RU208096U1

RU208096U1 - Mechanical energy storage with elastic elements

Info

Publication number: RU208096U1
Application number: RU2021122072U
Authority: RU
Inventors: Андрей Александрович Война; Владимир Владимирович Юнин
Priority date: 2021-07-26
Filing date: 2021-07-26
Publication date: 2021-12-02

Abstract

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована в приводах транспортных средств с целью уменьшения расхода топлива за счет рекуперации энергии торможения.Накопитель механической энергии содержит упругий элемент в виде пружины кручения, зубчатый механизм с коническими передачами и управляемыми фрикционными муфтами, а также планетарный механизм, позволяющий накапливать и отдавать потенциальную энергию упругодеформированных элементов на более длинной дистанции рекуперативного торможения и разгона.Техническим результатом является уменьшение расхода топлива в двигателе транспортного средства за счет накопления энергии при рекуперативном торможении и последующего использования накопленной энергии для трогания с места и разгона.The utility model relates to mechanical engineering and can be used in vehicle drives in order to reduce fuel consumption by recuperating braking energy. allowing to accumulate and release the potential energy of elastically deformed elements over a longer distance of regenerative braking and acceleration.

Description

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована в приводах транспортных средств с целью уменьшения расхода топлива за счет рекуперации энергии торможения.The utility model relates to mechanical engineering and can be used in vehicle drives in order to reduce fuel consumption by recuperating braking energy.

Известен накопитель механической энергии с упругими элементами (патент РФ №160201), содержащий неподвижную ось с жестко закрепленным на ней четырехлучевым кронштейном, на концах которого установлены оси с шестернями и пружинами кручения. Накопитель содержит центральную шестерню, находящуюся в зацеплении с шестернями, и механизм управления накопителем, оснащенный коническими шестернями и электромагнитными фрикционными муфтами. Накопитель позволяет рекуперировать энергию торможения транспортного средства, однако схема соединения с валом отбора мощности, имеет передаточное число, равное единице, что значительно ограничивает дистанцию рекуперативного торможения и разгона транспортного средства.Known mechanical energy storage device with elastic elements (RF patent No. 160201), containing a fixed axis with a rigidly fixed four-beam bracket on it, at the ends of which axles with gears and torsion springs are installed. The drive contains a central gear which meshes with the gears and a drive control mechanism equipped with bevel gears and electromagnetic friction clutches. The storage device allows you to recuperate the braking energy of the vehicle, however, the connection scheme with the power take-off shaft has a gear ratio equal to one, which significantly limits the distance of the regenerative braking and acceleration of the vehicle.

Задачей полезной модели является создание накопителя механической энергии, способного накапливать и отдавать потенциальную энергию упругодеформированных элементов на более длинной дистанции рекуперативного торможения и разгона транспортного средства.The task of the utility model is to create a mechanical energy storage device capable of accumulating and delivering potential energy of elastically deformed elements at a longer distance of regenerative braking and acceleration of the vehicle.

Техническим результатом является уменьшение расхода топлива в двигателе транспортного средства за счет накопления энергии при рекуперативном торможении и последующего использования накопленной энергии для трогания с места и разгона.The technical result is to reduce the fuel consumption in the vehicle engine due to the accumulation of energy during regenerative braking and the subsequent use of the accumulated energy for starting and acceleration.

