ГИДРОМОТОР КИРМАК
HYDRAULIC MOTOR "KIRMAK"

Изобретение относится к гидравлическим машинам, предназначенным для преобразования энергии потока рабочей жидкости в механическую на выходном валу, в частности к роторным гидромоторам.
Известны принятые за прототип гидромоторы двукратного и пятикратного действия, включающие обойму и размещенный в ней рабочий орган, выполненный в виде цапфы с уплотнительными перемычками, которые образуют подводящие камеры, связанные с напорной гидролинией. В цапфе смонтированы поршни, взаимодействующие с внутренним профилем обоймы, в виде овала или полуовалов (Башта Т.М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем. М. «Машиностроение», 1974, стр.169-175, рис.53-54).
Недостатком этих гидромоторов является их конструктивная сложность и отсутствие регулировки скорости вращения выходного звена. Кроме того, эти гидромоторы относятся к машинам с невысокими скоростями движения выходного звена, но высоким крутящим моментом и не нашли применения в автомобильной промышленности, но они незаменимы в горных машинах, где требуется высокое тяговое усилие для привода шахтных клетей, конвейеров.
В основу настоящего изобретения поставлена задача создания гидромотора для транспортных средств, выполняющего функцию коробки перемены передач, обеспечивая близкое к бесступенчатому регулирование частоты вращения выходного вала при сохранении передаваемой мощности с высоким коэффициентом полезного действия (КПД), экономичным в расходовании топлива на единицу мощности транспортного средства с уменьшенными параметрами вредных выбросов в атмосферу, используя эффект рекуперации энергии торможения и сокращения до минимума холостых оборотов, повышение надежности и долговечности за счет упрощения конструкции гидромотора.
Решение поставленной задачи достигается тем, что гидромотор содержит обойму, смонтированный в ней рабочий орган, приводимый в действие жидкостью под избыточным давлением, элементы связи с напорной и сливной гидролиниями.
Отличительной особенностью заявленного гидромотора является то, что рабочий орган выполнен в виде смонтированной на валах в подшипниковых опорах обоймы, конической косозубой шестеренной пары, у которой профиль зубьев и впадин в нормальном сечении образован полуэллипсами с радиально расположенной большой осью эллипса, при этом малая ось равна произведению большой оси на косинус угла наклона зубьев, а винтовые линии на конической поверхности зубьев представляют затухающую по закону логарифмической спирали кривую с переменным шагом. Такой профиль передачи обеспечивает равномерное по всей высоте соприкосаемых зубьев пятно контакта, что повышает контактную выносливость рабочих поверхностей зубьев; обеспечивает плотное прилегание перемещающегося вдоль оси пятна контакта винтовой поверхности зуба одной шестерни и соответствующей ему винтовой поверхности межзубовой впадины другой шестерни, что обеспечивает высокий КПД гидромотора, устраняет заложенные геометрией профиля люфты в передаче и, как следствие, снижает пульсацию давления, обеспечивает стабильность скорости вращения на выходном валу; т.к. радиус кривизны в торцевом сечении по всему профилю постоянен, то в передаче отсутствуют концентраторы напряжений, что способствует долговечности работы механизмов гидромотора.
Другим отличием является наличие оппозитно расположенных и поджимаемых башмаков, которые сегментарно охватывают наружные конические поверхности шестерен и обеспечивают герметичное замкнутое пространство, чем достигается сохранение давления жидкости, передаваемого от внешнего источника по напорной гидролинии.
Также отличительной особенностью при использовании рекуперации энергии торможения, например, автотранспорта является то, что направление вращения рабочего органа не изменяется, т.е. осуществляется работа гидромотора в режиме двигателя и последующая работа в режиме насоса - обратимость гидромотора для рекуперации энергии торможения не требует изменения направления вращения конических шестерен в обратном направлении в отличие от известных гидромоторов шестеренного типа ГМШ (гидромотор шестеренный) при обратимости его в гидронасос типа НШ (насос шестеренный).
При торможении, например, транспортного средства гидромотор преобразуется в гидронасос, от которого жидкость (масло) с избыточным давлением возвращается в накопитель энергии, например гидропневмоаккумулятор (на схемах не показано). Таким образом, энергия, затрачиваемая на торможение, превращается в полезную энергию подзарядки накопителя энергии, из которого питается гидромотор.
