КОРОБКА ПЕРЕДАЧ
TRANSMISSION ASSEMBLY

Область техники
Настоящее изобретение относится к коробке передач в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения, содержащей, по меньшей мере, один гидростатический передаточный механизм, в котором для передачи приводной мощности действующий в качестве насоса гидростатический блок гидравлически соединен с действующим в качестве мотора гидростатическим блоком.
Уровень техники
Коробки передач данного вида известны как таковые из уровня техники. Так например, в патентном документе DE 2815632 описан гидростатический передаточный механизм с двумя гидростатическими блоками, соединенными в единый конструктивный узел посредством общей соединительной плиты. Для снижения издаваемого эксплуатационного шума, который вызывается постоянной компрессией и декомпрессией гидравлической среды внутри гидростатических блоков (аксиально-поршневых машин), в DE 2815632 предлагается механически изолировать этот конструктивный узел от наружного корпуса передаточного механизма с помощью упругих опор. Кроме того, например, в патентном документе ЕР 2503190, где описана гидромеханическая коробка передач, для снижения эксплуатационного шума предложено упруго опирать гидростатическую часть передаточного механизма на корпус передаточного механизма с помощью демпфирующих элементов.
Сельскохозяйственные транспортные средства, такие как тракторы, во все большей массе оснащаются передаточными механизмами с бесступенчато изменяемым передаточным отношением в качестве компонента трансмиссии привода ходовой части. Конструктивно такие передаточные механизмы с бесступенчато изменяемым передаточным отношением (также обычно обозначаются английским сокращением CVT - continuously variable transmission - бесступенчатая трансмиссия) обычно содержат, кроме прочего, гидростатический передаточный механизм с двумя гидростатическими блоками, которые соединены друг с другом, причем один из блоков работает как насос, а другой как мотор. За счет того, что, по меньшей мере, один из блоков имеет изменяемый объемный расход или объемную подачу, может бесступенчато регулироваться передаточное отношение числа оборотов между валами насоса и мотора. При взаимодействии гидростатического передаточного механизма с механическим передаточным механизмом разветвления мощности создается общая гидромеханическая коробка передач, в которой передаточное отношение между входным валом и выходным валом может быть бесступенчато изменено, по меньшей мере, в некотором диапазоне. При этом при изменении передаточного отношения изменяется также разделение приводной мощности, передаваемой механическим и гидравлическим путем. Известны различные конструктивные решения таких коробок передач.
Практика показывает, что описанные выше коробки передач, содержащие гидростатический передаточный механизм, по меньшей мере, в определенных ситуациях эксплуатации развивают ярко выраженные шумы, что является, по меньшей мере, помехой. Вполне возможно, что в такой ситуации может наблюдаться также повышенный износ от возбуждения вибрации в конструктивных компонентах. В зависимости от конструкции и размеров коробки передач простая механическая изоляция гидростатического передаточного механизма для снижения эксплуатационных шумов, по меньшей мере, в определенных ситуациях не является решением, дающим достаточные результаты.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание коробки передач указанного типа, создающей более низкие эксплуатационные шумы.
Решение поставленной задачи достигается в коробке передач, обладающей признаками по пункту 1 формулы изобретения. Она отличается тем, что, по меньшей мере, с одной соединяющей гидростатические блоки гидролинией связаны средства для демпфирования колебаний гидравлического давления.
В основе решения по изобретению лежит прежде всего знание того, что по условиям эксплуатации гидростатические блоки создают колебания гидравлического давления. При обычно используемых аксиально-поршневых машинах эти колебания давления создаются вследствие переноса механических движений поршней в находящуюся под давлением текучую среду. При этом колебания давления образуют волну давления, длина которой зависит от частоты хода поршней. Существует прямая взаимосвязь между числом оборотов гидростатического блока и частотой или длиной волны колебаний давления.
Исходя из этого явления, далее было установлено, что в зависимости от геометрических размеров коробки передач существует возможность того, чтобы половина длины волны колебаний давления, - или любая кратная ей величина, - точно соответствовала (конструктивной) длине гидролинии, соединяющей гидростатические блоки. В этом случае в гидролинии образуется стационарная волна давления («стоячая волна»), при которой время прохождения максимума волн точно соответствует времени, за которое в возбудителе колебаний, то есть в гидростатическом блоке, создается следующий максимум волны. В результате этого явления максимумы волн все больше усиливаются, и в гидролинии все больше нарастает амплитуда давления. В образованном двумя гидростатическими блоками гидравлическом контуре насос-мотор со стороной высокого давления и стороной низкого давления это приводит к тому, что, с одной стороны, на стороне высокого давления от гидролинии передается все более высокий импульс на несущую механическую конструкцию коробки передач, что является причиной мешающих эксплуатационных шумов. С другой стороны, на стороне низкого давления имеется опасность того, что динамическое давление в гидролинии падает очень низко, и в гидравлической жидкости может возникать кавитация, то есть образование (и последующее его прекращение) заполненных паром пустот (паровых пузырьков), также вызывающее эксплуатационные шумы.
На основе идентификации причин развития шумов в гидростатическом блоке в соответствии с изобретением была найдена простая и эффективная мера противодействия, с помощью которой могут быть устранены или, по меньшей мере, значительно снижены излишнее повышение давления на стороне высокого давления и/или резкое понижение давления, - и кавитация, - на стороне низкого давления. В соответствии с решением по изобретению, по меньшей мере, для одной соединяющей гидростатические блоки гидролинии предназначены средства для демпфирования колебаний гидравлического давления. В принципе такими средствами могут быть различные устройства гидравлического действия, с помощью которых могут демпфироваться колебания гидравлического давления в гидролинии.
Согласно предпочтительному решению по развитию изобретения гидролиния связана с демпфирующим элементом гидравлического действия, в частности, резонатором Гельмгольца, шлангом Лямбда/4, гидравлическим пружинным энергоаккумулятором, активным демпфером или подобным устройством. Такой элемент, который соединен, например, каналом с соединяющей гидростатические блоки гидролинией, пригоден для демпфирования колебаний гидравлического давления, распространяющихся в гидролинии. К гидролинии может быть подсоединен один такой демпфирующий элемент гидравлического действия или же к одной гидролинии могут быть подсоединены несколько, например, два демпфирующих элемента гидравлического действия. Наибольшее воздействие демпфирующих элементов гидравлического действия достигается при подсоединении к концу гидролинии, насколько это возможно. При этом резонатор Гельмгольца представляет собой акустический резонатор, по существу образованный упругим объемом, который вместе с подсоединенным к гидролинии каналом образует способную к колебаниям акустическую систему с определенной резонансной частотой (или несколькими частотами). При соответствующем выполнении и расположении резонатора Гельмгольца он эффективно поглощает определенные частоты колебаний.
