CN109488546A - 滚动式双棘轮道路能量收集机构 - Google Patents

Abstract

滚动式双棘轮道路能量收集机构由箱体、主滚轮、运动调整器、卷簧与发电机组成。主滚轮由两个大法兰、铝筒与硅胶套组成。主滚轮通过两个大角接触轴承设置在箱体内，主滚轴顶部从箱体上盖的长方形孔中伸出，主滚轮的主驱动轴上设置有可供复位的卷簧。主滚轮内部装配有运动调整器与发电机，运动调整器由两个不同方向的棘轮机构与行星轮系变向机构组成。当车辆驶至此装置，轮胎推动主滚轮正转；轮胎经过后，卷簧带动主滚轮进行复位。主滚轮的双向转动可通过运动调整器转化为发电机的单向旋转从而发电。本发明具有不受限于减速带、不引起车辆颠簸、能量采集效率较高的特点。

Description

滚动式双棘轮道路能量收集机构

技术领域

本发明涉及将机械能转换为电能的装置，特别涉及一种道路能量采集装置。

背景技术

大力发展清洁新能源不仅可以改善我国能源结构，有利于环境保护，还可实现我国能源的可持续发展。传统意义上，人类目前大规模使用的新能源主要来自于太阳能、核能、生物质能和风能，但是要利用这些能量所需要的技术要求较高且成本不菲。近些年，能量采集已成为在不消耗现有自然资源的前提下最具发展潜力的一项技术。能量采集是指那些从外部环境获取的且未被有效利用的能量，并将其转化为可利用的能源形式。道路能量采集是一种新型的新能源节能发电技术，可在不影响机动车正常行驶的情况下将行驶中的车辆的部分动能转化为电能并存储备用。开展道路能量采集研究，有效地进行新能源节能发电技术分析，为道路能量采集系统的研制和应用提供理论支持和技术基础，在新能源需求日益迫切的今天，不仅具有极高的理论和研究价值，还具有重大的经济效益和产业价值。

据检索，目前已有相关的道路能量采集装置，如申请号201721490677.3名称为“一种模块化公路减速带发电装置”的中国专利，通过滑箱体、发电单元、防护板和弹性盖板进行发电。此装置有以下缺点：首先，弹性盖板是凸出路面的，车辆碾过时会产生较大颠簸；其次，装置内部零件过多，易产生故障，不易维修，可靠性低。

又如申请号201611220535.5名称为“一种车辆单向行驶减速带发电装置及方法”的中国专利，包括减速带主体和发电模块；减速带主体包括第一减速带主体和第二减速带主体两个部分。此装置存在以下两个问题，首先传动机构过多，传动效率低，严重影响能量采集效率；其次，此装置的第一减速带部分会使车辆轮胎先上升后下降，严重影响了车辆行驶的舒适度。

