DE102010008315B4 - Fahrzeug und Vorrichtung zur Energiegewinnung für eine Verwendung an einem Fahrzeug - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Energiegewinnung für eine Verwendung an einem Fahrzeug, wobei die Vorrichtung umfasst:
einen Stoßdämpfer (106, 122), der umfasst:
eine Staubrohr-Baugruppe (126);
eine Einfederungsanschlag-Baugruppe (152, 170), die in der Staubrohr-Baugruppe (126) an einem ersten Ende von dieser befestigt ist; und
eine Dämpferrohr-Baugruppe (124), die für eine teleskopische Bewegung in der Staubrohr-Baugruppe (126) und durch ein zweites Ende von dieser hindurch befestigt ist, wobei die Einfederungsanschlag-Baugruppe (152, 170) ausgebildet ist, um von der Dämpferrohr-Baugruppe (124) angestoßen zu werden; und
eine piezoelektrische Einrichtung (160, 171), die mit der Einfederungsanschlag-Baugruppe (152, 170) gekoppelt ist.
einen Stoßdämpfer (106, 122), der umfasst:
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Description
- TECHNISCHES GEBIET
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug und eine Vorrichtung zur Energiegewinnung für eine Verwendung an einem Fahrzeug.
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- Zunehmende Forderungen nach besserer Kraftstoffwirtschaftlichkeit haben zu Verbesserungen und Entwicklungen bei Hybridfahrzeugen, Elektrofahrzeugen und Fahrzeugen geführt, die mit Brennstoffzellen oder Dieselkraftstoff angetrieben werden. Die Anstrengungen seitens der Kraftfahrzeugindustrie zum Verbessern der Kraftstoffwirtschaftlichkeit umfassten Verringerungen der Masse, eine verbesserte Aerodynamik, ein aktives Kraftstoffmanagement, Motoren mit Direkteinspritzung, Motoren mit homogener Kompressionszündung und Hybridmotoren, ohne auf diese beschränkt zu sein. Es werden kontinuierlich noch andere Mechanismen, Techniken und Energiequellen gesucht, welche die Kraftstoffwirtschaftlichkeit verbessern werden. Zu diesem Zweck hat die Verwendung von piezoelektrischen Materialien zur Energiegewinnung in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit erfahren. Wie wohlbekannt ist, umfasst der piezoelektrische Effekt die Umwandlung einer mechanischen Belastung in einen elektrischen Strom oder eine elektrische Spannung. Viele unterschiedliche Quellen könnten die erforderliche Belastung liefern; z. B. eine menschliche Bewegung, eine seismische Aktivität, Schwingungen usw.
- Es ist allgemein bekannt, dass Fahrzeuge Schwingungen ausgesetzt sind, insbesondere während sie gefahren werden. Diese Schwingungen wurden typischerweise als unerwünscht angesehen. Tatsächlich ging viel Aufwand in die Entwicklung von Aufhängungssystemen, die Federn, Stoßdämpfer und dergleichen umfassen, die für Fahrzeugstabilität sorgen und den Fahrgastraum des Fahrzeugs gegenüber einer Schwingung isolieren, die beispielsweise durch ein Fahren auf unebenen oder auf andere Weise gewundenen Straßen verursacht wird. Beispielsweise werden elastische Anschläge, wie beispielsweise elastomere Einfederungsanschläge, typischerweise in Fahrzeug-Aufhängungssystemen verwendet, um Stöße zwischen zwei Metallelementen, wie beispielsweise einem Rahmenelement und einem Querlenker, abzufedern. Der Einfederungsanschlag wird verwendet, um die Aufhängung schrittweise zu versteifen, wenn diese das Ende ihres Einfederungswegs erreicht. Dies federt den Stoß ab, wodurch ein Geräusch oder andere unerwünschte Konsequenzen des Stoßes verringert werden.
- Momentan geht die Energie verloren, die mit diesen Schwingungen verbunden ist. Ein Gewinnen und Verwenden dieser Energie würde jedoch eine zusätzliche Energiequelle liefern, die verwendet werden könnte, um die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern. Die Möglichkeit, diese zusätzliche Energiequelle anzuzapfen, während die Vorteile von modernen Fahrzeug-Aufhängungssystemen nicht beeinträchtigt werden, würde einen großen Vorteil sowohl für die Kraftfahrzeugindustrie als auch für deren Kunden darstellen.
