ГИБРИДНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ РАБОЧАЯ МАШИНА
HYBRID ELECTRIC DRIVEN MACHINE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к рабочим машинам, содержащим переднюю часть с передней рамой и первой группой взаимодействующих с поверхностью земли элементов, заднюю часть с задней рамой и второй группой взаимодействующих с поверхностью земли элементов, и по меньшей мере один шарнир между передней и задней частями, обеспечивающий возможность поворота передней части относительно задней части, причем на передней или задней части расположен источник энергии.
Уровень техники
Изобретение описывается ниже на примере шарнирно-сочлененного самосвала. Однако этот пример должен рассматриваться в качестве неограничивающего варианта применения изобретения, поскольку оно может применяться и в других типах шарнирно-сочлененных рабочих машин, таких как, например, колесные автопогрузчики. Для указания рабочих машин часто используются термины "машины по перемещению грунта", "внедорожные рабочие машины", "строительные машины" и "машины для лесной промышленности". Термин "взаимодействующие с поверхностью земли элементы" включает колеса, гусеницы и т.п.
В связи с транспортировкой тяжелых грузов, например, при выполнении дорожных и строительных работ, довольно часто используются машины типа шарнирно-сочлененных самосвалов. Такие транспортные средства могут перевозить большие и тяжелые грузы в тех областях, где отсутствуют дороги, например, для транспортировки грузов в связи со строительством дороги или туннеля, в песчаных карьерах, в шахтах, в лесной промышленности и в аналогичных условиях. Таким образом, шарнирно-сочлененные самосвалы часто используются на пересеченной местности, в том числе и на скользких поверхностях.
На передней раме шарнирно-сочлененного самосвала расположен источник энергии в форме двигателя внутреннего сгорания, и на задней раме находится кузов для перевозки грузов. В шарнирно-сочлененном самосвале между его передней и задней рамами имеется также первое шарнирное соединение, обеспечивающее возможность поворота рам относительно друг друга вокруг воображаемой продольной оси самосвала. Такой шарнир позволяет существенно улучшить характеристики движения по неровной поверхности.
В шарнирно-сочлененном самосвале имеется также второй вертикальный шарнир между передней и задней рамами и два гидравлических цилиндра для управления направлением движения рабочей машины путем поворота передней рамы относительно задней рамы вокруг вертикальной оси вращения. Необходимо отметить, что рабочая машина с поворотом посредством шарнирно-сочлененной рамы обеспечивает наиболее оптимальные характеристики движения по пересеченной местности по сравнению с любым транспортным средством, имеющим стандартный рулевой механизм Аккермана (поворотные кулаки и трапеция). Более конкретно, рулевое управление с использованием шарнирно-сочлененной рамы создает возможности для использования передних колес, имеющих гораздо большие размеры, по сравнению рулевым механизмом Аккермана. Кроме того, рулевое управление с использованием шарнирно-сочлененной рамы создает возможности для полной блокировки дифференциала передней оси, что существенно для работы самосвала на скользкой поверхности и что невозможно в механизме Аккермана.
Шарнирно-сочлененный самосвал обычно имеет шесть колес. Передняя часть содержит переднюю ось, и задняя часть содержит две оси колесной тележки. Силовая передача обеспечивает привод трех колесных осей. Таким образом, шарнирно-сочлененный самосвал может иметь привод на все шесть колес. Шарнирно-сочлененный самосвал может иметь восемь колес, причем в передней части располагаются четыре колеса.
Каждая ось имеет дифференциальную передачу и механизм блокировки дифференциала (блокировка поперечной оси). Кроме того, также имеется механизм блокировки дифференциала на валу трансмиссии между передней осью и осями колесной тележки, и на валу трансмиссии между осями колесной тележки также имеется механизм блокировки дифференциала. Механизмы блокировки дифференциала предпочтительно задействуются, когда возникает опасность проскальзывания колес. В соответствии с другой конструкцией любой из механизмов блокировки дифференциала может быть заменен устройством, допускающим ограниченное скольжение.
На обычном шарнирно-сочлененном самосвале устанавливается в продольном направлении дизельный двигатель, с которым последовательно соединены коробка передач и раздаточная коробка. Кроме того, могут использоваться промежуточные валы. Имеется определенное противоречие между такой конфигурацией и диапазоном рабочих режимов передней оси, а также используемыми водителем-оператором органами управления.
