ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО

Полезная модель относится к автомобилестроению и может быть использовано для повышения эффективности и стабильности эксплуатационных характеристик наземных транспортных средств на колесном и гусеничном ходу, а также железнодорожных транспортных средств.
В настоящее время эксплуатируется огромнейшее количество легковых, грузовых и специальных автомобилей, тракторов, автобусов, дизельных поездов и др. транспортных средств. Их недостатком является недостаточная эффективность и большие механические потери. Это происходит, во первых, из-за сил трения отрицательного характера, неизбежно возникающих в двигателях внутреннего сгорания; во вторых, из-за потерь при преобразовании поступательного движения ведущего звена этих двигателей во вращательное движение их ведомого звена за счет падения усилий на ведущем звене около так называемых «мертвых» точек; в третьих, из-за потерь энергии, возникающих в результате зависящего от силы и направления ветра лобового сопротивления транспортного средства; и, в четвертых, из-за непостоянства величины сцепления движителя транспортного средства с дорожным покрытием.
В результате наблюдается низкая экономичность таких транспортных средств, что вызывает большой расход топлива их двигателями и, как следствие, ухудшение экологических показателей при массовом использовании транспортных средств. Также из-за этого во многом снижается ресурс и надежность работы транспортного средства.
Учитывая вышеизложенное, повышение эффективности транспортных средств, уменьшение расхода топлива их двигателями, улучшение экологии, улучшение стабильности и надежности работы, увеличение срока службы транспортных средств, является важной и актуальной задачей.
Для этих целей в транспортных средствах используют накопленную энергию маховых масс в начале движения и при торможении транспортного средства через систему включения в работу маховых масс.
Например, известно транспортное средство [1], включающее в себя двигатель, соединенный своим ведомым звеном с движителем транспортного средства через передаточные устройства и через маховик, который закреплен на ведомом звене двигателя. Для повышения экономичности работы такого транспортного средства и улучшения экологических характеристик при пуске и остановке его двигателя введено независимое использование энергии двигателя транспортного средства и маховика. С этой целью применен дополнительный маховик, как накопитель энергии, и кинематическое устройство, выполненное виде установленных на валах зубчатых колес и двух обгонных муфт, регулируемых системой управления для периодической связи между частями вала. При этом дополнительный маховик накопителя энергии выполнен в виде запасного колеса, размещенного в багажнике транспортного средства.
Недостатком известного устройства [1] является то, что повышение экономичности транспортного средства и улучшение экологических характеристик работы его двигателя не достигается в основном режиме работы транспортного средства - установившемся движении, а только при его разгоне и торможении.
Другим недостатком аналога [1] является сложность конструкции устройства транспортного средства, обусловленная наличием независимого, отдельного привода (карданного вала, редуктора, обгонных муфт) и сложность осуществления способа. Поэтому практическое использование предложенного устройства и способа улучшения его эксплуатационных характеристик маловероятна.
Более проще по конструкции транспортное средство [2], принятое за прототип изобретения-устройства.
Такой прототип содержит аналогичные элементы аналога [1], но в качестве накопителя энергии применены два дополнительных маховика, расположенные в жестко закрепленных на остове транспортного средства герметичных кожухах, заполненных текучей средой под отрицательным давлением - вакуумом, поддерживаемым с помощью вакуумного насоса.
Однако недостатком устройства [2] является все тот же недостаток аналога [1]: не достигается в основном режиме работы - установившемся движении, а только при разгоне и торможении, повышение экономичности транспортного средства, улучшение экологических характеристик работы его двигателя.
Кроме того, наличие отдельно выполненных массивных маховиков которые расположены в двух герметичных кожухах, необходимость применения в них вакуума и отдельного вакуумного насоса усложняет способ управления транспортным средством.
Задача полезной модели состоит в создании транспортного средства повышенной эффективности, с уменьшенными механическими потерями, увеличенной стабильностью и надежностью работы, увеличенным срока службы, уменьшенным расходом топлива и с улучшенными экологическими характеристиками за счет использования энергии маховых масс не только в процессе начала движения и торможения транспортного средства, но и в основном режиме его работы - установившемся движении.
