ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРИВОД КОЛЕС ДЛЯ АВТОМОБИЛЯ И СПОСОБ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ
HYDRAULIC WHEEL DRIVE FOR VEHICLE AND METHOD FOR OPERATION THEREOF

Изобретение касается гидравлического привода колес для автомобиля, в частности для автомобилей промышленного назначения, и особенно предпочтительно для грузовых автомобилей или автобусов. Кроме того, предлагается способ эксплуатации для таких автомобилей.
Для многих целей применения необходимо или по меньшей мере целесообразно, осуществлять деятельность с помощью автомобиля как в условиях бездорожья, так и в дорожных условиях. Условия бездорожья отличаются, в частности, дорогами без покрытия, которые обычно имеются на стройплощадках или в лесу. Так называемые дорожные условия отличаются, в частности, асфальтированными шоссе, в частности для дальнего сообщения. В условиях бездорожья часто возникают ситуации, в которых автомобиль вследствие рыхлого грунта с помощью, в частности, одноосного привода, который является общепринятым для транспортных средств для дорожных условий, не может создать достаточной тяги и застревает. Для этой цели известные внедорожные транспортные средства оснащены, например, механическим полным приводом, который, как правило, включает в себя первичный механический узел привода. Такой узел привода. Такой узел привода (например, трансмиссия) расположен, как правило, позади двигателя, то есть подключен в направлении потока мощности или, соответственно, передачи усилий. Этот узел привода включает в себя по меньшей мере коробку переключения передач, карданные валы и механически приводные оси и передает создаваемую двигателем механическую мощность на оси или, соответственно, колеса транспортного средства.
Исходя из этого, в основе настоящего изобретения лежит задача, создать возможность выполнения автомобиля для эксплуатации как в условиях бездорожья, так и в дорожных условиях. Задача решается с помощью признаков независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные усовершенствования являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
Изобретение касается устройства для гидравлического привода колес автомобиля, которое по меньшей мере включает в себя:
- колесный фланец;
- поворотную цапфу; и
- гидравлический роторно-поршневой привод колес, выполненный и спроектированный для приложения и восприятия крутящего момента на колесном фланце, при этом активное воздействие роторно-поршневого привода колес выполнено с возможностью подключения и отключения.
Гидравлический роторно-поршневой привод колес служит для передвижения автомобиля или, соответственно, поддержки механической системы привода. При этом колеса приводятся во вращение за счет давления жидкости, создаваемого с помощью насоса. Предлагаемые изобретением транспортные средства могут, таким образом, иметь два узла привода. Автомобиль может, наряду с первичным механическим узлом привода, иметь дополнительный узел привода для гидростатического привода колеса, или, соответственно, колесной оси.
Автомобиль особенно предпочтительно представляет собой допущенный к дорожному движению автомобиль для перевозки грузов, например, тягач для полуприцепа или грузовой автомобиль, который альтернативно может тянуть прицеп. Но он может также служить для перевозки людей (например, автобус). Автомобиль имеет предпочтительно максимальную скорость, которая по меньшей мере составляет больше или равна 60 км/ч (километров в час). В настоящее изобретение не включены транспортные средства, имеющие максимальную скорость меньше 60 км/ч, например, напольные транспортные средства (экскаваторы) или тракторы.
Автомобиль имеет несколько колес, которые могут приводиться в движение посредством колесного фланца. Колесный фланец может быть, например, привернут к ободу, на котором установлены шины, или же быть выполнен цельно с ободом. Колесо или, соответственно, колесный фланец установлен на поворотной цапфе, на которой установлен кузов транспортного средства. Поворотная цапфа может при этом обладать возможностью вращения вокруг так называемого шкворня поворотной цапфы и при этом быть установлена с возможностью управления. Предлагаемое изобретением устройство имеет также роторно-поршневой привод колес, посредством которого на колесный фланец может передаваться крутящий момент. Крутящий момент, который создается роторно-поршневым приводом колес, возникает при впуске в роторно-поршневой привод гидравлической жидкости под давлением. Роторно-поршневой привод колес включает в себя камеру, в которой поршень вращается отдающим крутящий момент валом. При этом роторно-поршневой привод колес может также включать в себя вращающийся поршень и расположенное внутри корпуса, уплотненное в наружном направлении наружное кольцо. Между поршнем и камерой образована камера сжатия, посредством которой путем впуска и отвода гидравлической жидкости создается окружное поле давлений, которое приводит поршень во вращение. При этом отдаваемый крутящий момент определяется подведенным давлением, а частота вращения - расходом жидкости. Посредством объемной производительности, которая конструктивно определяется размером камеры сжатия, достижимая частота вращения колес и крутящий момент колес может согласовываться с данным случаем применения.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления устройства роторно-поршневой привод колес выполнен по принципу геролера.
