ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ВАРИАТОР С ВЫСОКИМ ПЕРЕДАТОЧНЫМ ЧИСЛОМ
HYDRAULIC VARIATOR OF HIGH GEAR RATIO

Изобретение относится к объемным гидравлическим передачам вращательного движения, в которых обеспечивается высокий диапазон регулирования скорости, и может быть использовано, в частности, в коробках перемены передач в транспортных системах (ТС).
Известен гидравлический вариатор, описанный в патенте (RU 2171925 C1, 10.08.2001).
Известный вариатор содержит насосное и турбинное колеса, образующие рабочую полость и наружный и замыкающий кожухи. Между наружным кожухом и замыкающим кожухом имеется полость изменяемого объема, являющаяся дополнительным резервуаром. Объем дополнительного резервуара выполнен переменным, за счет чего изменяется и передаточное соотношение вариатора.
Недостатком данного вариатора является наличие дополнительного резервуара с изменяемым объемом, который выполнен вращающимся, что усложняет конструкцию и в значительной степени повышает ее габаритные размеры.
В качестве прототипа выбран патент RU (2220342 C1, 27.12.2003).
Известное техническое решение содержит заключенные в общем корпусе, являющемся также резервуаром для рабочей жидкости, пластинчатые насос и гидродвигатель переменных рабочих объемов с регулируемым передаточным числом за счет перетекающей между ними жидкости. Насос с двигателем состоит из неподвижного статора и ротора, имеющего возможность скольжения относительно статора, всасывающего и нагнетающего патрубков. В нем выполнена совместная для насоса и гидродвигателя внутренняя профилированная расточка и установлена поперечная перегородка, разделяющая насос и гидродвигатель, имеющая возможность скольжения относительно корпуса. Передаточное отношение гидропередачи регулируется смещением корпуса в осевом направлении.
Недостаток известного вариатора состоит в том, что передаточное соотношение в нем невелико. Конструкция усложнена из-за специфического расположения пластин - шиберов, что, в частности, вдет к повышению его габаритных размеров. Усложнен и сам процесс регулирования, сопровождаемый динамическими колебаниями скорости. И, наконец, в известном техническом решении не предусмотрена возможность реагирования на изменение продольного дорожного профиля, что ограничивает его использование для ТС.
Задачей изобретения является разработка простой конструкции вариатора, обеспечивающего передачу движения от первичного двигателя к приводимому механизму.
Технический результат изобретения заключается в увеличении передаточного соотношения, уменьшении габаритных размеров конструкции, улучшении динамических показателей и более полном совмещении вариатора с ДВС и трансмиссией ТС.
Технический результат достигается за счет того, что в гидравлическом вариаторе с высоким передаточным числом, содержащем пластинчатый гидронасос и гидродвигатель переменных рабочих объемов с регулируемым передаточным числом за счет изменения объемов перетекающей между ними жидкости, каждый из которых состоит из неподвижного статора и ротора, имеющего возможность скольжения относительно статора, всасывающий и нагнетающий патрубки, согласно изобретению, гидронасос и гидродвигатель имеют одинаковую конструкцию и связаны между собой патрубком, в части статора как гидронасоса, так и гидродвигателя выполнено объемное прямоугольное окно, в которое входит подвижная скользящая плита, имеющая вид домкратной прямоугольной плиты с внутренним цилиндрическим углублением, диаметр которого равен диаметру ротора, соприкасающаяся с прямоугольными поверхностями окна, плита с помощью регулировочного винта и скрепленной с плитой регулировочной гайки имеет возможность перемещаться внутри окна перпендикулярно его плоскости, регулировочный винт подвижной плиты снабжен исполнительным механизмом, плита снабжена датчиком ее положения, входной вал гидронасоса сочленен с валом силового механизма, выходной вал сочленен с валом регулируемого механизма, на входном и выходном валах гидропередачи установлены датчики частоты вращения, причем вариатор снабжен системой управления гидропередачей, воздействующей на исполнительные механизмы и на вход которой поступают сигналы от датчиков.
