RU2558416C1 - Engine transmission unit of work machine - Google Patents
Engine transmission unit of work machine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2558416C1 RU2558416C1 RU2014130522/11A RU2014130522A RU2558416C1 RU 2558416 C1 RU2558416 C1 RU 2558416C1 RU 2014130522/11 A RU2014130522/11 A RU 2014130522/11A RU 2014130522 A RU2014130522 A RU 2014130522A RU 2558416 C1 RU2558416 C1 RU 2558416C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- generator
- hydraulic
- internal combustion
- combustion engine
- mtu
- Prior art date
Links
Landscapes
- Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к промышленным и сельскохозяйственным тракторам, бульдозерам, погрузчикам, автогрейдерам и другим гусеничным и колесным самоходным рабочим машинам с электромеханической или гидростатической трансмиссией, предназначенным для выполнения землеройных, строительных, дорожных, сельскохозяйственных и других работ.The invention relates to industrial and agricultural tractors, bulldozers, loaders, motor graders and other tracked and wheeled self-propelled working vehicles with electromechanical or hydrostatic transmission, designed to perform earthmoving, construction, road, agricultural and other works.
Известна моторно-трансмиссионная установка (МТУ) промышленного трактора с электрической силовой передачей, содержащая двигатель внутреннего сгорания (ДВС), силовой генератор с блоком возбуждения, тяговый электромотор, соединенный с главной передачей и бортовыми редукторами, и систему контроля, управления и сигнализации [1], [2].Known motor-transmission installation (MTU) of an industrial tractor with an electric power transmission, containing an internal combustion engine (ICE), a power generator with an excitation unit, a traction electric motor connected to the main transmission and final drives, and a monitoring, control and signaling system [1] , [2].
Известна также МТУ гусеничного трактора, содержащая ДВС, силовой генератор, два тяговых электромотора и блок управления, размещенные в раме трактора, и бортовые редукторы. Каждый тяговый электромотор выполнен в едином блоке с бортовым редуктором и расположен на единой поперечной оси с ним и ведущим колесом ходовой части трактора [3].The MTU of a caterpillar tractor is also known, which contains an internal combustion engine, a power generator, two traction electric motors and a control unit located in the tractor frame, and final drives. Each traction electric motor is made in a single unit with an final drive and is located on a single transverse axis with it and the drive wheel of the tractor chassis [3].
Кроме того, известна МТУ гусеничного бульдозера с гидростатической силовой передачей, содержащая ДВС, три гидронасоса, два из которых выполнены регулируемыми реверсивными аксиально-поршневыми и образуют гидроконтуры с соответствующими гидромоторами, связанными с бортовыми редукторами, снабженными тормозами, а третий гидронасос через распределительное устройство образует гидроконтур с гидроцилиндрами рабочего оборудования, причем все гидроконтуры выполнены автономными, а сами гидронасосы установлены последовательно на одном валу с ДВС [4].In addition, the MTU of a caterpillar bulldozer with a hydrostatic power train is known, which contains an internal combustion engine, three hydraulic pumps, two of which are adjustable axial-piston reversible and form hydraulic circuits with corresponding hydraulic motors connected to final drives equipped with brakes, and a third hydraulic pump forms a hydraulic circuit through a distributor with hydraulic cylinders of the working equipment, moreover, all hydraulic circuits are autonomous, and the hydraulic pumps themselves are installed sequentially on one shaft with ICE [4].
Недостатком указанных МТУ [1], [2], [3] и [4] является пониженная надежность ДВС и повышенный расход топлива, что обусловлено отсутствием сглаживания динамических нагрузок на ДВС в переходных режимах его работы и при колебаниях тягового усилия рабочей машины.The disadvantage of these MTUs [1], [2], [3] and [4] is the reduced reliability of the internal combustion engine and increased fuel consumption, which is due to the lack of smoothing of dynamic loads on the internal combustion engine in the transient conditions of its operation and during fluctuations in the traction of the working machine.
Наиболее близкой к предложенной является МТУ самоходной рабочей машины с электрической силовой передачей, включающей в себя ДВС, соединенный с ним генератор, выполненный с возможностью преобразования по меньшей мере части механической энергии ДВС в электрическую энергию, по меньшей мере один электромотор, соединенный силовыми шинами с генератором и выполненный с возможностью передачи крутящего момента на множество элементов привода хода, включая бортовые редукторы, и по меньшей мере один контроллер (силовой электронный модуль), выполненный с возможностью управления ДВС, генератором и/или электромотором. К силовым шинам подключена система накопления электрической энергии, реализованная на основе аккумуляторной батареи, суперконденсаторов или маховика с электрическим приводом, предназначенная для реализации регенеративного торможения, сохранения избыточной электрической энергии генератора и/или для предоставления дополнительной электроэнергии, используемой при запуске ДВС и/или во время работы машины [5].Closest to the proposed MTU is a self-propelled working machine with an electric power transmission, which includes an internal combustion engine, a generator connected to it, configured to convert at least a portion of the mechanical energy of the internal combustion engine to electrical energy, at least one electric motor connected by power buses to the generator and made with the possibility of transmitting torque to many elements of the drive drive, including final drives, and at least one controller (power electronic module), enny chance DVS control oscillator and / or an electric motor. An electric energy storage system connected to the power buses is implemented, based on a battery, supercapacitors or an electric flywheel, designed to realize regenerative braking, preserve excess electrical energy of the generator and / or to provide additional electricity used when starting the engine and / or during machine operation [5].
Применение накопителя энергии в силовой цепи МТУ позволяет снизить нагрузки на ДВС в переходных режимах его работы и при колебаниях тягового усилия рабочей машины, что обеспечивает снижение удельного расхода топлива и повышение надежности МТУ.The use of energy storage in the MTU power circuit allows reducing the load on the internal combustion engine in the transient conditions of its operation and with fluctuations in the traction of the working machine, which reduces the specific fuel consumption and increases the reliability of the MTU.
Однако применение накопителя энергии в виде отдельного устройства, подключаемого к силовым шинам генератора, проводит к ухудшению массогабаритных характеристик МТУ. Это обусловлено относительно невысокой плотностью энергии таких накопителей. Например, у наиболее распространенных накопителей энергии - электрохимических аккумуляторов, плотность энергии (удельная энергоемкость) составляет от 30-60 Вт·ч/кг для свинцово-кислотных до 110-130 Вт·ч/кг для литий-ионных аккумуляторов.However, the use of an energy storage device in the form of a separate device connected to the power buses of the generator leads to a deterioration in the overall dimensions of the MTU. This is due to the relatively low energy density of such drives. For example, in the most common energy storage devices - electrochemical batteries, the energy density (specific energy consumption) is from 30-60 W · h / kg for lead-acid to 110-130 W · h / kg for lithium-ion batteries.
Поэтому накопители энергии для МТУ землеройно-транспортных и других рабочих машин, рабочие процессы которых характеризуются повышенной амплитудой и частотой колебаний тяговых усилий, имеют большие габаритные размеры и массу.Therefore, energy storage devices for MTU of earth moving and other working machines, the working processes of which are characterized by increased amplitude and frequency of oscillation of traction forces, have large overall dimensions and mass.
Кроме того, применение в МТУ накопителя энергии с электрическим входом/выходом возможно только на рабочих машинах с электромеханической силовой передачей.In addition, the use of an energy storage device with an electric input / output in a MTU is possible only on working machines with an electromechanical power transmission.
Основным техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение во всех вариантах его исполнения, является улучшение массо-габаритных характеристик МТУ.The main technical result, the achievement of which the invention is directed in all its variants, is to improve the mass-dimensional characteristics of MTU.
Дополнительным техническим результатом является обеспечение возможности применения МТУ на рабочих машинах с гидростатическими силовыми передачами.An additional technical result is the provision of the possibility of using MTU on working machines with hydrostatic power transmissions.
