рулевая колонка колесного транспортного средства и блок управления рулевой колонкой

Формула изобретения

1. Рулевая колонка, включающая рулевое колесо, замок зажигания, входной вал, на котором установлено рулевое колесо, выходной вал, связанный механически с колесами транспортного средства и расположенный соосно с входным валом, торсион, соединенный с входным и выходным валом и установленный таким образом, что при приложении крутящего момента к входному валу происходит его скручивание, электродвигатель, связанный с выходным валом и содержащий ротор, статор и корпус, и блок управления, формирующий и подающий управляющие сигналы, зависящие от угла скручивания торсиона, электродвигателю, который при этом снабжает выходной вал дополнительным вращающим моментом, отличающаяся тем, что ротор электродвигателя установлен на выходном валу, а корпус электродвигателя выполнен таким образом, что обеспечивает соосное расположение входного и выходного валов и ротора электродвигателя, при этом торсион снабжен ограничителем угла скручивания торсиона, а блок управления выполнен с возможностью формирования управляющих сигналов, зависящих от температуры статора электродвигателя.

2. Рулевая колонка по п.1, отличающаяся тем, что ротор электродвигателя содержит корпус, магнитопровод и постоянные магниты.

3. Рулевая колонка по п.1, отличающаяся тем, что статор электродвигателя содержит магнитопровод и обмотки.

4. Рулевая колонка по п.1, отличающаяся тем, что корпус электродвигателя образован двумя центраторами и двумя боковыми щитами.

5. Рулевая колонка по пп.1-3, отличающаяся тем, что она снабжена кожухом входного вала.

6. Рулевая колонка по п.4, отличающаяся тем, что щит корпуса электродвигателя соединен с кожухом входного вала.

7. Рулевая колонка по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что она снабжена противоугонным средством.

8. Рулевая колонка по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что торсион расположен внутри выходного вала.

9. Рулевая колонка по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что ограничитель угла скручивания торсиона расположен внутри выходного вала.

10. Рулевая колонка по любому из пп.1-9, отличающаяся тем, что блок управления снабжен корпусом, имеющим наружные теплообменные ребра.

11. Рулевая колонка по любому из пп.1-10, отличающаяся тем, что корпус блока управления установлен на корпусе электродвигателя.

12. Рулевая колонка по любому из пп.1-11, отличающаяся тем, что она снабжена средством изменения угла ее наклона по вертикали.

13. Рулевая колонка по любому из пп.1-12, отличающаяся тем, что выходной вал соединен с редуктором, выходной вал которого расположен соосно с входным валом рулевой колонки.

14. Рулевая колонка по любому из пп.1-13, отличающаяся тем, что центраторы корпуса электродвигателя соединены с магнитопроводом статора электродвигателя рулевой колонки.

15. Рулевая колонка по любому из пп.1-14, отличающаяся тем, что ротор электродвигателя - безобмоточный и состоит из зубчатого магнитопровода, закрепленного на корпусе ротора.

16. Рулевая колонка по любому из пп.1-15, отличающаяся тем, что блок управления выполнен с возможностью формирования управляющих сигналов, дополнительно зависящих от положения выходного вала.

17. Рулевая колонка по любому из пп.1-16, отличающаяся тем, что блок управления выполнен с возможностью формирования управляющих сигналов, дополнительно зависящих от скорости автомобиля.

18. Блок управления рулевой колонкой, содержащий средство управления, формирующее сигналы управления электродвигателем рулевой колонки, которое снабжено датчиком момента на валу рулевой колонки, отличающийся тем, что средство управления выполнено в форме микроконтроллера, который дополнительно снабжен датчиком температуры статора электродвигателя и соединен с полупроводниковым преобразователем электрической энергии, формирующим ток электродвигателя рулевой колонки, величина которого определяется сигналами управления электродвигателем.

19. Блок управления по п.18, отличающийся тем, что он снабжен датчиком положения выходного вала рулевой колонки.

20. Блок управления по п.18, отличающийся тем, что он снабжен датчиком положения ротора электродвигателя.

