РОТОРНАЯ ГИДРОМАШИНА Российский патент 1997 года по МПК F04C2/08 

Изобретение относится к гидравлическим машинам, а конкретно к объемным обратимым гидромашинам вращательного действия, и может быть использовано в силовых гидроприводах и гидротрансмиссиях машин и механизмов различного назначения: прокатных станах, строительных, горных, транспортных, сельскохозяйственных и других машинах и механизмах.

В технике известны аналоги заявляемой гидромашины, предназначенные для тех же целей. К ним относятся радиально-поршневые, аксиально-поршневые и плунжерные, шестеренные, лопастные и другие гидромашины (например, Башта Т. М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем. М. Машиностроение, 1974)[1]
Из всего известного многообразия конструкций гидромашин применение в качестве силовых гидромоторов нашли только радиально- и аксиально-поршневые (плунжерные) гидромашины. Другие типы гидромашин хотя теоретически и относятся к обратимым машинам, применяются преимущественно в качестве гидронасосов или гидромоторов несиловых приводов.

Недостатками известных конструкций радиально- и аксиально-поршневых гидромашин являются: ограничительные возможности использования их в режиме гидромоторов из-за низкой эффективности механизмов преобразования давления рабочей жидкости в крутящий момент на выходном валу, который формируется в них касательными составляющими сил, создаваемых давлением в их поршнях или плунжерах, значительно меньших сил, развиваемых ими в направлении своих осей; высокая металлоемкость и связанная с ней низкая удельная мощность; сложность конструкции (число входящих в конструкцию деталей составляет много десятков); плохая компонуемость в трансмиссиях, особенно колесных машин, из-за значительных габаритов; низкий уровень технологичности и связанная с ней высокая стоимость изготовления; низкая ремонтопригодность.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой является роторная гидромашина по патенту Австрии N 387460, кл.G 01 F 3/08, 1989 (см. также описанный в статье О. Сердюкова "Мотор редкостны cвойств" (Изобретатель и рационализатор, 1990 г. N 9, с. 8-9)[2] Эта гидромашина содержит двухсекционный корпус с каналами подвода и отвода рабочей жидкости. В одной секции корпуса размещен лопастной ротор в виде рабочего колеса с зубьями-лопастями. В одной полости с рабочим колесом размещены колеса-разделители (запорные ролики), имеющие по две впадины. В другой секции корпуса расположены шестерни кинематической связи рабочего колеса и колес-разделителей.

Недостатками машины прототипа являются ее сложность и низкая технологичность изготовления, обусловленные сложностью конструкции рабочей полости, в которой находятся как рабочее колесо, так и колеса-разделители, а также недостаточная эффективность преобразования давления рабочей жидкости и низкая удельная мощность из-за того, что в каждый момент времени в работе участвует только она лопасть из трех, имеющихся на рабочем колесе. Кроме этого, гидромашина-прототип имеет ограниченные возможности использования в качестве гидронасоса, в частности, из-за явления кавитации, возникающего в полости между колесами-разделителями при их вращении.

Задача, решаемая изобретением, заключается в создании гидромашины, имеющей простую технологическую конструкцию с повышенной удельной мощностью.

Указанная задача решается тем, что в роторной гидромашине, содержащей двухсекционный корпус с каналами подвода и отвода рабочей жидкости, в одной секции которого размещены рабочее колесо, снабженное зубьями, и колеса-разделители, в другой секции размещены шестерни кинематической связи рабочего колеса и колес-разделителей, рабочее колесо расположено в центре машины в полости, имеющей цилиндрическую форму, колеса-разделители расположены вокруг рабочего колеса на равных угловых расстояниях один от другого и имеют на своих венцовых частях по одной или несколько впадин эвольвентного профиля, число пар каналов подвода и отвода рабочей жидкости равно числу колес-разделителей, каналы подвода и отвода рабочей жидкости выполнены последовательно чередующимися один за другим, каналы подвода и отвода рабочей жидкости каждой пары расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через ось вращения рабочего колеса и ось вращения соответствующего колеса-разделителя, в корпусе гидромашины на поверхности скольжения торцевых поверхностей зубьев рабочего колеса симметрично каждой плоскости, проходящей через ось вращения рабочего колеса и ось вращения каждого колеса-разделителя, вдоль линии начальной окружности зубьев рабочего колеса, имеющих эвольвентный профиль, выполнены канавки, ширина которых не превышает высоты зубьев рабочего колеса.

