CN109278483A - 一种振动能量回收装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种振动能量回收装置及其工作方法，属于汽车节能技术领域。包括上钢板、钢板弹簧、能量回收执行机构，钢板弹簧在承受车桥带来的剧烈振动时会产生一定的形变，本发明正是对由于振动导致的钢板弹簧垂向振动能量进行回收利用；同时，在能量回收执行机构中设置4个上压力腔、4个下压力腔，每个压力腔中配备压电片，根据帕斯卡效应，由于压力传到到四个上压力腔或下压力腔的压力活塞处，总面积加大，因此总的压力得到放大，压电片所产生的电能增多。
Description
技术领域
本发明涉及一种振动能量回收装置及其工作方法，属于汽车节能技术领域。
背景技术
随着能源的减少和人们节能减排意识的提高，如何提高车辆的节能环保性，成为车辆设计工程师研究得目标，所以人们设计了不同的装置对车辆行驶过程中产生的能量进行回收，其中就包括振动能量的回收。有的设计将振动能量利用压电材料回收，有的利用电磁发电装置将振动能量回收。它们分别安装在车辆的不同部位，有的放置在座椅下面，有的安装在轿车悬架上(非钢板弹簧悬架)。这些改进分别起到了一定的能量回收作用，但对货车的钢板弹簧悬架的研究较少。
而实际上货车载重质量大，振动能量更改，更应该予以关注。钢板弹簧在承受轮胎带来的剧烈振动时会产生一定的形变，由原来的半弧形慢慢压直，多片弹簧相互变形摩擦消耗了振动能量。在发明公布号为CN 105207443A的中国专利文件“轻型货车振动能量回收装置”中提供了一种钢板弹簧悬架的能量回收方式，但是其依靠钢板吊耳晃动收集的实际是车辆在加速或制动状态下的钢板弹簧相对车架晃动产生的能量，由于振动导致的钢板弹簧垂向振动能量没有得到回收利用。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种新式振动能量可回收的装置—一种振动能量回收装置及其工作方法，该装置结构简单、安装使用方便，可对汽车车桥的振动能量进行有效地回收利用。
本发明的技术方案如下：
一种振动能量回收装置，其特征是，包括上钢板、钢板弹簧、能量回收执行机构，所述能量回收执行机构位于上钢板与钢板弹簧之间，所述钢板弹簧的两端分别与上钢板的两端固定连接；该能量回收执行机构包括活塞推杆、液压缸、置于液压缸工作腔内的活动活塞、液压缸底座、压电片，所述液压缸底座固定连接于钢板弹簧顶部的中心位置，所述活塞推杆的顶部与上钢板的底部中心固定连接，所述活塞推杆的底部伸入液压缸的工作腔内并与活动活塞相连；
所述活动活塞将工作腔分成上工作腔、下工作腔，所述液压缸的上部缸体侧壁内设有上压力腔，所述上压力腔与上工作腔之间设有相互联通的上通道；所述液压缸的下部缸体侧壁内设有下压力腔，所述下压力腔与下工作腔之间设有相互联通的下通道；所述上压力腔、下压力腔内分别设有上压力活塞、下压力活塞，所述压电片分为上压电片、下压电片，上、下压电片分别置于上、下压力腔的腔底，所述上压力活塞置于上压电片与上通道之间，所述下压力活塞置于下压电片与下通道之间。
进一步地，所述活动活塞处设有上拉伸单向阀、上压缩单向阀。
进一步地，所述工作腔下部固定连接有固定活塞，所述固定活塞与液压缸的底座之间形成补偿腔。
进一步地，所述固定活塞处设有下拉伸单向阀、下压缩单向阀。
