Аксиально-поршневая машина с датчиком положения поршня регулирования
Полезная модель относится к области регулируемых гидромашин, а именно: к аксиально-поршневым машинам с переменным рабочим объемом. Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью - упрощение конструкции, повышение надежности и уменьшение габаритных размеров аксиально-поршневой машины. Поставленная задача решается тем, что в аксиально-поршневой машине с датчиком положения поршня регулирования, содержащей качающий узел и механизм регулирования; в корпусе механизма регулирования установлен дифференциальный поршень регулирования со штоком, кинематически связанный с распределителем качающего узла посредством пальца, связанного с одной стороны со штоком поршня регулирования, а с другой стороны - с распределителем качающего узла; в корпусе механизма регулирования с одной стороны по отношению к пальцу выполнена первая полость для установки поршня регулирования, между противоположными торцевыми поверхностями поршня регулирования в первой полости образованы соответственно штоковая и поршневая полости, согласно полезной модели шток поршня регулирования выходит во вторую полость, выполненную в корпусе механизма регулирования с другой стороны относительно пальца, датчик положения поршня регулирования содержит пружину, постоянный магнит и датчик Холла, при этом пружина установлена между противолежащими друг другу торцевой поверхностью штока поршня регулирования и внутренней торцевой поверхностью корпуса или крышки корпуса механизма регулирования, одним концом пружина связана со штоком поршня регулирования, с другой стороны последний рабочий виток пружины зафиксирован от поворота относительно корпуса; постоянный магнит размещен внутри рабочего витка пружины, датчик Холла установлен в корпусе механизма регулирования с наружной стороны пружины напротив постоянного магнита.
Полезная модель относится к области регулируемых гидромашин, а именно: к аксиально-поршневым машинам с переменным рабочим объемом.
Известна аксиально-поршневая машина с электрогидравлическим управлением по патенту РФ №2155275, содержащая качающий узел и механизм регулирования с поршнем управления, предназначенньм для перестановки положения качающего узла. Датчик положения поршня выполнен в виде линейного трансформатора, размещен в выточке поршня и прикреплен к крышке корпуса механизма регулирования, а подвижный сердечник трансформатора соединен с поршнем управления.
Недостатком известной аксиально-поршневой машины является расположение трансформатора в полости под давлением рабочей жидкости, что накладывает ограничения по применению номенклатуры рабочих жидкостей, кроме того существует проблема защиты катушки трансформатора и герметизации контактных элементов электрических соединений, поэтому управляющее давление в данных машинах применяется на порядок меньше рабочего давления, что вынуждает увеличивать также на порядок площадь поршня управления по сравнению с механизмами регулирования, работающими на рабочем давлении, что, в свою очередь, обусловливает значительные габаритные размеры таких машин.
Известна аксиально-поршневая (патент DE №10119236, F 04 B 1/30), выбранная за прототип, содержащая качающий узел с наклонным блоком цилиндров, вращающимся вокруг оси центральной цапфы и входящими в цилиндры блока поршни, шарнирно опирающиеся на фланец вала, установленного в корпусе на подшипниках. С противоположной от подшипников стороны блок цилиндров опирается на распределитель с каналами подвода/отвода жидкости к цилиндрам наклонного блока. Распределитель поворачивается по поверхности вращения в корпусе механизма регулирования посредством установленного в корпусе механизма регулирования поршня управления с пальцем, установленным в поршне управления поперечно и имеющего связь с распределителем. С противоположной стороны распределитель связан с датчиком угла поворота. Поршневая и штоковая полости поршня управления расположены с одной стороны от пальца и поршень в районе установки пальца имеет увеличенный диаметр (опорный диаметр). В поршне внутри опорного диаметра имеется выточка для установки
пружины выведения качающего узла с нулевого рабочего объема. Поршневая полость образована установкой на конец штоковой части поршня дополнительного поршня.
Недостатком данной машины являются значительные габаритные размеры и возможные люфты механизма привода датчика угла поворота вследствие двойного преобразования движения распределителя. Кроме этого, датчик угла поворота, расположенный на торце машины ограничивает возможность размещения каналов подвода/отвода к машине.
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью - упрощение конструкции, повышение надежности и уменьшение габаритных размеров аксиально-поршневой машины.
