CN112377551B - 一种具有路况识别功能的汽车馈能式减振器及控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有路况识别功能的汽车馈能式减振器，包括动力传输组件、直流发电机和摩擦纳米发电机；动力传输组件经轴承座安装在机箱内的第一动力轴和第二动力轴，第一动力轴的一端与直流发电机输入端连接，另一端与摩擦纳米发电机的输入端连接，机箱内的第一动力轴上套设有反向设置的第一单向离合器齿轮和第二单向离合器齿轮，第二动力轴上套设有与第二单向离合器齿轮啮合的传动齿轮，机箱内还设置有与第一单向离合器齿轮、第二单向离合器齿轮、传动齿轮啮合的齿条，机箱、直流发电机以及摩擦纳米发电机安装在车架上，齿条安装在车身上，本发明在吸收汽车振动的同时又能够将能量回收利用起来，并可以实现对路况的识别功能。

Description

一种具有路况识别功能的汽车馈能式减振器及控制系统
技术领域
本发明涉及一种汽车馈能器，特别涉及一种汽车馈能式减振器。
背景技术
大多数汽车的悬架系统中都安装有减振器，传统的减振器如液力减振器等只能用来吸收地面垂直激励，而不能实现对能量的回收利用，导致汽车振动能量的浪费，在世界资源日益匮乏的国际背景之下，设计出一种在汽车减振的同时，又能巧妙地将振动能量储存起来的装置具有十分重要的意义，另外如果能够将振动信息反馈给ECU将大大改善汽车驾驶的舒适性与安全性，针对这种想法，国内外很多专家学者都曾提出各种方法，设计出来的馈能减振器主要有四种结构形式，即液电式、滚珠丝杆式、直线电机式和齿轮齿条式。现有的馈能器虽然能够有效地回收汽车在振动过程中散失的能量，但是其对于振动信息的拾取并未做到，加上结构加工工艺要求较高，因此其结构仍需完善。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有路况识别功能的汽车馈能式减振器，在吸收汽车振动的同时又能够将能量回收利用起来，并可以实现对路况的识别功能。
本发明的目的是这样实现的：一种具有路况识别功能的汽车馈能式减振器，包括动力传输组件、直流发电机和摩擦纳米发电机；所述动力传输组件经轴承座安装在机箱内的第一动力轴和第二动力轴，所述第一动力轴的两端伸出机箱设置，且第一动力轴的一端与直流发电机的输入端传动连接，第一动力轴的另一端与摩擦纳米发电机的输入端传动连接，所述机箱内的第一动力轴上套设有反向设置的第一单向离合器齿轮和第二单向离合器齿轮，所述第二动力轴上套设有与所述第二单向离合器齿轮啮合的传动齿轮，所述机箱内还设置有滑槽，滑槽内设置有与所述第一单向离合器齿轮、第二单向离合器齿轮、传动齿轮啮合的齿条，所述机箱、直流发电机以及摩擦纳米发电机安装在车架上，所述齿条安装在车身上。
作为本发明的进一步限定，所述直流发电机外接有调节用可变电阻，通过调节可变电阻阻值来调节齿轮与齿条的阻尼力。
作为本发明的进一步限定，所述直流发电机的输入端通过增速齿轮副与第一动力轴的一端传动连接。增速齿轮副的设置可得到更快的转速。
一种具有路况识别功能的汽车馈能式阻尼控制系统，包括汽车馈能式减振器以及：
主控单元，用以接收摩擦纳米发电机，并根据电信号测量车辆的振动幅度，再根据振动幅度来识别路况；
调节用可变电阻，用以接收主控单元的信号，并控制直流发电机的阻尼力；
所述主控单元的信号输入端连接摩擦纳米发电机的信号输出端和直流发电机的信号输出端，所述主控单元的信号输出端与可变电阻相连，可变电阻与直流发电机电连接。
作为本发明的进一步限定，控制阻尼力根据以下公式进行：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为阻尼力，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为直流发电机的转矩常数，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为直流发电机的反电动势常数，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为直流发电机的转速，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为直流发电机外接可变电阻的等效电阻，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为直流发电机电枢的等效电阻，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为齿条齿距；由上式可知减振器阻尼力与电机转速成正比，与可变电阻成反比，因此可以通过控制外接电阻的方式实现阻尼力的调节。
作为本发明的进一步限定，主控单元在识别路况时对电信号进行有效数据提取，具体为：当相干函数的阈值大于0.75时，才可用作路况分析，相干函数为：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
是直流发电机产生的电压与时间的函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
是摩擦纳米发电机产生的电压与时间的函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为
