ГИБРИДНЫЙ МЕХАНИЗМ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МОЩНОСТИ В ТРАНСМИССИИ ТРАНСПОРТНОЙ МАШИНЫ
HYBRID POWER DISTRIBUTION MECHANISM IN TRANSMISSION OF VEHICLE

Изобретение относится к наземным транспортным средствам (машинам), в том числе к колесным, преимущественно автомобилям повышенной и высокой проходимости, конкретно - к дифференциальным механизмам распределения мощности (МРМ) - как к межколесным дифференциалам (между левым и правым соосными колесами), так и к межосным дифференциалам (между колесными мостами).
Наиболее распространенным МРМ является простой конический дифференциал (ссылка не дана по причине его общеизвестности среди специалистов в области автомобильного транспорта).
При всей своей востребованности в прошлом, настоящем и будущем автомобилизма эксплуатационные свойства простого дифференциала уже не удовлетворяют запросам потребителей и уровню развития трансмиссий автомобилей. Поиск способа преодолеть известные недостатки простого дифференциала привел к появлению множества конструкций МРМ как на основе зубчатых механизмов («самоблокирующиеся» дифференциалы), так и использующих иные принципы работы (вискомуфта и др.). Следует отметить, что каждая из альтернативных простому дифференциалу конструкций обладала своими недостатками, в связи с чем дифференциал так и остался наиболее распространенным типом МРМ, в котором сочетаются простота, отработанность конструкции, надежность, компактность, высокий КПД собственно редукторной части.
Известен механизм распределения мощности в трансмиссии транспортной машины (автомобиля), содержащий редукторную часть с двумя степенями свободы (короче - «двухстепенной редуктор»), входное звено которого опосредованно связано с двигателем, а выходные звенья опосредованно, например, через полуоси связаны с ведущими колесами автомобиля, с планетарными зубчатыми рядами - нулевым, первым и вторым, причем нулевой, непосредственно связанный с упомянутым входным звеном, является простым дифференциалом, тормозные элементы с возможностью дифференцированного тормозного воздействия на звенья редукторной части и электронную систему управления упомянутыми тормозными элементами, связанную с рулевым механизмом с возможностью поворота управляемых колес автомобиля [Dr. ClausGranzov. ZV Vector Drive - better driving dynamicsand diving Satety through Torque Vector-ing//http://www.irs.kit.edu/download/131213_GC_TorqueVectoring_ZF_Handout.pdf. 13.12.2013].
В нем редукторная часть выполнена с простым коническим дифференциалом и двумя, слева и справа от упомянутого конического дифференциала, одинаковыми цилиндрическими трехзвенными планетарными зубчатыми рядами со ступенчатыми сателлитами, при этом входное звено редукторной части (корпус конического дифференциала) соединено с зубчатым солнцем малой ступени указанного сателлита, большая ступень последнего соединена, посредством другого зубчатого солнца, с одной из полуосей и, далее, с одним из ведущих колес автомобиля, а водило с дисковыми подвижными элементами тормоза.
Такое устройство позволяет рациональнее простого дифференциала реализовывать подводимую к ведущим колесам автомобиля мощность в соответствии с условиями движения. «Платой» же за получаемое преимущество является необходимость в дополнительных механических, гидравлических и электронных устройствах, неизбежное при этом ухудшение массогабаритных показателей и рост себестоимости. Таким образом, этот МРМ представляет собой достаточно сложное механическое устройство с завышенными массогабаритными показателями, к тому же не обладающее рядом дополнительных свойств, могущих быть полезными в эксплуатационном цикле жизни транспортной машины (см. далее по тексту критику прототипа).
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого изобретения, то есть совпадающим с ним по назначению и по общим существенным конструктивным признакам, является гибридный механизм распределения мощности в трансмиссии транспортной машины, содержащий бортовые суммирующие планетарные трехзвенные механизмы, первые входные звенья которых через коробку передач связаны с основным двигателем, с возможностью вращения в одинаковых направлениях, вторые входные звенья - с валом реверсивного бесступенчатого дополнительного двигателя с возможностью вращения в разных направлениях, а выходные звенья опосредованно с ведущими элементами движителя транспортной машины [Расчет и конструирование гусеничных машин / Носов Н.А. и др. Под ред. Н.А. Носова. - Л.: Машиностроение, 1972. - 560 с. - С. 394-398, рис. IХ.21].
