CN102927168A - 一种带压力发电装置的液力缓速器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种带压力发电装置的汽车液力缓速器及其控制方法，动轮与定轮的每个叶轮叶片的压力面上固定设置压电材料片，动轮、定轮上的相邻叶轮叶片上压电材料片的正负极依次串联组成动轮、定轮压力发电模块，定轮压力发电模块连接定轮电容器，动轮压力发电模块通过铜环和电刷连接动轮电容器相连，动轮电容器和定轮电容器均与蓄电池连接，油泵一端连接工作腔的进油口相连，另一端连接工作液储槽，工作液储槽连接热交换器，热交换器通过节流阀连接工作腔的进油口，通过压力发电装置将制动时冲击动轮和定轮的液体动能转化为电能储存在蓄电池中，能够有效回收制动能量，具有独立的散热系统，可以在发动机关闭的情况下持续制动。

Description

一种带压力发电装置的液力缓速器及其控制方法

技术领域

本发明涉及汽车液力缓速器节能技术，特别指一种带压力发电装置的液力缓速器及其控制方法。

背景技术

 目前，成熟的液力缓速器产品以福伊特（Voith）R133-2型为代表，福伊特（Voith）R133-2型液力缓速器如图1所示，由动轮、定轮工作腔、输入轴、热交换器、储油箱和壳体组成。对于装有带液力变矩器的自动变速器车辆来说，原变速器系统已配备了储油罐、油泵和散热器等部件，因此，在配有自动变速器的客车和载货汽车上安装液力缓速器成本更低。该缓速器工作时，如图2所示，压缩空气经电磁阀进入储油箱，将储油箱内的机油经油路压进缓速器工作腔内，缓速器开始工作。动轮带动工作液绕轴线旋转；同时，工作液沿叶片方向运动，甩向定轮。定轮叶片对工作液产生反作用，工作液流出定轮再转回来冲击动轮，这样就形成对动轮的阻力矩，阻碍动轮的转动，从而实现对车辆的减速作用。工作液在运动过程中使进出口形成压力差，工作液循环流动，通过热交换器时，热量被来自发动机冷却系统的冷却水带走。这种液力缓速器主要存在以下问题：

1、工作液需要通过压缩空气将其压入工作腔中，需要额外地消耗汽车的动力。

2、没有独立的散热器，需要借助发动机的冷却系统对液力缓速器的工作液进行冷却，不仅限制了液力缓速器的布置位置，而且在发动机停止工作后不能提供足够冷却能力以及足够的压缩空气，限制了液力缓速器的使用以及使制动安全性降低。

3、制动时，将汽车的动能或势能转化为液体的热能经冷却系统冷却，没有将这部分制动能量回收起来再利用。

在无电场作用下，当沿着一定方向对压电材料施力而使它产生机械变形时，其内部产生极化现象，相对的两个表面会出现异号电荷，外力与端面积大，出现的电荷就多。端面电荷的符号视外力而定。当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象，称为正压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。若将两个表面装上电极并用导线接通，变化的自由电荷便从一个极板移至另一极板，形成电流。具有压电效应的晶体称为压电晶体。

发明内容

本发明目的是为了现有解决液力缓速器在工作时汽车的制动能量没有得到回收利用的问题、为了解决液力缓速器将汽车动能转化为液体热能造成冷却系统负荷过大的问题、同时为了解决液力缓速器的独立散热的问题，提供了一种带压力发电装置的液力缓速器及其控制方法，使液力缓速器在汽车上布置更加方便；能提高液力缓速器的安全性，保证液力缓速器在发动机停止工作后仍能工作。

本发明一种带压力发电装置的液力缓速器采用的技术方案是：包括有间隙对置的动轮和定轮，动轮和定轮之间的间隙形成密封的工作腔，动轮与定轮的每个叶轮叶片的压力面上固定设置压电材料片，动轮、定轮上的相邻叶轮叶片上压电材料片的正负极依次串联组成动轮压力发电模块、定轮压力发电模块，定轮压力发电模块连接到定轮电容器，动轮压力发电模块通过铜环和电刷连接动轮电容器相连，动轮电容器和定轮电容器均与蓄电池连接，油泵一端连接工作腔的进油口相连，另一端连接工作液储槽，工作液储槽连接热交换器，热交换器通过节流阀连接工作腔的进油口，蓄电池分别连接电子控制单元和油泵驱动电机。

