Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в качестве бесступенчатой трансмиссии транспортных средств с автономным источником питания. The invention relates to the field of engineering and can be used as a continuously variable transmission vehicles with an autonomous power source.
Известна бесступенчатая трансмиссия электромобиля фирмы "Гаррет" (США), включающая в себя маховики, генератор и электродвигатель, связанные между собой дифференциальной передачей, причем маховик соединен с солнечной шестерней, генератор - с эпициклом, а электродвигатель и привод на колеса машины - с водилом (см. Гулиа Н.В. Инерция. - М.: Наука, 1982, с. 73-74, рис. 7). Данная схема принята за прототип. A stepless transmission of an electric car of the Garrett company (USA) is known, including flywheels, a generator and an electric motor interconnected by a differential transmission, the flywheel being connected to the sun gear, the generator to the epicyclic, and the electric motor and wheel drive to the carrier ( see Gulia N.V. Inertia. - M .: Nauka, 1982, pp. 73-74, Fig. 7). This scheme is taken as a prototype.
Недостатками прототипа являются малые эксплуатационные возможности трансмиссии, в частности, глубина регулирования передаточного числа, высокая загруженность источника тока по мощности, большие потребные мощности генератора двигателя. The disadvantages of the prototype are the small operational capabilities of the transmission, in particular, the depth of gear ratio adjustment, the high load of the current source in terms of power, and the large required power of the engine generator.
Предлагаемая конструкция устраняет эти недостатки за счет связи маховика, электромашин и выходного вала трансмиссии планетарным вариатором, выполненным с двумя степенями свободы, причем водило вариатора выполнено с возможностью кинематической связи с движителем, например валом привода ведущих колес, а также торможения, одни центральные диски вариатора выполнены с возможностью кинематической связи ее вала как минимум с одним из центральных дисков вариатора, а вторая электромашина выполнена с возможностью соединения как с водилом, так и с центральными дисками; водило имеет нейтраль, а две электромашины электрически связаны между собой и с источником тока через соответствующие преобразователи. The proposed design eliminates these disadvantages due to the connection of the flywheel, electric machines and the output shaft of the transmission with a planetary variator, made with two degrees of freedom, and the variator carrier is made with the possibility of kinematic communication with the mover, for example, the drive wheel drive shaft, as well as braking, one central variator disks are made with the possibility of kinematic connection of its shaft with at least one of the central disks of the variator, and the second electric machine is made with the possibility of connection with both the carrier and with central disks; the carrier has a neutral, and two electric machines are electrically connected with each other and with the current source through the respective converters.
Устройство представлено на чертеже, где изображена его принципиальная схема. The device is presented in the drawing, which shows its circuit diagram.
Источник тока 1, например аккумуляторы и топливные элементы, через преобразователи 2 и 3 электрически соединен с электромашинами 4 и 5, которые соединены и между собой через преобразователь. Маховик 7 через муфту 8 соединяется с валом 9 центральных фрикционных дисков 10 вариатора с внешним контактом, электромашина 4 механической передачей, например, передвигаемой по ее валу шестерней 11, может соединяться своим валом как с валом 9, так и с центральными фрикционными дисками 12 с внутренним контактом, закрепленными в обойме 13, свободно вращающейся вокруг центральной оси с возможностью торможения тормозом 14 (промежуточные положения шестерни 11 показаны на чертеже штриховой линией). Электромашина 5 аналогичной шестерней 15 может подсоединяться к валу 9, обойме 13, а также к водилу 16 с закрепленными на нем промежуточными фрикционными дисками 17. С водилом 16 соединен также выходной вал 18, передающий момент на ведущие колеса через последующий привод (не показан на чертеже); вал 18 имеет нейтральное положение и тормоз 19. Следует заметить, что маховик 7 и тормоз 14 могут подсоединяться к другим центральным колесам, например, поменявшись местами. The current source 1, for example, batteries and fuel cells, through converters 2 and 3 is electrically connected to electric machines 4 and 5, which are also connected to each other through a converter. A flywheel 7 through a clutch 8 is connected to the shaft 9 of the central friction disks 10 of the variator with an external contact, the electric machine 4 can be connected by a mechanical gear, for example, a gear 11 moved along its shaft, with both the shaft 9 and the central friction disks 12 with the internal contact fixed in the cage 13, freely rotatable around the central axis with the possibility of braking by the brake 14 (intermediate positions of the gear 11 are shown by a dashed line in the drawing). An electric machine 5 with a similar gear 15 can be connected to the shaft 9, the cage 13, and also to the carrier 16 with intermediate friction disks fixed to it 17. The output shaft 18 is also connected to the carrier 16, transmitting torque to the drive wheels via a subsequent drive (not shown in the drawing ); the shaft 18 has a neutral position and the brake 19. It should be noted that the flywheel 7 and the brake 14 can be connected to other central wheels, for example, by changing places.