В варианте технического решения система управления содержит датчики объемного расхода жидкости, расположенные на входных и выходных патрубках гидронасоса и гидродвигателя.
В варианте технического решения система управления вариатором содержит микропроцессор, на вход которого поступают сигналы от датчиков частоты вращения входного и выходного вала, датчиков положения подвижной скользящей плиты, управляющего устройства, снабженного рукояткой управления, а выход микропроцессора соединен с исполнительными механизмами гидронасоса и гидродвигателя.
В варианте технического решения на вход микропроцессора помимо сигналов от датчика частоты вращения входного вала и датчика частоты вращения выходного вала, управляющего устройства с рукояткой управления, сигналов от датчиков положения поступают также сигналы от датчика объемного входного расхода жидкости гидронасоса, датчика объемного выходного расхода жидкости гидронасоса, датчика объемного расхода входного потока жидкости гидродвигателя и датчика объемного расхода выходного потока жидкости гидродвигателя, причем сигналы от датчиков частоты вращения и датчиков объемного выходного расхода жидкости гидронасоса и объемного расхода выходного потока жидкости гидродвигателя в микропроцессоре усредняются, а сигналы объемного входного расхода жидкости гидронасоса датчика объемного расхода входного потока жидкости гидродвигателя служат для контроля правильности работы системы управления.
В варианте технического решения в качестве силового механизма применен двигатель внутреннего сгорания транспортного средства, в качестве регулируемого механизма использована трансмиссия транспортного средства, система управления содержит микропроцессор, двигатель внутреннего сгорания снабжен датчиком положения топливной заслонки, вход микропроцессора связан с блоком, в котором сравнивается сигнал датчика положения топливной заслонки ДВС с ее заданными максимально допустимым и минимально допустимым значениями, а также с блоком, в котором сравниваются частота вращения с максимально допустимым значением частоты вращения выходного вала трансмиссии, выход микропроцессора соединен с исполнительными механизмами гидронасоса и гидродвигателя, причем на микропроцессор поступает сигнал от управляющего устройства, снабженного рукояткой управления.
Выполнение гидронасоса и гидродвигателя в виде одинаковых конструкций, связаных между собой патрубком, упрощает изготовление гидравлического вариатора.
Наличие в части статоров гидронасоса и гидродвигателя объемного прямоугольного окна, в которое входит подвижная скользящая плита с внутренним цилиндрическим углублением, диаметр которого равен диаметру ротора, соприкасающаяся с прямоугольными поверхностями окна и которая с помощью регулировочного винта и скрепленной с плитой регулировочной гайки имеет возможность перемещаться внутри окна перпендикулярно его плоскости, позволяет в широком пределе регулировать частоту вращения на входе агрегата. Наличие датчика положения каждой плиты, исполнительного механизма для перемещения плиты, связанного с системой управления, позволяет обеспечить заданный режим управления частотой вращения выходного вала агрегата.
Применение датчиков объемного расхода жидкости, расположенных на входных и выходных патрубках гидронасоса и гидродвигателя, сигналы от которых поступают на вход системы управления, позволяет повысить регулировочные свойства вариатора.
Применение в системе управления микропроцессора, на вход которого поступают сигналы от датчиков частоты вращения, а выход соединен с исполнительными механизмами гидронасоса и гидродвигателя, дает возможность упростить систему управления вариатором.
Вариант, когда сигналы от датчиков частоты вращения входного и выходного вала, сигналы от датчиков объемного выходного расхода жидкости гидронасоса и объемного расхода выходного потока жидкости гидродвигателя усредняются, позволяет улучшить динамические свойства вариатора.
Использование в качестве силового механизма ДВС ТС, сочлененного с гидронасосом и трансмиссией, сочлененной с выходным валом гидродвигателя, позволяет обеспечить регулирование скорости ТС без использования коробки перемены передач.
