CN108173391B - 一种集成机械整流机构的机械振动-电能转换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种集成机械整流机构的机械振动‑电能转换装置，由运动转换机构、机械整流机构、发电机构构成，所述运动转换机构用于将机械振动的线型运动转换为旋转运动，所述机械整流机构用于将双向旋转运动整流为定向旋转运动并输出至发电机构，所述发电机构用于将定向旋转运动转换为电能。本发明能充分利用振动的上升和下降两个过程的能量，并且提高了装置在大载荷瞬间冲击下的可靠性和发电效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种集成机械整流机构的机械振动-电能转换装置。
背景技术
振动与冲击在自然界中无处不在，而多数情况下振动产生的能量最终转变为无用功而浪费，如能高效地将振动产生的能量加以回收利用，将有助于减少化石燃料的使用和对环境的污染。
现有产品中主要使用齿轮齿条或者滚珠丝杆这两种机构将机械振动的线型运动转换成发电机的旋转运动，从而实现振动能量的回收与发电。然而上述两种机构均存在不足之处：
齿轮齿条机构虽然传递效率高，但由于齿轮与齿条之间不可避免地存在齿隙，当齿条受到大载荷瞬间冲击时，齿轮与齿条啮合的齿面会受到很大的作用力，对齿根强度是很大的考验，同时加剧磨损，造成可靠性低，噪音大、精度差等问题；
滚珠丝杆机构虽然可以通过预紧消除间隙，且噪音小、精度高，但普通滚珠丝杆的螺纹距较小，当承受大载荷瞬间冲击时，丝杆需要克服很大的摩擦阻力，造成能量的浪费，严重时丝杆可能会发生折弯甚至断裂。
除上述不足外，由于振动是往复的，无论是齿轮齿条机构还是滚珠丝杆机构在振动方向发生改变时，齿轮或者螺母同样会反向运动，带动发电机反向旋转，造成较大的反向冲击。
因此，如何设计一种受到大载荷瞬间冲击时可靠性较高且能量利用率高的装置，成为了亟待解决的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种集成机械整流机构的机械振动-电能转换装置，能充分利用振动的上升和下降两个过程的能量，并且提高了装置在大载荷瞬间冲击下的可靠性和发电效率。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种集成机械整流机构的机械振动-电能转换装置，其结构特点在于：
设置运动转换机构，用于将机械振动的线型运动转换为旋转运动，其为：由第一轴承支承的滚珠丝杠副的螺母顶端通过扭转减振器与机械整流机构的连接套筒底端同轴固定连接，通过滚珠丝杠副将丝杠受振动产生的上升、下降运动转换为螺母的双向旋转运动，通过连接套筒将双向旋转运动传递至机械整流机构，并以扭转减振器实现运动转换过程中的减振与储能；
设置机械整流机构，用于将双向旋转运动整流为定向旋转运动并输出至发电机构，其为：所述连接套筒的上、下端分别与锁止方向相反的第一单向离合器及第二单向离合器的内圈同轴固定装配，与所述连接套筒同轴的第一大锥齿轮与第二大锥齿轮上下对称设置在第一单向离合器与第二单向离合器之间，并分别与第一单向离合器及第二单向离合器的外圈固定装配，第一大锥齿轮与第二大锥齿轮之间通过第一小锥齿轮与第二小锥齿轮形成啮合传动，所述连接套筒与第一大锥齿轮及第二大锥齿轮的内孔之间留有间隙，以形成相对旋转；
设置发电机构，用于将定向旋转运动转换为电能，其为：第一链轮同轴装配在所述第一大锥齿轮的顶端，并通过传动链驱动第二链轮进行转动，与第二链轮同轴固定连接的第一齿轮与第二齿轮相啮合，所述第二齿轮与发电机相连接，以第一链轮、传动链、第二链轮、第一齿轮、第二齿轮构成发电机驱动机构，通过所述发电机驱动机构驱动发电机发电。
