CN1095051C - 液压变速器 - Google Patents

Abstract

该驱动器包括一整体组块或变速驱动装置，该装置包括：液压泵的缸体(29)；液压马达的缸体(39)；端盖(30、35)；和中央配流盘(38、43)，该盘包括开口或通道，用于使高压的流体从液压泵流到液压马达，然后使低压的流体从液压马达流到液压泵，从而闭合流路。液压泵和液压马达转子(40、50)的轴具有共同的几何轴线(22)，该轴线相对于外部是固定的，两个转子可以绕该轴线独立地转动，这种转动是它们唯一的运动。而变速驱动装置的唯一可能的运动是绕几何轴线(23)的转动，该轴线(23)相对于外部是固定的，不同于液压泵缸体(29)的几何轴线(65)、液压马达缸体(39)的几何轴线(66)和两个转子的共同几何轴线(22)。从外部起动液压变速驱动装置的转动，该转动导致液压泵缸体(29)和液压马达缸体(39)的各自的几何轴线接近或移离它们的各自转子(40、50)的几何轴线，由此使得液压泵转子和(40)液压马达转子(50)的转速比改变。

Description

液压变速器

本发明涉及基本上由液压泵和液压马达组成的变速驱动器。

发明背景

在已知液压变速驱动器中，液压泵和液压马达均是公知型的叶轮泵，每个叶轮泵包括具有许多矩形叶片的转子或转筒，这些叶片装在上述转子中沿轴向形成的槽中，其端部与泵缸内表面的圆筒面接触，叶轮泵还包括具有盖的侧面，盖中的一个或两个具有中央开孔，可以使与转子形成整体的转子轴通到外部。转子和泵缸的轴线彼此平行，通过特定的机构可以改变其间的距离。每两个相邻的叶片、限制在转子中和泵缸中的上述叶片的圆筒形部分和它们的侧盖构成多个小腔或小室，当转子转动时由这些小室确定的体积发生改变。改变的范围在零和最大值之间，当转子和泵缸的轴线重叠时体积为零，当转子与泵缸内表面相切时体积为最大值。当这些小室完全由流体充满时，如果转子轴线相对于其泵缸轴线的偏心度在零和最大值之间变化，则转子的和泵缸的轴线之间的偏心度将导致上述流体沿一个方向流动，而当上述偏心度沿相反方向变化时，则流体沿相反方向流动。因此很明显，在其转子沿一个方向转动时体积减小的所有液压泵小室一定与在其转子沿相同方向转动时体积增加的所有液压马达的小室连通，因而允许液压泵和液压马达之间的流体沿一个方向流动，而经历体积减少的所有液压马达的小室一定与在同一方向转动时经历体积增加的所有液压泵小室连通，因此允许流体沿相反方向流动，由此闭合流路。因此当使液压泵以某种速度转动时，液压马达的轴便可以得到另一种转动，其转速可等于或不同于上述轴的转速，此另一种转动是两个转子相对于其泵缸的偏心度的函数：这样便形成已知的由叶轮泵构成的变速驱动器。

至今已知的这种变速驱动器具有许多缺点，使得它们不能获得广泛应用：首先，装置的流体密封性问题没有获得满意的解决，因为在已知装置中采用一些轴线相对其它轴线的线性位移来改变速度，所以自然地使装置的密封很复杂。因为有这种液体密封问题，所以变速驱动装置能承受的压力很低，传送的动力也受到限制。这些公知变速驱动器的其它缺点是尺寸大、重量大，这妨碍了在汽车工业中的应用，以及在占据空间大小方面成为重要的甚至是关键要求的很多其它方面的应用。显然，这种变速驱动装置的成本也是很高的。

发明的说明

在上面简要说明的这种公知变速驱动器的基础上，下面说明由于本发明特有的改进造成的在配置上和操作上的不同之处，本发明显著改善了其通用性。

本发明的目的旨在不管是在其部件方面还是在解决在驱动装置中在液压泵和液压马达之间的高压流体的密封问题方面，均使液压变速驱动器比已知液压变速驱动器更紧凑和更简化。上述特征导致重要的优点，该优点可以与现在国际上可被利用的液压变速驱动装置的优点相匹敌。

为达到上述目的，已经设计出称作变速驱动装置组件的整体组块，该装置包括：液压泵缸体、液压马达缸体、它们的端盖和在它们之间的中央配流盘，在该盘中形成高压流体从液压泵流到液压马达以及低压流体从液压马达流到液压泵的开口或通道，从而闭合流路。液压泵转子的和液压马达转子的轴具有共同的相对于外部是固定的几何轴线，它们可以彼此独立地绕该轴线转动，这种转动运动是它们唯一可能的运动。

变速驱动装置组件只能绕一根几何轴线转动，该轴线相对于外部是固定的，并且不同于液压泵缸体的几何轴线、液压马达缸体的几何轴线和两个转子的共同轴线。变速驱动装置组件用手或其它特殊机构从外部使其转动，这种转动使得液压泵缸体的和液压马达缸体的各自几何轴线可以移向或移离它们的各自转子的几何轴线；这种作用将改变液压泵转子转速和液压马达转子转速之比。优选实施例的说明

