РУЛЕВОЙ МЕХАНИЗМ АВТОМОБИЛЯ Российский патент 2007 года по МПК B62D5/22 

Настоящее изобретение относится к рулевому механизму автомобиля с признаками ограничительной части п.1 формулы.

Типовые реечные рулевые сервомеханизмы выполнены так, что картер рулевого механизма в своем встроенном положении расположен в автомобиле поперек и в этом картере рулевого механизма с возможностью перемещения также в поперечном направлении автомобиля установлена зубчатая рейка. Зубчатая рейка приводится, с одной стороны, рулевым колесом и валом с находящейся в зацеплении с зубчатой рейкой рулевой шестерней. С другой стороны, сбоку от зацепления шестерни за зубчатую рейку на удалении расположен сервопривод с цилиндропоршневым узлом, также непосредственно воздействующий на зубчатую рейку. Зубчатая рейка выполнена обычно цельной.

Привод на управляемые колеса осуществляется в типовых рулевых сервомеханизмах через поперечную тягу, сочлененную с торцевыми сторонами зубчатой рейки через шаровые шарниры. В некоторых случаях предусмотрен так называемый центральный отвод, при котором поперечные тяги сочленены в средней части рулевого механизма.

В многочисленных новых разработках автомобилей основной задачей, стоящей перед конструкторами, является создание как можно большего внутреннего пространства при заданных внешних габаритах. Для решения этой задачи требуется выполнить основные компоненты автомобиля как можно более компактными. Усилия по выполнению традиционных реечных рулевых сервомеханизмов более компактными ограничены, однако, тем, что у цельных зубчатых реек с расположенными коаксиально рядом друг с другом реечной и гидравлической частями длина зубчатой рейки с расположенным на ней гидроприводом должна соответствовать, по меньшей мере, шестикратному ходу рулевого управления в одном направлении. Сюда же входит путь перемещения зубчатой рейки, который при конструировании автомобиля должен учитываться в качестве свободного пространства.

Из DE 4130989 А1 известна зубчатая рейка рулевого управления с сервомеханизмом, в котором зубчатая рейка и поршневой шток цилиндропоршневого устройства соединены друг с другом с возможностью осепараллельного перемещения. В этой конструкции торцы соединения между зубчатой рейкой и поршневым штоком сильно нагружены.

Из DE 2361075 известен сервопривод для рулевых механизмов транспортных средств и кораблей, в котором зубчатая рейка и отдельно расположенный корпус цилиндра не имеют прочного соединения друг с другом. Этой конструкции присущ большой свободный ход рулевого колеса, который не желателен для легковых и грузовых автомобилей.

Задачей настоящего изобретения является поэтому создание нового рулевого механизма, который обеспечивал бы особенно компактные габариты, достаточную жесткость и минимальный свободный ход рулевого колеса.

Эта задача решена посредством рулевого механизма, охарактеризованного в п.1 формулы.

Поскольку зубчатая рейка прочно соединена с цилиндром в осевом направлении, то обеспечивается управление с минимальным свободным ходом. При перемещении цилиндра с зубчатой рейкой поршневой шток располагается относительно автомобиля по существу неподвижно. Клапан с вращающимся золотником может быть установлен на раме и поршневом штоке жестко относительно рамы, при этом цилиндр и зубчатая рейка относительно нее установлены подвижно.

Свободные концы зубчатой рейки в одном варианте выполнения закрыты чашеобразными втулками, которые охватывают и герметизируют наружу необходимое пространство для движения зубчатой рейки. Они могут быть также закрыты подвижными втулками или сильфонами, которые предназначены для освобождения находящегося аксиально рядом с зубчатой рейкой свободного пространства, например для поворота колеса.

Клапан с вращающимся золотником может быть закреплен в виде модуля слева или справа на раме, так что у право- или леворульных автомобилей почти все элементы могут быть одинаковой конструкции.

Гидравлическая жидкость для приведения в действие сервопривода может подаваться через торцевые стороны (свободные концы) поршневого штока. Центральный отвод для приводимых в действие поперечных тяг может быть закреплен непосредственно на цилиндре, что дополнительно способствует компактной конструкции.

В другом предпочтительном варианте выполнения предусмотрены в общей сложности три параллельные аксиально отстоящие друг от друга штанги: зубчатая рейка, поршневой шток и направляющая штанга.

