一种嵌于空气弹簧内部的压电馈能装置

本发明属于振动能量回收领域，具体为一种嵌于空气弹簧内部的压电馈能装置。

背景技术：

1、空气弹簧具有自振频率低、刚度可调、阻尼可控、降噪吸振能力好和使用寿命长等优点，在一些高端汽车上已逐步取代传统螺旋弹簧式弹簧。空气弹簧主体为橡胶材料，使用久了会发生漏气，但空气弹簧密封性要求高，外部线路给内部空气弹簧安全监测装置供电不切实际。目前人们只能通过使用时间和驾驶感受来粗略判断空气弹簧安全状态，不能及时对空气弹簧损坏的发生进行预警。

2、中国专利zl200810022475.5和zl201110121853.7利用压电材料收集空气弹簧振动的能量，但压电片的安装不能将空气弹簧中的气压变化转换成电能，无法实现空气弹簧安全监测装置自供电。

技术实现思路

1、基于上述背景技术，为了给内部空气弹簧安全监测装置供电，本发明提出了一种嵌于空气弹簧内部的压电馈能装置。在附加气室内置式空气弹簧的基础上，提出一种嵌于空气弹簧内部的压电馈能装置；在压电馈能装置等效力学模型基础上，建立了输出电压数学模型，提出一种优化方法，保证较低成本下输出较大电压。与现有技术相比，本发明具有结构简单、安装紧凑、能量转换效率高和适用性强等优点。

2、本发明是采用如下的技术方案实现的：一种嵌于空气弹簧内部的压电馈能装置，包括馈能装置，馈能装置包括调谐质量块一、压电片一、柔性隔膜、隔膜架、管状柔性隔膜、调谐质量块二、压电片二、螺栓和密封垫；管状柔性隔膜的底面和空气弹簧的下盖上环形台的顶面通过密封垫、螺栓固定连接，压电片二上下对称贴在管状柔性隔膜上，调谐质量块二贴在上下对称的压电片二上，用来改变压电片二的共振频率，俘获更多的能量；隔膜架的中部与下盖中间管体上端固定连接，隔膜架边缘的下侧通过螺栓与管状柔性隔膜的顶面固定连接，隔膜架边缘的上侧与柔性隔膜固定，压电片一贴在柔性隔膜上，调谐质量块一贴在压电片一上，下盖、密封垫、管状柔性隔膜、隔膜架、柔性隔膜密封连接，形成附加气室；下盖的环形台上还设置有阻尼孔，空气弹簧的主气室与附加气室之间通过下盖上的阻尼孔进行气体交换。由于阻尼孔直径较小，气体流经阻尼孔时会带来一定阻尼力，能够缓和冲击。车辆行驶过程中，上板与下盖之间会产生相对位移，由于阻尼孔产生的阻尼力，主气室与附加气室之间会产生压强差，压力迫使馈能装置中的柔性隔膜和管状柔性隔膜发生形变，产生往复振动。粘贴在柔性隔膜和管状柔性隔膜上的压电片一和压电片二在柔性隔膜的作用下发生弯曲和牵引变形，将柔性隔膜的机械能转化为电能。压电片一、压电片二和空气弹簧安全监测装置电路模块连接，为空气弹簧安全监测装置供电。

3、其中，压电片一、二的数量和调谐质量块一、二的质量是可以改变的。

4、上述的一种嵌于空气弹簧内部的压电馈能装置，缓冲块固定安装在上板和橡胶气囊上，当车身与车桥之间运动剧烈、间隙过小时，防止上板直接撞击下盖，对馈能装置起到保护作用。

5、上述的一种嵌于空气弹簧内部的压电馈能装置，嵌于空气弹簧内部的压电馈能装置等效力学模型中，空气弹簧运行过程时柔性隔膜和管状柔性隔膜形变量较小，因此忽略柔性隔膜和管状柔性隔膜在形变过程中对附加气室的体积的影响，即可认为柔性隔膜和管状柔性隔膜在形变过程中，二者的刚度和阻尼互不影响。

6、上述的一种嵌于空气弹簧内部的压电馈能装置，粘贴在柔性隔膜上压电片一的输出电压表示为：

7、

8、

9、zr＝z3-z1

10、km＝n1·kp1+kfd

11、其中，m1是调谐质量块一的质量，z3是调谐质量块一的位移，z1是下盖的位移，cm是贴压电片一后柔性隔膜的阻尼，km是贴压电片一后柔性隔膜的弯曲刚度，n1是压电片一的数量，kp1是压电片一的弯曲刚度，kfd是柔性隔膜的弯曲刚度，vt是压电片一产生的电压，rl是负载电阻，cp1是压电片一夹持电容，lp是压电片一的自由长度，α是逆压电效应机电耦合系数，是压电片一由于弯曲产生的电流，是压电片一受到柔性隔膜牵引而产生的电流。

12、上述的一种嵌于空气弹簧内部的压电馈能装置，粘贴在管状柔性隔膜上压电片二的输出电压表示为：

13、

14、

15、kn＝n2·kp2+kfc

16、其中，m2是调谐质量块二的质量，z4是调谐质量块二的位移，cn是贴压电片二后管状柔性隔膜的阻尼，kn是贴压电片二后管状柔性隔膜的弯曲刚度，n2是压电片二的数量，kp2是压电片二的弯曲刚度，kfc是管状柔性隔膜的弯曲刚度，vc是压电片二产生的电压，λ是管状柔性隔膜与柔性隔膜受力之间的关系，rl是负载电阻，cp2是压电片二夹持电容，lm是压电片二的自由长度，是压电片二由于弯曲产生的电流，是压电片二管状柔性隔膜牵引作用下产生的电流。

