ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ТРАНСМИССИИ

М.Л. Миллер

Mechanical Assistance for Electric Drives

AMRC / Technion – Israel

Institute of Technology, Haifa, Israel

Advanced Development Corp.

Tel Aviv, Israel

Краткий обзор

Требования по силе тяги для гусеничной боевой машины влечет за собой усложнение конструкции электропривода. Физические требования к электроприводу и системе охлаждения в основном продиктованы необходимостью обеспечить максимальные требования по тактико-техническим данным, таким как управление поворотом, управление на высокой скорости, и необходимостью выработать тяговое усилие равное 90% от полного веса гусеничной машины (GVW) одной стороной. Эти требования, каждое из которых легко удовлетворяется в обыкновенных системах привода, сложно выполнить в электроустройствах и при частых конфликтных ситуациях с трансформируемостью означенной конструкции системы электропривода.

В этом докладе анализируются некоторые методы, которые можно использовать для минимизации электротехнических требований к системе привода в разумной комбинации лучших свойств систем электрического и механического привода.

1. Введение

Классическое рассмотрение гусеничной боевой машины с полностью электрическим приводом допускает, что компоненты электропривода будут соответствовать каждому из требований по механическим тактико-техническим данным с двумя приводными электродвигателями, спаренными непосредственно с ведущими колесами. Требование обеспечения работы мощных приборов означает, что двигатель должен быть способен работать на полной мощности, независимо от скорости машины. Это приводит к архитектуре системы серийного гибкого привода, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Система классического серийного гибридного привода

Механическая энергия двигателя преобразуется в электроэнергию генератором. Эта электроэнергия соответственно кондиционируется и добавляется в шину питания тока. Прибор накопления энергии, обычно это аккумулятор, но также это может быть и маховик, добавляет или забирает энергию из шины питания, в зависимости от мгновенной максимальной нагрузки и обеспечения энергией.

Потребителями электроэнергии являются система привода и несколько других высокомощных приборов, таких как электродинамическая система пушки, активная система защиты и т.д.

Эта блок-схема привлекает своей простотой, но достигнуть преимущества возможно лишь с другими конструктивными техническими решениями.

·         Нет возможности передачи мощности с отстающей гусеницы на забегающую. Если вся тяга сосредоточена на забегающем борту, то двигатель отстающего борта в свободном режиме не увеличивает силу тяги. Половина мощности установленного привода не может быть использована для передвижения машины.

·         В серийном гибриде нельзя перенести энергию высокой эффективности питания двигателя непосредственно на колеса машины. Вся энергия привода должна пройти через многократные преобразования из механической в электрическую и обратно в механическую энергию.

·         Нельзя перенести высокую мощность поворота с внутренней части гусеницы на внешнюю. С тех пор как энергия поворота должна проходить через два двигателя и два регулятора, потеря энергии снижает эффективность управления.

Все эти особенности достигнуты обычными трансмиссиями. Вся тяговая мощность привода может подаваться с одной стороны машины. Существует непосредственное механическое соединение двигателя с ведущими звездочками для прочной части нормально функционирующего привода. Энергия для поворота может переноситься с отстающей части гусеницы на забегающую через механический привод и валы.

Будет показано, что рациональный выбор конструкции трансмиссии позволит достичь эти преимущества в системе электропривода.

2. Суть проблемы

Требования к силе тяги. Гусеничная машина

Рис.2. Требование по силе тяги к гусеничной боевой машине

Основной проблемой движения гусеничной боевой машины является обеспечение энергией поворота и преодоления различных условий дороги. Эти требования суммированы на рисунке 2, где показано нормализованное тяговое усилие обыкновенной гусеничной боевой машины как функция нормализованной скорости машины.

Машина снабжена приводом таким образом, что может вырабатывать тяговое усилие равное 90% от полного веса машины при минимальной скорости. Максимальная скорость машины определяется пересечением линии уровня силы сопротивления со стороны и кривой тягового усилия. В этой точке двигатель работает с максимальной мощностью.

