一种汽车悬架振动能量液压式回收和利用系统及其控制方法与流程

本发明属于汽车节能减排研究领域，具体涉及一种汽车悬架振动能量液压式回收和利用系统及其控制方法。

背景技术：

研究数据显示，汽车动力源释放的能量仅有10-16％用于驱动，其余近90％的能量全部被汽车各主要能耗部件(发动机、悬架系统、制动系统及传动系统等)以不同形式耗散掉，其中整车减振损耗占比高达17.2％。可见，降低汽车悬架等主要部件的能耗是实现汽车整体节能的重要途径之一。

汽车道路上行驶时，路面的不平和汽车加减速等驾驶行为会导致汽车簧载质量与非簧载质量产生相对位移，从而产生一定的振动能量，传统悬架由于被动减震器的存在，会将这部分振动能量以热量的形式散发到大气中而流失了。如果能将这部分能量进行有效的回收和利用，能在很大程度上减小汽车燃油消耗，同时也减少日益增多的汽车对环境的污染。以上分析表明，车辆在不平路面上的振动能量回收潜力巨大，具有能量回馈作用的悬架很有发展潜力。

目前应用直线电机作为作动器的结构引起了国内外许多学者的关注，但是直线电机式馈能悬架存在着成本昂贵；可提供作动力小；发电效率不高等问题。如果选用高性能的直线电机，将会由于成本过高而不利于推广，由此导致长期以来车用直线电机的使用仅停留在研究实验阶段，而很难运用到车辆生产中。也有国内外学者设计了旋转电机结合滚珠丝杠机构作为电磁阻尼器的悬架，但旋转电机式电磁悬架在振动能量回收过程中需要一套传动机构将车轮与车体间的相对运动转化为旋转运动，增加了悬架系统结构的复杂性，并且车辆悬架高频的往复振动要求旋转电机不断地改变运动方向，容易造成电机的“惯量损失”，极大地缩短了旋转电机的使用寿命，也影响了车辆振动能量的回收效率。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述问题提供一种汽车悬架振动能量液压式回收和利用系统及其控制方法。

本发明的技术方案是：一种汽车悬架振动能量液压式回收和利用系统，包括汽车悬架振动及液压能转换单元、机械传动单元、液压传动单元和电信号传感单元；

所述汽车悬架振动液压能转换系统包括柱塞泵和蓄能器；所述柱塞泵包括柱塞杆和柱塞体；所述柱塞杆的一端位于柱塞体内，所述柱塞体的左下方设有进油阀，右下方设有出油阀，所述柱塞体的内腔设有缓冲弹簧，所述缓冲弹簧的一端抵在柱塞杆的下端，另一端抵在柱塞体的内腔底部；

所述柱塞杆通过上吊耳销与汽车悬架上部车身部件连接，柱塞体通过下吊耳销与车轮部件连接；所述进油阀通过管道与油箱连接；所述出油阀通过管道与蓄能器连接，且出油阀与蓄能器连接的管道上装有单向阀A；

所述机械传动单元包括轮胎组件、内齿轮传动机构、电磁离合器和液压马达；所述内齿轮传动机构、电磁离合器和液压马达为同轴线安装；所述齿轮传动机构的齿轮轴的一端与轮胎组件的内齿轮镶件的齿轮啮合，另一端与电磁离合器键连接，电磁离合器与液压马达键连接；内齿轮传动机构和液压马达固定在液压马达座上；

所述液压传动单元包括压力传感器、单向阀B、调速阀、液压马达和电磁阀；所述压力传感器的一端与蓄能器连接，另一端与电信号传感单元的电控单元输入端连接；单向阀B安装在压力传感器与蓄能器连接的管道上；蓄能器的一端出口与电磁阀的进口相连，电磁阀的出口与液压马达的入口连接，液压马达的出口与油箱相连；

