УСТРОЙСТВО РЕКУПЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ ТОРМОЖЕНИЯ МАШИНЫ
MACHINE BRAKING POWER RECUPERATOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области рекуперации энергии торможения грузоподъемных и транспортных машин, а также таких как гибридные силовые установки с ДВС и электромобили, а также к устройствам для осуществления указанной технологии.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известно устройство рекуперации энергии торможения машины [1] - (Патент RU №2438884 авторов Леонова И.В., Барбашова Н.Н.; зарегистрирован 10 января 2012), включающее корпус, валы, маховик, редуктор с неподвижными осями, тяговый двигатель, трансмиссию машины и планетарный дифференциал с двумя степенями подвижности, состоящий из валов и зубчатых колес, соединенных жестко кинематическими парами, а также управляющее устройство. Известное устройство осуществляет рекуперацию энергии торможения с помощью управляющего устройства путем переключения тягового двигателя в режим электрогенератора. При рекуперации перекачка энергии из маховика и обратно осуществляется посредством изменения передаточного отношения кинематической цепи планетарного дифференциала [2] между трансмиссией и маховиком посредством воздействия управляющего устройства на тяговый двигатель, вал которого жестко соединен с маховиком кинематическими парами.
Недостатком известного устройства рекуперации энергии торможения машины является сложность системы управления, которая заключается в потребности двух обратимых электрических машин, валы которых имеют жесткое соединение с маховиком и валом тягового двигателя, что ограничивает область применения рекуперации энергии торможения машины и снижает экономичность машины, работающей в режиме «разгон-торможение» [3].
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является создание такого устройства, которое обеспечило бы рекуперацию энергии торможения за счет расширения области управления рекуперации энергии торможения машины без использования дорогих дополнительных обратимых электрических машин с низким коэффициентом полезного действия.
Поставленная цель достигается тем, что обмен кинетической энергии между маховиком и трансмиссией машины производится посредством изменения передаточного отношения кинематической цепи планетарного дифференциала за счет изменения его степени подвижности путем затормаживания или растормаживания его звена с помощью тормоза.
Новые полезные свойства предлагаемого «устройства рекуперации энергии торможения машины», расширяющего область применения машины и позволяющего производить рекуперацию энергии, появляются в результате изменения степени подвижности планетарного дифференциала путем затормаживания или растормаживания его звена с помощью тормоза. При затормаживании одного звена, например водила, число степеней подвижности механизма, например планетарного дифференциала, снижается на единицу и становится равной единице. При растормаживании одного звена число степеней подвижности механизма увеличивается на единицу и становится равной двум.
Известно устройство рекуперации энергии торможения машины, включающее неподвижный корпус, управляющее устройство, валы, маховик, редукторы с неподвижными осями, тяговый двигатель, ведущие колеса машины, трансмиссию машины, связывающую тяговый двигатель с ведущими колесами машины, и планетарный дифференциал с двумя степенями подвижности, состоящий из солнечной шестерни и центрального зубчатого колеса, а также водила с сателлитом, причем валы тягового двигателя и трансмиссии соединены между собой с помощью редуктора с неподвижными осями, а маховик соединен с солнечной шестерней планетарного дифференциала, отличающееся тем, что дополнительно включает барабан тормоза, соединенный с водилом планетарного дифференциала, колодки которого соединены с корпусом.
Существенные признаки предлагаемого устройства, которые совпадают с признаками аналога, заключаются в том, что предлагаемое устройство включает неподвижный корпус, управляющее устройство, валы, маховик, редукторы с неподвижными осями, тяговый двигатель, ведущие колеса машины, трансмиссию машины, связывающую тяговый двигатель с ведущими колесами машины, и планетарный дифференциал, состоящий из солнечной шестерни и центрального зубчатого колеса, а также водила с сателлитом, причем валы тягового двигателя и трансмиссии соединены между собой с помощью редуктора с неподвижными осями, а маховик соединен с солнечной шестерней планетарного дифференциала.
