Четырехосное транспортное средство с комбинированной энергетической установкой

Полезная модель относится к области транспортного машиностроения, а именно к транспортно-технологическим средствам высокой проходимости, в частности к вездеходам и снегоболотоходам многоцелевого назначения, в том числе на шинах низкого или сверхнизкого давления, имеющих комбинированную энергетическую установку.
Известен трехосный автомобиль с комбинированной энергетической установкой, патент РФ на изобретение №2537931, выбранный в качестве прототипа, содержащий тепловой двигатель, связанный с колесами среднего моста, обратимые электрические машины, трансмиссию и бортовую управляющую систему. Автомобиль выполнен с приводом задних колес от электрических машин, установленных в ступицах колес, с комбинированным приводом среднего моста, осуществляемым от теплового двигателя и обратимой электрической машины, расположенной в блоке с коробкой передач, при этом электрические машины привода передних колес расположены на несущей системе автомобиля, кроме этого дополнительно содержит аккумуляторные батареи, а задняя ось оснащена механизмом подъема.
Установка обратимых электрических машин в ступицах задних колес без редукторов приводит к необходимости использовать высоко моментные тяговые электродвигатели, имеющие значительную массу и габариты, что приводит к росту неподрессоренных масс автомобиля и ухудшает плавность хода и является недостатком прототипа. Большие массы и габариты обратимых электрических машин также приводят к значительному их удорожанию, что также является недостатком. Электрические машины, установленные в приводе передних и задних колес будут работать при сравнительно малых частотах вращения, в неоптимальных режимах с точки зрения КПД электрических машин. Часто бывает, что внутренние потери электрических машин в таких режимах значительно больше тех, которые могли быть в этих же машинах при использовании механических редукторов, включая потери в самих редукторах. Это связано с тем, что электрическая машина, имеющая последующий редуктор, работает при частотах вращения, выше в передаточное число редуктора, на режимах близких к оптимальным по КПД. Другим недостатком прототипа является то, что питание электрических машин привода колес переднего, среднего и заднего мостов должно осуществлять от аккумуляторных батарей, которые в этом случае должны иметь высокую энергоемкость, обеспечивающую движение автомобиля с определенной скоростью в течении заданного времени. Высокая энергоемкость аккумуляторных батарей приводит к увеличению их размеров, массы и стоимости. При этом, в случае разряда аккумуляторных батарей электрические машины переднего и заднего моста могут получать электропитание от обратимой электрической машины, расположенной в блоке с коробкой передач, но в этом случае, во-первых, электрическая машина, работающая в генераторном режиме, должна обеспечить мощность, необходимую для работы четырех электрических машин: двух на переднем мосту и двух на заднем мосту. В связи с этим масса и размеры электрической машины, расположенной в блоке с коробкой передач, тоже весьма значительные, а значит, и высокая стоимость.
Использование на прототипе механизма подъема задней оси при движении с неполной нагрузкой, безусловном, исключает потери на вращение электрических машин заднего моста, уменьшает износ шин и подвижных деталей задней оси. Однако, этот дорогостоящий механизм, требующий определенной доработки и компоновки в конструкции транспортного средства.
Следует отметить еще один недостаток прототипа, связанный с тем, что технические решения прототипа, не позволяют иметь высокую эффективность на плаву для амфибийных транспортных средств, поскольку в конструкции прототипа не предусмотрен привод для водяного движителя (водомета).
Решаемая задача – повышение энергоэффективности движения четырехосного транспортного средства высокой проходимости с гибридной силовой установкой в дорожных условиях, в условиях бездорожья и на плаву, а также упрощение и удешевление стоимости его конструкции.
Технический результат – повышение энергоэффективности при движении четырехосного транспортного средства с гибридной силовой установкой в дорожных условиях, в условиях бездорожья и на плаву, оцениваемое уменьшением потерь в трансмиссии транспортного средства, улучшением топливно-экономичности машины, а также снижением выбросов отработавших газов в атмосферу.
Указанный технический результат, направленный на устранения недостатков прототипа, достигается тем, что, четырехосное транспортное средство содержит тепловой двигатель, обратимые электрические машины, трансмиссию, аккумуляторные батареи, бортовую управляющую систему, причем одна из обратимых электрических машин через гаситель крутильных колебаний и согласующий редуктор, связана с выходным валом теплового двигателя, и кинематически не связана с ведущими колесами, но вырабатывающая электроэнергию для аккумуляторных батарей и, как минимум, двух обратимых электрических машин, одна из которых приводит во вращение ведущие колеса первой и второй осей, а вторая – ведущие колеса третьей и четвертой осей, при этом каждая из них передает движение на узлы трансмиссии через компенсирующую муфту, соединенную с двухступенчатой раздаточной коробкой, имеющей механически блокируемый межосевой дифференциал, и два выходных вала, передающих крутящий момент через карданные передачи на ведущие мосты первой и второй либо третьей и четвертой осей, имеющие межколесные дифференциалы с принудительной механической блокировкой, валы с шарнирами равных угловых скоростей, колесные редукторы планетарного типа с устройствами отключения ведущих колес, имеющих независимую подвеску, при этом одна из раздаточных коробок оснащена коробкой отбора мощности, соединенной карданной передачей с водометом.
