Полноприводный автомобиль повышенной проходимости с электрическим приводом колёс
ALL-WHEEL DRIVE OFF-ROAD VEHICLE WITH ELECTRIC WHEEL DRIVE

Изобретение относится к автомобильному транспорту, в частности к автомобильному транспорту повышенной проходимости на электротяге.
Большинство современных четырехколесных автомобилей повышенной проходимости строятся с применением силовой установки на основе одного двигателя внутреннего сгорания. Передача крутящего момента от двигателя к колёсам осуществляется посредством трансмиссии, состоящей, в подавляющем большинстве случаев, из сцепления, коробки перемены передач, раздаточной коробки, карданных валов, главной пары редукторов, совмещенных с дифференциалами, и выходных полуосей, соединенных с колёсами.
Автомобиль повышенной проходимости на основе двигателя внутреннего сгорания является источником повышенного загрязнения окружающей среды по параметрам вредных выбросов продуктов сгорания, а также акустических шумов и вибраций.
Известен электромобиль повышенной проходимости Bollinger B1 (см., например: https://www.drive2.ru/e/BqY2gEAAAyE?ysclid=l5wf0j0hw5719786872; см., также международную заявку WO2021101969A1, WO2021101969A1, МПК B60K1/04; B60L50/64; B60P1/00; B62D63/02, опубл. 27.05.2021), включающий в себя два электропривода, предназначенных для привода передней и задней осей соответственно. Блоки электропривода состоят из электродвигателя, контроллера двигателя, двухступенчатой коробки передач с электроприводом, парковочной блокировки с электроприводом и блокирующего дифференциала с электроприводом. Блоки привода передают мощность на встроенные тормоза, которые, в свою очередь, соединены карданным валом равных угловых скоростей со ступицами колес, где находится еще один редуктор конечной передачи.
Данный электромобиль представляет собой классическую рамную конструкцию, в то время как современные тенденции в разработке внедорожников – это несущий кузов, основные преимущества которого меньший вес и более низкий центр тяжести (см., например: https://zen.yandex.ru/media/over9000/rama-protiv-nesuscego-kuzova-chto-luchshe-5b43b6629f388701f878a7b1).
Известен электрический пикап Rivian R1T, США (см., например: https://autokontact.ru/novyj-pikap-rivian-sovremennoe-elektricheskoe-avto-ot-novogo-proizvoditelya/), в  трансмиссии которого применены отдельные электрические двигатели для передней и задней осей, однако в подобных автомобилях применяется независимая подвеска колес и силовые агрегаты с электрическими двигателями закрепляются непосредственно на кузове автомобиля (несущий кузов). Недостатком подобной схемы является малый ход подвески и сложная система рычагов, идущих к каждому колесу и требующая более пристального обслуживания в процессе эксплуатации.
Кроме того, конструкция кузова большинства автомобилей повышенной проходимости, оборудованных стандартными шоссейными шинами, а не, например, шинами сверхнизкого давления, не предполагает возможности преодоления водных препятствий вплавь, поскольку кузов таких автомобилей не обладает требуемой герметичностью, а масса автомобиля достаточно велика для обеспечения плавучести за счет погруженных в воду элементов конструкции и колёс.
Вышеуказанный электрический пикап Rivian R1T выбран в качестве прототипа.
Задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в получении следующего технического результата: возможность транспортировки людей и грузов по труднопроходимым районам страны с нанесением минимального вреда экологии места эксплуатации и минимальными затратами электрической энергии на передвижение благодаря высокой конструктивной проходимости.
согласно предложению
Указанная задача решается полноприводным автомобилем повышенной проходимости с электрическим приводом колёс с несущим кузовом и отдельными электрическими двигателями для передней и задней осей, в котором, , электрические двигатели размещены непосредственно на мостах автомобиля в виде законченных узлов, совмещающих в себе электрический двигатель, редуктор главной передачи и дифференциал с принудительной блокировкой, при этом электродвигатель с редуктором, подняты над осью вращения колес автомобиля только в вертикальной плоскости, а входной вал рулевой рейки, установленной на мосту, соединен с рулём (рулевым колесом) промежуточным валом с шлицевым телескопическим соединением и шарнирами, подвеска каждого моста выполнена четырехрычажной, с двумя нижними основными рычагами и двумя верхними, предназначенными для компенсации реактивного момента, при этом верхние и нижние рычаги установлены под разными углами друг к другу.
