Шестеренная гидромашина
Изобретение относится к устройствам машиностроительной гидравлики. В цилиндрических расточках корпуса размещены с образованием полостей высокого и низкого давления шестерни внешнего зацепления. По одну сторону шестерен цапфы установлены в подшипниках скольжения, выполненных в виде подшипниковых уплотнительных втулок, сопряженных между собой по плоскостям и установленных с возможностью осевого перемещения. По другую сторону шестерен подшипники выполнены в виде зафиксированных в корпусе тонкостенных антифрикционных втулок. На цилиндрических проточках подвижно в осевом направлении установлены снабженные уплотнениями кольцевые втулки-упоры. Проточки выполнены эксцентричными относительно плоскости симметрии гидромашины, которая проходит через продольные оси симметрии цапф шестерен. При этом проточки смещены в сторону полости низкого давления. Технической задачей изобретения является создание компактной конструкции шестеренной гидромашины с уменьшенными объемными и механическими потерями за счет рационального торцевого уплотнения шестерен и повышение степени локализации зоны воздействия высокого давления на внутренние полости. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к устройствам машиностроительной гидравлики.
Известна шестеренная гидромашина, содержащая корпус с задней и передней торцевыми крышками. В цилиндрических расточках корпуса установлены шестерни внешнего зацепления с цапфами, сопряженные с шестернями компенсаторы и камера поджима. Последняя, с нерабочей стороны одного из компенсаторов, выполнена в виде системы кольцевых пазов, концентричных отверстиям под цапфы шестерен. Каналы в торцевых крышках соединяют попарно друг с другом полости, образованные расточками в торцевых крышках под цапфы и торцевыми поверхностями цапф, входной и выходной каналы в задней торцевой крышке (SU 1656164 А1, 15.06.1991, F04C 2/14).
Недостатком известной гидромашины является ее достаточно сложная конструкция, а также большая площадь внутренней полости, которая находится под действием высокого давления рабочей жидкости. Это приводит к выдавливанию и разрушению уплотнений, а также может привести к разрушению корпуса.
Известна также шестеренная гидромашина, содержащая корпус, в цилиндрических расточках которого размещены с образованием полостей высокого и низкого давления шестерни внешнего зацепления с цапфами, установленными в подшипниках скольжения. Последние выполнены в виде подшипниковых уплотнительных втулок, расположенных с обеих сторон шестерен и сопряженных одна с другой по плоскостям. Подшипниковые уплотнительные втулки, расположенные с одной стороны от торцов шестерен, установлены с возможностью осевого перемещения и поджимания их рабочих торцов к торцам шестерен давлением рабочей жидкости, подведенной из полости высокого давления. Подвижные в осевом направлении подшипниковые уплотнительные втулки выполнены составными таким образом, что на внешних цилиндрических посадочных поверхностях каждой из них, со стороны, противоположной их рабочим торцам, выполнены цилиндрические проточки. На последних своими внутренними цилиндрическими посадочными поверхностями и в цилиндрических расточках корпуса своими внешними посадочными поверхностями также с возможностью осевого перемещения установлены кольцевые втулки-упоры, сопряженные одна с другой по плоскостям, совпадающим с плоскостями сопряжения втулок, с образованием в стыке между нерабочими торцами подвижных втулок и соответствующими торцами кольцевых втулок-упоров камеры поджима, сообщенной с полостью высокого давления. Кольцевые втулки-упоры по внутренним и внешним, а также подвижные и неподвижные подшипниковые втулки по внешним цилиндрическим посадочным поверхностям снабжены уплотнениями, а на внешних цилиндрических посадочных поверхностях неподвижных подшипниковых уплотнительных втулок со стороны, обратной размещению шестерен, перед уплотнениями выполнены разгрузочные канавки, сообщенные с полостью низкого давления (UA 74118 С2, 15.10.2005, F04C 2/04).
Последнее техническое решение является наиболее близким к заявляемому по технической сущности и признакам и принято в качестве прототипа. Однако и оно не лишено недостатков. В частности, установка цапф шестерен в подшипниковых уплотнительных втулках с обеих сторон шестерен увеличивает габаритные размеры, а значительная часть внутренних поверхностей корпуса подвержена воздействию высокого давления рабочей жидкости, что вынуждает упрочнять корпус в целях предупреждения его разрушения.