Альтернативно в качестве демпфирующего элемента гидравлического действия может использоваться так называемый шланг Лямбда/4. При этом к соединяющей гидростатические блоки гидролинии подсоединяется трубчатый элемент (например, шланг), длина которого соответствует одной четверти длины волны, подлежащей демпфированию. На удаленном от гидролинии конце шланг закрыт, чтобы отражать возникающие волны давления. За счет отражения в соответствии с четвертой частью длины волны шланг Лямбда/4 вызывает фазовое смещение отраженной волны на 180° относительно волны в гидролинии, так что обеспечивается самозатухание волны.
Альтернативно или дополнительно к описанным демпфирующим элементам гидравлического действия можно активно демпфировать гидравлические колебания («активный демпфер»). Для этого в гидролинию целенаправленно подают корректирующие колебания давления (известные также под названием «антизвук»), которые в идеальном случае суммируются в нуль с эксплуатационными колебаниями гидравлического давления. Корректирующие колебания давления могут создаваться, например, с помощью пьезоэлемента в качестве активного демпфера, который подсоединен к гидролинии посредством небольшого объема. Достигаемое таким или сравнимым образом активное демпфирование дает то преимущество, что без изменения конструктивных элементов гидросистемы могут демпфироваться колебания гидравлического давления различной и/или переменной частоты.
Независимо от вида выбранного демпфирующего элемента гидравлического действия особенно эффективное демпфирование достигается, когда оно осуществляется вблизи пучности колебаний подлежащей демпфированию стационарной волны. В коробке передач с подобным описанному гидростатическим передаточным механизмом пучность колебаний (максимум волны) находится, как правило, в непосредственной близости к гидростатическому блоку, так что предпочтительно демпфирующий элемент гидравлического действия должен быть расположен в этом месте.
В контексте изобретения в принципе используемые гидростатические блоки могут относиться по конструкции к различным видам. Предпочтительно, по меньшей мере, один из гидростатических блоков, а предпочтительно оба гидростатических блока выполнены в виде аксиально-поршневой машины с изменяемой объемной подачей и/или изменяемым объемным расходом. За счет того, что один, а предпочтительно оба гидростатических блока имеют изменяемую объемную подачу и/или изменяемый объемный расход, при соответствующем гидравлическом соединении гидростатических блоков посредством изменения объема одной или обеих аксиально-поршневых машин может достигаться бесступенчато регулируемое передаточное отношение между гидростатическими блоками, действующими в качестве насоса и в качестве мотора. Известны различные конструкции регулируемых аксиально-поршневых машин, которые могут использоваться в рамках изобретения.
Так, например, по меньшей мере один гидростатический блок выполнен в виде конструкции с наклонным диском, который для изменения объемной подачи и/или объемного расхода гидростатического блока может поворачиваться вокруг оси относительно корпуса. В гидростатическом блоке типа блока с наклонным диском поршневой барабан, то есть снабженный цилиндрическими проточками приводной поршневой корпус вращается относительно жестко связанного с корпусом основания. Изменение объемной подачи и/или объемного расхода осуществляется путем углового отклонения установленного на корпусе наклонного диска (называемого также «качающимся диском»). Поршни соединены с наклонным диском по оси с силовым или геометрическим замыканием и в результате при одном обороте совершают полный ход. В конструкции с наклонным диском демпфирующий элемент гидравлического действия может быть удобно встроен в корпус гидростатического блока или смонтирован на нем. Поскольку при такой конструкции корпус остается неподвижным и часто бывает выполнен массивным, демпфирующие элементы гидравлического действия могут быть заделаны в нем при литье с невысокими затратами.
Согласно следующей предпочтительной конструкции коробки передач, по меньшей мере, один гидростатический блок выполнен в виде аксиально-поршневой машины с наклонной осью с поворотным корпусом, который для изменения объемной подачи и/или объемного расхода гидростатического блока может поворачиваться вокруг оси. В конструктивном отношении аксиально-поршневая машина с наклонной осью содержит снабженный цилиндрическими проточками приводимый по вращение поршневой корпус и установленные в нем поршни, которые соединены, в частности, шаровыми шарнирами с приводным фланцевым диском, причем ось вращения поршневого корпуса образует с осью вращения приводного фланцевого диска угол наклона, который может изменяться посредством поворота вмещающего в себя поршневой корпус поворотного корпуса вокруг оси поворота, чтобы таким путем изменять объемную подачу и/или объемный расход гидростатического блока.
При использовании аксиально-поршневых машин с наклонной осью в предпочтительном решении по развитию изобретения предусмотрено, что гидролиния проходит частично через поворотный корпус гидростатического блока, а демпфирующий элемент гидравлического действия соединен с гидролинией внутри поворотного корпуса. Благодаря соединению демпфирующего элемента и гидролинии внутри поворотного корпуса демпфирование обеспечивается в непосредственной близости к гидростатическому блоку и поэтому особенно эффективно. Кроме того, при этом простым конструктивным образом обеспечивается герметичность соединения элементов гидравлического действия.
В общем случае, то есть независимо от конструкции гидростатических блоков, предпочтительно предусмотрено, что демпфирующий элемент гидравлического действия соединен с гидролинией на ее обращенном к гидростатическому блоку конце или, по меньшей мере, вблизи него. За счет такого расположения обеспечивается особенно эффективное воздействие демпфирования, так как максимумы стационарной волны обычно создаются на концах гидролинии, проходящей между гидростатическими блоками, в частности, на переходе от гидролинии к аксиально-поршневой машине.
