Рулевое управление колесного транспортного средства

(5)5 В 62 О 5/04 ОПИС К АВТОРСК ИЗОБР НИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР У СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Камский политехнический институт(54) РУЛЕВОЕ УПРАВЛЕНИЕ КОЛЕСНОГОТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА(57) Изобретение относится к механическимрулевым управлениям колесных транспортных средств и может применяться в автомобилях повышенной проходимости,работающих, преимущественно, в маневровом режиме. Цель изобретения - повышение удобства управления за счет сниженияусилия на рулевом колесе, Рулевое управление содержит, помимо рулевого колеса 1,рулевого механизма 2 и рулевого привода 7,1 ЯО 1736802 А 1 электрический усилитель 6, состоящий из датчика 3 крутящего момента, усилителя 9 мощности и электродвигателя 5, мультипликатор 4, состоящий из зубчатых колес и электромагнитных фрикционных муфт, и блок управления мультипликатором, состоящий из датчика 24 нейтрального положения рулевого колеса, ключа 8 блокировки электродвигателя, компаратора 10 перегрузки, инвертора 11 перегрузки, ключей 12 - 14 блокировки и ключей управления электромагнитными муфтами, регистра состояний электромагнитных муфт, инвертора, дешифратора, ограничителя, компараторов скорости и датчика скорости движения. В маневровом режиме движения автомобиля величина углового передаточного числа рулевого управления дискретно уменьшается за счет автоматического включения повышающих передач мультипликатора 4, 2 ил.ционных муфт, одна из которых является доминантной, а остальные рецессивными, и блоком управления мультипликатором, состоящим из датчика нейтрального положения рулевого колеса, компаратора перегрузки, инвертора перегрузки, ключа блокировки электродвигателя, ключей блокировки и ключей управления электромагнитными фрикционными муфтами, регистра 0 состояний электромагнитных фрикционныхмуфт, инвертора, дешифратора, компараторов скорости движения, двустороннего ограничителя и датчика скорости движения автомобиля, при этом датчик крутящего мо мента. соединен одновременно через ключблокировки электродвигателя и усилитель мощности с электродвигателем и через компаратор и инвертор перегрузки - с ключами блокировки электромагнитных муфт, датчик 0 нейтрального положения подключен к управляющему входу регистра состояний электромагнитных муфт, а датчик скрости движения автомобиля посредством двустороннего ограничителя, компараторов скоро сти движения, дешифратора и инверторасоединен с информационными входами регистра состояний электромагнитных муфт, два выхода которого через ключи управления и ключи блокировки связаны с входами 30 рецессивных электромагнитных муфт, а ос. тавшийся выход резистра связан одновременно с входом доминантной электромагнитной муфты и управляющим входом ключа блокировки электродвигате ля.Таким образом, положительный эффектпри осуществлении изобретения достигается за счет того, что в маневровом режиме движения автомобиля угловое передаточ ное число (УПЧ) рулевого управления, равное отношению угла поворота рулевого колеса к среднему углу поворота управляемых колес, уменьшается благодаря автоматическому включению повышающих 45 передач мультипликатора рулевого управления, причем неизбежное при этом увеличение силовой нагрузки на рулевом колесе предотвращается работой электродвигателя, создающего дополнительный крутящий момент, по знаку совпадающий с моментом, 50 образованным мускульной силой водителя,В транспортном режиме, т. е, при движении автомобиля с относительно высокими скоростями, в мультипликаторе задействована прямая передача, образо ванная блокировкой доминантной электромагнитной муфты, благодаря чему угловое передаточное число рулевого управления максимально и равно передаточному числу рулевого механизма, что является оправИзобретение относится к механическимрулевым управлениям колесных транспортных средств и может быть использовано вавтомобилях повышенной проходимости,работающих, преимущественно, в маневровом режиме.Известна система рулевого управлениятранспортного средства, содержащая рулевое колесо, механизм изменения передаточного числа, рулевой механизм, 1гидроусилитель и рулевой привод, причеммеханизм изменения передаточного числавыполнен в виде дефференциального механизма, один из выходов которого соединенс рулевым колесом, другой вход - с электродвигателем, а выход - с рулевым механизмом. Данная система рулевого управленияпозволяет осуществлять регулирование величины своего передаточного числа, что повышает маневренность автомобиля. 