CN103195677A - 一种将频率共振应用于汽车动能发电的方法和结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用汽车动能发电的方法和结构，属于汽车领域。一种将频率共振应用于汽车动能发电的方法，其特征在于：将设置有垂直方向弹性系统的簧上车身以其固有频率的自由振动，激励以簧上车身为支撑的，具有相同或相近固有频率的，同样设置有垂直方向弹性系统的，安装有动能发电装置的中空重物托板发生频率共振或有效振动，通过频率共振，簧上车身将振动的动能转移到中空重物托板以实现自身的减振，同时，被激励而发生共振的中空重物托板，利用所吸收的簧上车身的动能以及自身振动的动能，驱动中空重物托板上设置的动能发电装置进行发电。本发明的方法和结构创新地利用汽车振动的动能，降低了燃油消耗及尾气排放。

Description

一种将频率共振应用于汽车动能发电的方法和结构
技术领域
本发明涉及一种汽车动能发电的方法，尤其涉及一种将频率共振应用于汽车动能发电的方法和结构。
背景技术
目前，公知的利用汽车动能发电的方法是刹车制动时的动能回收，其产生的电能效率很低。汽车行驶时所具有的动能，在路面平缓或颠簸环境下，因路面起伏形成的汽车振动的垂直的分速度所产生的动能目前基本没有回收利用，为避免振动可能对汽车行驶造成的不良影响而安装的汽车减震器或减振板簧的摩擦生热，只消耗少量振动的动能，而汽车行驶时气囊轮胎减振效应所致的变形，使胎面与路面的摩擦面积和摩擦阻力增大，因此，轮胎减振的代价不仅是通过摩擦阻力做功，消耗汽车行驶时产生的大量振动动能，而且是对汽车驱动能量的重要消耗。现有的汽车行驶过程中利用垂直动能的发电装置，根本不足以驱动机械传动机构连续做功使发电机发电，因此，事实上这种振动的动能是消耗和浪费了。同时，现在的汽车在电动驱动方面，一直考虑的主要方向是直接利用储能电池作为驱动。但是电池的携带、更换等多方面的不便都制约了电动汽车的发展。
因此，如果能有效利用汽车行驶中的振动动能，将其转换为汽车平稳行驶过程中可以回收利用的电能并能提供给汽车作为驱动能源，就不仅能创新地利用汽车振动的动能，促进能量的回收利用，而且能为油电混合汽车或纯电动汽车提供一种全新的能源驱动模式。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种将频率共振应用于汽车动能发电的方法和结构，解决现在汽车行驶中因路面起伏形成的振动的动能基本未得到利用的缺陷，有效利用汽车行驶中的振动动能，转化为可以回收利用的电能。
技术方案
一种将频率共振应用于汽车动能发电的方法，其特征在于：将设置有垂直方向弹性系统的簧上车身以其固有频率的自由振动，激励以簧上车身为支撑的，具有相同或相近固有频率的，同样设置有垂直方向弹性系统的，安装有动能发电装置的中空重物托板发生频率共振或有效振动，通过频率共振，簧上车身将振动的动能转移到中空重物托板以实现自身的减振，同时，被激励而发生共振的中空重物托板，利用所吸收的簧上车身的动能以及自身振动的动能，驱动中空重物托板上设置的动能发电装置进行发电。
进一步，所述动能发电装置包括设置在发电机的中心轴上的内套有单向轴承的齿轮，以及被垂直固定在车桥框架内的直齿条，所述齿轮与直齿条为单侧啮合接触，当设置有动能发电装置的中空重物托板被簧上车身激励沿垂直固定直齿条发生上下振动时，齿轮与直齿条之间具有的作用力，使内套有单向轴承的齿轮通过单向轴承对中心轴产生了同向连续的旋转扭力，带动中心轴连续转动而使发电机发电。
