ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ВАРИАТОР (ВАРИАНТЫ)
HYDRAULIC VARIATOR (VERSIONS)

Изобретение относится к трем классам: функционально - к вариаторам, по принципу действия - к обратимым пневмо-, гидромашинам и гидропередачам. И в то же время не соответствует ни одному из этих классов. Возможно оно образует новый подкласс вариаторов, поэтому формула изобретения не содержит ограничительной части, а только отличительную.
Известны гидропередачи, состоящие из гидронасоса, в частности регулируемого, и гидромотора, соединенных трубопроводами с запорными и коммуникационными элементами. Например, по патенту России №2052359 - аналог, или патенту №2098292 - прототип.
Их недостатками являются сравнительно низкий кпд и небольшой ресурс.
В современных условиях с изобретением механизма "качающейся шайбы", синтетических смазочных жидкостей, обладающих малым внутренним трением и высокой смазывающей свособностью, добавок - модификаторов трения, добавок, повышающих герметичность (микротефлон, высокомолекулярные цепочки, фуллерены), а также износостойких материалов и покрытий появилась возможность создать гидропередачу, приближающуюся по кпд и ресурсу к традиционным зубчатым коробкам передач. Особенно при отсутствии соединительных трубопроводов, коммуникационных элементов и специальных мерах по уменьшению местных гидродинамических сопротивлений (клапаны, золотники). Последнее и является сущностью данного изобретения.
А именно: регулируемый гидронасос и гидромотор выполнены по схеме "качающаяся шайба" или "вращающаяся косая шайба" (схема, обратная качающейся шайбе, т.е. угловой вал неподвижен, а блок цилиндров и шайба синхронно вращаются в разных плоскостях). Эти схемы отличаются тем, что обуславливают очень малые боковые нагрузки в паре "цилиндр-поршень", особенно если применить усовершенствованную кинематику, описанную автором в отдельном изобретении "Двигатель", а следовательно - малые потери на трение и малый износ.
Схема вращающейся косой шайбы конструктивно удобнее, т.к. не требуются золотники или клапаны, а фланец имеет простую плоскую поверхность с дугообразными вырезами и обеспечивает меньшее гидродинамическое сопротивление.
Для уменьшения гидродинамического сопротивления гидронасос и гидромотор расположены соосно и навстречу друг другу, примыкая к общему двустороннему фланцу, а их цилиндры расположены на одинаковом расстоянии от этой оси. При этом жидкость, выдавливаемая из цилиндра насоса, напрямую, почти без местных сопротивлений входит в цилиндр мотора, являясь как бы жидким штоком. Для уменьшения гидродинамического сопротивления при несовпадении цилиндров насоса и мотора (блоки цилиндров вращаются с разной скоростью) концы цилиндров, примыкающие к двустороннему фланцу, расширены и имеют вид сектора, ограниченного двумя дугами.
Для автомобилей повышенной проходимости возможен вариант, когда один гидронасос работает на два или более гидромотора. В этом случае фланец может иметь три или более рабочих поверхностей, соединенных внутренними каналами. Кпд такого вариатора будет несколько ниже.
В такой схеме возможно применение гидромоторов разной производительности, что приведет к разному распределению крутящего момента по мостам. Если один или оба мотора будут регулируемой производительности, то распределение момента можно менять в широких пределах.
Если применить двусторонний фланец с дополнительными каналами (например, наружными трубами), соединяющими два одинаковых гидромотора последовательно с помощью соответствующих коммуникационных элементов, то они будут вращаться с одинаковой угловой скоростью. То есть будет выполняться функция блокировки межмостового дифференциала. Хотя, если направления вращения моторов выбрать одинаковыми, эту функцию можно обеспечить механическим способом, расположив на блоках цилиндров зубчатые венцы и добавив скользящий вал с двумя паразитными шестернями малого диаметра.
Вариатор может быть заполнен гидрожидкостью полностью и должен иметь в этом случае для компенсации теплового расширения жидкости мембрану или расширительную полость, соединенную с основной полостью корпуса вариатора небольшим отверстием.
Для поддавливания жидкости во время фазы разрежения с целью уменьшения вероятности пенообразования и для компенсации утечек вращающийся блок цилиндров гидронасоса имеет на внешней или внутренней поверхности наклоненные навстречу движению патрубки или отверстия, соединенные с цилиндрами через обратные клапаны. Лучше расположить их на внутренней поверхности, тогда центробежная сила будет способствовать поддавливанию, а проток жидкости через подшипники будет лучше охлаждать их.
И/или такой патрубок или отверстие, наклоненные навстречу движению жидкости и соединенные через обратный клапан со всасывающей полостью гидронасоса, имеют снаружи двусторонний фланец. Поскольку жидкость внутри вырезов двустороннего фланца не только переходит из насоса в мотор, но и совершает вместе с ними довольно интенсивное вращательное движение, можно использовать эту скорость для облегчения функции поддавливания. Для чего внутри полости всасывания (разрежения) фланца имеется эжекторный патрубок, направленный по движению жидкости в этой полости.
Кпд будет несколько выше, если корпус вариатора будет заполнен жидкостью частично, лишь настолько, чтобы смазывать кинематику масляным туманом, а еще лучше - ниже уровня вращающихся блоков цилиндров. Однако в этом случае потребуется дополнительный гидронасос небольшой (0,1% от передаваемой мощности) производительности простейшей конструкции (паразитная шестерня большого диаметра), соединенный с полостью всасывания в двустороннем фланце через обратный клапан и имеющий предохранительный клапан на случай включения заднего хода.