为了理解赋与这种机器新特性和对这种机器进行显著改进的构思，本申请附有若干附图，作为非限定性举例示出本发明最本质的特征，以便叙述和理解其操作。

图1～9是具体变速装置的分解和示意透视图，该变速装置是这种机器革新的代表，被用作进行说明的举例。

外壳组件的主体10和盖子11分别示于图1和图9，该盖子通过螺栓12拧入孔13而装在主体上。该组件相对于外部是固定的，具有两个相对的侧孔，两个相对的双偏心轴承即图1的部件14和图9的部件15被装入该侧孔。除开装入侧孔中而外，还用图1的键16和图9中相应键(未示出)防止部件转动。两个轴承是相似的，彼此在一直线上。该轴承的在图1和图9中的外圆筒部分17和102配置在外壳组件的内部分中，该轴承与图3的表面18和103紧密接触，也与图8的表面19和104紧密接触；因为所述表面是变速驱动装置组件的一部分而且该装置是一个整体组件，所以可以允许的运动仅是上述圆筒表面17、18、19、102、103和104的绕几何轴线23的转动。双偏心的轴承也具有图1的内圆筒形孔14′和图9中的孔15′，这些孔彼此准直，具有共同的轴线22，该轴线与几何轴线23平行并分开距离E。该距离E总是常数，在以后表示为偏心度参数。该内圆筒表面分别与液压泵和液压马达的转子的轴紧密接触。图2的液压泵转子轴的部分20紧配合装入图1的内圆筒孔18，同一图的部分24位于外壳的外面，用于连接驱动机构，使得该机构可以绕几何轴线22自由转动。图8的液压马达转子轴的部分21紧配合地装入图9的内圆筒孔孔19中，图8的部分88留在外壳的外面，用于连接传动部件。该传动部件也可以绕同一几何轴线22自由转动。重要的是要注意到，两个轴是同心的，可以彼此独立转动。这是因为液压马达的转子轴配置在液压泵的转子轴内，配置的方法是使图8的马达轴的圆筒表面28装在图2的凹部26中，该凹部是液压泵转子轴的部分25的内杯形部分。图4中的部件40代表液压泵的转子，该转子与其轴形成整体，这是由于该轴紧配合地装在该转子的示于图4的孔82中，更准确地讲，是利用图2的键27穿入图4的键槽42。必须注意到，在此特定情况下，上述转子具有12个叶片，即图4的元件41；这种类型的其它变速驱动器可以具有不同数目的叶片。类似地，液压马达的转子用图7的部件50代表，该转子与其轴53形成整体，这是由于后者通过将图8的键89插入键槽54而紧配合在图7的孔52中。在这种特定的情况下，液压马达的转子具有10个叶片，即图7的部件51；这种类型的其它变速驱动器可以具有不同数目的叶片。可以看到，液压泵的转子、液压马达的转子及它们的轴都具有轴线22，作为共同的几何轴线，该轴线相对于外部是固定的，它平行于几何轴线23，轴线23相对于外部也是固定的，这两条轴线相距距离E。

两个转子均装在由多个整体部件构成的变速驱动装置组件内，如上所述，除绕几何轴线23转动而外，得防止这些整体部件作所有其它运动。下面说明构成变速驱动装置组件的部件。

图3的部件8是液压泵的缸体的主体，它是变速驱动装置的一个部分。图3的缸体本身29、同一图的侧盖30和图5的配流盘38封闭图4的泵的转子40。从图1的槽口32伸出外壳的图3的杆31也是变速驱动装置的一部分；它的操作将使整个变速驱动装置绕其上述几何轴线23转动。变速驱动装置的这部分连接在配流盘上，该配流盘示于图5和6，将在以下说明，该部分同时也连接于图8所示的液压马达缸体的主体和其盖上。这种连接方法是将图8的螺栓33穿过图6和5中的孔35和34，将其拧入图3的螺孔64而将整个变速驱动装置组件锁在一起。图3中可以看到液压泵缸体的凹部36、37，它们分别与图5的开孔44和45对齐，并具有使由一端的连接于流体入口的液压马达的转子的叶片构成的小室系统(小室组)均化的作用，同时还具有使由另一端的连接于液体回路的液压马达的转子的叶片构成的小室系统均化的作用。它们还尽可能促使流体在液压泵和液压马达之间流动。在液压泵缸体的盖30中形成两个盲口113和114，它们分开对着开口44和45，从而进一步促进高、低压力室的均化。

图8中的部件9代表液压马达的缸体的主体，它也是可变驱动装置的一部分。应注意到，图8中的缸体39、它在同一图中的侧盖55和图6的配流盘43封闭图7的转子50。在图8中也可见到液压马达缸体上的凹部56、57，它们分别对准图6的开口46和47，并具有使一端的连接于流体入口的液压马达转子叶片构成的小室系统均化的作用，同时还具有使另一端的连接于流体回路的液压马达转子叶片构成的小室系统均化的作用。它们还尽可能地促使流体在液压泵和液压马达之间的流动。在液压马达缸体的盖55上形成两个盲口115、116，它们分别对着开口46和47，从而进一步保使高、低压力室的均化。

可以看到，与图5的出口44接触的液压泵小室系统、与图6同一开口46接触的液压马达小室系统、以及由出口本身和其几何结构表示的通道、图3的凹部36和图8的凹部56形成一个单一的小室，因而流体从液压泵到液压马达的流动达到了尽可能的平稳；这也是由于两个转子总是在同一方向转动，虽然速度不同，由此可以充分利用流体本身的惯性的原因。

在图5的配流盘38中还示出收集器(集流环)105，其弧形约从低压开口45的起始端伸到其末端，其末端的准确位置由在液压泵叶片基部形成的孔106的几何结构确定。上述收集器105通过图5的孔108与图6的通道100连通，该通路100又通过中央开口48和49连接到高压开口44和46。因此，上述收集器105像位于此区域中的液压泵叶片的前部一样处于高压状态，因为在叶片处于高压区中时上述孔106永久地与收集器105接触。同样，在图6的遮挡面上还有另一个像收集器105一样的收集器，该收集器的弧约从低压开口47的起始端伸到其末端，其末端的开口根据在液压马达叶片基部上形成的孔的几何尺寸进行修正。上述收集器又通过图6的孔109与通道100连通，所以该收集器将处于高压状态、位于该区域中的液压马达的叶片前部也处于高压状态。

