СИСТЕМА С МОТОР-РЕДУКТОРОМ ДЛЯ ДВУХКОЛЕСНЫХ ИЛИ ТРЕХКОЛЕСНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ, УСТАНАВЛИВАЕМАЯ СООСНО С КАРЕТКОЙ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА, И ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО С ТАКОЙ СИСТЕМОЙ
SYSTEM WITH MOTOR-REDUCER FOR TWO-WHEEL OR THREE-WHEELED VEHICLES INSTALLED COAXIALLY WITH VEHICLE CARRIAGE, AND VEHICLE WITH SUCH SYSTEM

Область техники
Изобретение относится к электрической двигательной установке для двухколесных или трехколесных транспортных средств, в частности велосипедов или трициклов.
Уровень техники
Обычно электродвигатели для электровелосипедов устанавливаются в ступице колеса (т.н. «ступичные моторы» или «безредукторные ступичные моторы» или «мотор-колеса») для использования пространства, которое зачастую не используется, с учетом объема, требуемого для этих электродвигателей.
С годами возможности развития подобных электродвигателей оказались исчерпаны. Обычно бесщеточные электродвигатели с внешним ротором и магнитами, закрепленными непосредственно на ступице колеса, и без ступенчатой редукции для создания необходимого крутящего момента потребляют большое количество электроэнергии. Кроме того, недостаточный крутящий момент не позволял велосипедам преодолевать крутые подъемы (например, с уклоном свыше 20%).
Через некоторое время для решения этой проблемы были предложены бесщеточные электродвигатели, у которых соединение со ступицей колеса перестало быть непосредственным, а движение редуцировалось за счет использования ступеней планетарной передачи (например, как в ЕР 2308436 А1). Такие ступени планетарной передачи располагались соосно активной части электродвигателя по его бокам. Это позволило уменьшить размеры и массу (а, следовательно, себестоимость) по сравнению с электродвигателями без редукторных ступеней за счет того, что электродвигатели могли вращаться с более высокой скоростью (например, 1000-2000 оборотов в минуту) и требовали меньшего крутящего момента на валу привода при той же выходной мощности и, как результат, более слабых токов в обмотке статора.
Такая компоновка электродвигателя, устанавливаемого на ступицу, с одной или двумя ступенями планетарного редуктора обычно называется «ступичной планетарным редуктором» и имеет ряд недостатков. Первый недостаток заключается в том, что совокупный объем ступеней планетарного редуктора забирает драгоценное пространство у активной части электродвигателя, т.е. используемой для выработки энергии (статора, ротора, обмотки). Второй недостаток заключается в том, что при редукции трансмиссии используется один постоянный коэффициент редукции, а, следовательно, электродвигателю приходится работать в широком диапазоне скоростей вращения (например, от 0 до 2000 оборотов в минуту), большую часть времени значительно отклоняясь от условий, обеспечивающих максимальный КПД.
Осевой размер задней ступицы велосипеда ограничен (в большинстве случаев, не превышая 150 мм). Конструкция с электродвигателем и планетарными рядами позволяет разделить ограниченный объем между кольцевыми зубчатыми колесами, планетарными рядами и активной частью электродвигателя (статором, обмоткой, ротором). Также необходимо учитывать, что планетарная система, используемая в такой конструкции, вследствие ограниченного объема имеет ограничение по коэффициенту максимальной редукции, который в каждой ступени обычно колеблется от 3:1 до 5:1.
Совокупность указанных особенностей такой системы, даже после ее усовершенствования, по-прежнему не позволяет в полной мере использовать весь потенциал электродвигателя. Действительно, оптимальным соотношением вес/мощность, объем/мощность электродвигатель обладает при скорости вращения от 2000 до 4000 об/мин, что не способны обеспечить указанные системы. Поскольку обычно на максимальной скорости заднее колесо электровелосипеда вращается со скоростью от 60 до 300 об/мин, требуемый коэффициент редукции должен находиться в диапазоне от 6:1 до 66:1. Такие коэффициенты трудно достичь посредством одного или нескольких планетарных рядов вследствие ограниченного объема задней колесной ступицы велосипеда и требуемого крутящего момента.
Для устранения указанного недостатка созданы системы с «кареткой», в которых электродвигатель устанавливается не на колесной втулке, а непосредственно вблизи от каретки велосипеда, передавая крутящий момент посредством зубчатой или цепной передачи на звездочки, с которыми сцепляется велосипедная цепь.
Преимущество такой компоновки (называемой «средний привод» или «кривошипный привод») заключается в том, что она позволяет электродвигателю вращаться со скоростью, близкой к оптимальной (2000-4000 об/мин), и использовать последующую редукторную ступень цепной передачи (непосредственно самого велосипеда, состоящую из одной или нескольких ведущих звездочек, цепной трансмиссии и одной или нескольких ведомых звездочек на ступице заднего колеса, которая в дальнейшем будет называться «вспомогательной трансмиссией» 302), что позволяет поддерживать режим работы электродвигателя в диапазоне скоростей, обеспечивающих максимальный КПД.
Эти преимущества позволяют получить более компактные электродвигатели с меньшим потреблением тока, а, следовательно, с увеличенным пробегом при одном и том же аккумуляторе (например, ЕР 2615023 A1, WO 2008120311 A1, WO 00/43259).
