ГИБРИДНЫЙ ПРИВОД, В ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ АВТОМОБИЛЯ
HYBRID DRIVE, PARTICULARLY, AUTOMOTIVE DRIVE

Изобретение относится к гибридному приводу, в частности, для автомобиля.
Под гибридным приводом понимается привод, который помимо двигателя внутреннего сгорания (ДВС) содержит также электродвигатель для привода вообще рабочей машины, а в случае автомобиля - ведущих колес на выбор с помощью ДВС или электродвигателя. Рассматривается также комбинированный режим с одновременным приводом рабочей машины или автомобиля посредством ДВС и электродвигателя.
Обычно в гибридном приводе, если он выполнен с единственным электродвигателем, электродвигатель расположен между ДВС и присоединенной к нему коробкой передач. «Присоединенная» в смысле настоящего описания означает при этом, что коробка передач содержит ведущий вал, приводимый ДВС для привода ведомого вала коробки передач, причем последний, в свою очередь, находится в кинематической связи с рабочей машиной или в случае автомобиля - с ведущими колесами. В смысле потока приводной мощности, и в частности, если смотреть также в осевом направлении коленчатого вала ДВС, коробка передач расположена, следовательно, за ДВС.
Например, ДВС, электродвигатель и коробка передач в соответствии с уровнем техники непосредственно примыкают друг к другу. Это приводит к увеличению необходимой осевой конструктивной длины всего привода, включающего в себя три названных агрегата, по сравнению с традиционным приводом, который оборудован только ДВС и присоединенной к нему коробкой передач. Из-за имеющегося в распоряжении ограниченного конструктивного пространства, в частности в автомобиле, это осевое продолжение нежелательно и к тому же затрудняет дооборудование обычно приводимого только с помощью ДВС автомобиля электродвигателем для получения гибридного привода (см. US 2006/0293144 A1, US 2004/0040810 A1, DE 10008344 A1, US 5537967, DE 3627370 A1, DE-AS 1032109, DE 3030640 A1, FR 2832358 B1, US 6332257 В1).
В основе изобретения лежит задача создания гибридного привода, который по сравнению с традиционным приводом только с ДВС не увеличен или лишь незначительно увеличен по осевой длине. В частности, гибридный привод должен быть недорогим в изготовлении, монтаже и дооборудовании. Наконец, должно быть возможным использование предпочтительно электродвигателей разной мощности и тем самым разной конструктивной величины при одной и той же трансмиссии с ДВС, чтобы за счет подходящего выбора электродвигателя из большого числа разных по величине электродвигателей получить нужный индивидуальный гибридный привод. Размещение электродвигателя на коробке передач, т.е. создание кинематической связи между электродвигателем и коробкой передач, должно осуществляться так, чтобы она не мешала герметизированным от окружающего пространства гидродинамическим компонентам, в частности расположенному в коробке передач гидротрансформатору.
Предложенный гибридный привод, в частности для автомобиля, содержит ДВС и присоединенную к нему коробку передач, причем последняя приводится ДВС. Также предусмотрен электродвигатель с электрически приводимым ротором, дополнительно приводящим коробку передач. Электродвигатель присоединен, например, к коробке передач, или его картеру, или снаружи к коробке передач или вообще взаимодействует с ней таким образом, что ротор находится, по меньшей мере, в косвенной кинематической связи с ведомым валом коробки передач, в частности находится в непосредственной кинематической связи, например через ступени зубчатых колес, в частности одну или две ступени зубчатых колес, с ведущим валом коробки передач или жестко соединенной с ним деталью.
Ведущий вал коробки передач приводится ДВС и проходит в продольном направлении коробки передач. Он находится в косвенной кинематической связи с ведомым валом коробки передач, причем предусмотрено несколько переключаемых вручную или автоматически передач для установления различных передаточных отношений между ведущим и ведомым валами в кинематической цепи.
Согласно изобретению, электродвигатель своей продольной осью и/или своей осью вращения, т.е. осью вращения ротора, присоединен сбоку снаружи к коробке передач параллельно или, в основном, параллельно ведущему валу. Сбоку и снаружи к коробке передач означает при этом, что электродвигатель может быть окружен картером коробки передач, однако, в основном, находится радиально вне или, если смотреть в продольном направлении, рядом с переключаемыми передачами или различными муфтами, в частности многодисковыми муфтами, которые содержит такая коробка передач. Продольная ось электродвигателя определяется его внешними габаритами и проходит в направлении наибольшей протяженности. Таким образом, расположение электродвигателя можно описать как параллельное коробке передач.
