Результат интеллектуальной деятельности: СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ

ОБЛАСТЬ И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к двигательной установке для транспортного средства согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения. Изобретение также относится к способу управления такой движущейся установкой согласно ограничительной части п. 12 формулы изобретения.

Гибридные транспортные средства могут приводиться в движение основным пусковым двигателем, который может представлять собой двигатель внутреннего сгорания, и вспомогательным пусковым двигателем, который может представлять собой электрическую машину. Электрическая машина будет оборудована по меньшей мере одним аккумулятором для хранения электрической энергии и регулирующим оборудованием для регулирования потока электрической энергии между аккумулятором и электрической машиной. Электрическая машина может, таким образом, служить попеременно в качестве двигателя и генератора, в зависимости от рабочего состояния транспортного средства. Когда транспортное средство тормозит, электрическая машина генерирует электрическую энергию, которая хранится в аккумуляторе. Запасенную электрическую энергию впоследствии используют для работы транспортного средства.

Использование обычного механизма сцепления, который разъединяет входной вал коробки передач и двигатель в процессе переключения передач в коробке передач, влечет за собой определенные недостатки, например нагревание дисков механизма сцепления, что приводит к большему потреблению топлива и износу диска сцепления. Кроме того, обычный механизм сцепления является относительно тяжелым и дорогостоящим. Он также занимает достаточно много пространства в транспортном средстве.

Присоединение выходного вала двигателя, ротора электрической машины и входного вала коробки передач к планетарному зубчатому механизму позволяет обойтись без обычного механизма сцепления. Ускорение транспортного средства приводит к передаче усиленного крутящего момента от двигателя и электрической машины к коробке передач и, следовательно, к ведущим колесам транспортного средства. Тот факт, что как двигатель, так и электрическая машина присоединены к планетарному зубчатому механизму, означает, что максимальный крутящий момент, создаваемый двигателем и электрической машиной, будет ограничен тем из пусковых двигателей, который имеет меньший максимальный крутящий момент, чем другой двигатель. Если максимальный крутящий момент электрической машины ниже максимального крутящего момента двигателя, то электрическая машина не сможет создавать достаточный реактивный крутящий момент для планетарного зубчатого механизма, в результате чего двигатель не может передать максимальный вырабатываемый им момент к коробке передач и, следовательно, к ведущим колесам. Максимальный крутящий момент, передаваемый к коробке передач, следовательно, ограничен мощностью электрической машины. В частности, если требуется мощное ускорение транспортного средства, и электрическая машина не может выработать достаточный реактивный крутящий момент, в электрической машине будет происходить нежелательный нагрев.

Публикация US 2003/0078127 A1 относится к системе обеспечения движения для транспортного средства с двигателем внутреннего сгорания и электрическим двигателем, которые соединены с планетарным зубчатым механизмом. Водило планетарной передачи планетарного механизма соединено с входным валом коробки передач. Водило планетарной передачи и центральное зубчатое колесо планетарного механизма могут быть прочно соединены втулкой таким образом, что электрическая машина и коробка передач могут вращаться как единый вращающийся блок.

Пространство, доступное для двигательной установки в транспортном средстве, является часто ограниченным. Если двигательная установка содержит множество компонентов, например двигатель внутреннего сгорания, электрическую машину, коробку передач и планетарный зубчатый механизм, то необходимо, чтобы конструкция была компактной. По этой причине желательно, чтобы размер электрической машины был малым, что ограничит ее мощность и максимально возможный создаваемый ею крутящий момент.

Компоненты двигательной установки также должны иметь высокую надежность и эксплуатационную безопасность.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать двигательную установку для транспортного средства, которая имеет компактную конструкцию.

Еще одна задача изобретения состоит в том, чтобы создать двигательную установку, которая имеет высокую надежность и эксплуатационную безопасность.

Эти задачи решаются с помощью двигательной установки упомянутого во вводной части типа, которая характеризуется признаками, указанными в отличительной части п. 1 формулы изобретения.

