СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ОТ ЕЕ ИСТОЧНИКА К ПОТРЕБИТЕЛЮ И ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА Российский патент 1997 года по МПК F16H39/02 F15B15/18 

Изобретение относится к гидравлическим устройствам для передачи механической энергии и может быть использовано на транспортных машинах в качестве трансмиссии, а также в других механизмах, передающих энергию от двигателя к исполнительному органу.

Для передачи механической энергии в различного типа машинах широкое распространение благодаря простоте прокладки коммуникаций, хорошим показателям по удельной передаваемой мощности, безопасности в эксплуатации получили гидравлические системы. Энергия в этих системах передается в основном сжатой жидкостью, при этом принимается, что жидкость несжимаема, а работу получают за счет срабатывания в гидравлическом приводе исполнительного механизма давления жидкости, полученного в гидронасосе.

Известны гидравлические передачи, способ работы которых заключается в сжатии жидкости, транспортировании жидкости по линии высокого давления, срабатывании давления жидкости с передачей энергии исполнительному механизму и возврате жидкости по линии низкого давления [1] Известный гидравлический привод содержит расходную емкость с рабочей жидкостью, гидронасос, исполнительный механизм в виде гидроцилиндра, гидравлические линии высокого и низкого давления, оборудованные клапанами. Известное техническое решение отличается простотой конструкции, отработанностью элементов гидравлической системы, что обеспечивает высокую надежность работы и приемлемую стоимость изготовления.

Однако известное техническое решение имеет очень ограниченные технологические возможности и не может обеспечить динамические и регулировочные характеристики передачи механической энергии от двигателя к исполнительному механизму в таких случаях, как, например, трансмиссия транспортного средства или привод сложного технологического оборудования.

Известны технические решения, позволяющие обеспечивать требуемые характеристики гидравлического привода для регулирования мощности и скорости исполнительного механизма [2]
Однако известное техническое решение отличается большой сложностью, наличием двух гидромультипликаторов, большого количества различного типа клапанов, что удорожает изготовление, усложняет эксплуатацию, приводит к увеличению веса и габаритов гидросистемы, причем вызвано это необходимостью улучшить динамику переходных процессов в напорной гидролинии, т.е. связано с основным недостатком известных способов передачи энергии в гидросистемах приводов наличием линий высокого и низкого давления для преобразования энергии сжатой жидкости в механическую работу, что приводит к появлению перетечек между этими линиями.

Известны технические решения, позволяющие использовать энергию сжатой жидкости для привода исполнительного механизма без ее возврата по линии низкого давления [3] В известном устройстве, содержащем исполнительный механизм в виде гидроцилиндра и ручной гидронасос, соединенные единственной гидролинией, предложено накапливать энергию сжатой жидкости, а затем превращать ее в механическую энергию штока гидроцилиндра с помощью клапана, обеспечивающего передачу энергии в виде импульса сжатой жидкости.

Однако известное техническое решение не обеспечивает передачу механической энергии с регулированием мощности и скорости вращающегося исполнительного механизма, например колеса транспортного средства, что уменьшает его технологические возможности.

Из известных технических решений наиболее близким объектом к заявляемому способу и устройству для его осуществления по совокупности существенных признаков является способ передачи механической энергии от двигателя к исполнительному механизму и гидравлическая передача, описанные в [4] которые авторы приняли за прототип.

Принятый за прототип объект представляет собой способ передачи механической энергии от ее источника к потребителю, при котором в начале последовательной гидравлической цепи сжимают жидкость с помощью механизма источника энергии, передают энергию по трубопроводу импульсами сжатой жидкости с последующим ее расширением в конце цепи при взаимодействии с механизмом потребителя.

Гидравлическая передача для осуществления этого способа содержит установленные в корпусе механизм источника энергии, кинематически связанный с поршнем цилиндра расширения, а также трубопровод для соединения цилиндров сжатия и расширения в последовательную гидравлическую цепь передачи импульсов.

Принятый за прототип способ обеспечивает передачу механической энергии для вращения колес, а также надежность и удобство при эксплуатации, а принятая за прототип установка обеспечивает достаточно высокие удельные показатели.

