CN105857271A - 制动能量回收和释放装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制动能量回收和释放装置，它包括均具有空腔的内环和外环且所述内环直径小于外环，内环与外环的空腔内有液态流体；内环与外环之间有所述液态流体通过的导流通道，所述内环、外环和导流通道中的至少一个与转动轴连接，导流通道与内环和外环的连接处设有阀门。本发明提供的制动能量回收和释放装置，利用液态流体在两个空心环内的流动，实现了制动减速和启动加速的效果，该装置适用于频繁制动和启动的设备或工作状态，可辅助提高制动和启动力。此外，本发明还公开了一种汽车制动能量回收和释放装置，包括上述制动能量回收和释放装置，该制动能量回收和释放装置与车轮联动，具有节能降耗的效果。

Description

制动能量回收和释放装置

技术领域

本发明属于制动能量回收和释放技术领域。

背景技术

频繁制动和启动的设备，比如城市中行进的汽车，刹车时，车体的动能被转化成刹车片的热量，白白浪费掉，启动并加速是个完全耗能的过程，特别是交通拥堵时，能源浪费更为严重，而交通工具中，启动加速的能耗，要比移动相同距离的匀速运动消耗更多的能量。类似的情景还有很多，如电梯、工业自动化装配等，都会频繁的制动和启动，只能白白浪费掉大量的能源。频繁加速减速的设备还有很多，如冲床，2冲程柴油机的压缩/做功过程等，存在受力不匀，从而不得不加大惯性设备的质量，造成的无谓开支，必然地增加能耗。常见的制动能量回收方法，如是汽车的刹车，通常是利用电机做发电机，给车轮制动作用力，把电机发出来的电储存到蓄电池中，或者用弹性装置把刹车的能量储存在弹簧中，等待释放。还有空气压缩储能，电容、飞轮储能、液压、发条盘等储能方式。但是存在结构复杂、损耗、需要额外做功等各方面的缺点，是行业所共知的。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是提供一种制动能量回收和释放装置，该装置适用于频繁制动和启动的设备或工作状态，可辅助提高制动和启动力。

为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：包括均具有空腔的内环和外环且所述内环直径小于外环，内环与外环的空腔内有液态流体；内环与外环之间有所述液态流体通过的导流通道，所述的导流通道包括回流通道和流出通道，液态流体在回流通道中由外环向内环流动，液态流体在流出通道中由内环向外环流动，所述内环、外环和导流通道中的至少一个与转动轴连接，导流通道与内环和外环的连接处设有阀门。

制动前，液态流体在内环内。制动时，液态流体通过打开的阀门依靠惯性从内环向外环流动，在此过程中，液态流体对导流通道产生反向推力，从而使转动轴作用于传动部实现减速。启动时，高速沿轴绕动的流体被阀门截流，流体沿着导流通道流动的趋势给导流通道一个推力并向内环流动，在此推力的作用下，转动轴开始转动加速，从而达到提高制动和启动力的目的。

作为优选的技术方案，所述内环、外环、导流通道内部均为真空。

作为优选的技术方案，流出通道与内环连接处设流出通道主动阀门、与外环连接处设流出通道被动阀门；回流通道与外环连接处设回流通道主动阀门、与外环连接处设回流通道被动阀门。

作为优选的技术方案，所述的内环内部设有可开闭的内环扰动片，外环内部设有可开闭的外环扰动片。

扰动片的作用是保持流体与转动轴的角速度相同。对于内环扰动片，当外环的液态流体回流至内环时，在降低流体的速度的同时，增加启动效果，保持流体与转动轴的角速度相同，以便下次流体从内环流向外环时，有一定的离心力。当流体全部流回内环后，则不必继续使得流体减速，否则会增加能耗，此时内环扰动片选择关闭，即使继续减速，也允许内环的流体继续流动。对于外环中的扰动片当内环的液态流体流出到外环时，在提高流体速度的同时，增加制动效果。