В МТУ рабочей машины, содержащей ДВС, по меньшей мере один генератор или гидронасос, функционально соединенный с ДВС и преобразующий по меньшей мере часть механической энергии ДВС в электрическую или гидравлическую энергию, бортовые редукторы, связанные с ведущими колесами или гусеницами машины, по меньшей мере один электромотор или гидромотор привода хода рабочей машины, приспособленный для преобразования электрической или гидравлической энергии в механическую энергию, причем бортовые редукторы непосредственно или по меньшей мере через одно передаточное устройство связаны по меньшей мере с одним электромотором или гидромотором привода хода, указанные технические результаты достигаются за счет того, что с помощью одного или нескольких указанных генераторов или гидронасосов осуществляется преобразования кинетической энергии по меньшей мере одной вращающейся части ДВС, генератора или гидронасоса в электрическую или гидравлическую энергию, а ДВС имеет номинальный коэффициент запаса крутящего момента не менее 25% и/или по меньшей мере к одной вращающейся части ДВС, генератора или гидронасоса, прикреплен маховик, момент инерции которого возрастает с увеличением скорости его вращения.In the MTU of a working machine containing an internal combustion engine, at least one generator or hydraulic pump operatively connected to the internal combustion engine and converting at least part of the mechanical energy of the internal combustion engine to electrical or hydraulic energy, final drives connected to the drive wheels or tracks of the machine, at least one an electric motor or a hydraulic motor for driving the stroke of the working machine, adapted to convert electrical or hydraulic energy into mechanical energy, moreover, final drives directly or at least for cut one transmission device associated with at least one electric motor or hydraulic drive drive, the technical results are achieved due to the fact that using one or more of these generators or hydraulic pumps, the kinetic energy of at least one rotating part of the internal combustion engine, generator or hydraulic pump is converted into electrical or hydraulic energy, and the internal combustion engine has a nominal torque factor of at least 25% and / or at least one rotating part of the internal combustion engine, for generators or hydraulic pumps, a flywheel is attached, a moment of inertia which increases with increasing speed of rotation.
В частных вариантах реализации изобретения, с целью достижения указанных технических результатов, а также для дальнейшего улучшения характеристик МТУ, в ней дополнительно:In private embodiments of the invention, in order to achieve the specified technical results, as well as to further improve the characteristics of MTU, it additionally:
- генератор, гидронасос или группа этих генераторов или гидронасосов, имеет/имеют мощность или суммарную мощность, обеспечивающую возможность преобразования в электрическую или гидравлическую энергию не только механической энергии ДВС, но и кинетической энергии по меньшей мере одной вращающейся части ДВС, электрического генератора или гидронасоса;- a generator, hydraulic pump, or a group of these generators or hydraulic pumps, has / has a power or total power that provides the possibility of converting into electrical or hydraulic energy not only the mechanical energy of the internal combustion engine, but also the kinetic energy of at least one rotating part of the internal combustion engine, electric generator or hydraulic pump;
- по меньшей мере один генератор или гидронасос функционально соединен с ДВС через повышающий редуктор и/или упругую муфту;- at least one generator or hydraulic pump is operatively connected to the internal combustion engine through a step-up gearbox and / or an elastic coupling;
- МТУ дополнительно содержит контроллер, осуществляющий управление ДВС и/или по меньшей мере одним генератором или гидронасосом из условия достижения предварительно установленной или максимальной выходной мощности по меньшей мере одного генератора или гидронасоса и/или из условия обеспечения заданной величины его выходного напряжения или тока, либо расхода или давления рабочей жидкости;- MTU additionally contains a controller that controls the internal combustion engine and / or at least one generator or hydraulic pump from the condition of achieving a preset or maximum output power of at least one generator or hydraulic pump and / or from the condition of providing a given value of its output voltage or current, or flow rate or pressure of the working fluid;
- по меньшей мере один генератор размещен в герметичной вакуумной камере и соединен с ДВС через повышающий редуктор, и/или магнитную муфту, и/или управляемую электромагнитную муфту, причем управление этой электромагнитной муфтой и ДВС осуществляется, в частности, от дополнительно установленного контроллера из условия достижения предварительно установленной или максимальной выходной мощности и/или заданной величины выходного напряжения или тока по меньшей мере одного генератора;- at least one generator is placed in a sealed vacuum chamber and connected to the internal combustion engine through a step-up gearbox and / or magnetic coupling and / or controlled electromagnetic coupling, and this electromagnetic coupling and internal combustion engine are controlled, in particular, from an additionally installed controller from the condition achieving a predetermined or maximum output power and / or a predetermined output voltage or current value of at least one generator;
- по меньшей мере один генератор или гидронасос выполнен с повышенным моментом инерции и/или по меньшей мере к одной его вращающейся части прикреплен маховик;- at least one generator or hydraulic pump is made with an increased moment of inertia and / or a flywheel is attached to at least one of its rotating parts;
- по меньшей мере один генератор имеет ротор, расположенный снаружи статора и соединенный с ДВС через повышающий редуктор и/или муфту;- at least one generator has a rotor located outside the stator and connected to the internal combustion engine through a boost gear and / or clutch;
- по меньшей мере один генератор или гидронасос, а также по меньшей мере один электромотор или гидромотор привода хода, выполнены обратимыми с возможностью преобразования кинетической энергии рабочей машины в электрическую или гидравлическую энергию и ее последующего преобразования в кинетическую энергию по меньшей мере одной вращающейся части ДВС, генератора и/или гидронасоса;- at least one generator or hydraulic pump, as well as at least one electric motor or hydraulic drive, are reversible with the possibility of converting the kinetic energy of the working machine into electrical or hydraulic energy and its subsequent conversion into kinetic energy of at least one rotating part of the internal combustion engine, generator and / or hydraulic pump;
- генератор или гидронасос, либо несколько генераторов или гидронасосов, приспособлен/приспособлены для преобразования механической энергии ДВС в электрическую или гидравлическую энергию и последующей передачи этой энергии по меньшей мере на один электромотор или гидромотор привода рабочего оборудования и/или вала отбора мощности рабочей машины;- a generator or hydraulic pump, or several generators or hydraulic pumps, adapted / adapted to convert the mechanical energy of the internal combustion engine into electrical or hydraulic energy and then transfer this energy to at least one electric motor or hydraulic motor of the drive of the working equipment and / or power take-off shaft of the working machine;
- МТУ имеет дополнительный генератор или гидронасос, выполненный с возможностью преобразования части механической энергии ДВС в электрическую или гидравлическую энергию и передачи этой энергии по меньшей мере на один электромотор или или гидромотор привода рабочего оборудования и/или вала отбора мощности рабочей машины;- MTU has an additional generator or hydraulic pump, made with the possibility of converting part of the mechanical energy of the internal combustion engine into electrical or hydraulic energy and transmitting this energy to at least one electric motor or or hydraulic motor to drive the working equipment and / or power take-off shaft of the working machine;
- по меньшей мере один генератор или электромотор выполнен в виде синхронной электрической машины с постоянными магнитами, вентильно-индукторной или асинхронной электрической машины;- at least one generator or electric motor is made in the form of a synchronous electric machine with permanent magnets, valve-inductor or asynchronous electric machine;
- МТУ оснащена электрическим соединителем, подключенным к генератору, обеспечивающему питание внешних потребителей рабочей машины;- MTU is equipped with an electrical connector connected to a generator that provides power to external consumers of the working machine;
- МТУ оснащена электрическим модулем, с помощью которого осуществляется ее подключение по электрическому кабелю к внешней трехфазной электрической сети с напряжением 220/380 В переменного тока, а также преобразование и передача электрической энергии этой внешней сети по меньшей мере на один электромотор из условия использования этой энергии при работе машины;- MTU is equipped with an electric module, through which it is connected via an electric cable to an external three-phase electric network with a voltage of 220/380 V AC, as well as the conversion and transmission of electric energy of this external network to at least one electric motor from the condition of using this energy when the machine is running;
- генератор выполнен с возможность работы в режиме электромотора и приспособлен для запуска соединенного с ним ДВС от внешней электрической сети, подключаемой с использованием электрического кабеля, или по меньшей мере от одного электромотора привода хода рабочей машины, и/или рабочего оборудования, и/или вала отбора мощности рабочей машины, выполненного с возможностью работы в режиме генератора;- the generator is configured to operate in an electric motor mode and is adapted to start an internal combustion engine connected to it from an external electrical network connected using an electric cable, or from at least one electric motor driving the stroke of the working machine, and / or working equipment, and / or shaft power take-off of a working machine configured to operate in generator mode;