Несмотря на это, компоновка «со средним приводом» имеет ряд недостатков; повышенная сложность по сравнению с моторами, расположенными на втулке, а также объем и вес из-за наличия основной трансмиссии (которая передает движение от электромотора на каретку велосипеда), вынуждают вести поиск новых решений для расположения моторно-трансмиссионного узла.
Лучшие известные решения направлены на поиск компромисса между необходимостью достижения минимального объема (обеспечивающего повседневное использования велосипеда) и высоким крутящим моментом, передаваемым на колеса (что требует использования моторов или основной трансмиссии большего размера), не забывая при этом о снижении себестоимости.
Устройства по ЕР 2615023 и др. (например, DE 102011089559) направлены на получение высокого коэффициента основной редукции для получения большого крутящего момента в ущерб объему. Таким образом, если смириться с громоздкостью крупных велосипедов, которая заметно увеличивается, преимущество заключается в получении системы на электрической тяге, обеспечивающей высокий крутящий момент и большой КПД. Некоторые из таких систем имеют еще одно ограничение по их применению, так как для них требуется велосипед с рамой, которая специально предназначена для установки устройств, описанных в заявке WO 00/43259. Если раньше мотор можно было установить на ступицу заднего колеса любого стандартного велосипеда, превратив его в электровелосипед, то теперь переоборудование существующих велосипедов посредством таких систем становится невозможным.
Другие системы (например, ЕР 2463189 А1 и ЕР 1144242 А1) направлены на уменьшение размеров за счет размещения мотора соосно каретке между педалями велосипеда. Это позволяет избежать чрезмерного увеличения веса, однако при этом накладывает ограничения на осевой размер моторного узла, аналогично системам с мотор-колесом, рассмотренным выше. Такие системы должны иметь ограниченные осевые и радиальные размеры (например, в осевом направлении менее 100 мм, в радиальном - менее 200 мм), что не позволяет получить большие коэффициенты редукции (педальный мотор - кольцевая шестерня) из-за недостатка объема, требующегося для подходящих планетарных рядов, а, следовательно, исключает передачу высокого крутящего момента на колеса. По этой причине некоторые производители предлагают одни конструкции, известные под названием «планетарный средний привод», в которых ограничение объема мотора скомпенсировано ступенями планетарного редуктора (US 6296072), и другие конструкции с максимально увеличенными размерами мотора, исключающие использование основной редукции и/или использующие осевую компоновку (ЕР 2562071 А1) без редукторных ступеней, аналогичных тем, которые являются объектом изобретения.
При объединении преимуществ соосного расположения мотора с несколькими рядами планетарного редуктора (как, например, в ЕР 2463189 и US 6296072), максимальная мощность будет ограничена размерами активных элементов мотора (диаметром ротора, осевой длиной пакета статора, объемом катушек обмотки), которые должны использоваться параллельно с планетарными рядами, и максимально допустимым крутящим моментом зубчатых колес с ограниченными осевыми размерами.
Максимальная мощность большинства моторов, рассмотренных выше, ограничена 250 Вт. Ограничение максимальной мощности никогда не являлось проблемой, поскольку законодательством большинства европейских стран запрещено использование электровелосипедов большей мощности. По мере повышения интереса к электровелосипедам в странах, где законодательством установлены более высокие нормативы по мощности электровелосипедов (например, в США, где максимально разрешенная мощность электровелосипедов установлена в 750 Вт), и ввиду того, что европейским законодательством разрешены продажи электровелосипедов повышенной мощности, не предназначенных для использования на дорогах общего пользования, ограничения по максимальной мощности становятся все более ощутимыми.
Кроме того, некоторые из вышеуказанных систем способны кратковременно развивать мощность свыше 250 Вт (например, 1000 Вт), однако это крайне негативно влияет на КПД, а, следовательно, на запас хода.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения заключается в создании системы привода, способной обеспечить высокий уровень КПД мотора в различных ситуациях (например, свыше 80% при движении с умеренной скоростью по ровной поверхности, при движении с умеренной скоростью на крутом подъеме, при движении с высокой скоростью по ровной поверхности, при движении с высокой скоростью по крутым склонам), с использованием центральной системы транспортного средства (обычно именуемой «средний привод») для увеличения запаса хода транспортного средства.
Другой задачей изобретения является создание системы привода, способной обеспечить для электрического транспортного средства крутящий момент на валу, необходимый для преодоления крутых подъемов (например, с уклоном свыше 30%) за счет высокого коэффициента основной редукции.
Другая задача изобретения заключается в создании системы привода, способной обеспечить максимальное отношение крутящий момент/объем за счет уменьшения размеров основной трансмиссии.
Другая задача изобретения заключается в придании указанных преимуществ существующим транспортным средствам, не оснащенным электрической тягой.
Все указанные задачи и преимущества достигаются посредством создания системы с мотор-редуктором для двухколесных или трехколесных транспортных средств (например, электровелосипедов, электроскутеров, трициклов), которая соосно устанавливается непосредственно на каретке этого транспортного средства и выполнена в соответствии с формулой изобретения.
