СОЕДИНИТЕЛЬНО-ТРАНСФОРМИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО КОМБИНИРОВАННОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
VEHICLE WITH COMBINED POWER PLANT TRANSMISSION GEARBOX CONNECTIVE AND TRANSFORMING DEVICE

Изобретение относится к области транспортного машиностроения и может использоваться в транспортных средствах с комбинированной энергетической установкой (КЭУ) с двумя разными типами двигателей - тепловым и электрическим, в частности в автомобилях с различными схемами привода ведущих мостов.
В транспортных средствах с КЭУ, в которых предусматриваются изменения схем работы установки: смена привода колес от двигателя внутреннего сгорания (ДВС) на привод от электродвигателя (ЭД); переход на суммированный привод: от ДВС и от ЭД; изменение режима движения, в частности переход от режима торможения с рекуперацией энергии к экстренному торможению, в составе трансмиссии необходимы специфические соединительные устройства.
В отличие от традиционного для трансмиссии транспортного средства (ТС) с ДВС механизма сцепления, основным рабочим режимом которого является «включено», соединительное устройство КЭУ должно работать в двух практически равнозначных режимах - как «включено», так и «выключено».
Наряду с этим, назначение транспортного средства с КЭУ предопределяет выбор специфических особенностей компоновочной схемы:
- целесообразного числа и расположения ЭД;
- варианта привода колес от ЭД;
- выбор устройства трансформации крутящего момента: непосредственно от ЭД (без преобразования крутящего момента); через редуктор с постоянным передаточным числом; через редуктор с переменным передаточным числом с приемлемым диапазоном преобразования крутящего момента.
При этом благоприятные внешние характеристики ЭД способствуют поиску возможности исключения из состава трансмиссии коробки передач (КП), традиционной для транспортного средства с ДВС.
Из уровня техники известно применение на автомобилях с ДВС сочетания соединительной фрикционной многодисковой муфты и планетарного редуктора в подключаемом приводе колеса. Сочетание является частью агрегата привода ведущего моста. Так на автомобиле «Honda Pilot» с ДВС реализовано устройство привода колес автомобиля, соответствующее описанию к патенту на изобретение (US 7264077, опубликованное 04.09.2007 г.) и содержащее (см. фиг. 2, фиг. 4а-4b) входной и выходной валы, трехзвенный планетарный механизм, связанный одним из своих звеньев - коронной шестерней, с входным валом, многодисковую фрикционную муфту с электромагнитным приводом. Обойма ведущих дисков муфты связана с солнечной шестерней планетарного механизма. Муфта во включенном состоянии является тормозом - связывает солнечную шестерню планетарного механизма с корпусом конструкции. Муфта, таким образом, находится в ветви малого крутящего момента, позволяя уменьшить габариты и массу, снизить энергопотребление в рабочем режиме.
Вместе с тем, принцип совмещения многодисковой фрикционной муфты с редуктором крутящего момента планетарного типа, свойственный аналогу и используемый в конструкциях редукторных узлов, обеспечивает преобразование величины крутящего момента лишь с постоянным передаточным числом, чем ограничивает функциональные возможности устройства.
Хотя внешние характеристики тяговых ЭД - характеристики крутящего момента и мощности в зависимости от скорости вращения, более благоприятны, чем у ДВС, тем не менее, для использования высоких значений мощности в широком диапазоне скоростей движения транспортного средства предпочтительно иметь возможность изменения, в определенном диапазоне, передаточного числа в трансмиссии. Этот диапазон может быть меньшим, чем при использовании привода от ДВС, что и мотивирует стремление к отказу в КЭУ от коробки передач с широким диапазоном изменения передаточных чисел, свойственным при ДВС.
Также из уровня техники известна конструкция автомобиля с КЭУ по описанию к патенту на изобретение (2004203208 А, опубликованное 22.07.2004 г.), в которой привод колес одной из осей осуществляется от ЭД и имеет переменное передаточное число. Предусмотрены два ЭД, каждый со своим включателем, редуктор с двумя входными валами, в котором для каждого ЭД имеется своя кинематическая ветвь, и единый выходной вал. Кинематические ветви имеют разные передаточные числа. Таким образом, переход с одного ЭД на другой означает для привода колес двухступенчатое преобразование крутящего момента.
Недостатком указанного аналога является то, что в приводе от ЭД нет соединительного устройства, размыкающего кинематическую связь с колесами. В случае экстренного торможения автомобиля, его тормозная система имеет дополнительную нагрузку, обусловленную инерционными свойствами привода, включая существенную часть - моменты инерции двух роторов ЭД с учетом передаточных чисел ветвей (в степени 2, как известно).