Предлагается устройство рекуперации энергии торможения машины, отличающееся тем, что дополнительно включает барабан тормоза, соединенный с водилом планетарного дифференциала, колодки которого соединены с корпусом. Таким образом обмен кинетической энергии между маховиком и трансмиссией машины при рекуперации энергии торможения машины производится посредством изменения передаточного отношения кинематической цепи планетарного дифференциала за счет изменения его степени подвижности путем затормаживания или растормаживания барабана тормоза, соединенного с водилом.
Таким образом известно устройство рекуперации энергии торможения машины, включающее неподвижный корпус, управляющее устройство, валы, маховик, редукторы с неподвижными осями, тяговый двигатель, ведущие колеса машины, трансмиссию машины, связывающую тяговый двигатель с ведущими колесами машины, и планетарный дифференциал, состоящий из солнечной шестерни и центрального зубчатого колеса, а также водила с сателлитом, причем, валы тягового двигателя и трансмиссии соединены между собой с помощью редуктора с неподвижными осями, а маховик соединен с солнечной шестерней планетарного дифференциала, отличающееся тем, что дополнительно включает барабан тормоза, соединенный с водилом планетарного дифференциала, колодки которого соединены с корпусом.
Существенное отличие предлагаемого устройства от аналога заключаются в том, что дополнительно включает барабан тормоза, соединенный с водилом планетарного дифференциала, колодки которого соединены с корпусом.
Дополнительное отличие предлагаемого устройства состоит в том, что дополнительно включает сцепление, соединяющее вал тягового двигателя с редуктором с неподвижными осями. Наличие сцепления позволяет отключить тяговый двигатель на любом режиме работы, что особенно целесообразно на стоянке машины. Это является важным отличием предлагаемого устройства от аналога.
Важные признаки предлагаемого устройства, которые совпадают с признаками аналога, заключаются в том, что тяговый двигатель соединен с трансмиссией, а маховик соединен с солнечной шестерней планетарного дифференциала. Однако эти признаки свойственны многочисленным другим транспортным машинам.
Существенные признаки предлагаемого устройства, которые не совпадают с признаками аналога, заключаются в том, что дополнительно оно включает барабан тормоза, соединенный с водилом планетарного дифференциала, колодки которого соединены с корпусом.
Лучший вариант устройства отличается тем, что дополнительно включает сцепление, соединяющее вал тягового двигателя с редуктором с неподвижными осями.
Основная совокупность существенных признаков заявляемого устройства, позволяющая реализовать достижение заявленного технического результата, заключается в том, что дополнительно включает барабан тормоза, соединенный с водилом планетарного дифференциала, колодки которого соединены с корпусом, а также в том, что дополнительно включает сцепление, соединяющее вал тягового двигателя с редуктором с неподвижными осями.
Достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что обмен кинетической энергии между маховиком и трансмиссией машины при рекуперации энергии торможения машины производится посредством изменения передаточного отношения кинематической цепи планетарного дифференциала между маховиком и трансмиссией машины за счет изменения его степени подвижности путем затормаживания или растормаживания водила с помощью тормоза.
Сравнение свойств заявляемого и известного решений показывает, что у заявляемого решения появляются новые свойства, не совпадающие со свойствами известных решений, и что заявляемое решение обладает существенными отличиями.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сущность изобретения поясняется чертежами, где: 1 - солнечная шестерня планетарного дифференциала; 2 - сателлит; 3 - центральное зубчатое колесо; 4 - водило; 5 - колодки тормоза; 6 - маховик; 7 - ведущие колеса; 8 - тяговый двигатель; 9 - управляющее устройство; 10, 11 - редукторы с неподвижными осями; 12 - барабан тормоза; 13 - трансмиссия машины.
На фиг.1 изображена схема устройства рекуперации энергии торможения машины. Устройство и принцип работы и плоского планетарного дифференциала общеизвестны и приведены в [2]. Солнечная шестерня 1 планетарного дифференциала соединена с центральным зубчатым колесом 3 с помощью сателлита 2, расположенного на водиле 4. Центральное зубчатое колесо 3 соединено с редукторами 10, 11 с неподвижными осями. Водило 4 соединено с барабаном 12 тормоза, колодки тормоза 5 при затягивании силой F препятствуют вращательному движению барабана 12, так как соединены с неподвижным корпусом устройства. Маховик 6 соединен с солнечной шестерней 1 планетарного дифференциала. Ведущие колеса 7 машины соединены посредством трансмиссии 13 и редукторов 10, 11 (с неподвижными осями) с тяговым двигателем 8, который соединен электрическими цепями с управляющим устройством 9.