Геролер может представлять собой гидравлический роторно-поршневой привод, у которого подвижный кольцевой вращающийся поршень, имеющий геометрию наружной системы зубьев, движется по орбите в неподвижном наружном кольце. Само наружное кольцо имеет внутреннюю систему зубьев, по которой может обкатываться или, соответственно, скользить поршень. Внутренняя система зубьев наружного кольца может, например, иметь на один зуб больше, чем наружная система зубьев вращающегося поршня, так что в соответственно возникающем промежутке может образовываться камера сжатия. Центр поршня может двигаться по круговой траектории концентрически к центру камеры, при этом вращающийся поршень одной стороной прилегает к стенке камеры и тем самым может уплотнять ее. Наружное кольцо, снабженное внутренней системой зубьев, может при этом оставаться неподвижным, и гидравлическая напорная жидкость управляемым образом через распределитель масляного потока (золотниковый клапан) впускаться в камеры сжатия. Вращающийся поршень может эксцентрически обкатываться по системе зубьев. У геролера часть геометрии наружного кольца может образовываться гидродинамически опирающимися роликами, которые при вращательном движении вращающегося поршня могут двигаться синхронно в точке соприкосновения. Благодаря этому, вследствие уменьшенного трения между движущимися частями, эффективность по сравнению с жесткой внутренней геометрией может повышаться, и гидравлические потери в зазорах вследствие прилегания частей друг к другу минимизироваться. Созданный вращающимся полем давлений крутящий момент и частота вращения могут передаваться через короткий карданный вал на вращающийся вокруг центра ведомый вал. Вращающийся вокруг центра ведомый вал может быть разъемно соединен с колесным фланцем. Такой привод колес, в зависимости от подаваемого давления, может эксплуатироваться как при движении передним ходом, так и при движении задним ходом.
При подключении описанного роторно-поршневого привода колес из отключенного состояния особенно предпочтительно, чтобы при этом не происходил толчок включения, например, как у радиально-поршневого привода, имеющего ролики, которые для активирования привода из состояния свободного хода попадают на траекторию роликов, а осуществлялось плавное приложение крутящего момента. Это служит для повышения комфорта за счет снижения шума и разгрузки механических компонентов от толчковых нагрузок.
Также благодаря этой геометрии действия роторно-поршневого привода может устраняться чрезмерное ускорение колесного фланца или, соответственно, присоединенного колеса. При этом частота вращения и передаваемый крутящий момент может точно адаптироваться к условиям грунта.
Когда роторно-поршневой привод колес отключен, при движении колесного фланца он больше не движется вместе с ним. Это значит, что подвижные компоненты остаются неподвижными, и через роторно-поршневой привод колес проходит значительно меньшее количество гидравлической жидкости, чем это происходит при включенной системе привода.
Отключение или, соответственно, подключение активного воздействия роторно-поршневого привода колес может выполняться гидравлическим, механическим и/или магнитным способом. В одном из возможных вариантов может осуществляться включение с геометрическим замыканием, например, с помощью смещаемых в осевом направлении штифтов или торцевого зубчатого зацепления. Механическая или гидравлическая система может быть устроена подобно традиционной фрикционной муфте. В этом дополнительном варианте при подключении фрикционная накладка прижимается к ответной поверхности. При электромагнитном подключении посредством подключаемого и отключаемого магнитного поля либо продавливается поверхность, движется элемент геометрического замыкания, например, штифт, либо затвердевает магнетореологическая жидкость, так что реализуется активное воздействие.
