CN110594113A - 基于单串联式液压振动回路的共振发电分布式架构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于液压振动回路的共振发电分布式架构，属于汽车新能源领域。将带有液压控制阀的一驱四串联式液压振动回路中的单个主动液压缸，作为振动输入端设置在以车轴为支撑且在车身抑振位置处，通过单活塞杆承接车身的振动力和对车身振动进行抑振，将主动液压缸所串联驱动的四个从动液压缸作为车身振动力的振动输出端，垂直设置于振动导向框架顶部，通过下方单活塞杆联结的齿条啮合至共振发电装置转轴上四个内套有单向轴承的齿轮处驱动发电机旋转，通过将振动输入端分散设置于不同车轮处的车身抑振位置处，以及通过将对应的所有振动输出端，都集中设置于同一个共振发电装置，搭建能够高效率共振发电和均衡性车身抑振所需要的分布式架构。

Description

基于单串联式液压振动回路的共振发电分布式架构

技术领域

本发明涉及汽车动能发电***和方法，尤其涉及单串联式液压振动回路的共振发电分布式架构。

背景技术

众所周知，汽车减振器通过节流阻尼做功和摩擦散热，耗散了车身振动的大部分能量，现有的汽车振动发电技术，都是针对车身振动能量被减振器耗散后的残余振动能量而开发利用的，也就是在减振器上附加一个小功率发电机，利用车身减振器抑振后的随机振动力进行驱动发电，而利用随机振动发电的缺点也很明显，主要是：1)由于车身振动能量大部分被减振器节流阻尼做功所分流耗散，驱动小功率发电机的剩余振动力很低且车身振幅很小，致使影响发电机发电效率的关键要素转矩和转速都很低，导致了分散设置在车身各减振器上小功率发电机的效率很低，进而导致对车身残余振动能量的整体回收效率也很低，缺乏应用前景；2)同时，也导致了利用振动能量发电而产生的电磁阻尼很小，无法仅利用电磁阻尼进行车身的有效抑振，因此现有振动能量的随机振动发电技术无法有效代替现有的减振器，而且能量回收发电效果差，车身抑振均衡性也很差。

申请人从2010年开始一直在研究利用频率共振，实现新能源汽车的车身振动能量回收发电的前沿技术研究，并持续进行了改进，希望能够将这一有利于大幅提高振动能量利用效率的技术完美地在汽车产业上实现应用，从而节省能源，能够真正实现颠覆性能量再生技术的落地应用。

从2012年提出一种应用于电动汽车动能发电的频率共振实现方法(专利号：CN201210114577.6),到2013年时，进一步提出将频率共振应用于汽车动能发电的方法和结构(专利号：CN201310132727.0)，并在此基础上研发了第一代的共振发电装置和***。但鉴于对车身振动的控制，既需要高效利用振动能量，又需要控制振动对车身颠簸的影响，申请人在2016年又提出了基于杠杆原理的电动汽车共振发电优化方法和结构(专利号：CN201610496171.7)，研发了第二代的共振发电装置和***。

但刚性杠杆对于车辆实际上的安装与兼容性较差，且刚性杠杆无法控制振动力的大小，因此在2018年提出第三代的基于杠杆效应的电动汽车共振发电液压驱动方法和装置，利用液压装置不仅实现杠杆效应，而且改善兼容性和振动力大小的控制。

但是第二代的杠杆驱动方法和第三代的液压驱动方法，虽然在抑制车身振动和利用振动力进行共振发电方面具有一定的效果，但由于这两种结构和方法都是基于单组的三驱三刚性杠杆单元驱动和单组的三驱三液压单元驱动，都受到与底盘区域推力杆、稳定杆及代替减振器设置的兼容性限制，难于以每根车轴为支撑而设置多组振动传导单元，在车身抑振的均衡性方面和振动发电的高效性方面仍有不足。

发明内容

本发明提供了一种基于单串联式液压振动回路的共振发电分布式架构，解决的技术问题之一是提高装置与整车的集成兼容性和提高共振发电的效率，能够有效实现车身抑振的均衡性，从而在工程化集成应用方面非常容易地匹配现有的减振设计的车身和车身底盘；