所述电信号传感单元包括电控变压器、中间继电器、电控单元、启动位置接近开关和加速踏板接近开关；所述启动位置接近开关和加速踏板接近开关的输出端分别与电控单元的输入端电连接，电控单元的输出端依次与中间继电器和电控变压器的电连接，电控变压器的输出端分别与电磁阀和电磁离合器电连接；电控单元通过接收启动位置开关、加速踏板接近开关和压力传感器的电信号，并进行分析处理，再把处理后的信号传给中间继电器再通过变压器把信号电压放大后传给电磁离合器或电磁阀，从而控制电磁离合器和电磁阀的开关。

上述方案中，所述内齿轮传动机构包括齿轮轴、油封、双列角接触轴承、轴承座、轴承压盖、圆螺母和液压马达座；

所述齿轮轴的另一端与双列角接触轴承转动副连接，所述双列角接触轴承安装在轴承座孔内，双列角接触轴承的轴承外圈左端靠轴承座左孔端面限位，双列角接触轴承的轴承外圈右端用轴承压盖压紧；双列角接触轴承的轴承内圈左端由齿轮轴左端台阶限位，双列角接触轴承的轴承内圈右端用圆螺母旋紧定位；双列角接触轴承的左端安装了一骨架油封；轴承座的外凸缘止口与液压马达的内孔配合定位，且固定在液压马达座的右侧，液压马达座的底平面固定在后桥体的上平面上。

上述方案中，所述轮胎组件包括轮辋、轮胎、锥销和内齿轮镶件；所述轮胎安装在轮辋上，所述轮辋与内齿轮镶件通过锥销固结，轮胎组件通过轮毂螺丝与轮毂连接。

上述方案中，所述柱塞杆在柱塞体内的一端上下设置了二道环槽，分别安装了Y型油封、两只Y型油封之间安装了耐磨环。

上述方案中，所述出油阀与单向阀之间的管道上设有与油箱连接的溢流阀。

上述方案中，所述液压马达座与后桥体之间设置了一高度调整块。

上述方案中，所述液压马达的出口与油箱之间的管道上安装有调速阀，调速阀的进口与液压马达的出口相连，调速阀的出口与油箱相连。

上述方案中，所述的电控单元为单板机或PLC微处理器。

一种根据所述汽车悬架振动能量液压式回收和利用系统的控制方法，包括以下步骤：

S1、能量回收：当汽车在行驶时由于路面不平和汽车频繁地加减速导致了汽车悬架簧载质量和非簧载质量之间的发生相对振动，使柱塞杆与柱塞体相互之间也产生了一定的相对位移，当柱塞杆向上运动时，柱塞杆下端面与柱塞体内腔形成的空间增大，这时油箱内液压油在大气压的作用下顶开进油阀，而被吸入到柱塞体的内腔，当柱塞杆向下运动时，柱塞体内腔空间逐渐变小，而压力逐渐变大，当压力达到一定时，压力油顶开出油阀，压力油将不断地输入到蓄能器中；

S2、汽车启动时的能量利用：当汽车启动时，电控单元接收到发动机启动位置接近开关和压力传感器的电压信号，若蓄能器压力达到设定压力，电控单元则同时输出电磁离合器的控制信号电压X1和电磁阀的控制信号电压Y1，分别吸合接通电磁离合器和驱动开通电磁阀，此时蓄能器储存的压力油经过电磁阀输送到液压马达，驱动液压马达旋转，从而带动车轮启动，回流的液压油经过调速阀排入到油箱，液压马达的旋转转速可通过调速阀回流调节；

上述方案中，还包括步骤S3；

所述S3具体为：汽车前进加速时的能量利用，当汽车加速时，电控单元接受到加速踏板接近开关和压力传感器的电压信号，若蓄能器压力达到设定压力，电控单元则同时输出电磁离合器的控制信号电压X2和电磁阀的控制信号电压Y2，分别吸合接通电磁离合器和驱动开通电磁阀，此时蓄能器储存的压力油经过电磁阀输送到液压马达，驱动液压马达旋转，从而带动车轮加速旋转。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1.结构原理简单；运行可靠，汽车在行驶中由于道路不平度产生的振动直接带动柱塞泵运动，产生液压能储存，只要汽车行驶中有振动即可产生液压能。

