PL234401B1 - Układ napędowy z przekładnią stopniową, zwłaszcza do pojazdów drogowych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ napędowy z przekładnią stopniową, zwłaszcza do pojazdów drogowych.

Znane z opisu patentowego US 6166499 - Power output apparatus and method of regulating power, urządzenie do wytwarzania mocy wyjściowej zawiera silnik spalinowy, silnik sprzęgający, silnik wspomagający i sterownik. Silnik sprzęgający ma wewnętrzny wirnik połączony z wałem korbowym silnika spalinowego i z wirnikiem zewnętrznym połączonym z wałem napędowym. Silnik wspomagający ma wirnik mechanicznie połączony z wałem korbowym lub z wałem napędowym za pomocą pierwszego sprzęgła i drugiego sprzęgła oraz ze sterownikiem. Wał korbowy silnika spalinowego jest połączony z wałkiem napędowym za pośrednictwem silnika sprzęgającego i silnika wspomagającego. Wał napędowy połączony jest ponadto z mechanizmem różnicowym, który przenosi wyjściowy moment obrotowy z wału napędowego na koła napędowe pojazdu. Silnik sprzęgający i silnik wspomagający są sterowane przez sterownik. Silnik sprzęgający jest silnikiem synchronicznym z magnesami trwałymi przymocowanymi do zewnętrznej powierzchni wewnętrznego wirnika i z uzwojeniem trójfazowym nawiniętym na szczeliny utworzone w zewnętrznym wirniku. Energia elektryczna jest dostarczana do uzwojenia trójfazowego za pośrednictwem pierścienia ślizgowego. Płyty warstwowe z bezkierunkowej stali elektromagnetycznej są użyte do tworzenia zębów i szczelin dla uzwojenia trójfazowego w zewnętrznym wirniku. Silnik wspomagający będący silnikiem synchronicznym z uzwojeniem, które jest nawinięte na stojanie przymocowanym do obudowy. Wirnik jest połączony z obracającym się wałem, który jest drążony w środku i współosiowy z wałem korbowym, a magnesy trwałe są przymocowane do zewnętrznej powierzchni wirnika. Wirujący wał jest mechanicznie łączony i odłączany od wału korbowego za pomocą pierwszego sprzęgła umieszczonego pomiędzy silnikiem wspomagającym i silnikiem sprzęgającym. Wał wirnika jest również mechanicznie sprzęgany z wałem napędowym za pośrednictwem zewnętrznego wirnika silnika sprzęgającego przez sprzęgło drugie.

Znane urządzenie do wytwarzania mocy wyjściowej wykorzystując sterowanie sprzęgłami, jak i silnikami elektrycznymi regulując wartości mocy i prędkości obrotowej na wałku wyjściowym w dwóch stanach jego pracy. W pierwszym stanie pracy, pierwsze sprzęgło jest wyłączone, a drugie sprzęgło jest włączone zaś w drugim stanie, pierwsze sprzęgło jest włączone, a drugie sprzęgło jest wyłączone. W pierwszym stanie pracy wirujący wałek jest odłączony od wału korbowego, ale jest połączony z wałkiem napędowym, a silnik wspomagający jest połączony z wałkiem napędowym. Natomiast w drugim stanie pracy wirujący wałek jest połączony z wałem korbowym, ale odłączony od wału napędowego, a silnik wspomagający jest połączony z wałem korbowym. W zależności od trybu pracy urządzenia oraz różnicy prędkości obrotowych pomiędzy wałem korbowym silnika spalinowego a wyjściowym wałem napędowym, silnik sprzęgający pracuje w trybie napędzania lub w trybie regeneracji, czyli wytwarzania energii i magazynowania jej w akumulatorach. Równocześnie główną rolą silnika wspomagającego jest napędzanie wałka wyjściowego. Silnik wspomagający może jednak pracować również w trybie regeneracji. Energia zgromadzona w akumulatorach może być wykorzystana do zasilania, zarówno silnika wspomagającego, jak i silnika sprzęgającego.

