ТРЕХОСНЫЙ АВТОМОБИЛЬ С КОМБИНИРОВАННОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ
THREE-AXLE VEHICLE WITH COMBINED POWERPLANT

Изобретение относится к транспортному машиностроению и может быть использовано в транспортных средствах с комбинированной энергетической установкой.
Известен полноприводный трехосный грузовой автомобиль, содержащий тепловой двигатель внутреннего сгорания, трансмиссию для кинематической связи вала двигателя с передним и средним ведущими мостами. Задний ведущий мост имеет привод через управляемую муфту от обратимой электрической машины, подключенной к аккумуляторной батарее. При отсутствии потребности в использовании электрической машины в качестве электродвигателя прекращается ее питание электрической энергией и производится размыкание муфты, связывающей электрическую машину с задним ведущим мостом, для предотвращения потерь энергии на вращение вала электрической машины. При движении автомобиля под уклон или при его торможении электрическая машина после включения муфты используется в качестве генератора электрического тока для подзарядки аккумуляторной батареи. Предложенное техническое решение позволяет использовать тепловой двигатель меньшей мощности и дает возможность рекуперации энергии (Заявка WO №2011109187, МПК В60К 6/48, В60К 6/52, дата приоритета 03.01.2010).
Известна также схема гибридного привода трехосного автомобиля, содержащего переднюю колесную ось и двухосную заднюю колесную тележку (см. патент US №7520354, приоритет от 02.05.2002).
В первом из вариантов этого гибридного привода каждое из шести колес имеет дифференциальный привод посредствам планетарного механизма от теплового двигателя и от электрической машины, встроенной в колесо.
Во втором варианте гибридного привода дифференциальный привод от теплового двигателя и от встроенных электрических машин имеют колеса только задней колесной тележки, а передние колеса имеют привод только от электрических машин, размещенных в колесах.
В первом и втором вариантах гибридного привода используется мотор-генератор, имеющий дифференциальную связь с валом двигателя. С помощью этого мотора-генератора поддерживается примерно постоянная частота вращения вала двигателя, который в этом случае работает на установившемся режиме, при котором уменьшаются расход топлива и выбросы вредных веществ с отработавшими газами.
В третьем варианте гибридного привода производится дифференциальный привод каждого из ведущих мостов от теплового двигателя и от электродвигателя. Электрические машины подключены к генератору электрического тока, имеющему привод от вала теплового двигателя.
Для каждой из представленных схем трансмиссии возможны три различных варианта конструкции ведущего моста.
В первом варианте ведущий мост имеет два тяговых электромотора, по одному на каждое колесо, и возможность привода от двигателя внутреннего сгорания. Мощность поступает на коническую главную передачу, далее в редуктор, где к мощности двигателя внутреннего сгорания добавляется мощность тягового электромотора. Электромоторы вынесены из колеса. Это значительно снижает массу колес по сравнению со встроенными электромоторами.
Во втором варианте ведущий мост имеет два тяговых электромотора, по одному на каждое колесо, и возможность привода от двигателя внутреннего сгорания. От приводного вала мощность поступает через конические шестерни в редуктор для каждого колеса. В каждом редукторе мощность, приходящая на ведущий мост, объединяется с мощностью электромотора, присоединенного к редуктору. От редуктора мощность поступает на каждое колесо. При этом варианте снижается КПД ведущего моста за счет большего количества пар зацепления. Также снижается масса по сравнению с первым вариантом, так как редукторы расположены вне колес. Присутствует возможность регулировать мощность, подаваемую на колесо.
В третьем варианте ведущий мост имеет один тяговый электромотор, и возможность дифференциального привода от двигателя внутреннего сгорания. От приводного вала мощность поступает через конические шестерни в редуктор. В редукторе мощность, приходящая на ведущий мост, объединяется с мощностью электромотора, присоединенного к редуктору. От редуктора через дифференциал мощность распределяется на каждое колесо. Этот вариант конструкции моста проще по сравнению с двумя предыдущими вариантами, так как в конструкции присутствует дифференциал, то мощность распределяется по определенному закону (см. патент US №7520354, приоритет от 02.05.2002).
В качестве прототипа, по совокупности существенных признаков был выбран второй вариант гибридного привода трехосного транспортного средства по патенту US №7520354.
Недостатком запатентованной конструкции является ее сложность, связанная с применением электромоторов, установленных на каждом мосту, двух электрических машин в составе энергетической установки и согласующего редуктора между ними, что к тому же ведет к значительному удорожанию конструкции.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является упрощение конструкции и улучшение эксплуатационных характеристик трехосного автомобиля с комбинированной энергетической установкой.
Для решения поставленной задачи трехосный автомобиль с комбинированной энергетической установкой, содержащий тепловой двигатель, имеющий кинематическую связь с колесами среднего моста, обратимые электрические машины, трансмиссию, бортовую управляющую систему, выполнен с приводом задних колес от электрических машин, установленных в ступицах колес, с комбинированным приводом среднего моста, осуществляемым от теплового двигателя и обратимой электрической машины, расположенной в блоке с коробкой передач, при этом электрические машины привода передних колес расположены на несущей системе автомобиля, дополнительно установлены аккумуляторные батареи, кроме этого задняя ось оснащена механизмом подъема.
