RU2459715C1 - Automotive power train - Google Patents

Abstract

FIELD: transport.

SUBSTANCE: invention relates to automotive industry, particularly, to tractor power train with electromechanical drive. Proposed power train comprises heat engine, electric generator, drive wheels with wheel propulsors, wheel gearboxes, controlled planetary gearboxes, control unit, traction motor frequency inverters, and extra frequency inverter. Traction motors are connected in common circuit with control unit and electric generator. Wheel gearbox shafts are directly engaged with wheel propulsors. Controlled planetary gearboxes are coupled with traction motors and wheel gearboxes. Extra frequency inverter has its inputs connected to electric generator and control unit and outputs connected to frequency inverters. Controlled planetary gearboxes are arranged between traction motors and wheel gearboxes.

EFFECT: higher efficiency.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к силовым передачам тяговых или других транспортных средств с электромеханическим приводом, в частности тракторов.The invention relates to the field of engineering, and in particular to power transmissions of traction or other vehicles with an electromechanical drive, in particular tractors.

Известна электрическая силовая передача транспортного средства, содержащая тепловой двигатель, синхронный электрогенератор переменного тока, кинематически соединенный с тепловым двигателем и электрически связанный через преобразователь с тяговыми электродвигателями постоянного тока, соединенными через планетарные бортовые передачи с колесами транспортного средства /1/.Known electric power transmission of a vehicle, comprising a heat engine, a synchronous alternating current generator, kinematically connected to a heat engine and electrically connected through a converter with traction DC motors connected via planetary final drives to the wheels of the vehicle / 1 /.

Однако известная силовая передача не всегда обеспечивает оптимальную работу тяговых электродвигателей, особенно при широком скоростном и нагрузочном диапазонах. Для обеспечения работы силовой передачи с максимальными КПД и мощностью во всем скоростном диапазоне применяют тяговые электродвигатели с большим крутящим моментом и с большей мощностью, для регулирования частоты вращения которых необходимо применять силовые преобразователи, рассчитанные на большую мощность, а это значительно увеличивает расходы на дорогостоящие материалы, затраты в производстве и себестоимость продукции.However, the known power transmission does not always ensure the optimal operation of traction electric motors, especially with a wide speed and load ranges. To ensure the operation of the power transmission with maximum efficiency and power in the entire speed range, traction motors with high torque and higher power are used, to control the rotation speed of which it is necessary to use power converters designed for high power, and this significantly increases the cost of expensive materials, production costs and production costs.

Известна рабочая машина или трактор с комбинированной силовой установкой, содержащая электрогенератор, соединенный с тепловым двигателем и электрически связанный с электродвигателями, соединенными с ведущими колесами машины через индивидуальные редукторы или непосредственно для их привода, и программируемый контроллер, управляющий работой электрогенератора и электродвигателей /2/.A known working machine or tractor with a combined power plant, containing an electric generator connected to a heat engine and electrically connected to electric motors connected to the drive wheels of the machine through individual gearboxes or directly to drive them, and a programmable controller that controls the operation of the electric generator and electric motors / 2 /.

Недостатком аналога является необходимость применения в силовой передаче машины или трактора тяговых электрических машин со значительной установочной (паспортной) мощностью, составляющей суммарно приблизительно 200% мощности приводного теплового двигателя, так как полный поток мощности проходит сначала через генератор и затем через электродвигатели к ведущим колесам. Это обстоятельство предопределяет весьма высокие габаритные и массовые показатели основного электрооборудования (тяговых электромашин) и, как следствие, большое количество цветного металла, что существенно повышает себестоимость силовой передачи машины или трактора.The disadvantage of the analogue is the need to use traction electric machines in a power transmission of a machine or tractor with a significant installation (passport) power, amounting to approximately 200% of the power of the driving heat engine, since the full power flow passes first through the generator and then through the electric motors to the drive wheels. This circumstance predetermines very high overall and mass indicators of the main electrical equipment (traction electric machines) and, as a result, a large amount of non-ferrous metal, which significantly increases the cost of power transmission of a machine or tractor.

