УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОМ ВЕДУЩИХ КОЛЕС ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА С РАСШИРЕННЫМИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ ВОЗМОЖНОСТЯМИ
CONTROL OVER ADVANCED-PERFORMANCES VEHICLE DRIVE WHEELS ACTUATOR

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, а именно к транспортным средствам с двумя разными типами двигателей - тепловым и электрическим, в частности к автомобилям и автобусам с различными схемами привода ведущих мостов.
Известен представленный на Токийском автосалоне в 2003 году концептуальный полноприводный автомобиль Nissan Redigo, содержащий два источника энергии - тепловой двигатель (ТД) и электрический узел, имеющий генератор и тяговый электродвигатель. Привод одной ведущей оси осуществляется традиционно тепловым двигателем, второй электродвигателем через механический редуктор. Схема автомобиля Nissan Redigo позволяет улучшить проходимость автомобиля и влиять на характеристики управляемости благодаря изменению типа привода, поскольку при включении электродвигателя автомобиль переходит со схемы переднего привода колес на схему полного привода. Однако возможности влияния на характеристики проходимости и управляемости остаются ограниченными, поскольку тип привода является подключаемым, осуществляется лишь изменение межосевого распределения мощности (см. журнал «4×4 Club», №2, 2004 г., стр.18-20).
Эта конструкция имеет недостатки, связанные с невозможностью изменения пропорций распределения крутящего момента электродвигателя между колесами.
Известно также техническое решение, в соответствии с которым на ряде моделей автомобилей фирмы «Mitsubishi» реализовано изменение пропорций межосевого распределения крутящего момента путем управляемого изменения коэффициента блокировки межосевого дифференциала, а изменение межколесного распределения крутящих моментов заднего моста осуществляется управляемым изменением кинематических характеристик межколесного дифференциала. Введение в кинематическую цепочку дифференциала промежуточных шестерен изменяет симметричное распределение крутящих моментов между колесами на несимметричное в одну или другую сторону (см. патент RU 2376174 С1, опубликовано 20.12.2009 г.).
Недостатки данной конструкции связаны с тем, что существенно усложняется конструкция силовой передачи автомобиля. Кроме того, изменение межколесного распределения крутящих моментов в дифференциале заднего моста носит умеренный ступенчатый характер, что приемлемо в части влияния на управляемость автомобиля, но недостаточно эффективно для повышения проходимости автомобиля.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению, по совокупности существенных признаков, является устройство управления приводом колес транспортного средства, в котором колеса одной оси приводятся от теплового двигателя или мотор-генератора, а для привода колес второй оси предназначены две обратимые электрические машины, каждая из которых имеет кинематическую связь лишь с одним колесом этой оси автомобиля.
Такое решение обеспечивает не только изменение межосевого распределения мощности путем изменения типа привода: один вариант - привод от теплового двигателя или мотор-генератора, второй - от двух электрических машин и третий - полный привод как комбинация двух предыдущих типов, но и изменение межколесного распределения мощности на оси с двумя электрическими машинами. Тем самым расширяются функциональные возможности автомобиля в части проходимости и управляемости за счет реализации в нужный момент тяги одного электродвигателя на соответствующем ситуации колесе этой оси. При этом, как положительный фактор, отмечается возможность исключения карданного вала и межколесного дифференциала второй оси, традиционных для силовой передачи полноприводного автомобиля с приводом от теплового двигателя (см. патент RU 2389617 C2, опубликовано 20.05.2010.).
Предложенное техническое решение имеет недостатки, обусловленные ограниченной энергоемкостью накопителя энергии, в результате чего использование мощности полного привода и повышение управляемости возможно лишь ограниченное время. Если для трогания с места на электротяге и обеспечения курсовой устойчивости в этот момент энергоемкости накопителя достаточно, то повышение проходимости за счет включения полного привода возможно только ограниченное время.
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей управления приводом ведущих колес транспортного средства, обеспечивающее возможность длительного режима полноприводного автономного хода с включением, при необходимости теплового двигателя, что обеспечивает возможность его эксплуатации в различных дорожных и климатических условиях в сочетании со снижением энергетических и эксплуатационных затрат.
Технический результат, получаемый от реализации изобретения, заключается в улучшении характеристик проходимости и управляемости транспортного средства посредством управляемого изменения межколесного распределения потоков мощности теплового двигателя и обратимых электрических машин, а также в получении дополнительной экономии топлива, снижении себестоимости, уменьшении количества вредных выбросов в окружающую среду и повышении ресурса тормозных механизмов, а также в универсальности решения в части применения для различных типов привода транспортного средства - при постоянном полном приводе, при подключаемом полном приводе и при приводе на одну ось.
