ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ВО ВРАЩАТЕЛЬНОЕ С БЕССТУПЕНЧАТЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ ПЕРЕДАТОЧНОГО ЧИСЛА

Полезная модель относится к двигателестроению, а именно, к гидромеханическим устройствам преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное с бесступенчатым изменением передаточного числа.
Патентуемое решение совместимо с любыми поршневыми двигателями и может быть применено непосредственно в их конструкции вместо кривошипно-шатунного механизма. Также предложенное устройство может использоваться как трансмиссия транспортных средств, в частности, приводимых в движение мускульной силой, в силовых приводах и приводах исполнительных механизмов.
На протяжении всего времени с тех пор, когда появились приводные механизмы, совершались попытки найти решения, направленные на снижение затрат сил, энергии и потерь при работе таких механизмов (а также наиболее рациональных способов изменения передаточного отношения).
Из уровня техники известны следующие запатентованные решения.
Из описания к авторскому свидетельству СССР №808746 (опубликовано 28.02.1981) известна гидростатическая трансмиссия, содержащая ведущий и ведомый валы, две регулируемые аксиально-поршневые машины, каждая из которых содержит наклонную шайбу, ось которой перпендикулярна оси ведущего вала, блок цилиндров и установленный между ними распределитель и две пары шестерен, связывающие ведущий и ведомый валы, причем шестерни ведомого вала связаны с ним жестко. При этом блоки цилиндров неподвижно закреплены на ведущем валу, каждая из наклонных шайб связана с соответствующей шестерней ведущего вала, распределитель выполнен разрезным, а каждая шестерня соединена с соответствующей его частью, а пары шестерен имеют различные передаточные числа.
Кроме этого, известна бесступенчатая механическая трансмиссия, содержащая входной и выходной валы, связанные между собой планетарным рядом, две гидравлически соединенные объемные гидромашины, каждая из которых связана с соответствующим звеном планетарного ряда, при этом одна из них выполнена реверсивной и регулируемой, гидронасос подпитки, подключенный к гидролиниям гидромашин и кинематически соединенный с входным валом трансмиссии, две сблокированные между собой управляемые муфты включения зубчатых передач. При этом другая гидромашина выполнена реверсивной и регулируемой и соединена с коронной шестерней, а первая гидромашина соединена с солнечной шестерней, входной и выходной валы установлены с возможностью соединений между собой одной из управляемых муфт включения зубчатых передач. Водило планетарного ряда кинематически связано с входным валом, а одно из звеньев этого ряда кинематически связано с выходным валом посредством муфт включения (а.с. СССР №1194715, опубликовано 07.02.1987).
Также из описания к патенту РФ №2133895 (опубликован 27.07.1999) известна бесступенчатая трансмиссия с возможностью управления крутящим моментом типа полоса - желобочные колеса, содержащая блок управления, управляемый водителем или другим оператором (посредством управляющего элемента), изменяющий передаточное отношение компонент, содержащий, по меньшей мере, одну полосу, находящуюся в приводном контакте с двумя узлами шкивов, имеющими параллельные, но находящиеся на расстоянии одна от другой оси вращения и лежащие, по существу, в общей радиальной плоскости, в котором каждый узел шкива имеет вал и установленные на нем два желобочных колеса с возможностью изменения расстояния между осями желобочных колес, чувствительную к крутящему моменту связь между, по меньшей мере, одним узлом шкива и его валом и средство для создания между ними осевой силы, которая представляет собой функцию величины и направления крутящего момента, который передается узлом шкива, и нагрузочные средства, воздействующие на узлы шкивов для воздействия нагрузочной силы на желобочные колеса, при этом чувствительная к крутящему моменту связь на одном из валов содержит шариковинтовое сцепление между ним и желобочным колесом.
Известные на сегодняшний день конструкции гидропередач в наибольшей степени подходят для передачи высоких моментов при низких скоростях вращения ведомых валов.
Недостатками известных устройств, применяемых для бесступенчатого изменения передаточного отношения в транспортных средствах с двигателями внутреннего сгорания, являются несовпадение угловых и линейных скоростей (проскальзывание), что влечет за собой ограничения по величине передаваемого момента, потери мощности и повышенный износ движущихся элементов конструкции.
Патентуемое решение работоспособно и в условиях для передачи высоких моментов при низких скоростях вращения ведомых валов, но может быть применено и для создания повышающих передач.
Техническим результатом, достигаемым при использовании патентуемого решения, является, во-первых, исключение необходимости использования в конструкции транспортных средств механизмов сцепления и коробки передач, во-вторых, создание конструкции трансмиссии, при работе которой исключается эффект проскальзывания, связанный с несовпадением угловых и линейных скоростей, что влечет за собой ограничение по величине передаваемого момента, потери мощности и повышенный износ движущихся элементов конструкции, кроме этого, при использовании предлагаемого устройства в конструкции силовых приводов движителей и исполнительных механизмов сохраняются все компоновочные преимущества гидравлических передач.
