CN209299162U - 一种应用于汽车悬架系统的压电式能量回收装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种应用于汽车悬架系统的压电式振动能量回收装置。采用旋转式结构，整体结构紧凑，安装方便。其由运动转化部件和能量转化部件组成，运动转化部件实现车身与车轮之间的直线运动向旋转运动的转化，能量转化部件实现振动能量向电能的转化。采用能量密度高的压电材料，解决了能量转换效率低的问题。利用磁力使压电片产生形变，减小了因摩擦而导致的振动能量损失。将压电片与定子磁条数量设置为转子磁条数量的二倍，使得旋转运动过程中压电片可获得连续而周期的磁力，提高了能量回收效率。具有较高的实用与推广价值。
Description
技术领域
本实用新型属于汽车能量回收技术领域，具体为一种应用于汽车悬架系统上的压电式振动能量回收装置。
背景技术
能源危机、石油短缺和环境污染等问题给汽车工业的发展带来了巨大挑战。在汽车发展过程中，如何提高汽车能量利用率一直是研究的热点问题。为了提高汽车能效和燃油经济性，汽车损失能量的回收利用对当前汽车工业的发展具有非常重要的意义。对于车辆而言，热量、制动能量和振动能量是能量回收的主要目标。
悬架系统作为车辆底盘的重要组成部分，在支撑车身、吸收路面振动、集中车辆主要振动能量等方面起着关键作用。悬架系统能量回收装置可以作为车载交流发电机的补充，所回收的振动能量可以给车辆蓄电池充电，为相关负载提供动力。目前，车辆悬架系统能量回收装置存在能量密度小，振动能量消散和能量回收效率低等问题。
发明内容
本实用新型针对现有振动能量回收装置存在能量转化效率低的问题，提出了一种应用于汽车悬架系统中的新型振动能量回收装置，具有结构简单，传动可靠性高，使用寿命长和能量回收率高等优点。
本实用新型是采用如下技术方案实现的：
一种应用于汽车悬架系统的压电式能量回收装置，包括运动转化部件和能量转化部件，运动转化部件包括下吊环、上吊环、滚珠丝杠、丝杠螺母和筒状的下壳体，能量转化部件包括转子、筒状的上壳体、转子磁条、定子磁条和压电片，下吊环又包括上端开口的筒体和筒体下方的吊环，上吊环又包括下端开口的盖体和盖体上方的吊环，运动转化部件实现车身与车轮之间的直线运动向旋转运动的转化，能量转化部件实现振动能量向电能的转化。下壳体内上部安装有轴承，滚珠丝杠的上端安装在轴承内，丝杠螺母与滚珠丝杠配合安装，下吊环的筒体上端从下壳体下方伸入后与丝杠螺母固定，固定后滚珠丝杠下轴端位于下吊环的筒体内，上壳体与下壳体固定，滚珠丝杠的上端和位于上壳体内的转子固定，转子的外部圆周面上均匀设置有轴向的转子磁条，上壳体内圆周面上固定有轴向的压电片，压电片上还装有定子磁条，转子磁条和定子磁条相对的一侧同极性，上吊环的盖体固定在上壳体上方，滚珠丝杠、轴承与转子的旋转轴重合，下吊环的直线运动方向与滚珠丝杠轴线方向重合。
使用时，上吊环与车身连接，下吊环与车桥连接，振动能量回收装置与减振器并联安装。下壳体固定不动时，下吊环的直线运动带动丝杠螺母进行直线运动，丝杠螺母通过滚珠将直线运动转变为丝杠的旋转运动，丝杠将旋转运动传递给转子。转子磁条与定子磁条由于同极相斥产生对压电片的挤压力，当转子旋转时，斥力在压电片极化方向上的分力近似呈周期性正弦变化，极化方向的分力使压电片发生形变，实现机械振动能量向电能的转化。压电片两电极通过导线将产生的电能导出，通过收集电路可以给车辆蓄电池充电，为相关负载提供动力。
上述的一种应用于汽车悬架系统的压电式能量回收装置，丝杠下端端部安装有限位板，限制下吊环的最长直线行程。
上述的一种应用于汽车悬架系统的压电式能量回收装置，在下壳体内安装有第一防撞垫，第一防撞垫位于丝杠螺母的上方，下吊环的筒体内安装有第二防撞垫，第二防撞垫位于限位板的上方，防止下吊环在行程中与下壳体和限位板发送碰撞损坏设备。
上述的一种应用于汽车悬架系统的压电式能量回收装置，在下壳体腔内安装有密封圈，可以防止回收装置内部进入粉尘，影响回收装置使用。
上述的一种应用于汽车悬架系统的压电式能量回收装置，转子与滚珠丝杠上端通过花键连接。
上述的一种应用于汽车悬架系统的压电式能量回收装置，转子磁条、定子磁条和压电片采用相同外形尺寸，其长度与转子高度一致。