本发明的结构特点也在于：
在所述滚珠丝杠副的丝杠上间隔设置多段相同的大导程区域，各大导程区域的导程自中间位置向两边递减，以多段大导程区域共同形成螺母的工作区，初始状态下，所述螺母位于其中一个大导程区域处，并在丝杠受振动上升或下降时始终处于所述工作区内。
所述扭转减振器的结构设置为：由上板、下板两部分构成减振框架，减振框架内安置一减振弹簧部分，减振弹簧部分是由多个沿周向横置且呈等间隔布设的减振弹簧构成，在所述上板上设置多个与各减振弹簧一一对应的凹槽，减振弹簧的下端与所述下板固定连接，上端置于所述凹槽中并与凹槽内壁之间留有间隙，以实现上板与下板之间产生相对旋转。
所述第一齿轮为大齿轮，第二齿轮为小齿轮，以第一齿轮与第二齿轮构成增速齿轮副，通过增速齿轮副实现发电机增速。
本发明还包括可回位减速带机构，其为：
设置一支撑外壳，所述运动转换机构、机械整流机构及发电机构均置于支撑外壳中，在所述支撑外壳的顶端通过多个回位弹簧连接一减速带压板，所述丝杠穿过支撑外壳的顶端与所述减速带压板的下端固定连接，以所述减速带压板顶端受压带动丝杠向下运动，并通过多个回位弹簧带动丝杠复位上升。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明中通过机械整流机构将螺母的双向旋转转化为发电机的定向旋转，减小了由于振动方向发生改变时产生的反向冲击，同时实现了发电机反馈电压的整流；
2、本发明运动转换机构中，在滚珠丝杠副的丝杠上设置多段大导程区域，以多段大导程区域共同形成螺母的工作区，初始状态下，将螺母设置在其中一个大导程区域，并在丝杠受振动上升或下降时始终处于工作区内，减小了变导程的丝杠受振动做线型运动时所需克服的阻力，缓和了瞬间大载荷对装置的冲击，提高了装置的可靠性；
3、本发明利用扭转减振器将将一部分克服阻力的能量转化成弹簧的弹性势能，实现了储能和减振的双重功能，进一步提高装置的能量利用率和可靠性；
4、本发明将机械整流机构和扭转减振器巧妙地安装在滚珠丝杠副的螺母之上，安装后的高度没有超过丝杠的长度，节约了安装空间，并给丝杠预留了较大的运动行程，为收集大振幅的振动能量提供了保障；
5、本发明的机械整流机构中，第一大锥齿轮与第二大锥齿轮相当于一对储能飞轮，在振动停止后可以依靠惯性继续带动发电机旋转，提高了发电效率；
6、本发明的发电机构中，以第一齿轮与第二齿轮构成增速齿轮副，实现发电机增速，提高了发电量。
附图说明
图1是本发明集成机械整流机构的机械振动-电能转换装置的结构示意图；
图2是本发明中运动转换机构与机械整流机构装配后的结构示意图；
图3是本发明中滚珠丝杠副的结构示意图；
图4是本发明中扭转减振器的分解结构示意图；
图5是本发明中机械整流机构的分解结构示意图；
图6是本发明中去掉齿轮外壳后的发电机构的结构示意图；
图7是本发明装配上可回位减速带机构后的整体结构示意图。
图中，1丝杠；2上端盖；3第一大锥齿轮；4连接套筒；5第一小锥齿轮；6第二轴承座；7第二大锥齿轮；8扭转减振器；9第一轴承座；10第一链轮；11传动链；12第三轴承座；13第二小锥齿轮；14第二链轮；15齿轮外壳；16发电机；17第一单向离合器；18第二单向离合器；19第一齿轮；20第二齿轮；21减速带压板；22第一回位弹簧；23第二回位弹簧；24第三回位弹簧；25第四回位弹簧；26支撑外壳；81上板；82下板；83第一减振弹簧；84第二减振弹簧；85第三减振弹簧；86第四减振弹簧。
具体实施方式
以下就本发明集成机械整流机构的机械振动-电能转换装置的具体实施方式结合附图予以详细说明。