Кроме этого, техническим результатом является упрощение конструкции устройства и исключение «неуравновешенности», возникающей при вращении коленчатого вала, моментов, приводящих к перекосу поршней в цилиндрах, требующих для своего устранения применения крейцкопфов и подобных устройств, а также снижение материалоемкости за счет исключения необходимости создания больших внутренних объемов картера коленчатого вала.
Также использование патентуемого решения приводит к бесступенчатому изменению передаточного числа, управление которым осуществляется посредством совершенно новой конструкции управляющего механизма, применение которого позволит повысить производительность устройства и снизить потери при его работе.
Патентуемое решение может быть применено в конструкции поршневых двигателей вместо кривошипно-шатунного механизма, принципиальные недостатки которого, такие как «неуравновешенность», возникающая при вращении коленчатого вала, моменты, приводящие к перекосу поршней в цилиндрах, требующие для своего устранения применения крейцкопфов и подобных устройств, компоновочная необходимость создания больших внутренних объемов картера коленчатого вала и, соответственно - большая материалоемкость - хорошо известны.
Кроме этого, при использовании, например, в конструкции велосипеда, по сравнению с используемыми цепными передачами с изменением передаточного числа, достигается следующий результат:
- уменьшение веса за счет исключения таких систем, как ведущие и ведомые звездочки, суппортов в цепи;
- отсутствие явлений, подобных перекосу цепной передачи, которые приводят к уменьшению К.П.Д. и повышенному износу;
- бесступенчатое изменение передаточного числа, управляемое одним исполнительным механизмом;
- компоновочные преимущества, состоящие в увеличении дорожного просвета за счет отсутствия большой ведущей звездочки и заднего суппорта и возможности создания переднеприводных и полноприводных мускульных транспортных средств;
- возможность реализации предлагаемого решения в картере, защищающем его от механических воздействий и загрязнений при постоянной смазке в масляной ванне, обеспечивающая повышенный эксплуатационный ресурс.
Поскольку устройство может быть выполнено как в одном блоке с двигателем, так и в варианте, в котором с двигателем сблокирован только насос, а гидропривод и механическая трансмиссия выполнены в блоке с движителем (колесом, ротором летательного аппарата и т.п.) и связаны между собой только гибкими рукавами - гидролиниями, возможность изменения вектора тяги движителя достигается без применения механических узлов (шарниров равных угловых скоростей, автоматов перекоса и т.п.).
Заявленный технический результат достигается за счет применения гидромеханического устройства преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, которое содержит, по меньшей мере, один поршневой насос, поршень которого связан с управляющим механизмом, при этом поршневой насос сообщен с циклическим гидроприводом, угловое перемещение вала которого преобразуется во вращение ведомого вала посредством механической трансмиссии.
В качестве поршневого насоса могут быть использованы поршневые насосы различных конструкций, обеспечивающих изменение производительности и развиваемого усилия при совершении одного такта.
Для упрощения конструкции и повышения производительности, может быть использован насос, корпус которого состоит из двух цилиндров различного сечения и свободно размещен между двух поршней различных диаметров, один из которых закрепляется неподвижно, а второй выполнен с возможностью совершения рабочего хода, при этом внутренний диаметр цилиндров D1 и D2 соответствует диаметрам поршней D1 и D2.
В частности, в конструкции также может быть применен поршневой насос с одним поршнем и цилиндром постоянного диаметра, при этом производительность одного такта нагнетания насоса должна определяться и управляться величиной рабочего хода поршня.
Для управления перемещением насоса в конструкцию устройства входит управляющий механизм, который выполнен в виде двух сочлененных рычагов, один из концов которых шарнирно закреплен на поршне и цилиндре, соответственно, а другими концами они шарнирно соединены друг с другом и закреплены на каретке, расположенной на направляющей и выполненной с возможностью совершения возвратно-поступательного движения по ней.
Возвратно-поступательное движение каретка может совершать за счет ее выполнения с роликами.
Данная конструкция управляющего механизма позволит упростить управление насосом и обеспечить бесступенчатое изменение передаточного числа.
Циклический гидропривод устройства выполнен в виде статора, ротора, ведущего вала, при этом между статором и ротором образована кольцевая полость, заполненная рабочей жидкостью, и имеющая (два штуцера для сообщения с насосами или насосом и емкостью для вытесненного рабочего тела).
Ротор и статор имеют выступы, разделяющие кольцевую полость на два изолированных объема. Выступы могут быть выполнены в форме усеченной призмы.
Вал и ротор могут быть выполнены в виде одной детали.