В нем дополнительный двигатель выполнен гидрообъемным, гидравлически связанным с гидрообъемным насосом, имеющим привод от вала основного двигателя транспортной машины, причем вал гидрообъемного двигателя связан со вторыми звеньями упомянутых суммирующих механизмов посредством сдвоенной конической передачи.
При работе дополнительного двигателя вторые входные звенья суммирующих механизмов вращаются в разные стороны пропорционально скорости вращения его вала, то есть дополнительный двигатель выступает в роли механизма поворота, перераспределяя при этом подводимую к движителю мощность между бортами.
В указанном источнике информации приведен также вариант устройства, в котором дополнительный двигатель связан с обоими вторыми дополнительными звеньями бортовых суммирующих трехзвенных механизмов посредством одной, общей конической пары (см. там же, рис. IX.226).
К недостаткам прототипа следует отнести невозможность:
- во-первых, использования дополнительного двигателя в качестве тягового аварийного в случае выхода из строя основного двигателя или отсутствия топлива;
- во-вторых, использования дополнительного двигателя для выработки, при необходимости, дополнительной электроэнергии без использования специализированного электрогенератора;
- в-третьих, рекуперации электроэнергии без использования специализированного электрогенератора;
- в-четвертых, использования дополнительного двигателя как параллельного потока мощности (момента) к движителю при прямолинейном движении.
В упомянутом же альтернативном варианте прототипа, наоборот, дополнительный двигатель, рассчитанный на использование в качестве источника плавного изменения мощности на вторых входных звеньях суммирующих механизмов при прямолинейном движении, не может без специальных средств поворота машины выполнять роль механизма поворота и перераспределителя мощности (момента) между бортами.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в устранении указанных недостатков прототипа и, соответственно, в улучшении технико-эксплуатационных (в приложении к транспортным машинам гражданских) или тактико-технических характеристик (в приложении к транспортным машинам военным и специальным).
Решение поставленной проблемы достигается тем, что в гибридном механизме распределения мощности в трансмиссии транспортной машины, содержащем бортовые суммирующие планетарные трехзвенные механизмы, первые входные звенья которых через коробку передач связаны с основным двигателем, с возможностью вращения в одинаковых направлениях, вторые входные звенья - с валом реверсивного бесступенчатого дополнительного двигателя с возможностью вращения в разных направлениях, а выходные звенья - опосредованно, с ведущими элементами движителя транспортной машины, дополнительный двигатель выполнен в виде обратимой электрической машины, электрически связанной, по меньшей мере, с бортовым накопителем электроэнергии, а между валом электрической машины и вторым входным звеном одного из упомянутых суммирующих механизмов предусмотрено реверсирующее устройство.
Решение поставленной проблемы достигается также за счет дополнительных конструктивных признаков (при сформулированной выше основной совокупности признаков):
- упомянутыми первыми и вторыми входными звеньями суммирующих механизмов могут являться их солнца и эпициклы соответственно, а выходным звеном
- водило (это оптимизирует синтез кинематической схемы трансмиссии при соответствующем сочетании входных параметров в конкретном техническом задании;
- скоростных или тихоходных машин и т.п.);
- упомянутыми первыми и вторыми входными звеньями суммирующих механизмов могут являться их эпициклы и солнца соответственно, а выходным звеном - водило (это также оптимизирует синтез кинематической схемы трансмиссии при другом соответствующем сочетании входных параметров в конкретном техническом задании - скоростных или тихоходных машин и т.п.);
- при любой совокупности признаков из указанных, механизм может дополнительно содержать понижающий редуктор непосредственно на валу дополнительного двигателя или реверсирующего устройства (это позволяет использовать более скоростной дополнительный двигатель, уменьшив его массогабаритные потребные показатели и перенеся существенную часть общей потребной редукции ближе к движителю транспортной машины; расположение редуктора за реверсирующим устройством позволяет разгрузить его от своего дополнительного крутящего момента).
Среди известных устройств и способов не обнаружены такие, совокупность существенных признаков которых совпадала бы с заявленной. В то же время именно за счет последней достигается новый технический результат в соответствии с решаемой проблемой (поставленной задачей).
Заявляемое устройство гибридного механизма распределения мощности (МРМ) в трансмиссии автомобиля пояснено (на примере межколесного дифференциала) на чертежах:
О
Х
Х
п
л
k
п
л
,
,
-
i
п
л
c
м
На фиг. 1 показана упрощенная кинематически-блочная схема МРМ, частный случай (пример) соединения солнца каждого (правого и левого бортов транспортной машины) суммирующего планетарного трехзвенного механизма (СМ) с основным двигателем (опосредованно, в частности, через коробку передач), а эпицикла СМ - с валом дополнительного двигателя в составе СМ, причем при наличии реверсирующего устройства в правой части вала дополнительного двигателя, где - входное и выходные (индексы  - правое,  - левое) звенья (в частности, валы) гибридного МРМ; параметр планетарного суммирующего механизма (согласно теории планетарных передач), одинаковый для правого (индекс ) и левого (индекс ) СМ;  - передаточное отношение реверсирующего устройства.