- Aus der Druckschrift
DE 698 31 118 T2 ist ein Stoßdämpfer mit einem Einfederungsanschlag bekannt. Die DruckschriftenUS 5 105 918 A ,EP 0 337 797 B1 undUS 5 160 162 A offenbaren jeweils Stoßdämpfer mit piezoelektrischen Sensoren. - ZUSAMMENFASSUNG
- Gemäß einer Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Energiegewinnung für eine Verwendung an einem Fahrzeug geschaffen. Die Vorrichtung umfasst einen Stoßdämpfer, der eine Staubrohr-Baugruppe, eine Einfederungsanschlag-Baugruppe, die in der Staubrohr-Baugruppe an einem ersten Ende von dieser befestigt ist, und eine Dämpferrohr-Baugruppe aufweist, die für eine teleskopische Bewegung in der Staubrohr-Baugruppe und durch ein zweites Ende von dieser hindurch befestigt ist, wobei die Einfederungsanschlag-Baugruppe ausgebildet ist, um von der Dämpferrohr-Baugruppe angestoßen zu werden. Eine piezoelektrische Einrichtung ist mit der Einfederungsanschlag-Baugruppe gekoppelt.
- Figurenliste
- Die Ausführungsformen werden nachstehend in Verbindung mit den folgenden Zeichnungsfiguren beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen und
-
1 eine isometrische Ansicht eines herkömmlichen Fahrzeug-Aufhängungssystems ist; -
2 ein Funktionsblockdiagramm einer Vorrichtung zur Energiegewinnung gemäß einer ersten Ausführungsform ist; -
3 eine Querschnittsansicht eines Stoßdämpfers ist; -
4 eine isometrische Ansicht einer ersten Einfederungsanschlag-Baugruppe gemäß einer ersten Ausführungsform ist; -
5 eine isometrische Ansicht einer zweiten Einfederungsanschlag-Baugruppe gemäß einer zweiten Ausführungsform ist; -
6 ein Funktionsblockdiagramm einer Gleichrichter- und Filterschaltung ist, die für eine Verwendung in den in3 ,4 und5 gezeigten Vorrichtungen geeignet ist; und -
7 ,8 und9 beispielhafte Schwingungsverläufe sind, die an verschiedenen Punkten in dem in6 gezeigten Blockdiagramm erscheinen. - BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM
- Die folgende ausführliche Beschreibung ist nur beispielhafter Natur. Die Erfindung kann hierin anhand von funktionalen und/oder logischen Blockkomponenten und verschiedenen Verarbeitungsschritten beschrieben sein. Man sollte einsehen, dass derartige Blockkomponenten durch eine beliebige Anzahl von Hardware-, Software- und/oder Firmwarekomponenten realisiert werden können, die ausgebildet sind, um die beschriebenen Funktionen auszuführen. Zu Zwecken der Kürze werden herkömmliche Techniken und Systeme, welche die Halbleiterbearbeitung, die Transistortheorie, die Einbettung und die Leistungsmodule betreffen, hierin nicht im Detail beschrieben.
- Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf Elemente oder Knotenpunkte oder Merkmale, die miteinander „verbunden“ oder „gekoppelt“ sind. Wie hierin verwendet, und wenn es nicht auf andere Weise ausdrücklich dargelegt ist, bedeutet „verbunden“, dass ein Element/Knotenpunkt/Merkmal in einem mechanischen, logischen, elektrischen oder anderen geeigneten Sinn mit einem anderen Element, Knotenpunkt oder anderen Merkmal direkt verbunden ist (oder mit diesem direkt kommuniziert). Auf ähnliche Weise, und wenn es nicht ausdrücklich auf andere Weise dargelegt ist, bedeutet „gekoppelt“, dass ein Element/Knotenpunkt/Merkmal in einem mechanischen, logischen, elektrischen oder anderen geeigneten Sinn mit einem anderen Element/Knotenpunkt/Merkmal direkt oder indirekt verbunden ist (oder direkt oder indirekt mit diesem kommuniziert). Der Ausdruck „beispielhaft“ wird in dem Sinn von „Beispiel“ anstatt „Modell“ verwendet. Obwohl die Figuren beispielhafte Anordnungen von Elementen darstellen können, können ferner zusätzliche dazwischentretende Elemente, Einrichtungen, Merkmale und Komponenten bei einer praktischen Ausführungsform der Erfindung vorhanden sein.