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому изобретению является соединительное устройство транспортного средства по патенту на изобретение (RU 2500934 С1, опубликованное 10.12.2013 г.) и принятое нами за прототип. Устройство содержит входной и выходной валы, трехзвенный планетарный механизм, разделяющий входной крутящий момент на два потока, управляемую фрикционную муфту в потоке малого крутящего момента, обеспечивающую режимы длительной работы как «включено», так и «выключено». Поток малого крутящего момента, суммируясь с крутящим моментом коронной шестерни, передается на выходной вал. Размыкание сцепления обеспечивает режим работы соединительного устройства «выключено». Таким образом, устройство является двухрежимным и двухпоточным.
В варианте исполнения устройства фрикционная муфта выключается лишь на время перехода из одного режима в другой, обеспечивая переключение посредством дополнительной зубчатой муфты.
Недостатком прототипа является то, что устройство, давая возможность уменьшения габаритов и массы фрикционной муфты с электромагнитным управлением, а также снижая энергопотребление, является, вместе с тем, только соединительным устройством.
Задача, решаемая изобретением, направлена на создание узлов КЭУ с расширенными функциональными возможностями, улучшающих эксплуатационные характеристики транспортного средства, и более универсальных для применения в КЭУ с различными схемами передачи энергии: последовательной и последовательно-параллельной.
Сущность изобретения состоит в том, что соединительно-трансформирующее устройство трансмиссии транспортного средства, преимущественно с комбинированной энергетической установкой, содержит входной и выходной валы, дифференциал на основе трехзвенного планетарного механизма, водило которого связано с входным валом устройства, многодисковую фрикционную муфту, обойма ведущих дисков которой связана с солнечной шестерней дифференциала, образующей малый поток крутящего момента, а обойма ведомых дисков жестко связана с коронной шестерней дифференциала, соединяя тем самым ее больший поток крутящего момента с потоком малого крутящего момента, отличие согласно изобретению состоит в том, что обойма ведомых дисков фрикционной муфты жестко связана с ведущим звеном планетарного механизма, являющимся редуктором крутящего момента, по крайней мере, двухступенчатым, водило редуктора связано с выходным валом устройства, а неведущее звено планетарного механизма жестко связано со ступицей подвижной зубчатой муфты, которая может находиться в зацеплении с зубчатым венцом ведущего звена редуктора, образуя прямую передачу, и может быть в зацеплении с неподвижным зубчатым элементом, жестко замкнутым на корпус устройства, образуя низшую передачу, подвижная зубчатая муфта связана с вилкой механизма переключения передач, которая имеет возможность перемещения под воздействием управляющего усилия.
Кроме того, дополнительные отличия предлагаемого устройства состоят в том, что:
- ведущим звеном планетарного редуктора является коронная шестерня;
- ведущим звеном планетарного редуктора является солнечная шестерня;
- зубчатая муфта является частью синхронизатора традиционного типа;
- механизм переключения передач редуктора выполнен с применением фрикционных муфт;
- многодисковая фрикционная муфта выполнена по постоянно замкнутому типу и имеет электромагнитный привод.
Технический результат, получаемый от использования изобретения, заключается в улучшении динамических и топливно-экономических характеристик транспортного средства с КЭУ, снижении габаритов и массы фрикционной муфты, снижении нагрузок на тормозные механизмы при экстренных торможениях, снижении энергопотребления управляющих электромагнитных устройств установки.
Предлагаемое соединение обоймы ведомых дисков муфты с ведущим звеном редуктора крутящего момента, имеющего переменное передаточное число, расширяет функциональные возможности устройства - дает возможность трансформации крутящего момента ЭД или, в зависимости от применяемой схемы КЭУ, суммированного момента ДВС и ЭД.
Расширенные возможности устройства в сочетании с благоприятной характеристикой крутящего момента тягового ЭД позволяют повысить динамические и топливно-экономические показатели транспортного средства, обеспечивая выбор передаточного числа, более соответствующего характеристикам двигателей в текущий момент времени. Тем самым возможности устройства делают необязательным применение традиционной коробки передач для тех транспортных средств, у которых особо высокие динамические качества не являются приоритетом.
Кроме того, сочетание в устройстве соединительных и трансформирующих функций дает дополнительные возможности при разработке компоновочной схемы и типа привода колес транспортного средства, поскольку позволяет более свободно размещать ЭД, в частности  предусматривать дополнительный привод от ЭД на мост, не имеющий привода от ДВС, реализуя тем самым схему полного привода. При этом привод может быть отключаемым, поскольку устройство обеспечивает равноценные режимы «включено» - «выключено».
