Комбинированная энергетическая установка полноприводного транспортного средства

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, в частности к комбинированным энергетическим установкам полноприводных транспортных средств. Установка содержит тепловой двигатель и обратимую электромашину, блоки преобразования, накопления электроэнергии и трансмиссию. Трансмиссия включает в себя приемно-распределительное устройство для распределения по ведущим мостам транспортного средства раздельных или суммированных потоков мощности теплового двигателя и обратимой электромашины. Приемно-распределительное устройство имеет корпус, вал привода заднего моста и вал привода переднего моста, расположенные в корпусе на разных осях, и передаточный механизм. Приемно-распределительное устройство выполнено с возможностью изменения передаточного числа трансмиссии и снабжено валами приема потока мощности от теплового двигателя и обратимой электромашины. Валы привода мостов выполнены автономными от валов приема потоков мощности. Все валы снабжены соединительными элементами для обеспечения взаимосвязи между валами напрямую и через передаточный механизм. Технический результат заключается в упрощении схемы передачи мощности от теплового двигателя и/или обратимой электромашины на ведущие мосты (или один из ведущих мостов), повышении КПД всей передачи. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, точнее к комбинированным энергетическим установкам с двумя разнотипными двигателями: тепловым и электрическим для полноприводных транспортных средств, в частности легковых автомобилей, которые могут иметь различные схемы привода ведущих мостов, и может быть использовано в автобусах, микроавтобусах и т.д.

Известна комбинированная энергетическая установка (КЭУ) полноприводного транспортного средства (ТС), например легкового автомобиля «Audi - Q7», представленная на автосалоне во Франкфурте в 2005 г.(журнал «За рулем», №11, 2005 г., стр.218), которая содержит двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и обратимую электрическую машину, установленную между ДВС и автоматической коробкой передач, а также два карданных вала, связанных между собой межосевым дифференциалом для передачи потока (или потоков) мощности в суммированном или раздельном режимах от двигателей на оба ведущих моста автомобиля. Такая установка не предусматривает возможности варьирования схемы передачи потока (или потоков) мощности, например, только на один из мостов автомобиля.

Известна КЭУ, в которой обеспечивается варьирование типа двигателя, используемого в конкретный отрезок времени, режима использования двигателей (совместно или раздельно), схемы привода ведущих колес (переднеприводный, заднеприводный или полноприводный автомобиль), например КЭУ полноприводного автомобиля фирмы «Nissan», включающая в себя ДВС в качестве теплового двигателя (ТД), обратимую электрическую машину (ОЭМ), блок преобразования и накопления электроэнергии и трансмиссию, содержащую сцепление, коробку передач и подключенные к ТД и ОЭМ звенья передачи мощности на передний и задний ведущие мосты транспортного средства (патент GB 2305643, 1997 г.).

В этом аналоге передача мощности на ведущие колеса одного или двух ведущих мостов представляет собой сложный комплекс связей, обусловленный поперечным расположением ТД и принятыми схемами раздачи и суммирования мощности, кинематические звенья которых интегрированы друг в друга. При этом не полностью исчерпаны варианты функциональных возможностей ТС, так, например, невозможен вариант независимого привода переднего ведущего моста от ОЭМ, а заднего ведущего моста от ТД. При приводе переднего моста от ОЭМ угловой редуктор в переднем ведущем мосту передает мощность в обратном направлении в сравнении с работой углового редуктора при передаче мощности от ТД к заднему ведущему мосту, т.е. узлы передачи мощности работают в неблагоприятных по нагрузке условиях.

Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения по числу совпадающих существенных признаков является КЭУ по патенту US 2004116231, 2004 г., содержащая два источника энергии - тепловой двигатель (ТД) и обратимую электрическую машину (ОЭМ), блоки преобразования и накопления электроэнергии и трансмиссию, включающую в себя приемно-распределительное устройство (ПРУ) для распределения раздельных или суммированных потоков мощности от ТД и ОЭМ на ведущие мосты ТС через два независимых друг от друга кинематических звена, связанных с мостами, которое содержит корпус, расположенные в корпусе на разных осях вал привода заднего моста и вал привода переднего моста, а также передаточный механизм.