Технический результат достигается предлагаемым накопителем механической энергии с упругими элементами (впоследствии - накопитель), состоящим из вала накопителя, установленного на подшипниках с возможностью вращения, и планетарного механизма, состоящего из солнечного колеса с внутренними зубьями и центральной шестерни, установленных на валу накопителя с возможностью вращения посредством подшипников, а также четырехлучевого водила, на концах которого жестко установлены оси с сателлитами. Причем водило жестко закреплено на валу накопителя, а сателлиты установлены на осях с возможностью вращения посредством подшипников и одновременно находятся в зацеплении с центральной шестерней и солнечным колесом. В полости, образованной валом накопителя и солнечным колесом размещен накопитель потенциальной энергии в виде пружины кручения, соединяющей своими концами вал накопителя и солнечное колесо. На корпусе солнечного колеса установлен фиксатор солнечного колеса, состоящий из полумуфты с электромагнитной катушкой, пружины и неподвижной площадки под контакт. Полумуфта установлена на корпусе солнечного колеса с возможностью осевого перемещения и фиксацией от вращения посредством шлицевого соединения. На валу накопителя установлен фиксатор вала накопителя, состоящий из полумуфты с электромагнитной катушкой, пружины и неподвижной площадки под контакт. Полумуфта установлена на валу накопителя с возможностью осевого перемещения и фиксацией от вращения посредством шлицевого соединения. На корпусе центральной шестерни жестко закреплена коническая шестерня накопителя, одновременно находящаяся в зацеплении с входной конической шестерней и выходной конической шестерней, установленными с возможностью вращения относительно вала отбора мощности посредством подшипников. Корпус входной конической шестерни имеет площадку под контакт, которая вместе с полумуфтой, пружиной и электромагнитной катушкой образует входную электромагнитную фрикционную муфту. Корпус выходной конической шестерни также имеет площадку под контакт, которая вместе с полумуфтой, пружиной и электромагнитной катушкой образует выходную электромагнитную фрикционную муфту. Полумуфты способны перемещаться вдоль вала отбора мощности и при включении муфт передавать вращение посредством шлицевых соединений. Вал отбора мощности установлен с возможностью вращения на подшипниках.The technical result is achieved by the proposed storage device of mechanical energy with elastic elements (later - a storage device), consisting of a storage shaft mounted on bearings with the possibility of rotation, and a planetary mechanism, consisting of a sun wheel with internal teeth and a central gear mounted on the shaft of the storage device with the possibility of rotation by means of bearings, as well as a four-beam carrier, at the ends of which axles with satellites are rigidly mounted. Moreover, the carrier is rigidly fixed on the drive shaft, and the satellites are mounted on the axles with the possibility of rotation by means of bearings and are simultaneously meshed with the central gear and the sun wheel. In the cavity formed by the storage shaft and the sun wheel there is a potential energy storage device in the form of a torsion spring connecting the storage shaft and the sun wheel at its ends. A sun wheel retainer is installed on the sun wheel housing, which consists of a half-coupling with an electromagnetic coil, a spring and a fixed contact area. The half-coupling is installed on the sun wheel housing with the possibility of axial movement and fixation against rotation by means of a splined connection. A drive shaft retainer is installed on the drive shaft, which consists of a half-coupling with an electromagnetic coil, a spring and a fixed contact area. The half-coupling is installed on the drive shaft with the possibility of axial movement and fixation against rotation by means of a spline connection. A bevel gear of the drive is rigidly fixed on the housing of the central gear, which is simultaneously meshed with the input bevel gear and the output bevel gear, mounted for rotation relative to the power take-off shaft by means of bearings. The housing of the input bevel gear has a contact area, which, together with a half-clutch, a spring and an electromagnetic coil, forms an input electromagnetic friction clutch. The housing of the output bevel gear also has a contact area, which, together with a half-clutch, a spring and an electromagnetic coil, forms an output electromagnetic friction clutch. The half-couplings are capable of moving along the power take-off shaft and, when the couplings are turned on, transmit rotation by means of spline joints. The power take-off shaft is mounted for rotation on bearings.

Применение предлагаемого накопителя позволит уменьшить расход топлива в двигателе за счет накопления энергии при рекуперативном торможении на большей дистанции с последующим использованием накопленной энергии для трогания с места и разгона транспортного средства.The use of the proposed drive will reduce the fuel consumption in the engine due to the accumulation of energy during regenerative braking at a greater distance with the subsequent use of the accumulated energy for starting and accelerating the vehicle.

На фиг. 1 изображен накопитель в нейтральном положении. На фиг. 2 изображен накопитель в положении, соответствующем рекуперативному торможению (накоплению энергии). На фиг. 3 накопитель в положении, соответствующем разгону (отдаче накопленной энергии).FIG. 1 shows the drive in a neutral position. FIG. 2 shows the drive in a position corresponding to regenerative braking (energy storage). FIG. 3 the drive is in the position corresponding to overclocking (output of accumulated energy).

