ГИДРООБЪЕМНАЯ ПЕРЕДАЧА
HYDROSTATIC TRANSMISSION

Изобретение относится к машиностроительной гидравлике, а именно к гидравлическим исполнительным механизмам на базе гидрообъемных передач с регулируемыми насосом и гидромотором. Преимущественная область применения заявляемого изобретения - использование в гидросистемах различных транспортных и дорожно-строительных машин и, в частности, в качестве бесступенчатой передачи механической энергии от вала двигателя к валу дифференциального механизма поворота быстроходной гусеничной машины.
Известен гидропривод (Патент РФ №5429 от 16.11.1997 на полезную модель «ОБЪЕМНЫЙ ГИДРОПРИВОД», МПК6 F04B 1/20, Патентообладатель: Всероссийский научно-исследовательский институт «Сигнал» (RU), содержащий две аксиально-плунжерные гидромашины, размещенные в едином корпусе, одна из которых - регулируемый насос, другая - нерегулируемый гидромотор, вспомогательный насос, механизм управления, фильтр, подпиточные и предохранительные клапаны, отличающийся тем, что в общей крышке, закрывающей корпус, размещен двухпозиционный гидрораспределитель, к проточкам которого подведены каналы от насоса, а также выполнены каналы между проточками гидрораспределителя и гидромотором и каналы между гидрораспределителем и местами подсоединения на крышке других исполнительных элементов, при этом в исходном положении гидрораспределителя через его проточки каналы насоса сообщены с каналами гидромотора, а каналы между гидрораспределителем и местами подсоединения других исполнительных элементов с каналами насоса не сообщены.
Основным недостатком данного гидропривода является использование нерегулируемого гидромотора, уменьшающее диапазон изменения его момента.
Известна система управления поворотом (Патент РФ №2529929 от 10.10.2014 на изобретение «МЕХАТРОННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПОВОРОТОМ БЫСТРОХОДНОЙ ГУСЕНИЧНОЙ МАШИНЫ», МПК (2006.01) B62D 11/08, МПК (2012.01) B60W 30/045, Патентообладатель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Курганский государственный университет» (RU), состоящая из объемного гидропривода, гидронасос которого кинематически через механический редуктор соединен с двигателем машины, а первый канал управления - с задающим (командным) органом управления поворотом (штурвалом), бортовой компьютер, сенсоры положения и перемещения: штурвала, педали подачи топлива, числа оборотов двигателя, номера включенной передачи, дифференциального механизма, ведомые элементы которого кинематически соединены с солнечными шестернями суммирующего планетарного ряда трансмиссии.
Также известна гидрообъемная передача механизма транспортного средства (см. Патент США №8,327,638 от 11.12.2012 «HYDRAULIC DRIVE APPARATUS AND HYDRAULICALLY-DRTVEN VEHICLE», Int. Class.: F16H61/42 (2010.01), E02F 9/22 (2006.01) Assignee: Komatsu Ltd. [JP]), включающая двигатель транспортного средства, насос и гидромотор, объединенные силовыми гидравлическими магистралями, педаль и рычаги управления, вычислительный блок, золотник с управляющими электромагнитами для регулирования производительности насоса, золотник с управляющими электромагнитами для регулирования скорости и направления вращения гидромотора, датчики давления и предохранительные клапаны силовых гидравлических магистралей.
Общим недостатком для технических решений по патентам РФ №2529929 и США №8,327,638 является достаточно высокая сложность конструкции, причем, с необходимостью использования бортовых средств вычислительной техники, которые должны обеспечивать безотказное функционирование в достаточно жестких условиях эксплуатации (температура, влажность воздуха), характерных для транспортных средств.