- Piezoelektrizität ist eine Eigenschaft bestimmter Materialien, ein elektrisches Potential zu erzeugen, wenn sie einer mechanischen Spannung ausgesetzt werden. Bekannte piezoelektrische Materialien umfassen natürlich auftretende Kristalle, künstliche Kristalle und bestimmte Keramiken, ohne auf diese beschränkt zu sein. Kürzlich wurden zweipolige, piezoelektrische Wandler aus Faserverbundwerkstoff entwickelt, die gegenüber piezoelektrischen Volumenkeramiken bestimmte Vorteile aufweisen. Sie sind beispielsweise leichter, flexibler und robuster. Höhere piezoelektrische Spannungskoeffizienten können mit piezoelektrischen Faserverbundwerkstoffen erhalten werden, was zu mehr erzeugter Leistung führt. Darüber hinaus können piezoelektrische Faserverbundwerkstoffe günstiger für benutzerdefinierte Formen erzeugt werden. Sie liefern infolge eines Teilens der Faserführung eine erhöhte Festigkeit gegenüber monolithischen Materialien, und sie können mit haltbaren Polyethylenplatten für eine zusätzliche Belastbarkeit laminiert werden. Piezoelektrische Faserverbundwerkstoffe können einzeln oder mehrfach parallel verwendet werden, um Leistung für eine ausgedehnte Zeitdauer zu akkumulieren. Derartige Einrichtungen sind wohlbekannt und von Advanced Cerametrics, Inc., ansässig in Lambertville, N.J., kommerziell verfügbar.
-
1 stellt ein typisches Fahrzeug-Aufhängungssystem100 dar, das eine gefederte Masse, wie beispielsweise ein Rahmenelement102 , eine ungefederte Masse, wie beispielsweise einen Querlenker104 , und einen Stoßdämpfer 106 umfasst, der zwischen dem Rahmenelement102 und dem Querlenker 104 gekoppelt ist. Der Stoßdämpfer106 kann mit dem Rahmenelement 102 und dem Querlenker104 durch ein beliebiges geeignetes Mittel gekoppelt sein, einschließlich von Befestigungsklammern und Befestigungselementen, wie es beispielsweise bei 108 bzw. 110 gezeigt ist. Die obere und/oder untere Befestigung108 und110 können eine Buchse aufweisen, um für eine begrenzte Querbewegung zwischen der gefederten und der ungefederten Masse des Fahrzeugs zu sorgen. Während der Fahrzeugbewegung liefert der Stoßdämpfer106 derart ein flexibles und gedämpftes Ansprechen auf eine im Wesentlichen vertikale Bewegung zwischen der gefederten und der ungefederten Masse, dass solche Bewegungen begrenzt und stabilisiert werden und dadurch ein komfortableres Fahren für die Insassen geschaffen wird. -
2 ist ein Funktionsblockdiagramm einer Vorrichtung zum Erzeugen von Energie, die einen piezoelektrischen Faserverbundwerkstoff (PFC)112 mit einer einzelnen Lage oder mehreren gestapelten Lagen verwendet (in2 als ein Stapel mit mehreren Lagen gezeigt), der einen AC-Ausgang aufweist, der mit einem Energiewandler114 (z. B. einen Gleichrichter) gekoppelt ist. Der Ausgang des Energiewandlers114 ist mit einer Energiespeichereinrichtung 116 gekoppelt (z. B. einem Kondensator und/oder einer Batterie). Der Ausgang des Energiewandlers114 kann auch mit einem elektrischen System118 des Fahrzeugs gekoppelt sein, oder er kann, wenn dies gewünscht ist, Leistung an einen oder mehrere Sensoren120 liefern, die wiederum Information an einen oder mehrere der fahrzeugeigenen Prozessoren liefern. -
