Лекция по гибриду часть I (1034560), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

1.4. Схемы фирмы Toyota

Первая серийно выпускаемая гибридная трансмиссия - трансмиссия с разделением мощности ДВС, называемая Гибридной Системой Toyota (THS), используется в автомобилях Prius [1]. Эта трансмиссия является развитием более раннего проекта, запатентованного в 1971 году Берманом. THS фактически представляет собой электромеханический механизм, 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 необходимы два электромотора.

Разработаны три поколения трансмиссии. И во всех использован принцип разделения мощности ДВС на входе в трансмиссию, для чего используется планетарный ряд. Трансмиссия автомобиля Prius имеет четыре вала (см.кинематическую схему на рис.10) [3]. В этой компоновке электромотор В непосредственно через БЦК соединен с главной передачей. Частота вращения и крутящий момент электромотора без какой-либо трансформации передаются на БЦК планетарного ряда.

Для автомобилей RX400, Highlander и Camry используется другая компоновка, кинематическая схема которой показана на рис.11 [3]. В этой компоновке трансмиссия имеет только три вала. Кроме того, используется второй, дополнительный, планетарный ряд, который установлен между электромотором В и основным планетарным рядом. МЦК этого дополнительного ряда соединено электромотором В, водило постоянно замкнуто на картер, а БЦК соединяется с БЦК основного планетарного ряда. Передаточное отношение между МЦК и БЦК равно 2,478 [3]. Таким образом, дополнительный ряд работает в режиме редуктора, соответствующим образом изменяя крутящий момент и частоту вращения электромотора В.

Для Lexus GS450 потребовалась совершенно новое компоновочное решение. Это было обусловлено не только с расположением ДВС и приводом на задние колеса, но и необходимостью достижения высоких эксплуатационных характеристик. Проектирование трансмиссии с учетом габаритов существующих шестискоростных автоматических трансмиссий потребовало уменьшения диаметра электромоторов при увеличении их установочной мощности. Принятое решение схематично показано на рисунке 14, а на рисунке 15 показан поперечный разрез этой трансмиссии [3].

В трансмиссии GS450 электромотор В соединен 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 [3]. Переключение с первой передачи на вторую происходит, приблизительно, при 80 км/ч. Такое решение позволило спроектировать трансмиссию, которая по габаритам вписалась в существующую платформу автомобиля, и передает соответствующую мощность, необходимую для быстрого разгона.

Трансмиссия, состоящая из трех планетарных рядов, обладает тремя степенями свободы, поэтому для нее можно построить план угловых скоростей (рис.16).

Движение автомобиля начинается при полностью заторможенном звене 4 и высокой частоте вращения электромотора А (звено 2) (точка О). Уменьшение частоты вращения электромотора А приводит к увеличению скорости вращения ведомого вала. При достижении частоты вращения звена 2 значения равного, примерно, 0,7 частоты вращения ДВС (точка А) тормоз звена 4 выключается и включается тормоз звена 3, т.е. в соответствии с планом угловых скоростей происходит мгновенный переход угловой скорости звена 5 из точки А в точку В. Дальнейший разгон осуществляется при остановленном звене 3 за счет дальнейшего уменьшения частоты вращения электромотора А (звено 2). При достижении этой частотой вращения нулевого значения вся мощность двигателя будет передаваться только механической частью трансмиссии.

Во всех гибридных трансмиссиях Toyota использованы электромоторы с постоянными магнитами. В таблице 1 представлены характеристики электромоторов, используемых в различных автомобилях [3].

Таблица 1.

1.6. Схемы фирмы GM

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;

• режим со сложным способом разделения мощности ДВС.

Для разделения мощности ДВС были использованы сложный планетарный механизм, состоящий из трех планетарных рядов, и два фрикционных элемента управления (рис.18) [4]. Планетарный механизм обладает тремя степенями свободы, и его план угловых скоростей представлен на рис.19.

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.

В случае разгона только за счет энергии аккумуляторов должен быть включен тормоз звена 4 напряжение подается на электромотор В, за счет чего его частота вращения начинает увеличиваться от нулевого значения. При этом электромотор А должен оставаться в нейтральном положении, т.е. свободно вращаться. Далее при определенной скорости заводится ДВС, электромотор А переводится в активный режим работы, и трансмиссия начинает работать в режиме разделения мощности ДВС на входе. При некоторой скорости происходит переход на второй режим со сложным способом разделения мощности ДВС.

