Рулевой механизм с переменным передаточным отношением

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К П АТИН ТУ

1 > 502598

Сова Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительный к патенту (51) М. Кл.2 В 62D 3/12 (22) Заявлено 16.08.71 (21) 1688140/27-11 (23 Приоритет — (32) 17.08.70 (31) 2222/70 (33) Австралия

Опубликовано 05.02.76. Бюллетень № 5

Государственный комитет

Совета Министров СССР (53) УДК 629.113.014.5 (088.8) но делам изобретений и открытий

Дата опубликования описания 08.04.76 (72) Автор изобретения и (71) заявитель

Иностранец

Артур Эрнест Бишоп (США) (54) РУЛЕВОЙ МЕХАНИЗМ С ПЕРЕМЕННЫМ

ПЕРЕДАТОЧНЫМ ОТНОШЕНИЕМ

Известны рулевые механизмы с переменным передаточным отношением, содержащие шестерню, зацепляющуюся с зубчатой рейкой, снабженной центральной группой зубьев с различными формой и шагом, соответствующими различным радиусам зацепления шестерни и рейки.

Недостатком известных рулевых механизмов является невозможность получения необходимого диапазона изменения передаточных отношений без уменьшения прочности зацепления, его коэффициента полезного действия в зоне малых передаточных числе в связи со значительным увеличением угла зацепления и повышением его износа в зоне больших передаточных чисел в связи с небольшими углами зацепления, вызывающими появление на определенных участках ножек зубьев резких переходов с очень малым радиусом кривизны.

Цель изобретения — увеличение диапазона изменения передаточных отношений рулевого механизма и повышение его прочности и плавности в р аб оте.

Для этого в предлагаемом рулевом механизме шестерня имеет спиральные зубья и расположена относительно продольной оси рейки под углом, отличным от прямого, а зубья центральной группы наклонены под углом, изменяющимся в противоположных направлениях от середины рейки, где указанный угол близок к углу наклона шестерни, к ее краям, а разница между углами наклона шестерни и зубьев рейки максимальна.

На фиг. 1 схематически изображен рулевой

5 механизм с рейкой и шестерней; на фиг. 2— вид сверху на спиральную шестерню, которая входит с зацеплением с зубьями рейки в зоне низких передаточных отношений и разрез по

А — А; на фиг. 3 — то же для зоны высоких

10 передаточных отношений и разрез по Б — Б; на фиг. 4 — половина рейки, вид сверху и разрез по  — В; на фиг. 5 — схема зацепления спиральной шестерни с рейкой и разрезы по à — Г и Д вЂ” Д; на фиг. 6 — схема зацепле15 ния спиральной шестерни с рейкой, иллюстрирующая эффект переменного передаточного отношения и разрез по E — Е; на фиг. 7 — разрез рейки и шестерни по оси рейки; на фиг.

8 — шестерня и рейка, вид сверху; на фиг. 9—

20 разрез по 5K — Я, 3 — 3, И вЂ” И и К вЂ” К на фиг. 8; на фиг. 10 — график зависимости передаточного отношения от угла поворота для реечных рулевых механизмов предлагаемой и известных конструкций.

25 Рулевой механизм 1 расположен под углом к продольной оси 2 автомобиля и содержит шестерню 3, зацепляющуюся с зубчатой рейкой 4. Шестерня 3 имеет спиральные зубья и расположена под углом к рейке 4, что позво30 ляет несколько увеличить ее размеры, Угол

502598 между шестерней и рейкой соответствует углу левo товa- ей нарезки сп!!ральных зубьев па шестер: 3. Перемещен""- зубьев шестерни 3 происходит по линии а, а рейка 4 имеет прямые зубья, расположенные под углом 90 к оси рейки 4. При перемещении в нормальной плоскости одного из зубьев шестерни 3 на величину шага P рейка перемещается на меньшее расстояние, равное Рсояа. Для получения определенного хода рейки 4 необходима шестерня 3 больших размеров, чем в мехапизме с неспиральной и ненаклонной к оси рейки

4 шестерней 3. Уменьшение угла спирали, при котором зубья рейки 4 расположены по плоскостям, почти параллельным плоскости, наклоненной к рейке 4 под углом а установки шестерни 3, позволяет значительно уменьшить скольжение и диаметр шестерни 3.

На фиг. 2 и 3 изображена зона рейки 4, обеспечивающая низкое передаточное отношение механизма, когда радиус зацепления шестерни 3 лежит почти у самых вершин головок ее зубьев. Так как радиус зацепления сравнительно велик, то в этой зоне можно получить достаточно низкое передаточное отношение зубчатой пары шестерня — рейка. Однако нз-за того, что радиус зацепления почти равен наружному радиусу шестерни 3, она в этом случае оказывается недопустимо уменьшенной по диаметру, если не подобрать определенным образом угол спирали.

