RU2785899C1

RU2785899C1 - Electric power steering

Info

Publication number: RU2785899C1
Application number: RU2021132004A
Authority: RU
Inventors: Андрей Александрович Янович; Иван Александрович Трашахов
Original assignee: Акционерное общество "Производственное Объединение Муромский Машиностроительный Завод"
Filing date: 2021-11-01
Publication date: 2022-12-14

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to mechanical engineering and can be used in vehicles of M and N categories. The electric power steering includes an electric motor and a steering mechanism equipped with an input shaft connected to a torsion bar and a steering arm. Additionally, it contains an electric motor control unit and a mechanical transmission unit formed by a two-stage cylindrical gearbox. The steering mechanism and the electric motor are made in the form of separate units for the possibility of their longitudinal or transverse arrangement relative to the mechanical transmission unit. A magnetic torque sensor is installed on the input shaft of the steering mechanism. The mechanical transmission unit includes an electromagnetic coupling containing the first half coupling mounted on the shaft of the electric motor and the second half coupling, which is the gear of the mechanical transmission unit. The electric motor control unit is connected to the electric motor, the electromagnetic coupling of the mechanical transmission unit, the magnetic torque sensor and the on-board power supply of the vehicle.

EFFECT: increase in the steering wheel torque and its transmission to the arm shaft, as well as an increase in driving safety.

1 cl, 6 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention belongs

Изобретение относится к машиностроению и может использоваться в транспортный средствах категории М и N.The invention relates to mechanical engineering and can be used in vehicles of category M and N.

Область техникиTechnical field

Известна система рулевого управления с усилителем с приводом от двигателя (Патент US 4724917 опубл. 16.02.1988), в которой используют электродвигатель для создания вспомогательного крутящего момента, который добавляется к крутящему моменту, приложенному к рулевому колесу транспортного средства водителем.Known is a power steering system driven by an engine (Patent US 4724917 publ. 16.02.1988), which uses an electric motor to create an auxiliary torque that is added to the torque applied to the steering wheel of the vehicle by the driver.

Недостатками данной конструкции являются:The disadvantages of this design are:

- применение червячного вала. Как известно червячная передача имеет более низкий КПД, чем шарико-винтовая передача, что приводит к снижению эффективности использования электродвигателя. Также КПД в червячной передаче сильно зависит от скорости скольжения, является переменной величиной и создает дополнительные проблемы с управлением системой в динамических режимах работы;- the use of a worm shaft. As you know, the worm gear has a lower efficiency than the ball screw, which leads to a decrease in the efficiency of the electric motor. Also, the efficiency in a worm gear is highly dependent on the sliding speed, is a variable and creates additional problems with system control in dynamic operating modes;

- расположение электродвигателя соосно червячному валу, и имеет только одно положение, что ограничит применение данной системы в существующих транспортных средствах, где компоновка пространства уже закончена.- the location of the electric motor is coaxial to the worm shaft, and has only one position, which will limit the use of this system in existing vehicles where the layout of the space has already been completed.

Известно устройство с проводным управлением (Заявка KR 20200039187 A опубл. 05.10.2020). В соответствии с вариантами осуществления предусмотрено устройство рулевого управления с управлением по проводам, которое содержит: шариковый винт, вращаемый приводным двигателем и имеющий внешнюю кольцевую канавку для винта на своей внешней периферийной поверхности; шариковую гайку, снабженную зубчатым колесом шестерни на ее внешней периферийной поверхности и внутренней кольцевой канавкой для винта, соответствующей внешней кольцевой канавке для винта на ее внутренней периферийной поверхности, для соединения с шариковой винтовой парой с использованием шарика в качестве среды; секторный вал, соединенный с зубчатым венцом шариковой гайки для приведения в действие рычага при вращении, когда шариковая гайка скользит в осевом направлении.A device with wired control is known (Application KR 20200039187 A publ. 10/05/2020). According to embodiments, a steering-by-wire steering device is provided, which includes: a ball screw rotated by a driving motor and having an outer annular screw groove on its outer peripheral surface; a ball nut provided with a gear wheel on its outer circumferential surface and an inner annular screw groove corresponding to the outer annular screw groove on its inner circumferential surface for connecting with a ball screw using a ball as a medium; a sector shaft connected to the ring gear of the ball nut to actuate the lever during rotation when the ball nut slides in the axial direction.

Недостатком конструкции рулевого механизма является применение червячной передачи в усиливающей цепи, что делает невозможным ее авариное отсоединение и отсоединение электродвигателя. Червячная передача не обратима и при движении после остановки. Отсутствуют иные варианты компоновки устройства.The disadvantage of the steering gear design is the use of a worm gear in the amplifying chain, which makes it impossible to disconnect it in an emergency and disconnect the electric motor. The worm gear is not reversible even when driving after a stop. There are no other options for the layout of the device.