Совокупность отличительных признаков, заключающаяся в том, что автомобиль выполнен с приводом задних колес от электрических машин, установленных в ступицах колес, комбинированным приводом колес среднего моста от теплового двигателя и обратимой электрической машины, расположенной в блоке с коробкой передач, и снабжен аккумуляторными батареями, позволяет отказаться от редуктора заднего моста, применение аккумуляторных батарей и установка обратимой электрической машины между тепловым двигателем и коробкой перемены передач позволяет отказаться от второй электрической машины в составе энергетической установки и согласующего редуктора между ними, что значительно упрощает конструкцию, а использование механизма подъема заднего моста позволяет отказаться от муфты, позволяющей разъединять привод колес заднего моста. Размещение электрических машин привода передних колес на несущей системе автомобиля позволяет снизить массу колес по сравнению с вариантом с встроенными в ступицы колес двигателями.
Заявителю не известен трехосный автомобиль с комбинированной энергетической установкой с указанной совокупностью существенных признаков, и заявленная совокупность существенных признаков не вытекает явным образом из современного уровня техники, следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условиям патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень».
Заявляемое техническое решение поясняется чертежом, где изображен трехосный автомобиль с комбинированной энергетической установкой.
Трехосный автомобиль с комбинированной энергетической установкой содержит несущую систему 1, тепловой двигатель 2, имеющий кинематическую связь с колесами среднего моста 3.
Обратимая электрическая машина 4 расположена между тепловым двигателем 2 и механической коробкой передач 5. Привод колес переднего моста с независимой подвеской 6 осуществляется с помощью электрических машин 7, расположенных на несущей системе 1 автомобиля, а привод колес задней оси 8 осуществляется с помощью электрических машин 9, расположенных в ступицах колес. Питание электрических машин 7 привода колес переднего и электрических машин 9 задней оси, а также обратимой электрической машины 4 привода колес среднего моста осуществляется аккумуляторными батареями 10, расположенными на несущей системе автомобиля 1. Подъем задней оси 8 осуществляется при помощи механизма подъема 11.
Для реализации полного привода при разряженных батареях 10 обратимые электрические машины 7 колес переднего и электрические машины 9 задней оси могут получать электропитание от обратимой электрической машины 4. Управление комбинированной энергетической установкой и комбинированным приводом осуществляет бортовая управляющая система 12.
Трехосный автомобиль с комбинированной энергетической установкой работает следующим образом.
При движении транспортного средства привод колес среднего моста 3 осуществляется тепловым двигателем 2 через механическую коробку передач 5, а колес переднего моста с независимой подвеской 6 электрическими машинами 7, размещенными на несущей системе автомобиля и задней оси 8 - встроенными в ступицы электрическими машинами 9. Такое компоновочное решение позволяет исключить механические потери раздаточной коробки, а также редуктора и дифференциала переднего и заднего мостов. Кроме того, это позволяет частично компенсировать рост веса энергетической установки за счет исключения раздаточной коробки, редукторов переднего и заднего мостов и карданных валов.
В случае если мощности теплового двигателя 2 не достаточно для преодоления сил сопротивления движению, происходит переключение обратимой электрической машины 4, расположенной между тепловым двигателем 2 и механической коробкой передач 5, в режим электромотора. В этом режиме питание всех электрических машин осуществляется аккумуляторными батареями 10, установленными на несущей системе 1 автомобиля. Управляющая система 12 контролирует уровень разряда аккумуляторных батарей 10, и после уменьшения напряжения до установленной величины обратимая электрическая машина 4 вновь переводится в режим генератора. Накопление электрической энергии в аккумуляторных батареях 10 осуществляется при торможении транспортного средства и движении под уклон за счет рекуперации энергии. В этих режимах все электрические машины переходят в режим генераторов.
При движении с неполной нагрузкой механизм подъема 11 поднимает и фиксирует заднюю ось 8. Это позволяет исключить потери на вращение электрических машин 9, а также износ шин и износ подвижных деталей задней оси.
Предложенная конструкция позволяет реализовать функцию системы стабилизации для улучшения управляемости автомобиля за счет индивидуального управления каждой электрической машиной 4 и 9. Для этого подаются соответствующие управляющие сигналы на электромоторы от бортовой управляющей системы 12.
При включении электрических машин 4, 7 и 9 в режим электромоторов бортовой управляющей системой 12 контролируется уровень разряда аккумуляторных батарей 10 и при достижении его минимально допустимого уровня происходит пуск теплового двигателя 2, который производит заряд аккумуляторных батарей 10 с помощью обратимой электрической машины 4, расположенной в блоке с коробкой передач 5.
В установившемся режиме движения транспортного средства привод колес передней оси с независимой подвеской 6 отключается, а задняя ось 8 поднимается. При недостаточном уровне заряда аккумуляторных батарей 10 электрические машины переключаются в режим генератора. Сигналом для опускания заднего моста 8 и включения электрических машин 9 в режим электродвигателя является буксование колес среднего моста 3 и/или значительное снижение заданной скорости движения.
Предлагаемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости и возможно для реализации на стандартном технологическом оборудовании с применением имеющихся комплектующих узлов и материалов.