CN1003228B

CN1003228B - 车轮油马达式静压传动车辆

Info

Publication number: CN1003228B
Application number: CN85102766A
Authority: CN
Inventors: 谭泽瀛
Original assignee: NANJING INST OF AUTOOMBILE
Current assignee: NANJING INST OF AUTOOMBILE
Priority date: 1985-04-01
Filing date: 1985-04-01
Publication date: 1989-02-08
Also published as: CN85102766A

Abstract

本发明采用了专门设计的可以直接安装于车辆的车轮钢圈内的一种外壳转动的径向柱塞式油马达。它的外形尺寸小，可以直接驱动车轮；转速范围宽，可在０－１０００转／分范围内工作；起动扭矩效率可达９５％；可以作成无级变量的进一步扩大调速范围；结构简单；对材质无特殊要求。车辆的总体布置很方便，油路比较简单，易于实现通用化和系列化。能适应车辆的使用环境。对轻型车辆可以不装机油散热器。

Description

车轮油马达式静压传动车辆

本发明的所属技术领域为车辆传动装置。

在车辆上采用静压传动系统具有一系列优点：例如可以在全部速度范围内实现无级调速，易于实现自动化或半自动化控制，从而简化操作和提高工作循环的效率，可以获得相同的正倒车速度;可以实现与发动机的最佳匹配，从而获得最好的经济性和动力性能;可以方便整车的总体布置等等。

车辆用静压传动系统，从总布置的观点来看可以分为两种类型，即静压变速箱方案（Gear Box Replacement）和车轮油马达方案（wheel Motor）。前者是将油泵和油马达通过或不通过齿轮组合在一起，形成一种与普通的齿轮变速箱类似的变速箱来取代现在的变速箱，后面（或前面）仍然保留驱动桥的减速装置，这种结构包括纯液压的，机械液压混合的和机械液压功率分流的。这种结构产生于60年代后期，主要是因为车轮油马达式的一些关键技术长期过不了关，人们为了回避矛盾而提出的。

车轮油马达式静压传动是将油马达直接装于车轮内，发动机带动油泵，将泵出的高压油通过控制阀和管路（包括硬管或软管）送到车轮油马达内使之产生驱动扭矩推动车辆，显然，这个方案可以充分发挥静压传动的优越性。正是由于车轮油马达方案有许多吸引人的优点，早在本世纪初汽车工业刚刚出现时就已有人进行研究了，但是，由于当时的液压技术水平太低，这种方案的性能无法与机械传动进行竞争;50年代末60年代初期，由于当时的液压元件取得了一定的进步，又有不少厂家在进行这方面的研究工作，后来由于一些关键技术未能取得突破，又逐渐转向了静压变速箱方案;近年来，由于低速大扭矩油马达性能的提高，国外又有人在宣传这种方案，并在一些低速车辆（一般车速不超过20-30公里/小时）上得到了应用。目前，在中速和高速车辆上尚未出现车轮油马达方案的基本原因仍是液压元件的性能没有过关，特别是尚未研制出一种适合于作车轮油马达的理想结构，因为这种油马达必须满足一系列的比较苛刻的要求，例如：

1）它必须直接安装于车轮的钢圈内驱动车轮，不能再附加减速器或增速器，这样就对它的外形尺寸、重量等提出了严格的限制条件。

2）油马达的转速范围应当很宽阔。

3）不仅效率要高，而且高效区要宽。

4）应当能够作成变量的。

5）要简化结构和加工工艺。

6）应当能够适应车辆使用的环境条件。

由上述说明可以看出，车轮油马达式传动方案的应用范围在很大程度上取决于油马达的完善程度，如果在油马达的设计上能有所突破，它的应用范围将会迅速扩大，经济效益也会显著增加。

