ГИБРИДНЫЙ СИЛОВОЙ АГРЕГАТ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
HYBRID POWER UNIT OF VEHICLE

Изобретение относится к силовым агрегатам транспортных средств и может быть использовано в качестве гибридного силового агрегата, в частности, городского автобуса, городского трамвая и других транспортных средств, эксплуатируемых в городе.
Известна конструкция гибридного силового агрегата автомобиля, включающая двигатель внутреннего сгорания в качестве первичного источника энергии, бесступенчатую трансмиссию, в данном случае гидростатического типа, и накопитель энергии в виде маховика. Трансмиссия соединяет двигатель как с колесами автомобиля, так и с маховиком, а также маховик с колесами (см. Н.В.Гулиа, Накопитель энергии, М.: Наука, 1980 г., с.143-146 и схемы на с.143 и 144). По этой же схеме устроен гибридный силовой агрегат с электрической трансмиссией, описанный в этом же источнике. Недостатками этих конструкций, принятых за аналоги, являются большая сложность конструкции и невысокий КПД из-за преобразования механической энергии двигателя в другие виды энергии в трансмиссиях.
Известна конструкция гибридного силового агрегата автобуса с механической бесступенчатой передачей в качестве трансмиссии, двигателем внутреннего сгорания в качестве первичного источника энергии и маховиком в качестве накопителя энергии (см. журнал "Автоперевозчик" №11 (50), ноябрь 2004 г., статья "Гибридные силовые агрегаты для автобусов", с.58-59, рис.3). Эта конструкция, имеющая наибольшее число признаков, общих с предложением, принята за прототип.
Основным недостатком устройства-прототипа является невысокий диапазон варьирования механической бесступенчатой передачи - супервариатора, имеющего, согласно испытаниям опытного образца, этот диапазон около 8-ми, хотя для гибридного силового агрегата описанного типа требуется диапазон не менее чем в 3 раза больше, иначе сильно понижается его КПД. Кроме того, в устройстве-прототипе не предусмотрено возможности дополнения механической бесступенчатой передачи электромашинами, а также использование в качестве первичного источника энергии электрических устройств; не предусмотрено также использование накопителей электроэнергии, например конденсаторов и электроаккумуляторов.
Задача изобретения состояла в создании гибридного силового агрегата транспортного средства, включающего в себя экономичную механическую бесступенчатую трансмиссию с широким диапазоном варьирования, позволяющую использовать его как самостоятельно, так и с применением дополнительных электромашин, для эффективной передачи энергии от одного или нескольких первичных источников энергии как к ведущим колесам, так и в накопитель энергии, а также от накопителя энергии к ведущим колесам как независимо, так и совместно с первичным источником энергии, а кроме того, для передачи энергии от ведущих колес автомобиля в накопитель как независимо, так и вместе с первичным источником энергии.
Указанная задача решается тем, что предложен гибридный силовой агрегат транспортного средства, включающий первичный источник энергии, накопитель энергии, а также привод, имеющий в своем составе механическую бесступенчатую и зубчатые передачи, причем привод выполнен с возможностью кинематического соединения друг с другом в любом сочетании первичного источника энергии, накопителя энергии и ведущих колес транспортного средства, в котором бесступенчатая передача содержит в своем составе планетарный дисковый вариатор, механизм принудительного изменения его передаточного отношения и систему управления этим механизмом, а зубчатая передача содержит в своем составе периодически переключаемый блок, содержащий одну или несколько зубчатых переключаемых передач, передающий вращение от бесступенчатой передачи на привод ведущих колес транспортного средства, причем диапазон изменения передаточных отношений периодически переключаемого блока выполнен меньшим, чем диапазон варьирования планетарного дискового вариатора.
Одним из вариантов исполнения является то, что бесступенчатая передача, содержащая планетарный дисковой вариатор, включает в свой состав дифференциальный механизм, содержащий планетарную и дифференциальную передачи, включающие центральные зубчатые колеса и водила, кинематически соединяющие ведущий и ведомый валы планетарного дискового вариатора с приводом на ведущие колеса транспортного средства, а также кинематически соединяющиеся между собой в двух режимах работы, в первом из которых водило планетарной передачи соединено с одним из центральных зубчатых колес дифференциальной передачи, а ведущие колеса через зубчатую передачу соединены с водилом дифференциальной передачи, а во втором - водило планетарной передачи соединено с водилом дифференциальной передачи, а ведущие колеса через зубчатую передачу соединены с другим центральным зубчатым колесом дифференциальной передачи, при этом в обоих режимах одно из центральных зубчатых колес планетарной передачи соединено с входным валом планетарного дискового вариатора, а другое выполнено неподвижным.
Другим отличием изобретения является то, что ведомый вал планетарного дискового вариатора выполнен с возможностью периодического соединения через периодически переключаемый блок с ведущими колесами транспортного средства с одновременным прекращением передачи крутящего момента от упомянутого вала через дифференциальный механизм.
Еще одним отличием изобретения является то, что периодически переключаемый блок, передающий вращение от бесступенчатой передачи на привод ведущих колес, содержит как понижающую, так и прямую передачи и выполнен в виде планетарного демультипликатора.