Они также решаются с помощью способа управления двигательной установкой упомянутого во вводной части типа, при этом этот способ характеризуется признаками, указанными в отличительной части п. 12 формулы изобретения.

Тот факт, что механизм сцепления прочно соединяет выходной вал двигателя с входным валом коробки передач через планетарный зубчатый механизм, позволяет получить нужное ускорение транспортного средства, при этом одновременно с этим размеры и мощность электрической машины могут быть ограничены, результатом чего является компактная двигательная установка ограниченных размеров. Это также дает возможность того, чтобы максимальный крутящий момент, который может создать электрическая машина, был меньше, чем максимальный крутящий момент, который может быть создан двигателем.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения механизм сцепления содержит по меньшей мере одну цапфу, которая в первом положении зацепляется с первым подвижным компонентом планетарного зубчатого механизма, а во втором положении зацепляется также со вторым подвижным компонентом планетарной зубчатой передачи. Результатом использования цапфы механизма сцепления является компактная конструкция.

Согласно другому варианту осуществления первый и второй подвижные компоненты имеют углубления, с которыми в соответствии с их конструкцией сцепляется по меньшей мере одна цапфа. Цапфы, сцепляющиеся с углублениями в подвижных компонентах планетарного зубчатого механизма, имеют компактную конструкцию, которая также имеет высокую надежность и эксплуатационную безопасность.

Согласно другому варианту осуществления углубления во втором подвижном компоненте имеют меньшую периферийную протяженность, чем протяженность цапфы в направлении, поперечном относительно ее продольной оси. Такая периферийная протяженность углублений обеспечивает гарантию надежного и прочного сцепления входного вала с выходным валом, когда механизм сцепления перемещается во второе положение. Таким образом гарантируются высокая надежность и высокая эксплуатационная безопасность двигательной установки.

Согласно еще одному варианту осуществления механизм сцепления имеет вид кольцевой втулки, которая, по существу, концентрично окружает участок входного вала коробки передач или выходного вала двигателя. Результатом этого является компактная конструкция.

Планетарный зубчатый механизм обычно содержит три компонента, расположенные таким образом, что они могут вращаться относительно друг друга, а именно - центральное зубчатое колесо, водило и эпициклическая шестерня планетарной передачи. Зная число зубьев, которое имеют центральное зубчатое колесо и эпициклическая шестерня планетарной передачи, можно определить во время работы скорость вращения трех компонентов. Согласно настоящему изобретению один из компонентов планетарного зубчатого механизма соединен с выходным валом двигателя. Данный 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 электрического двигателя, если они соединены непосредственно друг с другом. В качестве альтернативы электрическая машина может быть присоединена к третьему компоненту планетарного зубчатого механизма посредством передачи, которая имеет определенное передаточное отношение, причем в этом случае электрическая машина и третий компонент планетарного механизма могут вращаться с разной скоростью. Скорость электрических машин можно регулировать бесступенчато. В эксплуатационных ситуациях, когда входному валу коробки передач необходимо сообщить нужную скорость, устройство управления использует данные о скорости двигателя, чтобы рассчитать скорость, с которой третий компонент необходимо привести в действие для того, чтобы входной вал коробки передач работал с нужной скоростью. Устройство управления приводит в действие электрическую машину таким образом, что она сообщает рассчитанную скорость третьему компоненту, а отсюда - нужную скорость коробки передач.

Другие преимущества изобретения указаны в подробном описании, приведенном ниже.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

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

Фиг. 1 - вид сбоку транспортного средства, снабженного двигательной установкой согласно настоящему изобретению.

Фиг. 2 - вид в разрезе двигательной установки согласно настоящему изобретению, на которой стопорный механизм находится в первом положении.

Фиг. 3 - вид в разрезе двигательной установки согласно настоящему изобретению, на которой механизм сцепления находится во втором положении.

Фиг. 4 - вид сбоку центрального зубчатого колеса планетарного зубчатого механизма двигательной установки согласно настоящему изобретению.

