РУЛЕВАЯ МАШИНА Российский патент 2007 года по МПК B64C13/36 B64G1/40 

Изобретение относится к области электрогидропривода и может быть использовано в ракетостроении, самолетостроении и судостроении.

Известна рулевая машина, содержащая электродвигатель, вал которого соединен с валом ведущей шестерней трехшестеренного насоса, размещенного во внутренней полости заполненного рабочей жидкостью корпуса РМ, при этом насос сообщен с рабочими полостями золотникового гидрораспределителя, включающего электромеханический преобразователь, связанный с установленной на корпусе рулевой машины с помощью плоской нагрузочной пружины качалкой, к концам которой крепятся два золотниковых плунжера, выполненных в виде тонкостенных трубок и размещенных в полых валах ведомых шестерен насоса, являющихся гильзами гидрораспределителя, в стенках которых выполнены сквозные радиальные отверстия, частично перекрытые золотниковыми плунжерами, при этом рабочие полости гидрораспределителя соединены с полостями силового гидроцилиндра [1].

Недостатком указанной рулевой машины является недостаточная чувствительность, характеризуемая командными токами трогания, поскольку вращение гильз золотникового гидрораспределителя (валов насоса) приводит к эффекту увеличения углов наклона суммарных векторов скоростей потоков рабочей жидкости, истекающих через дроссельные окна вращающихся гильз (валов насоса), к осям золотниковых плунжеров, что выражается в уменьшении гидродинамических сил, действующих на золотниковые плунжеры. Величина этого уменьшения зависит в частности от толщины стенок гильз (валов насоса) и обусловлена захватом части потоков рабочей жидкости стенками радиальных отверстий в гильзах, в результате чего эти части потоков за счет сил инерции и центробежных сил смещаются к стенкам радиальных отверстий и дальнейшее движение рабочей жидкости происходит практически вдоль этих стенок, т.е. в направлении осей радиальных отверстий в стенках, при этом другая часть потоков преодолевает сквозные радиальные отверстия практически без изменения углов наклона.

Наиболее близким аналогом изобретения (прототипом) является рулевая машина, содержащая установленный на корпусе электродвигатель, вал которого соединен с валом ведущей шестерни трехшестеренного насоса, размещенного во внутренней полости заполненного рабочей жидкостью корпуса, при этом насос сообщен с рабочими полостями золотникового гидрораспределителя, включающего электромеханический преобразователь, на валике которого установлена нагруженная пружиной качалка, к концам которой крепятся два золотниковых плунжера, размещенных в полых валах ведомых шестерен насоса, в стенках которых выполнены сквозные радиальные отверстия, частично перекрываемые золотниковыми плунжерами, при этом рабочие полости гидрораспределителя соединены с полостями силового гидроцилиндра [2].

Такая рулевая машина характеризуется более высокой чувствительностью, обусловленной действием на золотниковые плунжеры гидродинамических сил, так как из-за выполнения пазов на наружных поверхностях гильз золотникового гидрораспределителя (валах насосов) уменьшается толщина набегающих стенок сквозных радиальных отверстий и возникает "ножевой" эффект, в результате которого влияние набегающих стенок ослабляется, что выражается в уменьшении доли потоков, захватываемых стенками сквозных радиальных отверстий, и, как следствие, в уменьшении углов наклона суммарных векторов скоростей потоков к осям золотниковых плунжеров, а следовательно, приводит к увеличению гидродинамических сил, действующих на золотниковые плунжеры, и уменьшению зоны нечувствительности рулевой машины.

Однако при вращении валов насосов с пазами возникают локальные вихревые возмущения рабочей жидкости в зонах дроссельных окон, обусловленные воздействием на рабочую жидкость плоских площадок пазов, что приводит к нестабильности работы золотниковых гидрораспределителей. Кроме этого площадки пазов смещают части потоков рабочей жидкости в направлениях к осям дроссельных окон, в результате чего "ножевой" эффект ослабляется, что вызывает необходимость еще большего углубления пазов для получения требуемой чувствительности рулевой машины.

Задачей изобретения является повышение стабильности работы рулевой машины при одновременном повышении ее чувствительности.

Техническим результатом изобретения является подавление локальных вихревых возмущений рабочей жидкости в зонах дроссельных окон золотникового гидрораспределителя при одновременном увеличении гидродинамической силы, действующей на золотниковые плунжеры.