В одном варианте осуществления изобретения ведомый вал также расположен в продольном направлении коробки передач, в частности соосно с ведущим валом. В этом варианте ведомый вал расположен тем самым также параллельно оси вращения и/или продольной оси электродвигателя.
Чтобы можно было обеспечить оптимальный доступ к электродвигателю снаружи коробки передач, например для его обслуживания или замены или дооборудования, в одном варианте осуществления изобретения электродвигатель расположен на вспомогательном приводе коробки передач, т.е. ввод его мощности происходит параллельно вводу мощности ведущего вала в коробку передач через выведенную сбоку и снаружи нее кинематическую связь, например ступень зубчатых колес. Ввод мощности электродвигателя в коробку передач происходит при этом в направлении потока приводной мощности, если смотреть от ведущего вала к ведомому, предпочтительно перед переключаемыми ступенями в коробке передач и, согласно изобретению, перед гидротрансформатором, который, как правило, установлен в автоматической коробке передач. Например, ведущий вал несет в зоне ведущей торцевой стороны коробки передач зубчатое колесо. Под ведущей торцевой стороной коробки передач следует при этом понимать торцевую сторону коробки передач, которая обращена к ДВС или которой коробка передач непосредственно присоединена к ДВС. Установленное на ведущем валу зубчатое колесо может находиться в непосредственном зацеплении с зубчатым колесом на роторе электродвигателя, или, чтобы обеспечить большее расстояние электродвигателя от коробки передач или от ведущего вала, между установленным на ведущем валу зубчатым колесом и зубчатым колесом ротора электродвигателя может быть предусмотрено промежуточное зубчатое колесо, которое находится в зацеплении с зубчатым колесом на ведущем валу и с зубчатым колесом ротора.
В качестве альтернативы можно также создать кинематическую связь посредством клинового ремня или цепи. В этом случае первичный вал может нести соответственно шкив или звездочку, который/которая посредством ремня, зубчатого ремня, клинового ремня, цепи и т.п. соединена соответственно со шкивом или звездочкой, который/которая придан/придана ротору электродвигателя или установлен/установлена на нем.
Чтобы можно было присоединить к коробке передач сравнительно небольшой электродвигатель относительно высокой мощности за счет относительно высокой частоты вращения, ввод приводной мощности электродвигателя в коробку передач происходит предпочтительно через понижающую ступень. Это значит, что частота вращения ротора электродвигателя выше, чем приводимого им во вращение входного вала коробки передач, в частности ведущего вала или элемента вращения, вращающегося с частотой вращения ведущего вала и, в частности, жестко присоединенного к нему. Передаточное отношение понижающей ступени составляет, например, 1:3, т.е. ротор электродвигателя вращается в три раза быстрее, чем входной вал коробки передач или ведущий вал.
Электродвигатель выполнен предпочтительно в виде асинхронной машины, имеющей протяженность в направлении своей оси вращения, которая больше диаметра.
Электродвигатель может, например, находиться в постоянной кинематической связи с коробкой передач, в частности ведущим валом. Таким образом, он не может отсоединяться от коробки передач или ведущего вала, и может отпасть разъемное соединение или выключаемая муфта.
Согласно первому варианту, между ДВС и ведущим валом коробки передач предусмотрено разделительное сцепление для разобщения ДВС и коробки передач или ведущих колес. Согласно второму варианту, также кинематическая связь между ДВС и ведущим валом свободна от такого разделительного сцепления. В этом случае коленчатый вал ДВС в состоянии чисто электропривода, а ДВС и электродвигатель или коленчатый вал ДВС и ротор электродвигателя находятся, в частности, в постоянной неразъемной кинематической связи.
Изобретение описано ниже на примере его осуществления. На чертежах изображены:
- фиг.1: вид сверху на ведомую торцевую сторону коробки передач и соответствующую, расположенную параллельно ей торцевую сторону электродвигателя;
- фиг.2: вид сверху на коробку передач и присоединенный к ней сбоку электродвигатель;
- фиг.3: схематичный осевой разрез электродвигателя и коробки передач из фиг.2, причем электродвигатель схематично показан под коробкой передач, где он также может быть расположен;
- фиг.4: схематичное расположение гибридного привода в автомобиле, например автобусе;
- фиг.5: схематичный разрез из фиг.3 с вводом приводной мощности электродвигателя перед гидродинамическим контуром гидротрансформатора через его колокол или через маховик электродвигателя.
