RU2748097C2 - Способ частичной рециркуляции энергии движущегося автомобиля и варианты конструкции устройств для его осуществления - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к автомобилестроению. В способе частичной рециркуляции энергии движущегося автомобиля, вместо деталей, узлов и агрегатов подвески, таких как пружины и их опоры, торсионы, амортизирующие пневмостойки, амортизаторы и шины, используют их функциональные заменители, преобразующие энергию в электроэнергию, для возвращения в энергетическую систему автомобиля. Добавлено устройство, способное уменьшить потерю энергии движущегося автомобиля из-за упругого контакта его кузова с окружающим воздухом, а также частично преобразовать эту теряемую энергию в электроэнергию. Данное устройство не допускает образования области высокого давления воздуха перед фронтальной частью движущегося автомобиля, путем отвода воздуха из этой области в область низкого давления за задней частью автомобиля, через проложенные вдоль кузова обводные воздушные каналы. Внутри каналов размещены преобразователи энергии движущегося воздуха в электроэнергию, с зависимой от режима движения функцией автоматической регулировки отбора мощности. Повышается эффективность рециркуляции. 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

Изобретение относится к области автомобилестроения, а именно к конструкции автомобилей в части организации рециркуляции энергии расходуемой силовой установкой в основных энергетических переходных процессах, происходящих во время всех этапов движения автомобиля, с рассмотрением возможных способов изменения конструкции автомобильных деталей, узлов и агрегатов, задействованных в этих процессах, и может быть использовано для производства автомобилей с полностью электрической или гибридной силовой установкой.

Общеизвестно, что при движении любого автомобиля, энергия, расходуемая его двигателем, переходит в другие «формы», а именно, в кинетическую энергию при разгоне автомобиля, в кинетическую и тепловую энергию молекул воздуха и поверхностного слоя оболочки автомобиля при их упругом контакте, а также, аналогичные энергетические переходы происходят в самом двигателе, в трансмиссии, в приводах и ступичных подшипниках колес, в тормозных дисках, элементах подвески и шинах автомобиля. Существующие запатентованные технологии позволяют в современных электромобилях весьма эффективно возвращать обратно в энергетическую систему энергию движущегося электромобиля при его не экстренном торможении. Например, таким способом, который заявлен в патенте на изобретение RU 94021358 с конвенционным приоритетом DE Р 4133013.7 от 04.10.1991 «Транспортное средство с электрическим преобразователем» от Маннесманн АГ Германия, рассматриваемый как прототип. По материалам вышеуказанного патента на изобретение энергия, потраченная на разгон автомобиля, возвращается обратно от его электродвигателей, работающие во время торможения как генераторы, через их контроллер на накопительный аккумулятор его энергетической системы или используется для отопления, обеспечивая тем самым частичную рециркуляцию энергии движущегося автомобиля. Все остальные вышеупомянутые энергетические потери стараются просто минимизировать путем оптимизации формы автомобилей, применением улучшенных смазок и наиболее твердых марок сталей в двигателях, трансмиссиях, приводах и ступичных подшипниках, повышении качества материала для шин, а также повышением эффективности подвески автомобилей. Также, вместе со всеми вышеуказанными мерами, стала использоваться технология преобразования энергии солнца в электроэнергию при помощи солнечных батарей, вмонтированных в обращенные вверх части кузова автомобиля, таких как капот, крыша и крышка багажника для аккумулирования в энергетической системе автомобиля и последующего использования. Все эти меры, конечно, помогают сократить потери энергии и увеличить пробег автомобилей, но не позволяют рециркулировать ее в движущемся автомобиле, это обстоятельство и является существенным недостатком всех подобных технических решений. Всю энергию энергетических переходов, происходящих в вышеописанных деталях, узлах и агрегатах движущегося автомобиля, можно весьма эффективно возвращать обратно в энергетическую систему автомобилей с гибридным приводом и, что имеет наибольший смысл, в энергетическую систему электромобилей для накопления, хранения и возмездного использования, то есть осуществлять ее частичную рециркуляцию.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в построении вместо существующей невозвратной и затратной технологии расхода энергии силовой установки максимально эффективной системы рециркуляции энергии движущегося автомобиля за счет применения в конструкции принципиально новых и модифицированных деталей, узлов и агрегатов, обеспечивающих максимально возможный возврат энергии переходных процессов, происходящих в них во время функционирования, обратно в энергетическую систему автомобиля, что совместно с существующими технологиями возврата энергии движущегося автомобиля при не экстренном торможении в его энергосистему и использования солнечных батарей для подпитывания энергетической системы автомобиля обеспечит существенную минимизацию потери энергии, что означает значительное увеличение интервала пробега между зарядками электромобилями и автомобилями с гибридными силовыми установками с соответствующим снижением эксплуатационных затрат.

Вышеуказанный задача достигается за счет того что предложен способ частичной рециркуляции энергии движущегося автомобиля, обеспечивающий частичный возврат энергии расходуемой силовой установкой во время всех этапов движения автомобиля обратно в его энергетическую систему, заключающийся в том, что в местах основных упругих взаимодействий движущегося автомобиля вместо деталей, узлов и агрегатов подвески, таких как пружины и их опоры, торсионы, амортизирующие пневмостойки, амортизаторы и шины, безвозвратно расходующих энергию силовой установки движущегося автомобиля, используются их функциональные заменители,- устройства, способные частично преобразовать энергию переходных процессов, происходящих в них во время функционирования, в электроэнергию для возвращения обратно в энергетическую систему автомобиля с рассмотрением способов функционирования и принципов действия устройств, реализующих предложенный способ, добавлено устройство способное уменьшить потерю энергии движущегося автомобиля от его упругого контакта с окружающим воздухом, а также частично преобразовать эту теряемую энергию в электроэнергию для возвращения в энергетическую систему автомобиля.

