ПРИВОД ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА В СОСТАВЕ САМОХОДНОГО НАЗЕМНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
ELECTRICAL GENERATOR DRIVE IN THE STRUCTURE OF THE SELF-PROPELLED GROUND VEHICLE

Изобретение относится к наземным транспортным средствам (ТС), главным образом быстроходным - гусеничным и колесным (в том числе, к автомобилям) с бортовым (автономным) электрооборудованием, включающим в себя электрический генератор.
В настоящее время основным устройством автономной системы электроснабжения ТС является электрический генератор (стартер-генератор) с приводом от теплового двигателя (основного, ДВС), при этом собственно генератор представляет собой обратимую или необратимую электрическую машину со статором и ротором с приводом на ротор (вал ротора).
В автомобилях используется, как правило, стартер-генератор с механическим (ременным) приводом от коленчатого вала ДВС [См., например: Сборка двигателей автомобиль ВАЗ 2110 | 2111 | 2112. - Доступно на http://tuningtaza.ru/%D1%81%D0%B1%D0%BE%D1%80%D0%BA%D0%B0-%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8F-%D0%B0%D0%B2%D1%82%D0%BE%D0%BC%D0%BE%D0%B1%D0%B8%D0%BB %D1%8C-%D0%B2%D0%B0%D0%B7-2110-2111-2112.html].
Современные ТС, в том числе автомобили и быстроходные гусеничные машины, характеризуются высокой насыщенностью электропотребляющим оборудованием, большим «дальнодействием» и потребностью зачастую заводки с буксира или длительного движения на буксире в полуактивном режиме (т.е. при сохранении хотя бы частичной управляемости буксируемого ТС).
Известны различные способы и устройства обеспечения (увеличения) положительного баланса электроэнергии в бортовой сети ТС.
Так, известен способ обеспечения положительного баланса электроэнергии в бортовой сети автомобиля путем уменьшения частоты вращения ротора генератора, соответствующей как началу отдачи, так и отдаче номинальной мощности [Электрическое и электронное оборудование автомобилей / С.В. Акимов, Ю.И. Боровских, Ю.П. Чизков. - М.: Машиностроение, 1988. - 280 с. С. 11-13.]. Это, в свою очередь, ведет к существенному увеличению массогабаритных показателей генераторов, в том числе к увеличению суммарного момента инерции вращающихся масс подвижных элементов.
Известен способ обеспечения положительного баланса электроэнергии в бортовой сети ТС путем увеличения передаточного числа привода генератора [Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей. - М.: Транспорт, 1989. - 287 с. - С. 6.]. Однако в этом случае накладываются ограничения на максимальную частоту вращения коленчатого вала теплового двигателя и существенно возрастает нагрузка на элементы привода ротора генератора вследствие увеличения момента инерции вращающихся элементов.
Среди «экзотических» приводов генератора известны, например, приводы с дублирующим газотурбинным приводом генератора от выхлопных газов турбо-компаундного двигателя [SU477248, МПК F02B 37/00, 10.10.1975. Бюл. №26 от 15.07.1975; RU 2155875, МПК F02B 37/00, 10.09.2000]. В способе по последнему из указанных источников выпускные газы первоначально расширяют в турбине турбокомпрессора, а затем в силовой турбине с перепуском их мимо силовой турбины на частичных режимах работы и расширением в турбине привода генератора, при этом привод генератора осуществляют от упомянутой турбины через соответствующий редуктор, а его привод от коленчатого вала двигателя отключают. Очевидно, при этом реализуется принцип дублирования привода и расширяются возможности оптимизации выбора режима вращения ротора генератора в текущих эксплуатационных условиях ТС.
Однако такое дублирование весьма ограничено, ибо остается в рамках теплового двигателя и не снимает обозначенных выше проблем - прежде всего, аварийных запусков двигателя и управляемого длительного движения на буксире хотя бы с частичным функционированием электропотребляющего оборудования.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого изобретения, то есть совпадающим с ним по назначению и общим существенным конструктивным признакам, является привод электрического генератора в составе самоходного наземного транспортного средства («Привод генератора системы электроснабжения мобильного комплекса топопривязки»), содержащий механическую связь ротора (вала) электрического генератора с выходным валом теплового двигателя транспортного средства [RU 2410251 С1, МПК B60K 25/02, 27.01.2011].
