CN111734693B - 一种气动应变能蓄能器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种气动应变能蓄能器及其控制方法，包括刚性圆管、固定安装在所述刚性圆管内壁上的固定环以及设置在所述刚性圆管内部的弹性气囊管；所述弹性气囊管包括开口端和封闭端，所述开口端连接有快换接头，所述快换接头与所述固定环滑动连接；所述刚性圆管的内径小于所述弹性气囊管变形的极限直径；本发明利用刚性圆管限定弹性气囊管的径向膨胀，刚性圆管能够限定弹性气囊管的径向变形，从而能够防止其过度变形较早的发生疲劳而缩短寿命，而且，限制弹性气囊管的径向应变能够使其较早的发生轴向应变，从而增大储能密度，另外，快换接头与固定环的滑动连接方式可以保证弹性气囊管开口端的轴线与刚性圆管的轴线重合，进而保证进气/放气通畅。

Description

一种气动应变能蓄能器及其控制方法

技术领域

本发明涉及蓄能器技术领域，特别是涉及一种气动应变能蓄能器及其控制方法。

背景技术

蓄能器是气动/液压系统中的一种能量储蓄装置，它在适当的时机将系统中的能量转变为压缩能或位能储存起来，当系统需要时，又将压缩能或位能转变为液压或气压等能而释放出来，重新补供给系统，同时蓄能器还具有缓冲吸震的作用。

现有气动领域中的蓄能器主要是一种刚性结构的气罐，通过低温高压使气体体积减小，而达到储气的目的，其缺点是气罐结构强度及密封性要求高，能量密度低，且不能以一个稳定的压力输出能量。在液压领域，按照加载方法的不同，蓄能器可以分为弹簧式、重锤式、活塞式和气体式，同气罐结构类似，液压蓄能器的结构也较为复杂，能量密度低。液压蓄能器的一个重要应用是用在再生制动系统中回收车辆的制动能量，同时形成制动力矩，使车辆制动。重新车辆时，再生制动系统又将储存在蓄能器的能量转化为车辆行驶时需要的动能(驱动力)。但是，由于蓄能器的结构原因，将其应用在再生制动系统时，由于能量密度低，会大大增加汽车的重量，这又会导致汽车燃油消耗增加。

蓄能器在液压或气动节能回路中是储能的重要元件，逐渐向着小型化、轻量化、便携化发展。现有蓄能器由于其结构和工作原理的缺点，并不能满足这些要求。所以设计一款应变能蓄能器，对于改善蓄能器的恒压储能及放能，增大能量密度、提高便携性都具有重大意义和实用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种气动应变能蓄能器及其控制方法，以解决上述现有技术存在的问题，利用刚性圆管限定弹性气囊管的径向膨胀，使弹性气囊管较早的发生轴向应变从而增大储能密度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种气动应变能蓄能器，包括刚性圆管、固定安装在所述刚性圆管内壁上的固定环以及设置在所述刚性圆管内部的弹性气囊管；所述弹性气囊管包括开口端和封闭端，所述开口端连接有快换接头，所述快换接头与所述固定环滑动连接；所述刚性圆管的内径小于所述弹性气囊管变形的极限直径。

优选地，所述刚性圆管的一端设置有第一端盖，所述第一端盖上设置有用于穿过气管的通孔；所述快换接头面向所述第一端盖的一端设置有凸缘，所述凸缘的外径大于所述通孔的内径，所述凸缘抵接到所述第一端盖时，所述快换接头仍保持与所述固定环滑动连接；所述凸缘的外径大于所述固定环的内径，所述凸缘抵接到所述固定环时，所述快换接头仍保持与所述固定环滑动连接。

