CN101376381A - 动能贮放装置 - Google Patents

Abstract

本发明创造公开了一种主要用于公交车制动和启动时动能贮放的机械装置，它有飞轮(2)及其动力进出轴(6)，飞轮(2)通过磨擦离合器(8)与动力进出轴(6)传动联接，飞轮(2)旁有超越离合器(10)和电动机(1)，飞轮(2)通过超越离合器(10)与电动机(1)传动联接。用于公交车等机动车时，制动可使车行驶动能驱动飞轮(2)加速转动；制动后，磨擦离合器(8)分离并车停时，电动机(1)经由超越离合器(10)进一步加速驱动飞轮(2)至高速；启动时，贮存的制动能和电能从飞轮(2)传至车以启动。比较其它类似装置，本装置有启动时使用价廉可再生的电能、节油降污显著、简单可靠成本低的优点，很容易推广应用。

Description

动能贮放装置

技术领域

本发明创造涉及动力机械装置，尤其是用于公交车等机动车辆上制动和启动时动能贮放的节能机械装置。

背景技术

长期以来，对动力设备(尤其是公交车等机动车)制动时，如何高效率、低成本地回收其动能，一直是机械行业内的重大节能难题。近年出现了二种所谓“混合动力公交车”，一种加装了制动贮放能量液压系统，另一种是加装了制动贮放能量电力系统。在制动减速或下坡时，这两种车的行驶动能或势能转化成液压能或电能并贮存在液压蓄能器或蓄电池中；在车辆起步或加速时，先释放制动所贮能量驱动车辆前进，然后发动机参与驱动。由于公交车处于频繁起步、加速、停车等工况，因此这二种车具有显著的节能环保效果：据报道，城市公交工况可节油25％至30％，减少排放发动机启动时的黑烟40％以上。但是这二种混合动力公交车每辆车增加的成本最少高达7.5万元，而难以推广。本文作者在07年5月提出了可用于改装公交车的机械技术方案“制动贮放能量飞轮装置”(专利申请号为200710105591.9和200720150943.8，)。其核心技术方案是：有飞轮及其动力进出轴，飞轮对制动能(机动车等动力设备因制动而减少的动能)的贮放，是通过其动力进出轴、磨擦离合器和无级变速器完成的：变速器传动比(速比)变小时，飞轮转速变快而贮存制动能；传动比(速比)变大时，飞轮转速变慢而释放制动能。与上述二种混合动力公交车比较，“制动贮放能量飞轮装置”装上公交车后，有着节能降污效果同样好或更好、能补助制动以及成本较低、启动基本不用变档的优点，然而，还是存在着增加重量大、制造安装成本还不够低和推广应用难度仍然偏大等主要缺点，需要加以改进。

发明内容

本发明创造提供了一种制动和启动时动能贮放的机械新装置，它是上述“制动贮放能量飞轮装置”的进一步简化和轻化：将大功率、重量约三百千克的较复杂的无级变速器取消，并增加对飞轮进行电力贮能的装置。其飞轮与机动车等需制动设备的能量交换，是通过其动力进出轴和磨擦离合器直接完成的。本装置有飞轮及其动力进出轴，飞轮通过磨擦离合器与动力进出轴传动联接，其特征在于：飞轮旁有超越离合器和电动机，飞轮通过超越离合器与电动机传动联接。制动时，制动能经由动力进出轴和磨擦离合器驱动飞轮加速转动；制动后，磨擦离合器分离并车停时，电动机经由超越离合器进一步加速驱动飞轮至高速；机动车等设备启动加速时，磨擦离合器闭合，动力从高速飞轮、磨擦离合器和动力进出轴传回以启动加速机动车等设备。比较上述的“制动贮放能量飞轮装置”，这样贮存的制动能少了，但是飞轮总贮能量却因电能的贮存反而可以增加，装置得以大幅度简化和轻化。本装置特别适用于公交车。公交车从车停到启动的时间，一般有几十秒。在这几十秒内，一个几千瓦的由传统铅蓄电池供电的电动机，就可将飞轮转速提高到能将公交车启动至每小时几十千米的速度！这样，对用于公交车等燃油车来说，本装置有着十分重大的现实意义：启动可以完全不用油，而只用飞轮贮存的制动能和价廉的可再生的能源——电能！特别要指出的是：由于用油启动的总效率仅仅达5％～10％，而用电启动的总效率可达70％，而油价已一路走高，所以用电启动比较用油启动所花掉的能源费用要少约十倍！虽然，车的用电量会大幅度增加，需大幅度增加充电次数，以及相应增加蓄电池容量，但因此增加的麻烦和成本相对很小。本装置比较上述的“制动贮放能量飞轮装置”综合性能和效益可能略胜一筹：安装在新旧公交车后，本装置虽然有启动仍旧需变档和需经常给蓄电池充电的缺点，但有可节油约30％以上、启动时发动机的黑烟由减少排放40％变至零排放、能补助制动、更简单易生产、易改装新旧车、易维护维修、成本大幅度降低、安全可靠可行性更高的优点，可以很快地大量推广应用！