В прототипе валы ПРУ, соединенные передаточным механизмом в виде цепи, выполнены проходными и служат одновременно для приема потоков мощности от ТД и ОЭМ и передачи их на передний и задний ведущие мосты, а ОЭМ содержит планетарный механизм для согласования характеристики ОЭМ с параметрами автомобиля.

Выполнение вала привода заднего моста проходным исключает возможность дополнительного изменения передаточного числа трансмиссии в ПРУ - не позволяет включить в состав устройства понижающую передачу.

Выполнение вала оси ОЭМ проходным приводит к следующему:

- при длительном движении с высокими скоростями с приводом от ТД снижается общий КПД за счет механических потерь на принудительное вращение ОЭМ. Устройство предусматривает лишь управление электрическими цепями ОЭМ, не обеспечивает отключения вала ОЭМ (как известно, автомобили с КЭУ эффективны по расходу топлива и выбросам вредных веществ на режимах, соответствующих городскому циклу и близких к нему, при длительном же движении с высокими скоростями используется мощность ТД);

- при ускорении автомобиля в режиме использования энергии только ТД ухудшается динамика разгона - часть энергии тратится на разгон инерционной массы ОЭМ и дополнительные механические потери, поскольку устройство не предусматривает возможности отключения (отсоединения) вала ОЭМ вместе с планетарным механизмом;

- при экстренном торможении автомобиля при отключенной электрической цепи ОЭМ ухудшается характеристика замедления - инерционные массы электромашины препятствует замедлению.

Диапазон варьирования типом привода в зависимости от используемого источника энергии снижен - устройство не позволяет передавать мощность ОЭМ или суммарную мощность ТД и ОЭМ только на задний мост с тем, чтобы избежать изменения типа привода при смене силовой установки, сохраняя безопасность ТС.

Задача, решаемая изобретением, направлена на устранение перечисленных недостатков прототипа и создание экономичной в изготовлении и эксплуатации функционально эффективной КЭУ, обеспечивающей расширенный диапазон эксплуатационных характеристик и режимов работы ТС, не требующей дополнительных капитальных затрат при постановке автомобиля с КЭУ на производство.

Технический результат, получаемый от реализации изобретения, заключается в расширении диапазона варьирования как типом источника энергии (ТД и/или ОЭМ), так и типом привода транспортного средства: полный блокированный, полный привод мостов от разных источников энергии, привод на один из ведущих мостов от разных источников энергии; повышении КПД трансмиссии при движении на ТД с приводом на задний мост, что позволяет улучшить тяговую и тормозную динамику транспортного средства, а также топливную экономичность.

Для достижения технического результата в комбинированной энергетической установке полноприводного транспортного средства, содержащей тепловой двигатель и обратимую электрическую машину, блоки преобразования, накопления электроэнергии и трансмиссию, включающую в себя приемно-распределительное устройство для распределения по ведущим мостам транспортного средства раздельных или суммированных потоков мощности теплового двигателя и обратимой электрической машины, имеющее корпус, вал привода заднего моста и вал привода переднего моста, расположенные в корпусе на разных осях, и передаточный механизм, в отличие от прототипа приемно-распределительное устройство выполнено с возможностью дополнительного изменения передаточного числа трансмиссии посредством узла изменения передаточного числа, совмещенного с упомянутым передаточным механизмом, и снабжено валом приема потока мощности от теплового двигателя, расположенным на оси вала привода заднего моста, и валом приема потока мощности от обратимой электрической машины, расположенным на оси вала привода переднего моста, причем валы привода мостов выполнены автономными (независимыми) от валов приема потоков мощности, и при этом все валы снабжены соединительными элементами, выборочно взаимодействующими между собой и с передаточным механизмом для обеспечения взаимосвязи между валами напрямую и через передаточный механизм.

