ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ТЯГОВЫЙ МОДУЛЬ ГУСЕНИЧНОЙ МАШИНЫ
TRACK-TYPE VEHICLE ELECTROMECHANICAL TRACTION MODULE

Изобретение относится к тракторам, бульдозерам, экскаваторам, транспортерам, мобильным кранам и другим гусеничным самоходным транспортным или рабочим машинам с электромеханической трансмиссией, предназначенным для выполнения транспортных, землеройных, строительных, дорожных, сельскохозяйственных и других работ.
Электромеханический тяговый модуль предназначен для привода металлической, резиновой или иной гусеничной ленты (гусеницы).
Известен гусеничный трактор с электрической трансмиссией, содержащий двигатель внутреннего сгорания, силовой генератор, два тяговых электродвигателя, блок управления, размещенные в раме трактора, а также бортовые редукторы и ходовую часть с ведущими и натяжными колесами, причем каждый тяговый электродвигатель выполнен в едином блоке с бортовым редуктором трактора, расположен на единой поперечной оси с бортовым редуктором и ведущим колесом ходовой части и установлен в вырезе рамы с возможностью выступа наружу за ее габариты [1].
Недостатком этого технического решения является пониженный клиренс (дорожный просвет) машины, что обусловлено расположением электродвигателей в вырезах рамы соосно с бортовыми редукторами. Оси бортовых редукторов, на которых закреплены ведущие колеса (звездочки), не могут быть подняты высоко над поверхностью грунта, поскольку это приводит к снижению длины опорной поверхности гусеничного движителя. Соответственно, нижние поверхности связанных с бортовыми редукторами электродвигателей, размещенных в раме трактора, определяют клиренс машины и его увеличение не представляется возможным.
Этого недостатка не имеет электрический гусеничный ходовой механизм (электромеханический модуль), наиболее близкий к предложенному и содержащий тяговый электродвигатель, расположенный вместе с бортовым редуктором внутри гусеничного движителя.
Размещение тягового электродвигателя вне рамы машины позволяет увеличить ее клиренс. Однако при этом существенно снижаются габаритные размеры электродвигателя, что создает проблемы с его охлаждением. В известном техническом решении эта проблема решается путем применения замкнутого жидкостного охлаждающего контура. Благодаря высокой теплоемкости охлаждающей жидкости, например, масла или водно-спиртовой смеси, необходимое снижение температуры электродвигателя достигается при достаточно малых расходах в жидкостном охлаждающем контуре [4].
Недостатком этого устройства является относительно невысокая тяговая мощность. Это обусловлено тем, что в объеме, ограниченном шириной гусеничного движителя и диаметром ведущего колеса (звездочки), размещается не только тяговый электродвигатель и бортовой редуктор, но и система жидкостного охлаждения, занимающая определенный объем. Это приводит к необходимости уменьшения длины и диаметра тягового электродвигателя, что приводит к снижению его крутящего момента и, соответственно, тяговой мощности устройства.
Кроме того, применение жидкостного охлаждения, в условиях ограниченной мощности двигателя внутреннего сгорания (ДВС), приводит к снижению тяговой мощности модуля за счет дополнительных затрат мощности ДВС на работу циркуляционного насоса и вентилятора системы охлаждения.
Другими недостатками этого тягового модуля, обусловленными применением системы жидкостного охлаждения, являются пониженная надежность, повышенная масса, сложность конструкции и повышенная трудоемкость технического обслуживания машины. Это обусловлено тем, что при применении такого тягового модуля на машину необходимо дополнительно установить радиатор с соответствующим вентилятором, циркуляционный насос, расширительный бачок и систему трубопроводов. В процессе эксплуатации машины возникает опасность закипания и подтекания охлаждающей жидкости, а также ее замерзания в зимнее время года. При циклах нагрева/охлаждения электродвигателя происходит повышение/понижение внутреннего давления, в результате чего жидкость может выдавливаться через уплотнения системы охлаждения. Это снижает надежность тягового модуля и приводит к увеличению трудоемкости его технического обслуживания - к необходимости проверки уровня охлаждающей жидкости, ее замены в зависимости от сезона работы машины, периодической очистки системы охлаждения от наслоений и т.д.