21. Блок управления по любому из пп.18-20, отличающийся тем, что он включает источник питания.

22. Блок управления по любому из пп.18-21, отличающийся тем, что он снабжен силовыми ключами и выходными каскадами, формирующими сигналы включения и выключения силовых ключей полупроводникового преобразователя электрической энергии.

23. Блок управления по любому из пп.18-22, отличающийся тем, что он снабжен датчиком тока электродвигателя.

24. Блок управления по любому из пп.18-23, отличающийся тем, что он снабжен датчиком тока бортовой сети транспортного средства.

25. Блок управления по любому из пп.18-24, отличающийся тем, что он содержит реле коммутации напряжения бортовой цепи.

26. Блок управления по любому из пп.18-25, отличающийся тем, что он электрически соединен с бортовой электрической сетью автомобиля.

27. Блок управления по любому из пп.18-26, отличающийся тем, что он электрически соединен с замком зажигания рулевой колонки, снабженным с противоугонным механизмом.

28. Блок управления по любому из пп.18-27, отличающийся тем, что он электрически соединен с датчиком скорости автомобиля.

29. Блок управления по любому из пп.18-28, отличающийся тем, что он электрически соединен с датчиком состояния двигателя автомобиля.

30. Блок управления по любому из пп.18-29, отличающийся тем, что он электрически соединен средствами индикации и диагностики состояния рулевой колонки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к средствам управления колесным транспортом и может быть использовано в автомобильной промышленности при производстве автомобилей, тракторостроении при производстве колесных тракторов и иных отраслях промышленности в колесных транспортных средствах.

Известны рулевые колонки для колесного транспорта различных конструкций.

Например, известна рулевая колонка автомобиля, содержащая рулевое колесо, входной вал, соединяющийся с рулевым колесом, замок зажигания с противоугонным механизмом и средствами подачи напряжения бортовой сети с помощью замка зажигания к узлам автомобиля [Руководство по эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту автомобилей ВАЗ-2104-05. - М: "Ливр", 2000 г.].

Основным недостатком этой колонки является отсутствие средства, позволяющего увеличивать крутящий момент, приложенный водителем к рулевому колесу, что снижает комфортность управления транспортным средством, а также безопасность управления автомобилем, поскольку в критических ситуациях и при парковке возникает необходимость быстрого приложения значительного по величине крутящего момента к рулевому колесу.

Известен рулевой привод автомобиля [Патент РФ №215 8692], содержащий рулевой вал (входной вал), выходной вал, датчик момента на руле, червячный редуктор, электродвигатель, блок управления, датчик положения ротора электродвигателя.

Недостатками описанного рулевого привода являются:

- наличие отдельно расположенного от рулевой колонки электродвигателя резко увеличивает габариты привода;

- наличие червячного редуктора, из-за чего появляется сильная асимметричность при передаче момента от руля к колесам и, наоборот, от колес к рулю, что существенно снижает динамические показатели и снижает безопасность управления автомобилем;

- из-за низкого КПД червячного редуктора, особенно при реверсивных режимах работы, резко возрастает потребляемый двигателем ток и мощность.

Известна 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 рулевой колонке электродвигатель соединяется с ведомым валом посредством червячной передачи червячного редуктора. По наибольшему количеству сходных признаков эта колонка является ближайшим аналогом предлагаемой колонки и принята за прототип изобретения.

К недостаткам прототипа относятся:

- наличие дополнительных кинематических связей, участвующих в передаче крутящего момента от входного вала к выходному через червячный редуктор, что приводит к потерям мощности;

- большие габариты колонки, обусловленные расположением электродвигателя, связанного с ведомым валом червячным редуктором;

- большая асимметричность передачи крутящего момента от руля к колесам и, наоборот, от колес к рулю, что отрицательно влияет на динамические показатели колонки;

- из-за низкого КПД червячного редуктора, особенно при реверсивных режимах работы, резко возрастает потребляемый двигателем ток и мощность;

- возможность перегрева и, соответственно, поломок электродвигателя, так как условия его работы не отслеживаются и не учитываются.