Кроме того, должно быть выбрано определенное распределение крутящего момента между передней и задними осями, которое учитывается при конструировании механической силовой передачи шарнирно-сочлененного самосвала. То есть распределение крутящего момента может быть оптимизировано только для одного конкретного режима.
В шарнирно-сочлененных самосвалах традиционно используются дизельные двигатели и механические трансмиссии. Также известны самосвалы с гидростатическим приводом, однако у них очень большой расход топлива и, соответственно, высокий уровень выбросов вредных веществ.
В связи с ожидаемым сокращением добычи нефти и строгими нормами, устанавливающими допустимые уровни выбросов вредных веществ, основными факторами, учитываемыми по всему миру при разработке всех новых машин и транспортных средств, являются сокращение потребления топлива и соответствующее снижение уровня выбросов.
Раскрытие изобретения
Одной из задач изобретения является создание шарнирно-сочлененной рабочей машины, которая работает эффективно в части использования энергии и создает возможности для улучшения ее эксплуатационных характеристик.
Эта задача решается посредством рабочей машины, охарактеризованной в п.1 формулы изобретения. Соотвественно, поставленная цель достигается за счет того, что в то время как на одной части, передней или задней, располагается источник энергии, на другой части находится по меньшей мере один электродвигатель, обеспечивающий привод по меньшей мере одного взаимодействующего с поверхностью земли элемента.
И настоящее изобретение прежде всего, в частности, относится к гибридным электрическим рабочим машинам/транспортным средствам.
В соответствии с изобретением в шарнирно-сочлененном грузовом автомобиле источник энергии расположен в передней части, а электродвигатель находится в задней части. Таким образом, передняя часть содержит тяговый блок. Кроме того, передняя часть содержит кабину, а задняя часть содержит кузов для перевозки грузов.
Использование электродвигателя создает неограниченные возможности для переменного распределения крутящего момента между колесами, что является несомненным достоинством при движении транспортного средства по пересеченной местности.
Что касается шарнирно-сочлененного грузового автомобиля, то применение изобретения создает возможности для улучшения характеристик движения при поворотах автомобиля. Как известно, передняя колесная ось и задние колесные оси имеют существенно различающиеся радиусы разворота, что может приводить к ограничению крутящего момента в механической силовой передаче от двигателя к колесам. В соответствии с изобретением, поскольку задние колеса приводятся электродвигателями, то может быть исключено механическое устройство передачи мощности на задние колеса, что позволяет в значительной степени решить проблемы, возникающие в силовой передаче в связи с разными радиусами разворота осей. Таким образом, скорость поворота передней колесной оси относительно осей тележки в процессе поворота может регулироваться.
Кроме того, исключается необходимость в механическом устройстве передачи движущей силы (раздаточная коробка, карданные валы и задние оси) на другую раму, то есть, на заднюю раму в случае шарнирно-сочлененного грузового автомобиля. Можно ожидать, что удельный расход топлива существенно снизится, поскольку предлагаемая в изобретении рабочая машина содержит гораздо меньше частей, при вращении которых происходят потери, и может осуществляться рекуперация энергии при движении по инерции и торможении. Кроме того, вес машины в снаряженном состоянии будет существенно снижен, поскольку в ней нет раздаточной коробки, карданных валов и задних осей с передачами. В результате снижаются затраты на техническое обслуживание и стоимость производства.
В особенности применение изобретения создает условия для исключения вала трансмиссии, который проходит через шарнир между передней частью и задней частью, что является критическим моментом в условиях работы при больших нагрузках. При этом угол поворота передней части относительно задней части может быть существенно увеличен, поскольку через поворотный шарнир не проходят валы трансмиссии.
Кроме того, исключение механической трансмиссии освобождает достаточное место для установки устройств аккумулирования энергии, таких как аккумуляторные батареи.
Изобретение создает также возможности для более эффективного размещения компонентов силовой передачи на первой раме. Например, может быть обеспечено гораздо более подходящее распределение масс по сравнению с известными шарнирно-сочлененными грузовыми автомобилями. В особенности может быть снижен вес в носовой части перед передней колесной осью обычного шарнирно-сочлененного грузового автомобиля. Поэтому двигатель внутреннего сгорания предпочтительно располагают так, что его продольная ось проходит в поперечном направлении относительно продольной оси рабочей машины. Кроме того, такая конструкция создает возможности уменьшения расстояния между передними колесами и шарниром рулевого управления.
