CN107565847B - 一种压电式车载报警器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压电式无线车载报警器，属汽车电子技术领域。壳体侧壁端部连有盖板，盖板的通孔处有内凹环台；底座上连有内壳，壳底上有通孔及侧柱，侧柱上经压板安装有一组压电振子，压电振子由基板和压电片粘接而成；底座上有内凹圆台，其上有转轴，在盖板、壳体侧壁及底座构成的腔体内，转轴上依次装有轴承、卡簧、激励轮、卡簧及轴承，其中：右轴承内、外圈分别顶靠在内凹圆台、壳底通孔外沿上；左轴承内、外圈分别顶靠在内凹环台、压环内缘上；激励轮上有短刚性块，短刚性块上连有柔性拨片及长刚性块；盖板上装有套筒，套筒内轴段上有拉带及发条弹簧，两者另一端分别连在卡块及套筒上；壳底上装有带能量转换电路及警报系统的电路板。
Description
技术领域
本发明属于汽车电子技术领域，具体涉及一种压电式车载报警器，为车载报警系统供电。
背景技术
公共汽车是为专门解决城市和城郊运输而设计及装备的商用车，这种车辆设有乘客座椅及供乘客站立与走动的通道，要求站立面积大，是人员密集的场所，故例如偷窃等事件时有发生，此外也会存在乘客有突发身体不适的情况，此时应当尽早告知司机或乘务人员，以防止事件恶化。为解决以上问题，可在车内安装车载报警器。若报警器以汽车发电机供电，需从汽车内部重新接线，还需连接电压调节器，安装过程复杂；若以电池供电，其能量有限，需要经常更换，浪费人力物力，若处理不当，易造成环境污染。为满足类似于车载报警系统等微功率、微小型电子产品的自供电需求，国内外学者相继提出了基于静电、电磁、热电及压电等原理的微小型能量捕获器(亦称微小型发电机或俘能器)，其中压电能量捕获器以其结构简单、无电磁干扰、能量密度大、易于实现微小化和集成化等优势而使其适用范围更广。但由于压电晶片为脆性材料，易因所受拉应力过大而破碎。因此，为使压电式供能装置在车载报警系统中得到实际应用，首先需解决的关键问题是提高其工作的可靠性。
发明内容
本发明提出一种压电式车载报警器，本发明采用的实施方案是：壳体侧壁的端部经螺钉安装有带通孔的盖板，盖板的通孔处设有内凹环台；底座上经螺钉安装有内壳，内壳的壳底上设有通孔及侧柱，侧柱均布于壳底的圆周上，侧柱上经压板及螺钉安装有一组压电振子，压电振子由基板和压电片粘接而成；底座上设有内凹圆台，其上通过内壳的壳底的通孔压装有转轴，转轴另一端穿过盖板的通孔，在盖板、壳体侧壁以及底座构成的腔体内，转轴上从右至左依次装有轴承、卡簧、激励轮、卡簧及轴承，转轴和激励轮经平键连接，其中：右端轴承内圈顶靠在内凹圆台上，外圈则由内壳的壳底的通孔外沿压住；左端轴承的内圈顶靠在内凹环台上，外圈则由经螺钉连接在盖板上的压环内缘压住；激励轮上设有均布的短刚性块，短刚性块上经螺钉安装有柔性拨片及长刚性块；盖板上经螺钉安装有套筒，套筒的中心与转轴的中心相同，套筒内的转轴轴段上经螺钉连有拉带及发条弹簧，拉带另一端经螺钉安装有卡块，卡块上安装有拉绳，拉绳经各个导轮布置于车内；发条弹簧的另一端经螺钉连接在套筒上；在内壳的壳底上经螺钉安装有电路板，其上设有能量转换电路及警报系统；装置主体通过底座经螺钉安装在汽车内。
压电振子为长方形悬臂梁，压电振子经导线组与电路板相连，压电振子产生电能经过电路板上的能量转换电路处理后供给警报系统，报警系统发出警报；压电振子安装时为平直结构，其工作时自由端变形量的许用值为其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm为基板的厚度，H为压电振子总厚度，Em和Ep分别为基板和压电片材料的杨氏模量，k31和分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子的悬臂长度。
