Гидротрансформатор с регулируемым передаточным отношением
HYDRAULIC TRANSFORMER WITH CONTROLLED GEAR RATIO

Изобретение относится к машиностроению, а в частности к объемным гидропередачам и может быть использовано в трансмиссиях самоходных транспортных средств и в приводах строительных машин.
Достаточно широкое распространение объемные гидропередачи с применением аксиально-поршневых гидронасосов и гидромоторов получили в приводах строительных машин, пластинчатые гидромашины нашли свое применение в объемных приводах металлорежущих станков. [1] Многочисленные попытки использовать объемные гидропередачи для привода транспортных средств не дали существенных результатов. Достаточно широкое распространение в автомобилестроении получили гидродинамические передачи, так называемые гидротрансформаторы, обеспечивающие передачу крутящего момента за счет гидродинамического воздействия направленного потока рабочей жидкости от насосного колеса на лопатки турбинного колеса. Гидротрансформаторы, по причине невысокого коэффициента трансформации крутящего момента (меньше трех в режиме остановки ведомого вала) используются совместно с гидромеханическими коробками перемены передач, образуя общий узел, имеющий название автоматической коробки перемены передач (АКПП). АКПП технологически достаточно сложный и дорогостоящий агрегат, имеющий на единицу передаваемой мощности массу и габариты значительно превышающие указанные параметры механических коробок перемены передач. [2]
Предлагаемый гидротрансформатор с регулируемым передаточным отношением (регулируемый гидротрансформатор) рассматривается как агрегат для изменения в автоматическом режиме скоростных и тяговых характеристик транспортных и самоходных машин и может заменить существующие АКПП без снижения технико-экономических показателей и ресурса эксплуатации, а по масса-габаритным характеристикам и по удельным производственным затратам иметь значительно лучшие показатели. По классификации гидромашин регулируемый гидротрансформатор можно отнести к роторно-лопастной гидропередаче с рычажным механизмом, но в результате проведенного поиска и анализа объемных и гидродинамических передач, по указанной классификации, известную гидромашину схожую по конструкции с предлагаемым регулируемым гидротрансформатором обнаружить не удалось. При отсутствии аналогов, имеющих схожие конструктивные особенности, предлагается рассматривать регулируемый гидротрансформатор в сравнении с существующими АКПП, имеющими тоже назначение и такой же уровень автоматизации. В отличии от АКПП регулируемый гидротрансформатор обеспечивает бес ступенчатое изменение передаточного отношения, состоит из значительно меньшего количества сборочных единиц.
Описание чертежей.
На фиг. 1 изображен поперечный разрез регулируемого гидротрансформатора в режиме задней передачи.
На фиг. 2 изображен поперечный разрез регулируемого гидротрансформатора в режиме движения вперед.
На фиг. 3 изображен продольный разрез регулируемого гидротрансформатора в режиме движения вперед.
В корпусе 1 с цапфой 2 через подшипники 3 и эксцентриковый механизм 4 установлен ведущий вал 5 выполненный с насосным колесом 6 имеющим цилиндрические шарниры 7 с лопастями 8, размещенными в направляющем колесе 9 имеющим окна 10, направляющие канавки 11 с пальцами 12 фиксирующими лопасти 13 закрепленными через цилиндрические шарниры 14 на турбинном колесе 15 выполненным с шлицевой ступицей 16 для соединения с ведомым валом 17, причем турбинное колесо установлено в подшипниках 18 и 19, а направляющее колесо 9 установленное через подшипники 20 на кривошип 21 выполненный с противовесами 22 и 23, установленный в подшипниках 24 имеет управление через электромагнитный захват 25 и фрикционную муфту 26.
Осуществление изобретения.
В корпусе 1 установлена в оси, являющейся центральной осью, цапфа 2 имеющая отверстие выполненное с эксцентриситетом, где для привода насосного колеса 6 имеется ведущий вал 5 установленный через подшипники 3 и эксцентриковый механизм 4 состоящий из двух эксцентриковых втулок (эксцентриков) установленных одна в другой с возможностью вращения как в цапфе так и между собой обеспечивающих при повороте в противоположные стороны на 180° линейное перемещение ведущего вала на расстояние равное четырем эксцентриситетам втулок (эксцентриковый механизм Митрофанова А.А-SU 1573271), причем насосное колесо 6 имеющее закрепленные посредством цилиндрических шарниров 7 лопасти 8 размещено внутри направляющего колеса 9 которое имеет окна 10, направляющие канавки 11 с пальцами 12 фиксирующие лопасти 13 установленные через цилиндрически шарниры 14 на турбинном колесе 15 имеющим шлицевую ступицу 16 для соединения с ведомым валом 17 и установленном в центральной оси, с одной стороны через подшипники 18 в корпусе, а с другой через подшипники 19 на кривошип 21 выполненным с противовесами 22 и 23 установленным через подшипники 24 на цапфу 2 в центральной оси, а направляющее колесо 9 установлено через подшипники 20 также на кривошип 21, но только с эксцентриситетом являющимся радиусом кривошипа, причем для торможения кривошип соединен с фрикционной муфтой 26, а для его позиционирования предусмотрен электромагнитный захват 25
Работа регулируемого гидротрансформатора.
