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 (патент РФ №2529922), содержащий, вал, на котором жестко закреплен четырехлучевой кронштейн и установлены барабан с возможностью поворота вокруг вала и обгонная муфта для обеспечения одностороннего вращения барабана. На концах четырехлучевого кронштейна закреплены упоры кронштейна. В полости барабана по дуге размещены пружины сжатия, концы которых соединяют попарно упоры кронштейна и упоры барабана. Вал установлен с возможностью вращения и осевого перемещения. На одном конце вала установлена двухсторонняя электромагнитная фрикционная муфта, состоящая из обоймы с площадками под контакт и двух полумуфт: одна полумуфта жестко соединена с валом, а другая - с барабаном. Рабочие поверхности полумуфт содержат электромагнитные катушки и установлены с возможностью контакта с площадкой, а обойма соединена с валом отбора мощности. На другом конце вала установлена фрикционная муфта для периодической остановки вращения вала и пружины сжатия, обеспечивающие нейтральное положение вала.
Недостатком данного аккумулятора является неспособность пружин развивать достаточную мощность на выходном валу для быстрого разгона транспортного средства.
Задачей полезной модели является уменьшение расхода топлива в двигателе транспортного средства за счет рекуперативного торможения и последующего трогания с места и разгона.
Техническим результатом является создание аккумулятора механической энергии, способного накапливать энергию при рекуперативном торможении транспортного средства, а также отдавать накопленную энергию с обеспечением высокой мощности на выходе.
Технический результат достигается предлагаемым аккумулятором механической энергии с упругими элементами и маховиком (далее - аккумулятор), содержащим вал, на котором жестко закреплен четырехлучевой кронштейн и установлен с помощью подшипников барабан с возможностью поворота вокруг вала. На концах четырехлучевого кронштейна закреплены упоры кронштейна, а в полости барабана закреплены упоры барабана. В полости барабана по дуге размещены пружины сжатия, концы которых соединяют попарно упоры кронштейна и упоры барабана. Вал установлен на опоре с возможностью вращения. Для управления включением и выключением аккумулятора предусмотрена двухсторонняя электромагнитная фрикционная муфта, состоящая из обоймы с площадками под контакт и двух полумуфт: полумуфты, жестко соединенной с валом, и полумуфты, жестко соединенной с барабаном. Рабочие поверхности полумуфт содержат электромагнитные катушки, позволяющие посредством магнитного поля перемещать обойму в осевом направлении. Обойма установлена с возможностью осевого перемещения на валу отбора мощности. Для возврата обоймы в среднее (нейтральное) положение на валу отбора мощности установлены пружины. Для передачи вращения с вала отбора мощности на аккумулятор и в обратном направлении обойма соединена с валом отбора мощности посредством шлицевого соединения. Аккумулятор оснащен накопителем кинетической энергии в виде маховика, жестко закрепленного на валу.
На фиг. 1 и 2 изображен аккумулятор и разрез в плоскости барабана для нейтрального положения. На фиг. 3 и 4 изображен аккумулятор и разрез в плоскости барабана для положения, соответствующего начальной фазе рекуперативного торможения (накоплению потенциальной энергии упругой деформации). На фиг. 5 и 6 изображен аккумулятор и разрез в плоскости барабана для положения, соответствующего конечной фазе рекуперативного торможения (переходу потенциальной энергии упругой деформации в кинетическую энергию вращения). На фиг. 7 и 8 изображен аккумулятор и разрез в плоскости барабана для положения, соответствующего троганию с места и разгону транспортного средства (отдаче накопленной энергии).