Накопитель включает вал накопителя 1, установленный на подшипниках 2, 3 и 4 с возможностью вращения, а также планетарный механизм, состоящий из солнечного колеса 5 с внутренними зубьями и центральной шестерни 6, установленных на валу накопителя 1 с возможностью вращения посредством подшипников 7, 8, и четырехлучевого водила 9, на концах которого жестко установлены оси 10 с сателлитами 11. Причем водило 9 жестко закреплено на валу накопителя 1, а сателлиты 11 установлены на осях 10 с возможностью вращения посредством подшипников 12 и одновременно находятся в зацеплении с центральной шестерней 6 и солнечным колесом 5. В полости, образованной валом накопителя 1 и солнечным колесом 5 размещен накопитель потенциальной энергии в виде пружины кручения 13, соединяющей своими концами вал накопителя 1 и солнечное колесо 5. На корпусе солнечного колеса 5 установлен фиксатор солнечного колеса 14, состоящий из полумуфты 15 с электромагнитной катушкой 16, пружины 17 и неподвижной площадки под контакт 18. Полумуфта 15 установлена на корпусе солнечного колеса 5 с возможностью осевого перемещения и фиксацией от вращения посредством шлицевого соединения 19. На валу накопителя 1 установлен фиксатор вала накопителя 20, состоящий из полумуфты 21 с электромагнитной катушкой 22, пружины 23 и неподвижной площадки под контакт 24. Полумуфта 21 установлена на валу накопителя 1 с возможностью осевого перемещения и фиксацией от вращения посредством шлицевого соединения 25. На корпусе центральной шестерни 6 жестко закреплена коническая шестерня накопителя 26, одновременно находящаяся в зацеплении с входной конической шестерней 27 и выходной конической шестерней 28, установленными с возможностью вращения относительно вала отбора мощности 29 посредством подшипников, соответственно, 30 и 31. Корпус входной конической шестерни 27 имеет площадку под контакт 32, которая вместе с полумуфтой 33, пружиной 34 и электромагнитной катушкой 35 образует входную электромагнитную фрикционную муфту 36. Корпус выходной конической шестерни 28 также имеет площадку под контакт 37, которая вместе с полумуфтой 38, пружиной 39 и электромагнитной катушкой 40 образует выходную электромагнитную фрикционную муфту 41. Полумуфты 33 и 38 способны перемещаться вдоль вала отбора мощности 29 и при включении муфт передавать вращение посредством шлицевых соединений, соответственно, 42 и 43. Вал отбора мощности 29 установлен с возможностью вращения на подшипниках 44. Накопитель работает следующим образом.The drive includes a drive shaft 1 mounted on bearings 2, 3 and 4 with the possibility of rotation, as well as a planetary mechanism consisting of a sun wheel 5 with internal teeth and a central gear 6 mounted on the drive shaft 1 with the possibility of rotation by means of bearings 7, 8, and a four-beam carrier 9, at the ends of which the axles 10 with satellites 11 are rigidly mounted. Moreover, the carrier 9 is rigidly fixed on the shaft of the drive 1, and the satellites 11 are mounted on the axes 10 with the possibility of rotation by means of bearings 12 and are simultaneously meshed with the central gear 6 and the sun wheel 5. In the cavity formed by the drive shaft 1 and the sun wheel 5 there is a potential energy storage device in the form of a torsion spring 13, which connects the drive shaft 1 and the sun wheel 5 at its ends. On the sun wheel body 5 there is a sun wheel lock 14, consisting of a half-coupling 15 with an electromagnetic coil 16, a spring 17 and a fixed platform for contact m 18. The half-coupling 15 is installed on the body of the sun wheel 5 with the possibility of axial movement and fixation against rotation by means of a spline connection 19. On the shaft of the drive 1 there is a lock of the drive shaft 20, consisting of a half-coupling 21 with an electromagnetic coil 22, a spring 23 and a fixed contact pad 24. The half-coupling 21 is mounted on the shaft of the drive 1 with the possibility of axial movement and fixation against rotation by means of the spline connection 25. The bevel gear of the drive 26 is rigidly fixed on the housing of the central gear 6, which is simultaneously meshed with the input bevel gear 27 and the output bevel gear 28 installed with the possibility of rotation relative to the power take-off shaft 29 by means of bearings, respectively, 30 and 31. The housing of the input bevel gear 27 has a contact area 32, which together with the half-clutch 33, the spring 34 and the electromagnetic coil 35 forms the input electromagnetic friction clutch 36. one bevel gear 28 also has a contact area 37, which together with the half-clutch 38, the spring 39 and the electromagnetic coil 40 forms the output electromagnetic friction clutch 41. The half-clutches 33 and 38 are able to move along the power take-off shaft 29 and, when the clutches are turned on, transmit rotation by means of spline joints , respectively, 42 and 43. The power take-off shaft 29 is mounted for rotation on bearings 44. The drive operates as follows.

