本發(fā)明涉及發(fā)電裝置，具體而言，涉及一種傳動(dòng)誘發(fā)彈性梁拉壓振動(dòng)的路用壓電能量采集裝置。

背景技術(shù)：

1、隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，公路建設(shè)里程大幅度提升。道路中存在廣泛的機(jī)械能，包括車輛運(yùn)動(dòng)能量、道路變形應(yīng)變能與振動(dòng)能。使用能量采集技術(shù)，可將路面上的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，為道路中各類低功耗電子器件如埋置的傳感器供電，也可為道路附屬設(shè)施如信號(hào)燈、電子指示牌供能。這一創(chuàng)新技術(shù)有望在公路建設(shè)領(lǐng)域中特別是智能交通領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為可持續(xù)能源利用做出貢獻(xiàn)。

2、環(huán)境能量采集技術(shù)主要分為太陽能采集、熱能采集、振動(dòng)能采集等。太陽能采集的缺點(diǎn)在于季節(jié)變換、天氣狀況以及晝夜的更替都會(huì)影響其發(fā)電量，并且能量密度較低；熱能采集會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染，對(duì)氣候變化產(chǎn)生負(fù)面影響，并且存在一定的能量損失。相比之下，振動(dòng)能采集對(duì)環(huán)境友好，并且振動(dòng)機(jī)械能來源廣泛。

3、目前，根據(jù)轉(zhuǎn)換機(jī)理不同，能量采集技術(shù)大致可分為摩擦式、電磁式和壓電式等。摩擦式能量采集技術(shù)將兩層摩擦材料之間相對(duì)滑移運(yùn)動(dòng)時(shí)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，然而相對(duì)滑移需要克服摩擦力，導(dǎo)致材料磨損，裝置壽命降低。電磁式能量采集技術(shù)是運(yùn)用法拉第電磁感應(yīng)定律，將線圈和磁鐵相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能，然而該技術(shù)一般需要較大的磁體和線圈，導(dǎo)致裝置的尺寸較大。壓電式能量采集技術(shù)是利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，直接將壓電材料變形時(shí)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能量采集效率相對(duì)較高等優(yōu)點(diǎn)，壓電式能量采集技術(shù)具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4、申請(qǐng)?zhí)枮?01620073159.0的中國(guó)專利公布了一種高承載力道路標(biāo)識(shí)發(fā)光供電裝置，該裝置是在道路上行駛的各種車輛所產(chǎn)生的壓力下，通過齒條齒輪再轉(zhuǎn)換為對(duì)壓電疊堆的沖擊振動(dòng)，在承受較高載荷的情況下也不會(huì)對(duì)壓電疊堆產(chǎn)生破壞，可以將道路上行駛的各種車輛所產(chǎn)生的壓力轉(zhuǎn)換為壓電疊堆的沖擊振動(dòng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)裝置的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。該裝置是利用堆疊式壓電換能器將車輛荷載轉(zhuǎn)換為電能。相對(duì)于剛度較小的齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，堆疊式壓電換能器結(jié)構(gòu)整體剛度較大，兩者剛度之間的不匹配容易造成傳動(dòng)機(jī)構(gòu)受損，同時(shí)堆疊式壓電換能器變形較小，俘能效率相對(duì)有限。

5、申請(qǐng)?zhí)枮?02310516874.1的中國(guó)專利公布了一種基于屈曲壓電復(fù)合梁的俘能裝置，壓電復(fù)合梁在受壓荷載作用下發(fā)生屈曲變形,荷載撤掉后復(fù)合屈曲梁瞬時(shí)回彈，將儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為便于俘能的高頻激勵(lì)，其上的壓電材料將振動(dòng)能轉(zhuǎn)為電能；同時(shí)梁的振動(dòng)通過傳動(dòng)裝置傳遞給電機(jī)發(fā)電。該裝置利用壓電梁在外加荷載直接作用下的屈曲變形來收集能量，然而壓電梁反復(fù)屈曲變形極易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞，降低結(jié)構(gòu)的使用壽命。

6、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將交通荷載轉(zhuǎn)化為彈性梁的拉壓振動(dòng)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳力路徑清晰，部件之間變形相對(duì)協(xié)調(diào)，這既避免了現(xiàn)有堆疊式壓電換能器結(jié)構(gòu)剛度與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不匹配可能引發(fā)的結(jié)構(gòu)破壞及俘能效率較低等問題，也避免了屈曲壓電復(fù)合梁中復(fù)合梁反復(fù)屈曲引發(fā)的結(jié)構(gòu)疲勞破壞問題。此外，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了車輛通過一次時(shí)兩組壓電俘能元件各自持續(xù)俘能兩次，可顯著提升路用壓電能量采集裝置俘能效率，具有較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明主要目的是提供一種俘能效率高、使用壽命長(zhǎng)的路用壓電能量采集裝置。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種傳動(dòng)誘發(fā)彈性梁拉壓振動(dòng)的路用壓電能量采集裝置。結(jié)構(gòu)主要包括齒輪齒條、復(fù)位彈簧、滑塊、橫桿、彈性梁及梁上的壓電俘能元件。當(dāng)車輛通過時(shí)，輪胎下壓齒條驅(qū)使齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)連桿帶動(dòng)滑塊向左移動(dòng)，通過左右橫桿及其上的連桿將力同時(shí)傳遞給左右彈性梁，左梁受拉形變右梁受壓屈曲，梁上壓電俘能元件將變形能轉(zhuǎn)化為電能；車輛通過后，齒條下的復(fù)位彈簧形變恢復(fù)帶動(dòng)齒條向上運(yùn)動(dòng)，左右梁中儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為振動(dòng)動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)持續(xù)的二次能量采集。

