УСТРОЙСТВО РЕКУПЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ ТОРМОЖЕНИЯ
VEHICLE BRAKING POWER RECUPERATOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области рекуперации энергии торможения транспортных машин, таких как гибридные силовые установки с ДВС и электромобили, а также к устройствам для осуществления указанной технологии.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известно устройство рекуперации энергии торможения [1] - (RU №2357876 С1, Гулиа Н.В. и др. от 10.06.2009), осуществляющее рекуперацию энергии торможения посредством двигателя, главного сцепления, вариатора, коробки передач с неподвижными осями и маховика, соединенного с вариатором зубчатой передачей с неподвижными осями. Перекачка энергии из маховика и обратно осуществляется посредством изменения передаточного отношения вариатора, соединенных последовательно с зубчатой передачей с неподвижными осями.
Теоретические основы способа сохранения постоянного значения кинетической энергии трансмиссии машины и маховика изложены в работе [2], известное устройство не реализует этот способ из-за того, что в нем отсутствует механический регулятор скорости вращения маховика.
Значительное повышение экономичности транспортной машины возможно при снижении потерь кинетической энергии при торможении, в идеале это достижимо путем сохранения постоянного значения кинетической энергии трансмиссии машины и маховика [2], что в свою очередь возможно только при автоматическом измерении текущей скорости трансмиссии машины и автоматическом воздействии ее на скорость вращения маховика. Для этого в систему управления рекуперации кинетической энергии торможения должен быть включен механический регулятор скорости вращения маховика с плавным управляющим воздействием на передаточное отношение между трансмиссией машины и маховиком.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ.
Целью настоящего изобретения является создание такого устройства, которое обеспечило бы полную рекуперацию энергии торможения путем автоматической работы на любых режимах движения машины. Поставленная цель достигается тем, что обмен кинетической энергии между маховиком и трансмиссией машины осуществляют изменением передаточного отношения планетарного дифференциала [3], который соединяет трансмиссию, двигатель с главным сцеплением и маховик. Изменение передаточного отношения кинематической цепи планетарного дифференциала, которая соединяет трансмиссию и маховик осуществляется посредством вариатора, соединенного с двигателем главным сцеплением.
Такое соединение планетарного дифференциала обеспечивает снижение потерь кинетической энергии при торможении путем сохранения постоянного значения кинетической энергии трансмиссии машины и маховика, что в свою очередь возможно только при автоматическом измерении текущей скорости трансмиссии машины так как планетарный дифференциал образует механический регулятор прямого действия, работающий по принципу Понселе [4].
Известно [1] устройство рекуперации энергии торможения, включающее неподвижный корпус, двигатель, главное сцепление, коробку передач, трансмиссию, соединенные последовательно, вариатор и маховик, соединенный с вариатором зубчатой передачей с неподвижными осями.
Предлагаемое устройство рекуперации энергии торможения отличается тем, что коробка передач (дополнительно) включает вариатор и планетарный дифференциал с двумя степенями подвижности, звенья которого соединены с трансмиссией, а также соединены с двигателем посредством главного сцепления и с маховиком посредством зубчатой передачи с неподвижными осями, причем вариатор соединен с двигателем посредством главного сцепления и с маховиком соединен посредством зубчатой передачи с неподвижными осями. Коробка передач дополнительно включает вариатор, в том смысле, что в известном устройстве вариатор присутствовал, но не был включен в кинематическую цепь изменения передаточного числа коробки передач между двигателем и трансмиссией, что является существенным отличием, так как такое включение делает работу коробки передач полностью автоматической.
Предлагается устройство рекуперации энергии торможения, включающее неподвижный корпус, двигатель, главное сцепление, коробку передач, трансмиссию, соединенные последовательно, вариатор и маховик, соединенный с вариатором зубчатой передачей с неподвижными осями, отличающееся тем, что коробка передач включает вариатор и планетарный дифференциал с двумя степенями подвижности, звенья которого соединены с трансмиссией, с двигателем посредством главного сцепления и с маховиком посредством зубчатой передачи с неподвижными осями, причем вариатор соединен с двигателем посредством главного сцепления и с маховиком соединен посредством зубчатой передачи с неподвижными осями.
Автоматическая коробка передач включает планетарный дифференциал с двумя степенями подвижности и вариатор, который соединяет два звена планетарного дифференциала, уменьшая его число степеней подвижности до единицы. Автоматическая коробка передач имеет рычаг управления, воздействующий на вариатор, который служит для изменения передаточного числа (отношения) как вариатора, так и кинематической цепи планетарного дифференциала, связанной с приводом маховика. Термин «автоматическая» коробка передач условен, так как в любой коробке передач происходит изменение передаточного числа, и термин применяется для названия коробок передач, в которых одновременно происходит управление скорости двигателя.
