ГИБРИДНЫЙ ПРИВОД ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Полезная модель относится к области транспортного машиностроения, в частности к гибридному приводу транспортных средств, обеспечивающему возможность реализации таких режимов движения, как электрического и гибридных: последовательного и параллельного, и предназначена, преимущественно, для легковых автомобилей с приводом на одну ось.
Из уровня техники известен гибридный привод для транспортного средства, реализующий указанные выше режимы движения (US 6209672 B1, 2001 г.), который содержит двигатель внутреннего сгорания, две электрические машины, связанные с двигателем внутреннего сгорания непосредственно или через редукторы, и механизм сцепления, предназначенный для отключения или подключения двигателя внутреннего сгорания и электрических машин к выходному валу, связанному с ведущими колесами транспортного средства.
К недостатку такого привода следует отнести неоптимальное размещение исполнительных механизмов, обусловленное линейностью их расположения относительно продольной оси транспортного средства.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели является гибридный привод транспортного средства (ТС) (US 20120198962 A1, 2012 г., фиг. 4 и 5), содержащий связанный с ведущими колесами ТС выходной вал с расположенным на нем выходным редуктором, ведущая шестерня которого связана с промежуточным валом, двигатель внутреннего сгорания (ДВС), связанный с выходным валом с возможностью размыкания и смыкания их механической связи посредством механизма сцепления, и две обратимые электрические машины (первую и вторую), каждая из которых выполнена, например, синхронной на постоянных магнитах, и имеет свой вал. В прототипе первая электрическая машина (ЭМ) и ДВС имеют обитую ось размещения и вал ЭМ напрямую связан с валом ДВС (выполнен с ним заодно). Вторая ЭМ размещена над первой, и ее вал, параллельный оси размещения первой ЭМ и ДВС, через соединительный зубчатый редуктор связан с промежуточным валом. Вал, общий для ДВС и первой ЭМ, связан с промежуточным валом через повышающий зубчатый редуктор (мультипликатор).
Как известно, оптимальные частоты вращения ДВС и ЭМ, при которых они обладают наибольшим КПД, различны (частота вращения ЭМ значительно выше частоты вращения ДВС), вследствие чего соединение ДВС и первой ЭМ, в прототипе выполненное напрямую, является причиной неэффективной работы первой ЭМ в режиме генерирования энергии.
К тому же, принятая в прототипе нерациональная схема пространственного размещения ДВС и двух ЭМ и их связи с промежуточным валом приводит к необходимости:
во-первых, введения дополнительной кинематической связи между валом ДВС и промежуточным валом, что увеличивает вероятность механических потерь и, соответственно, снижение КПД привода;
во-вторых, корректировки передаточного отношения между ДВС и промежуточным валом посредством повышающего редуктора с целью обеспечения соответствующего соотношения передаточных чисел между механическими связями ДВС - промежуточный вал - выходной вал и вторая ЭМ - промежуточный вал - выходной вал, требуемой в прототипе еще и по причине выполнения связи второй ЭМ с промежуточным валом посредством зубчатого редуктора (из-за существующих практических ограничений по величине передаточного отношения зубчатых редукторов в зависимости от их размера).
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, направлена на создание более эффективного и компактного гибридного привода транспортного средства.
Технический результат, получаемый от реализации полезной модели, заключается в повышении КПД привода путем повышения эффективности работы ЭМ и ДВС и снижения механических потерь в кинематических связях. Дополнительный технический результат состоит в минимизации компоновочного решения привода.
Для достижения технического результата в гибридном приводе транспортного средства, содержащем связанный с ведущими колесами транспортного средства выходной вал с расположенным на нем выходным редуктором, шестерня которого связана с промежуточным валом, двигатель внутреннего сгорания, связанный с выходным валом с возможностью размыкания и смыкания их механической связи посредством механизма сцепления, и две обратимые электрические машины, каждая из которых выполнена, например, синхронной на постоянных магнитах, и имеет свой вал, в котором вал первой электрической машины связан с валом двигателя внутреннего сгорания, а вал второй электрической машины через соединительный редуктор и промежуточный вал связан с выходным валом, в отличие от прототипа, вал первой электрической машины связан с валом двигателя внутреннего сгорания через зубчатый редуктор, а соединительный редуктор второй электрической машины имеет передаточное отношение большее, чем у выходного редуктора, и выполнен в виде трехзвенного планетарного механизма, к солнечной шестерне которого подключен вал этой машины, кольцевая шестерня закреплена неподвижно, например, относительно кузова транспортного средства, а водило связано с промежуточным валом.
Дополнительный отличительный признак предлагаемого привода состоит в том, что в нем двигатель внутреннего сгорания, редуктор первой электрической машины, механизм сцепления, выходной редуктор и планетарный механизм имеют общую продольную ось размещения, и при этом редуктор первой электрической машины установлен между двигателем внутреннего сгорания и механизмом сцепления, а выходной редуктор установлен между механизмом сцепления и планетарным механизмом.
Выполнение связи между первой ЭМ и ДВС не напрямую, как в прототипе, а через редуктор, позволяет обеспечить работу первой ЭМ в режиме генерирования энергии на ее оптимальных частотах, что способствует повышению КПД процесса, и получаемый при этом результат от повышения эффективности работы этой машины, в конечном итоге, значительно выше вероятных незначительных потерь в ее редукторе.