本发明一种带压力发电装置的液力缓速器的控制方法采用的技术方案是包括如下步骤：

1）当汽车正常行驶时，工作腔内没有工作液，压力发电模块不工作；

2）当缓速制动时，电子控制单元控制蓄电池给油泵驱动电机供电，油泵驱动电机驱动油泵将工作液从工作液储槽中泵入工作腔，工作液冲击动轮和定轮的叶轮叶片上的压电材料片，产生压电效应，动轮电容器和定轮电容器分别收集压电效应产生的电能给蓄电池，同时工作液施加反作用力于动轮，产生制动力矩，对汽车进行制动；

3）制动结束后，打开节流阀将工作腔内的工作液放回到工作液储槽中。

本发明采用上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下优点：

1、通过压力发电装置将液力缓速器制动时冲击动轮和定轮的液体动能转化为电能储存在蓄电池中，能够将车辆制动能量有效的回收起来，节约了汽车的能量。

2、具有独立的散热系统，不依赖发动机的散热系统，可以在发动机关闭的情况下持续制动，可以不受液力缓速器在汽车上安装位置的限制。

3、本发明所述的液力缓速器特别适用于电动或者混合动力客车。

附图说明

图1是背景技术中福伊特R133-2型液力缓速器结构简图；

图2是图1中福伊特R133-2型液力缓速器工作原理图；

图3是本发明带压力发电装置的液力缓速器结构连接示意图；

图4是一体式压力发电装置示意图；

图5是嵌入式压力发电装置示意图；

图6是依附式压力发电装置示意图；

图7是图6中依附式压力发电模块的立体布置示意图；

图中：1—变速器，2—缓速器壳体，3—定轮，4—动轮，5—油管，6—节流阀，7—冷却水管路，8—水温传感器，9—水泵，10—水泵驱动电机，11—散热器，12—散热风扇驱动电机，13—散热风扇，14—热交换器，15—工作液温度传感器，16—工作液储槽，17—油泵，18—油泵驱动电机，19—转速传感器，20—电刷，21—铜环，22—动轮电容器，23—电导线，24—定轮电容器，25—变速器输出轴，26—压电材料片，27—绝缘体，28—叶片，29—工作液流向，30—电子控制单元，31—整车控制器，32—蓄电池，33—信号线。

具体实施方式

图3所示，本发明带压力发电装置的液力缓速器的结构包括缓速器本体、散热系统、压力发电装置、电子控制系统等部分。该液力缓速器根据需要可以布置在变速器输出端、变速器输入端以及后桥输入端。这里以布置在变速器输出端为例进行叙述。

    缓速器本体包括动轮3、定轮4、缓速器壳体2、油泵17、油泵驱动电机18、工作液储槽16、节流阀6等。动轮3与定轮4同轴有间隙地对置，动轮3与定轮4之间的间隙形成密封的工作腔，工作腔上开进油口和出液口，定轮4固定在缓速器壳体2上，动轮3是固定在变速器输出轴25上，动轮3由变速器1带动旋转。油泵17一端通过油管5与工作腔的进油口相连，另一端通过油管5连接回工作液储槽16，油泵17的作用是将工作液从工作液储槽16中泵入工作腔。节流阀6通过油管5将热交换器14与工作腔出液口连接起来，热交换器14再通过油管5工作液储槽16。热交换器14的作用是对工作腔内高温的工作液进行降温。通过调节节流阀6的开度，使缓速器工作腔达到不同的充液量和放掉工作腔内的工作液。

散热系统包括散热器11、散热风扇13、散热风扇驱动电机12、水泵9、水泵驱动电机10、冷却水管路7以及热交换器14组成，其中散热器11、散热风扇13和热交换器14均固定在缓速器壳体2上。热交换器14、水泵9、散热器11组成循环结构，水泵12布置在冷却水管路18上靠近散热器14出水口的位置，其作用是使冷却水在冷却水管路7、散热器11中循环流动，将热交换器14中高温工作液的热量带走。水泵驱动电动机10用于驱动水泵9工作。散热风扇13布置在散热器14的正面，散热风扇驱动电机12带动散热风扇13旋转带动气流对散热器11散热。

