СИЛОВОЙ АГРЕГАТ ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ Российский патент 2004 года по МПК F02N11/04 B60K6/04 

Изобретение относится к силовому агрегату для транспортных средств, имеющему двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и основную коробку передач, которая передает приводное усилие на ведущие колеса транспортного средства и первичный вал которой имеет возможность кинематического соединения с выходным валом ДВС, а также имеющему электрическую машину, которая имеет возможность кинематического соединения через промежуточную коробку передач с основной коробкой передач и имеет возможность переключения на работу в режиме электродвигателя стартера для пуска ДВС и на работу в режиме генератора для питания электрической бортовой сети транспортного средства, при этом выходной вал ДВС и первичный вал основной коробки передач, а также электрическая машина через промежуточную коробку передач имеют возможность кинематического соединения друг с другом и с маховой массой с помощью по меньшей мере одной управляемой муфты.

В заявке DE 196298393 описан силовой агрегат для транспортных средств, состоящий из ДВС и коробки передач, передающей приводное усилие на ведущие колеса транспортного средства, при этом первичный вал коробки передач имеет возможность кинематического соединения с выходным валом ДВС, а также с электрической машиной, которая имеет возможность кинематического соединения через промежуточную коробку с коробкой передач и имеет возможность переключения на работу в режиме электродвигателя стартера для пуска ДВС и на работу в режиме генератора для питания электрической бортовой сети транспортного средства.

Синхронизация коробки передач, т.е. согласование частоты вращения вводимых в зацепление зубчатых колес коробки передач при переключении ее ступеней, происходит у известных ступенчатых коробок передач транспортных средств с помощью обеспечивающих соединение с геометрическим замыканием сцепных элементов с инерционной синхронизацией включения передач. Эти сцепные элементы не только требуют определенных затрат на их изготовление, но и подвержены значительному износу в процессе эксплуатации из-за испытываемых ими относительно высоких механических нагрузок, в результате чего эффективность синхронизации снижается.

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача объединить функции стартера, генератора и синхронизации коробки передач в одном узле, а также обеспечить совместное управление ими.

В отношении силового агрегата для транспортных средств указанного в начале описания типа эта задача решается благодаря тому, что электрическая машина через ступенчатую промежуточную коробку передач кинематически связана с первичным валом основной коробки передач и предусмотрен электронный блок управления, который выполнен с возможностью управлять по меньшей мере одной муфтой, а также электрической машиной на основании информации о частоте вращения вала двигателя, частоте вращения колес и требуемом режиме работы основной коробки передач.

Согласно одному из предпочтительных вариантов указанная маховая масса способна накапливать кинетическую энергию, достаточную для импульсного пуска ДВС.

В соответствии еще с одним предпочтительным вариантом выходной вал ДВС и первичный вал основной коробки передач имеют возможность кинематического соединения друг с другом через муфту и маховик. При этом ступенчатая промежуточная коробка передач предпочтительно имеет по меньшей мере две ступени и одно нейтральное положение.

Согласно другому предпочтительному варианту электрическая машина кинематически связана с промежуточным валом, который имеет возможность кинематического соединения с первичным валом основной коробки передач с помощью двух управляемых муфт, каждая из которых включает различные ступени. В этом варианте предусмотренный электронный блок управления предпочтительно выполнен с возможностью управлять обеими установленными на промежуточном валу муфтами, а также электрической машиной на основании информации о частоте вращения вала двигателя, частоте вращения колес и требуемом режиме работы основной коробки передач.

В соответствии еще с одним предпочтительным вариантом выполнения предлагаемого в изобретении силового агрегата электрическая машина имеет возможность кинематического соединения через по меньшей мере одну управляемую муфту с первичным валом основной коробки передач таким образом, чтобы она для синхронизации этой основной коробки передач при включении следующей низшей передачи, работая в режиме электродвигателя, ускоряла соответствующее вращающееся более медленно зубчатое колесо в соединяемой зубчатой паре или же при включении следующей высшей передачи, работая в режиме генератора, тормозила соответствующее вращающееся более быстро зубчатое колесо.

Помимо этого в предлагаемом в изобретении силовом агрегате электрическая машина имеет возможность кинематического соединения через промежуточную коробку передач с первичным валом основной коробки передач таким образом, чтобы для синхронизации этой основной коробки передач обеспечить возможность выбора определенной ступени в промежуточной коробке передач и тем самым изменения момента инерции масс электрической машины в соответствии с требуемым согласованием частот вращения первичного вала основной коробки передач.

Преимущество предлагаемого в изобретении силового агрегата состоит в возможности простым образом использовать для пуска ДВС электрическую машину, которая в этом случае включается на работу в режиме электродвигателя стартера и которая в процессе работы ДВС переключается на генераторный режим, обеспечивая питание электрической бортовой сети транспортного средства. Выходной вал ДВС кинематически связан с первичным валом коробки передач, причем эту кинематическую связь можно прерывать. Указанная кинематическая связь обеспечивается с помощью по меньшей мере одной управляемой муфты, а также соединенного с ней маховика. Кроме того, первичный вал коробки передач соединен со ступенчатой промежуточной коробкой, обеспечивающей кинематическую связь с электрической машиной. Переключением имеющихся в промежуточной коробке ступеней можно изменять ее передаточное отношение, чтобы в зависимости от частоты вращения вала ДВС обеспечить работу электрической машины в генераторном режиме с оптимальным КПД, а при ее работе в режиме электродвигателя стартера обеспечить достаточный пусковой момент. Ступени в промежуточной коробке могут иметь передаточные отношения, например, 1:2 и 1: 5.