Работа устройства происходит следующим образом. Для разгона маховика 7 перед движением электромобиля вал 18 ставится на тормоз 19, электромашина 4, порознь или вместе с электромашиной 5, соединяются с обоймой 13, муфта 8 включается и при неподвижном водиле 16 через вариатор с максимальным диапазоном варьирования (при неподвижном вале) маховик 7 разгоняется. Для свободного выбега маховика 7 муфту 8 можно выключить. Разгон электромобиля можно производить разными методами: при трогании с места маховиком 7, при включенной муфте 8 с электромашиной 4 в генераторном режиме, соединенной с обоймой 13 и питанием вырабатываемой энергией электромашины 5 в режиме двигателя, соединенной с водилом 16, а стало быть и с выходным валом 18 и валом привода ведущих колес; для разгона при маневре (обгоне) на высокой скорости, когда изменение скорости невелико, а мощность необходима максимальная - электромашины 4 и 5 соединены как и маховик 7 с валом 9 при заторможенной обойме 13 тормозом 14; КПД вариатора при этом максимален, хотя и диапазон регулирования узок. Движение электромобиля может осуществляться только от маховика 7 с подразгоном его электромашиной 4, соединенной с валом 9; при этом токовая нагрузка на источник 1 минимальна; возможно движение при малых скоростях и с отсоединенным маховиком 7 одними электромашинами 4 и 5, или одной из них, соединенными с валом 9 через вариатор, либо для максимального КПД, минуя вариатор, подсоединением электромашины 5 к водилу 16, а стало быть к выходному валу 18 непосредственно. Рекуперативное торможение целесообразнее всего осуществлять от вала 18 на маховик 7 через вариатор и муфту 8 при заторможенной обойме 13; так КПД процесса рекуперации максимален. Движение же на спусках, где емкости маховика 7 может и не хватить, осуществляется с подсоединением электромашины 5 в генераторном режиме к водилу 16 с отдачей энергии в источник тока, если это аккумуляторы, или в реостаты, если это топливные элементы без аккумуляторов. Работа устройства происходит аналогично, но с незначительными изменениями в передаточных числах, если маховик 7 подсоединять к обойме 13, тормоз 14 к валу 9, а электромашину 4 подсоединять к центральным дискам с заменой одной их группы на другую, т.е., например, дисков с внутренним контактом на диски с внешним контактом, суммирующие свойства планетарного вариатора при этом сохраняются. The operation of the device is as follows. To accelerate the flywheel 7, before the movement of the electric vehicle, the shaft 18 is put on the brake 19, the electric machine 4, separately or together with the electric machine 5, is connected to the yoke 13, the coupling 8 is turned on and when the carrier is stationary 16 through a variator with a maximum range of variation (with a stationary shaft), the flywheel 7 accelerates. For free run-out of flywheel 7, clutch 8 can be turned off. Acceleration of an electric vehicle can be carried out by different methods: when starting with the flywheel 7, when the clutch 8 is turned on with the electric machine 4 in the generator mode, connected to the ferrule 13 and powered by the generated energy of the electric machine 5 in the engine mode, connected to the carrier 16, and therefore with the output the shaft 18 and the drive shaft of the drive wheels; for acceleration during maneuvering (overtaking) at high speed, when the speed change is small, and the maximum power is needed - electric machines 4 and 5 are connected like flywheel 7 with shaft 9 when the cage 13 is braked by brake 14; The efficiency of the variator is maximum, although the regulation range is narrow. The movement of an electric vehicle can be carried out only from the flywheel 7 with a sub-acceleration of its electric machine 4 connected to the shaft 9; while the current load on the source 1 is minimal; it is possible to move at low speeds and with the flywheel 7 disconnected by one electric machine 4 and 5, or one of them connected to the shaft 9 through the variator, or for maximum efficiency, bypassing the variator, by connecting the electric machine 5 to the carrier 16, and therefore to the output shaft 18 directly. It is most advisable to carry out regenerative braking from the shaft 18 to the flywheel 7 through the variator and clutch 8 with a braked clip 13; so the efficiency of the recovery