Электрический ретардер
ELECTRIC RETARDER

Областью использования изобретения являются транспортные средства, имеющие двигатель внутреннего сгорания и механическую трансмиссию. Преимущественной областью использования являются коммерческие транспортные средства: автобусы и грузовые автомобили.
Первым аналогом предлагаемого изобретения является [1]. Это изобретение представляет собой электрический ретардер, установленный между выходным валом двигателя транспортного средства и первичным ведущим валом коробки передач. Двигатель и коробка передач имеют свой картер каждые. Картер двигателя имеет заднюю стенку, где смонтирован ретардер на переходном картере. Картер коробки передач имеет переднюю стенку, соединенную с переходным картером. Ретардер имеет индуцирующий ротор, вращающийся вместе с валом двигателя, индукторный статор, интегрированный в заднюю стенку картера двигателя и переднюю стенку картера коробки передач. Поле обмотки статора установлено на зафиксированный снятый компонент статора на сердечнике из электротехнической стали и обеспечивает с малой электромагнитной обмоткой формирование большого электромагнитного момента торможения.
Первый недостаток - отсутствие торможения на нейтральной передачи.
Второй недостаток - необходимость последовательного переключения на низшие передачи для получения большого тормозного момента на малых скоростях.
Третий недостаток - необходимость усложнения маховика и введения дополнительных переходного вала и картера, т.е. необходимость переделки двигателя, сцепления и коробки передач, что не всегда возможно, т.к. во многих случаях производители автомобилей эти агрегаты не производят, а покупают.
Четвертый недостаток - нерациональное использование электромагнитного поля, т.к. поле, создаваемое другой внешней стороной обмотки не используется.
Пятый недостаток - увеличение моментов инерции ведущего первичного вала коробки передач и коленчатого вала двигателя, что неизбежно приводит к увеличению расхода топлива и увеличению нагрузки на синхронизаторы.
Вторым аналогом предлагаемого электрического ретардера является электромагнитная муфта - тормоз, описанная в [2] и изображенная в [2] на стр. 9, рис. 1.1а. Эта муфта - тормоз представляет собой индукторную муфту со скользящим токоподводом. В этой муфте зубцы обмотки расположены двумя рядами, между которыми размещена кольцевая обмотка возбуждения постоянного тока. Зубцы каждого ряда имеют одинаковую полярность. Якорь представляет собой барабан, установленный коаксиально обмотке. Магнитные линии направлены по оси якоря. Магнитный поток через зазор и зубцы другой полярности замыкается по индуктору. Вихревые токи, индуктируемые в якоре переменным магнитным потоком, имеют частоту, пропорциональную числу зубцов индуктора и относительной частоте вращения индуктора и якоря. Явление поверхностного эффекта приводит к вытеснению вихревых токов в поверхностный слой якоря, называемый активным слоем. С повышением частоты вихревых токов, глубина активного слоя якоря, в котором происходят электромагнитные процессы уменьшается. Вихревые токи создают поток реакции якоря, который, взаимодействуя с магнитным потоком индуктора, образует результирующий поток. По причине действия Лапласовых сил, на якоре появляется крутящий момент
При работе в режиме тормоза, описываемая известная муфта - тормоз тормозить якорь вплоть до полной остановки не может, т.к. тормозной момент уменьшается при уменьшении частоты вращения якоря.
При торможении якоря, не происходит рекуперации кинетической энергии затормаживаемых инерционных масс в электрический ток, т.к. дополнительные обмотки отсутствуют.
Первый недостаток второго аналога: невозможность торможения вплоть до полной остановки затормаживаемых инерционных масс.
Второй недостаток второго аналога: невозможность рекуперативного торможения с преобразованием кинетической энергии затормаживаемых инерционных масс в электрический ток.
Третий недостаток второго аналога: необходимость теплоотвода от якоря по причине его перегрева при работе в режимах муфты и тормоза.
Прототипом предлагаемого электрического ретадера является вихретоковой электрический ретардер Telma, автобусов Setra 300 Series, изображенный в [3] на стр. 28. Он имеет статор, имеющий восемь полюсных обмоток и роторную пару, которая имеет два диска с вентиляционными каналами. Два диска жестко соединены с ведомым вторичным валом коробки передач. Статор установлен между дисками. Обмотки статора питаются постоянным током.