进一步，所述车桥框架底部固定设置在汽车车桥上，以汽车车桥支撑，所述车桥框架设置有垂直于地面的用于导向的光轴，所述中空重物托板通过直线轴承套装在所述光轴上，沿光轴垂直方向上下振动吸收簧上车身振动的动能。
进一步，所述簧上车身的固有频率所对应的垂直方向弹性系统，包括用于支撑的设置在车桥框架和簧上车身之间的垂直方向弹性系统，以及垂直方向设置的分别连接中空重物托板与车桥框架顶部和底部的上下反向预紧力拉簧组。
所述设置在车桥框架和簧上车身之间的垂直方向弹性系统包括设置在车桥的通过气压调控弹簧刚度以保持所需固有频率稳定的空气弹簧。
所述垂直方向设置的反向预紧力拉簧组的上下拉簧的拉力接近或等于能够使所述动能发电装置启动的启动扭矩在齿轮与直齿条的啮合处为力臂位置的拉力。
进一步，所述中空重物托板的垂直弹性系统包括设置在簧上车身上的用于单独支撑中空重物托板重力的垂直方向弹性系统，以及垂直方向设置的分别连接中空重物托板与车桥框架顶部和底部的上下反向预紧力拉簧组。
所述上下预紧力拉簧连接中空重物托板的位置为在所述中空重物托板由设置在簧上车身上的垂直方向弹性系统单独支撑达到静止状态时的位置。
进一步，所述齿轮设置有若干个，均安装在发电机的中心轴上，内套有同向扭力的单向轴承，所述直齿条与齿轮数量相等，设置方式为间隔对向设置，分别与对应的齿轮单侧啮合。
进一步，所述发电机的中心轴上还设置有增速器。
一种应用上述的方法进行汽车动能发电的结构，其特征在于：
在汽车的簧上车身上设置有垂直方向的弹性系统，以簧上车身为支撑的中空重物托板也设置有垂直方向的弹性系统，所述中空重物托板的垂直方向弹性系统的固有频率设置为与所述簧上车身的垂直方向弹性系统的固有频率相同或相近，所述中空重物托板上设置有动能发电装置，所述动能发电装置包括设置在发电机的中心轴上的内套有单向轴承的齿轮，以及被垂直固定在车桥框架内的直齿条，所述齿轮与直齿条为单侧啮合接触，当设置有动能发电装置的中空重物托板被簧上车身激励沿垂直固定直齿条发生上下振动时，齿轮与直齿条之间具有的作用力，使内套有单向轴承的齿轮通过单向轴承对中心轴产生了同向连续的旋转扭力，带动中心轴连续转动而使发电机发电。
进一步，所述车桥框架底部固定设置在汽车车桥上，以汽车车桥支撑，所述车桥框架的顶面与底面之间设置有垂直于地面的用于导向的光轴，所述中空重物托板通过直线轴承套装在所述光轴上，沿光轴垂直方向上下振动吸收簧上车身振动的动能。
进一步，所述齿轮设置有若干个，均安装在发电机的中心轴上，内套有同向扭力的单向轴承，所述直齿条与齿轮数量相等，设置方式为间隔对向设置，分别与对应的齿轮单侧啮合。
进一步，所述簧上车身的固有频率所对应的垂直方向弹性系统，包括用于支撑的设置在车桥框架和簧上车身之间的垂直方向弹性系统，以及垂直方向设置的分别连接中空重物托板与车桥框架顶部和底部的上下反向预紧力拉簧组。
所述支撑的设置在车桥框架和簧上车身之间的垂直方向弹性系统包括设置在车桥和簧上车身之间的空气弹簧。
所述垂直方向设置的上下反向预紧力拉簧组包括连接中空重物托板与车桥框架顶部的上拉簧和连接中空重物托板与车桥框架底部的下拉簧，所述上拉簧和下拉簧以竖直啮合齿条连接，再将所述竖直啮合齿条与侧向啮合齿条啮合，所述侧向啮合齿条垂直固定在所述中空重物托板侧面上。
进一步，所述中空重物托板的垂直弹性系统包括设置在簧上车身上的用于单独支撑中空重物托板重力的垂直方向弹性系统，以及垂直方向设置的分别连接中空重物托板与车桥框架顶部和底部的上下反向预紧力拉簧组。