Предлагаемое устройство рекуперации энергии торможения отличается тем, что коробка передач (дополнительно) включает вариатор, который имеется в известном устройстве, но не входит в состав коробки передач, а включен в кинематическую цепь привода маховика и служит для изменения скорости вращения маховика, а не для изменения передаточного числа коробки передач и скорости машины. В предлагаемом устройстве рекуперации энергии торможения вариатор включен в состав коробки передач и служит для изменения передаточного числа коробки передач и скорости машины. Одновременно при этом меняется передаточное число (отношение) кинематической цепи привода маховика от планетарного дифференциала и происходит изменение скорости вращения маховика. Поскольку изменение передаточного числа (отношения) кинематической цепи привода маховика от планетарного дифференциала происходит автоматически при изменении передаточного числа коробки передач и скорости машины, то коробка передач, которая включает планетарный дифференциал с двумя степенями подвижности и вариатор, обоснованно может называться «автоматическая коробка передач», так как планетарный дифференциал является главным элементом системы автоматического управления скорости, работающей по принципу Понселе [3]. Разница в терминах передаточное число и отношение заключается в том, что «число» имеет положительное значение, а «отношение» предполагает наличие знака, т.е. направления скоростей.
Таким образом, коробка передач становится «автоматической», если вариатор соединяет два звена планетарного дифференциала с двумя степенями свободы, так как в ней автоматически происходит изменение скорости вращения маховика при изменении передаточного отношения и скорости трансмиссии. Это изменение соединения вариатора и коробки передач является значительным отличием предлагаемого устройства от известного, в котором вариатор входит в кинематическую цепь управления скорости вращения маховика.
Существенные признаки предлагаемого устройства, которые совпадают с признаками аналога, заключаются в том, что включают неподвижный корпус, двигатель, главное сцепление, коробку передач, трансмиссию, соединенные последовательно, вариатор и маховик, соединенный с вариатором зубчатой передачей с неподвижными осями.
Существенное отличие предлагаемого устройства от аналога заключаются в том, что коробка передач дополнительно включает вариатор, присутствующий в известном устройстве, но не включенный в состав коробки передач, и дополнительно включает планетарный дифференциал, звенья которого соединены с трансмиссией, с двигателем посредством главного сцепления и с маховиком посредством зубчатой передачи с неподвижными осями, причем вариатор соединен с двигателем посредством главного сцепления и с маховиком соединен посредством зубчатой передачи с неподвижными осями. Таким образом, существенное отличие предлагаемого устройства от аналога заключается в том, что изменение и установление новых соединений уже известных элементов приводит к появлению новых свойств у предлагаемого устройства, связанных с автоматическим управлением скорости вращения маховика.
Устройство рекуперации энергии торможения, включающее неподвижный корпус, двигатель, главное сцепление, коробку передач, трансмиссию, соединенные последовательно, вариатор и маховик, соединенный с вариатором зубчатой передачей с неподвижными осями, отличающееся тем, что коробка передач дополнительно включает вариатор и планетарный дифференциал, звенья которого соединены с трансмиссией, с двигателем посредством главного сцепления и с маховиком посредством зубчатой передачи с неподвижными осями, причем вариатор соединен с двигателем посредством главного сцепления и с маховиком соединен посредством зубчатой передачи с неподвижными осями.
Дополнительное отличие предлагаемого устройства состоит в том, что планетарный дифференциал имеет два центральных зубчатых колеса, вращающихся в неподвижном корпусе и зацепляющихся с сателлитом, размещенным с возможностью вращения на водиле, которое имеет возможность вращения в неподвижном корпусе и соединено с трансмиссией машины, причем одно из центральных зубчатых колес посредством главного сцепления соединено с двигателем, второе центральное зубчатое колесо посредством зубчатой передачи с неподвижными осями с отрицательным передаточным отношением соединено с выходным валом вариатора, входной вал которого посредством главного сцепления соединен с двигателем; причем с выходным валом вариатора соединен маховик посредством повышающей скорость зубчатой передачи с неподвижными осями.
Дополнительное отличие предлагаемого устройства состоит также в том, что планетарный дифференциал имеет два центральных зубчатых колеса, вращающихся в неподвижном корпусе и зацепляющихся с блоком из двух сателлитов, размещенным с возможностью вращения на водиле, которое соединено через главное сцепление с двигателем, причем одно из центральных зубчатых колес соединено с трансмиссией, второе центральное зубчатое колесо с помощью зубчатой передачи с неподвижными осями с отрицательным передаточным отношением соединено с выходным валом вариатора, входной вал которого с помощью главного сцепления соединен с двигателем, причем с выходным валом вариатора соединен маховик с помощью повышающей скорость зубчатой передачи с неподвижными осями.
