рулевой механизм колесного транспортного средства

Формула изобретения

1. Рулевой механизм колесного транспортного средства, содержащий выходное звено рулевой колонки, пару ведомых зубчатых секторов, которые укреплены на осях поворота колес, и промежуточный элемент, обеспечивающий связь выходного звена рулевой колонки с парой одинаковых ведомых зубчатых секторов, отличающийся тем, что ведомые зубчатые сектора имеют эллиптическую форму с центрами вращения в одном из фокусов и взаимно симметричны, а промежуточный элемент имеет три рабочих участка, два из которых находятся в зацеплении с эллиптическими зубчатыми секторами, а третий связан с выходным звеном рулевой колонки.

2. Рулевой механизм по п.1, отличающийся тем, что выходное звено рулевой колонки выполнено в виде ведущего кругового зубчатого колеса, а промежуточный элемент выполнен в виде сложной шестерни, имеющей один круговой участок, находящийся в зацеплении с ведущим круговым зубчатым колесом, и два эпициклоидных, находящихся в зацеплении с ведомыми зубчатыми эллиптическими секторами.

3. Рулевой механизм по п.1, отличающийся тем, что выходное звено рулевой колонки выполнено в виде ведущего кругового зубчатого колеса, а промежуточный элемент выполнен в виде дугового фрагмента зубчатого венца, имеющего один круговой участок, находящийся в зацеплении с ведущим круговым зубчатым колесом, и два эпициклоидных, находящихся в зацеплении с ведомыми зубчатыми эллиптическими секторами.

4. Рулевой механизм по п.1, отличающийся тем, что выходное звено рулевой колонки выполнено в виде ведущего кругового зубчатого колеса, а промежуточный элемент выполнен в виде зубчатой рейки с двумя циклоидными участками на своих концах для зацепления с ведомыми зубчатыми эллиптическими секторами и третьим участком в своей средней части, который находится в зацеплении с ведущим круговым зубчатым колесом.

5. Рулевой механизм по п.1, отличающийся тем, что выходное звено механизма рулевой колонки выполнено в виде коромысла, а промежуточный элемент - в виде зубчатой рейки с двумя циклоидными участками на своих концах для зацепления с ведомыми зубчатыми эллиптическими секторами и третьим участком в своей средней части, имеющим ось для крепления шатуна, который шарнирно связан с коромыслом выходного звена механизма рулевой колонки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к колёсным транспортным средствам, в частности к механическим передаточным механизмам рулевого управления, и может быть использовано в качестве рулевого механизма в технологическом внутрицеховом транспорте, в веломобилях, в электромобилях и в др., преимущественно переднеприводных, транспортных средствах.

Уже известны рулевые механизмы колёсных транспортных средств, содержащие выходное звено рулевой колонки и рулевую трапецию [1]. В рулевых механизмах с рулевой трапецией выходное звено рулевой колонки выполнено в виде ведущего зубчатого колеса, связанного с рулевой трапецией посредством зубчатой рейки. Зачастую сама зубчатая рейка является элементом рулевой трапеции. Такие рулевые механизмы не обеспечивают должной маневренности транспортного средства из-за ограниченности диапазона изменения углов поворота колёс (минимальные радиусы поворота современных легковых автомобилей лежат в пределах от 4,6 до 7,6 м).

Значительно большую маневренность обеспечивает рулевой механизм колёсного транспортного средства, содержащий выходное звено рулевой колонки, пару ведомых зубчатых секторов, которые укреплены на валах поворота колёс, и промежуточный элемент, обеспечивающий связь выходного звена рулевой колонки с парой одинаковых ведомых зубчатых секторов [2]. Выходное звено рулевой колонки здесь выполнено в виде ведущего кругового зубчатого колеса, ступица которого размещена на рулевом валу. В данном устройстве функцию рулевой трапеции выполняют два симметричных эксцентричных зубчатых сектора и промежуточный элемент в виде эксцентричного зубчатого колеса, жёстко связанного с круговым зубчатым сектором. При этом круговой зубчатый сектор находится в зацеплении с ведущим зубчатым колесом рулевого вала. Данный механизм обеспечивает поворот колёс на гораздо большие углы с довольно малыми радиусами разворота транспортного средства.