Для достижения указанного технического результата в устройстве управления приводом ведущих колес транспортного средства с расширенными функциональными возможностями, содержащем две обратимые электрические машины, два тяговых инвертора, блоки преобразования и накопления энергии, тепловой двигатель с генератором и трансмиссией с приводом на ведущую ось, инвертором генератора и блоком управления энергоустановкой, в качестве генератора, образующего с тепловым двигателем отдельный от трансмиссии поток мощности, установлен мотор-генератор на один и тот же поток мощности с трансмиссией, при этом в качестве трансмиссии установлены коробка передач с главной передачей и дифференциалом, а каждая обратимая электрическая машина содержит планетарный редуктор с индивидуальной (независимой) кинематической связью каждой из двух обратимых электрических машин с соответствующим редуктором и ведущим колесом, которые образуют отдельный узел и отдельное исполнительное устройство противобуксовочной системы и системы курсовой устойчивости, который создает несимметричность сил тяги на колесах, образующаяся как совокупность одной обратимой электрической машины в режиме генератора и другой обратимой электрической машины в режиме электромотора.
Возможен вариант, в котором обратимые электрические машины с планетарными редукторами размещены на несущей системе транспортного средства, а индивидуальная кинематическая связь каждого из них с приводом колеса выполняется шарнирным валом.
В частных случаях реализации изобретения отличительные признаки состоят в том, что:
- обратимые электрические машины выполнены в едином блоке с подрессоренными планетарными редукторами и передают крутящий момент на ведущие колеса посредством карданных передач;
- мотор-генератор размещен между тепловым двигателем и коробкой передач (редуктором) на одном валу, без разделений потоков мощности.
Предлагаемое транспортное средство с комбинированной энергетической установкой обеспечивает возможность реализации традиционных для гибридных автомобилей положительных свойств - возможность трогания автомобиля с места с использованием тяги двух обратимых электрических машин в режиме двигателей, замедление автомобиля посредством режима рекуперации кинетической энергии в обратимых электрических машинах, в режимах генераторов и мотор-генераторе, использование энергии теплового двигателя при движении транспортного средства для выработки электроэнергии в мотор-генераторе и обратимых электрических машинах, в режиме генераторов и подзарядки накопителя энергии. Кроме этого, изобретение имеет ряд дополнительных существенных преимуществ по сравнению с аналогом:
1. Дополнительный (к тепловому двигателю) подвод крутящего момента мотор-генератором к ведущей оси транспортного средства.
2. Мотор-генератор может заряжать накопитель энергии при торможении транспортного средства (рекуперативное торможение), а также при движении транспортного средства за счет энергии теплового двигателя, обеспечивая при этом его наиболее эффективные режимы работы.
3. Обратимые электрические машины выполнены в едином блоке с подрессоренными планетарными редукторами и не увеличивают массу ведущих колес.
4. Обратимые электрические машины с планетарными редукторами при тех же параметрах крутящего момента обладают лучшими показателями по стоимости, чем мотор-колеса.
5. Конфигурация использования обратимых электрических машин с планетарными редукторами накладывает меньше требований к обратимым электрическим машинам в отличие от использования их в колесах.
Совокупность отличительных признаков, заключающаяся в том, что в качестве генератора, образующего с тепловым двигателем отдельный от трансмиссии поток мощности, установлен мотор-генератор на один и тот же поток мощности с трансмиссией, при этом в качестве трансмиссии установлены коробка передач с главной передачей и дифференциалом, а каждая обратимая электрическая машина содержит планетарный редуктор с индивидуальной (независимой) кинематической связью каждой из двух обратимых электрических машин с соответствующим редуктором и ведущим колесом, которые образуют отдельный узел и отдельное исполнительное устройство противобуксовочной системы и системы курсовой устойчивости, который создает несимметричность сил тяги на колесах, образующаяся как совокупность одной обратимой электрической машины в режиме генератора и другой обратимой электрической машины в режиме электромотора, позволяет улучшить характеристики проходимости и управляемости транспортного средства посредством управляемого изменения межколесного распределения потоков мощности теплового двигателя и обратимых электрических машин, получить дополнительную экономию топлива, снизить себестоимость, уменьшить количество вредных выбросов в окружающую среду и повысить ресурс тормозных механизмов, а также в универсальности решения в части применения для различных типов привода транспортного средства - при постоянном полном приводе, при подключаемом полном приводе, при приводе на одну ось.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема устройства управления приводом ведущих колес транспортного средства с расширенными функциональными возможностями.
Заявителю неизвестно устройство управления приводом ведущих колес транспортного средства с расширенными функциональными возможностями с указанной совокупностью существенных признаков и заявленная совокупность существенных признаков не вытекает явным образом из современного уровня техники, что подтверждает соответствие заявляемого технического решения условиям «изобретательский уровень» и «новизна».