Известен электроусилитель рулевого управления (Патент RU 2725016 опубл. 19.11.2019), который содержит узел привода, состоящий из электродвигателя и двухступенчатого редуктора с планетарной передачей и передачей с цилиндрическими зубчатыми колесами. Солнечная шестерня планетарной передачи установлена на выходном валу электродвигателя. Ведущая шестерня передачи с цилиндрическими зубчатыми колесами на ведомом валу, соосному выходному валу электродвигателя. Водило планетарной передачи соединено с ведущей шестерней посредством муфты. Ведомая шестерня устанавливается на выходном валу редуктора. Масляные полости корпуса, в которых установлены планетарная и зубчатая передачи разделены манжетой. На выходном валу редуктора ведущая муфта.An electric power steering is known (Patent RU 2725016 publ. 11/19/2019), which contains a drive unit consisting of an electric motor and a two-stage gearbox with a planetary gear and a gear with spur gears. The sun gear of the planetary gear is mounted on the output shaft of the electric motor. Drive gear with spur gears on a driven shaft coaxial with the output shaft of the electric motor. The planet carrier is connected to the pinion gear by means of a clutch. The driven gear is mounted on the output shaft of the gearbox. The oil cavities of the housing, in which the planetary and gear drives are installed, are separated by a cuff. On the output shaft of the gearbox is the drive clutch.

К недостатку конструкции электроусилителя относится отсутствие возможности аварийного механического отсоединения электродвигателя в случае пропадания питания, заклинивания его или поломки.The disadvantage of the design of the electric amplifier is the lack of the possibility of emergency mechanical disconnection of the electric motor in the event of a power failure, jamming or breakdown.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Техническая задача направлена на создание рулевого механизма с электроусилителем с блочной компоновкой, которая позволяет различными способами компоновать механизм, достигая оптимального расположения в различных транспортных средствах, подстраиваясь под имеющееся пространство.The technical problem is aimed at creating an electric power steering mechanism with a block layout, which allows you to assemble the mechanism in various ways, achieving the optimal location in various vehicles, adjusting to the available space.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в усилении момента рулевого колеса и передачи его на вал сошки. Усиление крутящего момента на валу сошки достигается за счет включения в систему управляемого момента электродвигателя, и усиления на трех механических передачах. Изобретение позволяет также повысить безопасности вождения за счет включения в систему электромагнитной муфты исполняющей функции предохранительной.The technical result achieved by using the invention is to increase the moment of the steering wheel and transfer it to the bipod shaft. The amplification of the torque on the bipod shaft is achieved by including the controlled torque of the electric motor in the system, and amplification on three mechanical gears. The invention also makes it possible to improve driving safety by including an electromagnetic clutch in the system that performs the function of a safety clutch.

Для решения технической задачи и достижения указанного технического результата электроусилитель рулевого управления, включающий электродвигатель и рулевой механизм, снабженный входным валом, связанным с торсионом и рулевой сошкой, согласно предложенному решению, дополнительно содержит блок управления электродвигателем и блок механической передачи, образованный двухступенчатым цилиндрическим редуктором, при этом рулевой механизм и электродвигатель выполнены в виде отдельных блоков для возможности продольного или поперечного расположения их относительно блока механической передачи, на входном валу рулевого механизма установлен магнитный датчик момента, блок механической передачи включает электромагнитную муфту, содержащую первую полумуфту, установленную на валу электродвигателя, и вторую полумуфту, являющуюся шестерней блока механической передачи, а блок управления электродвигателя соединен с электродвигателем, электромагнитной муфтой блока механической передачи, магнитным датчиком момента и бортовым питанием транспортного средства.To solve the technical problem and achieve the specified technical result, the electric power steering, including an electric motor and a steering mechanism, equipped with an input shaft associated with a torsion bar and a steering arm, according to the proposed solution, additionally contains an electric motor control unit and a mechanical transmission unit formed by a two-stage cylindrical gearbox, with In this case, the steering gear and the electric motor are made in the form of separate blocks for the possibility of their longitudinal or transverse arrangement relative to the mechanical transmission unit, a magnetic torque sensor is installed on the input shaft of the steering mechanism, the mechanical transmission unit includes an electromagnetic clutch containing the first half-coupling mounted on the motor shaft, and the second coupling half, which is the gear of the mechanical transmission unit, and the electric motor control unit is connected to the electric motor, the electromagnetic clutch of the mechanical transmission unit, the magnetic torque sensor and on-board food of the vehicle.

Изобретение поясняется рисункамиThe invention is illustrated by drawings

На фиг. 1 - представлен общий вид устройства, сечение, на фиг. 2 - блок механической передачи, на фиг. 4-6 представлены варианты компоновки электроусилителя.In FIG. 1 shows a general view of the device, section, in Fig. 2 - mechanical transmission unit, in Fig. Figures 4-6 show layout options for the electric amplifier.