进一步地，所述补偿腔处的液压缸缸体侧壁设有输液孔，所述液压缸的缸体侧壁与液压缸底座的侧壁之间设有储藏腔，所述输液孔联通补偿腔与储藏腔。
进一步地，所述液压缸外轮廓的横截面为矩形结构，液压缸工作腔的横截面为圆形结构，所述上压力腔、下压力腔、上压电片、下压电片分别为4个，上压力腔、下压力腔一一对应，并分别与液压缸的四个外侧壁位置对应。
进一步地，所述上压电片、下压电片分别通过压电片盖板嵌入封装于液压缸的四个外侧壁处，同一个侧壁处的两块压电片共用一块压电片盖板。
进一步地，所述上钢板的两端分别设有与外部连接用的吊耳，所述上钢板呈中部上凸的结构，所述钢板弹簧呈中部下凹的结构。
进一步地，所述压电片盖板处设有供压电片与外部压电采集装置相连的通孔。
上述一种振动能量回收装置的工作方法，其特征是，包括以下步骤：
1)将上钢板的两个吊耳与汽车车架相连，将钢板弹簧底部与汽车车桥相连；
当汽车运行时，车桥遇到障碍物冲击，钢板弹簧会向上弹起，即钢板弹簧和上钢板之间的相对距离缩短，活塞推杆推动活动活塞下压，液压缸内的下工作腔内产生液压力，液压力通过下通道传到四侧的下压力腔中，下压力腔内的下压力活塞压动下压电片产生压电效应，下压电片经由外部压电能量采集装置进行能量回收；
当活动活塞下工作腔的液压压力达到压缩安全压力值时，安装于活动活塞上的上压缩单向阀打开阀门，下工作腔的液体得以流向上工作腔，防止过载；由于上工作腔中活塞推杆占了一定空间，随着活塞推杆的下移，下工作腔的空间逐渐缩小，下工作腔内多余的液体不能全部流进上工作腔，随着压力进一步增加，当下工作腔压力增大到压缩极限压力值，固定活塞上的下压缩单向阀打开，液体通过下压缩单向阀流入下方的补偿腔内，从而保障了***内压力不过载；
2)随后当车桥往下落时，钢板弹簧在自身弹力作用下回落，钢板弹簧和上钢板之间相对距离拉长，活塞推杆拉动活动活塞上行，液压缸内的上工作腔内产生液压力，液压力通过上通道传至四侧的上压力腔内，上压力活塞压动上压电片产生压电效应，上压电片经由外部压电能量采集装置进行能量回收；
当压力达到拉伸安全压力值时，安装于活动活塞上的上拉伸单向阀打开，上工作腔的液体得以流向下工作腔，防止过载；由于上工作腔中活塞推杆占了一定空间，活塞推杆的上行，使上工作腔空间变小，上工作腔的多余液体流入下工作腔，但这些多余的液体不能完全填补下工作腔中的真空，因而下腔产生负压，当下工作腔液压低于拉伸极限压力值时，固定活塞上的下拉伸单向阀打开，液体通过下拉伸单向阀从补偿腔留回下工作腔中，从而保障了***内压力不过载。(压缩安全压力值与拉伸安全压力值相等，压缩安全压力值、压缩极限压力值、拉伸安全压力值、拉伸极限压力值可根据相应的单向阀阀杆直径、液压缸承受最大压强、阀孔孔径等因素进行设定)。
本发明利用能量回收执行机构、钢板弹簧对车辆因载重质量大而产生的振动能量进行回收，钢板弹簧在承受轮胎带来的剧烈振动时会产生一定的形变，本发明正是对由于振动导致的钢板弹簧垂向振动能量进行回收利用；同时，在能量回收执行机构中设置4个上压力腔、4个下压力腔，每个压力腔中配备压电片，根据帕斯卡效应，由于压力传到到四个上压力腔或下压力腔的压力活塞处，总面积加大，因此总的压力得到放大，压电片所产生的电能更多。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中能量回收执行机构的剖视图；