Фиг. 5 - блок-схема, иллюстрирующая способ управления двигательной установкой согласно настоящему изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг. 1 представляет собой вид сбоку транспортного средства 1, снабженного двигательной установкой 2 согласно настоящему изобретению. Двигатель внутреннего сгорания 4 присоединен к электрической машине 6 и к коробке скоростей 8 посредством планетарного зубчатого механизма 10. Коробка передач также соединена с ведущими колесами 12 транспортного средства.

Фиг. 2 представляет собой вид в разрезе двигательной установки 2 согласно настоящему изобретению. Планетарный механизм 10 содержит подвижные компоненты в виде центрального зубчатого колеса 18, эпициклической шестерни 20 и водила 22 планетарной передачи. В проиллюстрированном варианте осуществления центральное зубчатое колесо 18 присоединено к выходному валу 14 двигателя, образуя составной блок. Также можно соединить выходной вал 14 двигателя с эпициклической шестерней 20 или с водилом 22 планетарной передачи.

Электрическая машина 6 содержит статор 24 и ротор 26. Статор прочно присоединен к транспортному средству и, следовательно, не вращается. Ротор соединен с эпициклической шестерней 20 планетарной передачи и, следовательно, может вращаться относительно статора. В представленном варианте осуществления эпициклическая шестерня 20 и ротор 26 электрической машины образуют составной блок, но также возможно, чтобы они представляли отдельные блоки, соединенные друг с другом.

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

Во время торможения двигателя водитель освобождает педаль акселератора транспортного средства (не показанную на чертеже). Затем входной вал 27 коробки передач приводит в движение электрическую машину 6, при этом одновременно с этим двигатель 4 и электрическая машина 6 выполняют торможение двигателем. В этой ситуации электрическая машина 6 генерирует электрическую энергию, которая затем сохраняется в бортовом аккумуляторе 50. Данное рабочее состояние называют рекуперативным торможением. Таким образом, электрическая машина 6 служит в качестве генератора и создает реактивный крутящий момент, противодействующий крутящему моменту от коробки передач, тормозя транспортное средство, так как коробка передач соединена с ведущими колесами 12.

Во время ускорения транспортного средства 1 необходимо передать усиленный крутящий момент от двигателя 4 и электрической машины 6 к коробке передач 8 и, следовательно, к ведущим колесам 12 транспортного средства. Поскольку как двигатель, так и электрическая машина присоединены к планетарному зубчатому механизму 10, максимальный крутящий момент, создаваемый двигателем 4 и электрической машиной 6, ограничен тем, какой из этих пусковых двигателей 4, 6 имеет меньший максимальный крутящий момент, чем другой из упомянутых двигателей. Если максимальный крутящий момент электрической машины меньше максимального крутящего момента двигателя, то электрическая машина не сможет создавать достаточный реактивный крутящий момент для планетарного зубчатого механизма, при этом двигатель не может передавать его максимальный крутящий момент коробке передач и, следовательно, ведущим колесам. Максимальный крутящий момент, передаваемый к коробке передач, следовательно, ограничен мощностью электрической машины. В частности, если требуется мощное ускорение транспортного средства, и электрическая машина не может выработать достаточный реактивный крутящий момент, в электрической машине будет создан нежелательный нагрев.

Соединение выходного вала 14 двигателя с входным валом 27 коробки передач посредством механизма сцепления 38 через планетарный зубчатый механизм дает возможность достичь нужного ускорения транспортного средства, и в то же время ограничить размер и мощность электрической машины, в результате чего получается компактная двигательная установка 2 ограниченного размера. Это также означает, что максимальный крутящий момент, который может создать электрическая машина, может быть меньше, чем создаваемый двигателем.

Механизм сцепления 38 может перемещаться между первым и вторым положениями. Первое положение вызывает вращение выходного вала 14 двигателя и входного вала 27 коробки передач с разными скоростями через планетарный зубчатый механизм 10. Во втором положении механизм сцепления 38 прочно соединяет выходной вал 14 двигателя с входным валом 27 коробки передач через планетарный зубчатый механизм 10.

