УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ВРАЩЕНИЯ ПЕРВИЧНОГО ВАЛА НА ВТОРИЧНЫЙ ВАЛ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1999 года по МПК B60K17/12 

Известна классическая схема передачи энергии, имеющая в своем составе двигатель (ДВС, турбинный и т.д.), электрогенератор, соединительные провода, пускорегулирующую аппаратару и один или несколько электродвигателей для привода рабочих органов. При практической реализации подобного устройства масса агрегатов оказывается высока, так что такая схема может быть использована только на тяжелых машинах, например тепловозах, тракторах и т.д., при довольно низком КПД. Кроме того, запуск силового агрегата (имеется ввиду ДВС) в данных машинах трудно осуществим от постороннего тягача.

Наиболее близким техническим решением по назначению, сущности и количеству общих существенных признаков является электромеханическая двухпоточная трансмиссия, состоящая из трехзвенного планетарного дифференциального механизма, синхронного генератора, асинхронного электродвигателя, соединенных с блоками управления частотой (а.с. СССР N 1604637, B 60 K 17/12, 07.11.90).

В известном устройстве передача энергии с первичного (ведущего) вала на вторичный (ведомый) происходит по двум ветвям: электрической и кинематической с использованием реактивной энергии генератора, что фактически превращает двухпоточную трансмиссию в однопоточную, т.к. мощность генератора расходуется для вращения дополнительного электродвигателя и торможения звена трехзвенного планетарно-дифференциального механизма за счет вырабатываемой электроэнергии.

Задача изобретения заключается в обеспечении возможности использовании всех достоинств электропривода в сочетании с малой массой устройства.

Функциональные возможности описываемого технического решения охватывают:
1. Вперед редуцирование, с изменением числа оборотов вторичного вала от n=0 до n=n бесступенчато, при этом регулирование дистанционное.

2. Вперед мультипликация (увеличение), с изменением числа оборотов вторичного вала от n=n до n=2n бесступенчато, регулирование дистанционное.

3. Назад редуцирование, с изменением числа оборотов вторичного вала от n=0 до n=n бесступенчато, регулирование дистанционное.

4. Назад мультипликация, с изменением числа оборотов вторичного вала от n=n до n=2n бесступенчато, регулирование дистанционное.

5. Нейтраль.

6. Прямая передача, вторичный и первичный валы вращаются в одну сторону и соединены, например, шлицевой втулкой.

7. Запуск силового агрегата от бортовой сети или постороннего источника тока.

8. Торможение электрическими машинами (рекуперация).

9. Выработка электроэнергии сторонним потребителям.

10. Движение от постороннего источника тока.

11. Аварийный съезд с опасного участка дороги за счет бортового источника тока.

12. Запуск силового агрегата от постороннего тягача.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что по крайней мере одна универсальная электрическая машина (далее по тексту этим термином определены электрические машины, способные работать в режиме электрогенератора и электродвигателя) расположена на главной оси четырехзвенного дифференциального механизма, а вторая установлена с совпадением осей вторичного вала и универсальной электрической машины или, например, для привода переднего моста. При этом в соединительные провода между универсальными электрическими машинами введен реверсирующий контактор, а соединение первичного вала с первым подвижным звеном, универсальной электрической машины со вторым подвижным звеном, а вторичного вала с третьим подвижным звеном дифференциального механизма позволяет устройству работать в режиме "вперед редуцирование", "вперед мультипликация", а также запускать силовой агрегат от бортовой сети или от постороннего источника тока, тормозить универсальными электрическими машинами (рекуперация), вырабатывать электрическую энергию сторонним потребителям, двигаться от постороннего источника тока или бортовой сети, при разрыве первичного вала с четырехзвенным дифференциальным механизмом получать нейтральное состояние. При соединении первичного вала со вторым подвижным звеном четырехзвенного дифференциального механизма, первой универсальной электрической машины с первым подвижным звеном дифференциального механизма, а вторичного вала с третьим подвижным звеном дифференциального механизма обеспечивается работа устройства в режимах "назад редуцирование", "назад мультипликация". В этом случае вторая универсальная электрическая машина реверсируется через реверсирующий контактор.