Шестергпо можно ввести в зацепление с другим участком рейки 4 с очень малым радиусом зацепления на шестерне. В этом случае шаг между зу.бьями рейки Р, и непараллельность между зу.бьями рейки 4 и осью шестерни 3 значительно меньше, чем В первом слу-. е. !,о ов..а-!ае! Н.менение передаточного отшепия между шестерней 3 и рейкой 4, связанное с уменьшением шага.

Поэтому зубья рейки 4 наклонены к ее оси под различными углами в различных участках, т. е. углы зацепления в различных участках рейки 4 различны.

Для получения оптив!альных характеристик рулевого механизма требуется специальная геометрия шестерни 3, так как шестерня 3 должна работать с большим диапазоном углов зацепления. При больших углах зацепления расстояния между основаниями ножек соседних зубьев, очерченных по эвольвенте, получа!отся небольшими, а вершина зубьев имеет заостренную форму.

Б расс латриваемом ниже примере шестерня

3 с шестью зубьями имеет угол зацепления, равный 22!/, тогда как обычная шестерня с семью зубьями при постоянном передаточном отношении имеет угол зацепления только 10 .

) аже шестерня с семью зубьями заметно отличается по своей геометрии от обычных зубчатых колес, однако такие шестерни широко известны в конструкциях рулевых механизмов рассматриваемого типа.

Специальная форма зубьев шестерни, используемой в рулевых механизмах с постоянным передаточным отношением, требует применения специальных по форме зубьев рейки (см. фиг. 7). Однако только с помощью таких шестереп удается оптимальным образом спроектировать механизмы с равнопрочными зубьями рейки и шестерни.

Специальная форма зубьев шестерни 3 особенно заметна при рассмотрении ее зацепления с рейкой 4, имеющей обычный угол зацепления (около 20 ). На фиг. 7 показан профиль зубьев такой рейки 4, обеспечивающей постоянство передаточного отношения. Центральная плоскость делит зубья рейки по высоте на равные части, в которых расстояние между соседними зубьями равно толщине зуба.

На фиг. 4 изображена рейка 4 предлагаемой конструкции с поверхностью зацепления

6, большая часть длины которой лежит вблизи оснований зубьев 7, а следовательно, вблизи головок зубьев шестерни 3, а небольшой ее участок средней части рейки 4 располагается у вершин головок зубьев, что приводит к уменьшению радиуса зацепления в этой зоне.

В средней части рейки 4 имеется группа наклонных зубьев 8, из которой наибольший угол наклона имеет средний зуб, причем наклон зубьев 8 постепенно уменьшается от центра рейки 4 к ее концам, постепенно уменьшаясь до нуля у зубьев 7, расположенных в зоне низких передаточных отношений перпендикулярно оси рейки 4 и имеющих форму непрофилированного треугольника. Зубья на правой и левой сторонах рейки 4 расположены симметрично относительно ее средней оси, повернуты один относительно другого на 180 от нулевого положения. Такая конструкция рейки 4 обеспечивает изменение передаточного отношения (см. кривую Н на фиг. 10). Передаточное отношение рассматриваемого механизма определяется отношением фактического радиуса зацепления шестерни 3 к фактической длине рычага L (см. фиг. 1). Радиус заце!!лсн11я шестерни 3 меняется вдоль поверхности зацепления 6 (фиг. 4), а длина ры4 чага L определяется размерами рулевого привода для каждого конкретного автомобиля, в котором используется рассматриваемый механизм.

Приводим один из вариантов выполнения реечного механизма, изображенного на фиг.

8 — 13.

Шестерня 3 имеет следующие параметры и установочные размеры; количество зубьев—

6, форма зуба — эвольвента, направление винтовой линии — левое, шаг винтовой линии 9 — 6,84019", диаметр основной окружности 10 — 0,581859", диаметр впадин 11—

0,510", наружный диаметр 12 — 0,875", угол установки а — 22, угол эвольвенты в основании зуба P — 6, длина рычагов L — 4,92".

Форма кривой (в нормальной плоскости шестерни) — синусоида.

Расстояние рейки от средней точки до зоны постоян ого (низкого) передаточного отношения в нормальной плоскости шестерни

502598

13 — 0,800", в плоскости, проходящей через ось рейки 14 — 0,86280". Угол поворота шестерни от средней точки до зоны постоянного (низкого) передаточного отношения Д вЂ” 147,7 .

Рабочая длина рейки по обе стороны от средней точки 15 — 3,06". Угол поворота шестерни от средней точки рейки до конца ее хода

Š— 1,267 оборота.

Передаточное отношение в средней точке

18: 1, в зоне низкого передаточного OTIIoIIIeния 12,07: 1.