Технический результат достигается тем, что в известной рулевой машине, содержащей установленный на корпусе электродвигатель, вал которого соединен с валом ведущей шестерни трехшестеренного насоса, размещенного во внутренней полости заполненного рабочей жидкостью корпуса, при этом насос сообщен с рабочими полостями золотникового гидрораспределителя, включающего электромеханический преобразователь, на валике которого установлена нагруженная пружиной качалка, к концам которой крепятся два золотниковых плунжера, размещенных в полых валах ведомых шестерен насоса, в стенках которых выполнены сквозные радиальные отверстия, частично перекрываемые золотниковыми плунжерами, при этом рабочие полости золотникового гидрораспределителя соединены с полостями силового гидроцилиндра, в отличие от прототипа, на наружных цилиндрических поверхностях валов ведомых шестерен насоса выполнены кольцевые канавки, при этом ширина кольцевых канавок равна или больше максимального размера сквозных радиальных отверстий в плоскости, проходящей через осевые линии валов ведомых шестерен, и равна или меньше ширины рабочих полостей золотникового гидрораспределителя, кромки сквозных радиальных отверстий расположены внутри кольцевых канавок, а радиус цилиндрической поверхности кольцевой канавки R_К определяется соотношением

где R_B - радиус наружной цилиндрической поверхности вала ведомой шестерни;

R_O - радиус внутренней цилиндрической поверхности осевого отверстия вала ведомой шестерни;

n - количество сквозных радиальных отверстий в стенке вала ведомой шестерни;

b - диаметр цилиндрического или ширина прямоугольного сквозного радиального отверстия в стенке вала ведомой шестерни;

[σ] - допустимое напряжение растяжения для материала вала ведомой шестерни;

m - масса части вала ведомой шестерни, ограниченной торцем, противолежащим качалке, и плоскостью, перпендикулярной образующей цилиндрической поверхности вала ведомой шестерни и проходящей через оси сквозных радиальных отверстий;

k - коэффициент перегрузки, действующий на рулевую машину.

Благодаря такой конструкции, т.е. выполнению кольцевых канавок на внешних цилиндрических поверхностях валов ведомых шестерен, исключаются плоские элементы, провоцирующие возникновение как локальных вихревых возмущений рабочей жидкости в зонах дроссельных окон, так и дополнительные смещения части потоков рабочей жидкости в направлении к осям дроссельных окон, в результате которых "ножевой" эффект ослабляется. Выполнение кольцевых канавок на внешних цилиндрических поверхностях валов ведомых шестерен в зонах сквозных радиальных отверстий повышает стабильность работы рулевой машины и уменьшает зону ее нечувствительности.

Совокупность всех указанных существенных признаков позволяет повысить чувствительность и стабильность работы рулевой машины за счет увеличения гидродинамической силы, действующей на ее золотниковые плунжеры, и исключения факторов, влияющих на нестабильность. Так как заявленная совокупность существенных признаков рулевой машины позволяет решить поставленную задачу, то заявленная рулевая машина соответствуют критерию изобретательский уровень.

Заявленная рулевая машина иллюстрируется фиг.1 и 2.

На фиг.1 изображена конструктивная схема рулевой машины.

На фиг.2 изображено сечение вала ведомой шестерни в плоскости, перпендикулярной его оси и проходящей через оси сквозных радиальных отверстий.

Рулевая машина содержит электродвигатель 1, вал 2 которого соединен с валом 3 ведущей шестерни 4 трехшестеренного насоса 5, имеющего две ведомые шестерни 6, при этом насос размещен во внутренней полости 7 заполненного рабочей жидкостью корпуса 8. Насос сообщен с рабочими полостями 9 золотникового гидрораспределителя. Золотниковый гидрораспределитель включает электромеханический преобразователь 10, на валике 11 которого установлена нагруженная пружиной 12 качалка 13, к концам которой крепятся два золотниковых плунжера 14, размещенные в полых валах 15 ведомых шестерен 6 насоса 5, в стенках которых выполнены сквозные радиальные отверстия 16. Золотниковые плунжеры 14 вместе со сквозными радиальными отверстиями 16 валов образуют комплексы дроссельных окон 17, сообщенные с рабочими полостями 9 золотникового гидрораспределителя, при этом рабочие полости 9 золотникового гидрораспределителя соединены с полостями 18 силового гидроцилиндра 19. На наружных цилиндрических поверхностях валов 15 ведомых шестерен 6 насоса 5 в зонах сквозных радиальных отверстий 16 выполнены кольцевые канавки 20.

Рулевая машина работает следующим образом.