图3中的另一个收集器111位于液压泵缸体的侧壁(30)上，张开的角度约与低压开口45的张角相同；其张开的角度是使得与收集器105的孔角之和约等360°角。该角度根据孔106的几何尺寸修正。该收集器(111)通过下面要说明的在此透视图中看不见的一个通道与低压室连通。因此位于低压区中的液压泵叶片的前部也处于低压状态，因为在此区域中孔106永久地与收集器111接触。同样，在液压马达缸体的侧壁55上形成图8的收集器112，其张开的角度约等于低压开口47的张角，并且与上述的在图6中看不见的液压马达高压收集器的张角之和等于约360 °角。该角度根据孔107的几何尺寸进行修正。该收集器112通过一个在透视图中看不见的后面将要说明的通道与低压室连通。因此，位于低压区的液压马达叶片的前部也处于低压状态，因为孔107在此区域中永久地与收集器112接触。

同样应当注意到，与图5返回口45接触的液压泵小室系统、与图6的同一开口47接触的液压马达小室系统、以及返回口本身及其几何尺寸代表的通道、图3的凹部37和图8的凹部57构成一个单一的腔室，使得流体从液压泵到液压马达的流动是尽可能地平稳；这也是由于两个转子总是在同一方向转动；虽然速度不同，但可以充分利用流体本身的惯性的原因。

已在图5和6中示出的配流盘也和变速驱动装置形成整体，必须指出，该配流盘通常是一个整片，不是两块，该盘沿图29中的线M的展开图示于图30。为了帮助说明，此处显示为两块，因为图5的在液压泵区域的开口44和45与其示于图6的出口46和47不同相。在配流盘中形成用来装入图8的轴28的中心开口48和49；它们的形状是拉长的，否则，当变速驱动装置相对于上述平行于两个转子的共同轴线22并与其分开距离E的几何轴线23转动时，液压马达轴的表面28将触及开口的壁，由此妨碍转动。必须记住，配流盘也是变速驱动装置的一部分，如上所述，该装置是一套部件的整装体。

还形成傍路，该傍路在变速驱动装置的开始位置α＝0处通过图8的入口5和图3的出口4使液压马达的高压室和液压泵的低压室连通。连通在图8开关6的预定位位置获得，该开关通过图8的螺母58安装和固定在图7的杆7上；该位置在上述开关6啮合在与外壳形成整体的图9的销子2上时便改变，这使得傍路可被接通或关闭。通过图8的孔60、图6的孔62、图5的孔61和图3的孔63可在图8的开口5和图3的开口4之间形成流体相通。其操作下面说明。

为避免使透视图复杂化，在此图中省去了用于释放高于操作压力的过分高压的安全阀和与其连接的离合器。但是在图28中示出了这两种部件。

在图10至21中示出了三组图，每组图对应于变速驱动装置的三个不同工作位置，每组图中有四个截面图。第一组图由图10、11、12和13组成，第二组由图14、15、16和17组成，第三组由图18、19和20和21组成。为了节省篇幅，这些图画在6页纸上。在这些图中用来表示部件、轴线和通道等的编号与上述透视图中的编号相同，这样便于理解下面将说明的部件和它们的位置。必须注意到，在这些图中的唯一差别是液压马达转子50的叶片数目，如图13、17和21所示，叶片是12而不是如示出液压马达转子的其它图中所示的10片，而在图7、10、14、18和图27中所示的液压泵的转子具有12个叶片。在合理范围内的这种变化不改变本发明的本质方面。

第一组图10、11、12和14表示变速驱动装置在称作开始位置的对应α＝0的同一位置的四个不同的横截面图。由图14、15、16和17组成的相似的第二组代表变速驱动装置的中间位置，该位置对应于上述装置绕几何轴线23转动角度α＝0.5αM。同样由图18、19、20和21组成的第三组表示最后位置，该位置对应于装置转动α＝αM角。

在第一组中，可以认为，图10的截面位于图11的截面之上，后者位于图12的截面之上，图12的截面又位图13的截面之上。同样，在第二组图中，图14位于图15之上，后者又位于图16之上，图16又位于图17之上。最后在第三组中，图18位于图19之上，后者位于图20之上，图20又位于图21之上。

在这三组图中已画出两条想象线Wb和Wm，这两条线分别使变速驱动装置的几何转动轴线23与液压泵缸体的几何轴线65′连接和与液压马达缸体的几何轴线66连接。必须注意到，两个转子的共同几何轴线22和变速驱动装置的几何转动轴线23相对于外部总是固定的。因此表示为Y轴的第三想像线在所有这些图中都是固定的，该线连接两个转子的共同几何轴线22和变速驱动装置23的几何转动轴线23。因而在任何一个图中，变速驱动装置绕几何轴线23转动的角度α与由想像轴线Y和Wb形成的角度一致。

在这些图中的中心区域更详细地示于放大图22、23和24中。

图10、14和18示出图3和图4所示液压泵在三个上述工作位置时的相同径向截面。在这三个图中可以看到变速驱动杆31处于穿过固定外壳10的槽口32绕几何轴线23转动α角的三个所示工作位置。图中还可以看到将图3中的液压泵缸体的主体8连接在变速驱动装置的其余部分的螺孔64和液压泵的缸体29。还可以见到位于高压区44的缸体的凹部36和位于低压区45的相应凹部37，如上所述，这些凹部的作用是增加两个小室系统的截面，使这些小室系统均化，并对着相应的出口和返回口提供增加的流体通道截面。这些凹部与在它们之间接触的区域中的该凹部的相应出口的截面一致。还可以看到液压泵的转子40、它的轴25、固定液压泵转子和其轴的键27。还可看到液压马达转子的轴28：该轴在液压泵转子轴的内部并与其同心，可以在其中自由转动。在这三个图中，还示出两个转子的共同几何轴线22和变速驱动装置的几何转动轴线23，两条轴线相对于外部均是固定的。在这三个图中还示出了液压泵缸体的几何轴线65和液压马达的缸体的几何轴线66，即使后者在这三个图中应当看不见，表示出来是为了更好地理解变速驱动装置的操作。必须注意到，在这种变速驱动装置形式中，在变速驱动装置的几何转动轴线23和液压泵缸体的几何轴线65之间的距离在先前被定义为偏心度参数E，该参数E与在上述变速驱动装置的几何转动轴线23和液压马达缸体的几何轴线66之间的距离E′相同。已经很清楚，在此例以外的各种形式的变速驱动装置中，后一距离可以不同E，但所有其它特性保持完全相同。另外，示出了连接于低压室的傍路通道63和连接于高压室的安全阀68的通道67。在下面要参考的其它图中，将出现至此已被说明的大部分编号。因此随后将不重复解释。