发明内容

本发明的目的是提供一种不受限于减速带、不引起车辆颠簸、能量采集效率较高的滚动式双棘轮道路能量收集机构。

本发明的目的是这样实现的：一种滚动式双棘轮道路能量收集机构，主滚轮结构为：由左、右侧大法兰分别固定在铝筒左、右端开口上形成一个卧式滚筒，该滚筒上覆盖有硅胶套；长方体形箱体的上盖上开有一个长方形孔，设置在该箱体内的主滚轮顶部经由上盖的长方形孔向外伸出、以供车辆轮胎摩擦传动；主驱动轴左端经小深沟球轴承一安装在箱体左侧立板上，主驱动轴中部经小深沟球轴承二安装在主滚筒的左侧大法兰颈部管节内，且大角接触球轴承一内圈固定在左侧大法兰颈部管节上，大角接触球轴承一外圈固定在箱体中部偏左壁的孔内，主驱动轴右端经联轴器与发电机轴联接；位于箱体左侧主板与中部偏左壁之间的主驱动轴上设置有卷簧，位于箱体中部偏左侧壁与联轴器之间的主驱动轴上顺次设置有反向棘轮、正向棘轮以及直齿轮：反向棘轮安装在主驱动轴上，正向棘轮经小深沟球轴承四安装在主驱动轴上，直齿轮安装在主驱动轴上；正向棘轮右侧面上有一圆形凹面，且该凹面形成一个环形内壁，内齿轮固定在该环形内壁上，发电机安装在方形电机支架内，行星齿轮的轴经小深沟球轴承五安装在方形电机支架的左侧立板上，行星齿轮同时与内齿轮以及直齿轮啮合传动；与主驱动轴和发电机轴同轴设置的固定轴左端经法兰固定在方形电机支架的右侧立板上，固定轴右端经小深沟球轴承三安装在右侧大法兰的颈部管节内，且大角接触球轴承二内圈固定在右侧大法兰的颈部管节上，大角接触球轴承二外圈固定在箱体右侧立板的孔内；主滚筒的铝筒内壁上对应于反向棘轮以及正向棘轮的位置处固定有两个铁环，反向棘爪经轴可转动地安装在一个铁环的两个耳板上，正向棘爪经轴可转动地安装在另一个铁环的两个耳板上，上述正、反向棘爪的轴上均设置有压迫棘爪使之与棘轮啮合的扭簧。

所述固定轴右端伸出的大角接触球轴承二的外端上还设置有卧式固定支架。卧式固定支架通过螺栓固定在右侧立板上，同时它夹紧固定轴的右端，所以卧式固定支架的作用是将固定轴的固定在右侧立板内。设置在大角接触球轴承二内部的小深沟球轴承三对固定轴有一个支撑与导向的作用。因为固定轴左端连接有电机支架以及电机等，左端产生的载荷会对固定轴形成一个较大的弯矩，所以若无小深沟球轴承三，固定轴的右端仅仅靠卧式固定支架固定，容易造成固定轴弯曲、损坏。

本发明的工作过程与原理：本装置设置在单向车道内，整个箱体内嵌在路面下方，箱体上盖的上表面与路面平齐。

当车辆轮胎开始触碰到主滚轮时，主滚轮通过车辆轮胎的推动使自身正向转动，同时与主滚轮固接的卷簧开始收紧，但不会收到全紧状态；当轮胎驶过装置后，主滚轮由于卷簧的复位作用开始反向转动。因此，每次车辆的一个轮胎经过，主滚轮都会进行一次正转与反转运动。对于一般轮距正常的车辆，在后面的轮胎开始触碰主滚轮之前，卷簧的复位运动已经结束，车辆后面的轮胎不会在卷簧未复位完全之前就继续推动主滚轮；对于轮距很近的车辆，后面轮胎在卷簧未复位后便对卷簧进行激励，但由于所采用的卷簧被轮胎连续激励拉紧六次才至最紧，所以轮距很近的车辆经过本装置时不会存在卷簧被拉紧后还被激励而导致卷簧损坏的情况发生。

下面介绍主滚轮正向转动与反向转动时其内部各零件的运动状况：

当主滚轮在轮胎的推动下正向转动时，设置在铁环上的正向棘爪与正向棘轮啮合，从而带动正向棘轮正向旋转，所以与正向棘轮固接的内齿轮正向转动，带动行星齿轮正向转动，所以与行星齿轮啮合的直齿轮反向转动。由于直齿轮固定在主驱动轴上，所以主驱动轴随直齿轮反向转动，与主驱动轴相固接的反向棘轮也做反向转动；由于反向棘爪跟随主滚轮做正向转动，而反向棘轮为反向转动，所以此时反向棘爪与反向棘轮处于非啮合状态，反向棘爪无法传递给反向棘轮扭矩，所以主驱动轴平稳的反向转动，并通过联轴器带动发电机轴反向转动。