优选地，所述刚性圆管另一端设置有第二端盖，所述第二端盖设置有多个排气孔。

优选地，所述封闭端与所述第二端盖之间设置有间隙。

优选地，所述弹性气囊管与所述快换接头之间通过倒钩接头连接，所述开口端与所述倒钩接头通过绑定连接，所述倒钩接头与所述快换接头通过螺纹连接。

优选地，所述弹性气囊管为橡胶材质。

优选地，所述封闭端通过密封塞进行封闭，所述密封塞与所述弹性气囊管绑定连接。

优选地，所述固定环面向所述第二端盖的一端设置有倒角。

本发明还提供一种气动应变能蓄能器的控制方法，包括如下步骤：

(1)打开气源，向弹性气囊管内充气，所述弹性气囊管在局部发生径向膨胀形成局部膨胀部，所述局部膨胀部与刚性圆管接触后，所述弹性气囊管由所述局部膨胀部开始向其两侧进行轴向膨胀；

(2)充气结束后，切断气源，并关闭充气管路，此时，蓄能器储存有一定的气动能和应变能；

(3)打开所述充气管路，此时，所述充气管路作为放气管路，所述弹性气囊管进行轴向收缩，提供恒定的收缩压力；

(4)所述弹性气囊管在轴向收缩完毕后转入径向收缩过程，直到恢复到所述弹性气囊管的初始状态；

(5)重复步骤(1)-(4)的过程，实现能量的储存和应用。

优选地，所述步骤(2)中，充气结束时，为所述弹性气囊管达到轴向极限膨胀状态时或者按需求补充了一定量的气体时。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

(1)本发明在弹性气囊管的外部设置有刚性圆管，并且，刚性圆管的内径小于弹性气囊管变形的极限直径，也就是说，刚性圆管能够限定弹性气囊管的径向变形，从而能够防止其过度变形较早的发生疲劳而缩短寿命，而且，限制弹性气囊管的径向应变能够使其较早的发生轴向应变，从而增大储能密度，另外，快换接头与固定环的滑动连接方式可以保证弹性气囊管开口端的轴线与刚性圆管的轴线重合，进而保证进气/放气通畅；

(2)本发明将快换接头滑动连接在固定环上，弹性气囊管的封闭端距离第二端盖一定距离且在第二端盖上设置有排气孔，能够使得弹性气囊管在轴向变形过程中自由滑动，进行充分的轴向变形，从而增大弹性气囊管的储能量；

(3)本发明通过快换接头端部的凸缘与第一端盖和固定环的配合来限定快换接头的轴向位移，在快换接头插接气管和拔出气管时不用拆开第一端盖就能进行操作，为储能器的快速更换提供了方便；

(4)本发明将弹性气囊管设置在刚性圆管以及第一端盖和第二端盖之间，能够有效的保护发生膨胀后的弹性气囊管不与外界接触，并且防止硬颗粒物进入到刚性圆管内部划破弹性气囊管。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为气动应变蓄能器的结构剖面示意图；

其中，1、第一端盖；2、快换接头；3、固定环；4、倒钩接头；5、弹性气囊管；6、刚性圆管；7、密封塞；8、第二端盖。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种气动应变能蓄能器及其控制方法，以解决现有技术存在的问题，利用刚性圆管限定弹性气囊管的径向膨胀，使弹性气囊管较早的发生轴向应变从而增大储能密度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供一种气动应变能蓄能器，包括刚性圆管6、固定安装在刚性圆管6内壁上的固定环3以及设置在刚性圆管6内部的弹性气囊管5，其中，固定环3的外径与刚性圆管6的内径为过盈配合的方式，将固定环3固定安装在刚性圆管6内部，或者可以采用其他的现有固定方式，另外，刚性圆管6可以采用钢管、铁管或铝合金管等金属或合金管，弹性气囊管5具有可伸缩的弹性，在充气后膨胀，放气后收缩恢复原状；弹性气囊管5包括开口端和封闭端，其中，封闭端可以是弹性气囊管5本身封闭即一体式结构，也可以采用密封塞7进行封闭(详见后文描述)，开口端连接有快换接头2，快换接头2与固定环3滑动连接；在弹性气囊管5弹性变形的过程中，首先在局部径向膨胀，与刚性圆管6接触后，弹性气囊管5由局部膨胀部位开始向其两侧进行轴向膨胀，在轴向膨胀时推动快换接头2在固定环3上滑动；需要说明的是，固定环3内径与快换接头2的外径为过渡配合或者间隙配合的方式，二者之间能够自由滑动，但间隙不能过大，以防止快换接头2偏斜导致卡顿或者外部异物顺着间隙进入到弹性气囊管5所在腔体导致对弹性气囊管5的破坏；需要注意的是：刚性圆管6的内径小于弹性气囊管5变形的极限直径，所谓的极限直径，指的是弹性气囊管5在没有束缚时能够达到的极限直径，也就是说，刚性圆管6能够限定弹性气囊管5的径向变形，从而能够防止其过度变形较早的发生疲劳而缩短寿命，另外，限制弹性气囊管5的径向应变能够使其较早的发生轴向应变，从而增大储能密度。

