Электронная педаль

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Анищик Виктор Михайлович Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Электронная педаль, содержащая опорную ножную платформу, выполненную с возможностью плавного поворота на необходимый для детектирования угол и возвращающуюся в исходное положение после прекращения давления на нее, две пары массивных высокоэнергетичных магнитов, силовым образом взаимодействующих парами, одна пара из которых установлена неподвижно, а другая пара связана с опорной ножной платформой с возможностью совместного с ней поворота, вал, держатели и приспособления для крепления соответствующих узлов, отличающаяся тем, что каждый из постоянных магнитов выполнен в форме кольца, состоящего из двух симметричных половинок, намагниченных вдоль оси, но противоположно друг другу, причем силовым образом взаимодействующие магниты установлены по краям вала и в корпусе с зазором, а магнитные половинки ориентированы противоположными полюсами на притяжение в первоначальном состоянии педали и закреплены так, что в исходном состоянии платформы педали намагниченности каждой из половинок кольцевого магнита развернуты на угол 0,составляющий 5-7, таким образом, что нажатие педали приводит к увеличению этого угла и возникновению возвращающей силы магнитного взаимодействия на платформу, а датчик угла поворота вала выполнен с использованием неподвижного элемента Холла,размещенного внутри полого вала в плоскопараллельном магнитном поле, образованном 48002008.10.30 двумя плоскими миниатюрными магнитами, намагниченными сонаправленно, причем миниатюрные магниты установлены во втулке, имеющей резьбу и вкрученной в полый вал,таким образом, что имеется возможность первоначальной установки угла между нормалью к пластине Холла и миниатюрными плоскими магнитами путем поворота втулки в резьбе, дополнительно установлены два подшипника, механические ограничительные и упорные поверхности для механического ограничения осевого перемещения опорной ножной платформы и печатная плата электроники со схемами защиты от обратного напряжения, перенапряжения, короткого замыкания выхода, импульсных помех по цепи питания и выхода.(56) 1. Патент США 2007103148, МПК 01 7/30. 2. Патент США 4267544, МПК 01 43/06, 1981. 3. Патент США 7119264, МПК 01 13/02, 2006 (прототип). Предлагаемое устройство (полезная модель) относится к автомобильному электронному приборостроению и может быть преимущественно использовано в электронных системах управления автомобилем для определения степени нажатия педали акселератора и в других автомобильных системах, требующих получения аналогового сигнала об абсолютном угловом положении вращающегося объекта. Известно устройство 1, педаль акселератора с сенсором движения, содержащее пластину педали, с возможностью вращения при ее нажатии, постоянный магнит, взаимодействующий с сенсором, функционирующим на эффекте Холла, и передающий информацию при движении педали в угловом положении на трансмиссию, упругий элемент, выполненный в виде возвратной цилиндрической пружины кручения и др. узлы. Недостатком описанного аналога 1 является низкая надежность и долговечность устройства, что обуславливается использованием движущегося механического упругого элемента - пружины. Причем этот недостаток характерен для подавляющего числа аналогов,где в конструкции используются различного рода возвратные пружины плоские, конические, цилиндрические, сложнонавитые и различного рода комбинированные, например, с роликами. Повысить надежность и долговечность электронных педалей можно за счет отказа от использования в устройстве каких либо движущихся упругих элементов или пружин. Например, возвратное движение роторного узла педали должно осуществляется из-за силового взаимодействия с участием постоянных магнитов или магнита. Связь по магнитному полю значительно повышает надежность и долговечность устройств. Технические решения такого рода известны. Например, в вариантах аппаратуры управления 2, в том числе в конструкции педали акселератора, используются один или два подковообразных магнита, или цилиндрических магнита к которым притягиваются элементы ротора, изготовленные из магнитомягкого ферромагнитного материала. Эти элементы ротора выполнены в форме концентраторов магнитного потока, расположены по отношению магнитов с небольшим воздушным зазором и возможностью размещения в рабочей части преобразователя Холла, который фиксирует изменение магнитного потока (индукции магнитного поля) при вращении