2Недостатком известной системы рулевого управления является относительно невысокая надежность, так как рулевоеуправление становится неработоспособным при выходе иэ строя электродвигателя, 2Известно рулевое управление с усилителем для самоходных транспортныхсредств, содержащее электродвигатель усилителя рулевого колеса, воспринимающийсигналы управления от датчика крутящегомомента, представляющего собой упругийэлемент с наклеенным на него тензодатчиком. Упругий элемент располагается на рулевом валу и воспринимает часть нагрузки,прикладываемой водителем к рулевому колесу.Недостатком этого рулевого управления с усилителем является то, что оно неможет обеспечить изменения углового передаточного числа рулевого управления взависимости от некоторых параметров движения транспортного средства, напримерскорости движения, что не позволяет снизить энергетические затраты водителя приработе с рулевым колесом в маневровомрежиме движения автомобиля, для которогохарактерны частые углы поворота управляемых колес на максимальные величины,Целью изобретения является снижениеэнергетических затрат водителя при работес рулевым колесом в маневровом режимеавтомобиля,Поставленная цель достигается тем, чторулевое управление колесного транспортного средства, содержащее рулевое колесо,датчик крутящего момента, усилитель мощности, электродвигатель, рулевой механизм, гидроусилитель и рулевой привод,снабжено мультипликатором, состоящим иззубчатых колес и электромагнитных фрикданным с точки зрения безопасности движения.На фиг. 1 изображена функциональная блок-схема рулевого управления; на фиг. 2 - функциональная зависимость углового передаточного числа рулевого управления от скорости движения автомобиля.Устройство содержит рулевое колесо 1, вал между которым (фиг. 1) и рулевым механизмом 2 связан с датчиком 3 крутящего момента, мультипликатором 4 и электродвигателем 5. Рулевой механизм 2 связан с усилителем 6 и рулевым приводом 7.Датчик 3 представляет собой упругий элемент с наклеенными на неготензосопротивлениями, воспринимающий нагрузку с рулевого колеса 1 и преобразующий ее в электрические сигналы, прямо пропорциональные усилиям, которые затрачивает водитель.Выход датчика 3 крутящего момента соединен одновременно через ключ 8 блокировки электродвигателя и усилитель 9 мощности с электродвигателем 4 и через компаратор 10 перегрузки и инвертор 11 - с управляющими входами ключей 12 - 14 блокировки электромагнитных фрикционных муфт.Мультипликатор 4 состоит из зубчатых колес 15 - 20 разного диаметра и электромагнитных фрикционных муфт 21 - 23. Муфта 21 образует прямую передачу, при которой угол поворота рулевого колеса 1 без изменения передается на рулевой механизм 2, а муфты 22 и 23 - повышающие передачи, при которых результирующий угол поворота вала рулевого механизма 2 , является большим, чем задаваемый рулевым колесом. Электромагнитная муфта 21 является доминантной, а муфты 22 и 23 - рецессивными, благодаря чему в обесточенном состоянии муфта 21 является включенной (способной передавать крутящий момент), муфты 22 и 23 - выключенными, разблоки рован ными (нес пособн ыми передавать крутящий момент), При наличии рабочего напряжения на их входах, наоборот,муфта 21 является разблокированной, амуфты 22 и 23 - заблокированными,Датчик 24 нейтрального положения кинематически связан со ступицей рулевогоколеса 1 и электрически - с управляющим входом регистра 25 состояний электромагнитных фрикционных муфт. При нейтральном положении рулевого колеса 1 регистр 25 находится в режиме прямой передачи входных сигналов на свои выходы и одновременно параллельной записи этих входных сигналов в ячейки памяти. При положениях рулевого колеса 1, отличных от50 55 5 10 15 20 25 30 35 40 45 нейтрального, регистр 25 находится в режиме воспроизведения сигналов из ячеек памяти, записанных в момент нейтрального положения рулевого колеса,Информационные выходы регистра 25, число которых равно числу фрикционных муфт в мультипликаторе 4, связаны с ключами 26 - 28 управления электромагнитными муфтами, которые, в свою очередь, через ключи 12-14 блокировки связаны с входами электромагнитных фрикционных муфт 21 - 23. Кроме этого, выход ключа 14 соединен с управляющим входом ключа 8 блокировки электродвигателя.Информационные входы регистра 25, образующие каналы управления состоянием рецессивных муфт, соединены с выходами дешифратора 29 непосредственно, информационный вход регистра 25, образующий канал управления состоянием доминантной муфты, соединен с выходом дешифратора 29 через инвертор 30,Датчик 31 скорости движения автомобиля через двусторонний ограничитель 32 и компараторы 33 и 34 скорости движения подключен к входам дешифратора 29.Элементы 24, 10, 11, 8, 12, 14, 26 - 28, 25, 30, 29, 33, 34, 32 и 31 образуют блок 35 управления мультипликатором.