Известна гидросистема (Патент РФ №5435 от 16.11.1997 на полезную модель «ГИДРОСИСТЕМА ТРАНСПОРТНОЙ МАШИНЫ», МПК6 F16H 39/00, Патентообладатель: Всероссийский научно-исследовательский институт «Сигнал» (RU), содержащая гидрообъемную передачу, в которой имеются гидравлически замкнутые регулируемый насос, связанный с двигателем машины, и гидромотор, кинематически соединенный с движителем машины, по меньшей мере один исполнительный элемент, подключенный к рабочим магистралям гидропередачи, а также автономный гидропривод, включающий насос с приводным электроприводом, связанный с исполнительным элементом через трехпозиционный гидрораспределитель, отличающаяся тем, что в объемной гидропередаче каналы насоса соединены с каналами гидромотора и исполнительного элемента через двухпозиционный гидрораспределитель.
Существенными недостатками данной гидросистемы являются:
- использование нерегулируемого гидромотора;
- некоторая избыточность конструкции гидросистемы (помимо вспомогательного подпиточного насоса в ее составе имеются еще насос автономного гидропривода, а также дополнительный гидромотор);
- необходимость использования для насоса автономного гидропривода приводного электродвигателя;
- использование электромагнитов для управления золотниками гидрораспределителей гидросистемы;
- отсутствие фильтрующих элементов, обеспечивающих непрерывную очистку рабочей жидкости, циркулирующей в магистралях и элементах гидросистемы, что значительно ускоряет расход ее ресурса в процессе эксплуатации.
Наиболее близким по исполнению аналогом, принятым в качестве прототипа заявляемого изобретения, является гидропривод (Патент РФ №2278310 от 20.06.2006 на изобретение «ГИДРОПРИВОД», МПК (2006.01): F16H 39/02, F16H 61/42, Патентообладатель: Открытое акционерное общество «Всероссийский научно-исследовательский институт «Сигнал» (RU), содержащий (см. формулу изобретения совместно с Фиг. 1) регулируемые насос 1 и гидромотор 2, объемно-замкнутые силовыми магистралями 3 и 4; вспомогательный насос 5, который механически связан с валом регулируемого насоса 1, всасывающий из бака 20 и подающий рабочую жидкость в линию нагнетания 6; линия нагнетания 6 вспомогательного насоса 5 подведена к входам сливного 7 и подпиточных клапанов 8 и 9; сливной клапан 7 имеет выход в бак 20, а выходы подпиточных клапанов 8 и 9 подключены соответственно к силовым магистралям 3 и 4; кроме этого к линии нагнетания 6 вспомогательного насоса 5 подключена с помощью магистрали 10 управляющая полость 11 поршня 12, опирающегося на пружину 13 и кинематически соединенного с регулирующим органом регулируемого гидромотора 2.
Основными недостатками технического решения по прототипу являются:
- отсутствие возможности очистки рабочей жидкости, циркулирующей в магистралях и элементах гидропривода и постепенно загрязняющейся в процессе эксплуатации;
- возможность значительного нагревания рабочей жидкости (находящейся под большим давлением в силовом контуре гидропривода) и движущихся частей регулируемых насоса и гидромотора, в конечном итоге приводящая к их интенсивному износу.
Целью изобретения является повышение эксплуатационной надежности с максимальным сохранением остаточного ресурса гидрообъемной передачи быстроходных гусеничных машин.
Поставленная цель достигается тем, что в гидрообъемную передачу, регулируемый насос и регулируемый гидромотор, объемно-замкнутые силовыми магистралями; вспомогательный насос, который механически связан с валом регулируемого насоса, всасывающий из бака и подающий рабочую жидкость в линию нагнетания; первый сливной клапан, имеющий выход в бак, подпиточные клапаны, выходы которых подключены к силовым магистралям; магистраль, подключенную к управляющей полости поршня, который, опираясь на пружину, кинематически соединен с регулирующим органом регулируемого гидромотора, введены фильтр, золотниковый гидрораспределитель и второй сливной клапан; линия нагнетания вспомогательного насоса через фильтр подведена к входу первого сливного клапана и к входам подпиточных клапанов; входы золотникового гидрораспределителя подключены к силовым магистралям, а выход - к магистрали, а через второй сливной клапан к баку.