Угол поворота шестерни от средней точки до конца хода рейки при постоянном передаточном отношении 18: 1 — 1,752 оборота.

В нормальной плоскости шестерни рейка имеет следующие параметры (соответственно в зоне низкого передаточного отношения и в средней зоне): угол зацепления — 52 48 2" и

18, радиус зацепления шестерни 16

0,43985" и 0,279615", окружной шаг 17

0,46061".

В плоскости оси рейки угол зацепления

G — 50 41 и 17 36 51", радиус заце1-.лепия шестерни 18 — 0,407822" и 0,273222", окружной шаг 19 для данной плоскости — 0,427068", 25 угол наклона спирали (С вЂ” А) — 22 и 13 4 43", угол наклона зубьев рейки — 0 и 8 55 16".

На фиг. 8 шестерня 3 изображена в положении, когда ее центр 20 лежит на оси рейки

4. В сечении А — А шестерня имеет центральную точку 21. Линия зацепления 22 (фиг. 7) имеет верхнюю точку 23, которая лежит в центральной плоскости рейки 4 и соответствует зацеплению с минимальным передаточным отношением. Линия зацепления 24, расположенная в сечении А — А, имеет верхнюю точку 25.

Соответствующие точки контакта в плоскостях сечений А — А и М вЂ” М обозначены соответственно 26 и 27. Линии, соединяющие точ- 4О ки 25 и 27 и точки 23 и 26, образуют с горизонтальной плоскостью углы, равные углам

28 и 29, являющимися углами зацепления в определенных точках окружности зацепления шестерни 3. Радиусы зацепления шестерни 45 определяются длиной отрезков 20 — 23 и 21—

25. Углы зацепления 28 — 29 составляют около

18 для центрального положения рейки 4 и увеличиваются до 52 в зоне низкого передаточного отношения. Изображенные на фиг. 7 50 линии, образующие боковые поверхности зубьев шестерни 3, не являются эвольвентами, так как сечения шестерни на фиг. 7 сделаны под некоторым углом к ее продольной оси. Лучше всего условие контакта такой шестерни рассматривать в ее нормальной плоскости, показанной на фиг. 9. На этой фигуре изображены различные условия зацепления шестерни 3 с рейкой 4 вдоль оси шестерни 3, обозначенные на фиг. 9 как сечения SK — 5K, 3 — 3, И вЂ” И и 6О

К вЂ” К. Все указанные сечения условно приведены к одному общему центру 30 (фиг. 9).

Боковые поверхности зубьев очерчены эвольвентами с основной окружностью 31. Касательная 32 к основной окружности 31 прохо- 65 днт через точку ЗЗ, являющуюся полюсом зацепления для рассматриваемого случая, причем линия зацепления 32 проходит через точку контакта 34 шестерни 3 и рейки 4. Точно также на линии зацепления 32 .пежат и остальные точки контакта 35, 36 и 37 (для других сечений, при постоянном радиусе зацепления), и угол зацепления 38 для всех точек

КоНТВКТН Оудет иметь Одно и То жс зпачс:I Ie.

При перемещении шестерни 3 пз точкп 30 в то гку 39, опа будет перекатываться в плоскости сечения )1(— Я в направлении Н (фпг. 8), и полюс зацепления 33 перемещается в точку

40. Так как длина отрезка 39 — 40 мсп1>ше длины отрезка 30 — 33, то угол зацеплсп11я умсьп,шается. Благодаря этому прямая 41, касательная к новой основной окружности 42 и проходящая через новьш полюс зацепления 40, смещается относительно прямой 32 и пересекает ее в точке 43. При непрерывном перемещении цспт1>а шестсрни 3 из точки 30 в точку 39, кривые, Образу1ощпе боковые поверхности ес зубьев, б,п1зки к окружностям с центр 051 В I очке 13, причем радпуc 1 .Опта ктпой по верхности для каждой плоскости сечений

Я(— М(, 3 — 3, И вЂ” И, К вЂ” К (фпг. 8) опредсляется длиной отрезков 43 — 37, 43- — 36, 43 — 35 и 43 — 34. Радиус контакта в точке 37 очень v!8,1, и ко11тактпь1с папряжсппя В этоп точкс с111емя I ся K сс копечпосl и. поэтом; зацепление пс мо кс г псрсдавать полезноп нагрузки.

Однако в других сечениях радиус кривизны контактной поверхности достаточно большой, благодаря чему в этих сечениях условия для передачи усилий вполне б.пагоприятпы.