所述设置在簧上车身上的用于单独支撑中空重物托板重力的垂直方向弹性系统采用设置在簧上车身上的支撑弹簧。
或者，所述设置在簧上车身上的用于单独支撑中空重物托板重力的垂直方向弹性系统采用设置在簧上车身上的竖直支撑架形成的支撑框，在所述支撑框顶端和中空重物托板之间用拉簧悬吊连接。
进一步，所述中空重物托板的上下反向预紧力拉簧组与所述簧上车身的上下反向预紧力拉簧组共用一套。
进一步，将所述的汽车动能发电结构安装在载重货车的车身前端和后端的位置，以超级电容或电池为蓄能电源，采用在车轮的轮毂金属圈表面固定设置间隔的缓冲块作为硬质轮胎胎面。
有益效果
本发明的将频率共振应用于电动汽车动能发电的方法和结构通过频率共振的方法，不仅将车身振动的动能转移到动能发电装置，实现车身的减振效果（取消减振器及板簧），而且能够使动能发电装置吸收车身振动的动能发生共振并进行发电，转化为可以利用的电能；电能储存后可以直接作为电力驱动能源，也可以通过采用启动加速及低速（低耗电，高扭力）情况下用电、高速用油的混合动力模式，减少燃油消耗及尾气排放，使汽车的能源消耗得到巨大的改善。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明中发电机的中心轴部分放大示意图。
图3为本发明中车桥框架和垂直弹性系统部分放大示意图。
图4为本发明安装在汽车上的总装示意图。
其中：1-光轴，2-车桥框架，3-车桥上支撑架，4-车桥下支撑架，5-上预紧拉簧，6-下预紧拉簧，7-簧上车身的支撑弹簧，8-中空重物托板拉簧，9-簧上车身，10-振动传感器，11-直线轴承，12-直齿条支撑架，13-直齿条，14-中心轴，15-齿轮，16-单向轴承，17-增速器，18-发电机，19-推力杆，20-轮毂电机车轮，21-策力钢丝绳，22-侧向啮合齿条，23-啮合齿条箍套，24-簧上车身车架，25-车桥车轴，26-竖直啮合齿条，27-中空重物托板拉簧支撑架。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。
针对汽车行驶中的振动动能进行分析，可以发现在汽车颠簸振动的过程中，汽车在垂直方向的分速度所产生的动能目前基本未得到利用，为合理和高效地利用该振动的垂直方向的动能，本发明提出了一种将频率共振应用于汽车动能发电的方法，即将设置有垂直方向弹性系统的簧上车身以其固有频率的自由振动，激励以簧上车身为支撑的，具有相同或相近固有频率的，同样设置有垂直方向弹性系统的，安装有动能发电装置的中空重物托板发生频率共振或有效振动，通过频率共振，簧上车身将振动的动能转移到中空重物托板以实现自身的减振，同时，被激励而发生共振的中空重物托板，利用所吸收的簧上车身的动能以及自身振动的动能，驱动中空重物托板上设置的动能发电装置进行发电。
所述电动汽车行驶时，簧上车身被路面随机激励以其固有频率进行的自由振动，是指无减震器减振也无板簧摩擦减振的无耗能自由振动。
所述中空重物托板是指在中空的托板上面设置有动能发电装置和能够固定容纳储能电池等重物的重物箱。
本发明方法的原理就是将汽车的簧上车身被路面随机激励产生的振动通过以簧上车身为支撑的中空重物托板与簧上车身的频率共振，将簧上车身的振动动能转移到中空重物托板，并利用中空重物托板上的动能发电装置进行发电。