Основной принцип, лежащий в основе предложенного способа частичной рециркуляции энергии движущегося автомобиля, заключается в том, что в местах основных упругих взаимодействий деталей, узлов и агрегатов подвески автомобиля используются устройства, позволяющие частично преобразовывать энергию переходных процессов этих взаимодействий в конечном итоге не в кинетическую и тепловую, а в удобную для рециркуляции электрическую энергию. То есть, вместо применяемых в настоящее время резиновых опор, расположенных между пружиной рычагом подвески и кузовом, используются их функциональные заменители с установленными внутри пьезоэлектрическими преобразователями, функционирующих на прямом пьезоэффекте, способными трансформировать небольшие ударные нагрузки на подвеску в электроэнергию. Вместо привычных пружин или торсионов используются их функциональные заменители, устройства, где в качестве упругого тела, удерживающего автомобиль над дорогой и принимающего любые ударные нагрузки преобразуя их в электроэнергию, используются пакеты пьезоэлектрических материалов. Вместо амортизаторов их функциональные заменители, устройства, преобразующие энергию периодических возвратно-поступательных движений элементов подвески в электроэнергию, основанные на использовании первого закона электромагнетизма, либо устройства, подобные амортизирующим пневмостойкам, совмещающие две функции, т.е. гашение ударных нагрузок на подвеску и амортизацию. Автомобильные шины на текущем этапе развития техники являются самым значительным невозвратным преобразователем энергии двигателя движущегося автомобиля, поскольку создают момент силы, направленный в противоположную от направления движения автомобиля сторону, вызывая тем самым его торможение. Это происходит из-за деформации материалов шины в месте контакта с дорожным покрытием. Такая деформация шины также приводит к ее нагреву и последующему рассеиванию в атмосфере этой тепловой энергии. Поэтому даже частичный возврат энергии периодических переходных процессов, происходящих в автошинах во время движения автомобиля даже по ровной дороге, существенно сокращает суммарный невозвратный расход энергии силовой установки автомобиля.

Для обеспечения возврата этой энергии конструкция шины изменяется таким образом, что бы вместо деформации используемого в настоящее время материала шины приводящего к его нагреву во время движения автомобиля, использовался материал, деформация которого приводит к появлению в его теле не тепла, а электроэнергии, а именно пластичный пьезоэлектрик. Для передачи получаемой таким образом от пластичного пьезоэлектрика электроэнергии шина совместно с несущим колесным диском оборудуется приспособлением для контактной или бесконтактной передачи энергии в энергетическую систему автомобиля. Хотя и менее эффективно, но возможно использование в обычной шине вкладыша, выполняющего аналогичную вышеописанную функцию, а также их совместное использование. Способ уменьшить потерю энергии движущегося автомобиля от его упругого контакта с окружающим воздухом и частично преобразовать эту теряемую энергию в электроэнергию, заключается в том, что реализующее его устройство не допускает образование области высокого давления воздуха перед фронтальной частью движущегося автомобиля, путем отвода воздуха из этой области в область низкого давления воздуха за задней частью автомобиля через проложенные вдоль кузова обводные воздушные каналы с размещенными внутри них преобразователями энергии движущегося воздуха в электроэнергию с функцией, зависимой от режимов движения, автоматической регулировки отбора мощности.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где:

На Фиг. 1. Устройство, способное реализовать способ по пункту 2 формулы изобретения, функциональный заменитель опоры пружины.

На Фиг. 2. Устройство, способное реализовать способ по пункту 3 формулы изобретения, функциональный заменитель пружины.

На Фиг. 3. Устройство, способное реализовать способ по пункту 4 формулы изобретения, функциональный заменитель торсиона.

На Фиг. 4. Устройство, способное реализовать способ по пунктам 5 и 6 формулы изобретения, функциональный заменитель амортизатора.

На Фиг. 5. Устройство, способное реализовать способ по пункту 7 формулы изобретения, функциональный заменитель амортизирующей пневмостойки.

На фиг.6. Устройство, способное реализовать способ по пунктам 8 и 9 формулы изобретения, функциональный заменитель шины, используемой совместно с несущим колесным диском как колесо в подвеске автомобиля.

На фиг.7. Общий вид автомобиля с одним из вариантов размещения в нем устройства, способного реализовать способ по пункту 1 формулы изобретения, уменьшающего потерю энергии движущегося автомобиля от упругого контакта его кузова с окружающим воздухом и частично преобразующего эту теряемую энергию в электроэнергию.

Устройства, способные реализовать способ по пункту 2 формулы изобретения, функциональные заменители опор пружины, изображены на Фиг. 1. Каждое из двух устройств, изображенных на Фиг. 1 состоит из резинового корпуса 10 и герметично закрывающей его резиновой крышки 2. Резиновый корпус 10 вместе с надетой на него резиновой крышкой 2 установлен в металлическую бандажную чашку 1, жестко закрепляемую и на рычаге подвески и на кузове автомобиля. Внутри резинового корпуса 10 между опорной шайбой 3, изготовленной из твердого диэлектрического материала и силовой шайбой 8, изготовленной из твердых марок сталей для выравнивания по плоскости контакта давления пружины, установлен пакет шайб из пьезоэлектрика 6, все вместе способные немного перемещаться внутри резинового корпуса 10 за счет его деформации. На каждой стороне шайб из пьезоэлектрика 6 для отвода образующихся зарядов расположены токопроводящие пластины 4, которые контактируют торцевой стороной с токосъемными кольцами 5, закрепленными внутри резинового корпуса 10. Каждое из токосъемных колец 5, принимающее однополярные заряды, имеет электрическое соединение между собой внутри резинового корпуса 10 проводниками 9, выведенными наружу устройства и заканчивающихся разъемным соединением. Для фиксации пружины 7 в резиновом корпусе 10 предусмотрены соответствующие выемки.

