регулируемая аксиально-поршневая машина с датчиком положения распределителя

Формула изобретения

1. Регулируемая аксиально-поршневая машина с датчиком положения распределителя, содержащая регулируемый качающий узел, механизм регулирования, датчик положения распределителя; качающий узел содержит установленные в корпусе вал, кинематически связанный с наклонным блоком, опирающимся на распределитель, при этом распределитель установлен с возможностью перемещения по опорной поверхности корпуса; механизм регулирования содержит установленный в корпусе поршень управления, кинематически связанный с распределителем, отличающаяся тем, что датчик положения распределителя содержит датчик Холла, постоянный магнит и металлическую пластину, выполненную из магнитного материала и неподвижно закрепленную на распределителе таким образом, что ее поверхность выступает за пределы боковой поверхности распределителя, поверхность металлической пластины выполнена с однонаправленным переменным сечением в продольном направлении, совпадающем с направлением перемещения распределителя, при этом боковая поверхность распределителя - поверхность, не контактирующая с наклонным блоком или с опорной поверхностью корпуса; в корпусе образована полость, обеспечивающая размещение металлической пластины при перемещении распределителя; в корпусе напротив друг друга установлены датчик Холла и постоянный магнит, обращенные к металлической пластине, при этом датчик Холла и постоянный магнит размещены относительно друг друга с возможностью обеспечения перемещения металлической пластины вдоль них в процессе перемещения распределителя.

2. Регулируемая аксиально-поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что корпус содержит вкладыш из немагнитного материала, выходящий в полость, в которой размещена металлическая пластина, при этом датчик Холла и постоянный магнит установлены во вкладыше.

3. Регулируемая аксиально-поршневая машина по п.2, отличающаяся тем, что вкладыш установлен в выходящем наружу отверстии корпуса механизма регулирования.

4. Регулируемая аксиально-поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что датчик Холла и постоянный магнит установлены относительно друг друга с зазором с возможностью обеспечения перемещения металлической пластины в зазоре между ними в процессе перемещения распределителя.

5. Регулируемая аксиально-поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что поверхность металлической пластины имеет дугообразную форму таким образом, что радиус кривизны поверхности пластины и радиус наружной поверхности распределителя, контактирующей с наклонным блоком или с направляющими, имеют один центр.

Описание изобретения к патенту

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

Известна конструкция аксиально-поршневой машины по патенту Германии №DE 10119239, F 04 B 1/30 с наклонным блоком цилиндров, вращающимся вокруг оси центральной цапфы и входящими в цилиндры блока поршнями, шарнирно опирающимися на фланец вала, установленного в корпусе на подшипниках. С противоположной от подшипников стороны наклонный блок опирается на распределитель с каналами подвода/отвода рабочей среды к цилиндрам. Аксиально-поршневая машина содержит механизм регулирования, содержащий поршень управления, кинематически связанный посредством пальца с распределителем. Палец с одной стороны установлен в поршне управления поперечно, а с другой стороны входит в отверстие распределителя, при движении поршня распределитель поворачивается по поверхности вращения и взаимодействует с сенсором угла поворота, установленным с внешней стороны корпуса подшипников на оси поворота наклонного блока. Поворотная деталь сенсора через отверстие входит внутрь корпуса подшипников и соединяется изогнутым рычагом с боковой поверхностью распределителя.

Недостатками известной аксиально-поршневой машины являются:

- внешнее расположение сенсора на наружной поверхности корпуса подшипников, требующее установки защитного кожуха от возможных электрических и механических воздействий, что ведет к увеличению габаритных размеров машины;

- возможные люфты механизма привода сенсора угла поворота вследствие значительной длины изогнутого рычага привода, что ведет к снижению точности и надежности измерений;

- большие габаритные размеры корпуса подшипников для размещения механизма привода сенсора угла поворота;

- уменьшение вследствие взаимодействия с сенсором боковой поверхности распределителя, являющейся опорной направляющей поверхностью, подвергаемой высоким контактным нагрузкам при работе машины. Уменьшение опорной поверхности ведет к ограничению диапазона регулирования машины и к снижению ее надежности.