当主滚轮在卷簧复位带动下反向转动时，设置在另一个铁环上的反向棘爪与反向棘轮啮合，从而带动反向棘轮反向旋转，所以与反向棘轮固接的主驱动轴反向转动；此时固定在主驱动轴上的直齿轮反向转动，带动行星齿轮正向转动，行星齿轮带动内齿轮正向转动，从而带动与内齿轮固接的正向棘轮正向转动；此时由于正向棘爪跟随主滚轮做反向转动，而正向棘轮为正向转动，所以正向棘爪与正向棘轮处于非啮合状态，所以正向棘爪无法传递给正向棘轮扭矩，所以主驱动轴仍不受影响的反向转动，并通过联轴器带动发电机轴反向转动。所以，无论主滚轮在轮胎推动下正向转动还是卷簧复位作用下反向转动，发电机轴始终进行反向转动。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过大法兰、铝筒与硅胶套组成的主滚轮机构，可以利用车辆轮胎经过时的推进力，使主滚轮进行正向转动，并收紧卷簧；当车轮经过后，卷簧复位，带动主滚轮反向转动。此外，通过两组方向相反的棘轮机构与一组行星轮系的作用，可以将主滚轮的双向滚动转化为主驱动轴的单向旋转运动，从而带动发电机轴始终朝着一个方向旋转，避免了发电机在多个轮胎经过后双向转动产生的能量损失，提高了发电效率；同时避免了双向转动带来的高频冲击，有利于延长发电机寿命；主滚轮外部的硅胶套增强了装置与轮胎之间的摩擦力，避免了打滑；同时柔软的材质减少了对轮胎的冲击，加上不突出路面的结构设计，极大的减小了引起车辆颠簸的可能。

本发明具有不受限于减速带、不引起车辆颠簸、能量采集效率较高等特点。该道路能量采集装置可应用于需要减速或不需要减速的路段。每次车辆经过此装置时，轮胎首先推动主滚轮正转，同时卷簧收紧；待轮胎经过后，卷簧复位并带动主滚轮回转。主滚轮的正转反转通过一系列的机械结构转换为发电机的单向转动，从而进行发电，进而为道路旁的一系列交通设备等进行供电。

附图说明

图1是本发明的整体外观图。

图2是本发明的箱体剖视图。

图3是本发明的整体主滚轮内部结构图。

图4是本发明的棘轮装配说明图。

图5是本发明的右侧大法兰装配说明图。

图6是本发明的轮系传动示意图。

图7是本发明的棘爪装配示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对发明做进一步的详细说明。

参见图1～图7，本滚动式双棘轮道路能量收集机构中，主滚轮结构为：由左、右侧大法兰5、7分别固定在铝筒23左、右端开口上形成一个卧式滚筒，该滚筒上覆盖有硅胶套11；长方体形箱体2的上盖1上开有一个长方形孔，设置在该箱体2内的主滚轮顶部经由上盖1的长方形孔向外伸出、以供车辆轮胎摩擦传动；主驱动轴14左端经小深沟球轴承一3安装在箱体2左侧立板上（指主驱动轴固定在该球轴承一的内圈上，该球轴承一的外圈固定在左侧立板的空腔，下同），主驱动轴14中部经小深沟球轴承二13安装在主滚筒的左侧大法兰5颈部管节内（指主驱动轴固定在轴承二内圈，轴承二外圈固定在该管节内，下同），且大角接触球轴承一12内圈固定在左侧大法兰5颈部管节上，大角接触球轴承一12外圈固定在箱体2中部偏左壁的孔内，主驱动轴14右端经联轴器29与发电机20轴联接；位于箱体2左侧主板与中部偏左壁之间的主驱动轴14上设置有卷簧4，位于箱体2中部偏左侧壁与联轴器29之间的主驱动轴14上顺次设置有反向棘轮16、正向棘轮17以及直齿轮19：反向棘轮16安装在主驱动轴上，正向棘轮17经小深沟球轴承四28安装在主驱动轴上，直齿轮19安装在主驱动轴上；参见图6，正向棘轮17右侧面上有一圆形凹面，且该凹面形成一个环形内壁，内齿轮18固定在该环形内壁上，发电机20安装在方形电机支架21（由上、下、左、右四个侧立板构成）内，行星齿轮30的轴经小深沟球轴承五31安装在方形电机支架31的左侧立板上，行星齿轮30同时与内齿轮18以及直齿轮19啮合传动；与主驱动轴和发电机轴同轴设置的固定轴10左端经法兰22固定在方形电机支架21的右侧立板上，固定轴10右端经小深沟球轴承三24安装在右侧大法兰7的颈部管节内，且大角接触球轴承二8内圈固定在右侧大法兰7的颈部管节上，大角接触球轴承二8外圈固定在箱体2右侧立板6的孔内；主滚筒的铝筒23内壁上对应于反向棘轮16以及正向棘轮17的位置处固定有两个铁环15，反向棘爪25经轴可转动地安装在一个铁环的两个耳板上，正向棘爪26经轴可转动地安装在另一个铁环的两个耳板上，上述正、反向棘爪26、25的轴上均设置有压迫棘爪使之与棘轮啮合的扭簧27。