Еще одним отличием является регулятор скорости вращения выходного вала, выполненный в виде ползуна, скользящего в предусмотренных в правом башмаке направляющих, в которых выполнено по меньшей мере одно радиальное отверстие, одним концом связанное с напорной гидролинией, а другими взаимодействует с радиальными отверстиями в башмаке. Перемещая ползун вдоль конической поверхности шестерен, он соединяет межзубовое пространство дополнительно с напорной гидролинией, увеличивает подаваемый объем жидкости на зубья и тем самым увеличивает скорость их вращения, которая растет при перемещении ползуна в сторону затухания конуса передачи.
Кроме того, башмаки поджимаются к наружным поверхностям шестерен гидроцилиндрами, поршневые полости которых размещены в башмаках и каналами связаны с зонами напорного потока жидкости, а штоки замыкаются на стенки обоймы.
В башмаке предусмотрено сквозное отверстие, связанное с напорной гидролинией для передачи энергии избыточного давления масла в накопитель-гидропневмоаккумулятор.
Гидромотор поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен гидромотор, разрез обоймы с видом сверху на башмак и ползун; на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1.
Гидромотор КИРМАК включает обойму 1, размещенный в ней рабочий орган - конические косозубые шестерни 2 и 3, установленные соответственно на валах 4 и 5 в подшипниковых опорах 6, 7, 8 и 9, на выходных концах валов 4 и 5 закреплены муфты 10 и 11 для связи с потребителем и передачи ему вращения. Патрубком 12 обойма 1 соединена с напорной гидролинией, в системе которой могут быть гидроаккумулятор, гидромультипликатор, гидронасос (на чертеже не показаны). Зубья и впадины шестерен имеют специальный профиль, который в нормальном сечении образован полуэллипсами с радиально расположенной большой осью эллипса, при этом малая ось равна произведению большой оси на косинус угла наклона зубьев, а в торцевом сечении (фиг.2) шестерни имеют радиальный профиль и винтовые линии на конической поверхности зубьев представляют затухающую по закону логарифмической спирали кривую с переменным шагом. Шестерни 2 и 3 оппозитно охвачены правым башмаком 13 и левым башмаком 14. Внутренний профиль башмаков 13 и 14, обращенный к шестерням 2 и 3, выполнен в виде сопряженных по наружному диаметру передачи сегментарных выборок 15, 16, 17 и 18.
В башмаке 13 по линии сопряжения выполнено в ряд по длине шестерен множество отверстий 19, направленных в зону сопряжения шестерен.
Дифференциальный поджим башмака 13 к наружным поверхностям шестерен осуществляется гидроцилиндрами 20, количество которых и места их расположения устанавливаются в зависимости от распределения контактного давления. Поршневые полости гидроцилиндров 20 сообщаются каналами с зонами напорного потока жидкости, а их штоки замыкаются на стенки обоймы 1. В башмаке 13 со стороны, противоположной сегментарным выборкам, выполнена продольно оси передачи направляющая 21 типа «ласточкин хвост», но возможны и другие варианты исполнения, в которой установлен ползун 22 с возможностью возвратно-поступательного скольжения. В ползуне 22 имеется отверстие 23 с обратным клапаном 24, одним концом связанное с напорной магистралью, а другим взаимодействует с упомянутыми в башмаке 13 отверстиями 19.
В башмаке 14 имеется отверстие 25, связанное с напорной гидролинией, в обойме 1 со стороны башмака 14 выполнено отверстие 26 для связи с напорной гидролинией, соединенной через обратный клапан с гидроаккумулятором. Гидролинии, напорная и сливная, не входят в состав гидромотора.
Башмак 14 дифференциально поджимается к поверхности шестерен гидроцилиндрами 27 аналогично поджиму башмака 13.
При этом по каналу 28 происходит подача масла из бака только при рекуперации.
Ползун 22 с отверстием 23 и отверстиями 19 образует регулятор скорости вращения шестерен 2 и 3 и соответственно выходных валов.
Жидкость, выходящая под избыточным давлением из гидромотора через выходную полость 29, поступает в напорную гидролинию.
Гидромотор КИРМАК работает следующим образом.