В прототипе, таким образом, ротор (вал) электрического генератора механически связан только с выходным валом теплового двигателя, как и в подавляющем большинстве аналогов. При этом, согласно описанию прототипа, привод генератора содержит карданный вал, связанный одной стороной с коленчатым валом двигателя ТС, а другой стороной - посредством шлицевого соединения с валом, установленным в подшипниках опорного кронштейна, и ременную передачу, оснащенную двумя ремнями и двухканавочными шкивами. На другой стороне вала на подшипнике установлен двухканавочный шкив, жестко соединенный с диафрагмой электромагнитной муфты бесконтактного исполнения. Корпус муфты размещен при помощи шпоночного соединения на валу перед шкивом. Катушкодержатель электромагнитной муфты, в котором расположена катушка с якорем, неподвижно зафиксирован на опорном кронштейне и соединен с корпусом муфты посредством подшипника. Катушкодержатель и корпус разделены балластным зазором. Генератор и опорный кронштейн размещены на платформе, установленной на раме ТС и закрыты защитным кожухом.
Прототипу свойственны вышеприведенные недостатки аналогов.
Неисправность привода, равно как и теплового двигателя, делает невозможной выработку электроэнергии и в условиях отсутствия дублирующих средств снижается надежность системы электроснабжения и ТС в целом. При повышенном потребном электрообеспечении, свойственном современным и особенно некоторым специальным транспортным средствам (с электронной системой управления двигателем, трансмиссией, приборами освещения и др.) даже при исправной системе ощущается дефицит электроэнергии при автономной работе от электрического аккумулятора. Проблемы с пуском теплового двигателя с буксира и, главное - полноценного управления ТС при его буксировке (особенно длительной) с неисправным или выключенным тепловым двигателем другим ТС («тягачом»). В итоге - у прототипа недостаточно высокие технико-эксплуатационные (в приложении к гражданской сфере) или тактико-технические (в приложении к военной и специальной сферам) характеристики и возможности.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в устранении указанных недостатков прототипа и, соответственно, в улучшении технико-эксплуатационных или тактико-технических характеристик самоходных наземных ТС.
Решение поставленной проблемы достигается тем, что привод электрического генератора в составе самоходного наземного транспортного средства, содержащий механическую связь электрического генератора с выходным валом теплового двигателя транспортного средства, дополнительно содержит механическую связь электрического генератора с выходным валом трансмиссии транспортного средства посредством трехзвенного планетарного зубчатого механизма, первое, второе и третье основные звенья которого связаны, соответственно, с выходным валом теплового двигателя, выходным валом трансмиссии и ротором электрического генератора.
При этом под «выходным валом трансмиссии» понимается любое подвижное (вращательное) звено трансмиссии после коробки передач (КП), имеющее постоянную механическую связь с движителем (ведущим колесом) транспортного средства. Как правило, - выходной вал КП.
Решение поставленной задачи достигается также за счет дополнительных конструктивных признаков (при сформулированной выше основной совокупности признаков привода):
- между третьим звеном планетарного механизма и ротором электрического генератора может быть предусмотрено реверсирующее устройство, с возможностью сохранения направления вращения ротора электрического генератора при изменении направления вращения выходного вала трансмиссии (реверсируемый привод), благодаря которому обеспечивается работоспособность генератора при изменении направления вращения третьего планетарного ряда при включенной задней передаче в КП или в реверсивной трансмиссии, а значит - сохранение направления вращения ротора генератора);
- упомянутыми первым, вторым и третьим звеньями могут являться (выступать, быть использованы), соответственно, водило, солнце и эпицикл, причем как для реверсируемого привода, как минимум с одной передачей заднего хода в трансмиссии, так и для не реверсируемого привода (этим расширяются возможности оптимизации скоростных диапазонов вращения ротора генератора во всем спектре эксплуатационных режимов ТС, включая аварийные, преимущественно для ТС с планетарными трансмиссиями из компоновочных соображений, и относительно тихоходных ТС);
- упомянутыми первым, вторым и третьим звеньями могут являться (выступать, быть использованы), соответственно, солнце, водило и эпицикл, причем как для реверсируемого привода, как минимум с одной передачей заднего хода в трансмиссии, так и для не реверсируемого (этим расширяются возможности оптимизации скоростных диапазонов вращения ротора генератора во всем спектре эксплуатационных режимов ТС, включая аварийные, для всех типов трансмиссий, преимущественно с относительно высокими скоростями вращения выходного вала трансмиссии);
- по крайней мере, упомянутая дополнительная механическая связь может быть установлена в общем картере или на картере трансмиссии (этим обобщаются «инфраструктуры» указанной дополнительной механической связи привода генератора и трансмиссии ТС, т.е. системы монтажа, управления, смазки и охлаждения, а также расширяются компоновочные возможности трансмиссии в целом и возможности реализации принципа двухфункциональности к их звеньям).