При подаче напряжения питания на электродвигатель 1 его выходной вал 2 приходит во вращение и передает вращение через вал 3 на ведущую шестерню 4 трехшестеренного насоса 5, в результате чего насос 5 всасывает рабочую жидкость из полости 7 корпуса 8 рулевой машины и направляет ее в рабочие полости 9 золотникового гидрораспределителя. Из рабочих полостей 9 золотникового гидрораспределителя рабочая жидкость поступает в полости 18 силового гидроцилиндра 19 и через дроссельные окна 17, образованные золотниковыми плунжерами 14 и сквозными радиальными отверстиями 16, во внутреннюю полость 7 корпуса 8 рулевой машины. При отсутствии управляющего тока, подаваемого на электромеханический преобразователь 10, его валик 11 и качалка 13 находятся в нейтральном положении, площади дроссельных окон 17 равны, в результате чего разности давлений между рабочими полостями 9 золотникового гидрораспределителя и между полостями 18 силового гидроцилиндра 19 равны нулю и его поршень и шток остаются неподвижными.

При подаче управляющего тока на электромеханический преобразователь 10 его валик 11 за счет действия позиционного момента, создаваемого пружиной 12, поворачивается на определенный угол против часовой стрелки, вместе с ним поворачивается и качалка 13 с закрепленными на ней золотниковыми плунжерами 14. При этом первый плунжер 14 движется вниз внутри первого полого вала 15, а второй плунжер 14 движется вверх внутри второго полого вала 15, при этом первый плунжер 14, идущий вниз, уменьшает дроссельные окна 17 в первом полом вале 15, а второй золотниковый плунжер 14, идущий вверх, увеличивает дроссельные окна 17 во втором полом вале 15. В результате в рабочих полостях 9 золотникового гидрораспределителя и в полостях 18 силового гидроцилиндра 19 создается перепад давления, вынуждающий поршень и шток силового гидроцилиндра 19 выдвигаться. При подаче на электромеханический преобразователь 10 управляющего тока обратной полярности его валик 11 за счет действия позиционного момента, создаваемого плоской пружиной 12, поворачивается на определенный угол по часовой стрелке, а вместе с ним поворачивается и качалка 13 с закрепленными на ней плунжерами 14. При этом первый плунжер 14 движется вверх внутри первого полого вала 15, а второй плунжер 14 движется вниз внутри второго полого вала 15 трехшестеренного насоса 5, при этом первый плунжер 14, идущий вверх, увеличивает дроссельные окна 17 в первом полом вале 15, а второй плунжер 14, идущий вниз, уменьшает дроссельные окна 17 во втором полом вале 15. В результате в рабочих полостях 9 золотникового гидрораспределителя и в полостях 18 силового гидроцилиндра 19 создается перепад давления, вынуждающий поршень и шток силового гидроцилиндра 19 втягиваться.

При вращении полых валов 15 насоса 5, выполняющих роль гильз золотниковых плунжеров 14, части потоков, протекающих через дроссельные окна 17, захватываются стенками сквозных радиальных отверстий 16, что приводит к увеличению углов наклона суммарных векторов скоростей потоков к осям золотниковых плунжеров 14 и, как следствие, к уменьшению гидродинамических сил, действующих на золотниковые плунжеры 14, а следовательно, к увеличению зоны нечувствительности рулевой машины, причем величины этих изменений определяются, в частности, толщиной набегающих стенок сквозных радиальных отверстий 16. Однако выполнение кольцевых канавок 20 на внешних цилиндрических поверхностях полых валов 15 в зонах сквозных радиальных отверстий 16 уменьшает толщину набегающих стенок и приводит к возникновению "ножевого" эффекта, в результате которого влияние набегающих стенок ослабляется, что выражается в уменьшении доли потоков, захватываемых стенками сквозных радиальных отверстий 16, и, как следствие, в уменьшении углов наклона суммарных векторов скоростей потоков к осям золотниковых плунжеров 14, а следовательно, приводит к увеличению стационарных составляющих гидродинамических сил, действующих на золотниковые плунжеры 14 и, уменьшению зоны нечувствительности рулевой машины.

Отсутствие плоских площадок на цилиндрических поверхностях полых валов 15 при их вращении исключает возникновение локальных вихревых возмущений рабочей жидкости в зонах дроссельных окон 17 и дополнительного смещения части потоков рабочей жидкости в направлениях к осям дроссельных окон 17, в результате чего повышается стабильность работы золотникового гидрораспределителя и рулевой машины в целом, а также усиливается "ножевой" эффект, что приводит к увеличению гидродинамической силы, действующей на золотниковые плунжеры 14, и повышению чувствительности рулевой машины.

