ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к электрическому усилителю рулевого управления для транспортных средств, в частности, автомобилей.
Уровень техники
Из уровня техники известны электрические усилители рулевого управления с различными конструктивными формами, в частности, как системы, использующие принцип наложения крутящего момента, так и системы, использующие принцип наложения угла поворота. Электродвигатель, как правило, размещается в специально предназначенном для этого корпусе. Его приводной вал соединяется с соосным червячным валом зубчатой передачи либо в виде цельной детали, либо с помощью муфты. Червячный вал сцепляется с червячным колесом, обычно расположенным в картере трансмиссии и используемым для привода рулевого управления. Под приводом в электрическом усилителе рулевого управления, использующем принцип наложения крутящего момента, понимается применение крутящего момента для приведения в действие рулевого управления, и/или вспомогательного момента для уменьшения усилий, прикладываемых водителем к рулевому колесу. Величина применяемого крутящего момента контролируется системой управления с помощью датчика крутящего момента и, при необходимости, других входных данных. Крутящий момент может при этом передаваться на рулевую колонку или на шестерню рулевого механизма, сцепляющуюся с зубчатой рейкой.
В электрическом усилителе рулевого управления, в котором используется принцип наложения угла поворота, которое также называется активным рулевым управлением (Active Front Steering, AFS), под приводом понимается изменение передаточного отношения рулевого управления между рулевым колесом и управляемыми колесами транспортного средства в зависимости от скорости движения. Это достигается, например, с помощью планетарной шестерни, расположенной перед фактическим рулевым механизмом, в котором угол первичного вала (рулевого колеса) и выходного вала (ведущая шестерня рулевого механизма) передается через солнечные и планетарные шестерни. При наложении угла поворота электродвигатель запускает, например, водило планетарной передачи, благодаря чему возникает дополнительное относительное движение вокруг солнечных шестерен. Данное движение приводит к требуемому наложению угла поворота и/или изменению передаточного отношения рулевого управления.
Используемое в электрическом усилителе рулевого управления червячное колесо обычно изготавливают из пластика, меняющего свой размер при изменении условий окружающей среды, например, температуры или влажности. Кроме того, червячное колесо в течение своего срока службы также может изменять свой размер в результате износа. Производственные конструктивные допуски оказывают дополнительное воздействие на зазоры сцепления между червячным колесом и червячным валом. Однако слишком большие зазоры в таком сцеплении представляют проблему, поскольку, например, при изменении направления нагрузки могут возникать шумы при сцеплении. Кроме того, уменьшается передаваемая мощность, что приводит к изменению ощущений водителя при приложении силы к рулевому колесу. По этой причине были предложены различные подходы для обеспечения сцепления червячного колеса с червячным валом за счет предварительного напряжения.
Так, в публикации патентной заявки EP 1344710 A2, опубл. 17.09.2003, которая может быть выбрана в качестве ближайшего аналога, рассматривается электрический усилитель рулевого управления, в котором приводимый в действие электродвигателем червячный вал на обоих концах оснащен подшипниками, причем выполняют предварительное смещение удаленного от двигателя подшипника червячного вала в сторону червячной шестерни с помощью смещающего элемента. Возникающий при этом сдвиг угла оси вращения червячного вала компенсируется эластичной муфтой между валом двигателя, приводящим в действие червячный вал.
Похожее решение описывается в публикации патентной заявки CN 102398628 A, где подшипник червячного вала, находящийся ближе к двигателю, также может быть дополнительно смещен в осевом направлении с помощью эластичных элементов, что создает предварительное напряжение червячного вала относительно червячного колеса не только в радиальном, но и в осевом направлении.
Из публикации патентной заявки JP 2004284505 A известен электрический усилитель рулевого управления, в котором ось вращения вала электродвигателя наклонена относительно оси вращения червячного вала. С помощью винтовой пружины, расположенной между торцевой поверхностью вала двигателя и торцевой поверхностью червячного вала, червячный вал смещают в осевом направлении относительно червячного колеса.
В публикации патента US 6662897 B2 рассматривается электрический усилитель рулевого управления с электродвигателем, использующим механизм шариковой винтовой пары для привода зубчатой рейки. Электродвигатель установлен с помощью по меньшей мере двух опорных участков относительно картера трансмиссии, в котором размещены зубчатая рейка и механизм шариковой винтовой пары, причем по меньшей мере на одном опорном участке предусмотрена подшипниковая опора, представляющая собой эластичное подшипниковое кольцо. Кольцо подшипника представляет собой цилиндрический элемент, установленный в опорном отверстии, и фланцевый элемент, прилегающий к торцевой поверхности опорного участка, окружающего опорное отверстие.
