CN104859628B - 涡卷弹簧式制动能量回收利用装置 - Google Patents

涡卷弹簧式制动能量回收利用装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种涡卷弹簧式制动能量回收利用装置，包括动力导入单元、传动控制机构、弹簧储能机构和限位控制机构；其中，动力导入单元包括飞轮轴、飞轮、联轴器、输入输出轴；传动控制机构包括第一输出齿轮、第一涡簧轴、转动盘、输入齿轮、惰轮、传动轴、外端齿轮、第一涡簧轴齿轮、第二涡簧轴齿轮、棘轮、棘爪、第二涡簧轴、第二输出齿轮、单向轴承、转动盘驱动气缸和棘爪驱动气缸；弹簧储能机构包括簧盒和平面涡卷弹簧；限位控制机构包括丝杠齿轮、限位开关和丝杠；本发明提高了能量回收利用的效率，减少使用控制单元，安装方便，结构紧凑，且控制方式简单可靠。

Description

涡卷弹簧式制动能量回收利用装置
技术领域
本发明属于汽车机械技术领域，特别是一种涡卷弹簧式制动能量回收利用装置。
背景技术
城市交通车辆由于其运行工况需频繁的制动和起动，而车辆的制动能量几乎全部是以热能的形式耗散掉的，这种情况不但会浪费燃油，更会使车辆的制动系统产生热衰退，降低制动器的使用寿命，影响了车辆的安全性。
传统实现回收制动能量的方法有飞轮储能、液压蓄能器储能、蓄电池储能等，但以上方式均具有功率密度小或者效率低等问题。
机械储能方式具有储能容量大、效率高、成本低、无污染等优点，为了回收利用制动能量，出现了利用机械装置将动能转化为势能储存并可将势能转化为动能利用的装置，特别是一种使用平面涡卷弹簧作为基本储能元件的储能技术——机械弹性储能技术，可以通过传动系统进行储能和助力。例如实用新型专利(CN 202243442 U)提供一了种涡卷弹簧式货车制动能量回收利用装置，实现了回收利用货车的制动能量，但该装置控制单元较多，且整体结构较大，安装不便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用平面涡卷弹簧的储能结构，将飞轮制动时产生的惯性动能，直接转换为储能机构中的弹性势能，控制简单，结构紧凑，体积较小的涡卷弹簧式制动能量回收利用装置。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种涡卷弹簧式制动能量回收利用装置，包括动力导入单元、传动控制机构、弹簧储能机构和限位控制机构；其中，动力导入单元包括飞轮轴、飞轮、联轴器、输入输出轴；飞轮轴上设置有飞轮，输入输出轴通过联轴器与飞轮轴连接；传动控制机构包括第一输出齿轮、第一涡簧轴、转动盘、输入齿轮、惰轮、传动轴、外端齿轮、第一涡簧轴齿轮、第二涡簧轴齿轮、棘轮、棘爪、第二涡簧轴、第二输出齿轮、单向轴承、转动盘驱动气缸和棘爪驱动气缸；第一输出齿轮和输入齿轮固定设置在输入输出轴上；转动盘通过轴承与第一涡簧轴转动配合，惰轮通过轴承与传动轴转动配合，传动轴的一端与转动盘固连，外端齿轮固定设置在第一涡簧轴上，转动盘驱动气缸驱动转动盘，并使其具有令惰轮与输入齿轮和外端齿轮啮合以及断开啮合的两个位置状态，第一涡簧轴和第二涡簧轴通过第一涡簧轴齿轮和第二涡簧轴齿轮的啮合实现传动，棘轮固定设置在第二涡簧轴上，并与棘爪的位置相配合，棘爪驱动气缸驱动棘爪，并使其具有卡住惰轮和脱离惰轮的两个位置状态，第二输出齿轮通过单向轴承设置在第一涡簧轴上，第二输出齿轮与第一输出齿轮啮合；弹簧储能机构包括簧盒和平面涡卷弹簧；平面涡卷弹簧设置在簧盒内，并均匀分布在两根涡簧轴上，平面涡卷弹簧的内端与涡簧轴连接，外端与簧盒连接，簧盒的位置固定；限位控制机构包括丝杠齿轮、限位开关和丝杠，丝杠齿轮固定设置在丝杠的丝杠螺杆上，丝杠的丝杠螺母沿丝杠螺杆轴向的两侧分别设置有释能限位开关和储能限位开关，丝杠齿轮与第二涡簧轴齿轮啮合，释能限位开关与棘爪驱动气缸连接以实现联动，储能限位开关与转动盘驱动气缸连接以实现联动。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)本发明采用了平面涡卷弹簧储能机构，避免了能量存储和释放时的多次转换，提高了能量回收利用的效率。