Заявленное техническое решение иллюстрируется чертежами.
Фиг. 1. – Кинематическая схема трансмиссии четырехосного транспортного средства.
Фиг. 2. – Компоновочная схема четырехосного транспортного средства.
Фиг. 3. – Схема планетарного колесного редуктора с устройством отключения ведущих колес.
Кинематическая схема трансмиссии четырехосного транспортного средства представлена на фиг. 1. На выходном валу теплового двигателя 1 расположен гаситель крутильных колебаний 2, соединенный с входным валом согласующего редуктора 3, закрепленного на тепловом двигателе 1 и имеющий выходной вал, связанный с обратимой электрической машиной 4, кинематически не связанной с ведущими колесами, но вырабатывающей электроэнергию для, как минимум, двух обратимых электрических машин 5, одна из которых приводит во вращение колеса первой и второй осей, а вторая – колеса третьей и четвертой осей, при этом каждая из них передает движение на узлы трансмиссии через компенсирующую муфту 6, соединенную с двухступенчатой раздаточной коробкой 7, имеющей механически блокируемый межосевой дифференциал (на фиг. 1 не показан), и два выходных вала, передающих крутящий момент через карданные передачи 8 на ведущие мосты 9 первой и второй либо третьей и четвертой осей, имеющие межколесные дифференциалы с принудительной механической блокировкой (на фиг. 1 не показаны), валы с шарнирами равных угловых скоростей 10 , колесные редукторы 11 планетарного типа с устройствами 12 отключения ведущих колес 13, имеющих независимую подвеску (на фиг. 1 не показана), при этом одна из раздаточных коробок 7 оснащена коробкой отбора мощности 14, соединенной карданной передачей 15 с водометом 16.
На фиг. 2 представлена компоновочная схема четырехосного транспортного средства, где дополнительно показано размещение аккумуляторных батарей 17 и бортовой управляющей системы 18.
На фиг. 3 изображена схема планетарного колесного редуктора 11 с устройством 12 отключения ведущих колес 13 первой или второй оси. В крышке корпуса 22 установлена поворотная гайка 20, которая штифтами 21 связана с фигурными пазами полумуфты 19. При этом гайка 20 зафиксирована в осевом направлении. Колесный редуктор 11 планетарного типа включает солнечную шестерню 24, сателлит 25, короную шестерню 26, ступицу 27. Полумуфта 19 имеет два зубчатых венца: внешний, которым она постоянно связанна с крышкой корпуса 22, и внутренний, на котором осуществляется соединение или разъединение с зубчатым венцом водила 23 планетарного редуктора 11, и в соответствии с этим происходит включение или выключение устройства 12.
В выключенном состоянии устройства 12 колеса 13, расположенные на первой или второй осях, свободно вращаются на ступице 27, с которой связан корпус 22 планетарного редуктора 11. При этом ведущие колеса 13 первой или второй оси кинематически не связаны с узлами трансмиссии, т.е. вращение от узлов трансмиссии не передается на ведущие колеса и наоборот.
Включение устройства 12 происходит при повороте гайки 20. Штифты 21 скользят в пазах полумуфты 19, смещая ее в сторону водила 23. Пружина 28 предназначена для обеспечения надежности зацепления полумуфты 19 и водила 23. В этом случае ведущие колеса 13 становятся кинематически связанными с узлами трансмиссии, т.е. вращение передается от обратимой электрической машины 5 и узлов трансмиссии на ведущие колеса 13 первой и второй оси, и наоборот, от колес к узлам трансмиссии и обратимой электрической машине 5.
Использование узлов трансмиссии в качестве передаточных звеньев от обратимых электрических машин 5 к ведущим колесам 13 позволяет значительно снизить габариты и массу обратимых электрических машин 5, а, следовательно, и их стоимость. При таком техническом решении обратимые электрические машины 5 должны иметь меньший в передаточное число трансмиссии раз максимальный крутящий момент, по сравнению с вариантом расположения обратимых электрических машин на колесах без редукторов (как выполнено у прототипа на первой и третьей осях). Уменьшение размеров, массы и величины максимального крутящего момента на выходе обратимых электрических машин 5 приводит к соответствующему уменьшению в размерах, массе и стоимости обратимой электрической машины 4, вырабатывающей необходимое электропитание для аккумуляторных батарей и обратимых электрических машин 5.  Благодаря тому, что обратимые электрические машины 5 смогут работать в режимах близких к оптимальным по КПД (90-95%) и несмотря на определенные не значительные потери энергии в узлах трансмиссии (КПД порядка 0,85-0,9), в целом эффективность передачи энергии от теплового двигателя до колес выше, чем в случае расположения обратимых электрических машин 5 непосредственно на колесах, поскольку КПД электрических машин 5 в этом случае при низких частотах вращения может снижаться до 50-70%.