Позициями на фиг. 1 обозначены:
1
2
3
4
5
6
7
8
-1
9
i
- солнечное зубчатое колесо (солнце) в составе СМ;  - эпициклическое зубчатое колесо (эпицикл) в составе СМ;  - водило в составе СМ;  - сателлиты в составе СМ;  - дополнительный двигатель (в данном случае - обратимая электрическая машина);  - выходной оппозитный (направо и налево) вал дополнительного двигателя 5;  - промежуточное зубчатое звено (шестерня) соединения вала дополнительного двигателя 5 cэпициклом 2;  - реверсирующее устройство (в альтернативном упрощенном случае - зубчатая пара с передаточным отношением =);  - понижающий редуктор (например, планетарный) на валу двигателя 5.
На фиг. 2 - упрощенная кинематически-блочная схема МРМ, частный случай (пример) соединения эпицикла (правого и левого бортов транспортной машины) суммирующего планетарного трехзвенного механизма (СМ) с основным двигателем (опосредованно, в частности, через коробку передач), а солнца СМ - с валом дополнительного двигателя в составе СМ, где сохранены обозначения позиций 1-9.
Гибридный (то есть включающий в себя две ветви с двумя двигателями различного типа - основной тепловой и дополнительный электрический) механизм распределения мощности (крутящего момента) в трансмиссии транспортной машины по любому частному примеру (случаю) конструктивного исполнения (см. далее по тексту), содержит (см. фиг. 1, 2) бортовые (правый - «п» и левый «л») суммирующие планетарные трехзвенные механизмы (ряды) - СМ, входные звенья которых (солнца 1п, 1л и эпициклы 2п, 2л) связаны, с одной стороны, через коробку передач (не показана) с основным двигателем (не показан), с возможностью вращения в одинаковых направлениях, - и, с другой стороны, с валом 6 реверсивного бесступенчатого дополнительного двигателя 5, посредством промежуточных зубчатых звеньев (одинаковых шестерен) 7п и 7л, с возможностью вращения в разных направлениях (конкретно распределение указанных связей описано ниже для первого, по фиг. 1, и второго, по фиг. 2, примерах выполнения устройства), а выходные звенья (3п и 3л) - опосредованно (например, посредством полуосей карданного типа), с ведущими элементами (в частности, ведущими колесами) движителя транспортной машины (в частности, автомобиля).
i
=±1
Дополнительный двигатель 5 выполнен в виде обратимой электрической машины, электрически связанной, по меньшей мере, с бортовым накопителем электроэнергии (накопитель и связь с ним не показаны), а на валу 6 электрической машины 5 или между валом 6 и одним из входных звеньев (конкретно также см. примеры на фиг. 1 и фиг. 2), здесь - правого СМ, предусмотрено реверсирующее устройство 8 с передаточным отношением  (любой известной или новой конструкции, например, на основе зубчатых передач). Чем, собственно, и обеспечивается упомянутая выше возможность вращения зубчатых звеньев 7п и 7л в разных направлениях, и, дополнительно (при переключении реверсирующего устройства 8) - возможность вращения зубчатых звеньев 7п и 7л в одинаковых направлениях.
По первому частному варианту исполнения заявляемого устройства (см. фиг. 1), первыми и вторыми входными звеньями суммирующих механизмов (СМ) являются их солнца (1п, 1л) и эпициклы (2п, 2л) соответственно, а выходным звеном - водила (3п, 3л).
По второму частному варианту исполнения заявляемого устройства (см. фиг. 2), первыми и вторыми входными звеньями суммирующих механизмов (СМ) являются их эпициклы (2п, 2л) и солнца (1п, 1л) соответственно, а выходным звеном - по-прежнему водило.