Однако способ, принятый за прототип не исчерпывает всех возможностей передачи механической энергии с помощью гидравлической системы, а принятая за прототип гидравлическая передача недостаточно надежна при передаче больших мощностей, что не позволяет ей конкурировать с известными техническими решениями в автомобилестроении.

Задачей изобретения является усовершенствование способа передачи механической энергии с помощью гидравлической системы, создание гидравлической передачи существенно более простой, чем известные, более эффективной за счет исключения объемных потерь, позволяющей использовать для ее управления наиболее современные средства передачи, имеющей минимальные габариты и вес при удобстве ее монтажа и эксплуатации, что позволит обеспечить конкурентоспособность конечного изделия, например транспортного средства, на рынке самой современной техники.

В результате решения поставленной задачи достигнут новый технический результат, заключающийся в создании гидравлической системы, например транспортного средства, обеспечивающей:
высокую экономичность,
экологическую чистоту,
минимальные гидравлические потери,
бесшумность,
отсутствие коробки передач.

Данный технический результат достигнут тем, что при осуществлении способа передачи механической энергии от ее источника к потребителю, при котором в начале последовательной гидравлической цепи сжимают жидкость с помощью механизма источника энергии, передают энергию по трубопроводу импульсами сжатой жидкости с последующим ее расширением в конце цепи при взаимодействии с механизмом потребителя, согласно изобретению, сжатие и расширение осуществляют поочередно, причем расширение производят после завершения деформирования жидкости в трубопроводе с объемом не менее чем в 10 раз большим объема сжимаемой или расширяемой жидкости, при этом для исключения мертвых точек и более равномерной передачи вращения импульсы деформированной жидкости передают по нескольким параллельно установленным гидравлическим цепям со сдвигом момента времени передачи импульса по углу поворота механизмов источника и потребителя энергии на величину, кратную числу гидравлических цепей, кроме того, передаваемую энергию регулируют с помощью программируемой системы управления путем изменения частоты передаваемых импульсов с подключением к трубопроводу дополнительного объема жидкости.

В гидравлической передаче для осуществления заявляемого способа, содержащей установленные в корпусе механизм источника энергии, кинематически связанный с поршнем цилиндра сжатия, и механизм потребителя энергии, кинематически связанный с поршнем цилиндра расширения, а также трубопровод для соединения цилиндров сжатия и расширения в последовательную гидравлическую цепь передачи импульсов, согласно изобретению, каждый из цилиндров снабжен двухпозиционным клапаном для соединения с упомянутым трубопроводом, а последний выполнен с объемом не менее чем в 10 раз большим, чем объем полости одного из указанных цилиндров, при этом передача снабжена подключенным к трубопроводу через дополнительно установленный управляемый клапан вспомогательным цилиндром с подпружиненным поршнем, кроме того, передача выполнена в виде нескольких параллельно установленных гидравлических цепей передачи импульсов и снабжена подключенной ко всем клапанам системой управления, выполненной с устройством изменения последовательности и частоты переключения клапанов каждой из указанных цепей.

Отличительной особенностью заявляемого изобретения является то, что сжатие и расширение осуществляют поочередно, причем расширение производят после завершения деформирования жидкости в трубопроводе с объемом не менее чем в 10 раз большим объема сжимаемой или расширяемой жидкости. При этом в отличие от прототипа в заявляемом способе используется именно сжимаемость жидкости как физического тела, т.е. используют деформацию жидкости. При этом трубопровод используется в качестве аккумулятора энергии деформированной жидкости, которая передается через него не за счет течения жидкости, а за счет передачи ее деформации (со скоростью распространения звука в жидкости), или хранится в этом трубопроводе как угодно долго, пока жидкость деформирована. Перетечками через трубопровод, связанными с заполнением и опорожнением цилиндров и канала с дополнительным объемом, можно в первом приближении пренебречь, т. к. перетекающие объемы составляют меньше 10% объема жидкости в трубопроводе.

Заявляемый способ позволяет передать энергию импульсами деформированной жидкости и такая гидравлическая система может быть названа гидроимпульсной передачей.

