Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

ОБЛАСТЬ И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к устройству для рекуперативного торможения, предназначенному для транспортного средства согласно ограничительной части п. 1 формулы изобретения. Изобретение также относится к способу рекуперативного торможения транспортного средства согласно ограничительной части п. 10 формулы изобретения.

Гибридные транспортные средства могут приводиться в действие первичным пусковым двигателем, который может представлять собой двигатель внутреннего сгорания, и вторичным пусковым двигателем, который может представлять собой электрическую машину. Электрическая машина снабжена, по меньшей мере, одним аккумулятором для накопления электрической энергии и регулировочным оборудованием для регулирования потока электрической энергии между аккумулятором и электрической машиной. Электрическая машина, таким образом, может попеременно выполнять функцию двигателя и генератора в зависимости от рабочего состояния транспортного средства. Когда транспортное средство тормозит, электрическая машина генерирует электрическую энергию, которая затем запасается в аккумуляторе. Это обычно называют рекуперативным торможением, что означает, что транспортное средство тормозят посредством электрической машины и двигателя внутреннего сгорания. Запасенная электрическая энергия по существу используется для работы транспортного средства.

Использование обычного механизма сцепления, который разъединяет входной вал коробки передач и двигатель во время процесса переключения передач в коробке передач, влечет за собой определенные недостатки, например, нагрев дисков механизма сцепления, приводящий к большему потреблению топлива и износу дисков механизма сцепления. Кроме того, обычный дисковый механизм сцепления является относительно тяжелым и дорогим. Он также занимает относительно большое пространство в транспортном средстве.

Соединение выходного вала двигателя, ротора электрической машины и входного вала коробки передач с планетарным механизмом позволяет обойтись без обычного механизма сцепления. При рекуперативном торможении транспортного средства, однако, планетарный зубчатый механизм вызовет уменьшение крутящего момента рекуперативного торможения электрической машины, так как крутящий момент двигателя на планетарном механизме будет недостаточен. В частности, во время мощного рекуперативного торможения с помощью электрической машины возникнет нежелательное увеличение скорости двигателя.

Публикация US 2009/0288895 А относится в основном к тому, как эпициклическая шестерня в планетарном механизме, соединенном с двигателем, может быть сцеплена с корпусом, который неподвижен относительно планетарного механизма, чтобы осуществить рекуперативное торможение транспортного средства посредством электрической машины. Двигатель и эпициклическая шестерня планетарного зубчатого механизма могут быть разъединены.

Пространство, доступное для двигательной установки в транспортном средстве, часто бывает ограничено. Если двигательная установка содержит множество компонентов, например двигатель внутреннего сгорания, электрическую машину, коробку передач и планетарный зубчатый механизм, то необходима компактная конструкция. Если применяются другие компоненты, например устройство для рекуперативного торможения, это делает компактность конструкции компонентов двигательной установки еще более необходимой.

Также требуется, чтобы компоненты двигательной установки имели высокую надежность и высокую эксплуатационную безопасность.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать устройство для рекуперативного торможения, которое имеет компактную конфигурацию.

Другая задача изобретения состоит в том, чтобы создать устройство для рекуперативного торможения, которое имеет высокую надежность и высокую эксплуатационную безопасность.

Эти задачи решаются с помощью устройства для рекуперативного торможения, принадлежащего к типу, упомянутому во вводной части, которое характеризуется признаками, раскрытыми в отличительной части п. 1 формулы изобретения.

Данные задачи также решаются посредством создания способа рекуперативного торможения транспортного средства с помощью устройства для рекуперативного торможения, принадлежащего к типу, упомянутому во введении, который характеризуется признаками, указанными в отличительной части п. 10 формулы изобретения.

Результатом того факта, что выходной вал двигателя разъемным образом соединен с планетарным зубчатым механизмом подвижным поршнем, который в первом положении соединяет выходной вал двигателя с планетарным зубчатым механизмом, а во втором положении разъединяет выходной вал двигателя и планетарный зубчатый механизм, является компактная конструкция с небольшим количеством компонентов, следствием чего является высокая надежность и высокая эксплуатационная безопасность.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения поршень имеет вид кольцевой втулки, которая по существу концентрично окружает участок выходного вала двигателя и участок планетарного зубчатого механизма. Поскольку как выходной вал двигателя, так и участок планетарного зубчатого механизма окружены поршнем, в результате получается компактная конструкция.