Среди известных приводов электрических генераторов (генераторов-стартеров) 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 поставленной проблемой.
Заявляемое устройство привода электрического генератора пояснено чертежами:
на фиг. 1 показана обобщенная блочно-кинематическая схема привода электрического генератора, частный пример №1, характеризующийся взаимосвязью выходного вала двигателя с водилом дополнительно введенного трехзвенного планетарного механизма и выходного вала коробки передач с солнцем указанного трехзвенного механизма), где:
1
2
3
4
5
6
7
- солнце трехзвенного планетарного механизма (ПМ);  - водило ПМ;  - эпицикл ПМ;  - сателлиты (не основные звенья) ПМ;  - электрический генератор, с ротором и статором;  - трансмиссия или коробка передач (коробка перемены передач) в составе трансмиссии транспортного средства;  - реверсирующее устройство;
О
- обозначение выходного вала теплового двигателя;
Х
- обозначение выходного вала коробки передач/трансмиссии;
G
- обозначение ротора (вала ротора) электрического генератора;
ЭГ
- обозначение электрического генератора;
МП
- обозначение планетарного механизма в качестве привода ЭГ;
Р
- обозначение реверсирующего устройства к приводу генератора;
k
д
- параметр трехзвенного планетарного механизма (индекс «д» подчеркивает принадлежность ПМ и, соответственно, параметра «k» к дифференциальным механизмам);
на фиг. 2 - фрагмент схемы по фиг. 1 в части трехзвенного механизма (частный пример №1), где стрелками на звеньях показаны потоки мощности;
на фиг. 3 - кинематическая схема привода, частный пример №2, характеризующийся взаимосвязью выходного вала двигателя с солнцем дополнительного трехзвенного планетарного механизма и выходного вала трансмиссии с водилом указанного трехзвенного механизма, где стрелками на звеньях показаны потоки мощности;
i
на фиг. 4 показан пример вида плана угловых скоростей (т.е. качественные зависимости) основных зубчатых звеньев планетарного механизма и, соответственно, связанных с ним элементов, включая ротор G генератора, где ω - угловая скорость i-го звена.
Заявляемый привод, включающий элементы 1-4, может использоваться в системах электроснабжения ТС, содержащих как один, так и два электрических генератора.
k
д
В первом случае - по частному конструктивному примеру «А» - заявляемый привод электрического генератора 5 (ЭГ), в составе самоходного наземного транспортного средства (ТС) с гусеничным, колесным или иным движителем, представляет собой механическую связь ротора (входного вала) G генератора 5 (ЭГ) с источниками энергии. Он содержит в общем случае, т.е. по любому из возможных частных случаев конструктивного исполнения (см. фиг. 1-3) трехзвенный планетарный зубчатый механизм (дифференциальный механизм) ПМ в составе солнечного зубчатого звена (солнца) 1, водила 2 как второго основного звена механизма, эпициклического зубчатого звена (эпицикла) 3 и сателлитов 4, с параметром  в допустимых пределах (согласно теории планетарных передач).
Эпицикл 3 механически связан (непосредственно или опосредованно через реверсирующее устройство 7 (Р), показанное пунктиром на фиг. 1, или иную зубчатую передачу) с ротором (валом ротора) G генератора 5 (ЭГ).
0
X
В частном случае №1 (см. фиг. 1, 2) водило 2 механически связано (непосредственно или опосредованно через насосное колесо гидротрансформатора трансмиссии 6 (не показано) или иное звено, иные звенья) с выходным валом  теплового двигателя, как правило - коленчатым валом ДВС, а солнце 1-е выходным валом  трансмиссии 6 (конкретно КП в ее составе);
0
X
В частном случае №2 (см. фиг. 3), наоборот, солнце 1 механически связано (непосредственно или опосредованно через насосное колесо гидротрансформатора трансмиссии 6 или иное звено, иные звенья) с выходным валом  теплового двигателя, как правило - коленчатым валом ДВС, а водило 2-е выходным валом  трансмиссии 6 (конкретно КП в ее составе).
Реверсирующее устройство («реверс») 7 показано(ан) пунктиром на блок-схеме (см. фиг. 1) блоком по причине его широкой известности в различных реализациях в общем, в частности транспортном, машиностроении. Оно обеспечивает возможность изменения направления вращения ротора (вала ротора) G генератора (ЭГ) 5 при неизменном направлении вращения эпицикла 3, а значит - наоборот, сохранения направления вращения ротора (вала ротора) G генератора 5 (ЭГ) при изменении направления вращения эпицикла 3.