Гидроимпульсная передача обеспечивает взаимодействие двигателя - генератора вращательного движения и потребителя вращательного движения - исполнительного механизма в условиях чисто гидравлической связи между потребителем и генератором при отсутствии передающих валов, шестерен, рычагов и других механических звеньев. Генератор и потребитель вращательного движения могут при этом меняться ролями, что обеспечивает возможность рекуперации энергии. Например, парой "генератор потребитель" может служить маховик двигателя и колесо транспортного средства. Заявляемая передача обеспечивает взаимодействие между источником и приемником механической энергии за счет деформации жидкости и трубопровода, в котором она заключена, что значительно расширяет технологические возможности такой передачи.

Давление жидкости p и ее деформация ε связаны формулой:
p = E•ε
где E модуль упругости жидкости, который для масел и нефти находится в пределах 14000 кг/см х 20000 кг/см;
e относительная деформация жидкости, равная отношению объема цилиндра к объему жидкости в трубопроводе и цилиндре.

При отношении объема полости трубопровода к объему полости цилиндра более десяти можно принять:
р Е•V_ц/V_т
где V_ц объем цилиндра;
V_т объем полости трубопровода.

Энергия A, запасенная жидкостью под давлением p, определяется по формуле:
A=0,5p•V_ц=0,5E•V2ц

Отличительной особенностью является также то, что для передачи вращения импульсы деформированной жидкости передают по нескольким параллельно установленным гидравлическим цепям со сдвигом момента времени передачи импульса по углу поворота механизмов источника и потребителя энергии на величину, кратную числу гидравлических цепей, что обеспечивает отсутствие мертвых точек при передаче крутящего момента.

Еще одной отличительной особенностью заявляемого способа является то, что передаваемую энергию регулируют с помощью программируемой системы управления путем изменения частоты передаваемых импульсов с подключением к трубопроводу дополнительного объема жидкости.

Соответственно одной из отличительных особенностей заявляемой гидравлической передачи является то, что каждый из цилиндров снабжен двухпозиционным клапаном для соединения с упомянутым трубопроводом, а последний выполнен с объемом не менее чем в 10 раз большим, чем объем полости одного из указанных цилиндров.

Такое соотношение объемов цилиндров и трубопроводов обусловлено достижимыми современными средствами давлениями жидкости, характеристикам сжимаемости применяемых рабочих жидкостей гидросистем и прочностью элементов гидросистемы. При отношении объемов полости трубопровода и цилиндра менее чем 10 давление сжатой механизмом источника жидкости достигает величины более 1500 кг/см², что делает проблематичным обеспечение надежности элементов гидросистемы.

Другой отличительной особенностью передачи является то, что она снабжена подключенным к трубопроводу через дополнительно установленный управляемый клапан вспомогательным цилиндром с подпружиненным поршнем, что обусловлено необходимостью регулирования передачи энергии, позволяет реализовать режим холостого хода, а также обеспечить рассинхронизацию вращения валов источника и потребителя механической энергии.

Кроме того, отличительной особенностью передачи является то, что она выполнена в виде нескольких параллельно установленных гидравлических цепей передачи импульсов и снабжена подключенной ко всем клапанам системой управления, выполненной с устройством изменения последовательности и частоты переключения клапанов каждой из указанных цепей.

Наличие управляемых клапанов позволяет организовать передачу энергии между цилиндрами через трубопровод и, используя канал, в котором находится дополнительный объем жидкости, регулировать мощность передаваемой энергии путем изменения отношения между числом рабочих и холостых ходов поршней.

Наиболее простым способом обеспечения холостых ходов поршней является работа гидропередачи со всеми открытыми клапанами. При этом жидкость должна перетекать из одних цилиндров в другие без деформации за счет наличия дополнительного объема, который компенсирует перемещение поршней, принимая и возвращая с помощью пружины объемы жидкости, соответствующие перемещениям поршней. Дополнительный объем жидкости при этом позволяет изменять направление передачи энергии, что и открывает возможность использовать для регулирования такой гидравлической передачи принципиально новый метод, основанный на применении электронной техники.

Наличие программного управления клапанами позволяет осуществлять все фазы обмена энергией при вращении валов с разными скоростями и с произвольным сдвигом фаз вращения. Если передача должна осуществляться в синхронном режиме, то управление может быть упрощено и может производиться с помощью механического переключения клапанов от кулачкового вала, связанного с ведущим валом.