Вплоть до полной остановки такой ретардер не тормозит. Электрический ток не вырабатывает. По этим причинам, он сохраняет все недостатки второго аналога.
Известный электрический ретардер тормозит вплоть до оборотов холостого хода на включенной прямой или ускоряющей передаче, т.е. до скорости 25-30 км/ч, но при уменьшении скорости, тормозной момент уменьшается. По совокупности этих причин известный электрический ретардер не может заменить рабочий фрикционный тормоз даже при плановых служебных торможениях, кроме того, электрический ток он не вырабатывает, а кинетическая энергия затормаживаемых масс переходит в тепло, которое отводится воздухом, от дисков ретардера, имеющих радиальные каналы для вентиляции, что вовсе не исключает перегрев дисков, особенно в теплое время года. Эти две причины являются основными недостатками автомобильных вихретоковых ретардеров, выпускаемых французской фирмой Telma.
Задачей работы является разработка принципов создания электромагнитного вихретокового ретардера для транспортных средств, способного при плановых служебных торможениях полностью заменить рабочий фрикционный тормоз и обеспечить при этом и обеспечить при этом рекуперативное торможение транспортного средства, повысить безопасность транспортного средства за счет исключения значительного тепловыделения в тормозах, за счет исключения вышеописанных недостатков известных электрических вихретоковых ретардеров.
Поставленная задача решается тем, что при работе тормоза в обмотке статора создается бегущее вращающееся электромагнитное поле, изменяющееся не только против вращения ротора но и в направлении его вращения, т.е. бегущее вращающееся электромагнитное поле, способное менять направление вращения, что достигается выводом от трех фаз, по меньшей мере одного, генератора переменного тока, имеющего соединенные в треугольник или звезду обмотки возбуждения, трех фаз нагрузки в обход выпрямителя, эти три фазы идут на обмотки статора электрического ретардера, а обмотки от каждой фазы расположены последовательно исходя из обеспечения направления вращения электромагнитного поля, с переключателем соединения обмоток, обмотки от каждой из фаз изолированы от массы транспортного средства. Ретардер имеет или не имеет индукторные обмотки, предназначенные для генерации электрического тока. Каждому положению органа управления ставится в соответствие значение тормозного момента. Процесс управления проходит так, что имеющийся и заданный тормозные моменты вычисляются. При отклонении тормозного момента от заданного происходит регулирование по отклонению с использованием нелинейного закона регулирования. Бегущее электромагнитное поле изменяет направление своего вращения для создания момента на валу, при трогании с места, при трогании на подъеме, для торможения при движении назад, при трогании на подъеме для исключения отката, а при связи ротора ретардера с ведущими колесами зубчатым вариатором и использовании механической ступенчатой коробки передач и отсутствии сцепления, для увеличения угловой скорости ведомого вторичного вала коробки передач при включении передачи на неподвижном транспортном средстве.
Цель изобретения: повышение ресурса рабочих фрикционных тормозов транспортного средства; повышение экономичности транспортного средства; повышение безопасности транспортного средства; увеличение пробега между плановыми техническими обслуживаниями автомобиля; уменьшение затрат на проведение планового технического обслуживания; повышение проходимости автомобиля.
Повышение ресурса рабочих фрикционных тормозов транспортного средства достигается тем, что предлагаемый электрический вихретоковой ретардер способен при плановых служебных торможениях полностью заменить рабочий фрикционный тормоз, а в некоторых случаях и при аварийных торможениях.
Повышение экономичности транспортного средства достигается тем, что вырабатываемый электрическим вихретоковым ретардером электрический ток расходуется с известной целью разложения воды на водород и кислород, которые используются для работы двигателя, значительно уменьшая расход углеводородного топлива, применительно к дизельному двигателю, водород добавляется к дизельному топливу, уменьшая его цикловую подачу до малой запальной дозы, как это делается в известных газодизелях, только вместо метана используется водород, как известно, не склонный к самовоспламенению.
Повышение безопасности транспортного средства достигается тем, что рекуперативное торможение транспортного средства позволяет значительно уменьшить тепловыделение в ретардере, а использование ретардера вместо рабочего тормоза позволяет исключить перегрев рабочих тормозов и значительно уменьшить вероятность их отказа в аварийных ситуациях.
