vyacheslav_911 (vyacheslav_911) wrote in engineering_ru,
vyacheslav_911
vyacheslav_911
engineering_ru

Кинематика гибридных трансмиссий.

cars2640
Гибридным автомобилем сегодня уже никого не удивишь, но возможно вам будет интересно оценить варианты реализации таких авто на уровне кинематики.

Ужесточение требований к экономии топлива и к сокращению вредных выбросов стимулировали быстрое продвижение новых технологий передачи мощности от источника энергии к ведущим колесам транспортного средства.

В последнее время были существенно развиты различные типы трансмиссий, способные одновременно обеспечить регулировку скорости транспортного средства и работу двигателя на постоянном режиме. Для снижения удельного расхода топлива и количества вредных выбросов необходимо, чтобы двигатель работал в некоторых определенных, желательно стационарных режимах.

Большая часть ДВС может работать наиболее эффективно только на некоторых, весьма ограниченных режимах. Значение мощности на этих режимах может не всегда соответствовать потребной мощности на ведущих колесах. В связи с этим возникла необходимость обеспечить между ДВС и ведущими колесами буфер мощности, который бы обеспечивал работу ДВС на постоянном режиме, независимо от изменения потребной мощности на ведущих колесах. В результате появились и стали стремительно развиваться транспортные средства с гибридной трансмиссией.

Использование на транспортном средстве гибридной трансмиссии позволяет уменьшить размер ДВС, используемого в автомобиле, поскольку наличие дополнительного источника энергии в случае необходимости может обеспечивать дополнительную мощность. Кроме того, наличие гибридной трансмиссии значительно облегчает решение задачи рекуперации энергии на режимах торможения, когда существенная часть кинетической энергии от ведущих колес может быть возвращена обратно в аккумулирующее устройство, что невозможно для обычных типов трансмиссий.

Несмотря на большое количество вариантов построения кинематических схем гибридных трансмиссий, все они должны удовлетворять следующим требованиям:

• обеспечивать суммирование крутящего момента от двух источников энергии и передавать его на колеса транспортного средства;

• обеспечивать разделение мощности ДВС, часть которой передаётся через электрическую ветвь трансмиссии, а другая часть - через механическую;

• обеспечивать движение транспортного средства только на одном из двух источников энергии;

• обеспечивать независимое управление двумя источниками энергии;

• обеспечивать бесступенчатое изменение передаточного отношения трансмиссии;

• обеспечивать рекуперацию энергии торможения транспортного средства;

• иметь относительно небольшие механические и электрические потери.

Существует большое количество вариантов построения гибридных трансмиссий. Наиболее часто встречаемые — это последовательные и параллельные варианты. В настоящее время все большее распространение получают гибридные трансмиссии с разделением мощности двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

При последовательном варианте (рис. 1) мощность передается от ДВС на генератор, далее к электродвигателю, который соединен с ведущими колесами. Между ДВС и ведущими колесами отсутствует прямая механическая связь (ДВС и ведущие колеса — независимы друг от друга). Пара электродвигатель-генератор совместно с аккумуляторами представляют собой электрическую трансмиссию, которая обеспечивает бесступенчатое изменение передаточного отношения и регулирование мощности между ДВС и ведущими колесами. В этом случае происходит двойное преобразование энергии ДВС: механической в электрическую и обратно.



Рисунок 1. Последовательный вариант построения гибридной трансмиссии

Каждое преобразование приводит к потере в среднем 10% мощности. Таким образом, КПД трансмиссии в этом случае может быть не более 81%. Кроме того, максимальная мощность, по крайней мере, одной электромашины должна соответствовать максимальной мощности ДВС. Это условие приводит к увеличению габаритов и веса трансмиссии. По этим причинам последовательные варианты построения гибридной трансмиссии используются, главным образом, для коммерческих транспортных средств, работающих в режиме «stop-and-go».

В случае параллельной гибридной трансмиссии (рис. 2) электромашина располагается параллельно обычной механической трансмиссии. Электрическая машина может быть объединена с ДВС, трансмиссией или просто быть соединена с ведомым валом. В этом случае существует два независимых потока мощности. Регулирование передаточного отношения осуществляется с помощью механической коробки передач, а регулирование мощности с помощью электромашины. Поскольку имеется прямая механическая связь между ДВС и ведущими колесами, то частоты их вращения являются зависимыми друг от друга. Параллельные гибридные трансмиссии хорошо себя зарекомендовали при движении по магистрали, но оказались непригодными по экономическим соображениям для городских условий движения. Жесткая связь частот вращения ДВС и ведущих колес требует в этом случае использования в составе трансмиссии коробки передач или вариатора.



