一种新型振动发电式汽车悬架的制作方法

本发明涉及汽车悬架技术领域，特别涉及一种新型振动发电式汽车悬架。

背景技术：

轿车的独立悬架系统中，为了抵消垂直方向的振动和冲击，并将车身的重量传递给车桥，通常将弹簧和减震器配合使用，弹簧可以传递垂向力，并延缓冲击，减震器可以吸收冲击能量，从而衰减振动，目前使用的弹簧大多数为螺旋弹簧或空气弹簧，螺旋弹簧的优点是结构简单，价格便宜，但是为了保证螺旋弹簧的刚度，其轴向尺寸较大，使螺旋弹簧的布置较为困难，且螺旋弹簧只能传递轴向方向的力，为了传递车身与车轮之间的纵向力和横向力，独立悬架系统中还需要增加纵向导力杆件及横向导力杆件，并适当增加纵向和横向方向的缓冲减振装置，使悬架系统的结构较为复杂，且占据空间大。

另一种使用较多的是空气弹簧，其可以承受垂向、纵向、横向方向的力并缓冲振动，且空气弹簧的轴向尺寸较小，便于布置，但是增加了气压调节机构，使空气弹簧的零部件比较多，后期维护保养也很困难，而应用了空气弹簧的悬架系统为了具有垂向减振功能，还需要在空气弹簧旁并联设置减震器，因此使用空气弹簧的悬架系统体积仍然较大，减震器的减震筒与车身之间还需要设置橡胶缓冲垫，以保护减震器，进一步增加了悬架的零件数量。

随着电动汽车的普及，为了延长汽车的行驶里程，现有的技术一般是对悬架系统中的减震器进行改进，通常的做法是将减震器的活塞做成永磁体，在减震器的活塞筒上缠绕定子线圈，这样当活塞上下往复运动时，永磁体形成的强大磁场不断切割定子线圈，从而使定子线圈产生感应交流电，经整流后变成直流电，再输送给蓄电池；但是为了改进减震器，需要在活塞筒上缠绕定子线圈，也进一步增大了减震器的体积。

为了适应电动汽车的需求，有效减少悬架系统的轴向尺寸，并尽量减小悬架系统的体积和重量，简化悬架系统的结构，需要重新设计一种新型的用于电动汽车的新型振动发电式汽车悬架。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明目的是提供一种结构紧凑、体积小的新型振动发电式汽车悬架。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种新型振动发电式汽车悬架，所述的悬架包括多个沿汽车的垂向方向设置的、同心的圆筒形垂向振动壳，垂向振动壳的侧壁包括多个沿垂向振动壳的轴线等间隔设置，且与垂向振动壳同轴的环形圈，相邻环形圈之间设置缓冲层或发电层，沿垂向振动壳的轴向方向，缓冲层和发电层交替设置；所述的缓冲层由多条倾斜设置的、相互之间首尾相连形成w形状的弹性变形体构成，所述的发电层由多条与垂向振动壳的轴线平行的振动发电体构成；

所述的环形圈沿其截面的上半圆部分或下半圆部分分别由绝缘弹性材料制作的绝缘芯或导芯构成，所述导芯包括两个截面为扇形的金属导体芯，导体芯之间设置绝缘垫；所述环形圈中绝缘芯的外侧面与弹性变形体的端头连接，所述环形圈中导体芯的外侧面与振动发电体的端头连接；

相邻的垂向振动壳之间、沿垂向振动壳的径向方向环形阵列设置多个导力板，导力板是由多个蜂窝单元相互连接形成的网格状平板结构，蜂窝单元的六条边中两条是与振动壳的轴线相互垂直的水平边，其余四条是与振动壳的轴线呈一定角度的斜边，导力板中最左侧和最右侧的蜂窝单元的两条斜边与环形圈连接；

