Гидравлический вариатор (варианты)

Изобретение относится к транспортному машиностроению и предназначено в основном для использования на автомобильном и другом транспорте. Гидравлический вариатор содержит регулируемый гидронасос и гидромотор, расположенные соосно друг другу и выполненные по схеме "качающаяся шайба" или "вращающаяся косая шайба". Цилиндры (15) гидронасоса и гидромотора расположены на одинаковом расстоянии от их общей оси. В автомобилях повышенной проходимости или в гусеничных машинах возможна работа гидронасоса на два или более гидромотора, в частности регулируемых, для управляемого распределения крутящего момента. Изобретение позволяет повысить КПД вариатора. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к трем классам: функционально - к вариаторам, по принципу действия - к обратимым пневмо-, гидромашинам и гидропередачам. И в то же время не соответствует ни одному из этих классов. Возможно оно образует новый подкласс вариаторов, поэтому формула изобретения не содержит ограничительной части, а только отличительную.

Известны гидропередачи, состоящие из гидронасоса, в частности регулируемого, и гидромотора, соединенных трубопроводами с запорными и коммуникационными элементами. Например, по патенту России №2052359 - аналог, или патенту №2098292 - прототип.

Их недостатками являются сравнительно низкий кпд и небольшой ресурс.

В современных условиях с изобретением механизма "качающейся шайбы", синтетических смазочных жидкостей, обладающих малым внутренним трением и высокой смазывающей свособностью, добавок - модификаторов трения, добавок, повышающих герметичность (микротефлон, высокомолекулярные цепочки, фуллерены), а также износостойких материалов и покрытий появилась возможность создать гидропередачу, приближающуюся по кпд и ресурсу к традиционным зубчатым коробкам передач. Особенно при отсутствии соединительных трубопроводов, коммуникационных элементов и специальных мерах по уменьшению местных гидродинамических сопротивлений (клапаны, золотники). Последнее и является сущностью данного изобретения.

А именно: регулируемый гидронасос и гидромотор выполнены по схеме "качающаяся шайба" или "вращающаяся косая шайба" (схема, обратная качающейся шайбе, т.е. угловой вал неподвижен, а блок цилиндров и шайба синхронно вращаются в разных плоскостях). Эти схемы отличаются тем, что обуславливают очень малые боковые нагрузки в паре "цилиндр-поршень", особенно если применить усовершенствованную кинематику, описанную автором в отдельном изобретении "Двигатель", а следовательно - малые потери на трение и малый износ.

Схема вращающейся косой шайбы конструктивно удобнее, т.к. не требуются золотники или клапаны, а фланец имеет простую плоскую поверхность с дугообразными вырезами и обеспечивает меньшее гидродинамическое сопротивление.

Для уменьшения гидродинамического сопротивления гидронасос и гидромотор расположены соосно и навстречу друг другу, примыкая к общему двустороннему фланцу, а их цилиндры расположены на одинаковом расстоянии от этой оси. При этом жидкость, выдавливаемая из цилиндра насоса, напрямую, почти без местных сопротивлений входит в цилиндр мотора, являясь как бы жидким штоком. Для уменьшения гидродинамического сопротивления при несовпадении цилиндров насоса и мотора (блоки цилиндров вращаются с разной скоростью) концы цилиндров, примыкающие к двустороннему фланцу, расширены и имеют вид сектора, ограниченного двумя дугами.

Для автомобилей повышенной проходимости возможен вариант, когда один гидронасос работает на два или более гидромотора. В этом случае фланец может иметь три или более рабочих поверхностей, соединенных внутренними каналами. Кпд такого вариатора будет несколько ниже.

В такой схеме возможно применение гидромоторов разной производительности, что приведет к разному распределению крутящего момента по мостам. Если один или оба мотора будут регулируемой производительности, то распределение момента можно менять в широких пределах.

Если применить двусторонний фланец с дополнительными каналами (например, наружными трубами), соединяющими два одинаковых гидромотора последовательно с помощью соответствующих коммуникационных элементов, то они будут вращаться с одинаковой угловой скоростью. То есть будет выполняться функция блокировки межмостового дифференциала. Хотя, если направления вращения моторов выбрать одинаковыми, эту функцию можно обеспечить механическим способом, расположив на блоках цилиндров зубчатые венцы и добавив скользящий вал с двумя паразитными шестернями малого диаметра.