Известна комбинированная энергетическая установка полноприводного транспортного средства, содержащая тепловой двигатель и обратимую электрическую машину, блоки преобразования электроэнергии и трансмиссию, включающую в себя приемно-распределительное устройство для распределения по ведущим мостам транспортного средства раздельных или суммированных потоков мощности теплового двигателя и обратимой электрической машины, имеющее корпус, вал привода заднего моста и вал привода переднего моста, расположенные в корпусе на разных осях, и передаточный механизм /3/. Приемно-распределительное устройство выполнено с возможностью дополнительного изменения передаточного числа трансмиссии посредством узла изменения передаточного числа, совмещенного с упомянутым передаточным механизмом, и снабжено валом приема потока мощности от теплового двигателя, расположенным на оси вала привода заднего моста, и валом приема потока мощности от обратимой электрической машины, расположенным на оси вала привода переднего моста. Валы привода мостов выполнены автономными (независимыми) от валов приема потоков мощности и при этом все валы снабжены соединительными элементами, выборочно взаимодействующими между собой и с передаточным механизмом для обеспечения взаимосвязи между валами напрямую и через передаточный механизм.A combined power plant of an all-wheel drive vehicle is known, comprising a heat engine and a reversible electric machine, electric power conversion units and a transmission including a distribution device for distributing separate or totalized power flows of a heat engine and a reversible electric machine to the vehicle’s drive axles, having a housing , a rear axle drive shaft and a front axle drive shaft located in the housing on different axes, and gear mechanism / 3 /. The receiving and distributing device is configured to additionally change the gear ratio of the transmission by means of a gear ratio changing unit combined with said gear mechanism, and is provided with a power flow receiving shaft from a heat engine located on the axis of the rear axle drive shaft and a power flow receiving shaft from a reversible electric machines located on the axis of the front axle drive shaft. The drive shafts of the bridges are autonomous (independent) from the shafts of receiving power flows, and all the shafts are equipped with connecting elements selectively interacting with each other and with the transmission mechanism to ensure the relationship between the shafts directly and through the transmission mechanism.

Существенным недостатком известного технического решения является наличие большого количества механических моментопреобразующих узлов, которые повышают удельный расход топлива и снижают в целом эксплуатационные характеристики транспортного средства.A significant drawback of the known technical solution is the presence of a large number of mechanical torque converting units that increase specific fuel consumption and reduce the overall performance of the vehicle.

Известна также силовая передача транспортного средства с электромеханическим регулированием мощности на колесно-гусеничный движитель, содержащая двигатель внутреннего сгорания, контроллеры работы двигателя, связанные с блоком управления работой двигателя, воздействующим на управляемую муфту, генератор, жестко связанный с управляемой муфтой, тяговые электродвигатели, встроенные в ступицы ведущих колес, электрически соединенные с генератором, блок управления тяговыми электродвигателями, электронный акселератор и энергоаккумулятор с рекуперативным электрическим тормозом, связанные с блоком управления /4/.Also known is the power transmission of a vehicle with electromechanical power control to a caterpillar propulsion unit containing an internal combustion engine, engine operation controllers associated with an engine control unit acting on a controlled clutch, a generator rigidly connected to the controlled clutch, traction motors built into drive wheel hubs electrically connected to the generator, traction motor control unit, electronic accelerator and energy accumulator with a regenerative electric brake associated with the control unit / 4 /.

Недостаток известной силовой передачи заключается в том, что тяговые электродвигатели встроены в ступицы ведущих колес, а их валы непосредственно соединены с колесными редукторами, что существенно снижает КПД передачи и сужает диапазоны регулирования скоростных режимов.A disadvantage of the known power transmission is that traction motors are built into the hubs of the drive wheels, and their shafts are directly connected to the wheel gearboxes, which significantly reduces the transmission efficiency and narrows the speed control ranges.

Наиболее близкой по технической сущности к настоящему изобретению является силовая передача транспортного средства, содержащая корпусы ведущих мостов с колесными движителями, функционально связанными посредством двухступенчатых переключаемых редукторов с тяговыми электродвигателями, соосно установленными в корпусах ведущих мостов, тепловой двигатель, соединенный с ним электрический генератор и блоки управления, при этом тяговые электродвигатели включены в общую электрическую цепь с блоком управления и генератором, а валы редукторов непосредственно связаны с колесными движителями мостов /5/.Closest to the technical nature of the present invention is a power train of a vehicle comprising drive axle housings with wheel drives functionally coupled by means of two-stage gear reducers with traction motors coaxially mounted in drive axle housings, a heat engine, an electric generator connected to it and control units while traction motors are included in a common electrical circuit with a control unit and generator, and gear shafts the moat is directly connected with the wheel movers of the bridges / 5 /.