Недостатками известных устройств является сложность используемых конструкций, наличие дополнительных элементов, которые занимают достаточно большое место.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом полезной модели является упрощение конструкции, обеспечивающей устранение зазоров при сцеплении червячного вала с червячной шестерней в системе электрического усилителя рулевого управления. Кроме того, дополнительным техническим результатом является облегчение монтажа конструкции и уменьшение требуемого для установки пространства.
Данная задача решается с помощью электрического усилителя рулевого управления с электромоторным приводом, в котором используется принцип наложения крутящего момента или наложения угла поворота. Усилитель рулевого управления содержит картер электродвигателя, вал двигателя, по меньшей мере два подшипника для установки вала двигателя и по меньшей мере одну подшипниковую шайбу, расположенную таким образом относительно картера двигателя, чтобы вмещать один из подшипников, причем другой подшипник зафиксирован в радиальном направлении на картере двигателя, а также содержит червячный вал, ведомый валом двигателя и сцепляющийся с червячным колесом, расположенным в картере трансмиссии. Подшипниковая шайба установлена с использованием по меньшей мере одного эластичного элемента на картере двигателя таким образом, что картер двигателя может наклоняться относительно подшипниковой шайбы.
Эластичный элемент может быть расположен в направлении оси вала двигателя между картером двигателя и подшипниковой шайбой.
Подшипниковая шайба может быть прикреплена к картеру трансмиссии неэластичным образом.
Подшипниковая шайба в направлении оси вала двигателя может состоять из по меньшей мере двух частей, первая из которых расположена ближе к двигателю, неэластично прикреплена к картеру двигателя и является опорой для первого подшипника, а вторая часть расположена дальше от двигателя и неэластично прикреплена к картеру трансмиссии, причем эластичный элемент размещен между первой частью и второй частью. При этом эластичный элемент может быть вулканизирован и к ближней к двигателю части, и к дальней от двигателя части.
Эластичный элемент может иметь значительно меньшую жесткость в направлении оси вала двигателя, чем в тангенциальном направлении.
Подшипниковая шайба может быть расположена на картере трансмиссии эксцентричным образом.
Поскольку вал двигателя прикреплен к картеру двигателя с помощью одного из двух подшипников без возможности перемещения в радиальном направлении, вал двигателя и вместе с ним червячный вал, ведомый валом двигателя и, например, выполненный с ним в виде одного целого, наклоняется под тем же углом, под которым картер двигателя наклоняется относительно подшипниковой шайбы. Это позволяет в зависимости от направления наклона передвигать червячный вал к червячному колесу или от него, что позволяет регулировать сцепление червячного вала с червячным колесом с помощью эластичного элемента как в радиальном направлении, так и по касательной относительно червячного колеса. Так, например, с помощью эластичного элемента возможно гашение любых ударов при сцеплении двух элементов передачи, как в радиальном направлении, так и в тангенциальном. Более того, таким способом можно компенсировать производственные конструктивные допуски компонентов двух элементов передачи и изменения размера компонентов в результате изменения условий окружающей среды, например, температуры или влажности, а также износа. Кроме этого, решение является крайне компактным, требует малого количества элементов и небольшого установочного пространства. При этом воздушный зазор, образующийся между ротором, расположенным на валу двигателя, и статором, прикрепленным к картеру двигателя, при наклоне картера двигателя остается практически неизменным, что сохраняет КПД электродвигателя постоянным.
Для обеспечения прочности конструкции предпочтительный вариант конструктивного решения предполагает, что подшипниковая шайба должна быть установлена неупругим образом на картере трансмиссии. За счет этого расположенный на подшипниковой шайбе подшипник вала двигателя неподвижно прикрепляется к картеру трансмиссии.
Согласно другому предпочтительному варианту выполнения, эластичный элемент расположен между картером двигателя и подшипниковой шайбой, и зафиксирован в осевом направлении с помощью вала двигателя. Хотя эластичный элемент и должен принимать на себя крутящие и колебательные напряжения, но он не подвергается радиально направленным воздействиям.
Особенно предпочтительно, чтобы эластичный элемент имел значительно меньшую жесткость и/или значительно большую эластичность в осевом направлении вала двигателя, чем в тангенциальном направлении. Соответственно, эластичный элемент будет оказывать достаточно высокое сопротивление передаче более высоких крутящих моментов, одновременно с этим эластично поглощая торсионные напряжения картера двигателя, а также чисто осевые движения.