Однако использование сопрягаемых эксцентричных зубчатых колёс обеспечивает надёжное зубчатое зацепление только в двух диаметрально противоположных положениях, при которых центры вращения и центры колёс совпадают с межцентровой линией. Во всех других положениях сопрягаемых колёс сумма расстояний от их осей вращения меньше межцентрового расстояния, и поэтому зацепление таких колёс осуществимо только с зазорами, величина которых не может превышать высоту зубьев. Поэтому практическое использование данного механизма ограничено пределами, диктуемыми выбранной величиной модуля зубчатого зацепления, притом только для транспортных средств, которые предназначены для эксплуатации в «лёгком» режиме.

Задачей данного изобретения является повышение маневренности транспортного средства путём обеспечения максимально возможного угла поворота его колёс, а техническим результатом - достижение минимально возможного радиуса разворота транспортного средства.

Поставленная задача решается тем, что в рулевом механизме колёсного транспортного средства (содержащем выходное звено рулевой колонки, пару ведомых зубчатых секторов, которые укреплены на валах поворота колёс, и промежуточный элемент, обеспечивающий связь выходного звена рулевой колонки с парой одинаковых ведомых зубчатых секторов) ведомые зубчатые сектора имеют эллиптическую форму с центрами вращения в одном из фокусов и взаимно симметричны, а промежуточный элемент имеет три рабочих участка, два из которых находятся в зацеплении с эллиптическими зубчатыми секторами, а третий связан с выходным звеном рулевой колонки.

Известны различные конструкции выходных звеньев рулевой колонки.

Если использовать наиболее распространённую конструкцию выходного звена рулевой колонки в виде ведущего кругового зубчатого колеса, то в этом случае промежуточный элемент может быть выполнен в виде дугового фрагмента зубчатого венца, имеющего один круговой участок, находящийся в зацеплении с ведущим круговым зубчатым колесом, и два эпициклоидных, находящихся в зацеплении с ведомыми зубчатыми эллиптическими секторами, или в виде зубчатой рейки с двумя циклоидными участками на своих концах для зацепления с ведомыми зубчатыми эллиптическими секторами и третьим участком в своей средней части, который находится в зацеплении с ведущим круговым зубчатым колесом.

Конструкция выходного звена рулевой колонки может быть также выполнена в виде коромысла, а промежуточный элемент - в виде зубчатой рейки с двумя циклоидными участками на своих концах для зацепления с ведомыми зубчатыми эллиптическими секторами и третьим участком в своей средней части, который имеет ось для крепления шатуна, шарнирно связанного с коромыслом выходного звена механизма рулевой колонки.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображён фрагмент детского веломобиля, на фиг.2 - вид этого фрагмента по сечению А-А в варианте с ведущим круговым зубчатым колесом и промежуточным элементом в виде дугового фрагмента зубчатого венца, на фиг.3 - вариант с ведущим круговым зубчатым колесом и промежуточным элементом в виде зубчатой рейки, на фиг.4 - вариант с ведущим коромыслом и промежуточным элементом в виде зубчатой рейки, на фиг.5 - схема поворота детского веломобиля при минимальном радиусе разворота, а на фиг.6 - схема взаимодействия зубчатого эллиптического сектора с промежуточным элементом.