图13、17和21示出图7、8中所示液压马达的在三个上述工作位置的径向截面图。在此三图中，变速驱动杆31绕几何轴线23转动确定的角度，在三个所示的工作位置中用虚线表示。还可以看到将图8中的液压马达缸体的主体9结合在变速驱动装置其余部件上的孔和其相应的螺栓33，以及液压马达的缸体39。图中还示出在高压区46中缸体的凹部56和在低压区域47中的相应凹部57，如上所述，这些凹部的作用是增加两个小室系统的截面，该凹部使小室系统均化，并增加从各自出口来的对着返回口的流体通道的截面。这些凹部与在它们之间接触的区域中的该凹部相应开口的截面一致。还可以看到液压马达的转子40、它的轴53及用于固定液压马达转子和其轴的键89。在此三图中还示出了两个转子的共同几何轴线22和变速驱动装置的几何转动轴线23，二者相对于外部均是固定的。还示出了液压马达缸体的中心66和液压马达的缸体的中心65，即使后者在这三个图中看不见，但为了更好地理解变速驱动装置的操作，还是示出了。

还示出旁通转动阀3的通道60，它通过出口5和来自高压室的通道29进行输入。还应注意到旁通开关6，它的转动将起动转动阀3，在图13的开始位置α＝0处，该开关所处的位置使得出口5与中间通道59完全连通。因为在该位置，后者与通道60、62、61、63和出口4连通，所以在高压区和低压区之间完全连通，因而液压马达的转子可以自由转动：这是由于马达排出的流体仍然可以流过旁路，该马达排出的流体因为液压泵的转子和缸体同心不能排出任何体积而不能由液压泵吸收。如果不存在该旁路，则在该开始位置的液压马达的转子完全不能进行任何转动。当转动被传送到变速驱动装置时，该旁路开关6便受力而与外壳形成整体的销子2啮合，由此而转动，使得它起动上述转动阀3，在变速驱动装置转动少许角度之后，出口5和中间通道59不再连通，由此关闭旁路；在图17的中间位置以及当然在图21的最后位置均可以观察到这种关闭。一当通道关闭，所有通过出口44和46从液压泵来的液体必须由液压马达通过返回口47和45排向液压泵；因此，在液压泵转子和液压马达转子间的转动比固定，它是变速驱动装置的位置角α的函数。同样，当使变速驱动装置反转向其开始位置时，旁路开关便再与销子2啮合，该销子迫使开关沿相反方向转到上述开始位置，由此沿相反方向起动阀门，使中间通道59再与出口5连通，从而连通旁路。可用简单的改变图2销子2的位置的方式改变影响旁路开度或关闭的变速驱动装置的转动范围，改变图9销子2的位置的方法是，或者改变其在外壳上的固定位置，或者提供从外面改变上述位置的可能性。在本文所述的变速驱动装置中，上述销子是固定的。必须注意到，在这种变速驱动装置的某些应用中，感幸趣的是不要旁路装置，使得在α＝0的位置，液压马达的转子和其轴不完全地被阻挡住，因为它的任何运动意味着向液压泵排出液体，液压泵在此位置不能吸收任何体积的流体，虽然其转子在此位置可以完全自由转动。

还可看到低压区的入口通道80，它与装在开口67中的安全阀相通，该安全阀在图10至21中未示出，但可以在图28中见到，它的作用是吸收高于操作压力的过压；在发生这种过压时，使高压室和低压室分开的阀门将起动，并使两室连通，因而高压区的过压将降低，直到阀门关闭，即直到它达到最大的操作压力。

图11、15和19示出靠近图5所示液压泵的配流盘部分的截面图，分别示出在三个不同的工作位置。图12、16和20示出靠近图6所示液压马达的配流盘部分在三个不同工作位置的截面。必须记住，如上所述，配流盘通常是一个单体，如示意图30所示，该图是沿图29的线M的展开图。但是为了更好理解在靠近液压泵的开口区即孔44、45和靠近液压马达的开口区即孔46、47之间的在配流盘中存在的移位，在透视图和图10至21中，上述配流盘均被表示为两个盘。在对应于图10至21所示变速驱动装置三个位置的图11、12；15、16；和19、20中，还用虚线示出杆31，即使该杆在这些截面中是看不见的。必须注意到，在图11和12所示的开始位置，液压泵缸体的几何轴线65和两个转子的中心22重合，因而连接转动中心23与液压泵缸体的中心65的轴线Wb和连接几何轴线23与两个转动的共同几何转线22的轴线Y重合。轴线Wm连接几何轴线23与液压马达缸体的几何轴线66。因此，在开始位置，因为两个转子的共同几何轴线22与几何轴线65重合，所以液压泵的转子与其缸体同心，当其轴迫使转子转动时，转子不会通过出口将任何体积的流体排向液压马达，液压马达的转子因而不会受迫转动。在图15和16所示的中间位置，转动已通过杆31加在变速驱动装置上，该转动等于其最大值的一半：液压泵缸体的几何轴线65由此已绕几何轴线23转动角度α＝0.5αM，使其转子移离几何轴线22；在此转子转动时，因为它不再与其缸体同心，所以液压泵将通过出口向液压马达排出流体。同样，在中间位置，液压马达缸体的中心66已绕几何轴线23转过角度α＝0.5αM，因此在开始位置对其转子具有最大偏心度的液压马达的缸体现在处于接近与其同心的位置。所有由液压泵通过出口44和46向液压马达排出的流体，当转动加在其转子上时，必须从液压马达通过返回口45和47回到液压泵；为此目的，液压马达的转子将依赖于它的缸体在那个时刻相对于该转子的位置被迫转动确定的转数，液压马达转子的几何轴线22是固定的，该转子除一个确定的位置外，其转动不同于液压泵的转动。在最后位置，当杆转过角度αM，对应于液压泵的转子几乎与其缸体相切的位置时，液压马达转子的几何转线22位于与其缸体的几何轴线距离最小的位置；结果当液压泵转子的轴转动时，液压泵将通过出口向液压马达排出最大量的流体，同时液压马达的转子必须对从液压泵接收到的每个流体体积单位转动最大的转数，液压马达转子的转数和液压泵转子的转数之比或关系是最大的。