Следующим отличием изобретения является то, что зубчатая передача, кинематически соединяющая бесступенчатую передачу и периодически переключаемый блок, содержит в своем составе как минимум одну нейтраль.
Следующим отличием изобретения является то, что периодически переключаемый блок содержит в своем составе прямую передачу.
Следующим отличием изобретения является то, что зубчатая передача, кинематически соединяющая бесступенчатую передачу и привод ведущих колес, содержит в своем составе реверс.
Следующим отличием изобретения является то, что выходной вал периодически переключаемого блока выполнен с возможностью кинематического соединения как с приводом ведущих колес, так и с дополнительным приводом от маховика накопителя, как порознь, так и совместно, с помощью переключаемой муфты включения.
Следующим отличием изобретения является то, что дополнительный привод от маховика накопителя выполнен с передаточным отношением, примерно равным передаточному отношению всего привода от его входного до выходного валов в момент переключения демультипликатора.
Следующим отличием изобретения является то, что в планетарной передаче внешнее центральное зубчатое колесо соединено с ведущим валом вариатора, а внутреннее выполнено неподвижным.
Следующим отличием изобретения является то, что в привод введена как минимум одна электромашина, ротор которой связан с входным валом вариатора.
Следующим отличием изобретения является то, что накопитель энергии выполнен в виде маховика с механическим отбором мощности от его вращающегося вала.
Следующим отличием изобретения является то, что накопитель энергии выполнен в виде маховика с отбором мощности в виде электроэнергии от вращаемой маховиком электромашины.
Следующим отличием изобретения является то, что накопитель энергии выполнен в виде конденсатора.
Следующим отличием изобретения является то, что накопитель энергии выполнен в виде электрохимического аккумулятора.
Следующим отличием изобретения является то, что гибридный силовой агрегат включает несколько первичных источников энергии и как минимум один из которых выполнен в виде теплового двигателя.
Следующим отличием изобретения является то, что как минимум один первичный источник энергии выполнен в виде электрохимического источника энергии.
Следующим отличием изобретения является то, что как минимум одним первичным источником энергии является внешняя контактная сеть, с которой транспортное средство связано через токосъемник.
Благодаря вышеперечисленному в изобретении достигается технический результат, заключающийся в том, что предложенный гибридный силовой агрегат транспортного средства позволит эффективно перераспределять энергию между первичными источниками энергии, ведущими колесами транспортного средства и накопителем энергии, что обеспечит существенную экономию топлива как за счет работы первичных источников энергии на оптимальном режиме, так и за счет рекуперации энергии торможения транспортного средства, а также экологичность транспортного средства за счет снижения токсичных выбросов по указанным причинам.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 представлена наиболее простая схема гибридного силового агрегата с одним типом первичного источника энергии - двигателем и одним типом накопителя энергии - маховиком. На фиг.2 - схема с планетарным дисковым вариатором и дифференциальным механизмом (супервариатора) в режиме редукции. На фиг.3 и 4 представлена та же схема, что и на фиг.2, но с дифференциальным механизмом, соответственно, в режиме мультипликации супервариатора и в положении, когда выходной вал вариатора непосредственно соединен с выходом привода. На фиг.5 - схема с тремя типами первичных источников энергии и двумя типами накопителей энергии.
Изображенный на фиг.1 вариант выполнения агрегата содержит первичный источник энергии - двигатель 1, который через сцепную муфту 2 соединен со входным валом 3 планетарного дискового вариатора 4 (обведен штриховой линией), включающего корпус 5 с установленными в нем внешними центральными фрикционными дисками 6, играющими роль эпицикла планетарной передачи, прижатыми, например, за счет собственной осевой упругости к промежуточным фрикционным дискам 7, играющим роль сателлита планетарной передачи. В свою очередь, к дискам 7 прижаты внутренние центральные фрикционные диски 8, кинематически связанные с валом 3 и играющие роль солнечного колеса планетарной передачи.
Диски 7, в количестве обычно от трех до восьми в каждом планетарном ряду, равномерно распределены по окружности между дисками 6 и 8 и установлены в подшипниках 9, закрепленных с возможностью радиального перемещения в водиле 10, представляющем собой жесткую конструкцию, боковые части которой связаны между собой связями 11, расположенными по окружности между дисками 7. Радиальные перемещения дисков 7 в подшипниках 9 осуществляются механизмом принудительного изменения передаточного отношения, например, с помощью передачи "винт-гайка" 12, винты которой связаны с валами, например, электродвигателей 13, закрепленных на водиле, а гайки связаны как минимум с одним рядом подшипников 9. Число передач "винт-гайка" 12 и электродвигателей 13 равно числу дисков 7 в одном планетарном ряду. Система 14 управления механизмом принудительного изменения передаточного отношения выполнена, например, в виде счетчиков оборотов электродвигателей 13, определяющих передаточное отношение, и сервопривода, включающего и выключающего эти электродвигатели на определенных значениях передаточного отношения.
Водило 10 соединено с валом 15, являющимся выходным валом вариатора 4, в данном случае трубчатым, внутри которого проходит входной вал 3 вариатора 4. Вал 3 через сцепную муфту 16 и повышающий редуктор 17 кинематически соединен с маховиком 18 - накопителем энергии, находящимся вместе с редуктором в герметизированном корпусе 19, вакуумированном или заполненном легким газом, например водородом или гелием, для снижения аэродинамических потерь при вращении маховика. Герметичное уплотнение 20 обеспечивает сохранность среды в корпусе 19.