Наличие в системе управления гидропередачей микропроцессора, воздействующего на исполнительные механизмы и на вход которого поступает сигнал от скорости движения ТС, сравниваемый с задатчиком максимально допустимой скорости, и сигнал от датчика положения топливной заслонки ДВС, сравниваемый с задатчиком максимально допустимого положения топливной заслонки, дает возможность обеспечить закон движения ТС с постоянством отбора мощности от первичного двигателя с ограничением по максимальной скорости и максимальному моменту. При этом водитель ТС имеет возможность плавного трогания автомобиля с места.
Изобретение иллюстрируется 7 фигурами.
На фиг.1 изображен поперечный разрез гидронасоса.
На фиг.2 имеется поперечный разрез гидродвигателя.
На фиг.3 представлена структурная схема вариатора.
На фиг.4 показана структурная микропроцессорная схема управления вариатором.
На фиг.5 показана структурная схема управления с улучшенными динамическими свойствами вариатора.
На фиг.6 представлена структурная микропроцессорная схема управления гидравлическим вариатором применительно к ТС.
На фиг.7 показаны графики зависимостей скорости ТС от двигательного момента на валу его двигателя.
Гидравлический вариатор с высоким передаточным числом состоит из гидронасоса (фиг.1) и гидродвигателя (фиг.2). Гидронасос имеет всасывающий 1 и нагнетательный 2 патрубки неподвижного статора 3. В статоре 3 концентрично, с минимальным технологическим зазором (на фиг.не обозначен), установлен ротор 4, снабженный по длине радиальными сквозными каналами 5, в которых подвижно размещены кинематически связанные с ротором 4 пластинчатые элементы 6, разделяющие между собой всасывающие 7 и нагнетательные 8 полости, корпуса статора 3. Статор 3 представляет собой полый цилиндр и снабжен плоской опорной площадкой 9 прямоугольной формы, которая жестко сопряжена с корпусом статора 3. Площадка 9 статора имеет объемное прямоугольное окно 10, в которое входит подвижная скользящая плита 11, имеющая вид домкратной прямоугольной плиты с внутренним цилиндрическим углублением 12. Плита 11 с боковых сторон соприкасается с прямоугольными поверхностями окна. Эта плита 11 с помощью регулировочного винта 13 и соединенной с плитой регулировочной гайки 14 может перемещаться внутри окна, изменяя объем внутренней полости 12а между ротором 4 и внутренним углублением 12 плиты 11. При нахождении плиты 4 в крайнем положении углубление 12 становится частью внутреннего диаметра статора 3. С торцевых сторон статор снабжен подшипниковыми щитами, в которых установлены подшипники качения (не показаны), вала 15 ротора 4. Регулировочная гайка 14 вращается с помощью исполнительного механизма 16. Кроме того, плита 10 снабжена датчиком положения 17.
Гидродвигатель выполнен аналогично и обозначение его отдельных элементов имеет ту же нумерацию, что и у гидронасоса, но со штрихом (фиг.2). Гидродвигатель связан с гидронасосом через патрубок (нагнетательный канал) 2. Причем сам гидродвигатель может быть установлен либо рядом с гидронасосом, либо отдельно от него и сопряжен непосредственно с механизмом, скорость вращения которого требуется регулировать.
A
B
C
D
В варианте технического решения вариатор снабжен также датчиками объемного входного расхода q гидронасоса, объемного выходного расхода q гидронасоса, объемного расхода входного потока q гидродвигателя и объемного расхода q на выходе гидродвигателя (на фиг.не показаны).
Структурная схема вариатора состоит из гидронасоса 18, гидродвигателя 19, связанных между собой патрубками 2-1', и приемника жидкости 20, сочлененного с гидронасосом патрубком 1, а с гидродвигателем патрубком 2'.
вх
вых
Структурная схема управления вариатором (фиг.4) содержит микропроцессор 21, на вход которого поступают сигналы от датчика частоты вращения входного вала ω и датчика частоты вращения ω выходного вала. Кроме того, на вход микропроцессора поступает сигнал от управляющего устройства 22, снабженного рукояткой управления 23. На вход микропроцессора поступают также сигналы от датчиков положения 17 и 17'. Выход микропроцессора соединен с исполнительными механизмами гидронасоса 16 и 16'.
