Результат интеллектуальной деятельности: СИЛОВАЯ ПЕРЕДАЧА ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Область и уровень техники

Настоящее изобретение относится к системе приведения в движение для транспортного средства.

Гибридные транспортные средства могут приводиться главным первичным приводом, который может быть двигателем внутреннего сгорания, и вспомогательным первичным приводом, который может быть электрической машиной. Электрическая машина будет оборудована по меньшей мере одной батареей для накопления электрической энергии и регулировочным оборудованием для регулирования потока электрической энергии между батареей и электрической машиной. Таким образом, электрическая машина может служить поочередно в качестве двигателя и генератора в зависимости от рабочего состояния транспортного средства. Когда транспортное средство тормозится, электрическая машина генерирует электрическую энергию, которая накапливается в батарее. Накопившаяся электрическая энергия в дальнейшем используется для приведения в движение транспортного средства. Электрическая машина может быть расположена в положении между механизмом сцепления и коробкой передач транспортного средства. Для экономии пространства предпочтительно соединять электрическую машину непосредственно с входным валом коробки передач.

Имеются недостатки в использовании традиционного механизма сцепления, который отсоединяет входной вал коробки передач от двигателя в процессе переключения передач в коробке передач. Когда транспортное средство трогается с места, диски механизма сцепления скользят друг по другу, тем самым разогревая их. Этот разогрев приводит к большему расходу топлива и износу дисков сцепления. Традиционный механизм сцепления также является относительно тяжелым и дорогостоящим. Кроме того, он занимает относительно большое пространство в транспортном средстве.

Публикация US 6354974 относится к системе приведения в движение для гибридного транспортного средства, обеспеченного двигателем внутреннего сгорания и электрической машиной, которая расположена на выходном валу двигателя. Задачей является создание компактного пропульсивного блока, которому не требуется использовать традиционный механизм сцепления. Традиционный механизм сцепления заменен планетарной передачей и тремя фрикционными сцеплениями. Фрикционные сцепления делают возможным создание различных рабочих состояний транспортного средства. Использование фрикционных сцеплений приводит к потерям энергии.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание системы приведения в движение для транспортного средства, которая делает возможным изменение требуемым образом скорости входного вала коробки передач.

Это задача решается системой приведения в движение, относящейся к виду, отмеченному во введении, которая отличается признаками, указанными в отличительной части п. 1 формулы изобретения. Планетарная передача обычно содержит три компонента, выполненных с возможностью вращения один относительно другого, а именно солнечное зубчатое колесо, водило планетарной передачи и кольцевую шестерню. На основе знания количества зубьев солнечного зубчатого колеса и кольцевой шестерни возможно определять во время работы взаимные скорости трех компонентов. Согласно настоящему изобретению один из компонентов планетарной передачи соединен с выходным валом двигателя внутреннего сгорания. Таким образом, этот компонент планетарной передачи вращается с такой же скоростью, что и двигатель. Другой компонент планетарной передачи соединен с входным валом коробки передач. В связи с этим этот компонент планетарной передачи вращается с такой же скоростью, что и входной вал коробки передач. Третий компонент планетарной передачи соединен с ротором электрической машины. Таким образом, этот компонент планетарной передачи вращается с такой же скоростью, что и электрическая машина, когда они непосредственно соединены друг с другом. Альтернативно электрическая машина может быть соединена с третьим компонентом планетарной передачи с помощью трансмиссии, которая имеет определенное передаточное отношение. В этом случае электрическая машина и третий компонент планетарной передачи могут вращаться с различными скоростями. Скорость электрических машин может бесступенчато регулироваться. В рабочих ситуациях, когда входной вал коробки передач должен вращаться с требуемой скоростью, блок управления использует знание скорости двигателя внутреннего сгорания для вычисления скорости, с которой третий компонент должен двигаться для достижения требуемой скорости входного вала коробки передач. Блок управления далее приводит в действие электрическую машину для сообщения вычисленной скорости третьему компоненту и в результате требуемой скорости входному валу коробки передач.

