БОРТОВАЯ НАСОСНАЯ СТАНЦИЯ СИСТЕМ СМАЗКИ И ГИДРАВЛИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ НАЗЕМНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
GROUND VEHICLE ON-BOARD LUBRICATION AND HYDRAULIC CONTROL SYSTEMS PUMPING STATION

Изобретение относится к наземным самоходным транспортным средствам (далее ТС), главным образом быстроходным - гусеничными колесным (в том числе к автомобилям) с гидравлической(ими) системой(ами) смазки и управления шасси (моторной установки, трансмиссии, дополнительного оборудования), включающим в себя насосную станцию с, по меньшей мере, одним нагнетающим масляным насосом высокого давления с механическим приводом от двигателя и/или трансмиссии.
В настоящее время источником масла под высоким давлением в гидросистемах ТС являются шестеренные (шестеренчатые) масляные насосы с механическим приводом, как правило, от выходного вала теплового двигателя (основного, двигателя внутреннего сгорания - ДВС) - непосредственно или опосредованно через насосное колесо гидротрансформатора (в ТС с гидромеханическими трансмиссиями).
Так, известен привод масляного насоса ДВС, состоящий из шестерни коленчатого вала, шестерни масляного насоса, консольно установленной на его валу и расположенной между этими шестернями промежуточной шестерни [1. RU 2167318, МПК F02B 67/34, 20.05.2001]. При этом обеспечена возможность варьирования положения насоса относительно коленчатого вала и картера двигателя.
Однако такое техническое решение не решает имеющих место в транспортном машиностроении проблем недостаточности расхода масла под давлением для возрастающих нужд гидрофикации бортового оборудования ТС, запуска теплового двигателя с буксира и возможности осуществления управляемого пассивного движения буксировкой другим ТС («тягачом»).
Во многих быстроходных колесных и гусеничных машинах военного назначения устанавливают два независимых друг от друга масляных насоса - основной («передний») с приводом от двигателя и вспомогательный («задний») с приводом от выходного вала коробки передач или трансмиссии в целом (принятые в отрасли специальные термины, возникшие в привязке к последовательности расположения этих насосов в направлении потока мощности от двигателя к движителю. ТС), совместно образующие насосную станцию. При этом привод основного насоса выполнен не отключаемым, а дополнительного насоса - либо тоже не отключаемым, либо отключаемым, преимущественно автоматически давлением масла, нагнетаемого включившимся в работу основным насосом. Это расширяет возможности гидросистемы и ТС в целом, в том числе не только увеличивает (за счет «заднего» насоса, работающего постоянно при движении ТС) расход масла, но и позволяет как производить запуск теплового двигателя с буксира, так и управлять ТС в режиме буксировки другим ТС [2. Расчет и конструирование гусеничных машин / Под ред. проф. Н.А. Носова. - Л.: Изд-во «Машиностроение», 1972. - 560 с. - С. 422-423, рис. XI.11, с. 432-434, рис. XI.16; 3. RU 2025300 С1, МПК В60К 17/00, 30.12.1994].
Однако даже дублирование основного («переднего») насоса насосом вспомогательным («задним») не снимает остроты технической проблемы: при нулевой скорости вращения вала двигателя, равно как и при нулевой скорости вращения выходного вала трансмиссии (коробки передач), останется функционирующим в лучшем случае лишь один из насосов станции и режим эксплуатации ТС будет недостаточно эффективен. Кроме того, два отдельных насоса с индивидуальными приводами обусловливают завышенные массогабаритные и стоимостные показатели систем смазки и управления.
Потребность в приводах от двигателя и от выходного звена трансмиссии (иначе говоря, от первичного и вторичного валов трансмиссии) особенно актуальна для энергонасыщенных гидрофицированных трансмиссий с автоматическими планетарными коробками передач, характерных для автобронетанковой техники.
