СИЛОВАЯ ПЕРЕДАЧА ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СИЛОВОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ
POWER TRAIN FOR VEHICLE AND METHOD FOR POWER TRAIN CONTROL

ОБЛАСТЬ И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к движителю транспортного средства согласно ограничительной части п. 1 формулы изобретения. Изобретение относится также к способу управления таким движителем согласно ограничительной части п. 13 формулы изобретения.
Комбинированные транспортные средства могут приводиться в действие первым первичным движителем, которым может быть двигатель внутреннего сгорания, и вторым первичным движителем, которым может быть электрическая машина. Электрическая машина будет оборудована по меньшей мере одним аккумулятором для хранения электрической энергии и регулирующим оборудованием, предназначенным для регулирования потока электрической энергии между аккумулятором и электрической машиной. Электрическая машина может таким образом поочередно служить двигателем и генератором, в зависимости от рабочего состояния транспортного средства. Когда транспортное средство тормозит, электрическая машина вырабатывает электрическую энергию, которая затем хранится в аккумуляторе. Хранящаяся электрическая энергия используется затем для эксплуатации транспортного средства.
Использование обычного механизма сцепления, который отсоединяет входной вал коробки передач от двигателя в процессах переключения передач в коробке передач имеет недостатки, заключающиеся, например, в нагреве дисков механизма сцепления, что ведет к повышению расхода топлива и износу диска сцепления. Кроме того, обычный механизм сцепления является относительно тяжелым и дорогостоящим. Он занимает также относительно большое пространство в транспортном средстве.
Соединение выходного вала двигателя, ротора электрической машины и входного вала коробки передач с планетарной передачей позволяет обходиться без обычного механизма сцепления. Ускорение транспортного средства приведет к подаче усиленного крутящего момента от двигателя и электрической машины на коробку передач и оттуда на ведущие колеса транспортного средства. Тот факт, что как двигатель, так и электрическая машина соединяются с планетарной передачей, означает, что максимальный крутящий момент, передаваемый двигателем и электрической машиной, будет ограничиваться тем, какой из этих первичных движителей имеет максимальный крутящий момент по сравнению с другим. В случае, если максимальный крутящий момент электрической машины будет ниже, чем у двигателя, электрическая машина не сможет генерировать достаточный реактивный крутящий момент на планетарном зубчатом колесе, в результате чего двигатель не может передавать свой максимальный крутящий момент на коробку передач и затем на ведущие колеса транспортного средства. Поэтому максимальный крутящий момент, который может передаваться на коробку передач, ограничивается мощностью электрической машины. В частности, когда требуется мощное ускорение транспортного средства и электрическая машина не может вырабатывать достаточный реактивный крутящий момент, в электрической машине будет вырабатываться нежелательное тепло.
Публикация заявки США № 2003/0078127 А1 относится к системе движителя транспортного средства с двигателем внутреннего сгорания и электродвигателем, которые соединены с планетарной передачей. Водило планетарной передачи и основное зубчатое колесо планетарного механизма могут быть прочно соединены втулкой, так что электрическая машина и входной вал коробки передач могут вращаться как постоянный вращающийся блок.
Пространство, которое имеется в транспортном средстве для движителя, часто ограничено. Если движитель содержит несколько компонентов, например, двигатель внутреннего сгорания, электрическую машину, коробку передач и планетарную передачу, его конфигурация должна быть компактной. По этой причине желательно, чтобы размеры электрической машины были небольшими, что ограничивает ее мощность и выработку максимального возможного крутящего момента.
Требуется также, чтобы компоненты движителя обладали высокой надежностью и высокой безопасностью в эксплуатации и могли бы передавать большой крутящий момент при наличии в то же время небольших размеров и малого веса.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание движителя транспортного средства, имеющего компактную конструкцию.
Другой задачей изобретения является создание движителя транспортного средства, обладающего высокой надежностью и высокой безопасностью в эксплуатации.