请参照图1及图2，本实施例的集成机械整流机构的机械振动-电能转换装置，其结构具体为：
设置运动转换机构，用于将机械振动的线型运动转换为旋转运动，其为：由第一轴承支承的滚珠丝杠副的螺母顶端通过扭转减振器8与机械整流机构的连接套筒4底端同轴固定连接，通过滚珠丝杠副将丝杠1受振动产生的上升、下降运动转换为螺母的双向旋转运动，通过连接套筒4将双向旋转运动传递至机械整流机构，并以扭转减振器8实现运动转换过程中的减振与储能；
设置机械整流机构，用于将双向旋转运动整流为定向旋转运动并输出至发电机构，其为：参见图5，连接套筒4的上、下端分别与锁止方向相反的第一单向离合器17及第二单向离合器18的内圈同轴固定装配，与连接套筒4同轴的第一大锥齿轮3与第二大锥齿轮7上下对称设置在第一单向离合器17与第二单向离合器18之间，并分别与第一单向离合器17及第二单向离合器18的外圈固定装配，第一大锥齿轮3与第二大锥齿轮7之间通过第一小锥齿轮5与第二小锥齿轮13形成啮合传动，连接套筒4与第一大锥齿轮3及第二大锥齿轮7的内孔之间留有间隙，以形成相对旋转；
设置发电机构，用于将定向旋转运动转换为电能，其为：参见图6，第一链轮10同轴装配在第一大锥齿轮3的顶端，并通过传动链11驱动第二链轮14进行转动，与第二链轮14同轴固定连接的第一齿轮19与第二齿轮20相啮合，第二齿轮20与发电机16相连接，以第一链轮10、传动链11、第二链轮14、第一齿轮19、第二齿轮20构成发电机16驱动机构，通过发电机16驱动机构驱动发电机16发电。
上述运动转换机构中，螺母通过第一轴承与第一轴承座9固定装配，可避免丝杠1在上下移动时与第一轴承座9分离。
上述机械整流机构中，第一小锥齿轮5和第二小锥齿轮13分别由第二轴承和第三轴承支承，第二轴承和第三轴承分别支撑于第二轴承座6及第三轴承座12上。
上述发电机构中，第一大锥齿轮3的顶端与上端盖2同轴固定连接，第一链轮10同轴装配在上端盖2上。
具体实施中，相应的结构设置也包括：
在滚珠丝杠副的丝杠1上间隔设置多段相同的大导程区域，其余部分为导程为定值的小导程区域，各大导程区域的导程自中间位置向两边递减，以多段大导程区域共同形成螺母的工作区，初始状态下(装置不受振动时)，螺母位于其中的大导程区域处，并在丝杠1受振动上升或下降时始终处于工作区内。
在实际应用时，不同振动环境下需要的丝杠1有所不同，可以根据实际情况配置大导程区域的长度、位置、数量以及导程变化率，制造与振动特征相匹配的丝杠1，使装置在受到大载荷瞬间冲击时，螺母始终处于大导程区域附近，以更好地减缓冲击。
下面参照图3详细介绍本实施例中滚珠丝杠副的结构。在丝杠1上以较小的间距间隔设置上、下两段大导程区域，当装置不受振动时，螺母位于下方的大导程区域处，当装置受到振动时，丝杠1向下移动至螺母变换位置至上方的大导程区域处，此后，丝杠1改变移动方向向上移动复位，螺母回位至下方的大导程区域处，使得丝杠1在开始移动和改变方向时所需克服的阻力大大减小。
图4是扭转减振器8的分解结构示意图，其结构设置为：由上板81、下板82两部分构成减振框架，减振框架内安置一减振弹簧部分，减振弹簧部分是由沿周向横置且呈等间隔布设的第一减振弹簧83、第二减振弹簧84、第三减振弹簧85及第四减振弹簧86构成，在上板81上设置多个与各减振弹簧一一对应的凹槽，减振弹簧的下端与下板82固定连接，上端置于凹槽中并与凹槽内壁之间留有间隙，以实现上板81与下板82之间产生相对旋转。