Согласно следующему предпочтительному примеру выполнения коробки передач демпфирующий элемент гидравлического действия является неотъемлемой частью поворотного корпуса, в частности, за счет того, что поворотный корпус со встроенным демпфирующим элементом изготовлен в виде литой детали. Помимо достигаемой простыми средствами гидравлической герметичности всей демпфирующей системы преимуществом является неизменное число компонентов сборки. При этом не требуется дополнительных затрат на монтаж и обеспечивается низкая подверженность неполадкам.
Как уже было упомянуто, для демпфирования колебаний могут использоваться различные принципы воздействия. При этом предпочтительно использование резонатора Гельмгольца. В этом отношении демпфирующий элемент гидравлического действия выгодным образом образован посредством соединенного с гидролинией гидравлического объема, который заключен в полом теле, в частности, в части поворотного корпуса. По сравнению с другим возбудителем колебаний типа «пружина-масса» (гидравлическим пружинным аккумулятором) или со шлангом Лямбда/4 резонатор Гельмгольца дает преимущество в его относительно легком расположении путем интеграции в поворотном корпусе гидростатического блока. При этом поворотный корпус остается подвижным, в значительной степени без помех со стороны демпфирующего элемента.
В общем случае демпфирующий элемент гидравлического действия предпочтительно выполнен таким образом, чтобы демпфировать колебания, половина длины волны которых или кратная ей величина соответствует длине гидролинии между двумя гидростатическими блоками. Если речь идет о пассивном демпфирующем элементе, например, о резонаторе Гельмгольца, демпфирующая характеристика определяется, в частности, его резонансной частотой. Согласно предпочтительному решению по развитию изобретения резонатор Гельмгольца может быть выполнен таким образом, что его резонансная частота, может регулироваться, по меньшей мере, в определенных пределах. Для этого, например, объем резонатора может быть выполнен изменяемым с помощью соответствующих средств. Другая возможность влияния на характеристику демпфирования состоит в том, чтобы предусмотреть дроссель или другое сужение в области горла резонатора. Дроссель позволяет увеличить ширину полосы эффекта резонанса. За счет этого демпфируется более широкий спектр колебаний.
Согласно предпочтительному выполнению коробки передач гидростатический передаточный механизм содержит два гидростатических блока, которые соединены друг с другом с помощью параллельных гидролиний в гидравлический контур со стороной высокого давления и стороной низкого давления. При этом гидростатические блоки предпочтительно выполнены таким образом, что гидростатический передаточный механизм может эксплуатироваться с обратимым направлением гидравлического потока, для чего оба гидростатических блока выполнены с возможностью обратимого переключения между насосом и мотором. В зависимости от цели использования гидростатические блоки, - при одинаковой конструкции, - могут иметь различные конструктивные размеры.
В предпочтительном решении предусмотрено, что, по меньшей мере, для одного из гидростатических блоков, предпочтительно для обоих гидростатических блоков предусмотрен отдельный поворотный корпус для обеспечения возможности индивидуальной регулировки объемной подачи и/или объемного расхода.
В альтернативном примере выполнения коробки передач для двух гидростатических блоков предусмотрен общий поворотный корпус (так называемая «спаренная система») для обеспечения возможности совместной регулировки объемной подачи и/или объемного расхода гидростатических блоков.
В коробке передач с индивидуально регулируемыми гидростатическими блоками гидростатический передаточный механизм предпочтительно содержит опорный мост, который принимает гидростатические блоки предпочтительно в осепараллельной ориентации на расстоянии друг от друга. Такое выполнение дает различные преимущества, в частности, для использования внутри охватывающей коробки передач. При компактной конструктивной форме выдерживается жестко определенное расстояние между гидростатическими блоками. Далее, соединяющие гидростатические блоки гидролинии, в частности, на стороне высокого давления и на стороне низкого давления, по меньшей мере, на своих участках могут быть выполнены в виде линий, заделанных в опорном мосте гидростатического передаточного механизма. Такое выполнение линий показало себя особенно мало подверженным неполадкам.
В принципе коробки передач, которые содержат описанный выше гидростатический передаточный механизм, могут использоваться в различных случаях применения. Согласно предпочтительному примеру выполнения в рамках настоящего изобретения описанная коробка передач содержит также механический передаточный механизм разветвления мощности, который взаимодействует с гидростатическим передаточным механизмом для совместного образования гидромеханической коробки передач. Такая гидромеханическая коробка передач может использоваться, например, в сельскохозяйственном транспортном средстве, в частности, в тракторе в качестве компонента его трансмиссии привода ходовой части, чтобы предоставлять в распоряжение передаточный механизм с бесступенчато изменяемым передаточным отношением.
При выполнении в виде гидромеханической коробки передач предпочтительно каждый из гидростатических блоков соединен приводным соединением, предпочтительно через соединительный элемент, в частности, через муфту с дуговыми зубьями, с валом механического передаточного механизма разветвления мощности. При этом гидростатический передаточный механизм с двумя действующими в качестве насоса и мотора гидростатическими блоками может приводиться посредством механического передаточного механизма разветвления мощности и, с другой стороны, приводит с задаваемым отношением чисел оборотов (передаточным отношением) одну ветвь механического передаточного механизма разветвления мощности.
В предпочтительном примере осуществления изобретения предусмотрено, что гидромеханическая коробка передач выполнена с возможностью перевода от первого диапазона передаточных отношений во второй диапазон передаточных отношений, с изменением при переходе между диапазонами передаточных отношений потока мощности в гидростатическом передаточном механизме на обратный.
Краткий перечень чертежей
Далее изобретение будет пояснено на предпочтительном примере осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи. На чертежах:
фиг. 1 схематично изображает гидромеханическую коробку передач,
фиг. 2 изображает в перспективе коробку передач согласно предпочтительному примеру выполнения,
фиг. 3 изображает опорную платформу коробки передач по фиг. 2,
фиг. 4a изображает в перспективе сбоку поворотный корпус гидростатического передаточного механизма,
фиг. 4b изображает показанный на фиг. 4а поворотный корпус на виде в перспективе спереди,
фиг. 5 изображает в перспективе показанный на фиг. 4а и 4b поворотный корпус с наглядно показанными гидролиниями.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 схематично показана коробка передач, в которой в качестве примера, но не исключительно, может использоваться описываемое изобретение. Коробка 1 передач содержит по существу разветвляющий мощность механический передаточный механизм 2 и скомбинированный с ним гидростатический передаточный механизм 3. Два взаимодействующих передаточных механизма 2 и 3 вместе образуют гидромеханическую коробку 1 передач. Такая гидромеханическая коробка 1 передач предпочтительно используется в качестве части трансмиссии привода хода транспортного средства, в частности, сельскохозяйственного транспортного средства, такого как трактор, и обеспечивает возможность бесступенчатого регулирования передаточного отношения между входным валом 10 (приводимым не показанным приводным двигателем) и выходным валом 40 коробки 1 передач (который обеспечивает передачу мощности на ходовую ось транспортного средства). Далее будет описана конструкция коробки 1 передач.