解决的技术问题之二是解决原有的三条液压油路中的每个主动液压缸活塞在车身振动的冲击和反弹行程中，都是单行程做功发电，存在着发电效率较低的问题，且三个从动液压缸在共振弹性***的反弹行程中，缺少对车身振动力的导入助力，存在着这段行程中仅靠共振弹性***反弹力无法有效抑制共振发电装置***阻尼对共振振幅衰减所致的发电机转速下降的问题，本发明进一步提高了振动能量转化发电的效率且实现驱动***在底盘区域兼容性的优化。

技术方案

一种基于单串联式液压振动回路的共振发电分布式架构，其特征在于：包括液压传动***单元和共振发电装置；

所述液压传动***单元包括一条带有液压控制阀的由一个主动液压缸驱动四个从动液压缸的串联式液压振动回路，将此条回路中的单个主动液压缸，设置为以车轴为支撑且通过单活塞杆承接车身振动力和进行车身抑振的振动输入端，将单个主动液压缸所串联驱动的四个从动液压缸，作为车身振动力的振动输出端；

所述共振发电装置包括振动导向框架，设置在振动导向框架内并与车身采用弹性***相连的中空重物托板，中空重物托板上设置有包括发电机和增速器的共振旋转发电组件，所述共振旋转发电组件还包括在发电机转轴上设置的内套有单向轴承的齿轮，齿轮单侧啮合有齿条，齿条由设置在振动导向框架顶部的作为振动输出端的从动液压缸下方的活塞杆带动，所述四个从动液压缸垂直设置于振动导向框架顶部；

所述四个从动液压缸中，发电机转轴上方两侧各设置两个从动液压缸，且随着主动液压缸活塞的压缩和拉伸，转轴同侧的两个从动液压缸活塞的垂直运动方向相反，通过齿条对发电机转轴的扭力方向分别为顺时针和逆时针方向；

利用这种一驱四的串联式液压传动***单元，通过分别将振动输入端代替减振器分散设置于不同车轮处的车身抑振位置处，以及，通过将对应的所有液压振动输出端，都集中设置于同一个共振发电装置处，搭建了实现高效率共振发电和均衡性车身抑振所需要的分布式架构；

不仅能够将源自不同车轮处所产生的激励振动力，聚集至共振发电装置转轴处进行集中驱动，而且也能够将共振发电装置的***阻尼，分流传导至车身不同位置处进行分散抑振。

进一步，所述中空重物托板通过与车身连接的弹性***与车身实现共振，中空重物托板通过直线轴承在垂直设置于振动导向框架上的光轴上实现垂直方向的上下滑移。

进一步，所述单个主动液压缸串联驱动四个从动液压缸的串联式液压振动回路，是采用油路将每个液压缸内由活塞隔离形成的上下油腔进行串联，并使得主动液压缸活塞在压缩和拉伸的全行程通过四个从动液压缸活塞彼此出力实现连续的做功发电。

进一步，所述设置在发电机转轴同侧的两个从动液压缸之间的下/上油腔相互联接，从而使两个从动液压缸活塞的垂直运动方向相反。

四个从动液压缸通过向下方的单活塞杆所联结的齿条，在发电机转轴两侧各与两个齿轮单侧啮合，其中，发电机转轴两侧对转轴扭力同向的从动液压缸活塞出力交替构成使转轴旋转的叠加扭力。

位于发电机转轴同侧的两个从动液压缸活塞垂直运动方向相反，对转轴的扭力方向分别为顺时针和逆时针方向，从而使四个从动液压缸活塞在主动液压缸活塞压缩和拉伸的两个行程中，能够连续传导车身振动力，用于抑制共振发电装置***阻尼对发电机转速的衰减。

在串联式液压振动回路中，还包括分流泄压油路，即在主动液压缸的上下油腔之间还联接设置有一条无负载的带流量控制阀的分流油路。

进一步，所述振动输入端的主动液压缸分散设置于不同车轮处代替减振器的车身抑振位置处，以每根车轴作为支撑而设置的振动输入端的位置和数量，分别是左右各设置一个，或者是左右各设置两个。

进一步，所述共振发电装置将各车轮处的车身振动力汇聚至发电机转轴处，所带来的叠加扭力能够实现大功率发电机的高效驱动，所述共振发电装置设置在车底板上方紧靠卡车驾驶室后方位置或紧靠客车后排座椅后方的位置处。