Увеличение пробега между плановыми техническими обслуживаниями (ТО) автомобиля достигается тем, что по причине увеличения ресурса тормозных накладок можно добиться увеличения интервала между ТО - 2 автобуса до 200 тыс.км пробега, в настоящее время этот интервал составляет 50-100 тыс.км пробега, по причине именно из-за необходимости замены тормозных накладок, конечно, для этого необходимо увеличить ресурс шин, рулевых шарниров, такие решения есть и не только у автора этой работы, особенно для увеличения интервалов замены моторного и трансмиссионного масла.
Уменьшение затрат на проведение планового технического обслуживания транспортного средства достигается тем, что увеличится ресурс тормозных дисков и барабанов, и при проведении ТО - 2 исчезнет необходимость проточки и замены тормозных дисков или барабанов, возрастет ресурс тормозной скобы дискового тормоза, увеличится ресурс опор тормозных валов, ресурс тормозных диафрагм.
Повышение проходимости автомобиля достигается тем, что при установке электрического ретардера в неведущих колесах и создании бегущего вращающегося электромагнитного поля в направлении вращения колеса при движении вперед или назад появляется крутящий момент на двух тормозных дисках, что используется при буксовании ведущих колес относительно неведущих, что позволяет тронуться с места, проходить повороты, при малом коэффициенте сцепления колес с дорогой.
Предлагаемый электрический ретардер удовлетворяет условию патентоспособности "изобретательский уровень".
Предлагаемый электрический ретардер является изобретением, т.к. удовлетворяет критериям "новизна" и "существенные отличия".
Электрический ретардер представляет собой тормоз не фрикционного действия, имеющий электромагнитную обмотку на статоре, состоящую из полюсных обмоток, установленную между двумя дисками ротора, изготовленных из проводника электрического тока, и связанный посредством трансмиссии с ведущими колесами, и иногда называемый тормозом - замедлителем.
Новизна и существенные отличия сводятся к следующему.
В предлагаемом электрическом ретардере, при работе тормоза в обмотке статора создается бегущее вращающееся электромагнитное поле, изменяющееся не только против вращения ротора, но и в направлении его вращения, т.е. способное менять направление вращения, представляющее собой колебания тока, последовательно возникающие в каждой полюсной обмотке с частотой обеспечиваемой одним или двумя, или тремя, генераторами переменного тока, приводящимися во вращение от двигателя транспортного средства, бегущее вращающееся электромагнитное поле достигается за счет трех синусоидальных однофазных электромагнитных полей сдвинутых друг от друга на угол 120°, что достигается выводом от трех фаз, по меньшей мере одного, генератора переменного тока, имеющего соединенные в треугольник или звезду обмотки возбуждения, трех фаз нагрузки в обход выпрямителя, эти три фазы идут на обмотки статора электрического ретардера, при этом число обмоток кратно трем и равно девяти или двенадцати, а обмотки от каждой фазы расположены последовательно исходя из обеспечения направления вращения электромагнитного поля, с переключателем соединения обмоток, обеспечивающим изменение направления вращения поля, обмотки от каждой из фаз установлены между дисками ротора и соединены в звезду или треугольник и изолированы от массы транспортного средства. Схема изменения направления вращения вращающегося электромагнитного поля электрического ретардера подобна схеме реверса трехфазного асинхронного двигателя.
Ретардер имеет или не имеет индукторные обмотки, предназначенные для генерации электрического тока, установленные в статоре с другой стороны дисков ротора напротив обмоток статора, число их полюсов равно числу полюсов обмоток статора, т.е. девяти или двенадцати, и они также соединены в звезду или треугольник.
Тормозные диски выполняются из ферромагнитного материала и не имеют или имеют каналы для вентиляции, или ребра охлаждения.
В случае применения более одного генератора, привод генераторов выполняется так, что обеспечивается синхронная работа генераторов, в случае применения ременного привода генераторов, используются зубчатые ремни и шкивы, а соединение ремней и шкивов осуществляется по меткам нанесенным на ремни и шкивы, а при применении шестеренчатого привода генераторов, шестерни имеют метки, по которым они при сборке вводятся в зацепление.