Рисунок 2. Параллельный вариант построения гибридной трансмиссии

Простые варианты параллельного построения гибридной трансмиссии используются, главным образом, для систем, в которых мощность, проходящая через электрическую часть трансмиссии, не превышает 15% мощности ДВС.

Трансмиссия с разделением мощности ДВС (рис. 3) является другим, наиболее перспективным вариантом построения гибридной трансмиссии, который с недавнего времени пользуется повышенным вниманием со стороны разработчиков трансмиссий. Следует отметить, что в этом случае для разделения потока мощности ДВС в настоящее время используются как простые планетарные ряды, так и сложные планетарные механизмы.



Рисунок 3. Гибридная трансмиссия с разделением мощности ДВС

Первая серийно выпускаемая гибридная трансмиссия — трансмиссия с разделением мощности ДВС, называемая «Toyota Hybrid System» (THS), используется в автомобилях Prius. THS фактически представляет собой электромеханическое устройство, в котором мощность передается от ДВС на ведомый вал трансмиссии двумя потоками (механическим и электрическим), независимо от того, используется или не используется энергия аккумуляторных батарей. THS позволяет бесступенчато изменять передаточное отношение трансмиссии, но для этого потребовалось использовать две электромашины.

Разработаны три поколения этой трансмиссии. Трансмиссия автомобиля Prius имеет четыре вала (рис. 4). В этой компоновке электромашина В непосредственно через большое центральное колесо (БЦК) планетарного ряда соединена с главной передачей.



Рисунок 4. Трансмиссия «Toyota Hybrid System», используемая в автомобилях Prius

Для автомобилей RX400, Highlander и Camry используется несколько иная кинематическая схема (рис. 5). В этой компоновке трансмиссия имеет только три вала. Кроме того, используется второй, дополнительный, планетарный ряд, который установлен между электромашиной В и основным планетарным рядом. Малое центральное колесо (МЦК) этого дополнительного ряда соединено с электромашиной В, водило постоянно замкнуто на картер, а БЦК выполнено за одно целое с БЦК основного планетарного ряда. Таким образом, дополнительный ряд работает в режиме редуктора, соответствующим образом изменяя крутящий момент и частоту вращения электромашины В.



Рисунок 5. Гибридная трансмиссия автомобилей RX400, Highlander и Camry

Для автомобиля Lexus GS450 потребовалось совершенно новое компоновочное решение. Это было обусловлено не только расположением ДВС и приводом на задние колеса, но и необходимостью достижения более высоких эксплуатационных характеристик. Проектирование трансмиссии с учетом габаритов существующих шестискоростных автоматических трансмиссий потребовало уменьшения диаметра электромашин при увеличении их максимальной мощности. Принятое решение схематично показано на рисунке 6.



Рисунок 6. Гибридная трансмиссия автомобиля Lexus GS450

В трансмиссии GS450 электромашина В соединена с БЦК основного планетарного ряда с помощью двухскоростной планетарной коробки передач, построенной по схеме Равенье. Обе передачи этой коробки понижающие, на первой передаче передаточное отношение равно 3,9, а на второй — 1,9. Переключение с первой передачи на вторую происходит, приблизительно, при скорости движения автомобиля 80 км/ч. Такое решение позволило спроектировать трансмиссию, которая по габаритам вписалась в существующую платформу автомобиля, и позволяет передавать большую мощность. Во всех гибридных трансмиссиях Toyota использованы синхронные электромашины переменного тока с постоянными магнитами.

В 2003 г. GM начал производство городских автобусов с гибридной трансмиссией, в которой реализуются два режима бесступенчатого регулирования передаточного отношения:

• режим с разделением потока мощности ДВС на входе в трансмиссию (EVT1);

• режим со сложным способом разделения мощности ДВС (EVT2).

Для разделения мощности ДВС были использованы планетарный механизм, состоящий из трех планетарных рядов, и два фрикционных элемента управления (рис. 7).