如附图1所示为根据该方法设计的结构，其中，以汽车车桥支撑设置的车桥框架，车桥框架底部固定设置在汽车车桥上，车桥框架顶面设置有车桥上支撑架，车桥框架底面设置有车桥下支撑架，所述车桥框架顶面和底面平行于地面设置，在车桥框架的顶面与底面之间设置有垂直于地面的用于导向的光轴，中空重物托板通过直线轴承套装在所述光轴上，沿光轴垂直方向上下振动吸收簧上车身振动的动能；
在汽车的簧上车身上设置有垂直方向的弹性系统，包括设置在车桥和簧上车身之间的空气弹簧，以及垂直方向设置的分别连接中空重物托板与车桥框架顶部和底部的上下反向预紧力拉簧组；
所述中空重物托板也设置有垂直方向的弹性系统，包括设置在簧上车身上的用于单独支撑中空重物托板重力的垂直弹性系统，即采用设置在簧上车身上的竖直支撑架形成的支撑框，在支撑框顶端和中空重物托板之间用拉簧悬吊连接，以及与簧上车身共用的上下反向预紧力拉簧组；
且通过分别对上述两个垂直方向的弹性系统的刚度的设计和控制，使中空重物托板的固有频率保持与行驶中的电动汽车簧上车身的振动频率相同或相近，可以在簧上车身与中空托板之间增设策力钢丝绳有利于汽车起步时簧上车身对中空重物托板的策动效果。
中空重物托板上设置有动能发电装置，包括设置在发电机的中心轴上的内套有单向轴承的齿轮，以及被垂直固定在车桥框架内的直齿条，所述齿轮与直齿条为单侧啮合接触，当设置有动能发电装置的中空重物托板被簧上车身激励沿垂直固定直齿条发生上下振动时，齿轮与直齿条之间具有的作用力，使内套有单向轴承的齿轮通过单向轴承对中心轴产生了同向连续的旋转扭力，带动中心轴连续转动而使发电机发电。
所述的齿轮和直齿条为一一对应设置，所有齿轮内都套有同向扭力的单向轴承，而直齿条分别间隔相对设置，与对应的齿轮单侧啮合。
支撑中空重物托板重力的垂直方向弹性系统也可以采用在设置在簧上车身和中空重物托板之间的支撑弹簧（即压簧）。
所述空气弹簧包括弹簧和相关附件，即振动传感器及控制器，控制器通过振动传感器的反馈从而控制气压调控弹簧刚度以保持所需固有频率稳定。
而上下反向预紧力拉簧组的上拉簧和下拉簧之间以竖直啮合齿条连接，再将所述竖直啮合齿条与侧向啮合齿条啮合，所述侧向啮合齿条垂直固定在中空重物托板侧面上，外面以啮合齿条箍套箍紧。而预紧力拉簧的大小设置为接近或等于能够使所述动能发电装置启动的启动扭矩在齿轮与直齿条的啮合处为力臂位置的拉力，当中空重物托板发生低强度振动时，其振动力叠加运动方向的预紧力拉簧的拉力，触发该预紧力拉簧缩短而释放出起始拉力大于预紧力大小的能够使动能发电装置启动的拉力，实现对中空重物托板低强度振动力的捕捉效应和对振动动能的利用效率的改善。
簧上车身底板需要绕开光轴和车桥框架的垂直支撑架，簧上车身水平方向的限制移动定位，通过推力杆联结车桥与簧上车身车架实现，簧上车身底板可以以让开空孔的通过方式或者以截断部分底板的方式，使车桥框架的垂直支撑架和导向光轴无接触穿过。
本发明的结构在货车上的安装实例如附图4所示，本结构的装置安装在载重货车的车身前端和后端的位置，以超级电容为蓄能电源，货车配有全空气主动控制非独立悬架，采用油电混合动力，即可实现全路况自发电及按需控制的电能随充随放增程效果，比刹车制动的能量回收效率大幅提高。
有些重型载重货车为承重和减振采用了实心橡胶轮胎，而为了避免高速行驶时轮胎与地面摩擦升温而爆胎，其行驶速度大多受限。因此在轮胎上可以采用在现有车轮的轮毂金属圈表面固定设置非整体的、彼此有间隙的缓冲块作为车轮与地面接触的车轮硬质轮胎面。