Лучший вариант устройства заключается в том, что дополнительное сцепление соединяет вал тягового двигателя 8 с помощью редукторов  с неподвижными осями 10 и 11 с трансмиссией 13 машины.
Работа устройства
1
2
На фиг.2 изображена кинематическая схема планетарного дифференциала, рядом с которой изображены планы скоростей его звеньев в виде лучей, исходящих из начала координат: V - скорость точки на радиусе r.; П и П - полюса зацепления зубчатых колес, в которых их линейные скорости равны между собой.
3
02
Пунктиром показано состояние скоростей звеньев планетарного дифференциала на стоянке машины, в которой скорость трансмиссии 13 машины и центрального колеса 3 V равны нулю. План скоростей соответствует планетарному дифференциалу со степени подвижности, равной двум. Колодки 12 тормоза отпущены, и водило 4 свободно вращается, а скорость центра водила V
1
1,
02
максимальна. V - скорость в полюсе П зависящая от скорости центра водила 4 V также максимальна.
02
3
1
С началом движения машины затягиваются колодки 12 тормоза, и скорость водила 4 и его центра V принимает нулевое значение. План скоростей, показанный непрерывными линиями, перемещается влево и соответствует редуктору с неподвижными осями и степенью подвижности, равной единице. Скорость трансмиссии V увеличивается по сравнению со значениями на стоянке, маховик 6 отдает свою энергию, и его скорость снижается V по сравнению со значениями на стоянке. Скорость трансмиссии 13 машины регулируется мощностью и скоростью тягового двигателя 8.
При установившемся движении машины наблюдается баланс сил движущих и сопротивления. Поэтому мощность тягового двигателя 8 передается кинематической цепью через сцепление (не показано на фиг.1 в виду общеизвестности устройства [2]), и через трансмиссию 13 ведущим колесам 7. При разгоне дисбаланс сил движущих и сопротивления нарушается, и дополнительная энергия передается от маховика 6 через центральное зубчатое колесо 3 и трансмиссию 13 ведущим колесам 7.
Прекращение движения машины вызывается снижением мощности тягового двигателя 8 и отпусканием колодок 5 тормоза и растормаживанием водила 4.
При торможении машины дисбаланс сил движущих и сопротивления нарушается в обратную сторону, что вызывает изменение направления движения энергии от ведущих колес 7 через планетарный дифференциал в маховик 6.
По лучшему варианту устройства предусмотрено дополнительное сцепление (не показано на фиг.1 ввиду общеизвестности устройства [2]), выключение которого позволяет сохранить кинетическую энергию маховика 6 при остановке и тягового двигателя 8 и ведущих колес 7 машины.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Заявляемое устройство рекуперации энергии торможения машины позволяет повысить эффективность расхода энергии машин и снизить расход энергии по сравнению с известными устройствами. Применение его позволяет снизить потери энергии и повысить экономичность машин на любых неустановившихся режимах работы путем изменения передаточного отношения между трансмиссией машины и маховиком, что позволяет производить полную рекуперацию энергии торможения.
Лучшими качествами обладает устройство, управляемое путем поддержания постоянного значения запаса кинетической энергии трансмиссии транспортной машины и маховика. Моделирование показало [3], что в соответствии с заявленным изобретением может оно быть реализовано с обеспечением безопасности работы.
Литература
7
1. Леонов И.В., Барбашов Н.Н. Патент RU №2438884, МПКС2, зарегистрирован 10.01.2012.
2. И.И.Артоболевский. Теория механизмов и машин. -М.: Наука. 1975. 640 с.
3. Барбашов Н.Н., Леонов И.В. «Энергетическая модель механизма с маховичным аккумулятором энергии». Вестник МГТУ им. Н.Э.Баумана. №4-2010 г.