Аккумулятор механической энергии с упругими элементами и маховиком

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована в приводах транспортных средств с целью уменьшения расхода топлива за счет рекуперации энергии торможения.
Известен аккумулятор механической энергии с упругими элементами (патент РФ №164861), содержащий вал, на котором жестко закреплен четырехлучевой кронштейн и барабан с упругими элементами в виде пружин сжатия. Для управления передачей момента с вала отбора мощности на аккумулятор и в обратном направлении предусмотрен механизм, состоящий из конических зубчатых колес и электромагнитных муфт.
Недостатком данного аккумулятора является неспособность пружин отдавать накопленную энергию за короткий промежуток времени, что не обеспечивает достаточную мощность на ведущем валу и увеличивает время разгона транспортного средства.
Задачей полезной модели является создание аккумулятора механической энергии, способного накапливать потенциальную энергию упругодеформированных элементов, а также обеспечивать высокую мощность на ведущем валу транспортного средства.
Техническим результатом является уменьшение расхода топлива в двигателе транспортного средства за счет рекуперации энергии торможения, а также обеспечение достаточной динамики разгона.
Технический результат достигается предлагаемым аккумулятором механической энергии с упругими элементами и маховиком (далее - аккумулятор), содержащим неподвижную ось аккумулятора, на которой жестко закреплен четырехлучевой кронштейн и установлен с помощью подшипников барабан с возможностью поворота вокруг оси аккумулятора. На концах четырехлучевого кронштейна закреплены упоры. В полости барабана по дуге размещены пружины сжатия, концы которых соединяют попарно упоры кронштейна и упоры барабана. На корпусе барабана жестко закреплена коническая шестерня аккумулятора, 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 замыкании муфт передавать вращение посредством шлицевых соединений. Вал отбора мощности установлен с возможностью вращения на подшипниках. На валу отбора мощности посредством подшипников установлен маховик с возможностью вращения вокруг вала отбора мощности. Маховик имеет площадку под контакт, которая вместе с полумуфтой, пружиной и электромагнитной катушкой образует электромагнитную фрикционную муфту маховика. Полумуфта способна перемещаться вдоль вала отбора мощности и при замыкании муфты передавать вращение посредством шлицевого соединения. Для периодического соединения вала отбора мощности с валом ведущего моста транспортного средства предусмотрена муфта аккумулятора, состоящая из подвижной полумуфты с электромагнитной катушкой и пружиной, а также входной полумуфты. Причем подвижная полумуфта установлена на валу отбора мощности с возможностью осевого перемещения и передачи вращения посредством шлицевого соединения, а входная полумуфта жестко установлена на валу ведущего моста транспортного средства.
Применение предлагаемого аккумулятора позволит уменьшить расход топлива в двигателе за счет накопления энергии при рекуперативном торможении с последующим ее использованием для трогания с места транспортного средства.
На фиг. 1 изображен аккумулятор в нейтральном положении. На фиг. 2 изображен аккумулятор в положении, соответствующем рекуперативному торможению (накоплению энергии). На фиг. 3 изображен аккумулятор в положении, соответствующем разгону маховика (преобразованию потенциальной энергии упругой деформации пружин в кинетическую энергию вращения маховика). На фиг. 4 изображен аккумулятор в положении, соответствующем троганию с места и разгону транспортного средства (отдаче накопленной энергии).
Аккумулятор включает неподвижную ось аккумулятора 1, на которой жестко закреплен четырехлучевой кронштейн 2 и установлен с помощью подшипников 3 барабан 4 с возможностью поворота вокруг оси аккумулятора 1. На концах четырехлучевого кронштейна 2 закреплены упоры 5. В полости 6 барабана 4 по дуге размещены пружины сжатия 7, концы которых соединяют попарно упоры 5 кронштейна и упоры 8 барабана. На корпусе барабана 4 жестко закреплена коническая шестерня аккумулятора 9, одновременно находящаяся в зацеплении с входной конической шестерней 10 и выходной конической шестерней 11, установленными с возможностью вращения относительно вала отбора мощности 12 посредством подшипников, соответственно, 13 и 14. Корпус входной конической шестерни 10 имеет площадку под контакт 15, которая вместе с полумуфтой 16, пружиной 17 и электромагнитной катушкой 18 образует входную электромагнитную фрикционную муфту 19. Корпус выходной конической шестерни 11 также имеет площадку под контакт 20, которая вместе с полумуфтой 21, пружиной 22 и электромагнитной катушкой 23 образует выходную электромагнитную фрикционную муфту 24. Полумуфты 16 и 21 способны перемещаться вдоль вала отбора мощности 12 и при включении муфт передавать вращение посредством шлицевых соединений, соответственно, 25 и 26. Вал отбора мощности 12 установлен с возможностью вращения на подшипниках 27. На валу отбора мощности 12 посредством подшипников 28 установлен маховик 29 с возможностью вращения вокруг вала отбора мощности 12. Маховик имеет площадку под контакт 30, которая вместе с полумуфтой 31, пружиной 32 и электромагнитной катушкой 33 образует электромагнитную фрикционную муфту маховика 34. Полумуфта 31 способна перемещаться вдоль вала отбора мощности 12 и при включении муфты передавать вращение посредством шлицевого соединения 35. Для периодического соединения вала отбора мощности 12 с валом ведущего моста транспортного средства 36 предусмотрена муфта аккумулятора 37, состоящая из подвижной полумуфты 38 с электромагнитной катушкой 39 и пружиной 40, а также входной полумуфты 41. Причем подвижная полумуфта 38 установлена на валу отбора мощности 12 с возможностью осевого перемещения и передачи вращения посредством шлицевого соединения 42, а входная полумуфта 41 жестко установлена на валу ведущего моста транспортного средства 36. Аккумулятор работает следующим образом.