В трансмиссии имеется или не имеется зубчатый вариатор. Ретардер устанавливается в трансмиссии так, что ротор ретардера связан посредством трансмиссии, имеющей или не имеющей зубчатый вариатор, с ведущими колесами, при установке зубчатого вариатора в трансмиссии между коробкой передач и ведущими колесами, при наличии коробки передач, когда коэффициент трансформации зубчатого вариатора мал и применение коробки передач необходимо, ретардер устанавливается в трансмиссии между коробкой передач и зубчатым вариатором, и при использовании зубчатого вариатора, интегрированного в коробку передач, а при отсутствии последней, когда коэффициент трансформации зубчатого вариатора достаточен для этого, ретардер устанавливается в трансмиссии между двигателем и зубчатым вариатором. Ретардер устанавливается или не устанавливается в неведущих колесах.
Ретардер управляется от педали тормоза и/или от отдельного рычага; каждому положению органа управления ставится в соответствие значение тормозного момента, изменяясь линейно при его перемещении.
Процесс управления проходит так, что имеющийся и заданный тормозные моменты вычисляются, при этом имеющийся тормозной момент вычисляется микропроцессором в зависимости от силы тока на обмотках ретардера, угловой скорости ротора ретардера, фактического передаточного числа зубчатого вариатора и скольжения ведущих колес относительно ведомых. Заданный тормозной момент вычисляется по линейной зависимости от задающего напряжения.
При отклонении тормозного момента от заданного, происходит регулирование по отклонению с использованием нелинейного закона регулирования.
При работе ретардера с зубчатым вариатором, управление сводится к обеспечению заданного или максимального момента торможения на ведущих колесах, если заданный тормозной момент обеспечить невозможно, на основе решения дифференциального уравнения тормозного момента.
Процесс управления сводится к следующему: в начале торможения, тяговый момент на ведомом валу зубчатого вариатора исчезает или становится пренебрежимо мал по причине перевода двигателя на холостой ход, под действием момента от ведомого вала зубчатого вариатора, его ведущий вал начинает разгоняться вместе с ротором ретардера, скольжение в ретардере резко увеличивается, затем бегущее вращающееся электромагнитное поле создает тормозной момент на роторе ретардера и ведущем валу зубчатого вариатора, который начинает тормозиться и происходит уменьшение скольжения и тормозного момента, который вычисляется микропроцессором, если момент торможения меньше заданного, то происходит увеличение частоты вращения бегущего вращающегося электромагнитного поля, увеличением частоты вращения двигателя и/или увеличение силы тока возбуждения, что вызовет увеличение электромагнитного тормозного момента ретардера, если тормозной момент больше заданного, то происходит дезактивация бегущего электромагнитного поля ретардера уменьшением силы тока возбуждения и/или уменьшением частоты вращения двигателя.
При связи ротора ретардера с ведущими колесами посредством зубчатого вариатора и включении нейтральной передачи в коробке передачи, при торможении, ротор ретардера вращается в направлении вращения двигателя или в обратном направлении, для достижения требуемого тормозного момента. При этом угловая скорость бегущего вращающегося электромагнитного поля по своей абсолютной величине, опережает угловую скорость вала ретардера.
При применении дифференциала с электромагнитными муфтами, имеющего коэффициент блокировки больше единицы перераспределение тормозного момента обеспечивается срабатыванием электромагнитных муфт.
При невозможности обеспечения заданного тормозного момента при имеющейся частоте вращения двигателя а, следовательно, и роторов генераторов, только увеличением силы тока возбуждения, происходит увеличение частоты вращения двигателя, обеспечивающее увеличение угловой скорости бегущего электромагнитного поля; при невозможности обеспечения заданного момента торможения только ретардером, при включении ретардера отдельным рычагом, автоматически подключается торможение двигателем дросселированием потока отработавших газов.
При включении ретардера в работу от педали тормоза и невозможности обеспечения заданного тормозного момента нефрикционными тормозами, автоматически включаются в работу фрикционные тормоза.
Бегущее вращающееся электромагнитное поле изменяется против вращения ротора для увеличения тормозного момента и обеспечения заданного тормозного момента при уменьшении скорости транспортного средства, вплоть до полной остановки, а - в направлении его вращения, при связи ротора ретардера с ведущими колесами посредством зубчатого вариатора и использовании механической ступенчатой коробки передач и отсутствии сцепления, для увеличения угловой скорости ведомого вторичного вала коробки передач при включении передачи на неподвижном транспортном средстве при работе двигателя на холостом ходу, и/или при трогании на подъеме для исключения отката, даже при отсутствии зубчатого вариатора. Бегущее вращающееся электромагнитное поле также изменяет направление вращения для торможения при движении задним ходом.