При выполнении кольцевой канавки 20 на цилиндрической поверхности вала 15 ведомой шестерни 6 минимальная толщина стенки (Rк-Ro) выбирается из условий прочности конструкции при действии перегрузки и от воздействия сил трения при вращении вала ведомой шестерни в подшипниках скольжения. Сравним воздействия этих сил на часть массой m вала ведомой шестерни, размещенную между торцем, противолежащим качалке, и плоскостью, перпендикулярной образующей цилиндрической поверхности вала ведомой шестерни и проходящей через оси сквозных радиальных отверстий. Для упрощения расчета площадь опасного сечения будем рассматривать без учета радиальных отверстий.

Напряжение σ в сечении согласно [3, стр.55]:

где Р - сила, действующая на часть массой m вала ведомой шестерни;

F - площадь опасного сечения;

[σ] - допустимое напряжение растяжения для материала полого вала ведомой шестерни.

Принимая во внимание принятые допущения, имеем:

где R_К - радиус кольцевой канавки;

R_О - радиус внутренней цилиндрической поверхности осевого отверстия полого вала ведомой шестерни.

Сила, действующая на часть массой m вала ведомой шестерни, определяется формулой

где k - коэффициент перегрузки, действующей на рулевую машину;

g - ускорение свободного падения.

Подставляя (2) и (3) в (1), получаем

откуда

или

С другой стороны, максимальное напряжение кручения τ_max в стенке полого вала определяется согласно [3, стр.143] как

где М_К - крутящий момент;

W_p - момент сопротивления кручению;

[τ] - допустимое напряжение кручения для материала стенки полого вала ведомой шестерни.

Момент сопротивления кручению для тонкого кругового кольца согласно [3, стр.142]

где δ - толщина кольца, определяемая как δ=(R_K-R_o);

D - внешний диаметр кольца для упрощения расчета принимаем равным 2R_В, т.е. D=2R_В.

Тогда

Величина силы давления Р_давл, действующая со стороны части массой m вала ведомой шестерни на подшипник скольжения, определяется соотношением

Р_давл=kmg,

а величина силы трения определяется соотношением

P_тр=k_Tkmg,

где k_T - коэффициент трения скольжения.

Тогда крутящий момент М_K на радиусе R_B определяется как

Подставляя (6) и (7) в (5), получаем

откуда

Учитывая, что для трущейся пары "сталь-бронза", применяемой в рулевых машинах, при наличии смазки k_T≈0,1, и то, что согласно [3, стр.143]

получаем

Сравним правые части неравенств (4) и (9), для чего возведем их в квадрат и обозначим

как А.

Тогда возведенную в квадрат правую часть выражения (4) можно представить в виде

а возведенную в квадрат правую часть выражения (9) в виде

которую, приняв для простоты

можно записать еще как

или, пренебрегая третьим членом ввиду его малости, окончательно в виде

Из сравнения полученных выражений и следует, что расчет радиуса кольцевой канавки необходимо вести из условия обеспечения прочности при действии силы растяжения, действующей на часть массой m вала ведомой шестерни, от перегрузки, воздействующей на рулевую машину.

Выражение (2) с учетом выполненных сквозных радиальных отверстий при допущении, что длина дуги соответствует длине хорды, принимает вид

где n - количество сквозных радиальных отверстии в полом вале ведомой шестерни;

b - диаметр цилиндрического или ширина прямоугольного сквозного радиального отверстия в стенке вала ведомой шестерни.

Подставляя (3) и (10) в (1) получаем

Выражение (11) можно представить как

или

откуда

тогда

Учитывая, что R_K должно быть меньше R_B, неравенство (12) принимает окончательный вид:

Выбор конкретного значения радиуса цилиндрической поверхности кольцевой канавки R_К из указанного диапазона является предметом оптимизации под конкретное техническое задание.

Поскольку движение золотниковых плунжеров 14 при работе рулевой машины может происходить вдоль всей ширины сквозных радиальных отверстий 16 и даже превышать ее, минимальная ширина кольцевой канавки 20 не должна быть меньше ширины сквозных радиальных отверстий 16. С другой стороны, для обеспечения отсутствия утечек рабочей жидкости из рабочих полостей 9 золотникового гидрораспределителя, ширина кольцевой канавки 20 не должна превышать ширины рабочих полостей 9 золотникового гидрораспределителя.

