Результат интеллектуальной деятельности: Маховичный аккумулятор энергии торможения автомобиля

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области рекуперации энергии торможения грузоподъемных и транспортных машин, таких как гибридные силовые установки с ДВС и электромобили, а также к устройствам для осуществления указанной технологии.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известно устройство рекуперации энергии торможения машины [1] - (Патент RU №2513192 «Устройство рекуперации энергии торможения машины» автор Леонов И.В., опубликован 20.04.2014 бюл. №11), включающее неподвижный корпус, управляющее устройство, валы, маховик, редукторы с неподвижными осями, двигатель, ведущие колеса машины, трансмиссию машины, связывающую двигатель с ведущими колесами машины, и планетарный дифференциал с двумя степенями подвижности, состоящий из солнечной шестерни, центрального зубчатого колеса и водила с сателлитом, причем, валы двигателя и трансмиссии соединены между собой с помощью редуктора с неподвижными осями, а маховик соединен с солнечной шестерней планетарного дифференциала, включающее также тормоза, соединенный с водилом планетарного дифференциала, тормозные колодки которого соединены с неподвижным корпусом.

Известное устройство осуществляет рекуперацию энергии торможения с помощью управляющего устройства посредством изменения передаточного отношения кинематической цепи планетарного дифференциала [2] между трансмиссией и маховиком.

Недостатком известного устройства рекуперации энергии торможения машины является низкая эффективность системы управления планетарного дифференциала, которая не позволяет полностью осуществлять полную рекуперацию энергии торможения машины, что значительно снижает экономичность машины, работающей в режиме «разгон-торможение» [3] из-за того, что связь между двигателем и ведущими колесами осуществляется с помощью редуктора с неподвижными осями, имеющего постоянное передаточное отношение.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является создание такого устройства, которое обеспечило бы более полную рекуперацию энергии торможения машины за счет расширения области управления и повышения точности управления путем воздействия на различные звенья планетарного дифференциала, соединенного с маховичным аккумулятором энергии торможения автомобиля.

Поставленная цель достигается тем, что обмен кинетической энергии между маховиком и трансмиссией производится посредством изменения передаточного отношения кинематической цепи планетарного дифференциала между трансмиссией и маховиком за счет изменения его степени подвижности путем затормаживания или растормаживания его звеньев с помощью дополнительных тормозов и сцеплений.

Новые полезные свойства предлагаемого устройства, расширяющего область применения машины и позволяющего увеличить рекуперацию энергии, появляются в результате изменения степени подвижности планетарного дифференциала путем затормаживания или растормаживания его звеньев с помощью дополнительных тормозов и сцеплений.

Включение тормозов обеспечивает затормаживание соответствующих звеньев трансмиссии. При затормаживании одного звена, например солнечной шестерни, число степеней подвижности механизма планетарного дифференциала, снижается на единицу и становится раной единице. При растормаживании одного звена число степеней подвижности механизма увеличивается на единицу и становится раной двум. Включение сцепления двигателя обеспечивает соединение двигателя с коробкой передач, а включение сцепления маховика обеспечивает соединение маховика с солнечной шестерней планетарного дифференциала. Таким образом переключением сцеплений и тормозов обеспечивается разгон, торможение или установившееся движение автомобиля, а также запуск ДВС стоящего автомобиля энергией маховика или раскрутка и снабжение маховика дополнительной энергией от двигателя, энергия которого может быть потеряна при длительной стоянке автомобиля.

Известно устройство рекуперации энергии торможения машины, включающее неподвижный корпус, управляющее устройство, валы, маховик, редуктор с неподвижными осями, двигатель, ведущие колеса и трансмиссию машины, связывающую двигатель с ведущими колесами машины, и планетарный дифференциал с двумя степенями подвижности, состоящий из солнечной шестерни, центрального зубчатого колеса и водила с сателлитом, причем, валы двигателя и трансмиссии соединены между собой с помощью редуктора с неподвижными осями, а маховик соединен с солнечной шестерней планетарного дифференциала, включающее также тормоз, соединенный с водилом планетарного дифференциала, колодки которого соединены с корпусом.

