Рулевая колонка колесного транспортного средства

Изобретение относится к средствам управления колесным транспортом и может быть использовано преимущественно в автомобильной промышленности при производстве новых моделей автомобилей и модернизации имеющихся моделей. Рулевая колонка включает рулевое колесо, входной вал, на котором установлено рулевое колесо, выходной вал, связанный с колесами транспортного средства и расположенный соосно с входным валом, торсион, соединенный с соседними концами входного и выходного валов и установленный таким образом, что при приложении крутящего момента к входному валу происходит его скручивание, электродвигатель, содержащий статор и ротор, редуктор, посредством которого электродвигатель связан с выходным валом, блок управления, формирующий и подающий управляющие сигналы, зависящие от угла скручивания торсиона, электродвигателю, который снабжает выходной вал дополнительным крутящим моментом. Ротор электродвигателя расположен на выходном валу соосно с ним, а редуктор выполнен планетарным, солнечное зубчатое колесо которого соединено с ротором электродвигателя, неподвижно установленное центральное зубчатое колесо связано с солнечным зубчатым колесом посредством по меньшей мере одного сателлита, а водило закреплено на выходном валу и связано с сателлитом. Технический результат заключается в создании рулевой колонки компактной, экономичной, надежной и не требующей больших затрат энергии при управлении транспортным средством. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к средствам управления колесным транспортом и может быть использовано преимущественно в автомобильной промышленности при производстве новых моделей автомобилей и модернизации имеющихся моделей.

Известны рулевые колонки для колесного транспорта различных конструкций.

Например, известна рулевая колонка автомобиля, содержащая рулевое колесо, входной вал, соединяющийся с рулевым колесом, выходной вал, связанный с колесами транспортного средства [Руководство по эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту автомобилей ВАЗ-2104-05, - М.: "Ливр", 2000 г.].

Основным недостатком этой колонки является отсутствие средства, позволяющего увеличивать вращающий момент, приложенный к рулевому колесу, поэтому требуется прилагать большое усилие при управлении колесным транспортом, что влияет не только на удобство управления, но также на безопасность управления, поскольку в критических ситуациях и при парковке возникает необходимость быстрого приложения значительного по величине вращающего момента к рулевому колесу.

Известен рулевой привод автомобиля [Патент РФ №2158692], содержащий рулевой вал (входной вал), выходной вал, датчик вращающего момента на руле, червячный редуктор, электродвигатель, блок управления, датчик положения ротора электродвигателя.

Недостатками этого рулевого привода являются:

- большие габариты, обусловленные асимметричным относительно входного и выходного валов расположением электродвигателя;

- сильная асимметричность при передаче вращающего момента от руля к колесам и наоборот от колес к рулю, обусловленная тем, что редуктор - червячный, а это, в конечном счете, существенно снижает динамические показатели колонки и безопасность управления автомобилем;

- высокий уровень потребляемого электродвигателем тока и мощности, особенно при реверсивных режимах работы, обусловленный низким КПД червячного редуктора.

Известна также рулевая колонка, содержащая вал рулевого колеса (входной вал), выходной вал, торсион, соединяющий соосно названные валы, блок управления, электродвигатель, управляемый от блока управления, червячный редуктор и электромагнитную муфту [Патент США №46600671, МПК В 62 D 5/04]. В этой колонке электродвигатель соединяется с выходным валом также посредством червячного редуктора. По наибольшему количеству сходных признаков эта колонка является ближайшим аналогом предлагаемой колонки и принята за прототип изобретения. К недостаткам прототипа относятся:

- наличие длинной кинематической цепи, передающей вращающий момент от входного вала к выходному через червячный редуктор, что приводит к потерям мощности;

- большие габариты колонки, обусловленные асимметричным относительно входного и выходного валов расположением электродвигателя, связанного с выходным валом червячным редуктором;

- большая асимметричность передачи вращающего момента от руля к колесам и наоборот от колес к рулю, что существенно снижает динамические показатели колонки;

- низкий КПД червячного редуктора, особенно при реверсивных режимах работы, во время которых резко возрастает потребляемый электродвигателем ток и мощность.

Изобретение решает задачу создания рулевой колонки компактной, экономичной, надежной и не требующей больших затрат энергии при управлении транспортным средством вне зависимости от его собственной массы.

