车轮蜗旋弹簧回能及摩擦制动装置.pdf

本发明涉及一种储存车辆刹车的能量并释放利用的回能装置，特别是车轮蜗旋弹簧回能及摩擦制动装置，属于载运工具技术领域。该装置中，蜗旋弹簧套在车轴上，在蜗旋弹簧的两侧分别设置电磁铁有电磁铁控制的锁拴式离合机构，车轮上设置转速传感器，蜗旋弹簧处设置扭矩传感器，刹车位置设置刹车位移传感器，油门位置设置油门位移传感器，各传感器信号接入汽车的微电脑控制板，控制板的输出端连接对应的电磁铁。本发明结构简单，能量损失小，回能效率高、重量轻，适合在轻型汽车上使用。

1、  一种车轮蜗旋弹簧回能及摩擦制动装置，其特征在于：蜗旋弹簧套在车轴上，在蜗旋弹簧的两侧分别设置电磁铁有电磁铁控制的锁拴式离合机构，车轮上设置转速传感器，蜗旋弹簧处设置扭矩传感器，刹车位置设置刹车位移传感器，油门位置设置油门位移传感器，各传感器信号接入汽车的微电脑控制板，控制板的输出端连接对应的电磁铁。

2、  按权利要求1所述的车轮蜗旋弹簧回能及摩擦制动装置，其特征在于：蜗旋弹簧的内端固定于套在车轴上的内套轴，蜗旋弹簧的外端固定于外壳盘上，外壳盘的套管又套在车轴上；内套轴及与其配合的车轴端面设置有一系列锁拴孔，各孔中装入弹簧触压的回能锁紧拴，内套轴的锁拴孔与其两侧对应的回能锁盘和外壳盘上的锁拴孔正对；外壳盘及与其配合的车轴端面设置与前相同的锁拴式离合机构，外壳盘和车轴端面中的释能锁紧拴正对侧面释能锁盘的锁拴孔。

3、  按权利要求2所述的车轮蜗旋弹簧回能及摩擦制动装置，其特征在于：回能的锁拴离合机构设置在靠车轮一侧，在该侧的轴支架上通过导杆装有调速电机，导杆的上、下两端都装有电磁铁和触压着调速电机的弹簧，调速电机的轴上所装的扭矩控制轮延伸在内套轴与外壳盘摩擦面之间的环形空腔中。

4、  按权利要求3所述的车轮蜗旋弹簧回能及摩擦制动装置，其特征在于：蜗旋弹簧两侧的回能锁盘和释能锁盘的端面都设置有滚珠及滚珠槽，扭矩传感器设置在回能锁盘或释能锁盘上，采用压电陶瓷制成，扭矩信号通过回能锁盘或释能锁盘上的导电环传输到汽车的微电脑控制板。