process is maximum. The movement on the slopes, where the capacity of the flywheel 7 may not be enough, is carried out by connecting the electric machine 5 in the generator mode to the carrier 16 with the release of energy to the current source, if these are batteries, or to rheostats, if these are fuel cells without batteries. The device operates in a similar way, but with slight changes in gear ratios, if the flywheel 7 is connected to the yoke 13, the brake 14 to the shaft 9, and the electric machine 4 is connected to the central disks with the replacement of one group of them with another, i.e., for example, disks with an internal contact on disks with an external contact, the summing properties of the planetary variator are preserved.
Преобразователи 2, 3 и 6 отрегулированы с учетом работы электромашин в режиме их соединения с элементами вариатора с меняющимся передаточным числом, что может осуществляться процессором, в программу которого заложена зависимость изменения передаточных чисел между элементами вариатора в зависимости от положения органа управления, изменяющего передаточное число по желанию оператора. Этот орган управления, выполненный, например, в виде педали акселератора, на чертеже не показан. Converters 2, 3 and 6 are adjusted taking into account the operation of electric machines in the mode of their connection with the variator elements with a variable gear ratio, which can be carried out by a processor whose program includes the dependence of the gear ratios between the variator elements depending on the position of the control that changes the gear ratio according to the desire of the operator. This control, made, for example, in the form of an accelerator pedal, is not shown in the drawing.
В части существенности отличий предлагаемого технического решения от прототипа следует отметить, что использование планетарного вариатора для связи электромашины, маховика, тормоза и привода к валу привода ведущих колес, не эквивалентно простой замене механической передачи с фиксированным передаточным числом на бесступенчатую передачу (например, редуктор на вариатор), так как это приводит к другому эффекту. Использование бесступенчатой передачи вместо редуктора обеспечивает диапазон плавного изменения передаточных чисел вместо одного фиксированного передаточного числа между двумя валами. Планетарный же вариатор, использованный даже с теми же связями, что и механический дифференциал, обеспечивает регулируемую бесступенчатую связь трех валов с перераспределением моментов и частот вращения на выходе, зависящем от соотношения этих параметров на двух входах и передаточного числа вариатора. В частности, при изменении передаточного числа планетарного вариатора могут меняться не только величины, но и направления частот вращения и моментов на его звеньях, что создает возможности глубокого расширения эксплуатационных возможностей такого привода. In terms of the significance of the differences between the proposed technical solution and the prototype, it should be noted that the use of a planetary variator for connecting an electric machine, a flywheel, a brake, and a drive to a drive shaft of a drive wheel is not equivalent to simply replacing a mechanical transmission with a fixed gear ratio with a continuously variable transmission (for example, a gearbox with a CVT ), since this leads to a different effect. Using a continuously variable transmission instead of a gearbox provides a range of smooth gear ratios instead of a single fixed gear ratio between two shafts. The planetary variator, used even with the same connections as the mechanical differential, provides an adjustable stepless connection of the three shafts with a redistribution of the moments and rotational speeds at the output, depending on the ratio of these parameters at two inputs and the gear ratio of the variator. In particular, when changing the gear ratio of the planetary variator, not only the values can change, but also the directions of the rotation frequencies and moments at its links, which creates the possibility of deeply expanding the operational capabilities of such a drive.
Помимо этого, и связи в предлагаемом техническом решении иные, нежели в прототипе. In addition, and the connection in the proposed technical solution is different than in the prototype.