2.汽车悬架振动液压能转换系统零件少，不超过10个，制造成本低，零件制造工艺性好，易于推广。

3.本悬架振动能量回收系统与其它汽车悬架振动能量的回收方式相比其吸收振动能量大，可在悬架的上下部分，即有相对运动的地方可设置安装多个柱塞泵，从而提高回收能量。

4.液压能有很大的功率密度，能在汽车启动和加速时提供给车辆较大的转矩，液压传动技术成熟，工作可靠。

5.汽车车轮驱动部件其轮毂与现有结构改动性很少，只要在原有轮毂一侧的内圆上热压一内齿轮镶件。

附图说明

图1本发明一实施方式的汽车悬架振动能量；液压能转换系统示意图；

图2本发明一实施方式的汽车车轮机械传动单元A-A剖视图；

图3本发明一实施方式的汽车车轮机械传动单元B-B剖视图；

图4本发明一实施方式的汽车悬架振动能量液压传动和电信号传感单元示意图；

图5本发明一实施方式的汽车启动；加速液压能释放及利用工作流程图。

1-车轮部件；2-油箱；3-进油阀；4-弹簧；5-柱塞杆；6-车身部件；7-上吊耳销；8-柱塞体；9-Y型油封；10-耐磨环；11-缓冲弹簧；12-出油阀；13-下吊耳销；14-溢流阀；15-单向阀A；16-蓄能器；17-压力传感器；18-单向阀B；19-调速阀；20-液压马达；21-电磁阀；22-内齿轮传动机构；23-电磁离合器；24-变压器；25-中间继电器；26-电控单元；27-启动位置接近开关；28-加速踏板接近开关；31-汽车轮辋；32-轮胎；33-齿轮轴；34-锥销；35-内齿轮镶件；36-油封；37-双列角接触轴承；38-轴承座；39-轴承压盖；40-圆螺母；41-制动盘；42-盘式制动器；43-液压马达座；44-高度调整块；45-后桥体；46-轮毂螺丝。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图1所示为本发明所述汽车悬架振动能量液压式回收和利用系统的一种实施方式，所述汽车悬架振动能量液压式回收和利用系统，包括汽车悬架振动及液压能转换单元、机械传动单元、液压传动单元和电信号传感单元。

所述汽车悬架振动液压能转换系统包括柱塞泵和蓄能器16；所述柱塞泵包括柱塞杆5和柱塞体8；所述柱塞杆5的一端位于柱塞体8内；为了有效地控制液压油的输入和输出，所述柱塞体8的左下方设有进油阀3，右下方设有出油阀12；为了保证柱塞杆5的运动平稳性，所述柱塞体8的内腔设有缓冲弹簧11，所述缓冲弹簧11的一端抵在柱塞杆5的下端，另一端抵在柱塞体8的内腔底部；所述柱塞杆5通过上吊耳销7与汽车悬架上部车身部件6浮动连接，柱塞体8通过下吊耳销13与车轮部件1浮动连接；上部车身部件6和车轮部件1之间设有弹簧4；所述进油阀3通过管道与油箱2连接；所述出油阀12通过管道与蓄能器16连接，且出油阀12与蓄能器16连接的管道上装有单向阀A15，保证高压油液的单向传递；所述出油阀12与单向阀15之间的管道上设有与油箱2连接的溢流阀14，保证管路在一定压力内工作；所述柱塞杆5在柱塞体8内的一端上下设置了二道环槽，分别安装了Y型油封9、两只Y型油封9之间安装了耐磨环10。

如图2和图3所示，所述机械传动单元包括轮胎组件、内齿轮传动机构、电磁离合器23、液压马达20、制动盘41、盘式制动器42和液压马达座43。所述内齿轮传动机构22包括齿轮轴33、油封36、双列角接触轴承37、轴承座38、轴承压盖39和圆螺母40。所述机械传动单元的作用是当汽车启动或加速时，蓄能器中存储的液压能进入到液压马达20并带动其旋转，通过电磁离合器23和内齿轮传动机构22带动车轮加速旋转。