Кроме того, у всех известных шестеренных гидромашин в зонах торцовых зазоров шестерен действует давление, снижающееся по определенному закону по мере удаления от полости высокого давления от максимального значения, равного давлению жидкости в полости нагнетания, до давления рабочей жидкости в полости всасывания (низкого давления). Поэтому симметричное поджатие подшипниковых уплотнительных втулок к торцам шестерен вызывает несимметричную их удельную нагрузку и перекос подшипниковых уплотнительных втулок, что приводит к потере объемной подачи насоса и преждевременному износу подшипников скольжения (Т.М.Башта. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем. Москва, «Машиностроение», 1974 г., стр.325, Т.М.Башта. Машиностроительная гидравлика. Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, Москва, 1963 г., стр.231).
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является устранение описанных недостатков, а именно: создание более компактной конструкции шестеренной гидромашины с малыми объемными и механическими потерями за счет рационального торцевого уплотнения шестерен и дальнейшего повышения степени локализацией зоны воздействия высокого давления на внутренние полости.
Поставленная задача достигается в шестеренной гидромашине, содержащей крышку и корпус, в цилиндрических расточках которого размещены, с образованием полостей высокого и низкого давления, шестерни внешнего зацепления с цапфами, установленными в подшипниках скольжения, причем последние, расположенные по одну сторону шестерен, выполнены в виде подшипниковых уплотнительных втулок, сопряженных между собою по плоскостям и установленных с возможностью осевого перемещения, а подшипники скольжения, расположенные по другую сторону шестерен, выполнены в виде зафиксированных в корпусе антифрикционных втулок, причем в подшипниковых уплотнительных втулках со стороны, противоположной торцам шестерен, на внешних посадочных поверхностях выполнены цилиндрические проточки, на которых подвижно в осевом направлении установлены снабженные уплотнениями кольцевые втулки-упоры, также сопряженные друг с другом по плоскостям, образуя между соответствующими торцами подшипниковых уплотнительных втулок и соответствующими торцами кольцевых втулок-упоров камер поджима, сообщенных с полостью высокого давления.
В соответствии с изобретением цилиндрические проточки подшипниковых уплотнительных втулок выполнены эксцентричными по отношению к плоскости симметрии гидромашины, проходящей через продольные оси симметрии цапф шестерен, и смещены в сторону полости низкого давления.
Благодаря эксцентричному расположению подшипниковых уплотнительных втулок точки приложения равнодействующих сил от воздействия давления рабочей жидкости на торцы проточек этих втулок будут тоже смещены в сторону расположения полости низкого давления в корпусе машины. Это позволяет оптимизировать зазоры между торцами шестерен и тем самым минимизировать утечки рабочей жидкости, а также ограничить, по сравнению с прототипом, величину внутренней поверхности гидромашины, которая находится под действием высокого давления.
При этом целесообразно эксцентричные смещения цилиндрических проточек подшипниковых уплотнительных втулок выполнить одинаковыми и расположить их симметрично друг относительно друга вдоль поперечных осей цапф шестерен.
Кроме того, для дальнейшего повышения степени герметизации стыков в торцах шестерен, в цилиндрических расточках корпуса, с возможностью перемещения вдоль них, с примыканием к торцам шестерен своей рабочей поверхностью, по меньшей мере с одной их стороны, и с опиранием на дно цилиндрических расточек корпуса, установлена восьмеркообразная пластина из антифрикционного материала, с отверстиями под цапфы.
Кроме того, внутренний торец крышки снабжен дополнительными, смещенными в сторону полости низкого давления, аналогично цилиндрическим проточкам подшипниковых уплотнительных втулок, цилиндрическими выточками, в которых с возможностью продольного перемещения на эксцентричных цилиндрических проточках подшипниковых уплотнительных втулок установлены втулки-упоры. Это способствует смещению действия равнодействующих сил гидравлического поджима от втулок-упоров через подшипниковые уплотнительные втулки в сторону полости низкого давления и, тем самым, дальнейшей оптимизации зазоров между торцами шестерен. В свою очередь, это позволяет еще больше минимизировать утечки рабочей жидкости и величину внутренней поверхности гидромашины, на которую действует высокое давление рабочей жидкости.