Figure DEST_PATH_IMAGE013
的比值，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
分别为最大值和最小值。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
一、本发明通过齿轮、齿条以及直流发电机的配合产生的阻尼特性吸收汽车振动，起到减振效果，同时，直流发电机可将能量回收并给电动汽车电池充电，避免能量的浪费；
二、本发明基于单向离合器齿轮输入端安装的摩擦纳米发电机和直流发电机产生的电信号实现对路况的识别，有效避免了单一输入过程中，非线性因素干扰对输出结果产生的影响，对改善汽车驾驶的舒适性和安全性具有重要意义；
三、本发明采用超越离合器可以有效地避免电机的转子在工作过程中频繁地正反旋转，导致馈能效率低下和电机易于损坏的现象；
四、本发明可以通过控制外接电阻的方式实现阻尼力的调节，进一步增强本发明的减振性能。
附图说明
图1为本发明中汽车馈能式减振器的结构示意图。
图2为本发明中汽车馈能式减振器内动力传输组件的结构示意图。
图3为本发明中汽车馈能式控制系统的原理框图。
其中，1动力传输组件，1a机箱，1b第一动力轴，1c第二动力轴，1d传动齿轮，1e轴承座，1f齿条，1g第一单向离合器齿轮，1h第二单向离合器齿轮，2直流发电机，3摩擦纳米发电机，4增速齿轮副，5联轴器。
具体实施方式
如图1-2所示的一种具有路况识别功能的汽车馈能式减振器，包括动力传输组件1、直流发电机2和摩擦纳米发电机3；动力传输组件1经轴承座1e安装在机箱1a内的第一动力轴1b和第二动力轴1c，第一动力轴1b的两端伸出机箱1a设置，且第一动力轴1b的一端与直流发电机2的输入端传动连接，直流发电机2的输入端通过增速齿轮副4、联轴器5与第一动力轴1b的一端传动连接，第一动力轴1b的另一端与摩擦纳米发电机3的输入端传动连接，机箱1a内的第一动力轴1b上套设有反向设置的第一单向离合器齿轮1g和第二单向离合器齿轮1h，第二动力轴1c上套设有与第二单向离合器齿轮1h啮合的传动齿轮1d，机箱1a内还设置有滑槽，滑槽内设置有与第一单向离合器齿轮1g、第二单向离合器齿轮1h、传动齿轮1d啮合的齿条1f，机箱1a、直流发电机2以及摩擦纳米发电机3安装在车架上，齿条1f安装在车身上，直流发电机2外接有调节用可变电阻，通过调节可变电阻阻值来调节齿轮与齿条1f的阻尼力。
如图3所示的一种具有路况识别功能的汽车馈能式控制系统，包括上述汽车馈能式减震器以及
主控单元，用以接收摩擦纳米发电机，并根据电信号测量车辆的振动幅度，再根据振动幅度来识别路况；
调节用可变电阻，用以接收主控单元的信号，并控制直流发电机的阻尼力；
主控单元的信号输入端连接摩擦纳米发电机的信号输出端和直流发电机的信号输出端，主控单元的信号输出端与可变电阻相连，可变电阻与直流发电机电连接。
控制阻尼力根据以下公式进行：
Figure 218039DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 742561DEST_PATH_IMAGE002
为阻尼力，
Figure 388569DEST_PATH_IMAGE003
为直流发电机的转矩常数，
Figure 656739DEST_PATH_IMAGE004
为直流发电机的反电动势常数，
Figure 383387DEST_PATH_IMAGE005
为直流发电机的转速，
Figure 469023DEST_PATH_IMAGE006
为直流发电机外接可变电阻的等效电阻，
Figure 241807DEST_PATH_IMAGE007
为直流发电机电枢的等效电阻，
Figure 923455DEST_PATH_IMAGE008
为齿条齿距；由上式可知减振器阻尼力与电机转速成正比，与可变电阻成反比，因此可以通过控制外接电阻的方式实现阻尼力的调节。
汽车行驶过程中，将由路面激励产生的直流发电机电信号与摩擦纳米发电机产生的电信号结合，利用相干分析理论，可在各输入信号间消除相关影响后计算各输入对输出的贡献，排除一些干扰，使其更加精准地对路况进行识别。主控单元在识别路况时对电信号进行有效数据提取，具体为：当相干函数的阈值大于0.75时，才可用作路况分析，相干函数为：
Figure 832505DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 327859DEST_PATH_IMAGE010
是直流发电机产生的电压与时间的函数，
Figure 587939DEST_PATH_IMAGE011
是摩擦纳米发电机产生的电压与时间的函数，
Figure 73278DEST_PATH_IMAGE012
为
Figure 102414DEST_PATH_IMAGE013
的比值，
Figure 529853DEST_PATH_IMAGE014
分别为最大值和最小值。
摩擦纳米发电机产生的电压可以定义为：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
其中Q为PCB板与PTFE板摩擦时输出的电荷，R为可变电阻，t为时间，输出电荷Q可以定义为：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
其中，L为滑动体的滑动距离,