Недостатком прототипа является то, что тяговые электродвигатели кинематически соединены с колесными движителями посредством колесных двухступенчатых редукторов, что существенно снижает КПД передачи и сужает диапазоны регулирования скоростных режимов.The disadvantage of the prototype is that the traction motors are kinematically connected to the wheel propulsors by means of two-stage wheel gearboxes, which significantly reduces the transmission efficiency and narrows the speed control ranges.

Задачей изобретения является создание силовой передачи транспортного средства, в частности трактора, с более высокими технико-экономическими показателями на любых режимах работы.The objective of the invention is the creation of a power train of a vehicle, in particular a tractor, with higher technical and economic indicators in any operating conditions.

Для решения поставленной задачи силовая передача транспортного средства, преимущественно трактора, содержит тепловой двигатель, соединенный с ним электрогенератор, ведущие мосты с колесными движителями, функционально связанными посредством колесных редукторов с тяговыми электродвигателями, соосно установленными в корпусах ведущих мостов, блок управления и преобразователи частоты тяговых электродвигателей. При этом тяговые электродвигатели с преобразователями частоты включены в общую электрическую цепь с блоком управления и электрогенератором, а валы колесных редукторов непосредственно связаны с колесными движителями. Согласно изобретению, силовая передача снабжена установленными в корпусах ведущих мостов согласующими управляемыми планетарными редукторами, кинематически связанными с тяговыми электродвигателями и колесными редукторами, и дополнительным преобразователем частоты, подключенным входами к электрогенератору и блоку управления, а выходами - к преобразователям частоты тяговых электродвигателей. При этом упомянутые планетарные редукторы размещены между тяговыми электродвигателями и колесными редукторами. В частном случае исполнения электрогенератор и тяговые электродвигатели выполнены синхронными переменного тока.To solve this problem, the power transmission of a vehicle, mainly a tractor, contains a heat engine, an electric generator connected to it, drive axles with wheel drives, functionally connected by means of wheel gearboxes with traction motors coaxially mounted in the drive axle housings, a control unit and frequency converters of traction motors . In this case, traction motors with frequency converters are included in a common electrical circuit with a control unit and an electric generator, and the shafts of wheel gears are directly connected to the wheel propulsors. According to the invention, the power transmission is equipped with matching planetary gearboxes installed in the drive axle housings, kinematically connected to the traction motors and wheel gearboxes, and an additional frequency converter, connected by inputs to the generator and control unit, and outputs to the frequency converters of the traction motors. Moreover, the said planetary gearboxes are placed between the traction motors and wheel gearboxes. In the particular case of execution, the electric generator and traction motors are made synchronous alternating current.

Техническим результатом изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик трактора. Это достигается за счет применения тяговых электродвигателей меньшей мощности, а следовательно, меньших габаритов и массы, обеспечением их работы в зоне максимальных КПД и редуцирование их крутящего момента в соответствии с требуемой нагрузкой на ведущие колеса. Размещение согласующих управляемых планетарных редукторов между тяговыми электродвигателями и колесными редукторами сохраняет возможность сконцентрировать максимальные крутящие моменты в конечных передачах и обеспечить работу тяговых электродвигателей в зоне выходных кинематических параметров. Кроме этого, обеспечена независимая работа ведущих мостов и каждого ведущего колеса в отдельности. За счет этого тяговые усилия всех ведущих колес можно использовать только при больших тяговых нагрузках, а при небольших и средних нагрузках использовать только один ведущий мост. Одновременно улучшается возможность транспортировки трактора буксированием, а также обеспечивается, при необходимости, движение накатом путем переключения согласующих редукторов в нейтральное положение посредством блока управления, при котором вращение от колес трактора не передается на тяговые электродвигатели. Индивидуальные преобразователи тяговых электродвигателей позволяют регулировать независимый крутящий момент на каждом колесе, что обеспечивает требуемые кинематические параметры при маневрировании и движении на пересеченной местности, когда требуется обеспечить независимое вращение колес с различной частотой без циркуляции мощности.The technical result of the invention is to improve the operational characteristics of the tractor. This is achieved through the use of traction electric motors of lower power, and consequently, smaller dimensions and mass, ensuring their operation in the zone of maximum efficiency and reducing their torque in accordance with the required load on the drive wheels. The placement of matching controlled planetary gears between traction motors and wheel gears makes it possible to concentrate maximum torques in final drives and to ensure the operation of traction motors in the zone of output kinematic parameters. In addition, independent operation of the drive axles and each drive wheel is ensured. Due to this, the traction forces of all the drive wheels can only be used for high traction loads, and for small and medium loads use only one drive axle. At the same time, the possibility of transporting the tractor by towing is improved, and, if necessary, coasting is also ensured by switching matching gears to the neutral position by means of a control unit in which rotation from the tractor wheels is not transmitted to the traction motors. Individual converters of traction electric motors allow you to adjust the independent torque on each wheel, which provides the required kinematic parameters when maneuvering and moving on rough terrain, when it is necessary to provide independent rotation of the wheels with different frequencies without power circulation.