Входной вал 10, состоящий в приводной связи с приводным двигателем (не показан), входит центрально в коробку 1 передач. При этом входной вал 10 расположен на одной оси с выходящим из коробки 1 передач валом 13 отбора мощности. Входной вал 10 и вал 13 отбора мощности жестко соединены друг с другом. Поэтому число оборотов вала 13 отбора мощности всегда соответствует числу оборотов входного вала 10.
Входной вал 10 является компонентом механического передаточного механизма 2 разветвления мощности. Помимо входного вала 10 механический передаточный механизм содержит два промежуточных вала 20, 30, которые проходят на одинаковых расстояниях от входного вала 10 параллельно ему и отстоят друг от друга на расстояние d. Каждый из промежуточных валов 20, 30 соединен зубчатой муфтой 21 или 31 с дуговыми зубьями с гидростатическим передаточным механизмом 3 коробки 1 передач.
Механический передаточный механизм 2 разветвления мощности выполнен в виде ступенчатого планетарного передаточного механизма. Соответственно, двухрядная планетарная передача 50 образует функциональную основу механического передаточного механизма 2 разветвления мощности. Двухрядная планетарная передача 50 расположена коаксиально входному валу 10 и содержит по существу установленное с возможностью вращения водило 54, коронную шестерню 53, установленную с возможностью вращения независимо от водила 54, и множество планетарных шестерен z51, z52, которые установлены на водиле 54 на планетарных осях 51.
Водило 54 жестко соединено с полым валом 12, ось вращения которого совпадает с осью вращения входного вала 10 и вала 13 отбора мощности. На полом валу 12 установлена шестерня z13, которая зацепляется с шестерней z40 на выходном валу 40. При этом водило 54 находится в постоянном приводном соединении с выходным валом 40 коробки 1 передач через посредство полого вала 12 и шестерен z13 и z40. Далее, на водиле 54 образован наружный зубчатый венец z54 (внешнего зацепления), который зацепляется с шестерней z31 на промежуточном валу 30.
На водиле 54 установлено множество планетарных шестерен. При этом они образуют планетарные шестерни z51 первой ступени и планетарные шестерни z52 второй ступени. Каждая одна планетарная шестерня z51 первой ступени и одна планетарная шестерня z52 второй ступени установлены совместно с возможностью вращения вокруг общей оси 51 относительно водила 54. В качестве примера планетарная передача 50 содержит три пары планетарных шестерен z51, z52 первой и второй ступеней. Оси 51 планетарных шестерен проходят на одинаковом расстоянии и параллельно центральным осям 10, 12, 13 и равномерно распределены по окружности. Планетарные шестерни z51 первой ступени имеют диаметр больше диаметра планетарных шестерен z52 второй ступени.
Планетарные шестерни z51 первой ступени зацепляются с внутренней стороны с первой солнечной шестерней z11. Первая солнечная шестерня z11 расположена на полом валу 11, который установлен с возможностью вращения вокруг оси, совпадающей с осью входного вала 10. На полом валу 11 жестко укреплена шестерня z10, зацепляющаяся с шестерней z30 на промежуточном валу 30.
Расположенные на промежуточном валу 30 шестерни z30 и z31 могут избирательно соединяться с ним с помощью муфты 39. При этом в функциональном отношении муфта 39 является муфтой исключительного соединения, то есть с промежуточным валом 30 может соединяться либо шестерня z30, либо шестерня z31.
Коронная шестерня 53 двухрядной планетарной передачи 50 установлена с возможностью вращения вокруг центральных осей 10, 11 и частично заходит в осевом направлении в водило 54. За счет такого сдвинутого расположения коронной шестерни 53 и водила 54 планетарные шестерни z51 первой ступени зацепляются с выполненными на коронной шестерне внутренними зубьями. Кроме того, с коронной шестерней 53 жестко связан внешний зубчатый венец z53 (внешнего зацепления). Посредством этого зубчатого венца z53 коронная шестерня 53 зацепляется с шестерней z20 на промежуточном валу 20.
Планетарные шестерни z52 второй ступени зацепляются с внутренней стороны со второй солнечной шестерней z12. Вторая солнечная шестерня z12; жестко укреплена на входном валу 10.
Таким образом, выше в различных аспектах описаны компоненты механического передаточного механизма 2 разветвления мощности. Для понимания функционирования коробки 1 передач в целом ниже приводится описание гидростатического передаточного механизма 3.
Как уже было указано, каждый промежуточный вал 20 или 30 с помощью муфты 21 или 31 с дуговыми зубьями состоит в приводном соединении с гидростатическим блоком 22, 32 гидростатического передаточного механизма 3. Общей задачей гидростатического передаточного механизма 3 является передача приводной мощности за счет того, что действующий в качестве насоса гидростатический блок 22; 32 гидравлически соединен с действующим в качестве мотора гидростатическим блоком 32; 22. Поскольку гидростатические блоки 22, 32 являются аксиально-поршневыми машинами с наклонной осью (то есть они содержат поворотный корпус 26 или 36, который может поворачиваться вокруг оси для изменения объемной подачи и/или объемного расхода), с помощью гидростатического передаточного механизма 3, - путем изменения объемной подачи и/или объемного расхода, - может простым образом бесступенчато регулироваться отношение чисел оборотов между гидростатическими блоками 22, 32, а следовательно, между связанными с ними промежуточными валами 20, 30. За счет того, что гидростатические блоки 22, 32 имеют по существу одинаковую конструкцию, гидростатический передаточный механизм 3 может эксплуатироваться в обратном направлении, то есть каждый гидростатический блок 22, 32 может быть как насосом, так и мотором. Далее будет описана конструкция гидростатического передаточного механизма 3.