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为栅状电极宽度，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为电极上感应电荷密度的最大值，A为接触面积，由上式可知，PCB板与PTFE板之间相对转速越大，单位时间内其接触面积越大，输出的电荷越多，单位时间内输出的电荷越多，摩擦纳米发电机输出的电压越大，因此基于以上理论可以实现对路况的识别，比如汽车行驶过程中突然受到垂直激励，在该激励之下，摩擦纳米发电机转速增大，输出电压增加，这一信息将被传输至汽车GPS系统并保存在数据库中进而实现对路况的识别。
为了验证负载电机的外接电阻对减振器阻尼力的调节，利用加载及测试装置对其进行试验，设定减振器振幅为40mm,分别测得频率为1hz和2hz时在不同外接电阻下的平均阻尼力如下表所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
表一清晰地表明在同一频率下，负载电机的外接电阻阻值越小，减振器阻尼力越大，外接电阻阻值越大，减振器阻尼力越小，实现了减振器阻尼可调节；
为了验证本发明的发电效果，利用加载机及测试装置对馈能式减振器进行实验，减振器的振幅分别设定为20mm和40mm，测得不同的频率和外接电阻下发电机的平均功率如下表所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
Figure DEST_PATH_IMAGE023
从以上的表二、表三中可以看出，随着减振器振动频率的增加，发电机的平均发电功率明显增长，另外随着外接电阻阻值的减小，发电功率明显增长，这充分表明本发明对于一些小电阻的汽车电器（如传感器、车载雷达等）供电效果非常可观。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种具有路况识别功能的汽车馈能式减振器，其特征在于，包括动力传输组件、直流发电机和摩擦纳米发电机；所述动力传输组件经轴承座安装在机箱内的第一动力轴和第二动力轴，所述第一动力轴的两端伸出机箱设置，且第一动力轴的一端与直流发电机的输入端传动连接，第一动力轴的另一端与摩擦纳米发电机的输入端传动连接，所述机箱内的第一动力轴上套设有反向设置的第一单向离合器齿轮和第二单向离合器齿轮，所述第二动力轴上套设有与所述第二单向离合器齿轮啮合的传动齿轮，所述机箱内还设置有滑槽，滑槽内设置有与所述第一单向离合器齿轮、第二单向离合器齿轮、传动齿轮啮合的齿条，所述机箱、直流发电机以及摩擦纳米发电机安装在车架上，所述齿条安装在车身上，所述直流发电机外接有调节用可变电阻，通过调节可变电阻阻值来调节齿轮与齿条的阻尼力，控制阻尼力根据以下公式进行：
Figure 500424DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 11039DEST_PATH_IMAGE002
为阻尼力，
Figure 259618DEST_PATH_IMAGE003
为直流发电机的转矩常数，
Figure 248303DEST_PATH_IMAGE004
为直流发电机的反电动势常数，
Figure 531516DEST_PATH_IMAGE005
为直流发电机的转速，
Figure 947454DEST_PATH_IMAGE006
为直流发电机外接可变电阻的等效电阻，
Figure 683329DEST_PATH_IMAGE007
为直流发电机电枢的 等效电阻，
Figure 678967DEST_PATH_IMAGE008
为齿条齿距。
2.根据权利要求1所述的一种具有路况识别功能的汽车馈能式减振器，其特征在于，所述直流发电机的输入端通过增速齿轮副与第一动力轴的一端传动连接。
3.一种具有路况识别功能的汽车馈能式控制系统，包括如权利要求1所述的汽车馈能式减振器，其特征在于，还包括：
主控单元，用以接收摩擦纳米发电机，并根据电信号测量车辆的振动幅度，再根据振动幅度来识别路况；
调节用可变电阻，用以接收主控单元的信号，并控制直流发电机的阻尼力；
所述主控单元的信号输入端连接摩擦纳米发电机的信号输出端和直流发电机的信号输出端，所述主控单元的信号输出端与可变电阻相连，可变电阻与直流发电机电连接。
4.根据权利要求3所述的一种具有路况识别功能的汽车馈能式控制系统，其特征在于，主控单元在识别路况时对电信号进行有效数据提取，具体为：当相干函数的阈值大于0.75时，才可用作路况分析，所述相干函数为：
Figure 941321DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 669106DEST_PATH_IMAGE010
是直流发电机产生的电压与时间的函数，
Figure 16910DEST_PATH_IMAGE011
是摩擦纳米发电机产生的电 压与时间的函数，
Figure 222764DEST_PATH_IMAGE012
为
Figure 542887DEST_PATH_IMAGE013
的比值，
Figure 580855DEST_PATH_IMAGE014
分别为最大值 和最小值。
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