Важное отличие предлагаемого устройства состоит в том, что маховик соединен с валом вариатора посредством дополнительного сцепления, причем параллельно маховику на валу закреплена обгонная муфта свободного хода, обеспечивающая возможность вращения маховика только в одну сторону.
Существенные признаки предлагаемого устройства, которые не совпадают с признаками аналога, заключаются в том, что коробка передач дополнительно включает вариатор и планетарный дифференциал, звенья которого соединены с трансмиссией, с двигателем посредством главного сцепления и с маховиком посредством зубчатой передачи с неподвижными осями, причем вариатор соединен с двигателем посредством главного сцепления и с маховиком соединен посредством зубчатой передачи с неподвижными осями.
Лучший вариант устройства отличается тем, что маховик соединен с валом маховика дополнительным сцеплением, причем параллельно маховику на валу закреплена обгонная муфта свободного хода, обеспечивающая возможность вращения маховика только в одну сторону.
Основная совокупность существенных признаков заявляемого устройства, позволяющая реализовать достижение заявленного технического результата, заключается в том, что коробка передач дополнительно включает вариатор и планетарный дифференциал, звенья которого соединены с трансмиссией, с двигателем посредством главного сцепления и с маховиком посредством зубчатой передачи с неподвижными осями с отрицательным передаточным отношением, причем вариатор соединен с двигателем посредством главного сцепления и с маховиком соединен посредством зубчатой передачи с неподвижными осями, а также тем, что маховик соединен с валом маховика дополнительным сцеплением. Причем параллельно маховику на валу закреплена обгонная муфта свободного хода, обеспечивающая возможность вращения маховика только в одну сторону.
Достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что коробка передач дополнительно включает вариатор и планетарный дифференциал, звенья которого соединены с трансмиссией, с двигателем посредством главного сцепления и с маховиком посредством зубчатой передачи с неподвижными осями, причем вариатор соединен с двигателем посредством главного сцепления и с маховиком соединен посредством зубчатой передачи с неподвижными осями, а также тем, что планетарный дифференциал образует механический регулятор прямого действия, работающий по принципу Понселе [4].
Сравнение свойств заявляемого и известного решений показывает, что у заявляемого решения появляются новые свойства, не совпадающие со свойствами известных решений, и что заявляемое решение обладает существенными отличиями.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сущность изобретения поясняется чертежами, где: 1, 3 - центральные зубчатые колеса (планетарного дифференциала 6); 2 - сателлит; 4 - водило; 5, 8, 9 - зубчатые колеса (передач с неподвижной осью вращения); 6 - планетарный дифференциал (коробки передач); 7 - маховик; 10 - ведущие колеса; 11 - главная передача; 12 - трансмиссия; 13 - двигатель; 14 - дополнительное сцепление; 15 - главное сцепление; 16 - вариатор (коробки передач); 17 - муфта свободного хода; 18 - рычаг управления вариатора; 19, 20 - шкивы вариатора; 21 - ремень вариатора; 22, 23 - выходной и входной валы вариатора; 24 - вал маховика; 25 - корпус; 26 - автоматическая коробка передач.
На фиг.1 изображена структурная схема устройства рекуперации энергии торможения. Мощность от двигателя 13 передается на ведущие колеса 10 через главное сцепление 15 и планетарный дифференциал 6 коробки передач, трансмиссию 12 и главную передачу 11. Таким образом реализуется первая степень свободы планетарного дифференциала 6 автоматической коробки передач 26, которая включает в себя вариатор 16. Вторая степень свободы коробки передач реализуется в приводе маховика 7 от планетарного дифференциала 6. По лучшему варианту устройства вторая степень свободы автоматической коробки передач реализуется обменом мощности маховика 7 с трансмиссией 12 через дополнительное сцепление 14, выключение которого позволяет сохранить кинетическую энергию маховика 7 при остановке и двигателя 13 и колес 10 машины.
На фиг.2. изображена кинематическая схема устройства рекуперации энергии торможения с известным [3] однорядным планетарным дифференциалом 6, входящим в состав автоматической коробки передач 26 (фиг.1) и состоящего из двух центральных зубчатых колес 1 и 3, зацепляющихся с сателлитом 2, который расположен на водиле 4. Автоматическая коробка передач 26 включает планетарный дифференциал 6 и вариатор 16, расположенные в общем корпусе 25.