Прежде всего, следует рассмотреть фиг.4, на которой изображены ДВС 1, присоединенная к нему коробка передач 2 и расположенный параллельно ей электродвигатель 3. Коробка передач 2 несет на своей обращенной к ДВС 1 ведущей торцевой стороне 2.1 ведущий вал (не показан), приводимый ДВС 1. На своей ведомой торцевой стороне 2.2, расположенной противоположно ведущей торцевой стороне 2.1, виден ведомый вал 5, который через карданный вал соединен с дифференциалом ведущего моста.
Электродвигатель 3, выполненный в данном примере в виде асинхронной машины, через инвертор 20 соединен с накопителем электрической энергии, в частности аккумулятором 21. Таким образом, можно использовать электродвигатель 3 также в качестве генератора, чтобы всегда тогда, когда автомобиль должен быть заторможен, преобразовывать механическую энергию в электрическую энергию и накапливать ее в аккумуляторе 21. В других рабочих состояниях, в которых автомобиль должен быть электрически ускорен, электродвигатель 3 приводится посредством энергии из аккумулятора 21 и передает приводной момент через коробку передач 2 на ведущий вал или ведущие колеса автомобиля. Предусмотрено соответствующее устройство управления 22, которое управляет зарядкой и разрядкой аккумулятора 21, а также приведением в действие электродвигателя 3.
На фиг.1 и 2 еще раз показано расположение электродвигателя 3 параллельно коробке передач 2 (см. ось вращения 16 электродвигателя 3, проходящую параллельно оси вращения 17 коробки передач 2). Ось вращения 17 коробки передач 2 является той осью вращения, вокруг которой вращается ведущий вал 4 и/или ведомый вал 5 коробки передач 2. Ось вращения 16 соответствует в данном примере продольной оси 10 электродвигателя 3, причем продольная ось 10 определяется более длинной протяженностью электродвигателя 3 в этом направлении по сравнению с его диаметром.
В данном примере электродвигатель 3 установлен на коробке передач 2 консольно, а именно посредством кронштейна 15, расположенного в зоне ведущей торцевой стороны 2.1 коробки передач 2 на ее картере 14. Корпус 18 электродвигателя 3 присоединен с геометрическим замыканием к кронштейну 15 или той части картера 14 коробки передач 2, которая образует кронштейн 15, в частности прифланцован посредством резьбового соединения.
На фиг.3 еще раз показано внутреннее устройство, охватываемое корпусом 18 электродвигателя 3 и картером 14 коробки передач 2. Картер 14, если смотреть от ведущей торцевой стороны 2.1 в направлении ведомой торцевой стороны 2.2, охватывает сначала дифференциал 12, посредством которого приводная мощность может передаваться от ведущего вала 4 одновременно через расположенный дальше сзади в коробке передач 2 гидротрансформатор 11 и через расположенную параллельно ему, чисто механическую кинематическую ветвь на ведомый вал 5 через различные, содержащие планетарную передачу и многодисковые муфты переключаемые ступени 19 для включения передних передач и, по меньшей мере, одной задней передачи. Далее внутри картера 14 перед дифференциалом 12 расположено еще входное сцепление 23, чтобы выборочно прерывать или создавать кинематическую связь между ДВС (на фиг.3 не показан) или входным валом 4 и так называемой входной корзиной 24. При этом входная корзина 24 образует тот элемент вращения, который при включенном входном сцеплении 23 вращается с частотой вращения ведущего вала 4 и размещает в себе компоненты дифференциала 12, а также в данном примере другие муфты для передач.
Входная корзина 24 несет на своей радиально внешней периферии наружное зубчатое колесо 25, которое образует ответвление мощности из коробки передач 2 к электродвигателю 3. Это наружное зубчатое колесо 25 расположено в заполненной маслом, герметизированной от окружающего пространства или в свободной от масла камере, которая в этом случае заполнена, например, воздухом под окружающим давлением и, в частности, влагонепроницаемо не герметизирована от окружающего пространства. Однако, как правило, для смазки зубчатых колес предпочтительно выполнение с заполненной (по меньшей мере, частично) маслом камерой.
Наружное зубчатое колесо 25 находится в зацеплении с промежуточным зубчатым колесом 7, которое, в свою очередь, находится в зацеплении с зубчатым колесом 8 на роторе 9 электродвигателя 3. Оси вращения наружного 25, промежуточного 7, роторного 8 зубчатых колес и ротора 9, причем ось вращения ротора 9 совпадает с осью вращения его зубчатого колеса 8, проходят, таким образом, параллельно друг другу и параллельно ведущему валу 4.