Znany z opisu US 6278915 - Driving force control system for Automotive vehicle, układ sterowania siłą napędową pojazdu samochodowego, a w szczególności pojazdu hybrydowego, w którym zarówno silnik spalinowy wewnętrznego spalania, jak i maszyna elektryczna tworzą układ napędu pojazdu. Układ zawiera silnik spalinowy i dwie maszyny elektryczne pracujące jako silnik napędzający lub jako generator. Pierwsza z maszyn elektrycznych jest połączona na stałe z jednym końcem wału korbowego silnika spalinowego, zaś druga maszyna elektryczna jest połączona przez sprzęgło z drugim końcem wału korbowego silnika spalinowego, a przez przekładnię bezstopniową i przekładnię główną z mechanizmem różnicowym z kołami pojazdu. Sterowanie przełożeniem przekładni bezstopniowej oraz włączaniem odpowiednio jednej maszyny elektrycznej i drugiej maszyny elektrycznej polega na tym, że w danych warunkach obciążenia układu zadawanego przez kierowcę, układ dąży do uzyskiwania minimalnego zużycia całkowitej energii dostarczanej do układu napędowego. Równocześnie zachodzi, zarówno zmiana obciążenia silnika spalinowego przez zadawanie trybu generatorowego obu maszyn, jak i trybu odzyskiwania energii elektrycznej podczas hamującej pracy układu napędowego. Zastosowanie sprzęgła pomiędzy silnikiem spalinowym a maszyną elektryczną drugą skutkuje dodatkowo uzupełnianiem energii elektrycznej zgromadzonej w akumulatorach podczas generatorowego trybu pracy maszyny' elektrycznej pierwszej przy rozłączonym napędzie kół pojazdu podczas postoju lub wybiegu pojazdu.

PL 234 401 B1

Znany z opisu patentowego CN 1413855 Mixed Power vehicle driver system with speed changing box andoperating method, układ napędowy zawiera silnik spalinowy i dwie maszyny elektryczne napędzające koła pojazdu za pomocą przekładni planetarnej, przekładni redukcyjnej i skrzyni biegów oraz wykorzystujący energię elektryczną zgromadzoną w akumulatorach. Silnik spalinowy połączony jest przez przekładnię planetarną z maszyną elektryczną pierwszą. Wałek maszyny elektrycznej pierwszej połączony jest z kołem słonecznym przekładni planetarnej, zaś wałek wyjściowy silnika spalinowego połączony jest z jarzmem przekładni, z kolei wałek wejściowy skrzyni biegów połączony jest z kołem koronowym przekładni planetarnej. Wałek wyjściowy skrzyni biegów połączony jest kołami pojazdu przez wałek pośredniczący oraz przekładnię główną, i mechanizm różnicowy. Na wałku pośredniczącym w przekazywaniu momentu obrotowego pomiędzy skrzynią biegów a kołami pojazdu umieszczone jest koło zębate przekładni redukującej, które zazębia się z kołem zębatym umieszczonym na wałku wejściowym maszyny elektrycznej drugiej. Działanie układu opiera się na takim sterowaniu pracą maszyny elektrycznej pierwszej i drugiej, aby przy współpracy z silnikiem spalinowym uzyskać najmniejsze zużycie energii. W przypadku wyłączenia, co najmniej jednej z maszyn elektrycznych lub niskiego poziomu naładowania akumulatorów, maszyny elektryczne zmieniają tryb przekazywania momentu obrotowego do układu napędowego na tryb generatorowy.

Znany z opisu patentowego US 20170334280 - Automatic Transmission for hybrid vehicle and method for controlling a hybrid vehicle, hybrydowy układ napędowy pojazdu, w którym dwie jednostki napędowe: silnik spalinowy i maszyna elektryczna współpracują ze sobą podczas napędzania kół pojazdu będąc połączone ze sobą poprzez podwójną przekładnię planetarną. Podwójna przekładnia planetarna zawiera dwa koła centralne: pierwsze i drugie, dwa koła pierścieniowe: pierwsze i drugie oraz dwa jarzma: pierwsze i drugie połączone ze sobą, jak również nieruchomą i współosiową z kołami pierścieniowymi obudowę stanowiącą równocześnie stator maszyny elektrycznej. Dodatkowo oprócz dwóch elementów transmisyjnych wejściowych występują elementy transmisyjne przełączające, które włączają lub unieruchamiają odpowiednio: koło pierścieniowe pierwsze, koło pierścieniowe drugie lub połączone jarzma. Silnik spalinowy połączony jest poprzez element transmisyjny z kołem centralnym pierwszym lub z kołem pierścieniowym pierwszym, przy czym na zewnętrznej części koła pierścieniowego pierwszego umieszczony jest rotor maszyny elektrycznej współpracujący z jej statorem stanowiącym nieruchomą obudowę przekładni planetarnej. Przełączenie pomiędzy napędem koła pierścieniowego pierwszego lub koła centralnego pierwszego następuje za pomocą elementów transmisyjnych. Maszyna elektryczna, której elementy składowe stanowi zewnętrzna część koła pierścieniowego i wewnętrzna część obudowy przekładni współosiową z kołem pierścieniowym napędza koło pierścieniowe pierwsze. Elementem wyjściowym podwójnej przekładni planetarnej połączonej z kołami pojazdu są jarzma: pierwsze i drugie. Znany hybrydowy układ napędowy pojazdu uzyskuje napęd pojazdu w kilku trybach pracy, a w szczególności: z silnikiem spalinowym, z maszyną elektryczną działającą jako silnik elektryczny i równocześnie z silnikiem spalinowym i elektrycznym.