Основным техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение во всех вариантах его исполнения, является повышение тяговой мощности устройства.
Дополнительными техническими результатами являются повышение эксплуатационной надежности и снижение трудоемкости технического обслуживания тягового модуля гусеничной машины.
В электромеханическом тяговом модуле гусеничной машины, содержащем электродвигатель и связанный с ним бортовой редуктор, приспособленный для размещения внутри обвода гусеницы, для достижения этих технических результатов осуществляется реализация, по меньшей мере, одного из следующих технических решений:
а) электродвигатель закрепляется с возможностью эффективной передачи выделяющегося в нем тепла на остов (корпус) машины и/или на раму гусеничной тележки;
б) зазор между наружной поверхностью статора или корпусом электродвигателя и внутренней поверхностью корпуса тягового модуля заполняется эластичным теплопроводным компаундом, а корпус тягового модуля закрепляется на остове машины с обеспечением теплового контакта между ними;
в) реализуется электродвигатель с классом нагревостойкости изоляции не ниже, чем 155°C, и либо без постоянных магнитов, либо с постоянными магнитами, имеющими максимальную рабочую температуру не ниже, чем 150°C;
г) применяется электродвигатель, конструктивное исполнения которого обеспечивает минимальное выделение тепла на роторе;
д) наружная поверхность тягового модуля и/или поверхность остова машины около места крепления тягового модуля на машине оснащается ребрами охлаждения;
е) тяговый модуль разделяется на несколько тяговых модулей меньшей мощности, приспособленных для привода ведущей звездочки, направляющего колеса, и/или опорных катков гусеницы;
ж) электродвигатель имеет медные выводы обмотки статора большого сечения, используемые для передачи тепла от электродвигателя на остов машины;
з) на вал электродвигателя устанавливается крыльчатка вентилятора, обеспечивающего принудительную циркуляцию воздуха внутри тягового модуля;
и) отвод тепла от статора и/или обмоток электродвигателя на остов машины осуществляется с помощью тепловых трубок или иные теплопроводных элементов;
л) бортовой редуктор обеспечивает подачу содержащегося в нем смазочного масла на статор электродвигателя, в частности, путем разбрызгивания масла вращающимися зубчатыми колесами;
м) корпус электродвигателя с закрепленным на нем статором используется в качестве корпуса тягового модуля;
н) осуществляется максимальное увеличение диаметра электродвигателя, насколько это позволяют внутренние размеры гусеницы;
о) тормоз машины располагается на остове машины вне тягового модуля;
р) тяговый модуль размещается на остове машины на удаленном расстоянии от силового и/или управляющего электронного контроллера электродвигателя и других источников тепла.
