ТРЕХВАЛЬНАЯ ГИБРИДНАЯ ТРАНСМИССИЯ ДЛЯ АВТОТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ
THREE-SHAFT HYBRID TRANSMISSION FOR MOTOR VEHICLE AND CONTROL METHOD

Изобретение относится к области гибридных трансмиссий для автотранспортных средств, содержащих двигатель внутреннего сгорания и электрическую машину.
В частности, объектом изобретения является гибридная трансмиссия для автотранспортного средства, оборудованного двигателем внутреннего сгорания и тяговой электрической машиной, содержащая два концентричных первичных вала, на каждом из которых установлена, по меньшей мере, одна шестерня нисходящего перехода на вторичный вал, соединенный с колесами транспортного средства.
Гибридные трансмиссии в основном представляют интерес, поскольку позволяют использовать для приводной кинематической цепи транспортного средства два источника энергии, двигатель внутреннего сгорания и электрическую машину, производящие крутящие моменты, которые можно объединить в так называемом гибридном режиме или использовать раздельно либо в «чистом термическом режиме», когда электрическая машина не производит крутящий момент для цепи силовой передачи, либо в «чистом электрическом режиме», когда двигатель внутреннего сгорания не производит крутящего момента для цепи силовой передачи. При этом востребованы также другие функциональные возможности, такие как возможность запуска двигателя внутреннего сгорания при остановке или во время движения, используя электрическую машину в качестве стартера, или возможность использования электрической машины в качестве генератора тока для подзарядки батарей.
В своей самой простой концепции вышеуказанная гибридная трансмиссия обеспечивает все требуемые функции только на одном передаточном отношении, то есть без возможности использования различных передних передач, как на классической трансмиссии.
Из документа US 5433282 известна гибридная трансмиссия для автотранспортного средства, в основном состоящая из простого эпициклоидного передаточного механизма, три выхода которого, то есть сателлитный блок, планетарная передача и коронная шестерня, соединены с двигателем внутреннего сгорания, с электрической машиной и с колесами транспортного средства. Двигатель внутреннего сгорания, электрическая машина и передаточный механизм являются коаксиальными. Между двигателем внутреннего сгорания и планетарной передачей передаточного механизма установлена шестерня свободного хода. Она позволяет, в частности, комбинировать участие электрической машины и двигателя внутреннего сгорания в движении транспортного средства и использовать два передаточных отношения. Однако ее возможности адаптации к специфическим режимам движения, таким как движение в городских условиях и движение по автомагистрали в чистом электрическом режиме на умеренных скоростях и движение по автомагистрали на высокой скорости, например, в чистом термическом режиме, являются ограниченными.
Задача изобретения состоит в создании гибридной трансмиссии, использующей, по меньшей мере, два разных передаточных отношения в электрическом режиме, два разных передаточных отношения в режиме двигателя внутреннего сгорания и несколько передаточных отношений в гибридном режиме.
В связи с этим изобретением предусмотрено первое средство соединения между двумя первичными валами, которое может занимать три положения, в которых:
- двигатель внутреннего сгорания отсоединен от кинематической цепи, связывающей электрическую машину с колесами, или соединен с ней через второй вторичный вал (положение 1),
- первичный вал двигателя внутреннего сгорания соединен с первым вторичным валом для приведения во вращение колес с участием или без участия электрической машины (положение 2), и
- первичный вал двигателя внутреннего сгорания соединен с первичным валом электрической машины таким образом, чтобы суммировать их соответствующие крутящие моменты в направлении колес (положение 3).
Предпочтительно двигатель внутреннего сгорания связан со сплошным первичным валом, а электрическая машина связана с полым первичным валом.
В первом варианте применения электрическую машину можно использовать в качестве единственного источника движущей энергии на двух первых электрических передачах, замыкая второе средство соединения, до порога скорости, начиная от которого переходят на третью термическую передачу, размыкая второе средство соединения и соединяя двигатель внутреннего сгорания с колесами при помощи третьего средства соединения.
Во втором варианте применения используют только первую электрическую передачу, прежде чем перейти последовательно на несколько гибридных передач, при которых два первых средства соединения замкнуты.