3、本發(fā)明的有益效果為：通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將交通荷載轉(zhuǎn)化為彈性梁的拉壓振動(dòng)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳力路徑清晰，部件之間變形相對(duì)協(xié)調(diào)，提升了結(jié)構(gòu)的使用壽命。該發(fā)明避免了現(xiàn)有堆疊式壓電換能器結(jié)構(gòu)剛度與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不匹配可能引發(fā)的結(jié)構(gòu)破壞及俘能效率較低等問題，也避免了屈曲壓電復(fù)合梁中復(fù)合梁反復(fù)屈曲引發(fā)的結(jié)構(gòu)疲勞破壞問題。此外，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了車輛通過一次時(shí)兩組壓電俘能元件各自持續(xù)俘能兩次，可顯著提升路用壓電能量采集裝置俘能效率在一些實(shí)施例中，所述殼體內(nèi)固定連接有滑軌，所述滑軌上沿橫向移動(dòng)設(shè)置有滑塊，所述滑塊與橫桿固定連接。通過采用上述結(jié)構(gòu)，為橫桿的移動(dòng)提供導(dǎo)向，提高橫桿的移動(dòng)穩(wěn)定性。

4、在一些實(shí)施例中，所述傳動(dòng)組件包括齒條、齒輪、第二連桿、第三連桿，所述齒條沿豎向移動(dòng)設(shè)置在殼體上，所述齒條上端伸出于所述殼體，所述齒輪通過轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接在殼體上并與所述齒條相嚙合，所述第二連桿一端與齒輪固定連接，所述第二連桿另一端鉸接在第三連桿上，所述第三連桿遠(yuǎn)離第二連桿一端鉸接在滑塊上。通過采用上述結(jié)構(gòu)，將路面上振動(dòng)的豎向移動(dòng)轉(zhuǎn)換為橫桿的橫向移動(dòng)，傳動(dòng)連接可靠，提高傳動(dòng)組件的傳動(dòng)可靠性。

5、在一些實(shí)施例中，所述齒條上端連接有踏板，所述踏板用于伸出于路面，所述踏板的上端面呈弧形結(jié)構(gòu)，所述殼體上安裝有供踏板沿豎向滑動(dòng)的擋板。通過采用上述結(jié)構(gòu)，增加與路面上汽車輪子的接觸可靠性，使齒條沿豎向移動(dòng)穩(wěn)定。

6、在一些實(shí)施例中，所述殼體內(nèi)固定連接有導(dǎo)向軌，所述導(dǎo)向軌上沿豎向移動(dòng)設(shè)置有導(dǎo)向條，所述導(dǎo)向條與齒條固定連接。通過采用上述結(jié)構(gòu)，為齒條的移動(dòng)提供導(dǎo)向，提高齒條的移動(dòng)穩(wěn)定性。

7、在一些實(shí)施例中，所述導(dǎo)向條的截面呈燕尾型。通過采用上述結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高齒條的移動(dòng)穩(wěn)定性。

8、在一些實(shí)施例中，所述殼體內(nèi)設(shè)置有用于驅(qū)使齒條向上移動(dòng)的復(fù)位彈簧，所述復(fù)位彈簧上端與齒條連接，所述復(fù)位彈簧下端與殼體連接。通過采用上述結(jié)構(gòu)，使齒條能向上復(fù)位移動(dòng)，路面上的振動(dòng)使齒條再次向下移動(dòng)運(yùn)作，利于裝置的持續(xù)電力輸出。

9、在一些實(shí)施例中，所述彈性梁的數(shù)量為四個(gè)，四個(gè)彈性梁分為兩組并分別左右對(duì)稱分布。通過采用上述結(jié)構(gòu)，增加電力輸出量。