为使柔性拨片能在压电振子自由端变形量在达到许用值前脱开，其外伸长度l应满足其中： E和Eb分别为压电振子和柔性拨片的杨氏模量，I和Ib分别为压电振子和柔性拨片的惯性矩，d为压电振子与柔性拨片重叠部分长度。
非工作状态下，发条弹簧处于拉伸状态，将卡块压在套筒上，压电振子不发生弯曲变形，压电片上应力分布状态不变；当乘客拉下拉绳时，经导轮及卡块拉动拉带，拉带带动转轴旋转，再经平键使激励轮转动，此时，柔性拨片端部与压电振子接触部分刚度较大，拨动压电振子悬臂端使压电振子产生弯曲变形，同时改变压电片上的应力分布状态，压电片上应力分布状态的变化过程中即将机械能转换成了电能；继续拉动拉绳，柔性拨片通过压电振子；松开拉绳，发条弹簧拉动转轴反向旋转，同时，激励轮、柔性拨片及长刚性块反向旋转，短刚性块的尺寸较小，柔性拨片端部与压电振子接触部分刚度较小，易于通过压电振子而不使压电片产生大的拉应力，同时实现再次激励，增大发电效果；当柔性拨片将压电振子自由端压到极限位置时，压电振子自由端的变形量小于其许用值，从而确保压电片上的最大压应力小于其许用值。
本发明中，激励轮顺时针转动时，柔性拨片与基板接触且柔性拨片的可变形部分短、弯曲刚度高；激励轮逆时针转动时，柔性拨片与压电片接触且柔性拨片的可变形部分长、弯曲刚度低。
本发明中，压电振子的变形特性由柔性拨片与压电振子接触部分的刚度确定，在压电振子和柔性拨片的结构及尺度确定时，可通过激励轮上的短刚性块和长刚性块的尺寸加以调整，使柔性拨片的拨动与复位时与压电振子接触的刚度不同，实现发电效果较好的同时压电片不会产生大的拉应力，可靠性高；同时，以拨片拨动的方式激励，压电振子工作在一阶模态下，发电效果好。
优势与特色：可收集人拉动拉绳的机械能发电，无需附加电源，环境适应能力强；压电振子可确保工作在一阶模态下，发电效果好，且系统发电效果易于通过短刚性块和长刚性块的尺寸调节；通过柔性拨片拨动与复位时的刚度不同，实现工作中压电振子仅承受较小的反向变形，压电片承受拉应力较小，承受压应力在其许用值内，故可靠性高。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中报警器的结构剖面图；
图2是图1的I部放大图；
图3是图1的A-A剖视图；
图4是图1的B-B剖视布线示意图；
图5是图1柔性拨片激励压电振子时的A-A剖视图；
图6是图1柔性拨片复位时的A-A剖视图。
具体实施方式
壳体侧壁n的端部经螺钉安装有带通孔的盖板a1，盖板a1的通孔处设有内凹环台a2；底座l1上经螺钉安装有内壳j，内壳j的壳底j2上设有通孔及侧柱j1，侧柱j1均布于壳底j2的圆周上，侧柱j1上经压板q及螺钉安装有一组压电振子k，压电振子k由基板k1和压电片k2粘接而成；底座l1上设有内凹圆台l2，其上通过内壳j的壳底j2的通孔压装有转轴e，转轴e另一端穿过盖板a1的通孔，在盖板a1、壳体侧壁n以及底座l1构成的腔体内，转轴e上从右至左依次装有轴承f、卡簧h、激励轮m、卡簧h及轴承f，转轴e和激励轮m经平键g连接，其中：右端轴承f内圈顶靠在内凹圆台l2上，外圈则由内壳j的壳底j2的通孔外沿压住；左端轴承f的内圈顶靠在内凹环台a2上，外圈则由经螺钉连接在盖板a1上的压环i内缘压住；激励轮m上设有均布的短刚性块m1，短刚性块m1上经螺钉安装有柔性拨片p及长刚性块o；盖板a1上经螺钉安装有套筒b，套筒b的中心与转轴e的中心相同，套筒b内的转轴e轴段上经螺钉连有拉带d及发条弹簧c，拉带d另一端经螺钉安装有卡块s，卡块s上安装有拉绳t，拉绳t经各个导轮u布置于车内；发条弹簧c的另一端经螺钉连接在套筒b上；在内壳j的壳底j2上经螺钉安装有电路板r，其上设有能量转换电路及警报系统；装置主体通过底座l1经螺钉安装在车厢内。