Настоящее изобретение также создает возможности для исключения коробки передач и карданного вала, проходящего между оператором и передней колесной осью, используемых в обычных шарнирно-сочлененных грузовых автомобилях. Поэтому сидение оператора может быть опущено, что позволяет существенно снизить воздействие на оператора вибраций корпуса машины в направлении оси X (спереди назад) и в направлении оси Y (боковое направление).
В соответствии с предпочтительным вариантом источник энергии содержит электрический генератор для получения электрической энергии. Предпочтительно источник энергии содержит устройство, вырабатывающее механическую энергию, и электромашину, функционально соединенную с указанным устройством для преобразования механической энергии в электрическую. В конкретном варианте устройство, вырабатывающее механическую энергию, представляет собой двигатель внутреннего сгорания, а электромашина представляет собой генератор. В другом варианте электромашина может обеспечивать непосредственное получение электрической энергии (например, топливный элемент). В соответствии с другим вариантом электромашина может получать электрическую энергию от внешнего источника, такого как, например, стационарный источник питания, подключенный к электрической сети.
В соответствии с модификацией последнего варианта часть рабочей машины, содержащая устройство получения механической энергии, содержит механическое устройство передачи энергии от устройства получения механической энергии к взаимодействующим с поверхностью земли элементам этой части. Таким образом, передние колеса имеют прямой механический привод, в то время как для привода задних колес используются электродвигатели. Такая схема силовой передачи создает возможности для эффективного использования энергии, при котором привод задних колес включается только в условиях возникновения скольжения колес. Таким образом, если проскальзывание отсутствует, или оно небольшое, то может быть достаточно привода только передних колес. Таким образом, исключаются потери, связанные с трением вращающихся частей силовой передачи в задней части машины.
Кроме того, крутящий момент может подаваться на задние колеса регулируемым образом для поддержки привода передних колес в некоторых ситуациях (проскальзывание).
Предпочтительно механическое устройство передачи энергии содержит ось, обеспечивающую привод двух взаимодействующих с поверхностью земли элементов, причем ось содержит дифференциальную передачу, обеспечивающую передачу мощности на указанные два элемента, и устройство блокировки дифференциала. Устройство блокировки дифференциала создает условия для полной блокировки дифференциала передней оси, что существенно для работы машины на скользкой поверхности и что невозможно в рулевом механизме Аккермана.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом двигатель внутреннего сгорания предпочтительно располагают так, что его продольная ось проходит в поперечном направлении относительно продольной оси рабочей машины. Предпочтительно в качестве двигателя внутреннего сгорания используется дизельный двигатель с рядным расположением цилиндров. В этом случае продольная ось двигателя параллельна линии цилиндров. В соответствии с другим вариантом может использоваться двигатель с V-образным расположением цилиндров, и продольная ось двигателя в этом случае будет перпендикулярна плоскости, формируемой этой V-формой. Такое расположение двигателя внутреннего сгорания создает возможности для более эффективного размещения компонентов силовой передачи в передней части машины. Кроме того, поскольку длина носовой части шарнирно-сочлененного грузового автомобиля может быть существенно уменьшена, то улучшается обзор из кабины водителя-оператора, особенно при движении на подъеме.
Другой предпочтительный вариант осуществления изобретения, его преимущества и достоинства будут понятны из нижеприведенного описания, прилагаемых чертежей и формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет описано ниже более подробно со ссылками на варианты его осуществления, иллюстрируемые на прилагаемых чертежах, на которых показано:
на фиг.1 - вид сбоку известного шарнирно-сочлененного самосвала;
на фиг.2 - схематический вид в перспективе силовой передачи шарнирно-сочлененного самосвала фиг.1;
на фиг.3 - вид передней и задней рам шарнирно-сочлененного самосвала фиг.1;
на фиг.4 - схематический вид сверху известного шарнирно-сочлененного самосвала при повороте;
на фиг.5 - схема силовой передачи в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.6 - вид сбоку шарнирно-сочлененного самосвала в соответствии с первым вариантом;
на фиг.7 - схематический вид в перспективе силовой передачи в соответствии с первым вариантом;
на фиг.8 - вид передней и задней рам в соответствии с первым вариантом.