Согласно другому предпочтительному варианту реализации, подшипниковая шайба в осевом направлении вала двигателя должна быть выполнена из по меньшей мере двух частей, первая из которых, расположенная ближе к двигателю, неэластично установлена на картере двигателя и является опорой для одного из подшипников, а вторая часть, расположенная дальше от двигателя, неэластично установлена на картере трансмиссии. Эластичный элемент при этом расположен между первой и второй частью. Таким образом, описанная подшипниковая шайба позволяет сделать подвеску картера двигателя полностью эластичной. Главное преимущество данного варианта заключается в том, что воздушный зазор между ротором, расположенным на валу двигателя, и статором, закрепленном на картере двигателя, остается абсолютно неизменным при любых наклонных движениях картера двигателя относительно подшипниковой шайбы. Эластичный элемент в предпочтительном варианте должен быть вулканизирован как на ближней к двигателю части, так и на удаленной от него. Соответственно, состоящая из двух частей подшипниковая шайба приобретает структуру, аналогичную резиново-металлическому подшипнику, в котором две металлических детали соединены эластичным элементом.
Согласно другому предпочтительному варианту реализации, подшипниковая шайба расположена эксцентрично на картере трансмиссии. Эксцентричное расположение подшипниковой шайбы на картере трансмиссии позволяет регулировать боковой зазор червячного вала и червячного колеса, то есть осуществлять сцепление с предварительным смещением, за счет чего полностью устранить боковой зазор между зубцами.
Эластичный элемент предпочтительно должен быть резиноэластичным, то есть быть изготовлен из резины или аналогичного материала, например, в форме кольца, кольцевой шайбы или шайбы.
Важное преимущество предложенной конструкции усилителя рулевого управления заключается в том, что она может использоваться как для наложения крутящего момента, так и для наложения угла поворота. Таким образом, червячный вал приводится в действие валом электродвигателя, который установлен, как было описано выше, эластичным образом в картере с помощью эластичного элемента, и этот червячный вал сцепляется с червячным колесом, в свою очередь установленным в картере трансмиссии. Вращательное движение червячного колеса может при этом использоваться для приложения крутящего момента для привода рулевого управления и/или создания вспомогательного момента для уменьшения усилий, прилагаемых водителем к рулевому колесу (наложение крутящего момента). Особенно предпочтительно, что предложенный усилитель рулевого управления также может быть использован для изменения передаточного отношения рулевого управления между рулевым колесом и управляемыми колесами транспортного средства с помощью червячной передачи, например, в зависимости от скорости движения транспортного средства (наложение угла поворота).
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлен вид сбоку в разрезе первого варианта реализации электрического усилителя рулевого управления.
На Фиг. 2 представлен вид сбоку в разрезе второго варианта реализации электрического усилителя рулевого управления.
На разных фигурах одни и те же элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями, поэтому в тексте они описываются только один раз.
Осуществление полезной модели
На Фиг. 1 показан вид сбоку в разрезе первого варианта выполнения системы 1 рулевого управления с электроусилителем, предназначенной для использования в транспортном средстве (не показано), в частности, в автомобиле. Система 1 рулевого управления с электроусилителем включает в себя электромоторный привод 2 с картером 3 двигателя, валом 4 двигателя, первым подшипником 5 и вторым подшипником 6 для крепления вала 4 двигателя, а также подшипниковую шайбу 7 для вмещения первого подшипника 5. Второй подшипник 6 зафиксирован на картере 3 двигателя по меньшей мере в радиальном направлении.
Как показано на Фиг. 1, вал 4 двигателя приводит в движение червячный вал 8, сцепляющийся с червячным колесом 10, расположенным в картере 9 трансмиссии. Червячный вал 8 выполнен в виде цельной детали с валом 4 двигателя или соединен с помощью муфты, причем, в последнем случае муфта удерживает червячный вал 8 на одной оси с валом 4 двигателя.
Также на Фиг. 1 можно увидеть, что подшипниковая шайба 7 установлена эластичным образом на картере 3 двигателя с помощью эластичного элемента 11 таким образом, что картер 3 двигателя может наклоняться относительно подшипниковой шайбы 7, как это показано на Фиг. 1 стрелкой 12. Подшипниковая шайба 7 в показанном на Фиг. 1 варианте выполнения неэластично прикреплена к картеру 9 трансмиссии с помощью болтов 13. Эластичный элемент 11 расположен в осевом направлении вала 4 двигателя между картером 3 двигателя и подшипниковой шайбой 7, как показано на Фиг. 1.
В результате неподвижной установки вала 4 двигателя на подшипнике 6 в радиальном направлении относительно картера 3 двигателя, а также за счет того, что червячный вал 8 удерживается на одной оси с валом 4 двигателя, наклонное движение 12 картера 3 двигателя также приводит к движению червячного вала 8 по направлению к червячному колесу 10 или от него, как показано на Фиг. 1 второй стрелкой 14. Благодаря эластичному элементу 11, расположенному между картером 3 двигателя и подшипниковой шайбой 7, система 1 рулевого управления с электроусилителем может компенсировать зацепляющие движения червячного колеса 10 как в радиальном, так и в касательном (тангенциальном) направлении. Также для одновременного переноса крутящих моментов с электродвигателя 2 на червячное колесо 10 показанный на Фиг. 1 эластичный элемент 7 должен обладать существенно меньшей жесткостью или существенно большей эластичностью в осевом направлении вала двигателя, чем в тангенциальном направлении. В связи с этим колебательные и наклоняющие напряжения электродвигателя 2 будут эластично поглощаться, а высокие крутящие моменты одновременно могут передаваться от электродвигателя 2 червячному валу 8.
