CN113404814B - 一种越野车用高功率悬架惯性馈能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种越野车用高功率悬架惯性馈能装置。当越野车悬架发生上下振动时，利用滚珠丝杠装置将悬架振动时的直线运动转化为丝杠与飞轮的旋转运动，再通过高功率振动能量回收装置提高馈能效率，最后将回收的振动能量储存在蓄电设备。相较于传统悬架馈能装置，本发明提出的一种越野车用高功率悬架惯性馈能装置大幅提升了馈能的效率，提高了悬架振动过程中回收的能量，可有效减少能源的消耗，具有广阔的市场应用前景。

Description

一种越野车用高功率悬架惯性馈能装置
技术领域
本发明涉及一种高功率悬架惯性馈能装置，特别是指一种越野车用高功率悬架惯性馈能装置。
背景技术
悬架是汽车的重要组成部件之一。传统的被动悬架为了产生阻尼力来减小汽车的振动，使用减振器来减震。但减振器以摩擦的形式将振动能量转变为热能耗散掉，造成能源浪费，已越来越不能满足车辆的高性能和节能需求。因此，近年来，汽车行业对馈能悬架系统进行了大量的研究。如果能够采用高回收效率的馈能悬架将耗散掉的能量加以回收利用，就可以有效的解决传统被动悬架能量耗散问题，提高汽车的能量利用率。尤其是对于行驶过程中悬架振动幅度相对大的越野车，应用馈能悬架将会回收更多的能量。
作为馈能悬架的重要组成部分，惯容器的研究对馈能悬架的发展具有重要意义。传统的惯容器多为齿轮齿条式，这种惯容器摩擦力大，且齿轮齿条的运动对悬架振动产生不利影响。如专利CN201110295740.9中一种可变惯质系数的齿轮齿条式惯容器装置，齿轮齿条式惯容器摩擦力高且齿轮与齿轮接触间存在背隙问题，在齿轮高速转换运动方向时，齿轮间的背隙将造成系统迟滞或相位落后。为解决这个缺陷，有了滚珠丝杠式惯容器。它将悬架的直线运动转化为丝杠的旋转运动，丝杠驱动飞轮旋转，由此实现对飞轮惯性的封装。
现有的应用于汽车的馈能装置大多为齿轮齿条式馈能装置。如专利CN202011244114.2一种齿轮齿条式机电惯质馈能装置，馈能效率低，而且由于齿轮齿条摩擦损失的能量多，回收的能量有限。因此，提升馈能装置的馈能输出效率是关键也是难点。尤其对于适用于越野车的悬架馈能装置，当前国内外研究较少，且装置能量回收效果不理想。
发明内容
在研究了传统馈能装置回收能量低、以及相关发电原理的基础上，本发明将滚珠丝杠装置与高功率馈能装置相结合，提出了一种越野车用的悬架高功率惯性馈能装置。发明对悬架振动过程中的能量进行了回收，实现了装置的高功率馈能，提高了能量回收效率。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种越野车用高功率悬架惯性馈能装置，主要包括上吊耳(1)、上壳体(2)、丝杠(3)、丝杠螺母(4)、飞轮(6)、联轴器(7)、弯轴(8)、圆盘I(9)、连接件(10)、圆盘Ⅱ(11)、输出轴(12)、发电装置和蓄电装置集成箱(13)、下壳体(14)、下吊耳(15)、圆盘Ⅰ侧孔(17)、球轴承(19)、连接件底部通孔(20)((每个连接件底部各有一个通孔)；所述上吊耳(1)焊接在上壳体(2)正上方与隔振系统上端点相铰接，下吊耳(15)焊接在下壳体(14)的正下方与隔振系统下端点相铰接；上壳体(2)轴线竖直布置，将滚珠丝杠装置封装其中，丝杠(3)与丝杠螺母(4)相啮合，丝杠(3)穿过飞轮(6)中心孔与弯轴(8)通过联轴器(7)连接，从而丝杠(3)、飞轮(6)、联轴器(7)、弯轴(8)同步旋转；弯轴(8)竖直布置，下端插入圆盘Ⅰ(9)中心孔中，与其过盈配合，同步旋转；圆盘I(9)轴线竖直安装，3个连接件(10)轴线竖直安装，连接件(10)上端分别与圆盘Ⅰ侧孔(17)过盈配合，连接件(10)下端连接圆盘Ⅱ(11)，圆盘Ⅱ(11)轴线竖直安装，且焊接在下壳体(14)内部，同步运动；3个输出轴(12)轴线竖直安装，输出轴(12)上端分别与连接件(10)底部通孔(20)过盈配合，输出轴(12)中部与轴承(19)过盈配合，输出轴(12)下端分别与发电装置和蓄电装置集成箱(13)中的发电机轴相连。