Еще одной задачей изобретения является создание движителя транспортного средства с передающими крутящий момент компонентами, которые имеют небольшие размеры и малый вес.
Эти задачи решаются посредством создания движителя, упомянутого во введении, который характеризуется признаками, указанными в отличительной части п. 1 формулы.
Они также решаются посредством создания способа управления движителем, упомянутого во введении, который характеризуется признаками, указанными в отличительной части п. 13 формулы.
Тот факт, что стопорная втулка прочно соединяет выходной вал двигателя со входным валом коробки передач через планетарную передачу, позволяет достичь желательное ускорение транспортного средства в то время, когда размеры и мощность электрической машины могут быть ограничены, что ведет к получению компактного движителя с ограниченными размерами. Также возможно, чтобы максимальный крутящий момент, который может создавать электрическая машина, становился ниже максимального крутящего момента, который может создаваться двигателем. Тот факт, что стопорная втулка прочно соединяет выходной вал двигателя со входным валом коробки передач через планетарную передачу, делает возможным достижение большого плеча передачи крутящего момента, что означает, что стопорная втулка, а также компоненты планетарной передачи могут иметь небольшие размеры и малый вес.
Согласно варианту реализации изобретения стопорная втулка снабжается шлицами, которые в первом положении взаимодействуют со шлицами первого подвижного компонента планетарной передачи и во втором положении взаимодействуют также со шлицами второго подвижного компонента планетарной передачи. Это допускает то, что стопорная втулка и водило планетарной передачи имеют небольшие размеры и малый вес. Шлицевое соединение позволяет также добиться компактной конфигурации, которая обладает высокой надежностью и высокой безопасностью в эксплуатации.
Согласно другому варианту реализации стопорная втулка имеет по меньшей мере одну выемку, для взаимодействия с которой приспособлен по меньшей мере один центрирующий выступ первого подвижного компонента. Выемка и центрирующий выступ обеспечивают надежное движение стопорной втулки между первым и вторым положениями.
Согласно другому варианту реализации по меньшей мере одна выемка в стопорной втулке конфигурирована так, что стопорная втулка удерживается во втором положении в то время, когда по меньшей мере один центрирующий выступ вставлен в стопорную часть, образуемую в выемке, и стопорная втулка и второй подвижный компонент вращаются вокруг общей оси вращения. Таким образом, не требуется дополнительных средств для удерживания стопорной втулки со втором положении, что ведет к получению компактной конфигурации, высокой надежности и высокой безопасности в эксплуатации.
Планетарная передача обычно содержит три компонента, приспособленные для вращения относительно друг друга, а именно - центральное зубчатое колесо, водило планетарной передачи и кольцевое зубчатое колесо. Зная количество зубцов, которые имеют центральное зубчатое колесо и кольцевое зубчатое колесо, можно определить в процессе работы скорости вращения трех компонентов. Согласно настоящему изобретению один из компонентов планетарной передачи соединяется с выходным валом двигателя. Этот компонент планетарной передачи вращается поэтому со скоростью, соответствующей скорости выходного вала двигателя. Второй компонент планетарной передачи соединяется со входным валом коробки передач. Этот компонент планетарной передачи вращается поэтому с такой же скоростью, что и входной вал коробки передач. Третий компонент планетарной передачи соединяется с ротором электрической машины. Этот компонент планетарной передачи вращается поэтому с такой же скоростью, что и ротор электрической машины, если они соединены непосредственно друг с другом. С другой стороны, электрическая машина может быть соединена с третьим компонентом планетарной передачи через трансмиссию, которая имеет передаточное отношение, когда электрическая машина и третий компонент планетарной передачи могут вращаться с различными скоростями. Скорость электрический машин может регулироваться бесступенчато. В рабочих ситуациях, когда входному валу коробки передач требуется придание нужной скорости, блок управления использует сведения о скорости двигателя для расчета скорости, с которой третий компонент должен приводиться в действие для того, чтобы входной вал коробки передач вращался с нужной скоростью. Блок управления приводит в действие электрическую машину, так что она придает расчетную скорость третьему компоненту и, следовательно, нужную скорость входному валу коробки передач.
