CN106368136A - 一种压电式减速带能量回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种能够回收车辆经过减速带时产生的振动能量的压电式减速带能量回收装置，具有一个装在地面下方的箱体，箱体内部用隔板隔成前发电室和后发电室，后发电室内部设有水平弹簧、撞击块和竖直悬臂振子，减速带设在后发电室的顶部阶梯状开口处，减速带的下段前侧壁和后发电室顶部开口处的前侧内壁之间装有水平弹簧，减速带的正下方固连撞击块，前发电室内部设有水平悬臂振子、下压板和竖直弹簧，前发电室的阶梯状的开口处装有下压板，下压板上段和前发电室的阶梯状的开口之间装有竖直弹簧；本发肯在保证减速带功能的前提下，不仅能回收车辆经过减速带时因重力势能变化所消耗的能量，还能回收车轮与减速带碰撞时消耗的动量。

Description

一种压电式减速带能量回收装置

技术领域

本发明属于车辆和道路交通技术领域，涉及放置在道路上用于强制车辆减速的减速带，具体涉及能够回收车辆经过减速带时产生振动能量的装置。

背景技术

道路交通管理部门为了行车安全，在公路收费站、小区门口、学校大门等重要道路设置了减速带，用于强制车辆减速慢行，提高了人们出行的安全性。车辆经过减速带时，会经历撞击、爬升、下降与回落撞击地面的过程，这个过程浪费了大量的能量，如果能将这部分的能量回收利用，用于附近交通指示灯、路灯等道路配套设施供电，将产生良好的经济与环境效益。

中国发明专利公开号为CN102678492的文献公开了一种公路收费站减速带能量回收发电系统，是在减速带下安装机械回收系统，车辆经过减速带时，减速带在车辆重力作用下向下运动，然后在弹簧的作用下回复，与减速带固连的齿条带动齿轮机构转动，经过齿轮传动系统的调节带动发电机旋转发电。但这种系统存在齿轮副结构复杂，往复运动使啮合齿轮副损耗严重、发电效率低等问题。中国发明专利公开号为CN103423114A的文献公开了一种液压式减速带能量回收装置，是在减速带下方安装液压缸，将减速带在车辆作用下的往复运动的动能转换为液压能，然后储存在蓄能器中，当蓄能器内的液体压力达到要求时，液体从蓄能器内排出，经过液压马达将液压能转换为液压马达的旋转动能，然后由液压马达带动发电机发电。由于需要采用蓄能器，使得该装置的体积较大，而且成本较高。中国发明专利公开号为CN203948237U的文献公开了一种压电式减速带的能量回收装置，其原理是利用减速带的上下运动压迫压电片使压电片产生变形进行发电，压电片的变形必然降低了车辆经过减速带时所产生的颠簸感，削弱了减速带强制车辆减速慢行的作用。

因此，无论是机械式、液压式还是压电式减速带发电装置，都是将减速带从普通的固定安装改为可上下运动的安装方式，车辆的重力与弹簧的回复力使减速带上下运动，然后通过不同形式的能量转换装置将车辆重力变化所浪费的能量转换为电能。这也使现有的减速带发电装置存在一个共同的问题，即因为当车辆经过减速带时减速带可以上下运动，降低了车辆经过减速带时所产生的颠簸感，久而久之，这些减速带就会失去其作为减速带所应具有的首要的强迫减速的功能，沦为单纯的发电装置。同时，车辆经过减速带时要经过撞击减速带、爬升、回落、撞击地面这4个阶段，现有的能量回收装置只是对车辆重力势能变化所浪费的能量进行回收，局限于车辆的爬升过程，而没有考虑车轮撞击减速带及离开减速带撞击地面时碰撞所浪费的能量，所以能量回收不够全面，效率较低。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术存在的上述问题，提供一种压电式减速带能量回收装置，在不影响减速带原有减速功能的前提下全面系统地回收车辆经过减速带时所浪费的振动与碰撞能量。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案是：本发明具有一个装在地面下方的箱体，箱体的顶面与地面平齐，箱体内部用隔板隔成前发电室和后发电室，后发电室内部设有水平弹簧、撞击块和竖直悬臂振子，竖直悬臂振子底部与后发电室底面固连，后发电室的顶部开有阶梯状的开口，减速带设在阶梯状开口处，减速带的下段前侧壁和后发电室顶部开口处的前侧内壁之间装有水平弹簧，减速带的正下方固连撞击块，竖直悬臂振子由第一质量块、第一压电片与第一金属板组成，第一金属板竖直布置且下端固定在后发电室上、上端前后两侧壁上各固定连接一块第一质量块，第一质量块位于撞击块下端的正前方，在每个第一质量块的下方各有一个第一压电片贴合在第一金属板的前后两侧壁上；前发电室内部设有水平悬臂振子、下压板和竖直弹簧，水平悬臂振子均由第二质量块、第二压电片与第二金属板组成，水平悬臂振子的左端固定连接前发电室内壁上、右端的上下两侧壁上各固定连接一块第二质量块，第二质量块左侧各有一个压电片贴合在第二金属板的上下侧壁上；前发电室的顶部开有阶梯状的开口，前发电室的阶梯状的开口处装有下压板，下压板上段为高出地面且位于减速带前方的平板结构，下压板上段和前发电室的阶梯状的开口之间装有竖直弹簧，下压板的下段向下伸入前发电室内部且位于所述第二质量块的正上方。