Однако, если недостатками гидросистем (их насосных станций) с одним «передним» насосом являются невозможность ее функционирования при неработающем (в первую очередь - неисправном) двигателе, когда движение ТС осуществляется за счет энергии другого источника (буксировка, движение накатом), и заводки двигателя с буксира, то «платой» за достоинства гидросистемы (насосной станции) со вторым (параллельным) насосом - с приводом от выходного звена трансмиссии (вспомогательным) является увеличение массогабаритных характеристик и стоимости шасси ТС, необходимость принудительного или автоматического переключения гидросистемы (гидрокоммутации) с одного насоса на другой в процессе разгона и движения ТС (см. источник 2, С. 422-423). Во всяком случае по массогабаритным и стоимостным показателям очевидно, что два насоса уступают одному, а необходимость в расширении гидрокоммутаций негативно отражается на надежности системы.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого изобретения, то есть совпадающим с ним по назначению и общим существенным конструктивным признакам, является бортовая насосная станция систем смазки и гидравлического управления трансмиссии (главным образом, коробки передач) наземного транспортного средства, содержащая два нагнетающих масляных насоса и механическую связь насосной станции с выходным валом теплового двигателя непосредственно или опосредованно через входной вал трансмиссии, и, дополнительно, с выходным валом трансмиссии транспортного средства [2. Расчет и конструирование гусеничных машин / Под ред. проф. Н.А. Носова. - Л.: Изд-во «Машиностроение», 1972. - 560 с. - С. 422-423, рис. XI.11, с. 432-434, рис. XI.16].
В насосной станции-прототипе указанная механическая связь представлена независимыми друг от друга (параллельными) механическими приводами насосов: привод «переднего» насоса - от выходного вала теплового двигателя непосредственно или опосредованно, через входной (первичный) вал КП, например насосное колесо гидротрансформатора трансмиссии, как и подавляющее большинство аналогов, а дополнительный («задний») насос - только от выходного («вторичного») вала трансмиссии ТС (входного вала бортового редуктора или выходного вала коробки передач), при этом «задний» привод - либо отключаемый, либо не отключаемый (частные случаи). Каждый из этих приводов выполнен в виде простой зубчатой или шлицевой взаимосвязи.
Соответственно прототипу свойственны вышеприведенные недостатки второй группы аналогов:
- при нулевой скорости вращения вала двигателя, равно как и при нулевой скорости вращения выходного вала трансмиссии (как правило, КП в составе трансмиссии), останется работоспособным в лучшем случае лишь один из насосов насосной станции и последняя будет работать не в полную меру;
- насосная станция недостаточно надежна;
- два насоса с индивидуальными приводами обусловливают завышенные массогабаритные и стоимостные показатели систем смазки и управления.
В итоге - у прототипа недостаточно высокие технико-эксплуатационные (в приложении к гражданской сфере) или тактико-технические (в приложении к военной и специальной сферам) характеристики и возможности.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в устранении указанных недостатков прототипа и соответственно в улучшении технико-эксплуатационных, тактико-технических и экономических характеристик наземных самоходных ТС (снижении минимально необходимого количества масляных насосов до одного при сохранении функционального назначения насосной станции, и повышении надежности ТС за счет постоянной одновременной кинематической связи насоса (в составе насосной станции) с валом двигателя и выходным валом трансмиссии).
Решение поставленной проблемы достигается тем, что в бортовой насосной станции систем смазки и гидравлического управления наземного транспортного средства, содержащей, по меньшей мере, один масляный насос и механическую связь с выходным валом теплового двигателя непосредственно или опосредованно через входной вал трансмиссии и дополнительно от выходного вала трансмиссии транспортного средства, указанная механическая связь включает в себя, по меньшей мере, один механический привод масляного насоса, выполненный в виде трехзвенного планетарного зубчатого механизма, первое, второе и третье основные звенья которого соединены соответственно с выходным валом теплового двигателя, выходным валом трансмиссии и масляным насосом.