要使车轮油马达式静压传动方案能在车辆上（特别是在汽车等车速范围很宽的车辆上）得到广泛的应用，必须有效地解决两方面的问题。

1）必须研究出一种适合于车辆的油马达和油泵。

2）必须采用一个合理的液压系统，使之能充分发挥出上述油马达和油泵的优越性和全面满足车辆控制系统的要求。

本发明的目的就是要克服上述一些现有技术的缺点，并已研制出一种基本上能满足上述要求的油马达和油泵（已另案在中国专利局申请发明专利，见专利申请号85101715），及其有关油路。

本发明的车轮油马达式静压传动车辆是将上述专门设计的另案申请的油马达直接安装于车辆的车轮钢圈内，其油路比较简单，发动机带动高压油泵（泵可用各种型式的，包括轴向柱塞泵），将泵出的高压油通过管路（包括硬管或软管），管路元件，控制阀送到车轮变量油马达内（采用本申请的定量马达其效果也比现有的有明显的改善）使之产生驱动扭矩转动车轮，从而推动车辆。在系统内还设有变量控制机构以便按要求对油马达的排量进行控制。显然，这个方案可以充分发挥静压传动的优点。

附图说明：

图1为定量油马达（或油泵）的横向剖面图

图2为定量油马达（或油泵）的纵向剖面图

图3为变量油马达（或油泵）的纵向剖面图

图4为将油马达安装于车辆上的结构示意图

图5为图4的A-A剖面图

图6为变量油马达（油泵）的变量控制机构的工作原理简图

图7为一种4×2车辆的静压传动系统整体布置图

本发明所采用的油马达是一种外壳转动、轴固定、轴颈配流、径向柱塞式定量或变量结构，其详细介绍见如前所述的另案申请中。

如图1和2所示是一种定量油马达，偏心轴（1）是固定的，它借助于右端的支座（图上未画出）安装于车辆所需的部位上。偏心轴的两端分别支承于盖（7）和外壳（5）的滚动轴承（4）上，轴承的尺寸较大，可以承受很大的径向和轴向载荷。在偏心轴内有进油孔（A）和（A₁）[（A₁）、（A）可以互换，取决于它与油路的连接]，分别与偏心轴当中的偏心拐上的油腔（B）及（B₁）相通，（B）、（B₁）在外径上形成油槽，起配流作用。在偏心拐上套有星轮（14），工作时星轮和外壳（5）以同样的角速度转动。由于偏心的作用两者还产生一种相对的游动，同时，使活塞在缸孔内产生往复运动。星轮内有阶梯形缸孔（F）和油道（C），缸孔内的活塞（13）在弹簧（12）的预紧力以及转动时活塞所受的离心力和补油压力（即低压油路的压力）的作用下，压向外壳（5）的内平面。活塞顶部有节流孔（D）将压力油引入活塞顶部的油腔（E）内。盖（7）套装于外壳（5）上以增加外壳的刚性。螺栓（6）将两者紧固在一起。盖（7）的外面可伸出一些耳朵（20）（即在油马达外壳上或盖上设置突耳）可用螺栓与车轮钢圈直接紧固在一起。轴承内有垫套（9）。挡垫（8）起限制星轮的轴向移动的作用。挡垫（11）一方面起限制星轮向右移动的作用，同时还有很多辐射形的油孔将油马达的内腔与偏心轴上的泄漏油孔相通，以便当油马达或油泵转动时利用油的惯性迫使积存于外壳内的泄漏油流回回油油路。外壳（5）上还有若干只安全销（10），其外端伸入到星轮（14）缸壁外侧的空挡之间并与缸壁保持适当的间隙，用这个方法可以防止外壳（5）和星轮（14）因某种偶然原因不能同步运转时发生活塞跑到外壳的两个内平面当中从而破坏继续工作的“错位”现象。安全销（10）也可以装于盖（7）相应的位置上。外壳（5）的右侧有油封盖（2）。内装有油封（3），用于防止壳内的泄漏油从轴颈处流出。油封盖可以作成向外延伸的件成为制动盘或制动鼓[见图2中件号（2）]以便安装制动器。偏心轴（1）的右端作成锥形的以便安装于支座内并通过这个支座安装于车辆需要的位置。

