ТРАНСМИССИЯ АВТОМОБИЛЯ С МАХОВИЧНЫМ НАКОПИТЕЛЕМ ЭНЕРГИИ

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована в трансмиссиях транспортных средств.
Автомобильный транспорт оказывает значительное отрицательное воздействие на человека и окружающую среду, которое в Российской Федерации и за рубежом принято оценивать по критерию «экологическая безопасность» через удельные выбросы вредных веществ с отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания.
2
Снижение выбросов CO, непосредственно связываемых с потреблением углеводородных топлив, является ключевой проблемой, которую ставят перед мировой автомобильной промышленностью правительства развитых стран.
2
2
Транспорт, включающий, кроме автомобильного, авиационный, железнодорожный и водный, является не единственным, но крупным поставщиком выбросов CO - он ответственен за 23% выбросов. При этом автомобильный транспорт доминирует среди других видов, определяя, по состоянию на 2005 год, 73% выбросов (Гусаров, А.П. Потребление топлива и выбросы СO автомобилями / Журнал автомобильных инженеров. - №3 (56). - 2009 г. - с.46-53.).
Расход топлива при движении автомобиля в городе в 1,5…1,8 раза превышает его расход при установившемся движении по загородному шоссе. Соответственно возрастают и выбросы вредных веществ с выхлопными газами двигателя автомобиля.
2
В апреле 2009 г. введено Правило EC №443/2009 (от 23 апреля 2009 г.), впервые устанавливающее нормативные требования по снижению выбросов CO легковыми автомобилями и грузовыми автомобилями полной массой до 3,5 т.
Легко реализуемые резервы повышения топливной экономичности традиционных автомобилей, имеющих мехническую трансмиссию, приводимую от двигателя внутреннего сгорания (ДВС) исчерпываются. Возможности для улучшения топливной экономичности традиционных транспортных средств не бесконечны, а законодательные нормы становиться все более жесткими, что определяет неизбежность внедрения в средне- и дальнесрочной перспективе автомобилей с новыми трансмиссиями, имеющими в своем составе накопители энергии.
Известно, что маховик, его еще называют супермаховик, является наиболее эффективным накопителем энергии (патент РФ №2017684, B65H 59/06, опубл. 15.08.1994). В литературе описаны конструкции маховиков с накопленной энергией для привода автомобиля, автобуса, локомотива небольшой мощности (их еще называют маневровыми локомотивами), в прокатных станах, землеройных машинах (скреперах и экскаваторах), в катапультах для самолетов, в торпедах и в других случаях, где требуется преодоление пиковых нагрузок (Гулиа, Н.В. Накопители энергии. - М.: Наука, 1980. - 150 с.).
Известно использование маховичного накопителя в бесступенчатых саморегулируемых передачах (патент РФ №2261385, F16H 3/74, опубл. 27.09.2005), предназначенных для уменьшения расхода топлива при разгоне за счет использования энергии, накопленной при торможении.
Однако предложенные технические решения могут быть реализованы исключительно в специальных бесступенчатых трансмиссиях. Использовать данные решения в различных механических ступенчатых трансмиссиях, которые имеют большинство легковых и грузовых автомобилей, не представляется возможным.
Известно, что средняя скорость движения автомобиля в городских условиях, регламентируемых Правилами ЕЭК ООН №83, 84, составляет около 19 км/ч, а в соответствии с ГОСТ 20306-90 - порядка 28-35 км/ч для разных категорий городских транспортных средств. Таким образом, можно считать, что средняя скорость в городских условиях движения составляет 20-35 км/ч. Это означает, что для движения в городских условиях требуется мощность двигателя должна составлять от максимальной мощности двигателя, необходимой для обеспечения максимальной скорости движения, 20-25% и менее.
Таким образом, для обеспечения движения в городских условиях можно использовать упрощенную конструкцию маховичного привода по сравнению с известными конструкциями супермаховиков.
Известен маховичный накопитель, относящийся к области энергетики, который может быть использован в качестве буферного накопителя энергии в транспортных электрифицированных системах, источниках аварийного питания, источников бесперебойного питания для ветровых и солнечных электростанций (патент РФ №2246034, F03G 3/08, F16H 33/02, опубл. 10.02.2005). Технический результат, представленный в данном патенте, заключается в обеспечении низких аэродинамических потерь в камере маховика одновременно с эффективным охлаждением привода без использования отдельных систем охлаждения.
Данный маховичный накопитель затруднительно использовать в трансмиссиях транспортных средств, поскольку его работа осуществляется только от электропривода. Кроме этого, для того, чтобы система функционировала необходимо создание вакуума в камерах, что приводит к завышенным требованиям к уплотнениям в конструкции и повышает трудоемкость ее обслуживания.
Известна комбинированная трансмиссия транспортного средства (патент РФ №88756, F16H 33/00, опубл. 20.11.2009).
Ее недостатками являются использование двух силовых установок - двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя, наличие тяговых аккумуляторных батарей и трех электромагнитных муфт, для согласованной работы которыми необходимо использовать сложные алгоритмы управления, заложенные в электронный блок управления.
В качестве прототипа принята маховичная трансмиссия (авт. свид. СССР №1629654, F16H 33/02, опубл. 23.02.91). Маховичная трансмиссия содержит входной и выходной валы, на входном валу установлен штатный маховик двигателя, фрикционная муфта, дополнительный маховичный блок, который содержит два дополнительных маховика с переменным моментом инерции, две пары идентичных зубчатых колес и четыре фрикционные муфты, установленные попарно на полых валах дополнительных маховиков и связанные с соответствующими зубчатыми колесами, а маховик и выходной вал жестко связаны с соответствующими зубчатыми колесами разных пар.