Сам по себе каждый из двух гидростатических блоков 22, 32 выполнен известным образом в виде аксиально-поршневой машины с наклонной осью и содержит снабженный цилиндрическими проточками поворотный поршневой корпус 25, 35 и установленные в нем поршни 24, 34, которые соединены шаровыми шарнирами с приводным фланцевым диском 23, 33. Как видно на фиг. 1, при этом ось 70 вращения поршневого корпуса 25, 35 образует с осью вращения приводного фланцевого диска 23, 33 (совпадающей с осью соответствующего промежуточного вала 20, 30) угол α наклона. Этот угол α наклона может изменяться посредством поворота вмещающего в себя поршневой корпус 25, 35 поворотного корпуса (обозначенного позицией 26, 36 и видного только на фиг. 2, 4a, 4b), чтобы таким путем изменять объемную подачу и/или объемный расход гидростатических блоков 22, 32.
Гидростатический блок 22 предназначен для промежуточного вала 20 и кинематически соединен с ним муфтой 21 с дуговыми зубьями. Гидростатический блок 32 предназначен для промежуточного вала 30 и кинематически соединен с ним муфтой 31 с дуговыми зубьями. Два гидростатических блока 22, 32 гидравлически соединены друг с другом гидролиниями 7, 8, которые здесь вначале представлены схематично. Таким образом, приводная мощность передается от действующего в качестве насоса гидростатического блока 22; 32 на действующий в качестве мотора гидростатический блок 32; 22. По отношению к промежуточным валам 20, 30 это гидравлическое соединение через насос и мотор работает как передаточный механизм, который устанавливает отношение чисел оборотов между промежуточными валами 20, 30. При этом в зависимости от режима эксплуатации (работы гидростатических блоков 22, 32 в качестве насоса или мотора) либо в гидролинии 7 создается низкое давление, а в гидролинии 8 высокое давление, либо низкое давление создается в гидролинии 8, а высокое давление в гидролинии 7. За счет возможности изменения угла α наклона в каждом из двух гидростатических блоков 22, 32 может бесступенчато регулироваться отношение чисел оборотов между промежуточными валами 20, 30.
Показанная на фиг. 1 гидромеханическая коробка 1 передач, содержащая механический передаточный механизм 2 разветвления мощности и соединенный с ним гидростатический передаточный механизм 3, может работать в двух режимах эксплуатации, которые приводят к двум получаемым диапазонам передаточных чисел между входным валом 10 и выходным валом 40. Для перехода между первым и вторым диапазонами передаточных чисел служит муфта 39, которая избирательно соединяет с валом 30 либо шестерню z31 (первый диапазон передаточных чисел), либо шестерню z30 (второй диапазон передаточных чисел). Далее будет кратко описан поток мощности через коробку 1 передач в каждом диапазоне передаточных чисел.
Первый диапазон передаточных чисел (диапазон движения 1*)
Входной вал 10 приводит через вторую солнечную шестерню z12 планетарные шестерни z52 двухрядной планетарной передачи 50. Приводная мощность разделяется на две части («разветвление мощности»).
Первая часть приводной мощности передается через одновременно приводимые планетарные шестерни z51 на коронную шестерню 53 и далее через шестерню z20 и промежуточный вал 20 на гидростатический блок 22. Он действует в качестве насоса и приводит гидростатический блок 32, действующий в качестве мотора. Приводимый им промежуточный вал 30 в данном случае кинематически связан через жестко соединенную с ним шестерню z31 с водилом 54.
Вторая часть приводной мощности передается на водило 54 через оси 51 планетарных шестерен 52.
На водиле 54 первая и вторая части приводной мощности вновь объединяются («объединение мощности»), чтобы выходить из коробки 1 передач через полый вал 12, шестерню z13, шестерню z40 и выходной вал 40. В зависимости от выбранного угла α наклона гидростатических блоков 22, 32 в пределах первого диапазона передаточных чисел (при принятом постоянном числе оборотов входного вала 10) выходное число оборотов вала 40 может бесступенчато изменяться от нуля до переходного числа оборотов.
Второй диапазон передаточных чисел (диапазон движения 2*)
Входной вал 10 также приводит через вторую солнечную шестерню z12 планетарные шестерни z52 двухрядной планетарной передачи 50. Однако теперь муфта 39 переключена таким образом, что с валом 30 жестко соединена не шестерня z31, а шестерня z30.
Вследствие измененного режима эксплуатации теперь часть приводной мощности передается через одновременно приводимые планетарные шестерни z51 на первую солнечную шестерню z11 и далее через полый вал 11, шестерню z10 и зацепляющуюся с ней шестерню z30 на жестко связанный с ней промежуточный вал 30. Промежуточный вал 30 приводит гидростатический блок 32, который, теперь изменил свою функцию и действует в качестве насоса для привода, изменившего свою функцию и действующего в качестве мотора гидростатического блока 22. Приводимый гидростатическим блоком 22 промежуточный вал 20 приводит через шестерню z20 и зацепляющийся с ней зубчатый венец z53 коронную шестерню 53, которая изнутри зацепляется с планетарными шестернями z51. В зависимости от выбранного угла α наклона гидростатических блоков 32, 22 в пределах второго диапазона передаточных чисел (при принятом постоянном числе оборотов входного вала 10) выходное число оборотов вала 40 может бесступенчато изменяться от переходного до максимального числа оборотов.
Таким образом, показанная гидромеханическая коробка 1 передач позволяет в рамках двух диапазонов передаточных отношений, которые выбираются посредством привода в действие муфты 39, бесступенчато изменять число оборотов вала 40 от нуля до максимального числа оборотов. При этом при переключении диапазонов передаточных отношений поток мощности внутри гидростатического передаточного механизма меняется на обратный. При этом изменение потока мощности содержит как изменение функционального действия гидростатических блоков 22, 32 между действием в качестве насоса и в качестве мотора, так и изменение на обратное направления потока гидравлической текучей среды.
Описанная со ссылкой на фиг. 1 коробка 1 передач показана на фиг. 2 на виде в перспективе. Обозначенные теми же позициями компоненты машины соответствуют описанным и работают таким же образом, поэтому вновь не описываются.