进一步，发电装置和蓄电装置集成箱(13)为3个，发电装置和蓄电装置集成箱(13)焊接在下壳体(14)内部下底面，下壳体(14)轴线竖直安装，将馈能装置、发电装置及蓄电装置封装其中。
进一步，在发电装置和蓄电装置集成箱(13)中，发电装置为旋转电机，其旋转部件为转子，固定部件为定子。
进一步，圆盘Ⅰ(9)上有一个中心孔(16)，三个侧孔(17)，圆盘Ⅱ(11)上有3个圆盘Ⅱ侧孔(18)，每个圆盘Ⅱ侧孔(18)中安装有球轴承(19)，球轴承(19)外端与圆盘Ⅱ侧孔(18)过盈配合。
进一步，该装置的能量回收功率Pe为：
Figure BDA0003066024770000031
其中，Ue为旋转电机产生的路端电压，Re为每个旋转电机的等效内阻，R为每个电路外接电阻，Ie为旋转电机内部电路与外电路形成闭合回路中电流。
进一步，丝杠螺母(4)经由丝杠螺母安装螺栓(5)固定在上壳体(2)的下端。
进一步，联轴器(7)与下壳体(14)上方的凸台孔过渡配合，保证相对运动的同时，可有效防尘，延长装置使用寿命。
采用上述技术方案的有益效果是：本发明为一种越野车用高功率悬架惯性馈能装置，与传统悬架馈能装置相比，增设了高功率转换机构，大大提高了馈能装置的效率，增加了悬架振动过程中回收的能量。回收的能量可用于汽车元器件的供电等方面，有利于减少能源的消耗，具有广阔的市场应用前景。另外，本发明对整套装置进行了封装，在方便安装的同时延长装置的使用寿命。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明一种越野车用高功率悬架惯性馈能装置的结构示意图；
图2为圆盘Ⅰ9俯视图；
图3为圆盘Ⅱ11全剖视图；
图4为连接件10主视图；
图5为输出轴12主视图。
附图标记说明：
1-上吊耳，2-上壳体，3-丝杠，4-丝杠螺母，5-丝杠螺母安装螺栓，6-飞轮，7-联轴器，8-弯轴，9-圆盘I，10-连接件，11-圆盘Ⅱ，12-输出轴，13-发电装置和蓄电装置集成箱，14-下壳体，15-下吊耳，16-圆盘Ⅰ中心孔，17-圆盘Ⅰ侧孔，18-圆盘Ⅱ侧孔，19-球轴承，20-连接件底部通孔。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明的核心思想是：首先利用滚珠丝杠装置将悬架振动时的直线运动转化为飞轮的旋转运动；再通过高功率转化装置提高馈能效率；最后使用发电装置和蓄电装置对能量进行储存。
本发明提出的一种越野车用高功率悬架惯性馈能装置，主要包括上吊耳1、上壳体2、丝杠3、丝杠螺母4、丝杠螺母安装螺栓5、飞轮6、联轴器7、弯轴8、圆盘I 9、连接件10、圆盘Ⅱ11、输出轴12、发电装置和蓄电装置集成箱13、下壳体14、下吊耳15、圆盘Ⅰ中心孔16、圆盘Ⅰ侧孔17、圆盘Ⅱ侧孔18、球轴承19、连接件底部通孔20。
其中，如图1所示，整套装置均竖直布置，上吊耳1焊接在上壳体2正上方，与隔振系统上端点相铰接。上壳体2轴线竖直布置，将滚珠丝杠装置封装其中。丝杠3与丝杠螺母4相啮合。丝杠螺母4经由丝杠螺母安装螺栓5固定在上壳体2的下端。丝杠3穿过飞轮6中心孔与弯轴8通过联轴器7连接。因此，丝杠3、飞轮6、联轴器7、弯轴8同步旋转。联轴器7与下壳体14上方的凸台孔过渡配合，保证相对运动的同时，可有效防尘，延长装置使用寿命。弯轴8竖直布置，下端插入圆盘Ⅰ9中心孔16中，与其过盈配合，同步旋转。圆盘I9轴线竖直安装。3个连接件10轴线竖直安装，上端分别与圆盘Ⅰ9侧孔17过盈配合。圆盘Ⅱ11轴线竖直安装，且焊接在下壳体14内部，同步运动。3个输出轴12轴线竖直安装，上端分别与连接件10底部通孔20过盈配合，中部与轴承19过盈配合，下端分别与发电装置和蓄电装置集成箱13中的发电机轴相连。3个发电装置和蓄电装置集成箱13焊接在下壳体14内部下底面。下壳体14轴线竖直安装，将馈能装置、发电装置及蓄电装置封装其中。下吊耳15焊接在下壳体14的正下方，与隔振系统下端点相铰接。
