Кинематическая схема гибридной силовой установки с отключаемой обратимой электрической машиной и устройство для еe реализации
Владельцы патента RU 2607150:
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" (RU)
Изобретение относится к транспортному машиностроению. Кинематическая схема гибридной силовой установки, содержащая двигатель внутреннего сгорания, муфту сцепления, обратимую электрическую машину, коробку переключения передач, главную передачу и блок промежуточной шестерни, при этом вал обратимой электрической машины соединен кинематически с входным валом коробки переключения передач через включаемую-выключаемую зубчатую передачу с изменяемым межосевым расстоянием. Устройство для реализации кинематической схемы содержит вал обратимой электрической машины и входной вал коробки переключения передач, расположенные параллельно с постоянным межосевым расстоянием с закрепленными на них шестернями, и промежуточную шестерню, расположенную на подвижной оси с возможностью поворота вокруг вала обратимой электрической машины и возможностью фиксации стопором. Отсутствует необходимость синхронизировать скорости вращения шестерен включаемой передачи. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к отрасли транспортного машиностроения, в частности к автомобилям с гибридными силовыми установками, сочетающими использование двух источников энергии для привода ведущих колес: двигателя внутреннего сгорания и обратимой электрической машины мотора-генератора.
Известна кинематическая схема, использующая устройство с последовательным соединением источников энергии в гибридных силовых установках транспортных средств, в котором для привода ведущих колес используется только электромашина, питаемая накопителем энергии и генератором, приводимым двигателем внутреннего сгорания [К.Л. Богданов. Тяговый электропривод автомобиля. М.: МАДИ, 2009 г., 18 с.].
Недостатками кинематической схемы, использующей устройство с последовательным соединением источников энергии, является необходимость многократного преобразования энергии, что уменьшает КПД силовой установки в целом. А необходимость использования большого числа преобразователей высокой мощности и большого накопителя электрической энергии увеличивает вес и стоимость силовой установки.
Также известна кинематическая схема с параллельным соединением источников энергии, где для привода ведущих колес используется как электрическая машина, так и двигатель внутреннего сгорания, как правило, соединенные между собой [К.Л. Богданов. Тяговый электропривод автомобиля. М.: МАДИ, 2009 г., 18 с.].
Известна кинематическая схема с параллельным соединением источников энергии непосредственно через дорожное покрытие, при установке электромашины и двигателя внутреннего сгорания на различных ведущих мостах [С.В. Бахмутов. Конструктивные схемы автомобилей с гибридными силовыми установками. М.: МГТУ МАМИ, 2007 г., 7 с.].
Недостатками этой кинематической схемы с параллельным соединением через дорожное покрытие являются низкий КПД трансмиссии из-за потерь на преодоление сопротивления колеса и невозможность преобразования энергии во время остановки.
Известна кинематическая схема с параллельным соединением источников энергии непосредственно в силовой установке (трансмиссии) с помощью скоростной муфты, планетарного редуктора, имеющего три выхода с двумя степенями свободы [Mehrdad Ehsani. Modern Electric Hybrid Electric and Fuel Cell. 2013, 131 c.].
Недостатками этой кинематической схемы с использованием скоростной муфты являются сложность и дороговизна изготовления в связи с увеличением требований к точности изготовления ее компонентов.
Известна кинематическая схема с параллельным соединением источников энергии с помощью муфты крутящего момента, представляющая собой цилиндрический редуктор, имеющий три выхода с двумя степенями свободы [Mehrdad Ehsani. Modern Electric Hybrid Electric and Fuel Cell. 2013 г., 139 c.].
Для улучшения динамических характеристик автомобиля с гибридной силовой установкой, в которой двигатель внутреннего сгорания, обратимая электрическая машины и трансмиссия соединены муфтой крутящего момента, за счет уменьшения момента инерции вращающихся масс трансмиссии, необходимо на режиме традиционного привода от двигателя внутреннего сгорания производить разъединение обратимой электрической машины от трансмиссии и двигателя внутреннего сгорания с возможностью последующего соединения.
Известна кинематическая схема, использующая устройство включения-выключения двигателей с помощью фрикционных муфт сцепления (US 4533011, МПК: B60W 10/02, от 06.08.1985), показанная на фиг. 1, недостатками которой является износ и потеря энергии в муфте.
Наиболее близкой к заявленной кинематической схеме и устройству является кинематическая схема, использующая устройство включения-выключения с помощью зубчатой муфты (WO 2011070848 A1, МПК: B60W 10/26, В60К 6/547, от 16.06.2011), представленная в традиционных коробках передач и изображенная на фиг. 2. Недостатком данной схемы и устройства является необходимость точной синхронизации угловых скоростей.