Согласно варианту выполнения настоящего изобретения блок управления выполнен с возможностью оценки требуемой скорости входного вала коробки передач, при которой возможно расцеплять и/или зацеплять передачу оптимальным образом в процессе переключения передач в коробке передач, и с возможностью управления электрической машиной так, что она сообщает третьему компоненту планетарной передачи скорость, которая в сочетании со скоростью выходного вала двигателя приводит к достижению входным валом коробки передач требуемой скорости.

Тогда, когда текущая передача подлежит расцеплению в коробке передач, должно создаваться состояние отсутствия крутящего момента в коробке передач. На основе информации о скорости транспортного средства и текущей передачи, зацепленной в коробке передач, блок управления может вычислять скорость, с которой входной вал коробки передач должен вращаться, чтобы создавать в коробке передач состояние отсутствия крутящего момента. Далее блок управления управляет электрической машиной так, что в сочетании с двигателем она сообщает входному валу коробки передач вычисленную скорость. Как только состояние отсутствия крутящего момента создается в коробке передач, текущая передача расцепляется. Когда другая передача подлежит зацеплению в коробке передач, блок управления использует знание скорости транспортного средства и другой передачи для вычисления скорости входного вала, при которой она может зацепляться. Далее блок управления управляет электрической машиной так, что в сочетании с двигателем она сообщает входному валу коробки передач вычисленную скорость, после чего зацепляется другая передача.

Когда электрическая машина имеет эту функцию, традиционный механизм сцепления не требуется для рассоединения выходного вала двигателя и входного вала коробки передач в процессе переключения передач. В связи с этим стоимость механизма сцепления и компонентов для его функционирования может быть сокращена. Потеря энергии, возникающая в результате скольжения друг по другу дисков сцепления в традиционном механизме сцепления, не возникает в настоящей конструкции. Таким образом, конструкция согласно настоящему изобретению приводит к более энергоэкономичному процессу переключения передач.

Согласно предпочтительному варианту выполнения настоящего изобретения блок управления выполнен с возможностью управления электрической машиной так, что она сообщает третьему компоненту планетарной передачи скорость, которая в сочетании со скоростью выходного вала двигателя приводит к достижению входным валом коробки передач заданного отношения относительно скорости выходного вала двигателя в процессе приведения в движение транспортного средства с места. Передаточное отношение входного вала коробки передач изменяется соответственно во время этого процесса так, что транспортное средство трогается плавно при управляемом крутящем моменте.

Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения система приведения в движение содержит устройство соединения, которое делает возможным для выходного вала двигателя и входного вала коробки передач соединение вместе с возможностью отсоединения во время работы транспортного средства. При зацеплении передачи в коробке передач блок управления управляет электрической машиной с целью сообщения входному валу коробки передач такой же скорости, что и в двигателе внутреннего сгорания. Когда это достигается, блок управления приводит в действие устройство соединения, которое соединяет вместе выходной вал двигателя и входной вал коробки передач. В этом состоянии соединения передаточное отношение между двигателем и входным валом коробки передач составляет 1:1. В связи с этим, выходной вал двигателя и входной вал коробки передач вращаются как одно целое.

Однако до расцепления текущей передачи в процессе следующего переключения передач устройство соединения подлежит расцеплению так, что выходной вал двигателя и входной вал коробки передач имеют возможность вращаться с различными скоростями. Указанное устройство соединения может иметь средство сдвига, которое выполнено с возможностью перемещения в аксиальном направлении на выходном валу двигателя и которое содержит первый участок соединения, выполненный с возможностью приходить в контакт со вторым участком соединения водила планетарной передачи во взаимно соединенном состоянии, в котором выходной вал двигателя и входной вал коробки передач вращаются с одинаковой скоростью. Таким образом, выходной вал двигателя может быть соединен с входным валом коробки передач относительно простым и функциональным образом.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения изобретения выходной вал двигателя соединен с солнечным зубчатым колесом планетарной передачи, входной вал коробки передач соединен с водилом планетарной передачи, и ротор электрической машины соединен с кольцевой шестерней планетарной передачи. Это значит, что указанные компоненты могут образовывать компактную конфигурацию.