液压马达转子的角速度ωm(α)和加在液压泵转子上的角速度ωb之间的一般关系方程是确定变速驱动装置位置的角α的函数： ${\mathrm{\ω}}_m\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{H_b{R}_b\sin \left(0.5\mathrm{\α}\right)\cos (\mathrm{\β}-0.5\mathrm{\α})}{H_m{R}_m\sin \left[0.5(\mathrm{\θ}-\mathrm{\α})\right]\cos [0.5(\mathrm{\θ}-\mathrm{\α})-\mathrm{\ρ}]}{\mathrm{\ω}}_b$ 式中，β是图22中液压泵开口等分线69和轴线Wb的垂线之间的角度；ρ是液压马达开口等分线70和轴线Wm的垂线之间的角度；开口等分线和这种特殊情况下β和ρ值在下面确定。在此方程中，θ是由轴线Wb和Wm形成的角；Hb和Hm分别是液压泵和液压马达的厚度；Rb和Rm分别是液压泵和液压马达的缸体半径。

在此最后位置，液压马达的缸体也不与其转心同心，因为如果同心，则液压马达便不能排出从液压泵接收到的任何流体体积，并且这将导致机构的损坏。对于在0～α_m之间任何位置α不会发生这种损坏，只要θ大于α_m。在所示的具体情况下，为了在开始的α位置使转子装入缸体内必需扩大液压马达的缸体。

在图22、23和24的放大示意图中可以更好地看到上述说明，图22对应于变速驱动装置的开始位置，α＝0，在此位置时，液压泵缸体的几何轴线65与两个转子的共同几何轴线22重合，图23对应于变速驱动装置的中间位置，α＝0.5α_M，图24对应于最后位置，α＝α_M，在此位置时，液压马达缸体的几何轴线66也不能达到与两个转子的共同几何轴线重合，但位于其最靠近的位置。必须注意到，在变速驱动装置的任何可能位置，液压泵缸体的几何轴线65和液压马达缸体的几何轴线66位于半径为E圆心为变速驱动装置几何转动轴线23的圆周71上。如果变速驱动装置的转动轴线23和液压马达缸体的中心66之间的距离是不同的(E′不同E)，则在变速驱动装置的任何可能位置，液压马达缸体的中心将位于另一个与圆周71同心的半径为E′的圆周上。首先为了更好地理解计算而示出图22、23和24，对于任何一种本文所述类型的可能的变速驱动器和本专利的客体，该计算假设，在任何操作位置即在变速驱动装置的任何位置，相对于变速驱动装置的几何转动轴线23作用在该装置上的总转矩为零，这对应于本专利一个主权利要求。

应注意到，在图18中，在液压泵区域的开口等分线已被定义为想像的直线69，在此最后位置该直线穿过两个转子的中心22和液压泵缸体的中心65。该线69相对于穿过两个转子共同几何轴线22的水平线成β＝0.5α_M角，这样便选用该线，因为已经发现它对于本专利所寻求的效果是最好的，但是也可以选用另外的线。在放大图22、23和24中也用实线和同一编号示出了液压泵的开口等分线69；因为该线在转动时与变速驱动装置构成整体，所以它总是与Wb的线构成相同的角度β＝0.5α_M。在图10、14和18中可以看到，分开液压泵中高压和低压区的直线将摆动许多次，其摆动次数等于其转子相对于上述等分线每转一圈的小室的数目，因而可以认为，上述直线，液压泵的开口等分线是分开液压泵中高压和低压区的线。考察图22、23和24可以看到，在变速驱动装置上的液压泵的高压的合压是一个向量，该向量具有如所附图所示的数值Fb、方向和指向，它穿过液压泵缸体的中心65并与液压泵的开口等分线69成直角。因为它的数值是已知的并等于：

Fb＝2Hb·Rb·P如上所述，Hb是液压泵的厚度；Rb是液压泵缸体的半径；P是该时刻的流体的高压，上述力作为在外部的反作用力仅相对于变速驱动装置的几何转动轴线23产生一个转矩，该转矩等于：

Mb＝E·FbSin(β)＝E·FbSin(0.5α_M)

假定液压马达的开口等分线70已确定，因为它必须穿过液压马达缸体的中心66，并与穿过中心66的Wm线之垂线成角度-ρ，所以由液压马达作用在变速驱动装置上高压的合力是向量Fm，该向量穿过中心66，其数值为：

Fm＝2Hm·Rm·P如上所述，Hm是液压马达的厚度；Rm是液压马达缸体的半径；P是该时刻流体的高压，因为我们忽略在高压室中从液压泵到液压马达的通道中的可能的压力损失，因为在液压泵和液压马达之间实际上没有阻塞。上述力相对于上述外部产生一个转矩，原点在变速驱动装置的几何转动轴线上，并等于：