附图说明

本发明创造由以下装在公交车上的三个实施例及其附图给出。图1、2所示的是第一个实施例，图1、3、4所示的是第二个实施例；这二个实施例的主体是一样的，都是由其安装在公交车尾部时的装配图图1所示。这二个实施例的区别在于实施例的主体与车变速器的联接结构不同：图2是第一种联接结构的装配图；图3和图4均是第二种联接结构的装配图，图3是图4的A—A局部剖视图。图6所示是第三个实施例示意图，也是车后桥与车变速器之间的向后剖视图。图5是图1、6的局部放大装配图。附图中，部件之间的尺寸比接近实际。

具体实施方式

由图1、6可知，这三个实施例都有飞轮(2)及其动力进出轴(6)，飞轮(2)通过磨擦离合器(8)与动力进出轴(6)传动联接，其特征在于：飞轮(2)旁有超越离合器(10)和电动机(1)，飞轮(2)通过超越离合器(10)与电动机(1)传动联接。

进一步说，由图1、2、3、4、6可知，飞轮(2)、动力进出轴(6)和电动机(1)均安装在机动车底盘架(4)上，动力进出轴(6)与机动车变速器(15)传动联接，电动机(1)由车上的蓄电池提供电力。在电动机(1)的电枢电路中，串联有过电流继电器和时间继电器等控制器件。当然，轴承采用的都是滚动轴承，如滚动轴承(7)；本装置安装在机动车后，决定贮放能程序的电动机(1)和磨擦离合器(8)的控制系统与该车是相适应的。为了合理控制电动机(1)通电时间，控制电动机(1)的开关至少有车停通电开关和有定时断电开关两种。车停通电开关一般是离心式的：有转轴及其上的滑套，滑套铰连有离心块和弹簧；轴转动时离心块离心，轴不转动时弹簧拉离心块向心而使滑套触碰开关，从而实现轴停(也就是车停)自动通电。

公交车等较大机动车的现有变速器一般是三轴式变速器，需要将其现有的中间轴加长后才能与动力进出轴(6)传动联接。附图所示三个实施例的中间轴(16)都是加长了的。图1、2、3、4所示的第一、二个实施例中，动力进出轴(6)通过万向联轴器(5)与机动车变速器(15)的中间轴(16)的端头传动联接，中间轴(16)的该端头位于机动车变速器(15)的箱体之外。

对于发动机前置的公交车，由于车内的空间布局限制，如图1所示，第一、二个实施例飞轮(2)、动力进出轴(6)和电动机(1)最好都安装在机动车底盘架(4)尾部，飞轮(2)轴线方向与车的前进方向相同，飞轮(2)靠近车尾后壁(12)。这样的布局，对现有车的改动不太大，主要是最后一排座椅(12)变高一些，对乘客用空间占用很小，车的最大乘客容量可以不变。

如图2、3所示，发动机前置车变速器(15)的位置是在车前桥(14)的前上方，飞轮(2)靠近车尾后壁(12)的布局使得万向联轴器(5)长度和重量都比较大，而且需要至少二条才能拐过车驱动桥与车变速器传动联接。如图2所示，万向联轴器(5)与中间轴(16)的传动联接是直接的，这是第一种联接结构；如图3、4所示，万向联轴器(5)与中间轴(16)的传动联接是间接的，这是第二种联接结构。第二种联接结构是为了减少转动惯量不算小的万向联轴器(5)对车变速器(15)变档的影响，而在两者之间安装了一个磨擦离合器(22)：正如图3、4所示，万向联轴器(5)至少有二条，它们是串接联动的；最靠近机动车变速器(15)的万向联轴器(5)是依次通过磨擦离合器(22)、大齿轮(21)、小齿轮(17)和中间轴(16)传动联接的。这里，在磨擦离合器(22)和中间轴(16)之间增加一级齿轮传动的目的是给磨擦离合器(22)让出空间，以避开将车变速器(15)与车驱动桥差速器联接的万向联轴装置(图省略不画)。