Предлагаемое изобретением устройство имеет то преимущество, что оно может применяться во включенном состоянии в условиях бездорожья, при этом во включенном состоянии оно вызывает только небольшую мощность потерь.
Вследствие имеющейся возможности отключения роторно-поршневого привода колес он изнашивается меньше и таким образом предотвращает выход из строя всего автомобиля, когда роторно-поршневой двигатель больше не может вращаться, например, из-за какого-либо дефекта. Кроме того, отключенный роторно-поршневой привод колес не представляет собой совместно вращающуюся массу, так что расход топлива такого автомобиля сравним с расходом автомобиля, в котором не смонтировано предлагаемое изобретением устройство.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления устройства роторно-поршневой привод колес соединен с колесным фланцем и обладает возможностью поворота относительно подвески колеса или, соответственно, продольной оси автомобиля.
В одном из особенно предпочтительных вариантов осуществления устройства роторно-поршневой привод колес соединен с колесным фланцем и обладает возможностью поворота относительно неподвижной оси автомобиля.
При этом роторно-поршневой привод колес может быть интегрирован в колесную часть снабженной пневматическими или листовыми рессорами неподвижной оси автомобиля для перевозки грузов. При этом интегрированный в колесную часть неподвижной оси роторно-поршневой привод колес обладает возможностью относительно неподвижной оси. Колесный фланец может быть выполнен для управления автомобилем. Под колесной частью в смысле настоящего изобретения следует понимать конструктивные элементы, обладающие возможностью поворота вокруг оси управляемого колеса (середина шкворня поворотной цапфы), которые выполняют функцию опоры колес, помещения тормозных систем, рычагов поворотной цапфы и направления колес/шин. Компонентами колесной части являются, как правило, ступицы колес, подшипники колес, поворотные цапфы (шейки оси), рычаги управляемого колеса и рулевой трапеции, узлы колесного тормоза (барабанные и дисковые тормоза).
Для создания крутящего момента или, соответственно, для восприятия крутящего момента в колесном фланце к поворотному колесному фланцу, снабженному роторно-поршневым приводом колес, могут проводиться гибкие гидравлические трубопроводы.
Возможно также интегрирование описанного привода в колесную часть поворотной цапфы, отдельно подвешенной для каждого колеса к шасси, например, при оси с независимой подвеской колес на сдвоенных поперечных рычагах. При этом также возможна подача гидравлической напорной жидкости посредством механического роторного питателя на поворотной оси. Низкая конструктивная высота, низкий вес и простое снабжение роторно-поршневого привода колес позволяют получить особенно предпочтительное применение в управляемых осях транспортного средства, при котором могут сохраняться обычные для автомобилей промышленного назначения осевые нагрузки, размеры ширины колеи и геометрии управления.
В другом предпочтительном варианте осуществления устройства роторно-поршневой привод колес соединен с колесным фланцем без передачи. У устройств для создания требуемого крутящего момента привода колес при низкой частоте вращения колеса может существовать необходимость в повышающих передачи или, соответственно, понижающих передачах (крутящего момента) в виде механической центральной передачи или внешнего планетарного ряда на колесе. При предлагаемом здесь устройстве применение повышающей передачи или, соответственно, понижающей передачи не требуется. В частности, роторно-поршневой привод колес может соединяться непосредственно с колесным фланцем, при этом может использоваться традиционное дисковое колесо. Вследствие используемого диаметра колеса у грузовых автомобилей достигается надлежащий профиль крутящего момента и частоты вращения. Благодаря этому в значительной степени снижаются конструктивный размер и сложность роторно-поршневого привода колес. Кроме того, путем надлежащего выбора диаметра колеса автомобиля может достигаться надлежащее отношение между крутящим моментом и частотой вращения, которые действует на роторно-поршневой привод колес.
В другом предпочтительном варианте осуществления устройства гидравлическая жидкость может подводиться и отводиться через поворотную цапфу. При подводе или, соответственно, отводе гидравлической жидкости через поворотную цапфу предпочтительным образом используется имеющийся конструктивный элемент, так что отсутствует необходимость изменения конструкции традиционного автомобиля. В частности, традиционные автомобили для дорожных условий могут дооснащаться этим устройством с небольшими издержками.
