КОМБИНИРОВАННЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

КП. Применение вариаторов связано с существенным снижением КПД силового агрегата в режиме электротяги; динамика регулирования вариатора хуже динамики электромашины, что в целом ухудшает динамические свойства автомобиля.

Как правило, тяговая электромашина встраивается в автоматическую коробку передач, представляющую собой модификацию серийной модели, работающей с ДВС. В качестве примера на рис. 4.5 показана АКП ZF 8P70H для КЭУ, созданная на базе гидромеханической АКП ZF 8HP70. Помимо электромашины модуль КЭУ 1 включает сцепление, отсоединяющее ДВС от АКП. Коробка передач 2 выполнена на основе планетарных рядов и многодисковых сцеплений.

Рис. 4.5. АКП ZF 8P70H с модулем КЭУ. 1 – модуль КЭУ. 2 – планетарная коробка передач.

На рис. 4.6. показан модуль КЭУ АКП ZF 8P70H. Ротор электромашины 1 жестко соединен со ступицей 6, которая устанавливается на ведущем валу планетарной КП и является также ведомым диском сцепления 4. В модуль КЭУ встроен демпфер крутильных колебаний 5.

71

Рис. 4.6. Модуль КЭУ ZF. 1 – ротор электромашины; 2 – статор электромашины; 3 – корпус электромашины; 4 – сцепление; 5 – демпфер крутильных колебаний.

Примером поперечно расположенного силового агрегата КЭУ рассматриваемой схемы является АКП для КЭУ фирмы Skoda, выполненная на основе коробки передачDSG с двумя сцеплениями

(рис. 4.7).

Рис. 4.7. Элементы АКП Skoda на базе коробки передач DSG с модулем КЭУ.

Конструкция модуля КЭУ данной АКП показана на рис. 4.8. Она существенно отличается от конструкцииZF: узел установлен не на

72

валу КП, а на валу ДВС, а ротор электромашины соединен с демпфером крутильных колебаний.

Рис. 4.8. Модуль КЭУ АКП Skoda.

4.3. КЭУ с электромашинами, встроенными в ветви механической трансмиссии

Наличие в коробке передач DSG двух потоков мощности, образуемых сменяющими друг друга"субтрансмиссиями" нечётных и чётных передач, позволяет создавать на базеDSG КЭУ при помощи простого схемного решения: присоединения тяговой электромашины к одной из "субтрансмиссий" (рис. 4.9). Очевидным недостатком такого решения является то, что диапазон передаточных чисел в режиме электротяги в этом случае меньше, чем в случаях использования однопоточных АКП, представленных выше. Функциональные же особенности электропривода сохраняются(включая быстрый пуск ДВС).

73

Рис. 4.9. Схема силового агрегата КЭУ с АКП DSG и электромашиной, встроенной в одну из ветвей трансмиссии

Планетарные передачи обладают рядом свойств, которые дают широкие возможности для создания на их базе автоматических трансмиссий:

–планетарный механизм, в котором одно из звеньев остановлено (соединено с картером коробки передач), может использоваться в качестве понижающей или повышающей передачи;

–с помощью фрикционных элементов, связанных со звеньями планетарного механизма, можно на базе одного механизма получить две передачи: понижающую/повышающую (прямого или заднего хода) и прямую (жесткое соединение двух любых звеньев механизма);

–планетарный механизм можно использовать как сумматор или, наоборот, как делитель потоков мощности от разных двигателей(что особенно актуально для КЭУ);

–планетарный механизм со свободно вращающимися звеньями можно использовать как основу бесступенчатой передачи.

Первое и два последних свойства используются в КЭУ типа power-split, наиболее известной из которых являетсяToyota Hybrid System. Однако в данном разделе эта система не описывается, поскольку в ней тяговый электропривод связан с колесами постоянным передаточным числом, а бесступенчатая передача предназначена только для управления режимом работы ДВС.

Примером использования планетарного ряда для реализации в электромеханическом приводе двух передач является КЭУ фирмы Getrag (рис. 4.10), которая относится к типу, называемому rangeexten- der–расширитель пробега. Особенность таких КЭУ состоит в том, что они снабжены батареей большой энергоемкости и полноразмерным тяговым электроприводом, а ДВС в них имеет относительно малый объем и малую мощность и служит для выработки энергии(энергия

74

ДВС преобразуется в электричество генератором), восполняющей батарею и таким образом увеличивающей пробег автомобиля на одной зарядке.

Рис. 10. Силовой агрегат типа range-extender фирмы Getrag. 1 – ДВС; 2 –

генератор; 3 – тяговая электромашина; 4 – планетарная АКП.