Для преобразования углового перемещения вала гидропривода во вращательное движение ведомого вала и окончательного определения соотношения количества рабочих циклов гидропривода и количества оборотов ведомого вала, служит трансмиссия - механическая шестеренчатая передача, которая включает, по меньшей мере, две шестеренчатые пары, образуемые, соответственно, ведущей шестерней, размещенной на ведущем валу, и ведомой шестерней, размещенной на ведомом валу, при этом шестерни, образующие пары, (исходя из компоновки) выполнены разного диаметра, но имеют одинаковое передаточное отношение.
С целью уменьшения трения деталей, ведомый вал с шестерней размещен в картере, заполненном смазкой.
Ведомый вал трансмиссии может являться одновременно и валом движителя транспортного средства.
В частности, шестерни могут быть выполнены косозубыми, а их передаточное отношение должно быть больше или равно 4:1.
Использование патентуемой конструкции трансмиссии позволяет исключить несовпадение угловых и линейных скоростей и приведет к увеличению КПД.
Далее решение поясняется ссылками на фигуры.
Так, на фиг.1 изображена схема варианта компоновки двухцилиндрового поршневого двигателя, объединяющего все узлы предлагаемой конструкции.
На фиг.2 - поршневой насос переменной производительности и стадии его работы
На фиг.3-конструкция управляющего механизма
На фиг.4- циклический гидропривод
На фиг.5 - механическая трансмиссия.
Гидромеханическое устройство преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, конструкция которого приведена на фиг.1, содержит два поршневых насоса 1 с подвижным 2 и неподвижным 3 поршнями, циклический гидропривод 4, выполненный в виде статора 5, ротора 6, и ведущего вала 7, механической трансмиссии, включающей ведомый вал 8, шестеренчатую пару, образованную шестерней 9, размещенной на ведомом валу 8 и шестерней 10, размещенной на ведущем валу 7, при этом между статором 5 и ротором 6 образована кольцевая полость 11, заполненная рабочей жидкостью, имеющая два штуцера, сообщающих ее с полостью корпусов 12 поршневых насосов 1 и выполненных в виде неподвижного поршня 3 насоса 1.
Рассматриваемая на фиг.1 компоновка двухцилиндрового поршневого двигателя может быть применена в двигателях внутреннего сгорания, двигателях внешнего сгорания, в том числе паровых двигателях, двигателях Эриксона и Стирлинга.
Конструкция поршневого насоса переменной производительности, приведенная на фиг.2, включает цилиндр 12 переменного сечения с внутренними диаметрами D1 и D2 и два поршня различных диаметров, соответствующих D1 и D2.
Один из поршней - поршень 13 с диаметром D2 - закрепляется неподвижно, а второй - поршень 14 (2) с диаметром D1 совершает рабочий ход А-А1.
Цилиндр 12 размещен между поршнями свободно с возможностью осевого перемещения при перемещении подвижного поршня 14 (2) на расстояние А-А1 на такое же расстояние.
Таким образом, производительность насоса при постоянной величине перемещения (рабочего хода) будет определяться перемещением (рабочим ходом) цилиндра 12.
Если цилиндр при рабочем ходе поршня 14 (2) остается неподвижным (стадия 3), объем вытесненного рабочего тела (масла или аналога тормозной жидкости) пропорционален квадрату диаметра D1, умноженному на величину А-А1.
Если цилиндр совершает перемещение А-А1 (стадия 1), объем вытесненного рабочего тела пропорционален квадрату D2, умноженному на величину А-А1.
Если цилиндр перемещается на часть величины рабочего хода поршня 14 (2), объем вытесненного рабочего тела пропорционален ходу цилиндра и находится в промежутке между стадиями 1 и 2.
Таким образом, производительность насоса пропорциональна величине хода цилиндра, а развиваемое усилие - прямо пропорционально величине хода цилиндра. Производительность и развиваемое усилие, в свою очередь, находятся между собой в обратно пропорциональной зависимости и это соотношение изменяется плавно, без ступеней.
Без управляющего воздействия цилиндр насоса совершит максимальное перемещение. Для управления насосом в конструкцию введен управляющий механизм, конструкция и принцип работы которого раскрыты на фиг.3. Управляющий механизм шарнирно соединен посредством двух (рычагов) с подвижным поршнем насоса и с цилиндром насоса. Оба (рычага) также шарнирно соединены друг с другом и закреплены на каретке, которая совершает возвратно-поступательные движения при работе насоса вдоль направляющей. Направляющая может быть выполнена в виде линейки с прорезью, размер которой соответствует размеру (ширине) каретки.