Эти и другие особенности изобретения станут более понятны из дальнейшего описания вариантов его осуществления со ссылками на чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 схематично показана система, установленная на стандартную раму двухколесного транспортного средства, в частности, велосипеда, согласно первому варианту осуществления изобретения;
на фиг. 2, 3, 4 и 6 показаны конструктивные элементы системы, показанной на фиг. 1;
на фиг. 5 схематично показана система согласно второму варианту осуществления изобретения;
на фиг. 7 - конструктивное выполнение системы, установленной на каретке, вид сверху в разрезе;
на фиг. 8 показано конструктивное выполнение приспособления для однонаправленной передачи движения, например, дополнительного соединения или муфты свободного хода;
на фиг. 9 - конструктивное выполнение системы, установленной на каретке, вид в аксонометрии;
на фиг. 10 показан предполагаемый объем, в котором полностью или частично располагается по меньшей мере одно зубчатое колесо редуктора;
на фиг. 11 показана система согласно изобретению в разобранном виде;
на фиг. 12 - система согласно изобретению, установленная снаружи каретки;
на фиг. 13 показана диаграмма сравнения производительности известных систем и системы согласно изобретению.
Варианты осуществления изобретения
Перед подробным описанием изобретения необходимо сделать несколько предварительных замечаний.
Для увеличения мощности электродвигателя (крутящий момент × скорость) необходимо увеличить его крутящий момент и/или скорость. Крутящий момент экспоненциально зависит от диаметра ротора, и в оптимальном диапазоне скоростей от 2000 до 3000 об/мин показатель степени составляет около 2,5. За пределами этого диапазона происходят постоянные потери из-за гистерезиса в пластине (пропорционально частоте возбуждения обмотки), что приводит к увеличению температуры электродвигателя, увеличению сопротивления медной проволоки обмотки и быстрому снижению КПД электродвигателя.
Для получения максимального крутящего момента электродвигателя при той же длине пакета статора необходимо иметь ротор максимального размера. Создаваемый бесщеточным электродвигателем крутящий момент фактически экспоненциально зависит от диаметра ротора, в частности из-за увеличения плеча силы электромагнитного взаимодействия и увеличение площади поверхности, доступной для размещения магнитов. Однако увеличение размера ротора противоречит требованию по ограничению размеров.
Для оптимизации соотношения крутящий моментом/объем в системе согласно изобретению используются бесщеточные электродвигатели с внешним ротором или, как вариант, бесщеточные электродвигатели с «осевым потоком».
В электродвигателе первого типа ротор расположен снаружи статора, чтобы при тех же радиальных и осевых размерах они могли создавать увеличенный (в 2-4 раза) крутящий момент.
В электродвигателе второго типа ротор состоит из плоского диска, расположенного соосно статору, при этом на таком диске установлены плоские магниты в форме круговых секторов (ЕР 2562071 А1).
Электродвигатель с осевым потоком назван так потому, что в отличие от электродвигателя с внешним ротором, в котором магнитный поток от статора протекает перпендикулярно валу электродвигателя, в электродвигателях с осевым потоком этот поток следует параллельно валу электродвигателя.
Оба типа электродвигателей позволяют использовать ротор, размер которого больше внутреннего диаметра статора, а, следовательно, оптимизировать соотношение между крутящим моментом и объемом.
Для упрощения понимания, изобретение будет рассмотрено только на примере электродвигателя с радиальным потоком (с внешним ротором), который имеет более сложную конструкцию.
Тем не менее, изобретение включает в себя версию с осевым потоком. Иными словами, при последующем упоминании «внешнего» электродвигателя подразумеваются электродвигатели обоих типов (как с радиальным потоком, так и с осевым потоком), т.е. двигатели, в которых максимальный диаметр ротора, несущего постоянные магниты, больше максимального диаметра максимальной полости статора.
В данном электромоторе крутящий момент линейно зависит от потребляемого тока, таким образом, в изобретении обеспечивается увеличенный крутящий момент при более низком токе, потребляемом от аккумулятора. Меньший ток обеспечивает высокий КПД, поскольку потери на сопротивление в обмотке снижаются (пропорционально квадрату силы тока, согласно закону Джоуля).
Используемые в дальнейшем термины «удельная мощность» и «удельный момент» обозначает отношение мощности к единице объема и отношение крутящего момента к единице объема, соответственно Изобретение объединяет преимущества конструкции «внешних» электромоторов с очень компактной основной редукторной системой, которая будет описана далее.
Первый вариант осуществления изобретения
На фиг. 1-4 показан первый вариант выполнения системы с мотор-редуктором для двухколесных или трехколесных электрических транспортных средств.
Следует отметить, что в обоих вариантах выполнения используется одна и та же концепция мотора, установленного на каретке и, следовательно, снаружи рамы на валу шатуна. Даже если втулка 19, 119 вставлена внутрь цилиндрического пространства стандартной велосипедной рамы 1, 101, приспособленного для размещения в нем каретки, мотор и редуктор расположены сбоку от рамы.
В частности, электрическая система с мотор-редуктором для двухколесных или трехколесных транспортных средств содержит мотор-редуктор с электродвигателем «внешнего» типа, в котором ротор расположен снаружи статора, и планетарный редуктор, установленный внутри полости статора.
Система устанавливается на стандартную велосипедную раму соосно каретке так, чтобы оси вращения электродвигателя, редуктора и шатуна совпадали.
Известно, что планетарный редуктор представляет собой механизм, способный простыми средствами изменять соотношение скоростей вращения между входным и выходным валами.
Солнечная шестерня, водило и коронная шестерня с внутренними зубьями передают движение посредством установленных на водиле сателлитов, вращающихся с неизменным межосевым расстоянием.
Система согласно первому варианту осуществления изобретения содержит мотор-редуктор, включающий в себя электродвигатель «внешнего» типа, в котором ротор, образованный элементами 124, 150 и 114 находится снаружи статора 112, и планетарный редуктор, установленный в полости статора 112.