Известна аксиально-поршневая машина (патент Германии DE №4022301, F 04 B 1/30), выбранная за прототип, содержащая качающий узел с наклонной по отношению к оси вала осью наклонного блока цилиндров, опирающегося на распределитель, установленный по поверхности вращения на механизм регулирования и связанный кинематически с поршнем управления механизма регулирования. Для контроля положения распределителя в корпусе механизма регулирования выполнено отверстие, перпендикулярное оси вала и наклонного блока. В указанном отверстии установлен подпружиненный измерительный щуп индуктивного путевого датчика. Щуп путевого датчика опирается на наклонный радиусный паз, выполненный на плоской боковой поверхности распределителя. Плоские боковые поверхности распределителя являются направляющими и выполнены перпендикулярно оси поворота. Соответственно выполнены и направляющие боковые поверхности корпуса механизма регулирования измерительный наклонный боковой паз распределителя углублен по отношению к плоской боковой поверхности, которая выполнена удлиненной. Удлинение боковой поверхности распределителя необходимо для обеспечения длины измерительной поверхности распределителя и корпуса механизма регулирования. Для обеспечения прочности распределителя измерительный наклонный боковой паз должен быть смещен по отношению к дуговому пазу, что и является главной причиной удлинения распределителя.

Главным недостатком такого устройства слежения является неизбежный гистерезис механизма, обусловленный силами трения. Трение также ограничивает показатели надежности механизма регулирования ввиду возможного износа.

Другим недостатком такой машины являются увеличенные габаритные размеры, т.к. удлинение распределителя вынуждает увеличивать корпус механизма регулирования и корпус качающего узла. Индуктивный сенсор, установленный на наружной поверхности корпуса, также увеличивает ширину машины.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, - увеличение точности и надежности механизма регулирования при одновременном уменьшении габаритных размеров.

Поставленная задача решается за счет того, что в регулируемой аксиально-поршневой машине с датчиком положения распределителя, содержащей регулируемый качающий узел, механизм регулирования, датчик положения распределителя; качающий узел содержит установленные в корпусе вал, кинематически связанный с наклонным блоком, опирающимся на распределитель, при этом распределитель установлен с возможностью перемещения по опорной поверхности корпуса; механизм регулирования содержит установленный в корпусе поршень управления, кинематически связанный с распределителем, согласно изобретению датчик положения распределителя содержит датчик Холла, постоянный магнит и металлическую пластину, выполненную из магнитного материала и неподвижно закрепленную на распределителе таким образом, что ее поверхность выступает за пределы боковой поверхности распределителя, поверхность металлической пластины выполнена с однонаправленным переменным сечением в продольном направлении, совпадающем с направлением перемещения распределителя, при этом боковая поверхность распределителя - поверхность, не контактирующая с наклонным блоком или с опорной поверхностью корпуса; в корпусе образована полость, обеспечивающая размещение металлической пластины при перемещении распределителя; в корпусе напротив друг друга установлены датчик Холла и постоянный магнит, обращенные к металлической пластине, при этом датчик Холла и постоянный магнит размещены относительно друг друга с возможностью обеспечения перемещения металлической пластины вдоль них в процессе перемещения распределителя.

В регулируемой аксиально-поршневой машине корпус может содержать вкладыш из немагнитного материала, выходящий в полость, в которой размещена металлическая пластина, при этом датчик Холла и постоянный магнит установлены во вкладыше.

В регулируемой аксиально-поршневой машине вкладыш может быть установлен в выходящем наружу отверстии корпуса механизма регулирования.

В регулируемой аксиально-поршневой машине датчик Холла и постоянный магнит могут быть установлены относительно друг друга с зазором с возможностью обеспечения перемещения металлической пластины в зазоре между ними в процессе перемещения распределителя.

В регулируемой аксиально-поршневой машине поверхность металлической пластины может иметь дугообразную форму таким образом, что радиус кривизны поверхности пластины и радиус наружной поверхности распределителя, контактирующей с наклонным блоком или с направляющими, имеют один центр.