На чертеже изображена блок-схема силовой передачи транспортного средства, в частности трактора.The drawing shows a block diagram of the power transmission of a vehicle, in particular a tractor.

Силовая передача транспортного средства, преимущественно трактора, содержит двигатель внутреннего сгорания (тепловой двигатель) 1 и соединенный с ним электрогенератор 2. В корпусе 3 неуправляемого ведущего моста соосно установлены тяговые электродвигатели 4, кинематически связанные посредством согласующих управляемых планетарных редукторов 5 и колесных редукторов 6 с колесными движителями 7. В корпусе 8 управляемого моста соосно установлены тяговые электродвигатели 9, кинематически связанные посредством согласующих управляемых планетарных редукторов 10, карданных передач 11 и колесных редукторов 12 с колесными движителями 13. При этом планетарные редукторы 5, 10 размещены соответственно между тяговыми электродвигателями 4, 9 и колесными редукторами 6, 12. Электрогенератор 2 и тяговые электродвигатели 4, 9 выполнены, например, синхронными переменного тока. Электрическая схема силовой передачи содержит блок 14 управления, например программируемый контроллер верхнего уровня, силовой преобразователь 15 частоты и силовые преобразователи 16, 17 частоты соответственно для тяговых электродвигателей 4 и 9. Силовой преобразователь 15 подключен входами к электрогенератору 2 и блоку 14 управления, а выходами - к преобразователям 16, 17, которые входами соединены с блоком 14 управления, а выходами - соответственно с тяговыми электродвигателями 4 и 9.The power transmission of a vehicle, mainly a tractor, contains an internal combustion engine (heat engine) 1 and an electric generator 2 connected to it. Traction electric motors 4 are kinematically coupled by means of matching controlled planetary gearboxes 5 and wheel gearboxes 6 with wheel gears in the housing 3 of the uncontrolled drive axle propulsors 7. Traction electric motors 9, kinematically connected by means of matching controlled planets, are coaxially mounted in the housing 8 of the controlled bridge gearboxes 10, cardan gears 11 and wheel gearboxes 12 with wheel drives 13. In this case, planetary gearboxes 5, 10 are located respectively between the traction motors 4, 9 and the wheel gearboxes 6, 12. The electric generator 2 and traction motors 4, 9 are made, for example, synchronous alternating current. The power transmission electric circuit includes a control unit 14, for example, a programmable top-level controller, a power frequency converter 15 and frequency power converters 16, 17 for traction motors 4 and 9. Power converter 15 is connected by inputs to an electric generator 2 and control unit 14, and outputs are to converters 16, 17, which are connected by inputs to the control unit 14, and outputs, respectively, with traction motors 4 and 9.

Предлагаемая силовая передача транспортного средства работает следующим образом.The proposed power transmission of the vehicle operates as follows.

Крутящий момент от теплового двигателя 1 передается на электрогенератор 2, выработанный переменный ток с которого поступает в силовой преобразователь 15, где преобразуется в постоянный ток. С преобразователя 15 постоянный ток поступает в силовые преобразователи 16, 17, которые преобразуют его в переменный ток и регулируют частоту вращения тяговых электродвигателей 4, 9 посредством управляющих сигналов, поступающих с блока 14 управления. С тяговых электродвигателей 4, 9 крутящий момент передается на согласующие редукторы 5, 10, передаточные числа которых выбираются из условия оптимального согласования тяговой характеристики трактора. Затем крутящий момент передается на колесные редукторы 6 и на колесные движители 7 неуправляемого моста и через карданные передачи 11 - на колесные редукторы 12 и колесные движители 13 управляемого моста 8.The torque from the heat engine 1 is transmitted to the electric generator 2, the generated alternating current from which is supplied to the power converter 15, where it is converted to direct current. From the converter 15, direct current enters the power converters 16, 17, which convert it to alternating current and regulate the speed of the traction motors 4, 9 by means of control signals from the control unit 14. From the traction motors 4, 9, the torque is transmitted to the matching gears 5, 10, the gear ratios of which are selected from the condition of optimal coordination of the tractor traction characteristics. Then the torque is transmitted to the wheel gearboxes 6 and to the wheel propellers 7 of the uncontrolled axle and through the cardan gears 11 to the wheel gearboxes 12 and the wheel propellers 13 of the steered axle 8.