Достигается цель повышения энергоемкости. Однако эта маховичная трансмиссия очень сложна по конструкции, а, следовательно, в регулировке и управлении.
Этот недостаток устраняется предлагаемым решением.
Ставится задача создания трансмиссии с маховичным накопителем энергии, обеспечивающим высокую энергоемкость, преимущественно для автомобилей с ДВС, работающих в городском цикле.
Технический результат - упрощение конструкции и управляемости трансмиссии при уменьшении расхода топлива автомобиля и выбросов вредных веществ в атмосферу за счет исключения работы ДВС при движении автомобиля.
Этот технический результат достигается тем, что в трансмиссии автомобиля с маховичным накопителем энергии, содержащей входной и выходной валы, на входном валу установлен маховик двигателя и дополнительный маховичный блок, дополнительный маховичный блок выполнен в виде установленного в кожухе на подшипниках маховика в виде ступицы с ободом, на ободе и на стенке кожуха установлены электромагнитные обмотки, электромагнитные обмотки кожуха соединены с аккумуляторной батареей.
Такое выполнение значительно упрощает конструкцию трансмиссии с маховичными накопителями энергии за счет (по сравнению с прототипом) исключения двух маховиков, двух пар зубчатых колес, трех муфт, двух полых валов, планетарного редуктора для реверса.
Предлагаемая конструкция приведена на чертежах: на фиг.1 - общий вид, на фиг.2 - маховичный накопитель энергии.
Трансмиссия автомобиля, приводимая от ДВС 1, включает штатный маховик 2 двигателя, электромагнитную муфту 3, дополнительный маховичный блок 4, коробку передач 5, карданную передачу 6, установленную на выходном валу, ведущий мост 7, ведущие колеса 8. Соосно с валом 9 ДВС расположен входной вал 10 маховичного накопителя энергии.
Дополнительный маховичный блок 4 установлен на валу 10 в подшипниках 11 в кожухе 12, также установленном в подшипниках 13, и выполнен в виде маховика, состоящего из ступицы 14 с ободом 15. На ободе 15 и на стенке кожуха 12 установлены электромагнитные обмотки 16, 17. Электромагнитная обмотка 17 питается от аккумуляторной батареи (на чертеже не показана). Зазор между ободом 15 и кожухом 12 устанавливается таким же, как между статором и ротором в асинхронных электродвигателях. В цепи питания обмотки 17 от аккумулятора устанавливается инвертор (на чертеже не показан) для преобразования постоянного тока аккумулятора в переменный ток с параметрами, которые требуются для обмотки 17. В цепи питания обмотки 17 также должен быть реостат для регулирования сопротивления и, следовательно, силы тока в цепи. При питании обмотки 17 переменным током с частотой, например, 50 Гц, синхронная частота вращения маховика дополнительного маховичного блока 4 составляет 50 об/с. Включение электромагнитной муфты 3 осуществляется электромагнитом 18. Когда электромагнитная муфта 3 выключена, маховик дополнительного маховичного блока 4 на подшипниках 11 свободно вращается на валу 10.
Трансмиссия с маховичным накопителем энергии работает следующим образом.
Возможны следующие режимы в цикле движения автомобиля в городе:
Режим 1. Движение при работающем ДВС 1 и раскрученном маховике дополнительного маховичного блока 4. Электромагнитная муфта 3 - выключена. Крутящий момент от ДВС 1 передается на сцепление и маховик 2 двигателя 1, на вал 10, на маховик дополнительного маховичного блока 4 и далее через остальные агрегаты трансмиссии на ведущие колеса 8. В этом режиме энергия маховика дополнительного маховичного блока 4 не используется.
Режим 2. Стоянка в пробке. В ДВС 1 - отключена подача топлива. Электромагнитная муфта 3 - выключена. Маховик дополнительного маховичного блока 4 вращается в холостую. Крутящий момент от ДВС 1 и от маховика дополнительного маховичного блока 4 на агрегаты трансмиссии не передается.
Режим 3. Разгон автомобиля за счет энергии маховичного накопителя. В ДВС 1 - отключена подача топлива. Электромагнитная муфта 3 - включена, энергия вращательного движения маховика дополнительного маховичного блока 4 передается через электромагнитную муфту 3, на штатный маховик 2 двигателя и сцепление на вал 10 дополнительного маховичного блока 4 и далее через остальные агрегаты трансмиссии на ведущие колеса 8.
Режим 4. Движение до ближайшего светофора с использованием энергии маховичного накопителя. В ДВС 1 - отключена подача топлива. Электромагнитная муфта 3 - включена, энергия вращательного движения маховика дополнительного маховичного блока 4 передается аналогично режиму 3.
Режим 5. Остановка у светофора. В ДВС 1 - отключена подача топлива. Электромагнитная муфта 3 - отключена. Маховик дополнительного маховичного блока 4 вращается в холостую, крутящий момент на агрегаты трансмиссии не передается.
Режим 6. Во время стоянки у светофора происходит раскрутка маховика дополнительного маховичного блока 4, чтобы подготовить его к следующему циклу движения автомобиля. При этом, используя энергию аккумуляторных батарей автомобиля происходит подача электрического тока на электромагнитные обмотки 17. Возникает вращающееся магнитное поле, которое раскручивает маховик дополнительного маховичного блока 4, аналогично тому, как это происходит в асинхронном короткозамкнутом электродвигателем.
После этого цикл повторяется за исключением режимов 1 и 2.
При такой работе трансмиссии с маховичным накопителем энергии уменьшается расход топлива и выбросы вредных веществ в атмосферу путем исключения работы ДВС при движении автомобиля в городском цикле.