ЭЛЕКТРОУСИЛИТЕЛЬ РУЛЯ АВТОМОБИЛЯ Российский патент 2000 года по МПК B62D5/04 

Изобретение относится к средствам управления автомобиля и может быть использовано для снижения усилия на руле, в частности при маневрах на малых скоростях и повороте колес на неподвижном автомобиле.

Известно техническое решение, содержащее датчик момента на руле, редуктор, электромагнитную муфту, электродвигатель постоянного тока, управляемый от блока управления по сигналу датчика момента на руле, систему диагностики (патент США N 4660671).

Недостатком данного технического решения является необходимость применения электромагнитной муфты, а также плохое охлаждение двигателя постоянного тока вследствие закрытого исполнения.

Известно техническое решение, содержащее датчик момента, измеряющий момент на руле и обеспечивающий соответствующие выходные сигналы, средство для обеспечения сигнала требуемого компенсирующего момента, имеющего величину, функционально связанную с моментом, приложенным к рулю, электродвигатель, содержащий зубчатый статор с обмотками и зубчатый безобмоточный ротор, кинематически связанный с рулем и способный, при необходимости, создать требуемый компенсирующий момент для снижения усилия на руле, датчик скорости автомобиля, измеряющий скорость автомобиля и обеспечивающий соответствующие выходные сигналы, датчик положения ротора электродвигателя, регистрирующий угловое положение ротора относительно статора и обеспечивающий соответствующие выходные сигналы, датчик скорости вращения ротора электродвигателя, измеряющий скорость вращения и обеспечивающий соответствующие выходные сигналы, блок управления электродвигателем, вырабатывающий на основе поступающих в него сигналов от датчика скорости вращения ротора, датчика положения ротора, датчика скорости движения автомобиля и датчика момента силовых управляющих сигналов для обмоток электродвигателя. С использованием обратной связи по скорости вращения ротора реализуется управление токами электродвигателя, обеспечивающее высокий уровень выходных характеристик. В частности, таким образом решается проблема значительного снижения пульсации момента на валу четырехфазного реактивного индукторного электродвигателя и соответствующих вибраций руля (патент США N 5623409).

Недостатком данного технического решения является необходимость применения в данном электроусилителе датчика скорости вращения ротора электродвигателя, обеспечивающего измерение текущих значений скорости вращения в любой момент времени. Датчик скорости вращения представляет из себя достаточно сложный узел, к точности и качеству выходных сигналов которого предъявляются высокие требования. Его применение увеличивает габариты электроусилителя и повышает его стоимость.

Предлагаемое изобретение направлено на упрощение конструкции электроусилителя за счет применения трехфазного реактивного индукторного электродвигателя со специально сформированной геометрией зубцовой зоны.

Решение указанной задачи обеспечивается устройством электроусилителя руля автомобиля, содержащего датчик момента на руле, датчик скорости автомобиля, электродвигатель, механически связанный с рулем и содержащий зубчатый статор с обмоткой и зубчатый безобмоточный ротор, датчик положения ротора электродвигателя, блок управления электродвигателем, в котором согласно данному заявлению электродвигатель выполнен трехфазным с числом зубцов на статоре - 12, на роторе - 8, магнитная система электродвигателя выполнена со взаимным скосом зубцов ротора и статора на величину β = (0,075...0,15)t₂, при этом ширина коронки зубцов статора по воздушному зазору b_z1=(0,31.... 0,35)t₂, а ротора - b_z2 = (0,41....0,44)t₂, где t₂ - зубцовый шаг по ротору. Кроме того, блок управления функционально связан с датчиком режима работы автомобиля, регистрирующим режим работы автомобиля и обеспечивающим соответствующий выходной сигнал.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным примером выполнения со ссылкой на чертежи, на которых показаны:
- фиг. 1 - структурная схема электроусилителя руля автомобиля;
- фиг. 2 - электроусилитель руля в разрезе;
- фиг. 3 - поперечное сечение трехфазного реактивного индукторного электродвигателя;
- фиг. 4 - фрагмент зубцовой зоны электродвигателя;
- фиг. 5 - продольный вид ротора со скосом зубцов;
- фиг. 6 - зависимость требуемого компенсирующего момента от момента на руле при разных значениях скорости автомобиля;
- фиг. 7 - диск датчика положения ротора;
- фиг. 8 - диаграммы фазных токов и сигналов датчика положения ротора;
- фиг. 9 - диаграммы результирующего и фазных составляющих момента двигателя.