具有以上构造的扭转减振器8以上板81的顶端与连接套筒4的底端通过螺栓同轴固定连接，以下板82的底端与螺母的顶端通过螺栓同轴固定连接，当螺母带动下板82旋转时，下板82通过旋转压缩第一减振弹簧83、第二减振弹簧84、第三减振弹簧85及第四减振弹簧86，将一部分能量转化成弹性势能，随着下板82继续移动，弹性势能释放，带动上板81一起做旋转运动，从而提高了振动能量的利用率。
图6是去掉齿轮外壳15后的发电机构的结构示意图，作为一个优选的方案，设置第一齿轮19为大齿轮，第二齿轮20为小齿轮，以第一齿轮19与第二齿轮20构成增速齿轮副，可以依据实际发电需求设置增速齿轮副相应的传动比，通过增速齿轮副实现发电机16增速，从而提高发电量。
下面参照图7详细说明具有以上构造的集成机械整流机构的机械振动-电能转换装置在应用于汽车减速带能量回收中的结构设置：
设置一支撑外壳26，运动转换机构、机械整流机构及发电机构均置于该支撑外壳26中，在支撑外壳26的顶端四角分别通过第一回位弹簧22、第二回位弹簧23、第三回位弹簧24、第四回位弹簧25连接一减速带压板21，丝杠1穿过支撑外壳26顶端的开孔与减速带压板21的下端固定连接，以减速带压板21顶端受压带动丝杠1向下运动，并通过多个回位弹簧带动丝杆复位上升。
其中，为避免影响丝杠1做线型运动，开孔的孔径应大于丝杠1的外径；此外，第一轴承座9、第二轴承座6及第三轴承座12分别固定安装在支撑外壳26的内壁上，发电机16固定安装在支撑外壳26内。
当汽车通过减速带时，与减速带压板21相连的丝杠1受到压力而向下运动，从上向下看，螺母此时处于下边的大导程区域，且在压力的作用下产生逆时针的旋转运动，由于扭转减振器8的下板82与螺母通过螺栓固定连接，当螺母带动下板82旋转时，下板82通过旋转压缩第一减振弹簧83、第二减振弹簧84、第三减振弹簧85和第四减振弹簧86将一部分能量转化成的弹性势能，随着下板82继续移动，弹性势能释放，带动上板81一起做旋转运动，从而带动连接套筒4逆时针旋转。连接套筒4的两端分别与第一单向离合器17与第二单向离合器18的内圈固连，且第一单向离合器17与第二单向离合器18根据锁止方向不同进行反向设置，所以当连接套筒4旋转时，必然一个单向离合器锁止，另一个单向离合器空转，并且离合器的锁止与空转随着连接套筒4旋转方向的改变而不断交替。此时连接套筒4逆时针旋转，第一单向离合器17空转，第二单向离合器18锁止，由于第二单向离合器18的外圈与第二大锥齿轮7固连，从而带动第二大锥齿轮7逆时针旋转。通过设置在第一大锥齿轮3和第二大锥齿轮7之间的第一小锥齿轮5和第二小锥齿轮13的传递作用，带动第一大锥齿轮3做顺时针旋转运动。由于上端盖2与第一大锥齿轮3固连，第一链轮10与上端盖2固连，从而带动第一链轮10的顺时针旋转运动。通过设置在第一链轮10和第二链轮14之间的传动链11带动第一齿轮19顺时针转动，再通过第一齿轮19与第二齿轮20的增速作用驱动发电机16逆时针转动实现发电。当汽车通过减速带后，减速带压板21在第一回位弹簧22、第二回位弹簧23、第三回位弹簧24和第四回位弹簧25的作用下，带动丝杠1做向上运动时，螺母此时处于上边的大导程区域，且做顺时针旋转。此时第一单向离合器17锁止，第二单向离合器18空转。由于第一单向离合器17的外圈与第一大锥齿轮3固连，从而带动第一大锥齿轮3和第一链轮10的顺时针转动。经过传动链11、第二链轮14、第一齿轮19和第二齿轮20的传动，最终同样实现了发电机16的逆时针转动而进行发电。汽车通过减速带后，螺母回到下方的大导程区域，为下一次汽车通过减速带做准备。
需要说明的是，本实施例的集成机械整流机构的机械振动-电能转换装置还可以应用于其他振动能量回收的系统中，依据具体的应用场景做相应的结构设计即可。
