CN103552468B - 载货车振动能量回收系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种载货车振动能量回收系统，包括：依次连接的钢板弹簧、增大的吊耳、连杆机构、双作用气缸和储气罐，其中，所述钢板弹簧一端连接在车架上，另一端连接在所述增大的吊耳上；所述增大的吊耳一端通过旋转副连接在车架上，另一端与连杆机构通过旋转副连接；所述双作用气缸中的气缸活塞与所述连杆机构连接。本发明的振动能量回收系统，利用增大的吊耳放大工作行程，利用增大的吊耳唯一的运动轨迹及连杆机构实现运动形式转换，提高了使用可靠性及能量回收效率，避免了垂直放置馈能缸式的能量回收效率低、结构复杂的问题，又避免了纵置放置馈能缸式可靠性差的问题。

Description

载货车振动能量回收系统

技术领域

本发明属于载货车能量回收领域，具体涉及一种载货车振动能量回收系统。

背景技术

经济性是评价汽车性能的重要指标之一。目前，各汽车生产厂家都在追求低油耗，而能量回收为降低油耗提高经济性开辟了新的有效途径。在国际经济危机和国内燃油费改税的大环境下，进行车辆振动能量回收，用于耗能系统，提高燃油经济性具有重要意义。

目前，载货车振动能量回收系统一般安装在车架和车桥之间，主要有两种具体实现形式：一种是直接垂向放置馈能压缩缸，如能够在压缩时能够储存能量的气缸或者液压缸等，这种方式因在载货车实际使用过程中悬架动挠度较小，能量回收效率很低，实用性很差，同时辅助部件较复杂，成本较高；另一种实现形式是馈能压缩缸沿车架纵向方向放置，通过安装在车架和车桥之间的齿轮齿条机构实现运动形式的转换，由于在实际应用过程中车桥具有六自由度的运动，齿轮齿条经常出现折断的故障，导致能量回收系统失效，这种实现形式可靠性较差。

而且现有的载货车振动能量回收系统，对于高频小振幅的振动难以回收，而大振幅的振动又较少，导致能量回收效率低下，尚不能达到振动能量高效率回收的要求，因而现有的载货车振动能量回收系统难以推广。此外，目前在载货车领域还尚未出现成熟的振动能量回收系统。

因此，如何在载货车上安装结构简单、性能可靠、且回收效率高的振动能量回收系统成为亟待解决的问题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种结构简单、成本低、性能可靠、能更有效的回收车辆振动能量，提高燃油经济性，并改善载货汽车的平顺性的载货车振动能量回收系统。

本发明采用的技术方案如下：

一种载货车振动能量回收系统，包括：依次连接的钢板弹簧、增大的吊耳、连杆机构、双作用气缸和与所述双作用气缸连接的储气罐，

其中，所述钢板弹簧一端连接在车架上，另一端连接在所述增大的吊耳上；

所述增大的吊耳一端通过旋转副连接在车架上，另一端通过旋转副与所述连杆机构连接；

所述双作用气缸中的气缸活塞与所述连杆机构连接；

当载货车处于第一状态时，所述增大的吊耳顺时针旋转，从而带动所述气缸活塞压缩所述双作用气缸下腔中的空气，经压缩的空气通过第一管路对所述储气罐进行充气；当载货车处于第二状态时，所述增大的吊耳逆时针旋转，从而带动所述气缸活塞压缩所述双作用气缸上腔中的空气，经压缩的空气通过第二管路对所述储气罐进行充气。