(2)本发明使用齿轮、转动盘、复位弹簧和气缸的组合代替输入输出轴上的两个离合器，减少使用控制单元；且传动机构、储能机构独立于输入输出轴之外，安装比较方便。
(3)本发明基本使用齿轮传动，效率较高且结构紧凑。
(4)本发明使用了丝杠和限位开关组成限位控制机构，回收能量时，有最大工作角度限位，超过最大回收圈数95％后，有开关使离合齿轮脱离；释放能量时，扭簧旋转最小角度限位，即有控制开关使棘爪卡住棘轮，这种控制方式简单可靠。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明涡卷弹簧式制动能量回收利用装置的原理示意图。
图2是本发明涡卷弹簧式制动能量回收利用装置的内部结构示意图。
图3是本发明涡卷弹簧式制动能量回收利用装置的外部结构示意图。
具体实施方式
结合图1～图3：
本发明一种涡卷弹簧式制动能量回收利用装置，包括动力导入单元、传动控制机构、弹簧储能机构和限位控制机构；其中，动力导入单元包括飞轮轴1、飞轮2、联轴器3、输入输出轴6；飞轮轴1上设置有飞轮2，输入输出轴6通过联轴器3与飞轮轴1连接；传动控制机构包括第一输出齿轮5、第一涡簧轴8、转动盘10、输入齿轮12、惰轮11、传动轴13、外端齿轮14、第一涡簧轴齿轮15、第二涡簧轴齿轮16、棘轮17、棘爪19、第二涡簧轴27、第二输出齿轮28、单向轴承29、转动盘驱动气缸30和棘爪驱动气缸31；第一输出齿轮5和输入齿轮12固定设置在输入输出轴6上；转动盘10通过轴承与第一涡簧轴8转动配合，惰轮11通过轴承与传动轴13转动配合，传动轴13的一端与转动盘10固连，外端齿轮14固定设置在第一涡簧轴8上，转动盘驱动气缸30驱动转动盘10，并使其具有令惰轮11与输入齿轮12和外端齿轮14啮合以及断开啮合的两个位置状态，第一涡簧轴8和第二涡簧轴27通过第一涡簧轴齿轮15和第二涡簧轴齿轮16的啮合实现传动，棘轮17固定设置在第二涡簧轴27上，并与棘爪19的位置相配合，棘爪驱动气缸31驱动棘爪19，并使其具有卡住惰轮12和脱离惰轮11的两个位置状态，第二输出齿轮28通过单向轴承29设置在第一涡簧轴8上，第二输出齿轮28与第一输出齿轮5啮合；弹簧储能机构包括簧盒21和平面涡卷弹簧22；平面涡卷弹簧22设置在簧盒21内，并均匀分布在两根涡簧轴上，平面涡卷弹簧22的内端与涡簧轴连接，外端与簧盒21连接，簧盒21的位置固定；限位控制机构包括丝杠齿轮18、限位开关和丝杠，丝杠齿轮18固定设置在丝杠的丝杠螺杆25上，丝杠的丝杠螺母23沿丝杠螺杆25轴向的两侧分别设置有释能限位开关20和储能限位开关24，丝杠齿轮18与第二涡簧轴齿轮16啮合，释能限位开关20与棘爪驱动气缸31连接以实现联动，储能限位开关24与转动盘驱动气缸30连接以实现联动。
输入输出轴6通过两端的支座轴承4设置在装置壳体7的底板上。
转动盘10与装置壳体7之间通过复位弹簧9连接。
棘爪19通过棘爪弹簧连接棘爪销，棘爪销固定在装置壳体7上。
丝杠两端通过丝杠支撑26设置在装备壳体7上。
实施例：