В частных случаях реализации изобретения дополнительные отличия состоят в том, что:

- обратимая электрическая машина установлена снаружи приемно-распределительного устройства на его корпусе;

- обратимая электрическая машина связана с приемно-распределительным устройством кинематически, например, промежуточным карданным валом.

Предлагаемая комбинированная энергетическая установка полноприводного транспортного средства обеспечивает возможность варьирования как типом используемой энергетической установки (ТД, ОЭМ или их комбинация), так и типом привода (полноприводный блокированный, полный привод мостов от разных источников энергии, привод на один из ведущих мостов от разных источников энергии) и имеет следующие преимущества:

- возможность дополнительного изменения передаточного числа трансмиссии в ПРУ;

- при длительном движении с высокими скоростями с приводом от ТД отсутствует принудительное вращение ОЭМ, следовательно, отсутствуют механические потери на принудительное вращение ОЭМ и не снижается общий КПД;

- при ускорении автомобиля в режиме использования энергии только ТД не ухудшается динамика разгона, т.к. нет затрат энергии на разгон инерционной массы ОЭМ благодаря возможности отсоединения вала ОЭМ от ПРУ;

- при экстренном торможении автомобиля при отключенной электрической цепи электромашины не ухудшается характеристика замедления - инерционные массы электромашины не препятствует замедлению благодаря возможности отсоединения вала ОЭМ от ПРУ;

- передача мощности на задний мост возможна как раздельно от ТД и ОЭМ, так и совместно, это позволяет при смене силовой установки избежать изменения типа привода, что положительно сказывается на безопасности ТС.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 дан общий вид комбинированной энергетической установки с вариантом привода между ОЭМ и ПРУ посредством карданного вала; на фиг.2 - общий вид комбинированной силовой установки с вариантом непосредственного крепления корпуса ОЭМ к корпусу ПРУ; на фиг.3 - конструкция ПРУ (пример).

Предлагаемая КЭУ содержит тепловой двигатель 1, например ДВС, со сцеплением и коробкой передач 2, установленными на его выходе; ОЭМ 3, ПРУ 4, корпус которого жестко прикреплен к корпусу коробки передач 2, карданный вал 5, связанный с задним мостом 6, карданный вал 7, связанный с передним мостом 8, карданный вал 9 связи ПРУ 4 с ОЭМ 3, блок преобразования 10, блок аккумуляторных батарей 11. Карданные валы 5 и 7 образуют две независимые друг от друга линии передачи мощности на ведущие мосты. ПРУ 4 предназначено для распределения раздельных или суммированных потоков мощности по ведущим мостам и представляет собой, например, механический редуктор (фиг.3), в корпусе 12 которого установлены два входных вала: вал 13 приема потока мощности от ДВС и вал 14 приема потока мощности от ОЭМ и два выходных вала: вал 15 привода заднего моста и вал 16 привода переднего моста, находящиеся на двух осях 17 и 18 (в конкретном исполнении параллельных). На оси 17 расположены вал 13 и вал 15, а на оси 18 - вал 14 и вал 16. Валы кинематически связаны между собой шестернями 19, 20, 21 передаточного механизма и соединительными элементами, например муфтами 22 и 23. К валу 16 подсоединен карданный вал 7, к валу 15 - карданный вал 5. В вариантном исполнении ОЭМ 3 может быть установлена на корпусе 12 ПРУ.

Узел изменения передаточного числа, позволяющий иметь понижающую ступень, выполнен в виде зацепления шестерни 24 с шестерней 25 и шестерни 20 с шестернями 19 и 21.

ПРУ может быть выполнено и другим каким-либо известным образом, выбираемым из условия оптимальной целесообразности.

В частных вариантах исполнения КЭУ в соответствии с изобретением могут иметь следующие различия:

- тип ТД может быть любым - двигатель внутреннего сгорания, бензиновый или дизельный, газотурбинный, паровой;

- типом ТД может определяться тип и конструкция сцепления и коробки передач, возможен вариант гидродинамического сцепления, электромагнитного сцепления и др. Коробка передач может представлять собой любого типа ступенчатую или бесступенчатую передачу - механическую ступенчатую, гидромеханическую ступенчатую, механическую бесступенчатую инерционную, механическую бесступенчатую фрикционную с гибкой связью или твердым контактом и т.д.