концентраторов. Такого рода устройства наиболее подходят для функционирования в ключевом режиме, поскольку имеют резкую зависимость силы притяжения от угла поворота, а в режиме магнитоустойчивого положения возникают затухающие колебательные движения элементов ротора, вызывающие ложные сигналы позиционирования, что ставит под сомнение работоспособность педалирования. При этом необходимо использование 48002008.10.30 большой массы магнитов или очень узких воздушных зазоров, что приводит к возникновению больших перекашивающих сил, понижающих надежность устройства в целом. В устройстве 3 (прототип) используется конструкция педали для музыкальных инструментов, не содержащая подвижных упругих элементов. Возвратное движение роторного узла педали осуществляется из-за взаимного отталкивания двух плоских высокоэнергетичных магнитов, намагниченных противоположно. В одном из вариантов исполнения используются две пары магнитов. Недостатком устройства 3 является использование принципа отталкивания двух магнитов, а не притяжения. При магнитном отталкивании возникают значительные силы, действующие в поперечном движению педали направлении, которые необходимо тщательно компенсировать с помощью других узлов, что понижает надежность устройства. Такой конструкции характерна неустойчивость системы магнитов. В то же время при использовании притяжения магнитов, они самоцентрируются. Задачей, решаемой в предлагаемой полезной модели, является повышение надежности и долговечности электронной педали с использованием небольших масс постоянных магнитов. Эффект повышения надежности обуславливается отказом от использования в устройстве каких либо упругих элементов или пружин, а вместо них используется силовое воздействие магнитов. Предлагается следующее устройство электронной педали, в котором сохранены все функции педали, содержащей упругие элементы или пружины, например функция подпружинивания педали в исходном состоянии, но она осуществляется за счет силового воздействия магнитов, а все устройство в целом не содержит перемещающихся упругих элементов. Решение поставленной задачи достигается тем, что в электронной педали, содержащей опорную ножную платформу, выполненную с возможностью плавного поворота на необходимый для детектирования угол и возвращающуюся в исходное положение после прекращения давления на нее, две пары массивных высокоэнергетичных магнитов, силовым образом взаимодействующих парами, одна пара из которых установлена неподвижно в корпусе, а другая пара связана с опорной ножной платформой с возможностью совместного с ней поворота, вал, держатели и приспособления для крепления соответствующих узлов, каждый из постоянных магнитов выполнен в форме кольца, состоящего из двух симметричных половинок, намагниченных вдоль оси, но противоположно друг другу,причем силовым образом взаимодействующие магниты установлены по краям вала и в корпусе с зазором, а магнитные половинки ориентированы противоположными полюсами на притяжение в первоначальном состоянии педали и в дальнейшем закреплены так, что в исходном состоянии платформы педали намагниченности каждой из половинок кольцевого магнита развернуты на небольшой угол 0, составляющий 5-7, таким образом, что нажатие педали приводит к увеличению этого угла и возникновению возвращающей силы магнитного взаимодействия на платформу, а датчик угла поворота вала выполнен с использованием неподвижного элемента Холла, размещенного внутри полого вала в плоскопараллельном магнитном поле, образованном двумя плоскими миниатюрными магнитами, намагниченными сонаправленно, причем миниатюрные магниты установлены во втулке, имеющей резьбу и вкрученной в полый вал, таким образом, что имеется возможность первоначальной установки угла между нормалью к пластине Холла и миниатюрными плоскими магнитами путем поворота втулки в резьбе, и дополнительно установлены два подшипника, механические ограничительные и упорные поверхности для механического ограничения осевого перемещения опорной ножной платформы и печатная плата электроники со схемами защиты от обратного напряжения, перенапряжения,короткого замыкания выхода, импульсных помех по цепи питания и выхода. Проведенный анализ новизны технического решения показывает на существенные новые признаки, обуславливающие получение указанного технического эффекта по повышению надежности и долговечности устройства. Он достигается за счет отказа от 3 48002008.10.30 использования в устройстве каких либо перемещающихся упругих элементов или пружин. Возвратное движение