К вопросу о современных электромеханических системах

Кашкин Д. Н., Беликов Г. Г., Лапшин Э. В.

Пензенский государственный университет

К ВОПРОСУ О СОВРЕМЕННЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Усилители рулевого управления автомобилей создаются и развиваются несколько десятилетий. Это вызвано увеличением выпуска автомобилей, ростом конкуренции, повышением скорости и необходимостью повышения маневренности. Первоначально были разработаны и созданы гидроусилители [1] . Это обуславливалось отсутствием требуемых электро- и электронных компонентов и недостаточной мощностью автономного источника питания. Появление высокомоментных двигателей и силовых ключей МОБРЕТ [2] дало толчок к разработке и развитию электроусилителя руля. Основными направлениями исследований в настоящее время являются: кинематическая схема, система управления, датчики, используемые в системе управления, электродвигатель.

В различных патентах предлагаются варианты:

- построения рулевой колонки со встроенным усилителем. Особенностью данной схемы является использование муфты и электромагнита в схеме усилителя;

- соосное построение кинематической цепи, которая содержит электродвигатель усилителя руля и планетарный редуктор;

- механическую одностороннею муфту, которая используется для соединения электродвигателя и рулевого вала и для отсоединения электродвигателя от рулевого вала;

- электроусилитель, который содержит муфту, отвечающую за приводное разделение электродвигателя и выходной оси в случае передачи через муфту момента, превышающего заданный уровень;

- рассматривается кинематическая цепь рулевого управления, проходящая последовательно через первое, а затем второе колесо одной оси;

-предлагается использовать шарико-винтовую пару, расположенную соосно с рулевой колонкой для передачи момента от соосно-расположенного двигателя;

-предлагается дополнить систему электромагнитной муфтой, подключающей двигатель электроусилителя к кинематической цепи управления автомобилем с целью упрощения устройства управления;

- рассматривается возможность использования муфты для формирования рабочей зоны датчика момента;

- предлагается использовать специальную кинематическую передачу для снижения весогабаритных параметров редуктора между двигателем и рулевой колонкой.

В системах электроусилителя руля используются самые различные двигатели. В [3] предлагается использовать электродвигатель, кинематически связанный с рулем и содержащий зубчатый статор с обмоткой и зубчатый безобмоточный ротор, датчик положения ротора электродвигателя, блок управления электродвигателем. Электродвигатель выполнен трехфазным с числом зубцов на статоре - 12, на роторе - 8, магнитная система электродвигателя выполнена с взаимным скосом зубцов ротора и статора на величину (0,075-0,15)t12, при этом ширина коронки зубцов статора по воздушному зазору Ь21 (0,31-

0,35), а ротораbz2(0,41-0,44)t12, гдеt2 - зубцовый шаг по ротору.. Это позволяет упростить конструкцию электроусилителя.

В электроусилителе руля основным источником информации для управления двигателем является датчик момента. Существуют различные схемы построения этих датчиков. В патенте Ф. Пейллу (РФ) устройство содержит два установленных соосно в двух поперечных смещенных по оси сечениях вала многополюсных магнита. Один многополюсный магнит жестко связан с неподвижным участком вала, а другой жестко связан с приводным участком вала. Оба участка вала соединены между собой соосным торсионом. Неподвижный датчик углового смещения участков вала размещен между многополюсными магнитами и выполнен в виде двух элементов обнаружений синусоидальных полей индукции, подаваемых магнитами. Центры элементов смещены по углу на расстояние, равное четверти периода синусоидальных полей магнитной индукции. Многополюсные магниты снабжены средством регулирования их углового смещения.

В патентах [4, 5, б] предлагается устройство, содержащее торсионный вал, корпус, внутри которого размещен каркас катушек индуктивности с обмотками, и экраны с перфорированными в них окнами, как правило, прямоугольного сечения. Экраны установлены у обращенных друг к другу торцов частей вала. Первый экран с двумя рядами окон охвачен вторым экраном с одним рядом окон. Окна в рядах первого экрана выполнены со смещением. Окна одного ряда расположены напротив межоконных перемычек другого ряда. Ряд окон второго экрана захватывает по ширине оба ряда окон первого экрана. Экраны изготовлены из электропроводящего материала, преимущественно из меди, медных сплавов, алюминия или алюминиевых сплавов. По мнению авторов, применение устройства позволяет повысить чувствительность, точность измерения и упростить конструкцию датчика.