Поставленная задача решается тем, что в аксиально-поршневой машине с датчиком положения поршня регулирования, содержащей качающий узел и механизм регулирования; в корпусе механизма регулирования установлен дифференциальный поршень регулирования со штоком, кинематически связанный с распределителем качающего узла посредством пальца, связанного с одной стороны со штоком поршня регулирования, а с другой стороны - с распределителем качающего узла; в корпусе механизма регулирования с одной стороны по отношению к пальцу выполнена первая полость для установки поршня регулирования, между противоположными торцевыми поверхностями поршня регулирования в первой полости образованы соответственно штоковая и поршневая полости, согласно полезной модели шток поршня регулирования выходит во вторую полость, выполненную в корпусе механизма регулирования с другой стороны относительно пальца, датчик положения поршня регулирования содержит пружину, постоянный магнит и датчик Холла, при этом пружина установлена между противолежащими друг другу торцевой поверхностью штока поршня регулирования и внутренней торцевой поверхностью корпуса или крышки корпуса механизма регулирования, одним концом пружина связана со штоком поршня регулирования, с другой стороны последний рабочий виток пружины зафиксирован от поворота относительно корпуса; постоянный магнит размещен внутри рабочего витка пружины, датчик Холла установлен в корпусе механизма регулирования с наружной стороны пружины напротив постоянного магнита.
В аксиально-поршневой машине конец рабочего витка пружины может быть отогнут и размещен в выемке корпуса или крышки корпуса механизма регулирования.
В аксиально-поршневой машине датчик Холла может быть размещен в выемке, выполненной в корпусе механизма регулирования и изолированной от второй полости, при этом корпус механизма регулирования со стороны размещения датчика Холла на
участке длиной, не менее хода рабочего витка пружины выполнен из немагнитного материала.
Аксиально-поршневая машина содержит 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; изменение положения поршня осуществляют путем изменения давления в поршневой полости поршня регулирования, в зависимости от величины которого шток регулирования перемещается.
В корпусе механизма регулирования выполнены две полости, расположенные с противоположных сторон по отношению к пальцу. В первой полости, размещен поршень регулирования, шток которого выходит во вторую полость. С противоположных сторон поршня регулирования в первой полости образованы соответственно поршневая (большая) полость и штоковая (меньшая) полость. В первой полости отсутствуют токоведущие элементы, следовательно нет никаких ограничений для того, чтобы в поршневой и штоковой полостях давление поднималось до рабочего значения управления. Таким образом, габариты поршня регулирования минимальны и выбраны исходя из величины рабочего давления управления.
Во второй полости корпуса механизма регулирования размещен датчик положения поршня регулирования. Указанный датчик содержит пружину, постоянный магнит и датчик Холла. Пружина установлена между противолежащими друг другу торцевой поверхностью штока поршня регулирования и внутренней торцевой поверхностью корпуса или крышки корпуса механизма регулирования (если корпус со стороны штока поршня регулирования закрыт крышкой). С одной стороны пружина связана со штоком поршня регулирования, а с другой стороны последний (рабочий) виток пружины зафиксирован от поворота относительно корпуса механизма регулирования, например путем крепления рабочего витка пружины к корпусу или к крышке корпуса механизма регулирования. Постоянный магнит размещен внутри рабочего витка пружины, а датчик Холла установлен в корпусе механизма регулирования снаружи относительно рабочего витка пружины напротив постоянного магнита, т.е. в зоне действия магнитного поля постоянного магнита.
Наличие постоянного магнита в датчике положения поршня регулирования необходимо для того, чтобы датчик Холла реагировал на магнитное поле и изменение магнитного поля, создаваемого этим магнитом.
Использование датчика Холла целесообразно, поскольку он обладает малыми размерами и установка его в конструкции машины не приведет к увеличению ее габаритов, а именно: не приведет к увеличению габаритов механизма регулирования.