Статор 112 неподвижно закреплен на раме 101 транспортного средства и состоит из множества пластин соответствующей формы для размещения на них нескольких обмоток 121.
Раму 101 и мотор-редуктор пересекает центральный вал 109, на концы которого опираются шатуны 106 с педалями (не показаны) транспортного средства.
Статор 112 согласован с ротором, несущим магниты 124 и посредством фланца 114 объединенным с солнечной шестерней 150, которая взаимодействует с комплектом 118 сателлитов редуктора.
В частности, комплект 118 сателлитов зацепляется как с внутренней зубчатой частью стакана 151, которая является коронной шестерней для всех планетарных рядов редуктора, так и с солнечными шестернями последующих ступеней, передавая движение на полое водило 152 последнего ряда планетарной передачи, внутри которого скользит и свободно вращается вал 109.
Согласно этому варианту выполнения водило 152 последней ступени планетарной передачи соответствует второй ступени, тем не менее, количество ступеней может быть иным (т.е. отличным от двух).
Стакан 151 с одной стороны жестко соединен с рамой 101 посредством втулки 109, а с другой стороны - открыт для размещения водил и комплектов 118 сателлитов различных планетарных рядов редуктора.
В стакане 151 выполнено отверстие для прохода вала 109 и, возможно, подшипникам, упрощенно показанным на фигурах в виде окружностей.
Водило 152 второй ступени планетарного редуктора, показанное на фиг. 3 и 4, представляет собой полую цилиндрическую часть 155, внутри которой может свободно вращаться вал 109. На цилиндрической части 155 имеются три фланца 156, в каждом из которых выполнено отверстие 154 для установки комплекта 118 сателлитов.
Таким образом, водило 152 второй ступени планетарной передачи расположено соосно валу 109, обеспечивая передачу выходной мощности с редуктора на колоколообразный кожух 103 через серию торцевых соединений 153.
Следует отметить, что расположенные на передней стороне цилиндрической части 155, т.е. на его конце, соединительные зубья 153 имеют по существу пилообразную форму, обеспечивая передачу движения или вращения первому зубчатому кольцу 107 только в одном направлении.
Кольцо 107 имеет торцевые зубья 107А, т.е. осевые зубья для зацепления с соответствующими зубьями 153, и радиальные зубья 107В, постоянно зацепленные со шлицами кожуха 103, обеспечивая его вращение водилом 152 планетарной передачи через кольцо 107.
Помимо кольца 107 имеется кольцо 108, имеющее осевые зубья 108А и радиальные зубья 108В. Последние зацепляются с теми же шлицами 103А кожуха 103.
Второе кольцо 108 может приводиться в движение посредством зубчатого элемента 160, показанного на фиг. 6, только в одном направлении вращения/движения.
Такой зубчатый элемент 160 жестко соединен с валом 109 посредством муфты с квадратным посадочным местом 161 и обеспечивает однонаправленное торцевое зацепление между кольцом 108 и шатуном 106.
Кольца 107 и 108, имеющие осевые и радиальные зубья, могут скользить вдоль вала 109 и удерживаться в сжатом положении, т.е. кольца могут сдавливаться посредством упругого элемента, такого как промежуточная пружина 170, выполненная с возможностью удержания этих колец в контакте с соответствующими зубьями элементов 152 и 160.
Расположение осевых зубьев 107А и 108А является зеркальным, т.е. комплементарным, так что при вращении электродвигателя элемент 107 может сцепляться с водилом 152 второй ступени планетарной передачи, а, поскольку элемент 107 всегда сцеплен с внешним кожухом 103, то элемент 107 может приводить в движение ведущие звездочки 102 транспортного средства. В такой ситуации штатное вращение кольца 108 кожухом 103 не приводит к вращению шатунов, поскольку зацепление зубьев элемента 108 с шестерней зубьями элемента 160 является свободным, как если бы это была муфта свободного хода. Промежуточная пружина обеспечивает осевое расцепление зубьев 108А.
В другом случае, т.е. при неэлектрическом, ножном вращении педалей, элемент 108 приводится в движение от шатунов 106 посредством торцевого соединения с элементом 160, который соединен с валом 109 посредством квадратного посадочного места. В этом случае кольцо 108 посредством зубьев 108 В, сцепленных со шлицами внешнего кожуха 103, приводит во вращение этот кожух, а, следовательно, и ведущие звездочки 102. Так же, как и в предыдущем случае, кольцо 107 может выходить из зацепления с соответствующими зубьями 153 водила 152 планетарной передачи. Кольцо 107 приводится в движение радиально, однако поскольку торцевое соединение выполняет функцию муфты свободного хода, пружина сжимается при каждом попадании его зуба на соответствующий зуб, электродвигатель не вращается.
