DE202019001088U1

DE202019001088U1 - Rekuperator in Form eines elektromechanischen Wandlers zur Piezo-vermittelten Nutzung von Brems-, Beschleunigungs-, Flieh- und Massenkräften bei fahrenden Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE202019001088U1
Application number: DE202019001088.2U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-03-06
Filing date: 2019-03-06
Publication date: 2019-03-22
Anticipated expiration: 2029-03-07

Abstract

Rekuperator dadurch gekennzeichnet, dass ein elektromechanischer Wandler durch Piezo-elektrische Nutzung von Trägheitskräften, die beim Fahren eines Kraftfahrzeuges auftreten, vorliegt.

Description

Herkömmliche Kraftfahrzeuge sind in der Regel durch einen Verbrennungsmotor angetrieben. Neuere Entwicklungen nutzen elektrische Energie aus im Fahrzeug verbauten Batterien, die einen Elektromotor antreiben oder als Hybridversion einen zusätzlichen Verbrennungsmotor haben, der bedarfsweise zugeschaltet wird. Brennstoffzellenautos sind erst am Anfang ihrer Entwicklung und nutzen Wasserstoff zur Erzeugung elektrischen Stroms zum Antrieb eines Elektromotors. Für Kraftfahrzeuge, die mit elektrischem Strom aus einer wieder aufladbaren Batterie angetrieben werden, bietet sich neben der Aufladung an fest installierten Stromboxen die Möglichkeit der teilweisen Wiederaufladung durch Nutzung der kinetischen Energie von während der Fahrt einwirkenden mechanischen Kräften zur Erzeugung von Strom, der in der Fahrzeugbatterie oder einer Zweitbatterie gespeichert wird (Rekuperation). Auch für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor lässt sich die rückgewonnene Energie in einer Batterie speichern und dadurch der Antrieb der Lichtmaschine durch den Motor teilweise ersetzen und entkoppeln, wodurch eine Treibstoffersparnis und Reduktion der Emissionen erreicht werden kann.
Die hier vorgestellte Erfindung soll die kinetische Energie eines fahrenden Kraftfahrzeuges nutzen, indem die longitudinalen Kräfte, die beim Bremsen oder Beschleunigen des Fahrzeuges zwischen Achse und Karosserie entstehen, in elektrische Energie umgewandelt werden. Ebenso lassen sich die radialen Fliehkräfte bei Kurvenfahrten und die vertikalen Massenkräfte beim Überfahren von Fahrbahnunebenheiten und beim Bremsen für die Gewinnung elektrischer Energie nutzen. Da die beschriebenen Kräfte bei einem konventionellen Fahrzeug mit zwei Achsen an jedem der vier Räder auftreten, kann die Energiegewinnung also auch vierfach genutzt werden.
Dazu bedarf es einer elektromechanischen Kopplung zwischen der jeweiligen Radaufhängung und der Karosserie. Je nach Bauart der Achse muss dieses spezielle Kopplungsteil die Verbindung zwischen den beweglichen Teilen der Achse und deren Befestigungspunkten an der statischen Karosserie sein. Dafür sind dann auch Kriterien der Festigkeit, Belastbarkeit und Sicherheit bautechnisch zu berücksichtigen.
Die hier beschriebene elektromechanische Kopplung soll durch die Verwendung von Piezoelementen geschehen, die unter Einwirkung von Druckkräften eine elektrische Spannung und dadurch einen nutzbaren elektrischen Strom generieren können. Dazu müssen diese Elemente an den vorgenannten Befestigungspunkten so angebracht werden, dass eine zuverlässige und sichere Konnektion gewährleistet ist, die auch den auftretenden Kräften beim Fahren Stand halten kann. Ihre Anordnung sollte so sein, dass in allen drei genannten Dimensionen (longitudinal x, vertikal y, radial z) die Kräfte aufgenommen und umgewandelt werden können. Außerdem sollten die Kräfte in beiden Richtungen der jeweiligen Achse (hin und rück, Druck und Zug) genutzt werden können.
Arbeitsweise (s. Abbildungen 1 und 2)