Изобретение решает задачу создания рулевой колонки компактной, экономичной и с увеличенным сроком эксплуатации.

Поставленная задача решается тем, что предлагается рулевая колонка, включающая рулевое колесо, замок зажигания, входной вал, на котором установлено рулевое колесо, выходной вал, связанный механически 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, связанный с выходным валом и содержащий ротор, статор и корпус, и блок управления, формирующий и подающий управляющие сигналы, зависящие от угла скручивания торсиона, электродвигателю, который при этом снабжает выходной вал дополнительным вращающим моментом, в которой ротор электродвигателя установлен на выходном валу, а корпус электродвигателя выполнен таким образом, что обеспечивает соосное расположение входного и выходного валов, при этом торсион снабжен ограничителем угла скручивания торсиона, а блок управления выполнен с возможностью формирования управляющих сигналов, дополнительно зависящих от температуры статора электродвигателя.

Ротор электродвигателя рулевой колонки может быть выполнен традиционно: содержащим корпус, магнитопровод и постоянные магниты. При этом ротор электродвигателя - безобмоточный и состоит из зубчатого магнитопровода, закрепленного на корпусе ротора.

Статор электродвигателя также может быть выполнен традиционно: содержащим магнитопровод и обмотки.

Корпус электродвигателя может быть выполнен состоящим из двух расположенных встречно центраторов (здесь центратор - механическая деталь, обеспечивающая определенное положение вала, установленного в нем посредством подшипникового узла), которые обеспечивают соосное расположение входного и выходного валов, и боковых щитов. Названные центраторы могут быть установлены непосредственно на магнитопроводе статора электродвигателя рулевой колонки.

Входной вал рулевой колонки может быть традиционно закрыт кожухом, причем один щит корпуса электродвигателя, а именно расположенный со стороны рулевого колеса, может быть соединен с кожухом входного вала или объединен с ним в форме одной детали.

Рулевая колонка может быть снабжена противоугонным средством, которое может быть связано с замком зажигания.

Для оптимальной компоновки рулевой колонки торсион и ограничитель угла скручивания торсиона целесообразно располагать внутри выходного вала.

Блок управления рулевой колонки может иметь корпус, у которого имеются наружные теплообменные ребра. При этом он для оптимальной компоновки может быть установлен на корпусе электродвигателя и теплообменные ребра в этом случае будут выполнять функцию отвода тепла как от самого блока управления, так и от электродвигателя.

Для удобства эксплуатации рулевая колонка может быть снабжена средством изменения угла ее наклона по вертикали. Эту функцию могут выполнять, например, прикрепленные к ней ушки.

Для дополнительного увеличения крутящего момента входной вал рулевой колонки может быть соединен с редуктором, выходной вал которого расположен соосно с упомянутым входным валом рулевой колонки.

Для решения поставленной задачи предлагается также блок управления рулевой колонкой. За прототип блока управления рулевой колонкой принят блок управления, содержащий средство управления, которое включает первый и второй блоки логики, сумматор, компаратор, задатчик скорости и датчик скорости, коммутатор, усилитель мощности и датчик момента, установленный на входном валу рулевой колонки [Патент РФ №21573]. Основным недостатком прототипа является невозможность обеспечения сохранности электродвигателя колесного транспортного средства в рабочем состоянии на длительный срок и, соответственно, короткий срок его эксплуатации.

Изобретение решает задачу создания блока управления, позволяющего увеличить срок эксплуатации электродвигателя транспортного средства.

Предлагаемый блок управления транспортным средством содержит средство управления, формирующее сигналы управления электродвигателем рулевой колонки, которое выполнено в форме микроконтроллера и снабжено датчиком момента на валу рулевой колонки и датчиком температуры статора электродвигателя, причем микроконтроллер соединен с полупроводниковым преобразователем электрической энергии, формирующим ток электродвигателя рулевой колонки, величина которого определяется упомянутыми сигналами управления электродвигателем.