Поставленная задача решается тем, что транспортное средство, включающее в себя двигатель, соединенный своим ведомым звеном, с возможностью избирательного подключения маховых масс, с движителем транспортного средства через передаточные устройства и через расположенный в герметичном кожухе, заполненным текучей средой, маховик, который расположен на ведомом звене двигателя, имеет отличительные признаки: герметичный кожух закреплен жестко на ведомом звене двигателя, на котором маховик расположен через подшипниковое соединение, при этом, в качестве маховых масс применены массы герметичного кожуха и маховика, а в качестве текучей среды - электровязкая жидкость.
Закрепление герметичного кожуха жестко на ведомом звене двигателя позволит обеспечить вращение герметичного кожуха с ведомым звеном и этим создать дополнительный элемент накопителя энергии маховых масс.
Расположение на ведомом звене двигателя маховика через подшипниковое соединение направлено на обеспечение возможности раздельного и совместного вращения маховика и герметичного кожуха, т.е. - для получения одной или двух маховых масс.
Применение в качестве маховых масс массы герметичного кожуха и маховика будет способствовать упрощению конструкции транспортного средства и его компоновочной схемы, так как, в отличие от аналога [1] и прототипа [2], отпадает необходимость в нахождении дополнительного места на транспортном средстве для закрепления, в первом случае, усложненного привода к запасному колесу, а во втором случае - двух герметичных корпусов с массивными дополнительными маховиками,
Применение в качестве текучей среды электровязкой жидкости позволит обеспечить через нее управление упомянутой выше избирательностью включения маховых масс, а также обеспечить регулировку величины момента инерции на ведомом звене двигателя транспортного средства.
Все это позволит значительно упростить конструкцию и компактность расположения узла маховых масс вместе с традиционными узлами транспортного средства, ведомым звеном его двигателя и корзиной сцепления. Кроме того, введение совокупности упомянутых отличительных признаков обеспечит возможность использовать положительный эффект применения накопленной энергии маховых масс не только в процессе начала движения и торможения транспортного средства, но и в интервалах между ними, т.е. в основном режиме его работы - в установившемся движении. А это, в сравнении с аналогом [1] и прототипом [2], повысит эффективность работы транспортного средства, за счет уменьшения его механических потерь, увеличения стабильности и надежности работы, увеличения срока службы, уменьшения расхода топлива и улучшения экологических характеристик.
Вариантами выполнения такого транспортного средства являются нижеследующие:
- ведомое звено двигателя снабжено датчиком, электрически связанным с системой подачи электрического сигнала, которая через герметичный кожух и ведомое звено двигателя соединена с текучей средой;
- в качестве датчика применен датчик числа оборотов ведомого звена двигателя;
- система подачи электрического сигнала связана с герметичным кожухом и ведомым звеном двигателя через скользящие контакты, причем скользящий контакт относительно ведомого звена двигателя подключен к отрицательной, а скользящий контакт относительно герметичного кожуха - к положительной клемме системы подачи электрического сигнала;
- масса маховика в 3-5 раз превышает массу герметичного кожуха;
- герметичный кожух закреплен на ведомом звене через изолирующие прокладки.
Сущность полезной модели поясняется иллюстрациями, где на фиг.1 показана принципиальная схема транспортного средства, а на фиг.2 принципиальная схема его двигателя, выходное звено которого оборудовано накопителем энергии, который соединен с трансмиссией транспортного средства.
Транспортное средство (1), включает в себя двигатель (2), соединенный с движителем (3) транспортного средства (1) через передаточные устройства. Как пример, к передаточным устройствам по фиг.1 отнесены: система (4) включения в работу маховых масс, коробка перемены передач (5), карданный вал (6) и трансмиссия (7) ведущего заднего моста движителя (3), выполненного, например, в виде колес или элементов гусеничного хода. Аналогичные карданный вал (6) и трансмиссия (7) могут быть применены (не показано) и для ведущего переднего моста транспортного средства (1).