Трубчатый вал 15 несет на себе блок 21 зубчатых колес, кинематически связанный с колесом 22 через паразитную шестерню 23, а с колесом 24 - непосредственно. Колеса 22 и 24 посажены свободно на вал 25, на котором с возможностью передачи крутящего момента, но со свободным осевым перемещением (например, на шлицах) закреплена сцепная муфта 26. На торцах колес 22 и 24 на сторонах, примыкающих к муфте 26, выполнены зубья, сцепляющиеся с той или иной торцовой поверхностью муфты 26 при ее соответствующем осевом перемещении. Так, например, при ходе муфты 26 вправо она сцепляется с колесом 24 и передает вращение от него на вал 25. При ходе этой муфты влево она сцепляется с колесом 22, имеющим из-за шестерни 23 обратное направление вращения колесу 24, и передает валу 25 вращение в обратном направлении, т.е. осуществляет реверс. В центральном положении муфты 26 она осуществляет нейтраль, т.е. не передает вращение от колес 22 и 24 на вал 25. Перемещение муфты 26 осуществляется, например, вилкой 27. Аналогичное устройство имеет сцепная муфта 28 периодически переключаемого блока, например демультипликатора 29, управляемая вилкой 30. Демультипликатор 29 (обведен штриховой линией) содержит планетарную передачу, солнечное колесо 31 которой соединено с валом 25, а эпицикл 32 посредством муфты 28 может соединяться как с корпусом 5, т.е. становиться неподвижным, при ходе муфты влево, так и с валом 33 планетарной передачи демультипликатора 29 при ходе муфты 28 вправо. При ходе муфты 28 влево и торможении эпицикла 32 планетарная передача демультипликатора 29 срабатывает и понижает частоту вращения вала 25, передавая с водила 33 на выходной вал 34 пониженную частоту вращения и, соответственно, повышенный крутящий момент. При ходе муфты 28 вправо эпицикл 32 соединяется муфтой 28 с водилом 33 и планетарная передача демультипликатора 29 блокируется - вращение с вала 25 передается без изменений на вал 34. В этом случае имеет место "прямая передача" без потерь энергии в зубчатых передачах. Демультипликатор 29 может иметь как одну, так и несколько передач, но на фиг.1 представлена наиболее простая его конструкция, имеющая одну понижающую и прямую передачи. Демультипликатор достаточно широко применяется в коробках передач грузовых автомобилей и подробно описан в соответствующей литературе. Максимальное понижающее передаточное отношение демультипликатора 29 меньше, чем диапазон варьирования вариатора 4, так как небольшое передаточное отношение периодически переключаемого блока, в данном случае демультипликатора 29, позволяет использовать вариатор при его невысоких передаточных отношениях, при которых планетарный вариатор 4 имеет высокий КПД. Вал 34 связан с исполнительным органом - движителем транспортного средства, например ведущими колесами 35, например, через карданную 36 и главную 37 передачи.
Работа описанного гибридного силового агрегата осуществляется следующим образом.
Перед началом работы (например, перед выездом автобуса на смену) маховик 18 накопителя энергии разгоняется до рабочей угловой скорости подключением муфтами 2 и 16 через редуктор 17 и вал 3 к двигателю 1.
Движение транспортного средства лучше всего начинать, используя энергию маховика 18. Для этого включается муфта 16 и при положении нейтрали муфты 26 вариатор 4 с вращающимися фрикционными колесами 8 и сателлитами 7 переводится в положение максимального передаточного отношения перемещением сателлитов 7 в периферийное положение. Затем муфта 16 выключается, муфта 26 становится с помощью вилки 27 в положение хода вперед - сцеплением ее с колесом 24, или хода назад - сцеплением ее с колесом 22, демультипликатор 29 переводится в положение понижающей передачи, и муфта 16 включается. Вращение от маховика 18 через редуктор 17, муфту 16, вал 3, вариатор 4, блок 24 (при прямом ходе) или колесо 22 (при ходе назад), демультипликатор 29, вал 34, карданную передачу 36, главную передачу 37 передается на ведущие колеса 35 с максимальным передаточным отношением. В дальнейшем будем предполагать режим хода вперед. Если максимальную скорость транспортного средства задать в 70 км/ч, что достигается при минимальном передаточном отношении привода, то в данном положении передаточное отношение выше примерно в 20 раз (это произведение диапазона варьирования вариатора 4 и понижающего передаточного отношения демультипликатора 29), и минимальная скорость транспортного средства составит всего 3,5 км/ч, что отвечает условиям эксплуатации городского транспортного средства.