В качестве дешифратора 29 может быть использован трехразрядный дешифратор, преобразующий двоичные трехразрядные входные коды от 0 до 7 в "1" (преобразователь 1 из 8), благодаря которому каждому слову на входе дешифратора соответствует "1" на одном из его выходов,В качестве регистра 25 состояний электромагнитных муфт может быть использован трехраз рядн ый регистр на КЯ-триггерах.Двусторонний ограничитель 32 является ограничителем входных сигналов по минимуму и максимуму. Величины верхнего и нижнего порогов пропускания подбирают равными границе допустимого разброса входного напряжения на дешифраторе 29, соответствующего сигналу логической единицы. Ввиду использования в рулевом управлении усилителя .целесообразно для снижения, например, массовых параметров, изготовление зубчатых колес мультипликатора -4 производить из композиционных материалов,Рулевое управление колесного транспортного средства работает следующим образом.При нейтральном положении рулевого колеса 1 сигналом логической единицы с датчика 24 регистр 25 переводится в режим, когда сигналы на его информационных входах беспрепятственно передаются на ключи 26 - 28 управления и одновременно записываются в его ячейках памяти.Допустим, что при этом автомобильдвижется со скоростью, при которой сигнал Ч с датчика 31 скорости ниже порога срабатывания Чм"н компаратора 33. Тогда на входе А дешифратора 29 будет сигнал "1", на входах Б и В - сигналы "0". Одновременно на выходах Г, Д, Е сигналы равны соответственно "1", "0" и "0", на входах Ж, 3, Ч регистра 25 - "1", "0" и ."1" (за счет действия инвертора 30), Благодаря этому ключ 26 находится в открытом состоянии, ключ 27 - в закрытом, а ключ 28 - в открытом состоянии. Данный факт приводит к тому, что при условии открытых ключей 12-14 блокировки (перегрузка отсутствует) электромагнитная фрикционная муфта 21 находится в разблокированном состоянии (на ее входе сигнал "1"), муфта 22 - в заблокированном, а муфта 23 - в разблокированном состояниях (сигналы на входах соответственно "1" и "0"),Поворот на данной скорости движения Ча рулевого колеса 1, т. е. смена его нейтрального положения (при котором автомобиль движется прямо) на все остальные, приводит к тому, что сигнал с датчика 24 нейтрального положения меняется на "0", благодаря чему регистр 25 работает в режиме хранения и воспроизведения записанных в нем сигналов, В данном случае на выходах регистра 25 воспроизводится та же комбинация сигналов, что и была. Таким образом, крутящий момент рулевого колеса 1 передается на рулевой механизм 2 посредством ветви зубчатые колеса 15 и 16 - фрикционная муфта 22 - зубчатые колеса 19 и 18. Повышение при этом усилия на ободе рулевого колеса, связанное с тем, что включена повышающая передача в мультипликаторе 4, компенсируется электродвигателем 5, работой которого управляет через ключ 8 и усилитель 9 мощности датчик 3 крутящего момента. Ключ 8 в данном случае находится в открытом состоянии благодаря сигналу "1" с выхода ключа 28,Задействование максимальной повышающей передачи мультипликатора 4 (посредством муфты 22) на скоростях движения Ча Ча приводит к тому что УПЧ Ор рулевого управления становитсяминимальным Ор(фиг. 2),Повышение скорости движения Ча до величин, удовлетворяющих условию минЧдЧмакс где Чмин Чмакс пороговые напряжения компараторов 33 и 34, приводит к тому, что на входах А, Б, В35 40 45 50 55 Повышение скорости движения Ч автомобиля до величин Чм" приводит к смене комбинации сигналов на входах А, Б, В дешифратора 29 с "110" на "111" за счет срабатывания компаратора 34. На выходах Г, Д, Е имеем сигналы "001", а на входах Ж, 3, И регистра 25 - сигналы "000". Смена на выходах регистра 25 имеющейся комбинации "011" на новую "000" происходит только лишь при условии нейтрального положения рулевого колеса 1, При выполнении этого условия ключи 26 - 28 переходят в закрытые состояния, обеспечивая тем самым электромагнитные фрикционные муфты 22, 23, и 21, Отсутствие рабочего напряжения на нихприводит к тому, что муфта 21 переходит в заблокированное состояние, а муфты 22 и 23 - в разблокированное. Тем самым включается прямая передача мультипликатора 4, позволяющая без изменения передавать величину поворота рулевого колеса 1 на рулевой механизм 2. Одновременно с обесточиванием фрикционных муфт 21 - 23 происходит обесточивание электродвигателя 5 за счет блокировки его цепи питания ключом 8, Следовательно, в случае включедешифратора 29 комбинация сигналов "100" меняется на "110" за счет срабатывания компаратора 33. На выходах Г, Д, Е дешифратора 29 имеем сигналы "010", а на 5 входах Ж, 3, И регистра 25 - сигналы "011".