Решение поставленной проблемы достигается также за счет дополнительных конструктивных признаков (при сформулированной выше основной совокупности признаков насосной станции):
- между третьим звеном планетарного механизма и масляным насосом может быть предусмотрено реверсирующее устройство с возможностью сохранения направления вращения масляного насоса при изменении направления вращения выходного вала трансмиссии (этим обеспечивается работоспособность масляного насоса при изменении направления вращения эпицикла трехзвенного планетарного механизма при включенной задней передаче в коробке передач или в реверсивных трансмиссиях, а значит - сохранение направления вращения насоса);
- первым, вторым и третьим звеньями планетарного механизма могут являться (выступать, быть использованы) соответственно водило, солнце и эпицикл, причем как для устройства без передачи заднего хода или реверсирующего устройства, так и с таковыми (этим расширяются возможности оптимизации скоростных диапазонов вращения ведущего подвижного элемента масляного насоса во всем спектре эксплуатационных режимов ТС, включая аварийные, преимущественно для ТС с планетарными трансмиссиями из компоновочных соображений, и относительно тихоходных ТС);
- первым, вторым и третьим звеньями планетарного механизма могут являться (выступать, быть использованы) соответственно солнце, водило и эпицикл, причем тоже как для устройства без передачи заднего хода или реверсирующего устройства, так и с таковыми (этим расширяются возможности оптимизации скоростных диапазонов вращения ведущего подвижного элемента масляного насоса во всем спектре эксплуатационных режимов ТС, включая аварийные, для всех типов трансмиссий, преимущественно с относительно высокими скоростями вращения выходного вала трансмиссии);
- бортовая насосная станция может быть установлена в общем картере или на картере трансмиссии (этим обобщаются «инфраструктуры» насосной станции и трансмиссии ТС, т.е. системы монтажа, управления, смазки и охлаждения, а также расширяются компоновочные возможности трансмиссии в целом и возможности реализации принципа двухфункциональности в отношении их звеньев, когда одно звено, например солнце или водило планетарного ряда КП, выступает одновременно и в роли звена привода насоса).
Среди известных приводов насосных станций (масляных насосов) не обнаружены такие, совокупность существенных признаков которых совпадала бы с заявленной. В то же время именно за счет последней достигается новый технический результат в соответствии с решаемой проблемой.
Заявляемое устройство насосной станции пояснено на чертежах:
на фиг. 1 показана обобщенная блочно-кинематическая схема бортовой насосной станции во взаимосвязи с тепловым двигателем и трансмиссией транспортного средства, а также собственно нагнетающим масляным насосом, частный пример №1, характеризующийся взаимосвязью выходного вала двигателя с водилом трехзвенного планетарного механизма и выходного вала коробки передач с солнцем указанного трехзвенного механизма), где:
1
2
3
4
5
6
7
- солнце трехзвенного планетарного механизма ПМ;  - водило ПМ;  - эпицикл ПМ;  - сателлиты (не основные звенья) ПМ;  - масляный насос;  - коробка передач (коробка перемены передач), как составная часть трансмиссии наряду с механизмом поворота, бортовым редуктором и т.д;  - реверсирующее устройство (Р).
0
- обозначение выходного вала теплового двигателя;
Х
- обозначение выходного вала коробки передач;
МН
- обозначение масляного насоса в целом;
N
- обозначение вала (или иного ведущего подвижного элемента) масляного насоса (МН);
Р
- обозначение реверсирующего устройства к приводу масляного насоса;
k
д
- параметр трехзвенного планетарного механизма (индекс «д» символизирует принадлежность таких механизмов к дифференциальным);
на фиг. 2 - фрагмент схемы по фиг. 1 в части трехзвенного механизма (частный пример №1), где стрелками на звеньях показаны потоки отбора мощности к МН;
X
на фиг. 3 - кинематическая схема привода, частный пример №2, характеризующийся взаимосвязью выходного вала  двигателя с солнцем трехзвенного планетарного механизма (ПМ) и выходного вала КП с водилом указанного ПМ;
N
N
i
H
H
3
I
на фиг. 4 показан пример вида плана угловых скоростей (т.е. качественные зависимости) основных звеньев ПМ и соответственно связанных с ним элементов, включая вал  масляного насоса, где ω - угловая скорость  - ого звена; ω - угловая скорость вала  масляного насоса (ω = ω).