17、上述的一种嵌于空气弹簧内部的压电馈能装置，提出一种压电馈能装置优化方法，定义成本函数，选择调谐质量m和压电单元数n作为优化的设计变量，实现在环境约束条件下最大化发电；

18、压电片一成本函数表示为：

19、f(m1,n1)＝qpvtot-qsn1sp1

20、

21、其中，qp与qs是权重系数，是压电片一实验测量电压，sp1是一组压电片一换能器的成本；

22、压电片二成本函数表示为：

23、f(m2,n2)＝qlvtob-qzn2sp2

24、

25、其中，ql与qz是权重系数，是压电片二实验测量电压，sp2是一组压电片二换能器的成本；

26、在本发明中，n1的选取范围为1≤n1≤8，m1的选取范围为0≤m1≤0.5kg；因为压电片二对称分布，所以n2取值为2的倍数，选取范围为2≤n2≤32，m2的选取范围为0≤m2≤0.25kg。

27、本发明的有益效果：

28、1.本发明的一种嵌于空气弹簧内部的压电馈能装置，在现有附加气室内置式空气弹簧基础上进行改进加装，不会增加额外的安装空间需求。

29、2.在车辆行驶过程中，在隔膜两侧气压差的反复作用下，隔膜会产生往复振动，贴在隔膜上的压电片，可以较好地将隔膜振动的机械能转化为电能。

30、3.在压电馈能装置等效力学模型基础上，建立了输出电压数学模型，提出了一种压电馈能装置优化方法，定义成本函数，实现在环境约束条件下最大化发电，选择调谐质量和压电单元数作为优化的设计变量，为类似嵌于空气弹簧中的压电馈能装置建模与优化提供了重要参考。

技术特征：

1.一种嵌于空气弹簧内部的压电馈能装置，其特征在于：包括馈能装置(4)，馈能装置(4)包括调谐质量块一(41)、压电片一(42)、柔性隔膜(43)、隔膜架(44)、管状柔性隔膜(45)、调谐质量块二(46)、压电片二(47)、螺栓(48)和密封垫(49)；管状柔性隔膜(45)的底面和空气弹簧的下盖(5)上环形台的顶面通过密封垫(49)、螺栓(48)固定连接，压电片二(47)上下对称贴在管状柔性隔膜(45)上，调谐质量块二(46)贴在上下对称的压电片二(47)上；隔膜架(44)的中部与下盖(5)中间管体上端固定连接，隔膜架(44)边缘的下侧通过螺栓(48)与管状柔性隔膜(45)的顶面固定连接，隔膜架(44)边缘的上侧与柔性隔膜(43)固定，压电片一(42)贴在柔性隔膜(43)上，调谐质量块一(41)贴在压电片一(42)上，下盖(5)、密封垫(49)、管状柔性隔膜(45)、隔膜架(44)、柔性隔膜(43)密封连接，形成附加气室；下盖(5)的环形台上还设置有阻尼孔(6)，空气弹簧的主气室与附加气室之间通过下盖(5)上的阻尼孔(6)进行气体交换。

2.根据权利要求1所述的一种嵌于空气弹簧内部的压电馈能装置，其特征在于：缓冲块(3)固定安装在上板(1)和橡胶气囊(2)上，当车身与车桥之间运动剧烈、间隙过小时，防止上板(1)直接撞击下盖(5)，对馈能装置(4)起到保护作用。

3.根据权利要求2所述的一种嵌于空气弹簧内部的压电馈能装置，其特征在于：嵌于空气弹簧内部的压电馈能装置等效力学模型中，空气弹簧运行过程时柔性隔膜(43)和管状柔性隔膜(45)形变量较小，因此忽略柔性隔膜(43)和管状柔性隔膜(45)在形变过程中对附加气室的体积的影响，即可认为柔性隔膜(43)和管状柔性隔膜(45)在形变过程中，二者的刚度和阻尼互不影响。

4.根据权利要求3所述的一种嵌于空气弹簧内部的压电馈能装置，其特征在于：粘贴在柔性隔膜(43)上压电片一(42)的输出电压表示为：

5.根据权利要求4所述的一种嵌于空气弹簧内部的压电馈能装置，其特征在于：粘贴在管状柔性隔膜(45)上压电片二(47)的输出电压表示为：

6.根据权利要求5所述的一种嵌于空气弹簧内部的压电馈能装置，其特征在于：提出一种压电馈能装置优化方法，定义成本函数，选择调谐质量m和压电单元数n作为优化的设计变量，实现在环境约束条件下最大化发电；

技术总结
本发明公开了一种嵌于空气弹簧内部的压电馈能装置，属于振动能量回收领域。一种嵌于空气弹簧内部的压电馈能装置，包括馈能装置，馈能装置包括调谐质量块一、压电片一、柔性隔膜、隔膜架、管状柔性隔膜、调谐质量块二、压电片二、螺栓和密封垫。本发明在附加气室内置式空气弹簧的基础上，提出一种嵌于空气弹簧内部的压电馈能装置；在压电馈能装置等效力学模型基础上，建立了输出电压数学模型；提出一种压电馈能装置优化方法，实现在环境约束条件下最大化发电。与现有技术相比，本发明具有结构简单、安装紧凑、能量转换效率高和适用性强等优点。

技术研发人员：赵震,李永鑫,王庆成,王昌泓,延章威,马玉磊
受保护的技术使用者：聊城大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12