ПРИВОД ГИБРИДНОГО АВТОМОБИЛЯ
HYBRID VEHICLE DRIVE

Изобретение относится к автомобилестроению, а именно к приводам гибридных автомобилей, в частности к конструкции электромеханической части привода.
Известен привод гибридного автомобиля, состоящий из двигателя внутреннего сгорания, тягового электродвигателя, генератора переменного тока, аккумулятора, механической трансмиссии, установленной между ведущими колесами, двигателем внутреннего сгорания и электродвигателем [1].
Привод снабжен планетарным механизмом, в котором вал двигателя внутреннего сгорания соединен через ряд шестерен с валом генератора, тяговым электродвигателем и дифференциалом ведущих колес. Недостатком указанного аналога является сложность конструкции, низкая надежность работы, значительная трудоемкость и сложность эксплуатации. Кроме того, привод снабжен тремя независимыми системами управления (двигателем внутреннего сгорания, генератором, тяговым электродвигателем). Объединяет их центральная система управления.
Недостатком указанного решения является увеличенные габариты, высокая трудоемкость эксплуатации.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является привод гибридного автомобиля, включающий двигатель внутреннего сгорания, электродвигатель, аккумулятор, ведущие колеса [2]. Имеются 2 управляемые электромагнитные муфты. Ведущая часть первой муфты соединена с двигателем внутреннего сгорания, а ведомая - с электродвигателем. Ведущая часть второй муфты соединена с электродвигателем, а ведомая - с ведущими колесами. Имеется система управления режимами работы привода по сигналам измерителей скоростей двигателя внутреннего сгорания, электродвигателя и ведущих колес.
Все упомянутые элементы установлены последовательно в одну линию - двигатель внутреннего сгорания, электродвигатель, электромагнитные муфты и измерители скоростей - и требуют строгого соблюдения соосности и промежуточных соединительных устройств.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение габаритов и упрощения эксплуатации привода.
Поставленная задача достигается тем, что в приводе гибридного автомобиля, включающем двигатель внутреннего сгорания, электродвигатель, аккумулятор, ведущие колеса, механизм трансмиссии, установленный между двигателем внутреннего сгорания, электродвигателем и ведущими колесами, электрическую систему управления, измерители скоростей ведущих колес, электродвигателя и двигателя внутреннего сгорания, две управляемые электромагнитные муфты, при этом ведущая часть первой муфты соединена с двигателем внутреннего сгорания, ведомая часть - с электродвигателем, ведущая часть второй муфты соединена с электродвигателем, а ведомая, посредством механизма трансмиссии - с ведущими колесами, согласно изобретению электродвигатель выполнен в виде синхронного двигателя с постоянными магнитами, на котором смонтированы противоположно друг другу электромагнитные управляемые муфты и измерители скоростей, при этом измеритель скорости двигателя внутреннего сгорания установлен на ведущей части первой электромагнитной муфты, измеритель скорости электродвигателя - на ведомой части первой муфты, а измеритель скорости ведущих колес - на ведомой части второй муфты.
В предлагаемом устройстве соединение ведущих и ведомых частей электромагнитных муфт с двигателем внутреннего сгорания, электродвигателем и ведущими колесами заявленным образом позволяет уменьшить габариты привода, а за счет исключения промежуточных соединительных устройств между электродвигателем, электромагнитными муфтами и измерителями скоростей - упростить эксплуатацию привода.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где изображен общий вид привода.
Привод содержит двигатель внутреннего сгорания 1, синхронный двигатель 2 с постоянными магнитами, аккумулятор 3, систему управления 4, трансмиссию 5, ведущие колеса 6, две управляемые электромагнитные муфты 7 и 8, измерители скоростей 9, 10, 11 соответственно двигателя внутреннего сгорания, электродвигателя и ведущих колес. Вал 12 двигателя 1 внутреннего сгорания соединен с ведущей частью 13 электромагнитной муфты 7, а ведомая часть 14 с валом 15 ротора 19 электродвигателя 2. Вал 15 электродвигателя 2 соединен с ведущей частью 16 второй электромагнитной муфты 8, а ведомая часть 17 - с валом 18 трансмиссии 5 привода с его ведущими колесами 6. Измеритель 9 двигателя 1 внутреннего сгорания соединен непосредственно с ведущей частью 13 первой электромагнитной муфты 7, измеритель скорости 10 электродвигателя 2 - с ведомой частью 14 муфты 7 и соответственно с ротором 19 электродвигателя 2, измеритель 11 скорости ведущих колес 6 - с ведомой частью 17 второй электромагнитной муфты 8.
Привод работает следующим образом. Реализуют один из четырех основных режимов работы гибридного автомобиля.
Первый режим - начало движения, разгон до заданной скорости. Для этого отключают электромагнитную муфту 7 и включают муфту 8. Электрическая энергия от аккумулятора 3 поступает через систему управления 4 к электродвигателю 2. Электродвигатель 2 начинает вращаться и посредством механизма трансмиссии 5 через вал 18 момент электродвигателя 2 передается к ведущим колесам 6 автомобиля.
Второй режим - установившееся движение после разгона автомобиля. Мощность двигателя внутреннего сгорания 1 параллельно расходуется на привод ведущих колес 6 и подзарядку аккумулятора 3 автомобиля, для чего электродвигатель 2 переводят в генераторный режим. Для этого выключают электромагнитную муфту 8, электродвигатель 2 через систему управления 4 тормозится до нулевой скорости. Контроль нулевой скорости электродвигателя 2 фиксируют измерителем 10 скорости электродвигателя. Включают электромагнитную муфту 7, при этом электрическая энергия поступает к электродвигателю 2. Электродвигатель 2 работает как стартер и запускает двигатель внутреннего сгорания 1 до скорости движения автомобиля, которая контролируется измерителем скорости 11. Включают электромагнитную муфту 8, когда скорость вала 15 двигателя внутреннего сгорания станет равной скорости вала 18 ведущих колес 6. Непрерывный контроль скоростей осуществляют измерителями скоростей 9, 10, 11 соответственно двигателя внутреннего сгорания 1, электродвигателя 2 и ведущих колес 6. Электродвигатель 2 переводят в генераторный режим для подзарядки аккумулятора 3 системы.