作为优选的技术方案，所述的内环和外环同圆心设置，所述的回流通道沿内环外径的切向设置，所述的流出通道沿内环、外环的半径设置，能过进一步提高制动和启动效果。

作为优选的技术方案，所述的液态流体与内环、外环和导流通道内壁不浸润。浸润与不浸润现象是一种发生在固体和液态流体之间的物理现象，产生的原因可以用分子力作用解释，当液态流体与固体接触时，在接触面形成一个液态流体薄层，这个液态流体薄层叫做附着层。附着层内部的分子同时受到液态流体分子和固体分子的吸引。如果固体分子对液态流体分子的引力小于液态流体分子之间的分子密度，此时附着层内的分子相互作用表现为引力，液面呈现收缩的趋势，便形成了不浸润现象。液态流体与内壁不浸润使得液态流体不会附着于内壁表面，流体的流动性更好，可以实现较长时间内不会由摩擦损失能量，转动惯量不会大幅度降低。

作为优选的技术方案，所述的液态流体为水银，所述的内环、外环和导流通道内壁表面为玻璃。水银具有密度大，表面张力大、凝固点低，常温下是液态，耐高温、散热好、成本低的优点，水银与玻璃不浸润，相比其它液态流体，水银的理化性质更稳定，不易变质，无需经常更换。

本发明提供的制动能量回收和释放装置，利用液态流体在两个空心环内的流动，实现了制动减速和启动加速的效果。其结构简单，成本低，控制简单，磨损小。可应用于汽车、钻头等具有转轴且需要频繁减速、加速的装置中。

本发明要解决的另一技术问题是提供一种汽车制动能量回收和释放装置。基于以上制动能量回收和释放装置的构思，本发明提供的一种汽车制动能量回收和释放装置，包括上述制动能量回收和释放装置，该制动能量回收和释放装置与车轮联动。该制动能量回收和释放装置的基本结构包括均具有空腔的内环和外环且所述内环直径小于外环，内环与外环的空腔内有液态流体；内环与外环之间有至少一个使所述液态流体通过的导流通道，所述内环、外环和导流通道中的至少一个与转动轴连接，导流通道与内环和外环的连接处设有阀门。本发明与制动系统中的车轮是联动关系，所述的转动轴与汽车的转动部件连接，转动部件可以是汽车制动系、传动系中对车轮具有加速和减速的转动部件。

此外，作为优选的技术方案，本发明所述的汽车制动能量回收和释放装置包括信号控制中心和制动踏板感应器，所述的制动踏板感应器与制动踏板和信号控制中心连接，用于感应制动踏板状态并将信号传给信号控制中心；所述的信号控制中心与阀门连接，用于接收的制动踏板感应器信号并控制阀门开闭。

本发明所述的汽车制动能量回收和释放装置，通过制动能量回收装置中流体在内外环中的流动，实现制动能量的回收和释放，提高了制动力和启动力，具有节能降耗的效果。

附图说明

图1是本发明制动能量回收和释放装置制动时的示意图。

图2是图1所述的装置启动时的示意图。

图3是本发明另一种结构的制动能量回收和释放装置制动时的示意图。

图4是图3所述的装置启动时的示意图

图5是本发明汽车制动能量回收和释放装置的连接示意图。

图6时本发明制动能量回收和释放装置的剖面图。

1-内环，2-外环，3-液态流体， 41-回流通道，42-流出通道，5-转动轴，61-流出通道主动阀门，62-流出通道被动阀门，63-回流通道主动阀门，64-回流通道被动阀门，71-内环扰动片、72-外环扰动片，8-信号控制中心，9-制动踏板感应器，10-制动踏板，11-总控开关，12-倒车挡感应器，13-驻车制动感应器，14-换挡装置，15-驻车制动装置。