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания неограничивающего варианта осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 показана схема архитектуры предложенной трансмиссии в мертвой точке;
на фиг. 2 представлено трогание с места и движение в электрическом режиме на «городской электрической» передаче и задним ходом;
на фиг. 3 представлено движение в электрическом режиме на «дорожной электрической» передаче;
на фиг. 4 представлен режим подзарядки батареи;
на фиг. 5 представлено движение в термическом режиме на «автомагистральной термической» передаче;
на фиг. 6 представлено движение в гибридном режиме на первой «автомагистральной гибридной» передаче;
на фиг. 7 представлено движение в «коротком городском гибридном» режиме;
на фиг. 8 представлено движение на «первой длинной городской гибридной» передаче;
на фиг. 9 представлено движение на «второй длинной городской гибридной» передаче;
на фиг. 10 представлено движение на «дорожной гибридной» передаче;
на фиг. 11 представлено движение на «спортивной гибридной» передаче;
на фиг. 12 представлено движение в другом термическом режиме, называемом «длинным городским термическим» режимом.
Представленная на чертежах трансмиссия содержит сплошной первичный вал 1, напрямую соединенный через систему 2 фильтрации (амортизирующая ступица, «демпфер», двойной маховик или аналогичное средство) с инерционным маховиком 3 двигателя внутреннего сгорания (не показан). На сплошном валу 1 установлена шестерня 4 свободного хода (шестерня свободного хода второй передачи R2), которая может быть соединена с последним через первую систему 5 (С1) соединения (такую как кулачковая муфта, синхронизатор или другой тип средства плавного или не плавного соединения). Полый первичный вал 6 связан с ротором 7 электрической машины, предпочтительно (но не обязательно) машины осевого дискового типа. В рамках изобретения можно также использовать другие типы электрических машин, например радиальные машины, машины с магнитом или с катушкой возбуждения или машины с магнитным сопротивлением. На полом валу 6 установлены две неподвижные шестерни 8, 9 первой и третьей передач. Полый вал 6 может быть связан со сплошным первичным валом 1 через первую систему 5 (С1) соединения. На первом вторичному валу 10 установлены две шестерни свободного хода 12 (R1) и 11 (R3) первой и третьей передач и неподвижная шестерня 14 второй передачи. Шестерни 11, 12 свободного хода можно соединить с первичным валом при помощи второй системы 13 (С2) соединения, такой как кулачковая муфта, синхронизатор или другой тип средства плавного или не плавного соединения. На первом вторичному валу 10 установлена также неподвижная шестерня 15 нисходящего перехода на дифференциал 16, соединенный с колесами (не показаны) транспортного средства.
На своем конце слева на схеме сплошной первичный вал 1 сдержит неподвижную шестерню 17 четвертой передачи, зацепляющуюся с шестерней 18 свободного хода четвертой передачи (R4), установленной на втором вторичном валу 19. На втором вторичном валу 19 установлено также третье средство 21 (С3) соединения с ним шестерни 18 свободного хода четвертой передачи. Движение второго вторичного вала 19 передается через ведущую шестерню 22 на дифференциал 16.
Первое средство С1 соединения может занимать, по меньшей мере, три положения, в которых:
- двигатель внутреннего сгорания отсоединен от кинематической цепи, связывающей электрическую машину 7 с колесами, или соединен с ней через второй вторичный вал (положение 1), см. фиг. 1, 2, 3, 5, 11,
- первичный вал, соединенный с двигателем внутреннего сгорания, связан с первым вторичным валом для приведения во вращение колес с участием или без участия электрической машины (положение 2), см. фиг. 8, 9, 12, и
- первичный вал двигателя внутреннего сгорания связан с первичным валом, соединенным с электрической машиной, таким образом, чтобы суммировать их соответствующие крутящие моменты в направлении колес (положение 3), см. фиг. 4, 6, 7, 10.
Кроме того, двигатель внутреннего сгорания может вращать генератор переменного тока (не показан), обеспечивающий энергетические потребности электрической машины и заряжающий тяговую батарею высокого напряжения. Первая схема монтажа в этом случае предусматривает соединение тяговой батареи с бортовой батареей транспортного средства через реверсивный преобразователь напряжения. Согласно другому решению, генератор переменного тока является высоковольтным генератором, соединяемым напрямую с батареей питания электрической машины. При таком решении двигатель внутреннего сгорания и генератор подзарядки бортовой батареи могут представлять собой весте недорогой электросиловой агрегат, обеспечивающий энергетические потребности тяговой электрической машины в электрическом режиме.