Устройство, способное реализовать способ по пункту 3 формулы изобретения, функциональный заменитель пружины в подвеске автомобиля, изображено на Фиг. 2, и состоит из корпуса 17 с расположенным внутри него изолирующим бандажным цилиндром 18, изготовленным из не токопроводящего жесткого материала с расположенным в нем подвижным упругим элементом в виде пакета шайб 20, изготовленных из пьезоэлектрического материала, ограниченного с двух сторон изолирующими шайбами 16 из материала аналогичного бандажному цилиндру 18. К конструктивным элементам из токопроводящего материала для отвода энергии от контактирующих поверхностей пьезоэлектрических шайб 20 за пределы корпуса 17 относится металлические пластины 19 между ними, имеющие подвижный электрический контакт с металлическими шинами 25, закрепленными на дне противоположных друг другу желобов 26 вдоль изолирующего бандажного цилиндра 18. Обе металлические шины 25 контактируют с проводниками 12, проложенными изолированно через крышку корпуса 13 и заканчивающихся разъемным соединением. С одной стороны устройство имеет само регулируемый механизм сжатия и освобождения упругого элемента, состоящий из компенсационной пружины 15, внешнего стакана 24, внутреннего стакана 21 с закрепленными в нем вдоль направления перемещения роликами 22, имеющими зубчатую нарезку, а также съемным опорным цилиндром 27 заданной длинны на дне внутреннего стакана 21. В местах соответствующих положению роликов 22 на внешнем стакане 24 с внутренней стороны и на корпусе 17 с внешней стороны вдоль направления перемещения закреплены съемные вкладыши 23, имеющие аналогичную роликам 22 зубчатую нарезку. С другой стороны устройство имеет механизм, позволяющий производить перемещения упругого элемента внутри корпуса для регулировки уровня подвески автомобиля над поверхностью дороги. На Фиг. 2 показан вариант механизма с ручной регулировкой, состоящий из болта 11 с контргайкой, который вкручен по центру в крышку 13 и имеет на конце опорную чашку. Возможно применение в устройстве механизма регулировки уровня подвески с электрическим приводом. Для защиты деталей устройства от пыли и грязи предусмотрена установка защитного гофрированного кожуха 14.

Устройство, способное реализовать способ по пункту 4 формулы изобретения, функциональный заменитель торсиона в подвеске автомобиля изображено на Фиг. З. Оно имеет аналогичную конструкцию упругого элемента устройства, изображенного на Фиг. 2. Устройство состоит из корпуса 28 с кронштейнами крепления к кузову 29. Внутри корпуса 28 размещен изолирующий бандажный цилиндр 44, изготовленный из не токопроводящего жесткого материала с расположенным в нем подвижным упругим элементом в виде пакета шайб 43, изготовленных из пьезоэлектрического материала, ограниченного с двух сторон изолирующими шайбами 42 из материала аналогичного бандажному цилиндру 44. К конструктивным элементам из токопроводящего материала для отвода энергии от контактирующих поверхностей пьезоэлектрических шайб 43 за пределы корпуса 28 относится металлические пластины 45 между ними, имеющие подвижный электрический контакт с металлическими шинами 46, закрепленными на дне противоположных друг другу желобов 47 вдоль изолирующего бандажного цилиндра 44. Обе металлические шины 46 контактируют с проводниками 48, проложенными изолированно через корпус 28, заканчивающихся разъемным соединением. С одной стороны устройство имеет, изготовленный из металлических деталей, механизм сжатия и освобождения упругого элемента, который состоит из цилиндра 40 с обращенным внутрь упорным выступом на торце и имеющего с внутренней стороны продольные шлицы. Внутри него размещены круглый толкающий элемент 41, непосредственно контактирующий с изолирующей шайбой 42, с аналогичными продольными шлицами на внешней поверхности и с двумя наклонными поверхностями по кругу, а также вращающийся элемент 39, опирающийся на упорный подшипник 38, который, в свою очередь, опирается на выступ цилиндра 40 и имеющий, с одной стороны, приводной вал, а с другой стороны два подшипника, закрепленных на противоположных друг другу отливах, предназначенных для качения по двум наклонным поверхностям толкающего элемента 41. Для фиксации механизма сжатия упругого элемента внутри корпуса 28 предусмотрены болты 37. Вращающее усилие передается на приводной вал механизм сжатия и освобождения упругого элемента посредством шпилек 36 от входного вала 33 с закрепленным на нем рычагом 32, имеющим место крепления к рычагу подвески автомобиля. Входной вал 33 зафиксирован в подшипнике 35, который в свою очередь, закреплен внутри корпуса 28 посредством кольцевых шпонок 34. С другой стороны устройство снабжено регулировочным механизмом, позволяющим производить перемещения упругого элемента внутри корпуса для регулировки уровня подвески автомобиля над поверхностью дороги. Вариант регулировочного механизма с электроприводом состоит из электрического мотора 31, шестеренчатого редуктора 30, корпус которого имеет болтовое крепление к корпусу 28. Выходной шток редуктора 30 имеет на торце упорный башмак 49, непосредственно контактирующий с изолирующей шайбой 42. Вариант регулировочного механизма без электропривода состоит из крышки 50 также имеющей болтовое крепление к корпусу 28, по центру крышки 50 расположено резьбовое отверстие с болтом и контргайкой, болт имеет на торце упорный башмак 49, непосредственно контактирующий с изолирующей шайбой 42.

Устройство, способное реализовать способ по пункту 5 и 6 формулы изобретения, функциональный заменитель амортизатора в подвеске автомобиля, выполняющее гашение периодических колебаний элементов подвески автомобиля, изображено на Фиг. 4. Устройство состоит из корпуса 53 с сайлентблоком 51 для крепления к кузову автомобиля, внутри корпуса 53 размещен цилиндрический магнитопровод 54 с расположенным внутри него по центру сердечником 56 с надетой на него катушкой 55 с обмоткой все вместе функционирующее как магнит, формирующий тороидальное магнитное поле, и подвижного элемента 59 с сайлентблоком 51 крепления к рычагу подвески автомобиля, с закрепленной внутри него по центру рабочей катушкой 60 с обмоткой, имеющей сквозное отверстие по размеру сердечника 56. Между внешней цилиндрической поверхностью корпуса 53 и внутренней поверхностью подвижного элемента 59 установлен кольцевой шариковый подшипник 58 для обеспечения свободного перемещения подвижного элемента 59 внутри корпуса 53. Отбойник 61 обеспечивает остановку подвижного элемента 59 в крайнем сдавленном положении, предотвращая взаимное разрушение катушек 60 и 55. Обмотки катушек 60 и 55 имеют соответствующие внешние разъемные соединения 62 и 52. Пыльник 57, закрепленный хомутами 64, защищает внутренние детали устройства от пыли и грязи во время движения автомобиля. Возможно использование в изображенном на Фиг. 4 устройстве для формирования тороидального магнитного поля изготовленного из сильно намагниченного материала цилиндрического магнита 63, закрепленного в основании сердечника 56 внутри цилиндрического магнитопровода 54 при помощи втулки 65.

