ТРАНСМИССИЯ ДЛЯ ГИБРИДНОГО ТРАНСПОРТА Российский патент 2020 года по МПК F16H3/72 B60K6/22 

Изобретение относится к области транспортного машиностроения и может быть использовано при конструировании механизмов, в которых необходимо в широких пределах изменять передаточное отношение и крутящий момент, оптимизирующие разгон и управление движением ведомого вала при постоянных оборотах и крутящем моменте вала двигателя. Примером такого механизма может быть трансмиссия транспортного средства.

Известны различные пути согласования передаточного отношения при передаче движения от двигателя к исполнительному механизму. Наиболее распространенным способом являются зубчатый редуктор и фрикционные муфты. Эти механизмы описаны, например, в: Артоболевский И.И. «Механизмы в современной технике». Том 4 «Зубчатые механизмы» и Том 5 «Фрикционные механизмы». М.: Наука, 1980 г., а также в: Патент RU №2304735, Патент RU №2333405, Патент RU №2527625.

Недостатком зубчатых редукторов является то, что при их использовании передаточное отношение трансмиссии постоянно, двигатель в большинстве случаев не работает на оптимальном режиме, при этом ухудшается экономичность, увеличиваются нагрузки на двигатель и элементы трансмиссии. Внесение в конструкцию технологически сложных устройств, ступенчатых или бесступенчатых преобразователей передаточного отношения, а также специальных устройств, например, гидромоторов, приводят к удорожанию конструкции и к уменьшению степени надежности. Недостатками известных решений, описанных в Патенте RU №2304735 и в Патенте RU №2333405, являются сложность конструкции и неоптимальный режим работы в процессе изменения передаточного отношения. Патент RU №2527625 содержит сложное устройство в электродвигателе - второй, внутренний ротор. Трансмиссия, описанная в патентных материалах RU №2651388 и RU 2688110, являются прототипом заявляемого устройства.

Задачей изобретения является осуществление простой бесступенчатой трансмиссии для разгона и управления оборотами ведомого вала с изменением крутящего момента и передаточного отношения, при работе двигателя на оптимальном режиме. Применение такой трансмиссии приведет к упрощению процесса разгона, уменьшению потерь и экономии энергии, а также к упрощению конструкции трансмиссии транспортного средства.

Указанная цель достигается тем, что согласно изобретению, в трансмиссию последовательно включены три механизма. Первый механизм состоит из генератора и асимметричного дифференциала. Вход дифференциала и ротор генератора соединены с валом привода. Один выход дифференциала соединен со статором генератора, который имеет возможность вращаться вокруг вала с ротором, образуя электрическую машину двойного вращения. Статор генератора также соединен с муфтой с синхронизатором или без него, которая при необходимости фиксирует его, соединяя с корпусом. Второй выход планетарного дифференциала соединен с входом второго механизма состоящего из планетарного дифференциала, соединенного с силовой муфтой скольжения любого типа. Один выход его соединен с ответной частью силовой муфты скольжения, а также соединен с муфтой с синхронизатором или без него, которая при необходимости фиксирует его, соединяя с корпусом. Второй выход планетарного дифференциала соединен с входом третьего механизма состоящего из планетарного дифференциала, соединенного с электроиндукционной муфтой. Вход дифференциала и индуктор электроиндукционной муфты соединены с выходом второго механизма, один выход дифференциала соединен с выходным валом трансмиссии, а второй с якорем электроиндукционной муфты.

При вращении вала привода генератор в первом механизме вырабатывает ток, а статор с ротором играют роль силовой муфты скольжения, потому, что при наличии электрической нагрузки в цепи генератора между ними возникает сила, увлекающая статор за ротором, частично блокирующая работу дифференциала, заставляющая статор вращаться вокруг своей оси и уменьшающая передаточное отношение дифференциала от вала привода к выходу устройства. Такое соединение мотора с генератором изменяет крутящий момент и передаточное отношение к выходу. Крутящий момент и передаточное отношение зависят от величины скольжения между статором и ротором, а величина скольжения зависит от нагрузки на ведомом валу. Чем больше нагрузка на ведомом валу, тем больше он тормозится, тем больше скольжение и тем больше увеличивается сила Ампера, при этом, если обороты вала двигателя удерживать постоянными, крутящий момент еще увеличивается, так как ротор в меньшей степени увлекает статор, скольжение увеличивается, вращение в большей степени передается через элементы дифференциала, влияя на обороты и крутящий момент. Крутящий момент также зависит от передаточного отношения планетарного дифференциала. Общее передаточное отношение через элементы дифференциала и вращение дифференциала вокруг оси увеличивается при увеличении скольжения между статором и ротором, потому что вращение в большей степени передается через элементы дифференциала, а в меньшей степени зависит от вращения всего механизма вокруг своей оси. Управление величиной скольжения в генераторе, а значит передаточным отношением и крутящим моментом механизма, также производится изменением электрической нагрузки в цепи генератора. Статор генератора соединен с муфтой с синхронизатором для его остановки, соединяя его с корпусом. Это позволяет использовать генератор для накопления энергии в аккумуляторах при остановке, а также при использовании его, в случае необходимости, как электромотор для старта.