На фиг. 1 три средства соединения C1, С2, С3 разомкнуты.
На фиг. 2 средство С1 разомкнуто (положение 1), тогда как С2 замкнуто и неподвижно соединяет шестерню 12 свободного хода первой передачи с первым вторичным валом 10. Трансмиссия работает в электрическом режиме на своей первой передаче, называемой «городской электрической» передачей. Кутящий момент, передаваемый от электрической машины на полый первичный вал, проходит через первую неподвижную шестерню R1 на шестерню 12 свободного хода. С2 связывает во вращении шестерню 12 и вал 10. Крутящий момент опускается от вторичной линии на дифференциал 16 через ведущую шестерню 22.
Как показано на фиг. 3, С1 остается разомкнутым (положение 1), тогда как С2 замкнуто и неподвижно соединяет шестерню свободного хода третьей передачи R3 с первым вторичным валом 10. Трансмиссия находится в электрическом режиме на третьей передаче трансмиссии, называемой «дорожной электрической» передачей. Крутящий момент, передаваемый электрической машиной 7 на полый первичный вал 6, проходит через неподвижную шестерню 9 третьей передачи на шестерню свободного хода третьей передачи R3. С1 связывает во вращении шестерню R3 и вал 10. Крутящий момент переходит от вторичной линии на дифференциал 16 через шестерню 15.
На фиг. 4 показан режим подзарядки батареи. Замкнуто только средство С1 5 в положении 3. Оба первичных вала 1, 6 неподвижно соединены друг с другом, и двигатель внутреннего сгорания вращает электрическую машину, которая работает при этом в режиме генератора.
На фиг. 5 трансмиссия находится на своей четвертой передаче в термическом режиме. На этой передаче, называемой «автомагистральной термической» передачей, С1 разомкнуто (положение 1). Замкнуто только С3. Крутящий момент, создаваемый двигателем внутреннего сгорания, проходит на второй вторичный вал 19 через неподвижную шестерню 17 и шестерню свободного хода четвертой передачи R4, затем опускается на дифференциал через шестерню 22.
Начиная с этой ситуации, можно переходить в гибридный режим, добавляя к двигателю внутреннего сгорания действие электрической машины, благодаря замыканию С1 в положении 3. При этом четвертая передача становится «автомагистральной гибридной» передачей, показанной на фиг. 6.
На фиг. 7 показан гибридный режим на первой передаче трансмиссии, которая в этом случае становится «короткой городской передачей». С1 замкнуто в положении 3 и соединяет два первичных вала 1, 6; С2 замкнуто на первой передаче (шестерни R1, 12). Таким образом, крутящие моменты двигателя внутреннего сгорания и электрической машины суммируются на первой передаче.
На фиг. 8 и 9 показаны два промежуточных гибридных режима, называемые «первым длинным городским гибридным» режимом и «вторым длинным городским гибридным» режимом, получаемые из «короткой городской гибридной» передачи, показанной на фиг. 7. Сохраняя первую передачу, включенную на электрической машине, синхронизируют двигатель внутреннего сгорания на второй передаче до его соединения с первым вторичным валом 10 через первое средство С1 соединения в положении 2. Как показано на фиг. 8, крутящие моменты складываются.
Не разъединяя С1, можно отключить С2, затем синхронизировать электрическую машину с первым вторичным валом 10, после чего включить С2 для их неподвижного соединения. Таким образом, оставаясь на второй передаче трансмиссии, осуществляют переход на «вторую длинную городскую гибридную» передачу, показанную на фиг. 9.
Переводя С1 в положение 3 из ситуации, показанной на фиг. 9, после свободной синхронизации двигателя внутреннего сгорания переходят на третью передачу в ситуации, показанной на фиг. 10, называемую «дорожной гибридной» передачей, при сложении термического и электрического крутящих моментов.
Затем можно перейти на четвертую передачу в гибридном режиме, чтобы получить ситуацию, показанную на фиг. 11, при этом электрическая машина поддерживает трансмиссию на третьей передаче во время перехода. Для этого отключают соединение С1 (возврат в положение 1), затем замыкают С3, предварительно произведя на холостом ходе синхронизацию двигателя внутреннего сгорания.