当液压系统的高压油从偏心轴（1）上的油孔（A）中输入油马达后，（B）腔内即充满高压油，此高压油使与之相通的活塞（当油马达为五缸时，有时为两只活塞，有时为三只活塞与之相通）压向外壳（5）的内平面。对每个活塞而言，作用于它上的油压力的合力中心线是和活塞的轴向中心线相一致的。其延长线都通过偏心轴（1）中间部份偏心拐的中心（O₁），而不是通过偏心轴（1）的中心（O），由于这两个中心不重合，当活塞的轴向中心线偏离（OO₁）线后都会产生一个促使外壳转动的扭矩。即当（B）腔为高压腔时外壳将有按逆时针转动的趋势。随着转动的进行，位于高压腔一侧的活塞沿着缸孔向外移动并不断引入高压油;当活塞继续沿着上述方向运动时，活塞将与低压腔（A1）相通并开始在外壳平面的迫使下向内运动，将活塞内腔的油经油道（C），低压腔（B₁）及油道（A₁）排入系统的低压油路中。当将（B₁）腔接高压，（B）腔接低压油路时，油马达即行反转。应当着重指出，本发明的油马达的工作扭矩是由活塞作用于外壳合力的偏移引起的，活塞侧面不承受因传递此力矩而引起的侧向力（大多数的油马达的工作扭矩，除有特别的卸除侧向力的机构的以外，都是通过活塞所受的侧压力来传递的，这是其起动扭矩效率和机械效率较低的基本原因之一）。这样可以使其机械摩擦损失减小，效率提高并可将活塞的导向长度缩短，使结构更为紧凑。

当外壳刚开始有转动的趋势时，作用于活塞顶部和外壳内平面之间的压力分布随即发生变化，其结果是通过活塞迫使星轮跟随外壳以相同的角速度转动，此时所需克服的阻力矩仅为星轮在偏心轴上转动的阻力矩和扰油损失力矩，其数值都比较小。因此，活塞所受的侧向力也很小，这是匀速和加、减速度不大时的情况。但是，当由于某种原因使星轮和外壳之间有很大的相对转动变化的趋势时（例如外壳突然制动而星轮在惯性作用下仍继续往前转动时），只靠上述压力分布改变所产生的力矩已不足以带动星轮与外壳同步加速、减速，此时星轮活塞可能跑到外壳的两个内平面之间而无法回位，从而破坏油马达的正常工作。为了防止这种现象的发生，本发明中设有若干个安全销（10），在正常情况下，它不与星轮的缸壁接触，但是当星轮偏离其相对于外壳的正确位置并达到一定数值时，安全销将与星轮的缸壁碰上并带动它与外壳一道转动，直到重新回复到按上述正常情况工作时为止。

图3为变量油马达的结构简图，它用组合偏心取代了固定偏心。即将偏心轴（1）分解为一个偏心轴和一个偏心套（16），通过转动偏心套改变偏心轴和偏心套的相对位置来得到不同的组合偏心值。在偏心套（16）上设有滑销（18），滑销外端有两个滑动平面（19）与变量套（15）上的滑槽配合，且能沿滑槽滑动，变量套（15）的内孔以滑动配合套于偏心轴（1）的轴颈上并可与之作相对转动。偏心套与偏心轴的相对位置由变量控制机构控制，当在外面推动变量臂（17）绕偏心轴（1）转动时，这个动作即通过变量套（15）和滑销（18）带动偏心套在偏心轴上转动，从而可以获得不同的组合偏心值，实现无级变量。在偏心轴和偏心套内均设有相互隔开的油道或油腔，在偏心套的外圆上以滑动配合装有星轮（14），星轮、缸孔、活塞和弹簧的结构和作用同前所述。