一种涡卷弹簧式制动能量回收利用装置，包括装置壳体、动力导入单元、传动控制机构、弹簧储能机构和限位控制机构；其中，动力导入单元包括飞轮轴1、飞轮2、联轴器3、支座轴承4、输入输出轴6；飞轮轴1上设置有飞轮2，输入输出轴6通过两端的支座轴承4设置在装置壳体7的底板上，并通过联轴器3与飞轮轴1连接；传动控制机构包括第一输出齿轮5、第一涡簧轴8、复位弹簧9、转动盘10、输入齿轮12、惰轮11、传动轴13、外端齿轮14、第一涡簧轴齿轮15、第二涡簧轴齿轮16、棘轮17、棘爪19、第二涡簧轴27、第二输出齿轮28、单向轴承29、转动盘驱动气缸30和棘爪驱动气缸31；第一输出齿轮5和输入齿轮12固定设置在输入输出轴6上；转动盘10通过轴承与第一涡簧轴8转动配合，惰轮11通过轴承与传动轴13转动配合，传动轴13的一端与转动盘10固连，转动盘10与装置壳体7之间通过复位弹簧9连接，外端齿轮14固定设置在第一涡簧轴8上，转动盘驱动气缸30驱动转动盘10，并使其具有令惰轮11与输入齿轮12和外端齿轮14啮合以及断开啮合的两个位置状态，第一涡簧轴8和第二涡簧轴27通过第一涡簧轴齿轮15和第二涡簧轴齿轮16的啮合实现传动，棘轮17固定设置在第二涡簧轴27上，并与棘爪19的位置相配合，棘爪19通过棘爪弹簧连接棘爪销，棘爪销固定在装置壳体7上，棘爪驱动气缸31驱动棘爪19，并使其具有卡住惰轮12和脱离惰轮11的两个位置状态，棘轮相对于棘爪正向可以转动反向不可转动，第二输出齿轮28通过单向轴承29设置在第一涡簧轴8上，正向可以自由转动反向锁死，第二输出齿轮28与第一输出齿轮5啮合；弹簧储能机构包括簧盒21和平面涡卷弹簧22；平面涡卷弹簧22设置在簧盒21内，并均匀分布在两根涡簧轴上，平面涡卷弹簧22的内端与涡簧轴连接，外端与簧盒21连接，簧盒21的位置固定；限位控制机构包括丝杠齿轮18、限位开关、丝杠和丝杠支撑26，丝杠两端通过丝杠支撑26设置在装备壳体7上，丝杠齿轮18固定设置在丝杠的丝杠螺杆25上，丝杠的丝杠螺母23沿丝杠螺杆25轴向的两侧分别设置有释能限位开关20和储能限位开关24，丝杠齿轮18与第二涡簧轴齿轮16啮合，释能限位开关20与棘爪驱动气缸31连接以实现联动，储能限位开关24与转动盘驱动气缸30连接以实现联动。
工作原理：
在制动能量回收利用装置工作之前，即飞轮1处于正常旋转状态，此时转动盘驱动气缸30处于收缩状态，惰轮11和输入齿轮12没有啮合，由于单向轴承29的作用，第二输出齿轮28也处于空转状态。
当需要制动、减速时，踩制动踏板，与制动操作机构联动的转动盘驱动气缸30的电磁阀接通，气缸杆伸出，驱动转动盘10转动，使得惰轮11与输入齿轮12和外端齿轮14啮合，输入输出轴6的扭矩经齿轮传动到涡簧轴，涡簧轴带动平面涡卷弹簧22的内端卷曲，平面涡卷弹簧22的外端固定在簧盒21上，簧盒21通过定位块固定在装置壳体7的顶板上不转动。经过持续或间断输入扭矩将较大的弹性势能存储于弹簧储能机构中。当车辆取消制动操作时，与制动操作机构联动的转动盘驱动气缸30的电磁阀关闭，气缸杆收缩，转动盘10在复位弹簧9的作用下被拉起，此时惰轮11和输入齿轮12不啮合，涡簧储能机构停止储能。棘爪19在棘爪弹簧的作用下，搭在棘轮17上，由于平面涡卷弹簧22里面存储了能量，有反转的趋势，棘爪19卡在棘轮17上，防止涡簧轴反转，此时棘爪驱动气缸31仍处于收缩状态。在存储能量的过程中，如果涡簧轴转过的圈数超过平面涡卷弹簧22最大回收圈数的95％，在制动操作仍进行的情况下，丝杠螺母23将与储能限位开关24接触，开关使转动盘驱动气缸30的电磁阀关闭，气缸杆收缩，转动盘10被复位弹簧9拉起，储能机构也停止储能。
当需要起动、加速时，踩踏加速踏板，与驱动操作机构实现联动的棘爪驱动气缸31的控制单元开始工作，棘爪驱动气缸31的电磁阀接通，气缸杆伸出，迫使棘爪19脱离棘轮17，此时涡簧轴在平面涡卷弹簧22储存的扭矩作用下开始往回旋转，机构释放能量，扭矩由第二输出轴齿轮28和第一输出轴5传递到输入输出轴6上，再通过联轴器传递到飞轮2上，实现回收能量的助力功能。当平面涡卷弹簧22转动到小于最小圈数，丝杠螺母23将与释能限位开关20接触，开关使棘爪驱动气缸31的电磁阀关闭，气缸杆收缩，棘爪19在棘爪弹簧的作用下卡在棘轮17上，涡簧轴停止旋转，释放过程结束，即输出的能量全部回馈给了飞轮2。