还需要指出，本发明的实施不局限于上述实施例，若有其他相同或相似形式也属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种集成机械整流机构的机械振动-电能转换装置，其特征是：
设置运动转换机构，用于将机械振动的线型运动转换为旋转运动，其为：由第一轴承支承的滚珠丝杠副的螺母顶端通过扭转减振器(8)与机械整流机构的连接套筒(4)底端同轴固定连接，通过滚珠丝杠副将丝杠(1)受振动产生的上升、下降运动转换为螺母的双向旋转运动，通过连接套筒(4)将双向旋转运动传递至机械整流机构，并以扭转减振器(8)实现运动转换过程中的减振与储能；
设置机械整流机构，用于将双向旋转运动整流为定向旋转运动并输出至发电机构，其为：所述连接套筒(4)的上、下端分别与锁止方向相反的第一单向离合器(17)及第二单向离合器(18)的内圈同轴固定装配，与所述连接套筒(4)同轴的第一大锥齿轮(3)与第二大锥齿轮(7)上下对称设置在第一单向离合器(17)与第二单向离合器(18)之间，并分别与第一单向离合器(17)及第二单向离合器(18)的外圈固定装配，第一大锥齿轮(3)与第二大锥齿轮(7)之间通过第一小锥齿轮(5)与第二小锥齿轮(13)形成啮合传动，所述连接套筒(4)与第一大锥齿轮(3)及第二大锥齿轮(7)的内孔之间留有间隙，以形成相对旋转；
设置发电机构，用于将定向旋转运动转换为电能，其为：第一链轮(9)同轴装配在所述第一大锥齿轮(3)的顶端，并通过传动链(10)驱动第二链轮(14)进行转动，与第二链轮(14)同轴固定连接的第一齿轮(19)与第二齿轮(20)相啮合，所述第二齿轮(20)与发电机(16)相连接，以第一链轮(9)、传动链(10)、第二链轮(14)、第一齿轮(19)、第二齿轮(20)构成发电机驱动机构，通过所述发电机驱动机构驱动发电机(16)发电。
2.根据权利要求1所述的集成机械整流机构的机械振动-电能转换装置，其特征是：在所述滚珠丝杠副的丝杠(1)上间隔设置多段相同的大导程区域，其余部分为导程为定值的小导程区域，各大导程区域的导程自中间位置向两边递减，以多段大导程区域共同形成螺母的工作区，初始状态下，所述螺母位于其中一个大导程区域处，并在丝杠(1)受振动上升或下降时始终处于所述工作区内。
3.根据权利要求1所述的集成机械整流机构的机械振动-电能转换装置，其特征是所述扭转减振器(8)的结构设置为：由上板(81)、下板(82)两部分构成减振框架，减振框架内安置一减振弹簧部分，减振弹簧部分是由多个沿周向横置且呈等间隔布设的减振弹簧构成，在所述上板(81)上设置多个与各减振弹簧一一对应的凹槽，减振弹簧的下端与所述下板(82)固定连接，上端置于所述凹槽中并与凹槽内壁之间留有间隙，以实现上板(81)与下板(82)之间产生相对旋转。
4.根据权利要求1所述的集成机械整流机构的机械振动-电能转换装置，其特征是：所述第一齿轮(19)为大齿轮，第二齿轮(20)为小齿轮，以第一齿轮(19)与第二齿轮(20)构成增速齿轮副，通过增速齿轮副实现发电机(16)增速。
5.根据权利要求1所述的集成机械整流机构的机械振动-电能转换装置，其特征是还包括可回位减速带机构，其为：
设置一支撑外壳(26)，所述运动转换机构、机械整流机构及发电机构均置于支撑外壳(26)中，在所述支撑外壳(26)的顶端通过多个回位弹簧连接一减速带压板(21)，所述丝杠(1)穿过支撑外壳(26)的顶端与所述减速带压板(21)的下端固定连接，以所述减速带压板(21)顶端受压带动丝杠(1)向下运动，并通过多个回位弹簧带动丝杠(1)复位上升。
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