Устройство, способное реализовать способ по пункту 7 формулы изобретения, функциональный заменитель амортизирующей пневмостойки в подвеске автомобиля, выполняющее совмещенную функцию пневмостойки и амортизатора в подвеске автомобиля состоит из двух объеденных в одном устройстве механизмов удержания подвески автомобиля и гашения ударных нагрузок, а также механизма гашения периодических колебаний элементов подвески, изображено на Фиг. 5. Механизм удержания подвески автомобиля и гашения энергии ударных нагрузок на подвеску автомобиля соответствует конструкции пневмостойки и состоит из корпуса 66 с отверстиями 69 для крепления к кузову автомобиля, центрального силового штока 75 с двумя каналами внутри для закачки воздуха 67 и для укладки проводников 68 к катушке 78, пневморукава 76, верхнего отбойника 73, дополнительно содержит пластичный пьезоэлектрик 72, 74 и 77, закрепленный на внутренней поверхности корпуса 66 и на внешней поверхностью подвижного элемента 82 соответственно, с токопроводящими элементами для отвода энергии от его поверхностей за пределы устройства электрически изолированно от корпуса 66 и подвижного элемента 82. Механизм гашения периодических колебаний выполнен аналогично устройству, изображенному на Фиг. 4, и состоит из каркаса 85, закрепленного на центральном силовом штоке 75. Внутри каркаса 85 размещен цилиндрический магнитопровод 89 с расположенным внутри него по центру сердечником 79 с надетой на него катушкой 78 с обмоткой все вместе функционирующее как магнит, формирующий тороидальное магнитное поле. Подвижный элемент 82 с сайлентблоком 90 крепления к рычагу подвески автомобиля имеет закрепленную внутри него по центру рабочую катушку 84 с обмоткой, имеющей сквозное отверстие по размеру сердечника 79. Между внешней поверхностью каркаса 85 и внутренней поверхностью подвижного элемента 82 установлен кольцевой шариковый подшипник 83 для обеспечения свободного перемещения каркаса 85 внутри подвижного элемента 82. Нижний отбойник 88 вместе с верхним отбойником 73 обеспечивает остановку подвижного элемента 82 в крайнем сдавленном положении, предотвращая взаимное разрушение катушек 78 и 84. Обмотки катушек 78 и 84 имеют соответствующие внешние разъемные соединения 71 и 87. Пластичный пьезоэлектрик 72, 74 и 77 имеет изолированное от корпуса 66 и подвижного элемента 82 проводное соединение от двух своих сторон с разъемным соединением 70 и 86 соответственно. Пыльник 80, закрепленный хомутами 81, защищает внутренние детали устройства от пыли и грязи во время движения автомобиля. Аналогично устройству, изображенному на Фиг. 4, возможно использование для формирования тороидального магнитного поля вместо катушки 78 изготовленного из сильно намагниченного материала цилиндрического магнита 91, закрепленного в основании сердечника 79 внутри цилиндрического магнитопровода 89 при помощи втулки 92.

Устройство, способное реализовать способ по пунктам 8 и 9 формулы изобретения, функциональный заменитель шины, используемой совместно с несущим колесным диском как колесо в подвеске автомобиля изображено на Фиг. 6 и состоит из колесного диска 93 с надетым на него аналогичным шине устройством 94. Устройство 94 содержит протектор 95, брекер 98, силовой формообразующий корд 112 и пластичный пьезоэлектрик 99 в форме закольцованной полосы, расположенный под протектором 95 над силовым формообразующим кордом 112 и брекером 98, являющимися опорой для него. К пластичному пьезоэлектрику 99 к внутренней и внешней стороне напротив друг друга прикреплены, радиально изолированные посредством эластичного изолятора 111, пластины 96 и 97 из эластичного токопроводящего материала, например из токопроводящей резины. Размер пластин 96 и 97 приблизительно равен по размеру пятну контакта протектора устройства 94 с дорожным покрытием при номинальной нагрузке и давлении в нем. Каждая из пар пластин 96 и 97 имеет электрические соединения между собой из эластичного токопроводящего материала по разным сторонам устройства по направлению вращения в последовательности через одну посредством лепестковых проводников 102 и закольцованных проводников 100, 101 и 103, 104 из эластичного токопроводящего материала. Две пары проводников 100 и 101 по разным сторонам устройства 94 являются дублирующими и, соответственно, не обязательны к установке. Две токопередающие пары проводников 103 и 104 по обеим сторонам устройства 94 посредством контактного соединения с изолированными от колесного диска проводниками 106 подключены к соответствующей передающей обмотке 107 кольцевого приспособления для бесконтактной передачи энергии, а каждая из его приемных обмоток 108 непосредственно связана с энергетической системой автомобиля. Передающие обмотки 107 и приемные обмотки 108 размещены в металлических кольцевых коробах с разрывом 110, предотвращающим появления тока в них, и отсутствующей обращенной друг другу стороной, расположены снаружи на торце колесного диска 93 с внутренней, обращенной к рычагам подвески, стороны, либо с внутренней стороны колесного диска 93. Возможен также вариант размещения передающих обмоток непосредственно в теле устройства 94 с одного борта или по разным бортам в зависимости от конструкции автомобиля, а также вариант применения одной передающей обмотки со средней точкой и одной приемной обмоткой. В случае торцевого размещения передающих обмоток 107 их короб крепится к колесному диску 93 посредством стоек 109, в ином случае непосредственно к внутренней поверхности колесного диска 93 или в его теле заподлицо. Короб приемной обмотки 108 при любом варианте размещения крепится к какому-либо элементу подвески. В случае размещения пластичного закольцованной полосы пластичного пьезоэлектрика 99 на внутренней поверхности устройства 94 функцию брекера 98 выполняет кольцевой резинометаллический корд 114, ограничивающий также давление надувной резиновой камеры 113 на пластичный пьезоэлектрик 99 и пластины 96 и 97, а электрическое соединение проводников 102 и 106 осуществляется через разъемное соединение 105 в колесном диске 93.

Устройство, способное реализовать способ по пункту 1 формулы изобретения, уменьшающее потерю энергии движущегося автомобиля от его упругого контакта с окружающим воздухом и частично преобразующее теряемую энергию в электроэнергию изображено на Фиг. 7 и состоит из воздухозаборника 115 в передней части автомобиля, одного или нескольких обводных каналов 116 вдоль кузова автомобиля от воздухозаборника 115 до преобразователя 117 энергии движущегося воздуха в электроэнергию, размещенного в задней части автомобиля.

