Overview and classification of advanced schemes of multithreaded combined energy transmissions based on their kinematic analysis

Full Text

Введение Сохраняющийся интерес к гибридным автомобилям подталкивает инженеров к поиску новых схем построения комбинированных энергоустановок (КЭУ). Для того чтобы правильно решить задачу выбора оптимальной схемы, сначала нужно разобраться с тем, какие схемы построения КЭУ существуют вообще. Можно предложить следующую классификацию конструктивных схем КЭУ (рис. 1). Рис. 1. Классификация автомобилей с КЭУ Последовательная и параллельная схемы известны достаточно широко, однако им обеим присущи свои недостатки, которые можно устранить, комбинируя эти схемы на одном автомобиле. Этот принцип положен в основу последовательно-параллельных схем КЭУ, которые можно разделить еще на два класса: схемы на основе простых трансмиссий и схемы на основе многопоточных (в основном, двухпоточных) трансмиссий. Представителем первого класса является, например, схема, запатентованная в МАМИ [1]. Наиболее известный представитель класса многопоточных КЭУ - схема, примененная на автомобиле Toyota Prius (ее часто называют THS - Toyota Hybrid System). Она показана на рис. 2а. Основой этой схемы является планетарный ряд, водило которого соединено с коленчатым валом ДВС, солнечная шестерня - с синхронной электрической машиной е1, а эпицикл - с электрической машиной е2 и ведомым валом. Если поддерживать частоту ведущего вала постоянной, то можно добиться изменения угловой скорости ведомого вала за счет изменения частоты вращение электромашины е1. Тем самым можно плавно регулировать передаточное число трансмиссии. Это наглядно видно из кинематического плана трансмиссии (рис. 2б). Здесь по горизонтальной оси отложена угловая скорость ведомого вала , а по вертикальной - соответствующие угловые скорости всех звеньев трансмиссии. При этом угловая скорость ведущего звена принимается постоянной и равной 1. Таким образом, на кинематическом плане мы видим не абсолютные, а только относительные значения угловых скоростей. Рис. 2. Многопоточная КЭУ автомобиля Toyota Prius: а - кинематическая схема; б - план скоростей В зависимости от направления вращения электромашина е1 может работать как в режиме генератора, так и в режиме электродвигателя. Если машина работает как генератор, то вырабатываемую ей энергию можно направить либо в аккумуляторы, либо непосредственно к электромашине е2, которая в этом случае сможет увеличить крутящий момент на ведомом валу. Можно в дополнение к этой энергии направить на электромашину е2 еще и энергию, ранее запасенную в аккумуляторе и кратковременно получить на колесах пиковый крутящий момент. Если же электромашина е1 работает как электромотор, то необходимую мощность она может получать уже, наоборот, от электромашины е2. Наконец, если поддерживать частоту вращения электромашины е1 равной 0, то она вообще не будет участвовать в передаче мощности, и вся энергия от двигателя будет передаваться к колесам исключительно механическим путем. Такой режим работы часто называют механической точкой, он хорош тем, что обеспечивает наибольший КПД трансмиссии. Описанная схема хорошо известна автомобилестроителям и здесь приводилась только в качестве простейшего примера для введения в суть рассматриваемого вопроса. Более подробно ознакомиться с ее работой можно в работе [2, 3]. Можно предположить, что на подобном принципе разделения мощности можно построить огромное множество конструктивных схем гибридных трансмиссий. Это подтверждается обзором, выполненным в работе [4, 5]. Проведем систематизацию различных кинематических схем КЭУ, сосредоточившись исключительно на многопоточных КЭУ. Для начала рассмотрим обобщенную схему многопоточной электрической КЭУ (рис. 3). Рис. 3. Обобщенная схема многопоточной КЭУ Рис. 4. Классификация многопоточных КЭУ Она включает в себя две части: механическую, которую назовем «дифференциальный механизм», и электрическую, включающую в себя по меньшей мере две электромашины ЭМ1 и ЭМ2, электрические преобразователи П1 и П2, управляющие ими, а также зарядно-разрядное устройство для управления накопителем электроэнергии и сам накопитель, которым может быть электрохимическая аккумуляторная батарея (АКБ) или блок конденсаторов (БК). Рассмотрим механическую часть трансмиссии и варианты возможного ее исполнения. На основе рассмотрения 16 различных схем многопоточных электромеханических трансмиссий предлагается классификация многопоточных КЭУ (рис. 4) в зависимости от типа используемого дифференциального механизма. 