ТРАНСМИССИЯ ДЛЯ ГИБРИДНОГО ТРАНСПОРТА
TRANSMISSION FOR HYBRID TRANSPORT

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.
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». Том 4 «Зубчатые механизмы» и Том 5 «Фрикционные механизмы». М.: Наука, 1980 г., а также в: Патент RU №2304735, Патент RU №2333405, Патент 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 патентных материалах RU №2651388 и RU 2688110, являются прототипом заявляемого устройства.
Задачей изобретения является осуществление простой бесступенчатой трансмиссии для разгона и управления оборотами ведомого вала с изменением крутящего момента и передаточного отношения, при работе двигателя на оптимальном режиме. Применение такой трансмиссии приведет к упрощению процесса разгона, уменьшению потерь и экономии энергии, а также к упрощению конструкции трансмиссии транспортного средства.
Указанная цель достигается тем, что согласно изобретению, в трансмиссию последовательно включены три механизма. Первый механизм состоит из генератора и асимметричного дифференциала. Вход дифференциала и ротор генератора соединены с валом привода. Один выход дифференциала соединен со статором генератора, который имеет возможность вращаться вокруг вала с ротором, образуя электрическую машину двойного вращения. Статор генератора также соединен с муфтой с синхронизатором или без него, которая при необходимости фиксирует его, соединяя с корпусом. Второй выход планетарного дифференциала соединен с входом второго механизма состоящего из планетарного дифференциала, соединенного с силовой муфтой скольжения любого типа. Один выход его соединен с ответной частью силовой муфты скольжения, а также соединен с муфтой с синхронизатором или без него, которая при необходимости фиксирует его, соединяя с корпусом. Второй выход планетарного дифференциала соединен с входом третьего механизма состоящего из планетарного дифференциала, соединенного с электроиндукционной муфтой. Вход дифференциала и индуктор электроиндукционной муфты соединены с выходом второго механизма, один выход дифференциала соединен с выходным валом трансмиссии, а второй с якорем электроиндукционной муфты.
При вращении вала привода генератор в первом механизме вырабатывает ток, а статор с ротором играют роль силовой муфты скольжения, потому, что при наличии электрической нагрузки в цепи генератора между ними возникает сила, увлекающая статор за ротором, частично блокирующая работу дифференциала, заставляющая статор вращаться вокруг своей оси и уменьшающая передаточное отношение дифференциала от вала привода к выходу устройства. Такое соединение мотора с генератором изменяет крутящий момент и передаточное отношение к выходу. Крутящий момент и передаточное отношение зависят от величины скольжения между статором и ротором, а величина скольжения зависит от нагрузки на ведомом валу. Чем больше нагрузка на ведомом валу, тем больше он тормозится, тем больше скольжение и тем больше увеличивается сила Ампера, при этом, если обороты вала двигателя удерживать постоянными, крутящий момент еще увеличивается, так как ротор в меньшей степени увлекает статор, скольжение увеличивается, вращение в большей степени передается через элементы дифференциала, влияя на обороты и крутящий момент. Крутящий момент также зависит от передаточного отношения планетарного дифференциала. Общее передаточное отношение через элементы дифференциала и вращение дифференциала вокруг оси увеличивается при увеличении скольжения между статором и ротором, потому что вращение в большей степени передается через элементы дифференциала, а в меньшей степени зависит от вращения всего механизма вокруг своей оси. Управление величиной скольжения в генераторе, а значит передаточным отношением и крутящим моментом механизма, также производится изменением электрической нагрузки в цепи генератора. Статор генератора соединен с муфтой с синхронизатором для его остановки, соединяя его с корпусом. Это позволяет использовать генератор для накопления энергии в аккумуляторах при остановке, а также при использовании его, в случае необходимости, как электромотор для старта.