При положении рулевого колеса 1, отличных от нейтрального, изменения комбинации управляющих сигналов на входах фрикционных муфт мультипликатора 4, описанной 10 для случая Чд( Чане происходит,.поэтомувход и выход из поворота с изменением скорости движения осуществляется при одном и том же Ор.При прохождении рулевым колесом 1нейтрального положения на выходах регистра 25 сигналы становятся равными сигналам на его входах, т. е. "011", при этом ключ 26 переходит в закрытое состояние, что влечет обесточивание фрикционной муфты 22, ключ 27 - в открытое состояние, что приводит к.блокированию муфты 23, а ключ 28 по-прежнему остается в открытом состоянии, за счет чего муфта 21 разблокирована.Включением второй повышающей передачи мультипликатора 4 (ветвь зубчатые колеса 5 и 17 - муфта 23 - зубчатые колеса 20 и 18) достигается увеличение УПЧ рулевого управленияОр до Ор(фиг. 2). По-прежнемууве 1 230 личение момента сопротивления нарулевом колесе 1, связанное с включением второй повышающей передачи мультипликатора 4, компенсируется дополнительным крутящим моментом электродвигателя 5.1736802 10 50 55 ния прямой передачи мультипликатора 4 УПЧ рулевого управления максимально, равно ОР (фиг. 2) и определяется, в основном, УПЧ рулевого механизма,Снижение скорости движения автомобиля с максимальных значений до близких к нулевым влечет за собой последовательное выключение компараторов 34 и 33 и смену комбинаций входных сигналов на дешифраторе 29 в порядке, обратном описанному ранее.Наличие компаратора 10 перегрузки позволяет контролировать величину сигналов с датчика 3 крутящего момента. В случае выхода из строя усилителя б рулевого управления, влекущего за собой значительное повышение момента сопротивления на рулевом колесе 1, резко возрастает амплитуда выходных сигналов с датчика 3 при вращении рулевого колеса 1. Если уровень этого напряжения превысит уровень порогового напряжения компаратора 10 перегрузки, то на выходе последнего появляется сигнал "1", а на выходе инвертора 11 - сигнал "0", благодаря которому ключи 12 - 14 блокируют цепи питания электромагнитных муфт 22, 23 и 21 и электродвигателя 5. За счет этого принудительного включения прямой передачи мультипликатора 4 достигается предохранение его повышающих передач, выполненных из композиционных материалов, от силовых перегрузок,Таким образом, использование предлагаемого рулевого управления в автомобмле повышенной проходимости позволяет повысить его кинематическую чувствительность и снизить энергетические затраты водителя при работе с рулевым колесом в маневровом режиме за счет уменьшения углового передаточного числа. Формула изобретения Рулевое управление колесного транспортного средства, содержащее рулевое колесо, кинематически связанное с датчиком крутящего момента, рулевой механизм, связанный через гидроусилитель с рулевым приводом, усилитель мощности и электродвигатель, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с 5 целью повышение удобства за счет снижения усилия на рулевом колесе, оно снабжено мультипликатором, состоящим из зубчатых колес и электромагнитных фрикционных муфт, одна из которых выполнена 10 доминантной, а остальные - рецессивными,и блоком управления мультипликатором, состоящим из датчика нейтрального положения рулевого колеса, компаратора перегрузки, инвертора перегрузки, ключа 15 блокировки электродвигателя, ключей блокировки и ключей управления электромагнитными фрикционными муфтами, регистра состояний электромагнитных фрикционных муфт, инвертора, дешифратора, компарато ра скорости движения, двустороннего ограничителя и датчика скорости движения транспортного средства, при этом датчик крутящего момента соединен одновременно через ключ блокировки электродвигателя 25 и усилитель мощности с электродвигателеми через компаратор и инвертор перегрузки - с ключами блокировки электромагнитных фрикционных муфт, датчик нейтрального положения рулевого колеса 30 подключен к управляющему входу регистрасостояний элетромагнитных фрикционных муфт, а датчик скорости движения посредством двустороннего ограничителя, компараторов скорости движения, дешифратора и 35 инвертора соединен с информационнымивходами регистра состояний электромагнитных фрикционных муфт, два выхода которого через ключи управления и ключи блокировки связаны с входами рецессив ных электромагнитных фрикционных муфт,а оставшийся выход регистра связан одновременно с входом доминантной электромагнитной фрикционной муфты и управляющими входом ключа блокировки 45 электродвигателя.12 1736802 м апис а 4 ставитель С. Саламащкихред М.Моргентал Редактор Е. Копча тор О. Кундри Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 Заказ 1860 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раущская наб 4/5