КЭУ обеспечивает следующие режимы работы ТС:

1. Движение с приводом на задний мост:

1.1. от ТД;

1.2. от ОЭМ;

1.3. совместно от ТД и ОЭМ.

2. Движение с блокированным приводом на два ведущих моста:

2.1. от ТД;

2.2. от ОЭМ;

2.3. совместно от ТД и ОЭМ.

3. Движение с разблокированным приводом на два ведущих моста:

3.1. на задний мост - от ТД, на передний мост - от ОЭМ.

4. Движение с приводом только на передний мост от ОЭМ.

На понижающей передаче узла изменения передаточного числа ПРУ возможны режимы 1.1, 1.3, 2.1 (обмотка возбуждения ОЭМ обесточена, ее якорь вращается вхолостую), 2.3.

При работе ОЭМ возможен тяговый режим ОЭМ или режим генератора для обеспечения рекуперации кинетической энергии ТС при торможении ТС и накопления электрической энергии в батарее аккумуляторов 11.

Принцип работы КЭУ поясняется на конкретном примере исполнения, с использованием ДВС, механического сцепления и механической ступенчатой коробки передач и заключается в следующем.

В режиме 1.1 зубчатая муфта 23 введена в зацепление с шестерней 21, шестерня 20 выведена из зацепления с шестернями 19 и 21, зубчатая муфта 22 выведена из зацепления с шестерней 19. Мощность ТД через коробку передач 2 попадает на вал 13 и через шестерню 21 на выполненный заодно с шестерней 21 вал 15, с него на карданный вал 5 и на задний мост 6.

В режиме 1.2 зубчатая муфта 23 выведена из зацепления с шестерней 21, зубчатая муфта 22 выведена из зацепления с шестерней 19, шестерня 20 введена в зацепление с шестернями 19 и 21, мощность ОЭМ через карданный вал 9 попадает на вал 14, с него через шестерни 19, 20 и 21 передается на вал 15 и через карданный вал 5 на задний мост 6.

В режиме 1.3 зубчатая муфта 23 введена в зацепление с шестерней 21, зубчатая муфта 22 выведена из зацепления с шестерней 19, шестерня 20 введена в зацепление с шестернями 19 и 21, мощность ТД через коробку передач 2 попадает на вал 13, через муфту 23 на шестерню 21 и на выполненный заодно с шестерней 21 вал 15, с него на карданный вал 5 и на задний мост 6. Мощность ОЭМ через карданный вал 9 попадает на вал 14, с него через шестерни 19, 20 и 21 передаточного механизма передается на вал 15 и через карданный вал 5 на задний мост 6. Таким образом, в этом режиме в ПРУ происходит суммирование потоков мощности ТД и ОЭМ.

В режиме 2.1 зубчатая муфта 23 введена в зацепление с шестерней 21, зубчатая муфта 22 введена в зацепление с шестерней 19, шестерня 20 введена в зацепление с шестернями 19 и 21. Мощность ТД через коробку передач 2 попадает на вал 13, через муфту 23 на шестерню 21 и на выполненный заодно с шестерней 21 вал 15, с него на карданный вал 5 и на задний мост 6. Одновременно мощность ТД через шестерни 21, 20 и 19 передаточного механизма, через зубчатую муфту 22 передается на вал 16 и с него на карданный вал 7 и на передний мост 8. Обмотка возбуждения ОЭМ обесточена, ее якорь вращается вхолостую. В этом режиме обеспечен блокированный привод переднего и заднего мостов от ТД.