所述垂向振动壳中心位置设置垂向减震筒，垂向减震筒的活塞筒与多个垂向振动壳中最内侧的一个垂向振动壳的多个环形圈连接，所述垂向振动壳最上端及最下端的环形圈分别与上吸声板、下吸声板的表面连接，所述垂向减震筒的活塞杆的一端与下吸声板连接，另一端伸入活塞筒内；所述的上吸声板与汽车车身悬挂安装点构成可拆卸式连接，所述的下吸声板与车桥悬挂安装点构成可拆卸式连接；

两个垂向振动壳之间、相邻的导力板所围成的空间内，沿垂向振动壳的轴线方向设置一个或多个储油管，储油管侧面设置的进油口和出油口分别与垂向减震筒侧壁的进油口和出油口连接，储油管与垂向减震筒共同构成双向作用筒式减震器；

所述的振动发电体包括两条螺旋状的发电线圈相互平行盘旋形成的双螺旋结构；两条发电线圈之间设置多个发电单元，发电单元包括两个相互平行的永磁体，永磁体的两端与一条发电线圈连接；一个发电单元中，位于同侧的两条永磁体端部的极性相反；所述发电单元中的两个永磁体之间的距离l1小于相邻的两个发电单元之间的距离l2；两条发电线圈各自的端头分别与导芯的一个导体芯的外侧面连接，导体芯的两端分别与蓄电池的正、负极连接，蓄电池安装在汽车车身相应位置。

优选的，所述的蜂窝单元中，水平边与斜边之间夹角为125.5°，相邻斜边之间夹角为109°；所述缓冲层中相邻两条弹性变形体之间的夹角为120°。

优选的，所述缓冲层中的弹性变形体为带有圆弧弧度的棒状结构，其圆弧弧度与环形圈弧度一致。

优选的，所述的弹性变形体、绝缘垫由橡胶材料或带有弹性的复合材料制作而成；所述水平边、斜边是由橡胶材料或弹性复合材料构成的棒状结构。

优选的，沿垂向振动壳的径向方向，环形阵列的导力板的数量递增。

本发明的有益效果在于：缓冲层配合导力板缓冲垂向、纵向和横向方向振动，轴向尺寸小；振动发电体实现振动发电功能，导力板与垂向振动壳配合可以传递并缓冲纵向和横向力，使悬架系统的结构大大简化，减震筒安装在环形圈上，进一步简化悬架系统结构；发电单元中的永磁体相对于发电单元的振动方向垂直设置，进一步减小悬架轴向尺寸，振动发电体中的永磁体与发电线圈连接结构紧凑，使振动发电体的体积较小。

附图说明

图1为悬架正视图；

图2为图1中a-a剖视图；

图3为图2中b-b剖视图；

图4为图3中放大视图i；

图5为振动发电体结构示意图；

图6为振动发电体中螺旋状发电线圈展开成直线后磁场分布示意图；

图7为振动时两条永磁体相互远离时磁场分布示意图；

图8为振动时两条永磁体相互靠近时磁场示意图。

具体实施方式

如图1-图4所示的一种新型振动发电式汽车悬架，包括沿汽车垂向方向设置的、多个同心的圆筒形垂向振动壳1，垂向振动壳1的侧壁是由多个沿垂向振动壳1的轴线等间隔设置，且与垂向振动壳1同轴的环形圈11构成，即环形圈11的轴线与汽车垂向振动方向平行，相邻环形圈11之间设置缓冲层12或发电层13，沿垂向振动壳1的轴向方向，缓冲层12和发电层13交替设置，这样可以使与缓冲层12受到相邻的发电层13的保护，缓冲减振效果更好；所述的缓冲层12由多条倾斜设置的、相互之间首尾相连形成w形状的弹性变形体4构成，所述的发电层13由多条与垂向振动壳1的轴线平行的振动发电体3构成；