Кинематически электрическая машина может быть соединена с первичным валом коробки передач различным образом. Так, например, кинематическая связь может осуществляться через промежуточный вал с двумя зубчатыми парами, которые в зависимости от требуемого передаточного отношения электрической машины соединяются с первичным валом коробки передач посредством двух установленных на зубчатых колесах управляемых муфт. Равным образом на каждом из выступающих из электрической машины концов ее ротора можно установить по свободно вращающемуся зубчатому колесу, каждое из которых зацепляется с соответствующим сопряженным зубчатым колесом на первичном валу коробки передач и через соответствующую управляемую муфту кинематически соединяется с валом ротора.

Электрической машиной, а также муфтами предпочтительно управляет электронный блок управления, который на основании собранной информации, такой как частота вращения вала двигателя, частота вращения ведущих колес, а также включаемая при переключении ступеней коробки передача, управляет муфтами и тем самым регулирует передаточное отношение электрической машины. Аналогичным образом можно также легко задавать нужную функцию электрической машины, переключая ее на работу в режиме стартера или генератора, и управлять этой функцией.

Преимущество изобретения состоит также в возможности синхронизации при переключении ступеней основной коробки передач с использованием механической инерционности, а также электрической мощности, развиваемой электрической машиной. Благодаря возможности соединять по меньшей мере одной муфтой выходной вал ДВС и первичный вал коробки передач с маховой массой, кинематически связанной с промежуточной коробкой передач, синхронизацию основной коробки передач предпочтительно обеспечивать, используя маховик в сочетании с промежуточной коробкой. При включении пониженной передачи переключаемая на работу в режим электродвигателя электрическая машина может ускорять соответствующее более медленно вращающееся зубчатое колесо в кинематически соединяемой зубчатой паре, точно согласуя таким путем их частоты вращения, соответственно угловые скорости. При включении же повышенной передачи электрическая машина, переключаемая в этом случае на работу в генераторном режиме с управляемой электрической нагрузкой, может притормаживать зубчатое колесо, вращающееся с большей скоростью. Подобная синхронизация коробки передач позволяет полностью отказаться от использования в ней механических муфт синхронизатора, подвергающихся высокой нагрузке и неизбежно связанному с ней интенсивному износу.

Кроме того, пространственное объединение стартера и генератора в одном единственном узле позволяет значительно сократить затраты на изготовление и сборку такой конструкции, что является преимуществом с точки зрения производственных издержек. Кроме того, благодаря достигаемой в результате компактности силового агрегата, в состав которого входит ДВС, обеспечивается большая свобода выбора в отношении не только его размещения в транспортном средстве, но и расположения вспомогательных механизмов двигателя. При этом можно и далее использовать существующее производственное оборудование и технологии, применяемые для изготовления стартеров и генераторов. Различные детали предлагаемой конструкции не требуют внесения конструктивных изменений в серийно выпускаемые в настоящее время стартеры и генераторы.

Кроме того, для охлаждения предлагаемой в изобретении электрической машины, являющейся по существу династартером, предпочтительно использовать жидкостное охлаждение, что можно реализовать ее подключением к системе жидкостного охлаждения ДВС. Однако равным образом можно предусмотреть и воздушное охлаждение, обеспечиваемое с помощью навесного или внешнего вентилятора системы охлаждения. При котором подачу достаточного количества охлаждающего воздуха предпочтительно обеспечивать с помощью постоянно работающего вентилятора системы охлаждения.

И, наконец, предпочтительно предусмотреть смазывание маслом династартерной машины и прежде всего переключаемой планетарной коробки передач, для чего целесообразно использовать трансмиссионное масло из ступенчатой коробки передач.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере нескольких вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - принципиальная схема силового агрегата транспортного средства согласно первому варианту выполнения,
на фиг.2 - принципиальная схема силового агрегата транспортного средства согласно второму варианту выполнения,
на фиг. 3 - схематичный разрез показанного на фиг.1 силового агрегата в виде сверху,
на фиг.4 - схематичный разрез еще одного варианта выполнения показанной на фиг.3 конструкции,
на фиг. 5 - механическая характеристика электрической машины для различных передаточных чисел,
на фиг. 6 - блок-схема процесса управления синхронизацией коробки передач,
на фиг. 7 - блок-схема процесса управления коробкой передач при работе электрической машины в генераторном режиме.

На фиг. 1 показана принципиальная схема первого из возможных вариантов выполнения силового агрегата 10 транспортного средства. В состав этого силового агрегата 10 входит двигатель 12 внутреннего сгорания (ДВС), выходной вал 14 которого жестко соединен с коленчатым валом 16, кинематически связанным с не показанными на чертеже поршнями, перемещающимися в соответствующих цилиндрах. Кроме того, в состав силового агрегата 10 входит основная коробка 18 передач, имеющая первичный (ведущий) вал 20 и вторичный (ведомый) вал 22. Вторичный вал 22 этой основной коробки передач кинематически связан с не показанными на чертеже ведущими колесами транспортного средства. Между ДВС 12 и основной коробкой 18 передач расположена маховая масса 24, представляющая собой, например, выполненный из двух вращающихся масс маховик 26. Ось вращения маховой массы 24 при этом совпадает с осью вращения выходного вала 14, а также первичного вала 20 основной коробки передач. Между ДВС 12 и маховой массой 24 установлена первая (сцепная) муфта 28, а между маховой массой 24 и основной коробкой 18 передач установлена вторая (сцепная) муфта 30. Кроме того, в состав силового агрегата 10 входит электрическая машина 32, переключаемая с помощью не показанной на чертеже системы управления на работу в режиме электродвигателя стартера ДВС 12 или на работу в режиме генератора, вырабатывающего напряжение питания для электрической бортовой сети транспортного средства. Электрическая машина 32 кинематически связана с промежуточной коробкой 34 передач, взаимодействующей с одной стороны с не показанным на чертеже приводным, соответственно выходным валом электрической машины 32, а с другой стороны - с маховой массой 24. Промежуточная коробка 34 имеет две ступени, при этом передаточное отношение между первичным валом и вторичным валом этой коробки 34 для первой ступени составляет, например, 1:2, а для второй ступени составляет 1:5.

