Аксиально-поршневые гидромашины карданного типа. Типы карданов. Аксиально-поршневая гидромашина с одинарным карданом

13. Аксиально-поршневые гидромашины карданного типа

13.1. Типы карданов

В большинстве конструкций аксиально-поршневых насосов с наклонным блоком кинематическая и силовая связи ведущего и ведомого валов осуществляются с помощью одинарного (рис. 4.7., а) или двойного (рис. 4.7, б) карданов. Первый тип карданов обычно выполняет одновременно функции силовой и кинематической связи, второй тип осуществляет кинематическую связь, будучи нагружен лишь моментами трения блока цилиндров и инерционных сил. Первый тип кардана принято называть силовым, второй – несиловым.

Рис. 4.7. – Кинематические расчетные схемы карданного механизма

Кардан – это универсальный шарнир с двумя степенями свободы, обеспечивающий возможность передачи вращения между двумя валами, оси которых пересекаются под некоторым углом.

13.2. Аксиально-поршневая гидромашина с одинарным карданом

Равномерное вращение входного вала 1 (рис. 4.7, а) преобразуется во вращение выходного вала  2, связанного с входным валом с помощью кардана. Валы вращаются вокруг разных осей, наклоненных одна относительно другой на угол γ.

Конструктивно входной вал 1 (рис. 4.8) связанный шпонками 9 с цилиндровым блоком 5, преобразуется в поступательное движение поршней в цилиндрах блока при помощи связанной с блоком через кардан 6 наклонного диска 7 с шарнирно заделанными в нем шатунами 3 поршней 4. Входной вал 1, цилиндровый блок и упорный диск 7 вращаются в этой схеме вокруг разных осей, наклоненных одна относительно другой на угол γ. Возможность вращения этих деталей вокруг разных осей обеспечивается наклонным диском 7, качающимся при вращении вала вокруг осей кардана 6, помещенных во втулках, жестко закрепленных на наклонном диске. Распределитель в большинстве случаев выполняется за одно целое с крышкой 2. Первоначальный прижим блока к распределителю обеспечивается пружиной 8. Во время работы гидромашины блок прижимается к распределителю гидростатическими усилиями.

Рис. 4.8. – Аксиально-поршневой насос с одинарным карданом

Благодаря наличию кинематической связи упорного диска 7 с головками шатунов 3, основная часть приложенного к валу 1 внешнего момента затрачивается на поворот диска через асинхронный кардан, поэтому машины этого типа называются машинами с силовым карданом.

Кинематика одинарного кардана

Одинарный кардан, который применяется в аксиальных насосах с передачей силовых нагрузок (рис. 4.8), обладает свойством асинхронности, т. е. мгновенная угловая скорость движения ведомого вала (в данной схеме – наклонного диска 7) при равномерном вращении ведущего вала 1 и цилиндрового блока 5 будет неравномерной.

Кинематика рассматриваемого кардана описывается зависимостью между текущим углом φ₁ поворота ведущего вала 1 (блока 5) и углом φ₂ поворота ведомого вала 2 (упорного диска 7):

; →  ;  →   .

Угловые скорости ведущего  и ведомого  валов при применении этого шарнира связаны зависимостью:

.

Рис. 4.9. – Зависимости угловой скорости ω₂ ведомого вала (а) и угла рассогласования Δφ от угла φ поворота вала (б)

Зависимость угловой скорости  ведомого вала при постоянной скорости ведущего вала  (рис. 4.9, а) показывает, что за каждый оборот ведущего вала ведомый вал, дважды опережает (при  и ) ведущий вал () и дважды отстает (при  и ) от него (). Таким образом, максимальное  и минимальное  значения угловых скоростей ведомого вала равны:

;   .

Позиционная асинхронность валов определяется как разность  угловых координат ведомого φ₂ и ведущего φ₁ валов:

.

На рис. 4.9, б показаны кривые углового рассогласования  ведущего вала, отсчитываемого от начального положения. Графики построены для различных значений угла γ наклона диска.

Из-за асинхронности карданного соединения возникают периодические пульсации угловой скорости ведомого вала при постоянной скорости ведущего вала и вызываются дополнительные колебания подачи. Эти колебания вызывают значительные динамические нагрузки, которые могут сопровождаться вибрациями карданного соединения, поэтому при проектировании необходимо ограничивать угол γ и скорость вращения вала.

13.3.Аксиально-поршневая гидромашина с двойным карданом

Рис. 4.10. – Конструктивная (а) и расчетная (б) схемы двойного    универсального карданного механизма

Для устранения асинхронности угловых скоростей ведущего и ведомого валов применяют двойной универсальный кардан с двумя центрами качения (рис. 4.7, б). Этот кардан состоит из двух последовательно соединенных одинарных карданов. При условии, что оси входного и выходного валов образуют с осью промежуточного шарнирного звена 2 (рис. 4.10) одинаковые углы , а оси их шарниров параллельны и лежат в одной плоскости, этот кардан практически обеспечивает синхронность движения ведомого и ведущего валов. Т.к. циклические колебания угловых скоростей двух карданов находятся в противофазе, поэтому можно обеспечить фактически полную компенсацию пульсаций угловой скорости ведомого вала.

Конструктивно двойной кардан состоит из вала 2 (рис. 4.10), на концах которого запрессованы штифты с надетыми на них сегментами 1 и 3. Сегменты входят в пазы втулки 6 блока цилиндров 7 и втулки 5 вала (наклонного диска 4).

Кинематика двойного кардана

Связь между текущими углами поворота приводного вала 6 и блока 1 цилиндров (рис. 4.10, а) выражается зависимостью:

, где     – угол поворота цилиндрового блока;

 – угол поворота ведущего вала.

Дифференцируя это уравнение по времени , получим угловую скорость  ω₂ цилиндрового блока (ведомого вала):

, где    γ₁ – угол между осями кардана и приводного вала;

γ₂ – угол между осями кардана и блока цилиндров.

Для обеспечения синхронности необходимо выдержать условие , при котором будут обеспечены примерные равенства  и . Это условие обеспечивается при соотношениях (рис. 4.10, б):

; ;   .

Конструктивная схема машины с двойным несиловым карданом представлена на рис. 4.11. При работе в режиме насоса вращательное движение от вала 1 через карданный вал 3 передается блоку цилиндров 4.Поршни 10, взаимодействуя с шатунами 11,совершают возвратно-поступательные движения, последовательно осуществляя такты всасывания и нагнетания.

Рис. 4.11. – Конструкция аксиально-поршневой гидромашины с двойным несиловым карданом

При работе в режиме гидромотора рабочая жидкость из напорной линии гидросистемы поступает в отверстие крышки 7 и через окно торцового распределителя подается в камеры блока цилиндров, создавая на поверхностях поршней 10 силы гидростатического давления. Силы давления через шатуны 11 передаются фланцу вала 1. Окружные составляющие этих сил создают крутящий момент на валу и приводят его во вращение. Часть крутящего момента карданным валом 3 передается блоку цилиндров 4,обеспечивая синхронное вращение вала и блока, цилиндров. Утечки рабочей жидкости из внутренней полости насоса-мотора отводятся через дренажные отверстия, заглушённые пробками 9. Предварительный осевой поджим карданного вала и блока цилиндров осуществляется пружинами 2 и 5. 3ащита машины от перегрузки давлением обеспечивается предохранительным клапаном, размещенным в клапанной коробке 6.

Через двойной несиловой кардан в этих машинах передается при установившемся режиме только момент, необходимый для преодоления потерь на трение, а в переходных режимах – дополнительно момент на преодоление сил инерции вращающегося блока 4.