Istota układu napędowego z przekładnią stopniową, zwłaszcza do pojazdów drogowych według wynalazku polega na tym, że podwójna przekładnia planetarna połączona jest poprzez odbiorczą przekładnię redukcyjną z przekładnią główną z mechanizmem różnicowym. Pierwsze koło centralne podwójnej przekładni planetarnej połączone jest z jednostką napędową poprzez skrzynię biegów ze sprzęgłem i zespół przełączający tryby pracy, a drugie koło centralne podwójnej przekładni planetarnej połączone jest z maszyną elektryczną z hamulcem. Korzystnie jest, gdy jarzmo podwójnej przekładni planetarnej połączone jest z jednostką napędową poprzez skrzynię biegów ze sprzęgłem i zespół przełączający tryby pracy. Korzystnie jest, gdy elementy zespołu przełączającego tryby pracy umieszczone są w jednej obudowie, przy czym wałek wejściowy zespołu przełączającego tryby pracy połączony jest z jednostką napędową przez skrzynię biegów ze sprzęgłem, a dwa współosiowe wałki wyjściowe zespołu przełączającego tryby pracy połączone są odpowiednio z pierwszym kołem centralnym lub z jarzmem podwójnej przekładni planetarnej. Korzystnie jest, gdy wałki wyjściowe zespołu przełączającego tryby pracy połączone są z czujnikami prędkości obrotowej wałków wyjściowych zespołu przełączającego. Korzystnie jest, gdy skrzynia biegów jest automatyczna.

W układzie napędowym według wynalazku połączenie podwójnej przekładni planetarnej z maszyną elektryczną powoduje ciągłą zmianę jego sprawności, dzięki zmianie położenia punktu pracy jednostki napędowej pojazdu, zwłaszcza w przypadku przekładni o stopniowej zmianie przełożenia. Usytuowanie elementów zespołu przełączającego tryby pracy w jednej obudowie pozwala na konstrukcyjne dostosowanie jego elementów składowych, w tym sprzęgieł ciernych mokrych umieszczonych w oleju. Połączenie wałków wyjściowych zespołu przełączającego tryby pracy układu napędowego z czujnikami

PL 234 401 B1 prędkości obrotowej umożliwiają jego bieżące monitorowanie. Zastosowanie automatycznej skrzyni biegów zapewnia komfort użytkowania pojazdu. Nadto budowa układu napędowego według wynalazku umożliwia jego przekonstruowanie w wersję uproszczoną przez połączenie koła centralnego pierwszego bezpośrednio ze skrzynią biegów z pominięciem zespołu przełączającego tryby pracy przy unieruchomionym jarzmie podwójnej przekładni planetarnej, co jest przydatne, w szczególności w pojazdach o ograniczonych gabarytach i jego masie.

Przedmiot wynalazku, w przykładzie wykonania uwidoczniony jest na rysunku przedstawiającym schemat układu napędowego z przekładnią stopniową, zwłaszcza do pojazdów drogowych.