Заявляемая аксиально-поршневая машина с датчиком положения распределителя представляет собой машину с переменным рабочим объемом.

Машина содержит два функциональных узла - регулируемый качающий узел и механизм регулирования. Качающий узел содержит наклонный блок цилиндров, опирающийся на распределитель. При изменении угла наклона блока цилиндров изменяется рабочий объем машины и таким образом осуществляется регулирование ее выходной характеристики. Для регулирования положения качающего узла распределитель кинематически связывают с поршнем регулирования. При изменении положения поршня регулирования соответственно изменяется положение распределителя, следовательно, меняется угол наклона блока цилиндров. Поршень регулирования установлен в корпусе механизма регулирования.

Распределитель размещен в корпусе механизма регулирования, при этом его перемещение осуществляется по опорной поверхности вдоль направляющих.

На распределителе неподвижно закреплена металлическая пластина, выполненная из магнитного материала и имеющая однонаправленное переменное сечение поверхности в продольном направлении (в направлении перемещения распределителя), например равномерно сужающееся сечение. Пластина закреплена на распределителе таким образом, чтобы ее поверхность выступала за пределы боковой поверхности распределителя (боковая поверхность распределителя - поверхность, не контактирующая с опорной поверхностью, и поверхность - не контактирующая с наклонным блоком). Таким образом, при перемещении распределителя металлическая пластина будет перемещаться совместно с ним.

В корпусе механизма регулирования образована (специально или в пределах имеющихся технологических полостей) полость, обеспечивающая размещение металлической пластины при перемещении распределителя на протяжении всего его хода.

В корпусе напротив друг друга установлены датчик Холла и постоянный магнит, обращенные к металлической пластине. При этом датчик Холла и постоянный магнит установлены относительно распределителя таким образом, чтобы при перемещении распределителя на всем его ходу металлическая пластина перемещалась вдоль них. Место установки пластины, датчика Холла и постоянного магнита не имеет принципиального значения, главное, чтобы на протяжении всего хода распределителя пластина перемещалась (соответственно ходу распределителя) вдоль датчика Холла и постоянного магнита.

Металлическая пластина имеет однонаправленное переменное сечение в продольном направлении (в направлении перемещения распределителя). В исходном состоянии (до начала регулирования - изменения объема машины) металлическая пластина подходит к постоянному магниту и датчику Холла со стороны, имеющей, например, большее поперечное сечение, при перемещении распределителя металлическая пластина будет соответственно перемещаться вдоль датчика Холла и постоянного магнита. Магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом, будет замыкаться через металлическую пластину и датчик Холла. При этом на выходе датчика Холла будет выходной сигнал, пропорциональный магнитному полю, замкнутому через датчик Холла. Поскольку поперечное сечение металлической пластины является переменным в направлении перемещения распределителя, следовательно, при перемещении распределителя вдоль зазора между постоянным магнитом и датчиком Холла будет находиться все время изменяющаяся часть пластины, которая будет замыкать магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом, соответственно изменяющееся с изменением положения распределителя. Соответственно будет изменяться величина магнитного поля, замыкающегося через датчик Холла. Следовательно, при изменении положения распределителя, на выходе датчика Холла будет изменяться выходной сигнал, зависящий от положения пластины относительно зазора между постоянным магнитом и датчиком Холла.

Расположение постоянного магнита и датчика Холла с зазором друг относительно друга и обеспечение перемещения металлической пластины в зазоре между постоянным магнитом и датчиком Холла позволит повысить чувствительность датчика положения распределителя, т.к. в этом случае значительно повысится количество и плотность силовых линий магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом и замыкающихся через металлическую пластину.

Для повышения удобства сборки и повышения чувствительности датчика положения распределителя корпус может содержать вкладыш, выполненный из немагнитного материала, выходящий в полость, в которой размещена металлическая пластина. При этом датчик Холла и постоянный магнит установлены во вкладыше. Указанный вкладыш может быть установлен в отверстии корпуса механизма регулирования, выходящее наружу, что значительно повысить удобство замены данного узла в случае выхода из строя одного из его элементов.