3 ist eine Querschnittsansicht eines typischen Stoßdämpfers122 . Dieser umfasst eine Dämpferrohr-Baugruppe124 , ein zylindrisches Außengehäuse oder eine Staubrohr-Baugruppe126 , eine Kolbenstange128 , einen Kolben130 , der durch eine Mutter134 an der Kolbenstange128 befestigt ist, einen Stopper132 für einen Einfederungsanschlag, eine elastomere Einfederungsanschlag-Baugruppe, eine obere Befestigungsbaugruppe 136 und eine untere Befestigungsklammer138 . Der Stoßdämpfer122 ist auf eine herkömmliche Weise an einem ersten Ende140 unter Verwendung einer Öffnung142 in der Klammer138 , die ausgebildet ist, um ein geeignetes Befestigungselement aufzunehmen, mit dem unteren Querlenker 104 (1 ) gekoppelt. Der Stoßdämpfer122 ist auf eine ähnliche, herkömmliche Weise an einem zweiten Ende mittels einer selbstverriegelnden Flanschmutter144 , die auf ein Gewindeende146 der Kolbenstange 128 geschraubt ist, mit dem Rahmenelement102 gekoppelt. Die Dämpferrohr-Baugruppe 124 ist an einem unteren Ende148 der Dämpferrohr-Baugruppe 124 mit der Befestigungsklammer138 gekoppelt (und sie ist daher mit der ungefederten Fahrzeugmasse gekoppelt), und sie ist an einem oberen Ende150 mit dem Stopper132 für den Einfederungsanschlag verbunden. Die Kolbenstange128 ist in dem Dämpferrohr124 positioniert und erstreckt sich durch den Stopper132 für den Einfederungsanschlag. - Ein Einfederungsanschlag
152 besteht beispielsweise aus einem elastomeren Material, wie beispielsweise Polyurethan, ist mit einer Klammer154 für den Einfederanschlag gekoppelt und konzentrisch um die Kolbenstange 128 angeordnet. Das Staubrohr126 ist mit der oberen Befestigungsbaugruppe 136 gekoppelt (und dadurch mit der gefederten Fahrzeugmasse) und erstreckt sich konzentrisch um das Dämpferrohr124 . Das Dämpferrohr 124 und das Staubrohr126 sind folglich für eine teleskopische Bewegung bezogen aufeinander ausgebildet. Das heißt, dass das Dämpferrohr 124 frei ist, sich in das Staubrohr126 und aus diesem heraus zu bewegen oder in dieses oder aus diesem heraus zu schwingen, wenn das Fahrzeug Störungen in der Straße antrifft, wie beispielsweise Erhebungen und dergleichen. - Typischerweise ist der Kolben
130 mit mehreren Kanälen131 durch diesen versehen; z.B. Niedriggeschwindigkeits-Ausströmlöcher, eine Kompressionsöffnung und eine Ausfederungsöffnung. Der Kolben130 ist an den inneren Seitenwänden der Dämpferrohr-Baugruppe124 abgedichtet, was das gesamte Fluid dazu zwingt, durch die Ausströmlöcher und/oder die Einfederungsöffnung und die Kompressionsöffnung sowie durch diesen zugeordnete Ventile (nicht gezeigt) zu strömen, um die erforderliche Dämpfungskraft zu liefern. - Wenn die Oberfläche der befahrenen Straße rau ist (d. h. Erhebungen, Schlaglöcher und dergleichen enthält) wird die Dämpferrohr-Baugruppe
124 oft in das Staubrohr126 gedrückt, was bewirkt, dass der Stopper132 für den Einfederungsanschlag an der Einfederungsanschlag-Baugruppe152 anstößt und diese komprimiert. -