Предпочтительные варианты выполнения настоящего изобретения поясняются чертежами, на которых представлено:

- фиг.1: сечение на виде сверху рулевого механизма, известного из уровня техники, со связью зубчатой рейки и поршневого штока;

- фиг.2: рулевой механизм, согласно фиг.1, в перспективе;

- фиг.3: сечение на виде сверху рулевого механизма, согласно настоящему изобретению, со связью зубчатой рейки и цилиндра;

- фиг.4: рулевой механизм согласно фиг.3, в перспективе;

- фиг.5: второй предпочтительный вариант выполнения с отдельной направляющей штангой, вид сверху.

На фиг.1 показан известный рулевой механизм. Рулевой механизм содержит картер 1, имеющий проходящую в поперечном направлении картера цилиндрическую расточку 2 и проходящую параллельно расточке 2 расточку 3 для зубчатой рейки. В расточке 2 с возможностью перемещения в направлении ее оси 5 установлен поршневой шток 4. Поршневой шток 4 несет посередине гидравлический поршень 6, который вместе с расточкой 2 и двумя торцевыми направляюще-уплотнительными элементами 7 ограничивает левую 8 и правую 9 рабочие полости.

В расточке 3 с возможностью продольного перемещения вдоль своей оси 12 установлена зубчатая рейка 11. Ось 12 зубчатой рейки проходит параллельно оси 5 расточки. Картер 1 содержит шестерню 13, которая находится в зацеплении с зубчатым сектором 14 зубчатой рейки 11 и установлена в картере 1 с возможностью вращения вокруг ориентированной перпендикулярно плоскости чертежа оси 15 вращения.

На своей противоположной расточке 3 стороне картер 1 имеет в общей сложности три резьбовых отверстия 16, служащих для закрепления картера на раме автомобиля.

Поршневой шток 4 и зубчатая рейка 11 соединены между собой в зоне своих свободных концов посредством торцевых плит 20. Торцевые плиты 20 соединяют оба конструктивных элемента с фиксацией от перемещения относительно друг друга в осевом направлении, т.е. в направлении осей 5 и 12. Поршневой шток 4 несет на обоих свободных концах шаровые подпятники 21, в каждом из которых установлена поперечная тяга 22. Поперечные тяги 22 соединяют при монтаже рулевого механизма в автомобиле и при работе с поворотными кулаками управляемых колес автомобиля так, что приведение в действие рулевого механизма вызывает поворот управляемых колес.

Зубчатой рейке 11 приданы сильфоны 23, которые охватывают и герметично замыкают наружу свободные концы зубчатой рейки 11 вне расточки 3. Известным образом это препятствует загрязнению зубчатого сектора 14, которое, с одной стороны, могло бы привести к износу и коррозии, а с другой стороны, - к блокированию зацепления между шестерней и зубчатым сектором 14. Предпочтительно здесь, что зацепление между шестерней 13 и зубчатым сектором 14 не должно воздухонепроницаемо запирать расточку 3, так что может происходить уравнивание объемов сильфонов 23 при осевом перемещении зубчатой рейки в расточке 3 и необязательно предусматривать отдельные подвод и удаление воздуха из сильфонов 23.

На фиг.2 рулевой механизм, согласно фиг.1, изображен в перспективе. Одинаковые конструктивные элементы обозначены теми же ссылочными позициями.

На верхней стороне картера над шестерней 13 расположен известный клапан 30 с вращающимся золотником, от которого к рабочим полостям 8, 9 ведут гидравлические трубопроводы 31, 32. Клапан 30 содержит зубчатый вращающийся золотник 33, который также обычным образом соединяют с валом (не показан) рулевого управления автомобиля.

Монтаж описанного рулевого сервомеханизма осуществляют таким образом, что картер 1 размещают в зоне резьбовых отверстий 16 приблизительно посередине в зоне управляемого моста автомобиля, причем оси 5, 12 расположены в поперечном направлении автомобиля, т.е. горизонтально и поперек направления движения. Поперечные тяги 22 соединяют с поворотными кулаками управляемых колес. Клапан 30 с вращающимся золотником соединяют в зоне присоединительных отверстий 34 с гидронасосом и сливом. Вращающийся золотник 33 жестко соединяют, наконец, с многозубчатым зажимом вала рулевого управления.