Второй вариант осуществления изобретения
Далее будет рассмотрен второй вариант выполнения системы с мотор-редуктором для двухколесных и трехколесных электрических транспортных средств. Система устанавливается на стандартную велосипедную раму соосно каретке и содержит мотор-редуктор, включающий в себя:
- неподвижный статор 12, неподвижно закрепленный на раме 1 транспортного средства и состоящий из множества пластин соответствующей формы для размещения в них нескольких обмоток 21;
- вал 9 с установленными на нем вращательными кинематическими парами, на которые опирается и на которых соосно вращается по меньшей мере один из следующих элементов:
- коронную шестерню 22;
- ротор 11 с установленными на нем магнитами 24. Средний диаметр ротора больше максимального внутреннего диаметра статора, т.е. больше максимального размера полости статора, если он является некруглым. При этом ротор включает в себя кольцо 50 с установленным на нем множеством постоянных магнитов 24. Кольцо 50 опирается посредством фланца 14, далее называемого водилом планетарной передачи, на вал 9 с возможностью соосного вращения относительно него;
вращающегося соосно с валом 9 и выступающего в качестве корпуса планетарной передачи, поскольку он ограничивает элементы:
- несколько сателлитов 18, посредством вращательных кинематических пар 54 установленных на водиле и образованных зубчатыми колесами 10 и 29, зацепляющимися с коронными шестернями 23 и 22 с внутренним зацеплением. Одна из указанных коронных шестерен неподвижна, а другая установлена с возможностью свободного вращения соосно валу 9.
По меньшей мере одна из коронных шестерен 23 и 22 с внутренним зацеплением частично или полностью находится в объеме, обозначенном позицией 401, который ограничен цилиндрической поверхностью, касающейся внутренней полости статора и соосной ему, и двумя основаниями, расположенными на расстоянии вдоль оси вала 9, определяемом размером узла, состоящего из статора 12, обмотки 21 и ротора 11. Такой объем 401 показан на фиг. 10.
Кроме того, система содержит одно или несколько устройств с передачей без свободного хода или с муфтой свободного хода 8 и 7, которая обеспечивает передачу движения только в одном направлении взаимного вращения двух поворотных элементов, из которых по меньшей мере один передает движение с подвижной коронной шестерни 22 на ведущие звездочки 2 вспомогательной трансмиссии 302.
Планетарная передача включает в себя:
11
- неподвижный элемент 23 с числом зубьев Z;
- ротор 11, фланец 14 которого выполняет функцию водила;
12
21
- неразъемно соединенные между собой и образующие сателлиты 18 зубчатые колеса 10 и 29 с числом зубьев Z и Z, соответственно.
Система всегда располагается снаружи каретки.
На неподвижный кожух 15, соединенный с рамой транспортного средства 1, опирается статор 12.
Мотор-редуктор установлен соосно каретке транспортного средства или, если каретка отсутствует, соосно ведущим звездочкам 2 вспомогательной трансмиссии.
В обоих случаях:
- если на вал 9 опираются шатуны 6 и 16, на которые могут быть установлены педали 4 для передачи мускульного усилия, создаваемого ногами или руками человека, то по меньшей мере одно из устройств с передачей без свободного хода или с муфтой 8 свободного хода передает движение от вала 9 на ведущие звездочки вспомогательной трансмиссии 302;
- если шатуны не опираются на вал 9, то он может быть соединен с неподвижным кожухом 15.
В качестве альтернативы ведущим звездочкам 2 для передачи движения на колеса можно использовать другие системы, например, звездочки для зубчатых ремней, колеса для трапециевидных и/или плоских ремней, карданную передачу, гидростатическую передачу, а также системы любых других типов для передачи движения с вращающегося вала на колеса.
12
21
Скоростной входной вал 201 передает движение на ротор 11, а затем на водило 14, которое вращает сателлиты 18, состоящие из двух совмещенных зубчатых колес: первого зубчатого колеса 10 с числом зубьев Z и второго зубчатого колеса 29 с числом зубьев z.
11
Согласно изобретению коронная шестерня 23 с внутренним зацеплением и числом зубьев Z является неподвижной, поскольку она жестко соединена с неподвижным кожухом 15.
Ротор 11 вращается посредством электродвигателя в режимах, которые более подробно будут рассмотрены ниже.
12
11
21
Зубчатое колесо 10 с числом зубьев Z приводится в движение водилом 14 и зацепляется с неподвижной коронной шестерней 23 с внутренним зацеплением и с числом зубьев Z, вращаясь вокруг оси и вокруг вала 201 и заставляя вращаться с такой же угловой скоростью соединенное с ней зубчатое колесо 29 с количеством зубьев Z.
21
12
22
Если зубчатые колеса имеют одинаковые модули, а число зубьев Z зубчатого колеса 29 отлично от числа зубьев Z зубчатого колеса 10, то вращение передается на коронную шестерню 22 с числом зубьев Z, которая передает движение на выходной вал 202.
Передаточное число τ редуктора определяется по следующей формуле:
11
21
12
22
где Z, Z, Z и Z - количество зубьев зубчатых колес 23, 29, 10 и 22, соответственно.
Пример 1
С учетом того, что все зубчатые колеса имеют одинаковый модуль, принимаем:
11
Z=77
12
Z=21
21
Z=20
22
Z=76
Согласно приведенной выше формуле, передаточное отношение составляет примерно 0,035. Таким образом, при вращении электродвигателя и, соответственно, водила 14 со скоростью 4000 об/мин, скорость вращения выходного вала 202 составит примерно 4000×0,035=140 об/мин.
В результате, полученный основной коэффициент понижения будет свыше 4000/140=28,5:1.
Иными словами, при каждых 28,5 оборотах основного вала 201 будет происходить лишь один оборот выходного вала 202.
Такая компоновка позволяет сочетать обычный ритм нажатия на педали (от 70 до 140 вращений в минуту) с диапазоном максимального КПД электродвигателя (от 2000 до 4000 об/мин), оптимизируя КПД системы.