图3为图2中A-A向剖视图；
图4为图2中B-B向剖视图；
图中：1上钢板、2钢板弹簧、3能量回收执行机构、4活塞推杆、5液压缸、6活动活塞、7液压缸底座、8上工作腔、9下工作腔、10上压力腔、11上通道、12下压力腔、13下通道、14上压力活塞、15下压力活塞、16上压电片、17下压电片、18上拉伸单向阀、19上压缩单向阀、20固定活塞、21补偿腔、22下拉伸单向阀、23下压缩单向阀、24输液孔、25储藏腔、26压电片盖板、27吊耳、28通孔、29螺栓、30螺栓、31底座螺栓、32压电片盖板螺栓、33压缩弹簧。
具体实施方式
如图1所示，一种振动能量回收装置，包括硬质合金材料制成的上钢板1、钢板弹簧2、能量回收执行机构3，能量回收执行机构位于上钢板与钢板弹簧之间，钢板弹簧的两端分别与上钢板的两端固定连接，能量回收执行机构与钢板弹簧通过螺栓30固定连接，能量回收执行机构与上钢板通过螺栓29连接，上钢板的两端分别设有与外部连接用的吊耳27，所述上钢板呈中部上凸的结构，钢板弹簧呈中部下凹的结构。
如图2所示，该能量回收执行机构包括活塞推杆4、液压缸5、置于液压缸工作腔内的活动活塞6、液压缸底座7、压电片，底座7通过底座螺栓31与液压缸相连，液压缸底座固定连接于钢板弹簧顶部的中心位置，活塞推杆的顶部与上钢板的底部中心固定连接，活塞推杆的底部伸入液压缸的工作腔内并与活动活塞相连。
活动活塞将工作腔分成上工作腔8、下工作腔9，液压缸的上部缸体侧壁内设有上压力腔10，上压力腔与上工作腔之间设有相互联通的上通道11；液压缸的下部缸体侧壁内设有下压力腔12，下压力腔与下工作腔之间设有相互联通的下通道13。上压力腔、下压力腔内分别设有上压力活塞14、下压力活塞15，压电片分别上压电片16、下压电片17，上、下压电片分别置于上、下压力腔的腔底，上压力活塞置于上压电片与上通道之间，下压力活塞置于下压电片与下通道之间，上压力活塞与上通道之间、下压力活塞与下通道之间分别设有压缩弹簧33，压缩弹簧使上/下压力活塞运行稳定，能与对应的压电片更好的接触。
活动活塞处设有上拉伸单向阀18、上压缩单向阀19，工作腔下部固定连接有固定活塞20，固定活塞处设有下拉伸单向阀22、下压缩单向阀23。固定活塞与液压缸的底座之间形成补偿腔21，补偿腔处的液压缸缸体侧壁设有输液孔24，液压缸的缸体侧壁与液压缸底座的侧壁之间设有储藏腔25，输液孔联通补偿腔与储藏腔。
液压缸外轮廓的横截面为矩形结构，液压缸工作腔的横截面为圆形结构，所述上压力腔、下压力腔、上压电片、下压电片分别为4个，上压力腔、下压力腔一一对应，并分别与液压缸的四个外侧壁位置对应。上压电片、下压电片分别通过压电片盖板26嵌入封装于液压缸的四个外侧壁处，同一个侧壁处的两块压电片共用一块压电片盖板，压电片盖板由压电片盖板螺栓32固定安装在液压缸上，压电片盖板处设有供压电片与外部压电采集装置相连的通孔28。
本发明中所用单向阀均包括堵头和弹簧，当达到相应的压力值时，置于活动/固定活塞处的堵头克服弹簧预紧力，使阀门打开，让液体流通。
一种振动能量回收装置的工作方法，包括以下步骤：
1)将上钢板的两个吊耳与汽车车架相连，将钢板弹簧底部与汽车车桥相连；