压电振子k为长方形悬臂梁，压电振子k经导线组与电路板r相连，压电振子k产生电能，经过电路板r上的能量转换电路将电能转换为警报系统可用的电能，发出警报，压电振子k安装时为平直结构，其工作时自由端变形量的许用值为其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm为基板k1的厚度，H为压电振子k总厚度，Em和Ep分别为基板k1和压电片k2材料的杨氏模量，k31和分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子k的悬臂长度。
为使柔性拨片p能在压电振子k自由端变形量在达到许用值前脱开，其外伸长度l应满足其中： E和Eb分别为压电振子k和柔性拨片p的杨氏模量，I和Ib分别为压电振子k和柔性拨片p的惯性矩，d为压电振子k与柔性拨片p重叠部分长度。
非工作状态下，发条弹簧c处于拉伸状态，将卡块s压在套筒b上，压电振子k不发生弯曲变形，压电片k2上应力分布状态不变；当乘客拉下拉绳t时，经导轮u及卡块s拉动拉带d，拉带d带动转轴e旋转，再经平键g使激励轮m转动，此时，柔性拨片p端部与压电振子k接触部分刚度较大，拨动压电振子k悬臂端使压电振子k产生弯曲变形，同时改变压电片k2上的应力分布状态，压电片k2上应力分布状态的变化过程中即将机械能转换成了电能；继续拉动拉绳t，柔性拨片p通过压电振子k；松开拉绳t，发条弹簧c拉动转轴e反向旋转，同时，激励轮m、柔性拨片p及长刚性块o反向旋转，短刚性块m1的尺寸较小，柔性拨片p端部与压电振子k接触部分刚度较小，易于通过压电振子k而不使压电片k2产生大的拉应力，同时实现再次激励，增大发电效果；当柔性拨片p将压电振子k自由端压到极限位置时，压电振子k自由端的变形量小于其许用值，从而确保压电片k2上的最大压应力小于其许用值。
本发明中，压电振子k的变形特性由柔性拨片p与压电振子k接触部分的刚度确定，在压电振子k和柔性拨片p的结构及尺度确定时，可通过激励轮m上的短刚性块m1和长刚性块o的尺寸加以调整，使柔性拨片p的拨动与复位时与压电振子k接触的刚度不同，实现发电效果较好的同时压电片k2不会产生大的拉应力，可靠性高；同时，以拨片拨动的方式激励，压电振子k工作在一阶模态下，发电效果好。
Claims (1)
1.一种压电式车载报警器，其特征在于：壳体侧壁的端部装有带通孔的盖板，盖板的通孔处设有内凹环台；底座上装有内壳，内壳的壳底上设有通孔及侧柱，侧柱均布于壳底的圆周上，侧柱上经压板及螺钉安装有一组压电振子，压电振子由基板和压电片粘接而成；底座上设有内凹圆台，其上通过内壳的壳底的通孔压装有转轴，转轴另一端穿过盖板的通孔，在盖板、壳体侧壁以及底座构成的腔体内，转轴上从右至左依次装有轴承、卡簧、激励轮、卡簧及轴承，转轴和激励轮经平键连接；激励轮上设有均布的短刚性块，短刚性块上装有柔性拨片及长刚性块；激励轮顺时针转动时柔性拨片与基板接触且柔性拨片的可变形部分短、弯曲刚度高，激励轮逆时针转动时，柔性拨片与压电片接触且柔性拨片的可变形部分长、弯曲刚度低；柔性拨片在压电振子自由端变形量在达到许用值前脱开；盖板上装有套筒，套筒的中心与转轴的中心相同，套筒内的转轴轴段上连接有拉带及发条弹簧，拉带另一端装有卡块，卡块上装有拉绳，拉绳经各个导轮布置于车内；发条弹簧的另一端连接在套筒上；内壳壳底上装有电路板，其上设有能量转换电路及警报系统；压电振子产生电能经过电路板上的能量转换电路处理后供给警报系统，报警系统发出警报。
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