Очень высокое тяговое усилие при низких скоростях достигается, конечно, при помощи многоскоростной трансмиссии и гидротрансформатора. Типичная трансмиссия для тяжелого основного боевого танка (МВТ) может иметь диапазон от 4,5:1 до 5:1 с дополнительным диапазоном гидротрансформатора 2,5-3:1. При надлежащем согласовании двигателя и гидротрансформатора, максимальное тяговое усилие в силовом режиме может быть в 12-15 раз выше, чем тяговое усилие при максимальной скорости машины. Следовательно, обыкновенная трансмиссия легко может обеспечить тяговое усилие равное 90% от полного веса машины. Примечательно, что максимальный уклон, который в основном определен как 60%, ниже этого требования.

Однако существует число специфических требований к гусеничным боевым машинам, которое вызывает практически неразрешимую проблему для классического электропривода (рис.1).

Основной проблемой для гусеничной боевой машины является требование высокоэффективного управления. В то время как требование по силе тяги для прямолинейного движения представлено кривой постоянного питания, то требование для начала поворота выражено кривой постоянного крутящего момента, как видно на рисунке 2.

Для того, чтобы начать поворот, трансмиссия машины должна выработать значительный крутящий момент, в результате чего изменяется скорость перематывания. Если трансмиссия не сможет сделать этого на определенной скорости, то машина не выполнит поворот на этой скорости.

Как только начинается поворот, внешнюю часть гусеницы нужно обеспечить очень высокой энергией, которая ускоряется и движется быстрее, чем центр тяжести машины. В высокодинамичном повороте энергия, которая должна обеспечивать внешнюю часть гусеницы, может достигать 1300-1500 кВт или более. Если трансмиссия не сможет передать такую энергию на внешнюю часть гусеницы, то машина будет терять скорость движения.

3. Полностью электрическая тяга

Успехи в современных высокоэффективных электродвигателях и регуляторах сделали возможным скомпоновать машину так, чтобы получить 90% требований по тяговому усилию (ТЕ) и еще достичь желаемой скорости для машины. Каждый из приводных электродвигателей на рисунке 1 вырабатывает тяговое усилие равное 45% от полного веса машины. Это, в общем, показывает результаты в конструкции системы, где компоненты имеют такие размеры, чтобы ответить максимальному требованию по тяговому усилию на низкой скорости.

Если идти другим путем, то тяговый двигатель, который может производить очень высокий крутящий момент на низкой скорости и все же работает при высокой скорости, имеет запас мощности для поворота. Требование к "мощности поворота" для шестидесятитонной машины, способной развивать скорость 70 км/ч и в то же время способной выработать тяговое усилие равное 90% от полного веса машины, составляет порядка 10 МВт.

В экстремальных условиях крутого склона или трудных условиях грязи или льда, весь вес машины может быть на одной гусенице. С тех пор как не стало прямого пути переместить крутящий момент, производимый одним из моторов, на ведущее колесо на другой стороне, один двигатель сам должен быть способен вырабатывать тяговое усилие 90% от полного веса машины. Другими словами, машина должна быть оснащена двумя двигателями и регуляторами, каждый из которых способен производить тяговое усилие равное 90% от полного веса машины. Такая машина имела бы тогда мощность поворота в 20 МВт.

Подобная трансмиссия, возможно, могла бы быть создана при использовании, например, двигателей с очень высоким крутящим моментом, произведенных фирмой "Каман Электромагнетикс". Эти двигатели способны вырабатывать 2700 Н×м при малой скорости и могут достичь 3600 об/мин. Мощность при повороте этих двигателей - 1000 кВт, а номинальная - 670 кВт. Учитывая, что шестидесятитонная машина передвигается со скоростью 70 км/ч , крутящий момент, требуемый на вале электродвигателя для обеспечения тягового усилия 530 кН с каждой стороны, должен быть около 29000 Н×м. Следовательно, на каждую сторону машины нужно десять таких двигателей.

Рис. 3. Электрическое решение для выработки тягового усилия (ТЕ), равного 90% от полного веса машины, на каждую сторону

Данный пример предназначен для иллюстрации сложности разрешения одного из решающих тяговых требований к гусеничной боевой машине с классической технологией.