Заявляемое изобретение устраняет основной недостаток известных способов обеспечения передачи механической энергии с помощью гидравлических систем - наличие большого количества различных клапанов и разделение гидросистемы для обеспечения управляемости передачей энергии и надежность работы на часть низкого давления и часть высокого давления, что приводит к большим (до 15%) объемным потерям.

Таким образом, приведенные отличительные особенности заявляемого изобретения в сравнении с известными техническими решениями позволяют создать гидравлическую передачу существенно более простую, чем известные, с минимальными объемными потерями, позволяющую использовать для ее управления наиболее современные электронные средства, имеющую минимальные габариты и вес при удобстве монтажа и эксплуатации, что соответственно обеспечивает конкурентоспособность на современном рынке.

На чертеже представлена принципиальная схема одной гидравлической цепи передачи, поясняющая осуществление заявляемого способа передачи механической энергии.

Гидравлическая передача содержит источник механической энергии - двигатель 1, снабженный маховиком 2, взаимодействующим с установленным в цилиндре 3 первым поршнем 4. Второй поршень 5 установлен во втором цилиндре 6 и взаимодействует с диском 7, приводящим в движение механизм потребителя энергии колесо 8.

Каждый цилиндр 3 и 6 снабжен только одним клапаном, соответственно клапанами 9 и 10, а гидравлическое соединение выполнено в виде одного трубопровода 11 с объемом полости не менее чем в 10 раз большим, чем объем полости первого 3 или второго 6 цилиндров.

К трубопроводу 11 через управляемый клапан 12 подключен заполненный жидкостью дополнительный канал 13, снабженный подпружиненным поршнем 14.

Все клапаны подключены с помощью исполнительных механизмов 15 к системе управления 16, а последняя снабжена электронными устройствами изменения последовательности и частоты переключения клапанов, работающими по задаваемым программам с использованием датчиков положения 17, установленном на маховике 2 двигателя, и 18 на диске 7 колеса.

Количество описанных выше гидравлических цепей между источником механической энергии и механизмом потребителя с соответствующими цилиндрами, поршнями и клапанами выполнено более чем одна, например три для обеспечения передачи крутящего момента без мертвых точек (аналогично трехфазному электродвигателю). Состав каждой такой линии одинаковый и соответствует приведенному на чертеже.

Заявляемый способ передачи механической энергии осуществляют следующим образом.

В исходном состоянии, перед началом движения все полости элементов гидравлических цепей системы заполнены жидкостью и все клапаны закрыты. При этом в цилиндрах 3 и 6 каждой цепи жидкость отсутствует, а трубопровод 11 и канал 13 заполнены. Поршни 4 и 5 находятся в крайнем положении, на чертеже поршень 4 в нижнем крайнем, а поршень 5 в верхнем крайнем положении. При этом гидравлическая передача отключена и энергия не передается. При включении двигателя 1 и вращении маховика 2 поршни 4 всех цепей остаются неподвижны.

Для передачи механической энергии от двигателя 1 система управления 11 с помощью исполнительного механизма 15 открывает клапаны 9 и 12 той гидравлической цепи, от поршня 4 которой маховик 2 удаляется. Под действием подпружиненного поршня 14 жидкость перетекает из канала 13 через трубопровод 11 в цилиндр 3 и поршень 4 движется следом за маховиком, занимая в итоге другое крайнее положение (на чертеже верхнее), при этом клапан 12 закрывается, гидравлическая цепь приводится в состояние, изображенное на чертеже, и оказывается взведенной, готовой к приему и передаче энергии.

Маховик 2 продолжает вращение и, взаимодействуя со штоком поршня 4, перемещает последний из верхнего (см. чертеж) крайнего положения в нижнее и сжимает жидкость, заключенную в полостях цилиндра 3 и трубопровода 11. При этом происходит деформация жидкости, т.к. жидкость из полости цилиндра 3 вытесняется в трубопровод 11, заполненный жидкостью, и никуда не перетекает. Современная техника герметизации подвижных соединений (поршень и цилиндр, клапаны) позволяет свести к нулю протечки через подвижные соединения, например, используя сильфонные уплотнения, и тем самым получить 100% объемный КПД гидравлической передачи, что теоретически недостижимо в известных гидравлических передачах, имеющих части высокого и низкого давления.

