БЕССТУПЕНЧАТАЯ ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА

Полезная модель относится к области транспортного машиностроения и может найти применение в производстве автомобилей и других транспортных средств.
Предлагаемая конструкция предназначена для передачи мощности (крутящего момента) от вала двигателя на вал движителя (например, ось колес автомобиля), поддерживая отбор максимально возможной мощности от двигателя при определенном расходе топлива.
Наибольшее распространение в качестве энергетической установки в транспортных машинах получили хорошо отработанные практикой поршневые двигатели внутреннего сгорания, скоростная характеристика которых имеет, к сожалению, определенные недостатки. Одним из основных недостатков внешней характеристики поршневого двигателя внутреннего сгорания является неблагоприятное изменение мощности с увеличением частоты вращения), что приводит к незначительному изменению крутящего момента двигателя.
Условия эксплуатации транспортных средств диктуют необходимость значительного изменения крутящего момента (в 6 раз и более) на ведущих колесах. При этом желательно автоматическое увеличение момента в случае уменьшения скорости из-за ухудшения условий движения и наоборот.Такая зависимость момента от скорости приводит к необходимости иметь постоянную или незначительно изменяющуюся мощность двигателя для любой частоты вращения, что обеспечивает наиболее полную загрузку двигателя в случае значительных изменений условий движения
Момент на валу движителя (например, колес автомобиля) определяется внешними условиями и далеко не всегда является оптимальным для поршневого двигателя при заданном режиме его работы (определяемом расходом топлива). Поэтому между валом двигателя и приводом колес транспортного средства помещают устройство, называемое коробкой передач, предназначенное для согласования момента на валу двигателя и момента на колесах транспортного средства.
Известны автоматические коробки передач (АКП) устанавливаемые, например на автомобилях, изменяющие передаточное соотношение от двигателя на колеса в зависимости от характера движения. Соотношение это меняется ступенчато (обычно 4-5 передач), а сами АКП кроме сложной гидравлической сети, содержат систему шестерен, диски сцепления и т.п.
Известны автоматические бесступенчатые передачи (вариаторы) - передающие момент с помощью двух конусных шкивов, с очень сложной системой управления, а связывающие шкивы цепь или ремни дорогостоящи и трудоемки в изготовлении. Кроме того, подобные системы содержат сложную систему регулирования, в том числе электронную.
Известны АКП, включающие в себя устройство, называемое гидротрансформатором. Гидротрансформатор позволяет плавно изменять передаточное отношение от вала двигателя на ось ведущих колес транспортного средства в зависимости от нагрузки на колеса
Но гидротрансформатор может изменять крутящий момент с коэффициентом, не превышающим 2-3.5, а такого диапазона изменения передаточного числа недостаточно для эффективной работы трансмиссии, поэтому гидротрансформатор обычно соединяют с коробкой передач планетарного или вариационного типа.
Известны также АКП с системами программного регулирования. Некоторые из таких возможных схем приведены в книге Фрумкис И.В. «Объемные гидравлические передачи сельскохозяйственных тракторов и машин», изд-во Машиностроение, 1966. Описываемые там системы автоматизации объемных гидропередач направлены на поддержание либо максимальной мощности двигателя, либо постоянной скорости движения транспортного средства. Обычно это решается с использованием программных пространственных кулачков, приводимых в движение сервомоторами, реагирующими или на давление в магистрали, или на перепад давления на мерном участке. Величина максимальной мощности, поддерживаемой подобными регуляторами, определяется положением рукоятки управления, задающей расход топлива и не учитывается реакция двигателя на возможность вариации момента на его валу. Но, как известно, величина отбираемой от двигателя мощности зависит не только от задаваемого расхода топлива, но и от приложенного к его валу момента сил. В вышеописанных регуляторах изменение производительности насоса осуществляется по программам, рассчитанным заранее и отраженным на пространственных профилях кулачков и тому подобных устройств. Но характеристики каждого конкретного двигателя и фактические условия его работы отличаются от заложенных в программы, что вносит погрешность в систему регулирования.