Планетарный дифференциал имеет два центральных зубчатых колеса 1 и 3, вращающихся в неподвижном корпусе 25 и зацепляющихся с сателлитом 2, размещенным с возможностью вращения на водиле 4, которое имеет возможность вращения в неподвижном корпусе 25 и соединено с трансмиссией 12 машины, причем одно из центральных зубчатых колес посредством главного сцепления 15 соединено с двигателем, второе центральное зубчатое колесо посредством зубчатой передачи с неподвижными осями с отрицательным передаточным отношением соединено с выходным валом вариатора 22, входной вал 23 которого посредством главного сцепления 15 соединен с двигателем 13, причем с выходным валом 22 вариатора 16 соединен маховик 7 посредством повышающей скорость зубчатой передачи с неподвижными осями, составленной из зубчатых колес 8, 9, 5.
Схема планетарного дифференциала 6 общеизвестна, но обладает ранее не описанным свойством увеличения модуля скорости вращения зубчатого колеса 3 при снижении скоростей водила 4 и зубчатого колеса 1 при определенном выборе передаточного числа (отношения) планетарного дифференциала 6 и маховика 7 [2]. Кинематическая цепь передачи мощности двигателя 13 колесам 10 состоит из соединенных между собой двигателя 13, главного сцепления 15, вала 23, зубчатого колеса 1, водила 4, трансмиссии 12, главной передачи 12 и ведущих колес 10. Зубчатое колесо 3 приводится во вращение через зубчатую передачу с отрицательным передаточным отношением, состоящую из зубчатых колес 8, 9 и вариатором 16, состоящим из шкивов 19 и 20, охваченных ремнем 21, передаточное число которого меняется посредством рычага управления 18. Привод маховика 7 осуществляется валом 24 посредством зубчатой передачи, состоящей из зубчатых колес 5 и 8 от выходного вала 22 вариатора 16, входной вал 23 которого (вариатора 16) посредством главного сцепления 15 соединен с двигателем 13.
Лучший вариант устройства
На фиг.3 показана кинематическая схема лучшего варианта устройства рекуперации энергии торможения с двухрядным планетарным дифференциалом 6, состоящим из двух центральных зубчатых колес 1 и 3, зацепляющихся с блоком сателлитов 2, который расположен на водиле 4. Схема его общеизвестна [3], но также обладает ранее не описанным свойством увеличения модуля скорости вращения центрального зубчатого колеса 3 при снижении скоростей водила 4 и центрального зубчатого колеса 1. Кинематическая цепь передачи мощности двигателя 13 колесам 10 состоит из соединенных между собой двигателя 13, главного сцепления 15, входного вала 23, соединенного с водилом 4, сателлита 2, зацепляющегося с центральным зубчатым колесом 1, соединенным с трансмиссией 12, главной передачи 11 и ведущих колес 10. Дополнительный привод центрального зубчатого колеса 3 планетарного дифференциала 6 от маховика 7 осуществляется через зубчатую передачу с отрицательным передаточным отношением с неподвижной осью, состоящую из зубчатых колес 8, 9 и через зубчатую передачу с неподвижной осью зубчатых колес 5, 9 от выходного вала 22 вариатора 16. Передаточное отношение вариатора 16, состоящего из шкивов 19 и 20, охваченных ремнем 21, меняется с помощью рычага управления 18. Привод маховика 7 осуществляется через зубчатую передачу с неподвижной осью, состоящую из зубчатых колес 5 и 9 от выходного вала 22 вариатора 16, посредством шкивов 19 и 21 от входного вала 23, соединенного с главным сцеплением 15 двигателя 13.
Планетарный дифференциал 6 имеет два центральных зубчатых колеса 1 и 3, вращающихся в неподвижном корпусе 25 и зацепляющихся с блоком из двух сателлитов 2, размещенным с возможностью вращения на водиле 4, которое соединено через главное сцепление 15 с двигателем 13, причем одно из центральных зубчатых колес соединено с трансмиссией 12, второе центральное зубчатое колесо с помощью зубчатой передачи, составленной из зубчатых колес 8, 9 с неподвижными осями с отрицательным передаточным числом (отношением), соединено с выходным валом 22 вариатора 16, входной вал 23 которого с помощью главного сцепления 15 соединен с двигателем 13, причем с выходным валом 23 вариатора 16 соединен маховик 7 с помощью повышающей скорость зубчатой передачи с неподвижными осями, составленной из зубчатых колес 5, 9, 8.