Каждое колесо может быть оборудовано колесным редуктором, совмещенным со ступичным узлом колеса.
Для изменения направления валов в зоне выходного вала рулевой рейки и рулевой колонки автомобиля могут быть применены угловые редукторы.
На задней оси автомобиля может быть установлен ведущей мост с рулевым управлением, аналогичный переднему, что существенно повышает проходимость и маневренность автомобиля
Целесообразно кузов выполнять герметичным, а колеса оснащать шинами сверхнизкого давления (см., например: https://vektor4x4.ru/magazin/folder/avtoros?utm_source=yandex&utm_medium=cpc&utm_campaign=poisk&yclid=9990948080783982591).
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен внешний вид автомобиля, на фиг. 2 - схема трансмиссии, на фиг. 3 – схематично главный вид ведущего моста, на фиг. 4 – схематично вид сверху на ведущий мост, на фиг. 5 – схема рулевого управления.
Кузов автомобиля 1 является несущим, облегченным и выполнен из алюминиевого сплава или композитных материалов. Нижняя часть кузова выполнена герметичной, в форме лодки и рассчитана для обеспечения плавучести автомобиля с учетом максимальной разрешенной массы. В передней части кузова расположен один или два ряда сидений, а в задней части багажное отделение, оборудованное дверью. Для защиты от атмосферных воздействий кузов автомобиля имеет внешнее остекление и сдвижные боковые двери. Для обеспечения безопасности водителя и пассажиров при возникновении аварийных ситуаций, внутри кузова установлен каркас безопасности (не показан).
Основными элементами автомобиля являются:
- Несущий герметичный кузов.
- Специализированные ведущие мосты с электрической силовой установкой.
- Рычажная система подвески мостов.
- Электронные системы управления работой устройств автомобиля и силовой установки.
- Аккумуляторная батарея.
- Климатическая установка.
- Рулевое управление.
- Тормозная система.
Предлагаемый четырехколесный полноприводный автомобиль повышенной проходимости построен на основе двух электрических двигателей (силовых агрегатов), непосредственно размещенных в специализированных мостах автомобиля. На фиг. 2 изображена схема трансмиссии автомобиля, состоящая из переднего ведущего моста 2 и заднего ведущего моста 3. Передний ведущий мост 2 автомобиля оборудован рулевой рейкой 4 и ступичными поворотными узлами 5, позволяющими колесам отклоняться от продольной оси автомобиля при возникновении вращающего усилия на рулевом колесе.
Данный автомобиль отличается от известных автомобилей повышенной проходимости специализированными ведущими мостами с размещенными в них электрическими силовыми установками.
Известны конструкции ведущего моста автомобиля, состоящие из главной передачи, дифференциала для распределения крутящего момента между колесами, полуосей, предназначенных для передачи крутящего момента к колесам, поворотных кулаков, ступичного узла, содержащего в себе ступичные подшипники и тормозной механизм, а также корпуса дифференциала и чехлов полуосей, выполненных из трубы круглого сечения. Недостатком конструкции такого моста является отсутствие электрического двигателя в составе моста, низкий дорожный просвет под мостом из-за того, что оси выходных полуосей дифференциала размещаются на одной линии с осью вращения колес.
Известна также конструкция ведущего моста автомобиля (Патент RU2333847C2, МПК B60K 17/32, опубл. 20.09.2008), в которой для обеспечения высокой проходимости редуктор главной передачи смещен по вертикали вверх. Недостатком данной конструкции является необходимость смещения редуктора главной передачи еще и по горизонтали вперед или назад, в зависимости от расположения моста в автомобиле, для размещения силовой балки моста, в результате чего внутренние и внешние шарниры равных угловых скоростей выходных валов вынуждены отклоняться от прямой линии на определенный дополнительный угол в горизонтальной плоскости. Данное решение уменьшает диапазон рабочих углов шарниров равных угловых скоростей, что не позволяет поднимать редуктор главной передачи на значительную величину, а также значительно снижает диапазон поворота рулевых колес автомобиля.