Mm＝-E′·Fmsin(ρ)

如果现在作为主要条件我们加上相对于变速驱动装置的合转矩为零的假设，则可以得到：

E·Fbsin(0.5α_M)-E′·Fmsin(ρ)＝0

因此，

ρ＝arcsin〔E·Fbsin(0.5α_M)/(E′·Fm)〕

代入Fb、Fm的相应值可以得到：

ρ＝arcsin(E·Hb·Rbsin(0.5α_M)/(E′·Hm·Rm))在液压马达缸体的几何轴线66和两个转子的共同几何轴线22之间的距离E′等于偏心度参数E时，参图22、23和24，上述方程变为：

ρ＝arcsin(Hb·Rbsin(0.5α_M)/(Hm·Rm))

因此，在本发明的实际实施例中，加上这些条件后，作用在变速驱动装置上的合转矩在其任何位置实际上趋近于零。

液压马达的开口等分线对于液压泵开口等分线偏移β＝0.5α_M角时总是形成上述角度-ρ，因而可以达到，在变速驱动装置的任何位置，其上的合转矩将为零，不依赖于液压泵转子的转速。对不同于附图所示特定实施例所选值的β值，可以选用另一个ρ值，使得合转矩可以在变速驱动装置的任何位置达到零。

在图25～30中作为说明举例示出了应用之一的用在汽车工业的冷却组合件上的变速驱动装置。在这些图中使用上述同样的编号；不作重复说明，仅列举在上述图中示出的另外的部件，这些部件不改变本发明的精神实质，它仍然有助于理解该装置中的机构。

图26示出变速驱动器沿图25的A-B-C-D线截取的纵向截面图。图28示出沿图25的E-F线截取的变速驱动器的纵向截面图。

图25是沿图26的线G-H截取的切开图。必须注意到，此图的方向和图10、14和18所示的截面相反。在图25中已经采用齿条式连接件72和96来取代用键27和89使转子40、50与其轴25的连接，该齿条式连接件具有同样的作用，但可以改进上述连接的应力分布。液压马达的轴28也受到重视，利用轴承90使它可以在液压泵转子的轴25中自由地和同轴地转动。图29是沿图26的I-J线的截面图，与图25相比它朝着相反侧，图中示出配流盘。该图的方向与图10～21的方向相同。同样，图27是沿图26的线K-L的液压马达的切开图，该图的指向完全与图13、17和21所示液压马达截面的指向相同。在这些图中，采用齿条式连接件96代替用键59使转子50与其轴53的连接，该齿条式连接件具有相同的作用但改进了应力分布。

图26示出皮带轮76，它可以连接在任何驱动系统上。上述皮带轮与液压泵的轴24形成整体。用作流体保持器的凹部81放置在外壳两端，它的作用是密封该装置。该图还示出许多O形环，均用编号91表示，其作用是密封转动或不转动的部件之间可能发生的流体泄漏。在液压马达轴21的中央区域，示出向内的与其同心的通道29，该通道的作用是通过孔117和118让高压流体流过，并润滑摩擦轴承90和双偏心支轴承14和15。高压流体通过通道98进入上述通道92，该通道98使通道92与配流盘的中心腔连通，该中心腔在此前将配流盘表示成包括两部分时其编号是48和49，现在仅用一个编号99表示这个单件。随后又通过径向通道100实现从该空腔99到高压区的连通，该径向通道在配流盘内延伸，示于图29的视图中。可能从双偏心轴承14和15逸出的在其轴和座之间的流体可能导致对装在凹部81和97中的保持器施加一个有害的轴向推力，因为该流体处于高压下。为避免这一点，使保持器和它们的底壁的之间的空间通过通道73和71与低压室连通，通道73和71是固定的，因为它们将在双偏心轴承14和15中。通道71是一个在轴承17的柱面上形成的槽，变速驱动装置在该槽的两侧转动，该槽口的张角稍大于α_M，以便通道85在上述槽71上转动时在其所有转动路径上与槽口71重合而不断开流体流动。通道85又连接在通道86和87上，该通道使通道85与低压室连通，因此漏出的流体可以回收并转到低压。

在轴20和21的芯中存在的压力在它们之间产生一个很大的推力，该推力趋向于使它们轴向分开，该推力可由液压泵轴的轴向滚针轴承83和液压马达轴的滚针轴承84吸收。

图26还示出高压收集器105，该收集器与图25中叶片基部的孔106重叠。该收集器包括孔缝，该孔缝从低压开口45的尾端延伸到其前端，但在其相反侧定尺寸，如上所述，为修正上述孔缝，还需计及在叶片基部形成的孔的直径。从图29可以更清楚地理解该收集器，图中还示出它通过孔108与高压室连通，而该孔108与使高压开口44、46和配流盘的中心腔49连接的通道100连通。在相反于图29截面的表面上有第二收集器，它类似前述收集器但与它不同相，它在图29中看不见，但示于图26，编号为123；因为它具有类似作用并已在上面说明，所以不再进一步解释。在图26中还同样示出在低压区叶片基部的收集器111和112，该收集器具有孔缝，该孔缝加上高压收集器105、123的孔缝形成约360°的角，该孔缝根据叶片基部的直径进行修正。在叶片基部的这些收集器利用通道120和121经通道85、86和87与低压室连通。这些上面已说明，不再另外解释。

图28示出排放阀或安全阀，如果在高压区的流体压力超过最大可允许压力，则该阀将使通过通道68的高压区和通过通道80的低压区连通，使得压力重新回到最大可允许值，然后再断开上述连通。此处不作进一步说明，因为我们相信，从图28中足以看清其操作。在此图中已经用图26的螺栓119代替图1的键16，该螺栓具有相同的作用但具有更充分的紧固作用。图9的旋转阀的螺母58已用图28中的外部弹性紧固环代替，该环的编号为125。该图还示出杆124，该杆可以采用任何机构往外拉，打开安全阀78，起到类似分离的效果。