Главное отличие схем устройств фиг.3 от фиг.2 состоит в том, что маховик 7 приводится во вращение через дополнительное сцепление 14, причем вращение маховика только в одном направлении обеспечивается его параллельным соединением с обгонной муфтой свободного хода 17. Выключение дополнительного сцепления 14 позволяет сохранить кинетическую энергию маховика 7 при остановке и двигателя 13 и колес 10 машины. Таким образом вариант лучшего решения привода маховика 7 посредством дополнительного сцепления 14 возможен и в схеме фиг.2.
Работа устройства
Маховик 7, соединяясь с помощью дополнительного сцепления 14 с одним из центральных колес планетарного дифференциала 6 и, остальные звенья которого соединены с трансмиссией 12 транспортной машины и двигателем любого типа 13, автоматически получает импульс на изменение скорости вращения в зависимости от скорости вращения трансмиссии 12 и двигателя 13 (фиг.1, 2, 3) от планетарного дифференциала 6, работающего в качестве регулятора прямого действия по принципу Понселе [4]. Перемещением рычага управления 18 вариатора 16 (фиг.3), меняющим передаточное отношение автоматической коробки передач 26 (фиг.1), и изменением скорости двигателя 13 управляется скорость вращения трансмиссии 12. При этом автоматически изменяется скорость вращения маховика 7. Изменение нагрузки на ведущие колеса 10 машины приводит к изменению скорости машины и трансмиссии 12. Если при этом практически не меняется скорость двигателя 13 (например, дизеля по регуляторной характеристике [4]), то меняется скорость вращения колеса 3 планетарного дифференциала 6. Это изменение его скорости через зубчатые передачи с неподвижными осями, состоящие из зубчатых колес 5, 8, 9, заставляет меняться скорость вращения маховика 7. Направление и величина этого изменения скорости определяется знаком и модулем передаточного отношения вспомогательной кинематической цепи связи маховика 7 с трансмиссией 12, как это происходит в системе автоматического регулирования с отрицательной обратной связью [4]. Если изменение нагрузки на ведущие колеса 10 машины приводит к изменению скорости машины и трансмиссии 12, то также это изменение его скорости через вариатор 16 и зубчатую передачу с неподвижными осями, состоящую из зубчатых колес 5, 8, 9, заставляет меняться скорость вращения маховика 7, как это происходит в системе автоматического регулирования скорости. В этих случаях изменение скорости вращения маховика 7 меняет его кинетическую энергию с в сторону сохранения постоянного значения общего запаса кинетической энергии системы трансмиссии маховика.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом [3]. При установившемся движении машины наблюдается баланс сил движущих и сопротивления на сателлите 2 планетарного дифференциала 6, поэтому мощность двигателя 13 передается кинематической цепью главного сцепления 15 планетарному дифференциалу 6, и через трансмиссию 12 и главную передачу 11 колесам 10. При разгоне дополнительная энергия автоматически передается от маховика 7 планетарному дифференциалу 6 за счет дисбаланса движущих сил и сил сопротивления на сателлите 2 [3]. При торможении машины этот дисбаланс сил движущих и сопротивления нарушается в обратную сторону, что вызывает направление энергии торможения от колес 10 в маховик 7.
В лучшем варианте устройства можно сохранить кинетическую энергию трансмиссии 12 при торможении машины в маховике 7, выключая дополнительное сцепление 14, и при полной остановке двигателя 13 и машины.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Заявляемое устройство рекуперации энергии торможения позволяет повысить эффективность транспортных машин и снизить расход энергии по сравнению с известными устройствами. Потери энергии машин увеличиваются при торможении и при их остановке. Применение его позволяет снизить потери энергии и повысить экономичность машин на любых неустановившихся режимах работы путем изменения передаточного отношения между трансмиссией транспортной машины и маховиком, что позволяет производить полную рекуперацию энергии торможения. Изменение передаточного отношения производится автоматически с помощью планетарного дифференциала, который работает в качестве регулятора скорости прямого действия.
Лучшими качествами обладает устройство, объединенное с автоматической коробкой передач, управляемой вариатором путем поддержания постоянного значения запаса кинетической энергии трансмиссии транспортной машины и маховика. Моделирование показало [2], что в соответствии с заявленным изобретением оно может быть реализовано с обеспечением безопасности работы.
Литература
1. Патент Гулиа Н.В. и др. RU (11) 2357875 С1, 10.06.2009.
2. Н.Н.Барбашов, И.В.Леонов. «Энергетическая модель механизма с маховичным аккумулятором энергии». Вестник МГТУ им. Н.Э.Баумана. №4. - 2010 г.
3. И.И.Артоболевский. Теория механизмов и машин. М.: Наука. 1975. 640 с.
4. Крутов В.И. Автоматическое регулирование ДВС. М.: Машгиз, 1963. 600 с.