Когда при движении водитель оснащенного описанным рулевым управлением автомобиля создает посредством рулевого колеса через вал угол поворота, соответствующий желанию изменить направление движения, вращающийся золотник 33 и тем самым также шестерня 13 известным образом вращаются. Поток гидравлической жидкости направляется в зависимости от направления вращения в гидравлический трубопровод 31 или 32, при этом давление в рабочей полости 8 или 9 повышается. Шестерня 13 вызывает перемещение зубчатой рейки 11 в поперечном направлении, причем это перемещение происходит через торцевые плиты 20 синхронно с соответствующим перемещением поршневого штока 4 и поперечных тяг 22. Давление гидравлической жидкости в одной из обеих рабочих полостей способствует этому перемещению по типу традиционного реечного рулевого сервомеханизма.

По сравнению с традиционными типами рулевых механизмов эта конструкция имеет то преимущество, что зубчатый сектор 14 или вся зубчатая рейка 11 расположена не коаксиально поршневому штоку 4. Конструктивное пространство в поперечном направлении, т.е. в направлении оси 5, уменьшается за счет того, что этот рулевой механизм требует меньше ограничений при размещении в автомобиле. Другое преимущество заключается в не требуемом внешнем уравнивании давлений в обоих сильфонах 23. Наконец, процесс монтажа этого рулевого механизма становится проще и надежнее, поскольку относительно острокромочную в зубчатом секторе 14 зубчатую рейку 11 не требуется вводить в зону гидравлических уплотнений концевых деталей 7. Это надежно исключает повреждение этих уплотнений во время монтажа.

На фиг.3 показан рулевой механизм согласно изобретению. Конструктивные элементы, одинаковые с показанными на фиг.1, обозначены теми же ссылочными позициями.

В этом варианте выполнения картер 40 снабжен двумя крепежными участками 41. Поршневой шток 4 закреплен на картере 40 прочно и неподвижно за счет его свинчивания с картером 40 вблизи крепежных участков 41. Поршневой шток 4 также здесь несет гидравлический поршень 6, который вместе с цилиндром 42 ограничивает две рабочие полости 8, 9. Цилиндр 42 имеет на своей обращенной к зубчатой рейке 11 стороне мостик 43, который в резьбовом отверстии 44 прочно свинчен с зубчатой рейкой 11. Зубчатая рейка 11 установлена в двух подшипниках 45 скольжения с возможностью осевого перемещения в картере 40.

Зубчатая рейка 11 имеет два свободных конца 46, которые для защиты от влияний окружающей среды закрыты прочными чашеобразными втулками 47.

На фиг.4 представлен предпочтительный вариант выполнения согласно фиг.3 в перспективе. Шестерня 13, как и в первом предпочтительном варианте, является частью устройства 30, 33 с вращающимся золотником. Цилиндр 42 содержит фланцы с резьбовыми отверстиями 48, к которым при монтаже могут быть привинчены поперечные тяги (не показаны).

На практике рулевой механизм в этом примере свинчивают в зоне присоединительных фланцев 41 с рамой автомобиля. Поперечные тяги, ведущие к управляемым колесам, привинчивают посредством соответствующей шарнирной детали к цилиндру 42 в зоне отверстий 48. При вращении шестерни 13 за счет ее зацепления с резьбовым сектором 14 зубчатая рейка 11 смещается в поперечном направлении, т.е. в направлении оси 12. За счет жесткого закрепления зубчатой рейки 11 посредством мостика 43 на цилиндре 42 последний движется также в поперечном направлении, тогда как поршневой шток 4 неподвижен относительно картера 40 и тем самым относительно рамы автомобиля. Вытекающий из вращения клапана 30 гидравлический управляющий сигнал направляется по гидравлическим трубопроводам 31, 32 к рабочим полостям 8, 9 для сервоподдержки за счет повышения давления в соответствующей рабочей полости. При этом подвод гидравлической жидкости из гидропроводов 31, 32 может происходить предпочтительно через внутреннее пространство поршневого штока 4.

С конструктивной точки зрения также этот пример выполнения дает то преимущество, что зубчатая рейка 11 и поршневой шток 4 отстоят друг от друга в радиальном направлении, а не расположены рядом друг с другом коаксиально в поперечном направлении автомобиля. Необходимое конструктивное пространство в поперечном направлении значительно уменьшается благодаря такому расположению. С другой стороны, у этого примера выполнения средний отвод в зоне резьбовых отверстий реализовать гораздо проще.

Поскольку картер рулевого механизма и конструктивные элементы, в частности вращающийся золотник и зубчатая рейка, обеспечивают в значительной степени модульную конструкцию, то необходимые изменения для обоих типов рулевого управления с правым или левым рулем невелики.

На фиг.5 схематично изображен другой предпочтительный вариант выполнения изобретения.