- гидронасос выполнен с возможность работы в режиме гидромотора и приспособлен для запуска соединенного с ним ДВС по меньшей мере от одного гидромотора привода хода рабочей машины, рабочего оборудования и/или вала отбора мощности рабочей машины, выполненного с возможностью работы в режиме гидронасоса, или от внешней насосной станции;- the hydraulic pump is configured to operate in a hydraulic motor mode and is adapted to start an internal combustion engine connected to it from at least one hydraulic motor for driving a stroke of a working machine, working equipment and / or power take-off shaft of a working machine configured to operate in a hydraulic pump mode, or from an external pumping station;
- бортовые редукторы выполнены обратимыми с возможностью приведения во вращение по меньшей мере одного электромотора или гидромотора привода хода при буксировке рабочей машины или при ее движении под уклон;- final drives are made reversible with the possibility of rotation of at least one electric motor or hydraulic drive drive when towing a working machine or when it moves downhill;
- по меньшей мере один электромотор или гидромотор или соединенный с ним бортовой редуктор оснащен нормально замкнутым стояночным тормозом, приспособленным для создания тормозного момента в случае поступления на этот тормоз внешнего сигнала управления и/или в случае снижения электрического напряжения на электромоторе или давления на гидромоторе до предварительно установленной величины;- at least one electric motor or a hydraulic motor or an onboard gearbox connected to it is equipped with a normally closed parking brake, adapted to create a braking torque if an external control signal arrives at this brake and / or if the electric voltage on the electric motor or the pressure on the hydraulic motor decreases to a preliminary set value;
- по меньшей мере один генератор или электромотор выполнен с жидкостным охлаждением и имеет, в частности, систему жидкостного охлаждения, объединенную с системой охлаждения ДВС;- at least one generator or electric motor is made with liquid cooling and has, in particular, a liquid cooling system combined with an internal combustion engine cooling system;
- МТУ содержит аппарат управления движением рабочей машины и контроллер, соединенные между собой, причем контроллер приспособлен для управления ДВС, и/или по меньшей мере одним генератором, гидронасосом, электромотором или гидромотором привода хода рабочей машины, таким образом, чтобы скорость движения рабочей машины поддерживалась в соответствии с величиной скорости, заданной аппаратом управления, если мощности ДВС достаточно для поддержания этой скорости при текущем значении тяговой нагрузки рабочей машины, либо из условия достижения максимальной тяговой мощности рабочей машины, если при текущей величине ее нагрузки мощности ДВС недостаточно для поддержания заданной аппаратом управления скорости движения рабочей машины;- MTU contains an apparatus for controlling the movement of the working machine and a controller interconnected, the controller being adapted to control the internal combustion engine and / or at least one generator, hydraulic pump, electric motor or hydraulic motor for driving the stroke of the working machine, so that the speed of the working machine is maintained in accordance with the speed set by the control unit, if the engine's power is sufficient to maintain this speed at the current value of the traction load of the working machine, or from the condition achieved I maximum tractive power of the driven machine, if the current value of its load capacity of the internal combustion engine is not enough to maintain the desired speed control apparatus of the working movement of the machine;
- МТУ оснащена дополнительным электрическим, электромеханическим или гидравлическим накопителем энергии, соединенным по меньшей мере с одним генератором, гидронасосом, электромотором или гидромотором;- MTU is equipped with an additional electric, electromechanical or hydraulic energy storage connected to at least one generator, hydraulic pump, electric motor or hydraulic motor;
- передаточное устройство выполнено в виде дифференциального устройства, которое соединено с электромотором или гидромотором привода рабочего хода и бортовыми редукторами и выполнено с возможностью перераспределения крутящего момента, передаваемого на каждый бортовой редуктор, причем дифференциальное устройство оснащено дополнительным электромотором или гидромотором, приспособленным для указанного перераспределения крутящего момента в зависимости от сигнала управления поворотом рабочей машины;- the transmission device is made in the form of a differential device, which is connected to an electric motor or a hydraulic drive of the working stroke and final drives and is configured to redistribute the torque transmitted to each final drive, and the differential device is equipped with an additional electric motor or hydraulic motor adapted for the specified redistribution of torque depending on the rotation control signal of the working machine;
- передаточное устройство содержит главную передачу, выходы которой соединены с бортовыми редукторами с использованием бортовых фрикционов;- the transmission device contains the main gear, the outputs of which are connected to the final drives using the on-board friction clutches;
- МТУ содержит один генератор или два гидравлических насоса, а также два электромотора или гидромотора, каждый из которых функционально соединен с соответствующим бортовым редуктором.- MTU contains one generator or two hydraulic pumps, as well as two electric motors or hydraulic motors, each of which is functionally connected to the corresponding final drive.
Из уровня техники известны различные МТУ с накопителями энергии, выполненными в виде автономных устройств и обеспечивающими как торможение машин с рекуперацией энергии, так и сглаживание колебаний крутящего момента ДВС. В предложенной МТУ, в отличие от известных технических решений, для накопления энергии используются не дополнительно установленные устройства, а те детали, узлы и агрегаты, которые уже имеются в МТУ.The prior art various MTU with energy storage, made in the form of stand-alone devices and providing both braking of machines with energy recovery, and smoothing out the fluctuations in the torque of the internal combustion engine. In the proposed MTU, in contrast to the known technical solutions, not additionally installed devices are used for energy storage, but those parts, assemblies and assemblies that are already available in the MTU.
Для реализации такой возможности МТУ должна иметь конструктивные особенности, описанные отличительными признаками независимого пункта формулы изобретения. К ним относятся исполнение генератора или гидронасоса (генераторов, гидронасосов) с возможностью преобразования в электрическую или гидравлическую энергию не только механической энергии ДВС, но и кинетической энергии вращающихся частей ДВС, генератора или гидронасоса, а также применение ДВС с высоким значением номинального коэффициента запаса крутящего момента (применение двигателя постоянной мощности), либо установка дополнительного маховика, момент инерции которого возрастает с увеличением скорости его вращения.To realize this possibility, MTU must have design features described by the distinguishing features of an independent claim. These include the design of a generator or hydraulic pump (generators, hydraulic pumps) with the possibility of converting into electrical or hydraulic energy not only the mechanical energy of the internal combustion engine, but also the kinetic energy of the rotating parts of the internal combustion engine, generator or hydraulic pump, as well as the use of internal combustion engines with a high value of the nominal torque reserve factor (the use of a constant-power engine), or the installation of an additional flywheel, the moment of inertia of which increases with increasing speed of its rotation.
Обусловлено это тем, что процесс накопления кинетической энергии, а также ее передачи в силовую передачу, сопровождается изменением скорости вращения тех деталей МТУ, которые используются для такого накопления. Поэтому принципиально необходимо либо обеспечить работу ДВС в широком диапазоне скоростей, либо применить маховик с переменным моментом инерции, что и предложено в данном изобретении.This is due to the fact that the process of accumulation of kinetic energy, as well as its transfer to power transmission, is accompanied by a change in the rotation speed of those MTU parts that are used for such accumulation. Therefore, it is fundamentally necessary either to ensure the operation of the internal combustion engine in a wide range of speeds, or to use a flywheel with a variable moment of inertia, which is proposed in this invention.
Для дальнейшего улучшения характеристик МТУ предложены различные алгоритмы управления ее узлами и агрегатами, меры по увеличению момента инерции вращающихся деталей и по обеспечению эффективной работы генератора или гидронасоса при изменяющейся угловой скорости ДВС, а также другие технические решения, описанные в зависимых пунктах формулы изобретения.To further improve the characteristics of the MTU, various control algorithms for its components and assemblies have been proposed, measures to increase the moment of inertia of rotating parts and to ensure the efficient operation of a generator or hydraulic pump with a changing angular velocity of the internal combustion engine, as well as other technical solutions described in the dependent claims.
Поэтому как альтернативные отличительные признаки независимого пункта, так и признаки зависимых пунктов формулы данного изобретения, при их реализации в различных комбинациях (сочетаниях), обеспечивают достижение одного и того же технического результата - позволяют улучшить массогабаритные характеристики МТУ и обеспечить возможность ее применения на машинах с различными силовыми передачами.Therefore, both the alternative distinguishing features of the independent clause and the signs of the dependent claims of the present invention, when implemented in various combinations (combinations), ensure the achievement of the same technical result - they allow to improve the weight and size characteristics of the MTU and to ensure the possibility of its use on machines with different power drives.
На чертеже приведен пример реализации МТУ рабочей машины с электромеханической силовой передачей.The drawing shows an example of the implementation of MTU working machine with an electromechanical power transmission.
МТУ содержит двигатель внутреннего сгорания (ДВС) 1, силовой генератор 2, а также и электромоторы 3, 4 и бортовые редукторы 5, 6 привода хода, связанные с ведущими колесами или гусеницами 7, 8 рабочей машины.MTU contains an internal combustion engine (ICE) 1, a power generator 2, as well as electric motors 3, 4 and final drives 5, 6 of the drive, connected to the drive wheels or tracks 7, 8 of the working machine.