Применение различных двигателей и датчиков в ЭУР приводит к большому разнообразию систем управления. В патенте [7] предлагается система управления, состоящая из датчика определения момента системы рулевого управления, электродвигателя для создания вспомогательного по отношению к системе рулевого управления усилия, и устройства управления, управляющего дополнительным усилием, создаваемым электродвигателем, в соответствии с показаниями датчика момента управления; электроусилитель также содержит электрические соединения датчика и устройства управления, по крайней мере часть которых является параллельными другим соединениям, и контактные группы, раздельно соединяющие соответствующие параллельные линии.

В патенте [8] предлагается установить датчики напряжения определенной полярности на обмотках основного двигателя электромобиля. При напряжении, отличном от нуля, включается электроусилитель рулевого управления. Таким образом, при неподвижной машине, когда нет необходимости в усилении рулевого управления, электроусилитель выключен.

В патенте [9] для предотвращения неожиданного удара через рулевое колесо, который обычно происходит при отключении электроэнергии от электроусилителя рулевого управления, когда шины автомобиля перекашиваются и действуют как пружины, предлагается цепь с ручным переключателем, которая контролирует напряжение питания электроусилителя и при его исчезновении обеспечивает медленный постепенный его спад, так что в случае если водитель прикладывает вращающий момент к рулевому колесу, электродвигатель создает постепенно уменьшающийся дополнительный момент, что исключает значительные рассогласования шин и любой обратный удар рулевого колеса.

В патенте [10] предлагается система управления, в которой вырабатывается сигнал управления электродвигателем исходя из сигнала датчика управляющего момента. Датчик скорости электродвигате-ля определяет частоту вращения силового электродвигателя, а датчик скорости автомобиля определяет скорость автомобиля. Цепь управления изменяет сигнал управления электродвигателем в соответствии с измеренной скоростью его вращения и измеренной скоростью автомобиля с целью нелинейного торможения электроусилителя рулевого управления для контроля величины отклонения автомобиля от заданного курса.

В патенте [11] предлагается система управления, которая компенсирует дрейф нуля датчика момента и содержит узел определения направления скручивания торсиона.

В патенте [12] для уменьшения числа связей между узлами используется принцип последовательной передачи данных.

Анализ электро и гидроусилителей позволяет сделать следующие выводы. Гидроусилитель не обеспечивает гибкого управления, не всегда оставляет водителю нормальную обратную связь. К тому же его насос работает постоянно, отнимая 5-7% мощности главного двигателя. Дополнительный толчок развитию электроусилителей дала бортовая электроника автомобиля. Такими устройствами можно гибко управлять, меняя усиление в зависимости от любых факторов, вплоть до скорости бокового ветра, если она известна. Управлять моментом электродвигателя проще, чем производительностью механически связанного с двигателем насоса.

Для совместимости с любым типом рулевого механизма ЭУР нужно вмонтировать в рулевую колонку, значит, он должен разместиться внутри салона. Это ограничивает его габариты, допустимый уровень шума и электромагнитных помех. Необходимо также гарантировать, что любые теоретически возможные замыкания или пробои не приведут к пагубным последствиям. Наиболее важными требованиями являются: сохранение чувства дороги у водителя и величина момента, который должен создавать усилитель. Исходя из всего этого можно сделать следующий вывод: электродвигатель ЭУРа должен быть бесконтактным и высокомоментным. Конструкция вентильного двигателя с постоянными магнитами на роторе позволяет обеспечить эти требования и облегчить его тепловой режим. Встроенная система самодиагностики должна постоянно контролировать состояние агрегата и в случае неисправности - отключать его. При подключении к приборам диагностики на СТО блок управления усилителя должен выдавать код неисправности (если она есть). В режиме работы система управления ЭУРа получает информацию о скорости движения автомобиля и сигнал с замка зажигания. Как только водитель, вращая рулевое колесо, деформирует торсион на 3-3,5°, установленный на нем датчик выработает сигнал, поступающий в систему управления. Система управления, определив скорость автомобиля, ускорение и скорость вращения рулевого колеса, рассчитает требуемое усилие и даст команду силовому электродвигателю, который поможет водителю совершить поворот. Система управления позволит использовать двигатель в различных режимах в зависимости от выполняемого маневра, сгладит рысканье автомобиля на больших скоростях, избавляя водителя от утомительного подруливания. В отличие от известных гидравлических систем, эффективность которых напрямую зависит от оборотов мотора, приводящего в действие гидронасос, электроусилитель остается работоспособным даже при выключенном, двигателе, получая питание от аккумулятора.