Осуществление изобретения
На фиг.1 приведен вид сбоку известной конструкции шарнирно-сочлененного самосвала (самосвала с рулевым управлением с использованием шарнирно-сочлененной рамы). Шарнирно-сочлененный самосвал 1 содержит переднюю часть 2, состоящую из передней рамы 3, передней оси 4 с колесами и кабины 6 водителя. Самосвал 1 также содержит заднюю часть 7, содержащую заднюю раму 8, переднюю ось 9 с колесами, заднюю ось 10 с колесами и поворотный кузов 11.
Передняя 9 и задняя 10 оси с колесами задней части 7 самосвала, входят в состав колесной тележки (см. фиг.3), присоединенной к задней раме 8, и указываются ниже как передняя ось 9 тележки и задняя ось 10 тележки, соответственно. Передняя ось 4 с колесами, передняя ось 9 тележки и задняя ось 10 тележки содержат левые элементы 35, 36, 37, соответственно, взаимодействующий с поверхностью земли, и правый элемент (не показан), взаимодействующий с поверхностью земли, в форме колес.
Первый шарнир 25 обеспечивает поворот передней рамы 3 и задней рамы 8 относительно друг друга вокруг воображаемой продольной оси, то есть, оси, проходящей в продольном направлении самосвала 1, как показано на фиг.3.
Передняя рама 3 соединяется с задней рамой 8 с помощью второго шарнира 21, который обеспечивает поворот передней рамы 3 и задней рамы 8 относительно друг друга вокруг вертикальной оси 34 для обеспечения управления направлением движения самосвала (см. также фиг.4). По обеим сторонам поворотного шарнира 21 установлены исполнительные механизмы рулевого управления самосвала в форме двух гидравлических цилиндров 24. Управление работой гидравлических цилиндров осуществляет водитель самосвала с помощью рулевого колеса и/или ручки управления (не показаны).
Кузов 11 присоединяется к задней раме 8 с помощью шарнира 33 (см. фиг.2) в задней части задней рамы 8. Самосвал 1 снабжен двумя поворотными цилиндрами 32, первые концы которых присоединены к задней раме 8 и вторые концы присоединены к кузову 11. Поворотные цилиндры 32 установлены по обеим сторонам центральной продольной оси самосвала. Таким образом, при включении поворотных цилиндров 32 самосвальный кузов 11 поворачивается относительно задней рамы 8.
На фиг.2 показана схематично силовая передача шарнирно-сочлененного самосвала 1. Для обеспечения движения самосвала 1 используется источник энергии в форме двигателя 5 внутреннего сгорания (дизельного двигателя). Кроме того, силовая передача содержит главную коробку 13 передач в форме автоматической коробки передач, которая функционально соединяется с выходным валом двигателя 5. Силовая передача содержит также промежуточную коробку 14 передач для распределения движущей мощности между передней осью 4 и двумя осями 9, 10 тележки.
Первый, второй и третий приводные валы 15, 16, 17 (карданные валы) проходят в продольном направлении самосвала и соединяются функционально с раздаточной коробкой 14 и с дифференциалами 18, 19, 20 осей 4, 9, 10, соответственно. От каждого дифференциала отходят в противоположных направлениях два поперечных ведущих вала (разрезные оси). Каждый из этих поперечных валов вращает одно из колес самосвала.
На фиг.3 более подробно показаны в перспективе передняя рама 3 и задняя рама 8. Первый шарнир 25 содержит две трубчатые или цилиндрические части 22, 23, формы которых сопрягаются между собой. Первая трубчатая часть 22 прикреплена к передней раме 3, а вторая трубчатая часть 23 прикреплена к задней раме 8. Первая трубчатая часть 22 входит во вторую трубчатую часть 23 с возможностью скольжения в ней, так что передняя рама 3 может поворачиваться относительно задней рамы 8 вокруг воображаемой продольной оси. Второй продольный приводной вал 16 проходит через первый шарнир 25.