Однако можно соединять выходной вал двигателя, входной вал коробки передач и ротор электрической машины с любым из других компонентов планетарной передачи. Преимущественно солнечное зубчатое колесо соединено с периферийной поверхностью выходного вала двигателя, водило планетарной передачи соединено с периферийной поверхностью входного вала коробки передач, и ротор электрической машины соединен с выходным валом двигателя и входным валом коробки передач. Солнечное зубчатое колесо и водило планетарной передачи могут соответственно быть соединены с выходным валом двигателя и входным валом коробки передач шлицевыми или подобными соединениями. Таким образом, обеспечивается, что солнечное зубчатое колесо будет вращаться с такой же скоростью, что и выходной вал двигателя, и, кроме того, водило планетарной передачи будет вращаться с такой же скоростью, что и входной вал коробки передач. Ротор электрической машины может быть прочно прикреплен к внешней периферийной поверхности кольцевой шестерни. Внутренняя периферийная поверхность кольцевой шестерни обычно обеспечена зубьями. Внешняя периферийная поверхность кольцевой шестерни обычно является гладкой и очень хорошо пригодной для поддержания ротора электрической машины. Кольцевая шестерня и ротор электрической машины, таким образом, образуют вращаемый блок. Альтернативно ротор электрической машины может быть соединен с кольцевой шестерней с помощью трансмиссии.

Согласно альтернативному варианту выполнения настоящего изобретения выходной вал двигателя, ротор электрической машины и входной вал коробки передач выполнены с возможностью вращения вокруг общей оси вращения. Выходной вал двигателя и входной вал коробки передач в этом случае размещены коаксиально. Электрическая машина преимущественно расположена близко к двум соседним концевым участкам указанных валов. По меньшей мере один из компонентов планетарной передачи расположен в радиальном пространстве между статором электрической машины и указанной общей осью вращения. Обычно имеется существенное радиальное пространство между статором электрической машины и осью вращения. Вся планетарная передача предпочтительно расположена в этом пространстве. Таким образом, электрическая машина и планетарная передача не будут по существу занимать большее пространство, чем одна электрическая машина. Такая конструкция делает очень компактную конфигурацию возможной.

Согласно альтернативному варианту выполнения настоящего изобретения блок управления выполнен с возможностью управления электрической машиной так, что в некоторых применимых рабочих ситуациях она использует накопившуюся электрическую энергию для сообщения пропульсивной силы входному валу коробки передач, и в других рабочих ситуациях она использует кинетическую энергию входного вала коробки передач для рекуперации и накопления электрической энергии. В этом случае транспортное средство представляет собой гибридное транспортное средство, питаемое главным первичным приводом в форме двигателя внутреннего сгорания и вспомогательным первичным приводом в форме указанной электрической машины. Электрическая машина оборудована по меньшей мере одной батареей для накопления электрической энергии и регулировочным оборудованием для регулирования потока электрической энергии между батареей и электрической машиной. Таким образом, электрическая машина не только имеет функцию делать возможным управление скоростью входного вала коробки передач, но и способность работать поочередно в качестве двигателя и генератора, в зависимости от рабочего состояния транспортного средства.

Краткое описание чертежей

Предпочтительный вариант выполнения изобретения описан ниже путем примера со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:

фиг.1 изображает систему приведения в движение для работы транспортного средства согласно настоящему изобретению;

фиг.2 показывает, как скорость различных компонентов системы приведения в движение может изменяться во время работы системы приведения в движение с фиг.1;

фиг.3 показывает, как крутящий момент компонентов с фиг.2 может изменяться во время работы.

Подробное описание предпочтительного варианта выполнения изобретения

Фиг.1 изображает систему приведения в движение для работы транспортного средства. В этом случае транспортное средство представляет собой гибридное транспортное средство, питаемое главным образом двигателем 1 внутреннего сгорания, который может быть дизельным двигателем 1. Двигатель 1 обеспечен выходным валом 2. Выходной вал 2 двигателя размещен коаксиально относительно входного вала 3 коробки 4 передач. Выходной вал 2 двигателя и входной вал 3 коробки передач выполнены с возможностью вращения вокруг общей оси вращения 5. Гибридное транспортное средство имеет корпус 6, который заключает электрическую машину и планетарную передачу в области, которая содержит один конец выходного вала 2 двигателя и один конец входного вала 3 коробки передач. Традиционным образом электрическая машина содержит статор 7 и ротор 8. Статор 7 имеет сердечник статора, прикрепляемый соответственно к внутренней части корпуса 6. Сердечник статора содержит обмотки статора. Электрическая машина выполнена в некоторой рабочей ситуации с возможностью использования накопившейся электрической энергии для сообщения пропульсивной силы входному валу 3 коробки передач и в других рабочих ситуациях с возможностью использования кинетической энергии входного вала 3 коробки передач для рекуперации и накопления электрической энергии.