Согласно еще одному варианту осуществления упомянутые участки выходного вала двигателя и планетарного зубчатого механизма снабжены шлицами, которые в первом положении поршня взаимодействуют со шлицами на поршне, образуя шлицевое соединение, причем поршень может перемещаться вдоль выходного вала двигателя и планетарного зубчатого механизма. Результатом использования такого шлицевого соединения является компактная конструкция с высокой надежностью и высокой эксплуатационной безопасностью.

Согласно еще одному варианту осуществления поршень в третьем положении действует на средство соединения, которое соединяет планетарный зубчатый механизм с элементом, который закреплен относительно планетарного зубчатого механизма. Тот факт, что поршень также действует на средство соединения между планетарным зубчатым механизмом и компонентом, который неподвижно закреплен относительно планетарного зубчатого механизма, приводит к уменьшению количества компонентов, тем самым уменьшая размер конструкции и увеличивая ее надежность и эксплуатационную безопасность.

Согласно еще одному варианту осуществления средство сцепления представляет собой дисковую муфту. Дисковая муфта не только прочно соединяет элементы между собой, но также позволяет уменьшить их размер, результатом чего является компактная конструкция.

Согласно еще одному варианту осуществления поршень перемещается с помощью сжатого воздуха, действующего на поверхность поршня. Управление поршнем с помощью сжатого воздуха обеспечивает высокую надежность и высокую эксплуатационную безопасность.

Согласно еще одному варианту осуществления выходной вал двигателя разъемно соединен с центральным зубчатым колесом планетарного зубчатого механизма, и они имеют общую ось вращения. В результате получается компактная конструкция.

Согласно еще одному варианту осуществления выходной вал двигателя, ротор электрической машины и входной вал коробки передач вращаются вокруг общей оси вращения. Такая конструкция позволяет располагать компоненты близко друг к другу, так что обеспечивается компактная конструкция.

Планетарный зубчатый механизм обычно содержит три компонента, которые вращаются друг относительно друга, а именно - центральное зубчатое колесо, водило планетарной передачи и эпициклическую шестерню. Зная число зубьев, которое имеют центральное зубчатое колесо и эпициклическая шестерня, можно определить во время работы скорости вращения трех компонентов. Согласно настоящему изобретению, один из компонентов планетарного зубчатого механизма соединен с выходным валом двигателя. Этот компонент планетарного зубчатого механизма, следовательно, вращается со скоростью, соответствующей скорости выходного вала двигателя. Второй компонент планетарного зубчатого механизма соединен с входным валом коробки передач. Этот компонент планетарного зубчатого механизма, следовательно, вращается с той же скоростью, что и входной вал коробки передач. Третий компонент планетарного зубчатого механизма соединен с ротором электрической машины. Этот компонент планетарного зубчатого механизма, следовательно, вращается с той же скоростью, что и ротор электрической машины, если они непосредственно соединены друг с другом. В качестве альтернативы электрическая машина может быть соединена с третьим компонентом планетарного механизма через передачу, которая имеет определенное передаточное отношение, и в этом случае электрическая машина и третий компонент планетарного зубчатого механизма могут вращаться с разными скоростями. Скорость электрических машин можно регулировать бесступенчато. В рабочих ситуациях, когда нужно передать валу коробки передач нужную скорость, устройство управления использует данные о скорости двигателя для расчета скорости, с которой необходимо приводить в движение третий компонент, чтобы коробка передач работала с нужной скоростью. Устройство управления приводит в действие электрическую машину таким образом, что она сообщает рассчитанную скорость третьему компоненту, а отсюда - входному валу коробки передач.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Предпочтительный вариант осуществления изобретения описан ниже в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 - вид сбоку транспортного средства с устройством для рекуперативного торможения согласно настоящему изобретению;

Фиг. 2 - вид в разрезе устройства для рекуперативного торможения согласно настоящему изобретению, поршень которого находится в первом положении;

Фиг. 3 - вид в разрезе устройства для рекуперативного торможения согласно настоящему изобретению, поршень которого находится во втором положении;

Фиг. 4 - вид в разрезе устройства для рекуперативного торможения согласно настоящему изобретению, поршень которого находится в третьем положении; и

Фиг. 5 - блок-схема способа рекуперативного торможения транспортного средства с помощью тормозного устройства согласно настоящему изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг. 1 представляет собой вид сбоку транспортного средства 1, снабженного устройством 2 для рекуперативного торможения согласно настоящему изобретению. Двигатель внутреннего сгорания 4 присоединен к электрической машине 6 и коробке передач 8 через планетарный механизм 10. Коробка передач также соединена с ведущими колесами 12 транспортного средства.

