Автор Тема: Асинхронный двигатель в рулевом управлении (теоретические предпосылки).  (Прочитано 2621 раз)

0 Пользователей и 1 Гость просматривают эту тему.

Оффлайн val_001

  • Участник форума
  • *****
  • Сообщений: 737
  • Имя: Валерий
  • Откуда: Санкт-Петербург
  • Техника: разная
Довольно часто возникает потребность прикинуть, нельзя ли осуществить привод рулевой колонки или узла перелома при помощи асинхронного двигателя.
Конечно, если нет повышенных требований к развиваемому на рулевой колонке усилию или надежности, то можно ограничиться обычным электроусилителем руля, который успешно используется на автомобилях ВАЗ. Придется немного "поколдовать" с электроникой, но обычно это принципиальных затруднений не вызывает.
Но если требования повышенные или возникает необходимость в дистанционном управлении (! ! ! ! !), то приходится задумываться об электроприводе на основе асинхронного двигателя типа АИР или бесконтактного двигателя типа BLDC.
Унификация двигателей АИР выше, кроме того иногда возникает необходимость в использовании электромоторов только российского производства. Поэтому рассматривается применение асинхронных двигателей надежных производителей, но это совершенно не мешает использовать электродвигатели с более удобным питающим напряжением и контролером управления двигателя.
Пока идет стадия обсуждения с заинтересованными лицами, но велика вероятность выбора именно этого способа управления. В этом случае будет опубликована и реализация.
А пока больше теория, чем дело.

Итак, предварительный расклад для электропривода рулевого управления.
При расчете рулевого управления предполагают, что водитель транспортного средства кратковременно развивает усилие 500 Н.
https://vunivere.ru/work46888/page12
При этом передаточное число рулевого управления легкового автомобиля составляет 16…20, а полный угол поворота рулевого колеса составляет 1080…1260 градусов (3…3,5 оборота) при полном угле поворота управляемых колес 65….70 градусов.
https://vunivere.ru/work46888/page11
Диаметр рулевого колеса автомобиля Нива составляет  400 мм, а максимальное усилие на рулевом колесе при повороте на месте на гладкой плите составляет 250 Н. Нормированной скоростью вращения рулевого колеса считается скорость 360 градусов в секунду.
https://vuzlit.ru/1046236/rulevoe_upravlenie_avtomobilya_niva_
http://niva4x4.at.ua/index/0-109
https://vazweb.ru/desyatka/podveska/elektrousilitel-rulya.html
 
Таким образом, на валу рулевого управления автомобиля Нива максимальный крутящий момент  должен быть порядка 50 Нм, а кратковременный предельный крутящий момент – 100 Нм.

ЭУР автомобиля Гранта обеспечивает компенсацию крутящего момента на рулевой колонке 28 Нм при скорости вращения рулевого колеса 360 градусов в минуту и потребляемом токе не более 55 Ампер.
https://avtozap63.ru/avtozap_vaz/Uselitelja_rulja/Elektrousilitel__rulja/Elektrousilitel__rulja_na_VAZ_1118__Koreja_.htm

Если в качестве двигателя электрического привода рулевого управления взять общепромышленный асинхронный двигатель АИР мощностью 1,1 КВт и числом оборотов 750 об/мин, то несложный расчет показывает, что долговременный крутящий момент на валу такого двигателя составит  11 Нм, а допустимый кратковременный – 22Нм.
https://www.elcomspb.ru/retail/electric_engines/general-purpose_engines/air-90-lb8/
https://www.prombirga.ru/informaciya/#blk81
 
Для привода рулевого редуктора автомобиля Нива при помощи рассмотренного электромотора достаточно между электродвигателем и редуктором установить ременный редуктор с передаточным числом 4,55 (100 Нм / 22 Нм).
750 об/мин = 12,5 об/сек. Рулевой механизм двигатель будет вращать со скоростью 12,5 / 4,55 = 2,75 об/сек, что в 2,75 раз больше нормированного значения 360 градусов в сек или 1 об/сек. Это слишком быстро для нормального управления вездеходом. Двигатель АИР 1,1 КВт с числом оборотов 750 об/мин избыточно мощный для использования в качестве двигателя для привода рулевого управления.