有益效果

本发明的基于单串联式液压振动回路的共振发电分布式架构采用一条一驱四的串联式液压振动回路，振动输入端优化为仅以单个主动液压缸代替车身减振器进行分布式的设置，振动输出端优化为四个从动液压缸，通过活塞杆连接齿条，在发电机转轴两侧垂直方向与齿轮单侧啮合，交替构成使发电机转轴连续旋转的扭力，从而使四个从动液压缸活塞能够连续传导车身振动力，用于抑制共振发电装置***阻尼对发电机转速的衰减，且主动液压缸活塞在压缩和拉伸的两个行程中，能够连续全行程做功。本发明通过将振动输入端优化为仅有的单个主动液压缸，实现了代替减振器设置的兼容性优化，还实现了通过主动液压缸将各车轮处的车身振动力汇聚至发电机转轴处，所带来的叠加扭力能够实现大功率发电机的高效驱动。且共振发电装置通过设置在车底板上方紧靠卡车驾驶室后方位置或紧靠客车后排座椅后方的位置处，能够使共振发电旋转组件的共振振幅具有较大行程的高度空间，提供了发电机高效发电所需的垂直方向切线位移，使共振发电装置在整车集成中的兼容性获得了优化。

附图说明

图1为本发明振动输入端结构安装位置的示意图。

图2为本发明的一个一驱四液压传动***单元结构放大示意图。

图3为本发明的分布式架构关于振动输入端和振动输出端设置的示意图。

图4为本发明的一个一驱四液压传动***单元油路连接示意图。

图5为本发明的一个一驱四液压传动***单元油路中设置有分流泄压油路的连接示意图。

其中：1-光轴，2-振动导向框架，3-主动液压缸，4-从动液压缸，5-齿条，6-发电机转轴，7-内套有单向轴承的齿轮，8-大转角高扭矩的单向旋转装置，9-中空重物托板，10-车身底板，11-车轴。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。

之前本申请人提出的技术方案中，是以车轴为支撑的杠杆驱动方法和液压驱动方法，虽然在抑制车身振动和利用振动力进行发电方面具有一定的效果，但在车身抑振的均衡性方面和振动发电的高效性方面仍有不足。2018年的液压驱动方法由于承接车身振动力且驱动发电机转轴旋转是由三条一驱一的主从动液压缸回路仅构成一个驱动单元，产生的问题包括：(1)在一个驱动单元中，主动液压缸数量多导致代替减振器与底盘车身抑振区域兼容性差带来的设置困难，(2)每个主动液压缸活塞在车身振动的冲击和反弹行程中，都是单行程做功发电，存在着发电效率较低的问题，(3)三个从动液压缸的设置，在共振弹性***的反弹行程中，缺少车身振动力的导入助力，存在着这段行程中无法有效抑制共振发电装置***阻尼对共振振幅衰减所致的发电机转速下降的问题。

因此，本申请提出一种基于单串联式液压振动回路的共振发电分布式架构，包括液压传动***单元和共振发电装置；

所述液压传动***单元包括一条带有液压控制阀的由一个主动液压缸驱动四个从动液压缸的串联式液压振动回路，将此条回路中的单个主动液压缸，设置为以车轴为支撑且通过单活塞杆承接车身振动力和进行车身抑振的振动输入端，将单个主动液压缸所串联驱动的四个从动液压缸，作为车身振动力的振动输出端；

所述共振发电装置包括振动导向框架，设置在振动导向框架内并与车身采用弹性***相连的中空重物托板，中空重物托板上设置有包括发电机和增速器的共振旋转发电组件，所述共振旋转发电组件还包括在发电机转轴上设置的内套有单向轴承的齿轮，齿轮单侧啮合有齿条，齿条由设置在振动导向框架顶部的作为振动输出端的从动液压缸下方的活塞杆带动，所述四个从动液压缸垂直设置于振动导向框架顶部；

所述四个从动液压缸中，在发电机转轴上方两侧各设置两个从动液压缸，且转轴上方同侧的两个从动液压缸活塞的垂直运动方向相反，带动齿条对发电机转轴的扭力方向分别交替为顺时针和逆时针方向；