Наличие кольцевых канавок определенных размеров, выполненных на внешних цилиндрических поверхностях валов ведомых шестерен насоса в зонах сквозных радиальных отверстий, уменьшает долю потоков, захватываемых стенками сквозных радиальных отверстий, и ведет к уменьшению углов наклона суммарных векторов скоростей потоков к осям золотниковых плунжеров, а следовательно, приводит к увеличению гидродинамических сил, действующих на золотниковые плунжеры, что обеспечивает повышение чувствительности рулевой машины. Вместе с тем, отсутствие на наружной цилиндрической поверхности валов ведомых шестерен конструктивных факторов, приводящих к возникновению локальных вихревых возмущений рабочей жидкости в зонах дроссельных окон, повышает устойчивость работы золотникового гидрораспределителя.

Таким образом, в рулевой машине за счет введения кольцевых канавок на внешних цилиндрических поверхностях валов ведомых шестерен в зонах сквозных радиальных отверстий обеспечивается повышение чувствительности и стабильности ее работы.

Источники информации

1. Патент РФ № 2034747.

2. Патент РФ № 2131827 (прототип).

3. Р.С.Кинасошвили. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1975.

Изобретение относится к области электрогидромеханики и может быть использовано в ракетостроении, самолетостроении и судостроении. На корпусе установлен электродвигатель, вал которого соединен с валом ведущей шестерни трехшестеренного насоса. Насос размещен во внутренней полости заполненного рабочей жидкостью корпуса и сообщен с рабочими полостями золотникового гидрораспределителя. Гидрораспределитель включает электромеханический преобразователь, на валике которого установлена нагруженная пружиной качалка. К концам качалки крепятся два золотниковых плунжера, размещенных в полых валах ведомых шестерен насоса. В стенках валов выполнены сквозные радиальные отверстия, частично перекрываемые золотниковыми плунжерами. Рабочие полости гидрораспределителя соединены с полостями силового гидроцилиндра. На наружных валах ведомых шестерен выполнены кольцевые канавки. Ширина канавок равна или больше максимального размера сквозных радиальных отверстий в плоскости, проходящей через осевые линии валов, и равна или меньше ширины рабочих полостей гидрораспределителя. Кромки сквозных радиальных отверстий располагаются внутри кольцевых канавок. Радиус цилиндрической поверхности кольцевых канавок определяется определенным аналитическим соотношением. В данной конструкции обеспечивается подавление локальных вихревых возмущений рабочей жидкости в зонах дроссельных окон золотникового гидрораспределителя при одновременном увеличении гидродинамической силы, действующей на золотниковые плунжеры. В результате повышается стабильность работы рулевой машины при одновременном повышении ее чувствительности. 2 ил.

Рулевая машина, содержащая установленный на корпусе электродвигатель, вал которого соединен с валом ведущей шестерни трехшестеренного насоса, размещенного во внутренней полости заполненного рабочей жидкостью корпуса, при этом насос сообщен с рабочими полостями золотникового гидрораспределителя, включающего электромеханический преобразователь, на валике которого установлена нагруженная пружиной качалка, к концам которой крепятся два золотниковых плунжера, размещенных в полых валах ведомых шестерен насоса, в стенках которых выполнены сквозные радиальные отверстия, частично перекрываемые золотниковыми плунжерами, при этом рабочие полости золотникового гидрораспределителя соединены с полостями силового гидроцилиндра, отличающаяся тем, что на наружных цилиндрических поверхностях валов ведомых шестерен насоса выполнены кольцевые канавки, при этом ширина кольцевых канавок равна или больше максимального размера сквозных радиальных отверстий в плоскости, проходящей через осевые линии валов ведомых шестерен, и равна или меньше ширины рабочих полостей золотникового гидрораспределителя, кромки сквозных радиальных отверстий расположены внутри кольцевых канавок, а радиус цилиндрической поверхности кольцевых канавок R_К определяется соотношением

где R_B - радиус наружной цилиндрической поверхности полого вала;

R_o - радиус цилиндрической поверхности осевого отверстия вала ведомой шестерни;

n - количество сквозных радиальных отверстий в стенке вала ведомой шестерни;

b - диаметр цилиндрического или ширина прямоугольного сквозного радиального отверстия в стенке вала ведомой шестерни;

[σ] - допустимое напряжение растяжения для материала ведомой шестерни;

m - масса части вала ведомой шестерни, ограниченной торцом, противолежащим качалке, и плоскостью, перпендикулярной образующей цилиндрической поверхности вала ведомой шестерни и проходящей через оси сквозных радиальных отверстий;

k - коэффициент перегрузки, действующий на рулевую машину.