ГИБРИДНЫЙ ПРИВОД ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
AUTOMOTIVE HYBRID DRIVE

Изобретение относится к области транспорта и может быть использовано для привода ведущих колес транспортных средств.
Известен привод гибридного автомобиля (US №5865263, В60К 6/365), содержащий двигатель внутреннего сгорания (ДВС), служащий в качестве источника механической энергии, две электромашины, одна из которых выполнена обратимой, аккумуляторную батарею в качестве источника-накопителя электрической энергии, планетарный механизм и центральную систему управления. Выходной вал ДВС соединен с водилом планетарного механизма. Солнечная шестерня планетарного механизма соединена с валом обратимой электромашины, а кольцевая шестерня через ряд зубчатых колес связана с валом второй электромашины и с дифференциалом ведущих колес.
Недостатком такого привода является то, что на ведущие колеса транспортного средства передается лишь часть крутящего момента ДВС, которая определяется передаточным отношением планетарного механизма.
Известен гибридный привод (DE №3338548, В60К 6/26) с ДВС и электромашиной, установленной в корпусе с возможностью вращения статора и ротора. Такие электрические машины называют двумерными или машинами двойного вращения. Выходной вал ДВС механически связан с одним из вращающихся элементов электромашины, а другой ее вращающийся элемент связан посредством механической передачи с ведущей осью транспортного средства.
Недостатком этого привода являются значительные габариты электрической машины из-за передачи ею полного крутящего момента ДВС.
Известен гибридный силовой агрегат транспортного средства (RU №2264307, В60К 6/30). Привод содержит ДВС, через систему управления соединенный с несколькими обратимыми электромашинами, одна из которых установлена в корпусе агрегата с возможностью вращения статора и ротора. Ротор этой электромашины соединен с ДВС, а статор - с ведущими колесами.
Недостаток этого привода такой же, как и у предыдущего, так как электромашина с двумя вращающимися элементами должна передавать на ведущие колеса полный крутящий момент ДВС.
Известен гибридный привод транспортного средства (RU №2384423, В60К 6/22). Привод содержит ДВС и обратимые электромашины, электрически связанные через систему управления с аккумуляторной батареей, а также планетарный механизм, водило которого связано с валом ДВС, а одно из центральных колес механически связано с дифференциалом ведущих колес. Одна из электромашин выполнена с двумя вращающимися элементами, которые связаны с центральными колесами планетарного механизма.
Недостатком такого привода является необходимость наличия в трансмиссии второй обратимой электромашины или редуктора для получения на ведущих колесах большего крутящего момента, чем момент ДВС.
Известна электрически регулируемая трансмиссия с одним или двумя двигателями (US №20090082171, В60К 1/00), содержащая один или два ДВС, две обратимые электромашины, электрически связанные через систему управления с аккумуляторной батареей, а также планетарный механизм и управляемые муфты. Водило планетарного механизма является выходным звеном привода, солнечная шестерня соединена с валом первой электромашины, а наружная шестерня может быть соединена с корпусом привода или с валом второй электромашины, с которым также может быть соединен вал одного или двух ДВС.
Недостатком такого привода является обязательное наличие не менее двух электромашин, а также невысокий предельный крутящий момент привода, определяемый только суммарным вращающим моментом ДВС и второй электромашины, а также небольшим повышающим коэффициентом планетарной передачи (включение первой электромашины не приводит к увеличению крутящего момента).
Известна силовая установка (US №20110034282, F01B 21/00), содержащая ДВС и электромашину, установленную в корпусе с возможностью вращения статора и ротора. Ротор этой электромашины соединен с валом ДВС и через вариатор - с ведущими колесами транспортного средства, а статор - с солнечной шестерней планетарного механизма, кольцевая шестерня которого через редуктор соединена с ведущими колесами транспортного средства.
Недостатком такой силовой установки является наличие вариатора для обеспечения возможности вращения вала ДВС с постоянной частотой при изменении скорости движения транспортного средства.