对于如图6所示用于发动机后置公交车的第三个实施例，由于车变速器(15)的位置在车后桥的后方，也在发动机(29)的前方，可用空间有限，所以，飞轮(2)、动力进出轴(6)和电动机(1)均只好安装在机动车底盘架(4)尾部旁边，飞轮(2)轴线方向与车的前进方向垂直，飞轮(2)靠近车尾侧壁(30)。中间轴(16)是通过三对锥齿轮(26)和二条传动轴(25)、(27)与动力进出轴(6)传动联按的。传动轴(25)、(27)的支架(28)是固定安装在底盘架(4)上的。当然，传动轴(27)与动力进出轴(6)之间的锥齿轮传动可以用链传动来代替；支架(28)在底盘架(4)上的安装，最好是用U型螺栓固定而不是焊接。

第一个实施例完成贮放制动能和电能的过程如下：

贮存制动能：车行驶时，制动踏板被向下踩的过程中，先是磨擦离合器(8)因其闭合开关被制动踏板关联触碰而闭合，动力依次经过车变速器中间轴(16)、万向联轴器(5)、动力进出轴(6)、磨擦离合器(8)传至飞轮(2)，使飞轮(2)转动或转速增加而贮存制动能，车速因此而降低；制动踏板下行至约一半路程或返回上行时，磨擦离合器(8)因其分离开关被制动踏板关联触碰而分离，飞轮(2)贮存制动能结束而独立转动。制动踏板下行超过约一半路程后，车的原制动系统才开始工作，可直至车停。

显然，上述贮存制动能的过程中，磨擦离合器(8)打滑磨擦损耗比较大，回收的那点制动能对启动车子是不够用的，于是用电能补充！

贮存电能：车经过上述过程停止时，电动机(1)因其通电开关被关联触碰而通电转动，电动机(1)依次通过链轮((3)和超越离合器(10)驱动飞轮(2)至高速，电能转化为飞轮(2)的转动动能贮存了起来；飞轮(2)达到设定的高转速后，若车停时间长于定时断电开关的设定值，电动机(1)因其定时断电开关到时而断电停止转动，以防止电能的浪费。

释放制动能和电能：①按上述过程车停后，停止时间少于或等于定时断电开关的设定值就启动时，人工触动磨擦离合器(8)开关和电动机(1)时间继电器开关，使磨擦离合器(8)闭合、电动机(1)延时数秒断电，高转速的飞轮(2)就依次通过磨擦离合器(8)、动力进出轴(6)、万向联轴器(5)和中间轴(16)使车启动；在此飞轮驱车过程，飞轮(2)转速降低而释放了制动和车停时所分别贮存的大部分制动能和电能。②按上述过程车停后，停止时间大于定时断电开关的设定值才启动时，飞轮(2)贮能量少于最大值，飞轮驱车的意义变小，所以这设定值要符合公交车的实况。当然，为了使飞轮驱车启动平稳损耗小，启动时，也要如同加油启动一样进行操纵车离合器变档：先慢档后快档，最后变为四档才完成启动，这就要求图1中磨擦离合器(8)与车离合器是同步离合的。

第二个实施例完成贮放制动能和电能的过程与上述第一个实施例的基本一样，唯一的区别是在飞轮驱车启动变档过程中，不是图1中磨擦离合器(8)与车离合器同步离合，而是图4中的磨擦离合器(22)与车离合器同步离合。

第三个实施例完成贮放制动能和电能的过程与上述第一个实施例的也是基本一样，唯一的区别是动力经过的是三对锥齿轮(26)和二条传动轴(25)、(27)，而不是万向联轴器。

这三个实施例的磨擦离合器(8)和第二个实施例的磨擦离合器(22)一般都选用电磁式的(只适宜于柴油车，对于汽油车为安全计应该用气动式的)，其开关和电动机(1)开关一样很容易安装在车上合适的地方，而能按上述过程要求完成动作。为了区别飞轮驱车和加油驱车，机动车驾驶室内要安装“飞轮驱车开关”——使磨擦离合器(8)闭合的开关。启动时不踩油门而打开此开关，就可展开上述的释放制动能和电能的过程。“飞轮驱车开关”是一种定时开关，以便在用制动能和电能启动加速完成后，使磨擦离合器(8)及时自动断电分离。