При установке электромеханической передачи на любое транспортное средство достигается бесступенчатое изменение числа оборотов вторичного вала относительно первичного. Работа двух универсальных электрических машин одновременно на потребление и передачу мощности силового агрегата позволяет получить приемлемые весовые характеристики электромеханической передачи, разгрузить тормоза (п. 8, здесь и далее в скобках указаны пункты отмеченной выше совокупности функциональных возможностей), использовать электромеханическую передачу для выработки электроэнергии с образованием передвижной электростанции или источника тока для сварочных работ (п. 9). Следовательно, данное изобретение соответствует условию "новизна".

Кинематическое соединение универсальной электрической машины с использованием четырехзвенного дифференциального (или как разновидность - планетарного) механизма позволяет использовать энергию противоэлектродвижущих сил якоря универсальной электрической машины, работающей в режиме электрогенератора, для передачи 50% передаваемой мощности через кинематическую цепь диффернциального или планетарного механизма на вторичный вал. В этой кинематической связи обе универсальные электрические машины работают на передачу кинетической энергии от первичного вала к вторичному независимо от того, в каком режиме они функционируют - в режиме электрогенератора или электродвигателя. На изображенных графических иллюстрациях положение соответствует нескольким пунктам и в одном из них, например, по п.1, универсальная электрическая машина 21 работает в режиме электрогенератора, а универсальная электрическая машина 23 - в режиме электродвигателя, при этом электроэнергия, вырабатываемая в универсальной электрической машине 21, потребляется универсальной электрической машиной 23, что приводит к передаче оставшейся половины энергии через соединительные провода. Следовательно, расположением хотя бы одной или двух универсальных электрических машин на главной оси четырехзвенного дифференциального механизма 22 с их кинематической увязкой достигается условие "изобретательский уровень".

На фиг. 1 - 6 приведены кинематические схемы электромеханической передачи для привода заднего моста с использованием реверс-редуктора и без такового или переднего моста, на которых обозначены: 1 - передний моста, 2 - силовой агрегат, 3 - реверсирующий контактор, 4 - якорь универсальной электрической машины, 5 - коническая или солнечная шестерня (второе подвижное звено четырехзвенного дифференциального механизма), 6 - носитель сателлитов (первое подвижное звено четырехзвенного дифференциального механизма), 7 - сателлиты (четвертое подвижное звено четырехзвенного дифференциального механизма), 8 - коническая или коронная шестерня (третье подвижное звено четырехзвенного дифференциального механизма), 9 - соединительные провода, 10 - универсальная электрическая машина, 11 - реверс-редуктор, 12 - четырехзвенный дифференциальный механизм заднего моста, 13 - полуоси.

Для соединения первичного вала с носителем сателлитов может быть использована крестовина для конических или цилиндрических четырехзвенных дифференциальных механизмов, водило для одной из разновидностей четырехзвенных дифференциальных механизмов, называемых планетарными, первое подвижное звено, якорь универсальной электрической машины соединен со вторым подвижным звеном четырехзвенного дифференциального механизма, а вторичный вал соединен с третьим подвижным звеном четырехзвенного дифференциального механизма.

Ниже рассмотрены функции, выполняемые при данном кинематическом соединении.