Предлагаемая конструкция переднего ведущего моста (фиг. 3) позволяет разместить электрический приводной двигатель непосредственно на мосте 2, 3 автомобиля в виде законченного узла 6, совмещающего в себе электрический двигатель, редуктор главной передачи и дифференциал с принудительной блокировкой. Для существенного повышения дорожного просвета под мостом и использования всего диапазона углов работы шарнира равных угловых скоростей, ось вращения выходных полуосей дифференциала и, соответственно сам электродвигатель с редуктором, подняты над осью вращения колес автомобиля только в вертикальной плоскости, без смещения осей относительно друг друга в горизонтальной плоскости, как сделано в изобретении RU2333847C2. Передача крутящего момента в такой компоновочной схеме осуществляется с помощью валов 7 с шарнирами равных угловых скоростей, либо с карданными передачами. Для дополнительного повышения величины дорожного просвета каждое колесо может быть оборудовано колесным редуктором 8, совмещенным со ступичным узлом колеса. Для размещения компонентов корпус моста 2, 3 выполнен из листовой стали или из трубчатого каркаса и имеет пространственную конструкцию необходимой прочности. Данное конструктивное решение позволяет отказаться от несущей балки, которая в вышерассмотренной конструкции не позволяет разместить ось выходных валов дифференциала редуктора главной передачи непосредственно над осью вращения колёс. Задний ведущий мост имеет аналогичную конструкцию и отличается, как правило, от переднего отсутствием рулевой рейки и жестким присоединением ступичных узлов колес к корпусу моста.
Проработка конструкции моста может являться самостоятельной разработкой. Могут также использоваться известные конструкции, например, конструкция электропривода с интеграцией на редуктор и дифференциал, раскрытая в патенте RU174835U1 (МПК B60K 1/00; B60K 17/16; H02K 7/116; H02K 17/12; H02K 3/28, опубл. 11.03.2019).
Предлагаемая конструкция позволяет также производить установку на заднюю ось автомобиля моста с поворотными колесами, как в переднем мосту, таким образом значительно повышая маневренность автомобиля в условиях ограниченного пространства, а также увеличивая площадь опорной поверхности на слабых грунтах, когда передние колеса едут по одной колее, а задние колеса – по другой.
Высокая геометрическая проходимость автомобиля достигается благодаря применению четырехрычажной подвески мостов 2, 3, показанной на фиг. 4. Рычаги 9 являются основными и установлены ниже рычагов 10, которые предназначены для компенсации реактивного момента. Крепление рычагов к подрамнику 11 кузова 1 автомобиля  и корпусу моста 2, 3 происходит через шаровые опоры, либо сайлентблоки.  Жесткость подвески и отсутствие боковых перемещений обеспечиваются благодаря установке верхних и нижних рычагов под разными углами друг к другу.  Данное конструктивное решение совместно с использованием длинноходных амортизаторов и пневматических баллонов вместо традиционных металлических пружин позволяет создать высокий диапазон перемещений колес в вертикальном направлении.
Поворот управляемых колес в известных автомобилях с зависимой (мостовой) схемой подвески колес выполнен либо с помощью рулевых тяг,  идущих от рулевого маятника, жестко закрепленного на раме автомобиля и предназначенного для преобразования вращательного движения рулевого колеса в поступательное движение рулевых тяг и управляемых колёс, либо с помощью гидрообъемного рулевого управления с применением исполнительного гидравлического цилиндра, закрепленного на мосте автомобиля, и насоса-дозатора, расположенного на рулевой колонке. Недостатком рулевого управления на рулевых тягах является наличие нежелательного подруливания колес при перемещении моста относительно рамы автомобиля во время движения, обуславливающая необходимость постоянной работы рулевым колесом во время движения по неровной поверхности, а также невозможность обеспечить значительные перемещения колес в вертикальной плоскости, что негативно сказывается на проходимости автомобиля. Недостатком рулевого управления на гидрообъемном принципе управления является отсутствие механической связи между колесами и рулём (рулевым колесом), что значительно снижает информативность рулевого колеса, а также необходимость применения гидравлической станции для создания требуемого рабочего давления масла.