Планетарная передача расположена по существу радиально внутри относительно статора 7 и ротора 8 электрической машины. Планетарная передача содержит традиционным образом солнечное зубчатое колесо 9, кольцевую шестерню 10 и водило 11 планетарной передачи. Водило 11 планетарной передачи поддерживает несколько зубчатых колес 12, выполненных с возможностью вращения в радиальном пространстве между зубьями солнечного зубчатого колеса и кольцевой шестерни 10. Солнечное зубчатое колесо 9 соединено с периферийной поверхностью выходного вала 2 двигателя. Солнечное зубчатое колесо 9 и выходной вал 2 двигателя вращаются как одно целое с первой скоростью n₁. Водило 11 планетарной передачи имеет крепежный участок 11a, прикрепленный к периферийной поверхности входного вала 3 коробки передач шлицевым соединением 13. Это соединение делает возможным для водила 11 планетарной передачи и входного вала 3 коробки передач вращаться как одно целое со второй скоростью n₂. Кольцевая шестерня 10 имеет внешнюю периферийную поверхность, на которой прочно установлен ротор 8. Ротор 8 и кольцевая шестерня 10 образуют вращаемый блок, который вращается с третьей скоростью n₃.

Выходной вал 2 двигателя обеспечен подвижным средством 14 соединения. Средство соединения прикреплено к выходному валу 2 двигателя шлицевым соединением 15. Средство соединения в этом случае расположено на, с возможностью вращательного соединения с, выходном валу 2 двигателя и является подвижным в аксиальном направлении на выходном валу 2 двигателя. Средство соединения имеет участок 14а соединения, соединяемый с участком 11b соединения водила 11 планетарной передачи. Схематически изображенное средство 16 сдвига выполнено с возможностью перемещения средства соединения между первым положением, в котором соединительные участки 14а, 11b не находятся во взаимном зацеплении, и вторым положением, в котором они находятся во взаимном зацеплении. Когда соединительные участки 14b находятся во взаимном зацеплении, выходной вал 2 двигателя и входной вал 3 коробки передач будут вращаться с одинаковой скоростью.

Электрический блок 17 управления выполнен с возможностью управления средством 16 сдвига. Блок 17 управления также выполнен с возможностью решать, когда электрическая машина должна служить в качестве двигателя и когда в качестве генератора. Для решения этого блок 17 управления может принимать текущую информацию от пригодных рабочих параметров. Для этой цели блок 17 управления может быть компьютером с пригодным программным обеспечением. Блок 17 управления также управляет схематически изображенным регулировочным оборудованием 18, которое регулирует поток электрической энергии между батареей 19 и статором 7 электрической машины. Тогда, когда электрическая машина служит в качестве двигателя, накопившаяся электрическая энергия подается от батареи 19 в статор 7. Тогда, когда электрическая машина служит в качестве генератора, электрическая энергия подается от статора 7 в батарею 19. Там, где пространство между двигателем 1 и коробкой 4 передач в транспортном средстве ограничено, электрической машине и планетарной передаче необходимо образовывать компактный блок. Компоненты 9-11 планетарной передачи в таком случае размещены по существу радиально внутри относительно статора 7 электрической машины. Ротор 8 электрической машины, кольцевая шестерня 10 планетарной передачи, выходной вал 2 двигателя и входной вал 3 коробки передач здесь выполнены с возможностью вращения вокруг общей оси вращения 5. В такой версии электрическая машина и планетарная передача образуют очень компактный блок.