上述定量和变量结构都可以作成不同的缸数，其中以3、5、7缸较好，并且也都可以作为油泵使用。

图4和图5所示为将油马达安装于车辆上的方法。在油马达的偏心轴左侧有锥形部份，它套入支座（30）的锥形孔（31）内并用紧固螺母（36）拉紧。支座的两侧有O形圈（32）使之密封。在支座内设有油孔（33）（34）（35）分别和油马达偏心轴（1）的进、出油孔和泄漏油孔相通，使油管的布置方便。油管也可以和偏心轴端面的油孔相接。支座可用螺栓安装于车辆需要的部位。支座还可以作为制动器和变量控制机构的支架。

图6所示为变量油马达（或油泵）的变量控制机构的工作原理简图，在支座（30）或车架上装有变量油缸（40），油缸内有双向移动的活塞（42），其动作由控制阀（41）进行控制。控制阀可以作成人工控制的或自动控制的，即根据发动机的真空度、转速、扭矩和系统的工作油压等参数来进行控制。可以作成单参数控制或者几种参数共同控制。另外，可以根据需要作成各种组合的控制方式。油缸内的活塞（42）在上述控制阀的控制下可作往复运动并通过连杆（43）推动变量臂（17）绕偏心轴的中心（0）转动，这个转动运动经变量套（15）和滑销（18）带动偏心套（16）在偏心轴的偏心拐上转动，从而改变组合偏心的大小，使油马达（或油泵）的排量产生无级变化。

支座可以很方便地安装于车辆的所需部位，例如，对无悬挂的车辆可以直接装于车架上，对非独立悬挂的可以装于轴管两端的法兰或轴叉上;对独立悬挂的则可装于其导向杆件上。

图7所示为一种4×2车辆的示意图，由以下所述的原理不难将它用于其他驱动型式的车辆（例如4×4，6×2，6×4，6×6，8×4，8×8等）。

发动机（50）（在车上可以按需要随意选择安装位置），经过或不经过定速比减速器（51）带动油泵（52），油泵可选用结构型式与油马达相同的变量泵或轴向柱塞式变量泵（图7上画的为单向变量泵，根据同样原理不难推出采用双向变量泵的系统设计），油泵泵出的高压油经油道（53a）流到换向阀（56），用于控制油马达的转动方向，即车辆前进或者倒车。从换向阀出来的油经过或不经过分流阀（57）将高压油送到车轮油马达（58）内。油马达内的低压油经另一油道返回换向阀后，经油道（53b）流入油泵（52）的进油口，这样构成了一个闭式循环。分流阀根据需要设置，通常对于多轴驱动的都应当设有分流阀以便将油量根据需要分送于各驱动轮，通过采用适当的控制机构，以控制其工作方式，即驱动或从动，可以实现从单轮驱动到全部驱动轮都驱动的各种驱动组合方式。油马达可以为变量的或定量型式的，如为变量的须带上图6所示的自动或人工控制变量机构。

为了使车辆行驶自如，在系统中尚须补充几个辅助油路：

1）滑行油路。当司机松开油门滑行时，发动机转速将很快下降而车速的降低则比较慢，此时油马达变为油泵而油泵则变为油马达。如果回路中油跑不掉的话，将产生发动机制动，为了防止这种情况的出现，可在油道（53a），（53b）中加滑行阀（54），当车辆滑行时，（53b）的油压将高于（53a）的，此时回油可不经油泵（52）直接由单向阀（滑行阀）进入（53a），相当于脱挡滑行;而车辆正常行驶时单向阀可阻止高压油从（53a）流到（53b）。滑行阀（54）可作成可控的或不可控的，可控的须与溢流阀（65）联动以便将两者关闭后利用液压回路起辅助制动作用或用拖车方式起动发动机。

2）可控安全阀（55），在正常情况下其作用为防止系统中油压过高时损坏机件，起过载保护的作用，如果将它作成为可控的（开启压力可调的）则可以利用它起离合器的类似作用，即可以用脚来控制车辆的微动。