Предлагаемый маховичный аккумулятор энергии торможения автомобиля выполняет многочисленные функции, обеспечивая обмен энергии между двигателем, трансмиссией и маховиком, недоступные ранее известному устройству рекуперации энергии торможения машины.

Предлагаемый маховичный аккумулятор энергии торможения автомобиля отличается тем, что снабжен дополнительной коробкой передач, причем, валы двигателя и трансмиссии соединены между собой с помощью планетарного дифференциала с двумя степенями подвижности и дополнительной коробки передач.

Дополнительная коробка передач обеспечивает расширение области управления автомобиля по скорости движения по сравнению с редуктором с неподвижными осями и поэтому обеспечивает более полную рекуперацию энергии торможения.

Предлагаемый маховичный аккумулятор энергии торможения автомобиля отличается также тем, что дополнительно снабжен двумя сцеплениями, соединенными с валами маховика и двигателя, а также снабжен тремя тормозами, колодки которых соединены с корпусом.

Дополнительные сцеплениями и тормоза обеспечивают более полную рекуперацию энергии торможения машины за счет повышения точности управления путем воздействия на различные звенья планетарного дифференциала, соединенного с маховичным аккумулятором энергии торможения автомобиля.

Дополнительные отличия предлагаемого маховичного аккумулятора энергии торможения автомобиля от известного состоят также в отличии соединений трансмиссии и маховика с различными звеньями планетарного дифференциала.

Предлагаемое устройство отличается тем, что дополнительные сцепления соединяют маховик с солнечной шестерней и двигатель с центральным зубчатым колесом, а тормоза воздействуют на валы двигателя, маховика и коробки передач. Дополнительное отличие состоит также в том, что вал коробки передач соединен с водилом планетарного дифференциала.

Существенные признаки предлагаемого устройства, которые совпадают с признаками аналога, заключаются в том, что предлагаемое устройство включает неподвижный корпус, управляющее устройство, валы, маховик, редукторы с неподвижными осями, двигатель, ведущие колеса машины, трансмиссию машины, связывающую двигатель с ведущими колесами машины, и планетарный дифференциал, состоящий из солнечной шестерни и центрального зубчатого колеса, а также водила с сателлитом, причем маховик соединен с солнечной шестерней планетарного дифференциала, а валы двигателя и трансмиссии соединены между собой с помощью планетарного дифференциала с двумя степенями подвижности.

Таким образом, обмен кинетической энергии между маховиком и трансмиссией автомобиля при рекуперации энергии торможения машины производится посредством изменения передаточного отношения кинематической цепи планетарного дифференциала за счет изменения его степени подвижности путем затормаживания или растормаживания тормозов и переключением сцеплений.

Предлагаемое устройство отличается тем, что снабжено дополнительной коробкой передач, причем, валы двигателя и трансмиссии соединены между собой с помощью планетарного дифференциала с двумя степенями подвижности и дополнительной коробки передач.

Предлагаемое устройство отличается также тем, что дополнительно снабжено двумя сцеплениями, соединенные с валами маховика и двигателя, а также снабжено тремя тормозами, колодки которых соединены с корпусом.

Дополнительное отличие предлагаемого устройства состоит в том, что дополнительно включает сцепление, соединяющее вал двигателя с коробкой передач через планетарный дифференциал. Наличие дополнительных сцеплений позволяет отключить двигатель и маховик от трансмиссии на любом режиме работы, что особенно целесообразно на длительной стоянке автомобиля, снижая потери на трение в кинематических парах в трансмиссии. Причем дополнительные сцепления соединяют маховик с солнечной шестерней и двигатель с центральным зубчатым колесом планетарного дифференциала, а тормоза воздействуют на валы двигателя, маховика и коробки передач. Кроме этого, отличается также тем, что вал коробки передач соединен с водилом планетарного дифференциала.

Основная совокупность существенных признаков заявляемого устройства, позволяющая реализовать достижение заявленного технического результата, заключается в том, что оно дополнительно снабжен дополнительной коробкой передач, причем, валы двигателя и трансмиссии соединены между собой с помощью планетарного дифференциала с двумя степенями подвижности и дополнительной коробки передач.

Достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что обмен кинетической энергии между маховиком и трансмиссией при рекуперации энергии торможения производится посредством изменения передаточного отношения кинематической цепи планетарного дифференциала между маховиком и трансмиссией машины за счет изменения его степени подвижности путем затормаживания или растормаживания звеньев планетарного дифференциала с помощью тормозов.

Сравнение свойств заявляемого и известного решений показывает, что у заявляемого решения появляются новые свойства, не совпадающие со свойствами известных решений, и что заявляемое решение обладает существенными отличиями и новизной.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена структурная схема маховичного аккумулятора энергии: 1 - солнечная шестерня (планетарного дифференциала); 2 - сателлит; 3 - центральное зубчатое колесо; 4 - водило; 5 - маховик; 6 - сцепление маховика; 7 - коробка передач; 8 - трансмиссия; 9 - ведущие колеса (автомобиля); 10 - двигатель (ДВС); 11 - сцепление ДВС; 12 - тормоз (вала двигателя - ДВС); 13 - тормоз трансмиссии; 14 - тормоз маховика; 15 -корпус (неподвижное звено); 16 - вал коробки передач; 17 - вал двигателя; 18 - вал маховика.

Устройство и принцип работы и плоского планетарного дифференциала, включающего: 1 - солнечная шестерня (планетарного дифференциала); 2 - сателлит; 3 - центральное зубчатое колесо; 4 - водило; общеизвестны и приведены в учебниках [2]. Солнечная шестерня 1 планетарного дифференциала соединена с - центральным зубчатым колесом 3 путем зацепления с помощью сателлита 2, расположенного на водиле 4.

Центральное зубчатое колесо 3 соединено с двигателем 10 валом 17 через сцепление 11. Водило 4 соединено с коробкой передач 7 валом 16. Маховик 5 соединен с солнечной шестерней 1 планетарного дифференциала валом 18 через сцепление 6. Тормоза 12, 13 и 14 при включении препятствуют вращательному движению валов 16, 17 и 18.

Ведущие колеса 9 автомобиля соединены посредством валов 16, 17 трансмиссии 8, коробки передач 7 и водила 4, сателлита 2 и центрального зубчатого колеса 3 планетарного редуктора и сцепления 11 с двигателем 10.

Лучший вариант устройства заключается в том, обмен кинетической энергии между маховиком и трансмиссией при рекуперации энергии торможения производится посредством изменения передаточного отношения кинематической цепи планетарного дифференциала, расположенного между маховиком и трансмиссией машины, за счет изменения его степени подвижности путем затормаживания или растормаживания звеньев планетарного дифференциала с помощью тормозов.

Работа устройства

На фиг. 2 изображена кинематическая схема плоского планетарного дифференциала, рядом с которой изображены планы скоростей его звеньев в виде лучей, исходящих из начала координат: V - скорость точки на радиусе r. План скоростей соответствует планетарному дифференциалу со степени подвижности, равной двум. В полюсах зацепления П₁ и П₂ [2] - точках касания зубчатых колес их линейные скорости равны между собой. Скорость вращения каждого зубчатого колеса планетарного дифференциала пропорциональна углу наклона лучей к оси радиуса r на плане скоростей фиг. 2. При совпадении лучей с осью r скорость вращения звена равна нулю.

Пунктиром показано состояние скоростей звеньев планетарного дифференциала на стоянке автомобиля, обеспечиваемое включением тормозов 13 и 17 и выключением тормоза маховика 14, причем сцепления 6 и 11 выключены. На стоянке автомобиля скорость трансмиссии 13 автомобиля и центрального колеса 3 планетарного редуктора V₃ равны нулю, а скорость вращения маховика 5 максимальна. В этом состоянии колодки 14 тормоза отпущены и водило 4 свободно вращается: V₁ - скорость в полюсе П₁ маховик вращается с максимальной скоростью ω_{1 max}.

С началом движения автомобиля выключается тормоза 12, 13 и 14, включаются сцепления 11 и 6, поэтому энергия к ведущим колесам одновременно поступает от двигателя 10 и маховика 6. План скоростей (фиг. 2), показанный непрерывной линией, перемещается влево и соответствует редуктору с неподвижными осями и степенью подвижности, равной единице. Скорость вращения маховика 5 снижается, так как он отдает свою энергию трансмиссии 8 и ведущим колесам 9, а скорость двигателя V₃ увеличивается по сравнению со значениями на стоянке, маховик 6 отдает свою энергию и его скорость снижается V₁ по сравнению со значениями на стоянке. Скорость движения автомобиля и трансмиссии 8 регулируется мощностью и скоростью двигателя 10.