Электроусилитель руля автомобиля, структурная схема которого показана на фиг. 1, состоит из датчика момента 11, измеряющего приложенный к рулю 14 момент и формирующего соответствующие выходные сигналы, датчика скорости 2 автомобиля, измеряющего скорость движения автомобиля и формирующего соответствующие выходные сигналы, электродвигателя 10, связанного с рулем 14 через червячный редуктор 12, датчика положения ротора ДПР 9, регистрирующего положение ротора относительно статора и формирующего соответствующие выходные сигналы, датчика режима работы автомобиля 1, регистрирующего режим работы автомобиля и обеспечивающего соответствующий выходной сигнал, блока управления электродвигателем, включающего в себя формирователи 3, 4, процессор 5, драйверы ключей 6, 3-фазный мостовой инвертор, реле 8 и формирующего силовые сигналы на обмотках электродвигателя с учетом сигналов датчиков момента 11, скорости автомобиля 2, датчика положения ротора 9, датчика режима работы автомобиля 1.

Компоновка электроусилителя показана на фиг. 2. Датчик момента размещен внутри корпуса электроусилителя и состоит из индуктивной катушки 1, перфорированных электропроводящих цилиндров 2 и 3 и торсионного вала 4. Торсионный вал 4 является упругим элементом, работающим на скручивание и служит для преобразования момента, приложенного к рулю, в угловое перемещение цилиндров 2 и 3 относительно друг друга. Угловое перемещение регистрируется посредством измерения параметров катушки. Электродвигатель состоит из зубчатого безобмоточного ротора 5 и зубчатого статора 6 с обмотками 7. Внутри электродвигателя установлен датчик положения ротора, состоящий из перфорированного диска 8 и смещенных на 120 электрических градусов датчиков 9. Вал ротора соединен шлицевым соединением с червяком 10 редуктора 11. Вращающий момент электродвигателя передается червяком 10 на зубчатое колесо 11 редуктора и далее на торсионный вал 4 и рулевую колонку 12.

Электродвигатель (фиг. 3) выполняется трехфазным с числом зубцов на статоре - 12, на роторе - 8. Зубцовая зона (фиг. 4) выполнена с разной шириной коронок зубцов статора 13 и ротора 14: для зубцов статора - b_z1 = (0,31...0,35)t₂, зубцов ротора - b_z2 = (0,41...0,44)t₂. На роторе, показанном на фиг. 5, выполнен скос зубцов ротора относительно зубцов статора на величину β = (0,075....0,15)t₂.

Основной алгоритм работы электроусилителя подчинен реализации характеристик, показанных на фиг. 6 и связывающих момент на руле M_p с требуемым моментом компенсации M_k который должен быть обеспечен электроусилителем, при разных значениях скорости движения автомобиля. По мере роста момента на руле M_p увеличивается момент компенсации M_k со стороны электроусилителя. В то же время при увеличении скорости движения автомобиля эффективность работы электроусилителя должна быть снижена в соответствии с заданной характеристикой (см. фиг. 6), то есть необходимый момент компенсации M_k снижается. Это связано с тем, что наибольшие усилия к рулю прикладываются водителем при неподвижном автомобиле и во время движения с малой скоростью.

При возникновении момента на руле M_p, превышающего заданный минимальный момент M_min, блок управления электродвигателем вырабатывает силовой управляющий сигнал, приложенный к обмоткам электродвигателя, для создания на рулевой колонке требуемого компенсирующего момента M_k в соответствии с характеристиками, показанными на фиг. 6. При этом величина сигнала на обмотке формируется с учетом сигнала датчика скорости автомобиля (см. фиг. 6), а также сигналов датчика положения ротора и датчика момента на руле M_p. Для защиты аккумулятора от разряда электроусилитель не включается при неработающем двигателе автомобиля. Для этого в блок управления введен сигнал датчика режима работы автомобиля. Электроусилитель выполняется реверсивным в соответствии с требуемыми характеристиками (см. фиг. 6). Приведенные характеристики реализуются с помощью программного обеспечения процессора (см. фиг. 1).

Датчик положения имеет наиболее простое исполнение в виде сдвинутых друг относительно друга на 120 электрических градусов трех датчиков на основе эффекта Холла и, показанного на фиг. 7 перфорированного цилиндра с числом перфораций, равным числу зубцов ротора, в данном случае - 8. При вращении ротора датчик положения выдает три сигнала d-A, d-B и d-C, сдвинутые также на 120 электрических градусов или 1/3 периода (см. фиг. 8).