所述环形圈11沿其截面的上半圆部分或下半圆部分分别由绝缘芯14或导芯15构成，绝缘芯14可以是橡胶材料，也可以是具有弹性的塑料材料，也可以是具有弹性的绝缘复合材料；所述导芯15包括两个截面为扇形的导体芯16，导体芯16可由铜、铝、钢等导电金属材料制作而成，两个相邻的导体芯16之间设置绝缘垫17，绝缘垫17可以由橡胶材料或塑料材料制作而成；所述环形圈11中绝缘芯14的外侧面与弹性变形体4的端头连接，所述环形圈11中导体芯16的外侧面与振动发电体3的端头连接；对环形圈11的截面进行合理划分并使用不同材料，可以有效提高材料利用率，也可以进一步增加环形圈1的缓冲效果，同时减小环形圈11的重量。

相邻的垂向振动壳1之间、沿垂向振动壳1的径向方向环形阵列设置多个导力板5，导力板5是由多个蜂窝单元51相互连接形成的网格状平板结构，蜂窝单元51的六条边中两条是与振动壳1的轴线相互垂直的水平边52，其余四条是与振动壳1的轴线呈一定角度的斜边53，导力板5中最左侧和最右侧的蜂窝单元51的两条斜边53与环形圈11连接；

所述垂向振动壳1中心位置设置与其同轴的垂向减震筒7，垂向减震筒7的活塞筒与多个垂向振动壳1中最内侧的一个垂向振动壳1的多个环形圈11连接，连接方式可以是粘接，也可以是焊接，也可以是卡扣连接；所述垂向振动壳1最上端及最下端的环形圈11分别与上吸声板8、下吸声板9的表面连接，所述垂向减震筒7的活塞杆的一端与下吸声板9连接，另一端伸入活塞筒内；所述的上吸声板8与汽车车身悬挂安装点构成可拆卸式连接，所述的下吸声板9与车桥悬挂安装点构成可拆卸式连接；连接方式可以是螺栓或插销或铆钉连接；所述上吸声板8、下吸声板9可以是具有蜂窝状吸声结构的夹层板，也可以是复合塑料材料制作而成的具有吸声效果的塑料板。

两个垂向振动壳1之间、相邻的导力板5所围成的空间内，沿垂向振动壳1的轴线方向设置一个或多个储油管6，储油管6侧面设置的进油口和出油口分别与垂向减震筒7侧壁的进油口和出油口连接，储油管6与垂向减震筒7共同构成双向作用筒式减震器。

为了提高蜂窝单元51的结构稳定性，更好的实施方式是：所述的蜂窝单元51中，水平边52与斜边53之间夹角为125.5°，相邻斜边53之间夹角为109°；为了提高缓冲层对三个方向的缓冲作用，所述缓冲层12中相邻两条弹性变形体4之间的夹角为120°。

更好的实施方式是，所述缓冲层12中的弹性变形体4为带有圆弧弧度的棒状结构，其圆弧弧度与环形圈11的弧度一致。

所述的弹性变形体4、绝缘垫17需要具有缓冲绝缘功能，因此二者可由橡胶材料或带有弹性的复合材料或带有弹性的绝缘塑料材料制作而成。

如图5所示的，所述的振动发电体3包括两条螺旋状的发电线圈31相互平行盘旋形成的双螺旋结构；两条发电线圈31之间设置多个发电单元3，发电单元包括两个相互平行的永磁体32，永磁体32的两端与一条发电线圈31连接；一个发电单元中，位于同侧的两条永磁体32端部的极性相反；为了减小相邻的发电单元中不同永磁体32之间的影响，所述发电单元中的两个永磁体32之间的距离l1小于相邻的两个发电单元之间的距离l2；永磁体32与发电线圈31之间可以使用绝缘胶水粘接，也可以是在发电线圈31的侧面设置橡胶卡槽，将永磁体32的一端插入卡槽内。

如图6所示的，为了更好的描述振动发电体3的发电原理，把振动发电体3中的两条螺旋状发电线圈31展开成两条平行直线，单个发电单元中3，位于同一侧的两个永磁体32端部的极性相反，因此在两个永磁体32的一侧形成磁场，磁场方向由一个永磁体32的n极指向另一个永磁体32的s极，可以从图6中看出，此时位于两个永磁体32之间的发电线圈31可以看做位于磁场中的发电线圈。