Układ napędowy z przekładnią stopniową, zwłaszcza do pojazdów drogowych według wynalazku zawiera jednostkę napędową JN, skrzynię biegów ze sprzęgłem SB, zespół przełączający tryby pracy ZP, podwójną przekładnię planetarną PP, przekładnię odbiorczą PO, przekładnię główną z mechanizmem różnicowym PG i maszynę elektryczną ME z hamulcem H. Jednostka napędowa JN połączona jest z podwójną przekładnią planetarną PP przez skrzynię biegów ze sprzęgłem SB i zespół przełączający tryby pracy ZP. Podwójna przekładnia planetarna PP połączona jest z zespołem przełączającym tryby pracy ZP przez koło centralne pierwsze C1 stanowiące pierwsze wejście podwójnej przekładni planetarnej PP. Podwójna przekładnia planetarna PP połączona jest z maszyną elektryczną ME z hamulcem H poprzez koło centralne drugie C2 stanowiące wejście drugie podwójnej przekładni planetarnej PP. Maszyna elektryczna ME z hamulcem H połączona jest z kołem centralnym drugim C2 i z akumulatorem A. Podwójna przekładnia planetarna PP połączona jest z przekładnią główną z mechanizmem różnicowym PG poprzez przekładnię odbiorczą PO. Podwójna przekładnia planetarna PP połączona jest z przekładnią odbiorczą PO poprzez koło pierścieniowe KP stanowiące wyjście podwójnej przekładni planetarnej PP. Przekładnia główna z mechanizmem różnicowym PG połączona jest z kołami pojazdu drogowego K. Zespół przełączający tryby pracy ZP zawiera dwa współosiowo umieszczone pakiety sprzęgieł mokrych i dwa hamulce. Sprzęgła pierwszego pakietu łączą wałek wyjściowy ZP z kołem centralnym pierwszym C1 podwójnej przekładni planetarnej PP, zaś sprzęgła drugiego pakietu łączą jarzmo J podwójnej przekładni planetarnej PP ze skrzynią biegów ze sprzęgłem SB. Pierwszy hamulec połączony jest z kołem centralnym pierwszym C1, a drugi z jarzmem J podwójnej przekładni planetarnej PP. Elementy zespołu przełączającego tryby pracy ZP usytuowane są w jednej obudowie. Jednostka napędowa JN, skrzynia biegów ze sprzęgłem SB, zespół przełączający tryby pracy ZP, maszyna elektryczna ME z hamulcem H, akumulator A oraz czujniki: prędkości pojazdu CP, prędkości obrotowej N1 wałka koła centralnego pierwszego C1, prędkości obrotowej N2 wałka jarzma J podwójnej przekładni planetarnej PP połączone są ze sterownikiem ST.

Sterownik ST otrzymując sygnały stopnia naładowania akumulatora A, prędkości obrotowej jednostki napędowej JN, położenia pedału przyspieszenia oraz prędkości pojazdu CP decyduje o funkcji korekcyjnej lub generatorowej maszyny elektrycznej ME. W przypadku, gdy analiza sygnałów przypływających do sterownika ST wskazuje na pracę jednostki napędowej JN w punkcie o niekorzystnej jego sprawności, wówczas następuje włączenie korekcyjnej funkcji maszyny elektrycznej ME, co w konsekwencji skutkuje zmianą położenia punktu pracy jednostki napędowej JN w obszar o korzystniejszej sprawności. Zmiana położenia punktu pracy jednostki napędowej JN jest następstwem zmiany jej obciążenia i jej prędkości obrotowej. Jednostka napędowa JN przekazuje moment obrotowy poprzez skrzynię biegów ze sprzęgłem SB do zespołu przełączającego tryby pracy ZP, którego pierwszy pakiet sprzęgieł mokrych przekazuje moment obrotowy na wałek koła centralnego pierwszego C1 do przekładni głównej z mechanizmem różnicowym PG poprzez koła obiegowe, koło pierścieniowe KP oraz przekładnię odbiorczą PO lub drugi pakiet sprzęgieł mokrych przekazuje moment obrotowy na wałek jarzma J podwójnej przekładni planetarnej PP do przekładni głównej z mechanizmem różnicowym PG poprzez koła obiegowe, koło pierścieniowe KP i przekładnię odbiorczą PO. W czasie przekazywania momentu obrotowego z jednostki napędowej JN na wałek koła centralnego pierwszego C1, wałek jarzma J podwójnej przekładni planetarnej PP jest unieruchomiony, a podczas przekazywania momentu obrotowego z jednostki napędowej JN na wałek jarzma J podwójnej przekładni planetarnej PP, wałek koła centralnego pierwszego C1 jest unieruchomiony. Podczas ruchu pojazdu z mniejszą prędkością jazdy następuje włączenie wałka koła centralnego pierwszego C1, co powoduje pracę podwójnej przekładni planetarnej PP z przełożeniem redukującym. Osiągnięcie zaś znacznych prędkości pojazdu, w tym prędkości autostradowych powoduje włączenie wałka jarzma J podwójnej przekładni planetarnej PP z równoczesnym wyłączeniem wałka koła centralnego pierwszego C1. Skutkuje to przejściem podwójnej przekładni planetarnej PP w tryb nadbiegu, co oznacza uzyskanie przełożenia multiplikującego