本发明的优点在于：

1、本发明在保证减速带功能的前提下，不仅能回收车辆经过减速带时因重力势能变化所消耗的能量，还能回收车轮与减速带碰撞时消耗的动量，能量回收更加全面，回收比例高。

2、本发明内部结构简单，更加适合道路的恶劣环境，不用担心粉尘污染等问题，装置的使用寿命较长。

3、本发明的外部轮廓为长方体，安装时对道路改造较少，安装方便。

附图说明

图1是本发明一种压电式减速带能量回收装置的主视图；

图2是图1的轴测图；

图3是图2中箱体与内部悬臂振子的轴测图；

图4是图3中箱体内部悬臂振子排布方式图；

图5是图1中减速带及其固连撞击块的轴测视图；

图中：A—后发电室；B—前发电室；1—下压板；2—竖直弹簧；3—水平弹簧；4—减速带；5—撞击块；6—竖直悬臂振子；7—箱体；8—水平悬臂振子；71—竖直弹簧定位凹槽；72—隔板；61—质量块；62—压电片；63—金属板；81—质量块；82—压电片；83—金属板；41—水平弹簧定位凹槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步阐述本发明，应理解下述具体实施方式仅用于本发明，但不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是以汽车为基准，以汽车行驶方向为前，相对面的方向为后，以地面为下，汽车在地面之上。

如图1所示，本发明外部是一个长方体结构的箱体7，整体安装在地面下方，箱体7的顶面与地面平齐。在箱体7内部用隔板72将箱体7内部隔成前发电室B和后发电室A两部分，前发电室B和后发电室A均是长方体结构，前发电室B位于后发电室A的正前方。

在后发电室A内部设有水平弹簧3、撞击块5和竖直悬臂振子6。竖直悬臂振子6有多个，按阵列方式排布在后发电室A内，参见图4中，多个竖直悬臂振子6以2*8的阵列排布在发电室A内，前后2行，左右8列，多个竖直悬臂振子6的底部均与后发电室A底面固连，后发电室A的顶面与地面平齐，后发电室A的顶部开有阶梯状的开口，在阶梯状开口处安装减速带4，减速带4的上段在地面之上，减速带4的下段向下伸在后发电室A的顶部开口内。在减速带4的下段前侧壁和后发电室A顶部开口处的前侧内壁之间安装水平弹簧3。

参见图5，减速带4的后侧壁紧贴后发电室A顶部开口处的后侧内壁，减速带4的前侧壁上开有多个水平弹簧定位凹槽41，多个水平弹簧定位凹槽41在减速带4上左右均匀地布置，在每个水平弹簧定位凹槽41上安装一个水平弹簧3，每个水平弹簧3的前端均压靠在后发电室A顶部开口处的前侧内壁上，每个水平弹簧3的后端均对应地连接安装在一个水平弹簧定位凹槽41内。

减速带4的正下方固连撞击块5，撞击块5的数量与竖直悬臂振子6的行数相同，撞击块5沿左右方向布置，如图4中是两块撞击块5。撞击块5呈L型，下端水平指向竖直悬臂振子6的上端。