Разгон транспортного средства производится постепенным уменьшением передаточного отношения вариатора 4 описанным выше способом. При передаточном отношении 1,3 скорость транспортного средства составит около 23 км/ч, после чего необходимо переключение демультипликатора 29 на прямую передачу. Для этого муфта 16 отключается и одновременно производится два действия: демультипликатор 29 переводится на прямую передачу описанным выше образом, и вариатор переводится на передаточное отношение примерно в 3 раза большее, чем 1,3, то есть примерно на значение четыре, что достигается описанным выше образом, причем при вращении фрикционных колес вариатора 4 и отключенной нагрузке - муфте 16, это действие может быть произведено за доли секунды. Контроль за передаточным отношением может производиться оператором по показателям особого прибора, регистрирующего передаточное отношение вариатора 4, например по числу оборотов электродвигателей 13, считываемому счетчиком оборотов, или положению передачи "винт-гайка" 12, определяющим передаточное отношение вариатора 4. После этих действий муфта 16 снова включается и производится дальнейший разгон транспортного средства уменьшением передаточного отношения вариатора 4 с четырех до необходимого для достижения нужной оператору скорости движения.
При уменьшении частоты вращения маховика 18 ниже допустимых значений, фиксируемых, например, любым тахометром (не показан), включается муфта 2, двигатель 1 запускается и начинает разгон маховика 18 как одновременно с движением транспортного средства, так и без него, например на остановках. Частота вращения вала двигателя 1 равна частоте вращения вала 3 и выходного вала редуктора 17, и находится эта частота в пределах оптимальных для двигателя 1 частот вращения по экономичности, что определяется типом двигателя и настройкой его топливной системы на оптимальный по экономичности режим работы.
Плановое (неэкстренное) торможение транспортного средства осуществляется с рекуперацией его кинетической энергии путем постепенного, определяемого оператором, повышения передаточного отношения вариатора 4, а затем, при необходимости, и переключения демультипликатора 29 на пониженную передачу и дальнейшего повышения передаточного отношения вариатора 4. Это производится в порядке, обратном тому, что описан выше для понижения передаточного отношения. При этом транспортное средство замедляется, а маховик 18 разгоняется, накапливая часть кинетической энергии транспортного средства. Аналогичными действиями можно рекуперировать потенциальную энергию транспортного средства на спусках.
Представленная на фиг.2, 3 и 4 схема отличается от описанной выше (фиг.1) тем, что к устройству по фиг.1 добавляется два узла - дифференциальный механизм 38 (обведен штриховой линией) для разделения потока мощности от двигателя 1, образующий вместе с вариатором 4 так называемый супервариатор, и дополнительный привод 40, который можно использовать для разгона маховика 18 накопителя. Привод 40 (обведен штриховой линией) состоит из муфты 41, соединенной с валом 34, и периодически соединяется с неподвижными в осевом направлении полумуфтами 42 и 43, первая из которых соединена со звеном привода, например звездочкой 44, сидящей на валу 34 с возможностью свободного вращения на нем, а вторая - с ведущими колесами 35 через карданную 36 и главную 37 передачи. Второе звено - звездочка 45, соединенное со звеном 44, например, цепью, закреплена на входном (тихоходном) валу редуктора 17.
Дифференциальный механизм 38 включает в себя планетарную передачу с неподвижным центральным внутренним колесом 46, центральное внешнее колесо 47, которой соединено с входным валом 3 вариатора 4, а водило 48 соединено с обоймой 49, несущей на себе зубчатый венец 50 с внутренним зацеплением, с возможностью осевого перемещения и с передачей крутящего момента. Обойма 49 соединена жестко в осевом направлении, но со свободным вращением с обоймой 51, несущей на себе зубчатый венец 52 также с внутренним зацеплением, и имеет возможность осевого перемещения вместе с ведомой обоймой 51 с помощью, например, вилки 53 вручную или сервоприводом. На фиг.2 представлено зацепление венца 52 с венцом 54, а венца 50 - с венцом 55, а на фиг.3 - зацепление венца 52 с венцом 55, а венца 50 - с венцом 56. Венцы 54 и 56 расположены на водиле 57 дифференциальной передачи, внешнее центральное колесо 58 которой соединено с выходным валом 15 вариатора 4, а венец 55 - на внутреннем центральном колесе 59 дифференциальной передачи. Обойма 51 связана с блоком 21 зубчатых колес, являющимся выходным звеном супервариатора, с передачей крутящего момента, но со свободным осевым перемещением. Таким образом, в положении обойм 51 и 49, изображенном на фиг.2, блок 21 (выходное звено супервариатора) соединен с водилом 57 дифференциальной передачи, а вал 3 - с внутренним центральным колесом 59 дифференциальной передачи. Такое соединение обеспечивает так называемый режим редукции супервариатора, когда передаточные отношения супервариатора имеют максимальные значения, например для одного из образцов от 2,67 до 1,3, соответственно, при передаточных отношениях вариатора 8 и 1,3. КПД при этом вариатора 4 - соответственно 0,75 и 0,95, а супервариатора - 0,9 и 0,94. При положении обойм 51 и 49, представленном на фиг.3, блок 21 соединен с внутренним центральным колесом 59 дифференциальной передачи, а вал 3 - с водилом 57. Такое соединение обеспечивает так называемый режим мультипликации супервариатора с минимальными значениями передаточных отношений, например для упомянутого образца - от 1,3 до 0,53, т.е. частота вращения растет по сравнению с частотой вращения не только выходного вала 15, но и входного вала 3 вариатора 4. Передаточное отношение вариатора 4 при этом не уменьшается, а растет - от 1,3 до 8, т.е. сателлиты 7 движутся радиально в сторону, противоположную той, что была в режиме редукции, а электродвигатели 13, соответственно, вращаются в противоположную сторону. КПД супервариатора в этом режиме меняется от 0,88 до 0,96 при прежнем КПД вариатора 4. Через вариатор 4 в этих режимах супервариатора протекает от 5 до 60% входящей мощности, что позволяет снизить габаритно-массовые показатели вариатора 4 и существенно увеличить его долговечность. Вышеописанные данные следуют как из теории вариаторов с замкнутой кинематической схемой (см., например, Пронин Б.А., Ревков Г.А. "Вариаторы", М.: Машиностроение, 1980 г., с.298-307), так и испытаний опытных образцов супервариатора. Кроме того, внешнее центральное колесо 58 снабжено зубчатым венцом 60, с которым при положении обойм 51 и 49 по фиг.4 венец 52 на обойме 51 входит в зацепление, соединяя, таким образом, блок 21 - выходное звено супервариатора - непосредственно с выходным валом 15 вариатора 4. Венец 50 соединяется при этом с венцом 54, но это соединение чисто вспомогательное, так как колесо 59 при этом свободно и дифференциальный механизм 38, имея лишнюю степень свободы, момента не передает.