Возможны различные компоновочные решения. Представляется рациональной установка ПМ в общем картере (корпусе) или на картере (корпусе) трансмиссии 6 (в частности, КП в ее составе).
k
д
Говоря о выборе между частными примерами (случаями) №№1 и 2 подключения солнца 1 и водила 2 (см. фиг. 2 и 3), следует отметить, что такой выбор производится в каждом конкретном случае, как зависящий от множества таких факторов конкретной реализации, как значение коэффициента , др. геометрические и компоновочные особенности не только заявляемого привода, но и трансмиссии в целом, типа и марки генератора, и т.д.).
Статор генератора 5 (ЭГ) электрически связан с накопителем (буферным накопителем) электрической энергии, например, штатной аккумуляторной батареей в составе электрооборудования ТС (на фиг. 1-4 не показана, однако упоминание накопителя потребуется в описании работы устройства).
Устройство в примере «А» работает следующим образом.
В штатном режиме работы ТС (его автономное движение, т.е. за счет энергии собственного теплового двигателя) ротор (вал ротора) G приводится во вращение от вала теплового двигателя - за счет вращения звена 2 в примере №1 (см. фиг. 1, 2) или звена 1 в примере №2 (см. фиг. 3) и, одновременно, от выходного вала трансмиссии (коробки передач) X - за счет звена 1 в примере №1 (см. фиг. 1, 2) и звена 2 в примере №2 (см. фиг. 3). Генератор вырабатывает электрический ток, поступающий, как правило, в буферный накопитель электроэнергии (аккумулятор и/или конденсаторную батарею - не показаны) в составе ТС, пополняя бортовой запас электроэнергии. Расход же на питание электрооборудования ТС осуществляется с указанного накопителя.
При аварийной эксплуатации ТС - в условиях возможности его непродолжительного самостоятельного (автономного) перемещения, но с неисправной (например, заклиненной) механической связью ротора G генератора 5 (ЭГ) с валом теплового двигателя - продолжает функционировать заявляемая дополнительная механическая связь. При этом вращающийся в некотором неоптимальном режиме выходной вал X трансмиссии 6 приводит, тем не менее, во вращение соответствующее взаимосвязям в заявляемом приводе звено - либо солнце 1 (в примере №1), либо водило 2 (в примере №2).
0
G
При ненулевой скорости вращения вала 0 двигателя, а значит и оставшегося звена из пары звеньев 1, 2 (ω≠0), ротор G генератора 5 будет вращаться вместе со звеном 3 планетарного механизма с угловой скоростью ω согласно плану скоростей (см. фиг. 4), с соответствующей выработкой генератором 5 (ЭГ) электрической энергии.
Очевидно, и здесь главное - факт наличия привода с дополнительной механической связью «генератор 5 (ротор G) - вал X» плюс дифференциальная взаимосвязь всех звеньев.
x
0
G
При стоянке ТС с включенным тепловым двигателем (в трансмиссии 6 включена «нейтраль») звено 1 (в схеме №1) или 2 (в схеме №2) имеет нулевую скорость (ω=0), а другое звено из пары 1, 2, связанное с валом 0, вращается со скоростью, отличной от нулевой (ω≠0), вследствие чего звено 3 вместе с ротором G генератора 5 (ЭГ) вращается со скоростью (ω≠0), в соответствии с планом скоростей (см. фиг. 4), и происходит генерирование электроэнергии за счет механической связи «генератор 5 (ротор G) - вал 0» привода,
0
G
При аварийной эксплуатации ТС - в условиях невозможности его самостоятельного (автономного) перемещения из-за неисправности двигателя или отсутствия топлива, конкретно - в режимах заводки его теплового двигателя «с буксира» или длительной управляемой буксировки другим ТС («тягачом»), пассивно (через грунт) вращаемые ведущие элементы (ведущие колеса) движителя через выходной вал X трансмиссии 6 приводят во вращение соответствующее взаимосвязям в заявляемом приводе звено - либо солнце 1 (в примере №1), либо водило 2 (в примере №2). При нулевой скорости вращения вала 0 двигателя (ω=0) ротор G генератора 5 (ЭГ) будет вращаться вместе со звеном 3 ПМ с угловой скоростью ω согласно плану скоростей (см. фиг. 4), с соответствующей выработкой генератором 5 (ЭГ) электрической энергии.
Если направление вращения приводного звена (эпицикла) 3 изменяется (а это зависит от конкретного устройства КП или в целом трансмиссии 6), переключают(ется) схему(а) реверса 7 (Р) генератора 5 (ЭГ).