Для улучшения условий работы втулок-упоров, в частности ликвидации возможности их приклинивания и дальнейшего повышения степени герметичности, торец каждой подшипниковой уплотнительной втулки со стороны цилиндрической проточки под втулку-упор снабжен сообщающейся с полостью высокого давления торцевой канавкой, внутренний диаметр которой совпадает с диаметром цилиндрической проточки, а наружный - превышает диаметр канавки под открытое торцовое, выполненное в виде кольца из эластомерного материала и защитной прокладки уплотнение втулки-упора, причем в упомянутую торцевую канавку установлено с возможностью продольного перемещения конусное металлическое кольцо, основание которого перекрывает канавку под уплотнение втулки-упора.
Кроме того, на обратной торцам шестерен стороне восьмеркообразной пластины вокруг отверстий под цапфы выполнены кольцевые дренажные канавки, сообщающиеся пазами с отверстиями под цапфы и с полостью низкого давления гидромашины, ширина которых составляет (0,2-0,5)H, где Н - высота зуба шестерен, а глубина - (0,2-0,8) мм.
Изобретение поясняется чертежами, где на: фиг.1 показан продольный разрез шестеренной гидромашины; фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1; фиг.4 - модификация машины с выточками для втулок-упоров, выполненных на внутреннем торце крышки, продольный разрез; фиг.5 - разрез В-В на фиг.4.
Шестеренная гидромашина содержит корпус 1 и крышку 2. В цилиндрических расточках 3 корпуса 1 размещены ведущая 4 и ведомая 5 шестерни внешнего зацепления. Цапфы 6 и 7 последних установлены в подшипниках скольжения, причем цапфы, расположенные по одну сторону шестерен 4 и 5, например, со стороны крышки 2, выполнены в виде сопряженных между собой по плоскостям 8 и 9 подшипниковых уплотнительных втулок 10 и 11. Последние установлены с возможностью осевого перемещения как вдоль цапф 6 и 7, так и в цилиндрических расточках 3 корпуса 1.
На противоположных шестерням 4 и 5 торцах 12 и 13 подшипниковых уплотнительных втулок 10 и 11 выполнены цилиндрические проточки 14 и 15. Шестерни 4 и 5 установлены в цилиндрических расточках 3 корпуса 1 таким образом, что образуют полости высокого 16 и низкого 17 давления рабочей жидкости.
На цилиндрических проточках 14 и 15, также с возможностью осевого перемещения вдоль ним под действием давления рабочей жидкости, которая поступает по каналам 18 из полости высокого 16 давления, установлены втулки-упоры 19, которые сопрягаются друг с другом по плоскостям 20 и 21. Втулки-упоры 19 снабжены уплотнениями поверхностей проточек 14 и 15. Уплотнения могут состоять из уплотнительных 22 и защитных 23 колец, установленных в канавках 24 или соответствующих манжет (не показаны). Кольца 22 могут быть выполнены из эластомерного материала, например резины, а защитные кольца 23 - из пластмассы, например тефлона.
Подшипники скольжения цапф 6 и 7 шестерен 4 и 5, расположенные по другую сторону шестерен, например со стороны корпуса 1, выполнены в виде неподвижно закрепленных, например путем запрессовывания, в отверстиях 25 и 26 корпуса 1 тонкостенных втулок 27, 28 из антифрикционного материала.
Со стороны втулок 27, 28 между дном цилиндрических расточек 3 корпуса 1 и торцами шестерен 4 и 5, примыкая к их торцам рабочей поверхностью 29, установлена восьмеркообразная пластина 30 с отверстиями 31 под цапфы 6 и 7 шестерен 4 и 5, изготовленная из антифрикционного материала. Гидромашина может иметь две восьмеркообразные пластины 30 по обоим торцам шестерен. При этом одна из пластин 30 будет установлена на дно 32 цилиндрических расточек 3 корпуса 1, а другая будет поджиматься торцами подшипниковых уплотнительных втулок 10 и 11 к торцам шестерен 4 и 5.
