КОМБИНИРОВАННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО/ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ТИПА
COMBINED SERIAL/PARALLEL POWER PLANT OF TRANSPORT FACILITY

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, точнее к силовым установкам, выполненным с возможностью обеспечения разнообразных схем работы для установок последовательного, параллельного и смешанного типов, преимущественно для гибридных автомобилей,
Известна комбинированная энергетическая установка (КЭУ) транспортного средства, содержащая в качестве источников энергии расположенные последовательно на общей оси, связанной с осью ведущих колес автомобиля, тепловой двигатель, в частности ДВС, и две электромашины, являющиеся мотор/генераторами (например, US 2009/0301800, 2009 г.). Такая установка работает по схеме смешанного последовательно-параллельного типа КЭУ, содержит два сцепления в виде кулачковых муфт и механизм распределения и преобразования энергии в виде планетарного редуктора, размещенного между электромашинами. К недостаткам такой установки следует отнести сниженную функциональность ввиду отсутствия возможности переключения на другие схемы работы и усложненную кинематику механической части трансмиссии.
Известна комбинированная энергетическая установка транспортного средства (RU 2381917, 2010 г.), включающая в себя в качестве источников энергии тепловой двигатель и две электромашины, работающие как мотор-генераторы, делитель мощности, встроенный между тепловым двигателем и электромашинами, и редуктор, передающий крутящий момент на ось ведущих колес автомобиля. В этом аналоге, в отличие от предыдущего аналога, в работе установки могут быть реализованы схемы трех типов КЭУ: последовательной, параллельной и смешанной (последовательно-параллельной), однако наличие планетарного механизма, так же как и в первом аналоге, усложняет компоновочное решение установки, а использование электромашин в режимах перехода с одного типа схемы работы на другой усложняет алгоритм управления установкой.
Известны комбинированные энергетические установки, также содержащие тепловой двигатель (ДВС) и две электромашины (WO 2004037594, 2004 г. или US 6705416, 2004 г.), компоновки которых имеют более простое решение и позволяют реализовать разные схемы работы, т.е. схемы передачи энергии от двигателей на ось ведущих колес автомобиля - последовательную или параллельную с более простым алгоритмом. Эти установки имеют два фрикционных сцепления, первое из которых встроено между первой электромашиной и ДВС, а второе - между электромашинами и, по меньшей мере, одно из сцеплений в них выполнено по типу постоянно замкнутого. Недостаток таких установок состоит в том, что одна из электромашин в них выполнена меньшей мощности, к тому же часть ее мощности расходуется на предусмотренное конструктивным решением гидравлическое обслуживание автоматической коробки передач, что может приводить к снижению КПД установки.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является комбинированная энергетическая установка транспортного средства последовательного/параллельного типа, выполненная с возможностью перехода с одной схемы работы на другую (US 6740002, 2004 г.), содержащая расположенные последовательно на общей оси относительно продольной оси транспортного средства тепловой двигатель и две обратимые электрические машины, первая из которых может быть связана с тепловым двигателем посредством сцепления или напрямую, а вторая электромашина - с приводным валом оси ведущих колес. Установка содержит накопитель электрической энергии, преобразователь тока и напряжения, блок управления и размещенный на упомянутой общей оси между первой и второй электрическими машинами, механизм переключения схемы работы, представляющий собой типовое постоянно замкнутое фрикционное сцепление, состоящее из двух дисков: ведущего и ведомого. В установке предусмотрена также механическая коробка передач с автоматическим изменением передаточного отношения и средствами синхронизации угловых скоростей валов.
Обеспечение требуемого скоростного и тягового диапазона ТС в прототипе достигается путем изменения схемы подключения силовых составляющих установки с помощью механизма переключения схемы работы с последовательной на параллельную и наоборот и трансформации входящего крутящего момента путем изменения передаточного отношения в коробке передач.
Основной недостаток прототипа - сниженная энергоэффективность установки - обусловлен, во-первых, исполнением механизма переключения схемы работы установки, при котором функции силового узла, воспринимающего нагрузку от тяговых машин в виде крутящего момента и осуществляющего его передачу ведущим колесам, а также функции соединительного узла осуществляются одной и той же фрикционной муфтой; во-вторых, тем, что при использовании коробки передач повышается число циклов «замыкания/размыкания» муфты.
Вследствие этих же причин прототипу присущ и такой недостаток, как сниженная надежность передачи силового потока из-за вероятности проскальзывания дисков муфты при увеличении крутящего момента в период эксплуатации транспортного средства с высокими нагрузками; и снижение срока безотказной работы муфты.
