Электромеханическая трансмиссия фронтального погрузчика

Полезная модель относится к электрической силовой передаче, а более конкретно к бесступенчатой электромеханической трансмиссии для колесного фронтального погрузчика грузоподъемностью от 3000 до 4000 кг, выполненного по схеме последовательного гибрида с индивидуальным приводом колес.
Электромеханическая трансмиссия в общем случае включает: двигатель внутреннего сгорания (ДВС), коробку отбора мощности (КОМ), мотор-генератор (МГ), тяговый электродвигатель/двигатели (ТЭД), механическую передачу (МП) в виде редукторов или мостов, связанных с движителями, соединительные силовые кабели, систему электроуправления, гидравлическую систему для привода систему рулевого управления и технологического оборудования.
Известна конструкция гибридного фронтального погрузчика (патент US9038759B2 «Hybrid work vehicle»), в которой двигатель внутреннего сгорания связан с генератором, который через силовые преобразователи связан с тяговыми электродвигателями (ТЭД). Каждый ТЭД связан с входным валом ведущего моста. Между собой ТЭД соединены карданным валом. Недостатком такой схемы является жесткая кинематическая связь передней и задней осей погрузчика, что приводит к увеличению сопротивления при криволинейном движении и повышению износа шин.
Известна конструкция транспортного средства с электромеханической трансмиссией (RU 201828 U1 «Транспортное средство с автоматической без перерыва мощности электромеханической трансмиссией (ЭМТ) с центральным приводом»), в котором тяговый асинхронный электродвигатель соединен через согласующий двухдиапазонный редуктор с ведущим мостом транспортного средства. Недостатком такой схемы является наличие двух механических агрегатов в трансмиссии, один из которых является двухступенчатым, что приводит к усложнению механической части трансмиссии, снижению ее КПД и необходимости применения механизма переключения передач.
Наиболее близкой является электромеханическая трансмиссия фронтального погрузчика (патент JP 2009511787 «Work machine»), выполненного по схеме последовательного гибрида. Генератор механически связан с двигателем внутреннего сгорания, электрическая энергия, вырабатываемая генератором, передается на электрические машины, которые используются для привода насосов гидравлической системы и ведущих колес. Для привода каждого насоса гидравлической системы используется независимая электрическая машина. Для привода четырех ведущих колес используются четыре ТЭД. При этом для увеличения скоростного диапазона после каждого ТЭД установлена ступенчатая коробка передач. Недостатком такой схемы является усложнение механической части трансмиссии, а также необходимость применения механизмов переключения в каждой из коробок передач, связанных с ведущими колесами.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является увеличение КПД электромеханической трансмиссии фронтального погрузчика.
Технический результат достигается тем, что электромеханическая трансмиссия гибридного фронтального погрузчика грузоподъемностью от 3000 до 4000 кг выполнена по схеме последовательного гибрида с индивидуальным приводом колес и включает генератор (связанный с двигателем внутреннего сгорания), силовой преобразователь, накопитель электрической энергии, шину постоянного тока, контроллеры верхнего уровня для управления всеми электрическими машинами, четыре тяговых электродвигателя постоянного тока с силовыми преобразователями, при этом каждый тяговый электродвигатель связан с ведущим колесом через двухрядный планетарный мотор-редуктор с фиксированным передаточным числом. Привод насосов гидравлической системы осуществляется электродвигателем, питание которого происходит от шины постоянного тока, за счет энергии вырабатываемой генератором или запасенной в бортовом накопителе электрической энергии. Максимальная частота вращения тягового электродвигателя (не более 4000 об/мин) и диапазон по крутящему моменту (от 2 до 3) обеспечивают требуемую тягово-скоростную характеристику фронтального погрузчика (удельная тяга 0,45, максимальная скорость 40 км/ч) с одним фиксированным передаточным числом в диапазоне от 20 до 30, что позволяет использовать в редукторе не более двух планетарных рядов. Максимальная скорость 40 км/ч необходима фронтальному погрузчику для транспортирования своим ходом на короткие расстояния к месту работы. Удельная тяга 0,45 в длительном режиме требуется погрузчику для выполнения как погрузочно-разгрузочных работ с сыпучими материалами, так и для возможности выполнения бульдозерных работ. При этом на пиковом режиме работы тяговых электродвигателей удельная тяга погрузчика может кратковременно повышаться до значения 1,1. Для обеспечения удельной силы тяги 0,45 в длительном режиме мощность каждого из четырех ТЭД сопоставима с мощностью одного ДВС. При этом требуемая мощность ДВС за счет использования в конструкции накопителя электрической энергии составляет 85 кВт, что на 15-20% меньше, чем у аналогов с традиционной (гидромеханической) схемой трансмиссии.