Der beschriebene Rekuperator ist die stabile Konnektion zwischen statischem Rahmen und Achsaufhängung eines Fahrzeugs mit integriertem elektromechanischem Druckwandler. Er wird dabei am einfachsten und sichersten durch einen Silentblock (D) gewährleistet, der in seinem Gummiblock peripher eingekapselte Piezoelemente (B) trägt und in einer äußeren Metallkapsel (A) gesichert mit dem Rahmen verschraubt ist. Der Silentblock ist über einen eingegossenen mittigen Stempel (C) mit der jeweiligen Achsaufhängung durch Verschraubung fest und doch elastisch verbunden. Auf diese Weise können Fahrbahnkräfte über den Stempel in Form von Druck ohne wesentliche Auslösung einer Bewegung sicher auf die Piezoelemente dreidimensional übertragen werden. Die innere Konstruktion des Druckaufnehmers kann dabei so gestaltet werden, dass sowohl auf Druck wie auf Zug am Stempel durch jeweils unterschiedlich positionierte Piezoelemente in ein und demselben Rekuperator elektrischer Strom sowohl bei Hin- wie bei Rückkräften generiert werden kann.
Bei einem zweiachsigen KFZ mit einer Starrachse hinten lässt sich Letztere im Prinzip in jeweils vier in einem Rahmen kreuzförmig um die Achse angeordneten Rekuperatoren der Bauart nach auf jeder Fahrzeugseite aufhängen, sodass sowohl die longitudinalen wie auch die vertikalen Kräfte doppelt zur elektromechanischen Wandlung genutzt werden können. Die Starrachse ist dadurch kreisförmig umschlossen und fest mit der Schwinge oder Blattfeder und der Karosserie verankert. Durch die komplementäre Anordnung kann sowohl beim Beschleunigen wie beim Bremsen, genauso wie beim Einstauchen und Entlasten bei Fahrbahnunebenheiten Energie doppelt zurückgewonnen werden. Die radialen Fliehkräfte bei Kurvenfahrt können zusätzlich durch pro Aufhängung jeweils zwei in Querrichtung in diese Halterung integrierte Rekuperatoren zur Wandlung in Strom aufgenommen werden.
Bei Achs- bzw. Radaufhängungen an Quer- und Längslenkern mit Federbein, was bei den meisten PKW der Fall ist, muss der Rekuperator die jeweilige Rahmenbefestigung des Längs- und Querlenkers und des Federbeines darstellen. Hier kommt eine erweiterte Bauart des Rekuperators nach zum Einbau, da hier am Querlenker die longitudinalen Kräfte nicht parallel sondern quer zur primären Druckrichtung des Stempels (C) auftreffen. Durch Verwendung eines kubischen Stempels, dessen Innenraum kommunizierend mit in den Silentblock eingegossen ist und der mit gekapselten Piezoelementen an allen sechs Seiten umgeben ist, können in jedem einzelnen Rekuperator dieser Art Kräfte in allen drei Dimensionen über den Stempel auf die Elemente übertragen werden. Dadurch benötigt man für jeden der drei Achsaufhängungspunkte pro Rad jeweils nur einen solchen Rekuperator. Da jeder der drei Befestigungspunkte alle drei Dimensionen nutzen kann, ist hier ein dreifacher Energierückgewinn zu erwarten.
Die durch die Piezoelemente erzeugten Spannungen werden über die aus dem Block herausgeführten Kabel (E) elektronisch gesteuert in Kondensatoren gespeichert und von dort als Ladestrom an Akkumulatoren abgegeben. So entsteht ein geschlossener Kreis der Rekuperation von kinetischer Energie beim Fahren mit Kraftfahrzeugen durch Nutzung der Trägheitskräfte beim Bremsen, Beschleunigen, Überfahren von Fahrbahnunebenheiten und Durchfahren von Kurven.
Bezugszeichenliste

A: Gehäuse mit Befestigungsösen
B: Piezoelemente mit Kabel
C: zentraler Stempel zur Kraftübertragung
D: Gummi-Silentblock
E: Elektrokabel

Claims

Rekuperator dadurch gekennzeichnet, dass ein elektromechanischer Wandler durch Piezo-elektrische Nutzung von Trägheitskräften, die beim Fahren eines Kraftfahrzeuges auftreten, vorliegt.
Rekuperator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sonst ungenutzte kinetische Energie beim Fahren eines KFZ in allen drei räumlichen Dimensionen zum Aufladen einer Batterie genutzt wird.
Rekuperator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Rekuperator gleichzeitig die mechanische Verbindung der beweglichen Achsteile mit dem Karosserierahmen darstellt.