Связь второй ЭМ с промежуточным валом через соединительный редуктор, выполненный в виде трехзвенного планетарного механизма, которые, как известно, обладают большим диапазоном передаточных отношений при компактных размерах, позволяет обеспечить требуемую величину передаточного отношения между второй ЭМ и выходным валом, а это позволяет выбрать выходной редуктор с передаточным отношением, обеспечивающим работу ДВС на оптимальных частотах вращения, в отличие от прототипа, без необходимости использования дополнительного редуктора между валом ДВС и промежуточным валом, чему способствует принятая в предлагаемом приводе оптимальная схема размещения его компонентов, в частности, соосное расположение вала ДВС и промежуточного вала. Размещение ДВС, планетарного механизма и механизма сцепления на одной общей оси способствует достижению компоновочной компактности привода.
На представленных чертежах: на фиг. 1 дан общий вид предлагаемого привода (примерная схема); на фиг. 2 приведена таблица работы привода с указанием режимов.
Гибридный привод содержит ДВС 1 и две обратимые ЭМ: первую и вторую, соответственно, 2 и 3, выполненные, например, синхронными на постоянных магнитах. Механизм сцепления 4, который может иметь любую целесообразную конструкцию, предназначен для соединения/разъединения валов: вала ДВС 5 и промежуточного вала 6 и имеет два устойчивых состояния: разомкнутое и замкнутое. Вал 7 ЭМ 2 связан с валом ДВС 5 посредством зубчатого редуктора 8. Промежуточный вал 6 соединен с выходным валом 9, связанным с ведущими колесами ТС, через выходной редуктор 10. Вал 11 ЭМ 3 связан с промежуточным валом 6 посредством планетарного механизма 12, имеющего передаточное отношение большее, чем у выходного редуктора 10, и включающего в себя закрепленную неподвижно, например, относительно кузова ТС кольцевую шестерню 13, водило 14, соединенное с промежуточным валом 6, и солнечную шестерню 15, соединенную с валом 11 ЭМ 3.
Система питания 16 содержит накопитель электрической энергии, преобразователь электрической энергии, блок управления преобразователем и другие необходимые компоненты (на чертеже условно не показаны). При этом накопитель электрической энергии может быть использован любого известного типа, например, электрохимическим (аккумуляторная батарея), конденсаторным, механическим.
ДВС 1, механизм сцепления 4, редуктор 8 ЭМ 2, выходной редуктор 10 и планетарный механизм 12 имеют общую ось размещения. При этом редуктор 8 располагается между ДВС 1 и механизмом сцепления 4, а выходной редуктор 10 между механизмом сцепления 4 и планетарным механизмом 12.
Работа привода (таблица фиг. 2) осуществляется в пяти режимах:
- электрический режим;
- режим запуска двигателя внутреннего сгорания;
- режим последовательного гибридного привода;
- режим параллельного гибридного привода;
- режим торможения.
Электрический режим - Из исполнительных механизмов привода работает только вторая ЭМ 3, которая через планетарный механизм 12 и выходной редуктор 10 соединена с выходным валом 9. Механизм сцепления 4 разомкнут и, таким образом, отсоединяет ДВС 1 и ЭМ 2 от промежуточного вала 6. ЭМ 3 работает в режиме электродвигателя. При этом ее питание осуществляется от системы 16. Движение ТС в электрическом режиме продолжается с момента его старта до момента достижения накопителем энергии заданного уровня оставшейся энергии.
Запуск двигателя внутреннего сгорания - В этом режиме работы механизм сцепления 4 разомкнут, поэтому ДВС 1 и первая ЭМ 2 отсоединены от промежуточного вала 6. ЭМ 2 работает в режиме электродвигателя, раскручивая ДВС 1 через редуктор 8 до его запуска. Питание ЭМ1 2 осуществляется системой питания 16. После запуска ДВС ЭМ 2 выключается.
Режим последовательного гибридного привода - В этом режиме работы механизм сцепления 4 разомкнут. ДВС 1 и первая ЭМ 2 отсоединены от промежуточного вала 6. Вторая ЭМ 3 работает в режиме электродвигателя, получая энергию от системы питания 16. ДВС 1 выведен в режим наивысшей эффективности и работает на оптимальных частотах вращения, при этом его частота вращения не зависит от частоты вращения промежуточного вала 6. ЭМ 2 работает в генераторном режиме, питая накопитель энергии системы питания 16.
Режим параллельного гибридного привода - В этом режиме работы механизм сцепления 4 замкнут. ДВС 1 и первая ЭМ 2 соединены с промежуточным валом 6 и выходным валом 9. ДВС 1 работает, причем его скорость вращения равна скорости вращения промежуточного вала 6. ЭМ 2 может работать как в генераторном (при равномерном движении транспортного средства), так и двигательном (при ускорении) режиме, при этом происходит взаимодействие с системой питания 16. ЭМ 3 не работает.
Режим торможения - При торможении транспортного средства происходит отключение ДВС 1 и ЭМ1 2, если они до этого работали, и размыкание механизма сцепления 4, отсоединяющего ДВС 1 и ЭМ1 2 от промежуточного вала 6. При этом ЭМ2 3 работает в генераторном режиме, заряжая накопитель энергии системы питания 16.
Таким образом, при работе предлагаемого гибридного привода в электрическом и гибридных, последовательном и параллельном, режимах движения достигается оптимальная и эффективная работа электрических машин, снижение механических потерь и высокая компактность конструкции, что приводит к повышению эффективности работы гибридного привода в целом.
Предлагаемый привод найдет применение в автомобильной промышленности при создании компактных и экономичных легковых автомобилей.
Для реализации полезной модели не требуется значительных капитальных вложений. Привод может быть изготовлен в рамках действующего производства автопрома на универсальном оборудовании и с использованием типовых или стандартных узлов и механизмов, а также путем доработки существующих приводов.