Вариатор может быть заполнен гидрожидкостью полностью и должен иметь в этом случае для компенсации теплового расширения жидкости мембрану или расширительную полость, соединенную с основной полостью корпуса вариатора небольшим отверстием.

Для поддавливания жидкости во время фазы разрежения с целью уменьшения вероятности пенообразования и для компенсации утечек вращающийся блок цилиндров гидронасоса имеет на внешней или внутренней поверхности наклоненные навстречу движению патрубки или отверстия, соединенные с цилиндрами через обратные клапаны. Лучше расположить их на внутренней поверхности, тогда центробежная сила будет способствовать поддавливанию, а проток жидкости через подшипники будет лучше охлаждать их.

И/или такой патрубок или отверстие, наклоненные навстречу движению жидкости и соединенные через обратный клапан со всасывающей полостью гидронасоса, имеют снаружи двусторонний фланец. Поскольку жидкость внутри вырезов двустороннего фланца не только переходит из насоса в мотор, но и совершает вместе с ними довольно интенсивное вращательное движение, можно использовать эту скорость для облегчения функции поддавливания. Для чего внутри полости всасывания (разрежения) фланца имеется эжекторный патрубок, направленный по движению жидкости в этой полости.

Кпд будет несколько выше, если корпус вариатора будет заполнен жидкостью частично, лишь настолько, чтобы смазывать кинематику масляным туманом, а еще лучше - ниже уровня вращающихся блоков цилиндров. Однако в этом случае потребуется дополнительный гидронасос небольшой (0,1% от передаваемой мощности) производительности простейшей конструкции (паразитная шестерня большого диаметра), соединенный с полостью всасывания в двустороннем фланце через обратный клапан и имеющий предохранительный клапан на случай включения заднего хода.

Желательно при этом выделить в полости всасывания сборник воздуха (дополнительная полость в верхней части), который имеет вверху перепускной клапан для выпуска воздуха и излишков жидкости. Клапан соединен с каналом смазки кинематики, который при включении заднего хода перекрывается простейшим запорным устройством (шток с функцией заложника).

Предохранительный клапан дополнительного насоса также соединен с каналом смазки кинематики, но после запорного устройства, чтобы смазывать кинематику в режиме заднего хода.

Расположение полости всасывания в двустороннем фланце при этом следует выбрать таким, чтобы вращение жидкости в нем было "снизу-вверх" (это зависит от направления наклона вращающейся косой шайбы).

Впуск жидкости от дополнительного гидромотора желательно сделать в средней части сборника воздуха.

Выбор варианта заполнения вариатора зависит от величины внутреннего трения располагаемой гидрожидкости. Следует отдать предпочтение более дорогим, но более качественным жидкостям в пользу более простого, надежного и дешевого конструктивного варианта вариатора (особенно, если учесть возможный прогресс в области гидрожидкости и добавок).

Данный вариатор заменяет 6 устройств сразу:

1 - сцепление

2 - механический вариатор

3 - реверс (механические вариаторы его, как правило, не имеют)

4 - рабочие тормоза (неограниченно эффективное торможение двигателем)

5 - АнтиБлокировочную Систему (при автоматическом управлении вариатором, что подразумевается)

6 - ручной тормоз

А для автомобилей повышенной проходимости вариатор заменяет сразу 11 устройств. В дополнение к перечисленным еще:

7 - раздаточная коробка

8 - понижающая передача

9 - межмостовой дифференциал

10 - блокиратор межмостового дифференциала (вариант)

11 - устройство отключения полного привода (даже лучше - любое плавное распределение крутящего момента по мостам, причем изменяемое непосредственно во время движения. И даже возможность включить мосты враздрай, что в сочетании с устройством подруливания задних колес может придать автомобилю немыслимые ранее свойства - движение с пробуксовкой боком и разворот на месте.).