4 ist eine isometrische Ansicht einer ringförmigen Einfederungsanschlag-Baugruppe 152 gemäß einer ersten Ausführungsform. Sie umfasst eine piezoelektrische Einrichtung, beispielsweise in der Form einer piezoelektrischen Scheibe160 aus Faserverbundwerkstoff (von dem oben beschriebenen Typ), die in das elastomere Einfederungsanschlagsmaterial162 in der Nähe der Oberfläche164 eingebettet ist. Wenn sie in dem in3 gezeigten Stoßdämpfer verwendet wird, wird die Oberfläche164 , und daher die piezoelektrische Scheibe160 , in der Nähe der Klammer154 für den Einfederungsanschlag positioniert, wie sie in3 gezeigt ist. Anschlüsse 166 der piezoelektrischen Scheibe160 können, wenn dies gewünscht ist, mittels Leitungen170 mit einem Energiewandler (z. B. einem Gleichrichter in3 ) gekoppelt sein. Der Gleichrichter168 kann mit einem Verbinder172 ausgestattet sein. Wenn sie in der oben beschriebenen Weise ausgebildet ist, wird die piezoelektrische Scheibe jedes Mal belastet, wenn der Stopper132 für den Einfederungsanschlag mit der Einfederungsanschlag-Baugruppe 152 in Eingriff gelangt und diese komprimiert, was bewirkt, dass eine Spannung über ihre Anschlüsse erzeugt wird. Diese AC-Energie kann für eine Umwandlung in DC-Energie an den Gleichrichter 168 angelegt werden, die verwendet werden kann, um einen oder mehrere Sensoren mit Energie zu versorgen und/oder um in einer Batterie und/oder einem Kondensator gespeichert zu werden. -
5 ist eine isometrische Ansicht einer Einfederungsanschlag-Baugruppe 170 gemäß einer anderen Ausführungsform. Sie unterscheidet sich nur bezüglich der Anordnung der piezoelektrischen Scheibe171 . Bei dieser Ausführungsform ist die piezoelektrische Scheibe171 an einer Außenfläche des Einfederungsmaterials174 derart angebracht, dass dann, wenn der Einfederungsanschlag170 in dem in3 gezeigten Stoßdämpfer verwendet wird, die piezoelektrische Scheibe171 der Klammer154 für den Einfederungsanschlag ausgesetzt ist und sich in deren Nähe befindet. -
6 ist ein Blockdiagramm einer Gleichrichterschaltung168 , die für eine Verwendung in Verbindung mit den Ausführungsformen, die in3 ,4 und5 gezeigt sind, geeignet ist.7 ,8 und9 stellen beispielhafte Schwingungsverläufe 113, 182 und 184 dar, die an verschiedenen Stellen in dem in6 gezeigten Blockdiagramm erscheinen, wie unten vollständiger beschrieben wird. - Auf
6 -9 Bezug nehmend, wird das AC-Signal (113 in2 ), das an den Ausgängen166 der piezoelektrischen Scheibe (4 ) erscheint, an einen Vollwellengleichrichter186 angelegt. Die gleichgerichteten Signale182 (in8 gezeigt), die an dem Ausgang des Gleichrichters186 erscheinen, werden an einen Tiefpassfilter188 angelegt, um das Signal184 zu erzeugen (in9 gezeigt). - Somit wurde eine Vorrichtung dargestellt, die Energie gewinnt, die erzeugt wird, wenn auf ein Aufhängungssystem eines Fahrzeugs durch Störungen (Erhebungen, Schlaglöcher usw.) in einer Straße eingewirkt wird. Eine Spannung und Dehnung an den Einfederungsanschlag-Baugruppen wird in elektrische AC-Energie in einer piezoelektrischen Einrichtung (z.B. einer piezoelektrischen Scheibe aus Faserverbundwerkstoff) umgewandelt. Die resultierende induzierte AC-Energie wird dann in eine Form umgewandelt, die für eine Speicherung und zur Verwendung durch das elektrische System des Fahrzeugs oder eine Speicherung in diesem geeignet ist.
- Während zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der vorstehenden Zusammenfassung und der vorstehenden ausführlichen Beschreibung dargestellt wurde, sollte man einsehen, dass eine enorme Anzahl an Abwandlungen existiert. Beispielsweise könnte die Batterie oder der Kondensator mit dem Gleichrichter eingebettet oder separat eingebettet sein.