На фиг.3 передняя рама 3 изображена в положении, повернутом относительно задней рамы 8 вокруг первого шарнира 25. Кроме того, передняя рама 3 находится в положении, повернутом относительно задней рамы 8 вокруг второго шарнира 21.
Оси 9, 10 тележки установлены на задней раме 8 с помощью правого 26 и левого 27 элементов тележки, которые проходят примерно в продольном направлении самосвала. Элементы 26, 27 тележки имеют форму жестких балок. Каждый из элементов 26, 27 тележки проходит вдоль прилегающих продольных балок 28, 29, соответственно, задней рамы 8 и прикреплен к ним с возможностью вращения вокруг шарниров 30, 31, соответственно. Конструкция тележки 12 обеспечивает относительное диагональное перемещение элементов 26, 27, и элементы тележки могут располагаться с разным наклоном относительно горизонтальной плоскости.
На фиг.4 представлен схематический вид сверху известного шарнирно-сочлененного самосвала 1 в процессе поворота. Передняя часть 2 самосвала повернута вокруг второго шарнира 21 относительно задней части 7 самосвала на угол поворота α. Поскольку расстояния между каждой осью 4, 9, 10 и вертикальным шкворнем 34, формирующим шарнир между передней 2 и задней 7 частью самосвала существенно различаются, то колеса проходят по разным радиусам поворота. Передняя ось 4 с колесами будет проходить по радиусу R1 поворота, в то время как оси 9, 10 тележки будут проходить по радиусу R2 поворота. Поскольку радиус R1 поворота передней оси 4 колес значительно превышает радиус R2 поворота осей 9, 10 тележки, то колеса 35 на передней оси 4 должны проходить значительно большее расстояние, чем колеса 36, 37 на двух осях 9, 10 тележки.
Кроме того, на повороте внешние колеса должны вращаться быстрее, чем внутренние колеса. Поэтому ведущие колеса должны вращаться с разными скоростями. Кроме того, передние колеса должны вращаться быстрее, чем задние колеса, поскольку радиусы поворота передней оси 4 и осей 9, 10 тележки отличаются.
Для предотвращения связанного с этой разницей ограничения крутящего момента, передаваемого по трансмиссии от двигателя 5 на соответствующие колеса, необходимо в процессе поворота самосвала регулировать скорость вращения передней оси 4 колес относительно осей 9, 10 и скорость вращения внутренних и внешних колес.
Проблема эффективного распределения тягового усилия при повороте обычно решается делением дифференциалом крутящего момента с заданным фиксированным коэффициентом Затем скорость вращения регулируется скоростью поверхности земли в различных точках контакта с землей и проскальзыванием. Однако проскальзывание не может регулироваться. Если произведение вертикальной нагрузки и трения о поверхность земли не соответствует коэффициенту распределения крутящего момента, задаваемому дифференциалом, то проскальзывание может неограниченно увеличиваться, колеса будут проскальзывать, и общее передаваемое тяговое усилие ограничивается взаимодействием с поверхностью земли при проскальзывании.
Проблема неконтролируемого проскальзывания колес обычно решается, хотя бы частично, различными действиями, направленными на торможение проскальзывания, например, использованием блокировки дифференциала. Устройство блокировки дифференциала обычно состоит из зубчатой муфты, которая обеспечивает механическую блокировку дифференциала. Недостаток блокировки дифференциала заключается в том, что разница скоростей при повороте компенсируется скольжением в точках контакта с поверхностью земли. Это приводит к большим заторможенным крутящим моментам, что сокращает срок службы карданной передачи, увеличивает потери и вызывает повышенный износ шин.
На фиг.5 приведена схема силовой передачи в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения; Силовая передача содержит источник 140 энергии. Источник 140 энергии содержит устройство 105, вырабатывающее механическую энергию, и электрический генератор 142, функционально соединенный с устройством 105 для преобразования механической энергии в электрическую. Устройство 105, вырабатывающее механическую энергию, содержит двигатель внутреннего сгорания в форме дизельного двигателя.