Сущность изобретения состоит в том, что в предлагаемой гидрообъемной передаче для непрерывной очистки рабочей жидкости на выходе вспомогательного насоса использован фильтр, а для снижения температуры рабочей жидкости и, как следствие, уменьшения износа движущихся частей регулируемых насоса и гидромотора применяется золотниковый трехпозиционный гидрораспределитель и второй сливной клапан.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
- Фиг. 1, на которой представлена принципиальная гидрокинематическая схема гидрообъемной передачи;
- Фиг. 2, на которой представлен чертеж общего вида гидрообъемной передачи;
- Фиг. 3, на которой представлено изображение в ракурсе 3/4 спереди гидрообъемной передачи.
Согласно Фиг. 1 гидрообъемная передача содержит: 1 - регулируемый насос, 2 - регулируемый гидромотор, 3 и 4 - силовые магистрали, 5 - вспомогательный насос, 6 - линию нагнетания, 7 - первый сливной клапан, 8 и 9 - подпиточные клапаны, 10 - магистраль, 11 - управляющую полость, 12 - поршень, 13, 16 и 17 - пружины, 14 и 15 - цилиндры, 18 - золотник, 19 - втулку, 20 - бак, 21 - рычаг, 22 - валик управления, 23 и 24 - нуль-установители, 25 и 26 - предохранительные клапаны, 27 - фильтр, 28 - золотниковый гидрораспределитель и 29 - второй сливной клапан.
В соответствии с Фиг. 1 в гидрообъемной передаче регулируемый насос 1 и регулируемый гидромотор 2 объемно-замкнуты (то есть гидравлически связаны друг с другом) силовыми магистралями 3 и 4. На вход вспомогательного насоса 5, механически связанного с валом регулируемого насоса 1, поступает рабочая жидкость из бака 20. Линия нагнетания 6 вспомогательного насоса 5, через фильтр 27 подведена к входу первого сливного 7 и входам подпиточных 8 и 9 клапанов, а также к входу золотника 18 механизма регулирования насоса 1. Первый сливной клапан 7 имеет выход в бак 20, а выходы подпиточных клапанов 8 и 9 подключены соответственно к силовым магистралям 3 и 4.
Входы золотникового гидрораспределителя 28 подключены к силовым магистралям 3 и 4, выход - с помощью магистрали 10 к управляющей полости 11 поршня 12, который опирается на пружину 13, а через второй сливной клапан 29 к баку 20. Поршень 12 кинематически соединен с регулирующим органом регулируемого гидромотора 2, который удерживается пружиной 13 в исходном нулевом положении.
Поршни цилиндров 14 и 15 поджаты пружинами 16 и 17 к регулирующему органу регулируемого насоса 1. Управляющие полости цилиндров 14 и 15 подключены к выходам золотника 18, установленному во втулке 19, которая шарнирно связана с регулирующим органом насоса 1. Золотник 18, имеющий также выход в бак 20, соединен с рычагом 21, скрепленным с валиком управления 22, к которому поджаты нуль-установители 23 и 24.
К силовым магистралям 3 и 4 гидрообъемной передачи подключены предохранительные клапаны 25 и 26.
На Фиг. 2 изображен чертеж общего вида гидрообъемной передачи (в ракурсе «вид спереди»), где 30 - датчики контроля параметров рабочей жидкости, 31 - выходной вал регулируемого гидромотора, 32 - входной вал регулируемого насоса, 33 - корпус гидрообъемной передачи, 34 и 37 - пробки, 35, 39 и 40 - штуцера, 36 - валик управления, 38 - фильтр, 41 - вспомогательный насос, 42 - входной-выходной вал вспомогательного насоса, 43 - коробка с предохранительными клапанами и 44 - клапан заправки.
Гидрообъемная передача (см. Фиг. 3), скомпонованная в корпусе 33 (см. Фиг. 2), устанавливается на гусеничную машину (трактор, экскаватор, тягач, быстроходная гусеничная машина и т.п.), причем для обеспечения возможности дистанционного контроля, в различных точках гидрообъемной передачи предусмотрена установка датчиков давления и температуры рабочей жидкости 30 (см. Фиг. 2), сигналы от которых поступают на приборную панель водителя гусеничной машины.