Фиг.2 и 3 иллюстрируют пример, как скорость n и крутящий момент M могут изменяться в зависимости от времени t для выходного вала 2 двигателя, ротора 8 электрической машины и входного вала 3 коробки передач в различных рабочих ситуациях транспортного средства. Скорость n₁ и крутящий момент M₁ выходного вала 2 двигателя представлены пунктирными линиями, скорости n₂ и крутящий момент М₂ входного вала 3 коробки передач - сплошными линиями, и скорости n₃ и крутящий момент М₃ электрической машины - точечными линиями. Отношение между количеством зубьев z₁ солнечного зубчатого колеса 9 и количеством зубьев z₂ кольцевой шестерни 10 в этом примере z₁/z₂=0,7.

Двигатель внутреннего сгорания 1 запускается в период времени t=0-1. Он работает вхолостую изначально при 500 оборотах в минуту. Таким образом, передача не зацепляется в коробке передач, и транспортное средство является неподвижным. Чтобы делать возможным зацепление первой передачи в коробке 4 передач, ее входной вал 3 также должен быть неподвижным. Скорость n₂ входного вала 3 коробки передач составляет, таким образом, 0 оборотов в минуту, чтобы делать возможным зацепление первой передачи. В связи с этим блок 17 управления использует знание передаточного отношения в планетарной передаче в качестве основы для вычисления скорости n₃, с которой электрической машине необходимо приводить в движение кольцевую шестерню 10, чтобы скорость n₂ входного вала 3 коробки передач делать равной 0. Здесь электрическая машина должна вращать кольцевую шестерню 10 в противоположном направлении относительно выходного вала 2 двигателя со скоростью n₃, которая с помощью вышеуказанного передаточного отношения становится равной -0,7×500 оборотов в минуту = -350 оборотов в минуту. Здесь блок 17 управления управляет электрической машиной и кольцевой шестерней 10 так, что они принимают скорость n₃ -350 оборотов в минуту. В период времени t=0-1 в связи с этим состояние отсутствия крутящего момента действует в коробке 4 передач. При этом выходной вал 2 двигателя, электрическая машина и входной вал 3 коробки передач принимают соответственные крутящие моменты M₁, М₂ и М₃, которые увеличиваются по существу линейным образом в течение этого периода.

При t=1 первая передача зацепляется в коробке 4 передач. В период времени t=1-4 транспортное средство ускоряется двигателем внутреннего сгорания и электрической машиной. Здесь блок 17 управления вычисляет, как скорость электрической машины n₃ должна изменяться для того, чтобы быть способной помогать двигателю, ускорять транспортное средство требуемым образом. Здесь скорость двигателя n₁ увеличивается по существу линейным образом от 500 оборотов в минуту до 1000 оборотов в минуту. Блок 17 управления также увеличивает скорость электрической машины n₃ по существу линейным образом от 350 оборотов в минуту до 1000 оборотов в минуту, т.е. до такой же скорости, что и двигатель. Крутящий момент двигателя M₁ и крутящий момент электрической машины М₃ по существу равны в течение этого периода времени. Здесь скорость двигателя n₁ преобразуется планетарной передачей до скорости n₂ входного вала 3 коробки передач переменным передаточным отношением, что приводит к плавному троганию транспортного средства при управляемом крутящем моменте М₂.

При t=4 входной вал 3 коробки передач достигнет такой же скорости n₂, что и скорость выходного вала двигателя n₁. Здесь блок 17 управления приводит в действие средство 16 сдвига для перемещения средства 14 соединения в положение соединения, в котором соединительные участки 14а, 11b входят во взаимное зацепление. В период времени t=4-7 двигатель внутреннего сгорания обеспечивает по существу всю работу входного вала 3 коробки передач и в результате транспортного средства. Крутящий момент электрической машины М₃ падает здесь до 0, но электрическая машина вращается с такой же скоростью n₃, что и выходной вал 2 двигателя и входной вал 3 коробки передач. В период времени t=5-7 скорость транспортного средства увеличивается, приводя к соответствующему увеличению скоростей n₁, n₂, n₃ указанных компонентов.

