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

Полезная модель относится к двигателестроению, а именно, к гидромеханическим трансмиссиям с бесступенчатым изменением передаточного числа, устройствам преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное с бесступенчатым изменением передаточного числа.
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.
Наиболее близким аналогом к патентуемому решению является гидромеханическое устройство 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 с возможностью преобразования циклических угловых перемещений вала гидропривода во вращательное движение ведомого вала механической трансмиссии. (Патент №88088, МПК F16H 61/00 (2006.01), опубликован 27.10.2009).
Недостатком известного устройства является довольно низкий КПД, сложная материалоемкая конструкция, необходимость применения в механической трансмиссии двух пар шестерен, из которых одна находится в зацеплении посредством паразитной шестерни.
Техническим результатом, достигаемым при использовании патентуемого решения, является, во-первых, усовершенствование и упрощение управляющего механизма и его взаимодействия с насосом, что позволит изменять передаточное число от нулевого значения (холостого хода) до любого положительного значения, во-вторых, замена требующего прецизионного исполнения роторного циклического гидропривода на два линейных гидропривода на основе обычных гидроцилиндров стандартизированных размеров, исключение применения шестеренчатых пар или сокращение количества шестеренчатых пар до одной, что позволит, в свою очередь, упростить конструкцию, снизить вероятность выхода ее из строя, получить за один такт работы гидроцилиндров вращение ведомого вала на угол более 360°, упрощение и облегчение конструкции, повышение КПД за счет лучших условий работы гидроцилиндров и уменьшения потерь на трение в механической части устройства, а также возможность синхронизации углового перемещения ведущего и ведомого валов и, соответственно, величин крутящего момента на ведущем и ведомом вале в одном такте работы устройства.
Патентуемое решение может быть применено в конструкции транспортных средств с механическими двигателями, в том числе летательных аппаратов, в качестве привода рабочих органов инструмента, в конструкции велосипедов и других видов транспорта, приводимых мускульной силой.
Кроме этого, при использовании, например, в конструкции велосипеда, по сравнению с уже известным из патента №88088 устройством, достигается следующий результат:
- уменьшение веса за счет исключения таких узлов, как роторный циклический гидропривод и механическая трансмиссия, состоящая из пяти шестерен с заменой на более простые узлы.
- компоновочные преимущества, позволяющие разместить основные узлы в защищенных картерах, включенных в конструкцию велосипедной рамы и втулки ведущего колеса.
Заявленный технический результат достигается за счет использования гидромеханического устройства преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное с бесступенчатым изменением передаточного числа, которое содержит поршневой насос, полость которого соединена гидролиниями с гидроцилиндрами, штоки которых связаны с механической трансмиссией, при этом шток поршневого насоса связан с управляющим механизмом.
Технический результат, достигаемый при использовании патентуемого устройства, обеспечивается за счет применения в конструкции поршневого насоса двойного действия (объемной гидромашины) переменной производительности и переменного развиваемого усилия (при этом производительность и усилие находятся между собой в обратно-пропорциональной зависимости). Данный насос представляет собой насос, полость которого разделена на две рабочие камеры, заполненные рабочей жидкостью. В качестве конструкции поршневого насоса предлагается три варианта - с неподвижным цилиндром, с подвижным цилиндром постоянного, в отличие от конструкции поршневого насоса наиболее близкого аналога, сечения, или с двумя неподвижными цилиндрами.
Применение вместо роторного циклического гидропривода, как в устройстве, раскрытом в патенте №88088, двух гидроцилиндров, возвратно-поступательное движение штоков которых преобразуется во вращательное с помощью упрощенной механической трансмиссии.
В качестве конструкции механической трансмиссии могут быть использованы три основные варианты механических связей - «зубчатая рейка-шестерня», «трос-шкив» или «цепь-звездочка», при этом шестерня или шкив или звездочка размещены на ведомом валу.
При этом, в отличие от патента №88088, все предложенные варианты допускают возможность получения повышающей передачи без дополнительной механической ступени трансмиссии, что становится возможным за счет применения штоков длины большей, чем длина рабочей окружности детали (шестерни, шкива, звездочки), размещенной на ведомом валу. При величине перемещения штока гидроцилиндра большей, чем длина рабочей окружности, одному рабочему ходу штока гидроцилиндра будет соответствовать вращение ведомого вала на величину более 360°, благодаря чему появляется возможность создания повышающей гидромеханической передачи без применения шестеренчатых пар, что было невозможно при использовании устройства по патенту-аналогу.