С выхода первого механизма вращение поступает на вход второго механизма, на вход асимметричного дифференциала и силовую муфту скольжения. Один выход второго механизма соединен с его выходным валом, а второй выход соединен с ответной частью силовой муфты скольжения. Этот механизм выполняет функцию механизма сцепления, а также увеличивает на его выходе крутящий момент в процессе его работы, пока есть проскальзывание в муфте. После полного соединения муфты, когда проскальзывания нет, крутящий момент на выходе механизма равен крутящему моменту на его входе, а передаточное отношение равно единице. Второй выход дифференциала соединен также с муфтой с синхронизатором или без синхронизатора, соединяющей его с корпусом и фиксирующей его. Планетарный дифференциал включен так, что при соединении второго выхода с корпусом и его остановке, направление вращения вала выхода меняется на обратное, что необходимо для обеспечения режима обратного направления движения транспортного средства. С выхода второго механизма вращение подается на вход дифференциала, соединенного с электроиндукционной муфтой. Вход дифференциала соединен с индуктором электроиндукционной муфты, один выход дифференциала соединен с выходным валом трансмиссии, а второй выход соединен с якорем электроиндукционной муфты. Возможен вариант, когда якорь и индуктор электроиндукционной муфты включены наоборот, якорь соединен с входом дифференциала, а индуктор с вторым выходом дифференциала. При нагрузке на валу трансмиссии возникает скольжение между индуктором и якорем электроиндукционной муфты, и часть вращения будет передаваться через элементы дифференциала. Передаточное отношение и крутящий момент увеличатся. С увеличением нагрузки скольжение будет расти, это приведет к росту силы Ампера. Это также приводит к росту крутящего момента. Изменяя ток возбуждения электроиндукционной муфты, можно также управлять крутящим моментом на ведомом валу. В этом механизме вместо электроиндукционной муфты может быть второй генератор. Он работает аналогично варианту механизма соединения планетарного дифференциала и электроиндукционной муфты.
Электрический ток, произведенный генератором, подается на электродвигатели, соединенные с элементами привода транспортного средства, например с колесами, не подключенными к ведомому валу трансмиссии. Эти электродвигатели, подключаются через устройство, состоящее из планетарного дифференциала и электроиндукционной силовой муфтой скольжения, индуктор которой, а также вход дифференциала соединены с валом электродвигателя. Якорь соединен с одним выходом дифференциала, а второй выход соединен с ведомым колесом. Крутящий момент и передаточное отношение зависит от скольжения между индуктором и якорем. На крутящий момент влияет сила Ампера и передаточное отношение дифференциала, которые при увеличении скольжения увеличиваются автоматически. Электроиндукционная силовая муфта скольжения может быть заменена генератором электрического тока. Вал электродвигателя соединен с входом дифференциала и с якорем или индуктором электромагнитной муфты. Один выход дифференциала подключен на ведомый вал, к колесу, а второй выход дифференциала соединен с ответной частью электроиндукционной 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 якоря 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 изменяются. При старте передаточное отношение от электродвигателя к ведомому колесу максимально, крутящий момент также максимален и кратно превышает крутящий момент электродвигателя. Изменяя ток возбуждения, изменяют силу, увлекающую индуктор за якорем, управляя оборотами и крутящим моментом на ведомом валу. Если индуктор с постоянными магнитами, то управление оборотами и крутящим моментом происходит в пределах изменения скольжения между якорем и индуктором. В схеме конструкции якорь и индуктор могут быть заменены местами. В конструкцию электропривода колеса может быть включена обгонная муфта, соединенная с статором и ответной частью с корпусом, допускающая вращение индуктора, если это электроиндукционная муфта, или статора если это генератор, только в направлении вращения ротора. Это позволит увеличить крутящий момент при разгоне. Если скольжение между статором и ротором достигнет величины, когда статор должен будет вращаться в обратном направлении, тогда обгонная муфта это предотвратит, соединив статор с корпусом. При этом передаточное отношение дифференциала будет максимальным и до максимальной величины вырастет крутящий момент на его выходе.
