ТРАНСМИССИЯ ДЛЯ ГИБРИДНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
TRANSMISSION FOR HYBRID VEHICLE

Изобретение относится к области транспортного машиностроения и может быть использовано при конструировании механизмов, в которых необходимо в широких пределах изменять передаточное отношение и крутящий момент, оптимизирующие разгон и управление движением ведомого вала при постоянных оборотах и крутящем моменте вала двигателя. Примером такого механизма может быть трансмиссия транспортного средства и других механизмов.
Известны различные пути согласования передаточного отношения при передаче движения от двигателя к исполнительному механизму. Наиболее распространенным способом являются зубчатый редуктор и фрикционные муфты. Эти механизмы описаны, например, в: Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике. Т. 4 Зубчатые механизмы и Т. 5 Фрикционные механизмы. - М.: Наука, 1980 г., а также в: Патенте RU №2304735, Патенте RU №2333405, Патенте RU №2527625.
Недостатком зубчатых редукторов является то, что при их использовании передаточное отношение трансмиссии постоянно, двигатель в большинстве случаев не работает на оптимальном режиме, при этом ухудшается экономичность, увеличиваются нагрузки на двигатель и элементы трансмиссии. Внесение в конструкцию технологически сложных устройств, ступенчатых или бесступенчатых преобразователей передаточного отношения, а также специальных устройств, например гидромоторов, приводят к удорожанию конструкции и к уменьшению степени надежности. Недостатками известных решений, описанных в Патенте RU №2304735 и в Патенте RU №2333405, являются сложность конструкции и неоптимальный режим работы в процессе изменения передаточного отношения. Патент RU №2527625 содержит сложное устройство в электродвигателе - второй, внутренний ротор. Трансмиссия, описанная в патентном материале RU №2527625, является прототипом заявляемого устройства.
Задачей изобретения является осуществление простой бесступенчатой трансмиссии для разгона и автоматического управления оборотами ведомого вала с изменением крутящего момента и передаточного отношения при работе двигателя на оптимальном режиме в зависимости от их потребных величин. Применение такой трансмиссии приведет к упрощению процесса разгона, уменьшению потерь и экономии энергии, а также к упрощению конструкции трансмиссии.
Указанная цель достигается тем, что согласно изобретению в трансмиссию последовательно включены два планетарных асимметричных дифференциальных механизма, имеющих вход и два выхода. Вход первого дифференциального механизма соединен с валом двигателя транспортного средства, а один его выход соединен с входом второго дифференциала. На входном валу первого дифференциала также находится соединенный с ним ротор генератора. Статор генератора соединен со вторым выходом первого дифференциала и имеет возможность вращаться вокруг оси. Статор образует с ротором электрическую машину двойного вращения. Второй выход дифференциала также соединен с управляемой муфтой, ответная часть которой соединена с корпусом трансмиссии. Муфта имеет возможность стопорить второй выход и статор генератора, соединяя его с корпусом. С выхода первого дифференциала вращение вала передается на вход второго дифференциального устройства, которое в схеме трансмиссии играет роль механизма сцепления, а также позволяет в процессе разгона увеличивать на его выходе крутящий момент, вход и два выхода которого также расположены концентрично на общей оси. Один выход второго дифференциала соединен с ведомым валом, а второй выход соединен с управляемой силовой муфтой скольжения, ответная часть которой соединена с входом. Вращение от двигателя передается на ротор генератора и на вход первого дифференциала, затем через его элементы на ведомый вал первого дифференциала, который вращается в ту же сторону, в которую вращается вал двигателя, и на второй выход дифференциала, соединенный со статором генератора, который стремится вращаться в сторону, обратную направлению вращения ротора генератора. При наличии электрической нагрузки в цепи генератора между статором и ротором в результате взаимоиндукции возникает сила, увлекающая статор за ротором, частично блокирующая дифференциал, заставляющая дифференциал вращается вокруг своей оси, что приводит к уменьшению передаточного отношения, слагающегося из передачи движения через элементы дифференциала и через его вращение вокруг оси, таким образом, способствуя увеличению скорости вращения ведомого вала. Управляя электрической нагрузкой в цепи генератора, можно управлять изменением оборотов и крутящего момента ведомого вала. При необходимости, второй выход дифференциала стопорится муфтой, соединяя его с корпусом, превращая дифференциал в редуктор. При этом стопорится статор генератора. Так как генератор является обратимой электрической машиной, то он при этом может быть использован для пуска двигателя, а также для увеличения темпа разгона транспортного средства при старте и в других случаях, а также для движения на электрической тяге.
С ведомого вала первого дифференциала вращение передается на вход второго дифференциала, один выход которого соединен с ведомым валом трансмиссии, а второй выход соединен с управляемой силовой муфтой скольжения, ответная часть которой соединена с входом второго дифференциала, и в процессе разгона, при проскальзывании частично блокирует дифференциал, что приводит к вращению его вокруг своей оси, уменьшая при этом его суммарное передаточное отношение, состоящее из передачи движения через его элементы и через передачу вращения механизма вокруг своей оси. Когда все движение передается через элементы дифференциала, тогда передаточное отношение этого механизма максимальное, и крутящий момент на ведомом валу также максимальный. Когда муфта не проскальзывает, дифференциал полностью заблокирован, передаточное отношение равно единице, крутящий момент на выходе равен крутящему моменту на его входе. Силовая муфта скольжения непосредственно не соединяет ведущий и ведомый валы, а только управляет работой дифференциального механизма.