Фиг. 2 представляет собой вид в разрезе устройства 2 для рекуперативного торможения согласно настоящему изобретению. Выходной вал 14 двигателя 4 неразъемно соединен с планетарным зубчатым механизмом 10 посредством подвижного поршня 16, который в первом положении соединяет выходной вал 14 с планетарным зубчатым механизмом 10.

Планетарный зубчатый механизм 10 содержит центральное зубчатое колесо 18, эпициклическую шестерню 20 и водило 22 планетарной передачи. В проиллюстрированном варианте осуществления центральное зубчатое колесо 18 соединено с выходным валом 14 двигателя подвижным поршнем 16. Также можно соединить выходной вал 14 двигателя с эпициклической шестерней 20 или водилом 22 планетарной передачи с помощью подвижного поршня.

Электрическая машина 6 содержит статор 24 и ротор 26. Статор прочно соединен с транспортным средством и, следовательно, не вращается. Ротор присоединен к эпициклической шестерне 20 планетарного зубчатого механизма и, следовательно, может вращаться относительно статора. В проиллюстрированном примере варианта осуществления эпициклическая шестерня 20 и ротор 26 электрической машины 26 образуют составной узел, но они также могут быть отдельными узлами, соединенными друг с другом.

Входной вал 27 коробки передач 8 присоединен к водилу 22 планетарной передачи, которое содержит несколько зубчатых колес, которые называются сателлитами, и которые установлены на водиле планетарной передачи с помощью, например, роликовых подшипников 36. В проиллюстрированном варианте осуществления центральное зубчатое колесо 18 аналогичным образом опирается на водило планетарной передачи посредством роликовых подшипников 37. Зубья 30 сателлитов 28 зацепляются с соответствующими зубьями 32, 34 на центральном зубчатом колесе 18 и эпициклической шестерне 20.

Поршень 16 имеет вид кольцевой втулки, которая, по существу, концентрично окружает участок 38 выходного вала 14 двигателя и участок 40 центрального зубчатого колеса 18. Упомянутые участки 38, 40 выходного вала 14 двигателя и центрального зубчатого колеса 18 снабжены шлицами 42, которые в первом положении поршня взаимодействуют со шлицами 44 на поршне, образуя шлицевое соединение. В проиллюстрированном варианте осуществления круговое гнездо 46 установлено на поршне 16 и снабжено шлицами 44, которые взаимодействуют со шлицами 42 на выходном валу 14 двигателя и центральном зубчатом колесе 18. Шлицы 44 могут, однако, быть выполнены непосредственно на поршне 16, и в этом случае гнезда 46 может не быть.

Выходной вал 14 двигателя разъемно соединен с центральным зубчатым колесом 18 поршнем 16, который может перемещаться вдоль выходного вала двигателя и центрального зубчатого колеса. Поршень, таким образом, может перемещаться вдоль шлицов 42 выходного вала двигателя и центрального зубчатого колеса. Выходной вал 14 двигателя, центральное зубчатое колесо 18 и подвижный поршень 16 предпочтительно имеют общую и, по существу, совпадающую ось вращения 48.

Во время торможения двигателем водитель освобождает педаль акселератора двигателя (не показанную на чертеже). Входной вал 27 коробки передач затем приводит в действие электрическую машину 6, в то время как одновременно с этим двигатель и электрическая машина осуществляют торможение двигателем. В данной ситуации электрическая машина генерирует электрическую энергию, которая затем запасается в бортовом аккумуляторе 50. Данное рабочее состояние называется рекуперативным торможением.