На рис. 4.10 видно, что связующим звеном между тяговым электродвигателем 3 и ДВС-генераторной установкой (1 и 2) является механическая трансмиссия 4, через которую мощность КЭУ передается на ведущие колеса. Данная трансмиссия представляет собой планетарную коробку передач, схема которой показана на рис. 4.11.

75

Рис. 4.11. Схема трансмиссии range-extender фирмы Getrag. 1, 2 – редуктор тяговой электромашины; 3 – солнечная шестерня планетарного ряда; 4 – водило планетарного ряда; 5 – эпицикл планетарного ряда; 6 – многодисковый тормоз; 7 – многодисковое сцепление; 8 – вал ДВС; 9 – зубчатая муфта.

Планетарный механизм, являющийся центральным элементом трансмиссии, состоит из трех звеньев: солнечной шестерни 4, водила с сателлитами 5 и эпицикла 6. Ведущим звеном механизма является солнечная шестерня. С ней через редуктор, состоящий из шестерен 1, 2 и 3, связана тяговая электромашина. Ведомым звеном механизма является водило, на свободном правом конце вала которого устанавливается ведущая шестерня главной передачи (не показана).

Первая передача данной АКП является понижающей и получается посредством включения тормоза 7. В результате эпицикл жестко связывается с картером и становится реактивным звеном. Это дает увеличение момента, передаваемого с солнечной шестерни на водило, в k+1 раз, где k–отношение чисел зубьев эпицикла и солнечной шестерни.

Вторая передача АКП – прямая. Она получается путем соединения солнечной шестерни и водила муфтой 8. В результате весь планетарный механизм вращается как одно целое.

ДВС-генераторная установка в данной КЭУ может быть задействована как в последовательной схеме передачи энергии, так и в параллельной. Это определяется положением зубчатой муфты10. Она установлена на валу 9, который связан с коленчатым валом ДВС и

76

проходит внутри полого ведущего вала планетарного механизма. Солнечная шестерня 4 имеет внутренний шлицевой венец, который может входить в зацепление со шлицевым венцом муфты10. Муфта 10 может перемещаться вдоль вала9. Её положение определяется воздействием на неё двух элементов(на схеме не показаны): пружины с одной стороны и поршня гидравлического актуатора– с другой. Если под поршнем нет давления, то муфта не сцеплена с внутренним венцом солнечной шестерни и удерживается в этом положении пружиной. В этом случае механической связи между ДВС и трансмиссией нет, и КЭУ работает по схеме с последовательной передачей энергии. Если на поршень действует давление рабочей жидкости, то он перемещает муфту по валу, и она зацепляется с внутренним венцом солнечной шестерни. Устанавливается механическая связь ДВС и трансмиссии, что позволяет КЭУ работать по схеме с параллельной передачей энергии. Гидравлический актуатор муфты 10 является частью гидросистемы управления АКП, в которую входят также актуаторы тормоза 7 и муфты 8.

Примером оригинального комбинирования свойств планетарного механизма является КЭУ автомобиляChevroletVolt (рис. 4.12), которая так же, как и описанный выше силовой агрегат фирмы Getrag, относится к типу rangeextender.

Рис. 4.12. Силовой агрегат типа range-extender автомобиля Chevrolet Volt.

Схема трансмиссии Volt представлена на рис. 4.13. Тяговая электромашина 1 соединена с солнечной шестерней планетарного

77

механизма 2, а ведомым звеном является водило. При включении тормоза 3 эпицикл останавливается и планетарный ряд становится понижающей передачей для тяговой электромашины. Это решение полностью повторяет схему Getrag.

Рис. 4.13. Схема трансмиссии range-extender Chevrolet Volt. 1 – тяговая электромашина; 2 – планетарный ряд; 3 – многодисковый тормоз; 4 – вспомогательная электромашина-генератор; 5 – сцепление; 6 – ДВС; 7 – сцепление.

Если тормоз 3 не замкнут, то эпицикл приводится или от второй электромашины 4, или/и от ДВС 6 – в зависимости от того, включены или выключены муфты 5 и 7. Очевидно, что в этом случае все звенья планетарного механизма вращаются, он обладает двумя степенями свободы, и таким образом реализуется бесступенчатая передача.

Свойства трансмиссии Volt, связанные с планетарным механизмом, наглядно иллюстрируются его планом скоростей, показанным на рис. 4.14.

Рис. 14.План скоростей планетарного механизма трансмиссии Chevrolet Volt. а) – движение на электротяге б) – движение в режиме КЭУ.