在发电装置和蓄电装置集成箱13中，发电装置为旋转电机，其旋转部件为转子，固定部件为定子。
如图2所示，圆盘Ⅰ9上有一个中心孔16，三个侧孔17。
如图3所示，圆盘Ⅱ11上有3个侧孔18，每个侧孔中安装有球轴承19。球轴承19外端与侧孔18过盈配合。
如图4所示，3个连接件10上端设计为阶梯轴，可方便安装时定位，下端有通孔20。
如图5所示，输出轴12设计为阶梯轴，可方便安装时定位及限定。最上端轴插入连接件底部通孔20中，与其过盈配合；第二段轴与球轴承19过盈配合；第三段轴用于定位及限定；最底端与发电装置和蓄电装置集成箱13中的发电机轴连接。
本发明提出的一种越野车用高功率悬架惯性馈能装置工作过程为：汽车行驶过程中，遇到不平路面的激励，引起悬架的上下振动。上吊耳1与隔振系统上端点相铰接，下吊耳15与隔振系统下端点相铰接。悬架运动引起上吊耳1和下吊耳15之间产生相对压缩或拉伸运动，从而带动丝杠螺母4的上下运动进而带动丝杠3和飞轮6的旋转运动。由于丝杠3穿过飞轮6中心孔与弯轴8通过联轴器7连接，从而丝杠3运动带动弯轴8运动，进而带动馈能装置运动。弯轴8绕主轴线进行旋转运动(规定丝杠3轴线为装置主轴线)。由于弯轴8下端与圆盘Ⅰ9通过圆盘中心孔16过盈配合，从而弯轴8运动带动圆盘Ⅰ9绕主轴线旋转。由于三个连接件10上端通过圆盘Ⅰ9三个侧孔17与圆盘Ⅰ9过盈配合，从而圆盘Ⅰ9运动带动三个连接件10分别绕各自下端所连输出轴12的轴线旋转。圆盘Ⅱ11与下壳体14固定连接，不产生旋转运动，上面开有三个侧孔18，侧孔18中分别安装有轴承19。三个输出轴12与对应连接件10过盈配合，并与圆盘Ⅱ11上的对应轴承19过渡配合。因此，三个连接件10旋转运动带动三个输出轴12分别绕各自轴线进行旋转运动。由于三个输出轴12分别与发电装置和蓄电装置集成箱13对应的发电机轴相连，从而带动三个发电机发电，进而通过蓄电装置将电能储存，应用于汽车部分元器件的供电等。
通过对滚珠丝杠装置和惯性馈能装置的工作原理分析可知：
设参数P为滚珠丝杠3的导程，当滚珠丝杠3由于上下位移产生速度v时，其旋转角速度为ω，J代表直线运动转换为旋转运动时本装置总的转动惯量，即丝杠3、飞轮6、联轴器7、弯轴8、圆盘Ⅰ9、连接件10、圆盘Ⅱ11、输出轴12、球轴承19的转动惯量总和，T为丝杠3上的驱动力矩，F为本装置上吊耳1、下吊耳15间作用力。
由滚珠丝杠式惯容器的理想线性动力学方程：
Figure BDA0003066024770000051
Figure BDA0003066024770000061
Figure BDA0003066024770000065
由式(1)、(2)、(3)可得F的表达式为：
Figure BDA0003066024770000062
其中，b为本装置的惯容系数，a为本装置两端间的相对加速度。由式(4)可得本装置的惯容系数b的表达式为：
Figure BDA0003066024770000063
由式(1)可知，当丝杠3由于上下位移产生速度v时其旋转角速度ω，由惯性馈能装置工作原理可知，3个输出轴12的转动角速度均为ω。
设三个旋转电机的电动势系数均为Ke，则当3个输出轴12与旋转电机连接并以角速度ω转动时，每个旋转电机产生的感应电动势Ve可表示为：
Ve＝Keω (6)
假设旋转电机的外电路形成闭合回路，则电路端电压Ue可表示为：
Ue＝Ve＝Keω (7)
设Re为每个旋转电机的等效内阻，R为电路外接电阻，旋转电机内部电路与外电路形成闭合回路。Ie为电路中电流，则此馈能装置总的输出功率Pe可表示为：