图25示出用于注入补充流体的盖127，盖上装有量液杆，在此截面图中见不到。图26和29的孔126是进入变速驱动装置的补充入口。

在所有图中省去了调节器，该调节器即调节装置，该装置连接在液压马达转子的轴上并起动变速驱动装置的杆，以便迫使液压马达转子的转速符合特定的规律或使其保持常数，而不管液压泵转子的转速。操作上述杆的机构是很简单的。在这些图中，没有包含上述调节器，因为可以应用各种调节器，并且将它们连接到这种变速驱动器上的方法很容易。

本发明的主要优点之一是变速驱动装置的密封非常简单。从图1、9、26和28可以看到；在整个变速驱动装置中，仅在轴承102和其开口103、104之间的接合处和两个转子的轴20、21与它们在图1、9中的轴承14′和15′的结合处有可能发生流体渗漏。因为在液压叶轮泵和马达中轴和轴承的装配是普通的和标准的，所以可以达到正确地装配，现在我们仅说明102与103、104的安装，这种安装类似于转子轴20、21的安装，只是直径稍大一些，其特殊性在于，在实际中它的转动可以忽略不计，因为仅在起动变速驱动机械或杆以便改变速度比时它们才转动，所以用O形环91密封它，其液密性便很充分。这种系统因此很简单和有效，因为不存在摩擦和其它密封系统带来的复杂问题。

关于两个转子轴的定位问题，在图示的例子中，液压马达转子的轴被啮合在液压泵的轴中，而且由于轴承90而有可能自由转动，但是两个轴可以通过它们的外端被固定，而使它们之间没有任何实际接触，如像在某些已知的叶轮泵和马达中那样，由此可以去掉配流盘上的中心开孔。

从所有上面的说明中可以明显看到，这种变速驱动器是相当简单和紧凑的，可以理想地进行变速，而且体积也小。

上述的提出专利权利要求的变速驱动器可以工作在例如压力200巴或更高而没有任何流体密封性问题，因此传输的转矩和动力远高于先有技术达到的水平；输入和输出之间的速度比可以高达约1∶8。

作为举例可以说，本发明的变速驱动器可以传输825马力的动力，重量才234kg，对于较小的动力例如70马力，变速驱动器可以小到28kg重。

由于这些优点，在很多情况下，使用本发明的变速驱动器很容易，而且成本低；因此可能应用变速驱动器的范围是很广的。下面说明一些应用，但是这种选择说明的应用不能认为是限制。

在机床例如钻床、车床、铣床、研磨机等方面，本发明的变速驱动器可以连续地，容易地和没有任何显著损失地改变切削工具或坯料的速度；例如在机床中，随着刀具趋近坯料转动中心而增加坯料的速度可以使得最佳切削速度保持不变。

此变速驱动器还可以应用在纺织机的领域，所有纺织机都具有相似的问题。例如在精梳纺纱机中，它以简单方式和不消耗动力地解决了开机和停机的问题，不需要装昂贵的离合器，并且可以按要求执行进一步的加速和减速操作，这种操作使用离合器是不可能的。变速驱动器还可以在任何时间从一个速度转到另一个速度，以便获得例如纺纱样品。本发明的变速驱动器应用在纺织机上时的另一个重要优点是它可以减少机器马达的功率，因为在开机时它不需要另外很大的动力来克服惯性力。

在汽车工业中，上述变速驱动器可以替代变速箱和离合器，并提供连续变化的速度比；并且，在研究车辆要求的操作性能之后，可以建立对每个速度的最佳转矩并使变速驱动器的控制机构程序化，以便在轮子的转动和马达的转动之间建立特定的比例，甚至不进行任何改变便可以对不同行驶区域(城市、道路和公路等)的不同参数程序化，使驾驶员可以从车辆的操纵板上选择其中的一种。

应用变速驱动器的另一个例子是用在空调器的压缩机上：对于特定的rpm(每分钟转数)这些压缩机达到其最佳操作点，但是它们被连接到一个具有可变rpm的马达上，通常它们不能工作在其最佳的rpm。采用上述变速驱动器，可以通过一个小的计算芯片和很小功率的电机控制其操作，因而可以按需要调节压缩机的rpm，即可以随意调节上述压缩机提供的冷冻能力，而且其效能和操作性能得到显著增加。

Claims (9)

1.一种变速驱动器，包括一个液压泵和一个液压马达，其中，利用在液压泵和液压马达之间的封闭流路中循环的流体达到动力传递，使得由液压泵排出的流量必须由液压马达吸收，随后再回到液压泵，其中，液压马达和液压泵均是叶轮泵，由缸体(29、39)和具有径向凸出叶片(41、51)的转子(40、50)构成，该叶片外伸而密接上述缸体(29、39)的内壁，并侧向密接两个盖(30，55)而构成彼此流体密封的小室，上述盖中的一个或两个具有让转子(40，50)轴通到外部的中心开孔，改变液压泵转子(40)、液压马达转子(50)或两个转子的偏心度，便可使在液压泵转子(40)和液压马达转子(50)之间的转动比达到在零和最大值之间的任何一个值，其特征在于：

液压泵的缸体(29)、液压马达的缸体(39)和它们各自的端盖(30、55)形成一个构成变速驱动装置的整体件，两个缸体的几何轴线(65、66)平行但不重合，上述变速驱动装置的唯一运动是相对于第三几何轴线(23)的转动，该第三轴线相对于支承件(10、11)是固定的并平行于所述缸体的上述几何轴线(65、66)；