На фиг. 1 схематично показана электромеханическая трансмиссия гибридного фронтального погрузчика.
Электромеханическая трансмиссия гибридного фронтального погрузчика выполнена по последовательной схеме и включает генератор 2 (связанный с двигателем внутреннего сгорания 1) с силовым преобразователем 3, силовой преобразователь 6 и электродвигатель 5 для привода насосов гидравлической системы 4, бортовой накопитель электрической энергии 7, шину постоянного тока 8, четыре тяговых электродвигателя 10 с силовыми преобразователями 9, при этом каждый тяговый электродвигатель связан с ведущими колесами 12 через двухрядные планетарные мотор-редукторы 11 с фиксированным передаточным отношением.
Электромеханическая трансмиссия гибридного фронтального погрузчика работает следующим образом.
Энергия, получаемая в результате сгорания топлива, преобразуется в механическую энергию вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Выходной вал двигателя внутреннего сгорания 1 соединен с генератором 2, в котором механическая энергия вращения ротора преобразуется в электрическую энергию. Электрическая энергия, вырабатываемая генератором, через силовой преобразователь 3 передается в шину постоянного тока 8, соединяющую преобразователь 3 с бортовым накопителем электрической энергии 7, силовым преобразователем 6 электродвигателя 5 для привода насосов гидравлической системы 4 (которая используется для привода рулевой системы и технологического оборудования) и силовыми преобразователями 9 тяговых электродвигателей 10. Силовой преобразователь генератора (выпрямитель) служит для эффективного преобразования механической энергии в электрическую, управления уровнем вырабатываемой мощности и напряжением на шине постоянного тока. Силовой преобразователь тягового двигателя (инвертор) служит для задания тока в обмотках электромашины, обеспечивая гибкость управления развиваемым крутящим моментом, эффективную работу в двигательном, реверсивном и генераторном режимах. В зависимости от направления потока мощности питание тяговых электродвигателей 10 может обеспечиваться за счет энергии, вырабатываемой генератором 2 и запасенной в бортовом накопителе электрической энергии 7, как одновременно, так и по отдельности. Электрическая энергия, питающая тяговые электродвигатели, преобразуется в механическую энергию вращения вала ротора, обеспечивающую привод ведущих колес 12 посредством колесных редукторов 11. Тяговый электродвигатель является обратимой электрической машиной, вследствие чего часть кинетической энергии погрузчика может быть запасена в бортовом накопителе электрической энергии при торможении. Управление всеми электрическими машинами осуществляется с помощью контроллеров верхнего уровня (КВУ) 13.
Отсутствие кинематической связи ДВС с ведущими колесами позволяет обеспечить его работу на постоянной частоте вращения, соответствующей минимальному удельному расходу топлива. Изменение мощности происходит за счет регулирования степени использования ДВС и генератора, регулирование осуществляется на основе сигналов контроллера верхнего уровня. Накопитель электрической энергии 7 позволяет использовать энергетическую установку в наиболее эффективном режиме как по угловой скорости, так и по степени использования. Когда погрузчику требуется дополнительная мощность (например, при выполнении бульдозерных работ) она потребляется из накопителя. В случае малой потребляемой мощности ТЭД (стоянки и движение в легких дорожных условиях) избыток электрической энергии, вырабатываемой генератором, восстанавливает заряд накопителя. Конструктивно модуль накопителя представляет собой батарею, состоящую из последовательно соединенных ламинированных суперконденсаторов (ЛСК). Выравнивание напряжения на элементах в составе батареи осуществляется системой балансировки, встроенной в модуль. Суперконденсаторная батарея установлена в алюминиевый корпус, от которого отделена электроизоляционным материалом. Применена жидкостная система охлаждения ТЭД и силовых преобразователей. Выходной вал каждого ТЭД соединен с одноступенчатым планетарным двухрядным мотор-редуктором 11, от которого крутящий момент передается на ведущее колесо 12. Модуль мотор-редуктора включает в себя рабочую и стояночную тормозную системы. Торможение осуществляется при помощи гидравлического воздействия на пакет фрикционов, установленный в корпусе мотор-редуктора. Рабочий цикл погрузчика предполагает частые смены направления движения, которые сопровождаются разгонами и торможениями. Использование дополнительной мощности накопителя электрической энергии позволяет повысить динамику разгона и тем самым увеличить производительность работы. Рекуперативное торможение с помощью тяговых электродвигателей позволит сократить износ рабочей тормозной системы и зарядить накопитель.