Бесступенчатая гидродифференциальная передача

 

Использование: в автомобилестроении. Сущность изобретения: бесступенчатая гидродифференциальная передача содержит две гидромашины (ГМ). Блок цилиндров регулируемой ГМ неподвижно закреплен в корпусе и установлен на входном валу по меньшей мере на двух подшипниках. Блок цилиндров нерегулируемой ГМ установлен на входном валу по меньшей мере на одном подшипнике с возможностью наклона и перемещения вдоль оси вращения входного вала. Распределительный узел выполнен в виде плоского диска, установлен на входном валу с возможностью наклона и перемещения вдоль оси вращения входного вала. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области автомобилестроения, а более конкретно касается бесступенчатой гидродифференциальной передачи.

Данное изобретение может быть использовано в трансмиссии автомобиля вместо механической или гидромеханической коробки передач, для плавного изменения или для поддержания постоянной скорости вращения в различных механизмах, например в приводе станков, в дорожной, строительной технике, в трансмиссиях тепловодов, в приводе вспомогательного авиационного оборудования.

Известна бесступенчатая гидродифференциальная передача (Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика. М. Машиностроение, 1971, с.295-299), содержащая регулируемую и нерегулируемую аксиально-поршневые гидромашины. Блоки цилиндров обеих гидромашин соединены друг с другом и через средний диск трехдискового распределительного узла соединены с входным валом. Регулируемая наклонная шайба соединена с неподвижным корпусом всего устройства. С корпусом также соединен один из дисков распределительного узла, а именно эксцентриковый диск, прилегающий к блоку цилиндров регулируемой гидромашины. Нерегулируемая наклонная шайба соединена с выходным валом, с которым соединен эксцентриковый диск, прилегающий к блоку цилиндров нерегулируемой гидромашины.

Работает данная гидродифференциальная передача следующим образом. При вращении входного вала начинают вращаться соединенные с ним блоки цилиндров обеих гидромашин и распределительный узел. Если выходной вал остановлен и рабочие объемы обеих гидромашин равны, а плоскости обеих наклонных шайб параллельны, то наблюдается режим холостого хода или нейтральное положение. При этом наклонная шайба регулируемой гидромашины неподвижна, так как соединена с корпусом. Наклонная шайба нерегулируемой гидромашины тоже неподвижна (автомобиль стоит на месте). Обе гидромашины работают в качестве насосов (блоки цилиндров вращаются и двигают поршни) и перекачивают друг в друга жидкость. Поскольку объемы равны, то каждая гидромашина потребляет столько жидкости, сколько подает сама. Если уменьшить наклон шайбы и уменьшить тем самым рабочий объем регулируемой гидромашины, то при той же скорости вращения входного вала количество потребляемой и подаваемой жидкости уменьшается. Нерегулируемая гидромашина вынуждена тоже уменьшить подачу, а поскольку ее объем не изменился и входной вал вращается с прежней скоростью, то наклонная шайба нерегулируемой гидромашины для уменьшения подачи жидкости начинает вращаться в сторону вращения входного вала, при этом разница в скорости вращения будет такова, что количество подачи жидкости нерегулируемой гидромашиной будет равно количеству подаваемой жидкости регулируемой гидромашиной.

Вертикальное положение наклонной шайбы соответствует нулевому рабочему объему и нулевой подачи жидкости. Нерегулируемая гидромашина должна в этом случае тоже иметь нулевую подачу, а это возможно только при вращении наклонной шайбы нерегулируемой гидромашины со скоростью вращения входного вала, то есть когда наклонная шайба и блок цилиндров нерегулируемой гидромашины относительно друг друга не вращаются. Для того чтобы остановить выходной вал необходимо наклонную шайбу привести в положение, когда плоскости наклона обеих шайб будут параллельны, то есть в нейтральное положение.

В данной гидродифференциальной передаче имеют место большие потери, связанные с утечками рабочей жидкости в распределительном узле, большие потери на трение, так как распределительный узел имеет четыре трущиеся пары. При этом возникает большое гидравлическое сопротивление, связанное с тем, что при прохождении жидкости через трехдисковый распределительный узел несколько раз изменяется направление движения жидкости.