还包括设置于所述储气罐上的压力传感器和与所述所述储气罐连接的发动机气压分流系统，以及分别与所述压力传感器和所述发动机气压分流系统通信连接的电子控制单元。

当所述压力传感器测得所述储气罐的压力值p＜p_a时，所述发动机气压分流系统处于开启状态；

当所述压力传感器测得所述储气罐的压力值p≥p_a时，所述发动机气压分流系统处于关闭状态，此时，系统处于第一状态或第二状态。

其中，Pa为设定的压力值的阈值下限值。

所述双作用气缸与固定在车架上的气缸支架通过旋转副连接。

所述气缸活塞与所述连杆机构通过旋转副连接。

所述第一管路设置有位于所述双作用气缸的下腔与所述储气罐之间的依次连接的第一辅助储气筒、第一油水分离器和第一单向阀；

所述第二管路设置有位于所述双作用气缸的上腔与所述储气罐之间的依次连接的第二辅助储气筒、第二油水分离器和第二单向阀。

还包括与所述储气罐连接的溢流阀。

还包括与所述储气罐连接的气压能消耗系统。

所述双作用气缸的直径d和活塞行程L，通过以下步骤确定：

(1)根据车辆参数通过仿真或者理论计算得悬架系统舒适性的最佳阻尼比ξ，钢板弹簧承担载荷m；钢板弹簧刚度K；利用公式计算可得悬架系统的最佳阻尼值C；

(2)根据所述气压能消耗系统所需要的工作气压p_e，利用公式计算得双作用气缸直径d；

(3)根据试验测得空载和满载情况下增大的吊耳的摆动角范围θ，增大的吊耳的长度l，利用L＝lθ可得双作用气缸活塞行程L。

所述第一辅助储气筒和第二辅助储气筒的尺寸通过以下步骤确定：

(1)根据第一辅助储气筒和第二辅助储气筒在车架上的安装空间，获取它们的长度L_fi，i＝1，2；

(2)利用公式i＝1，2计算得出第一辅助储气筒和第二辅助储气筒的直径d_fi；

其中，d为所述双作用气缸的直径，L为双作用气缸的活塞行程。

本发明提供的一种载货车振动能量回收系统，其有益效果在于，将增大的吊耳通过旋转副与车架进行连接，利用增大的吊耳放大工作行程，利用增大的吊耳唯一的运动轨迹及连杆机构机构实现运动形式转换，提高了使用可靠性及能量回收效率，避免了垂直放置馈能缸式的能量回收效率低、结构复杂的问题，又避免了纵置放置馈能缸式可靠性差的问题。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式的整体结构示意图。

(附图标记说明)

1.车架；2.增大的吊耳；3.双作用气缸；4.气缸支架；

5.气缸活塞；6.气压能消耗系统；7.储气罐；8.溢流阀；

9.发动机气压分流系统；10.压力传感器；11.第二单向阀；

12.电子控制单元ECU；13.第一单向阀；14.第一油水分离器；

15.第二油水分离器；16.第二辅助储气筒；17.第一辅助储气筒；

18.连杆机构；19.等效轮胎；20.车桥；

21.钢板弹簧。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

图1是本发明的一个实施方式的整体结构示意图。

如图1所示，本实施方式的载货车振动能量回收系统，包括依次连接的钢板弹簧21、增大的吊耳2、连杆机构18、双作用气缸3、储气罐7。

在发明中，术语“增大的吊耳”是指对常规吊耳的构造进行了重新设计，采用了杠杆比，增长了常规吊耳的长度。在实际设计过程中，可根据不同车辆的吊耳长度、吊耳材料的强度和安装空间来决定，一般将吊耳放大为原来的1.5～3倍。

其中，所述钢板弹簧21一端连接在车架1上，另一端连接在所述增大的吊耳2上；所述增大的吊耳2一端通过旋转副连接在车架1上，另一端与连杆机构18通过旋转副连接；所述双作用气缸3中的气缸活塞5与所述连杆机构18连接，所述双作用气缸3和储气罐7之间通过第一管路和第二管路连接。

在本发明中，所述增大的吊耳与目前车辆所使用的常规增大的吊耳的结构不同，其采用了杠杆比，增长了常规增大的吊耳的长度，并且下端通过旋转幅与连杆机构18相连接。

其中，在所述第一管路中设置有位于所述双作用气缸的下腔与所述储气罐之间的依次连接的第一辅助储气筒17、第一油水分离器14和第一单向阀11，在第二管路中设置有位于所述双作用气缸3的上腔与所述储气罐7之间的依次连接的第二辅助储气筒15、第二油水分离器13和第二单向阀10。为了能更迅速的建立气压，其中第一辅助储气筒17和第二辅助储气筒15为细长且小容积结构。

此外，如图1所示，系统还包括设置在所述储气罐7上的压力传感器10和与所述所述储气罐7连接的发动机气压分流系统9，以及分别与所述压力传感器10和所述发动机气压分流系统9通信连接的电子控制单元ECU12，以及分别与所述储气罐7连接的溢流阀8和气压能消耗系统6。