如图1所示，刚性圆管6的一端设置有第一端盖1，第一端盖1上设置有用于穿过气管的通孔，气管(图中未画出)穿过第一端盖1的通孔后与快换接头2进行连接，需要说明的是，气管既作为充气管路也作为放气管路，充气时储存能量，放气时释放能量，当然，气管上也可以设置分支，以使得充气管路和放气管路进行区分；快换接头2面向第一端盖1的一端设置有凸缘，凸缘的外径大于第一端盖1的通孔的内径，以使得第一端盖1能够阻挡快换接头2的轴向位移，当快换接头2的凸缘抵接到第一端盖1时，快换接头2仍保持与固定环3滑动连接；凸缘的外径大于固定环3的内径，以使得固定环3能够阻挡快换接头2另一方向的轴向位移，当凸缘抵接到固定环3时，快换接头2仍保持与固定环3滑动连接，因此，弹性气囊管5充气膨胀时或者放气收缩时所导致的快换接头2的轴向移动均不会使快换接头2脱离固定环3。

进一步的，刚性圆管6的另一端还设置有第二端盖8，第二端盖8设置有多个排气孔，排气孔均匀分布在第二端盖8上，需要注意的是：排气孔的孔径不宜过大，以防止硬颗粒物顺着排气孔进入到刚性圆管6内部。

如图1所示，弹性气囊管5的封闭端与第二端盖8之间设置有间隙，目的是在弹性气囊管5向第二端盖8方向轴向膨胀时预留一定的膨胀空间，以增大弹性气囊管5的储能量。

前文提到的快换接头2与弹性气囊管5之间的连接方式，优选的可以为，弹性气囊管5与快换接头2之间通过倒钩接头4连接，弹性气囊管5的开口端与倒钩接头4通过绑定连接，倒钩接头4圆周上设置有环形凸起，以提高绑定效果，倒钩接头4与快换接头2通过螺纹连接。

进一步的，弹性气囊管5为橡胶材质，也可以为天然乳胶，如聚异戊二烯等。

如图1所示，弹性气囊管5的封闭端通过密封塞7进行封闭，密封塞7塞入弹性气囊管5内，将密封塞5与弹性气囊管7绑定连接，需要说明的是，密封塞7圆周上设置有环形凸起，以提高绑定效果。

再次参考图1，固定环3面向第二端盖8的一端设置有倒角，该倒角一直延伸到刚性圆管6的内壁，形成凹陷的弧形，当弹性气囊管5膨胀时，如果轴向移动到固定环3的位置，不会受到固定环3的端部直角的挤压，也就避免了对弹性气囊管5的破坏，进而提高了其使用寿命。

本发明还提供一种气动应变能蓄能器的控制方法，其工作过程主要分为三个阶段：充气阶段、保持阶段和放气阶段，其中：

充气阶段：弹性气囊管5局部发生径向膨胀，直到膨胀部分与刚性圆管6接触，随后弹性气囊管5开始以一个恒定的压力沿轴向膨胀。

保持阶段：停止供气后，弹性气囊管5内气体压力不再发生变化，此时气动应变能蓄能器回收的能量以气动能和应变能的形式储存在装置内。

放气阶段：放气阶段是充气阶段的逆向行为，弹性气囊管5会以一个低于充气膨胀压力的恒定压力收缩，向外供能，直到弹性气囊管5内气体排尽，弹性气囊管5恢复到初始状态。

具体控制方法包括如下步骤：

(1)打开气源，向弹性气囊管5内充气，弹性气囊管5在局部发生径向膨胀形成局部膨胀部，局部膨胀部与刚性圆管6接触后，弹性气囊管5由局部膨胀部开始向其两侧进行轴向膨胀；