В предлагаемой гидромашине минимальное расстояние по цилиндрической поверхности корпуса между краями смежных каналов подвода и отвода рабочей жидкости, расположенными на этой поверхности, равно или превышает расстояние между смежными зубьями рабочего колеса по дуге окружности с центром на оси вращения рабочего колеса и радиусом, равным радиусу выступов зубьев рабочего колеса, а расстояние между краями смежных канавок по дуге окружности с центром на оси вращения рабочего колеса и любым радиусом в пределах от минимального до максимального расстояния от канавки до оси вращения рабочего колеса равно или превышает расстояние между смежными зубьями рабочего колеса по дуге окружности того же радиуса.

Кроме этого края канавок в предлагаемой гидромашине имеют эвольвентную форму, соответствующую эвольвентной форме зубьев рабочего колеса.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:
на фиг. 1 конструкция трехзубовой ("двухпоршневой") роторной гидромашины;
на фиг. 2 кинематическая схема роторной гидромашины;
на фиг. 3 профиль трехзубового рабочего колеса;
на фиг. 4 профиль разделительного колеса с двумя впадинами;
на фиг. 5 конструкция четырехзубовой ("трехпоршневой") роторной гидромашины;
на фиг. 6 конструкция пятизубовой ("четырехпоршневой") роторной гидромашины;
на фиг. 7 работа гидромашины на различных фазах;
на фиг. 8 конструкция гидромашины с увеличенными размерами зубьев на рабочем колесе и увеличенными размерами впадин на колесах-разделителях;
на фиг. 9 идеализированные диаграммы работы зубьев рабочего колеса (а - трехзубового, б четырехзубового) и формирования суммарного движущего давления гидромашины.

Предлагаемая гидромашина содержит корпус 1, рабочее колесо 2 и колеса-разделители 3, 4 (фиг. 1, 2), 3, 4, 5 (фиг. 5), 3, 4, 5, 6 (фиг. 6), размещенные в секции 7 (фиг. 2). Рабочее колесо 2 расположено в центре машины в полости, имеющей форму круглого цилиндра. Рабочее колесо 2 имеет эвольвентные зубья 8, 9, 10 (фиг. 1, 3), 8, 9, 10, 11 (фиг. 5), 8, 9, 10, 11, 12 (фиг. 6), расположенные на равных угловых расстояниях один от другого. Колеса-разделители 3, 4, 5, 6 расположены вокруг рабочего колеса 2 на равных угловых расстояниях один от другого. Число колес-разделителей всегда на единицу меньше числа зубьев рабочего колеса 2 гидромашины, число которых может быть различным, но не менее трех. С увеличением числа зубьев увеличивается число одновременно работающих зубьев (поршней), создающих крутящий момент, что приводит к увеличению мощности на выходном валу машины без увеличения размеров рабочего колеса 2. Кроме этого с увеличением числа зубьев повышается плавность работы гидромашины. Число зубьев рабочего колеса 2 целесообразно выбирать преимущественно в пределах от 3 до 5 (фиг. 1, 3, 5, 6), при этом число колес-разделителей составляет соответственно от 2 до 4 (фиг. 1, 5, 6).

Каждое колесо-разделитель имеет на своей венцовой части одну или несколько впадин 13 эвольвентного профиля (фиг. 1, 4, 5, 6). Форма и размеры каждой впадины колес-разделителей могут соответствовать форме и размерам впадины между зубьями стандартного эвольвентного профиля или иметь, в частности, форму двух межзубовых впадин стандартного эвольвентного профиля без зуба между ними (фиг. 8). В этом случае зубья рабочего колеса 2 имеют форму двух стандартных зубьев эвольвентного профиля без межзубовой впадины между ними. Такая форма зубьев и впадин позволяет минимизировать утечки рабочей жидкости в зоне их контакта.

Число впадин на колесах-разделителях целесообразно выбирать в пределах от одного до двух.

Диаметр начальной окружности колеса-разделителя можно определить по формуле:
, (1)
где
d и D диаметры начальных окружностей колес-разделителей 3, 4 (5, 6) и рабочего колеса 2, соответственно,
n и N число впадин колеса-разделителя и число зубьев рабочего колеса, соответственно,
В частности, при N 3 и n 2 d= 2/3D, а при N 3 и n 1 d 1/3D.