1. Однорежимные многопоточные КЭУ Характерный признак однорежимной многопоточной комбинированной энергетической установки (МПКЭУ) - наличие у нее двух степеней свободы. Это означает, что для получения жесткой связи между скоростями ведущего и ведомого валов необходимо задать скорость еще одного звена, называемого управляемым. В данном случае роль управляемого звена играет одна из электромашин. К этому классу относится рассмотренная выше схема THS и ее вариации. На рис. 5а показана схема, применяемая на Toyota Highlander, Toyota Camry и Lexus RX400. От классической THS она отличается наличием дополнительного планетарного редуктора у электромашины е2, который позволяет использовать более высокоскоростную машину, обладающую меньшей массой. Рис. 5. Вариации схемы THS: а - для автомобилей Toyota Highlander, Toyota Camry и Lexus RX400; б - для автомобиля Lexus GS450 На автомобиле Lexus GS450 используется еще более сложный вариант трансмиссии, включающий двухступенчатую планетарную коробку передач между электромашиной е2 и ведомым валом (рис. 5б). Формально ее уже нельзя отнести к однорежимным МПКЭУ, поскольку она имеет два разных режима работы электромашины е2, однако здесь переключение передач никак не влияет на передаточное число, мощность, передаваемую от е1 к е2, и на положение механической точки. Поэтому ее отнесем к однорежимным КЭУ. Все рассмотренные выше схемы используют способ разделения мощности с дифференциалом на входе. Однако теоретически ничто не мешает создать схемы с дифференциалом на выходе и со сложным разделением мощности. 2. Ступенчатые многопоточные КЭУ Увеличить количество режимов можно, добавив к однорежимной МПКЭУ обычную коробку передач. Тогда мы получим трансмиссию уже с 3 степенями свободы: одна из них будет исключаться заданием частоты вращения одной из электромашин, а вторая - включением какой-либо передачи в КП. При этом кинематические планы на различных передачах будут отличаться только масштабом вдоль горизонтальной оси. Рис. 6. Трансмиссия трактора ДЭТ-350: а - кинематическая схема; б - кинематический план при включении муфты Ф3 (задний ход); в - кинематический план при включении муфты Ф2 (первая (прямая) передача); г - кинематический план при включении муфты Ф1 (вторая повышенная передача) Подобных схем, применяемых на гибридных автомобилях обнаружить не удалось. Однако для примера можно привести электромеханическую трансмиссию трактора ДЭТ-350 (рис. 6а) [6], которая вполне подходит для использования в составе многопоточной КЭУ. Основой трансмиссии является дифференциальный механизм, реализующий способ сложного разделения мощности: обе электромашины не имеют жестких кинематических связей ни с ведомым, ни с ведущим звеном. На кинематическом плане это отображается наличием двух механических точек, ни одна из которых не совпадает с началом координат. В зависимости от того, какой фрикцион включен, трансмиссия может реализовывать два режима переднего и один режим заднего хода. Кинематические планы всех этих режимов показаны на рис. 6б, 6в и 6г. 3. Многорежимные многопоточные КЭУ с переменными способами разделения мощности (переменнопоточные) В отличие от рассмотренных выше ступенчатых МПКЭУ, в переменнопоточных переключение режимов достигается не за счет пропорционального изменения скоростей всех звеньев, а за счет изменения кинематической структуры дифференциального механизма и, соответственно, способа разделения мощности. Самый простой пример переменнопоточной МПКЭУ - схема AHS-2, разработанная фирмой GM (рис. 7а) [7]. Рис. 7. Трансмиссия GM AHS-2: а - кинематическая схема; б - кинематический план при включении тормоза Т (первый режим); в - кинематический план при включении фрикциона Ф (второй режим); г - кинематический план при совмещении режимов работы трансмиссии Первый режим движения получается при включении тормоза Т. Тогда мы получаем двухпоточную электромеханическую трансмиссию с дифференциалом на входе. Кинематический план трансмиссии, соответствующий этому режиму показан на рис. 7б. Если включить фрикцион Ф, то мы получим режим сложного разделения мощности. Кинематический план для этого случая показан на рис. 7в. Если же одновременно включить тормоз и фрикцион, то мы получим некую фиксированную передачу, обеспечивающую жесткую кинематическую связь между ведущим и ведомым валами. Из возможности одновременного включения тормоза и фрикциона следует то, что переключение между режимами можно осуществлять без разрыва потока мощности. Для этого на первом режиме нужно достичь такого передаточного числа, при котором скорости звеньев е1 и α выравниваются, в этот момент включить между ними фрикцион Ф, получив фиксированную передачу, после чего отключить тормоз Т и продолжить движение уже на втором режиме. Чтобы наглядно показать этот переход, совместим кинематические планы первого и второго режимов (рис. 7г). Можно привести и другие примеры двухпоточных трансмиссий, работающих аналогичным образом (рис. 8). Среди них, например, схема GM VOLTEC DRIVE SYSTEM (рис. 8а), а также еще две незначительно различающиеся между собой схемы от General Motors (рис. 8в и 8г) [8] и схема на рис. 8б [4]. Рис. 8. Примеры двухпоточных трансмиссий Эти схемы были подробно рассмотрены в работах [4, 5]. Кроме того, известна подобная схема от фирмы Renault (рис. 9а), которая предлагалась к применению на автомобиле RENAULT LAGUNA II Estate [9], а также схема, разработанная для трактора Т-4 (рис. 9б) [10]. Отдельно стоит отметить схему от компании Timken Company (рис. 10а) [4, 5]. Ее особенностью является то, что она имеет 4 степени свободы и для того, чтобы включить один из двухпоточных режимов, нужно включить одновременно 2 элемента управления. В табл. 1 показаны все