在附图4的货车安装实施例中，设置有频率共振动能发电装置的簧上车身，既可以是被牵引车牵引的设置在拖车两端的拖车方式，也可以是将其中一个频率共振动能发电装置设置在驾驶室后端。
本发明的方法和结构不仅创新地利用汽车振动的动能，促进能量的回收和利用，降低了燃油消耗及尾气排放，使汽车的能源消耗得到巨大的改善，而且为油电混合汽车或纯电动汽车提供了一种全新的能源驱动模式。

Claims (21)

1.一种将频率共振应用于汽车动能发电的方法，其特征在于：将设置有垂直方向弹性系统的簧上车身以其固有频率的自由振动，激励以簧上车身为支撑的，具有相同或相近固有频率的，同样设置有垂直方向弹性系统的，安装有动能发电装置的中空重物托板发生频率共振或有效振动，通过频率共振，簧上车身将振动的动能转移到中空重物托板以实现自身的减振，同时，被激励而发生共振的中空重物托板，利用所吸收的簧上车身的动能以及自身振动的动能，驱动中空重物托板上设置的动能发电装置进行发电。
2.如权利要求1所述的将频率共振应用于汽车动能发电的方法，其特征在于：所述动能发电装置包括设置在发电机的中心轴上的内套有单向轴承的齿轮，以及被垂直固定在车桥框架内的直齿条，所述齿轮与直齿条为单侧啮合接触，当设置有动能发电装置的中空重物托板被簧上车身激励沿垂直固定直齿条发生上下振动时，齿轮与直齿条之间具有的作用力，使内套有单向轴承的齿轮通过单向轴承对中心轴产生了同向连续的旋转扭力，带动中心轴连续转动而使发电机发电。
3.如权利要求1或2所述的将频率共振应用于汽车动能发电的方法，其特征在于：所述车桥框架底部固定设置在汽车车桥上，以汽车车桥支撑，所述车桥框架设置有垂直于地面的用于导向的光轴，所述中空重物托板通过直线轴承套装在所述光轴上，沿光轴垂直方向上下振动吸收簧上车身振动的动能。
4.如权利要求1所述的将频率共振应用于汽车动能发电的方法，其特征在于：所述簧上车身的固有频率所对应的垂直方向弹性系统，包括用于支撑的设置在车桥框架和簧上车身之间的垂直方向弹性系统，以及垂直方向设置的分别连接中空重物托板与车桥框架顶部和底部的上下反向预紧力拉簧组。
5.如权利要求4所述的将频率共振应用于汽车动能发电的方法，其特征在于：所述设置在车桥和簧上车身之间的垂直方向弹性系统包括设置在车桥框架底部的通过气压调控弹簧刚度以保持所需固有频率稳定的空气弹簧。
6.如权利要求4所述的将频率共振应用于汽车动能发电的方法，其特征在于：所述垂直方向设置的反向预紧力拉簧组的上下拉簧的拉力接近或等于能够使所述动能发电装置启动的启动扭矩在齿轮与直齿条的啮合处为力臂位置的拉力。
7.如权利要求1所述的将频率共振应用于汽车动能发电的方法，其特征在于：所述中空重物托板的垂直弹性系统包括设置在簧上车身上的用于单独支撑中空重物托板重力的垂直方向弹性系统，以及垂直方向设置的分别连接中空重物托板与车桥框架顶部和底部的上下反向预紧力拉簧组。
8.如权利要求7所述的将频率共振应用于汽车动能发电的方法，其特征在于：所述上下预紧力拉簧连接中空重物托板的位置为在所述中空重物托板由设置在簧上车身上的垂直方向弹性系统单独支撑达到静止状态时的位置。
9.如权利要求2所述的将频率共振应用于汽车动能发电的方法，其特征在于：所述齿轮设置有若干个，均安装在发电机的中心轴上，内套有同向扭力的单向轴承，所述直齿条与齿轮数量相等，设置方式为间隔对向设置，分别与对应的齿轮单侧啮合。
10.如权利要求2所述的将频率共振应用于汽车动能发电的方法，其特征在于：所述发电机的中心轴上还设置有增速器。