В различных вариантах исполнения тягового модуля, а также с целью его дальнейшего улучшения, дополнительно:
- на соприкасающиеся поверхности креплений электродвигателя, бортового редуктора, корпуса тягового модуля и остова машины нанесен теплопроводный компаунд, обеспечивающий заполнение неровностей соприкасающихся поверхностей и снижение теплового сопротивления между этими поверхностями;
- электродвигатель выполнен вентильным индукторным (вентильным реактивным) без постоянных магнитов и обмоток на роторе, или в виде синхронного электродвигателя с высокотемпературными постоянными магнитами, или частотно-управляемого асинхронного электродвигателя;
- тепловые трубки или иные элементы, приспособленные для передачи тепла от электродвигателя на остов машины, выполнены гибкими с возможностью компенсации взаимного перемещения статора электродвигателя и остова машины при воздействии нагрузок на него;
- тяговый модуль содержит ведущую звездочку гусеницы, прикрепленную к бортовому редуктору, причем электродвигатель и связанный с ним бортовой редуктор расположены по разные стороны этой звездочки;
- тяговый модуль, за исключением его верхней части, обращенной к машине, размещен в пределах ширины гусеницы;
- тяговый модуль выполнен с возможностью его демонтажа и монтажа на машину в виде единого целого;
- бортовой редуктор тягового модуля выполнен в виде многоступенчатой планетарной передачи или последовательно соединенных быстроходной цилиндрической и планетарной передач;
- вал электродвигателя приспособлен для присоединения к нему нормально замкнутого тормоза с электрическим управлением и/или датчика углового положения ротора, соединенного с силовым и/или управляющим электронным контроллером электродвигателя;
- поверхность остова машины вблизи места крепления тягового модуля дополнительно оснащена системой принудительного воздушного или жидкостного охлаждения;
- тяговый модуль содержит датчик температуры, соединенный с силовым и/или управляющим электронным контроллером электродвигателя, который выполнен с возможностью уменьшения мощности электродвигателя в случае, если температура тягового модуля превышает предварительно установленную величину;
- бортовой редуктор и электродвигатель выполнены обратимыми с возможностью осуществления торможения машины электродвигателем, работающим в режиме генератора, а также для обеспечения возможности перемещения машины на буксире.
Из уровня техники широко известно применение различных систем жидкостного и воздушного охлаждения электродвигателей и тяговых модулей на их основе для улучшения теплового режима их работы. Причем в известных устройствах при повышении тяговой мощности осуществляется переход к применению жидкостного охлаждения. В противоположность этому, в данном изобретении реализовано увеличение тяговой мощности путем отказа от применения системы жидкостного охлаждения и реализации альтернативных методов обеспечения необходимого теплового режима тягового модуля, характеризующихся отличительными признаками изобретения.
Особенности применения тягового модуля на гусеничной машине заключаются в том, что он, во-первых, располагается внутри гусеницы и, соответственно, имеет малые габариты, и, во-вторых, жестко закрепляется на остове (раме, корпусе) машины. В данном изобретении эти особенности используются при реализации его конструкции с целью достижения указанных технических результатов.
Отказ от системы жидкостного охлаждения и реализация альтернативных методов охлаждения позволяет повысить тяговую мощность:
во-первых, за счет увеличения объема (размеров) электродвигателя и, соответственно, его крутящего момента (часть объема тягового модуля, занятая в известных устройствах элементами системы охлаждения, в предложенном тяговом модуле занята электродвигателем);
во-вторых, за счет исключения дополнительных затрат мощности ДВС машины на привод циркуляционного насоса и вентилятора системы охлаждения. Та часть мощности ДВС, которая в известных устройствах используется для работы циркуляционного насоса и вентилятора, в предложенном изобретении используется для увеличения тяговой мощности модуля (машины).
На гусеничной машине, в отличие от колесной, отсутствует необходимость подрессоривания ведущего колеса (звездочки). Соответственно, имеется возможность осуществить жесткое крепление тягового модуля на остове (раме, корпусе) машины. Эта особенность применения тягового модуля позволяет реализовать эффективный отвод тепла от тягового модуля без использования системы жидкостного охлаждения.
Отличительные признаки изобретения, реализуемые в их любом сочетании, описывают различные варианты реализации такого охлаждения и, соответственно, находятся в прямой причинно-следственной связи с достижением одних и тех же технических результатов.
Из уровня техники неизвестно использование технических решений, характеризующихся отличительными признаками изобретения, для увеличения объема электродвигателя и исключения отбора мощности на работу системы охлаждения с целью повышения тяговой мощности электромеханического тягового модуля и гусеничной машины в целом.
Неизвестно также использование этих технических решений с целью повышение эксплуатационной надежности и снижения трудоемкости технического обслуживания электромеханического тягового модуля гусеничной машины.
Влияние отличительных признаков изобретения на указанные технические результаты дополнительно показано далее в тексте при описании различных вариантов реализации предложенного устройства.
На чертеже представлена упрощенная схема электромеханического тягового модуля гусеничной машины.