固定轴10右端伸出的大角接触球轴承二8的外端上还设置有卧式固定支架9。卧式固定支架通过螺栓固定在右侧立板上，同时它夹紧固定轴的右端，所以卧式固定支架的作用是将固定轴的固定在右侧立板内。设置在大角接触球轴承二内部的小深沟球轴承三对固定轴有一个支撑与导向的作用。因为固定轴左端连接有电机支架以及电机等，左端产生的载荷会对固定轴形成一个较大的弯矩，所以若无小深沟球轴承三，固定轴的右端仅仅靠卧式固定支架固定，容易造成固定轴弯曲、损坏。本滚动式双棘轮道路能量收集机构，主要由箱体、主滚轮、运动调整器、卷簧4与发电机20组成。箱体由上盖1、侧盖即右侧立板6与箱体主体2组成，主滚轮由两个大法兰、铝筒23与硅胶套11组成。运动调整器由两组作用方向不同的棘轮机构与行星轮系变向机构组成。箱体主体2左壁（即卧式铝筒的圆形左封板）、中部偏左壁（即卧式筒的中部偏左的圆形隔板，即图2中平行于箱体左侧立板的中部偏左隔板）与右侧立板6（侧盖，即卧式铝筒的圆形右封板）中部设有一个小孔和两个大孔，小孔内固定有小深沟球轴承一3（即小型深沟球轴承，下同），两个大孔内分别固定有大角接触球轴承一12（即接触角较大的角接触球轴承，接触角越大，承载负荷能力越大）与大角接触球轴承二8，大角接触球轴承一12、大角接触球轴承二8内分别设置有两个相对方向的大法兰。左侧大法兰5与右侧大法兰7内部分别设有小深沟球轴承二13与小深沟球轴承三24。左侧大法兰5与右侧大法兰7的凸缘外壁分别与大角接触球轴承一12、大角接触球轴承二8的内壁过盈配合，左侧大法兰5与右侧大法兰7的内壁分别与小深沟球轴承二13、小深沟球轴承三24的外壁过盈配合。两个大法兰之间通过螺栓螺母固定有一个铝筒23。铝筒23内壁靠近左部固定有两个铁环15，两个铁环15的内侧凸出部分分别设置有正向棘爪26与反向棘爪25，两个棘爪与铁环15之间均设置有扭簧27。小深沟球轴承一3与小深沟球轴承二13内部设置有主驱动轴14。在正向棘爪26与反向棘爪25的对应位置上，分别设置有正向棘轮17与反向棘轮16。正向棘轮17通过小深沟球轴承四28设置在主驱动轴14上，反向棘轮16直接通过平键固定在主驱动轴14上。一根固定轴10穿过小深沟球轴承三24，其右端通过一个卧式固定支架9固定在侧盖上，固定轴10外表面与小深沟球轴承三24内表面为过盈配合。固定轴10左端通过一个小型法兰22与一个方形电机支架21固接，发电机20通过螺栓螺母固定在方形电机支架21内部，发电机轴朝向左方。在正向棘轮17内部通过焊接固定有一个内齿轮18，内齿轮18在主驱动轴14的对应位置通过平键固定有一个直齿轮19，直齿轮19与内齿轮18间设置有一个只进行自转的行星齿轮30，此行星齿轮30通过一小深沟球轴承五31装配在方形电机支架21上，位于发电机20的正上方。发电机轴与主驱动轴14通过联轴器29相连接。左侧大法兰5外侧设置有一个卷簧4（卷簧内端固定在主驱动轴上，外端固定在机架上），卷簧4内侧的端部焊接在左侧大法兰5的凸缘外侧，卷簧4外侧的端部固定在箱体主体2前壁内。铝筒23的外表面与一个硅胶套11粘接。