Предлагаемая бесступенчатая гидравлическая передача отличается тем, что измеряется параметр, непосредственно отражающий отбираемую мощность от двигателя и анализирующий изменение этого параметра в зависимости от микроотклонений передаточного отношения от вала двигателя на ведущие колеса (вал трансмиссии) транспортного средства. При этом положительные отклонения поддерживаются, а отрицательные меняются на противоположные. По данному принципу работают все поисковые или следящие системы, т.е. можно сказать, что предлагаемая система отслеживает момент на валу двигателя, обеспечивающий оптимальный режим работы двигателя, отбирая максимально возможную мощность, которую может дать двигатель при данном расходе топлива («положении педали газа»). Ввиду отсутствия пространственных кулачков и т.п.программных систем регулирования, предлагаемая бесступенчатая гидравлическая передача отличается простотой, а, следовательно, надежностью.
Конструктивная схема гидропередачи приведена на фигуре 1 и содержит следующие основные агрегаты:
- Гидронасос 1, приводимый в движение двигателем и подающим в систему рабочую жидкость (например масло), с определенным расходом и давлением.
- Гидромотор 2, приводимый в движение рабочей жидкостью
- Магистраль подвода 3 соединяющая гидронасос с гидромотором.
- Автоматическую систему управления 4, поддерживающую оптимальное соотношение между расходом и давлением рабочей жидкости (например, за счет изменения эксцентриситета или угла наклона шайбы гидронасоса - в зависимости от его конструкции).
В автоматическую систему управления входят следующие агрегаты (см. фигуру 2):
- Исполнительный механизм, изменяющий эксцентриситет или угол наклона шайбы, и изменяющий расход и давление рабочей жидкости. В него входят два цилиндра 5 и 18 с поршнями, способные перемещать статорное кольцо 6 (см. фиг.3) гидронасоса.
- Участок магистрали 8 с расходной мерной шайбой 9 (см. фиг.3) и местами отборов давления рабочей жидкости для привода механизмов, входящих в автоматическую систему управления.
- Агрегат 10, воспринимающий изменение отбираемой от двигателя и, соответственно, развиваемой гидронасосом 1 (см. фиг.1) мощности.
- Золотниковое устройство 11, подающее давление рабочей жидкости в подпоршневые полости цилиндров 5 и 18 исполнительного механизма.
- Распределитель 24 с вращающимся патрубком 30 (см. фиг.3), подающий поочередно давление рабочей жидкости в узлы и агрегаты автоматической системы управления.
- Переключатель 16, служащий для изменения направления действия исполнительного механизма.
Рассмотрим более подробно агрегаты, входящие в гидропередачу. Общий вид системы схематически представлен на фигуре 3
В данном конкретном случае представлен гидронасос 1 плунжерного типа, хотя также может быть применен, например, насос с наклонной шайбой; главное, чтобы была возможность регулировать производительность (воздействовать на параметры) насоса. В корпусе насоса расположены плунжера 7, перемещающихся в соответствующих направляющих. При вращении ротора насоса плунжера скользят по внутренней поверхности статорного кольца 6, захватывая поступающую из входного отверстия рабочую жидкость и подают ее через выходной патрубок в магистраль для питания гидромотора и других агрегатов. Параметры гидронасоса - расход и давление рабочей жидкости, изменяются при
изменении его эксцентриситета 8- расстояния между центрами осей ротора и статора насоса. Эксцентриситет меняется перемещением статорного кольца 6 при подачи давления в полости цилиндров 5 или 18 исполнительного механизма. Чем больше эксцентриситет, тем больше расход, но меньше давление рабочей жидкости, и наоборот, чем меньше эксцентриситет, тем меньше расход, но больше давление рабочей жидкости.
Гидромотор 2 конструктивно аналогичен гидронасосу 1, в представляемой заявке он нерегулируем, хотя возможность его регулирования не исключается.
Участок магистрали 8 с расходной мерной шайбой 9 служит для определения величины, эквивалентной отбираемой от двигателя мощности. Эта величина пропорциональна произведению перепада давления на мерной шайбе на давление в магистрали.