Звено 3, а значит и ротор G генератора 5 (ЭГ), может иметь нулевую скорость только в том случае, если одновременно равны нулю угловые скорости звеньев 1 и 2, связанных порознь с валами 0 и Х - с двигателем (двигатель не работает) и с ведущими элементами движителя (ТС не движется).
Во втором, более сложном примере «Б» использования заявляемого устройства в системах электроснабжения ТС (чертежами не проиллюстрировано ввиду доступности понимания в словесном изложении сути), с двумя генераторами - основным, как у аналогов (с механической связью «генератор - вал теплового двигателя» и поэтому здесь не нуждающимся в подробном описании), плюс вторым - дополнительным (резервным), электрически связанным с упомянутым накопителем электрической энергии и/или дополнительным («своим») накопителем энергии. При этом именно дополнительный (резервный) генератор имеет механические связи с валами 0 и X посредством заявляемого привода и является, по существу, основой резервной электрической системы электроснабжения ТС, а совокупность основного и дополнительного генераторов можно рассматривать как основу бортовой электростанции ТС. Устройство с двумя генераторами может быть рекомендовано для современных ТС с развитым энергопотребляющим оборудованием.
В конструкции может быть предусмотрена возможность автоматического и/или принудительного отключения одного из двух генераторов.
Если электрических накопителя два (при каждом генераторе - основном и дополнительном), устройство «Б» представляет собой дополнительную к основной (если априорно имеется и генератор и аккумуляторная батарея), резервную электрическую систему электроснабжения, то в качестве генератора 5 (ЭГ) рекомендуется использовать маломощный бесколлекторный электрический генератор с высокоемкостным буферным накопителем на основе конденсаторов с двойным электрическим слоем и системой преобразования и коммутации с микропроцессорным управлением.
Здесь перечисленные компоненты системы электроснабжения не описаны подробно и не проиллюстрированы, как выходящие за рамки предмета изобретения.
Во всех возможных эксплуатационных ситуациях, в которых оказывается ТС, работа или невозможность работы основного генератора аналогичны прототипу. Поэтому достаточно пояснить работу и причинно-следственную связь устройства с двумя генераторами как альтернативы системы с одним генератором, в рамках общих заявляемых конструктивных признаков обоих устройств.
При штатной эксплуатации, т.е. исправности всех насосов и их привода(ов), ротор основного насоса вращается за счет его механической связи с валом теплового двигателя. Параллельно работает и дополнительный насос за счет связи двух звеньев (1 и 2) с валом теплового двигателя и выходным валом X.
В то же время, во всех возможных эксплуатационных ситуациях дополнительный (резервный) генератор работает аналогично генератору 5 (ЭГ) в примере «А».
В конкретной организации (оптимизации) работы всей системы смазки и гидравлического управления трансмиссией и в частном случае с наличием принудительного или автоматического отключения/включения дополнительного насоса, часть времени система может работать за счет только основного насоса.
Особенность работы устройства по примеру «Б» и причина дополнительных (расширенных) технико-эксплуатационных возможностей такого частного случая состоит в возможности полноценной (как в штатном режиме), а в некоторых режимах (прежде всего, при совместной работе двух генераторов) и повышенной, выработки электроэнергии системой энергообеспечения в целом.
Говоря о выборе между устройствами по примерам «А» и «Б», следует подчеркнуть, что отказываться от использования стартера (см. начало обзора аналогов) представляется, в большинстве случаев, нецелесообразным, поскольку стартер сейчас достаточно компактен, а его наличие упрощает схему трансмиссии и расширяет свободу компоновочных решений по трансмиссии в целом.
Технический результат от использования заявляемого изобретения заключается в улучшении технико-эксплуатационных (в приложении к гражданской сфере) или тактико-технических (в приложении к военной и специальной сферам) характеристики возможностей транспортных средств (ТС), за счет:
- принципиальной возможности (доказанной заявляемым техническим решением) организации привода электрического генератора с помощью дифференциального механизма, объединяющего входное и выходное звенья трансмиссии ТС;
- повышения надежности бортовой системы электроснабжения ТС;
- существенного увеличения выработки электроэнергии бортовыми средствами, сообразно росту количества электропотребляющих бортовых устройств современных ТС (электронная система управления двигателем, трансмиссией, приборы освещения и др.), как с текущим ее расходованием, так и с аккумулированием в накопителях(е);
- возможности пуска двигателя с буксира ТС, в том числе при неработающей аккумуляторной батарее;
- возможности длительной буксировки ТС с выключенным двигателем, при сохранении работоспособности всех бортовых систем, в том числе - АБС.