При функции "вперед редуцирование" вращение от силового агрегата через полый вал якоря универсальной электрической машины 21 передается на первое подвижное звено четерехзвенного дифференциального механизма 22. Если вторичный вал заторможен, получит удвоенное число оборотов второе подвижное звено четырехзвенного дифференциального механизма 22 и якорь универсальной электрической машины 21. Растормозив якорь универсальной электрической машины 23 или вторичный вал, переводим универсальную электрическую машину 21 в режим электрогенератора, а универсальную электрическую машину 23 - в режим электродвигателя. Через соединительные провода и реверсирующий контактор вырабатываемая электроэнергия преобразуется в универсальной электрической машине 23 в кинетическую энергию вращения вторичного вала. В данном случае кинетическая энергия первичного вала передается на вторичный вал по двум ветвям. За счет противоэлектродвижущей силы якоря универсальной электрической машины 21 от второго подвижного звена через сателлиты получит вращение третье подвижное звено, связанное со вторичным валом. Данное сочетание передачи кинетической энергии - половина через кинематическую цепь, а половина электрическим способом позволяет получить приемлемые весовые характеристики устройства. При уравнивании числа оборотов первичного и вторичного валов осевым перемещением узла 23 относительно узлов 21 и 22 выходной вал соединяется с первым и третьим подвижными звеньями четырехзвенного дифференциального механизма, а щетки универсальных электрических машин отсоединяются от коллекторов исполнительным механизмом. Передача работает как прямой вал. Это положение соответствует п. 6. Если не давать команду на блокировку, то начинается выполнение п. 2 функциональных возможностей. Якорь универсальной электрической машины 23 или вторичный вал начинают вращаться с большим числом оборотов, чем первичный вал. При этом якорь универсальной электрической машины 21 вращается медленнее первичного вала и, остановившись, даст увеличение числа оборотов якоря универсальной электрической машины 23, то есть вторичного вала через кинематическую цепь "второе подвижное звено, четвертое подвижное звено - третье подвижное звено" в два раза, что соответствует п. 2 функциональных возможностей.

При этом кинематическом соединении выполняется п. 7 - запуск силового агрегата. Электромеханическая передача находится в покое и отсоединена от приводимого механизма. Можно произвести запуск двумя способами. Во-первых, затормозив вторичный вал, можно подать напряжение на универсальную электрическую машину 21, введя ее в режим электродвигателя. Тогда она сразу через кинематическую цель "второе подвижное звено - четвертое подвижное звено" провернет первое подвижное звено и первичный вал. После запуска напряжение снимается и устройство готово к работе в прямом направлении. Во-вторых, на универсальную электрическую машину 21 можно подать напряжение, и она при этом раскручивается, передавая вращение через кинематическую цепь "якорь универсальной электрической машины - второе подвижное звено - четвертое подвижное звено - третье подвижное звено - якорь универсальной электрической машины 23". Последний получает вращение, равное числу оборотов якоря универсальной электрической машины 21, но в противоположную сторону. Вводим универсальную электрическую машину 23 в режим электрогенератора и вырабатываемую электроэнергию через соединительные провода направляем в универсальную электрическую машину 21. Через кинематическую цепь сила реакции якоря универсальной электрической машины 23, с одной стороны, и универсальная электрическая машина 21 в режиме электродвигателя, с другой стороны, провернут первичный вал, что приведет к запуску силового агрегата, при этом используется накопленная энергия вращения электрических машин. Таким образом, запуск производится щадящими токами. После запуска напряжение снимается, устройство готово к работе в прямом направлении.

При этом кинематическом соединении выполняется п. 8 - торможение электрогенераторами (рекуперация). Энергия машины, при ее замедлении, по кинематической цепи "якорь универсальной электрической машины 23 - третье подвижное звено - четвертое подвижное звено - второе подвижное звено - якорь универсальной электрической машины 21" приводится во вращение. Обе универсальные электрические машины включаются в режим электрогенераторов и силой реакции тормозят машину, а вырабатываемая электроэнергия может быть использована для обогрева салона, накопиться в аккумуляторе или направлена в электролизер.

Если полумуфта отсоединена от приводимого механизма, силовой агрегат приводит во вращение первичный вал и через кинематическую цепь получают вращение обе универсальные электрические машины, которые соединяются в электрическую цепь параллельно и вводятся в режим электрогенераторов. Устройство работает в режиме электростанции.

При данном кинематическом соединении производится запуск силового агрегата от постороннего тягача (п. 12). Вторичный вал и якорь универсальной электрической машины 23 раскручиваются от постороннего тягача и через заторможенное силовым агрегатом первое подвижное звено, через сателлиты получают вращение второе подвижное звено и якорь универсальной электрической машины 21, но в противоположную сторону. При достаточном разгоне универсальная электрическая машина 23 вводится в режим электрогенератора, по соединительным проводам напряжение подается в унирверсальную электрическую машину 21, которая вводится в режим электродвигателя и тормозится контротоком, что приводит к энергичному провороту первичного вала и запуску силового агрегата.