В показанной комплектации силовой агрегат 10 может работать в следующих режимах.

При непосредственном пуске ДВС 12 электрическую машину 32 включают в режим электродвигателя стартера. При этом напряжение на электрическую машину 32 подается, например, от аккумуляторной батареи транспортного средства. В этом режиме муфта 30 выключена, т.е. основная коробка 18 передач кинематически отсоединена от маховой массы 24. Одновременно с этим муфта 28 включена, обеспечивая кинематическую связь выходного вала 14, а тем самым и коленчатого вала 16 с маховой массой 24. В результате маховая масса 24, приводимая во вращение промежуточной коробкой 34, со своей стороны передает вращение через включенную муфту 28 на выходной вал 14, соответственно на коленчатый вал 16 ДВС. При этом коленчатый вал ДВС 12 проворачивается с определенной частотой вращения до тех пор, пока двигатель известным образом не запустится. При пуске промежуточную коробку 34 предпочтительно включать на передачу с большим передаточным отношением, составляющим 1:5, что позволяет понизить относительно высокую частоту вращения электрической машины 32, включенной на работу в режиме электродвигателя стартера, производя пуск ДВС 12 с такой пониженной частотой вращения его вала.

Кроме того, показанная на чертеже кинематическая цепь пригодна для так называемого импульсного (или инерционного) пуска двигателя. Электрическая машина 32 в данном случае снова работает как электродвигатель стартера, причем одновременно с этим обе муфты 28 и 30 выключены. В результате маховая масса 24 разгоняется электрической машиной 32 до достижения заданной частоты вращения. При этом промежуточная коробка 34 включена на передачу с большим передаточным отношением, составляющим, например, 1:5. По достижении маховой массой 24 заданной частоты вращения муфту 28 включают, в результате чего накопившаяся в этой маховой массе 24 кинетическая энергия сразу, т.е. импульсно, отдается на вал ДВС 12, обеспечивая пуск последнего.

В обоих вышеописанных случаях пуска ДВС 12 электрическая машина 32 отключается сразу же по достижении выходным валом 14 ДВС 12, а тем самым соответственно и коленчатым валом 16 их заданной частоты вращения. При этом происходит переключение электрической машины 32 с работы в режиме электродвигателя на работу в генераторном режиме, при котором вращающаяся за счет включенной муфты 28 маховая масса 24 кинематически связана с промежуточной коробкой 34, которая в свою очередь в соответствии с выбранным в ней передаточным отношением приводит в действие электрическую машину 32. Вырабатываемое в генераторном режиме работы напряжение используется для питания электрической бортовой сети транспортного средства. При этом в промежуточной коробке 34 при частоте вращения n выходного вала 14, превышающей 1500 об/мин, включается ступень с меньшим передаточным отношением, составляющим 1: 2, в результате чего частота вращения у работающей в генераторном режиме электрической машины 32 понижается, но тем не менее остается достаточной для подачи в бортовую сеть напряжения необходимой величины.

Для приведения транспортного средства в движение при запущенном ДВС 12 включается муфта 30, благодаря чему в соответствии с включенной в основной коробке 18 передач ступенью крутящий момент со вторичного вала 22 этой основной коробки передач известным образом передается на ведущие колеса транспортного средства, приводя их во вращение. После этого при необходимости включить в основной коробке 18 передач следующую, более высокую передачу вначале при принятой частоте вращения n выходного вала, составляющей менее 1500 об/мин, выключается муфта 30, а промежуточная коробка 34 переключается с передачи с более низким передаточным отношением на передачу с более высоким передаточным отношением. В результате на выходном валу 14 происходит резкое возрастание (бросок) передаваемого от маховой массы 24 тормозящего крутящего момента, за счет чего частота вращения n этого выходного вала 14 снижается до частоты, необходимой для синхронизации с основной коробкой 18 передач. По достижении указанной синхронизированной частоты вращения муфта 30 включается, и основную коробку передач 18 можно переключать на следующую, более высокую передачу.

При необходимости включить в основной коробке 18 передач следующую высшую передачу при частоте вращения n выходного вала 14, составляющей более 1500 об/мин, таким же образом вначале выключается муфта 30, а частота вращения выходного вала 14 снижается до синхронизированной частоты с помощью электрической машины 32, вал которой вращается при меньшем передаточном отношении в промежуточной коробке 34, при этом у электрической машины одновременно отбирается в виде нагрузки много электроэнергии. В соответствии с более высокой отбираемой электрической нагрузкой на вход также должно поступать больше энергии, которую получают за счет отбора кинетической энергии маховой массы 24, в результате чего последняя тормозит выходной вал 14. По достижении выходным валом 14 синхронизированной частоты вращения основную коробку 18 передач можно переключить на следующую высшую передачу и включить муфту 30.

Другая рабочая ситуация возникает в случае, когда основную коробку 18 передач при частоте вращения n выходного вала 14, превышающей 1500 об/мин, необходимо переключить на низшую по отношению к включенной передачу. Для этого вначале выключается муфта 28, а электрическая машина 32 переключается на работу в режиме электродвигателя. В промежуточной коробке 34 при частоте вращения n больше 1500 об/мин включена передача с меньшим передаточным отношением, благодаря чему необходимую для синхронизации частоту вращения первичного вала 20 основной коробки передач можно регулировать с помощью электрической машины 32, работающей в режиме электродвигателя. По достижении такой необходимой для синхронизации частоты вращения происходит переключение основной коробки 18 передач на следующую низшую передачу и включение муфты 28.

