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

背景技術：

1、隨著我國經濟的發(fā)展，公路建設里程大幅度提升。道路中存在廣泛的機械能，包括車輛運動能量、道路變形應變能與振動能。使用能量采集技術，可將路面上的機械能轉換為電能，為道路中各類低功耗電子器件如埋置的傳感器供電，也可為道路附屬設施如信號燈、電子指示牌供能。這一創(chuàng)新技術有望在公路建設領域中特別是智能交通領域發(fā)揮重要作用，為可持續(xù)能源利用做出貢獻。

2、環(huán)境能量采集技術主要分為太陽能采集、熱能采集、振動能采集等。太陽能采集的缺點在于季節(jié)變換、天氣狀況以及晝夜的更替都會影響其發(fā)電量，并且能量密度較低；熱能采集會導致環(huán)境污染，對氣候變化產生負面影響，并且存在一定的能量損失。相比之下，振動能采集對環(huán)境友好，并且振動機械能來源廣泛。

3、目前，根據轉換機理不同，能量采集技術大致可分為摩擦式、電磁式和壓電式等。摩擦式能量采集技術將兩層摩擦材料之間相對滑移運動時的機械能轉化為電能，然而相對滑移需要克服摩擦力，導致材料磨損，裝置壽命降低。電磁式能量采集技術是運用法拉第電磁感應定律，將線圈和磁鐵相對運動時系統(tǒng)的機械能轉為電能，然而該技術一般需要較大的磁體和線圈，導致裝置的尺寸較大。壓電式能量采集技術是利用壓電材料的正壓電效應，直接將壓電材料變形時的機械能轉換成電能。由于結構簡單，能量采集效率相對較高等優(yōu)點，壓電式能量采集技術具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4、申請?zhí)枮?01620073159.0的中國專利公布了一種高承載力道路標識發(fā)光供電裝置，該裝置是在道路上行駛的各種車輛所產生的壓力下，通過齒條齒輪再轉換為對壓電疊堆的沖擊振動，在承受較高載荷的情況下也不會對壓電疊堆產生破壞，可以將道路上行駛的各種車輛所產生的壓力轉換為壓電疊堆的沖擊振動,進而實現裝置的機電能量轉換。該裝置是利用堆疊式壓電換能器將車輛荷載轉換為電能。相對于剛度較小的齒輪齒條傳動機構，堆疊式壓電換能器結構整體剛度較大，兩者剛度之間的不匹配容易造成傳動機構受損，同時堆疊式壓電換能器變形較小，俘能效率相對有限。

5、申請?zhí)枮?02310516874.1的中國專利公布了一種基于屈曲壓電復合梁的俘能裝置，壓電復合梁在受壓荷載作用下發(fā)生屈曲變形,荷載撤掉后復合屈曲梁瞬時回彈，將儲存的彈性勢能轉化為便于俘能的高頻激勵，其上的壓電材料將振動能轉為電能；同時梁的振動通過傳動裝置傳遞給電機發(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，然而壓電梁反復屈曲變形極易導致結構發(fā)生疲勞破壞，降低結構的使用壽命。

6、針對現有技術存在的不足，本發(fā)明通過傳動機構將交通荷載轉化為彈性梁的拉壓振動，結構內部傳力路徑清晰，部件之間變形相對協調，這既避免了現有堆疊式壓電換能器結構剛度與傳動機構不匹配可能引發(fā)的結構破壞及俘能效率較低等問題，也避免了屈曲壓電復合梁中復合梁反復屈曲引發(fā)的結構疲勞破壞問題。此外，本發(fā)明的結構設計，實現了車輛通過一次時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，具有較好的經濟價值。

技術實現思路

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

2、本發(fā)明采用的技術方案是：一種傳動誘發(fā)彈性梁拉壓振動的路用壓電能量采集裝置。結構主要包括齒輪齒條、復位彈簧、滑塊、橫桿、彈性梁及梁上的壓電俘能元件。當車輛通過時，輪胎下壓齒條驅使齒輪轉動，經連桿帶動滑塊向左移動，通過左右橫桿及其上的連桿將力同時傳遞給左右彈性梁，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化為電能；車輛通過后，齒條下的復位彈簧形變恢復帶動齒條向上運動，左右梁中儲存的彈性勢能轉化為振動動能，實現持續(xù)的二次能量采集。

3、本發(fā)明的有益效果為：通過傳動機構將交通荷載轉化為彈性梁的拉壓振動，結構內部傳力路徑清晰，部件之間變形相對協調，提升了結構的使用壽命。該發(fā)明避免了現有堆疊式壓電換能器結構剛度與傳動機構不匹配可能引發(fā)的結構破壞及俘能效率較低等問題，也避免了屈曲壓電復合梁中復合梁反復屈曲引發(fā)的結構疲勞破壞問題。此外，本發(fā)明的結構設計，實現了車輛通過一次時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施例中，所述殼體內固定連接有滑軌，所述滑軌上沿橫向移動設置有滑塊，所述滑塊與橫桿固定連接。通過采用上述結構，為橫桿的移動提供導向，提高橫桿的移動穩(wěn)定性。