С помощью показанной на Фиг. 1 системы 1 рулевого управления с электроусилителем можно обеспечить компенсацию производственных конструктивных допусков обоих передаточных элементов 8 и 10 и изменения размеров деталей по причине изменяются условий окружающей среды, например, температуры или влажности, а также вследствие износа передаточных элементов 8 и 10. Представленное решение является очень компактным, требует малого количества деталей и пространства. Кроме того, воздушный зазор 15 между ротором 16, расположенным на валу 4 двигателя, и статором 17, прикрепленным к картеру 3 двигателя, при наклоне картера 3 двигателя остается по существу неизменным, что сохраняет КПД электродвигателя постоянным.
На Фиг. 2 показан вид сбоку в разрезе второго варианта реализации системы 18 рулевого управления с электроусилителем. Система 18 рулевого управления отличается от системы 1 рулевого управления преимущественно устройством подшипниковой шайбы. В варианте, представленном на Фиг. 1, подшипниковая шайба 7 был выполнена цельной. В представленной на Фиг. 2 системе 18 рулевого управления, напротив, используется составная подшипниковая шайба 19. В частности, подшипниковая шайба 19 имеет двухсоставную структуру в направлении оси вала 4 двигателя, состоящую из первой части 20, расположенной ближе к двигателю, и второй части 21, расположенной дальше от двигателя. Первая, ближняя к двигателю часть 20 подшипниковой шайбы 19 неэластично прикреплена к картеру 3 двигателя и является опорой для переднего подшипника 5 вала 4 двигателя. Вторая, удаленная от двигателя часть 21 подшипниковой шайбы 19 неэластично установлена на картере 9 трансмиссии. Эластичный элемент 11 в показанном на Фиг. 2 варианте расположен между первой частью 20 и второй частью 21. В частности, эластичным элементом 11, например, может быть резиновая шайба, вулканизированная на ближней к двигателю части 20 и на части 21, дальней от двигателя. Так, подшипниковая шайба 19 имеет структуру, аналогичную резинометаллическому подшипнику, в котором две металлических части 20 и 21 соединены эластичным элементом 11.
Главное преимущество показанного на Фиг. 2 варианта заключается в том, что воздушный зазор 15 между ротором 16, расположенным на валу 4 двигателя, и статором 17 закрепленным в картере 3 двигателя, при любом наклонном движении картера 3 двигателя, всегда остается постоянным относительно подшипниковой шайбы 19, поскольку весь электродвигатель 2 эластично установлен на картере 9 трансмиссии с помощью подшипниковой шайбы 19.
В показанном на Фиг. 2 варианте усилителя рулевого управления 18 подшипниковая шайба 19, в частности, ее дальняя от двигателя часть 21, располагается на картере коробки передач 9 со смещением центра, что достигается с помощью эксцентрического установочного элемента 22. Таким образом, становится возможной обеспечить смещение при сцеплении червячного вала 8 с червячным колесом 10 и устранить боковые зазоры между зубьями. Производственные конструктивные допуски обоих передающих элементов 8 и 10 и изменения размера конструктивных элементов из-за изменений условий окружающей среды, например, температуры или влажности, а также в результате износа компенсируются эластичным элементом 11, как уже было описано со ссылкой на Фиг. 1.
Описанный выше электрический усилитель рулевого управления для транспортных средств, в частности, автомобилей, не ограничивается рассмотренными вариантами воплощения, а охватывает также другие варианты реализации с аналогичным принципом действия. В частности, описанный электрический усилитель рулевого управления не ограничивается применением только для наложения крутящего момента, но может применяться и для наложения угла поворота, при этом в последнем случае наложение угла поворота осуществляется с помощью описанной червячной передачи.
Ссылочные позиции:
1 Система рулевого управления с электроусилителем
2 Электромоторный привод
3 Картер двигателя
4 Вал двигателя
5 Первый подшипник
6 Второй подшипник
7 Подшипниковая шайба
8 Червячный вал
9 Картер трансмиссии
10 Червячное колесо
11 Эластичный элемент
12 Направление наклонного движения
13 Болт
14 Направление зацепляющего движения
15 Воздушный зазор
16 Ротор
17 Статор
18 Система рулевого управления с электроусилителем
19 Подшипниковая шайба
20 Ближняя к двигателю часть шайбы 19
21 Дальняя от двигателя часть шайбы 19
22 Эксцентрик