При необходимости включить в основной коробке 18 передач следующую низшую передачу при частоте вращения n выходного вала 14 менее 1500 об/мин и в этом случае вначале выключается муфта 28. Затем промежуточная коробка с передачи с большим передаточным отношением, составляющим, например, 1:5 при частотах вращения n<1500 об/мин, переключается на передачу с меньшим передаточным отношением, например, 1:2, в результате чего частота вращения первичного вала 20 основной коробки передач повышается в соответствии с этим передаточным отношением. Повышение частоты вращения до частоты, необходимой для синхронизации, происходит при этом за счет броска крутящего момента, возникающего в результате очень быстрого переключения промежуточной коробки 34 с передачи с большим передаточным отношением на передачу с меньшим передаточным отношением.

Кроме того, существует возможность переключать промежуточную коробку 34 на передачу с более низким передаточным отношением, например, 1:2, независимо от мгновенной частоты вращения n первичного вала 20, эффективно снижая таким путем механическую инерционность вращающихся деталей промежуточной коробки 34 и электрической машины 32 относительно коленчатого вала 16, соответственно выходного вала 14. Благодаря этому достигаются наилучшие динамические характеристики (т.е. характеристики ускорения) транспортного средства.

На фиг. 2 показана принципиальная схема второго варианта выполнения силового агрегата 10 транспортного средства. В состав этого силового агрегата 10 входит ДВС 12, выходной вал 14 которого жестко соединен с коленчатым валом 16, кинематически связанным с не показанными на чертеже поршнями, перемещающимися в соответствующих цилиндрах. Кроме того, в состав силового агрегата 10 входит основная коробка 18 передач, имеющая первичный вал 20 и вторичный вал 22. Вторичный вал 22 этой основной коробки передач кинематически связан с не показанными на чертеже ведущими колесами транспортного средства. Между ДВС 12 и основной коробкой 18 передач расположена маховая масса, представляющая собой, например, выполненный из двух вращающихся масс маховик 27. Ось вращения этой маховой массы 27 при этом совпадает с осью вращения выходного вала 14, а также первичного вала 20 основной коробки передач. Выходной вал ДВС 12 жестко соединен с маховиком 27. Между этим маховиком 27 и первичным валом 20 установлена (сцепная) муфта 31. Кроме того, в состав силового агрегата 10 входит электрическая машина 32, переключаемая с помощью не показанной на схеме системы управления на работу в режиме электродвигателя стартера ДВС 12 или на работу в режиме генератора, вырабатывающего напряжение питания для электрической бортовой сети транспортного средства. Электрическая машина 32 кинематически связана с промежуточной коробкой 34 передач, взаимодействующей с одной стороны с не показанным на чертеже приводным, соответственно выходным валом электрической машины 32, а с другой стороны - с первичным валом 20. Промежуточная коробка 34 имеет две ступени, при этом передаточное отношение между первичным валом и вторичным валом этой коробки 34 для первой ступени составляет, например, 1:2, а для второй ступени - 1:5. Переключение с одной из указанных ступеней на другую происходит с помощью двух независимо управляемых и не показанных на чертеже муфт в промежуточной коробке 34. Эти муфты позволяют наряду с переключением передач разорвать кинематическую связь между электрической машиной 32 и первичным валом 20.

В показанной комплектации силовой агрегат 10 может работать в следующих режимах.

При непосредственном пуске ДВС 12 электрическую машину 32 включают на работу в режиме электродвигателя стартера. При этом напряжение на электрическую машину 32 подается, например, от аккумуляторной батареи транспортного средства. Основная коробка 18 передач находится при этом в нейтральном положении, разрывая таким образом кинематическую связь между первичным валом 20 и вторичным валом 22. В этом режиме муфта 31 выключена, т.е. выходной вал 14, а тем самым и коленчатый вал 16 ДВС 12 кинематически связаны с первичным валом 20 основной коробки передач. Приводимая от электрической машины 32 промежуточная коробка 34, кинематически связанная с первичным валом 20, приводит во вращение через включенную муфту 31 выходной вал 14, соответственно коленчатый вал 16. При этом коленчатый вал ДВС 12 проворачивается с определенной частотой вращения до тех пор, пока двигатель известным образом не запустится. При пуске промежуточную коробку 34 предпочтительно включать на передачу с большим передаточным отношением, составляющим 1:5, что позволяет понизить относительно высокую частоту вращения электрической машины 32, включенной на работу в режиме электродвигателя стартера, производя пуск ДВС 12 с такой пониженной частотой вращения его вала.

Кроме того, показанная на фиг.2 кинематическая цепь пригодна для так называемого импульсного пуска двигателя. Электрическая машина 32 в данном случае снова работает как электродвигатель стартера, причем одновременно с этим муфта 31 выключена. Основная коробка 18 передач и в этом случае находится в нейтральном положении, разрывая тем самым кинематическую связь между первичным валом 20 и вторичным валом 22 и отключая, следовательно, привод от ведущих колес транспортного средства. При работе электрической машины 32 вращение ее выходного вала передается через ведомый диск муфты 31 на первичный вал 20 коробки, который ускоряется до достижения заданной частоты вращения. При этом промежуточная коробка 34 включена на передачу с большим передаточным отношением, составляющим, например, 1:5. По достижении первичным валом 20 заданной частоты вращения включается муфта 31, в результате чего энергия вращения, накопленная в роторе электрической машины 32 и во вращающихся деталях основной коробки 18 передач и муфты 31, сразу, т.е. импульсно, может отдаваться на вал ДВС, обеспечивая пуск последнего. Кроме того, электрическая машина 32 создает необходимый пусковой крутящий момент до тех пор, пока ДВС 12 не заведется.