Заявляемая бортовая насосная станция систем смазки и гидравлического управления ТС с гусеничным, колесным или иным движителем содержит в общем случае, т.е. по любому из возможных частных случаев конструктивного исполнения (см. фиг. 1-3) масляный насос (МН) 5 и его механический привод.
k
д
Последний выполнен в виде трехзвенного планетарного зубчатого механизма (ПМ) в составе солнечного зубчатого звена (солнца) 1, водила 2 как второго основного звена механизма ПМ, эпициклического зубчатого звена (эпицикла) 3 и сателлитов 4 с параметром  в допустимых пределах (согласно теории планетарных передач).
N
Эпицикл 3 механически соединен (непосредственно или опосредованно через реверсирующее устройство 7 (Р), показанное пунктиром на фиг. 1, или иную зубчатую передачу) с валом  масляного насоса 5 (МН).
0
X
В частном случае №1 (см. фиг. 1, 2) водило 2 механически соединено (непосредственно или опосредованно через входной (первичный) вал КП, например насосное колесо гидротрансформатора трансмиссии 6, с выходным валом  теплового двигателя, как правило - коленчатым валом ДВС, а солнце 1 - с выходным валом  КП 6
0
X
В частном случае №2 (см. фиг. 3), наоборот, солнце 1 механически соединено (непосредственно или опосредованно через входной (первичный) вал КП) с выходным валом  теплового двигателя, как правило - коленчатым валом ДВС, а водило 2 - с выходным валом КП 6.
N
N
Реверсирующее устройство («реверс») 7 показано пунктиром на блок-схеме (см. фиг. 1) блоком по причине его широкой известности в различных реализациях в общем, в частности, транспортном машиностроении. Оно обеспечивает возможность изменения направления вращения вала МН 5 при неизменном направлении вращения эпицикла 3, а значит - наоборот, сохранения направления вращения вала  насоса 5 при изменении направления вращения эпицикла 3.
Возможны различные компоновочные решения. Представляется рациональной установка ПМ 1 - 4 в общем картере (корпусе) или на картере (корпусе) КП 6.
k
д
Говоря о выборе между частными примерами (случаями) №№1 и 2 подключения солнца 1 и водила 2 (см. фиг. 2 и 3), следует отметить, что такой выбор производится в каждом конкретном случае, как зависящий от множества таких факторов конкретной реализации, как значение коэффициента , др. геометрические и компоновочные особенности не только заявляемого привода, но и КП 6 в целом, типа и марки насоса 5, и т.д.
Насос 5 (МН), как правило, - шестеренный (шестеренчатый).
Устройство работает следующим образом.
N
0
X
В штатном режиме работы ТС (его автономное движение, т.е. за счет энергии собственного теплового двигателя) вал  насоса 5 (МН) вращается за счет вращения двух звеньев ПМ - звеньев 1 и 2, с отбором мощности одновременно от вала  двигателя (входного вала КП 6) и от выходного вала  КП 6. Соответственно, МН 5 работает, например, нагнетая масло в систему смазки и управления КП 6 под давлением.
X
N
Если привод выполнен с возможностью отключения/торможения одного из звеньев (1 или 2, преимущественно связанного с валом ), то после такого отключения вал  продолжает вращаться, а МН 5 - нагнетать масло в систему, но за счет вращения уже одного звена из пары звеньев 1, 2, поскольку ПМ представляет собой дифференциальный механизм.
N
0
N
X
X
0
При аварийной эксплуатации ТС - в условиях возможности его непродолжительного самостоятельного (автономного) перемещения, но с неисправной механической ветвью (связью) «вал  - вал » привода насосной станции, используют этот же МН 5, но благодаря наличию второй механической ветви (связи) - «вал  - вал », обеспечивающий насосной части работоспособность: вращающийся выходной вал  КП 6 приводит во вращение соответствующее взаимосвязям в ПМ звено - либо солнце 1 (в примере №1), либо водило 2 (в примере №2) даже при нулевой скорости вращения другого звена из пары звеньев 1, 2 (ω≠0).
N
H
Вал  насоса 5 (МН) в описанных режимах будет вращаться вместе со звеном 3 ПМ с угловой скоростью ω согласно плану скоростей (см. фиг. 4), с соответствующей подачей масла под давлением.