К тому же из-за использования в качестве механизма переключения схем работы конструктивно упрощенной фрикционной муфты в прототипе для улучшения выходных тяговых параметров предусмотрен ряд конструктивных средств для демпфирования колебаний, вызванных работой ДВС, и дополнительные меры по синхронизации валов в коробке передач при изменении передаточного отношения, что приводит к усложнению кинематики установки в целом и усложнению управления ею.
Задача, решаемая изобретением, направлена на расширение арсенала энергоэффективных комбинированных энергетических установок транспортных средств последовательного/параллельного типа, выполненных с возможностью перехода с одной схемы работы на другую.
Технический результат, получаемый при реализации изобретения, состоит в снижении энергетических затрат в КЭУ, повышении ее эксплуатационной надежности и долговечности.
Для достижения технического результата в комбинированной энергетической установке транспортного средства последовательного/параллельного типа с возможностью перехода с одной схемы работы на другую, содержащей расположенные на общей оси тепловой двигатель и две обратимые электрические машины, первая из которых связана с тепловым двигателем, например, посредством сцепления, вторая - с приводным валом оси ведущих колес, а также накопитель электрической энергии, преобразователь тока и напряжения, блок управления и размещенный на упомянутой общей оси между первой и второй электрическими машинами механизм переключения схемы работы установки, согласно изобретению механизм переключения схемы снабжен автономным блоком управления, подключенным к блоку управления установкой, и выполнен составным из двух узлов, взаимодействующих между собой с возможностью синхронизации угловых скоростей соединяемых составляющих установки, один из которых является основным силовым узлом и предназначен для приема приводной энергии и передачи ее на приводной вал оси ведущих колес, и его вал связан с валом второй электрической машины, а другой узел является вспомогательным, предназначенным для замыкания/размыкания текущей схемы приема и передачи энергии, переключаемый в период перевода установки с одной схемы работы на другую.
Дополнительный существенный развивающий признак изобретения характеризует выполнение механизма переключения схемы, при котором основной узел выполнен в виде переключаемой собственным приводом зубчатой муфты, внутренний зубчатый венец которой установлен на валу второй электромашины и имеет установленное на нем с возможностью сдвига блокирующее кольцо с поверхностью трения, ответной соответствующей поверхности трения, имеющейся на вспомогательном узле, выполненном по типу постоянно замкнутой фрикционной муфты, ведомый элемент которой выполнен с возможностью взаимодействия с наружным зубчатым венцом зубчатой муфты.
Выполнением механизма переключения схемы работы составным из двух узлов, взаимосвязанных между собой элементами синхронизации, позволяет разделить основные и вспомогательные функции этого механизма и тем самым достичь повышения надежности передачи крутящего момента, поскольку в качестве основного силового узла в цепи передачи крутящего момента от источников энергии на ведущие колеса автомобиля используется надежное зубчатое зацепление с высокими силовыми параметрами и малыми энергозатратами на переключение, а фрикционное сцепление является вспомогательным узлом и участвует только в процессе переключения схемы, к тому же кратковременно.
Снижение затрат энергии в механизме переключения схемы КЭУ обеспечивается за счет того, что энергия расходуется только во время кратковременного процесса переключения схемы, а поддержание режима работы КЭУ - передача силового потока на ведущие колеса по последовательной или параллельной схеме - не требует затрат энергии в этом механизме, что способствует повышению энергоэффективности всей КЭУ, т.к. установка имеет единую энергосистему, на состояние которой влияет эффективность работы каждого из компонентов установки.
Повышение долговечности узлов установки обеспечивается тем, что предлагаемым конструктивным решением КЭУ нивелированы процессы, приводящие к повышенному износу узлов при переключении схемы работы, например трения или скольжения (если и будет присутствовать пробуксовка во вспомогательном узле, например, вследствие некоторого износа дисков, то лишь достаточно кратковремено, зато исключена вероятность пробуксовки при увеличении крутящего момента, присущая прототипу).
На представленных чертежах: на фиг.1 дана общая схема предлагаемой установки (пример); на фиг.2 - общий вид механизма переключения схемы в разрезе (в рабочем положении при последовательной схеме работы установки); на фиг.3 - вид механизма переключения схемы в период перехода с одной схемы на другую (фрагмент); на фиг.4 - то же, в рабочем состоянии при реализации параллельной схемы.