В обоих вышеописанных случаях пуска ДВС 12 электрическая машина 32 отключается сразу же по достижении выходным валом 14 ДВС 12, а тем самым соответственно и его коленчатым валом 16 их заданной частоты вращения. При этом происходит переключение электрической машины 32 с работы в режиме стартера на работу в генераторном режиме, при котором приводимый через включенную муфту 31 первичный вал основной коробки приводит в действие промежуточную коробку 34, которая в свою очередь в соответствии с выбранным в ней передаточным отношением приводит в действие электрическую машину 32. Вырабатываемое в генераторном режиме работы напряжение используется для питания электрической бортовой сети транспортного средства. При этом в промежуточной коробке 34 при частоте вращения n выходного вала 14, превышающей 1500 об/мин, включается ступень с меньшим передаточным отношением, в результате чего частота вращения у работающей в генераторном режиме электрической машины 32 для достижения более высокого КПД понижается, но тем не менее остается достаточной для подачи в бортовую сеть напряжения необходимой величины.

Для приведения транспортного средства в движение при запущенном ДВС 12 включается муфта 31, благодаря чему в соответствии с предварительно включенной в основной коробке 18 передач ступенью крутящий момент со вторичного вала 22 этой основной коробки передач известным образом передается на ведущие колеса транспортного средства, приводя их во вращение. После этого при необходимости включить в основной коробке 18 передач следующую, более высокую передачу вначале при принятой частоте вращения n выходного вала, составляющей менее 1500 об/мин, сначала выключается муфта 31, основная коробка 18 передач переключается в нейтральное положение, а промежуточная коробка 34 при этом переключается с передачи с более низким передаточным отношением на передачу с более высоким передаточным отношением. В результате на первичном валу 20 происходит резкое возрастание (бросок) тормозящего крутящего момента, за счет чего частота вращения n этого первичного вала 20 снижается до частоты, необходимой для синхронизации с основной коробкой 18 передач. По достижении указанной синхронизированной частоты вращения основную коробку передач 18 можно переключать на следующую, более высокую передачу и включением муфты 31 снова подключить ДВС 12 к кинематической цепи, восстановив тем самым силовое замыкание.

При необходимости включить в основной коробке 18 передач следующую высшую передачу при частоте вращения n выходного вала 14, составляющей более 1500 об/мин, таким же образом вначале выключается муфта 31, а основная коробка 18 передач переключается в нейтральное положение. Частота вращения первичного вала 20 снижается до синхронизированной частоты с помощью электрической машины 32, вал которой вращается при меньшем передаточном отношении в промежуточной коробке 34, при этом у электрической машины 32 одновременно отбирается в виде нагрузки много электроэнергии. По достижении первичным валом 20 синхронизированной частоты вращения основную коробку 18 передач можно переключить на следующую высшую передачу и включить муфту 31.

Альтернативная возможность переключить основную коробку 18 передач на следующую высшую передачу при частоте вращения п выходного вала 14 менее 1500 об/мин состоит в том, чтобы вначале переключением промежуточной коробки 34 на передачу с меньшим передаточным отношением затормозить электрическую машину 32. Это достигается за счет соответствующего включения не показанных на чертеже муфт в промежуточной коробке 34. После этого выключают муфту 31 и промежуточную коробку снова переключают на передачу с большим передаточным отношением. В результате частота вращения первичного вала 20 снижается. По достижении первичным валом 20 синхронизированной частоты вращения основную коробку 18 передач можно переключить на следующую высшую передачу и включить муфту 31.

Другая рабочая ситуация возникает в случае, когда основную коробку 18 передач при частоте вращения n выходного вала 14, превышающей 1500 об/мин, необходимо переключить на низшую по отношению к включенной передачу. Для этого вначале выключается муфта 31, основная коробка 18 передач переключается в нейтральное положение, а электрическая машина 32 переключается на работу в режиме электродвигателя. С помощью электрической машины 32 частота вращения первичного вала 20 повышается до соответствующей синхронизированной частоты. В промежуточной коробке 34 при частоте вращения n больше 1500 об/мин включена передача с меньшим передаточным отношением, благодаря чему необходимую для синхронизации частоту вращения первичного вала 20 основной коробки передач можно регулировать с помощью электрической машины 32, работающей в режиме электродвигателя. По достижении такой необходимой для синхронизации частоты вращения происходит переключение основной коробки 18 передач на следующую низшую передачу и включение муфты 31.

При необходимости включить в основной коробке 18 передач следующую низшую передачу при частоте вращения n выходного вала 14 менее 1500 об/мин и в этом случае вначале выключается муфта 31, а основная коробка 18 передач переключается в нейтральное положение. Затем промежуточная коробка 34 с передачи с большим передаточным отношением, составляющим, например, 1:5 при частотах вращения n<1500 об/мин, переключается на передачу с меньшим передаточным отношением, например, 1:2, в результате чего частота вращения первичного вала 20 основной коробки передач повышается в соответствии с этим передаточным отношением. Повышение частоты вращения до частоты, необходимой для синхронизации, происходит при этом за счет броска крутящего момента, возникающего в результате очень быстрого переключения промежуточной коробки 34 с передачи с большим передаточным отношением на передачу с меньшим передаточным отношением. После этого основную коробку 18 передач можно переключить на следующую низшую передачу и включить муфту 31.