Claims (8)

1.一种涡卷弹簧式制动能量回收利用装置，其特征在于：包括动力导入单元、传动控制机构、弹簧储能机构和限位控制机构；其中，动力导入单元包括飞轮轴(1)、飞轮(2)、联轴器(3)、输入输出轴(6)；飞轮轴(1)上设置有飞轮(2)，输入输出轴(6)通过联轴器(3)与飞轮轴(1)连接；传动控制机构包括第一输出齿轮(5)、第一涡簧轴(8)、转动盘(10)、输入齿轮(12)、惰轮(11)、传动轴(13)、外端齿轮(14)、第一涡簧轴齿轮(15)、第二涡簧轴齿轮(16)、棘轮(17)、棘爪(19)、第二涡簧轴(27)、第二输出齿轮(28)、单向轴承(29)、转动盘驱动气缸(30)和棘爪驱动气缸(31)；第一输出齿轮(5)和输入齿轮(12)固定设置在输入输出轴(6)上；转动盘(10)通过轴承与第一涡簧轴(8)转动配合，惰轮(11)通过轴承与传动轴(13)转动配合，传动轴(13)的一端与转动盘(10)固连，外端齿轮(14)固定设置在第一涡簧轴(8)上，转动盘驱动气缸(30)驱动转动盘(10)，并使其具有令惰轮(11)与输入齿轮(12)和外端齿轮(14)啮合以及断开啮合的两个位置状态，第一涡簧轴(8)和第二涡簧轴(27)通过第一涡簧轴齿轮(15)和第二涡簧轴齿轮(16)的啮合实现传动，棘轮(17)固定设置在第二涡簧轴(27)上，并与棘爪(19)的位置相配合，棘爪驱动气缸(31)驱动棘爪(19)，并使其具有卡住惰轮(11)和脱离惰轮(11)的两个位置状态，第二输出齿轮(28)通过单向轴承(29)设置在第一涡簧轴(8)上，第二输出齿轮(28)与第一输出齿轮(5)啮合；弹簧储能机构包括簧盒(21)和平面涡卷弹簧(22)；平面涡卷弹簧(22)设置在簧盒(21)内，并均匀分布在两根涡簧轴上，平面涡卷弹簧(22)的内端与涡簧轴连接，外端与簧盒(21)连接，簧盒(21)的位置固定；限位控制机构包括丝杠齿轮(18)、限位开关和丝杠，丝杠齿轮(18)固定设置在丝杠的丝杠螺杆(25)上，丝杠的丝杠螺母(23)沿丝杠螺杆(25)轴向的两侧分别设置有释能限位开关(20)和储能限位开关(24)，丝杠齿轮(18)与第二涡簧轴齿轮(16)啮合，其中，棘爪驱动气缸(31)与释能限位开关(20)和驱动操作机构联动，转动盘驱动气缸(30)与储能限位开关(24)和制动操作机构联动。
2.根据权利要求1所述的涡卷弹簧式制动能量回收利用装置，其特征在于：所述的输入输出轴(6)通过两端的支座轴承(4)设置在装置壳体(7)的底板上。
3.根据权利要求1或2所述的涡卷弹簧式制动能量回收利用装置，其特征在于：所述的转动盘(10)与装置壳体(7)之间通过复位弹簧(9)连接。
4.根据权利要求1或2所述的涡卷弹簧式制动能量回收利用装置，其特征在于：所述的棘爪(19)通过棘爪弹簧连接棘爪销，棘爪销固定在装置壳体(7)上。
5.根据权利要求3所述的涡卷弹簧式制动能量回收利用装置，其特征在于：所述的棘爪(19)通过棘爪弹簧连接棘爪销，棘爪销固定在装置壳体(7)上。
6.根据权利要求1或2或5所述的涡卷弹簧式制动能量回收利用装置，其特征在于：所述的丝杠两端通过丝杠支撑(26)设置在装置壳体(7)上。
7.根据权利要求3所述的涡卷弹簧式制动能量回收利用装置，其特征在于：所述的丝杠两端通过丝杠支撑(26)设置在装置壳体(7)上。
8.根据权利要求4所述的涡卷弹簧式制动能量回收利用装置，其特征在于：所述的丝杠两端通过丝杠支撑(26)设置在装置壳体(7)上。
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