Работу регулируемого гидротрансформатора в качестве трансмиссии транспортного средства предлагается рассматривать на основных рабочих режимах, сопоставляя их с режимами, которые предусмотрены для АКПП. Изменение режимов работы в регулируемом гидротрансформаторе производится поворотом на заданный угол эксцентриков в эксцентриковом механизме обеспечивающими перемещение ведущего вала, совместно с насосным колесом, в заданные для каждого режима положения.
На всех режимах работы, кроме режима прямой передачи, кривошип фиксируется в заданном положении действием на противовес магнитного поля электромагнитного захвата, закрепленного на корпусе и фрикционной муфтой, обеспечивающей торможение, подвод в заданное положение и удержание кривошипа от вращения. Кривошип фиксируется в положении, при котором геометрическая ось вращения направляющего колеса совпадает с осью вращения насосного колеса, установленного в режиме нейтральной передаче. При соосном размещении насосного колеса и направляющего колеса, в положении эксцентрикового механизма «N» на нейтральной передачи, объем пространства между лопастями (межлопастное пространство), при вращении насосного колеса остается неизменным и вытеснение жидкости в турбинное колесо и обратно из турбинного колеса не производится и соответственно не производится передача крутящего момента.
Перевод эксцентрикового механизма из положения «N» в положение «R» соответствующее режиму задней передачи при котором ось вращения насосного колеса смещается от оси вращения направляющего колеса в сторону от центральной оси на величину равную отношению значения радиуса кривошипа к расчетному значению передаточного числа задней передачи. В этом положении (см. фиг. 1) объем межлопастного пространства, левой части насосного колеса по направлению вращения, уменьшается, производя вытеснение жидкости через окна в область турбинного колеса. Результирующая сила действия статического давления жидкости на турбинное колесо, направленная в сторону увеличения объема межлопастного пространства, обеспечивает его вращение вправо.
Перевод эксцентрикового механизма в положение «D» соответствующее режиму движения вперед, на первом этапе начала движения с места, при котором ось вращения насосного колеса смещается от оси вращения направляющего колеса в сторону к центральной оси на величину равную отношению значения радиуса кривошипа к расчетному значению передаточного числа первой передачи. В этом положении (см. фиг. 2), объем межлопастного пространства правой части насосного колеса по направлению вращения уменьшается, производя вытеснение жидкости через окна в область турбинного колеса. Результирующая сила действия статического давления жидкости на турбинное колесо, направленная в сторону увеличения объема межлопастного пространства, обеспечивает его вращение в лево.
На втором и последующих этапах, при разгоне транспортного средства эксцентриковый механизм, посредством сервоуправления (на чертежах не указан), в соответствии с достигнутой скоростью продолжает перемещать ведущий вал совместно с насосным колесом в направлении к центральной оси, обеспечивая дальнейшее увеличение объема подачи рабочей жидкости насосным колесом и как следствие плавное снижение передаточного отношения. При этом, в результате действия статического давления и гидродинамического воздействия направленного потока рабочей жидкости на направляющее колесо, со стороны насосного и турбинного колес на кривошипе создается крутящий момент который определяется как разница значений крутящих моментов создаваемых на насосном и турбинном колесах, причем крутящий момент на кривошипе изменяется от максимального, в начале движения (направленного против вращения насосного колеса), до нуля, на режимах близких к прямой передачи. На режимах близких к примой передачи значительное влияние на формирование крутящего момента создаваемого на кривошипе в направлении вращения насосного колеса оказывает гидродинамическое воздействие потока рабочей жидкости на направляющее колесо, которое в свою очередь обеспечивается направлением изгиба лопастей насосного и турбинного колес.
С переводом эксцентрикового механизма в крайнее положение в режиме «D», при котором ось вращения насосного колеса совмещается с центральной осью, производится разблокировка кривошипа фрикционной муфтой и электромагнитным захватом. При разблокировке кривошип начинает вращаться и догонять по частоте вращения насосное колесо, причем по мере его разгона, частота вращения направляющего колеса, в его геометрической оси, снижается, а частота его эксцентричного вращения растет. Когда кривошип по частоте вращения догонит насосное колесо, регулируемый гидротрансформатор переходит в режим блокировки на прямой передаче при котором между насосным и турбинным колесом (см. фиг. 3) вращающимися соосно в центральной оси и с одинаковой частотой, вращается направляющее колесо с той же частотой, но только эксцентрично относительно центральной оси. Данное взаимное перемещение насосного, турбинного и направляющего колес производится без изменения в них объема межлопастного пространства и, следовательно, без перемещения рабочей жидкости, без трения лопастей о стенки направляющего и турбинного колес. В режиме блокировки на прямой передаче регулируемый гидротрансформатор имеет максимально высокий гидравлический и механический КПД, в этом режиме, а он является основным для транспортного средства, его детали не подвергаются нагрузкам и износу.
При изменениях скоростных и тяговых условий движения транспортного средства производится выход из режима блокировки на прямой передаче, при котором фрикционная муфта и электромагнитный захват останавливают в заданном положении кривошип, а сервоуправление переводит эксцентриковый механизм на соответствующие для данной скорости значения передаточного числа регулируемого гидротрансформатора, обеспечивая работу двигателя в оптимальных режимах.
Новизна предлагаемого изобретения заключается в радиальном размещении узлов гидропередачи позволяющее обеспечивать передачу рабочей жидкости непосредственно от насосного колеса к турбинному и обратно, причем учитывая объемную производительность и скорости движения жидкости значительная часть передаваемой энергии производится за счет гидродинамического воздействия потока рабочей жидкости на лопасти турбинного колеса.