Кроме того, при необходимости придать транспортному средству максимальное ускорение существует также возможность переключать промежуточную коробку 34 на передачу с более низким передаточным отношением, например, 1: 2, независимо от мгновенной частоты вращения п выходного вала 14, снижая таким путем эффективную механическую инерционность вращающихся деталей промежуточной коробки 34 относительно коленчатого вала 16, соответственно выходного вала 14. Другая эффективная возможность уменьшения механической инерционности состоит в переключении промежуточной коробки 34 в нейтральное положение.

На фиг. 3 в разрезе более детально показан вариант, несколько модифицированный по сравнению с вариантом по фиг.1. На этом чертеже наглядно показаны отдельные детали и их расположение друг относительно друга в сборе. Выходной вал 14 двигателя сцепной муфтой, представляющей собой обычное сцепление 37, состоящее из маховика 38 и ведомого диска 39, соединен с первичным валом 20 коробки передач. На этом первичном валу жестко закреплены два зубчатых колеса 43 и 45, находящиеся в зацеплении с двумя соответствующими зубчатыми колесами 46 и 47 на промежуточном валу 40. Этот промежуточный вал 40 еще одной зубчатой парой кинематически связан с электрической машиной 32. Вторичный вал 22 коробки передач кинематически связан с не показанными на чертеже ведущими колесами транспортного средства. Каждое из установленных на промежуточном валу 40 зубчатых колес 46 и 47 соединено соответственно с одной из муфт 42 и 44, которые и обеспечивают жесткое соединение либо зубчатого колеса 46, либо зубчатого колеса 47 с промежуточным валом 40. Управление обеими муфтами 42 и 44, т.е. их включение и выключение, осуществляет электронный блок 50 управления, который в зависимости от режима работы и движения транспортного средства обеспечивает переключение электрической машины 32 на соответствующий режим работы.

Для непосредственного пуска не показанного на чертеже ДВС коробка 18 передач переключается в нейтральное положение, а сцепление 37 при этом выключено. Тем самым коробка 18 кинематически разъединена с ДВС, соответственно с его выходным валом 14. Электрическую машину 32 включают на работу в режиме электродвигателя стартера. Необходимое при этом напряжение на электрическую машину 32 подается, например, от аккумуляторной батареи транспортного средства. Вначале включается муфта 42, в результате чего первичный вал 20 начинает вращаться с определенной частотой. Указанная частота вращения при этом определяется передаточным отношением пары зубчатых колес 47, 43, которое может составлять, например, 1:5 или 1:6. Получаемая в результате кинетическая энергия накапливается всеми вращающимися деталями коробки 18 передач, за исключением ее вторичного вала 22, поскольку эта коробка 18 находится в нейтральном положении. Затем при включении сцепления 37 транспортного средства накопленная вращающимися деталями коробки передач и ротором электрической машины 32 энергия вращения отдается на вал ДВС, прокручивая этот вал, в результате чего одновременно снижается частота вращения первичного вала 20. По достижении этим первичным валом 20 определенной частоты вращения электрическая машина 32 начинает проворачивать вал ДВС до тех пор, пока последний не заведется. Колебания развиваемого ДВС крутящего момента, обусловленные разбросом параметров сжатия в отдельных цилиндрах, гасятся и практически полностью подавляются гасителем крутильных колебаний в сцеплении 37 транспортного средства. Моменты инерции вращающихся валов коробки передач дополнительно сглаживают колебания частоты вращения. По этой причине при пуске для электрической машины 32 достаточно суммарного передаточного отношения, составляющего 1:5 или 1:6. По достижении минимальной частоты вращения электрическая машина 32 переключается с работы в режиме стартера на работу в режим генератора.

В генераторном режиме во время движения транспортного средства частоту вращения ротора электрической машины 32 можно соответствующим образом изменять, включая с помощью двух муфт 42 и 44 ту или иную ступень в зависимости от частоты вращения вала двигателя. Например, переключение с одной ступени на другую можно осуществлять при частоте вращения n=1500 об/мин.

Другие функции, как, например, операции по синхронизации коробки передач, уже описаны выше и поэтому не требуют повторного рассмотрения.

На фиг. 4 показан еще один вариант выполнения коробки передач транспортного средства со встроенной электрической машиной 32, ротор, соответственно промежуточный вал 40 которой можно с помощью той или иной расположенных по обе стороны муфт 42 и 44 соединять соответственно с одним из зубчатых колес коробки передач. При этом приведение в действие электрической машины 32 и коробки передач и их управление осуществляются так же, как и в варианте выполнения по фиг.3.

На фиг. 5 в качестве примера представлена диаграмма, показывающая зависимость частоты вращения ротора электрической машины 32 в зависимости от частоты вращения коленчатого вала 16 ДВС 12 при различных передаточных отношениях в промежуточной коробке 34 передач. При этом по оси абсцисс указанной двумерной диаграммы отложена частота вращения вала двигателя в оборотах в минуту (об/мин), а по оси ординат отложена частота вращения ротора электрической машины 32 в об/мин. На этой диаграмме в качестве примера показаны пять различных прямых, а именно относительно пологая прямая для той ступени промежуточной коробки 34, передаточное отношение которой составляет 1:1,2. Прямые для ступеней с передаточным отношением 1:1,5 и 1:2 имеют несколько более крутой наклон. Две показанные слева прямые, имеющие относительно крутой наклон, относятся к тем ступеням промежуточной коробки 34, которые имеют большие передаточные отношения, например, 1:6 и 1:7. Указанные ступени с более высокими передаточными отношениями целесообразно использовать при работе электрической машины 32 в режиме стартера, соответственно при ее работе в генераторном режиме при более низкой частоте вращения вала двигателя, чтобы в последнем случае достичь оптимальной отдачи. При более же высокой частоте вращения вала двигателя целесообразно использовать ступени с небольшими передаточными отношениями порядка 1:2 или еще меньше, чтобы электрическая машина и в этом случае работала с оптимальным КПД.