Корпус машины выполнен из прочного металла для того, чтобы обеспечивать работу машины при высоких нагрузках. Металл - магнитный материал, поэтому значительное количество силовых линий магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, будет замыкаться по корпусу, а не через металлическую пластину. Размещение постоянного магнита и датчика Холла во вкладыше из немагнитного материала позволит повысить чувствительность машины, т.к. в этом случае через металлическую пластину будет замыкаться большее количество силовых линий магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом.

Вкладыш может иметь форму, обеспечивающую возможный доступ пластины в зазор между датчиком Холла и постоянным магнитом, а именно вкладыш выполнен с выемкой, образующей зазор между датчиком Холла и постоянным магнитом.

Размещение постоянного магнита и датчика Холла во вкладыше позволяет значительно повысить удобство изготовления заявляемой машины, а именно вкладыш с установленными в нем постоянным магнитом и датчиком Холла представляет собой мобильный модульный узел, сборка которого может осуществляться как самостоятельного конструктивного узла заявляемой машины и потом просто устанавливаться на место установки.

Электрические выводы датчика Холла выведены или непосредственно через корпус или через вкладыш наружу.

Перед работой машины целесообразно провести тарирование датчика положения распределителя, определив, какому положению металлической пластины относительно зазора между постоянным магнитом и датчиком Холла соответствует определенный выходной сигнал датчика Холла. Таким образом, при работе машины по выходному сигналу датчика Холла всегда будет существовать возможность определения положения распределителя, т.е. определение рабочего объема машины.

Для того чтобы исключить возможность совпадения выходного сигнала датчика Холла при разном положении поршня регулирования поперечное сечение металлической пластины, изменяют в одном направлении (т.е. на металлической пластине отсутствуют поперечные сечения, совпадающие между собой), т.е. металлическую пластину выполняют с однонаправленным изменением поперечного сечения.

Для повышения точности измерения за счет того, что ход пластины будет точно прямо пропорционален ходу распределителя, поверхность металлической пластины может иметь дугообразную форму таким образом, чтобы радиус кривизны поверхности пластины и радиус наружной поверхности распределителя, контактирующей с наклонным блоком или с направляющими, имели один центр, т.е. чтобы боковые проекции пластины и наружной поверхности распределителя являлись частями концентрических окружностей. Такое выполнение металлической пластины обеспечит равномерный выходной сигнал на датчике Холла, величина которого будет прямо пропорциональна положению распределителя.

Заявляемая аксиально-поршневая машина с датчиком положения распределителя проста по конструкции. Постоянный магнит и датчик Холла имеют очень небольшие размеры и могут быть установлены в имеющемся объеме корпуса механизма распределителя, т.е. не происходит увеличение габаритов механизма регулирования, а следовательно, всей машины в целом, связанное с установкой датчика Холла и постоянного магнита. Металлическая пластина закрепляется на распределителе неподвижно, для ее размещения в корпусе механизма регулирования необходимо только выполнить полость для ее размещения. Поскольку место установки пластины, постоянного магнита и датчика Холла не имеет принципиального значения, данные конструктивные элементы могут быть установлены в имеющемся технологическом пространстве, главное обеспечить прохождение пластины вдоль зазора между постоянным магнитом и датчиком Холла при перемещении распределителя. Простота конструкции обусловливает надежность работы заявляемой аксиально-поршневой машины с датчиком положения распределителя.

Токоведущие элементы датчика Холла выведены через корпус или вкладыш наружу. 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 датчика положения жестко установлены на тех или иных элементах конструкции механизма регулирования, 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 изображен продольный разрез заявляемой аксиально-поршневая машины с датчиком положения распределителя.

На фиг.2 изображен разрез А-А.

На фиг.3 изображено сечение Б-Б.

На фиг.4 изображено сечение В-В.

На фиг.5 изображена электрогидравлическая схема заявляемой аксиально-поршневой машины.

