ГИБРИДНЫЙ ПРИВОД
HYBRID DRIVE

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 на валу 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». Том 4 «Зубчатые механизмы» и Том 5 «Фрикционные механизмы». М.: Наука, 1980 г., а также в: Патент RU №2304735, Патент RU №2333405.
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.
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 трансмиссии последовательно включены два дифференциальных механизма, каждый имеющий вход и два выхода. Вход первого дифференциального механизма соединен с двигателем транспортного средства, а один его выход соединен с входом второго дифференциала. На валу двигателя, соединенном с входом первого дифференциала, находится соединенный с ним ротор генератора. Статор генератора соединен со вторым выходом первого дифференциала и имеет возможность вращаться вокруг оси. Статор образует с ротором так называемую электрическую машину двойного вращения, иначе электрическую машину с двумя степенями свободы. Второй выход дифференциала также соединен с управляемой муфтой, ответная часть которой соединена с корпусом трансмиссии, имеющей возможность стопорить второй выход, соединяя его с неподвижным элементом. С выхода первого дифференциала вращение вала передается на вход второго дифференциального устройства, вход и два выхода которого 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 этого дифференциала. Вращение от двигателя передается на ротор генератора и на вход первого дифференциала, затем через его элементы на ведомый вал, который вращается в ту же сторону, в которую вращается вал двигателя, и на второй выход дифференциала, соединенный со статором генератора, который силой реакции стремится вращаться в сторону, обратную направлению вращения ротора генератора, ведущего и ведомого валов. При наличии электрической нагрузки в цепи генератора между статором и ротором в результате взаимоиндукции возникает сила, увлекающая статор за ротором, частично блокирующая дифференциал и приводящая 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. При увеличении электрической нагрузки в цепи генератора скольжение ротора и статора при постоянной нагрузке на валу будет уменьшаться, скорость вращения ведомого вала будет увеличиваться, а крутящий момент уменьшаться. 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, и энергия двигателя тратится только на вырабатывание электрического тока либо на запуск двигателя, так как генератор является обратимой электрической машиной и может быть использован для пуска двигателя или для повышения крутящего момента на выходе при движения в режиме «пониженной передачи». 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 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 здесь выполняет функцию механизма сцепления, но она не соединяет ведущий и ведомый валы, а только управляет работой дифференциального механизма. Общее максимальное передаточное отношение трансмиссии будет определяться произведением максимального передаточного отношения первого механизма на максимальное передаточное отношение второго. Минимальное передаточное отношение может быть достаточно малым, но не может быть равным единице, так как при работе генератора имеет место взаимное относительное вращение между ротором и статором.
Электрический ток, произведенный генератором, при управлении работой первого дифференциального механизма подается на электродвигатели, соединенные с колесами транспортного средства, не подключенными к ведомому валу трансмиссии. Эти электродвигатели могут быть любого типа, а также, согласно изобретению, могут иметь в своем устройстве два ротора, объединенных электроиндукционной связью и соединенных посредством дифференциального механизма. Основной ротор электродвигателя подключен к входу дифференциала, а два его выхода подключены: один к валу электродвигателя, соединенному с колесом, а второй к вспомогательному ротору, установленному концентрично с ротором электродвигателя и связанному с ним электроиндукционной связью, таким образом, что оба ротора образуют электромагнитную муфту. Ротор электродвигателя при вращении увлекает за собой вспомогательный ротор, уменьшая передаточное отношение дифференциала и увеличивая скорость вращения ведомого вала.
При увеличении нагрузки на ведомом валу электродвигателя скольжение роторов относительно друг друга увеличивается, передаточное отношение увеличивается. Обороты вала электродвигателя 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. При старте на ведомом валу крутящий момент максимальный, а обороты минимальные, величина которых определяется параметрами элементов дифференциального устройства.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 показана трансмиссия от вала привода 1 до ведомого вала 15. Вал привода 1 соединен с ротором генератора 2 и с центральным колесом первого дифференциала 4. При вращении вала привода энергия двигателя передается через сателлиты 6, соединенные между собой, установленные и свободно вращающиеся на водиле 5, на центральное колесо 7. Статор генератора 3 соединен с водилом 5 и может вращаться с ним вокруг оси. При наличии нагрузки на ведомом валу водило 5 будет стремиться к вращению в сторону, обратную вращению ведущего вала 1, но включенная в цепь генератора электрическая нагрузка создает силу, увлекающую статор генератора 3 и соединенное с ним водило 5 за ротором генератора 2, частично блокируя дифференциальное устройство, увеличивая его скорость вращения вокруг оси, уменьшая его передаточное отношение и увеличивая скорость вращения ведомого вала. Изменяя электрическую нагрузку в цепи генератора, можно управлять передаточным отношением и крутящим моментом на ведомом валу этого механизма. Управляемая муфта 8 при необходимости может соединить водило 5 с корпусом трансмиссии и остановить статор генератора, что дает возможность всю энергию двигателя транспортного средства использовать для получения электричества, использовать генератор как электродвигатель для пуска двигателя транспортного средства либо осуществлять движение в режиме «пониженной передачи». Далее вращение с центрального колеса 7 передается на центральное колесо 9 второго дифференциального механизма и диск 10 фрикционной муфты. Ответный диск фрикционной муфты 11 соединен с водилом второго дифференциального механизма 12 и, при наличии сил трения во фрикционной муфте, при ее проскальзывании, частично блокирует второе дифференциальное устройство, уменьшая качение сателлитов 13, соединенных между собой и свободно вращающихся на водиле 12, по центральным колесам 9 и 14, увеличивая скорость вращения всего дифференциального механизма вокруг оси, уменьшая его передаточное отношение и увеличивая скорость вращения ведомого вала 15. При полном блокировании фрикционной муфтой второго дифференциального устройства его передаточное отношение равно единице.
Электрический ток, вырабатываемый генератором, поступает на потребители и в том числе на питание электромотора, схема которого показана на фиг.2. На валу электродвигателя 16 свободно вращается ротор электродвигателя 17, соединенный с центральной шестерней планетарного дифференциала 18. Обмотка ротора электродвигателя 23 связана с одной стороны электроиндукционной связью с обмоткой статора 22, а с другой стороны с обмоткой вспомогательного ротора 24, который образует с ротором электродвигателя электромагнитную муфту. Вращение ротора 17 и шестерни 18 через сателлиты 19, установленные на водиле 20, соединенные между собой, но свободно вращающиеся на водиле, передают вращение на шестерню 21, соединенную с валом двигателя 16. При вращении ротора электродвигателя 17 и центральной шестерни 18, при наличии нагрузки на валу 16 водило 20 и соединенный с ним вспомогательный ротор стремятся вращаться в сторону, обратную направлению вращения ротора электродвигателя, но так как он с ротором электродвигателя образует электромагнитную муфту и связан с ним индуктивно, он увлекается за ротором электродвигателя и частично блокирует дифференциал, уменьшая передаточное отношение механизма, увеличивая скорость вращения ведомого вала электродвигателя 16. При уменьшении на валу потребной нагрузки скольжение между роторами уменьшится, качение сателлитов по центральным колесам уменьшится, передаточное отношение дифференциала уменьшится, скорость вала электродвигателя увеличится. При увеличении нагрузки на валу электродвигателя скольжение роторов увеличится, сателлиты быстрее покатятся по центральным колесам, передаточное отношение дифференциального устройства автоматически увеличится, скорость вращения вала уменьшится, а крутящий момент увеличится.