Силовая передача содержит также механическое устройство 141 передачи энергии от двигателя 105 внутреннего сгорания на взаимодействующие с поверхностью земли элементы 135, 235. Механическое устройство 141 передачи энергии содержит коробку 144 передач и ось 143, обеспечивающую привод взаимодействующих с поверхностью земли элементов 135, 235. Механическое устройство 141 передачи энергии предпочтительно содержит узел, состоящий из коробки 144 передач и трансмиссии 118, для передачи мощности от двигателя 106 внутреннего сгорания на две поперечные ведущие полуоси 147, 149. Трансмиссия 118 может содержать цилиндрические зубчатые передачи, конические зубчатые передачи, карданный вал, ременную или цепную передачу, или другие элементы передачи, обеспечивающие передачу мощности. Трансмиссия 118 предпочтительно содержит также дифференциальную передачу, обеспечивающую передачу мощности на два взаимодействующих с поверхностью земли элемента, и устройство 145 блокировки дифференциала, для жесткого соединения поперечных полуосей 147, 149 друг с другом.
По меньшей мере один электродвигатель 146, 148, 150, 152 обеспечивает привод по меньшей мере одного взаимодействующего с поверхностью земли элемента 136, 236, 137, 237 в задней части самосвала, предпочтительно через редуктор. В частности, электродвигатели 146, 148, 150, 152 обеспечивают привод взаимодействующих с поверхностью земли элементов 136, 236, 137, 237, соответственно. Таким образом, используются четыре электродвигателя, по одному на каждое колесо.
Рабочая машина содержит также средство 151 для передачи электрической энергии от электрического генератора 142 в упомянутые электродвигатели 146, 148, 150, 152. Рабочая машина содержит также электронный блок 152 питания, обеспечивающий распределение электрической энергии между электродвигателями 146, 148, 150, 152. Пунктирными линиями на фиг.6 обозначены линии передачи электрического тока.
Кроме того, рабочая машина содержит по меньшей мере одно устройство 154 аккумулирования электрической энергии, функционально соединенное по меньшей мере с одним электродвигателем 146, 148, 150, 152. Устройство 154 аккумулирования электрической энергии соединено функционально с электронным блоком 152 питания.
На фиг.6 приведен вид шарнирно-сочлененного самосвала 101 в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения. Шарнирно-сочлененный самосвал содержит переднюю часть 102, состоящую из передней рамы 103, передней оси 104 колес и кабины 106 водителя. Шарнирно-сочлененный самосвал 101 содержит также заднюю часть 107, состоящую из задней рамы 108, четырех колес 136, 236, 137, 237 и поворотного кузова 111.
Первый шарнир 125 обеспечивает поворот передней рамы 103 и задней рамы 108 относительно друг друга вокруг воображаемой продольной оси, то есть, оси, проходящей в продольном направлении самосвала 101 (см. также фиг.8).
Передняя рама 103 соединяется с задней рамой 108 с помощью второго шарнира 121, который обеспечивает поворот передней оси 103 и задней оси 108 относительно друг друга вокруг вертикальной оси 134 для обеспечения управления направлением движения самосвала. По обеим сторонам поворотного шарнира 121 установлены исполнительные механизмы рулевого управления самосвала в форме двух гидравлических цилиндров 124. Управление работой гидравлических цилиндров осуществляет водитель самосвала с помощью рулевого колеса и/или ручки управления (не показаны).
Кузов 111 присоединяется к задней раме 108 с помощью шарнира 133 (см. фиг.7) в задней части задней рамы 108. Самосвал 1 снабжен двумя поворотными цилиндрами 132, первые концы которых присоединены к задней раме 108 и вторые концы присоединены к кузову 111. Поворотные цилиндры 132 установлены по обеим сторонам центральной продольной оси самосвала. Таким образом, при включении поворотных цилиндров 132 самосвальный кузов 111 поворачивается относительно задней рамы 108.
Двигатель 105 внутреннего сгорания установлен поперечно относительно продольного направления шарнирно-сочлененного самосвала (см. фиг.6-8). Продольная ось двигателя 105 внутреннего сгорания расположена параллельно передней оси 104. Таким образом, исключается вытянутая носовая часть шарнирно-сочлененного самосвала (обозначена пунктирными линиями 153 на фиг.6), в которой размещается двигатель внутреннего сгорания, расположенный продольно в известной конструкции самосвала (см. фиг.2). Благодаря новому расположению двигателя внутреннего сгорания (и дополнительных частей силовой передачи, см. фиг.7) изменяется распределение масс передней части 102. В результате нового распределения масс передней части 102 передняя ось колес может быть расположена ближе к шарниру 121 рулевого управления (ср. расстояния X и Y на фиг.6).
