Электромеханическая трансмиссия для машин

Рис. 1. Электромеханическая  трансмиссия RENK EMT 1100 для вход­ной мощности 1100 кВт

Трансмиссия в гусеничных машинах должна выполнять задачи,  диапазон которых больше, чем у колесных автомобилей. Наряду с прямым и обратным движением она также выполняет важные функции торможения и управления.

В середине 80-х годов фирма RENK начала изучать электрические приводы для гусеничных машин. Результатом этих работ стал патент на электромеханиче­скую трансмиссию, полученный в конце 80-х - начале 90-х годов. С тех пор этот принцип получил дальнейшее развитие, он был изучен и усовершенствован.

Электромеханическая трансмиссия

Электромеханическая трансмиссия относится к группе электрических приводов и имеет их специфические преимущества. Некоторые из них следую­щие:

·       она интегрируется в полностью электрическую боевую машину (AECV);

·       обеспечивает бесступенчатый привод во время движения и управления;

·       вся мощность двигателя внутреннего сгорания может преобразоваться в электрическую энергию;

·       обеспечивает торможение с возвратом энергии;

·       в случае установки соответствующих аккумуляторных систем, позволяет осуществлять замедленное движение с отключенным двигателем внутренне­го сгорания.

Исследования показывают, что при замещении один к одному обыкновенного механического привода электроприводом, последний проигрывает при сопос­тавлении расходов и пользы. Только благодаря включению таких подсистем, как электрическое оружие и электрическая система защиты, вплоть до полностью электрической боевой машины (AECV), преимущества электропривода выявляются полностью.

В концепции электрического привода следует различать, находятся ли электродвигатели и необходимые механические ступени перехода внутри или далеко за пределами корпуса. Расположенные за пределами корпуса электродвигатели абсолютно неудобны для использования в средних и тяжелых гусеничных маши­нах в обозримом будущем. При расположении электродвигателей внутри корпуса электромеханическая трансмиссия может быть представлена как альтерна­тива полностью электрическому приводу на 2 и 4 ведущих колеса гусеницы. Нахо­дящийся внутри электропривод на четыре колеса цепной передачи (Vier-Eck-Antrieb) по сравнению с приводом только на два (Zwei-Eck-Antrieb) ведет к значи­тельному увеличению расходов. Для того чтобы лучше раскрыть качества электроме­ханической силовой установки, проводят ее сравнение с полностью электриче­ским приводом на 2 колеса.

Электромеханическая трансмиссия RENK EMT

Электромеханическая трансмиссия, предполагаемая для монтажа на 55-тонную машину, может быть представлена как аналог RENK EMT 1100 для вход­ной мощности 1100 кВт. Из-за высокой величины крутящего момента в настоя­щее время предусмотрены двигатели с постоянным магнитом. В принципе, также допустимы асинхронные двигатели. Здесь нет подробного обсуждения технологии электрокомпонентов.

Рис. 2. Основные узлы электромеханической  трансмиссии RENK EMT 1100

Рисунок 2 показывает основные узлы трансмиссии RENK EMT 1100 с электрокомпонентами от фирмы Magnet Motor:

·       привод ходовой части с тяговым двигателем МЕР, механическим двух­ступенчатым приводом и главным валом;

·       привод управления с механизмом поворота МЕР, приводом нулевого ва­ла, нулевым валом и дифференциалом поворота;

·       тормозная система с элементами, создающими тормозное сопротивле­ние, и фрикционным тормозом;

·       гидросистема тормоза и привода;

·       генератор МЕР;

·       система передачи высоких токов для генератора, приводов движения и управления, а также для управления торможением.

Привод движения

Тяговый двигатель МЕР содержит переключаемую под нагрузкой двухступенчатую планетарную передачу. Двухступенчатая передача ведет к снижению за­просов крутящего момента к электродвигателю и к снижению его размеров. Благодаря этому при запуске на первой передаче с числом 3,3 снижается максимальный крутящий момент электродвигателя по сравнению с полностью электрическим приводом. При одинаковом максимальном числе оборотов электродвигателей также снижается предельная мощность и соответственно размеры управляющей техники высоких токов. Под предельной мощностью МЕР-двигателя подразумевается результат, определяемый максимальным крутящим моментом и максимальным числом оборотов.

Рис. 3. Диаграмма тягового усилия для 55-тонной гусеничной машины:

 F_t ideal  - идеальная гипербола тягового усилия

 Рmax - максимальная предельная мощность

V – скорость

КПД - коэффициент полезного действия

На рисунке 3 показана стилизованная диаграмма тягового усилия с идеальной гиперболой силы тяги для 55-тонной гусеничной машины. Сообразно с выбором передачи двухступенчатого привода и конечного привода максимальное тяговое усилие составляет примерно 1,2х6GVW (660 кН), а максимальная скорость - 70 км/ч.