МРМ дополнительно содержит (согласно рекомендуемому частному примеру выполнения) понижающий редуктор 9 - на валу 6 или непосредственно после него (за валом 6), например, в виде планетарного ряда со входом на солнце, выходом с водила и постоянно заторможенным эпициклом.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
i
Прямолинейное движение транспортной машины (теоретически в одинаковых дорожных условиях по левому и правому бортам), на примере использования в качестве дополнительного двигателя 5 обратимой электрической машины и наличия реверсирующего устройства 8 (с включенным режимом =+1), осуществляют за счет мощности основного двигателя и, как вариант режима эксплуатации, при выключенном дополнительном двигателе 5. При этом скорости вращения ведущих элементов (колес) движителя одинаковы, мощность и крутящий момент распределяется между бортами (правым и левым ведущим элементом движителя поровну).
Х
i
При необходимости увеличить мощность и крутящий момент на валах Хп и л(по-прежнему при равном распределении между бортами) дополнительно к основному двигателю включают в работу дополнительный двигатель 5 (электрическую машину 5 в режиме двигателя) с питанием от бортового накопителя электроэнергии (аккумуляторной, конденсаторной или смешанного типа батареи), с выбором рационального режима его работы сообразно конкретным эксплуатационным условиям и при режиме работы реверсирующего устройства 8 с передаточным отношением =+1. При этом мощности (крутящие моменты) суммируются на суммирующих механизмах (СМ) в любом из двух приведенных примеров взаимосвязи солнц и эпициклов правого и левого СМ с валами «0» и 7п, 7л. Как правило, это режим непродолжительный (особо тяжелый участок трассы с большим сопротивлением грунта и/или крутой подъем).
i
При повороте транспортной машины переключают режим работы реверсирующего устройства 8 на передаточное отношение =-1 и (дополнительно к работе основного двигателя) включают в работу дополнительный двигатель 5 (электрическую машину 5 в режиме двигателя) с питанием от накопителя, выбирая рациональный режим его работы сообразно конкретным эксплуатационным условиям поворота (потребные радиус поворота и распределение тяговых усилий по бортам). При этом происходит рассогласование скоростных и силовых явлений на эпициклах 2п и 2л СМ (в примере на фиг. 1) или на солнцах 1п и 1л (в примере на фиг. 2), возрастающее по мере увеличения скорости вращения вала 6 дополнительного двигателя 5. Это - основной режим МРМ в соответствии с его назначением.
i
i
В случаях неисправности основного двигателя (аварийный режим) или отсутствии топлива для него (также нештатная ситуация), а также в иных случаях (временная потребность тепловой и/или акустической маскировки в движении), прямолинейное движение осуществляют за счет дополнительного двигателя 5 с питанием от электрического накопителя (при этом движение будет носить, естественно, неоптимальный и непродолжительный характер), при работе реверсирующего устройства 8 в режиме с передаточным отношением =+1 и заторможенном (штатными бортовыми средствами) звене «0». Возможен и поворот - при переключении реверсирующего устройства 8 в режим с передаточным отношением =-1.
При движении транспортной машины по инерции (торможение) или под гору за счет силы тяжести, электрическую машину 5 используют в генераторном режиме, пополняя электроэнергией накопитель.
I
Для нештатного (аварийного) запуска основного двигателя (если дополнительный двигатель 5 не выполнен конструктивно как стартер-генератор, что, в принципе, не исключает заявляемое устройство), используют его, обеспечивая при этом кинематическую связь вала 6 с валом основного двигателя (сцепление включено, в коробке передач - не нейтраль), при этом в реверсирующем устройстве 8 устанавливают режим с таким знаком передаточного отношения , которое соответствует штатному направлению вращения вала основного двигателя.
При наличии понижающего редуктора 9 расширяются возможности оптимизации трансмиссии, а именно - согласования скоростей звеньев СМ с техническими характеристиками дополнительного двигателя 5 (скоростным диапазоном, крутящими моментами на валу 6 и т.д.).
Таким образом, заявляемое устройство, независимо от выбора того или иного частного случая схемы и конструкции, позволяет устранить отмеченные выше недостатки прототипа и улучшить технико-эксплуатационные (в приложении к транспортным машинам гражданским) или тактико-технические характеристики (в приложении к транспортным машинам военным и специальным), за счет возможности;
- во-первых, использования дополнительного двигателя в качестве тягового аварийного в случае выхода из строя основного двигателя или отсутствия топлива;
- во-вторых, использования дополнительного двигателя как параллельного потока мощности (момента) к движителю при прямолинейном движении.
- в-третьих, использования дополнительного двигателя для выработки, при необходимости, дополнительной электроэнергии без использования специализированного электрогенератора;
- в-четвертых, рекуперации электроэнергии без использования специализированного электрогенератора;
- в-пятых, аварийного запуска основного двигателя.