技術(shù)特征：

1.一種傳動(dòng)誘發(fā)彈性梁拉壓振動(dòng)的路用壓電能量采集裝置，其特征在于，它包括殼體(1)，所述殼體(1)內(nèi)安裝有彈性梁(2)、壓電俘能元件(3)、第一連桿(4)、橫桿(5)和傳動(dòng)組件(6)；所述彈性梁(2)一端通過第一卡扣塊(21)鉸接在殼體(1)上，所述彈性梁(2)另一端通過第二卡扣塊(22)鉸接在殼體(1)上；所述壓電俘能元件(3)設(shè)置在彈性梁(2)上，所述壓電俘能元件(3)上連接有用于電力輸出的導(dǎo)線；所述第一連桿(4)一端與第二卡扣塊(22)固定連接，所述第一連桿(4)另一端與橫桿(5)固定連接；所述橫桿(5)沿橫向移動(dòng)設(shè)置于殼體(1)內(nèi)；所述傳動(dòng)組件(6)的輸入端設(shè)置在路面(100)上用于輸入來自于路面(100)上的振動(dòng)，所述傳動(dòng)組件(6)的輸出端與橫桿(5)連接，以用于驅(qū)使橫桿(5)移動(dòng)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種傳動(dòng)誘發(fā)彈性梁拉壓振動(dòng)的路用壓電能量采集裝置，其特征在于，所述殼體(1)內(nèi)固定連接有滑軌(7)，所述滑軌(7)上沿橫向移動(dòng)設(shè)置有滑塊(8)，所述滑塊(8)與橫桿(5)固定連接。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種傳動(dòng)誘發(fā)彈性梁拉壓振動(dòng)的路用壓電能量采集裝置，其特征在于，所述傳動(dòng)組件(6)包括齒條(61)、齒輪(62)、第二連桿(63)、第三連桿(64)，所述齒條(61)沿豎向移動(dòng)設(shè)置在殼體(1)上，所述齒條(61)上端伸出于所述殼體(1)，所述齒輪(62)通過轉(zhuǎn)軸(65)轉(zhuǎn)動(dòng)連接在殼體(1)上并與所述齒條(61)相嚙合，所述第二連桿(63)一端與齒輪(62)固定連接，所述第二連桿(63)另一端鉸接在第三連桿(64)上，所述第三連桿(64)遠(yuǎn)離第二連桿(63)一端鉸接在滑塊(8)上。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種傳動(dòng)誘發(fā)彈性梁拉壓振動(dòng)的路用壓電能量采集裝置，其特征在于，所述齒條(61)上端連接有踏板(611)，所述踏板(611)用于伸出于路面(100)，所述踏板(611)的上端面呈弧形結(jié)構(gòu)，所述殼體(1)上安裝有供踏板(611)沿豎向滑動(dòng)的擋板(11)。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種傳動(dòng)誘發(fā)彈性梁拉壓振動(dòng)的路用壓電能量采集裝置，其特征在于，所述殼體(1)內(nèi)固定連接有導(dǎo)向軌(9)，所述導(dǎo)向軌(9)上沿豎向移動(dòng)設(shè)置有導(dǎo)向條(10)，所述導(dǎo)向條(10)與齒條(61)固定連接。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種傳動(dòng)誘發(fā)彈性梁拉壓振動(dòng)的路用壓電能量采集裝置，其特征在于，所述導(dǎo)向條(10)的截面呈燕尾型。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種傳動(dòng)誘發(fā)彈性梁拉壓振動(dòng)的路用壓電能量采集裝置，其特征在于，所述殼體(1)內(nèi)設(shè)置有用于驅(qū)使齒條(61)向上移動(dòng)的復(fù)位彈簧(20)，所述復(fù)位彈簧(20)上端與齒條(61)連接，所述復(fù)位彈簧(20)下端與殼體(1)連接。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種傳動(dòng)誘發(fā)彈性梁拉壓振動(dòng)的路用壓電能量采集裝置，其特征在于，所述彈性梁(2)的數(shù)量為四個(gè)，四個(gè)彈性梁(2)分為兩組并分別左右對(duì)稱分布。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種傳動(dòng)誘發(fā)彈性梁拉壓振動(dòng)的路用壓電能量采集裝置，屬于新能源技術(shù)領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)主要包括齒輪齒條、復(fù)位彈簧、滑塊、橫桿、彈性梁及梁上的壓電俘能元件。當(dāng)車輛通過時(shí)，輪胎下壓踏板使得齒條驅(qū)使齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)連桿帶動(dòng)滑塊向左移動(dòng)，通過左右橫桿及其上的連桿將力同時(shí)傳遞給左右彈性梁，左梁受拉形變右梁受壓屈曲，梁上壓電俘能元件將變形能轉(zhuǎn)化為電能；車輛通過后，齒條下的復(fù)位彈簧形變恢復(fù)帶動(dòng)齒條向上運(yùn)動(dòng)，左右梁中儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為振動(dòng)動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)持續(xù)的二次能量采集。該裝置實(shí)現(xiàn)了車輛通過一次時(shí)兩組壓電俘能元件各自俘能兩次，顯著提升路用壓電能量采集裝置俘能效率，俘獲能量可廣泛用于路用低功耗微電子器件的供能。

技術(shù)研發(fā)人員：呂朝鋒,張陽陽,李龍雷,毛裕杰,鄧翔宇
受保護(hù)的技術(shù)使用者：寧波大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19