Особенностью датчика Холла является то, что он реагирует на изменение магнитного поля только в ограниченном пространстве вокруг себя. Ход поршня регулирования несоизмеримо больше диапазона чувствительности датчика Холла, поэтому датчик Холла будет реагировать на изменение магнитного поля только в пределах части возможного перемещения поршня регулирования. Для того, чтобы измерять и реагировать на весь диапазон хода поршня регулирования, необходимо полный ход поршня регулирования преобразовывать в иной изменяющийся параметр, на который будет реагировать датчик Холла в течение всего хода поршня регулирования. Таким изменяющимся параметром, будет являться ход последнего рабочего витка пружины, зафиксированного от поворота относительно корпуса механизма регулирования. Поскольку рабочий виток зафиксирован от поворота относительно корпуса, его жесткость будет значительно большей, по сравнению с жесткостью пружины в остальной части ее витков. При перемещении поршня регулирования будет изменяться ход пружины, подпружинивающей поршень, при этом в течение всего хода штока регулирования будет соответственно изменяться ход рабочего витка. Ход рабочего витка, поскольку он зафиксирован относительно корпуса механизма регулирования, будет гораздо меньшим, чем ход остальных витков пружины. При изменении хода поршня регулирования происходит изменение состояния пружины (она или сжимается или разжимается в зависимости от направления хода поршня). При этом, поскольку рабочий виток имеет большую жесткость по сравнению с остальными витками пружины, при изменении хода поршня большему ходу всех витков пружины, (за исключением рабочего витка) будет соответствовать меньший ход (соответственно его жесткости) рабочего витка. Следовательно, определенному ходу поршня регулирования будет соответствовать определенный ход рабочего витка пружины. Таким образом осуществляется преобразование значительного хода поршня регулирования в малый ход рабочего витка пружины, подпружинивающей поршень.
Постоянный магнит, установленный внутри рабочего витка пружины, создает вокруг себя магнитное поле, которое замыкается через виток и датчик Холла. Поскольку
датчик Холла установлен напротив постоянного магнита, он находится в зоне действия магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом.
В случае, когда датчик Холла расположен внутри корпуса механизма регулирования в выемке, изолированной от второй полости, необходимо обеспечить работоспособность датчика положения, т.е. обеспечить возможность замыкания силовых линий магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, через датчик Холла, для этого корпус механизма регулирования со стороны размещения датчика Холла выполнен из немагнитного материала на участке длиной не менее хода рабочего витка.
При изменении положения рабочего витка относительно постоянного магнита и датчика Холла, будет изменяться количество силовых линий магнитного поля, пересекающих виток и замыкающихся через датчик Холла, следовательно, будет изменяться сигнал с выхода датчика Холла. Данный сигнал будет изменяться с изменением положения рабочего витка в течение всего хода поршня регулирования. Таким образом, изменение хода рабочего витка вызывает изменение магнитного поля вокруг датчика Холла, который реагируя на это изменение, преобразует величину изменяющегося магнитного поля в изменяющийся электрический сигнал на своем выходе. Определенному положению рабочего витка (а, соответственно, положению поршня регулирования) будет соответствовать вполне определенный сигнал на выходе датчика Холла. Поскольку перемещение рабочего витка имеет ограниченный диапазон, достаточный для того, чтобы быть зафиксированным датчиком Холла, обеспечивается возможность измерения и контроля положения поршня регулирования в течение всего его хода в процессе регулирования рабочего объема машины. Жесткость пружины, подпружинивающей поршень регулирования, выбирается исходя из условия обеспечения необходимой жесткости рабочего витка при его закреплении относительно корпуса механизма регулирования с тем, чтобы в процессе перемещения поршня регулирования ход рабочего витка всегда был в зоне реагирования датчика Холла.
Размещение датчика Холла в выемке корпуса механизма регулирования, изолированной от второй полости, позволяет полностью исключить влияние рабочей среды на работоспособность датчика Холла; кроме того, исключается проблема герметизации электрических выводов датчика.
Размещение постоянного магнита и пружины во второй полости, никаким образом не влияет на надежность их работы, т.к. это не токоведущие элементы. Следует отметить, что вторая полость сообщена с внутренней полостью машины, давление в ней соответствует давлению во внутренней полости машины и составляет порядка 1 атм. Поскольку во вторую полость выведен шток поршня регулирования всегда имеют место
быть утечки рабочей среды по зазорам между штоком и корпусом механизма регулирования, поэтому для предотвращения создания во второй полости избыточного давления, которое может влиять на процесс регулирования, вторая полость сообщена с внутренней полостью машины, следовательно, рабочая среда имеет возможность выходить из второй полости.