Очевидно, и здесь главное - дифференциальная взаимосвязь всех звеньев ПМ.
х
0
H
X
N
При стоянке ТС с включенным тепловым двигателем (в КП 6 включена «нейтраль») звено 1 (в схеме №1) или 2 (в схеме №2) имеет нулевую скорость (ω = 0), а другое звено из пары 1, 2, связанное с валом , вращается со скоростью, отличной от нулевой (ω ≠ 0), вследствие чего звено 3 вместе с валом  насоса 5 (МН) вращается со скоростью (ω ≠ 0), в соответствии с планом скоростей (см. фиг. 4), и происходит подача масла под давлением насосом 5.
Х
0
N
0
Н
При движении ТС накатом (за счет сил инерции и/или гравитации), а также при аварийной эксплуатации ТС - в условиях невозможности его самостоятельного (автономного) перемещения из-за неисправности двигателя или отсутствии топлива, конкретно - длительной управляемой буксировки другим ТС («тягачом»), пассивно (через грунт) вращаемые ведущие элементы движителя (колеса ТС) через выходной вал  КП 6 приводят во вращение соответствующее взаимосвязям в ПМ 1-4 звено - либо солнце 1 (в примере №1), либо водило 2 (в примере №2). При нулевой скорости вращения вала  двигателя (ω = 0) вал  насоса 5 (МН) будет вращаться вместе со звеном 3 ПМ механизма с угловой скоростью ω согласно плану скоростей (см. фиг. 4), с соответствующей подачей насосом 5 (МН) масла под давлением в систему.
Аналогично устройство работает и в режиме заводки теплового двигателя «с буксира».
N
Если направление вращения приводного звена (эпицикла) 3 изменяется (а это зависит от конкретного устройства КП 6), переключают(ется) схему(а) реверса 7 (Р) вала  МН 5.
N
0
Х
Звено 3, а значит и вал  МН 5, может иметь нулевую скорость только в том случае, если одновременно равны нулю угловые скорости звеньев 1 и 2, связанных порознь с валами  и  - с двигателем (двигатель не работает) и с ведущими элементами (колесами) движителя (ТС не движется).
0
0
Среди других возможных частных случаев заявляемого устройства можно выделить и бортовую насосную станцию с двумя масляными насосами - основным («передним»), с приводом только от вала , и дополнительным («задним»), с приводом в виде описанного трехзвенного планетарного механизма. В этом случае основной и дополнительный насосы, работая в штатном режиме совместно, создают повышенный расход масла под давлением в системе. Работа одного основного насоса аналогична работе «переднего» насоса в аналогах с приводом только от вала . При сознательно отключенном или вынужденно (в аварийном режиме) нерабочем состоянии основного насоса его дублирует дополнительный, работа которого аналогична описанной выше в отношении заявляемой бортовой насосной станции с единственным насосом, снабженным трехзвенным планетарным механизмом (ПМ) в качестве привода.
Технический результат от использования заявляемого изобретения заключается в улучшении технико-эксплуатационных (в приложении к гражданской сфере) или тактико-технических (в приложении к военной и специальной сферам) характеристик возможностей транспортных средств (ТС) за счет:
- принципиальной возможности (доказанной заявляемым техническим решением) организации бортовой насосной станции с помощью трехзвенного планетарного механизма, объединяющего входное и выходное звенья трансмиссии;
- повышения надежности бортовой гидравлической системы смазки и управления силового привода и прочего оборудования ТС;
- возможности пуска двигателя с буксира, в том числе при неработающей аккумуляторной батарее;
- возможности движения накатом и длительной буксировки ТС с выключенным двигателем, при сохранении работоспособности всех бортовых гидрофицированных систем, в том числе главной - системы управления трансмиссией.
При этом за счет рациональной компоновки всего силового привода движителей ТС (моторно-трансмиссионного отделения ТС) и принципиальной возможности использования уже имеющихся развитых звеньев трансмиссии в планетарном варианте ее исполнения, возможно избежать соразмерного прототипу увеличения массогабаритных показателей конструкции или превышения таковых.