Дополнительно на фиг. 2 видно, что гидростатический передаточный механизм 3 содержит опорный мост 4. Опорный мост 4 изготовлен в виде единой литой детали, показанной на фиг. 3 отдельно на виде в перспективе. На чертеже видно, что опорный мост 4 содержит два отстоящих друг от друга на расстояние d приемных гнезда для гидростатических блоков 22, 32. Следовательно, опорный мост 4 принимает два гидростатических блока с их осепараллельной ориентацией на расстоянии d друг от друга, причем на изображении по фиг. 2 виден кинематически связанный с валом 30 гидростатический блок 32 со своим поворотным корпусом 36 и образованным на нем резонатором 60 Гельмгольца. В отличие от этого кинематически связанный с валом 20 гидростатический блок 22 в основном закрыт опорным мостом 4 и видна только часть поворотного корпуса 26.
Как показано на фиг. 2, поворотный корпус 36 гидростатического блока 32, который принимает поршневой корпус 35 гидростатического блока 32 с возможностью его вращения вокруг оси 70, может качаться вокруг установочной оси 38. Согласно схематичному изображению на фиг. 1 таким путем может изменяться угол α наклона, а следовательно, объемный расход и/или объемная подача гидростатического блока 32. Таким же образом поворотный корпус 26 (здесь видный не полностью) гидростатического блока 22 может поворачиваться вокруг установочной оси 28 для изменения угла α наклона, а следовательно, объемного расхода и/или объемной подачи гидростатического блока 22. Изменение угла α наклона в гидростатическом блоке 32 осуществляется посредством гидравлически приводимой в действие, - с помощью не показанного здесь установочного поршня, - поворотной пластины 37, а в гидростатическом блоке 22 посредством гидравлически приводимой в действие поворотной пластины 27. Механически связанная с поворотными пластинами 37 или 27 система датчиков 5 воспринимает текущий угол α наклона гидростатического блока 22 или 32.
Практика показывает, что коробки передач, содержащие гидростатический передаточный механизм, по меньшей мере, в определенных ситуациях эксплуатации, в частности, при определенных числах оборотов, развивают шумы, что является, по меньшей мере, помехой. Во избежание развития шумов в коробке 1 передач по изобретению для гидролиний, соединяющих гидростатические блоки 22, 32, предназначены средства для демпфирования гидравлических колебаний давления. Далее будут подробно описаны конструкция и функционирование таких средств.
Для выполнения желаемых функций гидростатического передаточного механизма 3 гидростатические блоки 22, 32 объединены друг с другом в гидравлический контур, как это схематично показано на фиг. 1 гидролиниями 7 и 8. Эти гидролинии проходят на своих участках через поворотные корпуса 26, 36 двух гидростатических блоков 22, 32, а также на своих участках (на участке, лежащем между поворотными сквозными направляющими гидростатических блоков 22, 32) через опорный мост 4 и для этого заделаны в данные компоненты. Длина проходящего через опорный мост 4 участка гидролинии определяется прежде всего расстоянием d, на которое гидростатические блоки 22, 32 отстоят друг от друга.
На фиг. 4a и 4b показан отдельно на виде в перспективе спереди и сбоку поворотный корпус 36. Следует заметить, что в принципе аналогичный по конструкции поворотный корпус используется в гидростатическом блоке 22. Во избежание повторения далее дается описание поворотного корпуса 36, которое применимо также для поворотного корпуса 26 гидростатического блока 22.
На показанном на фиг. 3 опорном мосте 4 в области установочной оси 38 может быть смонтирован поворотный корпус 36, который для изменения объемной подачи и/или объемного расхода гидростатического блока 32 может поворачиваться вокруг установочной оси 38. Поворотный корпус 36 изготовлен в виде литой детали, которая, - как это видно на фиг. 4a и 4b, - содержит в центральной области примерно цилиндрическую выемку, задающую ось 70 вращения устанавливаемого в выемке поршневого корпуса 35 (в целях наглядности на фиг. 4а, 4, не показан). Как показано на фиг. 4b, выемка ограничена изнутри круглым сформированным диском 63. На сформированном диске 63 образованы две имеющие форму почки выемки 73, 74, расположенные напротив друг друга относительно оси 70 вращения. На фиг. 5, которая изображает поворотный корпус 36 в перспективе и на которой видны гидролинии, проходящие через поворотный корпус 36, ясно видно, что показанные на фиг. 4b почкообразные выемки 73, 74 сформированного диска 63 являются частью системы гидравлического снабжения аксиально-поршневой машины (поршневого корпуса 35). Это будет пояснено дальше.
Для того, чтобы поворотный корпус 36 мог поворачиваться требуемым образом, на нем образована поворотная сквозная направляющая 61 цилиндрической основной формы и цилиндрическая цапфа 62, которые задают установочную ось 38 поворотного корпуса 36. За счет того, что поворотный корпус 36 установлен с помощью поворотной цапфы 62 и поворотной сквозной направляющей 61 относительно опорного моста 4, показанного на фиг. 3, он может поворачиваться относительно опорного моста 4 вокруг установочной оси 38.
Поворотная цапфа 62 является элементом чисто механического действия (поворотной опорной цапфой). В отличие от нее поворотная сквозная направляющая 61 помимо механической функции в качестве поворотной опорной цапфы имеет функцию гидравлического снабжения на переходе между опорным мостом 4 и (подвижным относительно него) поворотным корпусом 36. Для этого поворотная сквозная направляющая 61 содержит две отстоящие друг от друга по оси окружные области 71, 72. В каждой из этих окружных областей выполнены отверстия в виде проходящих в окружном направлении удлиненных проемов. В опорном мосте 4 в области приема поворотных сквозных направляющих 61 поворотного корпуса 36 выполнены две соответственно отстоящие друг от друга по оси кольцевые выемки, так что в целом образованы два гидравлических соединения между поворотным корпусом 36 и опорным мостом 4, из которых одно является частью гидролинии 7, а другое - частью гидролинии 8 (см. фиг. 1).