Пример 2
По-прежнему исходя из того, что что все зубчатые колеса имеют одинаковый модуль, принимаем:
11
Z=144
12
Z=42
21
Z=41
22
Z=143
Передаточное число составит примерно 0,017.
При вращении электродвигателя, а, следовательно, водила 14 со скоростью 4000 об/мин, скорость вращения выходного вала 202 составит около 4000×0,017=68 об/мин, и коэффициент при такой скорости составит свыше 4000/68=58:1.
Таким образом, при каждых 58 оборотах основного вала 201 будет происходить лишь один оборот выходного вала 202.
При сравнении коэффициента редукции, получаемого согласно изобретению, с коэффициентами, полученными с использованием стандартных планетарных конструкций с одной или более ступенями, описанных в патентных документах US 6296072 (примерно 8:1), ЕР 20110187604 и ЕР 2522567 А1 (примерно 1:4), можно заметить, что крутящий момент на выходном валу увеличен от 3 до 14 раз. Такое увеличение крутящего момента достигается исключительно за счет увеличения коэффициента редукции и не учитывает положительный эффект от использования определенной конструкции электродвигателя, которая будет более подробно рассмотрена ниже.
Решение, схематически показанное на фиг. 1-4 позволяет добиться коэффициента редукции, сопоставимого с тем, что получают при помощи несоосных решений, обеспечивая при этом более компактные размеры и увеличенный КПД непосредственно самой трансмиссии.
Задачей изобретения является создание мотор-редуктора для двухколесных и трехколесных электрических велосипедов, сочетающего в себе эффективность вышеуказанной редукторной системы с электродвигателем «внешнего» типа, позволяя при этом пользователю, в случае необходимости, одновременно использовать педали; все компоненты вышеуказанного решения являются исключительно компактными, позволяя достичь поставленные выше цели.
На фиг. 5 показана «компоновка снаружи каретки», поскольку мотор-редуктор находится снаружи каретки, как показано на фиг. 12. Такая конструкция позволяет использовать изобретение, например, на рамах велосипедов, которые изначально не предполагалось использовать в качестве электрических транспортных средств, переоборудуя их из транспортных средств на мускульной силе в транспортные средства на электрической тяге.
На фиг. 5 неподвижный кожух 15 также показан жестко соединенным с рамой транспортного средства 1 посредством полого вала, внешняя часть которого зафиксирована внутри каретки транспортного средства, а во внутренней части расположены подшипники, позволяющие валу 9 вращаться.
Одним из отличий по сравнению с внутренней компоновкой является то, что шестерня 22 в этом случае передает движение на подвижный кожух 3 посредством устройства 7, которое обеспечивает однонаправленную передачу движения (т.е. дополнительной муфты или муфты свободного хода, одна из возможных конструкций которой показана на фиг.8).
Согласно этому варианту выполнения ведущие звездочки 2 вспомогательной трансмиссии 302 жестко соединены с подвижным кожухом 3, свободно вращающимся соосно валу 9 посредством вращательных цилиндрических пар 53 (например, подшипников или вкладышей) относительно элементов 15 и 9.
В этом случае подвижный кожух 3 соединен со ступицей 17 и валом 9 посредством устройства, обеспечивающего однонаправленную передачу движения, обозначенного позициями 7 и 8 (например, дополнительной муфты или муфты свободного хода, показанной на фиг. 8). Таким образом, для передачи движения от ступицы 17 на кожух 3 необходимо, чтобы скорость вращения указанной ступицы 17 была больше или равна скорости вращения кожуха 3.
Аналогично, движение передается с вала 9 на кожух 3 после того как скорость вращения этого вала 9 превысит или будет равна скорости вращения кожуха 3.
На фиг. 8 проиллюстрирована работа устройства, обеспечивающего однонаправленную передачу движения для конструкции, расположенной снаружи каретки.
Ступица 17 жестко связана с коронной шестерней 22 и может вращаться соосно элементу 9.
Крышка 31 имеет внутренние зубья и закреплена на кожухе 3.
Со ступицей 17 жестко связан профиль 34, выполненный так, чтобы в нем могло помещаться множество зубьев 33, прижимаемых посредством нескольких пружин 32 к внутренним зубьям 31 и обеспечивающих передачу движения от ступицы 17 к внутренним зубьям 31 только тогда, когда ступица 17 вращается относительно элемента 31 по часовой стрелке, как это показано на первом виде фиг. 8. В этом случае зубья зацепляются с полостями элемента 31, приводя его в движение.
Когда элементы 17 и 34 вращаются против часовой стрелки относительно зубьев 31, зубья 33 скользят по внутреннему зубчатому профилю, не сцепляясь с полостями и исключая тем самым передачу движения между двумя элементами 17 и 31 и, соответственно, между электродвигателем и ведущими звездочками 2 вспомогательной передачи 302.
Работа
Для упрощения понимания необходимо рассмотреть использование изобретения применительно к трем случаям:
1) Приводная мощность создается только электродвигателем;
2) Приводная мощность создается только мускульной силой человека и передается через педали 4 и шатуны 6 и 16,
3) Приводная мощность создается как электродвигателем 305, так и человеком посредством педалей 4 и шатунов 6 и 16.
В первом случае ротор 11 вращается посредством магнитодвижущей силы, создаваемой магнитным полем, создаваемым активными элементами 12 и 24 электродвигателя 21.