Зубья и впадины колес выполнены по стандартной технологии нарезания эвольвентных зубчатых колес (фиг. 3, 4) и обкатываются по начальным окружностям.

В корпусе 1 (фиг. 2) кроме "гидравлических" рабочего 2 и разделительных колес 3 и 4, размещенных в рабочей секции 7 гидромашины, имеется секция 14, в которой на выходном валу 15 размещена шестерня 16 и сопряженные с ней шестерни 17, 18, установленные на общих с разделительными колесами осях 19 и 20. Начальные диаметры колес 2, 3, 4 (5, 6) равны начальным диаметрам соответственно шестерен 16, 17, 18, которые выполняют функции углового кинематического согласования движений "гидравлических колес".

В корпусе 1 для связи с насосом гидропривода выполнены каналы 21 и 22 подвода рабочей жидкости, а для связи со сливом каналы 23 и 24 отвода рабочей жидкости (фиг. 1, на фиг. 5, 6 каналы подвода и отвода рабочей жидкости условно не показаны). Число пар каналов подвода и отвода рабочей жидкости равно числу колес-разделителей. В частности, при N 3 (фиг. 1) машина имеет две пары каналов подвода и отвода рабочей жидкости. Каналы подвода и отвода рабочей жидкости выполнены последовательно чередующимися один за другим. В частности, при N 3 (фиг. 1) каналы расположены в направлении вращения колеса 2 в последовательности 21 23 22 24. Каналы подвода и отвода рабочей жидкости каждой пары расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через ось вращения рабочего колеса и ось вращения соответствующего колеса-разделителя. В частности, при N 3 (фиг. 1) каналы 21 и 24 расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через оси O₁ и O, а каналы 22 и 23 симметрично относительно плоскости, проходящей через оси O₂ и O (в данном случае обе плоскости совпадают). При N 4 (фиг. 5) каналы подвода и отвода рабочей жидкости расположены симметрично относительно плоскостей, проходящих через оси O₁ и O, O₂ и O, а также O₃ и O и т.д.

Минимальное расстояние по цилиндрической поверхности 25 корпуса 1 между смежными каналами подвода и отвода рабочей жидкости, например, каналами 21 и 23 равно или превышает расстояние между смежными зубьями 8 и 9 рабочего колеса 2 по дуге окружности с центром O на оси вращения рабочего колеса 2 и радиусом R, равным радиусу выступов зубьев 8, 9, 10 (11, 12) рабочего колеса 2, т.е.

А и В точки, характеризующие положение ближайших друг к другу краев каналов 21 и 23 на цилиндрической поверхности 25 корпуса 1,
С и Е ближайшие друг к другу точки выступов зубьев 8 и 9,
дуга окружности между точками А и В,
дуга окружности между точками С и Е.

В корпусе 1 гидромашины на поверхности скольжения торцевых поверхностей зубьев 8, 9, 10 (11,12) рабочего колеса 2 симметрично каждой плоскости, проходящей через ось O вращения рабочего колеса 2 и ось вращения каждого колеса-разделителя (на фиг. 1 оси O₁ и O₂, на фиг. 5 оси O₁, O₂, O₃, на фиг. 6 оси O₁, O₂, O₃, O₄), вдоль линии начальной окружности зубьев 8, 9, 10 (11, 12) рабочего колеса 2 выполнены канавки (на фиг. 1 канавки 26 и 27, 28 и 29 (на фиг. 4, 5, 6 канавки не показаны). Ширина b канавок 25 28 не превышает высоты h зубьев 7, 8, 9 (10, 11) рабочего колеса 2.

Расстояние между краями смежных канавок, например, канавок 26 и 28, по дуге окружности с центром на оси вращения рабочего колеса 2 и с любым радиусом в пределах от минимального до максимального расстояния от канавки до оси вращения рабочего колеса равно или превышает расстояние между смежными зубьями рабочего колеса по дуге окружности того же радиуса. В частности, для машины, изображенной на фиг. 1, удовлетворяется соотношение:
,
F любая точка на крае 30 канавки 26,
G точка на крае 31 канавки 28, расположенная на окружности с радиусом OF,
дуга окружности между точками F и G радиусом OF,
М и L точки на поверхностях 32 и 33 зубьев 8 и 9, расположенные на окружности с радиусом OF.

дуга окружности между точками М и L радиусом OF.

На практике, по крайней мере для одного из выражений (2) или (3) должно выполняться условие равенства.