Обеспечение оптимальной работы тяговых электродвигателей 4, 9 и согласование их предельных характеристик с потенциальной тяговой характеристикой трактора производят выбором необходимых передаточных отношений согласующих редукторов, а также в зависимости от величины крутящего момента на каждом колесном движителе 7, 13, которая формируется блоком 14 управления.Ensuring the optimal operation of the traction electric motors 4, 9 and matching their limiting characteristics with the potential traction characteristic of the tractor is carried out by selecting the necessary gear ratios of the matching gears, as well as depending on the magnitude of the torque on each wheel mover 7, 13, which is formed by the control unit 14.

Источники информацииInformation sources

1. Антонов А.С. Силовые передачи колесных и гусеничных машин. М.: Машиностроение, 1975, с.226.1. Antonov A.S. Power transmission of wheeled and tracked vehicles. M .: Mechanical Engineering, 1975, p.226.

2. WO №2006039520 A1, МПК: В60К 6/04, опубл. 13.04.2006.2. WO No. 2006039520 A1, IPC: B60K 6/04, publ. 04/13/2006.

3. RU №2312030 C2, МПК: В60К 6/04, 17/34, опубл. 10.12.2007.3. RU No. 2312030 C2, IPC: B60K 6/04, 17/34, publ. 12/10/2007.

4. RU №2340474 С1, МПК: В60К 17/356, 17/14, 6/26, опубл. 10.12.2008.4. RU No. 2340474 C1, IPC: B60K 17/356, 17/14, 6/26, publ. 12/10/2008.

5. BY №6060 U, МПК: В60К 1/00, опубл. 28.02.2010 (прототип).5. BY No. 6060 U, IPC: B60K 1/00, publ. 02/28/2010 (prototype).

Claims (2)

1. Силовая передача транспортного средства, преимущественно трактора, содержащая тепловой двигатель, соединенный с ним электрогенератор, ведущие мосты с колесными движителями, функционально связанными посредством колесных редукторов с тяговыми электродвигателями, соосно установленными в корпусах ведущих мостов, блок управления и преобразователи частоты тяговых электродвигателей, при этом тяговые электродвигатели с преобразователями частоты включены в общую электрическую цепь с блоком управления и электрогенератором, а валы колесных редукторов непосредственно связаны с колесными движителями, отличающаяся тем, что она снабжена установленными в корпусах ведущих мостов согласующими управляемыми планетарными редукторами, кинематически связанными с тяговыми электродвигателями и колесными редукторами, и дополнительным преобразователем частоты, подключенным входами к электрогенератору и блоку управления, а выходами - к преобразователям частоты тяговых электродвигателей, при этом упомянутые планетарные редукторы размещены между тяговыми электродвигателями и колесными редукторами.1. The power transmission of a vehicle, mainly a tractor, comprising a heat engine, an electric generator connected to it, drive axles with wheel drives, functionally connected by means of wheel reducers with traction motors coaxially mounted in the bodies of the drive axles, a control unit and frequency converters of traction motors, this traction motors with frequency converters are included in a common electrical circuit with a control unit and an electric generator, and the shafts of the wheels gearboxes are directly connected to the wheel propellers, characterized in that it is equipped with matching planetary gearboxes installed in the drive axle housings, kinematically connected to the traction motors and wheel gearboxes, and an additional frequency converter connected to the inputs of the electric generator and the control unit, and the outputs to frequency converters of traction motors, while said planetary gears are placed between the traction motors and the number of gearboxes. 2. Силовая передача по п.1, отличающаяся тем, что электрогенератор и тяговые электродвигатели выполнены синхронными переменного тока. 2. The power transmission according to claim 1, characterized in that the electric generator and traction motors are made synchronous alternating current.

Images