При изменении направления вращения бегущего вращающегося электромагнитное поле в направлении вращения ротора при движении вперед или назад, оно создает крутящий момент на валу, при этом бегущее вращающееся электромагнитное поле наводится в обмотках статора и дополнительно создается в индукторных обмотках, что приводит к увеличению крутящего момента на дисках ротора ретардера, или оно не создается в индукторных обмотках, если момент достаточен.
Изменение направления вращения электромагнитного поля достигается переключением соединения обмоток переключателем контактным, или бесконтактным, полупроводниковым транзисторным или тиристорным с автоматическим управлением от цепи постоянного тока через транзистроные каскады усиления, при этом транзисторы или тиристоры и блок управления монтируются на корпусе обмоток статора и закрываются отдельной крышкой.
Когда ретадер имеет индукторные обмотки, которые установлены в статоре с внешней стороны относительно дисков, напротив обмоток статора, при этом диски не имеют радиальных каналов для вентиляции, т.к. энергия, выделяемая при торможении, переходит не в тепло, отводимое от дисков воздухом, а в электрический ток, отводимый от индукторных обмоток.
Когда ретардер не имеет индукторные обмотки, то диски имеют радиальные каналы для вентиляции и/или ребра охлаждения. Когда электрический ретардер установлен в неведущих колесах транспортного средства, он также имеет два диска, жестко соединенных со ступицей колеса, между которыми установлены герметизированные материалом, который не уменьшает магнитное поле, обмотки статора, два диска имеют радиальные каналы для вентиляции и являются тормозными дисками двухдискового тормоза, который также установлен в колесе, при этом в том месте, где установлена тормозная скоба, обмотки статора отсутствуют, также отсутствуют индукционные обмотки, этот ретардер автоматически подключается только в том случае, когда заданный тормозной момент не может быть обеспечен на ведущих колесах из-за малого коэффициента сцепления с дорогой, т.е. на скользкой дороге.
При полностью заторможенном электрическим ретардером транспортном средстве автоматически включается рабочий или стояночный тормоз. При этом тормозной момент фрикционного тормоза зависит от имеющихся условий движения и вычисляется микропроцессором в зависимости от углового ускорения вала ротора ретардера при имеющемся тормозном электромагнитном моменте, автоматически определяя угол подъема, при этом масса транспортного средства определяется автоматически по давлению в пневматическом упругом элементе, или в зависимости от прогиба пружин или рессор. При этом существует минимальный порог тормозного момента, создаваемого фрикционными тормозами. У транспортных средств, имеющих пневматическую или пневмогидравлическую систему тормозов, воздух частично подается в тормозные камеры или цилиндры, а при гидравлической тормозной системе автоматически срабатывает стояночный тормоз.
При установке электрического ретардера в неведущих колесах бегущее вращающееся электромагнитное поле вращается в направлении вращения колеса при трогании и движении на дороге с малым коэффициентом сцепления, создавая крутящий момент на неведущем колесе, при пробуксовке ведущих колес относительно неведущих.
При работе ретардера управление им производится совместно с известной или неизвестной антиблокировочной системой тормозов, так, что сила тока возбуждения генераторов и частота вращения двигателя изменяются в зависимости от сигналов антиблокировочной системы тормозов.
1
2
Электрический ретардер, т.е. тормоз - замедлитель, его зазоры и основные компоненты, изображен на фиг. 1, без рекуперативных обмоток и зубчатого вариатора, на фиг. 1: Е - зазор; C и С - распорные шайбы для регулировки зазора статора; 1 - ротор перед; 2 - ротор задняя сторона; 3 - статор; 4 - упорная звездочка; 5 - корпус коробки передач; 6 - катушки; 7 - проставка; 8 - фланец привода.
Список использованных источников
1. Патентный документ WOIS/PCT №01/99262 А1.
2. Щ 70, Щетинин Т.А. Электромагнитные муфты скольжения. - М. Энергоатомиздат, 1985. 272 с., ил.
3. УДК 629.33 - 181.4.078, ББК 39.33 - 08, Р 85, Руководство по ремонту и эксплуатации. Автобусы Setra 300 Series. Составитель Гусь С.В., УП "Гуси - Лебеди". - Минск, 2014, 298 стр., ил.