Аккумулятор содержит вал 1, на котором жестко закреплен четырехлучевой кронштейн 2 и установлен с помощью подшипников 3 барабан 4 с возможностью поворота вокруг вала 1. На концах четырехлучевого кронштейна 2 закреплены упоры кронштейна 5, а в полости 6 барабана 4 закреплены упоры барабана 7. В полости 6 барабана 4 по дуге размещены пружины сжатия 8, концы которых соединяют попарно упоры кронштейна 5 и упоры барабана 7. Вал 1 установлен на опоре 9 с возможностью вращения. Для управления включением и выключением аккумулятора предусмотрена двухсторонняя электромагнитная фрикционная муфта 10, состоящая из обоймы 11 с площадками под контакт 12 и двух полумуфт: полумуфты 13, жестко соединенной с валом, и полумуфты 14, жестко соединенной с барабаном 4. Рабочие поверхности полумуфт 13 и 14 содержат электромагнитные катушки 15 и 16, позволяющие посредством магнитного поля перемещать обойму 11 в осевом направлении. Обойма 11 установлена с возможностью осевого перемещения на валу отбора мощности 17. Для возврата обоймы 11 в среднее (нейтральное) положение на валу отбора мощности 17 установлены пружины 18 и 19. Для передачи вращения с вала отбора мощности 17 на аккумулятор и в обратном направлении обойма 11 соединена с валом отбора мощности посредством шлицевого соединения 20. Аккумулятор оснащен накопителем кинетической энергии в виде маховика 21, жестко закрепленного на валу 1.
Аккумулятор работает следующим образом.
При движении транспортного средства аккумулятор находится в нейтральном положении (фиг. 1, 2): пружины 18 и 19 удерживают обойму 11 в среднем положении, двухсторонняя электромагнитная фрикционная муфта 10 разомкнута, вал отбора мощности 17 с обоймой 11 свободно вращается, а аккумулятор неподвижен.
При рекуперативном торможении вращающий момент с вала отбора мощности 17 необходимо передать на аккумулятор (фиг. 3, 4). Для этого на катушку 15 подается напряжение, под действием магнитного поля, возбуждаемого в ней, вращающаяся обойма 11 перемещается влево, прижимается левой площадкой контакта 12 к полумуфте 14 и приводит во вращение барабан 4. Барабан 4 совершает поворот и сжимает пружины сжатия 8, накапливая в них потенциальную энергию. Инерция маховика 21 препятствует повороту вала 1 до полного сжатия пружин сжатия 8, после чего вал 1 начинает вращаться вместе с маховиком 21, четырехлучевым кронштейном 2 и барабаном. При этом аккумулятор накапливает не только потенциальную энергию упругой деформации пружин сжатия 8, но и кинетическую энергию вращения маховика 21. Затем пружины сжатия 8 разжимаются, разгоняя четырехлучевой кронштейн 2 относительно барабана 4 и сообщая дополнительный импульс вращения валу 1 с маховиком 21 (фиг. 5, 6). Таким образом, потенциальная энергия упругой деформации пружин сжатия 8 переходит в дополнительную кинетическую энергию вращения маховика 21. В конце цикла торможения транспортного средства электромагнитная фрикционная муфта 10 выключается, под действием пружины 18 обойма 11 переходит в среднее положение, а барабан 4 с четырехлучевым кронштейном 2, валом 1 и маховиком 21 свободно вращаются.
Впоследствии, для трогания с места транспортного средства вращающий момент с аккумулятора необходимо передать обратно на вал отбора мощности 17 (фиг. 7, 8). Для этого подается напряжение на катушку 16, под действием магнитного поля, возбуждаемого в ней, обойма 11 перемещается право и прижимается правой площадкой контакта 12 к полумуфте 13, вращающейся вместе с валом 1. Вращающий момент с вала 1 передается через полумуфту 13, обойму 11 и шлицевое соединение 20 на вал отбора мощности 17. При этом суммарная кинетическая энергия вращения маховика 21, вала 1 с четырехлучевым кронштейном 2 и барабаном 4 обеспечивает высокую мощность на выходе аккумулятора. В конце цикла разгона транспортного средства напряжение в катушке 16 выключается, под действием пружины 19 обойма 11 перемещается в среднее положение, размыкая электромагнитную фрикционную муфту 10 и переводя аккумулятор в нейтральное положение.
Таким образом, аккумулятор накапливает энергию при рекуперативном торможении, а затем отдает накопленную энергию, обеспечивая достаточную динамику разгона транспортного средства. Применение предлагаемого аккумулятора позволяет уменьшить расход топлива в двигателе за счет накопления энергии при рекуперативном торможении с последующим ее использованием для трогания с места и разгона транспортного средства.