    根据压电材料在叶轮叶片上的布置方式不同，将压力发电装置分嵌入式、依附式，一体式三种，

    如图4所示的一体式压力发电装置，动轮3与定轮4的每个叶轮叶片采用压电材料片26制作，利用压电材料片26制作工作轮。如图5所示的嵌入式式压力发电装置，在每个叶轮叶片28压力面上开凹槽，将压电材料片26安装在凹槽中，在凹槽四周固定有绝缘体27，将电导入叶轮叶片28中。如图6所示的依附式压力发电装置，在每个叶轮叶片28压力面一侧依次固定连接绝缘体27和压电材料片26。

     下面以依附式压力发电装置为例介绍液力缓速器压力发电装置的结构组成，其它结构形式不再赘述。

   压力发电装置包括绝缘体27、压力发电模块、电导线23、蓄电池32、动轮电容器22、定轮电容器24、铜环21以及电刷20等。如图4所示，叶轮叶片28的压力面是正对工作液流向29的叶片表面。当动轮3、定轮4安装好后，根据动轮3的转向，其工作液流向便是确定的。

如图5所示，在叶轮叶片28压力面一侧依次固定绝缘体27和压电材料片26。当压电材料片26受到压力时，使它产生机械变形，其内部产生极化现象，相对的两个表面会出现异号电荷。

 如图4所示，将相邻叶轮叶片28的压电材料片26的正负极用电导线23依次串联起来组成压力发电模块，动轮上的相邻叶轮叶片28上压电材料片26的正负极依次串联组成动轮压力发电模块，定轮4上的相邻叶轮叶片28上压电材料片26的正负极依次串联组成定轮压力发电模块。压电发电装置在叶轮叶片28上的布置对于定轮3和动轮4而言都是一样的，只是因为动轮4在不断旋转，收集电能的方式与定轮3不同。如图3所示，对于定轮3而言，由于定轮3不转动，所以可直接将压力发电模块的正负极通过电导线23连接到定轮电容器24。对于动轮4而言，由于动轮4在缓速器工作时转动，不能直接将压力发电模块的正负极通过电导线23连接到动轮电容器22，压力发电模块的正负极需通过电导线23分别连接到铜环21，将电刷20的一端接触铜环21、电刷20另一端通过电导线23与动轮电容器22相连。动轮电容器22和定轮电容器24都通过电导线23与蓄电池32连接。蓄电池32通过电导线23与油泵驱动电机18、水泵驱动电机10、散热风扇驱动电机12相连，向三个电机提供电能驱动其运转。

 电子控制系统由电子控制单元30、信号线33、工作液温度传感器15、水温传感器8、转速传感器19等组成。电子控制单元30通过信号线33分别连接各个传感器，电子控制单元30通过信号线33与整车控制器31连接，接收来自整车控制器31的整车信息。电子控制单元30与蓄电池32之间用信号线33连接，控制蓄电池32输出电机10、12、18电压大小，达到控制各个电机转速的效果。

下面结合附图4叙述带压力发电装置的液力缓速器的工作原理及控制方法。

当汽车正常行驶时，液力缓速器工作腔内没有工作液，液力缓速器不施加制动力矩给汽车。因为压力发电装置的压电材料没有收到液体冲击压力，所以压力发电装置不工作。

当电子控制单元30接收到驾驶员的缓速制动指令后，从信号线33中接收到来自整车控制器31的车辆信息，如汽车行驶速度、驾驶员需要的制动强度、汽车前后轴载荷分布等等；电子控制单元30根据上述信息计算油泵17泵入工作腔工作液的体积。

电子控制单元30控制蓄电池32给油泵驱动电机18供电，油泵驱动电机18驱动油泵17将指定量的工作液从工作液储槽16中泵入工作腔。动轮4被变速器输出轴25带动转动给工作腔的的工作液提供动能和势能；工作液流入定轮3后冲击定轮3的叶片，工作液的冲击和摩擦损失变为液体的热能使其温度不断升高，同时在动轮4与工作液相互作用中，工作液施加反作用力于动轮，产生作用在变速器输出轴25上的制动力矩，对汽车进行制动。

在此过程中，工作液冲击定轮3的叶轮叶片28，叶轮叶片28上的压电材料片26在压力作用下产生机械变形，其内部产生极化现象，相对的两个表面会出现异号电荷。定轮电容器24通过电导线23将压电效应产生的电能收集起来，再通过电导线23传递给蓄电池33；同样动轮4叶片也搅动工作液，工作液在叶轮叶片28上产生压力，动轮压电模块回收的电能通过电导线23依次传递给铜环21和电刷20，动轮电容器22通过电导线23将压电效应产生的电能收集起来，再通过电导线23传递给蓄电池33。