PL 234 401 B1 przez podwójną przekładnię planetarną PP. Równocześnie następuje przekazanie momentu obrotowego poprzez koła obiegowe na koło pierścieniowe KP podwójnej przekładni planetarnej PP, a następnie do kół pojazdu K poprzez przekładnię odbiorczą PO i przekładnię główną z mechanizmem różnicowym PG. Koło centralne drugie C2 połączone z maszyną elektryczną ME obraca się, zarówno w jednym, jak i drugim kierunku lub też pozostaje unieruchomione przez hamulec H w zależności od trybu pracy układu napędowego według wynalazku. Gdy maszyna elektryczna ME jest unieruchomiona, to koła pojazdu są napędzane bez korekty sprawności układu napędowego według wynalazku. Gdy maszyna elektryczna ME jest uruchomiona, to pracuje w trybie generatorowym lub w trybie korekty sprawności układu napędowego według wynalazku. W trybie generatorowym akumulator A jest ładowany, a w trybie korekty sprawności układu napędowego następuje zmiana położenia punktu pracy silnika spalinowego. W trybie generatorowym, gdy koła pojazdu są unieruchomione, akumulator A ładowany jest ze znacznie większą intensywnością w porównaniu do ładowania akumulatora A przy kołach będących w ruchu. Zarówno, gdy maszyna elektryczna ME jest unieruchomiona, jak i gdy jest uruchomiona, gdy moment obrotowy przekazywany jest z jednostki napędowej JN na wałek koła centralnego pierwszego C1, to podwójna przekładnia planetarna PP działa z przełożeniem redukcyjnym, a gdy moment obrotowy przekazywany jest z jednostki napędowej JN na jarzmo J podwójnej przekładni planetarnej PP, to podwójna przekładnia planetarna PP działa z przełożeniem multiplikującym.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ napędowy z przekładnią stopniową, zwłaszcza do pojazdów drogowych, w którym jednostka napędowa połączona jest ze skrzynią biegów połączoną z podwójną przekładnią planetarną, która połączona jest z maszyną elektryczną, a poprzez przekładnię redukcyjną z przekładnią główną, przy czym jednostka napędowa, podwójna przekładnia planetarna, czujnik prędkości pojazdu, maszyna elektryczna, akumulator, zespół przełączający tryby pracy i hamulec połączone są ze sterownikiem, znamienny tym, że podwójna przekładnia planetarna (PP) połączona jest poprzez odbiorczą przekładnię redukcyjną (PO) z przekładnią główną z mechanizmem różnicowym (PG), przy czym pierwsze koło centralne (C1) podwójnej przekładni planetarnej (PP) połączone jest z jednostką napędową (JN) poprzez skrzynię biegów ze sprzęgłem (SB) i zespół przełączający tryby pracy (ZP), a drugie koło centralne (C2) podwójnej przekładni planetarnej (PP) połączone jest z maszyną elektryczną (ME) z hamulcem (H).
2. 2. Układ napędowy według zastrz. 1, znamienny tym, że jarzmo (JP) podwójnej przekładni planetarnej (PP) połączone jest z jednostką napędową (JN) poprzez skrzynię biegów ze sprzęgłem (SB) i zespół przełączający tryby pracy (ZP).
3. 3. Układ napędowy według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy zespołu przełączającego tryby pracy (ZP) umieszczone są w jednej obudowie, przy czym wałek wejściowy zespołu przełączającego tryby pracy (ZP) połączony jest z jednostką napędową (JN) przez skrzynię biegów ze sprzęgłem (SB), a dwa współosiowe wałki wyjściowe zespołu przełączającego tryby pracy (ZP) połączone są odpowiednio z pierwszym kołem centralnym (C1) lub z jarzmem (J) podwójnej przekładni planetarnej (PP).
4. 4. Układ napędowy według zastrz. 1, znamienny tym, że wałki wyjściowe zespołu przełączającego tryby pracy (ZP) ZP połączone są z czujnikami prędkości obrotowej wałków wyjściowych zespołu przełączającego (ZP).
5. 5. Układ napędowy według zastrz. 1, znamienny tym, że skrzynia biegów ze sprzęgłem (SB) jest automatyczna.

   PL 234 401 Β1