На фиг.6 представлена блок-схема процесса управления синхронизацией коробки передач, позволяющая более наглядно пояснить операции, осуществляемые при переключении передач в основной коробке 18. Последовательность действий, выполняемых в таком процессе управления, можно, например, запрограммировать в электронном блоке 50 управления, который управляет всеми компонентами коробки передач, такими, как муфты 28, 30, 31, 37, 42, 44, или электрической машины 32 в зависимости от различных рабочих режимов транспортного средства или параметров ДВС. Имеющиеся у стрелок на блок-схеме обозначения "Да" и "Нет" означают соответственно принятие положительного ("Да") или отрицательного ("Нет") решения в том блоке ветвления, от которого эти стрелки отходят.

При необходимости переключить основную коробку 18 передач на новую ступень на рычаге переключения передач задействуется соответствующий контакт. Опрос о срабатывании этого контакта осуществляется на шаге 52. При положительном решении ("Да") на следующем шаге 54 определяется, происходит ли переключение "вверх", т.е. должна ли быть включена в коробке передач следующая высшая ступень. При отрицательном решении ("Нет") на шаге 56 определяется, происходит ли переключение "вниз", т.е. должна ли быть включена в коробке передач следующая низшая ступень. При отрицательном решении ("Нет") программа возвращается назад на шаг 52, на котором вновь определяется состояние контакта рычага переключения передач. Если же на шаге 54 принимается положительное решение ("Да"), программа переходит к шагу 62, на котором определяется, включена ли в промежуточной коробке 34 передача с передаточным отношением 1:2. При отрицательном результате ("Нет") на следующем шаге 64 происходит переключение промежуточной коробки 34 на передачу с передаточным отношением 1: 2. После этого программа переходит к шагу 66, на котором осуществляется синхронизация основной коробки 18 передач путем переключения промежуточной коробки с передачи с передаточным отношением 1:2 на передачу с передаточным отношением 1: 5. Если же на шаге 62 результат положительный ("Да"), то программа сразу же переходит к шагу 66. Синхронизация коробки передач происходит за счет повышения эффективного момента инерции масс электрической машины 32. Стрелка, проходящая к шагу 70, поясняет общее функциональное назначение процесса управления коробкой передач, а именно изменение передаточного отношения в промежуточной коробке 34 в зависимости от частоты вращения. При положительном результате ("Да") на шаге 56 программа переходит к шагу 58, на котором определяется, включена ли в промежуточной коробке 34 передача с передаточным отношением 1:5. При отрицательном результате ("Нет") на следующем шаге 60 происходит переключение промежуточной коробки 34 на передачу с передаточным отношением 1:5. После этого программа переходит к шагу 68, на котором происходит синхронизация основной коробки 18 передач путем переключения промежуточной коробки с передачи с передаточным отношением 1:5 на передачу с передаточным отношением 1:2. Если же на шаге 58 принимается положительное решение ("Да"), программа сразу переходит к шагу 68. От шага 68 также проходит стрелка к шагу 70, а от него снова к шагу 52. На этом шаге в программе постоянно, т.е. через небольшие промежутки времени, определяется состояние контакта рычага переключения передач. При получении на шаге 52 отрицательного результата ("Нет"), означающего, что рычаг переключения передач с момента последнего опроса не был задействован, программа возвращается к шагу 70, обеспечивая таким путем постоянный опрос состояния рычага переключения передач.

В заключение на фиг.7 в качестве примера показана блок-схема процесса управления коробкой передач при работе электрической машины 32 в генераторном режиме. Начиная, например, с определения включенной в промежуточной коробки 34 ступени на шаге 72, в зависимости от полученного результата определяется частота вращения вала двигателя. Если на шаге 72 будет принято положительное решение ("Да"), свидетельствующее о включении требуемой ступени, программа переходит к шагу 74, на котором определяется, составляет ли частота вращения вала ДВС 12 менее 1500 об/мин. При положительном результате ("Да") на следующем шаге 76 определяется, разгоняется ли транспортное средство. При отрицательном результате ("Нет"), полученном на шаге 76, на следующем шаге 78 определяется, не требуется ли электрической бортовой сети транспортного средства дополнительная мощность. При положительном результате ("Да") на следующем шаге 80 происходит переключение промежуточной коробки 34 на передачу с передаточным отношением 1:5. Если же на шаге 74 будет принято отрицательное решение ("Нет"), то программа возвращается к шагу 72, на котором определяется, включена ли в промежуточной коробке 34 ступень с передаточным отношением 1:2. Равным образом при принятии на шаге 76 положительного решения ("Да") или на шаге 78 отрицательного решения ("Нет") в каждом из этих случаев осуществляется переход к шагу 72. От шага 80 также отходит стрелка к шагу 72, обозначая непрерывный опрос включенной в промежуточной коробке 34 ступени передач. Если принятое на шаге 72 решение отрицательное ("Нет"), то программа переходит далее к шагу 82, на котором определяется, не превышает ли частота вращения вала ДВС 12 значения в 1800 об/мин. При положительном ответе ("Да"), т.е. вал ДВС вращается с частотой, превышающей 1800 об/мин, программа переходит к шагу 86, на котором происходит переключение промежуточной коробки 34 на ступень с передаточным отношением 1:2. Если же на шаге 82 будет принято отрицательное решение ("Нет"), то программа переходит к шагу 84. На этом шаге определяется, следует ли придать транспортному средству большое ускорение. При отрицательном результате ("Нет") программа переходит к шагу 72. И, наоборот, если на шаге 84 будет принято положительное решение ("Да"), то программа переходит к шагу 86. Отсюда программа и в этом случае переходит далее к шагу 72, на котором снова производится опрос о включенной на текущий момент ступени в промежуточной коробке 34.