Технической задачей предлагаемого изобретения является включение-выключение обратимой электрической машины от коробки переключения передач автомобиля без точной синхронизации скоростей вращения шестерен включаемой передачи путем входа зубьев в контакт при включении по полной линии зацепления, а также упрощение конструкции передачи.
Поставленная задача решается тем, что в кинематической схеме используется устройство включения-выключения обратимой электрической машины путем изменения межосевого расстояния шестерен. Согласно изобретению ось промежуточной шестерни, находящейся в постоянном зацеплении с шестерней обратимой электромашины, расстопоривают и вращают вокруг оси вала обратимой электрической машины, вводя шестерню в зацепление с шестерней первичного вала коробки переключения до полного включения передачи вручную или используя крутящий момент обратимой электрической машины. Для выбора направления включения-выключения обратимую электрическую машину переводят в тяговый или тормозной режим, а после включения-выключения передачи ось промежуточной шестерни стопорят.
Отличием предлагаемой кинематической схемы от известных является то, что в данной кинематической схеме включение-выключение обратимой электрической машины осуществляется через промежуточную шестерню, имеющую подвижную ось, вращаемую вокруг вала обратимой электрической машины, что приводит к изменению межосевого расстояния и входу-выходу зацепления зубчатой передачи.
Сущность изобретения поясняется графически, где на фиг. 3 изображена кинематическая схема с отключаемой обратимой электрической машиной; на фиг. 4 показано устройство включения-выключения передачи обратимой электрической машины.
Кинематическая схема гибридной силовой установки (фиг. 3) содержит двигатель внутреннего сгорания 11 и соединенные муфтой сцепления 12 с входным валом 22 коробки переключения передач. Вал (позиция 21) обратимой электрической машины 14 кинематически соединен с входным валом 22 коробки переключения передач через устройство включения-выключения передачи 15 обратимой электрической машины 14.
Для осуществления заявленной кинематической схемы разработано устройство включения-выключения зубчатой передачи обратимой электрической машины в гибридной силовой установке (фиг. 4). Устройство включения-выключения зубчатой передачи обратимой электрической машины 15 содержит вал 21 обратимой электрической машины 14 и входной вал 22 коробки переключения передач, расположенные параллельно с постоянным межосевым расстоянием. Шестерни 23 и 24 вала 21 обратимой электрической машины и входного вала 22 коробки переключения передач соответственно входят в зацепление через промежуточную шестерню 25, расположенную на подвижной оси 26. Ось 26 установлена с возможностью поворота вокруг оси вала 21 обратимой электрической машины и может быть зафиксирована стопором 27.
Устройство работает следующим образом.
При повороте оси 26 вокруг оси вала 21 обратимой электрической машины промежуточная шестерня 25 входит или выходит из зацепления в зависимости от направления вращения оси 26 и фиксируется стопором 27 в крайних положениях.
Для поворота оси 26 и включения зубчатой передачи электрической машины ось расстопоривают стопором 27 и используют действующий на ось 26 крутящий момент от окружных сил в зацеплении промежуточной шестерни 25 с шестерней 23 вала 21 обратимой электрической машины. Включение-выключение достигается изменением направления крутящего момента обратимой электрической машины без полной синхронизации благодаря большому зазору между вершиной зуба и впадиной между зубьями включаемой передачи.
Промежуточная шестерня 25 входит и выходит из зацепления по полной линии контакта и ширине зуба, а следовательно, способна воспринимать все расчетные нагрузки.
Предлагаемая кинематической схема с устройством для ее реализации обладает новизной, и ее использование позволит улучшить динамические характеристики автомобиля с гибридной силовой установкой на режиме традиционного привода от двигателя внутреннего сгорания, а также позволит автоматизировать процесс включения-выключения зубчатой передачи обратимой электрической машины.
1. Кинематическая схема гибридной силовой установки, содержащая двигатель внутреннего сгорания, муфту сцепления, обратимую электрическую машину, коробку переключения передач, главную передачу и блок промежуточной шестерни, отличающаяся тем, что вал обратимой электрической машины соединен кинематически с входным валом коробки переключения передач через включаемую-выключаемую зубчатую передачу с изменяемым межосевым расстоянием.
2. Устройство для реализации кинематической схемы, содержащее вал обратимой электрической машины и входной вал коробки переключения передач, расположенные параллельно с постоянным межосевым расстоянием с закрепленными на них шестернями и промежуточную шестерню, расположенную на подвижной оси с возможностью поворота вокруг вала обратимой электрической машины и возможностью фиксации стопором.