当所述压力传感器10测得所述储气罐7的压力值p＜p_a(其中p_a为设定的阈值下限值)时，所述发动机气压分流系统9处于开启状态。当所述压力传感器10测得所述储气罐7的压力值p≥p_a时，所述发动机气压分流系统9处于关闭状态。此时，能量回收系统处于工作状态，即下面所述的第一状态和第二状态。

当载货车处于第一状态时，车架1和车桥20相互远离，钢板弹簧21发生复原运动的情况，所述增大的吊耳2顺时针旋转，从而带动所述气缸活塞压缩所述双作用气缸3下腔中的空气，经压缩的空气通过第一管路对所述储气罐7进行充气。

当载货车处于第二状态时，车架1和车桥20相互靠近，钢板弹簧21发生压缩运动的情况，所述增大的吊耳2逆时针旋转，从而带动所述气缸活塞5压缩所述双作用气缸3上腔中的空气，经压缩的空气通过第二管路对所述储气罐7进行充气。

为了避免所述双作用气缸3受到过大的侧向力，所述双作用气缸3通过旋转副与固定在车架1上的气缸支架4连接。以及优选所述气缸活塞与所述连杆机构通过旋转副连接。

下面对本发明的载货车振动能量回收系统在不同工作状态的情况进行介绍。

在汽车行驶过程中，车架1因路面不平受到振动，钢板弹簧21会发生压缩和复原运动，导致增大的吊耳2绕其在固定支架上的点作旋转运动。当所述压力传感器10测得所述储气罐7的压力值p≥p_a时，所述发动机气压分流系统9处于关闭状态。此时，能量回收系统处于工作状态。

此时，当车架1和车桥20(其与等效轮胎19相连接)相互靠近时，钢板弹簧21发生压缩运动，增大的吊耳2绕其在固定支架上的点作逆时针旋转运动，通过连杆机构18把旋转运动转化为气缸活塞5的压缩运动，使双作用气缸3的上腔的空气压缩，通过细长且小容积的第二辅助储气筒16迅速建立气压，经第二辅助储气筒16的压缩气体散热降温后进入第二油水分离器15将压缩空气中的水分分离，当气压值大于储气罐7的气压阈值下限时，压缩空气冲开第一单向阀11，对储气罐7进行充气；如果储气罐7的压力值p＞p_b(p_b为设定的阈值上限值)时，通过溢流阀8把部分压缩空气释放到大气中。

当车架1和车桥20相互远离时，钢板弹簧21发生复原运动，增大的吊耳2绕其在固定支架上的点作顺时针旋转运动，通过连杆机构18把旋转运动转化为气缸活塞5的压缩运动，使双作用气缸3的下腔的空气压缩，通过细长且小容积的第一辅助储气筒17迅速建立气压，经第一辅助储气筒17的压缩气体散热降温后进入第一油水分离器14将压缩空气中的水分分离，当气压值大于储气罐7的气压阈值下限时，压缩空气冲开第一单向阀13，对储气罐7进行充气。如果储气罐7的压力值p＞p_b(p_b为设定的阈值上限值)时，通过溢流阀8把部分压缩空气释放到大气中。

当所述压力传感器10测得所述储气罐7的压力值p＜p_a(其中p_a为设定的阈值下限值)时，通过ECU12启动发动机气压分流系统9，通过发动机上的空压机为储气罐7充气。其它情况下发动机气压分流系统9处于关闭状态，避免了发动机空压机处于供气状态造成的燃油消耗。目前常规车辆的储气罐的压力阈值下限值大致在8bar～10bar之间，在确定Pa时，可根据具体车辆及收集的能量的用途来设计，大约设在常规车辆值的85％左右。

在本发明中，双作用气缸3的直径d和活塞行程L，通过以下步骤确定：

(1)根据车辆参数通过仿真或者理论计算得悬架系统舒适性的最佳阻尼比ξ，钢板弹簧承担载荷m；钢板弹簧刚度K；利用公式计算可得悬架系统的最佳阻尼值C；

例如可以通过ADAMS/Car多体软件建立整车模型优化阻尼参数，获得舒适性最佳阻尼比ξ；也可以利用振动理论建立整车振动微分方程组优化阻尼参数，获得舒适性最佳阻尼比ξ。