Работа гибридного силового агрегата (фиг.2 и 3) начинается с разгона маховика 18 после длительной стоянки транспортного средства, когда маховик 18 остановился. Для схемы с супервариатором и специальным приводом разгона маховика 18 от выходного вала 34 супервариатора (фиг.2) разгон маховика 18 производится подключением его через редуктор 17, звездочки или в общем случае - звенья 45 и 44, включенную муфту 41 с полумуфтой 42 и разъединенные муфту 41 и полумуфту 43, вал 34, демультипликатор 29, сцепленные зубчатые колеса 24 и блок 21 с подключением муфты 26 к колесу 24 при работе супервариатора в режиме редукции с соединением блока зубчатых колес 21 с водилом 57, вала 3 с колесом 59, венца 52 с венцом 54, а венца 50 - с венцом 55, что достигается перемещением обойм 51 и 49 вилкой 53. Передаточные отношения супервариатора при этом максимальные, и при включенной муфте 2 и работающем двигателе 1, и вариаторе 4 с периферийным положением сателлитов 7, а также при включенном на понижающую передачу демультипликаторе 29 с соединением его муфты 28 вилкой 30 с неподвижным корпусом, и остановкой эпицикла 32. Водило 33 демультипликатора 29 при этом передает вращение от вала 25 с понижением частоты вращения, для данного образца примерно в 5 раз (понижающее передаточное отношение демультипликатора в схеме по фиг.2, 3 и 4), на вал 34. Маховик 18 при этом начинает разгоняться с минимальной частоты вращения, после чего передаточное отношение вариатора 4 понижается включением электродвигателей 13 в соответствующем направлении, для того, чтобы работающая передача "винт-гайка" 12 перемещала сателлиты 7, находящиеся в фрикционном контакте с фрикционными колесами 6 и 8 к центру, чтобы понижать передаточное отношение вариатора 4 с максимального - около 8 до минимального - 1,3 и, соответственно, супервариатора - от 2,67 до 1,3. Затем включается режим мультипликации супервариатора с соединением венцов 52 с 55, а 50 с 56, что производится вилкой 53 перемещением обойм 51 и 49 вправо, вручную или любым сервоприводом.
После этого включением электродвигателей 13 в обратном направлении и работой передачи "винт-гайка" 12 сателлиты 7 перемещаются на периферию, что повышает передаточное отношение вариатора 4 с минимального - 1,3 до максимального - 8, и, соответственно, понижением передаточного отношения супервариатора с 1,3 до 0,53. Маховик 18 при этом разгоняется до наивысшей частоты вращения при данном положении демультипликатора с понижением частоты вращения. Для дальнейшего разгона маховика 18 муфта 26 переводится в нейтральное (центральное) положение, а затем вариатор 4 переводится в положение минимального передаточного отношения 1,3 (что при вращающихся колесах 8 и сателлитах 7 можно осуществить за доли секунды), а демультипликатор 29 в положение прямой передачи, что достигается перемещением вилкой 30 муфты 28 вправо для соединения ее с полумуфтой, сидящей на валу 34, что блокирует водило 33 с эпициклом 32 и обеспечивает передаточное отношение демультипликатора, равное единице, то есть прямую передачу. Затем вариатор 4 опять переводится с нужной интенсивностью, определяемой возможностями двигателя 4 (его мощностью, крутящим моментом), в положение максимального передаточного отношения, что дополнительно повышает частоту вращения маховика 18 еще примерно в 5 раза. Разгон маховика закончен, и привод его разгона отключается перемещением муфты 41 в нейтральное положение. Если движение автомобиля не производится немедленно, то двигатель 1 останавливается и муфта 2 отключается. При разгоне маховика 18 непосредственно от скоростного электродвигателя без редуктора и вариатора 4 с дифференциальным механизмом 38 привод 40 не используется.