В этом предпочтительном варианте картер 40 привинчен в зоне фланцев 41 к раме 50. Картер 40 несет поршневой шток 4, на котором с возможностью перемещения установлен цилиндр 42. Конструкция цилиндра 42 в основном соответствует конструкции, представленной на фиг.3. Мостик 43 к зубчатой рейке 11 размещен на цилиндре 42 внецентренно. В отличие от описанных выше предпочтительных вариантов выполнения параллельно поршневому штоку 4 и зубчатой рейке 11 в направляющей 52 скольжения предусмотрена дополнительная направляющая штанга 51, предназначенная для восприятия возникающих на мостике 43 опрокидывающих моментов. Зубчатая рейка 11 может быть поэтому в основном ограничена по длине ходом рулевого механизма, тогда как в вариантах выполнения на фиг.1-4 длина сервоуправления больше.

При движении этот рулевой механизм функционирует в соответствии с описанной выше конструкцией. Приложенный к шестерне 13 крутящий момент приводит к перемещению зубчатой рейки 11 в поперечном направлении. Зубчатая рейка 11 захватывает при этом через мостик 43 цилиндр 42. Установленные на цилиндре 42 по типу центрального отвода поперечные тяги 22 направляют движение к управляемым колесам (не показаны) автомобиля. Соединенный с шестерней 13 клапан с вращающимся золотником создает поток гидравлической жидкости в одну из обеих рабочих полостей 8 или 9, обеспечивающий в основном пропорционально приложенному к рулевому колесу крутящему моменту сервоподдержку. Опрокидывающие моменты воспринимаются в подшипнике 52 скольжения и направляются дальше через направляющую штангу 51 и картер 40 к раме 50 автомобиля. Поршневой шток 4 и направляющая штанга 51 прочно соединены с картером 40, тогда как зубчатая рейка 11 установлена с возможностью перемещения в поперечном направлении. Эти три конструктивных элемента расположены осепараллельно и радиально отстоят друг от друга.

Другой предпочтительный вариант выполнения изображен на фиг.5 схематично. Точное выполнение реализовано аналогично вариантам выполнения, представленным на фиг.3 и 4.

Изобретение относится к рулевому механизму, содержащему картер (1), определяющую осевое направление зубчатую рейку (11), находящуюся в зацеплении с рулевой шестерней (13), и гидравлический сервопривод с цилиндро-поршневым узлом, содержащим поршень (6), проходящий в осевом направлении поршневой шток (4) и цилиндр (2). Зубчатая рейка и поршневой шток расположены в осевом направлении параллельно друг другу и на расстоянии друг от друга поперек осевого направления, а зубчатая рейка прочно соединена с цилиндром в осевом направлении. Достигается компактность узла. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Рулевой механизм, содержащий картер, определяющую осевое направление зубчатую рейку, находящуюся в зацеплении с рулевой шестерней, гидравлический сервопривод с цилиндро-поршневым узлом, содержащим поршень, проходящий в осевом направлении поршневой шток и цилиндр, причем зубчатая рейка и поршневой шток расположены в осевом направлении параллельно друг другу и на расстоянии друг от друга поперек осевого направления, отличающийся тем, что зубчатая рейка прочно соединена с цилиндром в осевом направлении.2. Механизм по п.1, отличающийся тем, что свободные концы зубчатых реек предпочтительно закрыты чашеобразными втулками, которые охватывают и герметизируют наружу пространство для движения зубчатой рейки.3. Механизм по п.1, отличающийся тем, что свободные концы зубчатых реек предпочтительно закрыты подвижными втулками или сильфонами, освобождающими находящееся аксиально рядом с зубчатой рейкой свободное пространство, например, для поворота колеса.4. Механизм по п.1, отличающийся тем, что клапан с вращающимся золотником закреплен в виде модуля на лежащем внецентренно на раме участке.5. Механизм по п.1, отличающийся тем, что поршневой шток установлен, в основном, неподвижно относительно автомобиля.6. Механизм по п.1, отличающийся тем, что центральный отвод для приводимых в действие поперечных тяг закреплен непосредственно на цилиндре.7. Механизм по п.1, отличающийся тем, что гидравлическую жидкость для приведения в действие сервопривода подводят через торцевые стороны (свободные концы) поршневого штока.8. Механизм по п.1, отличающийся тем, что предусмотрены, в общей сложности, три параллельные, аксиально отстоящие друг от друга штанги, а именно зубчатая рейка, поршневой шток и направляющая штанга.9. Механизм по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что поперечные тяги сочленены с торцевыми сторонами поршневого штока.