Известна бесступенчатая гидродифференциальная передача (патент Великобритании N 1117785), содержащая две аксиально-поршневые гидромашины - регулируемую и нерегулируемую. Наклонные шайбы обеих гидромашин и сферический распределительный узел жидкости соединены с входным валом и вращаются вместе с ним. Блок цилиндров регулируемой гидромашины соединен с корпусом и не вращается. Блок цилиндров нерегулируемой машины соединен с выходным валом и вращается вместе с ним. Наклонная шайба регулируемой гидромашины через тягу соединена с вилкой рычага управления.

Данная гидродифференциальная передача при использовании ее, например, в автомобиле работает следующим образом. Сначала устанавливается рычаг управления в нейтральное положение, при этом рабочие объемы обеих гидромашин должны быть равны, а плоскости наклонных шайб параллельны. Затем включают двигатель, входной вал начинает вращаться. Для движения вперед необходимо при помощи рычага управления уменьшить угол наклона шайбы регулируемой гидромашины и тем самым уменьшить ее рабочий объем. При достижении нулевого наклона данной шайбы, а соответственно нулевого рабочего объема, получается эффект гидрозамка и имеет место отсутствие изменения крутящего момента, то есть прямая передача. При прохождении вертикального положения и наклона шайбы регулируемой гидромашины в другую сторону выходной вал начинает вращаться быстрее входного. Для получения заднего хода необходимо из нейтрального положения при помощи рычага управления увеличить угол наклона шайбы регулируемой гидромашины, чтобы рабочий объем регулируемой гидромашины стал больше рабочего объема нерегулируемой гидромашины. В данной бесступенчатой гидродифференциальной передаче имеет место наличие изменения направления потока жидкости при движении через распределительный узел и достаточно большие потери на трение в распределительном узле.

В основу изобретения положена задача создания бесступенчатой гидродифференциальной передачи с таким конструктивным ее выполнением, которое позволило бы за счет уменьшения прижимного усилия трущихся поверхностей в распределительном узле, достигаемого путем взаимного уравновешивания или компенсации сил, направленных на разворот блоков цилиндров обеих гидромашин в направлении, перпендикулярном оси вращения входного вала, и способствующих возникновению гидродинамического клина между трущимися поверхностями, а также за счет отсутствия изменения направления движения жидкости в распределительном узле, уменьшить потери на трение в распределительном узле и уменьшить гидравлическое сопротивление при движении жидкости через распределительный узел.

Поставленная задача решается тем, что в бесступенчатой гидродифференциальной передаче, содержащей регулируемую аксиально-поршневую гидромашину и нерегулируемую аксиально-поршневую гидромашину, блок цилиндров регулируемой аксиально-поршневой гидромашины неподвижно закреплен в корпусе и установлен на входном валу, а наклонная шайба регулируемой аксиально-поршневой гидромашины установлена на входном валу с возможностью изменения угла наклона относительно оси вращения входного вала и синхронного вращения вместе с ним, причем блок цилиндров нерегулируемой аксиально-поршневой гидромашины установлен на входном валу и соединен с выходным валом, а наклонная шайба нерегулируемой аксиально-поршневой гидромашины закреплена на входном валу с возможностью синхронного вращения с ним, распределительный узел, расположенный между блоками цилиндров аксиально-поршневых гидромашин и установленный на входном валу о возможностью вращения вместе с ним, согласно изобретению, блок цилиндров регулируемой аксиально-поршневой гидромашины установлен на входном валу по меньшей мере на двух подшипниках, жестко закрепленных на входном валу и внутри блока цилиндров регулируемой аксиально-поршневой гидромашины, а распределительный узел, выполненный в виде плоского диска, установлен на входном валу с возможностью наклона и перемещения вдоль оси вращения входного вала, при этом блок цилиндров нерегулируемой аксиально-поршневой гидромашины установлен на входном валу по меньшей мере на одном подшипнике с возможностью наклона и перемещения вдоль оси вращения входного вала.

Соответствующая установка на входном валу блоков цилиндров гидромашин и данное выполнение распределительного узла позволяет уменьшить сопротивление движению жидкости.

Уменьшение потерь на трение в распределительном узле достигается за счет уравновешивания баланса сил, действующих на трущиеся поверхности и уменьшения вследствие этого необходимого прижимного усилия в распределительном узле.

Целесообразно, чтобы бесступенчатая гидродифференциальная передача содержала блок толкателей, установленный на входном валу по меньшей мере на двух подшипниках, жестко закрепленных на входном валу и внутри блока толкателей, установленного на входном валу с возможностью синхронного вращения с блоком цилиндров нерегулируемой аксиально-поршневой гидромашины и соединенного с выходным валом, при этом каждый толкатель установлен соосно с соответствующим цилиндром блока цилиндров нерегулируемой аксиально-поршневой гидромашины.