Система (4) включения в работу маховых масс содержит в себе герметичный кожух (8), заполненным текучей средой (9). В качестве текучей среды (9) применена электровязкая жидкость. Внутри герметичного кожуха (8) расположен маховик (10). Массы герметичного кожуха 8 и маховика 10 применены в качестве маховых масс транспортного средства (1) и значительно различаются по своей величине между собой. Например, для легковых автомобилей и грузовиков малой грузоподъемности масса маховика (10) может в 3-5 раз превышать массу герметичного кожуха (8). Этот диапазон основан на теории и практике работы инерционных механизмов, которые показывают, в нашем случае, что чем больше превышение массы маховика (10) относительно герметичного картера (8), тем больше возможность увеличить момент инерции, т.е. повысить эффективность и увеличить степень защиты от источников переменных сил и скорости, а сам процесс затухания колебаний приблизить к апериодическому характеру. Однако, большое увеличение массы маховика (10) приводит к увеличению габаритов конструкции системы (4) маховых масс с деталями (19), (20) муфты сцепления, а малая масса картера - к малому моменту его инерции. Поэтому рекомендуется применять упомянутый рациональный диапазон соотношения масс маховика (10) и герметичного картера (8).
Двигатель (2) имеет ведущее звено (11), например, поршневое, как показано на фиг.2, соединенное через палец (12) с шатуном (13), который расположен через подшипниковое соединение (15) с ведомым звеном (14) двигателя (2), например, коленчатым валом, как показано на фиг.2. Через такое же подшипниковое соединение (15) ведомое звено (14) двигателя (2) расположено в его корпусе.
Через подшипниковое соединение (16) маховик (10) расположен на ведомом звене (14) двигателя (2), который снабжен также шкивом (17) для обеспечения функционирования других потребителей энергии двигателя (2), например, генератора (не показано).
Герметичный кожух (8) закреплен жестко на ведомом звене (14) двигателя (2) через изолирующие прокладки (18). На шлицах герметичного кожуха (8) посажена фрикционная накладка (19), а на шлицах входного элемента коробки перемены передач (5) - нажимной диск (20), соединенный, с системой управления (21), условно показанной на фиг.2 стрелкой. Например, это может быть традиционная система управления муфтой сцепления с выжимным подшипником и вилкой, управляемой от педали сцепления с гидроусилением (не показано).
Ведомое звено (14) двигателя (2) снабжено датчиком (22), электрически связанным с системой (23) подачи электрического сигнала, которая через герметичный кожух (8) и ведомое звено (14) двигателя соединена с текучей средой (9).
Таким образом обеспечивается дополнение системы (4) включения в работу маховых масс соединением электровязкой жидкости (9) с источником (24) электрического сигнала. При этом такое соединение выполнено с возможностью регулирования величины подаваемого электрического сигнала от источника (24) электрического сигнала на электровязкую жидкость (9) через автоматический блок управления (25), входящий в систему (23) подачи электрического сигнала. Она связана с герметичным кожухом (8) и ведомым звеном двигателя (14) через скользящие контакты (26, 27), причем скользящий контакт (27) относительно ведомого звена (14) двигателя (2) подключен к отрицательной (28), а скользящий контакт (26) относительно герметичного кожуха (8) - к положительной (29) клемме системы (23) подачи электрического сигнала.
Работает транспортное средство (1) следующим образом.
В исходном положении (фиг.2) на стоянке транспортного средства (1) система управления (21) не воздействует на нажимной диск (20). Поэтому между фрикционной накладкой (19) и герметичным кожухом (8) образован зазор и нет соединения ведомого звена (14) двигателя (2) с коробкой перемены передач (5).
После включения зажигания (не показано) двигателя (2) от источника (24) электрического сигнала осуществляется воздействие на ведущее звено (14) двигателя (2) движущей силы, например, от высокого давления газов, образующихся при сгорании топлива. Они давят на ведущее звено (11) и перемещают его вниз, до нижней «мертвой точки». После этого по инерции ведущее звено (11) устремляется вверх и доходит до верхней «мертвой». Затем цикл такого рабочего хода ведущего звена (11) повторяется.
Поступательное движение ведущего звена (11) во время его рабочего хода через шатун (13) передается ведомому звену (14) двигателя (2). Происходит преобразование поступательного движения ведущего звена (11) во вращательное движение герметичного кожуха (8).
Каждому рабочему ходу ведущего звена (11) предшествуют пассивные, подготовительные процессы. Например, для двигателя (2) внутреннего сгорания это такты «всасывания», «выпуска» и т.п.). Они не приводят непосредственно во вращение герметичный кожух (8), а осуществляются за счет созданного им крутящего момента.