Механизм сцепления 38 содержит по меньшей мере одну цапфу 40, которая в первом положении зацепляется с выемкой 42 в водиле 22 планетарной передачи планетарного зубчатого механизма. Во втором положении по меньшей мере одна цапфа 40 зацепляется с выемкой 44 в центральном зубчатом колесе 18 планетарного механизма. Цапфа 40 предпочтительно имеет, по существу, круглое поперечное сечение. Механизм сцепления 38 имеет вид кольцевой втулки 46, которая, по существу, концентрично окружает участок 47 входного вала 27 коробки передач. Если выходной вал 14 двигателя вместо этого соединить с водилом 22 планетарной передачи, можно, по существу, то кольцевая втулка 46 может, по существу, концентрично окружать участок выходного вала 14 двигателя. В этой версии центральное зубчатое колесо 18 будет присоединено к входному валу 27 коробки передач, в результате чего получается другое передаточное отношение. Механизм сцепления 38 предпочтительно снабжен множеством цапф 40, распределенных вдоль кольцевой торцевой поверхности 51 втулки. Чтобы дать возможность цапфам 40 проходить через водило 22 планетной передачи, выемки 42 в водиле планетарной передачи имеют кольцевую форму и распределены аналогично распределению цапф вдоль торцевой поверхности 51 втулки.

Выходной вал 14, ротор электрической машины 26, входной вал 27 коробки передач и кольцевая втулка 46 расположены таким образом, что могут вращаться вокруг общей оси вращения 48.

Механизм сцепления 38 может перемещаться в осевом направлении вдоль входного вала 27 коробки передач между первым и вторым положениями. В случаях, когда выходной вал 14 двигателя вместо этого соединен с водилом 22 планетарной передачи, механизм 38 сцепления перемещается в осевом направлении вдоль выходного вала 14 двигателя между первым и вторым положениями. Вилка 53 переключения обеспечена для перемещения механизма сцепления между первым и вторым положениями. Вилка переключения предпочтительно управляется пневматическим цилиндром 54, соединенным с источником 56 сжатого воздуха. Пневматический цилиндр имеет шток 57 поршня, на котором установлена вилка переключения.

Чтобы переключить и перевести механизм сцепления 38 из первого положения во второе положение, двигатель 4 и электрическая машина 6 управляются таким образом, что между выходным валом двигателя 14 и планетарным зубчатым механизмом 10 создается безмоментное состояние. Это подразумевает использование устройства управления 55, которое также приспособлено к тому, чтобы заставлять электрическую машину 6 в определенных соответствующих рабочих ситуациях использовать запасенную электрическую энергию, чтобы обеспечить входной вал 27 коробки передач движущей силой, а в других рабочих ситуациях использовать кинетическую энергию входного вала коробки передач, чтобы накапливать и использовать электрическую энергию. Устройство управления 55, следовательно, отслеживает скорости вращения и/или крутящие моменты выходного вала 14 двигателя, входного вала 27 коробки передач и ротора 26 электрической машины, основываясь на управлении двигателем и электрической машиной таким образом, что между выходным валом двигателя и входным валом коробки передач создается безмоментное состояние. По достижении безмоментного состояния механизм 38 сцепления переключается и перемещается во второе положение с помощью устройства управления, приводящего в действие источник 56 сжатого воздуха, чтобы подать сжатый воздух в пневматический цилиндр 54 посредством трубопровода 54 таким образом, что цилиндр толкает кольцевую втулку 46 посредством вилки 53. Устройство управления 55 присоединено к двигателю 4, коробке передач 8, электрической машине 6 и источнику сжатого воздуха 56 посредством электрических проводников 60. Устройство управления, таким образом, управляет перемещением механизма 38 сцепления. Также можно обеспечить отдельное устройство управления для источника сжатого воздуха.