Наличие блока толкателей и соответствующая его установка позволяют разгрузить блок цилиндров нерегулируемой аксиально-поршневой гидромашины от воздействия боковых сил, возникающих в результате давления поршней на наклонную шайбу, нерегулируемой аксиально-поршневой гидромашины, что в свою очередь позволяет уменьшить величину необходимого прижимного усилия в распределительном узле и таким образом уменьшить потери на трение в распределительном узле.

Данное изобретение позволяет значительно снизить требования к точности изготовления распределительного узла без снижения его надежности, без увеличения утечек жидкости и без увеличения потерь на трение.

Также данное изобретение позволяет повысить коэффициент полезного действия по сравнению с известными бесступенчатыми гидродифференциальными передачами.

Данная бесступенчатая гидродифференциальная передача в трансмиссии автомобиля позволяет обеспечить работу двигателя в наиболее экономичном режиме, что уменьшает расход топлива и соответственно сокращает выброс вредных веществ в атмосферу. В то же самое время данная бесступенчатая гидродифференциальная передача позволяет наиболее полно использовать мощность двигателя и улучшать динамику автомобиля. Отсутствие необходимости переключения передач улучшает плавность движения и облегчает работу водителя.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным примером выполнения и чертежами, на которых: фиг. 1 изображает бесступенчатую гидродифференциальную передачу, продольный разрез; фиг. 2 изображает разрез А-А на фиг. 1 распределительного узла, согласно изобретению; фиг. 3 изображает басступенчатую гидродифференциальную передачу с блоком толкателей, продольный разрез.

Бесступенчатая гидродифференциальная передача содержит регулируемую аксиально-поршневую гидромашину 1 (фиг. 1) и нерегулируемую аксиально-поршневую гидромашину 2. Регулируемая аксиально-поршневая гидромашина 1 содержит блок 3 цилиндров, неподвижно закрепленный в корпусе 4 и установленный на входном валу 5 по меньшей мере на двух подшипниках 6. Подшипники 6 жестко закреплены на входном валу 5 и внутри блока 3 цилиндров регулируемой гидромашины 1. Внутри блока 3 цилиндров расположены цилиндры 7 с поршнями 8. Регулируемая гидромашина 1 содержит также наклонную шайбу 9, соединенную посредством оси 10 с входным валом 5 с возможностью изменения угла наклона относительно оси 11 вращения входного вала 5 и возможностью синхронного вращения вместе с ним. Наклонная шайба 9 через упорный подшипник 12 контактирует с поршнями 8. Распределительный узел 13 выполнен в виде плоского диска и установлен на входном валу 5 посредством шлицевого соединения 14 со свободной посадкой с возможностью наклона и перемещения вдоль оси 11 вращения входного вала 5 и синхронного вращения вместе с ним. Распределительный узел 13 может быть установлен на входном валу 5 также при помощи шпоночного соединения (на фигуре не показано). Распределительный узел 13 расположен между блоком 3 цилиндров регулируемой гидромашины 1 и блоком 15 цилиндров нерегулируемой гидромашины 2. Блок 15 цилиндров установлен на входном валу 5 по меньшей мере на одном подшипнике 16 с возможностью наклона и перемещения вдоль оси 11 вращения входного вала 5. Точное место установки подшипника 16 может быть определено путем расчета и анализа боковых и продольных сил, возникающих при работе гидродифференциальной передачи. Блок 15 цилиндров соединен с выходным валом 17 при помощи шлицевого соединения 18 со свободной посадкой. Блок 15 цилиндров содержит цилиндры 19 с поршнями 20. Блок 15 цилиндров может быть соединен с выходным валом 17 также при помощи шпоночного соединения (на фигуре не показано).

Нерегулируемая гидромашина 2 содержит также наклонную шайбу 21, закрепленную на входном валу 5 с возможностью синхронного вращения вместе с ним. Наклонная шайба 21 контактирует с поршнями 20 через упорный подшипник 22.

В данном примере наклонная шайба 21 выполнена за одно целое с входным валом 5. Выходной вал 17 установлен на входном валу 5 при помощи подшипника 24. Входной вал 5 установлен внутри корпуса 4 при помощи подшипника 25.