Максимальная мощность генератора 2 выбрана с необходимым запасом таким образом, чтобы он обеспечивал возможность преобразования в электрическую энергию механической энергии не только ДВС 1, но и кинетической энергии связанных с ним вращающихся частей ДВС и самого генератора 2.The maximum power of the generator 2 is selected with the necessary margin so that it provides the possibility of converting into electrical energy the mechanical energy of not only the ICE 1, but also the kinetic energy of the associated rotating parts of the ICE and the generator 2 itself.
В предложенной МТУ используется двигатель (ДВС) постоянной мощности (ДПМ), имеющий номинальный коэффициент запаса крутящего момента не менее 25% (предпочтительно более 40%). Под ДПМ в данном случае подразумевается ДВС, конструкция которого обеспечивает при положении органов управления регулятора частоты вращения, соответствующем полной подаче топлива, получение мощности, равной номинальной или выше номинальной не более чем на 7%, в диапазоне изменения частоты вращения не менее чем от номинальной до 75% номинальной.The proposed MTU uses a constant power engine (ICE) (DCM) having a nominal torque factor of at least 25% (preferably more than 40%). In this case, by PDM is meant an internal combustion engine, the design of which, when the speed regulator controls correspond to the full fuel supply, provides power equal to or higher than the rated power by no more than 7%, in the range of the speed change of not less than the rated to 75% of the nominal.
В качестве альтернативы, либо в качестве дополнения к применения ДПМ, в МТУ может использоваться маховик с переменным моментом инерции, прикрепленный к какой-либо вращающейся части ДВС 1 или генератора 2. Конструктивно он выполнен таким образом, что момент инерции этого маховика возрастает с увеличением скорости его вращения (примеры таких маховиков: RU 2147700, RU 2265761, US 7594871).As an alternative, or as an addition to the application of PDM, a flywheel with a variable moment of inertia attached to any rotating part of the engine 1 or generator 2 can be used in the MTU. It is structurally designed so that the moment of inertia of this flywheel increases with increasing speed its rotation (examples of such flywheels: RU 2147700, RU 2265761, US 7594871).
Перспективно применение супермаховиков, состоящих из витков стальной ленты, проволоки или высокопрочного синтетического волокна с неплотной навивкой (со специально оставленным пустым пространством). В этом случае по мере раскручивания маховика витки ленты перемещаются от его центра к периферии вращения, изменяя момент инерции маховика, а если лента пружинная, то и запасая часть энергии в энергии упругой деформации пружины. В таких маховиках, в отличие от цельнотельных, скорость вращения меньше зависит от накопленной энергии.The use of super-flywheels, consisting of turns of steel tape, wire or high-strength synthetic fiber with loose winding (with specially left empty space), is promising. In this case, as the flywheel is untwisted, the turns of the tape move from its center to the periphery of rotation, changing the moment of inertia of the flywheel, and if the tape is spring, then the part of the energy in the energy of elastic deformation of the spring is stored. In such flywheels, in contrast to solid-state ones, the rotation speed is less dependent on the stored energy.
В предложенной МТУ вращающиеся части ДВС 1 и генератора 2 используются в качестве маховичного (гироскопического) накопителя энергии. Поэтому эти части выполнены, предпочтительно, с повышенным моментом инерции, в частности, за счет дополнительного прикрепления к ним инерционных масс.In the proposed MTU, the rotating parts of the engine 1 and generator 2 are used as a flywheel (gyroscopic) energy storage device. Therefore, these parts are preferably made with an increased moment of inertia, in particular due to the additional attachment of inertial masses to them.
С этой целью генератор 2 может быть выполнен с ротором, расположенным снаружи статора, что приводит к увеличению его момента инерции.To this end, the generator 2 can be made with a rotor located outside the stator, which leads to an increase in its moment of inertia.
Для достижения высокой скорости вращения и, соответственно, увеличения накопленной кинетической энергии ротора генератора, от может быть размещен в герметичной вакуумной камере и соединен с ДВС 1 через повышающий редуктор 24 (мультипликатор), а также магнитную или электромагнитную муфту (на чертеже условно не показана), управляемую от дополнительно установленного контроллера.To achieve a high rotation speed and, consequently, increase the accumulated kinetic energy of the generator rotor, it can be placed in an airtight vacuum chamber and connected to the internal combustion engine 1 through a boost gear 24 (multiplier), as well as a magnetic or electromagnetic coupling (not shown conventionally in the drawing) controlled from an optionally installed controller.
На чертеже показан пример МТУ с одним генератором 2 и двумя электромоторами 3, 4, обеспечивающими раздельный привод левого и правого борта рабочей машины.The drawing shows an example of MTU with one generator 2 and two electric motors 3, 4, providing separate drive left and right side of the working machine.
В случае применения в МТУ одного электромотора дополнительно устанавливается главная передача, бортовые фрикционы, дифференциальное или иное передаточное устройство для механического соединения этого электромотора с бортовыми редукторами и перераспределения крутящего момента, передаваемого на каждый бортовой редуктор в зависимости от сигнала управления поворотом рабочей машины. Управление перераспределением этого момента в дифференциальном передаточном устройстве (дифференциале) может осуществляться с помощью дополнительного электромотора или гидромотора.In the case of the use of one electric motor in MTU, an additional main gear, on-board friction clutches, a differential or other transmission device for mechanically connecting this electric motor to on-board gearboxes and redistributing the torque transmitted to each on-board gearbox depending on the control signal of the rotation of the working machine is additionally installed. The redistribution of this moment in the differential transmission device (differential) can be controlled using an additional electric motor or hydraulic motor.
Силовой генератор 2, тяговые электромоторы 3, 4 и связанные с ними электронные и механические устройства могут быть выполнены в общих корпусах в виде генераторного мехатронного модуля 9 и тяговых мехатронных модулей 10, 11, соединенные между собой силовыми шинами 12.Power generator 2, traction electric motors 3, 4 and related electronic and mechanical devices can be made in common buildings in the form of a mechatronic generator module 9 and mechatronic traction modules 10, 11, interconnected by power buses 12.
Для ручного и/или автоматизированного управления МТУ на рабочей машине установлены органы управления 13, панель оператора 14, датчики параметров работы МТУ 15, контроллер трансмиссии 16 и контроллер 17 ДВС.For manual and / or automated control of MTU on the working machine, controls 13, an operator panel 14, operation parameters sensors MTU 15, a transmission controller 16 and an internal combustion engine controller 17 are installed.
Генераторный 9 и тяговые 10, 11 мехатронные модули содержат электронные силовые преобразователи 18, 19, 20 и микропроцессорные контроллеры 21, 22 и 23 этих модулей. Генератор 2 генераторного модуля 9 механически соединен с ДВС непосредственно, через повышающий редуктор (мультипликатор) 24 и/или упругую муфту.Generator 9 and traction 10, 11 mechatronic modules contain electronic power converters 18, 19, 20 and microprocessor controllers 21, 22 and 23 of these modules. The generator 2 of the generator module 9 is mechanically connected to the internal combustion engine directly, through a step-up gearbox (multiplier) 24 and / or an elastic coupling.
Мехатронные модули 9, 10, 11, органы управления 13, панель оператора 14, контроллер трансмиссии 16, контроллер 17 ДВС и другие устройства МТУ, содержащие микропроцессорные контроллеры (микроконтроллеры), соединены между собой шиной последовательной цифровой передачи данных, выполненной, в частности, с физическим уровнем промышленной сети CAN (Controller Area Network), определенным в стандарте ISO 11898, и протокола высокого уровня CANopen, или DeviceNet, или CAN Kingdom, или J1939. Возможно также применение интерфейса цифровой передачи данных LIN (Local Interconnect Network - интерфейс для автомобильных систем), J1850 (SAE), CarLink, VAN, Α-bus, RS-232C (COM - порт), RS-485 (Recommended Standard 485), «токовая петля», MIDI, MicroLAN, Ethernet, USB и т.д.Mechatronic modules 9, 10, 11, controls 13, operator panel 14, transmission controller 16, internal combustion engine controller 17 and other MTU devices containing microprocessor controllers (microcontrollers) are interconnected by a serial digital data bus, made, in particular, with the physical layer of the CAN Industrial Area Network (Controller Area Network) defined in ISO 11898, and the high-level protocol CANopen, or DeviceNet, or CAN Kingdom, or J1939. You can also use the digital data interface LIN (Local Interconnect Network - an interface for automotive systems), J1850 (SAE), CarLink, VAN, Α-bus, RS-232C (COM port), RS-485 (Recommended Standard 485), Current loop, MIDI, MicroLAN, Ethernet, USB, etc.