上述的一种应用于汽车悬架系统的压电式能量回收装置，压电片和定子磁条数量一致且为转子磁条数量的二倍，此时压电片可以获得周期而连续的激励，产生电能的效率最高。
本实用新型与现有技术相比有以下有益效果：
1、本实用新型采用滚珠丝杠与花键连接方式，与减振器并联安装，结构紧凑，安装简单，可靠性强。
2、本实用新型利用磁力使压电片产生形变，减小了能量转化部件中的摩擦力，降低了振动能量耗散，提高了能量回收效率。
3、本实用新型利用压电材料作为能量转化核心材料。压电材料的能量密度是电磁能的三倍，采用旋转式结构，相比于线性能量回收装置能量转换效率更高，提高了能量回收效率。
附图说明
图1表示本实用新型的结构示意图。
图2表示图1中能量转换部件局部放大图。
图3表示转子与上壳体装配俯视简图。
图4表示本实用新型磁力分解示意图。
图5表示本实用新型定子磁条受力F随时间的变化情况。
图6表示本实用新型能量转化部件动力学模型示意图。
图7表示本实用新型安装于悬架系统后的动力学模型示意图。
图中：1-上吊环，2-第一螺钉，3-垫片，4-转子，5-压电片，6-定子磁条，7-转子磁条，8-螺栓，9-上壳体，10-螺母，11-上轴承，12-第一轴承套筒，13-第二轴承套筒，14-下轴承，15-第一防撞垫，16-第二螺钉，17-第一密封圈，18-丝杠螺母，19-第二防撞垫，20-滚珠，21-丝杠，22-下壳体，23-第二密封圈，24-第三螺钉，25-限位板，26-下吊环，27-定位垫片。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施例进行详细说明。
一种应用于汽车悬架系统的压电式能量回收装置，包括压电片5、磁条(6,7)、轴承(11,14)、轴承套筒(12,13)、滚珠丝杠21、丝杠螺母18、上壳体9、下壳体22、上吊环1、下吊环26、密封圈(17,23)、防撞垫(15,19)、定位片(27)等。
具体装配关系如图1所示，下吊环26的筒体伸入下壳体22与丝杠螺母18通过第二螺钉16固定，丝杠螺母18安装在滚珠丝杠21上。滚珠丝杠21下端通过第三螺钉24安装限位板25，滚珠丝杠21顶部通过花键与转子4连接，转子4由第一螺钉2、垫片3和轴肩实现定位夹紧。滚珠丝杠21通过上轴承11和下轴承14与下壳体22连接，上轴承11和下轴承14固定在下壳体22内上部，上轴承11和下轴承14之间还设置第一轴承套筒12和第二轴承套筒13，上轴承11和下轴承14为角接触球轴承，下壳体22与上壳体9通过螺栓8固定，上壳体9与上吊环1的盖体螺纹连接，下吊环26直线运动通过滚珠丝杠转变为丝杠21的旋转运动，带动转子4旋转。在下壳体22内安装有第一防撞垫15，第一防撞垫15位于丝杠螺母18的上方，下吊环26的筒体内安装有第二防撞垫19，第二防撞垫19位于限位板25的上方，下壳体腔内安装有第一密封圈17和第二密封圈23。
如图2所示，转子4圆周面上均匀设置有轴向的齿槽，在齿槽内镶嵌与转子同高的转子磁条7，上壳体9固定定子磁条6和压电片5，压电片与定子磁条有着相同的长度和宽度。转子4旋转时带着转子磁条7与定子磁条6产生高频压力，使压电片产生形变。
如图3所示，转子磁条7、定子磁条6与压电片5三者宽相同，转子磁条7宽度与转子4齿槽宽相同，定子磁条6和压电片5的数量一致且是转子磁条7数量的2倍，这样可对压电片施加连续和周期的压力。转子4和上壳体9的材料为铝，转子磁条7和定子磁条6的材料为N5311(钕铁硼)，压电片材料为PZT4(锆钛酸铅)。
如图4所示，为能量转换部件磁力分解示意图。作用到定子磁条上磁力FM的可以分解成两部分：FMx在横向，FMy在压电材料轴向的极化方向。转子的旋转角速度是2πn1，当转子上的磁条在A、D点时，由于两磁体的N极中心连线与转动磁体相切，此时作用到压电陶瓷极化方向上的力F＝0；当转子上的磁条转动到B点时(B点位于在A与C之间的任意位置)，此时F＝FMy＝FMsinβ；当转动磁体在C点时F＝FM，FM为定子磁条受到的斥力，近似等效为定值，β为磁力FM和水平位置的夹角。
如图5所示，为磁力F随时间的变化情况，施加在压电片上的周期法向力，假设其随着转子的转动而发生正弦变化。其中，周期T和F可以写为：
F＝FM|sin(n1n2πt)|