Во время рекуперативного торможения транспортного средства 1 планетарный зубчатый механизм 10 вызывает уменьшение крутящего момента рекуперативного торможения электрической машины, так как крутящий момент рекуперативного торможения двигателя, действующий на центральное зубчатое колесо 18, недостаточен. В частности, во время сильного рекуперативного торможения с помощью электрической машины скорость центрального зубчатого колеса, а отсюда также скорость двигателя, возрастает нежелательным образом. Настоящее изобретение решает упомянутую проблему посредством того, что сначала центральное зубчатое колесо отсоединяют от выходного вала двигателя, а затем прочно сцепляют центральное зубчатое колесо с элементом 52, который прочно соединен с транспортным средством, таким образом, что центральное зубчатое колесо не может вращаться. Для достижения этой цели поршень 16 смещается и перемещается вдоль шлицов на выходном валу двигателя и валу центрального зубчатого колеса таким образом, что шлицы на поршне выходят из зацепления со шлицами на выходном валу двигателя. После того, как выходной вал отсоединяется от центрального зубчатого колеса, поршень смещается и перемещается дальше вдоль вала центрального зубчатого колеса и действует на дисковую муфту 62, которая прочно сцепляет центральное зубчатое колесо к элементу 52, который прочно соединен с транспортным средством, так что центральное зубчатое колесо не может вращаться. Когда центральное зубчатое колесо неподвижно и не вращается, крутящий момент передает от коробки передач 8 через водило 22 планетарной передачи и сателлиты 28 к эпициклической шестерне 20 и электрической машине 6, которая при этом выполняет функцию генератора. Когда электрическая машина выполняет функцию генератора, она прикладывает реактивный крутящий момент, противодействующий крутящему моменту от коробки передач, тем самым тормозя транспортное средство, так как коробка передач соединена с ведущими колесами 12.

Поршень 16 предпочтительно смещается и перемещается с помощью сжатого воздуха, подаваемого через трубопровод 53 в стенке корпуса, которая окружает поршень. Стенка корпуса в данном случае имеет вид элемента 52, прикрепленного к транспортному средству. Поршень предпочтительно имеет осесимметричную форму, и сжатый воздух действует на его периферийную поверхность, которая вместе с элементом 52, окружающим поршень, образует пространство 57, в которое пропускают сжатый воздух.

Чтобы сместить и переместить поршень 16, двигатель 4 и электрическая машина 6 управляются таким образом, что между выходным валом 14 двигателя и планетарным зубчатым механизмом 10 создается безмоментное пространство. Это подразумевает использование устройства управления 55, которое также приспособлено для того, чтобы в определенных соответствующих рабочих ситуациях вызывать использование запасенной электрической энергии электрической машиной, чтобы сообщать движущую силу входному валу 27 коробки передач входному валу 27 коробки передач, а в других рабочих ситуациях использовать кинетическую энергию входного вала коробки передач, чтобы генерировать и запасать электрическую энергию. Устройство 55, следовательно, отслеживает скорости и/или крутящие моменты выходного вала 14 двигателя, входного вала 27 коробки передач и ротора 26 электрической машины в качестве базы для управления двигателем и электрической машиной, таким образом, что между выходным валом двигателя и центральным зубчатым колесом 18 планетарного механизма создается. По достижении безмоментного состояния, поршень смещается и перемещается под действием сжатого воздуха, подаваемого в пространство 57 между поршнем и элементом 52 через канал 53 в элементе 52.

Таким образом, устройство управления 55 приспособлено для управления поршнем 16, а также для выбора, когда электрическая машина 6 будет выполнять функцию двигателя, а когда - функцию генератора. Чтобы решить эту проблему, устройство управления может получать текущую информацию из подходящих рабочих параметров, упомянутых выше. Устройство управления может быть компьютером с подходящим программным обеспечением для этой цели. Устройство управления также управляет потоком электрической энергии между аккумулятором 50 и статором 24 электрической машины. В то время, когда электрическая машина служит в качестве двигателя, запасенная электрическая энергия подается из аккумулятора в статор. В то время, когда электрическая машина служит в качестве генератора, запасенная электрическая энергия подается из статора в аккумулятор.

Устройство управления 55 предпочтительно также подсоединено к источнику сжатого воздуха 56, которое посредством трубопровода 58 подает сжатый воздух в пространство 57 посредством трубопровода 53. Устройство управления, таким образом, управляет перемещением поршня. Устройство управления, таким образом, соединено с двигателем 4, коробкой передач 8, электрической машиной 6 и источником сжатого воздуха 56 посредством электрических проводников 60. Также можно предусмотреть отдельное устройство управления для источника сжатого воздуха 56.