Рисунок 7. Трансмиссия городского автобуса GM

Следует отметить, что данная схема полностью удовлетворяет всем требованиям, которые предъявляются гибридным трансмиссиям. Начало движения можно осуществлять как с использованием только мощности аккумуляторной батареи, так и с использованием только мощности ДВС.

Дальнейшим развитием двухрежимной трансмиссии стала гибридная трансмиссия с двумя режимами бесступенчатого регулирования передаточного отношения и четырьмя фиксированными передаточными отношениями. Кинематическая схема планетарного механизма в этой трансмиссии осталась такой же, как и в простой двухрежимной гибридной трансмиссии, только были добавлены тормоз Т2 звена 3 и блокировочная муфта М2 (рис. 8). Дополнительные элементы управления позволили организовать совместно с тормозом Т1 и блокировочной муфтой М1 четыре передачи переднего хода с фиксированными передаточными отношениями.



Рисунок 8. Трансмиссия с 4-мя фиксированными передаточными отношениями

Таким образом, эта трансмиссия может реализовывать, помимо описанных выше двух режимов работы с двумя способами разделения мощности ДВС, еще и четыре фиксированных передаточных отношения.

Использование четырех фиксированных передаточных отношений позволило получить следующие преимущества:

1. Электромашины могут быть освобождены от необходимости передавать максимальную часть мощности ДВС, поскольку их можно использовать только в режимах бесступенчатого изменения передаточного отношения трансмиссии, при реализации которых развиваемая ДВС мощность меньше ее максимального значения. Максимальную же мощность ДВС должен развивать при движении с фиксированным передаточным отношением. В трансмиссии происходит переход на режим движения с фиксированным передаточным отношением всякий раз, когда этот уровень мощности, передаваемой электромашинами, превышает предельное значение. Таким образом, можно обходить режимы работы, когда требуется чрезмерно большая мощность электромашин. Это позволяет использовать электромашины небольших размеров при работе трансмиссии с ДВС большой мощности.

2. Трансмиссия может переходить на режим с фиксированными передаточными отношениями всякий раз, когда электромашины перегреваются. То есть, если температура одной из электромашин достигает критического уровня, то система управления может выводить трансмиссию из режима бесступенчатого регулирования передаточного отношения и устанавливать режим движения только с фиксированными передаточными отношениями.

Tsai L.W., Schultz G. и Higuchi N. предложили схему гибридной трансмиссии (рис. 9), которая является, по существу, трансмиссией, построенной по параллельной схеме [1]. Предложенная схема включает в себя основные компоненты, используемые в большинстве 3-х и 4-ступенчатых автоматических трансмиссиях, но она может при этом передавать крутящий момент к ведущим колесам от двух источников энергии.



Рисунок 9. Схема гибридной трансмиссии Tsai L.W., Schultz G. и Higuchi N

Данная кинематическая схема трансмиссии позволяет реализовать тринадцать режимов работы:

• один режим движения только на электромашине;

• три режима при совместной работе ДВС и электромашины, работающей в режиме электродвигателя;

• один режим бесступенчатого регулирования передаточного отношения трансмиссии и зарядки аккумуляторных батарей (электромашина работает как генератор);

• четыре режима движения только с помощью ДВС;

• четыре режима с регенерацией энергии торможения.

Фирмой «Timken Company» была предложена оригинальная схема гибридной трансмиссии с разделением потока мощности ДВС (рис. 10). Планетарный механизм этой трансмиссии обладает четырьмя степенями свободы, для которых построение плана угловых скоростей невозможно.



Рисунок 10. Схема гибридной трансмиссии фирмы «Timken Company»

Я не стал отягощать здесь ваше сознание планами скоростей и пояснением режимов работы планетарных механизмов. Думаю, что в данной теме надо ограничиться общими представлениями.

Если интересно, полную версию статьи "Обзор кинематических схем построения гибридных трансмиссий" можно увидеть в Журнале Автомобильных Инженеров.


Tags: транспорт
Subscribe
promo engineering_ru декабрь 16, 2014 10:01 45
Buy for 200 tokens
Что такое? Начинаем ремонт дороги - открываем, закончили - закрываем. Открывает знак le_milady.
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 6 comments