При рассмотрении механической связи «трос-шкив» предлагается также вариант применения эксцентриковых круговых и некруговых шкивов для синхронизации перемещений ведущего и ведомого валов (достижения равномерного вращательного движения валов) и крутящих моментов на валах.
С целью мультипликации передаточного числа устройство может содержать дополнительную ступень механической трансмиссии, выполненной в виде шестеренчатой пары.
В частности, управляющий механизм может быть выполнен в виде двух эксцентриковых дисков, размещенных на ведущем валу управляющего механизма. При использовании такой конструкции управляющего механизма, основанной на изменении эксцентриситета (плеча кривошипа) эксцентрика на первичном валу, приводящем в действие поршневой насос достигается изменение рабочего хода и, соответственно, усилия.
Кроме этого, управляющий механизм может быть выполнен в виде двух 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. При использовании управляющего механизма подобной конструкции в комбинации с поршневым насосом с поршнем постоянного сечения достигается возможность регулирования производительности одного такта работы насоса от нулевого значения до полного внутреннего объема цилиндра насоса.
В частности, каретка управляющего механизма может быть выполнена с роликами.
Далее решение поясняется ссылками на фигуры.
На фигуре 1 изображен общий вид устройства;
На фигуре 2 - варианты механической связи трос-шкив с размещением кругового шкива с эксцентриситетом и эллиптического шкива;
На фигуре 3 - варианты механической связи штоков гидроцилиндров механической трансмиссии с деталью, сообщающейся с ведомым валом посредством обгонной муфты (шкив, звездочка, шестерня).
На фигуре 4 - устройство управляющего механизма, выполненного в виде двух эксцентриковых дисков, размещенных на ведущем валу и принцип его работы;
На фигуре 5 - насос двойного действия с постоянным диаметром цилиндра, допускающий управление производительностью одного такта через изменение соотношения постоянной величины хода поршня (не требующего изменения эксцентриситета в приводе штока насоса от ведущего вала) к переменной величине хода подвижного цилиндра;
На фигуре 6 - принципиальная схема и работа поршневого насоса переменной производительности с подвижным цилиндром и управляющего механизма, представляющего из себя пантограф;
На фигуре 7 - поршневые насосы переменной производительности с управляющим эксцентриком и схема работы эксцентрика;
На фигуре 8 - конструкция гидронасоса с подвижным цилиндром с применением управляющего механизма с применением второго эксцентрикового диска, размещенного соосно первому, приводящему шток насоса, в параллельной ему плоскости на ведущем валу;
На фигуре 9 - конструкция и принцип работы поршневого насоса с двумя неподвижными цилиндрами, каждый из которых разделен поршнем на два изолированных объема.
Устройство, приведенное на фигуре 1, содержит следующие основные узлы: поршневой насос 1, полость которого соединена гидролиниями 2 с гидроцилиндрами 3, штоки 4 которых связаны с механической трансмиссией 5, при этом шток 6 поршневого насоса связан с управляющим механизмом 8, дополнительная ступень трансмиссии - шестеренчатая пара 9. Управляющий механизм 8, в рассматриваемом примере, выполнен в виде эксцентрикового механизма, размещенных на ведущем валу 10 управляющего механизма. Эксцентриковый механизм представляет собой эксцентриковый диск 11, эксцентриковой кольцо 12, размещенные на ведущем валу 10. Эксцентриковый механизм с помощью шатуна 13 связан со штоком 6 поршневого насоса 1.
При вращении ведущего вала 10 эксцентриковый механизм преобразует его в возвратно-поступательное движение ползуна-штока 13 поршневого насоса 1, что обеспечивает нагнетание рабочей жидкости в один из двух гидроцилиндров 3 и откачивание равного объема из второго гидроцилиндра, в результате чего штоки 4 гидроцилиндров совершают разнонаправленное линейное движение.
Механическая связь (шестерня-рейка, трос-шкив, цепь-звездочка), см. фигуру 3, обеспечивает при этом разнонаправленное вращательное движение двух деталей (шестерней, шкивов, звездочек), соединенных с ведомым валом посредством однонаправленных обгонных муфт 14. Одна из муфт работает на свободном ходу, а вторая сообщает ведомому валу вращательное движение. При смене направления движения штоков гидроцилиндров со сменой такта в гидронасосе, вращение начинает передавать вторая обгонная муфта, а первая отключается.