При t=7 необходимо зацеплять более высокую передачу в коробке 4 передач. Блок 17 управления приводит в действие средство 16 сдвига для перемещения средства 14 соединения в отсоединенное положение. Соединение между выходным валом 2 двигателя и входным валом 3 коробки передач исчезает. Здесь блок 17 управления вычисляет скорость n₃, с которой входному валу 3 коробки передач необходимо двигаться для достижения состояния отсутствия крутящего момента в коробке 4 передач посредством скорости транспортного средства и в настоящее время зацепленной передачи в коробке 4 передач. Далее блок 17 управления вычисляет скорость n₃, с которой электрической машине необходимо двигать входной вал 3 коробки передач, чтобы принимать вычисленную скорость n₃ при действующей скорости двигателя n₁. Блок 17 управления приводит в действие электрическую машину с вычисленной скоростью n₃ так, что в коробке передач создается состояние отсутствия крутящего момента, в результате чего передача расцепляется. Все из крутящих моментов M₁, М₂ и М₃ здесь равны 0.

Когда текущая передача расцепляется, другая передача зацепляется. Блок 17 управления вычисляет здесь требуемую скорость n₂, с которой входному валу 3 коробки передач необходимо двигаться для создания состояния отсутствия крутящего момента в коробке 4 передач, когда зацепляется другая передача. Далее блок 17 управления вычисляет скорость n₃, с которой электрической машине необходимо двигать входной вал 3 коробки передач, чтобы принимать вычисленную скорость n₃ при действующей скорости двигателя n₁. Блок 17 управления приводит в действие электрическую машину с вычисленной скоростью n₃, в результате чего зацепляется другая передача. Это происходит при t=9. В период времени t=9-11 транспортное средство питается двигателем внутреннего сгорания и электрической машиной с по существу равными соответственными крутящими моментами M₁ и М₃. Блок 17 управления управляет скоростью электрической машины n₃ с целью поддержания скорости n₂=1000 оборотов в минуту входного вала 3 коробки передач, пока одновременно с этим скорость двигателя n₁ падает от 1200 оборотов в минуту до 1000 оборотов в минуту.

При t=11 двигатель примет такую же скорость n₁, как скорость n₂ входного вала 3 коробки передач. Блок 17 управления приводит в действие средство 16 сдвига для перемещения средства 14 соединения в отсоединенное положение. В период времени t=11-12 двигатель прогрессивно принимает на себя сообщение движения транспортному средству. При t=12 водитель отпускает педаль газа. Далее входной вал 3 коробки передач приводит в действие электрическую машину, пока одновременно с этим двигатель тормозит. Электрическая машина генерирует электрическую энергию, которая накапливается в батарее 19. При t=15 скорость двигателя n₁ снизится до холостого хода при 500 оборотах в минуту. Скорость n₃ электрической машины и скорость входного вала коробки передач n₂ продолжают падать, пока кривые не прервутся при t=17.

Тогда, когда текущая передача подлежит расцеплению в коробке передач или другая шестерня зацепляется, настоящая конструкция создает состояние отсутствия крутящего момента в коробке 4 передач посредством электрической машины. Это значит, что механизм сцепления не обязательно использовать для отсоединения двигателя от коробки 4 передач в процессе переключения передач. В связи с этим можно обойтись без традиционного механизма сцепления с соответственным управляющим оборудованием. В процессе трогания транспортного средства и когда зацепляется другая передача, скользящие диски сцепления не обязательно использовать, чтобы задавать двигателю и входному валу 3 коробки передач одинаковую скорость. В результате появляется значительно более энергоэкономичный способ переключения передач и способ трогания, чем при использовании традиционного механизма сцепления. В этом случае блок 17 управления изменяет передаточное отношение между двигателем и входным валом 3 коробки передач посредством электрической машины, пока двигатель и входной вал коробки передач не примут одинаковую скорость. Таким образом, возможно достигать плавного трогания при управляемом крутящем моменте.

Изобретение никоим образом не ограничивается вариантом выполнения, к которому относятся чертежи, но может быть свободно изменено в пределах объема охраны формулы изобретения. Например, трансмиссия с передаточным отношением может быть расположена между ротором 8 и кольцевой шестерней 10, которым в связи с этим не нужно вращаться с одинаковой скоростью.