具体实施方式

图1-图2所示的制动能量回收和释放装置包括均具有空腔的内环1和外环2且所述内环1直径小于外环2，内环1与外环2的空腔内有液态流体3；内环1与外环2之间有所述液态流体3通过的导流通道，所述的导流通道包括回流通道41和流出通道42，液态流体在回流通道41中由外环2向内环1流动，液态流体在流出通道42中由内环1向外环2流动，所述内环1、外环2和导流通道中的至少一个与转动轴5连接（图6），导流通道与内环1和外环2的连接处设有阀门。

内环1、外环2、导流通道内部均为真空。阀门的作用是控制流体的流出和回流，阀门可采用电磁阀、单向阀等本领域技术人员可理解的多种形式。优选地，如图1和图2所示，流出通道42与内环连接处设流出通道主动阀门61、与外环连接处设流出通道被动阀门62；回流通道41与外环连接处设回流通道主动阀门63、与内环连接处设回流通道被动阀门64。流出通道主动阀门61和回流通道主动阀门63用电磁阀控制，流出通道被动阀门62与回流通道被动阀门64可实现自开闭，即在流体冲击作用下自动打开，流体全部通过后自动关闭。

图3-图4所述的另一种结构的制动能量回收和释放装置，内环1内部设置有可开闭的内环扰动片71，外环2内部设有可开闭的外环扰动片72。内环扰动片71和外环扰动片72的作用主要是改变流体的流速，使流体与其所处的内环1和外环2转速保持一致。内环扰动片71和外环扰动片72都包括隔片和使该隔片可旋转的轴，可采用电磁控制该轴的转动，从而使上述两种扰动片具有开闭的效果。

应用时，内环扰动片71为可控制的常闭合（如图3和图4所示）以阻挡高速回流的流体，增加启动力。外环扰动片72是可控制的常开启（如图3和图4所示），仅在少数情况下闭合，闭合时可使低于轴速的外环液体加速，例如外环内的水银由于驻车时间长造成水银转速低或者停止转动的情况，需要扰流片扰动旋转至不小于轴速。

所述的阀门、内环扰动片71、外环扰动片72可以是全开也可以是半开。

导流通道的设置方向有多种方式可选，可以在内环1和外环2之间对称设置。也可以如图3和图4所示，内环1和外环2同圆心设置，回流通道41沿内环1外径的切向设置，所述的流出通道42沿内环1、外环2的半径设置。

液态流体3与内环1、外环2和导流通道4内壁不浸润。优选地，液态流体3为水银，所述的内环1、外环2和导流通道4内壁表面为玻璃。可以将玻璃固定在基底结构上，该基底材质可以是铝合金或碳纤维。此外，作为内环1、外环2和导流通道4内壁的表面材料也可以选择使用聚四氟乙烯。

转动轴5在转动时，液态流体3在内环1内在内环扰动片71的扰动下围绕着轴心，在离心力的作用下，贴紧着内环1的壁面流动，液态流体3的转速不小于转动轴5转速。

如图3所示，制动时，流出通道42上的阀门打开，回流通道41上的阀门闭合，液态流体从开口依靠惯性，沿着内环1以阀口位置为起点的切线方向有运动的趋势，且初始速度不小于内环1壁面的线速度，这个运动趋势使得流体经由流出通道42流向外环2，由于流出通道42靠近轴的部位的线速度，小于远离轴的部位的线速度，此时转动会使得流出通道42对流体产生夹角逐渐变化的、与运动方向趋势相同的克里奥利力，根据牛顿加速度定律，物体在受到外力的作用下会产生加速度运动的定律，克里奥利力使得流体加速，加速度会让导流通道给流体产生更大的克里奥利力，而更大的克里奥利力让流体受到更大的加速度，根据牛顿定律中作用力与反作用力定律，流体在通过流出通道42受到克里奥利力，使得流体对流出通道42产生相对应的反向推力，从而使转动轴作用于传动部实现减速。流体到达外环2时，克里奥利力的方向与外环线速度方向产生的合力方向使得流体在外环2沿着外环的外壁以超过当前外环2的速度贴紧外环2壁面同向圆环流动，由于液态流体与外环2的内壁是完全不浸润的关系，可以实现较长时间内不会由摩擦而显著损失能量，转动惯量不会大幅度降低，从而实现了制动并存储能量的目的，并且储能过程并不需要额外耗费功力。