式中，n1是转子的转速，n2是转子磁条的数量。
如图6所示，为能量转化部件动力学模型示意图，下吊环26给丝杠螺母18一个位移为Z，速度为的直线运动，滚珠丝杠会产生一个角度θ，角速度ω，角加速度的旋转运动。此时丝杠21将带动转子4做同样的旋转运动。如此便将车辆振动时的直线运动转变为旋转运动。转子动力学方程描述如下：
T是回收装置的输出扭矩，是转动部件的输出惯性扭矩，Tp是能量转换部件的输出扭矩。Jb，Jp是滚珠丝杠和转子的转动惯量。
如图7所示，为安装于车辆悬架系统后的动力学模型示意图，其中，能量回收装置惯性质量为mi；能量转化部件的作用力为Fp；mb为车身质量；mt为车轮质量；k为弹簧刚度；kt为轮胎刚度；c为减振器的阻尼系数；车轮与车身垂直位移的坐标为zt，zb，坐标原点选在各自的平衡位置，根据牛顿第二定律，建立其运动方程：
本实用新型通过滚珠丝杠结构将振动的直线运动转变为回收装置转子的旋转运动，环式结构相对于直线式有更好的能量转换效率和更紧凑的结构。采用压电材料，与电磁能相比大大提高了能量密度。施加到压电片的压力由转子和定子的排斥力产生，减小了因摩擦而导致的振动能量消失，解决了能量回收效率低的问题。压电片与定子磁条数量是转子磁条数量的二倍，使得旋转运动过程中压电片可获得连续和周期的磁力，能量回收效率大大提高。
以上仅为本实用新型的具体实施例，但并不局限于此，可用于汽车驾驶室悬架系统、发动机悬置系统和电动机悬置系统等产生振动的位置；也可用于其他相关领域的类似场所，进行振动能量回收。任何以本实用新型为基础解决基本相同的技术问题，或实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，均属于本实用新型的保护范围内。
Claims (7)
1.一种应用于汽车悬架系统的压电式能量回收装置，其特征在于包括运动转化部件和能量转化部件，运动转化部件包括下吊环（26）、上吊环（1）、滚珠丝杠（21）、丝杠螺母（18）和筒状的下壳体（22），能量转化部件包括转子（4）、筒状的上壳体（9）、转子磁条（7）、定子磁条（6）和压电片（5），下吊环（26）又包括上端开口的筒体和筒体下方的吊环，上吊环（1）又包括下端开口的盖体和盖体上方的吊环；下壳体（22）内上部安装有轴承，滚珠丝杠（21）的上端安装在轴承内，丝杠螺母（18）与滚珠丝杠（21）配合安装，下吊环（26）的筒体上端从下壳体（22）下方伸入后与丝杠螺母（18）固定，固定后滚珠丝杠（21）下轴端位于下吊环（26）的筒体内，上壳体（9）与下壳体（22）固定，滚珠丝杠（21）的上端和位于上壳体（9）内的转子（4）固定，转子（4）的外部圆周面上均匀设置有轴向的转子磁条（7），上壳体（9）内圆周面上固定有轴向的压电片（5），压电片（5）上还装有定子磁条（6），上吊环（1）的盖体固定在上壳体（9）上方。
2.如权利要求1所述的一种应用于汽车悬架系统的压电式能量回收装置，其特征在于：丝杠（21）下端端部安装有限位板（25），限制下吊环（26）的最长直线行程。
3.如权利要求2所述的一种应用于汽车悬架系统的压电式能量回收装置，其特征在于：在下壳体（22）内安装有第一防撞垫（15），第一防撞垫（15）位于丝杠螺母（18）的上方，下吊环（26）的筒体内安装有第二防撞垫（19），第二防撞垫（19）位于限位板（25）的上方，防止下吊环在行程中与下壳体（22）和限位板（25）发送碰撞损坏设备。
4.如权利要求1或2所述的一种应用于汽车悬架系统的压电式能量回收装置，其特征在于：在下壳体腔内安装有密封圈，可以防止回收装置内部进入粉尘，影响回收装置使用。
5.如权利要求1或2所述的一种应用于汽车悬架系统的压电式能量回收装置，其特征在于：转子（4）与滚珠丝杠（21）上端通过花键连接。
6.如权利要求1或2所述的一种应用于汽车悬架系统的压电式能量回收装置，其特征在于：转子磁条（7）、定子磁条（6）和压电片（5）采用相同外形尺寸，其长度与转子（4）高度一致。
7.如权利要求1或2所述的一种应用于汽车悬架系统的压电式能量回收装置，其特征在于：压电片（5）和定子磁条（6）数量一致且为转子磁条（7）数量的二倍。
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