Агрегат 10 (см. фиг.2), воспринимающий изменение отбираемой от двигателя мощности представлен на фигуре 4. В него входят следующие узлы и детали. Поршень 13 перемещается в цилиндре 12 под действием перепада давления на мерной шайбе 9 и усилия пружины 36. Связанный с ним золотник 14 перекрывает отверстие 31 в полости 15, так, что проходная площадь отверстия 31 зависит от положения поршня 13. Перепад давления на шайбе 9 зависит от расхода рабочей жидкости, т.е. чем больше расход, тем сильнее поршень 13 отклоняется влево и больше проходная площадь отверстия 31. Система жиклеров 32 подобрана так, что давление в полости 75 определяется как проходной площадью отверстия (которое зависит от перепада на шайбе 9, т.е. от расхода жидкости), так и давлением в рабочей магистрали.
15
То есть, P~Q× Р=N.
15
Здесь P - давление в полости 15, Q - объемный расход жидкости, Р - давление в магистрали, N - мощность, развиваемая насосом (отбираемая от двигателя).
Изменение мощности насоса приводит к перемещению поршня 17 и связанного с ним золотника 19, который перекрывает отверстие 33 подвода жидкости в переключатель 16 (см. фиг.2), причем отверстие 33 открывается только при уменьшении мощности (при увеличении мощности золотник 19 упирается в стенку цилиндра 22 и не может перемещаться).
В описываемый агрегат входит механизм, возвращающий систему в исходное положение. В него входят: цилиндр 34 с поршнем 23, связанный штоком с цилиндром 22. В цилиндре 22 находятся золотники 21, управляющие подводом рабочей жидкости в подпоршневые полости цилиндра 34. Принцип его работы следующий: если отверстие 33 откроется поршнем 17, то поршень 23 цилиндра 34, управляемый золотниками 21 закроет его, перемещая цилиндр 22, и агрегат снова готов воспринимать изменение мощности насоса.
Переключатель 16, служащий для изменения направления подачи давления в исполнительный механизм (цилиндры 5 ч 18 с поршнями), представлен на фигуре 5. В него входят цилиндр 28 с поршнем 25, причем поршень связан штоком с золотниками 29 и с обоймой 26, скользящей по наружной поверхности цилиндра 28. В обойме имеются три полости, причем центральная служит для подвода рабочей жидкости, а две крайние - для ее эвакуации. Благодаря пружине 27 подвижная часть переключателя - обойма 26 - может занимать только крайние положения, причем в любом крайнем положении система готова снова перейти в противоположное при подачи давления в центральную полость обоймы 26.
Стрелками обозначено движение жидкости: черный - подвод в переключатель и в исполнительный механизм; белый - отвод в дренаж.
Распределитель 24 (см. фиг.J) предназначен для поочередной подачи давления в агрегаты системы управления. В центральную полость его ротора подводится давление из рабочей магистрали и отводится в приемные полости через вращающийся патрубок 30. Скорость вращения ротора распределителя определяется требуемой динамикой работы системы с одной стороны и инерционностью ее подвижных частей с другой стороны.
Бесступенчатая гидравлическая передача работает следующим образом.
Принцип работы предлагаемого устройства заключается в том, что в систему задаются принудительные микроотклонения режима работы гидронасоса, изменяющие передаточное отношение от двигателя к валу ведущих колес, но поддерживаются лишь те, что способствуют оптимальному режиму работы двигателя, т.е. увеличению отбираемой мощности, в противном случае направление воздействия меняется на противоположное. Микроотклонения режима работы гидронасоса заключаются в изменении расхода и давления рабочей жидкости, что эквивалентно изменению передаточного соотношения от двигателя к колесам транспортного средства. Ввиду малой величины микроотклонений и инерционности всей передаточной системы, вышеописанные колебания не ощущаются всей передаточной системой и при изменениях внешних условий двигатель работает в оптимальном режиме.