Дальнейшие преимущества изобретения будут раскрыты в подробном описании, приведенном ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Предпочтительный вариант реализации изобретения описан ниже в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 - вид сбоку транспортного средства с движителем согласно настоящему изобретению;
фиг. 2 - вид в поперечном разрезе движителя согласно настоящему изобретению со стопорной втулкой в первом положении;
фиг. 3 - вид в поперечном разрезе движителя согласно настоящему изобретению со стопорной втулкой во втором положении;
фиг. 4 - вид в перспективе стопорной втулки согласно настоящему изобретению;
фиг. 5 - детальный вид выемки в стопорной втулке согласно настоящему изобретению;
фиг. 6 - блок-схема, иллюстрирующая способ управления движителем согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 1 показан вид сбоку транспортного средства 1, снабженного движителем 2 согласно настоящему изобретению. Двигатель 4 внутреннего сгорания соединяется с электрической машиной 6 и коробкой 8 передач через планетарную передачу 10. Коробка передач соединяется также с ведущими колесами 12 транспортного средства.
На фиг. 2 показан вид в поперечном разрезе движителя 2 согласно настоящему изобретению. Планетарная передача 10 содержит подвижные компоненты в форме центрального зубчатого колеса 18, кольцевого зубчатого колеса 20 и водила 22 планетарной передачи. В изображенном варианте реализации центральное зубчатое колесо 18 соединяется с выходным валом двигателя 14 для образования составного блока. Можно также соединить выходной вал двигателя 14 с кольцевым зубчатым колесом 20 или водилом 22 планетарной передачи. Центральное зубчатое колесо 18 затем соединяется с электрической машиной 6 или коробкой 8 передач. Это ведет к получению различных передаточных отношений, зависящих от того, какие компоненты планетарной передачи 10 соединяются с двигателем 4, электрической машиной 6 или коробкой 8 передач.
Электрическая машина 6 содержит статор 24 и ротор 26. Статор прочно соединяется с транспортным средством и поэтому не вращается. Ротор соединяется с кольцевым зубчатым колесом 20 и может поэтому вращаться относительно статора. В изображенном примере варианта реализации кольцевое зубчатое колесо 20 и ротор электрической машины 26 образуют составной блок, но они могут также быть отдельными блоками, соединенными между собой.
Входной вал 27 коробки 8 передач соединяется с водилом планетарной передачи, которое содержит ряд зубчатых колес, которые упоминаются как планетарные зубчатые колеса 28, которые поддерживаются на водиле планетарной передачи с помощью, например, подшипников 36 качения. В изображенном варианте реализации центральное зубчатое колесо 18 аналогичным образом поддерживается на водиле планетарной передачи подшипниками 37 качения. Зубцы 30 планетарных зубчатых колес 28 взаимодействуют с соответствующими зубцами 32, 34 на центральном зубчатом колесе 18 и на кольцевом зубчатом колесе 20.
При торможении двигателя водитель отпускает педаль газа транспортного средства (не показана). Входной вал 27 коробки передач затем приводит в действие электрическую машину 6, в то время как двигатель 4 и электрическая машина 6 применяют торможение двигателя. В этой ситуации электрическая машина 6 вырабатывает электрическую энергию, которая затем хранится в бортовом аккумуляторе 50. Это рабочее состояние называют рекуперативным торможением. Электрическая машина 6 служит таким образом генератором и при этом создает противодействующий момент крутящему моменту от коробки передач, вызывая торможение транспортного средства, поскольку коробка передач соединяется с ведущими колесами.