На рисунках обозначено:The figures indicate:

1 - вал рулевого колеса;1 - steering wheel shaft;

2 - торсион;2 - torsion bar;

3 - датчик момента;3 - moment sensor;

4 - датчик углового положения;4 - angular position sensor;

5 - блок управления;5 - control unit;

6 - электродвигатель;6 - electric motor;

7 - блок механической передачи;7 - mechanical transmission block;

8 - винт шарико-винтовой передачи;8 - ball screw screw;

9 - рейка;9 - rail;

10 - вал сошки;10 - bipod shaft;

11 - электромагнитная муфта;11 - electromagnetic clutch;

12 - сошка;12 - bipod;

13 - рулевой механизм.13 - steering mechanism.

Рулевое колесо транспортного средства механически связано с входным валом 1 рулевого колеса. Входной вал 1 рулевого колеса связан с торсионом 2, при вращении рулевого колеса сначала скручивается торсион 2 затем вращение передается винту 8 шарико-винтовой передачи. Разность углов поворота входного вала 1 рулевого колеса и винта 8 шарико-винтовой передачи определяется датчиком момента 3. Датчик момента 3 передает блоку управления 5 текущее значение направления момента и его величину. Блок управления 5 питается от бортового питания транспортного средства. После получения данных по моменту блок управления 5, согласно внутреннему алгоритму, записанному в программном обеспечении блока управления 5 передает управляющий электрический сигнал на электродвигатель 6. Электродвигатель 6 преобразует электрическую энергию в механическую энергию вращения. На валу электродвигателя 6 установлена полумуфта из состава электромагнитной муфты 11. Вторая полумуфта является первой шестерней механической передачи. По команде от блока управления на катушку электромагнитной муфты 11 подается электрический ток, якорь электромагнитной муфты 11 замыкается с ее корпусом, замыкая муфту и передавая момент вращения электродвигателя на первую шестерню механической передачи. Полумуфты выполнены зубчатыми, момент передается когда зубья одной полумуфты входят во впадины другой. При аварии, пропадании питания или выхода из строя электродвигателя, электромагнитная муфта разъединяет механическую связь между шестерней первой ступени механической передачи и валом электродвигателя. Таким образом, рулевой механизм с электроусилителем становится просто рулевым механизмом позволяющим водителю не терять контроль над транспортным средством.The steering wheel of the vehicle is mechanically connected to the input shaft 1 of the steering wheel. The input shaft 1 of the steering wheel is connected to the torsion bar 2, when the steering wheel is rotated, the torsion bar 2 is first twisted, then the rotation is transferred to the screw 8 of the ball screw. The difference in the angles of rotation of the input shaft 1 of the steering wheel and the screw 8 of the ball screw is determined by the torque sensor 3. The torque sensor 3 transmits to the control unit 5 the current value of the torque direction and its magnitude. The control unit 5 is powered by the on-board power supply of the vehicle. After receiving the data on the moment, the control unit 5, according to the internal algorithm recorded in the software of the control unit 5, transmits a control electrical signal to the electric motor 6. The electric motor 6 converts electrical energy into mechanical energy of rotation. On the shaft of the electric motor 6, a half-clutch from the composition of the electromagnetic clutch 11 is installed. The second half-clutch is the first gear of the mechanical transmission. On command from the control unit, an electric current is supplied to the coil of the electromagnetic clutch 11, the armature of the electromagnetic clutch 11 closes with its body, closing the clutch and transferring the torque of the electric motor to the first gear of the mechanical transmission. The half-couplings are geared, the moment is transmitted when the teeth of one half-coupling enter the cavities of the other. In the event of an accident, power failure or failure of the electric motor, the electromagnetic clutch disconnects the mechanical connection between the gear of the first stage of the mechanical transmission and the motor shaft. Thus, the electric power steering becomes simply a steering mechanism that allows the driver not to lose control of the vehicle.