Фиг. 3 представляет собой вид в разрезе устройства 2 для рекуперативного торможения согласно настоящему изобретению, поршень 16 которого находится во втором положении. В данном втором положении выходной вал 14 коробки передач и планетарный зубчатый механизм 10 разъединены путем смещения поршня и перемещения его вдоль шлицов 42 таким образом, что шлицы 44 на поршне выводятся из зацепления со шлицами 42 на выходном валу 14 двигателя. Чтобы обеспечить возможность такого перемещения поршня, устройство управления 55 управляет двигателем и электрической машиной таким образом, что между выходным валом двигателя и центральным зубчатым колесом планетарного механизма создается безмоментное состояние, как описано выше со ссылкой на Фиг. 2.

Фиг. 4 представляет собой вид в разрезе устройства 2 для рекуперативного торможения согласно настоящему изобретению, в котором поршень 16 перемещен в третье положение, в котором он действует на средство соединения в виде дисковой муфты 62, которая соединяет центральное зубчатое колесо 18 с элементом 52, который закреплен относительно центрального зубчатого колеса. В третьем положении выходной вал 14 двигателя и планетарный механизм 10 разъединены. Когда диски 64 муфты 62 прижимаются друг к другу поршнем 16, центральное зубчатое колесо 18 присоединяется к элементу 52 и, таким образом, не может вращаться. Когда центральное зубчатое колесо неподвижно и не вращается, крутящий момент передается от коробки передач 8 через водило 22 планетарной передачи и сателлиты 28 к эпициклической шестерне 20 и электрической машине 6, которая при этом выполняет функцию генератора, как объясняется выше со ссылкой на Фиг. 2.

Перемещение поршня из первого положения во второе положение, а затем в третье положение приводит к сжатию пружины сжатия 54, расположенной между поршнем и неподвижным элементом 52. Пружина 54 предпочтительно представляет собой винтовую пружину, функцией которой является возврат поршня в первое положение.

Когда транспортное средство замедляют до нужной скорости, рекуперативное торможение завершается устройством управления 55, посылающим такой сигнал управления на источник сжатого воздуха, что давление воздуха уменьшается, и воздух в пространстве 57 между поршнем и элементом 52 может быть эвакуирован. Пружина сжатия 54, следовательно, выводит поршень из зацепления с дисковой муфтой 62, результатом чего является освобождение центрального зубчатого колеса 18 от элемента 52 и, следовательно, обеспечение возможности его вращения. В то же самое время двигатель и электрическая машина управляются устройством управления 55 таким образом, что безмоментное состояние создается между выходным валом 14 двигателя и центральным зубчатым колесом 18. По достижении безмоментного состояния поршень дополнительно смещают и перемещают вдоль шлицов 42 посредством пружины 54, в результате чего шлицы 44 на поршне входят в зацепление со шлицами 42 на выходном валу двигателя. Таким образом, поршень возвращается в первое положение, и транспортное средство может быть приведено в действие двигателем 4 и электрической машиной 6.

Фиг. 5 представляет собой блок-схема способа рекуперативного торможения транспортного средства 1 с помощью тормозного устройства 2 для рекуперативного торможения согласно изобретению. Способ по изобретению отличается наличием следующих этапов:

а) на двигатель 4 и электрическую машину 6 посылают такой сигнал управления, что между выходным валом 14 двигателя и планетарным зубчатым механизмом 10 образуется безмоментное состояние;

б) выходной вал 14 двигателя и планетарный зубчатый механизм 10 отсоединяют друг от друга подвижным поршнем 16, перемещаемым из первого положения, в котором выходной вал двигателя и планетарный зубчатый механизм соединены, во второе положение, в котором выходной вал двигателя и планетарный механизм разъединены; и

в) поршень 16 перемещают из третьего положения, в котором он действует на средство соединения 62, которое соединяет планетарный зубчатый механизм 10 с элементом 52, который неподвижно закреплен относительно планетарного зубчатого механизма.

Упомянутые элементы и признаки, указанные выше, могут сочетаться с различными упомянутыми вариантами осуществления в рамках объема изобретения.