Блок управления может быть снабжен датчиком положения выходного вала рулевой колонки или датчиком положения ротора электродвигателя.

Блок управления для реализации своей функции может быть снабжен силовыми ключами и выходными каскадами, формирующими сигналы включения и выключения силовых ключей полупроводникового преобразователя электрической энергии.

Для расширения его управляющих функций блок управления может быть снабжен датчиком тока электродвигателя и/или датчиком тока бортовой сети транспортного средства.

Также блок управления может содержать реле коммутации напряжения бортовой цепи.

Блок управления может быть электрически соединен с замком зажигания рулевой колонки, снабженным с противоугонным механизмом.

Блок управления может также быть электрически соединен с датчиком скорости автомобиля для расширения его контролирующих функций.

Изобретение проиллюстрировано следующими чертежами:

на фиг.1 показан общий вид рулевой колонки;

на фиг.2 показана структурная схема блока управления рулевой колонки;

на фиг.3 показан общий вид рулевой колонки, содержащей редуктор;

на фиг.4 показан график зависимости компенсирующего момента от угла поворота и скорости вращения вала рулевой колонки;

на фиг.5 показан график зависимости коэффициента компенсации от температуры электродвигателя;

на фиг.6 в качестве примера показана зависимость компенсирующего момента, формируемого электродвигателем, от момента на валу рулевого колеса при различной скорости движения автомобиля.

Как показано на фиг.1, рулевая колонка включает входной вал (вал рулевого колеса) 1, выходной вал 2, торсион 3, электродвигатель 4, статор электродвигателя 5, состоящий из магнитопровода и обмоток 6, ротор электродвигателя 7, центраторы корпуса электродвигателя 8, щиты корпуса электродвигателя 9, блок управления 10, замок зажигания 11, подшипниковые узлы 12, средство крепления рулевой колонки к корпусу транспортного средства 13, средство регулирования угла наклона рулевой колонки 14, зажимной рычаг 15, кожух входного вала 16, датчик температуры статора электродвигателя 17, датчик положения выходного вала (ротора) 18. Входной вал 1 установлен соосно с выходным валом 2 и соединяется с ним посредством торсиона 3, который является упругим элементом и угол скручивания которого зависит от момента, приложенного к рулевому колесу. Угол скручивания торсиона ограничен определенной величиной, которая задается ограничителем угла скручивания торсиона 19, который расположен, как и торсион, внутри выходного вала 2. Торсион 3 совместно со средством измерения угла его скручивания образуют датчик крутящего момента 20. Датчик крутящего момента 20 связан с блоком управления 10, который формирует управляющие сигналы и направляет их на электродвигатель 4. На выходном валу 2 размещен ротор электродвигателя, содержащий корпус, магнитопровод и постоянные магниты. Блок управления 10 может иметь корпус 21 с теплообменными ребрами и располагаться на корпусе электродвигателя рулевой колонки - сверху центраторов 8, как показано на фиг.1, или в удобном месте на корпусе автомобиля.

Схема блока управления приведена на фиг.2. Блок управления 10 содержит микроконтроллер 22, полупроводниковый преобразователь электрической энергии 23, имеющий усилители в виде выходных каскадов (драйверов) 24, осуществляющие формирование сигналов включения и выключения силовых ключей 25 полупроводникового преобразователя электрической энергии. Также блок управления может дополнительно содержать в различных сочетаниях датчик температуры блока управления 26, датчики токов электродвигателя рулевой колонки 27, датчики тока, потребляемого блоком управления от бортовой сети 28, датчик напряжения бортовой сети 29 и реле коммутации напряжения бортовой цепи 30 и источника питания 31, обеспечивающего формирование необходимых напряжений для питания элементов блока управления и датчиков момента и положения выходного вала (ротора).

На фиг.3 показана рулевая колонка, аналогичная изображенной на фиг.1, но дополнительно снабженная редуктором 32, позволяющим увеличить компенсирующий момент, создаваемый электродвигателем, выходной вал которого расположен соосно с входным валом рулевой колонки и является выходным валом 2 рулевой колонки.