При использовании схемы с супервариатором (фиг.2, 3 и 4) процесс разгона транспортного средства в его наиболее полном виде, начиная с минимальной начальной скорости, производится следующим образом. Выходной блок 21 супервариатора, соединенный с обоймой 51, с помощью венцов 52 и 60, соединяется вилкой 53 непосредственно с выходным валом 15 вариатора 4, как изображено на фиг.4, и передаточное отношение привода от входного вала 3 до вала 34 максимально. Оно пропорционально произведению максимального понижающего передаточного отношения вариатора 4 (около 8) и демультипликатора (около 5); минимальное же передаточное отношение этого привода пропорционально произведению минимального понижающего передаточного отношения вариатора 4 (около 1,3) на повышающее передаточное отношение супервариатора (0,53), что соответствует 0,69, так как демультипликатор 29 находится на прямой передаче. Таким образом, скорость транспортного средства, например автобуса при трогании, составит лишь примерно 1/58 часть от максимальной скорости его движения, т.е. около 1 км/ч, что вполне приемлемо, учитывая, что максимальная разрешенная в городе скорость движения автобуса - 60 км/ч. Далее венцы 52 и 50 могут быть переведены в режим редукции супервариатора соединением их, соответственно, с венцами 54 и 55, как показано на фиг.2, причем перевод этот происходит безударно, так как все венцы как с внешним, так и с внутренним зацеплением вращаются с одинаковой частотой вращения, определяемой их одинаковым понижающим передаточным отношением от вала 3, - примерно 1,3. За счет диапазона изменения передаточных отношений супервариатора на этом режиме скорость движения транспортного средства может меняться примерно от 3 до 6,1 км/ч при весьма высоком КПД супервариатора - около 0,95. Дальнейшее повышение скорости транспортного средства достигается также безударным переводом венцов 52 и 50 на обоймах 51 и 49 с помощью вилки 53 в соединение, соответственно, с венцами 55 и 56, что представлено на фиг.3. На режиме мультипликации супервариатора, достигаемом при этом, скорость транспортного средства может быть повышена еще в 2,45 раз, т.е. составит 15 км/ч при КПД супервариатора в среднем 0,92. Для дальнейшего повышения скорости движения транспортного средства производится переводов демультипликатора 29 в положение прямой передачи, как это уже было описано выше для случая разгона маховика через супервариатор. После этого супервариатор опять переводится в режим редукции переключениями венцов, описанный выше, и в этом режиме скорость транспортного средства может быть повышена еще в 2,1 раза, т.е. до 31,5 км/ч. Затем описанным выше безударным переключением венцов супервариатора снова переводится в режим мультипликации и скорость транспортного средства может быть повышена еще в 2,45 раз, т.е. доведена до 77 км/ч, если автобус находится за городом, или ограничена 60 км/ч, если автобус находится в городе. При этом привод транспортного средства производится от маховика 18 через редуктор 17, муфту 16, вал 3, супервариатор с дополнительными зубчатыми передачами и демультипликатор 29. Сам маховик 18 подразгоняется двигателем 1, как это было описано выше. Следует заметить, что все переключения, не связанные с переключением демультипликатора, могут производиться безударно и без разрыва потока мощности за десятые доли секунды, так как частоты вращения переключаемых звеньев (венцов) совпадают. Сложность представляется только переключением венцов из режима мультипликации в режим редукции супервариатора при разгоне транспортного средства и обратно при замедлении, в том числе и рекуперативном режиме, когда демультипликатор переключается, соответственно, с понижающей передачи на прямую и обратно. При этом необходима синхронизация частот вращения венцов 52 и 50 с венцами, соответственно, 55 и 56, и 54 и 55, что достигается известными методами, используемыми в коробках передач автомобилей, например муфтами легкого включения, синхронизаторами и т.д., описанными в литературе по коробкам передач. Вторым вариантом упомянутого перевода супервариатора из одного режима в другой может быть описанный выше для случая разгона маховика 18 с помощью супервариатора, перевод вариатора 4 сперва в положение минимального передаточного отношения, когда частоты вращения всех переключаемых венцов совпадают, а затем обратно в положение максимального передаточного отношения при нейтрали в синхронизаторе 29.
Однако на оба варианта переключений требуется время, соизмеримое с переключением передачи в синхронизаторе коробки передач автомобиля, т.е. от 1 до 2 секунд. При этом скорость движения транспортного средства может изменяться, особенно на подъемах и спусках, повышенных дорожных сопротивлениях и пр. Для предотвращения разрыва потока мощности от вала 3 на главную передачу 37 в этих случаях можно использовать привод 40, описанный выше для случая разгона маховика 18. Для этого необходимо выполнение его с передаточным отношением, равным передаточному отношению привода от вала 3 до вала 34, т.е. от входного до выходного валов всего привода в конце режима мультипликации супервариатора, когда частота вращения вала 25 максимальна, непосредственно перед переключением демультипликатора 29 на прямую передачу. Такое же передаточное отношение имеет этот привод при замедлении машины в начале режима редукции супервариатора, но при прямой передаче в демультипликаторе 29, когда для дальнейшего понижения скорости транспортного средства необходим перевод демультипликатора 29 на пониженную передачу с переводом супервариатора в конец режима мультипликации. При необходимости переключения демультипликатора 29 и обязательного при этом переключения режимов супервариатора, например в приведенном выше примере на скорости 15 км/ч, к муфте 41 подключаются полумуфты 42 и 43, и маховик 18 через редуктор 17 и передачу 40 подключается к главной передаче 37 и ведущим колесам 35 вторым потоком, кроме основного - через муфту 16, супервариатор, зубчатые передачи и демультипликатор 29, но с тем же передаточным отношением. После переключения демультипликатора 29 и режимов супервариатора передаточное отношение всего привода от входного вала 3 до выходного вала 34 остается тем же. После проведения процесса переключения демультипликатора 29 и режимов супервариатора привод 40 отключается переводом полумуфты 42 в состояние, отключенное от муфты 41, с которой полумуфта 43 остается в соединенном положении.