12
11
21
Зубчатое колесо 10 с числом зубьев Z, входящее в зацепление с неподвижной коронной шестерней 23 с внутренним зацеплением и числом зубьев Z, вращается вокруг своей оси и одновременно поворачивается вокруг вала 9, заставляя вращаться с такой же скоростью жестко соединенное с ним зубчатое колесо 29 с числом зубьев Z.
Если количество зубьев колеса 29 отличается от количества зубьев колеса 10, то при одинаковом их модуле вращение передается на коронную шестерню 22 вокруг вала 9.
Коронная шестерня 22 посредством устройства 7, в вышеуказанных режимах, передает движение на узел 41 корпуса коронной шестерни (либо на кожух 3, в случае внешней конструкции), а затем на ведущие звездочки 2, которые посредством цепи 308 передают движение на колесо 306.
В рассмотренном случае человек не создает мощность посредством системы из педалей 4 и шатунов 16 и 6, и поэтому в целях упрощения допустим, что педали не вращаются, вал 9 остановлен, а устройство 8 свободно вращается, подобно подшипнику, в результате чего движение с такого вала на узел 41 корпуса коронной шестерни (либо на кожух 3, в случае внешней компоновки) не передается.
Во втором случае, когда мощность создается только человеком, ротор 11 остановлен, так же как и сателлиты 18, коронная шестерня 22 и ступица 17 корпуса коронной шестерни. Шатуны 6 и 16 вращаются в направлении против часовой стрелки применительно к фиг.1, приводя в движение вал 9. Устройство 8 обеспечивает передачу вращения на узел 41 корпуса короной шестерни (либо на кожух 3, в случае внешней конструкции), а, следовательно, на ведущие звездочки 2, которые, в свою очередь, посредством цепи 308 передают движение на колесо 306.
Устройство 7 свободно вращается, подобно подшипнику, прерывая передачу движения на узел 41 корпуса коронной шестерни (либо на кожух 3, в случае внешней компоновки) со ступицы 17 корпуса коронной шестерни.
В третьем случае, когда мощность создается как человеком, так и узлом мотор-редуктора, приводной крутящий момент передается на узел 41 корпуса коронной шестерни (либо на кожух 3, в случае внешней конструкции) одновременно от электродвигателя и от педалей, посредством устройств 7 и 8, которые в данном случае препятствуют взаимному вращению деталей, с которыми они соединены.
Педали 6 и 16, узел 41 корпуса коронной шестерни (либо кожух 3, в случае внешней конструкции) и ступица 17 корпуса коронной шестерни вращаются вокруг оси вала с одинаковой скоростью.
Результаты
Изобретение сочетает в себе преимущества «внешнего» электродвигателя с преимуществами рассмотренных выше встроенных редукторных систем, создавая крутящий момент на ведущих звездочках 2, который от 4 до 40 раз больше, чем у систем, представленных в настоящее время на рынке, в виде исключительно компактного и эффективного решения.
Решение со «средним приводом», позволяет использовать такой крутящий момент по мере необходимости, за счет наличия вспомогательной трансмиссии (302), которая может дополнительно уменьшать или увеличивать передаточное число, позволяя электродвигателю функционировать с оптимальным КПД (например, КПД свыше 80% в диапазоне от 2000 до 4000 вращений в минуту).
На фиг. 7 видно, что вариант выполнения системы имеет ограниченный размер. Решение согласно изобретению позволяет развивать мощность в 1800 Вт и создавать при помощи электродвигателя крутящий момент порядка 12 Нм в непрерывном и 30 Нм в пиковом режимах, что параллельно с основной трансмиссией, имеющей коэффициент редукции 10:1, позволяет подавать на ведущие звездочки 2 крутящий момент порядка 340 Нм в непрерывном и 855 Нм в пиковом режимах, сохраняя при этом минимальный размер.
3
3
3
Внешний диаметр вспомогательной трансмиссии, например, может быть меньше диаметра стандартной ведущей звездочки с 52 зубцами (примерно 218 мм), а осевой размер, например, может быть около 70 мм так, чтобы она помещалась в стандартную раму. В этом случае общий объем узла мотор-редуктора будет примерно 2,6 дм, обеспечивая, плотность непрерывного крутящего момента (или «плотность крутящего момента») примерно 340/2,6=130 Нм/дм и 328 Нм/дм в пиковом режиме.
3
3
Прямоприводное мотор-колесо без планетарных редукторных шестерней при таком же напряжении и токе потребуется значительно больший объем (3,8 дм) для создания менее половины крутящего момента (130 Нм) с плотностью непрерывного крутящего момента около 30-35 Нм/дм.
3
3
3
3
Мотор-колеса «планетарно ступичного» типа, снабженные планетарными редукторными передачами в основной трансмиссии, за счет ограничения осевого размера (ограниченного редуктором), а также соотношения между диаметром/длиной электродвигателя, характеризуются небольшим размером (объемом примерно в 1,6 дм) и плотностью непрерывного крутящего момента, превышающей версии без редукции: обычные значения этих электродвигателей составляют примерно 40-45 Нм/дм. Кроме того, ограничения по объему препятствуют развитию максимального крутящего момента величиной свыше 80 Нм. Системы с несоосными «средними приводами», подобно той, что описана в WO 2008120311, должны ограничивать избыточный размер, а, следовательно, объем (особенно менее 1 дм) и за счет своей компоновки способны развивать высокий крутящий момент (в данном случае 50 Нм/дм), однако никогда не превышающий средние значения непрерывного крутящего момента: примерно 44 Нм для ведущих звездочек основной трансмиссии. Меньшие значения крутящего момента обусловлены ограниченным размером, который необходим для электродвигателей подобных систем.