4、在一些實施例中，所述傳動組件包括齒條、齒輪、第二連桿、第三連桿，所述齒條沿豎向移動設置在殼體上，所述齒條上端伸出于所述殼體，所述齒輪通過轉軸轉動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，所述第三連桿遠離第二連桿一端鉸接在滑塊上。通過采用上述結構，將路面上振動的豎向移動轉換為橫桿的橫向移動，傳動連接可靠，提高傳動組件的傳動可靠性。

5、在一些實施例中，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構，所述殼體上安裝有供踏板沿豎向滑動的擋板。通過采用上述結構，增加與路面上汽車輪子的接觸可靠性，使齒條沿豎向移動穩(wěn)定。

6、在一些實施例中，所述殼體內固定連接有導向軌，所述導向軌上沿豎向移動設置有導向條，所述導向條與齒條固定連接。通過采用上述結構，為齒條的移動提供導向，提高齒條的移動穩(wěn)定性。

7、在一些實施例中，所述導向條的截面呈燕尾型。通過采用上述結構，進一步提高齒條的移動穩(wěn)定性。

8、在一些實施例中，所述殼體內設置有用于驅使齒條向上移動的復位彈簧，所述復位彈簧上端與齒條連接，所述復位彈簧下端與殼體連接。通過采用上述結構，使齒條能向上復位移動，路面上的振動使齒條再次向下移動運作，利于裝置的持續(xù)電力輸出。

9、在一些實施例中，所述彈性梁的數量為四個，四個彈性梁分為兩組并分別左右對稱分布。通過采用上述結構，增加電力輸出量。

技術特征：

1.一種傳動誘發(fā)彈性梁拉壓振動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)沿橫向移動設置于殼體(1)內；所述傳動組件(6)的輸入端設置在路面(100)上用于輸入來自于路面(100)上的振動，所述傳動組件(6)的輸出端與橫桿(5)連接，以用于驅使橫桿(5)移動。

2.根據權利要求1所述的一種傳動誘發(fā)彈性梁拉壓振動的路用壓電能量采集裝置，其特征在于，所述殼體(1)內固定連接有滑軌(7)，所述滑軌(7)上沿橫向移動設置有滑塊(8)，所述滑塊(8)與橫桿(5)固定連接。

3.根據權利要求2所述的一種傳動誘發(fā)彈性梁拉壓振動的路用壓電能量采集裝置，其特征在于，所述傳動組件(6)包括齒條(61)、齒輪(62)、第二連桿(63)、第三連桿(64)，所述齒條(61)沿豎向移動設置在殼體(1)上，所述齒條(61)上端伸出于所述殼體(1)，所述齒輪(62)通過轉軸(65)轉動連接在殼體(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)遠離第二連桿(63)一端鉸接在滑塊(8)上。

4.根據權利要求3所述的一種傳動誘發(fā)彈性梁拉壓振動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)的上端面呈弧形結構，所述殼體(1)上安裝有供踏板(611)沿豎向滑動的擋板(11)。

5.根據權利要求3所述的一種傳動誘發(fā)彈性梁拉壓振動的路用壓電能量采集裝置，其特征在于，所述殼體(1)內固定連接有導向軌(9)，所述導向軌(9)上沿豎向移動設置有導向條(10)，所述導向條(10)與齒條(61)固定連接。

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

7.根據權利要求5所述的一種傳動誘發(fā)彈性梁拉壓振動的路用壓電能量采集裝置，其特征在于，所述殼體(1)內設置有用于驅使齒條(61)向上移動的復位彈簧(20)，所述復位彈簧(20)上端與齒條(61)連接，所述復位彈簧(20)下端與殼體(1)連接。

8.根據權利要求1所述的一種傳動誘發(fā)彈性梁拉壓振動的路用壓電能量采集裝置，其特征在于，所述彈性梁(2)的數量為四個，四個彈性梁(2)分為兩組并分別左右對稱分布。

技術總結
本發(fā)明涉及一種傳動誘發(fā)彈性梁拉壓振動的路用壓電能量采集裝置，屬于新能源技術領域。結構主要包括齒輪齒條、復位彈簧、滑塊、橫桿、彈性梁及梁上的壓電俘能元件。當車輛通過時，輪胎下壓踏板使得齒條驅使齒輪轉動，經連桿帶動滑塊向左移動，通過左右橫桿及其上的連桿將力同時傳遞給左右彈性梁，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化為電能；車輛通過后，齒條下的復位彈簧形變恢復帶動齒條向上運動，左右梁中儲存的彈性勢能轉化為振動動能，實現持續(xù)的二次能量采集。該裝置實現了車輛通過一次時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。

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