При достижении поршнем 4 крайнего нижнего положения клапан 9 закрывают, а в полости трубопровода 11 создается импульс деформированной жидкости. Создаваемое при этом давление зависит от соотношения объемов полостей трубопровода 11 и цилиндра 4. Согласно изобретению объем полости трубопровода 11 не менее чем в 10 раз больше объема полости цилиндра 4, т.к. при меньшем объеме полости трубопровода и, например, рабочей жидкости с модулем упругости E 15000 кг/см² создается давление свыше 1500 кг/см², что делает проблематичным обеспечение прочности и надежности работы подвижных элементов.

Таким образом, полученный импульс оказывается заключенным в трубопроводе 11 и содержит энергию сдеформированной жидкости, полученную от маховика 2 двигателя 1. Импульс сдеформированной жидкости может храниться в трубопроводе 11, при этом последний выполняет функцию аккумулятора энергии.

Этот импульс может быть направлен сразу после его создания в полости трубопровода 11 непосредственно к потребителю энергии колесу 8. Для этого после закрытия клапана 9 при закрытом клапане 12 открывают клапан 10. Такая передача возможна при синхронном вращении валов двигателя 1 и колеса 8. В большинстве случаев, имея информацию о наличии в трубопроводе 11 соответствующей цепи импульса, система 16 выбирает тот момент времени, в который диск 7 касается (как это показано на чертеже) находящегося в верхнем крайнем положении поршня 5 (или выбирает соответствующую гидравлическую цепь, поршень 5 которой находится в нужном положении), и затем открывает клапан 10.

При открывании клапана 10 полость трубопровода 11 соединяется с полостью цилиндра 6, жидкость под давлением наполняет цилиндр, перемещая поршень 5, импульс силы при этом передается на диск 7, создавая импульс крутящего момента, передаваемого на колесо 8. Жидкость при этом расширяется до первоначального объема и при достижении поршнем 5 нижнего крайнего положения ее давление оказывается равным исходному, определяемому только натяжением пружины поршня 14 при первоначальном заполнении системы.

Для обеспечения равномерности передачи вращения на колесо 8 импульсы сжатой жидкости передают последовательно как минимум по трем гидравлическим цепям, управляя положением клапанов.

При вращении колеса 8 и движении диска 7 в направлении на поршень 5 система управления 16 в зависимости от положения маховика 2 относительно соответствующей цепи или открывает клапан 9 (при движении маховика 2 в направлении от поршня 4) и жидкость перетекает из полости цилиндра 6 через трубопровод 11 в полость цилиндра 3, перемещая поршень 4 в верхнее положение, или открывает клапан 12 (при другом движении маховика 2 или при регулировании передаваемой мощности) и жидкость перетекает из полости цилиндра 6 в дополнительный канал 13, поджимая пружину клапана 14. Изменениями давления жидкости при этом в сравнении с давлением, создаваемым при ее деформации, можно пренебречь и считать постоянным, равным давлению заполнения.

Подключение с помощью клапана 12 дополнительного объема жидкости в канале 13 позволяет не деформировать жидкость при работе устройств ее сжатия (движении поршня 4 вниз или поршня 5 вверх) и таким образом реализовать холостой ход соответствующих поршней.

При торможении колеса 8 и необходимости отбора от него энергии импульсы деформированной жидкости создаются с помощью диска 7 и поршня 5, аналогично описанному выше, и попадают в трубопроводы 11 гидравлических цепей, откуда они могут быть переданы на маховик 2, осуществляя таким образом рекуперацию энергии.

Так как отношение объемов цилиндров 3 и 6 к объему трубопровода 11 постоянно, величина мощности, передаваемая одним импульсом, также является постоянной величиной. В любой цепи заявляемой гидравлической передачи или есть импульс деформированной жидкости, или он отсутствует. В связи с этим регулирование передаваемой мощности осуществляют количеством передаваемых импульсов, используя при этом программируемую систему управления 16. С ее же помощью регулируют скорость вращения колеса 8, изменяя количество и частоту передаваемых импульсов. При этом реализуется принципиально новый способ регулирования, аналогичный способу обработки двоичных кодов в вычислительной технике, что при программируемой системе управления 16 позволяет получить практически неограниченные возможности по автоматизации управления потребляющего энергию механизма. Использование такой системы регулирования в автомобиле существенно повысит не только экономичность, но и безопасность его эксплуатации.