вх
вых
A
B
C
D
В варианте технического решения на вход микропроцессора 21, помимо сигналов от датчика частоты вращения входного вала ω и датчика частоты вращения ω выходного вала, управляющего устройства 22 с рукояткой управления 23, сигналов от датчиков положения 17 и 17', поступают также сигналы от датчика q - объемного входного расхода жидкости гидронасоса, q - датчика объемного выходного расхода жидкости гидронасоса, датчика q - объемного входного расхода потока жидкости гидродвигателя и датчика q - объемного выходного расхода потока жидкости гидродвигателя (фиг.5). Выход микропроцессора соединен с исполнительными механизмами гидронасоса 16 и гидродвигателя 16'.
A
C
Сигналы датчиков объемного входного расхода q гидронасоса и объемного входного расхода потока q гидродвигателя служат для контроля правильности работы системы.
вых
max
З
Зmax
Зmin
В варианте технического решения в качестве силового механизма применен ДВС ТС, с которым сочленен вал гидронасоса. Регулируемым механизмом является трансмиссия ТС, с валом которой сочленен вал гидродвигателя (на фиг.не показаны). Система управления гидропередачей снабжена микропроцессором 21 (фиг.6). Сигнал от датчика частоты вращения ω выходного вала трансмиссии предварительно сравнивается в блоке сравнения 24 с максимально допустимым значением частоты вращения ω выходного вала трансмиссии, и разностный сигнал поступает на микропроцессор 21. Кроме того, в системе предусмотрен датчик положения топливной заслонки U ДВС, сигнал которого сравнивается в блоке сравнения 25 с заданными максимально допустимым U и минимально допустимым сигналом U. Результирующий сигнал поступает на микропроцессор 21. Кроме того, на тот же микропроцессор приходят сигналы от датчиков положения 17 и 17'. Сигнал управления приходит на микропроцессор 21 и от управляющего устройства 22 с рукояткой управления 23. Выход микропроцессора соединен с исполнительными механизмами гидронасоса 16 и 16'.
График зависимости скорости ω ТС от двигательного момента М, приводящего его в движение, является тяговой характеристикой ТС (фиг.7). Этот график представляет собой набор гипербол 26, 27, в каждой точке которых произведение двигательного момента M на скорость ω примерно равно его постоянной мощности P=Mω, развиваемой ДВС. На фиг.7 также показана ограничительная часть скоростной характеристики 28, ограничительная часть характеристики по моменту нагрузки 29 и частичные характеристики 30, формируемые при пуске ТС. Набор характеристик типа 30 достигается в случае, если скорость ТС равна нулю. Сигнал топливной заслонки может быть заменен сигналом, поступающим от акселератора.
B
Гидравлический вариатор с высоким передаточным числом работает следующим образом. При вращении от внешнего привода вала 15 вращается ротор 4 гидронасоса (фиг.1, 2, 3). Пластинчатые элементы 6 соприкасаются с внутренней поверхностью статора 3 и затягивают рабочую жидкость из приемника жидкости 20 (фиг.3). Жидкость через отводящий канал 2 под давлением поступает через входной патрубок 1' в рабочую камеру гидродвигателя, устроенного аналогично гидронасосу. Здесь рабочая жидкость вращает ротор 4' за счет давления на пластинчатые элементы 6' и связанный с ним рабочий вал 15'. Совершив работу, жидкость через отводящий канал 2' возвращается в приемник жидкости. При этом гидродвигатель может быть установлен непосредственно на валу тягового привода. С помощью плит 11 и 11', которые перемещаются в окнах 10, 10' с помощью регулировочных винтов, происходит перераспределение жидкости, протекающей между ротором и статором гидронасоса и гидродвигателя. При нахождении плиты 4 в крайнем положении, когда углубление 12 является частью внутреннего диаметра статора гидронасоса, объемный выходной расход q гидронасоса близок к нулю и гидродвигатель не вращается. Если полость между ротором и статором гидронасоса максимальна, то частота вращения зависит от положения подвижной плиты гидродвигателя. Датчики положения 17 и 17' фиксируют положение плит, а воздействуя на исполнительные механизмы 16 и 16', можно управлять потоками жидкости и тем самым регулировать частоту вращения выходного вала гидрордвигателя.