利用这种一驱四的串联式液压传动***单元，通过分别将振动输入端代替减振器分散设置于不同车轮处的车身抑振位置处，以及，通过将对应的所有液压振动输出端，都集中设置于同一个共振发电装置处，搭建了实现高效率共振发电和均衡性车身抑振所需要的分布式架构；

不仅能够将源自不同车轮处所产生的激励振动力，聚集至共振发电装置转轴处进行集中驱动，而且也能够将共振发电装置的***阻尼，分流传导至车身不同位置处进行分散抑振。

如附图1～3示意，整体***包括液压传动***单元和共振发电装置，液压传动***单元包括振动输入端和振动输出端以及两端之间相连的油路，在车身底部原设置减振器的位置，分散设置振动输入端的单个主动液压缸3，主动液压缸3的活塞杆连接车身底板，承接车身振动；振动输出端包括集中设置在共振发电装置上的四个从动液压缸4，且主动液压缸3带动四个从动液压缸4通过油路串联，并使得主动液压缸3的活塞在压缩和拉伸的全行程通过四个从动液压缸的活塞彼此出力驱动发电机转轴旋转而实现连续的做功发电。

四个从动液压缸通过向下方的单活塞杆所联结的齿条，在发电机转轴两侧各与两个齿轮单侧啮合，位于发电机转轴同侧上方的两个从动液压缸活塞垂直运动方向相反，对转轴的扭力方向分别交替为顺时针和逆时针方向，从而使四个从动液压缸活塞在主动液压缸活塞压缩和拉伸的两个行程中，分别以二个从动液压缸活塞为一组且两组之间交替承接转轴的负载，每组承接转轴负载的方式为，在转轴两侧分别各有一个从动液压缸活塞对转轴产生同向的扭力，能够连续传导车身振动力，对转轴扭力同向的从动液压缸活塞出力交替构成使转轴旋转的叠加扭力，同时用于抑制共振发电装置***阻尼对发电机转速的衰减。

所述共振发电装置包括四周垂直安装光轴1的振动导向框架2，设置在振动导向框架2内并与车身采用弹性***相连的中空重物托板9，中空重物托板通过设置的直线轴承实现在光轴上的垂直方向上的滑移，中空重物托板9上设置有包括发电机和增速器的共振旋转发电组件，所述共振旋转发电组件还包括在发电机转轴6上设置的内套有单向轴承的齿轮7，齿轮单侧啮合有齿条5，齿条5由设置在振动导向框架2顶部的作为振动输出端的从动液压缸4的活塞杆带动，每个从动液压缸4的活塞杆带动一个齿条5，将振动输出端传送的振动力通过与齿条啮合的齿轮驱动发电机转轴6旋转，从而发电。

所述振动输入端在车身下方分散设置有多个，所述共振发电装置集中设置为一个，从动液压缸的数量根据振动输入端的主动液压缸的数量而定，且对应发电机转轴上方两侧位置分两排排列安装在振动导向框架上，并分别连接齿条带动发电机转轴上的齿轮转动。

中空重物托板通过与车身连接的弹性***与车身实现共振。共振发电装置的***阻尼包括共振发电的电磁阻尼，光轴与直线轴承间上下滑移的摩擦阻尼，机械传动的啮合阻尼。

而设置在发电机转轴上方同侧的两个从动液压缸之间的下/上油腔相互联接，从而使两个从动液压缸活塞的垂直运动方向相反。如附图4和5中的油路示意图中，设置在发电机转轴同侧的A1和A2两个从动液压缸之间，采用的是两个的下油腔联接，在串联的液压回路中，使得A1和A2的活塞杆的垂直运动方向是相反的。

所述从动液压缸的活塞杆连接的齿条，其中一个齿条啮合大转角高扭矩的单向旋转轴承(见本申请人在2016年申请的专利“一种实现大转角高扭矩的单向旋转装置”，申请号为CN201610497298.0)，所述大转角高扭矩的单向旋转轴承包括设置在中间的齿轮，齿轮的两端各通过联轴件同轴连接有一个单向轴承，所述齿轮的外径小于单向轴承的外径，两个单向轴承为同向受力的单向轴承，所述齿轮的轴心为空心设置，两个单向轴承的中心连接轴非接触地穿过所述齿轮的轴心，将两个单向轴承同轴连接在一起。