Электромеханическая передача вводится в положение "нейтраль" при разъединении первичного вала с первым подвижным звеном, а якоря универсальной электрической машины 21 - со вторым подвижным звеном. При соединении первичного вала со вторым подвижным звеном, а якоря универсальной электрической машины - с первым подвижным звеном выполняются пп. 3 и 4 - "назад редуцирование" и "назад мультипликация". Первичный вал вращает второе подвижное звено при заторможенном вторичном вале, через сателлиты получит половину числа оборотов первое подвижное звено и якорь универсальной электрической машины 21. Растормозив вторичный вал, введя универсальную электрическую машину 21 в режим электрогенератора, а универсальную электрическую машину 23 в режим электродвигателя, получим обратное вращение вторичного вала. Если не давать команду на блокировку, то передача начнет работать в режиме мультипликатора.

Пункты 9 и 10 выполняются при разъединении первичного вала с четырехзвенным дифференциальным механизмом 22. Обе универсальные электрические машины вводятся в режим электродвигателей и приводят вторичный вал - универсальная электрическая машина 23 прямо, а универсальная электрическая машина 21 - через кинематическую цепь дифференциального механизма, сателлиты при этом выполняют роль замка.

При использовании как разновидности четырехзвенного дифференциального механизма - планетарного можно применить электромеханическую передачу в качестве обычного редуктора. Для этого нужно первичный вал соединить с коронной шестерней, водило затормозить, а обе универсальные электрические машины отключить.

Для того чтобы не производить переключения в кинематических цепях дифференциального механизма 22, введем в кинематическую цепь узел 24, который представляет из себя конический реверс-редуктор, но кулачковая муфта разделена на две половины. Кулачковая муфта может занимать следующие положения:
1. Обе половины сведены и внутренними кулачками сцеплены друг с другом, а соответствующими шестернями разъединены.

2. Обе половины сдвинуты вправо, положение вперед.

3. Обе половины сдвинуты влево, положение назад.

4. Каждая половина находится в зацеплении с соответствующими шестернями, что соответствует блокировке соответствующих валов. Применение данного реверс-редуктора позволяет получить надежный ручной тормоз.