Процесс рекуперативного торможения транспортного средства, например автобуса, осуществляется в порядке, обратном описанному для разгона, с той разницей, что в большинстве случаев рекуперативное торможение или замедление только на режимах работы супервариатора, без подключения вариатора 4 к выходному валу 34 всего привода в обход супервариатора, как при трогании транспортного средства с места при минимальной скорости. Это обусловлено тем, что при уменьшении скорости транспортного средства примерно в 25 раз за счет изменения передаточных отношений супервариатора и демультипликатора 29, в транспортном средстве остаются лишь тысячные доли начальной кинетической энергии, и сохранять их нецелесообразно. Более того, в ряде случаев целесообразно осуществлять рекуперативное замедление только на режиме прямой передачи в демультипликаторе 29 без его переключения. Тогда в транспортном средстве, снизившем свою скорость примерно в 5 раз, остается только 4% первоначальной кинетической энергии, и рекуперировать ее малоэффективно. Торможение машины до остановки после процесса рекуперативного замедления осуществляется, как и при экстренном торможении, штатными тормозами при отключенном приводе, хотя бы расцеплением муфты 16, а, возможно, и 2, в случае неработающего двигателя 1.
На фиг.5 представлена схема гибридного силового агрегата транспортного средства с электромеханическим типом привода, тремя типами первичных источников энергии - тепловым двигателем и электрохимическим источником (например, топливными элементами), электросетью (например, контактными проводами) и накопителем энергии, способным и накоплять и выделять энергию, как в виде механической, так и в виде электрической.
Первым рассматривается случай, когда гибридный силовой агрегат включает, как и в схеме по фиг.2, в качестве первичного источника энергии тепловой двигатель 1, соединенный с входным валом 3 механического бесступенчатого привода сцепной муфтой 2, а выходной вал 34 соответственно кинематически соединен с ведущими колесами 35. Бесступенчатый механический привод имеет такое же устройство, тот же принцип и ту же последовательность работы, что и по фиг.1, фиг.2, фиг.3 и фиг.4 с той разницей, что убран привод 40 разгона маховика 18 от вала 34 и привод от вала 3 до маховика 18 в корпусе 19 осуществляется с помощью редуктора 17, установленного в данном случае между электродвигателем 63 и валом 3, как непосредственно с помощью периодически включаемой сцепной муфты 61, так и через электропривод, состоящий из двух обратимых электромашин (мотор-генераторов) 62 и 63, роторы которых соединены с, соответственно, валом маховика 18 и с помощью редуктора 17 входным валом 3. Электромашины 62 и 63, например, синхронные с ротором на постоянных магнитах, соединены обмотками статоров через блок преобразователей 64 как друг с другом, так и с другим первичным источником энергии - электрохимическим генератором 65. Блок преобразователей 64, включающий инверторы с элементом постоянного тока, преобразует по желанию оператора частоту тока между электромашинами 62 и 63 для изменения частот вращения вала маховика 18 и входного вала 3, к чему, собственно, и сводится управление гибридным силовым агрегатом. При выполнении накопителя энергии 66 в виде чисто электрического, например конденсатора (ионистора) или электрохимического аккумулятора, блок преобразователей 64 преобразует электроэнергию, поступающую от электромашины 63, в форму, удобную для накопителя энергии 66.
Рассмотрим теперь случай, когда первичным источником энергии является источник электрической энергии, например электрохимический источник (топливный элемент) 65 или электросеть 67, с которой электроэнергия попадает на транспортное средство через токосъемник 68. Ток с соответствующими параметрами поступает от этих источников в преобразователь 64, а оттуда, например, в виде переменного тока соответствующей частоты в электромашину 62, разгоняя маховик 18. При питании транспортного средства от внешней электросети 66 ток попадает в преобразователь 64 через токосъемник 68, а от преобразователя 64 ток соответствующих параметров идет в электромашину 63 для движения транспортного средства. При потребности в небольшой мощности, необходимой для движения транспортного средства, ток от источника 65 через преобразователь 64 подается частично или полностью в электромашину 63 для движения транспортного средства. При необходимости энергия для движения транспортного средства может поступать и от двигателя 1 через муфту 2 и редуктор 17 на вал 3, а также через вал 3 и включенную муфту 61 на маховик 18 для его разгона и для запуска двигателя 1 от маховика 18. Через включенную муфту 61 вращение от маховика 18 через редуктор 17 может поступать на вал 3 и на механический бесступенчатый привод для движения и рекуперативного торможения транспортного средства. Электромашины 62 и 63 при этом либо отключены друг от друга, либо работают параллельно механической бесступенчатой передаче, помогая ей. Источник 65 питает электромашину 62 и передает энергию в маховик 18 независимо от использования механического или электрического приводов, в зависимости от необходимости подачи энергии в маховик. Накопитель энергии в виде маховика 18, на вал которого посажен ротор электромашины 62 и муфта 61, может быть без изменения остальной части гибридного силового агрегата заменен на любой другой накопитель электрической энергии 66, например конденсатор или электрохимический аккумулятор. При этом все функции накопителя сохраняются - энергия поступает в него в виде электрической, зарядка накопителя осуществляется как от источника 65, так и от электромашины 63, ротор которой вращается валом 3 через муфту 2 от двигателя 1 через преобразователь 64. Энергия для движения машины поступает от накопителя 66 (конденсатора, электроаккумулятора и пр.) через преобразователь 64 в электромашину 63, которая вращает ротор и через редуктор 17 вал 3 от этой энергии.