В соответствии с сигналами ДПР блоком управления подается силовой управляющий сигнал на обмотку и по фазным катушкам протекает ток (см. фиг. 8). Причем при работе в области малых частот вращения двигателя ток в фазную катушку подается в положении для данной фазы "зубец-паз", а отключается в положении "зубец-зубец". Таким образом, длительность токового импульса составляет 180 электрических градусов или 1/2 периода, форма импульса - прямоугольная. По мере роста частоты вращения крутизна фронтов фазного тока уменьшается. Для обеспечения при указанной форме импульса тока, минимального уровня пульсаций момента на валу электродвигателя и, соответственно, на руле специально сформирована геометрия зубцовой зоны. Ширина коронки зубцов статора - b_z1 = (0,31. ..0,35)t₂, ротора - b_z2 = (0,41...0,44)t₂. Помимо минимального уровня пульсаций выполнение зубцов с разной шириной коронок обеспечивает такую зависимость момента от угла, у которой производная момента по углу в зонах включения ("зубец-паз") и отключения тока ("зубец-зубец") наименьшая по абсолютному значению (см. фиг. 9). Это обеспечивает снижение чувствительности пульсаций момента как к неточности включения и отключения тока в указанных положениях ротора, так и к заваливанию нарастающего и спадающего фронтов тока по мере увеличения частоты вращения. Положительное влияние на снижение пульсаций имеет выполнение взаимного скоса зубцов статора и ротора на величину β = (0,075...0,15)t₂ (см. фиг. 5).

Для снижения акустического шума, вызванного деформациями статора электродвигателя от действия магнитных сжимающих сил, предлагается применить конструкцию магнитопровода статора повышенной жесткости за счет увеличения порядка деформаций: с число зубцов на статоре - 12, на роторе - 8 (см. фиг. 3).

Таким образом, выполнение электродвигателя в трехфазном варианте с предложенными размерами коронок зубцов статора и ротора, а также применение скоса зубцов позволяет обеспечить низкий уровень пульсаций момента электродвигателя и, тем самым, высокое качество работы электроусилителя в целом. При этом следует отметить, что для обеспечения низкого уровня пульсаций момента в предлагаемом техническом решении достаточно применения датчика положения ротора простейшей конструкции. Кроме того, не требуется использования датчика скорости вращения электродвигателя для построения системы управления, демпфирующей пульсации момента на руле с помощью соответствующей обратной связи.

Изобретение относится к средствам управления автомобиля и может быть использовано для снижения усилия на руле, в частности при маневрах на малых скоростях и повороте колес на неподвижном автомобиле. Электроусилитель руля автомобиля содержит датчик момента на руле, датчик скорости автомобиля, электродвигатель, кинематически связанный с рулем и содержащий зубчатый статор с обмоткой и зубчатый безобмоточный ротор, датчик положения ротора электродвигателя, блок управления электродвигателем. Электродвигатель выполнен трехфазным с числом зубцов на статоре - 12, на роторе - 8, магнитная система электродвигателя выполнена с взаимным скосом зубцов ротора и статора на величину β = (0,075. ..0,15)t₂, при этом ширина коронки зубцов статора по воздушному зазору b₂₁ = (0,31...0,35), а ротора b_z2 = (0,41 ...0,44)t₂, где t₂ - зубцовый шаг по ротору. Это позволяет упростить конструкцию электроусилителя. 1 з.п.ф-лы, 9 ил.

1. Электроусилитель руля автомобиля, состоящий из датчика момента, датчика скорости автомобиля, электродвигателя, кинематически связанного с рулем и содержащего зубчатый статор с обмоткой и зубчатый безобмоточный ротор, датчика положения ротора электродвигателя, блока управления электродвигателем, отличающийся тем, что электродвигатель выполнен трехфазным, число зубцов на статоре электродвигателя - 12, на роторе - 8, ширина зубцов статора по воздушному зазору b_z1 = (0,31 ... 0,35)t₂, ротора - b_z2 = (0,41 ... 0,44)t₂, где t₂ - зубцовый шаг по ротору, магнитная система электродвигателя выполнена с взаимным скосом зубцов ротора относительно статора на величину β = (0,075 ... 0,15)t₂. 2. Электроусилитель руля автомобиля по п.1, отличающийся тем, что блок управления функционально связан с датчиком режима работы автомобиля, регистрирующим режим работы автомобиля и обеспечивающим соответствующий выходной сигнал.