Во время ускорения транспортного средства 1 увеличенная величина крутящего момента должна передаваться от двигателя 4 и электрической машины 6 к коробке 8 передач и далее на ведущие колеса 12 транспортного средства. Поскольку как двигатель, так и электрическая машина соединяются с планетарной передачей 10, максимальный крутящий момент, который может передаваться двигателем 4 и электрической машиной 6, ограничивается любым из этих первичных движителей 4, 6, имеющим более низкий крутящий момент, чем другой. В случае, если максимальный крутящий момент электрической машины ниже крутящего момента двигателя, электрическая машина не сможет генерировать достаточный реактивный крутящий момент на планетарной передаче, в результате чего двигатель не может передавать максимальный крутящий момент на коробку передач и далее на ведущие колеса. Максимальный крутящий момент, который может передаваться на коробку передач, ограничивается поэтому мощностью электрической машины. В частности, в случае, когда требуется мощное ускорение транспортного средства и электрическая машина не может генерировать достаточный реактивный крутящий момент, в электрической машине будет вырабатываться нежелательное тепло.
Соединение выходного вала 14 двигателя со входным валом 27 коробки передач посредством стопорной втулки 38 через планетарную передачу 10 позволяет добиться желательного ускорения транспортного средства и в то же время ограничить размеры и мощность электрической машины, что позволяет получить компактный движитель 2 с ограниченными размерами. Это означает также, что максимальный крутящий момент, который может генерировать электрическая машина, может быть ниже, чем тот, который может генерироваться двигателем.
Стопорная втулка 38 может двигаться между первым и вторым положением. Первое положение вызывает вращение выходного вала 14 двигателя и входного вала 27 коробки передач с различными скоростями через планетарную передачу 10. В своем втором положении стопорная втулка 38 прочно соединяет выходной вал 14 двигателя со входным валом 27 коробки передач через планетарную передачу 10.
Стопорная втулка 38 снабжена шлицами 64, которые в первом положении взаимодействуют со шлицами 66 на кольцевом зубчатом колесе 20. Во втором положении шлицы 64 стопорной втулки могут взаимодействовать со шлицами 68 водила планетарной передачи. Стопорная втулка имеет форму кольцевой втулки, которая может по существу концентрически охватывать часть 47 периферии кольцевого зубчатого колеса и часть 49 периферии водила планетарной передачи. Шлицы 64 находятся на внутренней окружности стопорной втулки и имеют длину в осевом направлении, которая позволяет им одновременно взаимодействовать со шлицами на кольцевом зубчатом колесе 20 и водиле 22 планетарной передачи. Шлицы 66, которыми снабжено кольцевое зубчатое колесо, предпочтительно находятся на наружной периферии кольцевого зубчатого колеса. Шлицы 68, которыми снабжено водило планетарной передачи, предпочтительно находятся на наружной периферии водила планетарной передачи. Результатом является большое плечо передачи крутящего момента для передачи крутящего момента стопорной втулкой.
Выходной вал 14 двигателя, ротор 26 электрической машины, входной вал 27 коробки передач и стопорная втулка 28 выполнены с возможностью вращения вокруг общей оси 48 вращения.
Стопорная втулка 38 может сдвигаться аксиально вдоль периферии кольцевого зубчатого колеса 20 и периферии водила 22 планетарной передачи при движении между первым и вторым положениями. Предусмотрена вилка 53 переключения для передвижения стопорной втулки между первым и вторым положениями. Вилка переключения ходит в пазу 62, предусмотренном на наружной периферии стопорной втулки. Вилка переключения предпочтительно управляется пневматическим цилиндром 54, соединенным с источником 56 сжатого воздуха. Пневматический цилиндр имеет поршневой шток, на котором установлена вилка переключения.