Для более подробного пояснения прохода гидролиний внутри поворотного корпуса 36 следует обратиться к фиг. 5, которая изображает поворотный корпус 36 в перспективе и на которой видны проходящие через поворотный корпус 36 и заделанные в нем гидролинии. В соответствии с чертежом удлиненные проемы верхней окружной области 71 поворотной сквозной направляющей 61 предназначены для длинной линии 68 снабжения. Эта длинная линия 68 снабжения устанавливает гидравлическое соединение между поворотной сквозной направляющей 61 и нижней почкообразной выемкой 74 сформированного диска 63. Согласно схематичному представлению по фиг. 1 длинная линия 68 снабжения является частью гидролинии 8, которая соединяет гидростатический блок 22 с гидростатическим блоком 32. В отличие от этого удлиненные проемы нижней окружной области 72 поворотной сквозной направляющей 61 предназначены для короткой линии 69 снабжения. Эта короткая линия 69 снабжения устанавливает гидравлическое соединение между поворотной сквозной направляющей 61 и верхней почкообразной выемкой 73 сформированного диска 63. Согласно схематичному представлению на фиг. 1 короткая линия 69 снабжения является частью гидролинии 7, которая соединяет гидростатический блок 22 с гидростатическим блоком 32.
При данном осепараллельном расположении гидростатических блоков 22, 32 в конструкции с наклонной осью на практике вследствие размеров блоков 22, 32 и возможности поворота относящихся к ним поворотных корпусов между гидростатическими блоками 22, 32 имеется определенное расстояние d. Для использования, например, на сельскохозяйственных тракторах это расстояние d в принципе довольно велико. Длина гидролиний 7, 8, которые проходят от одного гидростатического блока 22 к другому гидростатическому блоку 32 определяется, - помимо размеров и конструктивного выполнения поворотного корпуса 26, 36, - по существу этим расстоянием d между гидростатическими блоками 22, 32.
Для устранения эксплуатационных шумов, которые могут создаваться при эксплуатации гидростатического передаточного механизма 3 коробки передач 1, по меньшей мере, в определенных ситуациях, для двух гидролиний 7, 8, соединяющих гидростатические блоки 22, 32, предназначены средства для демпфирования колебаний гидравлического давления.
Для пояснения предпочтительного примера выполнения этих средств следует вначале обратиться к фиг. 5. Согласно чертежу длинная линия 68 снабжения, которая применительно к поворотному корпусу 36 является частью гидролинии 8 (или применительно к поворотному корпусу 26 является частью гидролинии 7), соединена с демпфирующим элементом гидравлического действия, выполненным в виде так называемого резонатора 60 Гельмгольца. Резонатор 60 Гельмгольца является неотъемлемой частью поворотного корпуса 36, то есть изготовлен способом литья заодно с ним. По существу резонатор 60 Гельмгольца содержит гидравлический объем 66, который заключен в полости поворотного корпуса 36 под длинной линией 68 снабжения. Нижнее отверстие 64 доступа и боковое отверстие 65 доступа, которые в смонтированном состоянии закрыты винтовыми заглушками (не показаны), обеспечивают упрощенный доступ в резонатор 60 Гельмгольца при изготовлении. Гидравлический объем 66 имеет комбинированную форму, частично цилиндрическую, частично в виде полусферы. Возможны также формы сферы или цилиндра и/или яйцеобразная форма, поскольку гидравлические объемы этой формы также имеют ярко выраженную собственную частоту в качестве системы масса-пружина. Помимо упомянутых форм возможны разновидности этих форм или другие формы для достижения демпфирования колебаний.
Гидравлический объем 66, - по отношению к общей длине гидролинии 8, - расположен довольно близко к обращенному к гидростатическому блоку 32 концу гидролинии 8 (который образован нижней почкообразной выемкой 74 на сформированном диске 63, образующей переход к поршневому корпусу 35 гидростатического блока 32) и гидравлически соединен с ней внутри поворотного корпуса 36 каналом 67.
Гидравлический объем 66, соединенный каналом 67 с гидролинией 8, служит для демпфирования колебаний гидравлического давления, которые в ходе работы гидростатического передаточного механизма 3 распространяются в гидролинии 8. При этом резонатор 60 Гельмгольца представляет собой акустический резонатор, в котором при определенных условиях эксплуатации (в частности, при определенных числах оборотов аксиально-поршневых машин) упругий гидравлический объем 66, включая канал 67, образует способную к колебаниям акустическую систему с определенной резонансной частотой (или несколькими частотами). Такой резонатор Гельмгольца выполнен и расположен таким образом, что он способен посредством этой резонансной частоты поглощать соответствующие гидравлические колебания, возникающие при работе гидростатического передаточного механизма 3. Было установлено, что в коробках передач с гидростатическим передаточным механизмом 3 указанного или сравнимого вида аксиально-поршневые машины в принципе вызывают колебания гидравлического давления. При этом имеет место пульсация давления, то есть колебания давления, которые создаются вследствие периодического хода поршней и, соответственно, периодического сжатия или расширения гидравлической жидкости (как правило, гидравлического масла) в момент соединения со стороной высокого давления или со стороной низкого давления и распространяются в виде волн давления в гидравлическом масле, находящемся в гидролиниях.
Обычно коробки передач с гидростатическим передаточным механизмом эксплуатируются с переменным числом оборотов, что чаще всего и является целью гидростатического передаточного механизма. Числа оборотов гидростатических блоков могут бесступенчато изменяться в широком диапазоне. Соответственно, возникающие при этом волны гидравлического давления имеют переменные частоты f, а следовательно и переменные длины λ волн. Согласно общей взаимозависимости, в соответствии с которой длина λ волны соответствует отношению скорости распространения (здесь в масляной среде) к частоте f, между частотой f и длиной λ волны имеется обратно пропорциональная зависимость, то есть при повышении частоты f длина λ волны уменьшается и наоборот. Короче говоря, пульсация давления в гидростатических блоках образует волны гидравлического давления, длины которых зависят от частоты, с которой поршни гидростатического блока создают пульсацию. Таким образом, имеется прямая зависимость между числом оборотов гидростатического блока и длиной волны создаваемых колебаний гидравлического давления.