当汽车运行时，车桥遇到障碍物冲击，钢板弹簧会向上弹起，即钢板弹簧和上钢板之间的相对距离缩短，活塞推杆推动活动活塞下压，液压缸内的下工作腔内产生液压力，液压力通过下通道传到四侧的下压力腔中，下压力腔内的下压力活塞压动下压电片产生压电效应，下压电片经由外部压电能量采集装置进行能量回收；根据帕斯卡效应，由于压力传到到四个压力活塞处，总面积加大，因此总的压力得到放大，压电片产生的电能更多。
当活动活塞下工作腔的液压压力达到压缩安全压力值Fy1时，安装于活动活塞上的上压缩单向阀打开阀门，下工作腔的液体得以流向上工作腔，防止过载；由于上工作腔中活塞推杆占了一定空间，随着活塞推杆的下移，下工作腔的空间逐渐缩小，下工作腔内多余的液体不能全部流进上工作腔，随着压力进一步增加，当下工作腔压力增大到压缩极限压力值Fy2，固定活塞上的下压缩单向阀打开，液体通过下压缩单向阀流入下方的补偿腔内，从而保障了***内压力不过载。
2)随后当车桥往下落时，钢板弹簧在自身弹力作用下回落，钢板弹簧和上钢板之间相对距离拉长，活塞推杆拉动活动活塞上行，液压缸内的上工作腔内产生液压力，液压力通过上通道传至四侧的上压力腔内，上压力活塞压动上压电片产生压电效应，上压电片经由外部压电能量采集装置进行能量回收；根据帕斯卡效应，由于压力传到到四个压力活塞处，总面积加大，因此总的压力得到放大，压电片产生的电能更多。
当压力达到拉伸安全压力值Fs1时，安装于活动活塞上的上拉伸单向阀打开，上工作腔的液体得以流向下工作腔，防止过载；由于上工作腔中活塞推杆占了一定空间，活塞推杆的上行，使上工作腔空间变小，上工作腔的多余液体流入下工作腔，但这些多余的液体不能完全填补下工作腔中的真空，因而下腔产生负压，当下工作腔液压低于拉伸极限压力值FS2时，固定活塞上的下拉伸单向阀打开，液体通过下拉伸单向阀从补偿腔留回下工作腔中，从而保障了***内压力不过载。
有公式如下：
Fs1＝Fy1；
其中，P为液压缸承受最大压强；Pa为大气压强；d为单向阀杆身(堵头)直径；D为单向阀孔径；K1、K2、K3为安全系数,0<K1<K2<1；0<K3<0.2。
Claims (10)
1.一种振动能量回收装置，其特征是，包括上钢板（1）、钢板弹簧（2）、能量回收执行机构（3），所述能量回收执行机构位于上钢板与钢板弹簧之间，所述钢板弹簧的两端分别与上钢板的两端固定连接；该能量回收执行机构包括活塞推杆（4）、液压缸（5）、置于液压缸工作腔内的活动活塞（6）、液压缸底座（7）、压电片，所述液压缸底座固定连接于钢板弹簧顶部的中心位置，所述活塞推杆的顶部与上钢板的底部中心固定连接，所述活塞推杆的底部伸入液压缸的工作腔内并与活动活塞相连；
所述活动活塞将工作腔分成上工作腔（8）、下工作腔（9），所述液压缸的上部缸体侧壁内设有上压力腔（10），所述上压力腔与上工作腔之间设有相互联通的上通道（11）；所述液压缸的下部缸体侧壁内设有下压力腔（12），所述下压力腔与下工作腔之间设有相互联通的下通道（13）；所述上压力腔、下压力腔内分别设有上压力活塞（14）、下压力活塞（15），所述压电片分为上压电片（16）、下压电片（17），上、下压电片分别置于上、下压力腔的腔底，所述上压力活塞置于上压电片与上通道之间，所述下压力活塞置于下压电片与下通道之间。
2.根据权利要求1所述的一种振动能量回收装置，其特征是，所述活动活塞处设有上拉伸单向阀（18）、上压缩单向阀（19）。