所述轮胎组件为独立单元，可以单独拆卸，包括轮辋31、轮胎32、锥销34和内齿轮镶件35；所述轮胎32安装在轮辋31上，所述轮辋31与内齿轮镶件35通过锥销34固结。为了减轻轮胎组件的重量，内齿轮镶件35可选择轻质锻铝合金表面阳极硬化或纳米陶瓷等非金属材料，也可以采用热模压工艺与轮辋结合在一起。轮胎组件和轮毂的相对位置由5到6只带外锥面的轮毂螺丝46与内锥孔的轮辋配合安装。

所述齿轮传动机构的齿轮轴33的一端与轮胎组件的内齿轮镶件35的齿轮啮合，所述齿轮轴33的另一端与双列角接触轴承37转动副连接，且最末处与电磁离合器23通过键连接，所述双列角接触轴承37安装在轴承座38孔内，双列角接触轴承37的轴承外圈左端靠轴承座38左孔端面限位，双列角接触轴承37的轴承外圈右端用轴承压盖39压紧；双列角接触轴承37的轴承内圈左端由齿轮轴33左端台阶限位，双列角接触轴承37的轴承内圈右端用圆螺母40旋紧定位；双列角接触轴承37的左端安装了一骨架油封36，用于轴承的防尘；轴承座38的外凸缘止口与液压马达座43的内孔配合定位，且用4只螺钉固定在液压马达座43的右侧；所述齿轮轴33、双列角接触轴承37和电磁离合器23以及液压马达20为同轴线安装；内齿轮传动机构22、液压马达20为独立部件，所述电磁离合器23与液压马达20通过键连接；所述液压马达20固定在液压马达座43上。液压马达座43的底平面通过4只螺钉固定在后桥体45的上平面上。为了保证齿轮轴33与内齿轮镶件35的合理配合间隙，在液压马达座43与后桥体45的中间设置了一高度调整块44，安装时通过选配不同厚度的调整块44而调整齿轮啮合中心距，调整齿轮的啮合间隙。汽车轮辋31上安装有制动盘41，在汽车车轮中间留有空间安装盘式制动器42。

如图4和图5所示，所述液压传动单元包括压力传感器17、单向阀B18、调速阀19、液压马达20和电磁阀21；所述压力传感器17的一端与蓄能器16连接，另一端与电信号传感单元的电控单元26输入端连接，实时监控蓄能器16的压力并把数值传给电控单元26；单向阀B18安装在压力传感器17与蓄能器16连接的管道上，保证油液单向传递；蓄能器16的一端出口与电磁阀21的进口相连，电磁阀21的出口与液压马达20的入口连接，液压马达20的出口与油箱2相连；所述液压马达20的出口与油箱2之间的管道上安装有调速阀19，调速阀19的进口与液压马达20的出口相连，调速阀19的出口与油箱2相连。通过上述液压元件的连接可实现液压能输入到液压马达20并带动其旋转，从而带动内齿轮传动机构22的齿轮轴33，进一步带动设有内齿圈的汽车车轮旋转。

所述电信号传感单元包括电控变压器24、中间继电器25、电控单元26、启动位置接近开关27和加速踏板接近开关28；所述启动位置接近开关27和加速踏板接近开关28为信号传感器单元，电磁阀21和电磁离合器23为信号执行元件；所述启动位置接近开关27和加速踏板接近开关28的输出端分别与电控单元26的输入端电连接，电控单元26的输出端依次与中间继电器25和电控变压器24的电连接，电控变压器24的输出端分别与电磁阀21和电磁离合器23电连接。电控单元26通过接收启动位置开关27、加速踏板接近开关28和压力传感器17的电信号，并进行分析处理，再把处理后的信号传给中间继电器25再传给变压器24，经变压器把信号电压放大后传给电磁离合器23或电磁阀21，从而控制电磁离合器23和电磁阀21的开关。通过电控单元26控制信号执行元件，可以实现汽车启动和加速时液压马达20的旋转，带动汽车车轮的加速旋转。