Расчеты, выполненные авторами, показали, что для автомобиля типа "Жигули", чтобы разогнать его от 0 до 90 км/ч за 10 с, гидроимпульсная передача из трех гидравлических цепей при рабочей жидкости с модулем упругости E 15000 кг/см² и максимальном создаваемом давлении в 600 кг/см² (что реализуется известными на сегодня в технике средствами) имеет следующие параметры:
диаметр поршней (4 и 5) каждой цепи 1,25 см;
ход поршней 1,5 см;
объем соединительного трубопровода (11) 46,3 см³.

Полученные в результате расчета габариты и параметры гидроимпульсной передачи позволяют существенно снизить массогабаритные характеристики трансмиссии автомобиля, причем используя известные материалы и конструктивные элементы, что безусловно делает такой автомобиль конкурентоспособным с самыми современными автомобилями.

Таким образом, предложенная гидравлическая передача, передавая вырабатываемую ее функциональными элементами механическую энергию колесам автомобиля по заявляемому способу обеспечивает:
высокую экономичность,
экологическую чистоту,
минимальные гидравлические потери,
бесшумность,
отсутствие коробки передач.

Использование: в качестве трансмиссии на транспортных машинах. Сущность изобретения: в способе, при котором в начале последовательной гидравлической цепи сжимают жидкость с помощью механизма источника энергии, передают энергию по трубопроводу импульсами сжатой жидкости с последующим ее расширением в конце цепи при взаимодействии с механизмом потребителя, сжатие и расширение осуществляют поочередно, причем расширение производят после завершения деформирования жидкости в трубопроводе с объемом не менее чем в 10 раз большим объема сжимаемой или расширяемой жидкости, причем импульсы деформированной жидкости передают по нескольким параллельно установленным гидравлическим цепям со сдвигом момента времени передачи импульса по углу поворота механизмов источника и потребителя энергии на величину, кратную числу гидравлических цепей. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ передачи механической энергии от ее источника к потребителю, в котором в начале последовательной гидравлической цепи сжимают жидкость с помощью механизма источника энергии, передают энергию по трубопроводу импульсами сжатой жидкости с последующим ее расширением в конце цепи при взаимодействии с механизмом потребителя, отличающийся тем, что сжатие и расширение осуществляют поочередно, причем расширение производят после завершения деформирования жидкости в трубопроводе с объемом не менее, чем в 10 раз большим объема сжимаемой или расширяемой жидкости. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что импульсы деформированной жидкости передают по нескольким параллельно установленным гидравлическим цепям со сдвигом момента времени передачи импульса по углу поворота механизмов источника и потребителя энергии на величину, кратную числу гидравлических цепей. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что передаваемую энергию регулируют с помощью программируемой системы управления путем изменения частоты передаваемых импульсов с подключением к трубопроводу дополнительного объема жидкости. 4. Гидравлическая передача для осуществления способа по пп. 1 3, содержащая установленные в корпусе механизм источника энергии, кинематически связанный с поршнем цилиндра сжатия, и механизм потребителя энергии, кинематически связанный с поршнем цилиндра расширения, а также трубопровод для соединения цилиндров сжатия и расширения в последовательную гидравлическую цепь передачи импульсов, отличающаяся тем, что каждый из цилиндров снабжен двухпозиционным клапаном для соединения с упомянутым трубопроводом, а последний выполнен с объемом не менее, чем в 10 раз большим, чем объем полости одного из указанных цилиндров. 5. Передача по п. 4, отличающаяся тем, что она снабжена подключенным к трубопроводу через дополнительно установленный управляемый клапан вспомогательным цилиндром с подпружиненным поршнем. 6. Передача по п. 4, отличающаяся тем, что она выполнена в виде нескольких параллельно установленных гидравлических цепей передачи импульсов и снабжена подключенной ко всем клапанам системой управления, выполненной с устройством изменения последовательности и частоты переключения клапанов каждой из указанных цепей.