(2)根据气压能消耗系统6所需要的工作气压p_e，利用公式计算得双作用气缸直径d；

公式是根据整车舒适性最佳阻尼比ξ计算出的最佳阻尼力等于双作用气缸的压缩力推导出来的。

(3)根据试验测得空载和满载情况下增大的吊耳的摆动角范围θ，增大的吊耳2的长度l，利用L＝lθ可得双作用气缸3的活塞行程L。

为使得设计系统除了回收能量还能改善车辆平顺性，所述第一辅助储气筒17和第二辅助储气筒16的尺寸通过以下步骤确定：

(1)根据第一辅助储气筒17和第二辅助储气筒16在车架1上的安装空间，获取它们的长度L_fi，i＝1，2；

(2)利用公式i＝1，2计算得出第一辅助储气筒和第二辅助储气筒的直径d_fi，其中，d为所述双作用气缸的直径，L为双作用气缸的活塞行程。

公式是根据双作用气缸的体积等于辅助储气筒的体积推导而来的。

实施例

接下来，以某汽车公司生产的某款中型卡车作为样车，从而对本发明的载货车振动能量回收系统作进一步说明。

样车的载货车振动能量回收系统整体结构结构如上所述。其中，样车中的储气罐7的长度为500mm，直径为250mm。

为解决现有的载货车振动能量回收系统，高频小振幅振动难以建立工作压力，大振幅振动较少导致的能量回收效率低下的问题，本发明对钢板弹簧原有增大的吊耳(长度110mm)进行重新设计，根据增大的吊耳材料的强度和安装空间，把原有增大的吊耳长度放大两倍，长度变为220mm，即增大的吊耳2，即采用杠杆比，将常规吊耳的长度增长，并且下端通过旋转幅与连杆机构18相连接，使得车辆在行驶过程中的由于路况不好的情况所导致即使车架与车桥之间的距离变化为-3mm～3mm范围内的小振幅也能被感知到。

为解决纵置放置馈能缸式可靠性差的问题，本发明利用增大的吊耳2的唯一的运动轨迹及连杆机构机构实现运动形式转换，即增大的吊耳2只能绕其在固定支架上的点作旋转运动，通过连杆机构18把旋转运动转化为气缸活塞5的压缩运动，提高了可靠性。为了避免双作用气缸3受到过大的侧向力，使得双作用气缸3通过旋转副与固定在车架1上的气缸支架4连接。

为使得在能量回收时，车辆达到舒适性最佳状态，双作用气缸的直径d与工作行程L，其尺寸选取采用以下步骤：

(1)根据车辆参数通过仿真或者理论计算得悬架系统舒适性的最佳阻尼比ξ＝0.2，钢板弹簧承担载荷m＝5000kg；钢板弹簧刚度K＝970000N/m；利用公式计算可得悬架系统的最佳阻尼值C＝2.7857e+004Ns/m；

(2)根据气压能消耗系统所需要的工作气压p_e，利用公式计算得双作用气缸直径d＝200mm；在本实施例中，根据选用的样本车辆的参数，本实施例中的车辆的气压能消耗系统所需要的工作气压p_e＝8e+005Pa。

(3)根据试验测得空载和满载情况下增大的吊耳的摆动角范围为0～10°，增大的吊耳长度l＝120mm，利用L＝lθ可得双作用气缸活塞行程L＝80mm。

为了便于迅速建立气压能消耗系统需要的工作气压及迅速冷却压缩气体，辅助气筒的尺寸设计采用以下方法：

(1)根据第一辅助气筒和第二辅助气筒在车架上的安装空间，它们的长度L_f均取350mm；

(2)根据辅助气筒容积小于等于双作用气缸容积的原则，利用公式计算得两个辅助气筒的直径d_f＝95mm。

为验证样车的舒适性和能量回收效率，采用仿真与试验相结合的方法，对能量回收率进行估算，并对乘坐舒适性进行对比验证：

利用软件ADAMS/Car和软件EASY5建立联合仿真模型。利用试验法测得模型中各部件质量及转动惯量、橡胶衬套六向刚度、减振器阻尼、钢板弹簧刚度、轮胎刚度。车速为70km/h，簧载为12吨，路面输入采用GB7031-86标准路谱等级A、B、C、D。