Устройства, способные реализовать способ по пункту 2 формулы изобретения, функциональные заменители опор пружины, изображены на Фиг. 1 и работают следующим образом. В статичном нагруженном состоянии резиновый корпус 10 нижнего устройства на рычаге подвески и резиновый корпус 10 верхнего устройства на кузове автомобиля сдавлены пружиной 7, а значит и внутри каждого из них между опорной шайбой 3 и силовой шайбой 8 в нагруженном состоянии находится пакет пьезоэлектрических пластин 6. Во время движения автомобиля любое перемещение рычага/ подвески вызывает либо дополнительное поочередное сдавливание резиновых корпусов 10 устройств либо освобождение. Любое из этих событий приводит к появлению на противоположных поверхностях пьезоэлектрических пластин 6 противоположных по знаку зарядов сначала в нижнем устройстве затем сразу же в верхнем. Одинаковые по знаку заряды посредством металлических пластин 4 и токосъемных колец 5 с проводниками 9 выводятся наружу устройств. Чем толще, а значит мощнее, пакет пластин 6 из пьезоэлектрического материала, тем большую часть энергии ударной нагрузки на подвеску устройства смогут преобразовать в электроэнергию. Энергия этих зарядов является энергией ударных нагрузок на подвеску, периодически происходящих в устройствах во время движения автомобиля, и сохраняется в энергетической системе автомобиля для дальнейшего использования.

Устройство, способное реализовать способ по пункту 3 формулы изобретения, функциональный заменитель пружины в подвеске автомобиля изображено на Фиг. 2 и работает следующим образом. В рабочем положении внешний стакан 24 опирается на несущий рычаг подвески, а крышка 13, закрепленная в корпусе 17, упирается в кузов автомобиля. В статичном нагруженном состоянии подвески упругий элемент, состоящий из пакета пьезоэлектрических пластин 20, находится в сжатом состоянии между изолирующих шайб 16 внутри бандажного цилиндра 18 в корпусе 17. Компенсационная пружина 15 предназначена для частичной компенсации нагрузки на упругий элемент, предотвращая его разрушение, и является не обязательной для установки при условии существования неразрушающей нагрузки на упругий элемент. Изменение уровня подвески над дорогой осуществляется посредством увеличения или уменьшения общей длинны устройства посредством вращения болта 11. Во время движения автомобиля любое перемещение внешнего стакана 24 относительно корпуса 17 влечет за собой соответствующее перемещение внутреннего стакана 21 посредством роликов 22, зубчатая нарезка которых имеет постоянное зацепление с зубчатой нарезкой вкладышей 23 на внешнем стакане 24 и корпусе 17, что приводит, соответственно, к сжатию или освобождению упругого элемента. Поэтому во время наезда колеса автомобиля на выступ или провал на дорожном полотне, происходит, соответственно, сначала сжатие и освобождение упругого элемента или наоборот, сначала освобождение, а затем сжатие. Любое из этих событий приводит к появлению на противоположных поверхностях пьезоэлектрических пластин пакета 20 противоположных по знаку зарядов. Одинаковые по знаку заряды посредством металлических пластин 19 и металлических шин 25 с проводниками 22 через крышку корпуса 13 выводятся наружу устройства. Энергия этих зарядов является энергией ударных нагрузок на подвеску, периодически происходящей в устройстве во время движения автомобиля, и сохраняется в энергетической системе автомобиля для дальнейшего использования.

Устройство, способное реализовать способ по пункту 4 формулы изобретения, функциональный заменитель торсиона, изображено на Фиг. 3 и работает следующим образом. В рабочем положении рычаг 32 на входном валу 33 имеет крепление на несущем рычаге подвески, а корпус 28 посредством кронштейнов 29 закреплен на кузове автомобиля. В статичном нагруженном состоянии подвески упругий элемент, состоящий из пакета пьезоэлектрических пластин 43, находится в сжатом состоянии между двух изолирующих шайб 42 внутри бандажного цилиндра 44 в корпусе 28. Перемещением в нагруженном состоянии подвески упругого элемента внутри корпуса 28 посредством любого из вариантов регулировочного механизма можно изменять положение рычага 32, то есть уровень подвески автомобиля над дорогой. Во время движения автомобиля любое перемещение несущего рычага подвески меняет положение рычага 32, что влечет за собой соответствующее вращение входного вала 33 и вращающегося элемента 39, что вызывает перемещение толкающего элемента 41 на шлицах цилиндра 40, приводящее к сжатию или освобождению упругого элемента. Поэтому во время наезда колеса автомобиля на выступ или провал на дорожном полотне, происходит, соответственно, сначала сжатие и освобождение упругого элемента или наоборот, сначала освобождение, а затем сжатие. Любое из этих событий приводит к появлению на противоположных поверхностях пьезоэлектрических пластин 43 противоположных по знаку зарядов. Одинаковые по знаку заряды посредством металлических пластин 45, двух металлических шин 46 и проводников 48 через корпус 28 выводятся наружу устройства. Энергия этих зарядов является энергией ударных нагрузок на подвеску во время движения автомобиля и сохраняется в энергетической системе автомобиля для дальнейшего использования.