В другом аспекте предлагается способ эксплуатации автомобиля в связи с предлагаемым изобретением устройством, при котором роторно-поршневой привод колес активируется для торможения и ускорения. Соответственно этому роторно-поршневой привод колес может как создавать крутящий момент, так и воспринимать крутящий момент.
При торможении гидростатический роторно-поршневой привод колес может воспринимать крутящий момент, действующий на колесо снаружи. За счет этого восприятия крутящего момента может тормозиться колесный фланец или, соответственно, присоединенное колесо. Благодаря этому возможно регенеративное использование энергии торможения, так как при этом роторно-поршневой привод колес может использоваться или, соответственно, эксплуатироваться как насос для жидкости, в частности гидравлической жидкости. При этом гидравлическое давление может также использоваться для электрического генераторного узла, который, например, может использоваться для зарядки батареи транспортного средства. Дополнительно или альтернативно может также пополняться аккумулятор давления для гидравлической жидкости.
При ускорении с помощью роторно-поршневого привода колес особенно предпочтительно, чтобы при этом создавалось не рывковое вращательное движение, а происходило плавное приложение крутящего момента. Рывковое вращательное движение присоединенного колеса может предотвращаться путем затормаживания роторно-поршневого привода колес на высоких частотах вращения. В роторно-поршневом приводе колес установлен вращающийся поршень, который движется гидравлической жидкостью по орбите. При этом вращающийся поршень скользит относительно наружного кольца, которое установлено концентрически к центру вращения колеса и может быть жестко соединено с ним. Благодаря этому скользящему относительному движению между вращающимся поршнем и наружным кольцом можно избежать рывкового вращательного движения. При этом частота вращения и передаваемый крутящий момент могут точно адаптироваться к условиям грунта. Во избежание рывковых движений поток жидкости может дросселироваться надлежащим или, соответственно, управляемым образом. При этом аналогично тому, как в демпферах конечных положений у гидравлических поршней, поток текучей среды дросселируется перед достижением конечного положения, чтобы обеспечить возможность плавного прихода поршня в конечные положения, прежде чем цилиндр и поршень жестко ударятся друг о друга. Для уменьшения рывковых изменений движения могут также использоваться, например, газовые аккумулирующие элементы, (аккумуляторы гидравлического давления).
В другом предпочтительном варианте осуществления способа роторно-поршневой привод колес применим для рекуперации энергии торможения. При этом роторно-поршневой привод колес может действовать как насос для гидравлической жидкости.
При этом роторно-поршневой привод колес может также использоваться или, соответственно, эксплуатироваться как насос для жидкости с обратным силовым потоком. То есть если снаружи, например, через колесо, на роторно-поршневой привод колес передается крутящий момент, то гидравлическая жидкость при создании давления нагнетается, как в насосе. При этом возникает момент, который противодействует крутящему моменту снаружи и таким образом затормаживает колесо. С помощью этого созданного гидравлического давления могут эксплуатироваться и другие гидравлические элементы.
Кроме того, колесный фланец или, соответственно, присоединенное колесо может быть оснащено жестко соединенным с колесным фланцем тормозным устройством, например, дисковым или барабанным тормозом с пневматическим или гидравлическим приводом. Благодаря этому могут выполняться законодательные предписания по допуску такого транспортного средства к дорожному движению.
В другом предпочтительном варианте осуществления способа роторно-поршневой привод колес может отключаться, в зависимости от скорости автомобиля. Роторно-поршневой привод колес в любое время вручную или автоматически может подключаться или, соответственно, отключаться, в зависимости от скорости. Когда не достигается предельная скорость, то при соответствующем грунте дорожного полотна может происходить застревание автомобиля. При подключении роторно-поршневого привода колес достигаются крутящий момент и оптимизированная по частоте вращения передача усилий на грунт. Когда предельная скорость превышается, то застревание автомобиля невероятно, и роторно-поршневой привод колес может отключаться. Автоматическому отключению можно противодействовать вручную, когда это целесообразно для особых целей применения автомобиля. С помощью этого способа расход топлива автомобиля снижается до возможного минимума без необходимости действий водителя транспортного средства. При этом предпочтительно также, если при недостижении предельной скорости роторно-поршневой привод колес снова автоматически подключается. Применение такого способа, в частности, предпочтительно в условиях обширного бездорожья, при наличии участков, движение по которым возможно как движение в дорожных условиях.