При использовании крупногабаритных шин низкого или сверхнизкого давления, рамы-лодки, герметичного водоизмещающего кузова и т.д., обеспечивающих плавучесть и остойчивость транспортного средства при преодолении водных преград, в трансмиссии предусмотрено включение коробки отбора мощности 14 для привода водомета 16, повышающего эффективность движения на плаву.
Бортовая управляющая система 18 контролирует уровень заряда/разряда аккумуляторных батарей 17, а также осуществляет управление тепловым двигателем и обратимыми электрическими машинами 4 и 5.
Четырехосное транспортное средство с комбинированной энергетической установкой работает следующим образом.
При движении транспортного средства обратимая электрическая машина 4, имеющая привод от теплового двигателя 1 работает в режиме генератора и вырабатывает электропитание для двух обратимых электрических машин 5 и аккумуляторных батарей 17, в случае их разряда. Для лучшего согласования характеристик теплового двигателя 1 и обратимой электрической машины 4, между ними установлены согласующий редуктор 3 и гаситель крутильных колебаний 2.
При движении транспортного средства в ухудшенных дорожных условиях и на бездорожье привод колес 13 осуществляется, как минимум, от двух обратимых электрических машин 5, одна из которых приводит в действия колеса первой и второй оси, а вторая – колеса третьей и четвертой оси, передающих движение на узлы трансмиссии через компенсирующую муфту 6, раздаточную коробку 7, валы 8, ведущий мосты 9 с межколесными дифференциалами с принудительной механической блокировкой, валы с шарнирами равных угловых скоростей 10, колесные редукторы 11 планетарного типа с устройствами 12 отключения ведущих колес 13, имеющих независимую подвеску. При этом устройства 12 включены и на ведущие колеса всех осей подводятся крутящий момент (мощность). При этом в раздаточных коробках 7 включены низшая или высшая передачи в зависимости от условий движения. Для выполнения кратковременных, но интенсивных маневров, например, ускорения транспортного средства или обеспечения движение на крутом подъеме, на электрические машины 5 приходит дополнительное электропитание от аккумуляторных батарей 17, которые при этом разряжаются.  Накопление электрической энергии в аккумуляторных батареях 17 осуществляется при торможении транспортного средства и движении под уклон за счет рекуперации энергии. В этих режимах все электрические машины переходят в режим генераторов.
При движении на плаву передача энергии осуществляется от обратимой электрической машины 5, установленной в приводе колес третьей и четвертой осей, через компенсирующую муфту 6, и раздаточную коробку 7, в которой включается коробка отбора мощности 14, передающая движение на карданную передачу 15 привода водомета 16. При необходимости, в раздаточной коробке 7 можно включить высшую или низшую передачу, для одновременной передачи вращательного движения и на водомет, и на ведущие колеса 13 третьей и четвертой осей. Кроме этого, возможно подключение обратимой электрической машины 5, установленной в приводе колес первой и второй осей, например, при выходе транспортного средства из воды на берег. Для этого подаются соответствующие управляющие сигналы от бортовой управляющей системы 18 .на обратимую электрическую машину 5 в приводе колес первой и второй осей.
При движении транспортного средства в хороших дорожных условиях для повышения энергоэффективности бортовой управляющей системой 18 возможно отключение обратимой электрической машины 5 в приводе колес первой и второй осей, при условии, что мощности второй обратимой электрической машины 5 в приводе колес третьей и четвертой осей достаточно для движения с необходимой скоростью. При этом, для исключения потерь в узлах трансмиссии и уменьшения износа подвижных деталей целесообразно разъединить узлы трансмиссии с колесами первой и второй осей. Для этого перед началом движения в хороших дорожных условиях необходимо выключить устройство 12 отключения ведущих колес 13. Перед началом движения транспортного средства в ухудшенных дорожных условиях и на бездорожье, в том числе на плаву, устройство 12 следует обратно включить.
Таким образом, достигается повышение энергоэффективности при движении четырехосного транспортного средства с гибридной силовой установкой в дорожных условиях, в условиях бездорожья и на плаву, оцениваемое улучшением показателей топливной экономичности, тягово-скоростных свойств, проходимости, а также снижением выбросов отработавших газов в атмосферу.