В некоторых современных автомобилях уже используется ЭУР [13, 14] . Эффективность, гибкость и

преимущества перед ГУР видны на графиках характеристик усилия на рулевом колесе.

В рассматриваемом ЭУР предусмотрено два режима работы: городской и обычный. В городском режиме усилитель работает более активно, и потому поворачивать руль более легко. Однако при этом существенно снижается информативность рулевого управления. Если перейти на нормальный режим, то руль станет «упругим» и информативным, что особенно важно при движении с относительно высокими скоростями .

Неоспоримое преимущество рулевого усилителя — облегчение работы рук при парковочных маневрах, когда приходится совершать много оборотов рулевого колеса при максимальном усилии, или в затяжных поворотах. Наличие усилителя в рулевом управлении демпфирует моментные возмущения, поступающие со стороны дорожного полотна. Сравнение электро и гидроусилителей с современных технических позиций позволяет сделать следующие выводы:

ЭУР имеет более высокий КПД;

ЭУР имеет высокие регулировочные характеристики и позволяет изменять их в зависимости от внешних условий;

ЭУР выполняет свои функции при выключенном двигателе;

при отключении ЭУР сохраняется управляемость автомобиля.

ЛИТЕРАТУРА

1. Осепчугов В.В., Фрумкин А.К. Автомобиль: анализ конструкций, элементы расчета. - М.: Маши-

ностроение, 1989. - 302 с.

2. Силовые полупроводниковые приборы. Под ред. В.В. Токарева - Воронеж: Изд-во «Элист», 1995.

- 662 с.

3. Патент 2158692 РФ. Электроусилитель руля автомобиля / Л.Ф. Коломейцев, У.М. Сулейманов, С.А. Пахомин, Н.Я. Арабов, Н.Ф. Бакунин, Ц.А. Адамов. - заявл. 06.01.1999, опубл. 10.11.2000.

4. Патент 2149368 РФ Салахов, A.B. Сидоров, 20.05.2000.

5. Патент 2152600 РФ: ян. - заявл. 26.10.1998,

6. Патент 2165076 РФ. - заявл. 29.06.1999,

7. Патент 2165076

Устройство для бесконтактного измерения крутящего момента вала / М.Х. Б.К. Райков, Ю.Н. Секисов, A.A. Хритин. - заявл. 15.06.1998, опубл.

Датчик крутящего момента вала / И. А. Павлов, И. П. опубл. 10.07.2000.

Датчик крутящего момента вала / И. А. опубл. 10.04.2001.

РФ. Датчик крутящего момента вала / И.А.

Ведерников, H.A. Боло-Павлов, В.И. Писцова, Н.А. Болоян. Павлов, В.И. Писцова, Н.А. Болоян.

- заявл. 29.06.1999, опубл. 10.04.2001.

8. ПатентGB 2269568 A. Electrically powered device, eg vehicle with on-demand power steering / M.G. Clive [GB]. - заявл. 10.08.1992, опубл.16.02.1994.

9. Патент^ 4873475. Electrically powered power steering system for industrial vehicle or the like / S. Togo [JP] , Y. Saito [JP] , M. Tateyama [JP] , G. Okuma [JP] , H. Miyazaki [JP] .- заявл. 29.07.1987, опубл. 10.10.1989.

10. Патент^ 5623409. Method and apparatus for non-linear damping of steering system for vehicle yaw rate control / J.D. Miller [US]. -опубл.22.04.1997.

11. Патент^ 5894206. Electric power steering apparatus / Y. Noro [JP], Y. Mukai [JP].- заявл. 23.03.1998, опубл.13.04.1999.

12. ПатентJP 8188164. Electric powered steering device / E. Shuji [JP]

Yasuhiko [JP]. - опубл. 23.07.1996.

13. Литвинов A.C., Фаробин Я.Е. Автомобиль: Теория эксплуатационных свойств. -строение, 1989. - 237 с.

14. Осепчугов В.В., Фрумкин А.К. Автомобиль: анализ конструкций, элементы расчета ностроение, 1989. - 302 с.

an electric assist заявл. 31.10.1994,

S. Shozo [JP], M.

М. : Машино -

М.: Маши-