Цилиндрические проточки 14, 15 подшипниковых уплотнительных втулок 10, 11, на которых установлены втулки-упоры 19, выполнены эксцентричными по отношению к продольной плоскости симметрии гидромашины, которая проходит через продольные оси симметрии цапф 6, 7, и смещены в сторону полости низкого 17 давления. Упомянутые эксцентричные смещения цилиндрических проточек 14, 15 подшипниковых уплотнительных втулок 10, 11 могут быть выполнены одинаковыми, например, в пределах от 1 до 5 мм для шестеренных гидромашин с рабочими объемами до 50 см3/об. и располагаться симметрично друг относительно друга вдоль поперечных осей цапф 6, 7 шестерен 4, 5. Выполнение цилиндрических проточек 14 и 15 эксцентрично относительно продольной плоскости симметрии гидромашины позволяет сместить направление воздействия равнодействующих усилий гидравлического поджима от втулок-упоров 19 через подшипниковые уплотнительные втулки 10 и 11 ближе к полости низкого 17 давления рабочей жидкости корпуса 1 и, таким образом, оптимизировать зазоры между торцами шестерен. Это содействует минимизации утечек рабочей жидкости, а также ограничению, по сравнению с прототипом, величины внутренней поверхности гидромашины от воздействия высокого давления рабочей жидкости.
Торец 33 каждой подшипниковой уплотнительной втулки 10 и 11 со стороны втулки-упора 19 снабжен торцевой канавкой 34, которая каналами 18 связана с полостью высокого давления 16 гидромашины. Величина внутреннего диаметра торцевой канавки 34 совпадает с диаметром цилиндрических проточек 14, 15, а ее наружного диаметра превышает величину диаметра канавки 24 под уплотнение втулки-упора 19. В торцевую канавку 34 установлено конусное металлическое кольцо 35 с поперечным сечением в виде прямоугольного треугольника. Основание 36 конусного металлического кольца 35 перекрывает канавку 24 под уплотнение втулки-упора 19.
На нерабочей поверхности 37 восьмеркообразной пластины 30, вокруг отверстий 31 под цапфы 6, 7 выполнены кольцевые дренажные канавки 38, сообщающиеся пазами 39 с отверстиями 31 под цапфы 6, 7 и с полостью низкого 17 давления гидромашины.
Глубина кольцевых дренажных канавок 38 и пазов 39 может составлять 0,2...0,8 мм, а их ширина выбирается известными методами, исходя из типоразмера шестеренной гидромашины и величины утечек.
В показанной на фигуре 4 модификации шестеренной гидромашины внутренний торец 40 крышки 2 может быть снабжен дополнительными цилиндрическими выточками 41, которые смещены в сторону полости низкого 17 давления аналогично цилиндрическим проточкам 14, 15 подшипниковых уплотнительных втулок 10, 11. В выточках 41 крышки 2 с возможностью перемещения вдоль них, на эксцентричных цилиндрических проточках 14, 15 подшипниковых уплотнительных втулок 10, 11 установлены упомянутые втулки-упоры 19.
Шестеренная гидромашина работает следующим образом. При ее использовании в качестве насоса вращением шестерен 4, 5 в межзубовых впадинах рабочая жидкость переносится из полости низкого 17 давления в полость высокого 16 давления. Из полости 16 через каналы 18 давление передается в торцевые канавки 34 под втулки-упоры 19.
Под действием давления рабочей жидкости втулки-упоры 19 и подшипниковые уплотнительные втулки 10, 11 разжимаются в противоположных направлениях. При этом втулки-упоры 19 поджимаются к торцу 40 крышки 2 или к дну цилиндрических выточек 41 крышки 2, а втулки 10, 11 своими торцами поджимаются или к восьмеркообразной пластине 30, которая, в свою очередь, поджимается к торцам шестерен 4, 5, герметизируя стыки между торцами шестерен 4, 5 и рабочими поверхностями 29 восьмеркообразных пластин 30, или непосредственно к торцам шестерен. Так как цилиндрические проточки 14, 15 втулок 10 и 11 выполнены эксцентрично по отношению к продольной плоскости симметрии гидромашины, то точки приложения равнодействующих сил от воздействия давления рабочей жидкости на торцы цилиндрических проточек 14, 15 подшипниковых уплотнительных втулок 10 и 11 будут также смещены в сторону расположения в корпусе 1 полости низкого 17 давления, что обеспечивает оптимизацию торцовых зазоров без каких-либо заеданий восьмеркообразных пластин 30. Для устранения разрушения уплотнительных 22 и защитных 23 колец уплотнений втулок-упоров 19, а также для устранения приклинивания последних в торцевые канавки 34 установлены конусные металлические кольца 35, которые под действием давления рабочей жидкости перемещаются по внутреннему диаметру торцовой канавки 34. Последние при этом своими основаниями 36 перекрывают канавки 24, а следовательно, уплотнительные 22 и защитные 23 кольца.