При разгоне с использованием только мощности ДВС на первом этапе используется режим разделения мощности ДВС на входе в трансмиссию. Для этого в планетарном механизме включается тормоз звена 4 и изменяется частота вращения звена 3 (мотор В) от нулевого значения (на плане угловых скоростей точка А) до максимального (точка В). При этом частота вращения звена 5 (мотор А) должна уменьшаться от максимального положительного значения (точка А) до некоторого отрицательно (точка В).

При достижении точки В происходит переход на режим со сложным способом разделения мощности ДВС. Для этого тормоз звена 4 выключается и включается блокировочная муфта 8. Увеличение скорости движения транспортного средства происходит на этом режиме за счет уменьшения частоты вращения звена 3 (мотор В) при одновременном увеличении частоты вращения звена 5 (мотор А).

Комбинация двух режимов бесступенчатого регулирования передаточного отношения позволяет уменьшить часть механической энергии, которая преобразовывается в электрическую, и, следовательно, повысить КПД всей трансмиссии.

Более 600 автобусов прошли не менее 20 миллионов миль в 50 различных районах мира. Двухрежимная гибридная трансмиссия фирмы GM также была установлена и испытана на некоторых других транспортных средствах, включая джипы [4].

Дальнейшим развитием двухрежимной трансмиссии стала гибридная трансмиссия с двумя режимами бесступенчатого регулирования передаточного отношения и четырьмя фиксированными передаточными отношениями. Целью этого проекта было получить большие ускорения, повысить скорость и возможность буксирования для джипов GMC Yukon и Chevrolet Tahoe [4]. Такая трансмиссия позволила снизить расход топлива и токсичность выхлопных газов без снижения коэффициента полезного действия и эксплуатационных качеств, включая буксирование и движение по магистрали. Кинематическая схема планетарного механизма в этой трансмиссии осталась такой же, как в простой двухрежимной гибридной трансмиссии, только были добавлены тормоз звена 3 и блокировочная муфта 7 (рис.20).

Дополнительные элементы управления позволили организовать совместно с тормозом звена 4 и блокировочной муфтой 8 четыре передачи переднего хода с фиксированными передаточными отношениями. На плане угловых скоростей (рис.21) режимы движения с фиксированными передаточными отношениями отражены рабочими точками D, B, e и С.

Таким образом, эта трансмиссия может реализовывать помимо описанных выше двух режимов работы с двумя способами разделения мощности ДВС еще и четыре фиксированных передаточных отношения, что обеспечивает снижение расхода топлива, регенерацию энергии торможения в аккумуляторные батареи и на малых скоростях движение только на электрическом источнике энергии. Четыре фиксированных передаточных отношения позволяют улучшить КПД трансмиссии и повысить ее эффективность, особенно при выполнении таких маневров, как движение с большим ускорением, движение на подъеме и в режиме буксирования.

Преимущество использования фиксированных передаточных отношений заключается в следующем [4]:

1. Электромоторы 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 электромоторами, превышает предельное значение. Таким образом, можно обходить режимы работы, когда требуется чрезмерно большая мощность электромоторов. Это позволяет использовать электромоторы небольших размеров при работе трансмиссии с ДВС большой мощности.

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

3. Электромоторы могут более эффективно обмениваться мощностью с аккумуляторными батареями. Использование блокировочной муфты 7 для получения фиксированных передач 1 или 3 полностью освобождает электромоторы от необходимости передавать часть мощности ДВС через электрическую часть трансмиссии, так что они могут быть использованы для потребления энергии аккумуляторных батарей или для их зарядки в режимах торможения. Энергия аккумуляторных батарей может быть особенно полезна для увеличения крутящего момента на ведомом валу при движении на первой фиксированной передаче 1, а при движении с высокой скоростью на четвертой передаче наиболее эффективно накапливать энергию в аккумуляторных батареях при торможении транспортного средства.

1.7. Схема КАТЕ-I

Характеристики

Список файлов лекций