Изображенные на фигуре 2 варианты механической связи трос-шкив с размещением кругового шкива с эксцентриситетом и эллиптического шкива, могут найти применение для компенсации неравномерности линейного перемещения штока гидроцилиндра, достижения равномерности вращательного движения ведомого вала и выравнивания величины крутящего момента на этом валу. Шкив при необходимости может быть выполнен и в виде другой выпуклой геометрической фигуры, а определение его формы связано с определением геометрии движения штока гидроцилиндра.
На фигуре 4 изображены устройство и принцип работы управляющего механизма 8, который может быть применен для управления производительностью обычного поршневого гидронасоса. Управляющий механизм 8 в данном случае совмещен с эксцентриковым приводом насоса и состоит из двух эксцентриковых дисков 15 и 16, размещенных на ведущем валу 10. На фигуре также показано, как при развороте двух дисков относительно друг друга меняется расстояние АВ, определяющее общий эксцентриситет системы двух дисков, и, соответственно, величину рабочего хода поршня гидронасоса. При этом производительность насоса и величина развиваемого усилия пропорциональны отношению длины шатуна (рычагу) педального узла к величине эксцентриситета системы двух дисков (рычагу кривошипа) и находятся между собой в обратно-пропорциональной зависимости. На Фигуре 3.2. изображен эксцентриковый узел в сборе с обычным гидронасосом двойного действия.
На Фигуре 5 (а, б, в, г, д) изображен поршневой насос двойного действия с постоянным диаметром цилиндра, допускающий управление производительностью одного такта через изменение соотношения постоянной величины хода поршня (не требующего изменения эксцентриситета в приводе штока насоса от ведущего вала) к переменной величине хода подвижного цилиндра.
Начальное (нижнее) положение поршня показано в варианте «а».
В варианте «б» показан момент завершения такта при неподвижном цилиндре, что соответствует максимальной производительности насоса.
В варианте «в» показан момент завершения такта при перемещении цилиндра на расстояние, равное перемещению поршня, что соответствует нулевой производительности насоса (свободному ходу в устройстве в целом).
В варианте «г» показан момент завершения такта при перемещении цилиндра на величину, составляющую 50% от перемещения поршня, что соответствует 50% производительности насоса.
Данная конструкция насоса требует применения управляющего механизма, обеспечивающего плавное перемещения поршня на заданную величину.
На Фигуре 6 (а, б, в, г, д) изображены принципиальная схема и работа поршневого насоса 1 переменной производительности с подвижным цилиндром 17 и управляющим механизмом, представляющим из себя пантограф, рычаги 18 которого закреплены посредством шарниров 19 на штоке 6 насоса и корпусе насоса, а также шарнирно соединены между собой. При этом шарнирное сочленение рычагов друг с другом размещено на каретке (не показана), имеющей возможность перемещаться по направляющей 20 управляющего механизма. Свободный конец линейки может перемещаться, при этом направляющая может изменять свое положение, отклоняясь от параллели с продольной осью поршневого насоса, тем самым определяя взаиморасположение штока насоса и цилиндра при их перемещении в ходе совершения рабочего такта. Управляющее воздействие - перемещение свободного конца линейки управляющего механизма может быть осуществлено любым вариантом механического, гидравлического или электрического сервомеханизма.
В варианте «а» изображено взаиморасположение цилиндра и штока насоса при начале такта, в варианте «б» - их взаиморасположение при полном перемещении обеих деталей (направляющая управляющего механизма параллельна оси гидронасоса), в вариантах «в», «г» и «д» - взаиморасположение деталей при различных углах отклонения линейки от параллели, с соответствующим увеличением производительности насоса.
На Фигурах 7 (а, б, в), 8 (а, б, в, г, д, е) и 9 (а, б, в, г) отображены принципы устройства и схема работы гидронасосов с управляющим механизмом другой конструкции, с применением, для управления производительностью, второго эксцентрикового диска, размещенного соосно первому, приводящему шток насоса, в параллельной ему плоскости на ведущем валу. При этом второй эксцентрик либо управляет движением подвижного цилиндра, либо работой поршня во втором цилиндре в варианте двухцилиндрового насоса. Эксцентрики соосны, но размещены на ведущем валу с разворотом осей, проложенных от центра вращения к геометрическим центрам эксцентриковых дисков, на угол от 0 градусов до 180 градусов, с возможностью изменения этого угла. Величина угла разворота определяет суммарную производительность насоса (двух цилиндров или подвижного цилиндра в паре с поршнем) при совершении одного такта.