Известен гибридный привод транспортных средств (DE №19841829, В60К 6/26; В60К 6/365; В60К 6/40), содержащий ДВС и две электромашины, одна из которых установлена в корпусе с возможностью вращения статора и ротора, а также планетарную передачу и управляемые муфты. Солнечная шестерня планетарного механизма имеет возможность соединения как с валом ДВС, так и с неподвижным элементом привода. Водило планетарного механизма соединено с ведущими колесами транспортного средства, а кольцевая шестерня, которая имеет возможность соединения с неподвижным элементом привода, соединена с ротором электромашины, статор которой неподвижен. Подвижный статор и ротор второй электромашины соединены с водилом и солнечной шестерней планетарного механизма и имеют возможность соединения между собой с помощью управляемой муфты.
Недостатком такого привода является обязательное наличие двух электромашин, а также большие габариты и масса электромашины, статор и ротор которой соединены с водилом и солнечной шестерней планетарного механизма из-за большого крутящего момента, передаваемого этой электромашиной.
Известна автоматическая бесступенчатая коробка передач гибридного автомобиля (CN №201240251, В60К 6/442), выбранная нами за прототип. Коробка передач содержит как минимум два планетарных механизма, водило и кольцевая шестерня первого планетарного механизма связаны с солнечной шестерней и водилом второго планетарного механизма, соответственно, а также электромашину, установленную в корпусе с возможностью вращения статора и ротора. Ротор этой электромашины соединен с солнечной шестерней первого планетарного механизма, а статор - с входным звеном коробки передач, а также имеет возможность соединения с корпусом и водилом второго планетарного механизма.
Недостатком такой коробки передач являются значительные габариты электрической машины из-за передачи ею полного крутящего момента от своего входного звена к планетарным механизмам.
Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение размеров и массы электромашины.
Технический результат достигается тем, что привод, как и прототип, содержит ДВС, планетарный механизм и электромашину, установленную в корпусе с возможностью вращения статора и ротора и электрически связанную через систему управления с источником-накопителем электрической энергии. Такие электромашины называют двумерными или машинами двойного вращения. В отличие от прототипа, каждая из центральных шестерен планетарного механизма связана с одним из вращающихся элементов электромашины, а его водило является выходным звеном привода и может быть соединено с коробкой перемены передач или ведущими колесами транспортного средства.
В привод дополнительно введены четыре управляемые муфты для возможности соединения любой центральной шестерни (колеса) планетарного механизма с источником-накопителем механической энергии и с неподвижным элементом привода. Часть крутящего момента ДВС передается на выходное звено привода напрямую, через одну из центральных шестерен планетарного механизма, поэтому через электромашину и вторую центральную шестерню на выходное звено привода передается лишь оставшаяся часть крутящего момента ДВС. Это позволяет снизить размеры и массу этой электромашины. Соединение с помощью управляемых муфт одной из центральных шестерен планетарного механизма с неподвижной частью привода позволяет использовать этот планетарный механизм как редуктор, многократно увеличивая крутящий момент на выходном звене привода.
Если необходим еще больший крутящий момент, привод может дополнительно содержать вторую обратимую электромашину. В этом случае с помощью четырех управляемых муфт центральные шестерни планетарного механизма имеют возможность соединения с неподвижной частью привода и с валом второй обратимой электромашины, а с помощью пятой управляемой муфты вал источника-накопителя механической энергии имеет возможность соединения с валом второй обратимой электромашины.
Также привод может дополнительно содержать второй планетарный механизм, одна из центральных шестерен которого связана с источником-накопителем механической энергии, и вторую обратимую двумерную электромашину с двумя имеющими возможность вращения частями, связанными с центральными шестернями второго планетарного механизма. При этом любое из центральных колес первого планетарного механизма имеет возможность соединения с помощью четырех управляемых муфт с неподвижным элементом привода и с водилом второго планетарного механизма, а с помощью пятой управляемой муфты вал источника-накопителя механической энергии имеет возможность соединения с неподвижным элементом привода.
На фиг.1 изображена принципиальная схема одного из возможных вариантов предлагаемого привода. Вращающиеся части обратимой двумерной электромашины связаны с центральными шестернями планетарного механизма, имеющими возможность соединения с неподвижной частью привода и с валом ДВС с помощью четырех управляемых муфт. Водило планетарного механизма является выходным звеном привода.