При движении транспортного средства накопитель находится в нейтральном положении (фиг. 1): электромагнитные фрикционные муфты 36 и 41 разомкнуты, вал отбора мощности 29 с полумуфтами 33 и 38 свободно вращается, а накопитель неподвижен.When the vehicle is moving, the drive is in a neutral position (Fig. 1): the electromagnetic friction clutches 36 and 41 are open, the power take-off shaft 29 with half-couplings 33 and 38 rotates freely, and the drive is stationary.

При рекуперативном торможении вращение с вала отбора мощности 29 необходимо передать на накопитель (фиг. 2). Для этого подается напряжение на электромагнитные катушки 16 и 35. Под действием магнитного поля, возбуждаемого в электромагнитной катушке 16, полумуфта 15 прижимается к площадке контакта 18 и фиксирует солнечное колесо 5. Одновременно с этим под действием магнитного поля, возбуждаемого в электромагнитной катушке 35, полумуфта 33, вращающаяся вместе с валом отбора мощности 29, прижимается к площадке контакта 32 и приводит во вращение входную коническую шестерню 27. Вращение с входной конической шестерни 27 посредством зубчатого зацепления передается на коническую шестерню накопителя 26, которая начинает вращаться вместе с центральной шестерней 6. Центральная шестерня 6 приводит во вращение сателлиты 11, которые, обкатываясь по неподвижному солнечному колесу 5, приводят во вращение водило 9. Вращающееся водило 9 закручивает пружину кручения 13, накапливая в ней потенциальную энергию. Причем планетарный механизм обеспечивает передачу вращения от вала отбора мощности 29 к водилу 9 с передаточным числом, равным четырем, что значительно увеличивает дистанцию рекуперативного торможения.With regenerative braking, rotation from the power take-off shaft 29 must be transferred to the drive (Fig. 2). For this, voltage is applied to the electromagnetic coils 16 and 35. Under the action of the magnetic field excited in the electromagnetic coil 16, the half-coupling 15 is pressed against the contact area 18 and fixes the sun wheel 5. At the same time, under the action of the magnetic field excited in the electromagnetic coil 35, the half-coupling 33, rotating together with the power take-off shaft 29, is pressed against the contact area 32 and rotates the input bevel gear 27. Rotation from the input bevel gear 27 is transmitted by means of gearing to the bevel gear of the accumulator 26, which begins to rotate together with the central gear 6. Central the gear 6 drives the satellites 11 into rotation, which, rolling on the stationary sun wheel 5, drive the carrier 9 into rotation. The rotating carrier 9 spins the torsion spring 13, accumulating potential energy in it. Moreover, the planetary mechanism provides the transfer of rotation from the power take-off shaft 29 to the carrier 9 with a gear ratio of four, which significantly increases the regenerative braking distance.