На фиг.1 показан фрагмент рулевого механизма детского веломобиля, на котором изображена рулевая колонка 1 и колесо 3, которое укреплено на валу поворота (шкворне) 5 и связано с рулевой колонкой 1. Как показано на сечении А-А (фиг.2), рулевой механизм детского веломобиля содержит выходное звено рулевой колонки 1 в виде ведущего кругового зубчатого колеса 1, пару ведомых эллиптических зубчатых секторов 8 и 9, которые укреплены на валах 4 и 5 поворота передних колёс 2 и 3, и промежуточный элемент 6. Ведомые зубчатые эллиптические сектора 8 и 9 линейно симметричны относительно продольной оси веломобиля Б-Б, а валы 4 и 5 поворота передних колёс 2 и 3 находятся в фокусах эллипсов, образующих эллиптические сектора 8 и 9. Промежуточный элемент выполнен в виде фрагмента зубчатого венца 6, размещённого в дугообразной направляющей кассете 10, в которой зубчатый венец 6 имеет возможность вращения относительно центра В. При этом зубчатый венец 6 имеет три рабочих участка, два из которых (Г и Д) находятся в зацеплении с эллиптическими зубчатыми секторами 8 и 9, а третий участок (Е) находится в зацеплении с круговым зубчатым колесом 7. Соответственно с этим рабочий участок Е зубчатого венца 6 является фрагментом круговой шестерни, а участки Г и Д являются фрагментами эпициклоидных шестерён, зубчатая поверхность которых образована кривой, описываемой точкой эллипса при его качении по окружности зубчатого венца без проскальзывания. Разумеется, вместо зубчатого венца может быть использована и полная шестерня с центром вращения в точке В, имеющая, соответственно, один круговой и два эпициклоидных участка. Но этот вариант хотя и более технологичен, но более металлоёмок.

Как показано на фиг.3, рулевой механизм детского веломобиля содержит ведущее круговое зубчатое колесо 1, ступица которого размещена на валу рулевой колонки 1, пару ведомых зубчатых эллиптических секторов 8 и 9, которые укреплены на валах 4 и 5, и промежуточный элемент 11. Ведомые зубчатые эллиптические сектора 8 и 9 также линейно симметричны относительно продольной оси веломобиля Б - Б, а валы 4 и 5 находятся в фокусах эллипсов, образующих эллиптические сектора 8 и 9. Промежуточная зубчатая рейка 11 размещена в прямолинейной направляющей кассете 12, в которой рейка 11 имеет возможность совершения возвратно-поступательных перемещений по стрелкам Ж. Промежуточная зубчатая рейка 11 имеет три рабочих участка, из которых участок И предназначен для зацепления с круговым зубчатым колесом 7, а участки К и Л - с эллиптическими зубчатыми секторами 8 и 9. Соответственно с этим, рабочий участок И промежуточной рейки 11 является линейным, а участки К и Л являются фрагментами циклоид - кривых, описываемых периферийной точкой эллипса при качении по условной прямой, параллельной направлению Ж движения рейки 11 (без проскальзывания).

Как показано на фиг.4, рулевой механизм детского веломобиля содержит выходной элемент рулевой колонки 1 в виде коромысла 13, пару ведомых зубчатых секторов 8 и 9, которые укреплены на валах 4 и 5, и промежуточный элемент 14. Ведомые зубчатые эллиптические сектора 8 и 9 линейно симметричны относительно продольной оси веломобиля Б-Б, а валы 4 и 5 находятся в фокусах эллипсов, образующих эллиптические сектора 8 и 9. Промежуточная зубчатая рейка 14 размещена в прямолинейной направляющей кассете 15, в которой рейка 14 имеет возможность совершения возвратно-поступательных перемещений по стрелкам Ж. Промежуточная зубчатая рейка 14 имеет три рабочих участка. На участке Н, находящемся в средней части рейки 14, укреплена ось 16, а участки П и Р, находящиеся на концах рейки 14, находятся в зацеплении с эллиптическими зубчатыми секторами 8 и 9. Участки П и Р являются фрагментами циклоид - кривых, описываемых периферийной точкой эллипса при качении по условной прямой, параллельной направлению Ж движения рейки 14 (без проскальзывания). Ось 16 промежуточной рейки 14 несёт на себе шатун 17, который шарнирно (с помощью оси 18) связан с кормыслом 13 выходного звена механизма рулевой колонки, совершающего колебательные движения при вращении вала 19.