如图4所示，每个竖直悬臂振子6都由质量块61、压电片62与金属板63组成。金属板63竖直布置，金属板63下端固定在箱体7上，上端前后两侧壁上各固定一块质量块61，质量块61位于撞击块5下端的正前方且靠近撞击块5，撞击块5的下端指向质量块61。在每个质量块61的下方各有一个压电片62贴合在金属板63的前后两侧壁上，压电片62的上端面与质量块61的下端面之间间隔1-2厘米。处于同一侧的所有压电片62串联在一起，即金属板63上前侧壁上的所有压电片62串联在一起，金属板63上后侧壁上的所有压电片62串联在一起。

在前发电室B内部设有水平悬臂振子8、下压板1和竖直弹簧2。水平悬臂振子8有多个，以阵列排布，每个水平悬臂振子8的左端均固定连接在后发电室B的左侧内壁上。如图4所示，多个水平悬臂振子8以上下3*8的阵列排布，上下有3行，左右有8列。每行中的水平悬臂振子8的左右长度相同，但下行水平悬臂振子8右端的伸出长度要大于上行水平悬臂振子8右端的伸出长度，使3行水平悬臂振子8的右端呈阶梯形状，上下行之间的竖直间距大于2厘米。每个水平悬臂振子8均由质量块81、压电片82与金属板83组成，其结构与竖直悬臂振子6相同。即每个水平悬臂振子8均左右水平布置，左端均固定连接在前发电室B内壁上，右端的上下两侧壁上各固定连接一块质量块81，每个质量块81左侧各有一个压电片82贴合在金属板83的第二侧壁上，压电片82的右端面与质量块61的左端面之间间隔1-2厘米。处于同一侧的所有压电片82通过导线串联在一起，即金属板83上的上侧壁上的所有压电片82通过导线串联在一起，金属板83上的下侧壁上的所有压电片82通过导线串联在一起。

前发电室B的顶部与地面平齐，前发电室B的顶部也开有阶梯状的开口，阶梯状的开口处安装下压板1。下压板1上段为平板结构，平板结构高出于地面，但要低于减速带4，下压板1上段位于减速带4的前方。在下压板1上段和阶梯状的开口之间安装竖直弹簧2。如图3所示，前发电室B的顶部设有用于定位多个竖直弹簧2的多个竖直弹簧定位凹槽71，竖直弹簧2的下端固定连接在凹槽71中，竖直弹簧2的上端压靠在下压板1的下段上。下压板1的下段为多层阶梯状结构，多层阶梯状结构的层数等于水平悬臂振子8的行数，如图4中下压板1的下段是3层阶梯状结构，下压板1的下段向下伸入前发电室B内部，安装后下压板1的下段的每层阶梯对应一行水平悬臂振子8，位于水平悬臂振子8的右端的质量块81正上方，当下压板1下压后，每层阶梯能够下压对应的质量块81，装配后的结构参见图2。

参见图1，减速带4前侧壁与后发电室A前侧内壁之间的水平安装距离是h1，h1大小为1厘米左右。撞击块5与其前侧质量块61之间的水平初始间距是h2，h2=h1/2。最前侧的质量块61与后发电室A前侧内壁的水平距离、撞击块5与其后侧质量块61的距离都大于h2，撞击块5向前滑动可以撞击到质量块61。下压板1在车轮作用下的垂直下压距离是h3，约为2厘米。h4表示下压板1下段的每层阶梯与对应的质量块81之间的垂直初始间距是h4，h4=h3/2。

如图2所示，当车辆经过减速带4时，首先，减速带4在车轮接触力的水平分力的作用沿车辆行驶方向，即向前滑动，车轮离开减速带4后，减速带4在水平弹簧3的作用下回复初始位置。在此过程中，减速带4下方的撞击块5撞击后发电室A内竖直悬臂振子6上端的质量块61，竖直悬臂振子6受迫向前弯曲，贴合在悬臂振子金属板63两侧的压电片62也受力变形；减速带4复位时，竖直悬臂振子6也会在因弯曲变形产生的反力的作用下回复，但是因为质量块61在竖直悬臂振子6由向前弯曲状态回复至竖直状态的过程中不断受力加速，当竖直悬臂振子6回复竖直位置时，质量块61已经具有了一定的速度，又因此时竖直悬臂振子6上端处于自由状态，不受外力干涉，竖直悬臂振子6会在质量块61惯性力的作用下向后弯曲，当质量块61速度降为零时，此时弯曲挠度小于向前弯曲的挠度，再反方向重复前一阶段的过程，即竖直悬臂振子6产生振幅不断减小的振动，在此过程中，压电片62也不断经历形变、回复、形变的过程，每一次形变都会产生一次电荷，受压的一侧压电片表面产生正电荷，受拉的一侧压电片表面产生负电荷，电荷由导线引出后经过调整后可产生稳定的电压。当车轮离开减速带4下落时会将减速带4前方的下压板1压下，车轮离开下压板1后，下压板1在竖直弹簧2作用下回复初始位置，在此过程中，下压板1下方的阶梯结构向下撞击水平悬臂振子8的质量块81，使水平悬臂振子8向下弯曲变形，下压板1回复时水平悬臂振子8也在自身反力的作用下回复，与竖直悬臂振子6工作原理雷同的是，水平悬臂振子8也会产生振幅不断减小的上下振动使压电片82不断发电。前发电室B和后发电室A所发出的电能可用于路灯或交通指示灯的供电，或储存在蓄电池中。

