АКСИАЛЬНО-ПОРШНЕВАЯ МАШИНА С ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ХОДА ПОРШНЯ РЕГУЛЯТОРА Российский патент 2008 года по МПК F04B1/30 

Изобретение относится к области регулируемых гидромашин, а именно к аксиально-поршневым машинам с переменным рабочим объемом.

Известна аксиально-поршневая машина (патент DE №10119236, F04B 1/30), с наклонным блоком, вращающимся вокруг оси центральной цапфы. В наклонный блок входят поршни, шарнирно опирающиеся на фланец вала, который установлен в корпусе на подшипниках. С противоположной стороны подшипников наклонный блок опирается на распределитель с каналами подвода и отвода жидкости к цилиндрам. Распределитель поворачивается по поверхности вращения корпуса механизма регулирования посредством пальца, кинематически связывающего распределитель и поршень управления, размещенный в корпусе механизма регулирования. Палец установлен в поршне управления поперечно и связан с одной стороны с распределителем, а с противоположной стороны - с поворотной тягой, связанной с датчиком угла поворота.

Недостатками известной машины являются значительные габаритные размеры; неточность и ненадежность измерения датчика угла поворота вследствие возможных люфтов механизма привода датчика, являющихся следствием, в свою очередь, наличия двойного преобразования движения распределителя машины. Кроме того, датчик угла поворота, расположенный на торце машины, ограничивает возможность размещения каналов подвода и отвода к машине рабочей среды.

Известен насос переменной производительности (патент РФ №2155275), выбранный за прототип, содержащий качающий блок, поршень управления положением качающего блока, расположенный в корпусе цилиндра. При этом насос снабжен датчиком положения поршня, выполненным виде линейного трансформатора, причем в поршне управления выполнена выточка, в которой размещена катушка датчика положения, прикрепленная к крышке корпуса цилиндра, а подвижный сердечник датчика соединен с поршнем.

Недостатком прототипа является значительная величина датчика хода поршня, обусловливающая значительные габариты известной машины (т.к. датчик выходит за пределы корпуса машины).

Недостатком является также то обстоятельство, что обмотка датчика находится в рабочей полости под давлением рабочей среды. Вследствие этого давление в рабочей полости снижено относительно рабочего давления. Для компенсации снижения давления в рабочей полости увеличивают диаметр поршня управления, что также обусловливает значительные габариты машины в целом.

Нахождение обмотки датчика под давлением рабочей среды обусловливает повышенные требования к изоляции обмотки и к обустройству выводов обмотки наружу к измерительной технике.

Задача, решаемая изобретением, - снижение габаритов аксиально-поршневой машины и повышение надежности ее работы.

Поставленная задача решается тем, что в аксиально-поршневой машине с преобразователем хода поршня регулятора, содержащей качающий узел и регулятор с поршнем, управляющим положением качающего узла, согласно изобретению в поршне регулятора, выполнено продольное отверстие, выходящее на торцевую поверхность поршня регулятора, отверстие имеет переменное в продольном направлении поперечное сечение, изменение поперечного сечения продольного отверстия имеет однонаправленный характер, глубина отверстия составляет не менее длины хода поршня регулятора, при этом поршень регулятора выполнен из магнитного материала, корпус регулятора со стороны той части поршня, в которой выполнено продольное отверстие, закрыт крышкой, на крышке закреплен стержневой элемент, выполненный из немагнитного материала и выходящий в полость, в которой размещен поршень регулятора, с возможностью размещения стержневого элемента внутри продольного отверстия поршня регулятора, преобразователь хода поршня регулятора содержит датчик Холла и постоянный магнит, установленные внутри стержневого элемента, длина стержневого элемента составляет не менее длины продольного отверстия, выполненного в поршне регулятора, и выбрана исходя из условия обеспечения размещения постоянного магнита и датчика Холла в продольном отверстии поршня регулятора на протяжении всего хода поршня.

Аксиально-поршневая машина содержит регулируемый качающий узел и регулятор, предназначенный для регулирования положения качающего узла. Определенному положению (углу) качающего узла соответствует определенный рабочий объем машины, поэтому, изменяя положение качающего узла, изменяют рабочий объем машины. Регулирование рабочего объема машины осуществляют посредством регулирования положения поршня регулятора, кинематически связанного с качающим узлом.