Первая передача рассчитана для движения по пересеченной местности, вторая для использования при движении по территории с легким рельефом и улицам. Машина на второй передаче может ехать по улице с уклоном (подъемом) примерно 30% (16,7°). Обычно в этом случае не требуется переключения передачи. Но при большом ускорении возможно движение на первой передаче. А во время необходимого в дальнейшем переключения на движущейся боевой машине уравнивается число оборотов.

Посредством двухступенчатого привода характеристики и оптимальное значение коэффициента полезного действия тягового двигателя МЕР отображены для обеих передач. При этом достигается отличный КПД привода в условиях пересеченной местности на небольшой скорости и с большим крутящим моментом.

Привод управления

Если гусеничная машина едет по кривой, то звенья цепи гусеничной ленты должны в принудительном порядке выполнять движение скольжения поперек осевого направления гусеницы. Чтобы избежать возникающего при этом воздействия сил трения на гусеницы, необходим поворачивающий момент, который вырабатывается при торможении внутренней и ускорении внешней гусеницы. Неизбежное при этом изменение мощности на внешнюю гусеницу может быть очень высоким.

Рис. 4.  Необходимая мощность для поворота 55-тонной гусеничной машины, движение "слалом"

ZS - нулевой вал

SD - суммирующий дифференциал

IG  - интегрирующая передача

На рисунке 4 показаны величины мощности на внешней и внутренней гусе­ницах 55-тонной гусеничной машины при движении "слалом" по бетону. Макси­мальное значение мощности на внешней гусенице достигает 1900 кВт. Чтобы подобная тяговая мощность при установленной мощности 1100 кВт двигателя внутреннего сгорания могла быть получена, нужно осуществлять регенеративный принцип управления. Мощность при этом будет передаваться от затормаживающей к ускоряю­щейся гусенице.

Трансмиссия РENK  ЕМТ имеет отдельный двигатель управления МЕР, который приводит в движение через нулевой вал (ZS) два суммирующих дифференциала (SD). В нем происходит наложение числа оборотов поворота на число оборотов движения. На рисунке 4 представлено регенеративное течение мощности от внутренней к внешней гусенице. Двигателем внутреннего сгорания возмещается лишь недостающая разница в мощности. Параметры двигателя управления МЕР определяются затрачиваемым временем для вращения вокруг вертикальной оси. Рассчитанный на предельную мощность 700 кВт двигатель управления значительно меньше тягового двигателя МЕР. Испытанный в гусеничных машинах и адаптированный к электрической силовой установке основной принцип рулевого управления нулевым валом предлагает высокую точность управления, быстрое срабатывание и хорошие характеристики прямолинейного движения.

При движении по кривой с полностью электрическим приводом, тяговый двигатель, тормозящий внутреннюю гусеницу, работает как генератор и вырабатывает электроэнергию, которая передается через систему передачи высоких токов тяговому двигателю, ускоряющему гусеницу. На примере 55-тонной машины электродвигатели должны обеспечивать на каждую сторону гусеницы до 1900 кВт. Также и техника высоких токов должна быть соответственно рассчитана на каждую сторону гусеницы.

Тормозная система

Комбинированная тормозная система (рабочий, продолжительного действия стояночный тормоз) трансмиссии RENK EMT полностью интегрирована в приводной агрегат. Она состоит в основном из тормозных элементов, обеспечивающих сопротивление электрического рабочего тормоза, из двух механических присоединенных к приводному ведомому валу двухконтурных фрикционных тормозов, из гидравлического компрессорного, запоминающего и регулирующего устройства, двухконтурных тормозных цилиндров и из пружинных аккумуляторов для обеспечения стоянки машины.

При торможении тормозные сопротивления передают избыточную энергию тягового двигателя, работающего как генератор, и загружают систему накопления энергии. При выходе из строя электрического рабочего тормоза полное тормозное действие обеспечивается механическими элементами, которые образуют резервную систему. Фрикционный тормоз берет на себя функцию аварийной системы управления в случае поломки электрического привода управления.

Сравнение трансмиссии RENK EMT с электрическим приводом

на 2 ведущих колеса гусеницы

Рис. 5. Основные данные электропривода на два ведущих колеса (масса - 55 т,  двигатель внутреннего сгорания - 1100 кВт)

На рисунке 5 отображены принципиальные данные электрического привода на 2 ведущих колеса гусеницы для 55-тонной машины, выбранной для примера. При пусковой силе тяги и максимальной скорости, имея максимальную мощность на каждом электродвигателе 6500 кВт, что вместе составляет 13000 кВт.