По напорной гидролинии, в которой используются гидроаккумулятор, гидромультипликатор, гидронасос (на чертеже не показаны) и другие элементы, общепринятые в системе гидроприводов, подается жидкость через патрубок 12 с обратным клапаном в приемную полость обоймы 1. Так как нарезка одного винтового зуба входит во впадину другого, объем между нарезками оказывается разделенным на несколько (в зависимости от того, во сколько раз длина винтовой конички превышает величину шага нарезки) замкнутых полостей. Часть впадин между витками нарезки, открытых для данного положения во входящую полость, заполняемая постоянно подаваемой под напором жидкостью, осуществляет поворот шестерен 2 и 3, далее в работу вступают последующие зубья и заполненные замкнутые полости под напором жидкости непрерывно перемещаются от входной камеры к выходной, проворачивая шестерни 2 и 3, валы 4 и 5.
После того как жидкость замкнутой полости впадин переместиться к выходной полости 29, нарезки зубьев, образующие эту полость, выходят из зацепления. В следствие уменьшения объема раскрывающейся полости межзубовых впадин шестерен жидкость выталкивается из нее в выходную полость 29.
Винтовые нарезки зубьев в гидродвигателе выполняют роль поршней, движущихся непрерывно в одном направлении, поэтому пульсация подачи практически отсутствует, кроме того, отсутствие пульсации определяется новой геометрией зубьев и впадин, которая обеспечивает плотность соединения и не в последнюю очередь замкнутых полостей, исключая потери сил напора жидкости, обеспечивающих проворот шестерен.
Для изменения частоты вращения валов 4 и 5 жидкость дополнительно из напорной гидролинии поступает в отверстие 23 ползуна 22 и через обратный клапан 24 через одно из отверстий 19 в башмаке 13 поступает во впадины между витками нарезки шестерен, увеличивая объем подаваемой жидкости в замкнутые полости, чем достигается увеличение скорости вращения шестерен 2 и 3, валов 4 и 5. Перемещая ползун 22 вдоль линии сопряжения шестерен 2 и 3 от основания к вершине и наоборот, увеличиваем или уменьшаем объем замкнутых полостей, участвующих в провороте за один оборот шестерен 2 и 3, путем соединения напорного отверстия 23 с одним из множества отверстий 19. Этим достигается регулируемое изменение скорости вращения валов 4 и 5. Так как объем масла и его давление, поступающее через отверстие в патрубке 12, постоянные величины, то для своевременного выхода жидкости из гидродвигателя частота вращения шестерен 2 и 3 увеличивается при перемещении ползуна 22 к вершине конуса и уменьшается при перемещении ползуна 22 к основаниям конусов шестерен 2 и 3.
Реверс или обратное вращение одного из выходных валов 4 и 5, связанных с потребителем (например, с карданным валом транспортного средства), осуществляется отключением муфты 10 и включением муфты 11.
Для торможения транспортного средства гидромотором перекрывается подача избыточного давления масла по каналам 12 и 23 в правом башмаке 13.
В свою очередь, через отверстие 28 левого башмака 14 из бака (на схеме не показано) поступает масло со стороны торца большего диаметра конических шестерен 2 и 3.
При этом гидромотор, не изменяя направления вращения шестерен, превращается в гидронасос, через который масло с принудительно избыточным давлением выходит из насоса по каналу 25, дополнительно поджимает левый башмак 14 к наружной поверхности шестерен (для уплотнения) и выходит через отверстие 26 в обойме 1. Увеличение эффективности торможения гидродвигателем достигается дросселированием (уменьшением проходного сечения) нагнетательного потока масла из отверстия 26 вплоть до торможения транспортного средства «ЮЗОМ», а избыточное давление масла направляется в гидроаккумулятор. Таким образом, бросовая энергия торможения превращается в полезную, что повышает КПД и экономию топлива двигателя транспортных средств.
Заявленный гидродвигатель может найти широкое применение в автотранспортной промышленности, в приводах и использоваться взамен коробки скоростей. Он значительно упрощает кинематику привода автомобиля, расширяет диапазон регулировки скоростей, приближая к бесступенчатому регулированию.
Работа гидромотора в режиме двигателя и последующая работа в режиме гидронасоса при рекуперации энергии торможения не требует изменения направления вращения конических шестерен в обратном направлении. Известные же гидромоторы шестеренчатого типа при переходе с одного режима - двигателя на режим насоса требуют изменения направления на противоположное, что неприемлемо для автомобильного использования в коробках скоростей.