В другом аспекте изобретения предлагается использование устройства для автомобилей, имеющих максимальную скорость, которая составляет больше или равна 60 км/ч. У автомобилей, имеющих максимальную скорость, которая составляет больше или равна 60 км/ч, непосредственное или, соответственно, незамедлительное тормозное действие, которое может создаваться роторно-поршневым приводом колес, является недостаточным по меньшей мере для законодательного допуска в соответствии с директивой ЭКЕ (директивой Экономической комиссии для стран Европы). Также достижимые скорости при приводе с помощью роторно-поршневого привода колес для скоростей по меньшей мере 60 км/ч являются недостижимыми. Для этих целей особенно предпочтительно использовать предложенное устройство, потому что оно сочетает преимущества проходимости с преимуществами, в частности, автомобиля с одноосным приводом в дорожных условиях.
В другом аспекте изобретения описан автомобиль, который выполнен для эксплуатации в условиях бездорожья, а также для эксплуатации в дорожных условиях при скоростях по меньшей мере 60 км/ч, при этом в по меньшей мере двух колесах установлен гидравлический роторно-поршневой привод колес, который может подключаться и отключаться во время движения.
Признаки, приведенные в пунктах формулы изобретения по отдельности, могут комбинироваться друг с другом любым технологически целесообразным образом и могут дополняться поясняющим содержанием описания и деталей фигур, при этом выявляются другие варианты осуществления изобретения.
Изобретение, а также техническая подоплека поясняются подробнее ниже с помощью фигур. На фигурах показаны особенно предпочтительные примеры осуществления, которыми изобретение, однако, не ограничено. В частности, следует указать на то, что фигуры и, в частности, изображенные отношения размеров являются только схематичными. Показано:
фиг. 1: устройство, имеющее роторно-поршневой привод колес, установленное в колесе, в сечении;
фиг. 2: устройство, имеющее роторно-поршневой привод колес в оси управляемого колеса, на виде сверху;
фиг. 3: роторно-поршневой привод колес (геролер) в сечении;
фиг. 4: автомобиль, снабженный гидравлическим приводом колес.
На фиг. 1 показано устройство 1, имеющее роторно-поршневой привод 6 колес, в сечении, которое установлено в колесном фланце 4. Роторно-поршневой привод 6 колес посредством шкворня 18 поворотной цапфы соединен с возможностью поворота с неподвижной осью 5. На неподвижной оси 5 посредством соединения шасси с пневматической или листовой рессорой может устанавливаться кузов транспортного средства (здесь не изображен). В роторно-поршневом приводе 6 колес установлен вращающийся поршень 20, который движется посредством гидравлической жидкости 8 по орбите. Гидравлическая жидкость 8 подводится по подводящему трубопроводу 13 и отводится через отвод 14. Вращающийся поршень 20 посредством короткого карданного вала 12 или аналогично действующего узла для передачи момента соединен с муфтой 11 сцепления. Изображенная здесь муфта 11 сцепления представляет собой муфту сцепления с гидравлическим приводом. Когда муфта 11 сцепления соединяется с колесным фланцем 4, созданный вращающимся поршнем 20 крутящий момент 7 передается на колесный фланец. Колесный фланец 4 соединен с дисковым колесом 17, которое вместе с шинами 19 образует колесо 9. Кроме того, колесный фланец 4 жестко соединен с тормозом, который здесь в качестве примера изображен в виде дискового тормоза, имеющего тормозной диск 15 и тормозные накладки 16. Также возможен был бы один из вариантов осуществления, включающий в себя барабанный тормоз. Фиг. 1 представляет собой изображение плоскости сечения A-A, которая определена на фиг. 2. Кроме того, на фиг. 1 показано, в какой плоскости сечения лежит изображение фиг. 3 (B-B).