如图4所示，大齿轮(21)、小齿轮(17)是安装在齿轮箱(18)内的，齿轮箱(18)固定在其箱架(20)上，箱架(20)由U型螺栓(19)固定在机动车底盘架(4)上。这样的结构便于装卸，比较合理。

如图1、5所示，超越离合器(10)通过滚动轴承(23)安装在动力进出轴(6)上，其内有用于与飞轮(2)离合的卡销(9)。飞轮(2)是用其端面的螺旋底面槽卡(24)来与卡销(9)离合的。这样，电动机(1)在通电工作时，可以通过链轮(3)带动卡销(9)驱动转速低于超越离合器(10)的飞轮(2)；飞轮(2)转速高于超越离合器(10)时，飞轮(2)就不能驱动超越离合器(10)。在全部过程中，各转动件的转动方向是不变的。为了减小卡销(9)在工作时所受的碰撞力，螺旋底面槽卡(24)相应受碰撞力的壁面还镶有橡胶垫。

为了确保万一高速飞轮(2)破裂而不会出伤人事件，飞轮(2)应是用球墨铸铁或铸钢制成的，并如图1所示，飞轮(2)是由固定在机动车底盘架(4)上的防护罩((11)包围着的，该防护罩((11)内腔圆周圆柱壁面与飞轮(2)最外周边圆柱壁面的距离H小于15毫米。这样，高速飞轮(2)开始破裂稍有变形时，稍有裂变形的外周圆柱壁面会与防护罩(11)内腔圆周圆柱壁面接触，飞轮(2)就被防护罩((11)及时制动而不会伤人！

Claims (10)

1、一种动能贮放装置，有飞轮(2)及其动力进出轴(6)，飞轮(2)通过磨擦离合器(8)与动力进出轴(6)传动联接，其特征在于：飞轮(2)旁有超越离合器(10)和电动机(1)，飞轮(2)通过超越离合器(10)与电动机(1)传动联接。

2、根据权利要求1所述的动能贮放装置，其特征在于：飞轮(2)、动力进出轴(6)和电动机(1)均安装在机动车底盘架(4)上，动力进出轴(6)与机动车变速器(15)传动联接，电动机(1)由车上的蓄电池提供电力。

3、根据权利要求1或2所述的动能贮放装置，其特征在于：在电动机(1)电枢电路中，串联有过电流继电器和时间继电器等控制器件。

4、根据权利要求1或2所述的动能贮放装置，其特征在于：控制电动机(1)的开关至少有车停通电开关和有定时断电开关两种。

5、根据权利要求2所述的动能贮放装置，其特征在于：动力进出轴(6)通过万向联轴器(5)与机动车变速器(15)的中间轴(16)的端头传动联接，中间轴(16)的该端头位于机动车变速器(15)的箱体之外。

6、根据权利要求2所述的动能贮放装置，其特征在于：飞轮(2)、动力进出轴(6)和电动机(1)均安装在机动车底盘架(4)尾部，飞轮(2)轴线方向与车的前进方向相同，飞轮(2)靠近车尾后壁(12)。

7、根据权利要求5所述的动能贮放装置，其特征在于：万向联轴器(5)至少有二条，它们是串接联动的；最靠近机动车变速器(15)的万向联轴器(5)是依次通过磨擦离合器(22)、大齿轮(21)、小齿轮(17)和中间轴(16)传动联接的。

8、根据权利要求2所述的动能贮放装置，其特征在于：飞轮(2)、动力进出轴(6)和电动机(1)均安装在机动车底盘架(4)尾部旁边，飞轮(2)轴线方向与车的前进方向垂直，飞轮(2)靠近车尾侧壁(30)。

9、根据权利要求1或2所述的动能贮放装置，其特征在于：超越离合器(10)通过滚动轴承(23)安装在动力进出轴(6)上，其内有用于与飞轮(2)离合的卡销(9)。

10、根据权利要求2所述的动能贮放装置，其特征在于：飞轮(2)是由固定在机动车底盘架(4)上的防护罩((11)包围着的，该防护罩((11)内腔圆周圆柱壁面与飞轮(2)最外周圆柱壁面的距离小于15毫米。

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