Сочетание соединительных и трансформирующих функций в устройстве позволяет эффективнее использовать режим рекуперации энергии в обратимой электромашине (ОЭМ) во время торможения транспортного средства за счет выбора передаточного числа в редукторе, более соответствующего как с точки зрения обеспечения необходимого замедления, так и КПД преобразования энергии. При экстренном же торможении наличие соединительной муфты в устройстве позволяет отсоединить ОЭМ и тем самым снять негативное влияние инерционных масс ротора ОЭМ на характеристики торможения.
Вместе с тем, наличие в составе устройства соединительной муфты позволяет, с использованием синхронизатора, выполнять безударное переключение передач в редукторе, поскольку отключение ОЭМ на время переключения создает необходимые для синхронизатора условия - инерционная масса ротора ОЭМ отключается, а остающиеся в кинематической связи синхронизируемые по скорости вращения детали устройства имеют незначительный момент инерции.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображено:
на фиг. 1 - схема предлагаемого соединительно-трансформирующего устройства (СТУ);
на фиг. 2а - СТУ в составе КЭУ с последовательной схемой передачи энергии на транспортных средствах с задним приводом, Г - генератор;
на фиг. 2б - СТУ в составе КЭУ с последовательно-параллельной схемой передачи энергии, с двумя обратимыми электрическими машинами - ОЭМ1 и ОЭМ2, на транспортных средствах с задним приводом;
на фиг. 2в - СТУ в составе КЭУ с последовательно-параллельной схемой передачи энергии, с двумя обратимыми электрическими машинами - ОЭМ1 и ОЭМ2, на транспортных средствах с полным приводом;
на фиг. 2г - СТУ в составе схемы КЭУ с параллельной схемой передачи энергии на транспортных средствах с полным приводом, в котором передний привод осуществляется от ОЭМ;
на фиг. 2д - СТУ в составе схемы КЭУ с параллельной схемой передачи энергии на транспортных средствах с полным приводом, в котором задний привод осуществляется от ОЭМ.
Сущность изобретения поясняется на примере СТУ, представленного на фиг. 1, в составе которого фрикционное сцепление с электромагнитным управлением, установленное в потоке малого крутящего момента дифференциала, 2-х ступенчатый редуктор планетарного типа с синхронизированным переключением.
Устройство содержит входной вал 1, дифференциал 2 на основе трехзвенного планетарного механизма, многодисковую фрикционную муфту 3 постоянно замкнутого типа с электромагнитным приводом 4, редуктор 5 планетарного типа с механизмом переключения передач, оснащенным синхронизатором 6, выходной вал 7, связанный с ведомым звеном планетарного механизма редуктора 5, привод 8 механизма переключения передач, выполненного любым известным целесообразным образом, например с применением фрикционных муфт. При этом водило 9 дифференциала 2 жестко связано с входным валом 1, солнечная шестерня 10, формирующая малый поток крутящего момента, связана с внутренней обоймой 11 фрикционной муфты 3, а коронная шестерня 12, формирующая больший поток крутящего момента - с наружной обоймой 13 фрикционной муфты 3, объединяющей потоки крутящего момента.
Наружная обойма 13 муфты соединена также с ведущим звеном редуктора - коронной шестерней 14. Солнечная шестерня 15 планетарного редуктора 5 соединена со ступицей 16 синхронизатора 6, выполненного по одному из традиционных типов (например, пальцевым или сухарным), а водило 17, ведомое звено планетарного механизма редуктора 5, связано с выходным валом 7 устройства. Подвижная зубчатая муфта 18 синхронизатора 6 находится в контакте с вилкой 19 механизма переключения, для управления которым служит упомянутый ранее привод 8, зубчатый элемент 21 является неподвижным.
Упругим элементом фрикционной муфты 3 служит пружина 20, а управляющим элементом - электромагнитный привод 4.
Работа предлагаемого устройства позволяет обеспечить ему четыре состояния:
1 - включенное на низшей передаче;
2 - включенное на высшей передаче;
3 - постоянно выключенное (нейтральная передача);
4 - кратковременно выключенное - на время переключения передач или на время экстренного торможения.
В первых трех состояниях (включенное на низшей передаче; включенное на высшей передаче; на нейтральной передаче) фрикционная муфта 3 замкнута под воздействием пружины 20, электромагнитный привод 4 выключен. Таким образом, эти три продолжительных режима работы не требуют затрат электроэнергии. Включение электромагнитного привода 4 и, соответственно, потребление электроэнергии требуется лишь на время изменения состояния - на сжатие пружины 20 и выключение тем самым фрикционной муфты 3. Выключение фрикционной муфты 3 разрывает силовую связь солнечной 10 и коронной 12 шестерен дифференциала 2, разблокировав его, и тем самым отключает редуктор 5, создавая необходимые условия для переключения передач.