Для переключения и перемещения стопорной втулки 38 из первого положения во второе двигателем 4 и электрической машиной 6 управляют так, что между выходным валом 14 двигателя и планетарной передачей 10 возникает не создающее крутящего момента состояние. Это предусматривает использование блока 55 управления, который приспособлен также для создания для электрической машины 6 в определенных подходящих ситуациях эксплуатации положения с использованием накопленной электрической энергии для подачи на входной вал 27 коробки передач движущей силы, а в других ситуациях эксплуатации положения с использованием кинетической энергии входного вала коробки передач для генерирования и хранения электрической энергии. Блок 55 управления поэтому следит за скоростями вращения и/или крутящими моментами выходного вала 14 двигателя, входного вала 27 коробки передач и ротора электрической машины 26 как основой для управления двигателем и электрической машиной таким образом, что между выходным валом двигателя и планетарной передачей возникает не создающее крутящего момента состояние. При достижении не создающего крутящего момента состояния стопорная втулка 38 смещается и переводится во второе положение блоком управления, приводящим в действие источник 56 сжатого воздуха для подачи сжатого воздуха в пневматический цилиндр 54 по линии 58 так, что цилиндр толкает стопорную втулку с помощью вилки 53. Блок 55 управления соединяется с двигателем 4, коробкой 8 передач, электрической машиной 6 и источником 56 сжатого воздуха через электрические проводники 60. Блок управления контролирует таким образом движение стопорной втулки 38. Существует возможность использования отдельного блока управления для источника сжатого воздуха.
Блок 55 управления приспособлен таким образом к управлению стопорной втулкой 38 и также к определению того, в каких случаях электрическая машина 6 должна служить мотором, и когда - генератором. Для определения этого блок управления может принимать текущую информацию от подходящих эксплуатационных параметров, указанных выше. Блоком управления может быть компьютер с подходящим для этой цели программным обеспечением. Блок управления контролирует также прохождение электрической энергии между аккумулятором 50 и статором 24 электрической машины. В то время когда электрическая машина служит мотором, накопленная электрическая энергия подается от аккумулятора на статор. В то время когда электрическая машина служит генератором, электрическая энергия подается от статора на аккумулятор.
На фиг. 3 показан вид в поперечном разрезе движителя 2 согласно настоящему изобретению со стопорной втулкой 38 во втором положении, при котором выходной вал 14 двигателя и входной вал 27 коробки передач прочно соединяются между собой стопорной втулкой через планетарную передачу 10. Для того чтобы сделать это перемещение стопорной втулки возможным, блок 55 управления будет сначала управлять двигателем и электрической машиной так, что возникает не создающее крутящего момента состояние между выходным валом 14 двигателя и входным валом 27 коробки передач, как описано выше относительно фиг. 2.
Когда транспортное средство разгоняется до нужной скорости, вилкой 53 переключения управляют так, что стопорная втулка 38 возвращается в первое положение. В то же время двигатель и электрическая машина управляются блоком 55 управления так, что между выходным валом 14 двигателя и планетарной передачей 10 возникает не создающее крутящего момента состояние. При достижении не создающего крутящего момента состоянии стопорная втулка смещается и переводится в первое положение. Когда стопорная втулка возвращается в первое положение, привод транспортного средства может осуществляться как двигателем, так и электрической машиной.
На фиг. 4 показан вид в перспективе стопорной втулки 38 согласно настоящему изобретению. Она принимает форму кольцевой втулки со шлицами 64 на внутренней окружности. Схема показывает также паз 62, предназначенный для сдвига вилки переключения в наружной периферии втулки. Поверхность внутренней окружности втулки снабжена по меньшей мере одной выемкой, для взаимодействия с которой приспособлен по меньшей мере один центрирующий выступ 40 на наружной периферии кольцевого зубчатого колеса, как показано на фиг. 2 и 3. На фиг. 4 три выемки 42 расположены через равные промежутки вокруг втулки. Центрирующие выступы 40 должны соответствовать количеству и промежуткам по периферии кольцевого зубчатого колеса 20. Выемки 42 имеют аксиальную протяженность и сконфигурированы так, что стопорная втулка удерживается во втором положении, когда центрирующие выступы 40 вставлены в стопорную часть 70 в выемках 42.