所述的电控单元26为单板机或PLC微处理器；电磁离合器23为常开式，只有在汽车启动加速时通电闭合接通；电磁阀21为常开式，汽车启动加速时通电开通。

本发明还提供一种根据所述汽车悬架振动能量液压式回收和利用系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、能量回收：在汽车悬架簧上质量即车身部分6通过上吊耳销7连接一柱塞泵的柱塞杆5；在悬架簧下质量即车轮部分1通过下吊耳销13连接一柱塞体8，当汽车在行驶时由于路面不平和汽车频繁地加减速导致了汽车悬架簧载质量和非簧载质量之间的发生相对振动，由此产生了一定的振动能量，使连接在汽车簧上质量部分的柱塞杆5与连接于悬架簧下质量的柱塞体8相互之间也产生了一定的相对位移，当柱塞杆5向上运动时，柱塞杆5下端面与柱塞体8内腔形成的空间增大，由于此时柱塞体8下部左侧的进油阀3和右侧的出油阀12都是关闭的，因此封闭的柱塞泵内腔局部空间形成了一定的真空，这时油箱2内液压油在大气压的作用下顶开进油阀3，而被吸入到柱塞体8的内腔，当柱塞杆5向下运动时，柱塞体8内腔空间逐渐变小，而压力逐渐变大，当压力达到一定时，压力油顶开出油阀12，压力油将不断地输入到蓄能器16中；这样汽车悬架的振动能量通过柱塞泵转变为液压能，而储存在储能器16中。液压系统的压力可通过溢流阀14调整，当压力高于溢流阀设定压力时溢流阀打开，液压油排入油箱2。

同时在汽车轮毂的内圈上增设固定一内齿轮镶件或内齿轮压配件，在汽车桥体的上方安装一内齿轮传动机构，并在同一传动轴上安装电磁离合器和液压马达。当汽车启动和加速时，由汽车启动位置接近开关27或加速踏板接近开关28发信号给电控单元26，电控单元26控制电磁离合器23和电磁阀21的闭合，由液压马达20带动同一传动轴上的内齿轮传动机构22的齿轮轴33，进一步由齿轮轴33带动装有齿轮圈的轮毂的汽车车轮旋转，这样液压能通过液压马达20转变为机械能，最终使汽车悬架的振动能量得到有效的回收和利用。

能量利用步骤包括汽车启动时的能量利用步骤S2和汽车前进加速时的能量利用步骤S3。

S2、汽车启动时的能量利用：在汽车轮毂的内圈上增设固定一内齿轮镶件35或内齿轮压配件，在汽车桥体的上方安装一内齿轮传动机构22，并在同一齿轮轴33上安装电磁离合器23和液压马达20，当汽车启动时，电控单元26接收到发动机启动位置接近开关27和压力传感器17的电压信号，若蓄能器16压力达到设定压力，电控单元26则同时输出电磁离合器23的控制信号电压X1和电磁阀21的控制信号电压Y1，分别吸合接通电磁离合器23和驱动开通电磁阀21，此时蓄能器16储存的压力油经过电磁阀21输送到液压马达20，驱动液压马达20旋转，从而带动车轮启动，回流的液压油经过调速阀19排入到油箱2，液压马达20的旋转转速可通过调速阀19回流调节。

S3、汽车前进加速时的能量利用：当汽车加速时，电控单元26接受到加速踏板接近开关28和压力传感器17的电压信号，若蓄能器16压力达到设定压力，电控单元26则同时输出电磁离合器23的控制信号电压X2和电磁阀21的控制信号电压Y2，分别吸合接通电磁离合器23和驱动开通电磁阀21，此时蓄能器16储存的压力油经过电磁阀21输送到液压马达20，驱动液压马达20旋转，从而带动车轮加速旋转。

通过上述汽车悬架在行驶过程中产生的振动及振幅带动柱塞泵运动转变为液压能得到有效的回收；又通过液压马达20使液压能转变为机械能带动汽车车轮旋转，使振动能量在汽车启动和加速时得到有效地利用。由此能在高可靠性、低成本的情况下大幅度回收了汽车悬架的振动能量，并有效地降低了燃油消耗，减少了废气排放，增加了续航路程，提高了整车性能。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。