Силовой агрегат (10) для транспортных средств содержит двигатель внутреннего сгорания (12) (ДВС) и коробку передач (18), передающую приводное усилие на ведущие колеса транспортного средства, первичный вал (20) коробки передач имеет возможность кинематического соединения с выходным валом (14) ДВС, а также имеющий электрическую машину (32), которая имеет возможность кинематического соединения через промежуточную коробку (34) с коробкой передач (18) и переключения на работу в режиме электродвигателя стартера для пуска ДВС (12) и на работу в режиме генератора для питания электрической бортовой сети транспортного средства. Кроме того, электрическая машина обеспечивает синхронизацию коробки передач при переключении ее ступеней с помощью по меньшей мере одной имеющей электронное управление муфты и маховой массы (24). Для того чтобы электрическая машина, работая в режиме генератора, всегда обеспечивала достаточное количество электроэнергии, начиная от режима холостого хода и заканчивая номинальной частотой вращения вала ДВС, частоту вращения ее ротора изменяют при определенной частоте вращения вала двигателя путем переключения ступеней в промежуточной коробке. Технический результат заключается в рациональном использовании мощности электрической машины и обеспечении синхронизации при переключении ступеней коробки передач. 10 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Силовой агрегат для транспортных средств, имеющий двигатель (12) внутреннего сгорания (ДВС) и основную коробку (18) передач, которая передает приводное усилие на ведущие колеса транспортного средства и первичный вал (20) которой имеет возможность кинематического соединения с выходным валом (14) ДВС (12), а также имеющий электрическую машину (32), которая имеет возможность кинематического соединения через промежуточную коробку (34) передач с основной коробкой (18) передач и имеет возможность переключения на работу в режиме электродвигателя стартера для пуска ДВС (12) и на работу в режиме генератора для питания электрической бортовой сети транспортного средства, при этом выходной вал ДВС (12) и первичный вал (20) основной коробки (18) передач, а также электрическая машина (32) через промежуточную коробку (34) передач имеют возможность кинематического соединения друг с другом и с маховой массой (24) с помощью по меньшей мере одной управляемой муфты, отличающийся тем, что электрическая машина (32) через ступенчатую промежуточную коробку (34) передач кинематически связана с первичным валом (20) основной коробки (18) передач и предусмотрен электронный блок (50) управления, который выполнен с возможностью управления по меньшей мере одной муфтой (28, 30, 31), а также электрической машиной (32) на основании информации о частоте вращения вала двигателя, частоте вращения колес и требуемом режиме работы основной коробки (18) передач.2. Силовой агрегат по п.1, отличающийся тем, что маховая масса (24) способна накапливать кинетическую энергию, достаточную для импульсного пуска ДВС.3. Силовой агрегат по п.1, отличающийся тем, что выходной вал (14) ДВС (12) и первичный вал (20) основной коробки (18) передач имеют возможность кинематического соединения друг с другом через муфту (31) и маховик (27).4. Силовой агрегат по п.3, отличающийся тем, что ступенчатая промежуточная коробка (34) передач имеет по меньшей мере две ступени и одно нейтральное положение.5. Силовой агрегат по п.1, отличающийся тем, что электрическая машина (32) кинематически связана с промежуточным валом (40), который имеет возможность кинематического соединения с первичным валом (20) основной коробки (18) передач с помощью двух управляемых муфт (42, 44), каждая из которых включает различные ступени.6. Силовой агрегат по п.5, отличающийся тем, что предусмотренный электронный блок (50) управления выполнен с возможностью управлять обеими установленными на промежуточном валу (40) муфтами (42, 44), а также электрической машиной (32) на основании информации о частоте вращения вала двигателя, частоте вращения колес и требуемом режиме работы основной коробки (18) передач.7. Силовой агрегат по п.1, отличающийся тем, что электрическая машина (32) имеет возможность кинематического соединения через по меньшей мере одну управляемую муфту с первичным валом (20) основной коробки (18) передач таким образом, чтобы она для синхронизации этой основной коробки (18) передач при включении следующей низшей передачи, работая в режиме электродвигателя, ускоряла соответствующее вращающееся более медленно зубчатое колесо в соединяемой зубчатой паре или же при включении следующей высшей передачи, работая в режиме генератора, тормозила соответствующее вращающееся более быстро зубчатое колесо.8. Силовой агрегат по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что электрическая машина (32) имеет возможность кинематического соединения через промежуточную коробку (34) передач с первичным валом (20) основной коробки (18) передач таким образом, чтобы для синхронизации этой основной коробки (18) передач обеспечить возможность выбора определенной ступени в промежуточной коробке (34) передач и тем самым изменения момента инерции масс электрической машины (32) в соответствии с требуемым согласованием частот вращения первичного вала (20) основной коробки (18) передач.9. Силовой агрегат по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что электрическая машина (32) имеет жидкостное охлаждение за счет ее подключения к контуру системы жидкостного охлаждения ДВС (12).10. Силовой агрегат по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что электрическая машина (32) имеет воздушное охлаждение, обеспечиваемое с помощью навесного или внешнего вентилятора системы охлаждения.11. Силовой агрегат по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что смазывание электрической машины (32) осуществляется трансмиссионным маслом основной коробки (18) передач.