Впоследствии, для трогания с места и разгона транспортного средства вращение с накопителя необходимо передать обратно на вал отбора мощности 29 (фиг.3). Для этого с электромагнитных катушек 16 и 35 напряжение переключается на электромагнитные катушки 22 и 40. Под действием магнитного поля, возбуждаемого в электромагнитной катушке 22, полумуфта 21 прижимается к неподвижной площадке контакта 24 и фиксирует вал накопителя 1 вместе с водилом 9 посредством шлицевого соединения 25. При выключении фиксатора солнечного колеса 14 солнечное колесо 5 начинает вращаться под действием раскручивающейся пружины кручения 13. Вращаясь, солнечное колесо 5 приводит во вращение сателлиты 11, которые при неподвижном водиле 9 передают вращение на центральную шестерню 6. Центральная шестерня 6 вращается вместе с конической шестерней аккумулятора 26, с которой посредством зубчатого зацепления вращение передается на выходную коническую шестерню 28. Одновременно с этим под действием магнитного поля, возбуждаемого в электромагнитной катушке 40, полумуфта 38 прижимается к площадке контакта 37. При этом входная электромагнитная фрикционная муфта 36 размыкается под действием пружины сжатия 34, а выходная электромагнитная фрикционная муфта 41 наоборот - замыкается. Посредством включенной выходной электромагнитной фрикционной муфты 41 и шлицевого соединения 43 вращение передается на вал отбора мощности 29. Причем на этапе отдачи накопленной энергии планетарный механизм работает в режиме мультипликатора, что обеспечивает передачу вращения от солнечного колеса 5 к валу отбора мощности 29 с передаточным числом 0,3, что значительно увеличивает дистанцию разгона.Subsequently, for starting and accelerating the vehicle, the rotation from the drive must be transferred back to the power take-off shaft 29 (Fig. 3). For this, from the electromagnetic coils 16 and 35, the voltage is switched to the electromagnetic coils 22 and 40. Under the action of the magnetic field excited in the electromagnetic coil 22, the half-coupling 21 is pressed against the fixed contact area 24 and fixes the drive shaft 1 together with the carrier 9 by means of a spline connection 25. When the lock of the sun wheel 14 is turned off, the sun wheel 5 begins to rotate under the action of the unwinding torsion spring 13. Rotating, the sun wheel 5 rotates the satellites 11, which, when the carrier 9 is stationary, transmit rotation to the central gear 6. The central gear 6 rotates together with the bevel gear of the accumulator 26, with which, by means of gearing, the rotation is transmitted to the output bevel gear 28. At the same time, under the influence of the magnetic field excited in the electromagnetic coil 40, the half of the coupling 38 is pressed against the contact area 37. In this case, the input electromagnetic friction clutch 36 is opened under the action of the compression spring 34, and the output electromagnetic friction clutch 41, on the contrary, is closed. By means of the included output electromagnetic friction clutch 41 and spline connection 43, rotation is transmitted to the power take-off shaft 29. Moreover, at the stage of returning the accumulated energy, the planetary mechanism operates in the multiplier mode, which ensures the transfer of rotation from the sun wheel 5 to the power take-off shaft 29 with a gear ratio of 0, 3, which significantly increases the acceleration distance.

Таким образом, накопитель отдает потенциальную энергию упругодеформированной пружины кручения 13, после чего выходная электромагнитная фрикционная муфта 41 и фиксатор вала накопителя 20 выключаются, и накопитель снова переходит в нейтральное положение.Thus, the storage device gives up the potential energy of the elastically deformed torsion spring 13, after which the output electromagnetic friction clutch 41 and the storage shaft lock 20 are turned off, and the storage device returns to the neutral position.

Claims

A mechanical energy storage device with elastic elements, characterized in that it consists of a storage shaft mounted on bearings with the possibility of rotation, and a planetary mechanism consisting of a sun wheel with internal teeth and a central gear mounted on the storage shaft with the possibility of rotation by means of bearings, as well as a four-beam carrier, at the ends of which axles with satellites are rigidly mounted, and the carrier is rigidly fixed on the drive shaft, and the satellites are mounted on the axles with the possibility of rotation by means of bearings and are simultaneously meshed with the central gear and the sun wheel, in the cavity formed by the drive shaft and the sun wheel, there is a potential energy storage device in the form of a torsion spring connecting its ends to the storage shaft and the sun wheel, a sun wheel lock is installed on the sun wheel housing, consisting of a half-coupling with an electromagnetic coil, a spring and a fixed platform for contact, a half-clutch is installed on the sun wheel housing with the possibility of axial movement and fixation against rotation by means of a spline connection, a drive shaft lock is installed on the drive shaft, consisting of a half-coupling with an electromagnetic coil, a spring and a fixed contact area, the half-coupling is installed on the drive shaft with the possibility of axial movement and fixation against rotation by means of a splined connection, a bevel gear of the storage device is rigidly fixed on the housing of the central gear, which is simultaneously meshed with the input bevel gear and the output bevel gear, mounted with the possibility of rotation relative to the power take-off shaft by means of bearings, the housing of the input bevel gear has a contact area, which, together with the coupling half, a spring and an electromagnetic coil, forms an input electromagnetic friction clutch, the housing of the output bevel gear also has a contact area, which together with the coupling halves oh, by a spring and an electromagnetic coil, it forms an output electromagnetic friction clutch, the half-couplings are able to move along the power take-off shaft and, when the clutches are turned on, transmit rotation by means of spline joints, and the power take-off shaft is installed with the ability to rotate on bearings.