На фиг. 2 показано расположение устройства 1 на виде сверху и определено положение вида сечения изображения фиг. 1 (A-A). Роторно-поршневой привод 6 колес с возможностью поворота посредством шкворня 18 поворотной цапфы соединен с неподвижной осью 5 и может управляться посредством поперечной рулевой тяги 33 и рычага поворотной цапфы (изображен серповидный рычаг) 34. С противоположной стороны роторно-поршневой привод 6 колес соединен с колесным фланцем 4, так что на не изображенное колесо 9, или, соответственно, дисковое колесо 17 может передаваться крутящий момент 7.
Роторно-поршневой привод 6 колес изображен, будучи окружен тормозным диском 15, который выполнен для эксплуатации автомобиля 3 (не изображен). Автомобиль может быть выполнен для перевозки людей и грузов с допустимой максимальной скоростью больше 60 км/ч.
На фиг. 3 показан роторно-поршневой привод 6 колес в сечении. Положение сечения показано на фиг. 1 посредством B-B. Концентрически к центру 24 вращения установлено наружное кольцо 21, которое выполнено для помещения роликов 22. Ролики 22 гидродинамически опираются на наружном кольце 21 и образуют часть внутренней геометрии наружного кольца 21. Эксцентрически к центру 24 вращения установлен вращающийся поршень 20, имеющий центр 25 вращения. Вращающийся поршень 20 с геометрическим замыканием соединен с карданным валом 12. Между вращающимся поршнем 20 и наружным кольцом 21 за счет геометрии вращающегося поршня 20 и наружного кольца 21 образуется в каждом случае окружная, изменяющаяся в объеме камера 23, в которой вследствие распределения давления, возникающего в гидравлической жидкости 8, вращающийся поршень 20 движется по круговой траектории 26 концентрически к центру 24 вращения.
На фиг. 4 показан автомобиль 3, имеющий гидравлический привод 2 колес. Гидравлический привод 2 колес включает в себя устройство 1, которое полностью помещено соответственно в пределах геометрии левого колеса 9 и правого колеса 10. Левое колесо 9 и правое колесо 10 через неподвижную ось 5 соединены с автомобилем 3. В этом примере показан узел 27 привода, который через традиционный ведомый вал 32 осуществляет привод ведомой оси 28 и отдает отбираемый момент 29. В показанном примере привод насоса 30 тоже осуществляется ведомым валом 32, и созданное давление по трубопроводам 31 передается в устройство 1. Благодаря этому подключаемый или, соответственно, отключаемый крутящий момент 7 передается на левое колесо 9 и правое колесо 10. Отбор мощности через ведомую ось 28 при необходимости может отключаться также во время эксплуатации устройства 1.
С помощью настоящего изобретения достигается возможность преодоления транспортным средством непроходимых участков в условиях бездорожья, при этом предлагаемое изобретением устройство может отключаться в дорожных условиях. Кроме того, устройство может подключаться для рекуперации силы торможения.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 Устройство
2 Привод колес
3 Автомобиль
4 Колесный фланец
5 Неподвижная ось
6 Роторно-поршневой привод колес
7 Крутящий момент
8 Гидравлическая жидкость
9 Левое колесо
10 Правое колесо
11 Муфта сцепления
12 Карданный вал
13 Подводящий трубопровод
14 Отвод
15 Тормозной диск
16 Тормозная накладка
17 Дисковое колесо
18 Шкворень поворотной цапфы
19 Шина
20 Вращающийся поршень
21 Наружное кольцо
22 Ролики
23 Камера
24 Центр вращения
25 Центр вращающегося поршня
26 Круговая траектория
27 Узел привода
28 Ведомая ось
29 Отбираемый момент
30 Насос
31 Трубопровод
32 Ведомый вал
33 Поперечная рулевая тяга
34 Рычаг поворотной цапфы (изображен в виде серповидного рычага)
35 Поворотная цапфа
36 Распределитель масляного потока.