С выхода первого механизма вращение поступает на вход второго механизма, на вход асимметричного дифференциала и силовую муфту скольжения. Один выход второго механизма соединен с его выходным валом, а второй выход соединен с ответной частью силовой муфты скольжения. Этот механизм выполняет функцию механизма сцепления, а также увеличивает на его выходе крутящий момент в процессе его работы, пока есть проскальзывание в муфте. После полного соединения муфты, когда проскальзывания нет, крутящий момент на выходе механизма равен крутящему моменту на его входе, а передаточное отношение равно единице. Второй выход дифференциала соединен также с муфтой с синхронизатором или без синхронизатора, соединяющей его с корпусом и фиксирующей его. Планетарный дифференциал включен так, что при соединении второго выхода с корпусом и его остановке, направление вращения вала выхода меняется на обратное, что необходимо для обеспечения режима обратного направления движения транспортного средства. С выхода второго механизма вращение подается на вход дифференциала, соединенного с электроиндукционной муфтой. Вход дифференциала соединен с индуктором электроиндукционной муфты, один выход дифференциала соединен с выходным валом трансмиссии, а второй выход соединен с якорем электроиндукционной муфты. Возможен вариант, когда якорь и индуктор электроиндукционной муфты включены наоборот, якорь соединен с входом дифференциала, а индуктор с вторым выходом дифференциала. При нагрузке на валу трансмиссии возникает скольжение между индуктором и якорем электроиндукционной муфты, и часть вращения будет передаваться через элементы дифференциала. Передаточное отношение и крутящий момент увеличатся. С увеличением нагрузки скольжение будет расти, это приведет к росту силы Ампера. Это также приводит к росту крутящего момента. Изменяя ток возбуждения электроиндукционной муфты, можно также управлять крутящим моментом на ведомом валу. В этом механизме вместо электроиндукционной муфты может быть второй генератор. Он работает аналогично варианту механизма соединения планетарного дифференциала и электроиндукционной муфты.

Электрический ток, произведенный генератором, подается на электродвигатели, соединенные с элементами привода транспортного средства, например с колесами, не подключенными к ведомому валу трансмиссии. Эти электродвигатели, подключаются через устройство, состоящее из планетарного дифференциала и электроиндукционной силовой муфтой скольжения, индуктор которой, а также вход дифференциала соединены с валом электродвигателя. Якорь соединен с одним выходом дифференциала, а второй выход соединен с ведомым колесом. Крутящий момент и передаточное отношение зависит от скольжения между индуктором и якорем. На крутящий момент влияет сила Ампера и передаточное отношение дифференциала, которые при увеличении скольжения увеличиваются автоматически. Электроиндукционная силовая муфта скольжения может быть заменена генератором электрического тока. Вал электродвигателя соединен с входом дифференциала и с якорем или индуктором электромагнитной муфты. Один выход дифференциала подключен на ведомый вал, к колесу, а второй выход дифференциала соединен с ответной частью электроиндукционной муфты. Второй выход дифференциала стремится к вращению в обратную сторону относительно направления вращения двигателя и первого выхода дифференциала, но сила электромагнитной индукции, возникающая между якорем муфты и индуктором, частично блокирует дифференциал и уменьшает общее передаточное отношение, способствуя разгону ведомого вала. При увеличении нагрузки на ведомом валу взаимное скольжение якоря и индуктора увеличивается, вращение в большей степени передается через шестерни дифференциала, а его вращение вокруг оси замедляется, передаточное отношение на ведомый вал увеличивается. Обороты вала уменьшаются, а крутящий момент увеличивается. При постоянном крутящем моменте и оборотах ротора электродвигателя обороты ведомого вала и крутящий момент на нем автоматически изменяются. При старте передаточное отношение от электродвигателя к ведомому колесу максимально, крутящий момент также максимален и кратно превышает крутящий момент электродвигателя. Изменяя ток возбуждения, изменяют силу, увлекающую индуктор за якорем, управляя оборотами и крутящим моментом на ведомом валу. Если индуктор с постоянными магнитами, то управление оборотами и крутящим моментом происходит в пределах изменения скольжения между якорем и индуктором. В схеме конструкции якорь и индуктор могут быть заменены местами. В конструкцию электропривода колеса может быть включена обгонная муфта, соединенная с статором и ответной частью с корпусом, допускающая вращение индуктора, если это электроиндукционная муфта, или статора если это генератор, только в направлении вращения ротора. Это позволит увеличить крутящий момент при разгоне. Если скольжение между статором и ротором достигнет величины, когда статор должен будет вращаться в обратном направлении, тогда обгонная муфта это предотвратит, соединив статор с корпусом. При этом передаточное отношение дифференциала будет максимальным и до максимальной величины вырастет крутящий момент на его выходе.