В случае, если датчик Холла не изолирован от второй полости, его устанавливают таким образом, чтобы электрические контакты были выведены наружу через корпус механизма регулирования. При этом проблема герметизации электрических контактов также отсутствует, т.к. контакты выведены наружу через корпус, а не через вторую полость. Давление во второй полости соответствует давлению во внутренней полости машины (примерно! атм.), т.е. не является повышенным, следовательно применение стандартных средств герметизации электрических выводов датчика Холла обеспечит необходимую надежность и герметичность.
Датчик Холла имеет малые размеры, поэтому для его размещения не требуется увеличения толщины стенок корпуса механизма регулирования. Датчик Холла может быть размещен в пределах имеющейся толщины стенки корпуса механизма регулирования.
Заявляемая конструкция аксиально-поршневой машины с датчиком положения поршня регулирования значительно проще, чем известные машины, поскольку датчик положения поршня регулирования содержит минимальное количество конструктивных элементов. Все конструктивные элементы датчика положения поршня регулирования размещены и установлены в пределах имеющихся объемов машины и не влекут увеличения ее габаритов обусловленных установкой датчика положения. В заявляемой машине отсутствует двойное преобразование хода поршня регулирования, отсутствуют конструктивные элементы, у которых возможно наличие люфта при работе машины.
Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет снизить габаритные размеры аксиально-поршневой машины с датчиком положения поршня регулирования, за счет минимизации размеров датчика положения и размещения его конструктивных элементов в пределах имеющихся объемов и размеров машины. Исключение из конструкции машины элементов, у которых возможно возникновение люфта в процессе работы машины, исключение нахождения электрических выводов в рабочей среде, позволяет повысить надежность аксиально-поршневой машины в целом, а также повысить стабильность и надежность измерений, осуществляемых датчиком положения поршня регулирования.
Датчик хода поршня регулирования, содержащий датчик Холла, пружину и магнит, прост по конструкции и по изготовлению, не требует специальной оснастки.
Простота конструкции датчика хода поршня предопределяет надежность его работы, точность измерений.
Зафиксировать последний виток пружины, подпружинивающей поршень регулирования, можно, например, таким образом: отогнуть часть витка и завести его в отверстие, выполненное в крышке корпуса механизма регулирования.
Следует отметить, что пружина, подпружинивающая шток поршня регулирования, может выполнять дополнительные функцию, а именно: функцию выведения машины с нуля. Или наоборот, заявленную полезную модель можно использовать в конструкциях машин, в которых выведение с нуля обеспечивается посредством пружины, подпружинивающей поршень регулирования, используя эту пружину как элемент датчика положения поршня регулирования.
Т.е. в пределах заявленной конструкции полезная модель позволяет обеспечить как необходимое слежение за положением поршня регулирования, так и выведение машины с нуля.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена заявляемая аксиально-поршневая машина в разрезе.
На фиг.2 изображен вид Д по сечению, проходящему через продольную ось штока регулирования.
Аксиально-поршневая машина с датчиком положения поршня регулирования 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 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 механизма регулирования, распределитель 9 прижимается к корпусу 10 под действием усилия пружины 11, подпружинивающей центральную цапфу 6, и гидравлического давления в цилиндрах 7.
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 поршнем регулирования, состоящем из штока 13 и поршня 14. Дифференциальный поршень кинематически связан с распределителем 9 посредством
пальца 15. Т.е. с одной стороны палец 15 входит в соответствующее отверстие, выполненное в распределителе 9, а другим концом палец установлен в штоке 13.
В корпусе 10 с одной стороны пальца 15 выполнена первая полость, в которой установлен поршень 14.
Между противоположными торцевыми поверхностями штока 13 в первой полости образованы соответственно штоковая полость 16 (меньшая полость) и поршневая полость 17 (большая полость). Штоковая полость 16 соединена каналами 18, 19 через расположенные в них обратные клапаны 20, 21 со входом А и с выходом В машины. Штоковая полость 16 каналом 22 соединена с клапаном регулирования 23, установленным в крышке 24, закрывающей поршневую полость 17. Электромагнитный гидравлический клапан 23 соединен каналом 25 с поршневой полостью 17 и каналом 26 со сливом в бак (не показано). Клапан 23 выполнен в виде подвижного золотника 27, соединенного со штоком 28 электромагнита 29.