在单串联式液压振动回路中设置有流量控制阀，通过流量控制产生的节流阻尼用于车身的抑振。

在多个车身抑振的位置处，通过设置的多个振动输入端，与同一个共振发电装置搭建多对一的共振发电架构，实现将各车轮处激励产生的振动力汇聚传导至共振发电装置的发电机转轴处集中驱动高效发电，同时，将共振发电装置***阻尼分流传导至车身抑振位置处实现分散的抑振。

由于将各车身抑振位置处振动输入端所承接的车身振动力，集中传导至共振发电装置转轴处，与按车身固有振动频率发生共振的共振发电旋转组件的弹性***进行正向或反向的叠加，每个振动输入端采集的振动力，无论是放大或衰减共振的振幅，都对发电机转速具有增速的作用。

而将抑制车身振动的振动输入端代替减振器，在分别以一根或多根车轴为支撑的车身抑振位置处进行相应的匹配设置，在对发电机转速进行高效驱动方面带来了增速效果的同时，也在车身振动的冲击行程中，发电机转轴产生的转矩阻尼效应也对车身支撑弹簧的缓冲性带来了劣化，但是同时利用共振发电装置共振发电旋转组件中弹性***的冲击力，能够通过与振动输出端传导的车身振动冲击力之间相互叠加，有效减轻车身缓冲性的劣化程度。

在液压传动***单元中，可以设置能够通过流量控制产生节流阻尼的流量控制阀，用以实现对车身抑振的主动控制。

在串联式液压振动回路中设置流量控制阀，在汽车起步阶段，共振发电***阻尼较小或尚未产生阻尼时，利用调节流量阀产生的节流阻尼进行抑振；在汽车行驶路况颠簸、车身振动剧烈时，仅靠共振发电阻尼无法有效抑振，此时利用调节流量控制阀产生的节流阻尼与共振发电***阻尼叠加，实现对车身振动的综合抑振。

如图4～5所示意，一条一驱四的液压振动回路中，A为主动液压缸，四个从动液压缸A1和A2、B1和B2，全部串联联接，A1与A2设置在发电机转轴上方的同一侧，B1与B2设置在发电机转轴上方的另一侧。

图5中示意的油路，为在液压振动回路中增加了分流泄压油路，油路上设置的流量阀能够在车身受到颠簸路况，车身受到冲击力度较大时，通过分流泄压油路减轻共振发电旋转组件发生触底的冲撞。

上述附图2中为了清晰显现振动输入端与振动输出端的具体结构，在共振发电装置的转轴上，仅显示一个振动输出端的四个从动液压缸活塞，和所驱动的四个内套有单向轴承的齿条齿轮啮合的一个组合，以及，以车轴为支撑的单个主动液压缸所组合构成的一个液压传动***单元。但是，在车身振动能量的实际利用中，按汽车有前后两个车轴设计，在每个车轴左与右各设置一个振动输入端，全车合计有四个振动输入端进行配置，则共振发电装置转轴上，需匹配四组合计16个齿轮齿条的啮合，以及，对应的设置于振动导向框架顶部的16个从动液压缸，如附图3所示意，图中示意出四组液压传动***单元，包括分布在车身底盘区域、临近车轮位置以车轴为支撑的四组振动输入端和集中设置在共振发电装置的振动导向框架顶部的四组振动输出端。

用于集中驱动的共振发电装置可以有多种设置方法，分别应用于不同类型的车辆，例如：(1)货车类，可以设置在紧靠驾驶室后面且位于车底板上方的前置立式方案，(2)客车类，设置为紧靠后排座椅后面且位于车底板上方的后置立式方案，或设置在车底板下方的卧式方案，或者采用(3)前后分置的立式与卧式组合方案。其中，立式方案使共振发电旋转组件在垂直方向具有较大共振振幅所需的行程空间，提供了发电机高转速所需的垂直方向切线位移的高度空间。

Claims (9)

1.一种基于单串联式液压振动回路的共振发电分布式架构，其特征在于：包括液压传动***单元和共振发电装置；

所述液压传动***单元包括一条带有液压控制阀的由一个主动液压缸驱动四个从动液压缸的串联式液压振动回路，将此条回路中的单个主动液压缸，设置为以车轴为支撑且通过单活塞杆承接车身振动力和进行车身抑振的振动输入端，将单个主动液压缸所串联驱动的四个从动液压缸，作为车身振动力的振动输出端；