На фиг. 2 изображен разрез распределительного узла 13. Распределительный узел 13 выполнен в виде плоского диска, в котором выполнено два серпообразных окна 26, 27, расположенных напротив рабочих цилиндров 19. При этом рабочие цилиндры 19 поочередно соединяются с серпообразными окнами 26, 27 при своем круговом движении. Геометрические формы распределительного узла 13 выбираются так, чтобы окна 28, через которые происходит вытеснение жидкости из цилиндров 19, герметично отделялись от окон 29, через которые происходит всасывание жидкости в цилиндры 19, и чтобы было обеспечено некоторое заданное превышение усилия, прижимающего блоки 3, 15, цилиндров к распределительному узлу 13, над отжимающими силами. Прижимающая сила появляется за счет того, что площадь донышек 30 цилиндров 19, нагнетающих жидкость и находящихся под давлением жидкости, больше площади перемычек 31 между этими цилиндрами 19, находящихся в площади соединенного с ними серпообразного окна 26 и испытывающих такое же давление жидкости.

На фиг. 3 представлена бесступенчатая гидродифференциальная передача, конструкция которой аналогична конструкции бесступенчатой гидродифференциальной передачи, изображенной на фиг. 1. Отличие заключается лишь в том, что бесступенчатая гидродифференциальная передача, изображенная на фиг. 3, имеет блок 32 (фиг. 3) толкателей, установленный на входном валу 5 по меньшей мере на двух подшипниках 33. Подшипники 33 жестко закреплены на входном валу 5 и внутри блока 32 толкателей. Блок 32 толкателей установлен на входном валу 5 с возможностью синхронного вращения с блоком 15 цилиндров нерегулируемой аксиально-поршневой гидромашины. Блок 32 толкателей соединен с блоком 15 цилиндров при помощи шлицевой муфты 34. Возможно соединение блока 32 с блоком 15 при помощи установочных штифтов (на фигуре не показано). При этом блок 15 цилиндров имеет возможность наклона и перемещения вдоль оси 11 вращения входного вала 5. Блок 32 толкателей соединен с выходным валом 17 при помощи шлицевого соединения 35. Количество толкателей 36 блока 32 соответствует количеству цилиндров 19 блока 15. Каждый толкатель 36 установлен соосно с соответствующим цилиндром 19 блока 15 нерегулируемой аксиально-поршневой гидромашины.

Бесступенчатая гидродифференциальная передача работает следующим образом.

При вращении входного вала 5 начинают вращаться расположенные на нем наклонные шайбы 9, 21 обеих гидромашин 1, 2 и распределительный узел 13. Если выходной вал 17 остановлен и рабочие объемы обеих гидромашин 1, 2 равны, а плоскости обеих наклонных шайб 9, 21 параллельны, то наблюдается режим холостого хода или нейтральное положение. При этом блок 3 цилиндров регулируемой гидромашины 1 неподвижен, так как соединен с корпусом 4. Блок 15 цилиндров нерегулируемой гидромашины 2 тоже неподвижен. Обе гидромашины 1, 2 работают в качестве насосов (наклонные шайбы 9, 21 вращаются и двигают поршни 8, 20) и перекачивают друг в друга жидкость. Поскольку рабочие объемы равны, то каждая гидромашина 1, 2 получает столько жидкости, сколько подает сама. Если уменьшить наклон шайбы 9 и уменьшить тем самым рабочий объем гидромашины 1, то при той же скорости вращения входного вала 5 количество потребляемой и подаваемой жидкости уменьшается. Гидромашина 2 тоже уменьшает подачу, а так как ее объем не изменился, то блок 15 цилиндров для уменьшения подачи жидкости начинает вращаться в сторону вращения входного вала 5, при этом разница в скорости вращения такова, что количество подаваемой жидкости гидромашины 2 будет равно количеству подаваемой жидкости гидромашиной 1. Вертикальное положение шайбы 9 соответствует нулевому рабочему объему и нулевой подаче жидкости. Гидромашина 2 должна в этом случае тоже иметь нулевую подачу, а это возможно при вращении блока 15 цилиндров машины 2 со скоростью вращения входного вала 5, то есть, когда наклонная шайба 21 и блок 15 цилиндров относительно друг друга не вращаются.