Изобретение поясняется чертежом. На Рис. 1 показана схема механизма трансмиссии. Вал привода 1 соединен с ротором генератора 2 и водилом с сателлитами планетарного дифференциала 6. Статор генератора 3 соединен с центральной шестерней 7 и статором генератора 4 и свободно вращаются на валу привода. Муфта 4 соединенная со статором имеет возможность соединить статор с корпусом, остановить его вращение. Венец 5 соединен валом 9 с входом механизма сцепления. При вращении вала привода и ротора, венец стремится вращаться в ту же сторону, но с оборотами, уменьшенными пропорционально передаточному отношению планетарной передачи, а центральное колесо со статором стремится вращаться в обратную сторону. Но между статором и ротором генератора, при вырабатывании электрического тока, возникает сила сцепления, сила Ампера. Она пропорциональна величине скольжения между статором и ротором. Ротор увлекает статор и частично блокирует дифференциал, уменьшая передаточное отношение механизма и увеличивая скорость вращения вала 9. При замедлении вращения вала 9 и увеличении скольжения, большая часть энергии передается через шестерни дифференциала, увеличивая при этом крутящий момент на валу 9. При передаточном отношении дифференциала равном двум, на вал 9 передается увеличенный в два раз крутящий момент, а на статоре генератора при этом крутящий момент равный крутящему моменту ротора. При соединении муфты 4 статор останавливается, и генератор может работать в качестве электромотора или вырабатывать электрический ток для зарядки аккумуляторных батарей и суперконденсатора. Вал 9 соединен с фрикционной муфтой 8 и с центральным колесом планетарного дифференциала 14. Вращение через водило 13 с сателлитами 12 передается на венец 11 и далее на вал 15. Муфта 10, соединяющая водило с сателлитами, при ее включении фиксмрует водило с сателлитами с корпусом и останавливает его. При проскальзывании во фрикционной муфте часть энергии вращения идет через сателлиты на венец и вращает вал 15, а часть через вращение дифференциала вместе с муфтой вокруг оси. Если передаточное отношение в дифференциале равно двум, то, в начале разгона, когда проскальзывание велико, крутящий момент на валу 15 превышает крутящий момент на валу 9 в два раза. При уменьшении проскальзывания в процессе разгона вала 15, он уменьшается и, когда фрикционная муфта не проскальзывает, весь механизм сцепления, муфта с дифференциалом вращается вокруг своей оси. При этом крутящий момент на валу 15 равен крутящему моменту на валу 9. Элементы дифференциала относительно друг друга неподвижны. Если муфта 8 разомкнута, а муфта 10 включена, то водило с сателлитами останавливается, венец вращается в обратную сторону, обеспечивая транспортному средству задний ход. Вал 15 передает вращение на якорь электроиндукционной муфты 16 и водило планетарного дифференциала с сателлитами 19. Один выход дифференциала, венец 18, передает вращение на ведомый вал трансмиссии 21, а второй его выход, центральное колесо 20, соединен с индуктором электроиндукционной муфты 17, которое стремится вращаться в обратную сторону. Но сила сцепления увлекает индуктор за якорем, заставляя весь механизм вращаться вокруг оси, разгоняя ведомый вал.
На Рис. 2 показана схема механизма подключения электродвигателя к колесу. Вал электродвигателя 22 соединен с водилом планетарной передачи 24, на котором установлены сателлиты 25, соединенные с центральным колесом 23 и венцом планетарной передачи 26, Венец планетарной передачи соединен с ведомым валом 29. Центральное колесо 23 жестко соединено с индуктором 27 или, если вместо электромагнитной муфты используется генератор, с его статором. Индуктор и центральное колесо свободно вращаются на валу. На валу электродвигателя также установлен и жестко с ним соединен якорь муфты 28, а в случае генератора, его ротор. Якорь связан с индуктором 27 электроиндукционной связью. При вращении вала электродвигателя, венец планетарной передачи 26 и якорь электроиндукционной силовой муфты 28 вращаются в одну сторону, а центральное колесо 23 с индуктором 27 стремится к вращению в другую сторону. Но сила индукции, возникающая при взаимном вращении якоря и индуктора, увлекает индуктор и центральное колесо, связанное с ним и частично блокирует дифференциал, заставляя ведомое колесо ускоряться.