Каждый из органов управления 13 выполнен в виде джойстика, аппарата управления, пульта или переключателя и предназначен для формирования сигналов управления запуском и остановкой ДВС, а также скоростью и/или направлением движения рабочей машины. Он содержит, например, механический приводной элемент (рукоятку, рычаг), датчик положения этого элемента и микроконтроллер, осуществляющий обработку выходных сигналов этого датчика. В частности, орган управления 13 может быть выполнен в виде джойстика с магниточувствительным датчиком положения его рукоятки, соединенным с микроконтроллером, который формирует сигналы управления движением рабочей машины вперед/назад и ее поворота влево/вправо при отклонении оператором рукоятки джойстика соответственно вперед/назад и влево/вправо.Each of the controls 13 is made in the form of a joystick, control apparatus, remote control or switch and is designed to generate control signals for starting and stopping the internal combustion engine, as well as the speed and / or direction of movement of the working machine. It contains, for example, a mechanical drive element (handle, lever), a position sensor of this element and a microcontroller that processes the output signals of this sensor. In particular, the control element 13 can be made in the form of a joystick with a magnetically sensitive position sensor of its handle connected to a microcontroller that generates control signals for the movement of the working machine forward / backward and its rotation left / right when the operator deflects the joystick handle forward / backward and leftward / to the right.
Панель оператора 14 содержит графические, символьные и/или электромеханические (стрелочные) устройства, предназначенные для отображения информации о параметрах и режимах работы МТУ, а также звуковые и/или световые сигнализаторы их предельных состояний. На панели оператора 14 могут быть установлены органы управления этой панелью, использующиеся, например, для переключения отображаемых параметров, а также отдельные (вспомогательные, сервисные, дублирующие) органы управления МТУ, выполненные, например, в виде клавиш и кнопок.The operator panel 14 contains graphical, symbolic and / or electromechanical (arrow) devices designed to display information about the parameters and operating modes of the MTU, as well as sound and / or light signaling devices of their limit states. On the operator panel 14, controls for this panel can be installed, used, for example, to switch the displayed parameters, as well as separate (auxiliary, service, duplicate) MTU controls, made, for example, in the form of keys and buttons.
В зависимости от выполняемых функций и компоновки МТУ на машине возможно как объединение отдельных электронных устройств, в том числе контроллеров, в единый блок (модуль), так и их раздельное исполнение.Depending on the functions performed and the MTU layout on the machine, it is possible to combine individual electronic devices, including controllers, into a single unit (module), or their separate execution.
МТУ может содержать также дополнительный (вспомогательный) накопитель электрической энергии 25, выполненный, например, в виде батареи аккумуляторов, суперконденсаторов или гироскопического электромеханического устройства, и тормозной резистор 26, подключенные к силовыми шинам 12.MTU may also contain an additional (auxiliary) drive of electrical energy 25, made, for example, in the form of a battery of batteries, supercapacitors or a gyroscopic electromechanical device, and a braking resistor 26 connected to power buses 12.
Тормозной резистор 26 содержит, в частности, силовой резистивный элемент, предназначенный для поглощения энергии торможения рабочей машины, и электронный ключ, осуществляющий подключение этого резистора к силовым шинам 12 в зависимости от напряжения на этих шинах. Управление электронным ключом может также осуществляться по шины CAN.The braking resistor 26 contains, in particular, a power resistive element designed to absorb the braking energy of the working machine, and an electronic switch that connects this resistor to the power buses 12 depending on the voltage on these tires. The electronic key can also be controlled via the CAN bus.
В качестве датчиков 15 могут использоваться датчики крутящего момента или угловой скорости ДВС или какого-либо вала МТУ, температуры окружающей среды, температуры охлаждающей жидкости, датчик присутствия оператора в кресле или в кабине рабочей машины, используемый для блокирования работы МТУ при отсутствии оператора, и другие датчики, необходимость установки которых определяется особенностями конструкции рабочей машины и технологического процесса, для выполнения которого она предназначена. Датчики 15 могут быть подключены не только к шине CAN, но и непосредственно к контроллеру трансмиссии 16, панели оператора 14, контроллеру 17 ДВС или к мехатронным модулям 9, 10, 11.As sensors 15 can be used sensors of torque or angular velocity of the internal combustion engine or of any MTU shaft, ambient temperature, coolant temperature, an operator presence sensor in the chair or in the cab of the working machine, used to block MTU operation in the absence of an operator, and others sensors, the need for installation of which is determined by the design features of the working machine and the technological process for which it is intended. Sensors 15 can be connected not only to the CAN bus, but also directly to the transmission controller 16, the operator panel 14, the internal combustion engine controller 17, or to the mechatronic modules 9, 10, 11.
Генераторный и тяговые мехатронные модули 9, 10, 11 и тормозной резистор 26 могут иметь обитую систему жидкостного охлаждения 27 (на чертеже условно показаны трубопроводы с теплоносителем), объединенную с системой охлаждения ДВС 1.The generator and traction mechatronic modules 9, 10, 11 and the braking resistor 26 may have an upholstered liquid cooling system 27 (piping with a coolant are conventionally shown in the drawing), combined with the cooling system of the engine 1.
Генераторный мехатронный модуль 9 выполнен обратимым - с возможностью его работы в качестве электромотора. Благодаря этому обеспечивается возможность торможения рабочей машины двигателем внутреннего сгорания (ДВС) 1, а также запуска ДВС от внешней электрической сети, подключаемой с использованием электрического кабеля (на чертеже условно не показан).Generator mechatronic module 9 is made reversible - with the possibility of its operation as an electric motor. This makes it possible to brake the working machine with an internal combustion engine (ICE) 1, as well as start the ICE from an external electrical network connected using an electric cable (not shown conventionally in the drawing).
Генератор 2 и электромоторы 3, 4 могут быть вентильно-индукторными (вентильными индукторно-реактивными) с пассивным ферромагнитным ротором (без постоянных магнитов и обмоток на роторе), именуемыми в зарубежной технической литературе как «Switched Reluctance Motor» (SRM), синхронными с постоянными магнитами на роторе, именуемыми в зарубежной технической литературе как «Permanent Magnet Synchronous Motor» (PMSM) (реже используется название «BrushLess Direct Current motor» (BLDC), что переводится, как «Бесщеточный мотор постоянного тока»), или асинхронными.Generator 2 and electric motors 3, 4 can be valve-inductor (valve inductor-reactive) with a passive ferromagnetic rotor (without permanent magnets and windings on the rotor), referred to in the foreign technical literature as “Switched Reluctance Motor” (SRM), synchronous with constant rotor magnets, referred to in the foreign technical literature as the “Permanent Magnet Synchronous Motor” (PMSM) (less commonly used is the name “BrushLess Direct Current motor” (BLDC), which translates as “Brushless DC Motor”), or asynchronous.
Каждый из тяговых мехатронных модулей 10, 11 может содержать встроенный электромагнитный стояночный тормоз 28, 29. В этом случае силовой преобразователь 19, 20 содержит электронный ключ, соединенный с контроллером 22, 23 и обеспечивающий управление включением/отключением этого тормоза в зависимости от сигнала, поступающего по шине CAN. Возможна также реализация контроллером 22, 23 алгоритма автоматического включения этого тормоза через установленный интервал времени после остановки вала электромотора 3, 4.Each of the mechatronic traction modules 10, 11 may contain an integrated electromagnetic parking brake 28, 29. In this case, the power converter 19, 20 contains an electronic key connected to the controller 22, 23 and provides control of the on / off of this brake depending on the signal received on the CAN bus. It is also possible that the controller 22, 23 implements an algorithm for automatically activating this brake after a set time interval after the motor shaft 3, 4 stops.
Бортовые редукторы 5, 6 выполнены обратимыми с возможностью приведения во вращение роторов электромоторов 3, 4 при замедлении, буксировке рабочей машины или при ее движении под уклон. В этом случае электромоторы работают в режиме генераторов, обеспечивая возможность торможения самоходной машины и накопления кинетической энергии во вращающихся деталях ДВС 1, генератора 2, маховика (при его наличии) и в дополнительном накопителе энергии 25 (при его наличии).On-board gearboxes 5, 6 are made reversible with the possibility of bringing the rotors of electric motors 3, 4 into rotation when decelerating, towing the working machine or when it moves downhill. In this case, the electric motors operate in the generator mode, providing the possibility of braking the self-propelled machine and the accumulation of kinetic energy in the rotating parts of the engine 1, generator 2, flywheel (if any) and in an additional energy store 25 (if any).