4. Полностью электрическое управление

Чтобы проанализировать, что происходит во время маневра управления на высокой скорости, рассмотрен в качестве примера танк весом 60 тонн. Машина передвигается на скорости 32 км/ч и радиус ее поворота 18 м . Используя метод Огоркевича, мощность, которая передается на забегающую гусеницу, около 1300 кВт, а мощность, поступающая с отстающей гусеницы - около 600 кВт. Чтобы устранить противоречие компонентов, двигатели и регуляторы предположительно должны иметь производительность 95% во всех условиях работы.

Рис. 4. Потоки энергии для полностью электрического управления

Из 575 кВт механической энергии, которая передается с отстающей гусеницы на внутренний электродвигатель, около 520 кВт превращаются в электрическую энергию на выходе из внутреннего регулятора. Чтобы обеспечить мощность 1320 кВт на забегающей гусенице, около 1530 кВт должно находиться на входе во внешний регулятор. Поскольку с отстающей гусеницы получены только 520 кВт, то первичный двигатель должен выработать 1000 кВт электроэнергии. Так как это больше, чем может обеспечить двигатель мощностью 1500 л .с., даже работающий на полную мощность, машина не может выполнить поворот, радиусом 18 м ., без торможения.

Кроме того, общее количество электроэнергии, которое выработано внутренними и внешними двигателями и регуляторами, почти 2000 кВт. Система охлаждения должна быть сконструирована для удаления данного количества тепла на время, в течение которого длится маневр управления.

На самом деле в этом примере эффективность компонентов не была достигнута. С действительными компонентами количество энергии, которую должен обеспечивать первичный двигатель, и количество тепла, которое должно быть удалено, могут быть значительно выше.

5. Системы механического управления

Большинство трансмиссий для гусеничных боевых машин оснащены двойной дифференциальной системой управления, которая эффективно разделяет путь энергии управления от тяги или привода. Направление энергии для тяги оптимизировано для тяги машины, а путь энергии для управления оптимизирован для управления. Эти системы базируются на использовании сателлитов (в планетарных зубчатых передачах) для сочетания тяги и скоростей управления и крутящих моментов.

Сателлит может быть рассмотрен как шестиполюсник, как показано на рисунке 5; три ветви многополюсника – это водило планетарной передачи (С), солнечная шестерня (S) и эпициклическая шестерня (R).

Рис. 5. Планетарный ряд где,

W –частота вращения вала, а

Т – крутящий момент на валу

Планетарный ряд полностью определяется отношением Z диаметров эпициклического колеса ÆS:

В классическом виде частоты вращения валов находятся в соотношении:

таким образом, чтобы найти частоту вращения третьего вала, нужно знать частоты вращения двух других звеньев.

Неучитываемые потери и энергия накапливались в планетарном ряде, полезная мощность в ряду равна нулю:

Поскольку эти уравнения верны для всех частот вращения и крутящих моментов,  следует, что:

Следовательно, если известен один из крутящих моментов, то крутящие моменты на двух других валах тоже известны.

Хотя данный анализ направлен на классический планетарный ряд, состоящий из эпициклической и солнечной шестерен, он действителен для любого типа планетарного ряда. Каждый тип будет иметь свое собственное определение отношения Z и свое собственное отношение частот, определяемые геометрией планетарного ряда.

В трансмиссии с двойным дифференциальным управлением используют планетарный ряд, чтобы отделить энергию тяги и управления, как показано на рисунке 6.

Рис. 6. Двойная дифференциальная система управления

Тяговая энергия из первичного двигателя поставляется на главный передаточный вал, соединяя выходы кольцевых зубчатых колес, в то время как водила планетарной передачи приводят в движение левый и правый передаточный вал. Солнечные зубчатые колеса планетарной системы управления соединены друг с другом через вал рулевой сошки управления. Для езды прямо вал рулевой сошки неподвижен, а частота вращения и крутящий момент на обоих валах выхода одинакова.