Устройство, способное реализовать способ по пункту 5 и 6 формулы изобретения, функциональный заменитель амортизатора в подвеске автомобиля, изображено на Фиг. 4 и работает следующим образом. Корпус 53 и подвижный элемент 59 закреплены при помощи сайлентблоков 51 на кузове и рычаге подвески автомобиля соответственно. В рабочем состоянии устройства во время движения автомобиля, ток в катушке 55 создает постоянное тороидальное магнитное поле между цилиндрическим магнитопроводом 54 и сердечником 56. Аналогичное тороидальное магнитное поле создается размещением изготовленного из сильно намагниченного материала цилиндрического магнита 63 одним из полюсов к основанию сердечника 56 внутри цилиндрического магнитопровода 54 при помощи втулки 65. Подвижный элемент 59 с закрепленной внутри по центру рабочей катушкой 60 способен перемещаться свободно на кольцевом подшипнике 58 относительно корпуса 53. При наезде колеса автомобиля на любую неровность на дорожном полотне происходит смещение подвижного элемента 59 относительно корпуса 53 и соответствующее перемещение рабочей катушки 60 на сердечнике 56 внутри цилиндрического магнитопровода 54. Такое перемещение, согласно первому закону электромагнетизма, будет наводить ЭДС в части обмотки рабочей катушки 60, находящейся в тороидальном магнитном поле между цилиндрическим магнитопроводом 54 и сердечником 56, то есть, при условии отбора энергии от рабочей катушки 60 через разъемное соединение 62, будет создаваться соответствующее сопротивление перемещению подвижного элемента 59 относительно корпуса 53. Чем больше будет неровность, то есть чем глубже рабочая катушка 60 проникнет в тороидальное магнитное поле, а также, чем выше будет напряженность этого поля и больше количество витков провода на рабочей катушке 60, тем больше будет ЭДС в ней и соответствующий выход электроэнергии, а значит и рост сопротивления взаимному перемещению подвижных частей устройства и наоборот. Обратное перемещение рабочей катушки 60, вызванное обратным ходом подвески, также наводит ЭДС, но в обратном направлении и с соответствующим ослаблением сопротивления перемещению, поскольку рабочая катушка 60 выходит из тороидального магнитного поля. Таким образом, энергия амортизации или гашения периодических колебаний подвески, проходящих в устройстве во время движения автомобиля, переходит в электроэнергию и сохраняется в энергетической системе автомобиля для дальнейшего использования.

Устройство, способное реализовать способ по пункту 7 формулы изобретения, функциональный заменитель амортизирующей пневмостойки в подвеске автомобиля изображено на Фиг. 5 и работает следующим образом. Корпус 66 болтами через отверстия 69 прикреплен к кузову, а подвижный элемент 82 через сайлентблок 90 к рычагу подвески автомобиля. В рабочем состоянии при движении автомобиля по ровной дороге давление воздуха внутри рукава 76 постоянное, а значит и давление оболочки рукава 76 на пластичный пьезоэлектрик 72, 74 и 77, закрепленный на внутренней поверхности корпуса 66 и внешней поверхности подвижного элемента 82 также постоянно. Наезд колеса автомобиля на любую неровность на дорожном полотне изменяет положение подвески, что влечет за собой перемещение подвижного элемента 82 относительно корпуса 66 и соответствующее изменение объема и давления воздуха внутри рукава 76, а значит и давление оболочки рукава 76 на пластичный пьезоэлектрик 72, 74 и 77 также меняется. Любая деформация, то есть сжатие или освобождение пластичного пьезоэлектрика 72, 74 и 77, вызывает появление на противоположных его поверхностях противоположных по знаку зарядов. Одинаковые по знаку заряды посредством токопроводящих элементов на противоположных поверхностях пластичного пьезоэлектрика 72, 74 и 77 и проводников, проложенных через корпус 66, выводятся наружу устройства на разъемные соединения 70 и 86. Энергия этих зарядов является энергией ударных нагрузок на подвеску во время движения автомобиля и сохраняется в энергетической системе автомобиля для дальнейшего использования. Механизм гашения периодических колебаний устройства выполнен аналогично устройству, изображенному на Фиг. 4 и работает следующим образом. В рабочем состоянии, то есть во время движения автомобиля, ток в катушке 78 создает постоянное тороидальное магнитное поле между цилиндрическим магнитопроводом 89 и сердечником 79. Аналогичное тороидальное магнитное поле создается размещением изготовленного из сильно намагниченного материала цилиндрического магнита 91 одним из полюсов к основанию сердечника 79 внутри цилиндрического магнитопровода 89 при помощи втулки 92. Подвижный элемент 82 с закрепленной внутри него в основании по центру рабочей катушкой 84 способен перемещаться свободно на кольцевом подшипнике 83 относительно каркаса 85, имеющим крепление к корпусу 66 посредством силового штока 75. Любое перемещение подвижного элемента 82 относительно каркаса 85 влечет соответствующее перемещение рабочей катушки 84 на сердечнике 79 внутри цилиндрического магнитопровода 89, что наводит ЭДС в части обмотки рабочей катушки 84, находящейся в тороидальном магнитном поле между цилиндрическим магнитопроводом 89 и сердечником 79, то есть, при условии отбора энергии от рабочей катушки 84 через разъемное соединение 87, будет создаваться соответствующее сопротивление перемещению подвижного элемента 82 относительно каркаса 85 и, соответственно, корпуса 66. Чем больше будет ход подвески автомобиля, то есть, чем глубже рабочая катушка 84 проникнет в тороидальное магнитное поле, а также, чем выше будет напряженность этого поля и больше количество витков провода на рабочей катушке 84, тем больше будет ЭДС и соответствующий выход электроэнергии, а значит и рост сопротивления взаимному перемещению подвижных частей устройства и наоборот. Обратное перемещение рабочей катушки 84, вызванное обратным ходом подвески, также наводит ЭДС, но в обратном направлении и с соответствующим ослаблением сопротивления перемещению, поскольку рабочая катушка 84 выходит из тороидального магнитного поля. Энергия амортизации или гашения периодических колебаний подвески, происходящих в механизме гашения периодических колебаний устройства во время движения автомобиля, переходит в электроэнергию и сохраняется в энергетической системе автомобиля для дальнейшего использования.