Если рабочая машина имеет привод рабочего оборудования и/или вала отбора мощности (ВОМ), то электрическая энергия для его работы может быть получена как от генератора 2, так и от дополнительного генератора, соединенного с ДВС 1.If the working machine has a drive of working equipment and / or a power take-off shaft (PTO), then electric energy for its operation can be obtained both from generator 2 and from an additional generator connected to ICE 1.
МТУ может быть оснащена электрическим соединителем, подключенным к генератору 2, который в этом случае обеспечивает питание внешних потребителей рабочей машины. Через этот соединитель и электрический кабель на рабочую машину может подаваться электрическая энергия внешней трехфазной электрической сети 220/380 В переменного тока. Это напряжение через дополнительный электрический модуль, выполненный, например, в виде трехфазного мостового выпрямителя, поступает на силовые шины 12 и далее может использоваться для запуска ДВС 1 и при работе машины.MTU can be equipped with an electrical connector connected to a generator 2, which in this case provides power to external consumers of the working machine. Through this connector and an electric cable, electric energy of an external three-phase electric network 220/380 V AC can be supplied to the working machine. This voltage through an additional electrical module, made, for example, in the form of a three-phase bridge rectifier, is supplied to the power bus 12 and then can be used to start the internal combustion engine 1 and when the machine is running.
Если в МТУ используется не электромеханическая, а гидростатическая силовая передача с закрытым (замкнутым) или открытым контуром, то вместо электрических генераторов используются гидравлические насосы, а вместо электромоторов - гидромоторы. В этом случае вместо электрической энергии и мощности рассматривается гидравлическая, вместо электрического тока - поток рабочей жидкости, а вместо электрического напряжения - давление этой жидкости. Общие принципы построения предложенной МТУ при этом не изменяются.If the MTU uses not electromechanical, but hydrostatic power transmission with a closed (closed) or open circuit, then hydraulic pumps are used instead of electric generators, and hydraulic motors instead of electric motors. In this case, hydraulic energy is considered instead of electric energy and power, the flow of working fluid instead of electric current, and the pressure of this fluid instead of electrical voltage. The general principles of the proposed MTU are not changed.
В частности, возможно построение МТУ с одним гидронасосом и одним гидромотором и главной передачей, либо с одним гидронасосом и двумя гидромоторами, либо с двумя гидронасосами, соединенными гидравлическими линиями с гидромоторами левого и правого борта рабочей машины. Силовые преобразователи 18, 19 и 20 в этом случае осуществляют регулирование тока пропорциональных электромагнитов гидромашин, а стояночные тормоза 28 и 29 имеют электрогидравлическое управление.In particular, it is possible to build a MTU with one hydraulic pump and one hydraulic motor and main gear, or with one hydraulic pump and two hydraulic motors, or with two hydraulic pumps connected by hydraulic lines to the left and right side hydraulic motors of the working machine. Power converters 18, 19 and 20 in this case regulate the current of proportional electromagnets of hydraulic machines, and the parking brakes 28 and 29 have electro-hydraulic control.
МТУ рабочей машины работает следующим образом.MTU working machine works as follows.
ДВС 1 непосредственно, через упругую муфту и/или через повышающий редуктор (мультипликатор) 24 приводит во вращение ротор генератора 2 генераторного мехатронного модуля 9. Силовой преобразователь 18, реализованный с использованием диодов или силовых IGBT транзисторов, управляемых контроллером 21, выполняет функции выпрямителя. Если генератор 2 выполнен вентильно-индукторным с независимым возбуждением, то с помощью силового преобразователя 18 и контроллера 21 осуществляется регулирование тока возбуждения генератора 2.The internal combustion engine 1 directly, through an elastic coupling and / or through a boost reducer (multiplier) 24, drives the generator 2 of the generator mechatronic module 9. The power converter 18, implemented using diodes or power IGBT transistors controlled by the controller 21, performs the functions of a rectifier. If the generator 2 is made of a valve-inductor with independent excitation, then using the power converter 18 and the controller 21, the excitation current of the generator 2 is regulated.
Напряжение постоянного тока, например с номинальным рабочим напряжением 550 В, с выхода генераторного мехатронного модуля 9 по силовым шинам 12 поступает на тяговые мехатронные модули 10, 11, накопитель энергии 25 (при его наличии) и управляемый тормозной резистор 26.DC voltage, for example with a rated operating voltage of 550 V, from the output of the generator mechatronic module 9 via power buses 12 is supplied to the traction mechatronic modules 10, 11, an energy storage device 25 (if available) and a controlled braking resistor 26.
Электромоторы 3, 4, получающие электрическую энергию от силовых преобразователей 19, 20, преобразуют ее в механическую энергию и передают вращающий момент на бортовые редукторы 5, 6 и далее на ведущие колеса или звездочки 7, 8, обеспечивая движение рабочей машины.Electric motors 3, 4, receiving electrical energy from power converters 19, 20, convert it into mechanical energy and transmit torque to final drives 5, 6 and further to drive wheels or sprockets 7, 8, providing movement of the working machine.
Режимы работы генераторного 9 и тяговых 10, 11 мехатронных модулей устанавливаются в зависимости от информационных сигналов, присутствующих в шине последовательной цифровой передачи данных CAN, либо самостоятельно контроллерами этих модулей.The operating modes of the generator 9 and traction 10, 11 mechatronic modules are set depending on the information signals present in the serial CAN digital data bus, or independently by the controllers of these modules.
Во время работы машины скорость ее движения устанавливается оператором (машинистом) с помощью органов управления 13. Если мощности ДВС достаточно для поддержания этой скорости при текущем значении тяговой нагрузки рабочей машины, то машина движется с заданной скоростью.During operation of the machine, its speed is set by the operator (operator) using the controls 13. If the internal combustion engine power is sufficient to maintain this speed at the current value of the traction load of the working machine, the machine moves at a given speed.
При увеличении тяговой нагрузки возрастает необходимый крутящий момент электромоторов 3, 4. Если этот момент не может быть реализован при заданной скорости вращения их роторов, то контроллеры 22, 23 осуществляют управление силовыми преобразователями 19, 20 из условия снижения скорости вращения роторов электромоторов при одновременном повышении их крутящего момента.When the traction load increases, the required torque of the electric motors 3, 4 increases. If this moment cannot be realized at a given speed of rotation of their rotors, then the controllers 22, 23 control the power converters 19, 20 from the condition of reducing the speed of rotation of the rotors of the electric motors while increasing them torque.
При уменьшении тягового усилия рабочей машины контроллеры 22, 23 автоматически увеличивают скорость вращения роторов электромоторов 3, 4. При этом скорость движения рабочей машины возрастает до величины, заданной оператором с помощью органов управления 13.When the traction of the working machine decreases, the controllers 22, 23 automatically increase the rotational speed of the rotors of the electric motors 3, 4. At the same time, the speed of the working machine increases to a value specified by the operator using the controls 13.
В результате этого обеспечивается автоматическое регулирования тягового усилия и скорости движения рабочей машины при полном использовании мощности ДВС 1.As a result of this, automatic control of the tractive effort and speed of the working machine with the full use of the power of the engine 1 is provided.
Для реализации поворота машины тяговые мехатронные модули 10, 11 (их контроллеры 22, 23) после получения информации о величине радиуса поворота с шины CAN устанавливают различные угловые скорости вращения роторов электромоторов 3, 4, обеспечивая поворот рабочей машины.To implement the rotation of the machine, the traction mechatronic modules 10, 11 (their controllers 22, 23), after receiving information about the radius of rotation from the CAN bus, set various angular rotational speeds of the rotors of the electric motors 3, 4, ensuring the rotation of the working machine.
Одновременно контроллеры 21, 22, 23 генераторного 9 и тяговых 10, 11 мехатронных модулей обмениваются данными о текущих величинах их мощностей по шине CAN и далее управляют силовыми преобразователями 18, 19, 20 из условия приведения в соответствие выходной мощности генераторного мехатронного модуля 9 и суммарной мощности, потребляемой тяговыми мехатронными модулями 11, 12, а также из условия поддержания предварительно установленного распределения тягового усилия между колесами передней и задней оси, либо из условия предотвращения паразитной циркуляции мощности, обусловленной различием длины пути каждого колеса или гусеницы при повороте рабочей машины.At the same time, the controllers 21, 22, 23 of the generator 9 and traction 10, 11 mechatronic modules exchange data on the current values of their capacities on the CAN bus and then control the power converters 18, 19, 20 from the condition of matching the output power of the generator mechatronic module 9 and the total power consumed by traction mechatronic modules 11, 12, as well as from the condition of maintaining a predetermined distribution of traction between the wheels of the front and rear axles, or from the condition of preventing spurious compasses power, due to the difference in the path length of each wheel or track when turning the working machine.