Изобретение поясняется чертежом. На Рис. 1 показана схема механизма трансмиссии. Вал привода 1 соединен с ротором генератора 2 и водилом с сателлитами планетарного дифференциала 6. Статор генератора 3 соединен с центральной шестерней 7 и статором генератора 4 и свободно вращаются на валу привода. Муфта 4 соединенная со статором имеет возможность соединить статор с корпусом, остановить его вращение. Венец 5 соединен валом 9 с входом механизма сцепления. При вращении вала привода и ротора, венец стремится вращаться в ту же сторону, но с оборотами, уменьшенными пропорционально передаточному отношению планетарной передачи, а центральное колесо со статором стремится вращаться в обратную сторону. Но между статором и ротором генератора, при вырабатывании электрического тока, возникает сила сцепления, сила Ампера. Она пропорциональна величине скольжения между статором и ротором. Ротор увлекает статор и частично блокирует дифференциал, уменьшая передаточное отношение механизма и увеличивая скорость вращения вала 9. При замедлении вращения вала 9 и увеличении скольжения, большая часть энергии передается через шестерни дифференциала, увеличивая при этом крутящий момент на валу 9. При передаточном отношении дифференциала равном двум, на вал 9 передается увеличенный в два раз крутящий момент, а на статоре генератора при этом крутящий момент равный крутящему моменту ротора. При соединении муфты 4 статор останавливается, и генератор может работать в качестве электромотора или вырабатывать электрический ток для зарядки аккумуляторных батарей и суперконденсатора. Вал 9 соединен с фрикционной муфтой 8 и с центральным колесом планетарного дифференциала 14. Вращение через водило 13 с сателлитами 12 передается на венец 11 и далее на вал 15. Муфта 10, соединяющая водило с сателлитами, при ее включении фиксмрует водило с сателлитами с корпусом и останавливает его. При проскальзывании во фрикционной муфте часть энергии вращения идет через сателлиты на венец и вращает вал 15, а часть через вращение дифференциала вместе с муфтой вокруг оси. Если передаточное отношение в дифференциале равно двум, то, в начале разгона, когда проскальзывание велико, крутящий момент на валу 15 превышает крутящий момент на валу 9 в два раза. При уменьшении проскальзывания в процессе разгона вала 15, он уменьшается и, когда фрикционная муфта не проскальзывает, весь механизм сцепления, муфта с дифференциалом вращается вокруг своей оси. При этом крутящий момент на валу 15 равен крутящему моменту на валу 9. Элементы дифференциала относительно друг друга неподвижны. Если муфта 8 разомкнута, а муфта 10 включена, то водило с сателлитами останавливается, венец вращается в обратную сторону, обеспечивая транспортному средству задний ход. Вал 15 передает вращение на якорь электроиндукционной муфты 16 и водило планетарного дифференциала с сателлитами 19. Один выход дифференциала, венец 18, передает вращение на ведомый вал трансмиссии 21, а второй его выход, центральное колесо 20, соединен с индуктором электроиндукционной муфты 17, которое стремится вращаться в обратную сторону. Но сила сцепления увлекает индуктор за якорем, заставляя весь механизм вращаться вокруг оси, разгоняя ведомый вал.