Края канавок в гидромашине имеют эвольвентную форму, соответствующую эвольвентной форме зубьев рабочего колеса 2. В частности, край 30 канавки 26 имеет форму, соответствующую профилю поверхности 32 зуба 8, а край 31 канавки 28 форму, соответствующую профилю поверхности 33 зуба 9.

Предлагаемая гидромашина работает следующим образом.

Для работы в качестве гидромотора одновременно во все каналы подвода жидкости (каналы 21 и 22 на фиг. 1) подается рабочая жидкость. Пусть, например, в какой-либо момент времени зуб 8 рабочего колеса 2 контактирует с впадиной 13 колеса 3 в точках К и K', лежащих на линиях зацепления эвольвентных зубьев под углом зацепления α (фиг. 7а). Под действием давления рабочей жидкости на зубья 9 и 10 рабочего колеса 2 на валу 15 будет создаваться крутящий момент, и рабочее колесо 2 будет стремиться поворачиваться по стрелке как показано на фиг. 1. При этом на левую сторону зуба 8 рабочего колеса 2 от точки контакта К вниз к основанию, и контактирующую с ней сторону впадины 13 разделительного колеса 3 действует давление рабочей жидкости. Сила, формируемая этим давлением на указанной стороне впадины 13, передается по окружности разделительного колеса 3 на зуб 8 в точке K', примерно уравновешивая силу давления жидкости на зуб 8.

По мере вращения рабочего колеса 2 зуб 8 будет выходить из зацепления с колесом-разделителем 3. К моменту выхода колеса 2 из зацепления с колесом 3 (фиг. 7б) зуб 8 благодаря канавке 26 разгружается давлением, действующим на его рабочие поверхности как слева, так и справа. Для того, чтобы момент полной разгрузки зуба 8 наступил как можно раньше, обращенные друг к другу края 34, 35 канавок 26, 27 располагают по возможности ближе одна к другой. При этом для исключения возможности соединения канала нагнетания рабочей жидкости, расположенного слева от зуба 8, через межзубовую полость 36 с каналом слива жидкости, расположенным справа от зуба 8 (фиг. 7), края 34, 35 канавок 26 и 27 должны лежать соответственно ниже линий ПК и ПК' зацепления рабочего колеса 2 и колес-разделителей.

При дальнейшем вращении рабочего колеса 2 при попадании зуба 8 в положение, обозначенное штриховой линией, зуб 8 перекрывает доступ рабочей жидкости в полость, расположенную левее его рабочей поверхности 30 и переходит в активный (поршневой) режим работы, а зуб 9 одновременно с этим выходит из активного режима и благодаря канавке 28 оказывается разгруженным. Зуб 10 в это время занимает положение 10', продолжая работать в активном режиме.

При дальнейшем движении колеса 2 зуб 9 войдет в зацепление со впадиной 13 на колесе 4, и в машине будут происходить такие же процессы, как и при зацеплении зуба 8 со впадиной 13 на колесе 3.

Синхронизация работы разделительных колес 3, 4 (5, 6) и рабочего колеса 2 осуществляется с помощью шестерен 17, 18 и шестерни 16, расположенной на одной оси с рабочим колесом 2.

На фиг. 9 показан график работы зубьев рабочего колеса 2 по углу поворота выходного вала 15 в активном (заштрихованные области) и пассивном (давление Р нагрузки на зуб равно нулю) режимах. По осям ординат на фиг. 9 обозначены давления действующие на зубья рабочего колеса 2 (цифра в нижнем индексе при переменной Р означает условный номер зуба, Р_с суммарное активное давление на зубьях гидромашины. Фиг. 9, а соответствует "двухпоршневой" конструкции (два разделительных колеса и два одновременно работающих активных зуба рабочего колеса); фиг. 9 "трехпоршневой" конструкции гидромашины. Из приведенных на фиг. 9 диаграмм видно, что в при любом угловом положении рабочего колеса 2 суммарное давление, действующее на зубья постоянно и возрастает с увеличением числа зубьев.

При работе машины в режиме насоса крутящий момент подается на ось 15, при этом через каналы 21 и 22, 23 и 24 будет производится отвод или всасывание жидкости (в зависимости от направления вращения колеса 2).

Описанный механизм обеспечивает одновременную работу в активном режиме числа зубьев, равного числу разделительных колес, и таким образом обеспечивает получение ряда гидромашин, работающих на едином принципе, но имеющих конструктивные различия.