Поставленная задача решается тем, что предлагается рулевая колонка, включающая рулевое колесо, входной вал, на котором установлено рулевое колесо, выходной вал, связанный с колесами транспортного средства, и расположенный соосно с входным валом торсион, соединенный с соседними концами входного и выходного валов и установленный таким образом, что при приложении крутящего момента к входному валу происходит его скручивание, электродвигатель, содержащий статор и ротор, редуктор, посредством которого электродвигатель связан с выходным валом, блок управления, формирующий и подающий управляющие сигналы, зависящие от угла скручивания торсиона, электродвигателю, который снабжает выходной вал дополнительным крутящим моментом, причем ротор электродвигателя расположен на выходном валу соосно с ним, а редуктор выполнен планетарным, солнечное зубчатое колесо которого соединено с ротором электродвигателя, неподвижно установленное центральное зубчатое колесо связано с солнечным зубчатым колесом посредством по меньшей мере одного сателлита, а водило закреплено на выходном валу и связано с солнечным зубчатым колесом.

Следует отметить, что редуктор может содержать дополнительно еще один, два или три сателлита для распределения передаваемого выходному валу усилия и дополнительного уменьшения габаритов редуктора.

Для выполнения блоком управления функций по формированию управляющих сигналов, зависящих от угла скручивания торсиона, колонка может быть снабжена измерителем угла скручивания торсиона, который содержит неподвижно установленную относительно корпуса катушку индуктивности, а также первый перфорированный диск, установленный на входном валу, и второй перфорированный диск, установленный на выходном валу, причем катушка индуктивности, первый перфорированный диск и второй перфорированный диск установлены напротив друг друга.

Для целей оптимизации компоновки колонки по габаритам целесообразно выполнять катушку индуктивности плоской в форме диска.

С целью компенсации погрешностей изготовления зубчатых колес целесообразно солнечное зубчатое колесо устанавливать с возможностью радиального перемещения.

Ротор электродвигателя устанавливается на выходном валу посредством опор, например подшипников скольжения.

Чтобы предохранить торсион от внешних воздействий в соседних торцах входного и выходного валов целесообразно выполнить полости, в которые устанавливается торсион.

Чтобы обеспечить работу рулевой колонки в случае поломки торсиона или при приложении к рулевому колесу вращающего момента больше допустимого значения соседние торцы входного и выходного валов могут быть снабжены выступами и пазами, при ширине выступов меньше ширины пазов. В этом случае названные валы установлены таким образом, что выступы каждого вала входят в пазы соседнего вала.

На фиг. 1, 2 показан общий вид рулевой колонки. Она содержит корпус 1, включающий левую крышку 2 и правую крышку 3, входной вал 4 и выходной вал 5, опору входного вала 7, опору выходного вала 6, статор электродвигателя с обмотками 8, ротор электродвигателя 9, опору ротора электродвигателя 10, посредством которой он установлен на выходном валу 5, торсион 11, соединяющий выходной вал 5 и входной вал 4, катушку индуктивности 12, неподвижно установленную относительно корпуса, первый перфорированный диск 13, установленный на входном валу 4, и второй перфорированный диск 14, установленный на выходном валу 5, солнечное зубчатое колесо редуктора 15, которое связано с ротором электродвигателя 9, центральное зубчатое колесо 18, неподвижно установленное в корпусе 1, и сателлит 16, который соединяется с упомянутым солнечным зубчатым колесом 15 и центральным зубчатым колесом 18, и водило 17, связанное подвижно с сателлитом 16 и закрепленное на выходном валу 5.

Эта рулевая колонка работает следующим образом.

При управлении транспортным средством через рулевое колесо на входной вал 4 передается крутящий момент, в результате чего названный входной вал 4 поворачивается на некоторый угол. При этом происходит скручивание торсиона 11, соединяющего входной 4 и выходной 5 валы в пределах заданного угла на угол, пропорциональный приложенному крутящему моменту. Также при этом происходит смещение перфорированных дисков 13 и 14 относительно друг друга, причем выполненные в них отверстия смещаются друг относительно друга, что в итоге изменяет величину электромагнитного поля, создаваемого катушкой индуктивности 12. Изменения величины электромагнитного поля улавливаются датчиком блока управления (на чертеже не показан), и, соответственно, сигнал от него поступает в блок управления. Блок управления формирует сигнал управления электродвигателем, в результате чего на обмотки статора электродвигателя подается дополнительное напряжение. В результате ротору электродвигателя 9 сообщается крутящий момент определенной величины. Ротор 9, поворачиваясь вокруг своей оси, которая совпадает с осью выходного вала, передает этот крутящий момент связанному с ним, например, посредством зубчатой муфты солнечному зубчатому колесу 15. Солнечное зубчатое колесо 15, вращаясь, передает крутящий момент сателлиту 16, который, вращаясь вокруг своей оси, одновременно перемещается по неподвижно установленному в корпусе центральному зубчатому колесу 18 и сообщает вращательное движение соединенному с ним водилу 17. Водило 17 закреплено на выходном валу 5, поэтому названный вал получает дополнительный вращающий момент. В итоге, вращающий момент, приложенный к выходному валу 5 с помощью планетарного редуктора суммируется с моментом, переданным ему от входного вала 4 через соединяющий их торсион 11. Таким образом, на колеса автомобиля от выходного вала поступает увеличенный вращающий момент по сравнению с вращающим моментом, приложенным водителем к рулевому колесу и, соответственно, входному валу.