- Die Gleichrichterbaugruppe könnte entfernt von dem Stoßdämpfer an einer separaten Struktur befestigt sein. Wenn dies gewünscht ist, kann ein Sensor ebenso an der Federbaugruppe selbst befestigt sein und durch den Gleichrichter mit Energie versorgt werden. Alternativ kann der Sensor entfernt angeordnet sein. Es ist auch einzusehen, dass sich der Einfederungsanschlag außerhalb des Stoßdämpfers befinden könnte, entweder in oder außerhalb einer Schraubenfeder.
Claims (8)
- Vorrichtung zur Energiegewinnung für eine Verwendung an einem Fahrzeug, wobei die Vorrichtung umfasst: einen Stoßdämpfer (106, 122), der umfasst: eine Staubrohr-Baugruppe (126); eine Einfederungsanschlag-Baugruppe (152, 170), die in der Staubrohr-Baugruppe (126) an einem ersten Ende von dieser befestigt ist; und eine Dämpferrohr-Baugruppe (124), die für eine teleskopische Bewegung in der Staubrohr-Baugruppe (126) und durch ein zweites Ende von dieser hindurch befestigt ist, wobei die Einfederungsanschlag-Baugruppe (152, 170) ausgebildet ist, um von der Dämpferrohr-Baugruppe (124) angestoßen zu werden; und eine piezoelektrische Einrichtung (160, 171), die mit der Einfederungsanschlag-Baugruppe (152, 170) gekoppelt ist.
- Vorrichtung nach
Anspruch 1 , wobei die piezoelektrische Einrichtung (160, 171) ein flexibles piezoelektrisches Material ist. - Vorrichtung nach
Anspruch 2 , wobei das flexible piezoelektrische Material (160) in die Einfederungsanschlag-Baugruppe (152) eingebettet ist, und/oder wobei das flexible piezoelektrische Material (171) an einer Oberfläche der Einfederungsanschlag-Baugruppe (170) befestigt ist, und/oder wobei das piezoelektrische Material eine flexible Scheibe (160, 171) ist. - Vorrichtung nach
Anspruch 3 , wobei der Stoßdämpfer (122) eine Klammer (154) für einen Einfederungsanschlag umfasst, die für einen Kontakt mit der piezoelektrischen Scheibe (171) ausgebildet ist. - Vorrichtung nach
Anspruch 2 , die ferner einen Energiewandler (114) umfasst, der mit der piezoelektrischen Einrichtung (160, 171) gekoppelt ist, wobei insbesondere der Energiewandler ein Gleichrichter (186) ist, wobei insbesondere der Energiegleichrichter an dem Stoßdämpfer (106, 122) befestigt ist. - Vorrichtung nach
Anspruch 5 , die ferner einen Sensor (120) umfasst, der mit dem Energiewandler (114) gekoppelt ist. - Fahrzeug, das eine gefederte Masse (102) und eine ungefederte Masse (104) sowie eine Vorrichtung zur Energiegewinnung aufweist, wobei die Vorrichtung umfasst: einen Stoßdämpfer (106, 122), der umfasst: ein Staubrohr (126), das mit der gefederten Masse (102) gekoppelt ist; ein Dämpferrohr (124), das für eine teleskopische Bewegung in dem Staubrohr (126) befestigt und an der ungefederten Masse (104) befestigt ist; und einen Einfederungsanschlag (152, 170), der in dem Staubrohr (126) befestigt und für einen Stoß durch das Dämpferrohr (124) ausgebildet ist; und eine piezoelektrische Einrichtung (160, 171), die mit dem Einfederungsanschlag (152, 170) für ein Erzeugen von elektrischer Energie gekoppelt ist, wenn sie aufgrund eines Stoßes durch das Dämpferrohr (124) belastet wird.
- Fahrzeug nach
Anspruch 7 , wobei die piezoelektrische Einrichtung eine flexible Scheibe (171) ist, die an einer Oberfläche des Einfederungsanschlags (170) befestigt ist, und / oder wobei die piezoelektrische Einrichtung eine flexible Scheibe (160) ist, die in den Einfederungsanschlag (152) eingebettet ist.
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