Предлагаемая рулевая колонка работает следующим образом. В стояночном положении транспортного средства (двигатель выключен, включены все защиты автомобиля, ключ зажигания не в замке зажигания) рулевая колонка зафиксирована механическим противоугонным средством, а система электронной защиты (иммобилайзер) запрещает доступ к ее системам зажигания и управления. С помощью соответствующего ключа зажигания снимается механическая защита с рулевой колонки, далее происходит дополнительное распознавание ключа зажигания по системе "свой-чужой" блоком управления рулевой колонки и в том случае, если ключ признается "своим", ей разрешается нормальное функционирование.

При вращении рулевого колеса возникает момент на входном валу 1, происходит скручивание торсиона 3 на угол, пропорциональный приложенному крутящему моменту, который измеряется датчиком крутящего момента 20 и сигнал об этом событии от датчика 20 поступает в блок управления 10 на микроконтроллер 22, который анализирует этот сигнал и при превышении им заданной минимальной величины формирует управляющий сигнал, который поступает на полупроводниковый преобразователь электрической энергии 23, имеющий усилители в виде выходных каскадов (драйверов) 24, силовые ключи 25, который участвует в формировании токов в электродвигателе посредством воздействия на обмотки статора 5 электродвигателя 4, что заставляет ротор электродвигателя поворачиваться относительно статора вместе с выходным валом, на котором установлен ротор, и таким образом создает дополнительный (компенсирующий) крутящий момент на выходном валу 2 рулевой колонки. Далее на механизм поворота колес транспортного средства через выходной вал 2 рулевой колонки передается сумма крутящих моментов: крутящего момента на входном валу рулевого колеса и компенсирующего момента, обеспеченного электродвигателем 4.

В том случае, когда момент на входном валу рулевого колеса превышает заданную максимальную величину, вступает в работу ограничитель угла скручивания торсиона 19, который посредством блока управления 10 ограничивает величину компенсирующего крутящего момента, тем самым повышается экономичность и долговечность рулевой колонки.

Электродвигатель 4 может быть выполнен как переменного, так и постоянного тока. В случае, если электродвигатель переменного тока, его статор имеет трехфазную обмотку. Ротор выполняется в этом случае явнополюсным с возбуждением от постоянных магнитов или от обмотки возбуждения, питание на которую передается с помощью контактных колец, или же ротор выполняется безобмоточным, зубчатым. В случае, если электродвигатель постоянного тока, ротор состоит из магнитопровода с обмотками и коллектором, закрепленными на корпусе ротора.

Датчик температуры статора электродвигателя 17 постоянно во время эксплуатации транспортного средства следит за температурой статора электродвигателя, информация о которой поступает в микроконтроллер 22 блока управления. При превышении заданного температурного порога микроконтроллер направляет управляющий сигнал о снижении компенсирующего крутящего момента на выходном валу посредством снижения величины токов в полупроводниковом преобразователе электрической энергии и далее - в электродвигателе, при этом происходит снижение коэффициента компенсации (К _ком=М_ком/М_врк), например, по закону, представленному на фиг.5. Как изображено на фиг.5 в качестве примера, при 125°С компенсирующий момент принудительно снижается до нуля, чтобы не допустить превышения рабочей температуры электродвигателя. Температура, на которую настраивается блок управления, может быть различной, в зависимости от характеристик электродвигателя и используемых материалов.

В результате электродвигатель работает при стабильных температурных условиях, без перегревов, что позволяет продлить его эксплуатационные ресурсы и повысить надежность работы рулевой колонки в целом.