Желательно при этом выделить в полости всасывания сборник воздуха (дополнительная полость в верхней части), который имеет вверху перепускной клапан для выпуска воздуха и излишков жидкости. Клапан соединен с каналом смазки кинематики, который при включении заднего хода перекрывается простейшим запорным устройством (шток с функцией заложника).
Предохранительный клапан дополнительного насоса также соединен с каналом смазки кинематики, но после запорного устройства, чтобы смазывать кинематику в режиме заднего хода.
Расположение полости всасывания в двустороннем фланце при этом следует выбрать таким, чтобы вращение жидкости в нем было "снизу-вверх" (это зависит от направления наклона вращающейся косой шайбы).
Впуск жидкости от дополнительного гидромотора желательно сделать в средней части сборника воздуха.
Выбор варианта заполнения вариатора зависит от величины внутреннего трения располагаемой гидрожидкости. Следует отдать предпочтение более дорогим, но более качественным жидкостям в пользу более простого, надежного и дешевого конструктивного варианта вариатора (особенно, если учесть возможный прогресс в области гидрожидкости и добавок).
Данный вариатор заменяет 6 устройств сразу:
1 - сцепление
2 - механический вариатор
3 - реверс (механические вариаторы его, как правило, не имеют)
4 - рабочие тормоза (неограниченно эффективное торможение двигателем)
5 - АнтиБлокировочную Систему (при автоматическом управлении вариатором, что подразумевается)
6 - ручной тормоз
А для автомобилей повышенной проходимости вариатор заменяет сразу 11 устройств. В дополнение к перечисленным еще:
7 - раздаточная коробка
8 - понижающая передача
9 - межмостовой дифференциал
10 - блокиратор межмостового дифференциала (вариант)
11 - устройство отключения полного привода (даже лучше - любое плавное распределение крутящего момента по мостам, причем изменяемое непосредственно во время движения. И даже возможность включить мосты враздрай, что в сочетании с устройством подруливания задних колес может придать автомобилю немыслимые ранее свойства - движение с пробуксовкой боком и разворот на месте.).
На фиг.1 упрощенно изображен вариатор. На фиг.2 - вид на блок цилиндров 15 со стороны двустороннего фланца - показаны расширения цилиндров в форме сектора. На фиг.3 изображен двусторонний фланец 1 с прорезями 20. На фиг.4 - такой же фланец для двух гидромоторов, где в нижней части не прорези, а углубления 21 (что показано точечной штриховкой), а внутри имеются каналы 22.
Вариатор на фиг.1 состоит из двустороннего фланца 1, зажатого между двумя кожухами 2 и 3 (показаны фрагментарно, могут быть идентичными), образующими в совокупности корпус вариатора. На фланце имеются два цилиндрических кронштейна 4 и 5, к одному из которых жестко, а к другому на плоском (цилиндрическом) шарнире 6 крепятся диски 7 с заранее закрепленными на них на подшипниках 8 вращающимися косыми шайбами (далее - шайбы) 9, 10. К каждой шайбе прикреплен шарнир кардана 11 (показан условно) и штоки 12 с шаровыми шарнирами на концах 13. Штоки соединяют шайбу с поршнями 14, находящимися в блоках цилиндров 15 (блоки цилиндров для насоса и мотора могут быть идентичными). Блоки закреплены на цилиндрических кронштейнах 4, 5 на подшипниках 16. Внутренние обоймы шарниров кардана закреплены на шайбах 9, 10.
Положение шарнирно закрепленного диска 7 можно менять, сдвигая кольцо 17, соединенное с диском штоком 18 с двумя шаровыми шарнирами 19.
Работает вариатор так: при вращении блока цилиндров 15 гидронасоса его вращение через шарнир кардана 11 передается шайбе 9, которая через штоки 12 сообщает поршням 14 возвратно-поступательное движение. Поршни, проходя вместе с блоком цилиндров мимо прорезей 20 в двустороннем фланце 1, выдавливают жидкость в блок цилиндров гидромотора, приводя его во вращение.
Во второй полуфазе вращения жидкость совершает обратный ход.
Меняя угол наклона шарнирно закрепленного диска 7, меняем производительность гидронасоса, и следовательно, угловую скорость гидромотора. Осуществляется передача вращения с нужным передаточным отношением.
Максимальный кпд будет в режиме, близком к "прямой передаче", и достигнет предположительно 95-97%.
Вариатор с двумя моторами можно поставить и на обычную машину, там он будет заменять еще и главную передачу и дифференциал (т.е. мост). Кпд будет несколько меньше, чем у вариатора с одним мотором, но ведь и главная передача тоже снижает кпд.
Вариатор с 4-я моторами на автомобиле-вездеходе будет заменять все! В том числе передний и задний мосты. И может даже приводы со шрус ШРУС. Правда, в последнем случае появятся ненадежные шланги и дополнительное сопротивление.
Для гусеничных машин целесообразно использовать два отдельных вариатора. При этом желательна поперечная компоновка двигателя с валом, выступающим с двух концов (например, по изобретению автора Двигатель).