Механическая передача образована двуступенчатым цилиндрическим редуктором. Усиление (увеличение) момента происходит за счет разности чисел зубьев шестерни и колеса каждой передачи. В каждой передаче число зубьев шестерни примерно в 3 раза меньше числа зубьев парных им колес. Для плавности работы передач применены косозубые шестерни и колеса. Зубчатое колесо второй ступени жестко связано с валом шарико-винтовой передачи. Благодаря этому усиленный момент передается на винт шарико-винтовой передачи. Вращаясь винт преобразует вращательное движение в поступательное движение рейки. В шарико-винтовой передаче происходит значительное усиление. Далее рейка 9 двигаясь передает усилие на шестерню вала сошки заставляя ее вращаться, вал сошки вращает сошку транспортного средства. Таким образом, электроусилитель помогает водителю управлять транспортным средством. Рулевой механизм 13 и электродвигатель 6 выполнены в виде отдельных блоков для возможности продольного или поперечного расположения их относительно блока механической передачи 7.The mechanical transmission is formed by a two-stage spur gearbox. The amplification (increase) of the moment occurs due to the difference in the number of teeth of the gear and wheel of each gear. In each gear, the number of gear teeth is approximately 3 times less than the number of teeth of the paired wheels. For smooth operation of gears, helical gears and wheels are used. The gear wheel of the second stage is rigidly connected to the ball screw shaft. Due to this, the increased torque is transferred to the screw of the ball screw. The rotating screw converts the rotational motion into the translational motion of the rack. There is significant amplification in the ball screw. Further, the rack 9, moving, transfers the force to the bipod shaft gear, causing it to rotate, the bipod shaft rotates the bipod of the vehicle. Thus, the electric booster helps the driver to control the vehicle. The steering gear 13 and the electric motor 6 are made in the form of separate blocks for the possibility of their longitudinal or transverse arrangement relative to the mechanical transmission unit 7.

Описание работы устройства. Вращение вала рулевого колеса 1 скручивает торсион 2, это угловое смещение сообщается датчику момента 3 и датчику углового положения 4. Блок управления 5 получает данные от датчиков положения и момента 3 и 4, и при достижении определенных значений, дает команду электродвигателю 6, который посредством усиливающей механической передачи 7 передает вращение винту 8 шарико-винтовой передачи. Винт 8 перемещает рейку 9, которая вращает вал сошки 10. Электромагнитная муфта 11 при пропадании питания, поломке или заклинивания электродвигателя отсоединяет электродвигатель механически, позволяя водителю управлять вручную.Description of the device. The rotation of the steering wheel shaft 1 twists the torsion bar 2, this angular displacement is reported to the torque sensor 3 and the angular position sensor 4. The control unit 5 receives data from the position and torque sensors 3 and 4, and upon reaching certain values, gives a command to the electric motor 6, which, through the amplifying mechanical transmission 7 transmits rotation to the screw 8 of the ball screw. The screw 8 moves the rail 9, which rotates the shaft of the bipod 10. The electromagnetic clutch 11, in the event of a power failure, a breakdown or jamming of the electric motor, disconnects the electric motor mechanically, allowing the driver to control manually.

Усиление крутящего момента на валу сошки 12 достигается за счет включения в систему управляемого момента электродвигателя 6, усиление момента на механической передаче, усиление момента на передачах винт-гайка, рейка-шестерня.The amplification of the torque on the shaft of the bipod 12 is achieved by including in the system the controlled torque of the electric motor 6, the amplification of the torque on the mechanical transmission, the amplification of the moment on the gears screw-nut, rack-gear.

Изобретение позволяет реализовать разные варианты компоновки для встраивания электроусилителя в любое транспортное средство без его переделки и использовать имеющееся свободное пространство.The invention makes it possible to implement different layout options for embedding an electric amplifier in any vehicle without altering it and using the available free space.

Claims

Электроусилитель рулевого управления, включающий электродвигатель и рулевой механизм, снабженный входным валом, связанным с торсионом и рулевой сошкой, отличающийся тем, что дополнительно содержит блок управления электродвигателем и блок механической передачи, образованный двухступенчатым цилиндрическим редуктором, при этом рулевой механизм и электродвигатель выполнены в виде отдельных блоков для возможности продольного или поперечного расположения их относительно блока механической передачи, на входном валу рулевого механизма установлен магнитный датчик момента, блок механической передачи включает электромагнитную муфту, содержащую первую полумуфту, установленную на валу электродвигателя, и вторую полумуфту, являющуюся шестерней блока механической передачи, а блок управления электродвигателя соединен с электродвигателем, электромагнитной муфтой блока механической передачи, магнитным датчиком момента и бортовым питанием транспортного средства.Electric power steering, including an electric motor and a steering gear, equipped with an input shaft associated with a torsion bar and a steering arm, characterized in that it additionally contains an electric motor control unit and a mechanical transmission unit formed by a two-stage spur gear, while the steering gear and the electric motor are made in the form of separate blocks for the possibility of their longitudinal or transverse arrangement relative to the mechanical transmission block, a magnetic torque sensor is installed on the input shaft of the steering mechanism, the mechanical transmission block includes an electromagnetic clutch containing the first half-clutch installed on the motor shaft, and the second half-clutch, which is the gear of the mechanical transmission block, and the electric motor control unit is connected to the electric motor, the electromagnetic clutch of the mechanical transmission unit, the magnetic torque sensor and the on-board power supply of the vehicle.