При формировании микроконтроллером 22 блока управления 10 управляющего сигнала могут учитываться также сигналы датчика положения выходного вала (ротора) 18 и датчика тока электродвигателя 27, например, с целью минимизации величины и улучшения формы тока в обмотках электродвигателя при сохранении необходимого компенсирующего крутящего момента, для обеспечения активного самовозврата входного вала 1 при снятии с него крутящего момента, а также с целью ограничения тока в обмотках электродвигателя 4 и выключения его в аварийных ситуациях. Это повышает надежность работы элементов рулевой колонки, а также увеличивает компенсирующий момент в статических и динамических режимах, что приводит не только к повышению комфортности управления транспортным средством, но и увеличивает его эксплуатационные ресурсы по времени. Кроме этого, названные датчики при обработке их сигналов микроконтроллером обеспечивают формирование зависимости компенсирующего крутящего момента (М_ком) от углового положения и скорости вращения входного вала 1 рулевой ( _вр, _вр) колонки в виде, представленном на фиг.4.

Сигнал датчика напряжения бортовой сети 29, поступающий на микроконтроллер 22 позволяет линеаризовать передаточную характеристику преобразователя электрической энергии с помощью микроконтроллера и повысить статические и динамические показатели рулевой колонки при формировании компенсирующего крутящего момента, что позволяет компенсировать влияние подключения различных электрических нагрузок транспортного средства к бортовой сети на качественные, количественные и функциональные характеристики рулевой колонки. Это благоприятно сказывается на комфортности управления транспортным средством и повышает безопасность.

Датчики тока 28, потребляемого блоком управления от бортовой сети, обеспечивают токоограничение на определенный промежуток времени, необходимый для селективного срабатывания предохранителей бортовой сети автомобиля или для отключения блока управления, если не происходит срабатывание предохранителей.

Сигнал датчика скорости автомобиля используется для снижения компенсирующего крутящего момента с увеличением скорости движения транспортного средства, что обеспечивает безопасность движения, экономичность, сохраняет ощущение дороги, повышая комфортность управления автомобилем. Фиг.6 иллюстрирует в качестве примера зависимости компенсирующего крутящего момента от момента на валу рулевого колеса (М_врк ) при различной скорости (V) движения транспортного средства - фиг.6а и зависимость компенсирующего момента (М_ком ) от скорости движения автомобиля при постоянном моменте на валу рулевого колеса - фиг.6б.

Выходные каскады (драйверы) 24 усиливают по мощности выходные сигналы микроконтроллера 22 до необходимого уровня для управления силовыми ключами преобразователя электрической энергии, задают необходимую скорость нарастания тока и напряжения на силовых ключах преобразователя электрической энергии, а также защищают блок управления 10 при коротких замыканиях различной природы в преобразователе электрической энергии, повышая надежность его функционирования.

Рулевая колонка может быть снабжена средствами индикации, которые отражают визуально или иным способом сообщения о результатах постоянной работы блока управления 10 по текущей диагностике состояния рулевой колонки, проводимой постоянно во время эксплуатации транспортного средства. Данное решение уменьшает вероятность внезапного для водителя изменения функциональных характеристик рулевой колонки и увеличивает временной ресурс ее безопасной эксплуатации. Средство диагностики состояния рулевой колонки подключается к рулевой колонке с помощью разъема и по специальному протоколу, получает информацию о состоянии отдельных элементов рулевой колонки и позволяет вносить изменения в основные характеристики рулевой колонки, в том числе изменять коды защиты от несанкционированного управления. Такое конструктивное решение повышает ремонтоспособность данного устройства, упрощает проведение процедуры контроля функционирования и повышает степень защиты автомобиля от несанкционированного управления.

С целью улучшения теплового режима электродвигателя рулевой колонки центраторы корпуса 8 соединены с магнитопроводом статора электродвигателя 5 рулевой колонки и выполняют функцию радиатора. Такое решение позволяет выполнить рулевую колонку компактной и, кроме того, повышает надежность ее функционирования и долговечность.

Таким образом, рулевая колонка предлагаемой конструкции совместно с блоком управления ею характеризуется компактностью, обусловленной оптимальным компоновочным решением, экономичностью, обусловленной минимизацией числа кинематических связей, и увеличенным эксплуатационным ресурсом в связи с оптимизацией режимов ее работы, что обеспечивается снижением компенсирующего момента при превышении температуры статора электродвигателя заданной граничной величины и достижении граничной величины угла скручивания торсиона.