Конкретные параметры эллипсов, образующих зубчатые эллиптические сектора 8 и 9, всецело зависят от параметров транспортного средства. Как ясно из фиг.5, минимально возможным радиусом разворота детского веломобиля или т.п. транспортного средства является гипотенуза прямоугольного треугольника, катетами которого являются межшкворневое расстояние М (расстояние между валами 4 и 5 поворота колёс 2 и 3) и база веломобиля L. При развороте веломобиля против часовой стрелки он должен будет вращаться относительно левого заднего колеса 20. Если учесть, что межшкворневое расстояние М практически всегда меньше базы L, то меньший угол прямоугольного треугольника определит предельно допустимый угол поворота правого переднего колеса 2, при котором левое переднее колесо 3 должно будет повернуться на угол 90°. Соблюдение этого условия и является основанием для расчёта таких параметров эллипса, образующего зубчатые эллиптические сектора 8 и 9, как фокальный параметр «р» (QF на фиг.6) и межфокусное расстояние «с». После выполнения несложных расчётов (M/L=tg, tg=b ²/2аc=р/2с) оказывается, что отношение фокального параметра р эллиптической шестерни к межфокусному расстоянию 2с равно отношению межшкворневого расстояния М к базе транспортного средства L. Разумеется, зависимость M/L = р/2с является приближённой и должна корректироваться при конструировании конкретного рулевого механизма.

Рулевой механизм веломобиля работает следующим образом. При движении веломобиля по прямой каждый зубчатый сектор (8 и 9) своей средней точкой сочленяется со средней точкой рабочего участка промежуточного элемента (6, 11 или 14). Наглядно это иллюстрируется на фиг.6, где точка F делит дугу DG эллипсного зубчатого сектора 9 на две дуги DF и FG равной длины. При этом дуге GF, все точки которой близки к фокусу Q, соответствует угол, больший, чем угол, соответствующий дуге FD, все точки которой отстоят дальше от фокуса Q. Поворот рулевого вала рулевой колонки 1 (фиг.1-4) приводит во вращение ведущее круговое зубчатое колесо 7 (фиг.2, 3) или обеспечивает поворот коромысла 13 (фиг.4). Вращение ведущего кругового колеса 7 заставляет перемещаться связанный с ним промежуточный элемент (зубчатый венец 6 в дугообразных направляющих кассеты 10 или зубчатую рейку 11 в прямолинейных, направляющих кассеты 12). Промежуточный элемент (зубчатый венец 6 или зубчатая рейка 11) вращает при этом эллиптические зубчатые сектора 8 и 9, а вместе с ними и валы 4 и 5 поворота колёс 2 и 3. Поворот ведущего коромысла 13 (фиг.4) с валом 19 заставляет через шатун 17, закреплённый шарнирно на осях 16 и 18, совершать в прямолинейных направляющих кассеты 15 возвратно-поступательное перемещение зубчатую рейку 14. Зубчатая рейка 14 при этом вращает эллиптические зубчатые сектора 8 и 9.

В обоих случаях вращение валов 4 и 5 происходит в ту сторону, в которую вращается вал рулевой колонки 1. Однако, т. к. эллиптические зубчатые сектора 8 и 9 линейно симметричны относительно продольной оси веломобиля Б - Б, то при повороте веломобиля направо зубчатая рейка 11 (фиг.6) повернёт зубчатый сектор 9 против часовой стрелки на угол, соответствующий, например, дуге FG, а зубчатый сектор 8 (на фиг.6 не показанный) - на гораздо меньший угол - на угол, соответствующий дуге FD. Для достижения минимального радиуса разворота веломобиль должен произвести разворот, по крайней мере, относительно заднего колеса 20, как показано на фиг.5. Для этого дуге FG должен соответствовать угол 90°, а дуге FD - угол, равный arcctg(M/L).

Как показали испытания, в детском веломобиле с межшкворневым расстоянием М=400 мм и базой L=500 мм при повороте одного из передних колёс на угол 90° второе колесо повернулось на угол 64°, что обеспечило устойчивое движение веломобиля с заявляемым механизмом рулевого управления с разворотами относительного любого из задних колёс.

Литература

1. Осепчугов В.В., Фрумкин А.К. Автомобиль. Анализ конструкции, элементы расчета. М.: Машиностроение, 1989, с.166-179.

2. Клавдиев М.С. Рулевой механизм колесного транспортного средства. Авт. св. СССР № 656900, кл. B 62 D 3/02, опубл. 15.04.1979.