如图4所示，启动时，回流通道41上的阀门打开，流出通道42上的阀门关闭，高速沿轴绕动的流体被阀门片截流，沿着回流通道41流动的趋势给回流通道41一个推力，并产生向内环1流动的趋势，在推力的作用下，转动轴5开始转动加速，同样的，根据如上制动过程中的克里奥利力的原理和角动量守恒定律，流体在回流至内环1时，释放出动能带动轴驱动传动部，从而实现了释放能量并启动的目的。此过程并不需要额外耗费功力。

在有多个回流通道41和流出通道42的情况下，可有选择地开闭全部或部分阀门。

图5所示的是汽车制动能量回收和释放装置，具有上述制动能量回收和释放装置的基本结构和优选的结构。

该制动能量回收和释放装置的基本结构包括均具有空腔的内环1和外环2且所述内环1直径小于外环2，内环1与外环2的空腔内有液态流体3；内环1与外环2之间有所述液态流体3通过的导流通道，所述的导流通道包括回流通道41和流出通道42，液态流体在回流通道41中由外环2向内环1流动，液态流体在流出通道42中由内环1向外环2流动，所述内环1、外环2和导流通道中的至少一个与转动轴5连接，导流通道与内环1和外环2的连接处设有阀门。该装置与车轮联动，可以直接连接，也可以通过齿轮、皮带等连接。在开启动能量回收和释放装置后，动能量回收和释放装置旋转，则车轮旋转，动能量回收和释放装置停止，则车轮联动停止。

优选的方案是内环1、外环2、导流通道内部均为真空。流出通道42与内环连接处设流出通道主动阀门61、与外环连接处设流出通道被动阀门62；回流通道41与外环连接处设回流通道主动阀门63、与内环连接处设回流通道被动阀门64。内环1内部设有可开闭的内环扰流片71，外环2内部设有可开闭的外环扰动片72。内环和1外环2同圆心设置，导流通道由回流通道41和流出通道42组成，所述的回流通道41沿内环1外径的切向设置，所述的流出通道42沿内环1、外环2的半径设置。

液态流体3与内环1、外环2和导流通道4内壁不浸润。优选地，液态流体3为水银，所述的内环1、外环2和导流通道4内壁表面为玻璃。可以将玻璃固定在基底结构上，该基底材质可以是铝合金或碳纤维。此外，作为内环1、外环2和导流通道4内壁的表面材料也可以选择使用聚四氟乙烯。

如图5所示，本实施例的汽车制动能量回收和释放装置还包括信号控制中心8和制动踏板感应器9，所述的制动踏板感应器9与制动踏板10和信号控制中心8连接，用于感应制动踏板10状态并将信号传给信号控制中心8；所述的信号控制中心8与阀门连接，用于接收的制动踏板感应器信号并控制阀门开闭。此外，还包括与阀门连接的总控开关11，总控开关11用于控制阀门的开闭。总控开关可以安置在方便操作的位置，如仪表盘附近，以方便地整体开启或者暂停使用本装置。在此基础上，还包括倒车挡感应器12和驻车制动感应器13；所述的倒车挡感应器12与换挡装置14和信号控制中心8连接，用于检测车辆是否处于倒车状态并将车辆处于倒车状态的信号传给信号控制中心；所述驻车制动感应器13与驻车制动装置15和信号控制中心8连接，用于检测车辆是否处于驻车状态并将车辆处于驻车状态的信号传给信号控制中心。

本实例通过本发明装置在汽车上的应用，实现刹车时把汽车的动能转化成流体的转动惯量、启动时把流体的转动惯量转换成汽车的惯量，来实现节约能耗的目的。这是一个角动量守恒中改变转动惯量则改变角速度的应用。