Входной вал регулируемого насоса 32 сопрягается с валом двигателя гусеничной машины, выходной вал регулируемого гидромотора 31 - с согласующим редуктором механизма поворота гусеничной машины, валик управления 36 - со штурвалом водителя гусеничной машины, вал вспомогательного насоса 42 - с редуктором стартер-генератора гусеничной машины; штуцеры 35 и 40 подключаются к радиатору охлаждения гидрообъемной передачи, а штуцер 39 - к пополнительному баку гидрообъемной передачи; вспомогательный насос 41 с фильтром 38 обеспечивают пополнение рабочей жидкостью силовых магистралей гидрообъемной передачи, а предохранительные клапаны коробки 43 - защиту от превышения допустимого давления в этих магистралях; пробки 34 и 37 обеспечивают выпуск воздуха из внутренних объемов корпуса 33 и фильтра 38 при заполнении гидрообъемной передачи рабочей жидкостью с помощью клапана заправки 44 (см. Фиг. 2).
Предлагаемая гидрообъемная передача работает следующим образом.
При работе гидрообъемной передачи (см. Фиг. 1), когда вращаются (от двигателя гусеничной машины) валы насоса 1 и связанного с ним вспомогательного насоса 5, нагнетаемая последним рабочая жидкость по магистрали 6 через фильтр 27 поступает к первому сливному клапану 7, который, пропуская излишки рабочей жидкости в бак 20, поддерживает необходимое рабочее давление на входе подпиточных клапанов 8 и 9, а также на входе золотника 18 механизма регулирования насоса 1. В процессе работы гидрообъемной передачи, через подпиточные клапаны 8 и 9 рабочая жидкость поступает в силовые магистрали 3 и 4 для восполнения утечек из них.
С помощью золотникового гидрораспределителя 29, автоматически управляемого перепадами давлений в гидравлических силовых магистралях 3 и 4, поддерживается необходимое рабочее давление в магистрали 10. Под действием давления рабочей жидкости в магистрали 10, поршень 12, сжимая пружину 13, перемещается и переводит регулирующий орган регулируемого гидромотора 2 из нулевого положения в наклонное, при котором рабочий объем гидромотора становится максимальным.
Причем в процессе работы гидрообъемной передачи с помощью второго сливного клапана 29 осуществляется постоянный слив «горячей» рабочей жидкости в бак 20, где помощью системы охлаждения (на Фиг. 1 не показана) понижается ее температура, после чего вспомогательный насос 5 через подпиточные клапаны 8 и 9 снова пополняет, но уже охлажденной рабочей жидкостью, силовой контур гидрообъемной передачи, таким образом понижая температурный режим и уменьшая износ движущихся частей регулируемых насоса 1 и гидромотора 2.
Для обеспечения вращения выходного вала регулируемого гидромотора 2 поворачивают валик управления 22 (сопряженный со штурвалом водителя гусеничной машины), сжимая пружину одного из нуль-установителей 23 или 24, изменяя положение скрепленного с ним рычага 21 и перемещая золотник 18, что обеспечивает поступление рабочей жидкости (с выхода фильтра 27) в один из цилиндров (в 16 или 17), а другой цилиндр при этом соединяется с поддоном 20. Под давлением этой рабочей жидкости регулирующий орган регулируемого насоса 1 поворачивается, перемещая связанную с ним втулку 19. Поворот регулирующего органа прекратится, когда позиция втулки будет соответствовать исходному схемному перекрытию поясков и пазов золотника 18 и втулки 19. При этом позиция регулирующего органа регулируемого насоса 1 будет соответствовать углу поворота валика управления 22. При отклонении регулирующего органа от этой позиции (из-за динамических процессов, протекающих в насосе 1, гидромоторе 2 и силовых магистралях 3 и 4) исходная схема перекрытий пары золотник-втулка нарушается, под один из цилиндров 14 или 15 подводится давление рабочей жидкости, а другой сообщается с баком 20 и схема перекрытий золотник-втулка автоматически восстанавливается поворотом регулирующего органа.