11.一种应用如权利要求1所述的方法进行汽车动能发电的结构，其特征在于：在汽车的簧上车身上设置有垂直方向的弹性系统，以簧上车身为支撑的中空重物托板也设置有垂直方向的弹性系统，所述中空重物托板的垂直方向弹性系统的固有频率设置为与所述簧上车身的垂直方向弹性系统的固有频率相同或相近，所述中空重物托板上设置有动能发电装置，所述动能发电装置包括设置在发电机的中心轴上的内套有单向轴承的齿轮，以及被垂直固定在车桥框架内的直齿条，所述齿轮与直齿条为单侧啮合接触，当设置有动能发电装置的中空重物托板被簧上车身激励沿垂直固定直齿条发生上下振动时，齿轮与直齿条之间具有的作用力，使内套有单向轴承的齿轮通过单向轴承对中心轴产生了同向连续的旋转扭力，带动中心轴连续转动而使发电机发电。
12.如权利要求11所述的汽车动能发电的结构，其特征在于：所述车桥框架底部固定设置在汽车车桥上，以汽车车桥支撑，所述车桥框架的顶面与底面之间设置有垂直于地面的用于导向的光轴，所述中空重物托板通过直线轴承套装在所述光轴上，沿光轴垂直方向上下振动吸收簧上车身振动的动能。
13.如权利要求11所述的汽车动能发电的结构，其特征在于：所述齿轮设置有若干个，均安装在发电机的中心轴上，内套有同向扭力的单向轴承，所述直齿条与齿轮数量相等，设置方式为间隔对向设置，分别与对应的齿轮单侧啮合。
14.如权利要求11所述的汽车动能发电的结构，其特征在于：所述簧上车身的固有频率所对应的垂直方向弹性系统，包括用于支撑的设置在车桥框架和簧上车身之间的垂直方向弹性系统，以及垂直方向设置的分别连接中空重物托板与车桥框架顶部和底部的上下反向预紧力拉簧组。
15.如权利要求14所述的汽车动能发电的结构，其特征在于：所述支撑的设置在车桥框架和簧上车身之间的垂直方向弹性系统包括设置在车桥和簧上车身之间的空气弹簧。
16.如权利要求14所述的汽车动能发电的结构，其特征在于：所述垂直方向设置的上下反向预紧力拉簧组包括连接中空重物托板与车桥框架顶部的上拉簧和连接中空重物托板与车桥框架底部的下拉簧，所述上拉簧和下拉簧以竖直啮合齿条连接，再将所述竖直啮合齿条与侧向啮合齿条啮合，所述侧向啮合齿条垂直固定在所述中空重物托板侧面上。
17.如权利要求11所述的汽车动能发电的结构，其特征在于：所述中空重物托板的垂直弹性系统包括设置在簧上车身上的用于单独支撑中空重物托板重力的垂直方向弹性系统，以及垂直方向设置的分别连接中空重物托板与车桥框架顶部和底部的上下反向预紧力拉簧组。
18.如权利要求17所述的汽车动能发电的结构，其特征在于：所述设置在簧上车身上的用于单独支撑中空重物托板重力的垂直方向弹性系统采用设置在簧上车身上的支撑弹簧。
19.如权利要求17所述的汽车动能发电的结构，其特征在于：所述设置在簧上车身上的用于单独支撑中空重物托板重力的垂直方向弹性系统采用设置在簧上车身上的竖直支撑架形成的支撑框，在所述支撑框顶端和中空重物托板之间用拉簧悬吊连接。
20.如权利要求14或17所述的汽车动能发电的结构，其特征在于：所述中空重物托板的上下反向预紧力拉簧组与所述簧上车身的上下反向预紧力拉簧组共用一套。
21.如权利要求11所述的汽车动能发电的结构，其特征在于：将所述的汽车动能发电结构安装在载重货车的车身前端和后端的位置，以超级电容或电池为蓄能电源，采用在车轮的轮毂金属圈表面固定设置间隔的缓冲块作为硬质轮胎胎面。
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