С противоположной стороны от пальца 15 в корпусе 10 выполнена вторая полость 30, соединенная с внутренней полостью машины, которая, в свою очередь, соединяется с баком. В полости 30 размещена пружина 31, упирающаяся одним концом в шток 13, а другим концом - в крышку 32, закрывающую полость 30. Пружина 31 зафиксирована от поворота относительно корпуса 10 за счет отогнутого последнего витка 33, который входит в отверстие 34 крышки 32. Для регулировки положения конечного витка 33 пружины, являющегося рабочим витком, на дне крышки 32 выполнено несколько отверстий 34, расположенных по среднему диаметру пружины 31. Во внутреннем пространстве пружины 31 около витка 33 установлен неподвижно постоянный магнит 35. За внешним диаметром пружины 31 около конечного витка 33 в зоне действия магнитного поля постоянного магнита 35 установлен неподвижно пропорциональный датчик Холла 36.
Заявляемая аксиально-поршневая машина работает следующим образом.
Машина функционально состоит из двух узлов: регулируемого качающего узла и механизма регулирования, регулирующего рабочий объем машины. Качающий узел состоит из вала 3 с подшипниками 2 и вращающегося на центральной цапфе наклонного блока цилиндров 8 с поршнями 5 и распределителя 9, кинематически связанного с дифференциальным поршнем.
Механизм регулирования предназначен для изменения рабочего объема аксиально-поршневой машины за счет изменения угла наклона блока 8 к оси вала 3. Механизм регулирования включает палец 15, шарнирно соединенный с распределителем 9 и зафиксированный поперечно в штоке 13. Полость 16 постоянно соединена с рабочим
давлением машины. Давление в поршневой полости 17 регулируется золотником 27 клапана 23 в зависимости от приложенного управляющего воздействия на золотник 27 со стороны штока 28 электромагнита 29.
В нейтральном положении золотника 27 электромагнитного клапана 23 обеспечивается равновесие сил давления, действующих на поршень 14. В процессе работы изменение положения золотника 27 электромагнитного гидравлического клапана 23 приводит к изменению давления в полости 17, при этом меняется соотношение сил, действующих на поршень 14 со стороны полостей 17 и 16, что вызывает перемещение дифференциального поршня. При перемещении дифференциального поршня, связанного с распределителем 9 пальцем 15, происходит изменение угла наклона блока 8 к оси вала 3 и изменение рабочего объема машины.
В процессе перемещения штока 13 меняется положение пружины 31 и витка 33 соответственно. Изменение положения витка 33 вызывает изменение сигнала с выхода датчика Холла, что позволяет обеспечить слежение за положением дифференциального поршня.
1. Аксиально-поршневая машина с датчиком положения поршня регулирования, содержащая качающий узел и механизм регулирования; в корпусе механизма регулирования установлен дифференциальный поршень регулирования, содержащий собственно поршень и шток, дифференциальный поршень кинематически связан с распределителем качающего узла посредством пальца, связанного с одной стороны со штоком поршня регулирования, а с другой стороны - с распределителем качающего узла; в корпусе механизма регулирования с одной стороны по отношению к пальцу выполнена первая полость для установки поршня регулирования, между противоположными торцевыми поверхностями поршня регулирования в первой полости образованы соответственно штоковая и поршневая полости, отличающаяся тем, что шток поршня регулирования выходит во вторую полость, выполненную в корпусе механизма регулирования с другой стороны относительно пальца, датчик положения поршня регулирования содержит пружину, постоянный магнит и датчик Холла, при этом пружина установлена между противолежащими друг другу торцевой поверхностью штока поршня регулирования и внутренней торцевой поверхностью корпуса или крышки корпуса механизма регулирования, одним концом пружина связана со штоком поршня регулирования, с другой стороны последний рабочий виток пружины зафиксирован от поворота относительно корпуса; постоянный магнит размещен внутри рабочего витка пружины, датчик Холла установлен в корпусе механизма регулирования с наружной стороны пружины напротив постоянного магнита.
2. Аксиально-поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что конец рабочего витка пружины отогнут и размещен в выемке корпуса или крышки корпуса механизма регулирования.
3. Аксиально-поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что датчик Холла размещен в выемке, выполненной в корпусе механизма регулирования и изолированной от второй полости, при этом корпус механизма регулирования со стороны размещения датчика Холла на участке длиной, не менее хода рабочего витка пружины, выполнен из немагнитного материала.