вых
Регулировка частоты вращения ω выходного вала гидродвигателя может производиться двумя способами.
В одном варианте эта регулировка определяется уравнением:
дн
дм
где U - сигнал, получаемый от датчика 17 положения подвижной плиты 11 (фиг.1) гидронасоса, U - сигнал, получаемый от датчика 17' положения подвижной плиты 11' (фиг.2) гидродвигателя. Как видно из уравнения 1, изменение положение плит 11 и 11' внутри окон 10 и 10' обеспечивает изменение скорости. Диапазон изменения скорости превышает 1/1000 и эта скорость может быть выше или ниже частоты вращения выходного вала силовой установки.
В другом варианте частота вращения определяется уравнением
B
D
где q - сигнал от датчик объемного расхода жидкости, расположенного на выходном патрубке гидронасоса, a q - сигнал от датчика объемного расхода жидкости, расположенного на выходном патрубке гидродвигателя. В данном варианте также частота вращения выходного вала изменяется за счет изменения положения плит 17 и 17' внутри окон 10 и 10'. Отличие того или иного способа регулирования состоит в динамике движения. В первом варианте регулирование производится более быстро, во втором варианте с некоторой инерционностью.
вх
вых
A
B
C
D
вых
В варианте, когда на вход микропроцессора 21, помимо сигналов от датчика частоты вращения входного вала ω и датчика частоты вращения ω выходного вала, управляющего устройства 22 поступают также сигналы от датчика q - объемного входного расхода жидкости гидронасоса, q - датчика объемного выходного расхода жидкости гидронасоса, датчика q - объемного расхода входного потока жидкости гидродвигателя и датчика q - объемного расхода потока жидкости на выходе гидродвигателя (фиг.4), регулировние частоты вращения ω выходного вала гидродвигателя производится согласно уравнению:
Применение в системе управления микропроцессора, на вход которого поступают сигналы от датчиков объемного расхода жидкости, позволяет улучшить динамические свойства вариатора, т.е. обеспечить большую плавность переходных процессов при регулировании.
Возможность того, что гидронасос и гидродвигатель могут быть расположены отдельно друг от друга в полной мере использована в варианте, когда силовым механизмом является ТС. Вариатор замещает коробку перемены передач. Кроме того, обеспечивается движение ТС с постоянством отбора мощности от ДВС, что существенно повышает его ресурс и облегчает работу водителя. Из-за отсутствия датчика мощности в системе применен датчик положения топливной заслонки. Его сигнал примерно пропорционален мощности, развиваемой ДВС. Получаемые микропроцессором (фиг.5) сигналы преобразуются в набор команд, заставляющих вариатор обеспечивать требуемый закон регулирования (набор гипербол 26, 27) (фиг.6). Ограничительная часть скоростной характеристики 28, ограничительная часть характеристики по моменту нагрузки 29 предохраняют ТС от механических повреждений. Частичные характеристики 30 формируются при пуске ТС, когда его скорость равна нулю. При этом обеспечивается плавность трогания ТС. Сигнал топливной заслонки может быть заменен сигналом, поступающим от акселератора.
Технико-экономические достоинства представленного вариатора.
1. Упрощена конструкция устройства.
2. Возможность раздельной установки гидронасоса и гидродвигателя.
3. Высокий КПД, достигающий 95%.
4. Высокий диапазон регулирования, превышающий 1/1000.
5. Высокие регулировочные свойства.
6. Возможность плавного регулирования.
7. Расширен диапазон возможных применений, в частности, для ТС.