所述主驱动轴14、发电机轴与固定轴10同轴心。

所述正向棘爪26与反向棘爪25的作用方向相反，且通过扭簧27的作用与对应的棘轮相接触。

所述主滚轮最上部与上盖1上端基本平齐。

本发明通过大法兰、铝筒23与硅胶套11组成的主滚轮机构，可以利用车辆轮胎经过时的推进力，使主滚轮进行正向转动，并收紧卷簧4；当车轮经过后，卷簧4复位，带动主滚轮反向转动。此外，通过两组方向相反的棘轮机构与一组行星轮系的作用，可以将主滚轮的双向滚动转化为主驱动轴14的单向旋转运动，从而带动发电机轴始终朝着一个方向旋转，避免了发电机20在多个轮胎经过后双向转动产生的能量损失，提高了发电效率；同时避免了双向转动带来的高频冲击，有利于延长发电机寿命；主滚轮外部的硅胶套11增强了装置与轮胎之间的摩擦力，避免了打滑；同时柔软的材质减少了对轮胎的冲击，加上不突出路面的结构设计，极大的减小了引起车辆颠簸的可能。

本发明的工作过程与原理：本装置设置在单向车道内，整个箱体内嵌在路面下方，箱体上盖1的上表面与路面平齐。

当车辆轮胎开始触碰到主滚轮时，主滚轮通过车辆轮胎的推动使自身正向转动，同时与主滚轮固接的卷簧4开始收紧，但不会收到全紧状态；当轮胎驶过装置后，主滚轮由于卷簧4的复位作用开始反向转动。因此，每次车辆的一个轮胎经过，主滚轮都会进行一次正转与反转运动。对于一般轮距正常的车辆，在后面的轮胎开始触碰主滚轮之前，卷簧4的复位运动已经结束，车辆后面的轮胎不会在卷簧4未复位完全之前就继续推动主滚轮；对于轮距很近的车辆，后面轮胎在卷簧4未复位后便对卷簧4进行激励，但由于所采用的卷簧4被轮胎连续激励拉紧六次才至最紧，所以轮距很近的车辆经过本装置时不会存在卷簧4被拉紧后还被激励而导致卷簧4损坏的情况发生。

下面介绍主滚轮正向转动与反向转动时其内部各零件的运动状况：

当主滚轮在轮胎的推动下正向转动时，设置在铁环15上的正向棘爪26与正向棘轮17啮合，从而带动正向棘轮17正向旋转，所以与正向棘轮17固接的内齿轮18正向转动，带动行星齿轮30正向转动，所以与行星齿轮30啮合的直齿轮19反向转动。由于直齿轮19固定在主驱动轴14上，所以主驱动轴14随直齿轮19反向转动，与主驱动轴14相固接的反向棘轮16也做反向转动；由于反向棘爪25跟随主滚轮做正向转动，而反向棘轮16为反向转动，所以此时反向棘爪25与反向棘轮16处于非啮合状态，反向棘爪25无法传递给反向棘轮16扭矩，所以主驱动轴14平稳的反向转动，并通过联轴器29带动发电机轴反向转动。