роторного узла педали осуществляется из-за силового взаимодействия двух пар постоянных кольцевых магнитов, расположенных соответствующим образом. Дополнительно следует заметить, что первоначально магниты устанавливаются во взаимноустойчивое положение друг относительно друга (намагниченности параллельны и сонаправленны) и затем фиксируются упорной поверхностью для механического ограничения осевого перемещения ротора таким образом, что намагниченности кольцевых половинок магнитов, силовым образом взаимодействующие друг с другом, повернуты относительно друг друга на небольшой угол 0, составляющий 5-7. Первоначальная установка ножной платформы с поворотом на угол 0 создает эффект как бы подпружинивания педали в ненагруженном состоянии за счет магнитного взаимодействия постоянных магнитов, стремящихся занять состояние с минимумом энергии взаимодействия. Вращение педали вызывает рост силы магнитного взаимодействия магнитов и стремление ножной платформы к возвращению в исходное состояние. Следовательно,предложенное техническое решение не встречается в литературе, поэтому обладает новизной по сравнению с известными. Датчик угла поворота, выполненный на элементе Холла, допускает программирование после сборки всего устройства выходной характеристики, в том числе ограничительных уровней напряжения на механических границах измеряемого угла, параметров чувствительности, среднеквадратического напряжения и т.д. Для защиты элемента Холла от обратного напряжения, перенапряжения, короткого замыкания выхода, импульсных помех по цепи питания и выхода схема устройства, расположенная на печатной плате датчика,содержит необходимые элементы защиты (стабилитрон, выпрямитель, конденсаторы фильтров и др.), что широко известно в литературных источниках. Электронная педаль изображена на фиг. 1- 3. На фиг. 1 представлен общий вид педали в аксонометрии, на фиг. 2 показан разрез А-А поперек педали, на фиг. 3 приведена схема расположения магнитов. Устройство содержит опорную ножную платформу 1, выполненную с возможностью плавного поворота на необходимый для детектирования уголи возвращающуюся в исходное положение после прекращения давления на нее, две пары массивных высокоэнергетичных магнитов (2, 3) и (4, 5), силовым образом взаимодействующих парами (т.е. магнит 2 с магнитом 4 и магнит 3 с магнитом 5), одна пара из которых 4, 5 установлена неподвижно, а другая пара 2, 3 жестко закреплена на валу 6 и связана с указанной опорной платформой 1, и имеет возможность совместного с ней поворота,приспособления для крепления 7,8 соответствующих узлов (магнитов 4, 5). Каждый из постоянных магнитов 2, 3, 4, 5 выполнен в форме кольца, состоящего из двух симметричных половинок, намагниченных вдоль оси, но противоположно друг другу, что представлено на фиг. 3, причем магниты 2 и 3 размещены по краям вала, который имеет возможность вращения во внутренних кольцах двух подшипников 9 и 10. Кольцевые магниты 2, 4 и 3, 5 установлены соответственно с зазором , а магнитные половинки ориентированы противоположными полюсами на притяжение в первоначальном состоянии педали и, в дальнейшем закреплены так, что в исходном состоянии платформы педали намагниченности каждой из половинок кольцевого магнита развернуты на небольшой угол 0, составляющий 5-7 (фиг. 3), таким образом, что нажатие платформы 1 педали приводит к увеличению этого угла и возникновению возвращающей силы магнитного взаимодействия на платформу 1. Датчик угла поворота вала выполнен с использованием неподвижного элемента Холла 11, установленного на держателе 12 и размещенного внутри немагнитного пустотелого вала 6 в плоскопараллельном магнитном поле, образованном двумя плоскими миниатюрными магнитами 13 и 14, намагниченными сонаправленно. Миниатюрные магниты 13, 14 установлены в ферромагнитной (железной) втулке 15, имеющей резьбу и вкрученной в полый вал 6. Втулка 15 выполняет роль ярма, охватывающего миниатюрные магниты 13, 14 и замыкающего магнитные потоки рассеяния от магнитов 13 и 14 на себя. 4 48002008.10.30 Путем поворота втулки 15 в резьбе вала 6 осуществляется возможность первоначальной установки необходимого угла между нормалью к пластине Холла и миниатюрными плоскими магнитами (а значит, и начального сигнала с элемента Холла 11). Механические ограничительные 16 и упорные поверхности 17 служат для механического ограничения осевого перемещения опорной ножной платформы 1. Упорная поверхность 17 фиксирует исходное положение платформы 1. Печатная плата электроники 18 со схемами защиты от