На фиг.7 схема силовой передачи показана в перспективе более подробно. В частности, показано положение двигателя 105 внутреннего сгорания, электрического генератора 142 и коробки 144 передач относительно передней оси 104. Как можно видеть, исключены все компоненты силовой передачи известных конструкций, используемые для передачи мощности от двигателя внутреннего сгорания на задние колеса (ср. с фиг.2).
На фиг.8 более подробно показаны в перспективе передняя рама 103 и задняя рама 108. Первый шарнир 125 содержит две трубчатые или цилиндрические части 22, 23, формы которых сопрягаются между собой. Первая трубчатая часть 122 прикреплена к передней раме 103, а вторая трубчатая часть 123 прикреплена к задней раме 108. Первая трубчатая часть 122 входит во вторую трубчатую часть 123 с возможностью скольжения в ней, так что передняя рама 103 может поворачиваться относительно задней рамы 108 вокруг воображаемой продольной оси.
Указанное по меньшей мере одно устройство 154 аккумулирования электрической энергии расположено между двумя разнесенными удлиненными элементами 128, 129 рамы, проходящими в продольном направлении рабочей машины.
Электродвигатели 146, 148, 150, 152 обеспечивают как привод, так и торможение ведущих колес 136, 236, 137, 237.
В альтернативном варианте в дополнение к механическому приводу передних колес 135, 235 для их привода используется по меньшей мере один электродвигатель. В предпочтительном варианте для привода каждого колеса 135, 235 используется отдельный электродвигатель.
Кроме того, рабочая машина содержит систему управления (не показана) для управления распределением мощности. Система управления содержит блок управления с программным обеспечением для управления распределением мощности. Блок управления соединен с устройством 154 аккумулирования энергии для управления передачей энергии в устройство аккумулирования и из него в соответствии с заданной логикой управления, как это описано ниже.
Блок управления обычно называется электронным блоком управления, центральным блоком обработки или электронным управляющим модулем, предназначенным для электронного управления работой самосвала. В предпочтительном варианте осуществления изобретения блок управления реализуется в микропроцессоре. Блок управления содержит запоминающее устройство, которое, в свою очередь, содержит компьютерную программу, состоящую из программных сегментов, для осуществления способа управления при выполнении программы. Эта компьютерная программа может быть передана в блок управления различными способами, например, путем скачивания из другого компьютера, по проводной или беспроводной линии связи, или установкой платы памяти. В частности, может быть осуществлена передача программы по сети Интернет.
Вырабатываемая электрическим генератором или генератором 142 переменного тока электрическая энергия, которая не используется тяговыми двигателями 146, 148, 150, 152 для передвижения рабочей машины 101, или же электрическая энергия, которая вырабатывается тяговыми двигателям 146, 148, 150, 152 при рекуперативном торможении, может накапливаться в устройстве 154 аккумулирования энергии. Кроме того, поток топлива, поступающего в двигатель 105, может быть перекрыт или уменьшен, соответственно.
Иначе говоря, разница между величиной энергии, вырабатываемой генератором 140, и величиной энергии, фактически необходимой для передвижения рабочей машины 101, может быть обеспечена этим устройством 154 аккумулирования энергии. Например, двигатель 105 внутреннего сгорания может использоваться наиболее эффективно при широко открытой дроссельной заслонке в условиях движения, когда выходная мощность генератора 140 превышает мощность, необходимую для движения рабочей машины, и избыточная энергия генератора 140 либо может аккумулироваться в устройстве 154, либо, если в устройстве 154 достаточно энергии, рабочая машина может работать исключительно с использованием энергии, накопленной в устройстве 154 без использования генератора 140. В условиях работы, требующих большей мощности, чем это может быть обеспечено генератором 140, рабочая машина может работать с использованием энергии, накопленной в аккумуляторе 154, и, если это необходимо, энергии, вырабатываемой генератором 140. Соответственно, управление гибридной системой транспортного средства включает определение необходимости работы генератора 140 и режима его работы, если это необходимо, а также определение использования режима аккумулирования энергии в устройстве 154 или расходования накопленной в нем энергии.