Аксиально-поршневая машина с датчиком положения распределителя 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 вращающегося вокруг оси центральной цапфы 6 наклонного блока 8, который приводится во вращение фланцем 4 вала и поршнями 5. Ход поршней 5 определяется углом поворота, образованным осью вращения вала 3. Наклонный блок 8 опирается на распределитель 9, прилегающий по поверхности вращения к корпусу 10 механизма регулирования. Распределитель 9 прижимается к корпусу 10 под действием усилия пружины 11, установленной в цилиндре наклонного блока 8 между центральной цапфой 6 и внутренней торцевой поверхностью цилиндра, и гидравлического давления в цилиндрах 7 блока 8. Регулирование рабочего объема машины обеспечивается скольжением распределителя 9 по опорной поверхности 12 корпуса 10 вдоль направляющих 13. Наружные поверхности распределителя 9, контактирующие с наклонным блоком 8 с одной стороны и с направляющими 13 с другой стороны имеют дугообразную форму, соответственно наружная поверхность блока 8 и направляющие 13, контактирующие с распределителем 9, имеют ответную дугообразную форму. Таким образом обеспечивается необходимый контакт распределителя 9 с наклонным блоком 8 и плавное перемещение распределителя 9 по направляющим 13, что, в свою очередь, обеспечивает плавное регулирование рабочего объема машины. Перемещение распределителя 9 по опорной поверхности 12 осуществляется дифференциальным (ступенчатым) поршнем 14 регулирования посредством пальца 15, установленного с одной стороны в поршне 14, а с другой стороны - в отверстии распределителя 9. Между штоком (часть поршня 14 меньшего диаметра) и корпусом 10 образована штоковая полость 17, между поршневой частью (часть поршня 14 большего диаметра) и корпусом 10 образована поршневая полость 18. Штоковая полость 17 и поршневая полость 18 расположены в противоположных сторонах по отношению к пальцу 15.

На распределителе 9 неподвижно закреплена металлическая пластина 19, выполненная из магнитного материала и имеющая равномерно переменное (сужающееся) сечение плоской поверхности в продольном направлении - в направлении перемещения распределителя 9. Пластина 19 закреплена на распределителе 9 таким образом, что ее поверхность выступает за пределы боковой поверхности распределителя 9 и находится под углом к ней. Поверхность пластины 19 имеет дугообразную форму и выполнена таким образом, что радиус наружной поверхности распределителя 9 и радиус кривизны поверхности пластины 19 имеют один центр, т.е. проекции огибающих наружной поверхности распределителя 9 и поверхности пластины 19 являются частями концентрических окружностей. В корпусе 10 имеются технологические полости (для размещения поршня 14, установки распределителя 9 и блока 8), которые достаточны, чтобы разместить в них металлическую пластину 19 и обеспечить ее беспрепятственное перемещение на всем ходу распределителя 9.

Заявляемая аксиально-поршневая машина содержит датчик положения распределителя, который включает датчик Холла 20, постоянный магнит 21 и пластину 19. Датчик Холла 20 и постоянный магнит 21 размещены напротив друг друга внутри вкладыша 22, выполненного из немагнитного материала, т.е. датчик Холла 20 и постоянный магнит 21 не контактируют с рабочей средой, заполняющей полости машины. Вкладыш 22 установлен неподвижно в корпусе 10 через сквозное отверстие 23, выходящее на наружную поверхность 24 корпуса 10. При установке вкладыша 22 за счет того, что он установлен в отверстии 23 корпуса 10, выходящее наружу, имеется возможность регулировки и ориентации вкладыша 22 относительно пластины 19. Вкладыш 22 выполнен с выемкой между датчиком Холла 20 и постоянным магнитом 21, но при обеспечении нахождения датчика Холла 20 и постоянного магнита 21 внутри вкладыша 22. Выемка, выполненная во вкладыше 22, обеспечивает необходимый зазор между датчиком Холла и постоянным магнитом для размещения в этом зазоре пластины 19 в процессе перемещения распределителя 9.