所述共振发电装置包括振动导向框架，设置在振动导向框架内并与车身采用弹性***相连的中空重物托板，中空重物托板上设置有包括发电机和增速器的共振旋转发电组件，所述共振旋转发电组件还包括在发电机转轴上设置的内套有单向轴承的齿轮，齿轮单侧啮合有齿条，齿条由设置在振动导向框架顶部的作为振动输出端的从动液压缸下方的活塞杆带动，所述四个从动液压缸垂直设置于振动导向框架顶部；

所述四个从动液压缸中，发电机转轴两侧各设置两个从动液压缸，且随着主动液压缸活塞的压缩和拉伸，转轴同侧的两个从动液压缸活塞的垂直运动方向相反，对发电机转轴的扭力方向分别为顺时针和逆时针方向；

利用这种一驱四的串联式液压传动***单元，通过分别将多个振动输入端代替减振器分散设置于不同车轮处的车身抑振位置处，以及，通过将对应的所有液压振动输出端，都集中设置于同一个共振发电装置处，搭建了实现高效率共振发电和均衡性车身抑振所需要的分布式架构；

不仅能够将源自不同车轮处所产生的激励振动力，聚集至共振发电装置转轴处进行集中驱动，而且也能够将共振发电装置的***阻尼，分流传导至车身不同位置处进行分散抑振。

2.如权利要求1所述的基于单串联式液压振动回路的共振发电分布式架构，其特征在于：所述中空重物托板通过与车身连接的弹性***与车身实现共振，中空重物托板通过直线轴承在垂直设置于振动导向框架上的光轴上实现垂直方向的上下滑移。

3.如权利要求1所述的基于单串联式液压振动回路的共振发电分布式架构，其特征在于：所述单个主动液压缸串联驱动四个从动液压缸的串联式液压振动回路，是采用油路将每个液压缸内由活塞隔离形成的上下油腔进行串联，并使得主动液压缸活塞在压缩和拉伸的全行程实现连续的做功发电。

4.如权利要求1或3所述的基于单串联式液压振动回路的共振发电分布式架构，其特征在于：所述设置在发电机转轴上方同侧的两个从动液压缸之间的下/上油腔相互联接，从而使两个从动液压缸活塞的垂直运动方向相反。

5.如权利要求4所述的基于单串联式液压振动回路的共振发电分布式架构，其特征在于：四个从动液压缸通过向下方的单活塞杆所联结的齿条，在发电机转轴两侧各与两个齿轮单侧啮合，其中，发电机转轴两侧对转轴扭力同向的从动液压缸活塞出力交替构成使转轴旋转的叠加扭力。

6.如权利要求5所述的基于单串联式液压振动回路的共振发电分布式架构，其特征在于：位于发电机转轴上方同侧的两个从动液压缸活塞垂直运动方向相反，对转轴的扭力方向分别为顺时针和逆时针方向，从而使四个从动液压缸活塞在主动液压缸活塞压缩和拉伸的两个行程中，能够连续传导车身振动力，用于抑制共振发电装置***阻尼对发电机转速的衰减。

7.如权利要求6所述的基于单串联式液压振动回路的共振发电分布式架构，其特征在于：在串联式液压振动回路中，还包括分流泄压油路，即在主动液压缸的上下油腔之间还联接设置有一条无负载的带流量控制阀的分流油路。

8.如权利要求1所述的基于单串联式液压振动回路的共振发电分布式架构，其特征在于：所述振动输入端的主动液压缸分散设置于不同车轮处代替减振器的车身抑振位置处，以每根车轴作为支撑而设置的振动输入端的位置和数量，分别是左右各设置一个，或者是左右各设置两个。

9.如权利要求1所述的基于单串联式液压振动回路的共振发电分布式架构，其特征在于：所述共振发电装置将各车轮处的车身振动力汇聚至发电机转轴处，所带来的叠加扭力能够实现大功率发电机的高效驱动，所述共振发电装置设置在车底板上方紧靠卡车驾驶室后方位置或紧靠客车后排座椅后方的位置处。