Figure BDA0003066024770000064
此处假设一种基本情况，设丝杠3的导程P＝5mm，其由于上下位移产生速度v＝2m/s，标准旋转电机的电动势系数Ke＝0.25Vs/rad，假设Re＝R，由标准旋转电机的等效内阻Re，由式(1)、(6)、(7)、(8)可得到本装置总的输出功率大小Pe，并与一般同类馈能装置的总输出功率Pe'作比较，见表1。
表1本装置与一般同类馈能装置的总输出功率比较
Figure BDA0003066024770000071
由上述表格可知，本装置理论输出功率是一般馈能装置的3倍，可实现高功率馈能。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种越野车用高功率悬架惯性馈能装置，其特征在于，主要包括上吊耳(1)、上壳体(2)、丝杠(3)、丝杠螺母(4)、飞轮(6)、联轴器(7)、弯轴(8)、圆盘I(9)、连接件(10)、圆盘Ⅱ(11)、输出轴(12)、发电装置和蓄电装置集成箱(13)、下壳体(14)、下吊耳(15)、圆盘Ⅰ侧孔(17)、球轴承(19)、连接件底部通孔(20)；
所述上吊耳(1)焊接在上壳体(2)正上方与隔振系统上端点相铰接，下吊耳(15)焊接在下壳体(14)的正下方与隔振系统下端点相铰接；上壳体(2)轴线竖直布置，将滚珠丝杠装置封装其中，丝杠(3)与丝杠螺母(4)相啮合，丝杠(3)穿过飞轮(6)中心孔与弯轴(8)通过联轴器(7)连接，从而丝杠(3)、飞轮(6)、联轴器(7)、弯轴(8)同步旋转；弯轴(8)竖直布置，下端插入圆盘Ⅰ(9)中心孔中，与其过盈配合，同步旋转；圆盘I(9)轴线竖直安装，3个连接件(10)轴线竖直安装，连接件(10)上端分别与圆盘Ⅰ侧孔(17)过盈配合，连接件(10)下端连接圆盘Ⅱ(11)，圆盘Ⅱ(11)轴线竖直安装，且焊接在下壳体(14)内部，同步运动；3个输出轴(12)轴线竖直安装，输出轴(12)上端分别与连接件(10)底部通孔(20)过盈配合，输出轴(12)中部与球轴承(19)过盈配合，输出轴(12)下端分别与发电装置和蓄电装置集成箱(13)中的发电机轴相连。
2.根据权利要求1所述的一种越野车用高功率悬架惯性馈能装置，其特征在于，发电装置和蓄电装置集成箱(13)为3个，发电装置和蓄电装置集成箱(13)焊接在下壳体(14)内部下底面，下壳体(14)轴线竖直安装，将馈能装置、发电装置及蓄电装置封装其中。
3.根据权利要求2所述的一种越野车用高功率悬架惯性馈能装置，其特征在于，在发电装置和蓄电装置集成箱(13)中，发电装置为旋转电机，其旋转部件为转子，固定部件为定子。
4.根据权利要求1所述的一种越野车用高功率悬架惯性馈能装置，其特征在于，圆盘Ⅰ(9)上有一个中心孔(16)，三个侧孔(17)，圆盘Ⅱ(11)上有3个圆盘Ⅱ侧孔(18)，每个圆盘Ⅱ侧孔(18)中安装有球轴承(19)，球轴承(19)外端与圆盘Ⅱ侧孔(18)过盈配合。
5.根据权利要求3所述的一种越野车用高功率悬架惯性馈能装置，其特征在于，该装置的能量回收功率Pe为：
Figure FDA0003506476740000021
其中，Ue为旋转电机产生的路端电压，Re为每个旋转电机的等效内阻，R为每个电路外接电阻，Ie为旋转电机内部电路与外电路形成闭合回路中电流。
6.根据权利要求1所述的一种越野车用高功率悬架惯性馈能装置，其特征在于，丝杠螺母(4)经由丝杠螺母安装螺栓(5)固定在上壳体(2)的下端。
7.根据权利要求1所述的一种越野车用高功率悬架惯性馈能装置，其特征在于，联轴器(7)与下壳体(14)上方的凸台孔过渡配合，保证相对运动的同时，可有效防尘，延长装置使用寿命。
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