Из ситуации, показанной на фиг. 10, если разомкнуть С1 и замкнуть С3, сохраняя С2 замкнутым, можно получить «спортивную гибридную» передачу, показанную на фиг. 11, от которой можно опять перейти на «автомагистральную гибридную» передачу, показанную на фиг. 6.
Наконец, на фиг. 12 представлен режим двигателя внутреннего сгорания на второй передаче, называемой «длинной городской термической» передачей, когда замкнуто только С1 для нисходящего перехода крутящего момента через R2 на вторую передачу.
Таким образом, три положения первого средства 5 соединения и комбинированное участие второго средства 13 соединения и третьего средства соединения обеспечивают трансмиссии, по меньшей мере, следующие режимы:
- электрический режим на двух первых передачах трансмиссии, называемых «городской электрической» и «короткой электрической» передачами (см. фиг. 2 и 3),
- термический режим на второй и четвертой передачах, соответственно называемых «длинной городской термической» и «автомагистральной термической» (см. фиг. 12 и 5),
- гибридный режим на первой передаче, называемой «короткой городской гибридной» передачей (см. фиг. 7),
- два гибридных режима на второй передаче, называемые «первым городским гибридным» и «вторым городским гибридным» (фиг. 8 и 9),
- гибридный режим на третьей передаче, называемой «дорожной гибридной» (см. фиг. 10) и на четвертой передаче, называемой «автомагистральной гибридной» (фиг. 4) и «спортивной гибридной» (фиг. 11), и
- режим подзарядки батареи (см. фиг. 4).
Описанная выше трансмиссия представляет особый интерес, если ею управляют в соответствии с двумя следующими рабочими циклами, называемыми «недельным использованием» и «гибридным использованием» в зависимости от того, предпочитает пользователь применять электрический режим в основном для городского или повседневного вождения или же он намерен больше использовать возможности гибридного режима для увеличения автономии. Эти режимы использования описаны ниже как предпочтительные, но не ограничительные способы управления описанной выше трансмиссией.
«Недельное использование» предусматривает в основном две электрические передачи, а именно «городскую электрическую» и «дорожную электрическую», связанные с «автомагистральным термическим» режимом и, возможно, с «автомагистральным гибридным» режимом. При этом обе электрические передачи используют, замыкая С2 на шестерне первой или третьей передачи до порога скорости, когда переходят на четвертую передачу в термическом режиме, размыкая С2 и связывая двигатель внутреннего сгорания с колесами при помощи С3. Кроме того, на четвертой передаче можно воспользоваться гибридной передачей, связывая двигатель внутреннего сгорания с колесами посредством замыкания С3 и соединяя при этом оба первичных вала при помощи С2.
«Гибридное использование» дополняется промежуточной термической передачей (вторая передача), в частности, при переключениях передачи во время действия крутящего момента. Используют только одну электрическую передачу (на шестерне первой передачи), после чего последовательно переходят на несколько гибридных передач, когда участвуют два первых средства соединения С1 и С2. Первой используемой гибридной передачей при переходе от электрического режима является «короткий городской гибридный режим», показанный на фиг. 7. После этого можно перейти на «первую длинную городскую гибридную передачу», показанную на фиг. 8, на вторую (фиг. 9) при том же положении замыкания С2, связывая полый первичный вал с первым вторичным валом. Если отключить С1, можно воспользоваться обеими первой и второй «длинными городскими гибридными» передачами, в зависимости от того, включает средство С2 соединения R1 или R3. Показанную на фиг. 10 «дорожную гибридную передачу» получают, связывая оба первичных вала на третьей передаче при помощи С1. Как было указано выше, переход на автомагистральный гибридный режим (фиг. 6) можно осуществлять через промежуточный этап «спортивной гибридной» передачи, показанной на фиг. 11.
Согласно изобретению, переключение скоростей между гибридными передачами происходит при действии крутящего момента. В частности, весь цикл «гибридного использования» происходит без прерывания крутящего момента с сохранением тяги на каждом переходе либо при помощи двигателя внутреннего сгорания, либо при помощи электрического двигателя. Это относится к восходящим или нисходящим переходам между «короткой городской» передачей и «первой и второй длинными городскими», «второй длинной городской гибридной», «спортивной гибридной» и «автомагистральной гибридной» передачами.