Устройство управления 55, таким образом, предназначено для управления механизмом сцепления 38, а также для того, чтобы решать, когда электрическая машина 6 будет выполнять роль двигателя, а когда она будет выполнять роль генератора. Чтобы решить это, устройство управления может получать текущую информацию из подходящих рабочих параметров, указанных выше. Устройство управления может быть компьютером с подходящим для данных целей программным обеспечением. Устройство управления также управляет потоком электрической энергии между аккумулятором 50 и статором 24 электрической машины. Когда электрическая машина играет роль двигателя, запасенная электрическая энергия подается из аккумулятора в статор. Когда электрическая машина играет роль генератора, электрическая энергия подается из статора в аккумулятор.

Фиг. 3 представляет собой вид в разрезе двигательной установки 2 согласно настоящему изобретению с механизмом сцепления 38, находящимся во втором положении, в которой выходной вал 14 двигателя и входной вал 27 коробки передач прочно соединены друг с другом посредством механизма сцепления через планетарный механизм 10. Чтобы сделать возможным данное перемещение механизма сцепления, устройство управления 55 сначала подает такой сигнал управления на двигатель и электрическую машину, что между выходным валом 14 двигателя и входным валом 27 коробки передач создается безмоментное состояние, как описано выше со ссылкой на Фиг. 2.

Когда транспортное средство ускоряют до нужной скорости, на вилку 53 переключения подается такой сигнал управления, что механизм 38 сцепления с кольцевой втулкой 46 возвращается в первое положение. В то же самое время устройство управления 55 управляет и двигателем, и электрической машиной таким образом, что между выходным валом 14 двигателя и входным валом 27 коробки передач создается безмоментное состояние. По достижении безмоментного состояния механизм сцепления с кольцевой втулкой переключается в первое положение. Когда механизм сцепления возвращается в первое положение, транспортное средство может приводиться в движение и двигателем, и электрической машиной.

Фиг. 4 представляет собой вид сбоку центрального колеса 18 планетарного зубчатого механизма двигательной установки 2 согласно настоящему изобретению. Углубления 44 в центральном колесе 18 имеют периферийную протяженность больше протяженности цапф 40 поперек их продольной оси. Такая периферийная протяженность углублений 44 обеспечивает гарантию надежного и прочного сцепления входного вала 27 с выходным валом 14, когда механизм 38 сцепления перемещается во второе положение. Такая форма также облегчает вставку цапф 40 в углубления 44, так как осевое усилие от вилки переключения может быть приложено к втулке 46 таким образом, что цапфы 40 будут скользящим образом перемещаться мимо торцевой поверхности центрального зубчатого колеса, пока они не совместятся с углублениями 44 и не окажутся вставленными в них. Чтобы достичь вышеупомянутого результата, на двигатель 4 и электрическую машину 6 подают сигнал управления таким образом, чтобы разность скоростей между центральным зубчатым колесом и водилом 22 планетарной передачи, когда механизм сцепления нужно переместить во второе положение, и цапфы нужно вставить в углубления 44 центрального колеса. В варианте осуществления, проиллюстрированном на Фиг. 4, четыре углубления 44 равномерно распределены в направлении окружной поверхности центрального зубчатого колеса.

Фиг. 5 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ управления двигательной установкой 2 согласно настоящему изобретению. Способ согласно изобретению характеризуется наличием этапов, на которых:

а) посылают сигнал управления на двигатель 4 и электрическую машину 6 таким образом, что между выходным валом 14 двигателя и входным валом 27 коробки передач создается по существу безмоментное состояние, и

б) выходной вал 14 двигателя и планетарный зубчатый механизм 10 прочно соединяют друг с другом посредством механизма сцепления 38, который перемещают из первого положения, в котором выходной вал 14 двигателя и входной вал 27 коробки передач приводят во вращение с разными скоростями через планетарный зубчатый механизм 10, во второе положение, в котором механизм сцепления прочно соединяет выходной вал двигателя и входной вал коробки скоростей через планетарный зубчатый механизм.

Вышеупомянутые элементы и признаки, перечисленные выше, могут сочетаться в рамках объема изобретения среди упомянутых различных вариантов осуществления.