3）补油油路系统，闭式油路都需要补油油路以便及时补充内泄所产生的缺油。在本系统中，它是这样实现的。发动机带动补油泵（62），补油泵通过粗滤器（61）将油箱（60）中的油吸入，泵出的油经细滤器（63）和单向补油阀（64）进入油泵（52）的进油管中，主回路中多余的油经溢流阀（65）溢出，经或不经散热器（66）流回油箱，起补充散热的作用。在本发明由于采用了效率高的油泵和油马达和合理的系统设计，通常不必加机油散热器也可以使油温不超过许可的数值。

实际装车试验表明本发明的油马达和车轮油马达式静压传动车辆与现有技术相比所具有的优点或者积极效果叙述如下：

1）外形尺寸小，可以直接装于车轮钢圈内直接驱动车轮;

2）转速范围宽，可以在0-1000转/分的范围内正常工作（大约相当于车速0-150公里/小时）不必附加增速、减速装置。

3）效率高且高效区很宽，起动扭矩效率可达0.95，机械效率可达0.97。并且随着转速的提高下降不显著。在常用的低压中、高速的工况下也具有较高的效率。

4）可以作成无级变量的。

5）结构简单。本发明用油泵，油马达和管路元件，控制机构等代替了机械传动的离合器、变速箱、传动轴、驱动桥的整个传动系统，后者通常都是比较复杂，零件品种繁多，加工要求高和价格比较贵。特别对一些减速比大（发动机转速高、车辆速度低，中间须要进行多级减速）和须要完成多种作业的车辆来说，本发明的优点将更为突出。因为本发明不管速比为多大都可以通过选择油泵和油马达的排量来得到各种速比，就是说只有尺寸的改变，零件数量可以不变。实际上，本发明对定量油马达来说只有五种主要零件，变量的也只有七-八种主要零件，并且都不难加工，对材质也无特殊要求，初步估计其成本可低于相应的机械传动的。

6）车辆的总布置设计可以很方便，因为它用管路代替了传动轴，齿轮等硬性连接。对本发明来说，发动机在车上的位置可不受传动系统布置的限制，无疑这对很多车辆（例如微型汽车、水陆两栖车、坦克、牵引车等）的设计都有很大的价值。

7）易于实现零部件的通用化和系列化。目前采用的机械传动系统为了适应不同车辆的要求几乎都是一车一个样。显然，从生产和使用的角度来看这种情况是很不利的。然而，如果采用本发明的方案，就有可能使之大为简化，因为对于不同车辆的传动系统的设计，已简化为对油泵、油马达排量的选择和控制的匹配。而油泵和油马达可以作成系列产品，不必因用途不同而彻底改变设计，这就有可能把不同车辆的传动系统（例如汽车、拖拉机、自行式农机、工程车、军用车等）用一个系列的部件将它统一装备起来，通过不同的组合匹配来满足不同的用途，显然，这将会给生产和使用带来很大的方便。

8）能适应车辆的各种使用环境，经长期试验，本发明的方案对使用环境不敏感。

由于本发明具有上述一系列的优点，将它用于车辆上可以充分发挥车轮油马达式传动系统的优越性，从而扩大其使用范围。

本发明的用途并不限于本说明书所提供的实施例，实际上本发明还适合于石油钻机、机床、绞盘等广泛的用途。

此外，在说明书中和附图中所描绘的一切特征都属于本发明的基本内容，也包括那些在权利要求书还没有明确要求的特征在内。

Claims

1、一种车轮油马达式静压传动车辆，其动力和传动系统包括发动机，高压油泵、控制阀、管路、管路元件、高压油马达、油箱、补油泵和滤油器等，其特征在于所说的高压油马达是本发明专门设计的可以直接安装于车辆的车轮钢圈内的一种外壳转动的径向柱塞式变量油马达，发动机带动高压油泵，泵出的高压油通过管路（包括硬管和软管），管路元件，控制阀送到车轮变量油马达内使之产生驱动扭矩转动车轮，从而推动车辆，在系统内还设有变量控制机构以便按要求对油马达的排量进行控制;