При установившемся движении автомобиля выключается сцепление маховика 6, вращающегося с минимальной скоростью, и наблюдается баланс сил движущих и сопротивления на ведущих колесах автомобиля 9. Мощность двигателя 10 через сцепление 11 передается кинематической цепью планетарного дифференциала и через коробку передач 7 и трансмиссию 8 к ведущим колесам 9.

При торможении баланс сил движущих и сопротивления нарушается в обратную сторону, чем при разгоне, что вызывает изменение направления движения энергии от ведущих колес 9 через планетарный дифференциал в маховик 5, дополнительная энергия передается от трансмиссии 8 к маховику 5 через водило 4. Торможение автомобиля вызывается снижением мощности двигателя 10 и в случае необходимости работой штатной системы торможения автомобиля.

На стоянке машины все тормоза включены, а сцепления выключены. По лучшему варианту устройства предусмотрено дополнительное сцепление маховика 4, конструкция которого не показано на фиг. 1 в виду общеизвестности [2], выключение которого позволяет сохранить кинетическую энергию маховика 6 при остановке и двигателя 10 и ведущих колес 9 автомобиля на стоянке.

Запуск ДВС стоящего автомобиля может производиться энергией маховика, раскрутка и снабжение маховика возможны также дополнительной энергией от двигателя, энергия которого может быть потеряна при длительной стоянке автомобиля. Для запуска ДВС при включенном тормозе 13 включаются сцепления 6 и 11, выключаются тормоза 12 и 14, обеспечивается пусковая подача топлива в ДВС. При раскрутке маховика после длительной стоянки, запускается ДВС, производятся аналогичные операции с тормозами и сцеплениями, увеличивается скорость вращения ДВС до предельного уровня.

Таким образом переключением сцеплений и тормозов обеспечивается запуск двигателя (ДВС), разгон и торможение или установившееся движение автомобиля.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Заявляемое устройство позволяют повысить эффективность расхода энергии автомобиля и других транспортных машин, а также снизить расход энергии по сравнению с известными устройствами. Применение его позволяет снизить потери энергии и повысить экономичность транспортных машин на любых неустановившихся режимах работы путем изменения передаточного отношения между трансмиссией машины и маховиком, что позволяет производить полную рекуперацию энергии торможения.

Лучшими качествами обладает устройство, управляемое путем поддержания постоянного значения запаса кинетической энергии трансмиссии транспортной машины и маховика. Моделирование показало [3], что в соответствии с заявленным изобретением может оно быть реализовано с обеспечением безопасности работы.

Литература:

1. Патент RU №2513192 «Устройство рекуперации энергии торможения машины», автор Леонов И.В., опубликован 20.04.2014 бюл. №11.

2. И.И. Артоболевский. Теория механизмов и машин. - М.: Наука. 1975. 640 с.

3. Барбашов Н.Н., Леонов И.В.. «Энергетическая модель механизма с маховичным аккумулятором энергии». Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. №4 - 2010 г.

Подписи к рисункам заявки на патент «Маховичный аккумулятор энергии торможения автомобиля»

фиг. 1. Структурная схема маховичного аккумулятора энергии: 1 - солнечная шестерня (планетарного дифференциала); 2 - сателлит; 3 - центральное зубчатое колесо; 4 - водило; 5 - маховик; 6 - сцепление маховика; 7 - коробка передач; 8 -трансмиссия; 9 - ведущие колеса (автомобиля); 10 - двигатель (ДВС); 11 - сцепление ДВС; 12 - тормоз (вала двигателя - ДВС); 13 - тормоз трансмиссии; 14 - тормоз маховика; 15 - корпус (неподвижное звено); 16 - вал коробки передач; 17 - вал двигателя; 18 - вал маховика

фиг. 2. Кинематическая схема плоского планетарного дифференциала и планы скоростей его звеньев: 1 - солнечная шестерня; 2 - сателлит; 3 - центральное зубчатое колесо; 4 – водило.