В примере на фиг.3 наружное зубчатое колесо 25 входной корзины 24 представляет собой тем самым вспомогательное ведомое звено или вспомогательный привод в зависимости от направления потока мощности от коробки передач 2 к электродвигателю 3 или от электродвигателя 3 в коробку передач 2. За счет сравнительно большего диаметра наружного зубчатого колеса 25 по сравнению с роторным 8 и промежуточным 7 зубчатыми колесами между электродвигателем 3 и входной корзиной 24 или ведущим валом 4 образована понижающая передача (по отношению к приводу с электродвигателем 3), так что электродвигатель 3 может работать со сравнительно высокой частотой вращения для обеспечения большой приводной мощности при относительно малом конструктивном пространстве. Если электродвигатель 3 работает в режиме генератора, то эти ступени зубчатых колес представляют собой повышающую передачу.
На фиг.3 еще раз показано консольное расположение электродвигателя 3. Он установлен своим корпусом 18 за счет резьбового соединения между корпусом 18 и картером 14 или кронштейном 15, только на той торцевой стороне 6, на которой расположен ротор 9. Таким образом, могут быть предусмотрены особенно легкая замена электродвигателя 3 и недорогой монтаж. В случае, если кинематическая связь между электродвигателем 3 и коробкой передач 2 выполнена в виде работающих в масле ступеней зубчатых колес, можно достичь особенно легкой герметизации между корпусом 18 и картером 14.
Разумеется, электродвигатель 3 может быть расположен на коробке передач 2 параллельно и сбоку снаружи, причем под термином «сбоку» подразумевается как положение справа и слева по отношению к оси вращения 17 коробки передач 2 или ведущего вала 4, так и положение над и под коробкой передач 2, также с дополнительной опорой электродвигателя на нее, например в зоне его обращенной к коробке передач стороны.
На фиг.5 изображен возможный ввод приводной мощности электродвигателя 3 в коробку передач 2, если смотреть в направлении ее потока от ДВС 1 к ведомому валу 5, перед гидродинамическим контуром встроенного в коробку передач 2 гидротрансформатора 11. При этом гидротрансформатор 11, как здесь показано, может быть расположен в зоне входа коробки передач, так что его насосное колесо Р приводится непосредственно ведущим валом 4, или ведущий вал 4 выполнен в виде приводимого корпуса или колокола гидротрансформатора, с которым насосное колесо Р жестко соединено или выполнено за одно целое.
Гидротрансформатор 11 может быть выполнен в виде гидротрансформатора «Трилок» с выборочно фиксируемым реактором L, см. стояночный тормоз или муфту 26 между неподвижным корпусом гидротрансформатора и реактором L, которая выполнена, например, в виде муфты с пакетами дисков. В качестве альтернативы можно также предусмотреть другой гидротрансформатор, например такой, в котором насосное колесо Р постоянно фиксировано.
Буквой Т обозначено турбинное колесо гидротрансформатора 11, которое находится в кинематической связи с его ведомым валом 27 или установлено на нем.
Корпус или колокол гидротрансформатора, образующий в данном примере входной вал 4, несет на своей внешней периферии наружное зубчатое колесо 25, установленное с возможностью привода или приводимое электродвигателем 3. В остальном вспомогательный привод соответствует вспомогательному приводу на фиг.3 (см. роторное 8 и промежуточное 7 зубчатые колеса).
В качестве альтернативы также маховик 28 электродвигателя 3, расположенный непосредственно на ведущей торцевой стороне 2.1 коробки передач 2 в ее картере 14 или вне него, может нести наружное зубчатое колесо 25, посредством которого приводная мощность электродвигателя 3 вводится в коробку передач 2 или передается на ведущий вал 4.
Преимущество ввода приводной мощности электродвигателя в коробку передач перед гидротрансформатором по отношению к направлению потока мощности от ДВС к ведомому валу коробки передач заключается в том, что можно использовать преобразование за счет гидротрансформатора в рабочем состоянии с электродвигательным приводом. Если электродвигатель может вырабатывать крутящий момент, например, 400 Нм, и с помощью гидротрансформатора возможно повышение крутящего момента на коэффициент 3, то ведомый вал коробки передач или автомобиль может приводиться с крутящим моментом 1200 Нм, что соответствует крутящему моменту обычного дизельного двигателя грузовых автомобилей. Таким образом, грузовой автомобиль может трогаться с места только на электродвигателе со сравнительно слабым крутящим моментом.