Если при текущем значении тягового усилия рабочей машины и заданной оператором скорости ее движения мощность ДВС 1 оказывается избыточной, то контроллер 17 ДВС осуществляет снижение этой мощности, регулируя подачу топлива.If at the current value of the traction force of the working machine and the speed set by the operator of the engine, the power of the internal combustion engine 1 is excessive, then the internal combustion engine controller 17 reduces this power by adjusting the fuel supply.
При этом с помощью датчиков 15 контролируются режимы и параметры МТУ. Их текущее состояние отображается на панели оператора 14.In this case, using the sensors 15, the modes and parameters of the MTU are monitored. Their current status is displayed on the operator panel 14.
При работе МТУ необходимо обеспечить устойчивость работы ДВС на внешней скоростной характеристике.When operating MTU, it is necessary to ensure the stability of the internal combustion engine at an external speed characteristic.
Необходимо, чтобы его максимальный крутящий момент Мкmax на заданную величину превышал момент на режиме номинальной мощности Μкн. Изменение крутящего момента Мк на внешней характеристике характеризуется номинальным коэффициентом запаса крутящего моментаIt is necessary that its maximum torque M kmax by a predetermined amount exceed the moment at the rated power mode Μ kn . The change in torque M to on the external characteristic is characterized by a nominal torque reserve factor
В предложенной МТУ применен двигатель постоянной мощности (ДПМ), имеющий высокое значение µн, например, 40%. Такое значение может быть получено, в частности, путем регулирования наддува в сочетании с коррекцией подачи топлива с помощью контроллера 17 ДВС. Соответственно, мощность ДВС Ne при его работе на его внешней характеристике сохраняется постоянной в диапазоне скоростей вращения его коленчатого вала от ωmin до ωmax(от 0,6 ωmax до ωmax).In the proposed MTU, a constant power engine (DCM) is used having a high μ n value, for example, 40%. This value can be obtained, in particular, by regulating the boost in combination with the correction of the fuel supply using the controller 17 engine. Accordingly, the ICE power N e during its operation on its external characteristic remains constant in the range of rotation speeds of its crankshaft from ω min to ω max (from 0.6 ω max to ω max ).
Если тяговое усилие машины стабильно (стационарный режим работы МТУ), то контроллер 17 ДВС устанавливает его угловую скорость в середине рабочей зоны, например, ωo≈0,8 ωmax. В этом случае ДВС сохраняет свою мощность как при снижении скорости вращения от ωo до ωmin=0,6 ωmax, так и при повышении скорости вращения от ωo до ωmax.If the traction force of the machine is stable (stationary MTU operation mode), then the internal combustion engine controller 17 sets its angular velocity in the middle of the working area, for example, ω o ≈ 0.8 ω max . In this case, the internal combustion engine retains its power both when the rotation speed decreases from ω o to ω min = 0.6 ω max , and when the rotation speed increases from ω o to ω max .
Сохранение мощности ДВС Ne при изменении скорости его вращения ωд открывает возможность использования инерционных масс вращающихся частей ДВС, генератора или гидронасоса для увеличения тяговой мощности рабочей машины, для сглаживания колебаний нагрузки на ДВС, а также для рекуперации кинетической энергии рабочей машины при ее торможении путем передачи этой энергии на вращающиеся части (детали) ДВС, генератора (гидронасоса) и, при необходимости, на маховик, прикрепленный к этим частям.Preserving the ICE power N e when changing its rotation speed ω d opens up the possibility of using the inertial masses of the rotating parts of the ICE, generator or hydraulic pump to increase the traction power of the working machine, to smooth the load fluctuations on the ICE, and also to recover the kinetic energy of the working machine when it is braked by transferring this energy to the rotating parts (parts) of the internal combustion engine, generator (hydraulic pump) and, if necessary, to the flywheel attached to these parts.
Вращающиеся части ДВС 1 и генератора 2 или гидронасоса обладают запасом кинетической энергииThe rotating parts of the engine 1 and generator 2 or hydraulic pump have a kinetic energy reserve
где I - приведенный момент инерции этих частей относительно оси вращения, ω - угловая скорость их вращения.where I is the reduced moment of inertia of these parts relative to the axis of rotation, ω is the angular velocity of their rotation.
В случае возрастания тягового усилия рабочей машины F во время работы МТУ в переходных и динамических режимах угловая скорость ДВС ωд снижается до величины ωo>ωд>ωmin. Это снижение сопровождается передачей кинетической энергии Кз вращающихся частей частей ДВС 1 и генератора 2 (либо гидронасоса) на этот генератор (гидромотор)In the case of increased traction of the working machine F during MTU operation in transitional and dynamic modes, the angular velocity of the internal combustion engine ω d decreases to the value ω o > ω d > ω min . This reduction is accompanied by transfer of kinetic energy K of the rotating parts of the engine 1 and the parts of the generator 2 (or a pump) to the generator (motor)
Соответственно, генератор или гидромотор преобразует в электрическую или гидравлическую энергию одновременно как механическую энергию ДВС, так и кинетическую энергию вращающихся частей ДВС и генератора или гидронасоса. При этом преобразуемая мощность превышает мощность ДВС Ne, что обеспечивает повышение тяговой мощности МТУ и машины в целом.Accordingly, the generator or hydraulic motor converts both the mechanical energy of the internal combustion engine and the kinetic energy of the rotating parts of the internal combustion engine and the generator or hydraulic pump into electrical or hydraulic energy. In this case, the converted power exceeds the power of the internal combustion engine N e , which ensures an increase in the traction power of the MTU and the machine as a whole.
Если ДВС работает на скорости ωo и происходит снижение тягового усилия F рабочей машины в динамических режимах работы МТУ, то угловая скорость ДВС ωд повышается до величины ωmax>ωд>ωo.If the internal combustion engine operates at a speed of ω o and there is a decrease in the traction force F of the working machine in the dynamic operating modes of the MTU, then the angular velocity of the internal combustion engine ω d increases to ω max > ω d > ω o .
Это повышение сопровождается передачей избыточной энергии от ДВС на вращающиеся части ДВС 1 и генератора 2 или гидронасоса, что приводит к увеличению их кинетической энергииThis increase is accompanied by the transfer of excess energy from the internal combustion engine to the rotating parts of the internal combustion engine 1 and generator 2 or hydraulic pump, which leads to an increase in their kinetic energy
При торможении рабочей машины электромоторы 3, 4 (гидромоторы) переходят в режим генераторов (насосов), а генератор 2 (гидронасос) в режим электромотора (гидромотора). Благодаря этому кинетическая энергия замедляющейся рабочей машины (энергии торможения машины) и избыточная энергия ДВС передается на вращающиеся части ДВС 1 и генератора 3 (гидронасоса), выполняющие роль гироскопического (маховичного) накопителя энергии.When braking the working machine, electric motors 3, 4 (hydraulic motors) go into the mode of generators (pumps), and generator 2 (hydraulic pump) into the mode of electric motor (hydraulic motor). Due to this, the kinetic energy of the decelerating working machine (braking energy of the machine) and the excess energy of the internal combustion engine are transmitted to the rotating parts of the internal combustion engine 1 and generator 3 (hydraulic pump), which act as a gyroscopic (flywheel) energy storage device.
Для повышения эффективности такого накопителя энергии в МТУ может дополнительно устанавливаться повышающий редуктор (мультипликатор) 24 и/или к этим вращающимся частям может быть прикреплен дополнительный маховик. Этот маховик, с целью снижение диапазона изменения угловой скорости ДВС, может быть выполнен с переменным моментом инерции.To increase the efficiency of such an energy storage device, a step-up reducer (multiplier) 24 can be additionally installed in the MTU and / or an additional flywheel can be attached to these rotating parts. This flywheel, in order to reduce the range of variation of the angular velocity of the internal combustion engine, can be performed with a variable moment of inertia.
В случае интенсивного торможения машины частота вращения ДВС может превысить ωmax. Для предотвращения такой возможности необходимо поглощение избыточной энергии торможения. С этой целью в МТУ может быть установлен вспомогательный электрический, электромеханический или гидравлический накопитель энергии 25 и/или тормозной резистор 26.In the case of intensive braking of the machine, the engine speed may exceed ω max . To prevent this, the absorption of excess braking energy is necessary. For this purpose, an auxiliary electric, electromechanical or hydraulic energy storage device 25 and / or braking resistor 26 can be installed in the MTU.