Векторами обозначены окружные скоростиV звеньев планетарного механизма в точках контакта друг с другом. Напомним, что окружная скорость точки равна произведению угловой скорости звена на радиус, на котором вращается рассматриваемая точка. Буквами a, b, с обозначены соответственно солнечная шестерня, водило и эпицикл. Вертикальная линия с началом в точке 0 является осью отсчета окружных скоростей.

78

Случай а) соответствует движению на чистой электротяге. Эпицикл остановлен, соответственно его окружная скорость равна0. Поскольку планетарный механизм работает как понижающая передача, окружная скорость солнечной шестерни выше окружной скорости ведомого звена – водила.

В случае б) эпицикл вращается, и на него действует момент от второй электромашины 4 или/и ДВС. Скорость автомобиля такая же, как и в случае ).а Для наглядности пунктиром показана окружная скорость солнечной шестерни из случая а). В случае же б) ненулевая скорость эпицикла обуславливает снижение скорости солнечной шестерни, а следовательно, и скорости вращения вала тяговой электромашины. Очевидно, что максимальная частота вращения вала тяговой электромашины задается скоростью автомобиля, при которой включается ветвь привода, связанная с эпициклом.

Таким образом, АКП Chevrolet Volt посредством планетарного механизма реализует две передачи: одну фиксированную понижающую и одну бесступенчатую. Вторая передача позволяет не только ограничивать диапазон частоты вращения вала тяговой электромашины и создавать дополнительную тягу от ДВС и/или электромашины 4, но и управлять режимом работы ДВС независимо от скорости автомобиля и сопротивления движению, используя наличие в трансмиссии двух степеней свободы и нагрузку от электромашины 4, работающей в режиме генератора.

5. РАСШИРЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ КЭУ

5.1. Управление распределением тяги с использованием механических устройств с электронным управлением

Считается, что одной из характерных тенденций развития автомобилестроения последних лет является быстро растущий рынок автомобилей с КЭУ и электромобилей. Практически все ведущие производители выставляют на международных автосалонах концептуальные образцы, демонстрируя свой подход к решению проблем снижения расхода топлива и вредных выбросов. Вместе с тем, наряду с высокими достижениями выявляются и проблемные стороны, сдерживающие динамику рынка экологичных автомобилей. Разнообразие технических решений свидетельствует, с одной стороны, о масштабности исследовательских работ, но также и об отсутствии сформиро-

79

вавшейся, наиболее рациональной, концепции автомобиля, оправдывающей существенно более высокую стоимость экологичного автомобиля.

Достигнутые объёмы производства лидера продаж автомобилей с КЭУ – Toyota, составившие в совокупности к 2011 году 2,7 млн. автомобилей, обусловлены высокой долей продаж в США, где введено льготное налогообложение для экологичных автомобилей. Но даже в условиях налоговых льгот за девять месяцев2010 года в США было продано ≈ 225 тыс. автомобилей с КЭУ, что составило лишь ≈2,4% от всего объёма продаж. В целом, вклад автомобилей с КЭУ и электромобилей в улучшение экологической обстановки остаётся незначительным.

Однако не только высокая стоимость автомобилей с КЭУ сдерживает спрос. Существенно то, что наибольший эффект в снижении расхода топлива и вредных выбросов достигается лишь при движении в условиях городского цикла, достигая 20% и более. В условиях смешанного цикла эффективность падает, а при длительном движении на магистральных дорогах комбинированный привод уже менее эффективен по сравнению с традиционным приводом от двигателя внутреннего сгорания. Следовательно, рынок автомобилей с КЭУ известных концепций ограничен и распространяется преимущественно на городской транспорт – автобусы и коммерческие автомобили. Необходимы решения, которые сделали бы автомобиль с КЭУ более универсальным, эффективным в более широком спектре условий эксплуатации, а для этого требуется расширение его функциональных возможностей. Направлением, которое может обеспечить расширение функций, является использование потенциала электропривода в системе курсовой устойчивости (СКУ) и противобуксовочной системе (ПБС), имеющих уже широкое распространение. Функции СКУ и ПБС при этом могут быть реализованы на более"изящном" техническом уровне, чем в традиционных системах, базирующихся на управляемых механических устройствах. Основой систем ПБС и СКУ является изменение межколёсного распределения тяги(т.е. реализация несимметричной тяги), а при полном приводе– и межосевого. Использование для управляющего воздействия притормаживания одного из колёс, дающего нужную несимметричность тяги колёс оси, является, при строгом подходе, довольно "варварским" методом, поскольку сопровождается растратами энергии и дополнительным -из носом тормозных механизмов. Естественно, что имеются и альтернативные решения. Так на автомобиле Subaru Impreza WRX изменение

80