В обычном рулевом механпзме реечного типа с переменным передаточным отпошеппем нельзя получить удовлетворительную лппшо зацепления, хотя бы в одной из точск которой по сечению зуба радиус кривизны профпля е имел бы теоретически нулевого зн".÷åíiiÿ. Поэтому одним из основных преимущсств выполнения шестерни 3 спиральной является то обстоятельство, что нулевая прпвязка профиля (сечение К вЂ” 7i() имеет место только в одном сечении рейки 4, а пе по всей се ширине, что характерно для случая песппральпой шсстерни.

Боковые гранп зубьев рейки 4 (фпг. 7) имеют в плане некоторый наклон, который получается смещением сечения зубьев рсйкп 4 в торцовой плоскости Л вЂ” Л (!риг. 8) относительно сеченпя М вЂ” М, расположенного в средней плоскости. Смещепие для центрального зуба 44 и для соседнего зуба 45 постепенно и достаточно быстро уменьшается до пуля ужс па третьем от центра зубе. Все зубья 16 рейкп

4, начиная от третьего, не име1от никакого наклона к осп рейки 4 и обеспечивают низкое (и постоянное) значение передаточного отношения. Боковые поверхности этик зубьез образуют касатель1-:ые к профП зубьев шестерни 3 и в центральной п;1Оскост;: М--М и в торцовой плоскости Л вЂ” Л, 502598

Еще одно преимущество, связанное с применением спиральной шестерни 3, заключается в том, что спиральная шестерня 3 позволяет решить проблему прочности рассматриваемого механизма. При постоянном передаточном отношении в центральной зоне рейки 4, когда угол зацепления относительно невелик (около 20 ), зубья рейки 4 имеют прямые боковые грани 5 (фиг. 7). Прочность зубьев 46 значительно меньше, чем у зубьев 47, обеспечивающих переменное передаточное отношение и имеющих более толстое основание ножки зуба. В еще большей степени это проявляется у второго от центра зуба рейки 4, который по прочности оказывается эквивалентным зубу шестерни 3.

На графике (фиг. 10) показаны характеристики рассмотренного выше механизма. По оси абсцисс отложен угол поворота передних колес автомобиля, а по оси ординат — передаточное отношение. Верхняя горизонтальная линия на этом графике относится к обычному рулевому механизму с постоянным передаточным отношением, равным 18: 1. Линия М показывает эффект изменения передаточного отношения известного рулевого механизма. Для угла поворота передних колес, равного 20, площадь, расположенная между верхней линией и линией М, представляет собой в некотором масштабе запас в необходимом угле поворота рулевого колеса, который составляет около 5 /ц. Нижняя кривая Н относится к предлагаемому м - xaHHarsy, состоящему из спиральной шестерни и рейки, выполненных согласно изобретению.

Для изготовления рейки с зубьями требуемого профиля может быть использован долбяк, профиль которого соответствует профилю шестерни, причем основную часть ее зубьев следует выполнить прямыми с использованием протяжки, а лишь небольшое количество зубьев в средней части рейки нарезать методом з бонарезания. Можно также сначала ./ вс:о рейку сделать с прямыми зуоьями методом прoT5 жкп, а затем доработать часть зуоьев в средней части рейки. Такой способ нарезания зубьев позволяет значительно упростить оборудование, используемое при изготовлении рейки.

В описанном выше варианте используется

5 3BoJIbBeHTFIop. зацепление, что значительно упрощает технологию изготовления шестерни, и упрощает форму зубьев рейки в зоне низкого передаточного отношения.

Однако в данном рулевом механизме мож10 но использовать не только эвольвентное зацепление, хотя при этом и усложняется технология изготовления рейки и шестерни.

Можно использовать рейку с вогнутыми (в зоне низких передаточных отношений) зубьями, 15 когда угол зацепления превышает 50 . Связано это с тем, что предельные значения угла зацепления определяются условиями контакта на вершинах зубьев рейки, где одновременно имеет место и высокая скорость скольжения

20 и значительный угол зацепления, что приводит к работе зубчатой пары в условиях граничного или полусухого трения. У основания зубьев, однако, скорость скольжения снижается почти до нуля и угол зацепления можно

25 было бы сделать большим, чем у головки зуба, не нарушая при этом условий смазки, Предмет изобретения

Рулевой механизм с переменным передаточ30 ным отношением, содержащий шестерню, зацепляющуюся с зубчатой рейкой, снабженной центральной группой зубьев с различными формой и шагом, соответствующими различным радиусам зацепления шестерни и рейки, З5 отличающийся тем, что, с целью увеличения диапазона изменения передаточного отношения рулевого механизма и повышения его прочности и плавности в работе, шестерня имеет спиральные зубья и расположена отно40 сительно продольной оси рейки под углом, отличным от прямого, а зубья центральной группы наклонены под углом, близким к углу наклона шестерни и изменяющимся в противоположных направлениях от середины рейки

45 к ее краям, где разница между углами наклона шестерни и зубьев рейки максимальна.