На фиг.4 приведен эскиз конструкции гидропривода в поперечном разрезе. Конструктивно гидропривод 4 состоит из статора 5 с цилиндрической внутренней поверхностью, вала 7 и ротора 6. Ротор и статор имеют выступы 15, выполненные в форме усеченной призмы. Между статором и ротором образуется кольцевая полость 11, которая заполняется рабочим телом. Выступы разделяют внутренний объем кольцевой полости 11 на две изолированные объемы переменной величины. Торцевые окончания статора закрыты крышками с соосными отверстиями для установки герметичных подшипников вала, которые на фигуре, представляющей поперечный разрез устройства, не показаны. Вал 7 и ротор 6 могут быть выполнены в виде одной детали, так как их продольные размеры в пределах автора равны либо жестко связаны между собой.
Изолированные внутренние объемы статора через штуцеры сообщаются с поршневыми насосами переменной производительности. Поскольку внутренних объемов переменной величины - два, и для сообщения статору и валу углового перемещения необходимо производить нагнетание рабочей жидкости через один штуцер и откачку равного объема жидкости через второй, в предлагаемом гидромеханическом устройстве могут быть применены два насоса переменной производительности, работающие в противофазе (фиг.1). Также может быть применен и один насос двойного действия или же один из штуцеров должен сообщаться со свободным объемом для закачки и откачки рабочей жидкости.
При попеременной подаче жидкости в изолированные объемы автора, ротор совершает циклические угловые перемещения на величину до 360 градусов. При этом величина перемещения прямо пропорциональна объему поданной жидкости (производительности насоса), а момент на валу привода при применении насоса описанной конструкции обратно пропорционален объему поданной жидкости.
Для преобразования углового перемещения ведущего вала (вала гидропривода) во вращательное движение ведомого вала и определения соотношения количества рабочих циклов насоса и количества оборотов ведомого вала служит механическая шестеренчатая передача с двумя обгонными муфтами, изображенная на фиг.5. Рассматриваемая в данном примере трансмиссия конструктивно состоит из двух пар шестерней (предпочтительно, косозубых) с разными диаметрами, но одинаковым передаточным отношением (4:1). Две ведущие шестерни размещены на ведущем валу (валу гидропривода), две ведомые - соответственно, на ведомом валу, который может являться одновременно и валом движителя транспортного средства. При необходимости достижения больших передаточных чисел может быть введена третья и последующие ступени трансмиссии - простые пары шестерней.
Большая по размерам пара шестерней в первой ступени трансмиссии сцеплена напрямую, а меньшая - через дополнительную (паразитную шестерню), поэтому при любом направлении вращения ведущих шестерней, вращение ведомых шестерней остается однонаправленным. Поскольку обе пары шестерней постоянно находятся в зацеплении, трансмиссия становится работоспособной только при использовании в конструкции двух обгонных муфт, предпочтительно, кулачковых. Обгонные муфты могут быть размещены как внутри ведущих шестерней (при разнонаправленных свободных ходах муфт), так и внутри ведомых (при одинаковом направлении свободного хода муфт). Выбор варианта размещения зависит от условий компоновки. В повышающей передаче обгонные муфты целесообразнее размещать в ведущих шестернях.
В обоих вариантах компоновки направление вращения ведомого вала задано направлениями свободных ходов обгонных муфт.
Для реверсирования направления вращения ведомого вала может быть применен вариант трансмиссии с двумя блоками ведущих и ведомых шестерней. При этом направление свободных ходов обгонных муфт в этих двух блоках должно быть противоположным.
В целом, устройство работает следующим образом.
При совершении движения подвижного поршня и цилиндра первого насоса по направлению к неподвижному поршню, являющимся также и штуцером, происходит вытеснение объема рабочего тела, за счет давления которого на выступ ротора он перемещается, уменьшая один из изолированных объемов в кольцевой полости, создавая угловое перемещение вала гидропривода. Соответственно, рабочее тело из другого объема поступает в полость цилиндра второго насоса через штуцер и воздействует на подвижный поршень и цилиндр второго насоса, которые начинают перемещаться в направлении, противоположном движению первого насоса.
При следующем такте работы второй насос работает на нагнетание, первый насос - на откачку рабочего тела. При этом направление углового перемещения вала гидропривода меняется на противоположное первоначальному.
При постоянной величине рабочего хода подвижных поршней обоих насосов производительность насосов зависит от величины перемещения цилиндров, регулируемой управляющим механизмом. Если линейка управляющего механизма параллельна оси перемещения подвижного поршня и цилиндра, цилиндр совершает движение на расстояние, равное рабочему ходу поршня. Если линейка отклонена на некоторый угол, перемещение цилиндра будет меньше рабочего хода поршня насоса.
При каждом такте - попеременном нагнетании и откачке рабочего тела в изолированные объемы гидропривода вал гидропривода совершает угловые перемещения, которые с помощью механической трансмиссии преобразуются во вращательное движение ведомого вала.