1.1所说的变量油马达具有外壳（5），轴承（4），盖（7），在外壳的内表面设有若干个内平面，以及偏心轴（1），在偏心轴的偏心拐上装有偏心套（16），偏心套又与变量套（15）和变量臂（17）相连接，偏心套与偏心轴的相对位置由变量控制机构控制，从而可以获得不同的组合偏心值，实现油马达排量的无级变化，在偏心轴和偏心套内均设有相互分隔开的油道或油腔，在偏心套的外圈上以滑动配合装有星轮（14），星轮上有若干个沿径向分布并垂直于偏心轴轴线的阶梯形缸孔（F），每个缸孔内均装有可以沿其轴线方向滑动的活塞（13），活塞的外端面为平面并与外壳的内平面相接触;

1.2所说的变量控制机构包含一个变量油缸（40），装在支座（30）或车架上，油缸内有双向移动的活塞（42），活塞通过（43）或其他连接机构与变量臂（17）相连接，活塞的往复动作由控制阀（41）进行控制;

1.3所说的控制阀可以作成人工控制的或自动控制的或者作成人工控制和自动控制相结合的复合控制方式。

2、根据权利要求1的车轮油马达式静压传动车辆，其特征是所说的变量油马达也可作成定量油马达，所说的定量油马达包括一个整体式的外壳（5），在外壳的开口侧装有盖（7），在外壳（5）的内表面上设有若干内平面与活塞的外端的平面直接接触，在外壳或盖的侧面上压有若干只安全销（10），销的外端伸入到星轮缸壁外侧的空隙中并与之保留适当的间隙。

3、根据权利要求1或2的车轮油马达式静压传动车辆，其特征是所说的高压油泵可以为变量的，包括单向变量的和双向变量的，也可以作成定量的，其具体结构与变量油马达或定量油马达相同。

4、根据权利要求1至3中的任一所述的车轮油马达式静压传动车辆，其特征是按照各种车辆或制动器不同的结构形式可以在所说的油马达的外壳或盖上设置突耳，用螺栓与车轮紧固在一起，也可将油马达的油封盖（2）向外延伸作成制动盘或制动鼓以便安装制动器。

5、根据权利要求1至3中的任一所述的车轮油马达式静压传动车辆，其特征是所说的车轮油马达的安装方式为将车轮油马达通过支座（30）安装于车辆上，油马达的偏心轴（1）的一端有一段锥形轴使之伸入到支座的锥形孔（31）内并用螺母（36）拉紧，支座的两侧有O形密封圈（32），在支座内设有油孔（33）、（34）、（35）分别和偏心轴的进出油孔以及泄漏油孔相通，支座还可以用作安装变量控制机构或制动器的支架。

6、根据权利要求1的车轮油马达式静压传动车辆，其特征是所说的管路中设有分流阀，以便根据需要将工作油分配给驱动轮，以控制其工作方式，即驱动或从动，从而获得从单轮驱动到所有驱动轮都驱动的各种驱动方式。

7、根据权利要求1、2、3、6的车轮油马达式静压传动车辆，其特征是所说的管路中在高压和低压油路之间装有滑行油路，以便当松开发动机的油门时，循环油可以不经过油泵而自行循环，即从油泵的进油管通过滑行阀（54）进入油泵的出油管，滑行阀可以作成可控的或不可控的，可控的须与溢流阀（65）联动以便将两者关闭后利用液压回路起辅助制动作用或可利用拖车方式起动发动机。

8、根据权利要求1至3中的任一所述的车轮油马达式静压传动车辆，其特征是在所说的管路的高压、低压油路之间设有开启压力可以随意调节的可控安全阀，使之对系统的元件起过载保护作用并兼起离合器的作用。