车轮蜗旋弹簧回能及摩擦制动装置
技术领域
本发明涉及一种储存车辆刹车的能量并释放利用的回能装置，特别是车轮蜗旋弹簧回能及摩擦制动装置，属于载运工具技术领域。
背景技术
目前刹车回能采用的方式有很多种，如：一是将刹车能量转变为电能，并将电能存储；二是采用将刹车能量转变为压缩空气能进行存储。这两类回能装置在能量转换的过程中能量损失大，并且结构较复杂，成本较高。从理论讲回能效率最高的是机械储能，但在目前用于汽车上是不现实的，因为目前机械能存储机构的结构庞大，回能装置过于沉重，尤其是机械储能刹车扭矩难以控制。因此对于轻型车来说，有必要寻找一种刹车回能效率高、重量轻、刹车扭矩可以控制的回能装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种蜗旋弹簧刹车回能的装置，其结构简单，能量损失小，回能效率高、重量轻，刹车扭矩可以控制，适合在轻型汽车上使用。
解决本发明的技术问题所采用的方案是：该装置中，蜗旋弹簧套在车轴上，在蜗旋弹簧的两侧分别设置电磁铁有电磁铁控制的锁拴式离合机构，车轮上设置转速传感器，蜗旋弹簧处设置扭矩传感器，刹车位置设置刹车位移传感器，油门位置设置油门位移传感器，各传感器信号接入汽车的微电脑控制板，控制板的输出端连接对应的电磁铁。
当汽车在正常行驶的过程中，油门位移传感器、刹车位移传感器及扭矩传感器给出零位信号，汽车的微电脑控制板使上述的锁拴式离合机构不运动，蜗旋弹簧不与车轴连接，处于自由状态；当汽车刹车时，刹车位移传感器使刹车开关打开，刹车开关信号输入到控制板中，电磁铁使回能的锁拴式离合机构动作，车轴与蜗旋弹簧的中心一端连接，而蜗旋弹簧的外侧端与轴支架一端连接，处于“上发条”的回能状态；当汽车再起动或加油时，油门位移传感器将信号输入到控制板中，控制板又启动释能的锁拴式离合机，车轴与蜗旋弹簧的外侧端连接，而蜗旋弹簧的中心端与则轴支架一端连接，处于“松发条”的回能状态。
本发明还包括以下具体的技术方案：
蜗旋弹簧的内端固定于套在车轴上的内套轴，蜗旋弹簧的外端固定于外壳盘上，外壳盘的套管又套在车轴上；内套轴及与其配合的车轴端面设置有一系列锁拴孔，各孔中装入弹簧触压的回能锁紧拴，内套轴的锁拴孔与其两侧对应的回能锁盘和外壳盘上的锁拴孔正对；外壳盘及与其配合的车轴端面设置与前相同的锁拴式离合机构，外壳盘和车轴端面中的释能锁紧拴正对侧面释能锁盘的锁拴孔。
回能的锁拴离合机构设置在靠车轮一侧，在该侧的轴支架上通过导杆装有调速电机，导杆的上、下两端都装有电磁铁和触压着调速电机的弹簧，调速电机的轴上所装的扭矩控制轮延伸在内套轴与外壳盘摩擦面之间的环形空腔中，通过调速电机的扭矩控制轮分别与内套轴或外壳盘的接触，实现蜗旋弹簧的中心端或外侧端与轴支架的连接，同时还可实现刹车力矩的控制。
蜗旋弹簧两侧的回能锁盘和释能锁盘的端面都设置有滚珠及滚珠槽，锁盘可以很轻松地自由转动；扭矩传感器设置在回能锁盘或释能锁盘上，采用压电陶瓷制成，扭矩信号通过回能锁盘或释能锁盘上的导电环传输到汽车的微电脑控制板。
本发明的有益效果是：本装置由于采用了机械式的发条回能结构，具有结构简单，回能效率高的目的；汽车频繁刹车的距离约在10米距离内，因此该装置设计回收的能量是汽车短距离20米范围内刹车的能量，所回收的能量是有限的，这样就避免了机械式回能装置过于沉重的缺点。通过引入调速电机，可以控制刹车和回能的力矩。保留了原有刹车系统，采用电路板统一控制，可以实现ABS功能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的释能离合机构局部放大图；
图3为本发明的发条外壳盘释能端示意图；
图4为本发明的释能锁盘示意图；
图5为本发明的装置电气控制原理图。
图1～5中各标号依次表示：车轮1、轴支架2、车轮辐条3、刹车片4、制动盘5、车轴6、轮辋7、轴承8、回能电磁铁9、回能锁盘10、回能锁紧拴11、内套轴12、外壳盘13、蜗旋弹簧14、释能锁紧拴15、释能锁盘16、释能电磁铁17、锁孔18、转速传感器19、扭矩控制轮20、下位电磁铁21、上位电磁铁22、调速电机23、扭矩传感器24、导电环25、控制板26、刹车位移传感器27、刹车片装置28、油门位移传感器29、导杆30、弹簧31。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
基本结构：参见附图1，在本装置中，蜗旋弹簧14的内端与内套轴12焊接；蜗旋弹簧14的外端与外壳盘13焊接，这样就构成了蜗旋弹簧整体。蜗旋弹簧体的内套轴12的左端面和相配合的车轴6端面内嵌入若干回能锁紧拴11，外壳盘13右侧管状端面内嵌入若干释能锁紧拴15。在轴支架2的左右两端分别嵌入了回能电磁铁9和释能电磁铁17。轴支架2上安装了调速电机23，可用于蜗旋弹簧14的不同连接以及能量释放或回收时扭矩调节。