3
3
3
Соосные системы с «планетарным средним приводом» внутри рамы имеют планетарные ряды и обладают производительностью, наиболее приближенной к изобретению. Системы, подобно той, что рассмотрена в US 6296072, развивают пиковую мощность в 850 Вт и 120 Нм (данные производителя) за счет совокупного коэффициента основной редукции примерно 32:1, при использовании двух традиционных планетарных ступеней. Поскольку соотношение между пиковыми значениями и номинальными значениями у бесщеточных электродвигателей варьируется от 0,5 до 0,3 и, предположив, что в этом случае оно составляет 0,5, то мощность и крутящий момент у системы, рассмотренной в US 6296072 составляют 425 Вт и 60 Нм, соответственно. Эти значения, с учетом ограниченного объема (примерно 1 дм), ставят указанную систему с плотностью непрерывного крутящего момента 56 Нм/дм и пиковыми значениями в 111 Нм/дм на вершину среди известных решений.
3
3
При сравнении параметров крутящего момента и плотности крутящего момента (предоставленных как непосредственно самими производителями, так и независимыми лабораториями), обеспечиваемых существующими технологиями и системами из указанных патентных документов, составляющими 130 Нм/дм в непрерывном режиме и 328 Нм/дм в пиковом режиме, со значениями непрерывного крутящего момента (при непрерывной эксплуатации S1), которых позволяет добиться система согласно изобретению, равными 340 Нм. Преимущества изобретения графически показаны на фиг. 13 и становятся очевидны. За счет использования небольшой части развиваемого крутящего момента, потребление тока снижается, а, следовательно, повышается КПД, что обеспечивает увеличенный запас хода при той же емкости аккумулятора. Увеличенный крутящий момент позволяет преодолевать очень крутые подъемы (например, с уклоном свыше 30%), что за счет очень высокого коэффициента редукции позволяет передвигаться, поддерживая обороты двигателя в режиме максимальной эффективности. За счет наличия вспомогательной трансмиссии коэффициент можно «расширить», преобразуя, таким образом, развиваемую мощность в скорость, продолжая при этом поддерживать обороты двигателя также в оптимальном режиме.
Перечень ссылочных позиций
1. 101 - Рама велосипеда
2, 102 - Ведущие звездочки цепной передачи
3, 103 - Подвижный кожух
4 - Педаль
6, 106 - Шатун правой педали
7, 107 - Устройство однонаправленной передачи движения (например, дополнительная муфта или муфта свободного хода с зажимом) для передачи движения от электродвигателя на кожух
8, 108 - Устройство однонаправленной передачи движения (например, дополнительная муфта или муфта свободного хода с зажимом) для передачи движения от вала каретки на кожух
9, 109 - Вал каретки
12
10 - Сателлит с числом зубьев Z
11 - Ротор
12, 112 - Статор
14, 114 - Фланец ротора или водило планетарной передачи или зубчатой передачи
15 - Неподвижный кожух
16, 116 - Шатун левой педали
22
17 - Ступица кольцевой шестерни Z с внутренними зубьями
12
21
18, 118 - Сателлиты, представляющие собой шестерни 10 и 29 с числом зубьев Z и Z, соответственно.
19, 119 - Неподвижная втулка каретки
20 - Выходной провод источника питания электродвигателя
21, 121 - Обмотка статора
22
22 - Z - Коронная шестерня с внутренними зубьями последней ступени редуктора
11
23 - Z - Коронная шестерня с внутренними зубьями первой ступени редуктора
24, 124 - Магниты ротора
21
29 - Сателлит с числом зубьев Z
31 - Крышка системы с мотор-редуктором
32 - Пружины для сжатия зубьев устройства однонаправленной передачи движения
33 - Зубья элемента однонаправленной передачи движения
34 - Профиль для однонаправленной передачи движения
41 - Узел корпуса коронной шестерни
50 - Солнечная шестерня ротора с магнитами
51 - Вращательные кинематические пары для поддержки ротора 11
52 - Вращательные кинематические пары для поддержки последней ступени 17 редуктора
53 - Вращательные кинематические пары для поддержки начальной ступени вспомогательной трансмиссии
54 - Вращательные кинематические пары для поддержки сателлитов 18
201 - Скоростной входной вал редуктора
202 - Медленный выходной вал редуктора
302 - Вспомогательная трансмиссия
305 - Электродвигатель
306 - Заднее колесо транспортного средства
308 - Цепь вспомогательной трансмиссии
309 - Ведомые звездочки, установленные на колесо транспортного средства
401 - Объем воображаемого цилиндра, внутри которого расположены одно или несколько зубчатых колес с внутренним зацеплением основной трансмиссии
123 - Внутренние зубья планетарного редуктора
150 - Солнечная шестерня ротора
151 - Стакан в виде коронной шестерни для всех ступеней редуктора
152 - Водило планетарной передачи
155 - Полая цилиндрическая часть водила
156 - Фланец с отверстием 154
153 - Торцевые соединения
107А, 108А - Торцевые зубья
107В, 108В - Радиальные зубья
103А - Шлицы кожуха 103
160 - Элемент с зубьями
170 - Квадратное посадочное место 161
170 - Пружина