В варианте «а» фигуры 7 схематически изображены круговые траектории движения крепления шатунов к кольцам эксцентриковых механизмов (шарниров крепления шатунов к кривошипу в обычном кривошипно-шатунном механизме). При этом эксцентриковые диски развернуты между собой на угол 60 градусов. Взаиморасположение двух эксцентриковых дисков, развернутых между собой на угол 45 градусов, иллюстрирует вариант «в».
Как показано в варианте «а», при вращении эксцентриков по часовой стрелке в данном положении обеспечивается движение ползунов (штоков) 21 в одном направлении - вниз. Так будет продолжаться до тех пор, пока один из шатунов 22 не пересечет продольной оси поршневого насоса и проекции ведущего вала (точка А на пунктирной линии). После этого момента начнется разнонаправленное линейное перемещение ползунов (штоков) 21 и будет продолжаться до тех пор, пока и второй шатун 22 не пересечет указанной точки, после чего вновь начнется однонаправленное движение ползунов (штоков) вверх.
Таким образом, угол разворота двух эксцентриков относительно друг друга предопределяет продолжительность противонаправленного линейного движения в одном такте (полном обороте ведущего вала и размещенных на нем эксцентриков). При величине угла разворота в 180 градусов, как показано в варианте «б» фигуры 8, линейное движение всегда совершается в противофазе, при нулевой величине угла движение синхронизируется, все промежуточные значения угла разворота задают соответствующее соотношение времени однонаправленного и разнонаправленного движения. Данная закономерность позволяет спроектировать на своей основе механизм управления производительностью и усилием гидравлического поршневого насоса.
Фигура 8 (а, б, в, г, д, е) иллюстрирует работу поршневого насоса 1 с подвижным цилиндром 23 с применением управляющего механизма со вторым эксцентриком. В данной конструкции одна пара эксцентрик-шатун приводит в движение шток и поршень 24 насоса, вторая пара эксцентрик-шатун 25, шарнирно соединенная с корпусом подвижного цилиндра 23, сообщает ему линейное движение. При этом при работе в противофазе цилиндр и шток насоса движутся навстречу друг другу, что обеспечивает максимальную производительность гидронасоса. При движении корпуса цилиндра и поршня в одном направлении производительность гидронасоса уменьшается.
Вариант «а» показывает среднее положение, при котором поршень делит внутренний объем цилиндра насоса на равные объемы и взаимное расположение шатунов при этом.
Варианты «в» и «г» показывают крайние положения поршня и цилиндра насоса при величине угла разворота эксцентриков 180 градусов, и соответственно, работе насоса с максимальной производительностью.
Варианты «г» и «д» показывают промежуточные положения при меньшем угле разворота эксцентриков и направления линейных перемещений цилиндра и штока поршня в этих положениях при вращении ведущего вала по часовой стрелке.
Вариант «е» показывает узел на виде сбоку.
На фигуре 9 (а, б, в, г) изображена конструкция и приведен принцип работы поршневого насоса, с аналогичным приведенному на фигуре 9, управляющим механизмом, но с измененной конструкцией насоса. Здесь применен насос с двумя неподвижными цилиндрами 26, каждый из которых разделен поршнем на два изолированных объема. «Верхние» и «нижние» объемы цилиндров соединены между собой перепускными гидролиниями, в которые врезаны штуцеры 27 для подсоединения гидролиний, соединяющих насос с гидроцилиндрами привода ведомого вала.
Вариант «а» показывает работу насоса при однонаправленном движении обоих поршней. При этом рабочая жидкость вытесняется из объемов V1 и закачивается в объемы V2. В отличие от насоса с подвижным цилиндром максимальная производительность в данной конструкции достигается при однонаправленном синхронном движении, которое совершается при нулевой величине угла разворота эксцентриков.
Вариант «б» показывает работу насоса при противонаправленном движении поршней с равной скоростью (разворот эксцентриков составляет 180 градусов). При этом суммарные величины объемов не изменяются, вытеснения жидкости в цилиндры гидропривода и откачивания ее не происходит, система работает с нулевой производительностью - на холостом ходу.
Вариант «в» показывает работу насоса при разнонаправленном движении поршней с разной скоростью, при этом часть объема рабочей жидкости перекачивается из одного цилиндра в другой, часть же рабочей жидкости вытесняется в «верхний» штуцер, а равный ей объем закачивается в насос через «нижний» штуцер. Система при этом (при угле разворота эксцентриков менее 180 градусов) работает с производительностью меньше максимальной.