如图7-图8所示的，当振动发电体3因受力而使其沿竖直方向的长度发生变化时，振动发电体3中的发电线圈31的长度也发生变化，由于发电线圈31在空间中是螺旋状，因此其螺旋弧线形状也发生了变化，这表示发电线圈31在两个永磁体32构建的磁场中发生了移动，即发电线圈31在两个永磁体32之间形成的磁场内对磁力线进行了切割，根据电磁感应原理可知发电线圈31上产生电流，实现了振动发电，同时由于发电单元中的两个永磁体32之间的磁场强度发生变化，进一步提高了发电线圈31产生电流的能力。

发电时，两条发电线圈31所处的磁场方向相反，使两条发电线圈31产生的电流流向相反，因此一个发电单元中的两条发电线圈31各自的端头分别与导芯15中的一个导体芯16连接，导体芯16的两端分别与蓄电池的正、负极连接，蓄电池安装在汽车车身相应位置。

由于垂向振动壳1、导力板5，以及发电单元结构较为复杂，因此可以采用多喷头式3d分层打印技术生成悬架，将悬架模型建立好后在软件中分层，然后使用不同喷头分别在每层模型中喷出不同材料，最后将多层层叠并粘接在一起，既可以制作出上述悬架结构。

更好的实施方式是：沿垂向振动壳1的径向方向，环形阵列的导力板5的数量递增，车轮跳动量小时可以保证悬架刚度较小，车轮跳动量大时可以保证悬架刚度较大。

所述悬架的工作原理为：汽车的垂向振动通过车身传递给下吸声板9使其振动，此时多个垂向振动壳1受到垂向往复力的作用，缓冲层12、发电层13沿垂向被拉伸或压缩，发电层13中的振动发电体3沿垂向方向往复振动并发电，缓冲层12中的多个弹性变形体4构成的w形状结构发生变形，由于弹性变形体4本身具有弹性，因此其变形过程中缓冲了竖直方向的振动，实现了弹簧的功能；同时导力板5受力变形，蜂窝单元51的六条边被压缩或拉伸的过程中缓冲振动；缓冲层12和导力板5的径向方向尺寸较大，因此两者的轴向尺寸可以适当减小，有效减小了悬架的轴向尺寸。

垂向振动壳1变形时，相邻环形圈11之间的距离发生变化，与环形圈11连接的活塞筒相对于活塞杆发生了移动，活塞筒中的油液在活塞杆的作用下流入或流出储油筒6，实现了垂向减振功能，环形圈11的绝缘芯14具有弹性，因此其与活塞筒连接时，可以不需要额外设置橡胶套，减少了零件数量；车身的垂向力依次通过上吸声板8、垂向振动壳1、下吸声板9传递给车桥。

当汽车产生横向或纵向方向振动时，垂向振动壳1的径向方向受力，使多个环形圈11向一侧倾斜，垂向振动壳1向一侧发生弯曲，缓冲层12中的弹性变形体4发生变形并缓冲振动，同时相邻垂向振动壳1之间的导力板5受力变形，蜂窝单元51被压缩或拉伸的过程中变形并缓冲振动；车身横向或纵向方向的力也可以依次通过上吸声板8、垂向振动壳1、导力板5、垂向振动壳体1、下吸声板9进行传递；这样可以直接将下吸声板9与车轮轮毂处设置的车桥桥壳相连接，对于质量较小的轿车来说，可以取消其车身与车桥之间的纵向导力杆及横向导力杆，减少了零件数量，且悬架的体积紧凑，方便汽车布置。

悬架三个方向的刚度由发电层13、缓冲层12、导力板5共同确定，缓冲层12中的多个弹性变形体形成的w形状在受到垂向力时的变形形状，与其受到纵向力和横向力时的变形形状不一致，且缓冲层12的高度、导力板5的高度和宽度方便调整，可以分别设计缓冲层12、导力板5，使悬架垂向刚度较小，而纵向刚度和横向刚度较大，满足汽车实际使用要求。