Наличие дренажных канавок 38 вокруг отверстий 31 под цапфы 6, 7 шестерен 4, 5, сообщающихся пазами 39 с отверстиями 31 и с полостью низкого давления 17, позволяет осуществить эффективный отвод утечек в полость низкого 17 давления рабочей жидкости.
Предложенная шестеренная гидромашина позволяет устранить приклинивание, неравномерный износ подшипниковых втулок и восьмеркообразных пластин, значительно уменьшить внутренние перетечки рабочей жидкости из полости высокого 16 давления в полость низкого 17 давления, осуществить эффективный отвод утечек рабочей жидкости при одновременном обеспечении длительной работы при высоких давлениях рабочей жидкости за счет большей, чем у прототипа, степени локализации зоны воздействия давления на внутренние полости корпуса. Проведенные испытания подтвердили высокую эффективность предложенной машины и достижение технического результата по всем упомянутым аспектам.
1. Шестеренная гидромашина, содержащая крышку и корпус, в цилиндрических расточках которого размещены, с образованием полостей высокого и низкого давления, шестерни внешнего зацепления с цапфами, установленными в подшипниках скольжения, причем последние, размещенные с одной стороны шестерен, выполнены в виде подшипниковых уплотнительных втулок, сопряженных между собой по плоскостям и установленных с возможностью осевого перемещения, а подшипники скольжения, размещенные с другой стороны шестерен, выполнены в виде зафиксированных в корпусе антифрикционных втулок, причем в подшипниковых уплотнительных втулках со стороны, противоположной торцам шестерен, на внешних посадочных поверхностях выполнены цилиндрические проточки, на которых подвижно в осевом направлении установлены снабженные уплотнениями кольцевые втулки-упоры, также сопряженные друг с другом по плоскостям, с образованием между соответствующими торцами подшипниковых уплотнительных втулок и соответствующими торцами кольцевых втулок-упоров камер поджима, сообщенных с полостью высокого давления, отличающаяся тем, что цилиндрические проточки подшипниковых уплотнительных втулок выполнены эксцентричными по отношению к плоскости симметрии гидромашины, проходящей через продольные оси симметрии цапф шестерен и смещены в сторону полости низкого давления.
2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что эксцентричные смещения цилиндрических проточек подшипниковых уплотнительных втулок выполнены одинаковыми и расположены симметрично относительно друг друга вдоль поперечных осей цапф шестерен.
3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что в цилиндрических расточках корпуса, с возможностью перемещения вдоль них, с примыканием к торцам шестерен своей рабочей поверхностью, по меньшей мере, с одной их стороны, и с опиранием на дно цилиндрических расточек корпуса, установлена восьмеркообразная пластина из антифрикционного материала с отверстиями под цапфы.
4. Машина по п.1, отличающаяся тем, что внутренний торец крышки снабжен дополнительными, смещенными в сторону полости низкого давления, аналогично цилиндрическим проточкам подшипниковых уплотнительных втулок, цилиндрическими выточками, в которых, с возможностью продольного перемещения на эксцентричных цилиндрических проточках подшипниковых уплотнительных втулок, установлены втулки-упоры.
5. Машина по п.1, отличающаяся тем, что торец каждой подшипниковой уплотнительной втулки со стороны цилиндрической проточки под втулку-упор снабжен сообщающейся с полостью высокого давления торцевой канавкой, внутренний диаметр которой совпадает с диаметром цилиндрической проточки, а наружный - превышает диаметр канавки под открытое торцевое, выполненное в виде кольца из эластомерного материала и защитной прокладки, уплотнение втулки-упора, причем в упомянутой торцевой канавке установлено с возможностью продольного перемещения конусное металлическое кольцо, основание которого перекрывает канавку под уплотнение втулки-упора.
6. Машина по п.3, отличающаяся тем, что на обратной торцам шестерен стороне восьмеркообразной пластины, вокруг отверстий под цапфы, выполнены кольцевые дренажные канавки, сообщающиеся пазами с отверстиями под цапфы и с полостью низкого давления гидромашины, ширина которых составляет (0,2-0,5)Н, где Н - высота зуба шестерен, а глубина - (0,2-0,8) мм.