Он содержит электродвигатель 1, состоящий из ротора 2 и статора 3 и связанный с ним бортовой редуктор 4, к которому прикреплена или выполнена заодно с ним ведущая звездочка 5, взаимодействующая с цевками гусеничной цепи 6 гусеничной ленты (гусеницы) 7. Тяговый модуля имеет конструктивное исполнение и размеры, позволяющие установить его внутри обвода гусеницы 7 и закрепить на остове или корпусе 8 машины.
Остов 8 машины может быть выполнен рамным, безрамным или полурамным. Его функции может выполнять корпус машины.
Как показано на чертеже, электродвигатель 1 закреплен на корпусе 9 тягового модуля с возможностью эффективной передачи выделяющегося в нем тепла на остов (корпус) 8 машины или на раму гусеничной тележки, если он прикреплен к этой раме (на чертеже условно не показано). Под эффективностью передачи в данном случае подразумевается передача основной части или более половины тепловой мощности, выделяющейся в тяговом модуле при работе машины.
Возможным вариантом обеспечения такой теплопередачи является нанесение теплопроводного компаунда, обеспечивающего заполнение неровностей соприкасающихся поверхностей и снижение теплового сопротивления между этими поверхностями. Другим вариантом улучшения теплопередачи является заполнение эластичным теплопроводным компаундом зазора 10 между наружной поверхностью статора 3 или корпуса 11 электродвигателя 1 (наличие корпуса 11 не обязательно) и внутренней поверхностью корпуса 9 модуля.
Электродвигатель 1 может быть вентильным индукторным (вентильным реактивным, вентильным индукторно-реактивным) без постоянных магнитов и обмоток на роторе, синхронным с постоянными магнитами или частотно-управляемым асинхронным электродвигателем. Предпочтительно применение электродвигателя с классом нагревостойкости изоляции не ниже, чем 155°C или 180°C (классы F или Н по ГОСТ 8865-70 и IEC 62114), и либо без постоянных магнитов, либо с постоянными магнитами, имеющими максимальную рабочую температуру не менее 150°C. Предпочтительно также применяется электродвигатель, конструктивное исполнение которого обеспечивает минимальное выделение тепла на роторе. К таким электродвигателям относятся, в частности, вентильные индукторные электродвигатели, именуемые в зарубежной технической литературе как «Switched Reluctance Motor» (SRM).
Наружная поверхность тягового модуля (на его корпусе 9) и/или поверхность остова 8 машины около места крепления тягового модуля может иметь ребра охлаждения (на чертеже условно не показаны).
Эти поверхности, независимо от наличия на них ребер, могут иметь как естественное, так и принудительное воздушное или жидкостное охлаждение.
Обмотки статора 3 электродвигателя 1 могут быть соединены с силовым или управляющим электронным контроллером 12 медными выводами 13, которые могут использоваться для отвода тепла от электродвигателя 1 на остов 8 машины. В этом случае с помощью дополнительных теплопроводящих изолирующих элементов обеспечивается тепловой контакт этих выводов 13 с остовом 8 машины.
В отдельных случаях на валу 14 электродвигателя 1 может быть установлена крыльчатка вентилятора 15, обеспечивающего принудительную циркуляцию воздуха внутри тягового модуля. Она имеет небольшой размер и может быть использована лишь в дополнение к другим методам охлаждения.
Для отвода тепла от статора 3 или от его обмоток внутри тягового модуля могут быть установлены тепловые трубки или иные теплопроводные элементы, например, медные ленты. Их целесообразно выполнить гибкими, что обеспечит компенсацию деформации корпуса 9 модуля при воздействии на него нагрузок. В противном случае возможно заклинивание ротора 2 электродвигателя 1 ввиду малой величины зазора между его ротором 2 и статором 3.
В качестве корпуса 9 тягового модуля, с целью снижения теплового сопротивления между статором 3 и остовом 8 машины, может быть использован корпус 11 электродвигателя 1 (совмещение корпусов), если величина его деформации при работе машины не будет препятствовать нормальной работе электродвигателя 1.