Третий режим - разгон с максимальным ускорением автомобиля. Он реализуется в два этапа.
На первом этапе осуществляют разгон автомобиля до определенной скорости только от электродвигателя.
На втором этапе разгона на ведущих колесах 6 автомобиля уже действуют два крутящихся момента - от двигателя внутреннего сгорания 1 и от электродвигателя 2.
В начале второго этапа электродвигатель 2 работает как стартер и запускает двигатель внутреннего сгорания 1, который разгоняется до скорости движущегося автомобиля.
Для этого электромагнитную муфту 8 отключают, а муфту 7 включают только тогда, когда электродвигатель 2 будет остановлен. Контроль нулевой скорости электродвигателя 2 фиксируют измерителем скорости 10. Электродвигатель 2 работает как стартер, и осуществляют запуск двигателя внутреннего сгорания 1. При этом электрическая энергия аккумулятора 3 через систему управления 4 поступает к электродвигателю 2.
При скорости вала 12 двигателя внутреннего сгорания 1, равной скорости движущегося автомобиля, включают муфту 8. Контроль состояний движения на втором этапе осуществляют измерителями скоростей 9, 10 и 11 соответственно вала 12 двигателя внутреннего сгорания 1, вала 15 электродвигателя 2 и вала 18 трансмиссии 5 ведущих колес 6. Разгон с ускорением осуществляют от электродвигателя 2 и двигателя внутреннего сгорания 1.
Следует отметить, что указанные коммутации электромагнитных муфт 7 и 8 и запуск двигателя внутреннего сгорания 1 в начале второго этапа разгона происходят практически мгновенно и скорость движения автомобиля мало отличается от скорости его в конце первого этапа (примерно за 1,0 с).
В режимах торможения автомобиля системой управления 4 обеспечивают рекуперативный режим работы электродвигателя 2. Электромагнитную муфту 7 отключают, а муфту 8 оставляют включенной. Крутящий момент от ведущих колес 6 через механизм трансмиссии 5 посредством муфты 8 передают электродвигателю 2, который переводят в режим генератора, и электрическую энергию передают аккумулятору 3 для его подзарядки.
Четвертый режим - зарядка аккумулятора. Автомобиль неподвижен. Электродвигатель 2 работает как стартер и запускает двигатель 1 внутреннего сгорания. Крутящий момент электродвигателя 2 через муфту 7 передают на вал 12 двигателя внутреннего сгорания 1 и производят его запуск. Расчетную скорость вала 12 двигателя внутреннего сгорания контролируют по измерителю скорости 9 и далее электродвигатель 2 переводят в генераторный режим, при этом электрическую энергию от электродвигателя 2 подают к аккумулятору для его подзарядки.
Как видно из анализа режимов работы привода, двигатель внутреннего сгорания 1 при своей работе всегда сцеплен с ротором 19 электродвигателя 2, посредством включенной муфты 7, и существенным достоинством заявленной конструкции является то, что имеется возможность коррекции динамических свойств привода за счет коррекции суммарного момента инерции маховика двигателя внутреннего сгорания 1 и ротора электродвигателя 2.
Согласно предлагаемому решению разработан проект привода гибридного автомобиля.
Ниже приведены для сравнения некоторые технические характеристики двигателя внутреннего сгорания, электродвигателя и электромагнитных муфт:
- двигатель внутреннего сгорания
Тип
бензиновый, 4-тактный, впрыск
Рабочий объем, см<sup>3</sup>
1497
Эффективная мощность, кВт (л.с.)
43(58)
При оборотах, об/мин
4000
Количество клапанов на цилиндр
4
Эффективный момент, Н·м (кг·м)
102(10,4)
При оборотах, об/мин
4000
- электродвигатель
Тип
синхронный с постоянными магнитами
Мощность, кВт (л.с.)
30(41)
При оборотах, об/мин
940-2000
Крутящий момент, Н·м
305
При оборотах, об/мин
0-940
- эксплуатационные показатели
Удельная масса, кг/кВт (кг/л.с.)
17(12,5)
Объем топливного бака
50 л
Расход, л/100 км
3,6
- электромагнитные муфты (ГOCT 15150-69)
Тип
EKR
Габарит муфты
20
Частота вращения, об/мин
5000
Время включения
t<sub>BK</sub>=16 мc
Время выключения
t<sub>вык</sub>=10 мс
Масса муфты, кг
10
Общая высота муфты, мм
82,5
Наружный диаметр, мм
170
Номинальный передаваемый момент, Н·м
400
Номинальное напряжение, В
24
Потребляемый ток при номинальном моменте, А
3,4
Габариты предлагаемого устройства по сравнению с аналогом меньше на, %
≈25
Предлагаемый привод гибридного автомобиля найдет применение в автомобильной промышленности для создания экономичных, простых по конструкции и экологически чистых автомобилей.
Источники информации
6
1. Патент США №5865263, МПК B60K 6/00, гибридный автомобиль заявл. 23.02.1996, опубл. 02.02.1999, приор. 28.02.1995, №7-063538 (Япония).
2. Патент РФ №2297924, МПК B60K 6/02 (2006.01), привод гибридного автомобиля, заявка №2005115672, приор. 23.05.2005, опубл. 27.04.2007, БИ №12.