В коробке 1 передач описанного типа наблюдается следующее: когда половина длины λ/2 волны, - или кратная ей величина, - колебаний гидравлического давления, создаваемых одним из гидростатических блоков 22, 32, соответствует конструктивной длине одной из гидролиний между одним гидростатическим блоком 22, 32 и другим соединенным с ним гидростатическим блоком 32, 22, внутри данной гидролинии образуется стационарная волна давления («стоячая волна»), при которой амплитуда давления усиливается все больше. На стороне высокого давления гидравлического контура (конкретно в гидролинии, ведущей от насоса к мотору) такое усиление приводит к тому, что от гидролинии передается все более высокий импульс на механическую конструкцию линии, то есть, например, на поворотный корпус 36 и опорный мост 4, что вызывает вибрацию и вызываемый ею шум. Кроме того, на стороне низкого давления гидравлического контура (конкретно в гидролинии, ведущей обратно от мотора к насосу) имеется риск того, что динамическое давление падает очень низко. В этом случае внутри гидравлической среды может происходить даже кавитация (то есть парообразование, вызванное падением давления), что также вызывает шум.
Для устранения этих помех предусмотренный в коробке 1 передач резонатор 60 Гельмгольца выполнен таким образом, что демпфирует как раз такие гидравлические колебания, половина длины λ/2 волны которых или кратная ей величина соответствует длине гидролинии 7, 8 между двумя гидростатическими блоками 22, 32.
По физическим условиям максимумы стационарной волны создаются на конце гидролинии, а именно, конкретно, например, на переходе гидролинии 7 к аксиально-поршневой машине 32, то есть в области почкообразной выемки 74, образованной на сформированном диске 63 поворотного корпуса 36. Поэтому для эффективного демпфирования подсоединение резонатора 60 Гельмгольца к гидролинии 8 предпочтительно находится как можно ближе к почкообразной выемке 74, насколько это возможно конструктивно. В показанном на фиг. 5 примере выполнения подсоединение осуществляется через канал 67, который выходит в гидролинию 8 вблизи ее конца (вблизи сформированного диска 63). Без этого близкого расположения не обеспечивалась бы или была бы ограничена эффективность демпфирующего элемента 60 гидравлического действия.
Альтернативно показанному резонатору Гельмгольца могли бы использоваться также другие демпфирующие элементы гидравлического действия, такие как шланг Лямбда/4 или гидравлический пружинный энергоаккумулятор.
В описанном в предпочтительном примере выполнения резонаторе 60 Гельмгольца резонансная частота определяется из различных величин, таких как скорость распространения (скорость звука) в гидравлическом масле, объем резонатора, поперечное сечение и длина проточки канала 67, служащего резонатором. Кроме прочего большое значение имеет также длина канала 67 от подлежащего демпфированию места в гидролинии 8 до гидравлического объема 66. Показанное на фиг. 5 выполнение резонатора 60 Гельмгольца дает то преимущество, что гидролиния соединена с резонатором 60 Гельмгольца в пределах поворотного корпуса 36. Одновременно благодаря размещению резонатора 60 Гельмгольца под длинной линией 68 снабжения не увеличивает глубину поворотного корпуса 36 относительно установочной оси 38. При этом не нарушается возможность поворота поворотного корпуса.
Показанный на фиг. 5 резонатор 60 Гельмгольца вначале имеет определенную характеристику демпфирования. Однако в принципе существуют различные возможности оказывать влияние на эту характеристику демпфирования. Во-первых, может быть предусмотрена возможность регулирования резонансной частоты. Для этого может, например, изменяться гидравлический объем 66 посредством того, что, например, отверстия 64 или 65 доступа могут закрываться винтовыми заглушками на различную глубину, чтобы изменять величину гидравлического объема 66. Кроме того, содержащий гидравлический объем 66 полый корпус может быть выполнен составным из нескольких частей и телескопическим в области цилиндрических участков. Помимо резонансной частоты может быть предусмотрено регулируемое демпфирование. Для этого, например, в области служащего резонатором канала 67 может быть предусмотрен дроссель, то есть сужение для увеличения полосы резонансных частот. Дроссель может быть организован различными средствами, например, путем выполнения проточки канала 67 ступенчатой, так что он имеет сужение на своем конце, обращенном к длинной линии 68 снабжения. Альтернативно на обращенном к гидравлическому объему 66 конце канала 67 может быть предусмотрен завинчиваемый в него дроссель. Возможны и другие варианты выполнения в зависимости от конструкции встроенного гидростатического блока.
В заключение следует заметить, что показанное на примере осуществления конструктивное выполнение коробки передач следует рассматривать только в качестве примера. Изобретение может использоваться также в других коробках передач, которые содержат исключительно гидростатические передаточные механизмы, или в коробках передач, которые содержат выполненные по-другому передаточные механизмы механического разветвления мощности.
Перечень позиций
1 Гидромеханическая коробка передач
2 Передаточный механизм разветвления мощности
3 Гидростатический передаточный механизм
4 Опорный мост
5 Датчик
6 Крепление
7 Гидролиния
8 Гидролиния
10 Входной вал
11 Полый вал
12 Полый вал
13 Вал отбора мощности
z10 Шестерня
z11 Первая солнечная шестерня
z12 Вторая солнечная шестерня
z13 Шестерня
20 Промежуточный вал
21 Муфта с дуговыми зубьями
22 Гидростатический блок
23 Приводной фланец
24 Поршень
25 Поршневой корпус
27 Поворотная пластина
28 Установочная ось
z20 Шестерня
30 Промежуточный вал
31 Муфта с дуговыми зубьями
32 Гидростатический блок
33 Приводной фланец
34 Поршень
35 Поршневой корпус
36 Поворотный корпус
37 Поворотная пластина
38 Установочная ось
39 Муфта
z30 Шестерня
z31 Шестерня
40 Выходной вал
z40 Шестерня
50 Двухрядная планетарная передача
51 Ось планетарных шестерен
53 Коронная шестерня
54 Водило
z51 Планетарная шестерня (первая ступень)
z52 Планетарная шестерня (вторая ступень)
z53 Зубчатый венец
z54 Зубчатый венец
60 Резонатор Гельмгольца
61 Поворотная сквозная направляющая
62 Поворотная цапфа
63 Сформированный диск
64 Нижнее отверстие доступа
65 Боковое отверстие доступа
66 Гидравлический объем
67 Канал
68 Длинная линия снабжения
69 Короткая линия снабжения
70 Ось вращения поршневого корпуса
71 Верхняя окружная область
72 Нижняя окружная область
73 Верхняя почкообразная выемка
74 Нижняя почкообразная выемка
α Угол поворота
d Расстояние