При практической реализации тягового модуля, с целью улучшения теплового режима и увеличения крутящего момента электродвигателя 1, целесообразно максимально увеличить его диаметр, насколько это позволяют внутренние размеры гусеницы 7.
Для остановки машины используется электромагнитный тормоз 16, установленный на свободном конце вала 14 электродвигателя 1 и соединенный с силовым или управляющим электронным контроллером 12. Этот тормоз целесообразно разместить вне тягового модуля с целью исключения влияния выделяющейся на нем мощности на тепловой режим тягового модуля. По этим же причинам тяговый модуль желательно размещать на остове 8 машины на некотором удалении от силового (управляющего) электронного контроллера 12 и других источника тепла.
На свободном конце вала 14 может быть также установлен датчик положения ротора 2 электродвигателя 1 и датчик температуры (на чертеже условно не показаны), соединенные с электронным контроллером 12 электродвигателя.
Тяговый модуль размещается, преимущественно, в пределах ширины гусеницы 7 и выполнен в виде конструктивно законченного узла, допускающего возможность его демонтажа и монтажа на машину в виде единого целого.
Бортовой редуктор 4 выполнен, преимущественно, в виде двухступенчатой или трехступенчатой планетарной передачи и установлен на подшипниках 17. Возможна также реализация бортового редуктора в виде последовательно соединенных цилиндрической и планетарной передач.
Электродвигатель 1 и бортовой редуктор 4 могут быть выполнены обратимыми с переходом электродвигателя 1 в режим генератора. Это позволяет реализовать электрическое торможение машины и возможность ее буксировки.
К главным элементам ходовой части гусеничной машины относятся остов, гусеничные движители и подвеска.
Остов 8 представляет собой сварную раму или корпус машины, на которой закрепляются все основные узлы машины, включая тяговые модули.
Гусеничные движители, обеспечивающие передвижение машины в результате сцепления с грунтом (почвой) и получение необходимого тягового усилия, располагаются с обеих сторон остова машины и состоят из ведущих звездочек 5, натяжного колеса с натяжным приспособлением, опорных и поддерживающих катков, закрепленных на рамах гусеничных тележек.
При работе машины механическая мощность первичного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) при помощи генератора преобразуется в электрическую. Далее электрическая энергия подается на силовые контроллеры 12 электродвигателей и далее на тяговые модули, которые приводят во вращение ведущие колеса (звездочки) 5 и, соответственно, гусеничные ленты (гусеницы) 7.
Для того, чтобы обеспечить защиту тяговых модулей от внешних повреждений без увеличения ширины колеи гусеничной машины, тяговый модуль интегрирован в гусеничный движитель таким образом, что он расположен внутри окружной траектории гусеничной ленты, не имея частей, выступающих за ее ширину. Это приводит к возникновению ряда проблем.
Во-первых, тяговый модуль должен иметь короткую длину, чтобы не выступать по бокам за гусеницу. Во-вторых, малая длина в сочетании с большой мощностью электродвигателя порождает проблему его охлаждения.
Эти проблемы, в зависимости от вариантов реализации предложенного тягового модуля, решается различными способами.
В тяговом модуле может быть реализован один из альтернативных признаков формулы изобретения, либо одновременно несколько признаков в любом сочетании. Это приводит к достижению одних и тех же технических результатов.
Например, может быть применен тяговый модуль, в котором реализован отвод тепла от электродвигателя на остов (корпус) машины только путем его закрепления в тяговом модуле с обеспечением возможности такой теплопередачи. При этом остов машины, имеющий большую массу и большие размеры, используется в качестве эффективного теплоотвода.
В этом случае электродвигатель закрепляется на достаточно массивных деталях, обеспечивающих эффективную передачу тепла от этого электродвигателя на остов машины. При этом на соприкасающиеся поверхности креплений электродвигателя, бортового редуктора, корпуса тягового модуля и остова машины целесообразно нанести теплопроводный компаунд, обеспечивающий заполнение неровностей соприкасающихся поверхностей и соответствующее снижение теплового сопротивления между этими поверхностями.