На фиг.2 в отличие от фиг.1 привод дополнительно имеет вторую обратимую электромашину, центральные шестерни планетарного механизма имеют возможность соединения с неподвижной частью привода и с валом второй обратимой электромашины с помощью четырех управляемых муфт, а с помощью пятой муфты вал второй обратимой электромашины имеет возможность соединения с валом ДВС.
На фиг.3 в отличие от фиг.2 привод дополнительно имеет второй планетарный механизм, а вторая обратимая электромашина выполнена двумерной, ее вращающиеся части связаны с центральными шестернями второго планетарного механизма, одна из центральных шестерен которого (у варианта на фиг.3 - кольцевая шестерня) связана с валом ДВС, а водило с помощью четырех управляемых муфт может быть соединено с любой из центральных шестерен первого планетарного механизма. При этом вал ДВС может быть соединен с неподвижной частью привода с помощью пятой управляемой муфты.
Двигатель внутреннего сгорания 1 закреплен на корпусе транспортного средства (на фиг.1, 2, 3 не показан), его вал 2 с помощью управляемых муфт 3 и 4 может быть соединен с каждой из центральных шестерен 5 и 6 планетарного механизма 7, с которыми соединены вращающиеся части 8 и 9 двумерной электромашины 10, как показано на фиг.1. Водило 11 планетарного механизма 7 является выходным звеном привода и может быть соединено с иными элементами трансмиссии транспортного средства и его ведущими колесами (на фиг.1, 2, 3 не показаны). Кольцевая шестерня 5 планетарного механизма 7 может быть соединена с каким-либо неподвижным элементом корпуса привода с помощью управляемой муфты 12, а солнечная шестерня 6 - с помощью управляемой муфты 13. Вторая обратимая электромашина 14 может быть выполнена с одним валом, имеющим возможность соединения с валом 2 ДВС 1 с помощью управляемой муфты 15, как это показано на фиг.2, а также может быть двумерной, как показано на фиг.3, с вращающимися частями 16 и 17, соединенными, соответственно, с кольцевой 18 и солнечной 19 шестернями планетарного механизма 20. При этом вал 2 ДВС 1 соединен с кольцевой шестерней 18 планетарного механизма 20, водило 21 которого с помощью управляемых муфт 3 и 4 может быть соединено с каждой из центральных шестерен 5 и 6 планетарного механизма 7. Кольцевая шестерня 18 планетарного механизма 20 может быть соединена с каким-либо неподвижным элементом корпуса привода с помощью управляемой муфты 22.
Обращаемые электромашины 10 и 14 отдают электроэнергию или получают ее от аккумуляторной батареи 23 (или иного источника - накопителя электроэнергии, например, конденсатора) и отдают ее обратно с помощью системы управления 24. Тип и конструктивное исполнение каждой из двумерных электромашин 10 и 14 могут быть любыми (постоянного или переменного тока, асинхронными, синхронными, коллекторными, индукторными). Подвод и отвод электрического тока к их якорным обмоткам может осуществляться как с помощью щеток и контактных колец (или коллекторов), так и бесконтактным способом - в этом случае электрическая машина имеет неподвижные якорные обмотки, закрепленные на ее корпусе. Вращающиеся части 8, 9 и 16, 17 этих электромашин могут иметь цилиндрическую или дисковую форму. В качестве каждого из планетарных механизмов 7 и 20 может быть применена любая планетарная передача - фрикционная или зубчатая, с цилиндрическими колесами, как на приведенных фигурах, или с коническими. Вместо двигателя внутреннего сгорания 1 может быть использован любой источник-накопитель механической энергии, например турбина или маховик, а вместо аккумуляторной батареи 22 (или совместно с ней) - конденсатор. Муфты 3, 4, 12, 13, 15 и 21 могут иметь различное конструктивное исполнение - кулачковые, фрикционные, электромагнитные и вязкостные (вискомуфты), в том числе и с использованием магнитных жидкостей, а также гидротрансформаторы. Вместо муфт могут применяться любые механизмы свободного хода, например обгонные.
Работа привода показана на примере варианта, изображенного на фиг.3.