На фиг.1 упрощенно изображен вариатор. На фиг.2 - вид на блок цилиндров 15 со стороны двустороннего фланца - показаны расширения цилиндров в форме сектора. На фиг.3 изображен двусторонний фланец 1 с прорезями 20. На фиг.4 - такой же фланец для двух гидромоторов, где в нижней части не прорези, а углубления 21 (что показано точечной штриховкой), а внутри имеются каналы 22.

Вариатор на фиг.1 состоит из двустороннего фланца 1, зажатого между двумя кожухами 2 и 3 (показаны фрагментарно, могут быть идентичными), образующими в совокупности корпус вариатора. На фланце имеются два цилиндрических кронштейна 4 и 5, к одному из которых жестко, а к другому на плоском (цилиндрическом) шарнире 6 крепятся диски 7 с заранее закрепленными на них на подшипниках 8 вращающимися косыми шайбами (далее - шайбы) 9, 10. К каждой шайбе прикреплен шарнир кардана 11 (показан условно) и штоки 12 с шаровыми шарнирами на концах 13. Штоки соединяют шайбу с поршнями 14, находящимися в блоках цилиндров 15 (блоки цилиндров для насоса и мотора могут быть идентичными). Блоки закреплены на цилиндрических кронштейнах 4, 5 на подшипниках 16. Внутренние обоймы шарниров кардана закреплены на шайбах 9, 10.

Положение шарнирно закрепленного диска 7 можно менять, сдвигая кольцо 17, соединенное с диском штоком 18 с двумя шаровыми шарнирами 19.

Работает вариатор так: при вращении блока цилиндров 15 гидронасоса его вращение через шарнир кардана 11 передается шайбе 9, которая через штоки 12 сообщает поршням 14 возвратно-поступательное движение. Поршни, проходя вместе с блоком цилиндров мимо прорезей 20 в двустороннем фланце 1, выдавливают жидкость в блок цилиндров гидромотора, приводя его во вращение.

Во второй полуфазе вращения жидкость совершает обратный ход.

Меняя угол наклона шарнирно закрепленного диска 7, меняем производительность гидронасоса, и следовательно, угловую скорость гидромотора. Осуществляется передача вращения с нужным передаточным отношением.

Максимальный кпд будет в режиме, близком к "прямой передаче", и достигнет предположительно 95-97%.

Вариатор с двумя моторами можно поставить и на обычную машину, там он будет заменять еще и главную передачу и дифференциал (т.е. мост). Кпд будет несколько меньше, чем у вариатора с одним мотором, но ведь и главная передача тоже снижает кпд.

Вариатор с 4-я моторами на автомобиле-вездеходе будет заменять все! В том числе передний и задний мосты. И может даже приводы со шрус ШРУС. Правда, в последнем случае появятся ненадежные шланги и дополнительное сопротивление.

Для гусеничных машин целесообразно использовать два отдельных вариатора. При этом желательна поперечная компоновка двигателя с валом, выступающим с двух концов (например, по изобретению автора Двигатель).

1. Гидравлический вариатор, содержащий регулируемый (регулируемые) гидронасос и гидромотор, расположенные соосно навстречу друг другу, отличающийся тем, что они выполнены по схеме "качающаяся шайба" или "вращающаяся косая шайба", причем их цилиндры расположены на одинаковом расстоянии от их общей оси.

2. Вариатор по п.1, отличающийся тем, что концы цилиндров, обращенные к фланцу, расширены и имеют вид сектора, ограниченного двумя дугами.

3. Гидравлический вариатор, содержащий регулируемый (регулируемые) гидронасос и гидромотор, расположенные соосно навстречу друг другу, отличающийся тем, что имеет два или более гидромоторов, а фланец имеет три или более рабочих поверхностей, прорези в которых соединены внутренними каналами.

4. Вариатор по п.3, отличающийся тем, что имеет дополнительные каналы во фланце и коммуникационные элементы, имеющие возможность соединять два или более гидромоторов последовательно.

5. Вариатор по п.3, отличающийся тем, что при работе на два гидромотора они имеют одинаковое направление вращения и снабжены зубчатыми венцами, а вариатор имеет входящий вал с двумя паразитными зубчатыми колесами, имеющими возможность входить в зацепление с упомянутыми венцами.