Произведем расчет исходя из нормированной скорости вращения рулевого колеса.
1об/сек = 60 об/мин. Если использовать в качестве привода рулевого колеса асинхронный электродвигатель с числом оборотов 3000 об/мин, то для соблюдения нормированного значения вращения рулевого колеса необходимо между электродвигателем и рулевой колонкой установить редуктор с передаточным числом (ПЧ) равным 3000 / 60 = 50.
Если использовать электродвигатель с числом оборотов 1500, то ПЧ редуктора составит 25. При таких значениях ПЧ наиболее удобным будет использование червячного редуктора. Несмотря на низкий КПД червячного редуктора еще одно свойство червячного редуктора будет очень к месту в нашей ситуации: в силу особенностей конструктива червячного редуктора силы, поступающие со стороны колес, не будут приводить в произвольное движение рулевую колонку. Таким образом, червячный редуктор обеспечивает фиксированное положение рулевой колонки после снятия напряжения с электродвигателя рулевого управления.
Для обеспечения предельного крутящего момента на рулевой колонке в 100 Нм достаточно, чтобы электродвигатель обеспечивал максимальный крутящий момент 2 Нм при паспортном значении максимального числа оборотов 3000 об/мин и 4 Нм при числе оборотов 1500 об/мин.   
Электродвигатель с числом оборотов 3000 об/мин интересней с точки зрения использования червячного редуктора, однако отечественные производители (к коим можно уже отнести и китайских производителей) выпускают редукторы преимущественно для электродвигателей с числом оборотов не более 1500 об/мин. Для электродвигателей с числом оборотов 3000 об/мин редукторы в основном импортные и по этой причине дорогие.
Посему далее считаем параметры электропривода рулевого управления для электродвигателей с числом оборотов 1500 об/мин.
При указанных параметрах червячных передач разумно ожидать, что КПД червячного редуктора будет немногим более 70 процентов. Тогда максимальный крутящий момент электродвигателя должен быть 4 Нм / 0,7 = 5,7 Нм.
Несложный подбор показывает, что таким электродвигателем является двигатель АИР 71 А4 мощностью 0,55 КВт.
https://www.elcomspb.ru/retail/electric_engines/general-purpose_engines/air-71-a4/


Оффлайн Leon10010

  • Global Moderator
  • *****
  • Сообщений: 2340
  • Имя: Дормидонт. Евлампиевич.
  • Откуда: грязные дворики
  • Техника: велик

Оффлайн dil

  • Участник форума
  • **
  • Сообщений: 21
  • Имя: Михаил
  • Откуда: Рязань
  • Техника: автомобиль, велосипед "Турист", газонокосилка "Крафт"
Шариковый винт и рейка.

Оффлайн Юрич

  • Участник форума
  • *****
  • Сообщений: 4242
  • ВТС Рэмо-сервис 1965
  • Имя: Геннадий
  • Откуда: Тольятти
  • Техника: ВАЗ-11174 Лада-Калина Универсал
Вообще то эта штука есть серийная и в ассортименте. Погугли на букву "АКТЮАТОР"!
На робота ставил такой, до 9000Н усилие,  12 вольт, довольно быстроходный, мне это важно было.



Есть, ну очень большие и очень мощные, для складов


Оффлайн val_001

  • Участник форума
  • *****
  • Сообщений: 737
  • Имя: Валерий
  • Откуда: Санкт-Петербург
  • Техника: разная
Согласно данным из литературных источников передаточное число редуктора механизма рулевого управления Нивы составляет 16,4:
http://saz77.ru/magazin/folder/rulevoye-upravleniye-vaz-2121-214
Следовательно, максимальный кратковременный крутящий момент на сошке рулевого управления автомобиля Нива составит 100 Нм х 16,4 = 1640 Нм.
Расстояние между центрами крайних отверстий сошки рулевого управления Нивы составляет ориентировочно 150 мм. Следовательно, кратковременное усилие на конце сошки рулевой колонки Нивы составит приблизительно 1640 Нм / 0,15 м = 10933 Н = 1116 кгс.
Пока не нашел информацию о величине перемещения конца сошки Нивы. Но полученные значения уже могут позволить оценить параметры электрического актуатора или  гидравлического цилиндра, которые могут полностью или частично заменить рулевое управление вездехода.
Для переломки пока значимым остается значение крутящего момента 1640 Нм на сошке рулевого автомобиля Нива. Это значение примем как минимально необходимое для осуществления поворота на совсем легкой переломке.
Можно предположить, что увеличив это значение вдвое, мы получим вполне неплохое управление переломкой в тяжелых дорожных условиях.
Прошу поделиться информацией о размерах сошек рулевых колонок разных автомобилей (особенно грузовых). Это поможет в дальнейшем при проектировании узлов перелома вездеходов с различной массой.