Вариант 1. Система управления движущей силой распределяет крутящий момент в соответствии со следующими правилами:
1. Все условия работы. Включена передача механической энергии на дифференциал передних колес.
2. Трогание и обнаружение проскальзывания. Как в п.1 и сбалансированная подача мощности на задние колеса.
3. Обнаружено проскальзывание. Включена передача механической энергии на передние колеса, дифференциал заблокирован.
4. Высокий уровень заряда аккумулятора. Подача электроэнергии на передние колеса.
5. Высокий уровень заряда аккумулятора. Подача электроэнергии на задние колеса.
Вариант 2. Система управления движущей силой распределяет крутящий момент в соответствии со следующими правилами:
1. Все условия работы. Включена передача механической энергии на дифференциал передних колес.
2. Обнаружено проскальзывание. Включена передача механической энергии на передние колеса, дифференциал заблокирован.
3. Трогание и обнаружение проскальзывания. Как в п.2 и сбалансированная подача мощности на задние колеса.
4. Высокий уровень заряда аккумулятора. Подача электроэнергии на передние колеса.
5. Высокий уровень заряда аккумулятора. Подача электроэнергии на задние колеса.
Управление движущей силой также может использовать комбинацию вышеприведенных вариантов и конечно может быть адаптивным.
Таким образом, когда аккумулятор заряжен до высокого уровня, то обороты дизельного двигателя автоматически снижаются в соответствии с количеством электроэнергии в аккумуляторе. Оператор управляет общей величиной крутящего момента, а система управления движущей силой осуществляет оптимальное использование выходной мощности дизельного двигателя и электродвигателей в зависимости от проскальзывания и других условий движения и уровня заряда аккумулятора. Система оптимизирована для минимального потребления топлива и осуществляет рекуперацию электрической энергии всякий раз, когда это возможно.
Электрическая энергия будет подаваться в основном из аккумулятора, но может также подаваться от электрического генератора, работающего от двигателя, в тех случаях, когда уровень заряда аккумулятора низок, и имеется необходимость в обеспечении крутящего момента на задних колесах. При движении с высокой скоростью предполагается, что крутящий момент должен подаваться только на передние колеса, что означает, что он может подаваться от дизельного двигателя непосредственно на передние колеса.
Изобретение не должно считаться ограниченным вышеописанными вариантами его осуществления, более того, в пределах объема изобретения, определяемого прилагаемой формулой, могут быть также предложены и другие варианты и их модификации.
Изобретение было описано в отношении шарнирно-сочлененного самосвала, в котором источник энергии расположен в передней части, а электродвигатель находится в задней части самосвала. Однако изобретение может быть также применено в колесном автопогрузчике, в котором источник энергии расположен в задней части, а электродвигатель находится в передней части. Задняя часть колесного автопогрузчика содержит также кабину водителя, а передняя часть содержит рабочие орудие, такое как ковш, который установлен на поворотной грузовой стреле с возможностью поворота.
В альтернативном варианте рабочая машина содержит по меньшей две оси на той ее части, которая содержит электродвигатели, и каждая из этих осей обеспечивает привод взаимодействующего с поверхностью земли элемента, по обеим сторонам рабочей машины. Для привода каждой оси может использоваться отдельный электродвигатель. Таким образом, один электродвигатель может обеспечивать привод двух колес. Указанные по меньшей мере две оси могут быть соединены балками тележки с каждой стороны рабочей машины.
В пределах объема изобретения источник энергии может быть выполнен различными способами. Предпочтительно он обеспечивает получение электрической энергии. В одном из вариантов для получения электроэнергии используется топливный элемент. В другом варианте используется газовая турбина, снабженная электрическим генератором. Источником электрической энергии также может быть свободнопоршневой двигатель с электрическим генератором.
Электрическая энергия для приведения рабочей машины в движение может быть получена из различных источников, например, из электрохимических аккумуляторов (батарей), устройств аккумулирования электрической энергии (конденсаторы), устройств аккумулирования механической энергии (маховики, аккумуляторы давления) и устройств преобразования энергии.
Кроме того, аккумулятор 154 электрической энергии может заряжаться от стационарного источника электрической энергии, например, на стоянке рабочей машины подключением к стационарному источнику питания, соединенному с электрической сетью, как альтернатива зарядки генератором 140 энергии при работе рабочей машины 101.