Устройство управления приводом ведущих колес транспортного средства с расширенными функциональными возможностями, представленная на чертеже, содержит тепловой двигатель 1, мотор-генератор 2, коробку передач 3, карданную передачу 4, главную передачу 5, дифференциал 6, ведущие оси 7, инвертор мотор-генератора 8, блок управления энергоустановкой 9, электродвигатели 10, планетарные редукторы 11, валы шарнирные 12, ведущие колеса 13, тяговые инверторы 14, блок преобразования энергии 15, накопительный блок 16.
Устройство управления приводом ведущих колес транспортного средства с расширенными функциональными возможностями работает следующим образом.
При движении транспортного средства привод колес заднего моста 7 осуществляется тепловым двигателем 1 через механическую коробку передач 3, а колес переднего моста с независимой подвеской обратимыми электрическими машинами 10,  размещенными на несущей системе автомобиля. Такое компоновочное решение позволяет исключить механические потери раздаточной коробки, а также редуктора и дифференциала переднего моста. Кроме того, это позволяет частично компенсировать рост веса энергетической установки за счет исключения раздаточной коробки, редуктора переднего моста и карданных валов.
В случае, если мощности теплового двигателя 1 недостаточно для преодоления сил сопротивления движению, происходит переключение обратимой электрической машины 2, расположенной между тепловым двигателем 1 и механической коробкой передач 3, в режим электромотора. В этом режиме питание всех электрических машин осуществляется от накопителя 16. Блок управления 9 контролирует уровень разряда накопителя 16, и после уменьшения напряжения до установленной величины обратимая электрическая машина 2 вновь переводится в режим генератора. Накопление электрической энергии в накопителе 16 осуществляется при торможении транспортного средства и движении под уклон за счет рекуперации энергии. В этих режимах все электрические машины переходят в режим генераторов.
Предложенная конструкция позволяет реализовать функцию системы стабилизации для улучшения управляемости автомобиля за счет индивидуального управления каждой обратимой электрической машиной 10. Для этого подаются соответствующие управляющие сигналы на электромоторы от блока управления 9.
В частных вариантах исполнения транспортного средства могут быть следующие различия:
- типом теплового двигателя может определяться тип и конструкция сцепления и коробки передач, возможен вариант гидродинамического сцепления, электромагнитного сцепления и другие, коробка передач может представлять собой любого типа ступенчатую или бесступенчатую передачу - механическую ступенчатую, гидромеханическую, механическую бесступенчатую фрикционного типа и т.д.;
- привод транспортного средства от теплового двигателя может быть осуществлен на одну или две ведущие оси;
- тип теплового двигателя может быть любым - поршневой двигатель внутреннего сгорания, бензиновый или дизельный, газотурбинный, паровой.
Предлагаемое изобретение делает возможными следующие режимы работы ТС.
1. Движение с приводом:
1.1. от теплового двигателя;
1.2. от теплового двигателя и дополнительным приводом от двух обратимых электрических машин;
1.3. от теплового двигателя и дополнительным приводом от мотор-генератора и от двух обратимых электрических машин;
1.4. от мотор-генератора;
1.5. от двух обратимых электрических машин;
1.6. от мотор-генератора и двух обратимых электрических машин;
1.7. от теплового двигателя и работой мотор-генератора и двух обратимых электрических машин в режиме рекуперации;
1.8. от теплового двигателя и работой двух обратимых электрических машин в режиме рекуперации;
1.9. от теплового двигателя и работой мотор-генератора режиме рекуперации;
2. Замедление транспортного средства:
2.1. замедление транспортного средства двумя обратимыми электрическими машинами в режиме рекуперации;
2.2. замедление транспортного средства мотор-генератором в режиме рекуперации;
2.3. замедление транспортного средства мотор-генератором и двумя обратимыми электрическими машинами в режиме рекуперации;
2.4. замедление транспортного средства посредством сопротивления в тепловом двигателе (торможение двигателем) и двумя обратимыми электрическими машинами в режиме рекуперации.
2.5. замедление транспортного средства посредством сопротивления в тепловом двигателе (торможение двигателем) и мотор-генератором с двумя обратимыми электрическими машинами в режиме рекуперации;
2.6. замедление транспортного средства посредством сопротивления в тепловом двигателе (торможение двигателем) и мотор-генератором.
Кроме того, возможен режим зарядки накопителя энергии от теплового двигателя на стоящем транспортном средстве.
Устройство управления приводом ведущих колес транспортного средства с расширенными функциональными возможностями может быть изготовлено на стандартном оборудовании с применением современных комплектующих, материалов и технологий.