При переходе на ускоряющий режим работы наклон шайбы 9 должен быть противоположным наклону шайбы 21. Всасывающая магистраль регулируемой гидромашины 1 в этом режиме становится нагнетательной магистралью, при этом нерегулируемая гидромашина 2 вынуждена выполнять функцию гидромотора, а ее блок 15 цилиндров начинает обгонять входной вал 5 со скоростью, необходимой для пропускания через себя получаемого от регулируемой гидромашины 1 количества (объема) жидкости. Чтобы остановить выходной вал 17 необходимо шайбу 9 привести в положение, когда плоскости наклона шайб 9, 21 будут параллельны.

Для получения заднего хода необходимо увеличить наклон шайбы 9 и тем самым увеличить рабочий объем регулируемой гидромашины 1. Нерегулируемая гидромашина 2 вынуждена пропускать через себя большее количество жидкости (больший объем). При этом ее блок 15 цилиндров начинает вращаться в обратную сторону, так как вынужден иметь относительно входного вала 5 большую скорость вращения, чем скорость, с которой входной вал 5 вращается относительно неподвижного блока 3 цилиндров регулируемой гидромашины 1.

При этом следует отметить, что при работе аксиально-поршневых гидромашин 2 в результате давления поршней 20 на упорный подшипник 22 наклонной шайбы 21 в точке контакта каждого поршня 20 с упорным подшипником 22 возникает боковая сила, нормальная к плоскости наклонной шайбы 21. Поскольку точка контакта поршня 20 с упорным подшипником 22 смещена от оси поршня 20 на определенную величину, то вектор равнодействующей силы начинается в точке, смещенной от оси 11 вращения входного вала 5 на эту же величину. Для того, чтобы не возникал разворачивающий момент необходимо, чтобы пересечение вектора с осью 11 вращения входного вала 5 происходило в точке, расположенной в центральной плоскости подшипника 16. В зависимости от изменения угла наклона наклонной шайбы 9 гидромашины точка пересечения вектора с осью 11 вращения входного вала 5 меняет свое положение и для компенсации разворачивающего момента необходима жесткая установка блока 3 цилиндров на двух подшипниках 6.

Работа бесступенчатой гидродифференциальной передачи, изображенной на фиг. 3, аналогична работе бесступенчатой гидродифференциальной передачи, изображенной на фиг. 1. Отличие заключается лишь в том, что при работе аксиально-поршневой гидромашины 2 равнодействующая сила воспринимается блоком 32 толкателей, что приводит к разгрузке подшипника 16 от действия данной равнодействующей силы.

Формула изобретения

1. Бесступенчатая гидродифференциальная передача, содержащая регулируемую аксиально-поршневую гидромашину и нерегулируемую аксиально-поршневую гидромашину, при этом блок цилиндров регулируемой аксиально-поршневой гидромашины неподвижно закреплен в корпусе и установлен на входном валу, а наклонная шайба регулируемой аксиально-поршневой гидромашины установлена на входном валу с возможностью изменения угла наклона относительно оси вращения входного вала и синхронного вращения вместе с ним, причем блок цилиндров нерегулируемой аксиально-поршневой гидромашины установлен на входном валу и соединен с выходным валом, а наклонная шайба нерегулируемой аксиально-поршневой гидромашины закреплена на входном валу с возможностью синхронного вращения с ним, распределительный узел, расположенный между блоками цилиндров аксиально-поршневых гидромашины и установленный на входном валу с возможностью синхронного вращения вместе с ним, отличающаяся тем, что блок цилиндров регулируемой аксиально-поршневой гидромашины установлен на входном валу по меньшей мере на двух подшипниках, жестко закрепленных на входном валу и внутри блока цилиндров регулируемой аксиально-поршневой гидромашины, а распределительный узел, выполненный в виде плоского диска, установлен на входном валу с возможностью наклона и перемещения вдоль оси вращения входного вала, при этом блок цилиндров нерегулируемой аксиально-поршневой гидромашины установлен на входном валу по меньшей мере на одном подшипнике с возможностью наклона и перемещения вдоль оси вращения входного вала.

2. Передача по п.1, отличающаяся тем, что она содержит блок толкателей, установленный на входном валу по меньшей мере на двух подшипниках, жестко закрепленных на входном валу и внутри блока толкателей, установленного на входном валу с возможностью синхронного вращения с блоком цилиндров нерегулируемой аксиально-поршневой гидромашины и соединенного с выходным валом, при этом каждый толкатель установлен соосно с соответствующим цилиндром блока цилиндров нерегулируемой аксиально-поршневой гидромашины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3