Последовательность действий агрегатов можно проследить по следующей схеме:
Пусть в какой-то момент времени патрубок 30 распределителя 24 находится в положении, приведенном на фигуре 6. Тогда, как видно, рабочая жидкость под давлением через золотниковое устройство 29 поступает в подпоршневую полость цилиндра 5 исполнительного механизма, и исполнительный механизм, перемещая статорное кольцо 6, изменяет эксцентриситет Е насоса 1 (см. фиг.3), изменяя его производительность и момент, который он создает на валу двигателя. Условия работы двигателя также изменяются в связи с изменением момента на его валу. При этом возможны следующие случаи:
1. Отбираемая мощность не изменится
2. Отбираемая мощность увеличится
3. Отбираемая мощность уменьшится
В первом случае поршень 17 останется на месте. Золотник 19 будет продолжать перекрывать отверстие 33 (см. фиг.4) для поступления рабочей жидкости в подпоршневые полости цилиндра 28 (см. фиг.5) переключателя 16.
Во втором случае поршень 17 переместится вправо, перемещая также цилиндр 22 с золотниками 21, но отверстие 33 (см. фиг.4) подвода жидкости в переключатель 16 будет по-прежнему закрыто.
В третьем случае поршень 77 переместится влево, перемещая золотники 19 и 21, открывая отверстие 33 (см. фиг.4) подвода жидкости в центральную полость обоймы 26 переключателя 16.
Между тем, патрубок 30 распределителя 24, продолжая вращаться, переместится в положение, приведенное на фигуре 7, то есть в положение, когда рабочая жидкость может быть подана в цилиндр 28 переключателя 16 (см. фиг.3). Как рассматривалось выше, в первых двух случаях поршень 25 переключателя останется на месте, так как рабочая жидкость в него не поступит.В третьем случае поршень 25 переключателя под давлением поступившей в него жидкости переместится в крайнее левое положение (соответствующее фигуре 7), перемещая золотники 29 и рабочая жидкость теперь может поступать в подпоршневую полость цилиндра 18 (вместо подпоршневой полости цилиндра 5), изменяя
направление движения статорного кольца 6 и изменяя величину эксцентриситета £ в противоположную сторону.
Далее патрубок 30 распределителя 24 переместится в положение, показанное на фигуре 8. При этом рабочая жидкость начнет поступать в механизм восстановления нейтрального положения, поршень 23 которого будет перемещать цилиндр 22 до тех пор, пока золотники 19 не перекроет отверстие 33 подвода жидкости в подпоршневые полости цилиндра 28, а золотник 20 соответственно не перекроет отверстие 33 подвода жидкости в переключатель 16.
Далее весь цикл повторяется снова. То есть, можно сказать, что система автоматического управления отслеживает отбор максимально возможной мощности от двигателя, обеспечивая момент на валу двигателя, соответствующий наиболее благоприятным условиям его работы.
0
1
p
На фигуре 9 приведена зависимость развиваемой двигателем мощности (N) от момента сил (М) на его валу. Зависимость представляет собой огибающую семейства кривых N=f(M) при постоянных расходах топлива (G). Пусть в какой-то момент времени работа системы определяется положением точки m и исполнительный механизм переместил статорное кольцо 6 так, что отбираемая мощность упала - точка перешла в положение m. Тогда, согласно вышеописанному, поршень 17 переместится влево, открывая отверстие 33, рабочая жидкость под давлением поступит в подпоршневую полость переключателя 16, который переместит золотники 29 так, что направление подачи давления в цилиндры исполнительного механизма изменится на противоположное и рабочая точка на фигуре 9 переместится вправо. Так будет продолжаться до тех пор, пока рабочая тока не достигнет экстремума кривой G=const, и далее будет совершать некоторые колебания около точки m. В случае перехода на другой режим по расходу топлива, картина будет аналогична вышеописанной.
Таким образом, предлагаемая передача будет поддерживать рабочую точку в окрестности максимально возможной отбираемой мощности во всем диапазоне режимов двигателя, как показано на фигуре 9, поддерживая оптимальный момент на валу двигателя за счет соответствующего передаточного отношения от вала двигателя к колесам транспортного средства путем изменения эксцентриситета £ (или угла наклона шайбы) гидронасоса 1.
Исходя из вышесказанного, можно заключить, что рассмотренная полезная модель будет способствовать облегчению управления транспортным средством, благоприятно скажется на условии эксплуатации двигательной установки - снизит расход топлива и увеличит ресурс двигателя.