3.根据权利要求1所述的一种振动能量回收装置，其特征是，所述工作腔下部固定连接有固定活塞（20），所述固定活塞与液压缸的底座之间形成补偿腔（21）。
4.根据权利要求3所述的一种振动能量回收装置，其特征是，所述固定活塞处设有下拉伸单向阀（22）、下压缩单向阀（23）。
5.根据权利要求4所述的一种振动能量回收装置，其特征是，所述补偿腔处的液压缸缸体侧壁设有输液孔（24），所述液压缸的缸体侧壁与液压缸底座的侧壁之间设有储藏腔（25），所述输液孔联通补偿腔与储藏腔。
6.根据权利要求1所述的一种振动能量回收装置，其特征是，所述液压缸外轮廓的横截面为矩形结构，液压缸工作腔的横截面为圆形结构，所述上压力腔、下压力腔、上压电片、下压电片分别为4个，上压力腔、下压力腔一一对应，并分别与液压缸的四个外侧壁位置对应。
7.根据权利要求6所述的一种振动能量回收装置，其特征是，所述上压电片、下压电片分别通过压电片盖板（26）嵌入封装于液压缸的四个外侧壁处，同一个侧壁处的两块压电片共用一块压电片盖板。
8.根据权利要求1所述的一种振动能量回收装置，其特征是，所述上钢板的两端分别设有与外部连接用的吊耳（27），所述上钢板呈中部上凸的结构，所述钢板弹簧呈中部下凹的结构。
9.根据权利要求7所述的一种振动能量回收装置，其特征是，所述压电片盖板处设有供压电片与外部压电采集装置相连的通孔（28）。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种振动能量回收装置的工作方法，其特征是，包括以下步骤：
1）将上钢板的两个吊耳与汽车车架相连，将钢板弹簧底部与汽车车桥相连；
当汽车运行时，车桥遇到障碍物冲击，钢板弹簧会向上弹起，即钢板弹簧和上钢板之间的相对距离缩短，活塞推杆推动活动活塞下压，液压缸内的下工作腔内产生液压力，液压力通过下通道传到四侧的下压力腔中，下压力腔内的下压力活塞压动下压电片产生压电效应，下压电片经由外部压电能量采集装置进行能量回收；
当活动活塞下工作腔的液压压力达到压缩安全压力值时，安装于活动活塞上的上压缩单向阀打开阀门，下工作腔的液体得以流向上工作腔，防止过载；由于上工作腔中活塞推杆占了一定空间，随着活塞推杆的下移，下工作腔的空间逐渐缩小，下工作腔内多余的液体不能全部流进上工作腔，随着压力进一步增加，当下工作腔压力增大到压缩极限压力值，固定活塞上的下压缩单向阀打开，液体通过下压缩单向阀流入下方的补偿腔内，从而保障了***内压力不过载；
2）随后当车桥往下落时，钢板弹簧在自身弹力作用下回落，钢板弹簧和上钢板之间相对距离拉长，活塞推杆拉动活动活塞上行，液压缸内的上工作腔内产生液压力，液压力通过上通道传至四侧的上压力腔内，上压力活塞压动上压电片产生压电效应，上压电片经由外部压电能量采集装置进行能量回收；
当压力达到拉伸安全压力值时，安装于活动活塞上的上拉伸单向阀打开，上工作腔的液体得以流向下工作腔，防止过载；由于上工作腔中活塞推杆占了一定空间，活塞推杆的上行，使上工作腔空间变小，上工作腔的多余液体流入下工作腔，但这些多余的液体不能完全填补下工作腔中的真空，因而下腔产生负压，当下工作腔液压低于拉伸极限压力值时，固定活塞上的下拉伸单向阀打开，液体通过下拉伸单向阀从补偿腔留回下工作腔中，从而保障了***内压力不过载。
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