Таким образом, изложенные сведения показывают, что при использовании заявленной группы изобретений выполняется условие промышленной применимости. Изобретение предназначено для использования в самоходных транспортных средствах всех назначений.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для преобразования крутящего момента и числа оборотов вторичного вала. В данном техническом решении предусмотрена передача кинетической энергии вращения первичного вала на вторичный вал по двум параллельным ветвям одновременно. При этом одна часть энергии передается механически по кинематическому набору шестерен дифференциального механизма, а другая часть - электрически по соединительным проводам с преобразованием кинетической. энергии в электрическую и обратным преобразованием электрической энергии в кинетическую соответствующими универсальными электрическими машинами. Обе электрические машины или одна из них располагаются на главной оси дифференциального механизма с возможностью осевого перемещения. Дифференциальный механизм включает в себя кинематическую цепь для передачи вращения к якорю соответствующей электрической машины и вторичному валу. Предложенное устройство обеспечивает хорошие показатели по удельной массе на передаваемый киловатт мощности. Повторно-кратковременная работа позволяет уменьшить номинальную мощность электриеских машин. 4 с. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство электромеханической передачи кинетической энергии вращения первичного вала на вторичный вал, содержащее две универсальные электрические машины и дифференциальный механизм, установленные с возможностью осуществления указанной передачи одновременно по двум параллельным ветвям: механически по кинематическому набору шестерен дифференциального механизма и электрически по соединительным проводам с преобразованием кинетической энергии в электрическую и обратным преобразованием электрической энергии в кинетическую соответственно первой и второй универсальными электрическими машинами, отличающееся тем, что обе универсальные электрические машины расположены на главной оси дифференциального механизма с возможностью осевого перемещения, в соединительные провода между универсальными электрическими машинами введен реверсирующий контактор, а дифференциальный механизм включает в себя крестовину и две части корпуса, установленные с возможностью передачи на них вращения от первичного вала, а также кинематическую цепь из двух конических шестерен и сателлитов, установленных с возможностью передачи вращения к якорю первой универсальной электрической машины и вторичному валу. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в него введен конический реверс-редуктор с возможностью получения вращения от вторичного вала, при этом реверс-редуктор имеет две шестерни и кулачковую муфту, разделенную на две половины, установленные с возможностью сцепления внутренними кулачками друг с другом и разъединения с шестернями в нейтральном положении, одновременного сдвига вправо в положении "вперед", одновременного сдвига влево в положении "назад" и одновременного зацепления с соответствующими шестернями в положении "ручной тормоз". 3. Устройство электромеханической передачи кинетической энергии вращения первичного вала на вторичный вал, содержащее две универсальные электрические машины и дифференциальный механизм, установленные с возможностью осуществления указанной передачи по двум ветвям: механически по кинематическому набору шестерен дифференциального механизма и электрически по соединительным проводам с преобразованием кинетической энергии в электрическую и обратным преобразованием электрической энергии в кинетическую соответственно первой и второй универсальными электрическими машинами, отличающееся тем, что одна из универсальных электрических машин расположена на главной оси дифференциального механизма с возможностью осевого перемещения, а другая вынесена из этой оси и установлена, например, для привода переднего моста транспортного средства при соединении целого вала с задним мостом, в соединительные провода между универсальными электрическими машинами введен реверсирующий контактор, а дифференциальный механизм включает в себя крестовину и две части корпуса, установленные с возможностью передачи на них вращения от первичного вала, а также кинематическую цепь из двух конических шестерен и сателлитов, установленных с возможностью передачи вращения к якорю первой универсальной электрической машины и вторичному валу. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что в него введен конический реверс-редуктор с возможностью получения вращения от вторичного вала, при этом реверс-редуктор имеет две шестерни и кулачковую муфту, разделенную на две половины, установленные с возможностью сцепления внутренними кулачками друг с другом и разъединения с шестернями в нейтральном положении, одновременного сдвига вправо в положении "вперед", одновременного сдвига влево в положении "назад" и одновременного зацепления с соответствующими шестернями в положении "ручной тормоз". 5. Устройство электромеханической передачи кинетической энергии вращения первичного вала на вторичный вал, содержащее две универсальные электрические машины и планетарный механизм, установленные с возможностью осуществления указанной передачи одновременно по двум параллельным ветвям: механически по кинематическому набору шестерен планетарного механизма и электрически по соединительным проводам с преобразованием кинетической энергии в электрическую и обратным преобразованием электрической энергии в кинетическую соответственно первой и второй универсальными электрическими машинами, отличающееся тем, что обе универсальные электрические машины расположены на главной оси планетарного механизма с возможностью осевого перемещения, в соединительные провода между универсальными электрическими машинами введен реверсирующий контактор, а с вторичным валом связан конический реверс-редуктор с двумя шестернями и кулачковой муфтой, разделенной на две половины, установленные с возможностью сцепления внутренними кулачками друг с другом и разъединения с шестернями в нейтральном положении, одновременного сдвига вправо в положении "вперед", одновременного сдвига влево в положении "назад" и одновременного зацепления с соответствующими шестернями в положении "ручной тормоз". 6. Устройство электромеханической передачи кинетической энергии вращения первичного вала на вторичный вал, содержащее две универсальные электрические машины и планетарный механизм, установленные с возможностью осуществления указанной передачи одновременно по двум параллельным ветвям: механически по кинематическому набору шестерен планетарного механизма и электрически по соединительным проводам с преобразованием кинетической энергии в электрическую и обратным преобразованием электрической энергии в кинетическую соответственно первой и второй универсальными электрическими машинами, отличающееся тем, что одна из универсальных электрических машин расположена на главной оси планетарного механизма с возможностью осевого перемещения, а другая вынесена из этой оси и установлена, например, для привода переднего моста транспортного средства при соединении целого вала с задним мостом, в соединительные провода между универсальными электрическими машинами введен реверсирующий контактор, а с вторичным валом связан конический реверс-редуктор с двумя шестернями и кулачковой муфтой, разделенной на две половины, установленные с возможностью сцепления внутренними кулачками друг с другом и разъединения с шестернями в нейтральном положении, одновременного сдвига вправо в положении "вперед", одновременного сдвига влево в положении "назад" и одновременного зацепления с соответствующими шестернями в положении "ручной тормоз".