В процессе самого рабочего хода ведущего звена (11) происходит уменьшение воздействия усилия на него около «мертвых» точек, за счет того, что момент инерции маховых масс, заключенных в герметичном кожухе (8) и его крутящий момент увеличены вследствие автоматического регулирования с помощью системы (23) подачи электрического сигнала. При этом изменение момента инерции герметичного кожуха (8) измеряется датчиком (22) и осуществляется через управляющий блок управления (25), путем изменения, пропорционально текущей величине оборотов ведущего звена (14), величины электрического сигнала, прикладываемого к текучей среде (9) - электровязкой жидкости через скользящие контакты (26, 27), а также через токопроводящие части герметичного кожуха (8) и ведущего звена (14) двигателя (2).
Поэтому меняется вязкость текучей среды (9) и, следовательно, изменяется сила сцепления между герметичным кожухом (8) и маховиком (10). Это вызывает уменьшение или увеличение общей вращающейся маховой массы этих элементов.
В начальный момент, например, при пуске двигателя (2), начинает вращаться только герметичный кожух (8). Поэтому момент его инерции незначительный. Это облегчает запуск двигателя (2).
При увеличении числа его оборотов увеличивается управляющий электрический сигнал, подаваемый на текучую среду (9), и увеличивается трение между герметичным кожухом (8) и маховиком (10), т.е. увеличивается их общая маховая масса.
В процессе работы двигателя (2) при значительной вязкости текучей среды (9) достигается жесткое сцепление маховика (10) с герметичным кожухом (10). Поэтому суммарный момент инерции ведущей части системы (4) равен сумме моментов инерции маховика (10) и герметичного кожуха (8).
Так как масса маховика (10) значительно превышает массу герметичного кожуха (8), и общеизвестно, что момент инерции пропорционален массе, то за счет автоматического увеличения, например, напряжения, подаваемого электрического сигнала на текучую среду (9), возможно значительное увеличение общего момента инерции маховых масс ведущей части системы (4), что значительно облегчает трогание с места транспортного средства в случае соединение входного звена коробки передач (5) с двигателем (2) при сцеплении нажимного диска (20) с герметичным кожухом (8) посредством системы управления (21) через фрикционную накладку (19).
Полезная эффективная мощности (Nе) двигателя (2), которую можно получить, зависит от крутящего момента (Me) и частоты вращения (n) ведомого звена (14).
Согласно известной формуле [3]:
Ne=Me n,
Так как упомянутое увеличение общей вращающейся массы ведущей части системы (4) повышает крутящий момент и частоту вращения ведомого звена (14) двигателя (2), то будет обеспечиваться увеличение его эффективной мощности и, в конечном итоге, мощности движителя (3) транспортного средства (1).
В предложенном устройстве, в отличие от существующих устройств [1, 2], описанной выше регулировкой частоты вращения ведущего звена (14) двигателя 2 с помощью изменения вязкости текучей среды (9), можно более эффективно влиять на режим работы двигателя (2) и режимы движения транспортного средства (1). Это происходит потому, что, согласно вышеприведенной формулы, в этом случае, изменяется не только мощность, но и крутящий момент, вследствие того, что величина приложенного управляющего напряжения к текучей среде (9) пропорциональна частоте вращения ведомого звена (14). Следовательно, это автоматически вызывает увеличение или уменьшение вязкости текучей среды (8) и автоматически вызывает повышение или снижение силы сцепления между герметичным кожухом (8) и маховиком (10), с последующим соответствующим изменением общей вращающейся маховой массы и крутящих моментов двигателя (2) и движителя (3) транспортного средства (1).
Такое изменение необходимо для различных режимов движения транспортного средства. Например, в случае преодоления тяжелых подъемов транспортным средством (1), увеличивают крутящий момент двигателя (2) за счет автоматического увеличения величины электрического сигнала, подаваемого на текучую среду (9). В случае же крутых спусков - тормозят двигателем (2) транспортное средство (1) за счет уменьшения крутящего момента двигателя (2) с помощью уменьшением величины этого сигнала.