Для исключения вышеприведенных недостатков в предлагаемой конструкции создание поворотного усилия на ступицах рулевых колёс обеспечивается благодаря рулевой рейке 4, непосредственно размещенной на мосту 2 (фиг. 4) и предназначенной для преобразования вращательного движения рулевого колеса в поступательное движение штока рейки. Схема рулевого управления представлена на фиг. 5. Для передачи управляющего усилия от руля (рулевого колеса) 12 на входной вал 13 рулевой рейки 4 используется промежуточный вал 14, идущий от кузова автомобиля в мост 2 к рулевой рейке 4. Для компенсации больших перемещений моста относительно кузова при работе подвески, промежуточный рулевой вал снабжен шлицевым телескопическим соединением 15 и шарнирами 16 и расположен в поперечной плоскости автомобиля. Для изменения направления валов в зоне входного вала 13 рулевой рейки 14 и рулевой колонки автомобиля применены угловые редукторы 17. Для повышения удобства управления автомобилем механизм рулевого управления оснащен электрическим усилителем рулевого усилия 18, который может располагаться как в рулевой колонке в салоне автомобиля, так и непосредственно в составе рулевой рейки.
Конструктивные решения, реализованные в конструкции автомобиля, такие как мостовая схема зависимой подвески колес с высоким дорожным просветом, высокие рабочие ходы подвески, обусловленные отсутствием межосевой трансмиссии и применением отдельных электродвигателей для передней и задней осей автомобиля, низкая масса автомобиля, обусловленная применением алюминиевых сплавов в конструкции кузова, конструктивная плавучесть, обеспечиваемая герметичной конструкцией кузова, позволяют добиться существенного снижения затрат энергии, необходимой для перемещения автомобиля с людьми и грузами по труднопроходимым участкам местности. В совокупности с применением электрической силовой установки автомобиля, не выбрасывающей при работе в атмосферу загрязняющих веществ, вышеуказанное техническое решение позволяет получить значительный синергетический эффект в вопросах минимизации загрязнения вредными веществами экологической системы места эксплуатации и минимизации воздействия человека на окружающую природную среду.
Данное изобретение также открывает возможность применения данного полноприводного автомобиля повышенной проходимости для решения задач в беспилотном автоматическом режиме, либо с помощью внешнего дистанционного управления. Отсутствие механических систем, присущих автомобилям повышенной проходимости с двигателем внутреннего сгорания (педаль сцепления, рычаг переключения передач, рычаг выбора режима работы раздаточной коробки), позволяет применять данный автомобиль в качестве роботизированного внедорожного транспортного средства, либо управлять данным автомобилем дистанционно с помощью специального приемо-передающего комплекса.
Благодаря применению двух электродвигателей и редукторов и их размещению непосредственно в мостах автомобиля, удалось добиться такого перераспределения массы автомобиля, при котором основной вес автомобиля распределен непосредственно над осями вращения колес. Кроме того, центр тяжести данного автомобиля находится значительно ниже, чем у автомобилей с двигателем внутреннего сгорания или электромобилей с рамной конструкцией.  Благодаря этому при движении автомобиля под уклоном вверх удается сохранить прижимную силу колёс к грунту и коэффициент зацепления шин с покрытием. Для усиления данного эффекта электродвигатель переднего редуктора смещен вперед по ходу движения относительно оси вращения передних колес, а задний – назад. У автомобилей классической компоновки центр тяжести поднят значительно выше и при преодолении подъемов происходит перераспределение массы автомобиля, передние колеса разгружаются и теряют сцепление с дорожным покрытием.
При необходимости, данное техническое решение способно обеспечивать электроэнергией внешних потребителей в случае, когда нет возможности воспользоваться традиционными системами электроснабжения.