При движении транспортного средства аккумулятор находится в нейтральном положении (фиг. 1): муфты 19, 24, 34 и 37 разомкнуты, пружины 7 не сжаты, маховик 29 неподвижен, а вал ведущего моста транспортного средства 36 с входной полумуфтой 41 свободно вращаются.
При рекуперативном торможении вращение с вала ведущего моста транспортного средства 36 необходимо передать на аккумулятор (фиг. 2). Для этого на электромагнитную катушку 39 подается напряжение, под действием магнитного поля, возбуждаемого в ней, подвижная полумуфта 38 прижимается к входной полумуфте 41, муфта аккумулятора 37 замыкается, передавая вращение с вала ведущего моста транспортного средства 36 на вал отбора мощности 12. Одновременно с этим на электромагнитную катушку 18 подается напряжение, под действием магнитного поля, возбуждаемого в ней, полумуфта 16, вращающаяся вместе с валом отбора мощности 12, прижимается к площадке контакта 15 и приводит во вращение входную коническую шестерню 10. Вращение с входной конической шестерни 10 посредством зубчатого зацепления передается на коническую шестерню аккумулятора 9, которая начинает вращаться вместе с барабаном 4 вокруг неподвижной оси аккумулятора 1. Барабан 4 совершает поворот и сжимает пружины 7, накапливая в них потенциальную энергию. При полной остановке транспортного средства муфта аккумулятора 37 размыкается, а для фиксации пружин сжатия 7 в сжатом положении напряжение переключается на электромагнитную катушку 23. Под действием магнитного поля, возбуждаемого в ней, полумуфта 21 прижимается к площадке контакта 20. При этом выходная электромагнитная фрикционная муфта 24 замыкается и вместе с замкнутой входной электромагнитной фрикционной муфтой 19 фиксирует барабан 4 в неподвижном положении вместе со сжатыми пружинами сжатия 7.
Затем необходимо преобразовать потенциальную энергию упругой деформации пружин сжатия 7 в кинетическую энергию вращения маховика 29. Для этого размыкается входная электромагнитная фрикционная муфта 19 и замыкается муфта маховика 34. Барабан 4 получает возможность вращения вокруг оси 1, и пружины сжатия 7 поворачивают его в обратную сторону вместе с конической шестерней аккумулятора 9. Поворачиваясь, вместе с барабаном 4 коническая шестерня аккумулятора 9 приводит во вращение выходную коническую шестерню 11, которая посредством выходной электромагнитной фрикционной муфты 24 вращает вал отбора мощности 12. При замкнутой муфте маховика 34 вращение с вала отбора мощности 12 передается на маховик 29, который, раскручиваясь, накапливает кинетическую энергию вращающейся массы. При полном разжимании пружин сжатия 7 муфты 24 и 34 размыкаются, а маховик 29 продолжает свободно вращаться.
Впоследствии, для трогания с места и разгона транспортного средства вращение с аккумулятора необходимо передать обратно на вал ведущего моста транспортного средства 36 (фиг. 4). Для этого одновременно замыкаются муфта маховика 34 и муфта аккумулятора 37, и вращение с маховика 29 через вал отбора мощности 12 передается на вал ведущего моста транспортного средства 36. При этом кинетическая энергия маховика 29, вращающегося с большой скоростью, позволяет обеспечить высокую мощность на валу ведущего моста транспортного средства 36 и достаточную динамику разгона.
После отдачи всей накопленной энергии муфта маховика 34 и муфта аккумулятора 37 размыкаются, и аккумулятор снова переходит в нейтральное положение.