Для получения максимального крутящего момента привода при минимальной частоте вращения его выходного звена ДВС 1 выключается, муфты 3 и 13 размыкаются, муфты 4, 12 и 22 замыкаются, электроэнергия от аккумуляторной батареи 23 подается на электромашины 10 и 14, переводя их с помощью системы управления 24 в режим электродвигателя. При этом планетарный механизм 20 с неподвижной кольцевой шестерней 18 работает в режиме редуктора с максимальным коэффициентом передачи и полный крутящий момент электромашины 14, передаваемый на солнечную шестерню 19, создает на водиле 21 максимально возможный крутящий момент. Этот момент, суммируясь с полным крутящим моментом электромашины 10, передается на солнечную шестерню 6 планетарного механизма 7, также работающего с неподвижной кольцевой шестерней 5 в режиме редуктора с максимальным коэффициентом передачи. Водило 11 планетарного механизма 7 (выходное звено привода) вращается с максимальным крутящим моментом и минимальной частотой.
После того как частота вращения внутренней подвижней части 17 электромашины 14 достигнет максимальной величины, муфты 3, 13 и 22 размыкаются, муфты 4 и 12 замыкаются, ДВС 1 включен, электромашина 14 с помощью системы управления 24 переводится в режим генератора, а электромашина 10 - в режим двигателя. Полный крутящий момент ДВС 1, суммируясь с полным крутящим моментом электромашины 10, передается на солнечную шестерню 6 планетарного механизма 7, работающего с неподвижной кольцевой шестерней 5 в режиме редуктора с максимальным коэффициентом передачи. В этом режиме водило 11 планетарного механизма 7 (выходное звено привода) также вращается с максимальным крутящим моментом, но достигает большей частоты вращения.
После того как частота вращения вала 2 ДВС 1 достигнет номинальной величины, электромашины 10 и 14 с помощью системы управления 24 переводятся в режим двигателя. При этом частота вращения водила 21 планетарного механизма 20 становится больше частоты вращения вала 2 ДВС 1. В этом режиме водило 11 планетарного механизма 7 (выходное звено привода) вращается с максимальной частотой вращения, при которой возможен максимальный крутящий момент привода.
Для дальнейшего увеличения частоты вращения выходного звена муфты 4, 12, и 22 размыкаются, муфты 3 и 13 замыкаются, ДВС 1 включен, электромашина 14 переводится в режим генератора, электромашина 10 - в режим двигателя. Полный крутящий момент ДВС 1, суммируясь с полным крутящим моментом электромашины 10, прикладывается к кольцевой шестерне 5 планетарного механизма 7, который работает с неподвижной солнечной шестерней в режиме редуктора с меньшим коэффициентом передачи. Частота вращения выходного звена привода увеличивается, но крутящий момент уменьшается.
Для дальнейшего увеличения частоты вращения выходного звена привода муфты 3 и 4 замыкаются, все остальные муфты размыкаются, электромашина 14 с помощью системы управления 24 переводится в режим генератора, электромашина 10 выключается. Частота вращения выходного звена привода достигает номинальной частоты вращения вала 2 ДВС 1, а крутящий момент равен моменту ДВС.
Для достижения предельной частоты вращения выходного звена привода муфта 3 замыкается, все остальные муфты размыкаются, а электромашины 10 и 14 переводятся с помощью системы управления 24 в режим двигателя. В этом режиме выходное звено привода вращается с максимальной частотой, крутящий момент привода равен моменту ДВС 1.
Для свободного вращения выходного звена привода (например, для обеспечения максимального выбега транспортного средства) все муфты размыкают, после чего выключают электромашины 10 и 14 и ДВС 1, что практически исключает потери энергии в приводе.
Для торможения выходного звена привода ДВС 1 выключают, муфты 4 и 22 замыкают, остальные муфты размыкают, а электрические машины 10 и 14 переводят в режим генератора, преобразуя механическую энергию вращения выходного звена привода в электрическую энергию, которая с помощью системы управления 24 запасается в аккумуляторной батарее 23.
Передача части крутящего момента ДВС напрямую на выходное звено привода позволяет уменьшить размеры и массу электромашины, передающей на выходное звено привода лишь оставшуюся часть крутящего момента ДВС.