Вкладыш 22 с размещенными внутри него датчиком Холла и постоянным магнитом и пластина 19 установлены относительно друг друга таким образом, чтобы обеспечить перемещение пластины 19 в зазоре между датчиком Холла 20 и постоянным магнитом 21 в процессе всего перемещения распределителя 9.

Штоковая полость 17 каналом 25 соединена с отверстием 26 высокого давления машины. Отверстие 26 каналом 27 соединено с гидравлическим распределителем 28, управляемым электромагнитом 29. Гидравлический распределитель 28, соединенный также каналом 30 со сливом в бак 31 в зависимости от величины и потенциала управляющей электрической мощности на электромагните 29, регулирует давление в поршневой полости 18. Для управления электромагнитом 29 предназначен усилитель 32, имеющий схему сравнения значений выходного электрического сигнала датчика Холла 20, зависимого от положения поршня 14 и сигнала с задающего электрического устройства 33. При передвижении распределителя 9 с пластиной 19 вследствие переменности продольного сечения поверхности пластины 19 происходит пропорциональное замыкание пластиной 19 магнитного поля постоянного магнита 21, соответственно пропорционально меняется выходной сигнал датчика Холла 20.

Заявляемая аксиально-поршневая машина имеет меньшие габаритные размеры по сравнению с известными, т.к. все элементы датчика положения распределителя имеют небольшие размеры (пластина 19, датчик Холла 20 и постоянный магнит 21) и установлены в имеющемся объеме аксиально-поршневой машины. Датчик положения в составе пластины 19, датчика Холла 20 и постоянного магнита 21 выполняет функцию слежения при бесконтактном преобразовании поворота распределителя 9 в электрический сигнал датчика Холла 20, следовательно, упрощается устройство машины и механизм слежения (датчик положения распределителя) становится более надежным. Предложенное устройство исключает трение и соответственно износ в механизме слежения, что повышает точность и долговечность его работы.

Заявляемая аксиально-поршневая машина с датчиком положения распределителя работает следующим образом.

Машина функционально состоит из двух узлов: регулируемого качающего узла и механизма регулирования. Качающий узел состоит из вала 3 с подшипниками 2 и вращающегося на центральной цапфе 6 наклонного блока 8 с поршнями 5 и распределителя 9, кинематически связанного и поршнем 14.

Механизм регулирования предназначен для изменения рабочего объема машины за счет изменения положения распределителя 9, кинематически связанного с поршнем 14 посредством пальца 15, установленного с одной стороны в отверстии распределителя 9, а с другой стороны установлен поперечно в поршне 14. Штоковая 17 и поршневая 18 полости образованы по разные стороны пальца 15.

В нейтральном положении гидравлического распределителя 28 обеспечивается равновесие сил гидравлического давления, действующего на дифференциальный поршень со стороны штоковой 17 и поршневой 18 полостей. В процессе работы изменение положения гидравлического распределителя 28, управляемого электромагнитом 29, приводит к изменению давления в поршневой полости 18, соответственно меняется соотношение сил гидравлического давления, действующих на поршень со стороны штоковой 17 и поршневой 18 полостей, что вызывает перемещение поршня 14. При перемещении поршня 14, кинематически связанного с распределителем 9 посредством пальца 15, происходит изменение угла наклона блока 8 к оси вала 3 и изменение рабочего угла машины. В процессе перемещения распределителя 9 совместно с ним осуществляется перемещение пластины 19, движущейся в зазоре между датчиком Холла 20 и постоянным магнитом 21. При нахождении пластины 19 в указанном зазоре, поскольку пластина 19 выполнена из магнитного материала, часть силовых линий магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом 21, замыкается через пластину 19, а часть - через датчик Холла 20, в результате чего на выходе датчика Холла появляется сигнал. Т.к. продольное сечение поверхности пластины 19 выполнено переменным, при изменении положения распределителя 9 постоянно будет изменяться участок пластины 19, находящийся в зазоре между датчиком Холла 20 и постоянным магнитом 21, что вызывает соответствующее изменение выходного сигнала датчика Холла 20, по величине которого можно однозначно определять положение распределителя 9.