Другим примером реализации предложенного модуля является применение высокотемпературного электродвигателя, что увеличивает допустимый градиент температуры и приводит к увеличению интенсивности отвода тепла от электродвигателя. При этом целесообразно применение электродвигателя, характеризующегося малым выделением тепла на роторе, отвод тепла от которого сложнее, чем от статора.
Третьим вариантом модуля является тяговый модуль с реализацией в нем одновременно двух указанных альтернативных признаков, характеризующих как эффективную передачу тепла от электродвигателя на остов машины, так и применение высокотемпературного электродвигателя.
Самостоятельно (независимо от реализации указанных выше альтернативных признаков) или в дополнение к ним может быть предусмотрено заполнение зазора между наружной поверхностью статора или корпусом электродвигателя и внутренней поверхностью корпуса тягового модуля эластичным теплопроводным компаундом, что снижает тепловое сопротивление между электродвигателем и остовом машины.
Еще в одном варианте реализации тягового модуля, самостоятельно или в дополнение к реализации других альтернативных признаков изобретения, может использоваться оребрение наружной поверхности тягового модуля или поверхность остова машины около места его крепления на машине. Эти ребра могут, в частности, иметь принудительное охлаждение.
Другим примером реализации тягового модуля является его разделение на несколько тяговых модулей меньшей мощности, приспособленных для привода ведущей звездочки, направляющего колеса или опорных катков гусеницы. При этом происходит децентрализация выделяемого тепла, что решает проблему охлаждения этих модулей. Реализация этого альтернативного признака изобретения также может быть либо самостоятельной, либо в сочетании с реализацией других альтернативных признаков изобретения.
Еще в одном варианте реализации тягового модуля для отвода тепла могут использоваться специально утолщенные выводы обмотки статора электродвигателя, тепловые трубки или иные теплопроводящие элементы, либо небольшой вентилятор внутри тягового модуля, улучшающий передачу тепла от его наиболее нагретых частей. Альтернативным вариантом охлаждения электродвигателя является подача на его статор смазочного масла редуктора, в частности, путем его разбрызгивания вращающимися шестернями. Эти альтернативные признаки также могут быть реализованы либо самостоятельно, либо в сочетании с другими альтернативными признаками.
Повышение эффективности охлаждения может быть достигнуто путем использования корпуса электродвигателя с закрепленным на нем статором в качестве корпуса тягового модуля. Это обеспечивает наиболее короткий путь для теплового потока от статора электродвигателя на остов машины. Реализация этого альтернативного признака требует применения корпуса повышенной жесткости ввиду малого зазора между статором и ротором.
В варианте тягового модуля с электродвигателем максимального диаметра обеспечивается увеличение длины и площади контакта корпуса тягового модуля с остовом машины, что способствует уменьшению теплового сопротивления между ними.
Вынесение электромагнитного стояночного тормоза машины за пределы тягового модуля, а также размещение тягового модуля на удаленном расстоянии от силового электронного контроллера электродвигателя и других источников тепла, позволяет исключить внешний подогрев тягового модуля, что также обеспечивает достижение тех же технических результатов.
Наилучшие значения тяговой мощности, эксплуатационной надежности и трудоемкости технического обслуживания тягового модуля гусеничной машины будут получены при одновременной реализации всех альтернативных признаков изобретения. Однако улучшение этих показателей (достижение указанных технических результатов) достигается при реализации как одного из альтернативных отличительного признаков изобретения, так и нескольких признаков одновременно в их любом сочетании.
Для специалистов в данной области техники понятно, что кроме описанных вариантов тягового модуля гусеничной машины возможны также иные варианты его реализации на основе признаков, изложенных в формуле изобретения.
Источники информации
1. RU 92844 U1, B62D 25/16, 10.04.2010.
2. RU 2489295 С2, B62D 55/00, B60K 7/00, 10.08.2013.