Постоянный магнит, установленный внутри стержневого элемента создает вокруг себя магнитное поле, которое, благодаря тому, что стержневой элемент выполнен из немагнитного материала, замыкается через поршень регулятора, выполненный из магнитного материала, и датчик Холла. При замыкании силовых линий магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, на выходе датчика Холла появляется электрический сигнал, уровень которого зависит от количества и плотности силовых линий магнитного поля, замыкающихся через датчик Холла. При изменении количества и плотности силовых линий магнитного поля, замыкающихся через датчик Холла, будет соответственно изменяться выходной электрический сигнал датчика Холла.

Особенностью датчика Холла является то, что он реагирует на изменение магнитного поля только в ограниченном пространстве вокруг себя. Поэтому, размещая постоянный магнит и датчик Холла внутри стержневого элемента, имеется возможность максимально приблизить постоянный магнит к датчику Холла в пределах диапазона реагирования последнего.

Поршень регулятора, перемещаясь, будет, соответственно, перемещаться относительно стержневого элемента вдоль датчика Холла и постоянного магнита. Магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом, будет замыкаться через поршень и датчик Холла. При этом на выходе датчика Холла будет выходной сигнал, пропорциональный магнитному полю, замкнутому через датчик Холла. Поскольку поперечное сечение поршня является переменным в направлении его перемещения (т.к. в поршне выполнено отверстие, имеющее переменное в продольном направлении сечение), определенному положению поршня будет соответствовать определенный сигнал на выходе датчика Холла. Для того чтобы в процессе перемещения поршня относительно стержневого элемента исключить возможность получения на выходе датчика Холла сигналы, одинаковые при разных положениях поршня, отверстие в поршне выполняют таким образом, чтобы изменение его поперечного сечения в продольном направлении носило однонаправленный характер, тогда разным положениям поршня всегда будут соответствовать разные сигналы на выходе датчика Холла, исключается дублирование сигналов на выходе датчика Холла при разных положениях поршня. При перемещении поршня изменение выходного сигнала датчика Холла обусловлено изменением количества и плотности силовых линий магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, замыкающихся через поршень и датчик Холла.

Возможность размещения датчика Холла внутри стержневого элемента, выполненного из немагнитного материала, позволяет при сохранении работоспособности преобразователя хода поршня регулятора исключить проблему герметизации электрических выводов датчика Холла. Установка постоянного магнита возможна как внутри стержневого элемента, так и, например, его торцевой поверхности, т.к. постоянный магнит не имеет токоведущих элементов и наличие контакта магнита с рабочей средой никаким образом не отразится на работоспособности преобразователя хода поршня регулятора.

Установка стержневого элемента на крышке, закрывающей корпус регулятора, обеспечивает удобство сборки заявляемой машины, т.к. крышка с установленным на ней стержневым элементом, в котором размещены постоянный магнит и датчик Холла, собирается как единый конструктивный узел, который целиком уже в собранном виде присоединяется к корпусу регулятора машины.

Перед работой машины целесообразно провести тарирование датчика Холла, определив, какому положению поршня регулятора соответствует определенный выходной сигнал датчика Холла. Таким образом, при работе машины по выходному сигналу датчика Холла всегда будет существовать возможность определения положения поршня регулятора, т.е. определение рабочего объема машины.

Заявляемая аксиально-поршневая машина с преобразователем хода поршня регулятора проста по конструкции. Постоянный магнит и датчик Холла имеют очень небольшие размеры и не влекут увеличения габаритных размеров стержневого элемента, поэтому размеры стержневого элемента могут быть минимально необходимыми и достаточными с точки зрения обеспечения его прочности и устойчивости, а постоянный магнит и датчик Холла могут быть установлены в имеющемся объеме стержневого элемента. Таким образом установка в корпусе регулятора стержневого элемента с размещенными в нем постоянным магнитом и датчиком Холла не ведет к увеличению габаритов регулятора, а следовательно, всей машины в целом, связанному с установкой датчика Холла и постоянного магнита, взаимные продольные размеры отверстия в поршне и длина стержневого элемента выбираются из условия обеспечения размещения постоянного магнита и датчика Холла в отверстии на протяжении всего хода поршня регулятора.

Простота конструкции обусловливает надежность работы заявляемой аксиально-поршневой машины.

Токоведущие элементы датчика Холла выведены через стержневой элемент за пределы регулятора. Поскольку электрические контакты датчика Холла не сообщаются с рабочей средой, исключается проблема герметизации токоведущих элементов датчика Холла, что повышает надежность его работы.