Как было упомянуто выше, для обеспечения работы колонки при поломке торсиона или приложении к рулевому колесу большого вращающего момента торцы входного и выходного валов могут быть выполнены с выступами и пазами. Концы входного и выходного валов, направленные навстречу друг другу, устанавливаются таким образом, что выступы одного вала входят в пазы другого вала, как изображено на фиг. 2, разрез А-А. Поскольку ширина пазов больше, чем ширина выступов, в нормальном состоянии они не препятствуют смещению валов друг относительно друга и скручиванию торсиона. При поломке торсиона или при приложении к входному валу вращающего момента больше допустимого, каждый выступ этого вала перемещается в соответствующем ему пазе до встречи с выступом выходного вала, таким образом происходит замыкание валов. Если замыкание валов вызвано приложением недопустимо большого вращающего момента, торсион 11 шунтируется валами 4 и 5 и тем самым обеспечивается его сохранность. Электродвигатель при таком режиме работы с помощью блока управления снабжает максимальным дополнительным вращающим моментом выходной вал и тем самым существенно снижает необходимое усилие, которое водитель прикладывает к рулевому колесу. Такое исполнение рулевой колонки предохраняет торсион 11 от случайных экстремальных перегрузок, которые могут привести к его преждевременному выходу из строя.

Таким образом, предлагаемая рулевая колонка позволяет существенно снизить прикладываемое усилие к рулевому колесу при управлении транспортным средством вне зависимости от его собственной массы, избежать асимметрии при передаче вращающего момента от руля к колесам и наоборот при этом имеет рациональную симметричную компоновку и малые габариты, поэтому ею можно заменять рулевые колонки уже производимых транспортных средств. Кроме того, благодаря симметричности расположения основных узлов колонки и применению планетарного редуктора она имеет в сравнении с известными колонками повышенный КПД и более низкое потребление электричества, что позволяет эффективно использовать системы электропитания автомобиля. Дополнительно колонка характеризуется высокой надежностью благодаря предусмотренной в ней возможности шунтирования торсиона.

1. Рулевая колонка, включающая рулевое колесо, входной вал, на котором установлено рулевое колесо, выходной вал, связанный с колесами транспортного средства и расположенный соосно с входным валом, торсион, соединенный с входным и выходным валами и установленный таким образом, что при приложении крутящего момента к входному валу происходит его скручивание, электродвигатель, содержащий ротор и статор, редуктор, посредством которого электродвигатель связан с выходным валом, и блок управления, формирующий и подающий управляющие сигналы, зависящие от угла скручивания торсиона, электродвигателю, отличающаяся тем, что ротор электродвигателя выполнен полым и расположен на выходном валу соосно с ним, а редуктор выполнен планетарным, причем его солнечное зубчатое колесо соединено с ротором электродвигателя, центральное зубчатое колесо установлено неподвижно и связано с солнечным зубчатым колесом посредством по меньшей мере одного сателлита, а водило установлено на выходном валу и связано с сателлитом.

2. Рулевая колонка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена измерителем угла скручивания торсиона, который содержит неподвижно установленную катушку индуктивности, а также первый перфорированный диск, установленный на входном валу, и второй перфорированный диск, установленный на выходном валу, причем катушка индуктивности, первый перфорированный диск и второй перфорированный диск установлены напротив друг друга.

3. Рулевая колонка по п.2, отличающаяся тем, что катушка индуктивности выполнена в форме диска.

4. Рулевая колонка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что солнечное зубчатое колесо установлено с возможностью перемещения в радиальном направлении.

5. Рулевая колонка по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что ротор электродвигателя установлен на выходном валу посредством опоры.

6. Рулевая колонка по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что в соседних торцах входного и выходного валов выполнены полости, в которых установлен торсион.

7. Рулевая колонка по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что соседние торцы входного и выходного валов снабжены выступами и пазами, причем ширина названных выступов меньше ширины названных пазов, при этом названные валы установлены таким образом, что выступы каждого вала входят в пазы соседнего вала.