当主滚轮在卷簧4复位带动下反向转动时，设置在另一个铁环15上的反向棘爪25与反向棘轮16啮合，从而带动反向棘轮16反向旋转，所以与反向棘轮16固接的主驱动轴14反向转动；此时固定在主驱动轴14上的直齿轮19反向转动，带动行星齿轮30正向转动，行星齿轮30带动内齿轮18正向转动，从而带动与内齿轮18固接的正向棘轮17正向转动；此时由于正向棘爪26跟随主滚轮做反向转动，而正向棘轮17为正向转动，所以正向棘爪26与正向棘轮17处于非啮合状态，所以正向棘爪26无法传递给正向棘轮17扭矩，所以主驱动轴14仍不受影响的反向转动，并通过联轴器29带动发电机轴反向转动。所以，无论主滚轮在轮胎推动下正向转动还是卷簧复位作用下反向转动，发电机轴始终进行反向转动。

Claims (2)

1.一种滚动式双棘轮道路能量收集机构，其特征在于，主滚轮结构为：由左、右侧大法兰（5、7）分别固定在铝筒（23）左、右端开口上形成一个卧式滚筒，该滚筒上覆盖有硅胶套（11）；长方体形箱体（2）的上盖（1）上开有一个长方形孔，设置在该箱体（2）内的主滚轮顶部经由上盖（1）的长方形孔向外伸出、以供车辆轮胎摩擦传动；主驱动轴（14）左端经小深沟球轴承一（3）安装在箱体（2）左侧立板上，主驱动轴（14）中部经小深沟球轴承二（13）安装在主滚筒的左侧大法兰（5）颈部管节内，且大角接触球轴承一（12）内圈固定在左侧大法兰（5）颈部管节上，大角接触球轴承一（12）外圈固定在箱体（2）中部偏左壁的孔内，主驱动轴（14）右端经联轴器（29）与发电机（20）轴联接；位于箱体（2）左侧主板与中部偏左壁之间的主驱动轴（14）上设置有卷簧（4），位于箱体（2）中部偏左侧壁与联轴器（29）之间的主驱动轴（14）上顺次设置有反向棘轮（16）、正向棘轮（17）以及直齿轮（19）：反向棘轮（16）安装在主驱动轴上，正向棘轮（17）经小深沟球轴承四（28）安装在主驱动轴上，直齿轮（19）安装在主驱动轴上；正向棘轮（17）右侧面上有一圆形凹面，且该凹面形成一个环形内壁，内齿轮（18）固定在该环形内壁上，发电机（20）安装在方形电机支架（21）内，行星齿轮（30）的轴经小深沟球轴承五（31）安装在方形电机支架（31）的左侧立板上，行星齿轮（30）同时与内齿轮（18）以及直齿轮（19）啮合传动；与主驱动轴和发电机轴同轴设置的固定轴（10）左端经法兰（22）固定在方形电机支架（21）的右侧立板上，固定轴（10）右端经小深沟球轴承三（24）安装在右侧大法兰（7）的颈部管节内，且大角接触球轴承二（8）内圈固定在右侧大法兰（7）的颈部管节上，大角接触球轴承二（8）外圈固定在箱体（2）右侧立板（6）的孔内；主滚筒的铝筒（23）内壁上对应于反向棘轮（16）以及正向棘轮（17）的位置处固定有两个铁环（15），反向棘爪（25）经轴可转动地安装在一个铁环的两个耳板上，正向棘爪（26）经轴可转动地安装在另一个铁环的两个耳板上，上述正、反向棘爪（26、25）的轴上均设置有压迫棘爪使之与棘轮啮合的扭簧（27）。

2.根据权利要求1所述的一种滚动式双棘轮道路能量收集机构，其特征在于，所述固定轴（10）右端伸出的大角接触球轴承二（8）的外端上还设置有卧式固定支架（9）。