При отклонении регулирующего органа плунжеры регулируемого насоса 1 совершают возвратно-поступательное движение и происходит всасывательно-нагнетательный процесс. Рабочая жидкость, регулируемая насосом 1 по величине и направлению потока, по одной из магистралей 3 или 4 поступает к регулируемому реверсивному гидромотору 2 и, вращая его вал в соответствующем направлении, возвращается обратно к регулируемому насосу 1. Причем частота вращения вала регулируемого гидромотора 2 соответствует углу поворота валика управления 22.
При изменении позиции валика управления 22 изменяется частота вращения вала регулируемого гидромотора 2 (сопряженного с согласующим редуктором механизма поворота гусеничной машины). Значение давления в нагнетательной магистрали 3 или 4 определяется нагрузкой на валу регулируемого гидромотора 2. Максимальное давление в ней ограничивается предохранительным клапаном 25 или 26, который при срабатывании сообщает нагнетательную магистраль 3 или 4 с соответствующей магистралью низкого давления 4 или 3.
При снятии с валика управления 22 управляющего воздействия нуль-установители 23 или 24 переводят его, скрепленные с ним рычаг 21 и золотник 18, в нейтраль, при нахождении в которой, из-за отсутствия давления рабочей жидкости в цилиндрах 14 и 15 и с помощью пружин 16 или 17 этих цилиндров, регулирующий орган регулируемого насоса 1 устанавливается в нулевое положение.
При останове двигателя гусеничной машины валы регулируемого и вспомогательных насосов 1 и 5 прекращают вращение, нагнетательный процесс от вспомогательного насоса 5 в линию 6 прекращается, подпиточные клапаны 8 и 9 открываются, соединяя силовые магистрали 3 и 4 друг с другом и с линией 6, а перемещаемый пружиной 13 поршень 12 выдавливает рабочую жидкость из управляющей полости 11 в магистраль 10. Вытесняемая рабочая жидкость по зазорам: между поршнем 12 и его цилиндром, вспомогательного насоса 5, регулируемых насоса 1 и гидромотора 2 и их гидростатических опор на плунжерах сливается в бак 20. При этом регулирующий орган регулируемого гидромотора 2 устанавливается в нулевое положение. Вследствие этого выходной вал регулируемого гидромотора 2 может свободно вращаться, никоим образом не препятствуя свободному повороту буксируемого транспортного средства.
В процессе эксплуатации при выполнении регламентных работ по техническому обслуживанию гидрообъемной передачи выполняется замена загрязненного фильтра 27.
К техническим результатам - конкурентным преимуществам, полученным в предлагаемом изобретении, относятся следующие:
- обеспечение высокой плавности поворота гусеничной машины за счет использования бесступенчатой гидрообъемной передачи в качестве промежуточного звена между валом двигателя и валом дифференциального механизма поворота гусеничной машины;
- возможность транспортирования гусеничной машины на буксире при выключенном (отказавшем) двигателе без необходимости выполнения каких-либо подготовительных работ, например по расстыковке элементов механизма поворота;
- максимальное сохранение остаточного ресурса за счет использования фильтра, обеспечивающего непрерывную очистку рабочей жидкости, циркулирующей в магистралях и элементах гидрообъемной передачи;
- значительное уменьшение износа движущихся частей регулируемых насоса и гидромотора за счет снижения температуры рабочей жидкости в силовом контуре гидрообъемной передачи.
Промышленная применимость изобретения определяется тем, что предлагаемая гидрообъемная передача может быть изготовлена в соответствии с приведенным описанием и чертежами (см. Фиг. 1, 2 и 3) на базе известных комплектующих изделий и технологического оборудования.
Предлагаемые технические решения практически реализованы в опытном образце изделия «Гидропривод» 569-13.04.000, по результатам положительных испытаний которого Открытым акционерным обществом «Мытищинский машиностроительный завод» в составе гусеничной машины предполагается освоить серийный выпуск данных изделий.
На основании вышеизложенного и по результатам проведенного нами патентно-информационного поиска считаем, что предлагаемая гидрообъемная передача отвечает критериям «Новизна», «Изобретательский уровень» и «Промышленная применимость» и может быть защищена патентом РФ на изобретение.