Предлагаемая комбинированная энергетическая установка (КЭУ) содержит
в качестве источников энергии размещенные на общей оси относительно продольной оси транспортного средства (не показаны) тепловой двигатель 1, например ДВС, и две электрические машины 2 и 3: первую ЭМ 1 и вторую ЭМ 2, из которых ЭМ 1 связана с ДВС 1 напрямую или через сцепление 4 и ее выходной вал связан с валом передачи мощности 5 от ДВС и/или ЭМ 1. Между ЭМ 1 и ЭМ 2 размещен снабженный автономным блоком управления 6 механизм 7 переключения схемы работы установки (МПС), который может быть установлен перед ЭМ 2 (как показано на фиг.1 установлен на ее корпусе), или после ЭМ 1, или встроен в разрыве вала 5. Обе электромашины равноценны по мощности, могут работать и как генераторы, и как тяговые двигатели, подключены к накопителю электрической энергии 8 через преобразователь тока и напряжения 9. Все перечисленные составляющие установки подключены к общему блоку управления КЭУ 10. Выход ЭМ 2 связан с приводным валом 11, передающим мощность на ось 12 ведущих колес автомобиля (передних или задних). Входной вал 13 ЭМ 2 в конкретном примере исполнения (фиг.1) связан с механизмом 7.
Механизм 7 состоит из двух размещенных на его оси 14 узлов: основного узла 15 и вспомогательного узла 16, взаимодействующих между собой с возможностью синхронизации угловых скоростей соединяемых механизмом составляющих установки. Узел 15 предназначен для исполнения силовой функции приема и передачи мощности, поступающей по той или иной схеме от источников энергии к оси ведущих колес, а узел 16 служит для замыкания линии силового потока в период работы по какой-либо из предусмотренных схем и размыкания ее в момент перехода с одной схемы на другую. Конструктивно исполнение узлов 15 и 16 механизма 7 может варьироваться. В конкретном примере (фиг.2) узел 15 выполнен в виде зубчатой муфты с переключаемым приводом 17 наружным венцом 18 и установленным на входном валу 13 ЭМ 2 внутренним венцом 19, на ступице 20 которого размещено с возможностью осевого сдвига блокирующее кольцо 21 с поверхностью трения 22. Узел 16 имеет вид многодисковой фрикционной муфты, например, с электромагнитным приводом 23, выполненной по типу постоянно замкнутого сцепления, с ведущим элементом 24 и ведомым 25. На ведомом элементе 25 муфты имеется зубчатый венец 26 для взаимодействия с зубчатым венцом 18 и поверхность трения 27, ответная поверхности 22 блокирующего кольца 21.
При работе КЭУ по последовательной схеме фрикционная муфта включена, но отсутствует механическая связь между ее ведомым элементом 25 и блокирующим кольцом 21, т.к. зубчатый венец 18 не входит в контакт с зубчатым венцом 26 ведомого элемента 25. В этом случае отсутствует механическая связь между тепловым двигателем 1 и осью 12 ведущих колес транспортного средства. ЭМ 1 работает в режиме генератора и вырабатывает электрический ток, питающий ЭМ 2, работающую в тяговом режиме.
При переходе на параллельную схему фрикционная муфта выключается посредством привода 23, прерывается связь между ведущим 24 и ведомым 25 элементами. Ведомый элемент 25 продолжает вращаться по инерции.
Приводом 17 осуществляется осевое перемещение зубчатого венца 18 в сторону зубчатого венца 26 ведомого элемента 25. При этом происходит смещение блокирующего кольца 21 в ту же сторону При соприкосновении поверхности трения 27 ведомого элемента 25 фрикционной муфты и ответной ей поверхности трения 22 блокирующего кольца 21 осуществляется выравнивание угловых скоростей элемента 25 и зубчатого венца 18 (фиг.3). После завершения процесса выравнивания угловых скоростей появляется возможность, и осуществляется зацепление зубчатого венца 18 с зубчатым венцом 26 ведомого элемента 25 (фиг.4), и обеспечивается включение фрикционной муфты. В этом случае появляется механическая связь между тепловым двигателем 1 и осью 12 ведущих колес транспортного средства, ЭМ 1 может работать как в режиме генератора и вырабатывать электрическую энергию для накопителя, так и в тяговом режиме, обеспечивая энергией ведущие колеса.
Таблица
Изменения состояний узлов механизма 7
Режим
Вспомогательный узел
Основной узел
Работа по последовательной схеме
Вкл
выкл
Переход с последовательной схемы на параллельную
Выкл
вкл
Работа по параллельной схеме
Вкл
вкл
Переход с параллельной схемы на последовательную
Вкл
выкл
Работа по последовательной схеме
Вкл
выкл