Устройство, способное реализовать способ по пунктам 8 и 9 формулы изобретения, функциональный заменитель шины, используемой совместно с несущим колесным диском как колесо в подвеске автомобиля изображено на Фиг. 6 и работает следующим образом. В статичном рабочем положении при номинальном давлении в устройстве 94 и нагрузке на колесо протектор 95 опирается на дорожное покрытие и все слои подпротекторных материалов устройства 94 над ним, включая сам протектор 95, сдавливаясь, деформируются, образуя близкое к прямоугольной форме пятно контакта, соответственно в сжатом положении оказывается и пластичный пьезоэлектрик 99 между двумя пластинами 96 и 97 из эластичного токопроводящего материала, их размер приблизительно равен вышеупомянутому пятну контакта. При этом две соседние области пластичного пьезоэлектрика 99 между аналогичными пластинами 96 и 97 находятся в свободном не нагруженном состоянии. С началом вращения колеса область сдавливания слоев подпротекторных материалов смещается по ходу вращения колеса. Это значит, что соседняя по ходу вращения колеса область пластичного пьезоэлектрика 99 между такими же пластинами 96 и 97, разделенными от предыдущих пластин 96 и 97 эластичными изоляторами 111, также начнет сдавливаться, а текущая нагруженная область, соответственно, освобождаться. Это приведет к тому, что на пластинах 96 и 97 освобождаемой нагруженной области пластичного пьезоэлектрика 99 появятся противоположные по знаку заряды, а на пластинах 96 и 97 нагружаемой по ходу вращения колеса области пластичного пьезоэлектрика 99 такие же заряды, но в противофазе, то есть, если на 96 пластине освобождаемой области был плюсовой заряд, а на 97 минусовой, то, соответственно, на 96 пластине нагружаемой области будет минусовой заряд, а на 97 плюсовой. Поскольку каждая из пар пластин 96 и 97 имеет электрические соединения между собой из эластичного токопроводящего материала по разным сторонам устройства 94 в последовательности через одну посредством лепестковых проводников 102 и закольцованных проводников 100, 101 из эластичного токопроводящего материала, а две токопередающие пары закольцованных проводников 103 и 104 по обеим его сторонам посредством контактного соединения с изолированными от колесного диска проводниками 106 подключены к соответствующей передающей обмотке 107 кольцевого приспособления для бесконтактной передачи энергии, то эти заряды вызовут появление в каждой из этих передающих обмоток 107 электрического тока, а значит и тока в каждой из приемных обмоток 108. При дальнейшем вращении колеса наступит момент, когда пятно контакта устройства 94 с поверхностью дорожного полотна займет всю площадь пластин 96 и 97 нагружаемой области пластичного пьезоэлектрика 99 и полностью освободится нагруженная на предыдущем этапе область. В это мгновение образование новых зарядов в этих двух областях пластичного пьезоэлектрика 99 прекратиться, а значит и ток в передающих 107 и приемных 108 обмотках кольцевого приспособления для бесконтактной передачи энергии. Дальнейшее вращение колеса полностью повторит вышеописанный цикл. В случае размещения пластичного пьезоэлектрика 99 вместе с пластинами 96 и 97 на внутренней поверхности устройства 94 он, вместо опоры на брекер 98, будет опираться на кольцевой резинометаллический корд 114. В остальном все процессы протекают аналогично. Не зависимо от варианта его размещения периодическая деформация пластичного пьезоэлектрика 99, вместе со всеми слоями подпротекторного материала, будет вызывать появление противофазных импульсов электрического тока в передающих 107 и приемных 108 обмотках приспособления для бесконтактной передачи энергии в энергетическую систему автомобиля, причем, чем толще будет слой пластичного пьезоэлектрика 99, тем большая доля энергии упругой деформации шины преобразуется в электроэнергию, а значит мощнее будут эти импульсы. Энергия этих импульсов является частью энергии периодической упругой деформации материалов устройства 94 в месте контакта с дорожным покрытием во время движения автомобиля и сохраняется в энергетической системе автомобиля для дальнейшего использования.

Устройство, способное реализовать способ по пункту 1 формулы изобретения, уменьшающее потерю энергии движущегося автомобиля от его упругого контакта с окружающим воздухом и частично преобразующее эту теряемую энергию в электроэнергию изображено на Фиг. 7 и работает следующим образом. Во время движения автомобиля воздух из фронтальной области повышенного давления попадает в раструб воздухозаборника 115 в передней части автомобиля. Стенки корпуса воздухозаборника 115 постепенно сужаясь, переходят в один или несколько обводных воздушных каналов 116 вдоль кузова автомобиля. Внутренняя поверхность стенок воздухозаборника 115 и обводных воздушных каналов 116 имеют гладкую поверхность для уменьшения трения с воздухом. Поскольку площадь сечения обводных каналов 116 меньше площади раструба воздухозаборника 115 воздух, попадая в них, сжимается, отбирая при этом часть кинетической энергии движущегося автомобиля, и движется по ним до преобразователя 117 энергии движущегося воздуха в электроэнергию, расположенного в задней части автомобиля. В преобразователе 117 энергии движущегося воздуха в электроэнергию, находящегося в режиме частичного отбора мощности, воздух, проходя через его исполнительный механизм, расширяется, отдавая при этом часть забранной ранее кинетической энергии движущегося автомобиля, и далее беспрепятственно выходит наружу в область пониженного давления за задней частью автомобиля. В случаях движения автомобиля в режиме торможения, наката с последующей остановкой или спуска с возвышенностей преобразователь 117 энергии движущегося воздуха в электроэнергию автоматически переходит в режим полного отбора мощности. Энергия от преобразователя 117 энергии движущегося воздуха в электроэнергию является частью кинетической энергии движущегося автомобиля и воздуха при их упругом контакте, и сохраняется в энергетической системе автомобиля для дальнейшего использования.

Таким образом, любое из вышеописанных устройств, реализующих предложенный способ частичной рециркуляции энергии движущегося автомобиля, способно полностью реализовать заложенную в них функцию частичного преобразования энергии переходных процессов, происходящих в них во время функционирования, в удобную для рециркуляции в автомобиле электроэнергию. Следовательно, предложенный способ частичной рециркуляции энергии движущегося автомобиля, заключающийся в использовании в конструкции автомобиля одного, нескольких или всех вышеописанных или подобных им по заложенному в них принципу действия устройств, совместно с существующими технологиями возврата кинетической энергии при не экстренном торможении автомобиля и использования солнечных батарей для подпитывания энергетической системы автомобиля, обеспечит существенную минимизацию потери энергии, что означает увеличение пробега между зарядками электромобилей и автомобилей с гибридными силовыми установками, обеспечивая тем самым улучшение экологичности их использования и снижение эксплуатационных затрат.