Отсутствует двойное преобразование хода распределителя в выходной сигнал датчика Холла, отсутствуют конструктивные элементы, у которых возможно возникновение люфтов в процессе работы, т.к. все конструктивные элементы преобразователя хода поршня регулятора жестко установлены на тех или иных элементах конструкции машины, что также позволяет повысить надежность работы заявляемой машины по сравнению с известными.

В заявляемой аксиально-поршневой машине исключено трение и, соответственно, износ в механизме слежения, что значительно повышает точность и надежность измерений, а также долговечность машины.

Заявляемое изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена заявляемая аксиально-поршневая машина в разрезе.

На фиг.2 представлена выноска А с фиг.1.

На фиг.3 представлена комбинированная (электро-гидро-кинематическая) схема заявляемой аксиально-поршневой машины.

Заявляемая аксиально-поршневая машина с преобразователем хода поршня регулятора содержит корпус 1, в котором на подшипниках 2 установлен вал 3 с фланцем 4. Фланец 4 шарнирно соединен с поршнями 5 и центральной цапфой 6. Поршни 5 расположены в цилиндрах 7 наклонного блока 8, вращающегося вокруг оси центральной цапфы 6. Блок 8 приводится во вращение фланцем 4 вала 3 и поршнями 5. Ход поршней 5 определяется углом поворота, образованным осью вращения блока 8 и осью вращения вала 3. Блок 8 опирается на распределитель 9, прилегающий по поверхности вращения к корпусу 10 регулятора. Распределитель 9 прижимается к корпусу 10 под действием усилия пружины 11 и гидравлического давления в цилиндрах 7 блока 8.

Регулирование рабочего объема машины обеспечивается скольжением распределителя 9 по опорной поверхности вращения корпуса 10 вдоль направляющих 12. Перемещение распределителя 9 по опорной поверхности корпуса 10 осуществляется дифференциальным (ступенчатым) поршнем 13, кинематически связанным с распределителем 9 посредством пальца 14. Палец 14 с одной стороны установлен в поршне 13, а с другой стороны - в отверстии 15 распределителя 9.

Поршень 13 установлен в корпусе 10 регулятора. Со стороны меньшего диаметра поршня 13 образована штоковая полость 16, со стороны большего диаметра поршня 13 образована поршневая полость 17. Полости 16 и 17 расположены в противоположных сторонах по отношению к пальцу 14.

Полость 16 каналом 18 соединена с отверстием 19 высокого давления машины, соединенным, в свою очередь, каналом 20 с гидравлическим распределителем 21, управляемым электромагнитом 22. В зависимости от величины и потенциала управляющей электрической мощности на электромагните 22 гидравлический распределитель 21 регулирует давление в канале 15, соединенном с полостью 17. Гидравлический распределитель 21 каналом 23 соединен со сливом в бак 24.

Поршень 13 выполнен из магнитного материала. В поршне 13 выполнено продольное отверстие 26, имеющее переменное в продольном направлении поперечное сечение, а именно: отверстие 26 в продольном направлении (направлении, совпадающем с направлением перемещения поршня 13) имеет форму конуса. В отверстии 26 размещен стержневой элемент 27 из немагнитного материала, на торце которого установлен постоянный магнит 28, взаимодействующий с неподвижным пропорциональным датчиком Холла 29, установленным внутри стержневого элемента 27, а именно: датчик Холла 29 установлен на дне глухого отверстия 30, выполненного в стержневом элементе 27. Стержневой элемент 27 установлен на крышке 31, закрывающей корпус 10 со стороны полости 17. В крышке 31 установлен гидравлический распределитель 21. Для управления электромагнитом 22 распределителя 21 имеется усилитель 32, имеющий схему сравнения электрического потенциала пропорционального датчика Холла 29, зависимого от положения поршня 13, и задающего электрического устройства 33. При передвижении поршня 13 соответственно меняется расстояние от постоянного магнита 28 до поршня 13, выполненного из магнитного материала, что приводит к изменению направленности и плотности магнитного поля, пронизывающего пропорциональный датчик Холла 29, который при этом меняет величину выходного электрического сигнала.

Заявляемая аксиально-поршневая машина имеет меньшие габаритные размеры по сравнению с прототипом.

Поскольку на датчик Холла 29 не воздействуют рабочая среда и давление, он более надежен в работе и отсутствует проблема герметизации контактных элементов электрических соединений.

Незначительные габариты стержневого элемента 27 с установленными в нем постоянным магнитом 28 и датчиком Холла 29 позволяют установить стержневой элемент 27 на крышке 31, закрывающей корпус 10 со стороны полости 17. Кроме этого, крышка 31 выполняет функцию корпуса распределителя 21. Такая конструкция с совмещением функций отдельных конструктивных элементов машины позволяет упростить ее конструкцию.