В режиме 2.2. зубчатая муфта 23 выведена из зацепления с шестерней 21, зубчатая муфта 22 введена в зацепление с шестерней 19, шестерня 20 введена в зацепление с шестернями 19 и 21. Мощность ОЭМ через карданный вал 9 передается на вал 14, с него через муфту 22 на вал 16, с него через карданный вал 7 на передний мост 8. Одновременно мощность ОЭМ через шестерни 19, 20 и 21 передаточного механизма передается на вал 15 и с него на карданный вал 5 и на задний мост 6. В этом режиме реализован блокированный привод переднего и заднего мостов от ОЭМ.

В режиме 2.3 зубчатая муфта 23 введена в зацепление с шестерней 21, зубчатая муфта 22 введена в зацепление с шестерней 19, шестерня 20 введена в зацепление с шестернями 19 и 21. Мощность ТД через коробку передач 2 попадает на вал 13, через муфту 23 на шестерню 21 и на выполненный заодно с шестерней 21 вал 15, с него на карданный вал 5 и на задний мост 6; через шестерни 21, 20 и 19 передаточного механизма, через зубчатую муфту 22 передается на вал 16 и с него на карданный вал 7 и на передний мост 8. Одновременно мощность ОЭМ через карданный вал 9 передается на вал 14, с него через муфту 22 на вал 16, с него через карданный вал 7 на передний мост 8; через шестерни 19, 20 и 21 передаточного механизма передается на вал 15 и с него на карданный вал 5 и на задний мост 6. В этом режиме обеспечен блокированный привод переднего и заднего мостов одновременно от ТД и ОЭМ, при этом в ПРУ происходит суммирование мощностей ТД и ОЭМ.

В режиме 3.1 зубчатая муфта 23 введена в зацепление с шестерней 21, зубчатая муфта 22 введена в зацепление с шестерней 19, шестерня 20 выведена из зацепления с шестернями 19 и 21. Мощность ТД через коробку передач 2 попадает на вал 13 и через шестерню 21 на выполненный заодно с шестерней 21 вал 15, с него на карданный вал 5 и на задний мост 6. Одновременно мощность ОЭМ через карданный вал 9 передается на вал 14, с него через муфту 22 на вал 16, с него через карданный вал 7 на передний мост 8. В этом режиме обеспечен постоянный неблокированный привод переднего моста от ОЭМ и заднего моста от ТД. При этом ни одно из зубчатых зацеплений ПРУ не участвует в передаче крутящего момента.

В режиме 4 зубчатая муфта 23 выведена из зацепления с шестерней 21, зубчатая муфта 22 введена в зацепление с шестерней 19, шестерня 20 выведена из зацепления с шестернями 19 и 21. Мощность ОЭМ через карданный вал 9 передается на вал 14, с него через муфту 22 на вал 16 ПРУ, с него через карданный вал 7 на передний мост 8. В этом режиме ведущим является только передний мост с приводом от ОЭМ.

1. Комбинированная энергетическая установка полноприводного транспортного средства, содержащая тепловой двигатель и обратимую электрическую машину, блоки преобразования, накопления электроэнергии и трансмиссию, включающую в себя приемно-распределительное устройство для распределения по ведущим мостам транспортного средства раздельных или суммированных потоков мощности теплового двигателя и обратимой электрической машины, имеющее корпус, вал привода заднего моста и вал привода переднего моста, расположенные в корпусе на разных осях, и передаточный механизм, отличающаяся тем, что в ней приемно-распределительное устройство выполнено с возможностью дополнительного изменения передаточного числа трансмиссии посредством узла изменения передаточного числа, совмещенного с упомянутым передаточным механизмом, и снабжено валом приема потока мощности от теплового двигателя, расположенным на оси вала привода заднего моста, и валом приема потока мощности от обратимой электрической машины, расположенным на оси вала привода переднего моста, причем валы привода мостов выполнены автономными (независимыми) от валов приема потоков мощности и при этом все валы снабжены соединительными элементами, выборочно взаимодействующими между собой и с передаточным механизмом для обеспечения взаимосвязи между валами напрямую и через передаточный механизм.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что обратимая электрическая машина установлена снаружи приемно-распределительного устройства на его корпусе.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что обратимая электрическая машина связана с приемно-распределительным устройством кинематически, например, промежуточным карданным валом.