Обеспечение необходимой мощности двигателя (2), путем изменения величины крутящего момента и числа оборотов его ведомого звена (14), и, следовательно, величины крутящего момента, снимаемого с ведущей части системы (4), практически осуществляется через известные устройства, например, регулятор частоты вращения двигателя (2) внутреннего сгорания (не показано). Такой регулятор управляет подачей горючей смеси или топлива в цилиндр двигателя (2) внутреннего сгорания с помощью, например, дроссельной заслонки во впускном трубопроводе (не показаны). Таким образом, регулятором частоты вращения устанавливается необходимая мощность кривошипно-шатунного механизма (11-14) двигателя (2), используемого для привода шкива (17), связанного с генератором, подпитывающим источник электропитания (24) и для привода движителя (3) транспортного средства (1).
В процессе работы кривошипно-шатунного механизма известных устройств [1, 2], за счет непостоянства скорости вращения его ведомого звена, обусловленного источниками переменных сил и переменной скорости, ухудшается стабильность работы конечного потребителя энергии. В предложенном же устройстве трение, возникающее между герметичным кожухом (8) и маховиком (10), обусловлено наличием текучей среды (9) в виде электровязкой жидкости и обусловлено приложенным напряжением, определяющим величину вязкости этой жидкости. Это предотвращает нежелательное изменение характера вращения герметичного кожуха (8), за счет корректировки этого вращения вращающимся маховиком (10) с большей массой. Т.е. будет происходить демпфирование колебаний рабочих характеристик кривошипно-шатунного механизма (11-14) двигателя (2), вызванных внутренними факторами (износ, нагрев и др.) и внешними факторами (изменение сопротивления выходному звену со стороны движителей (3), климатические условия и т.д.). Чем больше общий момент инерции системы (4), тем больше она защищена от воздействия источника переменных сил и переменной скорости, т.е. увеличивается коэффициент защиты и механически импеданс, характеризующие стабильность работы двигателя (2) и самого транспортного средства (1).
При остановке двигателя (2), уменьшается число оборотов его ведомого звена (14), электрическое напряжение на текучей среде (9) приближается к нулю. Следовательно, массивный маховик (10) по инерции свободно вращается, незначительно сцепляясь с герметичным кожухом (8). В результате чего будут уменьшаться динамические нагрузки на кривошипно-шатунный механизм (11-14) двигателя (2), а также на передаточные механизмы (5-7) транспортного средства (1), чем будет обеспечиваться плавность его остановки.
В процессе эксплуатации транспортного средства (1) трение, возникающее между герметичным кожухом (8) и маховиком (10), обусловленное наличием электровязкости текучей среды (9), приводит к уменьшению также энергии собственных колебаний кривошипно-шатунного механизма (11-14) двигателя (2).
При использовании предложенного устройства и способа улучшения его эксплуатационных характеристик необходимая мощность двигателя (2) достигается при меньшем давлении на его ведущее звено (11) по сравнению с существующими механизмами. Это происходит за счет вышеописанной автоматической корректировки величины крутящего момента на выходе системы (4) включения в работу маховых масс, что способствует снижению общей нагрузки на кривошипно-шатунный механизм (11-14) двигателя (2) в процессе движения транспортного средства, повышая их эксплуатационный ресурс.
Одновременно, с увеличением общей маховой массы ведущего звена системы (4), увеличивается крутящий момент двигателя (2). В результате уменьшается и мощность механических потерь, обусловленная пассивными подготовительными процессами. Это, в конечном итоге, уменьшает усилия на поршневое ведущее звено (11) двигателя (2) около «мертвых» точек его возвратно-поступательного движения. Такое уменьшение усилий за счет увеличения крутящего момента двигателя (2), определяемого плавно изменяющейся частотой вращения его выходного звена (14) при пуске, работе и остановке, увеличивает эффективность, надежность и стабильность работы кривошипно-шатунного механизма (11-14) двигателя (2), передаточных элементов (5-7) трансмиссии транспортного средства (1) и увеличивает срок его службы с уменьшением расхода топлива и улучшением экологических характеристик.
Источники информации:
1. Патент RU №2100217, МПК В60К 6/10, заявлен 23.04.93, опубликован 27.12.97.
2. Патент ЕР №0473556 (А2), МПК В60К 6/10 В, заявлен 2.08.91, опубликован 4.03.92 /прототип/.
3. В.П.Алексеев, Н.А.Иващенко, В.И.Ивин и др. Двигатели внутреннего сгорания. М.; Машиностроение, 1980, с.39.