该装置中，回能电磁铁9有多个电磁铁构成，其分布参见图1。回能锁盘10上有多个锁孔，与锁孔对应的是回能锁紧拴11，在磁力的作用下插入锁孔，实现锁定连接。回能锁盘10或释能锁盘16下有滚珠，锁盘可以自由转动。回能锁紧拴11根据回能电磁铁9的磁力的强、弱、零三种状态具有左、中、右三个位置。
扭矩传感器24可以采用压电陶瓷，压电信号通过导电环25输出至外部的汽车微电脑控制板(参见图5)；转速传感器采用齿圈及电磁感应原理，输出转速脉冲信号。
调速电机23是通过导杆30安装的，导杆30的上、下两端分别装有上位电磁铁22和下位电磁铁21，调速电机23的上、下侧触压着的弹簧31，上位电磁铁22和下位电磁铁21使得调速电机可以上下运动。当处于上位时，扭矩控制轮20将轴支架2与外壳盘13连接；当处于下位时，扭矩控制轮20将轴支架2与内套轴12连接。
具体回收和释能实现过程如下：
非工作状态：汽车在正常行驶的过程中，油门和刹车都处于非工作状态。油门、刹车的位移传感器及扭矩传感器给出零位信号，除回能电磁铁9之外，所有电磁铁不通电，此时，扭矩控制轮20处于中间位置。控制板26输出弱电流到回能电磁铁9，回能电磁铁有磁性，对回能锁紧拴11产生吸引力，回能锁紧拴11克服弹簧弹力，处于中间位置，既不与外壳盘13接触也不与回能锁盘10接触，蜗旋弹簧整体处于自由状态。
刹车能量的回收：当汽车刹车时，需要将汽车的动能进行回收。此时，刹车开关K1打开，刹车开关信号输入到控制板26中，同时上位电磁铁22通电，产生磁力，将调速电机23整体沿导杆30上移，调速电机23处于上位，扭矩控制轮20与外壳盘13接触，这样通过调速电机23整体轴支架2与发条外壳盘13锁紧；与此同时，控制板26输出强电流到回能电磁铁9，回能电磁铁9中产生强磁力，对回能锁紧拴11产生强吸引力，回能锁紧拴11克服弹簧弹力，回能锁紧拴11插入回能锁盘10的孔眼中，通过回能锁盘10将内套轴12与外壳盘13锁紧，车轴6和内套轴12连为一体。回能锁盘10下有滚珠，相对于回能电磁铁9转动。
车轴6带动转动内套轴12转动，处于“上发条”的状态，此时进行回能。为了实现对刹车力矩的控制，采用调速电机23进行调节。刹车位移传感器27(参见图5)将刹车的力度信号、扭矩传感器24信号及转速传感器19信号三种传输给控制板26，控制调速电机23的转动方向和速度。通过控制调速电机23可以方便的实现刹车力矩的控制。调速电机23转动使得发条内套轴12与轴支架2存在相对运动，沿上紧发条方向运动，则力矩变大，反之变小。
刹车能量的存储：刹车结束，刹车开关K1断开，刹车位移传感器27和油门位移传感器29给出零位信号；与此同时，扭矩传感器24给出扭矩信号。这些信号输入到控制板26中，控制板判断处于刹车能量的存储状态。所有电磁铁不通电，控制板26无电流输出，回能电磁铁9无磁性，回能锁紧拴11复位弹簧的作用下，处于右位位置，回能锁紧拴11插入内套轴12的锁孔中，使得内套轴12与外壳盘13联为一体，彼此间不发生相对运动，蜗旋弹簧14处于静止状态，即处于储能状态。
刹车能量的释放：当汽车启动或加油时，油门开关K2(参见图5)打开，油门开关信号输入到控制板26中，同时下位电磁铁21通电，产生磁力，使调速电机23整体沿导杆30下移，调速电机23处于下位。扭矩控制轮20与套轴12接触，这样通过调速电机23整体轴支架2与内套轴12锁紧；与此同时，释能电磁铁17通电，对释能锁紧拴15产生强吸引力，释能锁紧拴15克服弹簧弹力，向磁铁方向移动，释能锁紧拴15插入释能锁盘16的锁孔18中，通过释能锁盘16将车轴6与发条外壳盘13锁紧，车轴6和外壳盘13连为一体。释能锁盘16下有滚珠，相对于释能电磁铁9转动。外壳盘13带动车轴6转动，处于“松发条”的状态，此时释放能量。为了实现对油门力矩的控制，采用调速电机23进行调节。油门位移传感器29将油门的力度信号、扭矩传感器24信号及转速传感器19信号三种传输给控制板26控制调速电机23的转动方向和速度。通过控制调速电机23可以方便的实现油门力矩的控制。调速电机23转动使得外壳盘13与轴支架2存在相对运动，沿上紧发条方向运动，则力矩变大，反之变小。通过上述过程，我们可以实现对蜗旋弹簧力矩的控制。
为了增加该刹车系统的安全性，该系统保留了原先的刹车系统。由于车轮蜗旋弹簧回收的能量是有限的，在超过几十米的刹车距离后，动量无法在回收，此时控制板26给出信号，系统处于储能状态，控制板26启动原有刹车装置，刹车片4夹紧制动盘5，实现制动。在紧急刹车时，刹车力度信号、扭矩传感器24信号及转速传感器19信号输入至控制板26中，程序自动判断，通过蜗旋弹簧和摩擦制动共同控制刹车力矩，可以方便的实现防抱死功能，即ABS功能。