Чтобы начать поворот, вал  рулевой сошки приводится в движение приводом управления таким образом, что вырабатывается достаточный крутящий момент на забегающей и отстающей гусеницах, для того чтобы гусеницы изменили скорости движения. С тех пор, как вал управления на всех скоростях машины при движении прямо неподвижен, а вал рулевой сошки должен только распределять крутящие моменты и скорости, передача между приводом управления и солнечными зубчатыми колесами может быть такой, что гусеницы смогут изменять скорости вращения при любой скорости машины, даже с рулевым приводным электродвигателем умеренного размера.

Как только начинается поворот, энергия с отстающей гусеницы передается через главный передаточный вал и через вал рулевой сошки управления, с приводом управления, отвечающим только за потери в системе.

С тех пор, как эти потери стали по своей сути механическими, коэффициент передачи энергии с отстающей гусеницы на забегающую в основном достаточно высокий.

6. Электрическое управление с механической рекуперацией

Тот же случай, что и показанный в четвертом разделе для привода с полностью электрическим управлением, будет проанализирован, когда в системе электропривода используется трансмиссия с механическим управлением.

Рис. 7. Энергия управления в электромеханической системе

Предполагается, что в электромеханической системе на рисунке 7 приводной электродвигатель обеспечивает энергией главный передаточный вал, а двигатель управления обеспечивает энергией вал рулевой сошки.

Итак, 600 кВт энергии поставляется от отстающей гусеницы, а 1320 кВт должно уйти на забегающую гусеницу.

Около 800 кВт энергии должно вырабатываться приводным двигателем и двигателем управления. В полностью электрической системе (согласно четвертому разделу) 2000 кВт электроэнергии должны быть на внутреннем и внешнем приводных электродвигателях.

7. Многоскоростная передача для снижения требований к энергии двигателя при повороте

Важное преимущество трансмиссии с механическим управлением заключается в том, что энергия привода передается на один единственный вал - главный передаточный вал (рис. 6). Это позволяет фактически реализовать многоскоростную передачу между приводным электродвигателем и главным передаточным валом. Переключение трансмиссии может быть выполнено без потерь энергии, если способ переключения будет таким же, как и в обыкновенной автоматической трансмиссии. Логика переключения может быть даже улучшена, потому что скорость и крутящий момент могут контролироваться во время переключения.

Этот многоскоростной эффект может быть выполнен в обычной коробке передач, состоящей из обыкновенного планетарного блока шестерен, тормозов и сцепных муфт.

Преимущества использования многоскоростной трансмиссии для снижения требований к мощности при повороте обозначены ниже, на рисунке 8.

Рис. 8. Многоскоростной блок и трансмиссия с механическим управлением снижают требование к поворотной энергии двигателя

Трансмиссия должна передавать 530 кН на одну сторону машины, приводные электродвигатели используются такие же, как и в третьем разделе. Преимущества многоскоростной трансмиссии становятся очевидными. Если вал рулевой сошки неподвижен, то весь крутящий момент привода может быть перенесен на одну сторону.

Солнечные зубчатые колеса обеих планетарных систем остановлены до вращения, обеспечивая, таким образом, необходимый крутящий момент для планетарных рядов. В примере на рисунке 8 левая гусеница не обеспечивает тяги, весь крутящий момент привода передается на правую гусеницу.

Вдобавок к этому, коробка передач может иметь соотношение первой передачи, например 5:1, позволяя, таким образом, двум приводным двигателям обеспечивать такой же крутящий момент, как и десять двигателей из примера в третьем разделе. Чистым результатом является то, что два приводных электродвигателя с мощностью при повороте 2000 кВт могут обеспечивать тяговое усилие равное 90% от полного веса машины на одной ее стороне. В устойчивом режиме мощность этих двух двигателей 1240 кВт, которая примерно равна по величине максимальной мощности первичного двигателя.

Следовательно, использование трансмиссии с механическим управлением и коробкой передач позволяет выбрать приводные двигатели и регуляторы на основе количества мощности, вырабатываемом в номинальном режиме, необходимом для машины. В полностью электрической системе привода приводные электродвигатели, регуляторы и система охлаждения должны выбираться на основе условий максимальной тяги, которые на практике встречаются редко.