Claims (9)

1. Способ частичной рециркуляции энергии движущегося автомобиля, обеспечивающий частичный возврат энергии, расходуемой силовой установкой во время движения автомобиля, в аккумуляторы его энергетической системы, отличающийся тем, что в местах основных упругих взаимодействий движущегося автомобиля, вместо деталей, узлов и агрегатов подвески, таких как пружины и их опоры, торсионы, амортизирующие пневмостойки, амортизаторы и шины, безвозвратно расходующих энергию движущегося автомобиля, используются их функциональные устройства-заменители, способные частично преобразовывать энергию переходных процессов, происходящих в них во время функционирования, в электроэнергию, для возвращения в энергетическую систему автомобиля, добавлено устройство, способное уменьшить потерю энергии движущегося автомобиля из-за упругого контакта его кузова с окружающим воздухом, а также частично преобразовать эту теряемую энергию в электроэнергию, для возвращения в энергетическую систему автомобиля, при этом принцип действия устройства основан на том, что оно не допускает образования области высокого давления воздуха перед фронтальной частью движущегося автомобиля, путем отвода воздуха из этой области в область низкого давления воздуха за задней частью автомобиля через проложенные вдоль кузова обводные воздушные каналы с размещенными внутри них преобразователями энергии движущегося воздуха в электроэнергию, с зависимой от режима движения автомобиля функцией автоматической регулировки отбора мощности.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что принцип действия устройства, функционального заменителя опоры пружины в подвеске автомобиля, способного частично преобразовать и вернуть энергию небольших ударных нагрузок на подвеску в энергетическую систему автомобиля, основан на использовании прямого пьезоэффекта, для реализации чего содержит внутри корпуса устройства из эластичного материала пакет шайб из пьезоэлектрического материала, снабженный конструктивными элементами из токопроводящего материала для отвода энергии зарядов от контактирующих поверхностей шайб за пределы устройства.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что принцип действия устройства, функционального заменителя пружины в подвеске автомобиля, способного частично преобразовать и вернуть энергию любых ударных нагрузок на подвеску в энергетическую систему автомобиля, основан на использовании прямого пьезоэффекта, для реализации чего содержит внутри корпуса устройства упругий элемент, в качестве которого используется пакет шайб из пьезоэлектрического материала, содержащий конструктивные элементы из токопроводящего материала для отвода энергии зарядов от контактирующих поверхностей шайб за пределы устройства, оборудован с одной стороны саморегулируемым механизмом сжатия и освобождения упругого элемента, а с другой стороны механизмом, позволяющим производить перемещения упругого элемента внутри корпуса устройства для регулировки уровня подвески автомобиля над поверхностью дороги.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что принцип действия устройства, функционального заменителя торсиона в подвеске автомобиля, способного частично преобразовать и вернуть энергию любых ударных нагрузок на подвеску в энергетическую систему автомобиля, основан на использовании прямого пьезоэффекта, для реализации чего содержит внутри корпуса устройства упругий элемент, в качестве которого используется пакет шайб из пьезоэлектрического материала, содержащий конструктивные элементы из токопроводящего материала для отвода энергии зарядов от контактирующих поверхностей шайб за пределы устройства, оборудован с одной стороны механизмом преобразования крутильных колебаний в усилия по сжатию и освобождению упругого элемента, а с другой стороны механизмом, позволяющим производить перемещения упругого элемента внутри корпуса устройства для регулировки уровня подвески автомобиля над поверхностью дороги.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что принцип действия устройства, функционального заменителя амортизатора в подвеске автомобиля, способного частично преобразовать и вернуть энергию гашения периодических колебаний элементов подвески в энергетическую систему автомобиля, основан на использовании первого закона электромагнетизма, для реализации чего содержит внутри корпуса устройства цилиндрический магнитопровод, с расположенным внутри него по центру сердечником с установленной на него катушкой с обмоткой, все вместе функционирующие как магнит, формирующий тороидальное магнитное поле, и подвижный элемент с закрепленной на нем рабочей катушкой с обмоткой, имеющей сквозное отверстие по размеру сердечника, способной совершать колебательные движения в тороидальном магнитном поле на сердечнике внутри цилиндрического магнитопровода, наводя тем самым в ее обмотке электродвижущую силу.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что для формирования тороидального магнитного поля в основании сердечника внутри цилиндрического магнитопровода установлен цилиндрический магнит, изготовленный из сильно намагниченного материала.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что принцип действия устройства, функционального заменителя амортизирующей пневмостойки в подвеске автомобиля, способного частично преобразовать и вернуть энергию любых ударных нагрузок и энергию гашения периодических колебаний элементов подвески в энергетическую систему автомобиля, основан на использовании прямого пьезоэффекта и первого закона электромагнетизма, для реализации чего содержит внутри корпуса устройства два связанных механизма гашения энергии ударных нагрузок и механизма гашения энергии периодических колебаний, выполненного аналогично описанному в пп. 5 и 6 способу, конструкция механизма гашения энергии ударных нагрузок соответствует конструкции пневмостойки, с установленным внутри пластичным пьезоэлектриком, снабженным токопроводящими элементами для отвода энергии зарядов от его поверхностей за пределы устройства, расположенным в местах контакта пневморукава с внутренней поверхностью корпуса устройства.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что принцип действия устройства функционального заменителя шины, используемого совместно с несущим колесным диском как колесо в подвеске автомобиля, способного частично преобразовать и вернуть энергию упругой деформации протектора и подпротекторного материала шины во время движения автомобиля в энергетическую систему автомобиля, основан на использовании прямого пьезоэффекта, для реализации чего устройство, имеющее компоновку и все конструктивные элементы шины, имеет в теле его подпротекторного материала закольцованную полосу пластичного пьезоэлектрика, к внутренней и внешней стороне которого прикреплены радиально изолированные друг от друга пластины из эластичного токопроводящего материала, приблизительно равные по размеру пятну контакта протектора устройства с дорожным покрытием при номинальной нагрузке и давлении в нем, имеющие электрические соединения между собой из эластичного токопроводящего материала по разным сторонам в направлении вращения колеса в последовательности через один, образуя при этом две независимые электрические цепи, каждая из которых подключена к соответствующей обмотке кольцевого приспособления для бесконтактной передачи энергии в энергетическую систему автомобиля, расположенного или снаружи на торце колесного диска или на внутренней его поверхности с обращенной к рычагам подвески стороны.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что закольцованная полоса пластичного пьезоэлектрика, к внутренней и внешней стороне которой прикреплены радиально изолированные друг от друга пластины из эластичного токопроводящего материала, располагается внутри устройства между соответствующей протектору внутренней поверхностью устройства и дополнительным кольцевым резинометаллическим кордом, ограничивающим давление надутой внутри устройства резиновой камеры на нее, имеет токопроводящие соединения обеих ее независимых электрических цепей с соответствующей обмоткой кольцевого приспособления для бесконтактной передачи энергии в энергетическую систему автомобиля, расположенных по любому из указанных в п. 8 вариантов.

Images