(2)充气结束后，切断气源，并关闭充气管路，此时，蓄能器储存有一定的气动能和应变能；

(3)打开充气管路，此时，充气管路作为放气管路，当然，为了实现充气管路和放气管路的区分，还可以在充气管路上设置分支，分支上设置开关，以实现充气和放气的不同流通路径，弹性气囊管5进行轴向收缩，提供恒定的收缩压力；

(4)弹性气囊管5在轴向收缩完毕后转入径向收缩过程，直到恢复到弹性气囊管5的初始状态；

(5)重复步骤(1)-(4)的过程，实现能量的储存和应用。

进一步的，步骤(2)中，充气结束时，指的是弹性气囊管5达到轴向的极限膨胀状态时或者按需求补充了一定量的气体时。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种气动应变能蓄能器，其特征在于：包括刚性圆管、固定安装在所述刚性圆管内壁上的固定环以及设置在所述刚性圆管内部的弹性气囊管；所述弹性气囊管包括开口端和封闭端，所述开口端连接有快换接头，所述快换接头与所述固定环滑动连接；所述刚性圆管的内径小于所述弹性气囊管变形的极限直径；所述刚性圆管的一端设置有第一端盖，所述第一端盖上设置有用于穿过气管的通孔；所述快换接头面向所述第一端盖的一端设置有凸缘，所述凸缘的外径大于所述通孔的内径，所述凸缘抵接到所述第一端盖时，所述快换接头仍保持与所述固定环滑动连接；所述凸缘的外径大于所述固定环的内径，所述凸缘抵接到所述固定环时，所述快换接头仍保持与所述固定环滑动连接。

2.根据权利要求1所述的气动应变能蓄能器，其特征在于：所述刚性圆管另一端设置有第二端盖，所述第二端盖设置有多个排气孔。

3.根据权利要求2所述的气动应变能蓄能器，其特征在于：所述封闭端与所述第二端盖之间设置有间隙。

4.根据权利要求2或3所述的气动应变能蓄能器，其特征在于：所述弹性气囊管与所述快换接头之间通过倒钩接头连接，所述开口端与所述倒钩接头通过绑定连接，所述倒钩接头与所述快换接头通过螺纹连接。

5.根据权利要求4所述的气动应变能蓄能器，其特征在于：所述弹性气囊管为橡胶材质。

6.根据权利要求4所述的气动应变能蓄能器，其特征在于：所述封闭端通过密封塞进行封闭，所述密封塞与所述弹性气囊管绑定连接。

7.根据权利要求4所述的气动应变能蓄能器，其特征在于：所述固定环面向所述第二端盖的一端设置有倒角。

8.一种应用如权利要求1-7任一项所述的气动应变能蓄能器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）打开气源，向弹性气囊管内充气，所述弹性气囊管在局部发生径向膨胀形成局部膨胀部，所述局部膨胀部与刚性圆管接触后，所述弹性气囊管由所述局部膨胀部开始向其两侧进行轴向膨胀；

（2）充气结束后，切断气源，并关闭充气管路，此时，蓄能器储存有一定的气动能和应变能；

（3）打开所述充气管路，此时，所述充气管路作为放气管路，所述弹性气囊管进行轴向收缩，提供恒定的收缩压力；

（4）所述弹性气囊管在轴向收缩完毕后转入径向收缩过程，直到恢复到所述弹性气囊管的初始状态；

（5）重复步骤（1）-（4）的过程，实现能量的储存和应用。

9.根据权利要求8所述的气动应变能蓄能器的控制方法，其特征在于：所述步骤（2）中，充气结束时，为所述弹性气囊管达到轴向极限膨胀状态时或者按需求补充了一定量的气体时。

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