Заявляемая аксиально-поршневая машина работает следующим образом.

Машина функционально состоит из двух узлов: регулируемого качающего узла и регулятора рабочего объема. Качающий узел состоит из вала 3 с подшипниками 2, вращающегося на центральной цапфе 6 наклонного блока 8 с поршнями 5, и распределителя 9, кинематически связанного с поршнем 13.

Регулятор предназначен для изменения рабочего объема аксиально-поршневой машины за счет изменения угла наклона блока 8, опирающегося на распределитель 9, перемещающегося по опорной поверхности 10 при перемещении поршня 13 посредством пальца 14, установленного с одной стороны поперечно в поршне 13 и входящего с другой стороны в отверстие 15 распределителя 9.

В нейтральном положении гидравлического распределителя 21 обеспечивается равновесие сил давления, действующих на поршень 13 со стороны полостей 16 и 17. В процессе работы изменение положения распределителя 21 приводит к изменению давления в полости 17, при этом изменяется соотношение сил на поршень 13 со стороны полостей 16 и 17, что вызывает его перемещение, при перемещении поршня 13, кинематически связанного с распределителем 9, происходит изменение угла наклона блока 8 к оси вала 3 и, соответственно, изменение рабочего объема машины.

В процессе перемещения поршень 13 движется относительно датчика Холла и постоянного магнита, установленных в стержневом элементе 27. При перемещении поршня 13 происходит изменение направленности и плотности силовых линий магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом 28, замыкающихся через поршень 13 и датчик Холла 29. Изменение магнитного поля, замыкающегося через датчик Холла 29, обусловливает изменение выходного электрического сигнала датчика Холла 29. По изменению выходного сигнала датчика Холла 29 судят о положении поршня 13, а следовательно, о рабочем объеме машины.

Устройство предназначено для использования в области регулируемых гидромашин, а именно в аксиально-поршневых машинах с переменным рабочим объемом. Аксиально-поршневая машина содержит качающий узел и регулятор с поршнем, управляющим положением качающего узла. В поршне регулятора выполнено продольное отверстие, выходящее на торцевую поверхность поршня регулятора. Отверстие имеет переменное в продольном направлении поперечное сечение. Изменение поперечного сечения продольного отверстия имеет однонаправленный характер. Глубина отверстия составляет не менее длины хода поршня регулятора. Поршень регулятора выполнен из магнитного материала. Корпус регулятора со стороны той части поршня, в которой выполнено продольное отверстие, закрыт крышкой. На крышке закреплен стержневой элемент, выполненный из немагнитного материала и выходящий в полость, в которой размещен поршень регулятора, с возможностью размещения стержневого элемента внутри продольного отверстия поршня регулятора. Преобразователь хода поршня регулятора содержит датчик Холла и постоянный магнит, установленные внутри стержневого элемента. Длина стержневого элемента составляет не менее длины продольного отверстия, выполненного в поршне регулятора, и выбрана исходя из условия обеспечения размещения постоянного магнита и датчика Холла в продольном отверстии поршня регулятора на протяжении всего хода поршня. Снижаются габариты аксиально-поршневой машины и повышается надежность ее работы. 3 ил.

Аксиально-поршневая машина с преобразователем хода поршня регулятора, содержащая качающий узел и регулятор с поршнем, управляющим положением качающего узла, отличающаяся тем, что в поршне регулятора выполнено продольное отверстие, выходящее на торцевую поверхность поршня регулятора, отверстие имеет переменное в продольном направлении поперечное сечение, изменение поперечного сечения продольного отверстия имеет однонаправленный характер, глубина отверстия составляет не менее длины хода поршня регулятора, при этом поршень регулятора выполнен из магнитного материала, корпус регулятора со стороны той части поршня, в которой выполнено продольное отверстие, закрыт крышкой, на крышке закреплен стержневой элемент, выполненный из немагнитного материала и выходящий в полость, в которой размещен поршень регулятора, с возможностью размещения стержневого элемента внутри продольного отверстия поршня регулятора, преобразователь хода поршня регулятора содержит датчик Холла и постоянный магнит, установленные внутри стержневого элемента, длина стержневого элемента составляет не менее длины продольного отверстия, выполненного в поршне регулятора, и выбрана исходя из условия обеспечения размещения постоянного магнита и датчика Холла в продольном отверстии поршня регулятора на протяжении всего хода поршня.