На фиг. 5 показан детальный вид выемки 42 в стопорной втулке 38 согласно настоящему изобретению. Эта выемка идет в направлении аксиальной протяженности втулки. Выемка снабжена протяженной частью 72 с по существу параллельными противоположными поверхностями 74 первой стенки, разделенными расстоянием, которые больше как диаметра центрирующего выступа 40, так и люфта шлицевых соединений 64, 66, 68. В первом положении таким образом предотвращается прилегание и трение центрирующего выступа 40 о поверхности 74 первой стенки в выемке 42. Протяженная часть 72 связывается со стопорной частью 70, которая имеет поверхности стенки 76, расположенные напротив и на определенном расстоянии друг от друга и имеет радиус, по существу соответствующий радиусу центрирующего выступа 40. Стопорная часть расположена относительно шлицов 64 стопорной втулки так, что когда центрирующий выступ 40 находится в центре 79 стопорной части в аксиальном направлении во втулке, вилка 53 не прилегает к наружному пазу 62 втулки. Протяженная часть 72 выемки 42 располагается между шлицами 64 стопорной втулки 38 и стопорной частью 70 выемки 42.
Когда стопорную втулку 38 нужно перевести из первого положения во второе, двигателем 4 и электрической машиной 6 сначала управляют так, что между кольцевым зубчатым колесом 20 и водилом 22 планетарной передачи возникает не создающее крутящего момента состояние. Затем приводится в действие пневматический цилиндр 54, так что вилка 53 переводит стопорную втулку. Выемка 42, таким образом, переводится из положения, при котором центрирующий выступ 40 находится ближе всего к шлицу 64 стопорной втулки, в положение, при котором центрирующий выступ близок к центру стопорной части 70 в аксиальном направлении в стопорной втулке. Когда шлицы 64 стопорной втулки входят во взаимодействие со шлицами 68 водила планетарной передачи, на втулке возникает крутящий момент, создающий усилие в направлении по окружности, т.е. перпендикулярно протяженности выемки 42. Поверхности 76 второй стенки стопорной части входят затем в контакт с наружной периферийной поверхностью центрирующего выступа, который таким образом становится центрированным в стопорной части. Поэтому не имеет важности перемещение вилкой переключения 53 втулки 38 во в точности правильное положение, поскольку конфигурация поверхностей 76 второй стенки  выемки 42 автоматически ведет к тому, что центрирующий выступ 40 принимает правильное положение. Когда центрирующий выступ находится в центре 79 стопорного положения 70, в аксиальном направлении стопорной втулки, вилка не прилегает к наружному пазу 62 стопорной втулки 62, так что между этими компонентами не возникает никакого трения. В направлении по окружности стопорной втулки, однако, нет необходимости центрирования центрирующего выступа в стопорной части для предотвращения прилегания вилки к наружному пазу 62 стопорной втулки.
Для того чтобы переместить стопорную втулку 38 аксиально из второго положения в первое, двигателем 4 и электрической машиной 6 управляют так, что между кольцевым зубчатым колесом 20 и водилом 22 планетарной передачи возникает не создающее крутящего момента состояние. В не создающем крутящего момента состоянии стопорная часть 70 в выемке 42 сможет оставлять центрирующий выступ 40 с тем результатом, что стопорная втулка может быть передвинута аксиально посредством вилки 53.
На фиг. 6 показана блок-схема, иллюстрирующая способ управления движителем 2 согласно настоящему изобретению. Способ согласно изобретению характеризуется этапами, на которых:
а) управляют двигателем 4 и электрической машиной 6 таким образом, что между выходным валом 14 двигателя и входным валом 27 коробки передач возникает не создающее крутящего момента состояние, и
b) прочно соединяют выходной вал 14 двигателя и планетарную передачу 10 между собой стопорной втулкой 38, перемещаемой из первого положения, при котором выходной вал 14 двигателя и входной вал 27 коробки передач вращаются с различными скоростями с помощью планетарной передачи 10, во второе положение, при котором стопорная втулка прочно соединяет выходной вал двигателя со входным валом коробки передач с помощью планетарной передачи.
Упомянутые выше компоненты и признаки могут комбинироваться в рамках объема изобретения в различных упомянутых вариантах реализации.