制动踏板感应器9能感应踩踏制动踏板的行程，速度和强度。倒车挡感应器12感应到档位在倒车挡时，切断或暂停本装置操作功能；驻车制动感应器感应到车辆驻车时，切断或暂停本装置操作功能，即使放开刹车本装置也不会工作。

总控开关11在关闭状态时，本装置关闭。总控开关11开启时，制动踏板10先对制动踏板感应器9作用，带动本装置刹车，当行程超过本装置的极限，则原刹车系统仍然生效。制动踏板感应器9感应并识别司机刹车速度、强度度等动作并转化成电信号，传送至本装置信号控制中心8，产生对相对应的开关相对应的操作。抬高制动踏板的感应器后，信号控制中心8可限制对应的阀门片开启的速度，以防止过度加速度造成能源的浪费和磨损。

在汽车领域以外，可以在电钻的钻头转动部位安装本发明所述的制动能量回收和释放装置，在钻头需要做功的时候，开启相应的阀门，使得水银从外环回流至内环，增加钻头的扭矩，钻头不做功时，使水银从内环流向外环，通过耗费一定的电能让导流槽把水银加速，使得水银以高于钻头的速度在外导流环内转动，以待下一次做功。

本发明的实施例为通过改变转动惯量改变角速度，同时实现储存和释放能量，相反的应用为通过改变转动惯量来稳定角速度，如冲压车床的飞轮，柴油机的惯性飞轮等。对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种制动能量回收和释放装置，其特征在于：包括均具有空腔的内环（1）和外环（2）且所述内环（1）直径小于外环（2），内环（1）与外环（2）的空腔内有液态流体（3）；内环（1）与外环（2）之间有所述液态流体（3）通过的导流通道，所述的导流通道包括回流通道（41）和流出通道（42），液态流体在回流通道（41）中由外环（2）向内环（1）流动，液态流体在流出通道（42）中由内环（1）向外环（2）流动，所述内环（1）、外环（2）和导流通道中的至少一个与转动轴（5）连接，导流通道与内环（1）和外环（2）的连接处设有阀门。

2.根据权利要求1所述的制动能量回收和释放装置，其特征在于：所述的内环（1）、外环（2）、导流通道内部均为真空。

3.根据权利要求2所述的制动能量回收和释放装置，其特征在于：流出通道（42）与内环连接处设流出通道主动阀门（61）、与外环连接处设流出通道被动阀门（62）；回流通道（41）与外环连接处设回流通道主动阀门（63）、与内环连接处设回流通道被动阀门（64）。

4.根据权利要求3所述的制动能量回收和释放装置，其特征在于：所述的内环（1）内部设有可开闭的内环扰动片（71），外环（2）内部设有可开闭的外环扰动片（72）。

5.根据权利要求4所述的制动能量回收和释放装置，其特征在于 ：所述的内环（1）和外环（2）同圆心设置，所述的回流通道（41）沿内环（1）外径的切向设置，所述的流出通道（42）沿内环（1）、外环（2）的半径设置。

6.根据权利要求1所述的制动能量回收和释放装置，其特征在于：所述的液态流体（3）与内环（1）、外环（2）和导流通道内壁不浸润。

7.根据权利要求6所述的制动能量回收和释放装置，其特征在于：所述的液态流体（3）为水银，所述的内环（1）、外环（2）和导流通道内壁表面为玻璃。

8.一种汽车制动能量回收和释放装置，其特征在于：包括如权利要求1-7中任意一项所述的制动能量回收装置，该制动能量回收装置与车轮联动。

9.根据权利要求8所述的汽车制动能量回收和释放装置，其特征在于：包括信号控制中心（8）和制动踏板感应器（9），所述的制动踏板感应器（9）与制动踏板（10）和信号控制中心（8）连接，用于感应制动踏板（10）状态并将信号传给信号控制中心（8）；所述的信号控制中心（8）与阀门连接，用于接收的制动踏板感应器信号并控制阀门开闭。