Рис. 6. Основные данные трансмиссии RENK EMT 1100 (масса - 55 т, двигатель внутреннего сгорания - 1100 кВт)

С такими данными двигатели МЕР дают возможность получить необходимые для регенеративного управления 1900 кВт. Размеры системы передачи высоких токов про­порциональны предельной мощности электродвигателей.

На рисунке 6 разъяснены данные основных компонентов RENK EMT. Благодаря простой механической двухскоростной передаче достаточно установки одного тягового двигателя МЕР с предельной мощностью примерно 4000 кВт. А благодаря механико-регенеративному управлению нулевым валом также достаточно одного двигателя управления МЕР с предельной мощностью примерно 700 кВт. Итого - 4700 кВт.

Вследствие небольшого количества механических деталей удается снизить установленную предельную мощность электропривода (RMMW) в противовес полностью электрическому силовому приводу с 13000 кВт до 4700 кВт, т.е. в 2,8 раза. При этом, охватывая весь привод, этот механизм экономит на объеме работ, массе и, не в последнюю очередь, на затратах.

Интеграция машины

Наиболее часто преимуществом, так называемого, полностью электрического привода является гибкое расположение компонентов в корпусе. При расположе­нии электродвигателей в задней части машины очень трудно разместить там же двигатель внутреннего сгорания так, чтобы сзади него оставалось пространство большее, чем только запасной выход. Если выбрать концепцию с расположением привода во фронтальной части, то, с нашей точки зрения, такая компактная трансмиссия с интегрированной тормозной гидравликой и с предельно краткими путями передачи энергии обеспечивает бесспорное преимущество в комплектовании. Пространство между ведущими колесами использовано наилучшим образом. Двигатель внутреннего сгорания может быть cблокирован с трансмиссией RENK EMT или расположен в более благоприятном месте машины. То же относится и к заднему приводу RENK EMT, если не нужен задний выход. Однако при  сконструированной подобным образом конфигурации можно реализовать запасной задний выход даже с силовым блоком RENK EMT, расположенным в задней части.

Исследование на спешивание показало, что соединительный вал между ведущими колесами и необходимыми ступенями не оказывает существенных помех.

Аспекты безопасности и допуска

В полностью электрическом приводе важные системы, обеспечивающие движение, управление и торможение, неразрывно связаны между собой. В ава­рийных случаях электродвигатели, расположенные с каждой стороны, принимают на себя все три функции. Привод RENK EMT, наоборот, для каждой из этих функ­ций имеет собственную аварийную систему. Поэтому, с точки зрения техники безопасности, трансмиссия RENK EMT должна быть оценена вы­ше.

Вывод

Подводя итоги, остается добавить, что электрический привод и трансмиссия RENK EMT, но только в рамках проекта полностью электрических боевых машин (AECV), могут взять верх над "зрелыми" обыкновенными механическими проектами по трансмиссиям. Но пока еще далеко до реализации этого проекта.

Для легких полностью электрических боевых машин предлагается преимущество в расположенных за пределами корпуса электродвигателях. Для средних и тяжелых машин AECV электромеханическая трансмиссия RENK EMT представляет интересную альтернативу электрическим приводам на два и четыре ведущих колеса гусеницы.

Трансмиссии RENK EMT имеет приведенные вначале общие преимущества всех электрических приводов. В качестве ограничений трансмиссии RENK EMT по отношению к полностью электрическому приводу следует назвать:

заданное расположение между ведущими колесами;

соединительный вал между ведущими колесами.

Как сказано в абзаце "Интеграция машины", эти ограничения необязательно сказываются негативно.

Трансмиссия RENK EMT по сравнению с полностью электрическим приводом имеет следующие преимущества:

·       аспекты безопасности и возможность движения по улицам - благодаря независимым системам движения, управления и торможения, а также благодаря надежности;

·       меньше, легче, дешевле - благодаря синергии механики и электрики;

·       быстрая замена силовой установки, меньше затраты на техобслужива­ние и обеспечение - благодаря компактному силовому блоку с интегрированной тормозной системой;

·       короткий путь передачи (благоприятно для электромагнитной совмести­мости, ЕМV) - благодаря компактному силовому блоку;

·       выгодное комплектование - благодаря компактному силовому блоку;

·       лучший КПД при низких скоростях - благодаря отображению наилучшего значения КПД в двух передачах;

·       стабилизированное прямолинейное движение - благодаря уравновешиванию нулевым валом;

·       механически-регенеративное управление - благодаря испытанному принципу нулевого вала механических компонентов.

Elektrisch – mechanische

Antriebsanlage für Kettenfahrzeuge

Deutsche Heeresrüstung.