На Рис. 2 показана схема механизма подключения электродвигателя к колесу. Вал электродвигателя 22 соединен с водилом планетарной передачи 24, на котором установлены сателлиты 25, соединенные с центральным колесом 23 и венцом планетарной передачи 26, Венец планетарной передачи соединен с ведомым валом 29. Центральное колесо 23 жестко соединено с индуктором 27 или, если вместо электромагнитной муфты используется генератор, с его статором. Индуктор и центральное колесо свободно вращаются на валу. На валу электродвигателя также установлен и жестко с ним соединен якорь муфты 28, а в случае генератора, его ротор. Якорь связан с индуктором 27 электроиндукционной связью. При вращении вала электродвигателя, венец планетарной передачи 26 и якорь электроиндукционной силовой муфты 28 вращаются в одну сторону, а центральное колесо 23 с индуктором 27 стремится к вращению в другую сторону. Но сила индукции, возникающая при взаимном вращении якоря и индуктора, увлекает индуктор и центральное колесо, связанное с ним и частично блокирует дифференциал, заставляя ведомое колесо ускоряться.

Изобретение относится к трансмиссии для гибридного транспорта. Трансмиссия содержит три последовательно соединенных механизма. Вход первого дифференциала и ротор генератора соединены с валом привода, один выход первого дифференциала соединен со статором генератора, который имеет возможность вращаться вокруг вала привода с ротором, а второй выход дифференциала соединен с силовой муфтой скольжения и входом второго дифференциала. Ответная часть силовой муфты соединена с одним из выходов второго дифференциала и имеет возможность вращаться на валу, а второй выход дифференциала соединен с входом третьего дифференциала, с индуктором или якорем электроиндукционной муфты. Один выход третьего дифференциала соединен с ответной частью электроиндукционной муфты, а второй выход третьего дифференциала соединен с выходным валом трансмиссии. Достигается повышение надежности работы двигателя. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Трансмиссия для гибридного транспорта, содержащая три последовательно соединенных механизма, отличающаяся тем, что вход первого дифференциала и ротор генератора соединены с валом привода, один выход первого дифференциала соединен со статором генератора, который имеет возможность вращаться вокруг вала привода с ротором, а второй выход дифференциала соединен с силовой муфтой скольжения и входом второго дифференциала, ответная часть силовой муфты соединена с одним из выходов второго дифференциала и имеет возможность вращаться на валу, а второй выход дифференциала соединен с входом третьего дифференциала, с индуктором или якорем электроиндукционной муфты, один выход третьего дифференциала соединен с ответной частью электроиндукционной муфты, а второй выход третьего дифференциала соединен с выходным валом трансмиссии.

2. Трансмиссия по п. 1, отличающаяся тем, что статор генератора также соединен с муфтой, имеющей возможность соединения его с корпусом.

3. Трансмиссия по п. 1, отличающаяся тем, что ответная часть силовой муфты скольжения, выполняющей роль механизма сцепления, для реверса ведомого вала трансмиссии имеет возможность соединения муфтой, фиксирующей ее относительно корпуса.

4. Трансмиссия по п. 1, отличающаяся тем, что выработанный электрический ток подается на электродвигатели, соединенные с элементами привода транспортного средства, например с колесами, не подключенными к ведомому валу трансмиссии, которые подключаются через устройство, состоящее из электроиндукционной муфты и дифференциала, при этом якорь или индуктор электроиндукционной муфты, а также вход дифференциала соединены с валом электродвигателя, а ответная часть электроиндукционной муфты, ее индуктор или якорь, имеющая возможность вращаться вокруг оси, соединена с одним выходом дифференциала, а второй выход соединен с ведомым колесом, при этом крутящий момент и передаточное отношение изменяют, изменяя электрический ток в обмотке ее возбуждения.

5. Трансмиссия по п. 1, отличающаяся тем, что в конструкцию механизма может быть включена обгонная муфта, соединенная со статором и ответной ее частью с корпусом, допускающая вращение статора генератора или индуктора, если это электроиндукционная муфта, только в направлении вращения ротора.

6. Трансмиссия по п. 1, отличающаяся тем, что электроиндукционные муфты для обеспечения движения транспортного средства только от двигателя, без использования электричества, вместо обмотки возбуждения могут быть оборудованы постоянными магнитами.