обратного напряжения, перенапряжения, короткого замыкания выхода, импульсных помех по цепи питания и выхода расположена под одной из защитных крышек 19. Предпочтительным в устройстве является применение постоянных магнитов из редкоземельных материалов с максимальной для используемого состава магнитов удельной объемной магнитной энергией, например из 5 или , что обеспечивает необходимую силу возврата в исходное состояние ножной опорной платформы 1 с сохранением компактности геометрических размеров педали и малой массой магнитного материала. Устройство функционирует следующим образом. Вначале проводится монтаж магнитов и настройка устройства. Для этого магниты 2, 4 и 3, 5 устанавливаются симметрично попарно в положение взаимного притяжения (магнитоустойчивое состояние). Для эффективного силового взаимодействия зазормежду магнитами 2, 4 и 3, 5 соответственно не должен превышать высоты кольцевых магнитов,поскольку с ростомоно ослабевает. При этом магниты самоцентрируются, и напротив полюсакаждой половинки кольцевого магнита находитсяполюс противоположной половинки. Магниты 4 и 5 фиксируются неподвижно относительно 8 и 7, а магниты 2 и 3 фиксирутся на валу 6. При этом намагнченности соответствующих половинок магнитов сонаправлены. Опорную ножную платформу 1 вместе с закрепленными магнитами 2 и 3 поворачивают на небольшой угол 0, составляющий 5-7, и фиксируют исходное состояние платформы 1 упорной поверхностью 17. Опорная ножная платформа 1 педали оказывается незначительно прижатой к 17 за счет силового взаимодействия постоянных половинок магнитов. Намагниченности половинок противоположных магнитов повернуты на угол 0. Эффект начального подпружинивания 1 необходим для исключения колебаний педали при езде транспортного средства и используется практически во всех аналогах устройства, но осуществляется с помощью пружин. Выходная ЭДС сигнала элемента Холла, при его расположении внутри полого вала 6 между миниатюрными магнитами 13 и 14, как показано на фиг. 2, устанавливается вращением втулки 15 с магнитами в резьбе вала 6. При этом меняется угол между нормалью к пластине Холла и направлением плоскопараллельного магнитного поля, созданного миниатюрными магнитами 13 и 14. Целесообразно установить этот угол в области линейной зависимости ЭДС Холлаот угла поворота , например,0 при 0, и зафиксировать положение втулки внутри вала 6, когда 1 находится в исходном состоянии. При воздействии силына 1, опорная платформа поворачивается на уголпо сравнению с первоначальным состоянием, и функция, описывающая сигнал с элемента Холла,пропорциональна . При небольших углах отклонения 30, сигнал в достаточной мере линеен и может использоваться без процессорной обработки или дополнительно им лианеризован. Механический ограничитель 16 осевого перемещения опорной ножной платформы может быть установлен на любой угол поворота до 45, что вполне достаточно для акселерометра. После прекращения воздействия силына 1 опорная ножная платформа возвращается в исходное положение, задаваемое упором 17, благодаря силовому воздействию кольцевых магнитов. Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства следующей совокупности условий средство, воплощающее заявленную полезную модель, при ее осуществлении, относится к автомобильному электронному приборостроению и может быть использовано в 5 48002008.10.30 электронных системах управления автомобилем, преимущественно для определения степени нажатия педали акселератора для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в ниже изложенной формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов. Следовательно, заявляемое устройство соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Кроме того, решена задача значительного повышения надежности и долговечности функционирования электронной педали с использованием небольших масс постоянных магнитов. Технический результат обуславливается отказом от использования в устройстве каких либо перемещающихся упругих элементов или пружин, а вместо них используется силовое взаимодействие близко расположенных магнитов. Причем в устройстве электронной педали сохранены все функции педали, содержащей упругие элементы или пружины, например функция подпружинивания педали в исходном состоянии, но она осуществляется за счет силового воздействия магнитов, а все устройство в целом не содержит перемещающихся упругих элементов. Все необходимые функции педали обеспечиваются силовым взаимодействием магнитов. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6