В связи с тем, что в гибридном силовом агрегате по фиг.5 может быть использован механический бесступенчатый привод как с вариатором по фиг.1, так и с супервариатором по фиг.2, как с демультипликатором 29, так и без него, как с реверсом и нейтралью, так и без них, механический привод 69 от муфты 2 и входного вала 3 до выходного вала 34 представлен без расшифровки - в виде закрытого корпуса. Привод разгона маховика 18 от вала 34, как было упомянуто выше, устранен за ненадобностью при имеющемся электроприводе для этой функции. Муфта 16 переменила место своего расположения - она помещена между электромашиной 63, ротор которой через редуктор 17 соединен с валом 3, и электромашиной 62, ротор которой соединен с маховиком 18, и поэтому нумерация ее заменена с 16 (фиг.1 и 2) на 61, хотя функция ее практически не изменилась - она соединяет вал 3 и маховик 18 через редуктор 17. Герметичное уплотнение 20 корпуса 19 маховика 18 оставлено, так как электромашина 62 может помещаться в среду вращения маховика 18 (например, гелий), отличную от атмосферной.
При использовании гибридного силового агрегата по схеме фиг.5 его возможности увеличиваются, но увеличивается и сложность при некотором падении КПД из-за дополнительных потерь в электромашинах 62 и 63, а также в преобразователе 64. При включенной муфте 61 и выключенных электромашинах 62 и 63 схема и работа устройства ничем не отличается от описанных выше по фиг.1, фиг.2, фиг.3 и фиг.4.
При необходимости использования второго первичного источника энергии, например электрохимического 65 (например, топливных элементов), источник 65 подключается через преобразователь 64 (например, постоянного тока в переменный регулируемой частоты) к электромашине 63, вращающей вал 3 через редуктор 17. Далее процесс движения машины ведется так же, как и в случае вращения вала 3 от маховика 18 или двигателя 1, с той разницей, что частоту вращения электромашины 63 можно регулировать преобразователем 64. Это дает возможность повысить диапазон изменения скорости машины по сравнению с предыдущим, например, для повышения максимальной скорости движения, что позволит использовать гибридный силовой агрегат не только на городских транспортных средствах, но и на других машинах, где скорость движения выше. Подключение электромашины 62 к источнику 65 через преобразователь 64 позволяет производить разгон маховика 18 непосредственно от источника 65. В случае, если это топливные элементы, то КПД их выше, чем у двигателя 1, и эффективность привода машины от маховика 18 увеличивается. Топливные элементы обычно имеют низкую удельную мощность, поэтому энергию от них целесообразно переводить в маховик 18 или в накопитель 66 на невысоких мощностях работы электромашины 62, а затем использовать накопленную в маховике 18 энергию при работе электромашины 62 на высокой мощности с передачей энергии электромашине 63 и далее на вал 3 для движения машины. Особенно эффективно с точки зрения КПД накопление энергии в маховике 18 от топливных элементов 65 при небольшой мощности, а затем отдача ее при максимальных мощностях машине (например, для экстренного разгона) посредством включения муфты 61 и работы только механической части бесступенчатого привода (как по схемам фиг.1, фиг.2, фиг.3 и фиг.4).
При использовании в качестве первичного источника энергии сети 67 энергия подается через токосъемник 64, а далее - в электромашину 63, и через механический привод 69 на ведущие колеса 35.
Рекуперативное торможение машины можно производить как с включением электромашин 63 и 62, например при замедлении автомобиля с высоких скоростей движения, недоступных для данного механического привода (свыше 70 км/ч), так и чисто механическим путем при включении муфты 61 и отключении электромашин 62 и 63, что экономичнее. Использование двигателя 1 может производиться посредством тех же действий, что и описанных выше для схем фиг.1, фиг.2, фиг.3 и фиг.4. Кроме того, рекуперативное торможение при включенной электромашине 63 может производиться с накоплением энергии как в маховике 18 с разгоном его от электромашины 62, питаемой от электромашины 63 через преобразователь 64, так и с накоплением энергии в накопителе 66, например конденсаторах или электрохимических аккумуляторах, с преобразованием электроэнергии, выработанной электромашиной 63, ротор которой через редуктор 17 кинематически связан с входным валом 3, в преобразователе 64 (например, преобразующем переменный ток, выработанный электромашиной 62 в постоянный для зарядки накопителя 66).
Описанное изобретение позволяет получить высокий экономический и экологический эффект, в первую очередь, на машинах городского общественного транспорта.