возможные режимы работы этой КЭУ. Из них три соответствуют работе трансмиссии с разделением мощности. Рис. 9. Кинематические схемы трансмиссий Renault (а) и экспериментальной версии трактора Т-4 (б) Рис. 10. Кинематическая схема (а) и кинематический план режима с дифференциалом на выходе (б) трансмиссии Timken Company Таблица 1 Режимы работы трансмиссии, построенной по схеме Timken Company Ф1 Ф2 Т1 Т2 Описание работы + - - - Режим суммирования скоростей ДВС и е1 - + - - Режим суммирования скоростей е1 и е2 - - + - Режим генератора электроэнергии: ДВС связан с е1, остальные элементы освобождены - - - + Режим электромобиля с приводом только от е2, остальные элементы освобождены + + - - Режим сложного разделения мощности + - - + Режим с дифференциалом на входе - + + - Режим с дифференциалом на выходе + - + - Режим генератора электроэнергии: ДВС связан с е1, ведомый вал заторможен, е2 свободно вращается - + - + Режим электромобиля с приводом только от е2: ДВС освобожден, е1 заторможена - - + + Режим последовательного гибрида: ДВС кинематически связан с е1, колеса - с е2 + + - + Фиксированная передача от ДВС к колесам, е1 заторможена, е2 может увеличивать момент + + + - Режим генератора: ведомый вал заторможен, е1 и е2 вместе работают как генераторы от ДВС + - + + Режим генератора: ведомый вал заторможен, е2 заторможена, е1 работает как генератор - + + + Режим электромобиля: ДВС заторможен, е1 заторможена, колеса кинематически связаны с е2 Интересно, что это единственная из рассмотренных трансмиссий, позволяющая получать достаточно редко применяемый режим с дифференциалом на выходе (при включении тормоза Т1 и фрикциона Ф2). Кинематический план, соответствующий этому режиму, показан на рис. 10б. Видно, что электромашина е1 вращается с постоянной скоростью, пропорциональной скорости ведущего вала, - это и является признаком схемы с дифференциалом на выходе. 4. Многорежимные многопоточные КЭУ с комбинированным способом переключения режимов В трансмиссиях таких КЭУ переключение между режимами разделения мощности может осуществляться как за счет изменения способа разделения мощности, так и за счет изменения переключения ступеней в КП. Один из представителей этого класса - трансмиссия COMET Drivetrain от компании Robert Bosh Company (рис. 11а) [11]. Включая различные передачи на правом и левом валах, можно получить различные способы разделения мощности. При этом соответствующие им кинематические планы (рис. 11б) могут различаться как качественно (что характерно для переменнопоточных МПКЭУ), так и количественно (т.е. масштабом вдоль осей координат, что характерно для ступенчатых МПКЭУ). Здесь можно получить 12 различных режимов работы. Рис.11. Кинематическая схема (а) и кинематический план (б) трансмиссии Comet Drivetrain от Robert Bosh Company Другой подход к созданию комбинированных многопоточных МПКЭУ показала российская фирма Combarco. Они представили несколько различных конструкций многопоточных электромеханических трансмиссий, названных ими «супервариаторами» [12]. Один из вариантов «супервариатора» представлен на рис. 12а. Эта трансмиссия позволяет получить два различных способа разделения мощности, причем каждому из этих способов соответствуют две ступени. Итого получается 4 различных режима и три фиксированные передачи. Если все кинематические планы совместить на одном графике, то можно рассмотреть, как будут изменяться скорости всех звеньев при своевременном переключении режимов (рис. 12б). Рис. 12. Кинематическая схема (а) и совмещенный кинематический план (б) «супервариатора» от компании Combarco Два других варианта «супервариатора» показаны на рис. 13. Вариант, представленный на рис. 13б интересен тем, что переключение режимов осуществляется в нем последовательным перемещением блока шестерен вдоль оси «супервариатора». Всего он имеет 10 фиксированных позиций, которые позволяют получить режим заднего хода, нейтраль, 4 режима и 4 фиксированные передачи переднего хода. Рис. 13. Кинематические схемы других вариантов «супервариатора» Выводы 1. Представленный обзор показывает, что многопоточные схемы КЭУ могут значительно отличаться друг от друга по уровню сложности. Наиболее простые однорежимные КЭУ, конечно, уступают в характеристиках (прежде всего, в КПД) наиболее совершенным комбинированным схемам, однако последние достаточно громоздки и дороги. Поэтому встает вопрос о том, применение каких из этих схем окажется экономически наиболее оправданным. 2. Поскольку гибридные трансмиссии стоит применять, в основном, на городском транспорте, который эксплуатируется в условиях малых дорожных сопротивлений, неразрывность потока мощности в трансмиссии не является критическим требованием к многопоточной КЭУ. Это означает, что от сложных и дорогих переменнопоточных и комбинированных схем, вероятно, можно отказаться в пользу более простых ступенчатых МПКЭУ, которые могут обеспечить и высокий КПД, и получение произвольного передаточного числа в трансмиссии.

About the authors

A. V. Ryabev

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: Ryabev-Alexander@yandex.ru
+7 926 768-36-94

References

Supplementary files