随着制动过程的持续，工作腔内工作液温度逐渐升高。当工作液温度传感器15检测到工作液的温度过高时，电子控制单元30控制蓄电池33给水泵驱动电机10通电带动水泵9工作，使冷却水在冷却水管路7和散热器11之间循环流动，将热交换器14中高温工作液热量带走。

调节带压力发电装置的液力缓速器散热能力的方法有两种：（1）控制水泵驱动电动机10转速带动水泵9转速升高，增加冷却水的循环量；（2）电子控制单元30控制蓄电池33给散热风扇电动机12通电带动散热风扇13旋转，增加散热风扇电动机12转速，加快散热风扇13旋转速度，增大散热器11的散热能力。电子控制单元30根据水温传感器8和工作液温度传感器15的信号控制液力缓速器的工作状态。

制动结束后，打开节流阀6将工作腔内的工作液放回到工作液储槽16中。

Claims (9)

1.一种带压力发电装置的液力缓速器，包括同轴有间隙对置的动轮（3）和定轮（4），动轮（3）和定轮（4）之间的间隙形成密封的工作腔，其特征是：动轮（3）与定轮（4）的每个叶轮叶片的压力面上固定设置压电材料片（26），动轮（3）、定轮（4）上的相邻叶轮叶片（28）上压电材料片（26）的正负极依次串联组成动轮压力发电模块、定轮压力发电模块，定轮压力发电模块连接到定轮电容器（24），动轮压力发电模块通过铜环（21）和电刷（20）连接动轮电容器（22）相连，动轮电容器（22）和定轮电容器（24）均与蓄电池（32）连接，油泵（17）一端连接工作腔的进油口相连，另一端连接工作液储槽（16），工作液储槽（16）连接热交换器（14），热交换器（14）通过节流阀（6）连接工作腔的进油口，蓄电池（32）分别连接电子控制单元（30）和油泵驱动电机（18）。

2.根据权利要求1所述的一种带压力发电装置的液力缓速器，其特征是：热交换器（14）与水泵（9）、散热器（11）组成循环结构，驱动水泵（9）的水泵驱动电机（10）连接蓄电池（32）。

3.根据权利要求2所述的一种带压力发电装置的液力缓速器，其特征是：散热器（11）的正面布置散热风扇（13），驱动散热风扇（13）旋转的散热风扇驱动电机（12）连接蓄电池（32）。

4.根据权利要求1所述的一种带压力发电装置的液力缓速器，其特征是：所述压电材料片（26）是动轮（3）或定轮（4）的叶轮叶片。

5.根据权利要求1所述的一种带压力发电装置的液力缓速器，其特征是：在每个叶轮叶片（28）的压力面上开有凹槽，凹槽中设置压电材料片（26），凹槽四周固定设有绝缘体（27）。

6.根据权利要求2所述的一种带压力发电装置的液力缓速器，其特征是：每个叶轮叶片（28）的压力面一侧依次固定连接绝缘体和压电材料片（26）。

7.一种如权利要求1所述的带压力发电装置的液力缓速器的控制方法，其特征是：

1）当汽车正常行驶时，工作腔内没有工作液，压力发电模块不工作；

2）当缓速制动时，电子控制单元（30）控制蓄电池（32）给油泵驱动电机（18）供电，油泵驱动电机（18）驱动油泵（17）将工作液从工作液储槽（16）中泵入工作腔，工作液冲击动轮（3）和定轮（4）的叶轮叶片（28）上的压电材料片（26），产生压电效应，动轮电容器（22）和定轮电容器（24）分别收集压电效应产生的电能给蓄电池（33），同时工作液施加反作用力于动轮（3），产生制动力矩，对汽车进行制动；

3）制动结束后，打开节流阀（6）将工作腔内的工作液放回到工作液储槽（16）中。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征是：随着制动过程的持续，工作腔内工作液温度升高，电子控制单元（30）控制蓄电池（33）给水泵驱动电机（10）通电带动水泵（9）工作，使冷却水在热交换器（14）和散热器（11）之间循环流动。

9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征是：电子控制单元（30）控制蓄电池（33）给散热风扇电动机（12）通电带动散热风扇（13）旋转。

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