Если машина должна работать с максимальной тяговой мощностью, то контроллер 17 обеспечивает работу ДВС 1 на его внешней характеристике в диапазоне скоростей вращения от ωmin до ωmax. Контроллер трансмиссии 16 при этом обеспечивает нужное передаточное отношение трансмиссии, а контроллер 21 генератора (гидронасоса) - поддержание номинального значения напряжения или тока в силовых шинах 12 (давления или расхода жидкости в гидравлических магистралях).If the machine should work with maximum traction power, then the controller 17 provides the operation of the internal combustion engine 1 on its external characteristic in the range of rotation speeds from ω min to ω max . In this case, the transmission controller 16 provides the desired transmission ratio, and the generator (hydraulic pump) controller 21 maintains the nominal voltage or current in the power buses 12 (pressure or fluid flow in the hydraulic lines).
При малых величинах тягового усилия F рабочей машины мощность ДВС 1 оказывается избыточной. В этих случаях контроллер 17 обеспечивает режим работы ДПМ с меньшей мощностью и с более высоким значением коэффициентом запаса крутящего момента µ. Описанные процессы передачи энергии и обмена этой энергией при этом не изменяются.For small values of traction force F of the working machine, the power of the internal combustion engine 1 is excessive. In these cases, the controller 17 provides the mode of operation of the PDM with less power and with a higher value of the safety factor µ. The described processes of energy transfer and exchange of this energy are not changed.
Таким образом, в предложенной МТУ реализован гироскопический (маховичный) накопитель энергии с использованием существующих деталей, узлов и агрегатов МТУ без применения дополнительного накопителя энергии, что обеспечивает эффективное сглаживание динамических нагрузок на ДВС при одновременном улучшении массо-габаритных характеристик и расширении сферы применения МТУ.Thus, the proposed MTU implements a gyroscopic (flywheel) energy storage device using existing MTU parts, components and assemblies without the use of an additional energy storage device, which provides effective smoothing of dynamic loads on the internal combustion engine while improving the mass-dimensional characteristics and expanding the scope of MTU application.
Для специалистов в данной области техники понятно, что кроме описанной самоходной рабочей машины возможны также иные варианты ее реализации на основе признаков, изложенных в формуле изобретения.For specialists in the art it is clear that in addition to the self-propelled working machine described, other options for its implementation are also possible on the basis of the features set forth in the claims.
(56) 1. RU 19233 U1, Н02М 11/00, 13.12.2000.(56) 1. RU 19233 U1, Н02М 11/00, 12/13/2000.
2. RU 2179119 C1, B60L 11/08, А01В 67/00, В60К 17/12, 10.02.2002.2. RU 2179119 C1, B60L 11/08, А01В 67/00, В60К 17/12, 02/10/2002.
3. RU 92844 U1, B62D 25/16, 10.04.2010.3. RU 92844 U1, B62D 25/16, 04/10/2010.
4. RU 125662 U1, F16H 39/00, 10.03.2013.4. RU 125662 U1, F16H 39/00, 03/10/2013.
5. RU 2394701 С2, B60L 11/12, В60К 6/00, 20.07.2010.5. RU 2394701 C2, B60L 11/12, B60K 6/00, 07.20.2010.
Claims (26)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014130522/11A RU2558416C1 (en) | 2014-07-23 | 2014-07-23 | Engine transmission unit of work machine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014130522/11A RU2558416C1 (en) | 2014-07-23 | 2014-07-23 | Engine transmission unit of work machine |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2558416C1 true RU2558416C1 (en) | 2015-08-10 |
Family
ID=53795857
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014130522/11A RU2558416C1 (en) | 2014-07-23 | 2014-07-23 | Engine transmission unit of work machine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2558416C1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2618154C1 (en) * | 2016-01-20 | 2017-05-02 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)" | Method of energy recovery of the excavator rotary platform hydraulic drive |
| RU2706865C1 (en) * | 2019-02-27 | 2019-11-21 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Резонанс" (ООО НПП "Резонанс") | Self-propelled machine with internal combustion engine and electromechanical transmission |
| RU2726350C1 (en) * | 2019-12-04 | 2020-07-13 | Владимир Андреевич Коровин | Load-lifting machine caterpillar towing tractor |
| RU215449U1 (en) * | 2022-02-25 | 2022-12-14 | Общество с ограниченной ответственностью "Челябинский тракторный завод-УРАЛТРАК" | TRACKED INDUSTRIAL TRACTOR WITH ELECTROMECHANICAL TRANSMISSION |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3338548A1 (en) * | 1983-10-24 | 1985-05-02 | Volkswagenwerk Ag | Hybrid drive arrangement |
| JP2001012404A (en) * | 1999-06-28 | 2001-01-16 | Kobe Steel Ltd | Hybrid construction machine |
| RU88756U1 (en) * | 2009-06-15 | 2009-11-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный технологический университет" (ГОУВПО "КубГТУ") | COMBINED VEHICLE TRANSMISSION |
| RU2394701C2 (en) * | 2005-09-29 | 2010-07-20 | Кейтерпиллар Инк. | Electric power drive for working machine |
-
2014
- 2014-07-23 RU RU2014130522/11A patent/RU2558416C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3338548A1 (en) * | 1983-10-24 | 1985-05-02 | Volkswagenwerk Ag | Hybrid drive arrangement |
| JP2001012404A (en) * | 1999-06-28 | 2001-01-16 | Kobe Steel Ltd | Hybrid construction machine |
| RU2394701C2 (en) * | 2005-09-29 | 2010-07-20 | Кейтерпиллар Инк. | Electric power drive for working machine |
| RU88756U1 (en) * | 2009-06-15 | 2009-11-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный технологический университет" (ГОУВПО "КубГТУ") | COMBINED VEHICLE TRANSMISSION |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2618154C1 (en) * | 2016-01-20 | 2017-05-02 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)" | Method of energy recovery of the excavator rotary platform hydraulic drive |
| RU2706865C1 (en) * | 2019-02-27 | 2019-11-21 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Резонанс" (ООО НПП "Резонанс") | Self-propelled machine with internal combustion engine and electromechanical transmission |
| RU2726350C1 (en) * | 2019-12-04 | 2020-07-13 | Владимир Андреевич Коровин | Load-lifting machine caterpillar towing tractor |
| RU215449U1 (en) * | 2022-02-25 | 2022-12-14 | Общество с ограниченной ответственностью "Челябинский тракторный завод-УРАЛТРАК" | TRACKED INDUSTRIAL TRACTOR WITH ELECTROMECHANICAL TRANSMISSION |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7658250B2 (en) | Energy storage and recovery for a tracked machine | |
| US8818588B2 (en) | Parallel hybrid drive system utilizing power take off connection as transfer for a secondary energy source | |
| CN101277837B (en) | Electric powertrain for work machine | |
| US6717281B1 (en) | Electric generator and motor drive system | |
| CN104203627B (en) | Apparatus and method for transmitting power in hybrid vehicle | |
| RU2550408C1 (en) | Electromechanical transmission of self-propelled vehicle | |
| RU2540679C1 (en) | Self-moving working machine with electromechanical transmission | |
| CN1927609B (en) | Motor driving system with speed adaptation capability and controlling method thereof | |
| RU2643903C1 (en) | Self-propelled vehicle electromechanical transmission | |
| US10759431B2 (en) | Enhanced braking method and apparatus for hybrid machine | |
| CN103476656B (en) | The method of hybrid electric vehicle and control hybrid electric vehicle | |
| US20210253081A1 (en) | Energy management system for a hybrid electric ground vehicle | |
| RU2558416C1 (en) | Engine transmission unit of work machine | |
| US20150053435A1 (en) | Drive system for vehicle pulling a towed vehicle | |
| CN105835680A (en) | Drivetrain system of hybrid vehicle | |
| CN200992134Y (en) | Motor driving system with function of adopting to speed of vehicle | |
| RU2547154C1 (en) | Track-laying tractor with electromechanical driveline | |
| CN104417360A (en) | Power transmitting apparatus | |
| CN102555758A (en) | Liquid and electricity hybrid power system for bus | |
| US8878469B2 (en) | Process for electrical assistance to the braking of a vehicle and associated motor system | |
| RU2550867C1 (en) | Industrial tractor with electromechanical transmission | |
| RU2537434C1 (en) | Earthmover with hydrostatic transmission | |
| CN112031062B (en) | Walking driving system of electric loader and control method | |
| US20230373316A1 (en) | Methods and system for controlling loss mode for an electric machine | |
| CN202413390U (en) | Hydraulic-electric hybrid power device of bus |