Конструкция гидромашины обеспечивает возможность варьировать величины передаваемого (выходного) крутящего момента и скорости вращения выходного вала (при постоянном режиме работы насоса) изменением активного радиуса рабочего колеса, числа одновременно работающих зубьев поршней, их модуля и толщины колес, а при постоянных конструктивных параметрах гидромашины варьированием режимов параметров работы насосной установки.

Таким образом, благодаря предложенному расположению рабочего колеса 2, колес-разделителей 3, 4 (5, 6), введению канавок 26 29, их взаимному расположению, а также взаимному расположению каналов 21 24 подвода и отвода рабочей жидкости обеспечивается увеличение одновременно работающих зубьев, увеличение сил на рабочем валу, повышение объемного КПД с одновременным упрощением конструкции и технологичности изготовления машины.

Изобретение может быть легко реализовано с использованием известных, хорошо отработанных технологических приемов и широко использовано в силовых гидроприводах и гидротрансмиссиях машин и механизмов различного назначения: прокатных станах, строительных, горных, транспортных, сельскохозяйственных и других машинах и механизмах.

Использование: в машиностроении, а конкретно - в конструкциях объемных обратимых гидромашин вращательного действия. Сущность изобретения: рабочее колесо расположено в центре машины в полости, имеющей цилиндрическую форму, колеса-разделители расположены вокруг рабочего колеса на равных угловых расстояниях один от другого и имеют на своих венцовых частях по одной или несколько впадин эвольвентного профиля, число пар каналов подвода и отвода рабочей жидкости равно числу колес-разделителей, каналы подвода и отвода рабочей жидкости выполнены последовательно чередующимися один за другим, каналы подвода и отвода рабочей жидкости каждой пары расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через ось вращения рабочего колеса и ось вращения соответствующего колеса-разделителя, в корпусе гидромашины на поверхности скольжения торцевых поверхностей зубьев рабочего колеса симметрично каждой плоскости, проходящей через ось вращения рабочего колеса и ось вращения каждого колеса-разделителя, вдоль линии начальной окружности зубьев рабочего колеса, имеющих эвольвентный профиль, выполнены канавки, ширина которых не превышает высоты зубьев рабочего колеса. 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Роторная гидромашина, содержащая двухсекционный корпус с каналами подвода и отвода рабочей жидкости, в одной секции которого размещены рабочее колесо, снабженное зубьями, и колеса-разделители, в другой секции размещены шестерни кинематической связи рабочего колеса и колес-разделителей, отличающаяся тем, что рабочее колесо расположено в центре машины в полости, имеющей цилиндрическую форму, колеса-разделители расположены вокруг рабочего колеса на равных угловых расстояниях один от другого и имеют на своих венцовых частях по одной или несколько впадин звольвентного профиля, число пар каналов подвода и отвода рабочей жидкости равно числу колес-разделителей, каналы подвода и отвода рабочей жидкости выполнены последовательно чередующимися один за другим, каналы подвода и отвода рабочей жидкости каждой пары расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через ось вращения рабочего колеса и ось вращения соответствующего колеса-разделителя, в корпусе гидромашины на поверхности скольжения торцевых поверхностей зубьев рабочего колеса симметрично относительно тех же плоскостей вдоль линии начальной окружности зубьев рабочего колеса, имеющих звольвентный профиль, выполнены канавки, ширина которых не превышает высоты зубьев рабочего колеса. 2. Гидромашина по п. 1, отличающаяся тем, что минимальное расстояние по цилиндрической поверхности корпуса между краями смежных каналов подвода и отвода рабочей жидкости равно или превышает расстояние между смежными зубьями рабочего колеса по дуге окружности с центром на оси вращения рабочего колеса и радиусом, равным радиусу выступов зубьев рабочего колеса. 3. Гидромашина по п. 1, отличающаяся тем, что расстояние между краями смежных канавок по дуге окружности с центром на оси вращения рабочего колеса и с любым радиусом в пределах от минимального до максимального расстояния от канавки до оси вращения рабочего колеса равно или превышает расстояние между смежными зубьями рабочего колеса по дуге окружности того же радиуса. 4. Гидромашина по п. 1, отличающаяся тем, что края канавок имеют эвольвентную форму, соответствующую эвольвентной форме зубьев рабочего колеса.