Точные характеристики приводного электродвигателя зависят от определенных требований в управлении машиной. В целом приводной электродвигатель поворота должен вырабатывать столько же энергии, сколько и гидростатический механизм поворота в трансмиссии обычного танка. Грубая оценка требуемой мощности для такого механизма поворота - приблизительно 1/3 мощности приводного электродвигателя.

8. Преимущества в действиях двигателя и регулятора

Рис. 9. Крутящий момент двигателя как функция скорости машины

Использование коробки передач также приводит к существенному снижению максимального крутящего момента в двигателе и электрического тока в регуляторе, без какого-либо снижения крутящего момента на выходе. В примере, показанном на рисунке 9, рассмотрена система привода для 15-тонной гусеничной машины, у которой мощность системы электропривода – 200 кВт.

Если используется трансмиссия с одной передачей, требуется двигатель, вырабатывающий почти 1400 Н·м с сопутствующим максимально высоким электрическим током, при минимальной скорости движения и большим сопротивлением движению. Использование коробки с тремя передачами позволяет использовать двигатель с максимальным крутящими моментом 330 Н·м.

Кроме того, двигатель и регулятор работают в более благоприятных условиях с мультиплексной коробкой передач, особенно на низкой скорости и при высоком крутящем моменте. Например, при скорости 5 км/ч двигатель в системе с одной передачей работает на скорости 8% от номинальной скорости. В системе, имеющей коробку передач, двигатель эксплуатируется на скорости 60% от номинальной.

Чистый результат – это существенно меньшее потребление энергии при том же максимальном тяговом усилии.

9. Другие гибридные конфигурации

Как было упомянуто в шестом разделе, трансмиссия с механическим управлением поставляет всю энергию привода на один вал. При возможности установки коробки передач можно рассмотреть систему как альтернативу гибридной архитектуры.

Классический серийный гибридный привод (рис.1), где двигатель может развить полную мощность при любой скорости, страдает тем недостатком, что вся энергия привода должна передаваться электрически. Он проявляется в низкой эффективности на средних и больших скоростях. Это особенно верно, если сравнивать с обыкновенной системой привода, когда преобразователь крутящего момента находится в блокировке, а трансмиссия на третьей из четырех передач.

Этот недостаток можно устранить при использовании двойной системы, где механический и электрический каналы выходят от приводного двигателя на ведущие колеса.

Рис. 10. Гибридная трансмиссия с двумя каналами

Комбинация: двигатель/генератор, планетарный ряд и двигатель из  электрической непрерывной переменной трансмиссии. В то время, как скорость сдерживает компоненты, двигатель свободно работает на любой необходимой скорости независимо от скорости машины, вырабатывая полную мощность, когда требуется. Энергия двигателя, поставляемая из планетарного ряда на блок управления трансмиссии, передается посредством чисто механических приспособлений. Только часть энергии двигателя, проходящая через канал двигатель/генератор, была подвержена электрическим потерям.

При оптимальном выборе режима работы двигателя трансмиссия может быть оптимизирована для максимальной эффективности так, чтобы вся или почти вся энергия передавалась через механический канал.

Необходимо отметить, что система на рисунке представлена в форме блок-схемы. Этот тип системы, с соответствующими усовершенствованиями для оптимизации размеров электрических компонентов, может быть собран в компактную форму, пригодную для установки на боевую машину.

10. Выводы

В настоящее время оказывается, что трансмиссия, содержащая в себе лучшие свойства электрической и механической систем, будет более эффективной, будет иметь более высокие тактико-технические данные, потребуется меньшая система охлаждения и будет более пригодной, чтобы отвечать реальным требованиям по функционированию, чем просто система электрического привода.

Не имеет значения, что является конечными архитектурными характеристиками или характеристиками тактико-технических данных электрической трансмиссии, такая система может быть  рассмотрена только для сферы эксплуатации,                                     если она может быть собрана, установлена и реализована также, как обыкновенная трансмиссия.

Система электропривода в любом случае будет установлена в непосредственной близости с ведущими колесами привода и займет все пространство между ними. Поэтому есть смысл пользоваться всеми преимуществами, которые может дать электромеханическая трансмиссия.