表1能量回收评价表

仿真表明，样车的簧载为12吨，车速为70km/h分别行驶在A、B、C、D级路面上时，能量回收率依次为1.50％、3.02％、6.06％、8.63％。

表2乘坐舒适性评价表

仿真表明，样车簧载为12吨，车速为70km/h分别行驶在A、B、C、D级路面上时，舒适性改善百分比依次为6.45％、10.67％、13.1％、16.9％。

综上，本发明的载货车振动能量回收系统不仅回收了载货车的振动能量，又避免了仅有发动机空压机处于供气状态造成的燃油消耗，节省了发动机的燃油消耗。同时也为原有的钢板弹簧悬架系统提供了最佳阻尼，有利于衰减车辆振动，改善行驶平顺性。

Claims (10)

1.一种载货车振动能量回收系统，其特征在于，包括：依次连接的钢板弹簧、增大的吊耳、连杆机构、双作用气缸和与所述双作用气缸连接的储气罐，

其中，所述钢板弹簧一端连接在车架上，另一端连接在所述增大的吊耳上；

所述增大的吊耳一端通过旋转副连接在车架上，另一端通过旋转副与所述连杆机构连接；

所述双作用气缸中的气缸活塞与所述连杆机构连接；

当载货车处于第一状态时，车架和车桥相互远离，所述增大的吊耳顺时针旋转，从而带动所述气缸活塞压缩所述双作用气缸下腔中的空气，经压缩的空气通过第一管路对所述储气罐进行充气；当载货车处于第二状态时，车架和车桥相互靠近，所述增大的吊耳逆时针旋转，从而带动所述气缸活塞压缩所述双作用气缸上腔中的空气，经压缩的空气通过第二管路对所述储气罐进行充气。

2.根据权利要求1所述的载货车振动能量回收系统，其特征在于，还包括设置于所述储气罐上的压力传感器和与所述储气罐连接的发动机气压分流系统，以及分别与所述压力传感器和所述发动机气压分流系统通信连接的电子控制单元。

3.根据权利要求2所述的载货车振动能量回收系统，其特征在于，当所述压力传感器测得所述储气罐的压力值p＜p_a时，所述发动机气压分流系统处于开启状态；

当所述压力传感器测得所述储气罐的压力值p≥p_a时，所述发动机气压分流系统处于关闭状态，此时，载货车处于所述第一状态或第二状态，

其中，Pa为设定的压力值的阈值下限值。

4.根据权利要求1所述的载货车振动能量回收系统，其特征在于，所述双作用气缸与固定在车架上的气缸支架通过旋转副连接。

5.根据权利要求1所述的载货车振动能量回收系统，其特征在于，所述气缸活塞与所述连杆机构通过旋转副连接。

6.根据权利要求1所述的载货车振动能量回收系统，其特征在于，所述第一管路设置有位于所述双作用气缸的下腔与所述储气罐之间的依次连接的第一辅助储气筒、第一油水分离器和第一单向阀；

所述第二管路设置有位于所述双作用气缸的上腔与所述储气罐之间的依次连接的第二辅助储气筒、第二油水分离器和第二单向阀。

7.根据权利要求1至6任一项所述的载货车振动能量回收系统，其特征在于，还包括与所述储气罐连接的溢流阀。

8.根据权利要求6所述的载货车振动能量回收系统，其特征在于，还包括与所述储气罐连接的气压能消耗系统。

9.根据权利要求8所述的载货车振动能量回收系统，其特征在于，所述双作用气缸的直径d和活塞行程L，通过以下步骤确定：

(1)根据车辆参数通过仿真或者理论计算得悬架系统舒适性的最佳阻尼比ξ，钢板弹簧承担载荷m；钢板弹簧刚度K；利用公式计算可得悬架系统的最佳阻尼值C；

(2)根据所述气压能消耗系统所需要的工作气压p_e，利用公式计算得双作用气缸直径d；

(3)根据试验测得空载和满载情况下增大的吊耳的摆动角范围θ，增大的吊耳的长度l，利用L＝lθ可得双作用气缸活塞行程L。

10.根据权利要求9所述的载货车振动能量回收系统，其特征在于，所述第一辅助储气筒和第二辅助储气筒的尺寸通过以下步骤确定：

(1)根据第一辅助储气筒和第二辅助储气筒在车架上的安装空间，获取它们的长度L_fi，i＝1，2；

(2)利用公式i＝1，2计算得出第一辅助储气筒和第二辅助储气筒的直径d_fi；

其中，d为所述双作用气缸的直径，L为双作用气缸的活塞行程。