Включение низшей передачи в планетарном редукторе 5, после выключения фрикционной муфты 3, осуществляется известным способом, т.е. зубчатая муфта 18 приводит в действие синхронизатор 6 и перемещается для обеспечения зацепления ступицы 16, а соответственно, и солнечной шестерни 15 редуктора 5, с неподвижным зубчатым элементом 21. Перемещение подвижной зубчатой муфты 18 осуществляется вилкой 19 под воздействием привода 8. При выключенной фрикционной муфте 3 синхронизатор 6 приводит скорость вращения группы деталей - наружной обоймы 13 фрикционной муфты 3, коронной шестерни 12 дифференциала 2, коронной шестерни 14 редуктора 5 и связанных с ними деталей в кинематическое соответствие со скоростью водила 17. Вместе с тем происходит замедление скорости, вплоть до остановки, солнечной шестерни 15, ступицы 16, подвижной зубчатой муфты 18 синхронизатора 6. Момент инерции перечисленных групп деталей несопоставимо ниже, чем ротора ЭД, что и создает в устройстве необходимые условия для работы синхронизатора 6.
Во включенном на низшей передаче состоянии крутящий момент с входного вала 1 воздействует на водило 9 дифференциала 2, разделяющего крутящий момент на два потока: малый, формируемый солнечной шестерней 10, и больший, формируемый коронной шестерней 14. Поскольку внутренняя обойма 11 многодисковой фрикционной муфты 3 связана с солнечной шестерней 10, то фрикционная муфта 3 воспринимает и передает на наружную обойму 13 малый поток крутящего момента. Соответственно, для сжатия пакета фрикционных дисков муфты 3 требуется относительно малое усилие пружины 20, а размерности дисков и всей фрикционной муфты 3 также могут быть уменьшены - выбраны под малый поток момента, а не под крутящий момент на валу 1. Поскольку наружная обойма 13 фрикционной муфты 3 связана с коронной шестерней 12 дифференциала 2, то два потока крутящего момента суммируются, и уже единый поток поступает в редуктор 5 посредством жесткого соединения коронной шестерни 12 дифференциала 2 с ведущим звеном редуктора 5. В рассматриваемом примере по фиг. 1 ведущим звеном редуктора 5 является коронная шестерня 14, а солнечная шестерня 15 остановлена. Водило 17 передает преобразованный крутящий момент на выходной вал 7 с момента включения фрикционной муфты 3.
Для включения высшей передачи выключается фрикционная муфта 3, а подвижная зубчатая муфта 18 приводит в действие синхронизатор 6 и перемещается до полного зацепления с зубчатым венцом, связанным с коронной шестерней 14, блокируя редуктор 5 и устанавливая тем самым прямую, высшую передачу. В процессе синхронизации скорости вращения групп деталей (перечислены ранее при рассмотрении включения низшей передачи), момент инерции которых влияет на усилия и время переключения, сравниваются со скоростью водила 17 и выходного вала 7. С момента включения фрикционной муфты 3 крутящий момент с входного вала 1 передается на выходной вал 7 напрямую.
Для включения нейтральной передачи выключается фрикционная муфта 3 и посредством вилки 19 под воздействием привода 8 подвижная зубчатая муфта 18 синхронизатора 6 устанавливается в среднее, нейтральное положение на ступице 16, освобождая солнечную шестерню 15 и разрывая тем самым в редукторе 5 силовую связь с водилом 17 и выходным валом 7. Электромагнитный привод 4 выключается, фрикционная муфта 3 приводится в замкнутое состояние и уже не требует электропитания.
Кратковременно выключенное состояние устройства используется на время переключения передач, как это описано ранее, и является целесообразным во время экстренного торможения. Включение электропитания приводит в действие электромагнитный привод 4, пружина 20 сжимается и в результате фрикционная муфта 3 выключается. Тем самым ОЭМ разъединяется с устройством, инерционная масса ротора ОЭМ отсоединяется от перечисленных ранее инерционных масс устройства, участвующих в процессе синхронизации, обеспечивая необходимые условия для применения синхронизатора. Таким образом, становится возможным безударное переключение передач в редукторе в любом скоростном режиме движения транспортного средства.
Во время экстренного торможения транспортного средства кратковременное выключение фрикционной муфты 3 и отсоединение, в результате, инерционной массы ротора ОЭМ является целесообразным, поскольку это способствует снижению необходимых тормозных моментов и, соответственно, облегчает работу тормозного управления.
Таким образом, использование представленного соединительно-трансформирующего устройства (СТУ) обеспечивает заявленный технический результат - улучшение динамических и топливно-экономических характеристик транспортного средства с КЭУ, снижение габаритов и массы фрикционной муфты, снижение нагрузок на тормозные механизмы при экстренных торможениях, снижение энергопотребления управляющих электромагнитных устройств установки. При этом СТУ свойственна универсальность для применения в КЭУ различных схем.