Claims (5)

1.一种压电式减速带能量回收装置，具有一个装在地面下方的箱体（7），箱体（7）的顶面与地面平齐，箱体（7）内部用隔板（72）隔成前发电室（B）和后发电室（A），其特征是：后发电室（A）内部设有水平弹簧（3）、撞击块（5）和竖直悬臂振子（6），竖直悬臂振子（6）底部与后发电室（A）底面固连，后发电室（A）的顶部开有阶梯状的开口，减速带（4）设在阶梯状开口处，减速带（4）的下段前侧壁和后发电室（A）顶部开口处的前侧内壁之间装有水平弹簧（3），减速带（4）的正下方固连撞击块（5），竖直悬臂振子（6）由第一质量块（61）、第一压电片（62）与第一金属板（63）组成，第一金属板（63）竖直布置且下端固定在后发电室（A）上、上端前后两侧壁上各固定连接一块第一质量块（61），第一质量块（61）位于撞击块（5）下端的正前方，在每个第一质量块（61）的下方各有一个第一压电片（62）贴合在第一金属板（63）的前后两侧壁上；前发电室（B）内部设有水平悬臂振子（8）、下压板（1）和竖直弹簧（2），水平悬臂振子（8）均由第二质量块（81）、第二压电片（82）与第二金属板（83）组成，水平悬臂振子（8）的左端固定连接前发电室（B）内壁上、右端的上下两侧壁上各固定连接一块第二质量块（81），第二质量块（81）左侧各有一个压电片（82）贴合在第二金属板（83）的上下侧壁上；前发电室（B）的顶部开有阶梯状的开口，前发电室（B）的阶梯状的开口处装有下压板（1），下压板（1）上段为高出地面且位于减速带（4）前方的平板结构，下压板（1）上段和前发电室（B）的阶梯状的开口之间装有竖直弹簧（2），下压板（1）的下段向下伸入前发电室（B）内部且位于所述第二质量块（81）的正上方。

2.根据权利要求1所述一种压电式减速带能量回收装置，其特征是：竖直悬臂振子（6）有多个，按阵列方式排布；撞击块（5）呈L型，沿左右方向布置，下端水平指向竖直悬臂振子（6）的上端，撞击块（5）的数量与竖直悬臂振子（6）的前后行数相同；水平悬臂振子（8）有多个，以阵列方式排布，下行水平悬臂振子（8）右端的伸出长度大于上行水平悬臂振子（8）右端的伸出长度，下压板（1）的下段为多层阶梯状结构，阶梯状结构的阶梯层数等于水平悬臂振子（8）的上下行数，每层阶梯位于对应行的水平悬臂振子（8）的第二质量块（81）正上方。

3.根据权利要求2所述一种压电式减速带能量回收装置，其特征是：第一金属板（63）同一侧上的所有第一压电片（62）串联，第二金属板（83）同一侧上的所有第二压电片（62）串联。

4.根据权利要求1所述一种压电式减速带能量回收装置，其特征是：减速带（4）的后侧壁紧贴后发电室（A）顶部开口处的后侧内壁，减速带（4）的前侧壁上开有多个水平弹簧定位凹槽（41），一个定位凹槽（41）固定连接一个水平弹簧（3）的右端。

5.根据权利要求1所述一种压电式减速带能量回收装置，其特征是：前发电室（B）的顶部设有多个竖直弹簧定位凹槽（71），一个定位凹槽（71）固定连接一个竖直弹簧（2）的下端。