Электрический ток, произведенный генератором, при управлении работой первого дифференциального механизма подается на электродвигатели, соединенные с элементами привода транспортного средства, например с колесами, не подключенными к ведомому валу трансмиссии. Эти электродвигатели могут быть любого типа, согласно изобретению подключаются через устройство, состоящее из асимметричной планетарной дифференциальной передачи и соединенной с ней электромагнитной силовой муфты скольжения. Вал электродвигателя соединен с входом дифференциала и с якорем или индуктором электромагнитной муфты скольжения. Один выход дифференциала подключен на ведомый вал, а второй соединен с ответной частью электромагнитной муфты. Второй выход дифференциала стремится к вращению в обратную сторону относительно направления вращения двигателя и первого выхода дифференциала, но сила электромагнитной индукции, возникающая между якорем муфты и индуктором, частично блокирует дифференциал и уменьшает общее передаточное отношение, способствуя разгону ведомого вала. При увеличении нагрузки на ведомом валу взаимное скольжение ротора и индуктора увеличивается, вращение в большей степени передается через шестерни дифференциала, а его вращение вокруг оси замедляется, передаточное отношение на ведомый вал увеличивается. Обороты вала уменьшаются, а крутящий момент увеличивается. При постоянном крутящем моменте и оборотах ротора электродвигателя обороты ведомого вала и крутящий момент на нем автоматически в зависимости от требуемой величины крутящего момента изменяются в широких пределах. Величины их определяются параметрами дифференциала. При старте передаточное отношение от электродвигателя к ведомому колесу максимально, крутящий момент также максимален и кратно превышает крутящий момент двигателя.
В трансмиссию могут быть включены также элементы, служащие для оптимизации ее работы, прежде известные из уровня техники, такие, например, как механизмы реверса, механизмы изменения и распределения потока энергии, раздаточные коробки и другие.
Изобретение поясняется чертежами. На Фиг. 1 показан первый дифференциальный механизм, соединяющий двигатель транспортного средства с генератором. Вал двигателя 1 соединен с ротором генератора 2 и с водилом первого дифференциала 8. При вращении вала привода энергия двигателя передается через сателлиты 6 и 7, соединенные между собой, установленные и свободно вращающиеся на водиле 8, на центральное колесо 9 и центральное колесо 3. Статор генератора 4 соединен с центральным колесом 3 и может вращаться с ним вокруг оси. При наличии нагрузки на ведомом валу 10 центральное колесо 3 будет стремиться к вращению в сторону, обратную вращению ведущего вала 1, но если включена в цепь генератора электрическая нагрузка, возникает сила, увлекающая статор генератора 4 и соединенное с ним центральное колесо 3 за ротором генератора 2, частично блокирующая дифференциальное устройство, увеличивая скорость его вращения вокруг оси, уменьшая передаточное отношение и увеличивая скорость вращения ведомого вала 10. Изменяя электрическую нагрузку в цепи генератора, можно управлять передаточным отношением и крутящим моментом на ведомом валу этого механизма. Управляемая муфта 5 при необходимости соединяет статор генератора с корпусом трансмиссии и останавливает его вращение, что дает возможность использовать генератор как электродвигатель.
На Фиг. 2 показан второй асимметричный дифференциал. Это - планетарный механизм, он соединен с силовой муфтой скольжения. Вращение с вала 10 первого дифференциального механизма подается на вход дифференциала, через вал 11, в данном примере на водило 17. Вал 11 также соединен с входом силовой муфты скольжения 12, ответная часть которой 13 соединена с одним из выходов дифференциала с центральной шестерней 16. Вращение передается через сателлиты 15 на второй выход дифференциала, на венец планетарной передачи 14 и далее на выходной вал 18. При вращении вала 11 вал 18 будет вращаться в ту же сторону, а центральное колесо 16 при проскальзывании в муфте - в другую сторону. Если проскальзывания в муфте нет, то дифференциал вращается вокруг оси, шестерни неподвижны относительно друг друга, передаточное отношение механизма равно единице. Если есть проскальзывание, то вращение с вала 11 на вал 18 частично передается через шестерни, передаточное отношение на ведомый вал увеличивается пропорционально параметрам планетарной передачи, ведомый вал 18 замедляется, а крутящий момент от вала 11 на вал 18 пропорционально увеличивается.
Подключение электродвигателя непосредственно к колесу через механизм, состоящий из асимметричного дифференциала и силовой электромагнитной муфты скольжения, предлагается как элемент трансмиссии. Механизм может быть расположен в корпусе электродвигателя, в собственном корпусе или внутри колеса. На Фиг. 3, для примера, показан механизм, расположенный внутри колеса. Вал электродвигателя 19 соединен с водилом планетарной передачи 20, сателлиты 22 соединены с центральным колесом 21 и венцом планетарной передачи 23, соединенным с колесом транспортного средства 26. Центральное колесо 21 жестко соединено с индуктором силовой электромагнитной муфты скольжения 24. Индуктор и центральное колесо свободно вращаются на валу. На валу 19 также установлен и жестко с ним соединен якорь муфты 25, связанный с индуктором 24 электроиндукционной связью. При вращении вала электродвигателя 19 венец планетарной передачи 23 и якорь электромагнитной силовой муфты скольжения 25 вращаются в ту же сторону, а центральное колесо 21 с индуктором 24 стремится к вращению в другую сторону. Сила индукции, возникающая при взаимном вращении якоря и индуктора, увлекает индуктор и центральное колесо, связанное с ним, и частично блокирует дифференциал, заставляя колесо ускоряться. С разгоном колеса 26 и уменьшением скольжения в муфте пропорционально уменьшается крутящий момент на венце 23 и колесе транспортного средства 26. При торможении колеса 26 и при постоянных оборотах электродвигателя скольжение между индуктором 24 и якорем 25 увеличивается и вращение в большей степени передается через шестерни планетарной передачи 21, 22 и 23, передаточное отношение и крутящий момент автоматически увеличиваются.