液压泵的转子(40)和液压马达的转子(50)具有共同几何轴线(22)，该轴线相对于上述支承件(10，11)处于固定和偏心的位置，且平行于液压泵和液压马达缸体的几何轴线(65、66)，并且与上述第三几何轴线(23)相距距离(E)，所述两个转子(40，50)可以相对上述共同几何轴线(22)彼此独立地转动；

上述变速驱动装置的转动从外边起动，并通过两个转子(40、50)相对它们的各自缸体(29、39)的偏心度的变化实现液压泵转子(40)和液压马达转子(50)之间的上述转动比的变化，所述可变驱动装置相对于上述支承件的位置由角度α确定，α＝0对应于液压泵的缸体(29)和其转子(40)共轴的开始位置。

2.如权利要求1所述的变速驱动器，其特征在于，至少一个中央配流盘(38、43)配置在液压泵和液压马达之间，该盘与上述变速驱动装置形成整体，因此相对于上述几何轴线(23)随其一起转动，上述中央配流盘(38、43)在液压泵和液压马达之间的具有两个通孔(44、46；45、47)，位于与液压泵接触的区域的上述开孔(44；45)相对于液压泵的开口等分线(69)对称，位于与液压马达接触的区域的上述开孔(46、47)相对于上述液压马达的开口等分线(70)对称，上述等分线(69、70)具有不一致的方向，以便跨越液压泵和液压马达之间的角位移，使得第一开孔(44、46)实际上使整个液压泵的液体排出区与液压马达的流体接收区连通，由此形成一个单一的高压室，而第二开口(45，47)实际上使整个液压马达的流体回流区与液压泵的流体通入区连通，由此形成一个单一的低压室，液压泵和液压马达的开口等分线(69、70)因此分别是分开液压泵和液压马达中高压室与低压室的想像直线，上述配流盘还具有第三中心开孔(48、49)，以便让转子(40、50)的准直轴通过。

3.如权利要求2所述的变速驱动器，其特征在于，其结构参数满足以下方程：

E·Hb·Rbsin(β)-E′·Hm·Rmsin(ρ)＝0

式中，β是液压泵开口等分线(69)和几何轴线(Wb)的垂线之间的角度，该轴线(Wb)连接上述第三几何轴线(23)和液压泵缸体的几何轴线(65)；

ρ是液压马达开口等分线(70)和几何轴线(Wm)的垂线之间的角度，该轴线(Wm)连接上述第三几何轴线(23)和液压马达缸体的几何轴线(66)；

Hb和Hm分别是液压泵和液压马达的厚度；

Rb和Rm分别是液压泵缸体(29)和液压马达缸体(39)的半径；

E和E′分别是上述第三几何轴线(23)与液压泵缸体(29)和液压马达缸体(39)的几何轴线(65、66)之间的距离；

使得由于流体压力作用在液压泵缸体(29)上引起的作用在上述第三几何轴线(23)上的转矩在数值上等于由于液体压力作用在液压马达缸体(39)上引起的作用在上述第三几何轴线(23)上的转矩，但方向相反，因此在上述第三几何轴线(23)上的合力矩为零。

4.如上述任一项权利要求所述的变速驱动器，其特征在于，变速驱动装置和两个转子(40、50)的轴(24、20、25；28、53、21、88)利用双偏心轴承(14、15)配置在上述支承件(10、11)上，每个所述轴承具有穿过两个转子各自轴(20、21)的内偏心孔(14′，15′)，并包括外偏心圆柱面(17、102、17、102)，在变速驱动器相应缸体(29、39)侧表面上为此目的而形成的互补圆筒面(18、103；19、104)在所述圆柱面上滑动，上述圆柱面(7、102；18、103；19、104)与上述第三几何轴线(23)共轴。

5.如权利要求4所述的变速驱动器，其特征在于，上述双偏心轴承(14、15)是摩擦轴承。

6.如权利要求4或5所述的变速驱动器，其特征在于，利用上述外圆柱面(17、102；17、102)和互补的圆筒表面(18、103；19，104)的密接和配置流体密封件可以在变速驱动装置和与上述支承件(10、11)形成整体的外壳之间达到流体密封。

7.如上述任一项权利要求所述的变速驱动器，其特征在于，液压泵的转子(40)和液压马达的转子(50)被固定在各自的轴(24、20、25和28、53、21、28)上，上述轴沿上述共同几何轴线(22)准直，但彼此不形成整体，因而液压泵转子(40)的转速不同于液压马达转子(50)的转速，两种转速之比依赖于上述变速驱动装置相对于上述支承件(10、11)的角位置(α)。

8.如权利要求2至7中任一项所述的变速驱动器，其特征在于，它包括在高压室与低压室之间旁路通道(5、60、63、4)和阀门3，该阀门根据上述变速驱动装置相对于支承件(10、11)的角位置打开和关闭流过的流体，上述阀门(3)在变速驱动装置位于开始位置(α＝0)时使流体在室之间流动，当变速驱动装置移离上述开始位置时，该阀门逐渐关断上述流体的流动，直至变速驱动装置转动少许角度之后达到完全关闭，  因此上述阀门(3)在变速驱动装置相对于支承件(10、11)转动而离开上述开始位置(α＝0)时起分离的作用，而在变速驱动装置沿相反方向移动时该阀门执行连接的作用，液压马达的轴在变速驱动装置的上述开始位置(α＝0)可以自由转动。

9.如权利要求8所述的变速驱动器，其特征在于，上述阀(3)是一个转动阀，具有内通道(60)和侧孔(59)，根据该侧孔的角位置，该侧孔打开或关闭流体的流动，该阀门包括与其形成整体和共轴的杆(7)，在该杆上配置开关(6)，在变速驱动装置位于靠近上述开始位置(α＝0)的位置时，上述开关啮合与支承件(11)形成整体的止动件(2)，由此上述开关使阀门转动。

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