток (4.2) устройства выполнен из парамагнитного материала и включает сердечник (4.5) из мощного постоянного магнита. Сердечник (4.5) предназначен для взаимодействия с внутренним полем катушек (4.6). Последовательным включением одной или нескольких катушек (4.6), меняя величину тока в них и его направление, в результате взаимодействия поля катушек (4.6) с полями постоянного магнита сердечника (4.5) и наружного магнита полой цилиндрической формы (4.3), создается усилие, отдаляющее или сближающее подрессоренные и неподрессоренные массы. Группу частей: катушку (4.6), сердечник (4.5) и намагниченный полый цилиндр (4.3) условно можно назвать силовым модулем исполнительного устройства.
Такая компоновка частей силового модуля является главной отличительной чертой предлагаемого исполнительного устройства. Его основная идея заключается в дополнительном использовании магнитного поля вне соленоида (катушки). Считается, что внешнее поле бесконечно длинного соленоида равно нулю. Однако, по мере сокращения его линейго размера, поле перераспределяется наружу. На Фиг.6 представлены модели полей соленоидов разных геометрических размеров.
Как видно из Фиг.6, внешнее магнитное поле короткого и широкого соленоида в) значительно перераспределяется наружу. Из описания патентов аналогов видно, что в конструкциях исполнительных устройств из соображений компоновки используются катушки, близкие по конфигурации к некоторым промежуточным вариантам б) или в) Фиг.6. Внешнее поле таких катушек никак не используется. Оно невелико, но имеет значимую силу, которую и планируется использовать в исполнительном устройстве предлагаемой системы. Таким образом, в конструкциях магнитных систем без сердечников возможно получить преимущество в виде большего КПД устройства.
Также, между сборкой катушек (4.1) и кузовом (3.1) присутствует шаговый сервопривод (3.3) вращательного типа, который может увеличивать или уменьшать расстояние между кузовом «ΔL» и ЛЭМП (3.2) (Фиг.4 в)), что, в свою очередь, приводит к плавному изменению длины всего исполнительного устройства системы и к изменению клиренса автомобиля. Шаговый сервопривод (3.3) исключает возможность асинхронной работы, поэтому расстояние между кузовом (3.1) и сборкой катушек (4.1) ЛЭМП всегда известно с высокой точностью.
Также, исполнительное устройство имеет датчик (4.7) относительного перемещения, фиксирующий относительное перемещение подрессоренных и неподрессоренных масс.
Система стабилизации должна иметь еще как минимум датчик (5.1, Фиг 5) скорости транспортного средства (возможно применение и других датчиков). Таким образом, минимальный набор датчиков системы включает датчик (4.7) относительного перемещения масс и датчик (5.1) скорости транспортного средства.
Во время работы системы (см. Фиг.5), электронный блок (5.2) управления, на основании сигналов датчиков системы, по определенному алгоритму формирует управляющие сигналы исполнительного устройства с целью стабилизации колебаний кузова (3.1) транспортного средства или управления его положением.
Происходит это следующим образом. При наезде на препятствие, например на искуственную неровность, из-за того, что инертность кузова намного выше инертности неподрессоренных масс, последние начинают двигаться в направлении сближения с кузовом (3.1), преодолевая усилие пружины. Зная скорость движения ТС, которая определяется при помощи датчика (5.1) скорости ТС, скорость относительного сближения масс, которая определяется по датчику (4.7) относительного перемещения, а также на основе изначально заложенных в память компьютера констант (значений подрессоренных и неподрессоренных масс, жесткости пружин, шин и т.п.) компьютер или блок управления (5.2) формирует управляющие сигналы для исполнительных устройств (5.3), целью которых является удержание расчетных вертикальных перемещений кузова ТС и их производных в определенных пределах сообразно ситуации. При этом высоко- и среднечастотные сигналы адресуются сборкам катушек (4.1) исполнительных устройств, а низкочастотные сигналы (доли герца и ниже) и сигналы по изменению клиренса ТС адресуются вращательному сервоприводу (3.3).
Адресация управляющих сигналов и управление мощными токами катушек происходит при помощи силовых модулей (5.4).
За счет разделения частот, появляется возможность обрабатывать их с большей эффективностью и в большем диапазоне (такого же эффекта достигают, например, при конструировании акустических систем, распределяя звук разной частоты на динамики разной величины).