CN112039367B - 四象限馈能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了四象限馈能装置，包括一反力机构和两馈能单元，反力机构包括接地齿轮和与接地齿相啮合的两齿条；所述馈能单元包括馈能安装架、输入齿轮、发电机，馈能安装架滑动安装在基座上，输入齿轮与发电机的输入轴相连接；两馈能单元包括驱动侧馈能单元和非驱动侧馈能单元，两馈能单元的输入齿轮均位于两齿条内侧且与对应侧的齿条相啮合，两馈能单元的发电机外壳在远离输入齿轮的一端横跨设置有一连接板，通过连接板将两馈能单元的发电机外壳固定连接。本发明相对于现有技术的优点：实现了半主动执行器四象限工作和能量回收的一体化功能集成。
Description
技术领域
本发明涉及一种振动能量收集装置，更具体地说是一种四象限馈能装置。
背景技术
进行转换并收集环境中“浪费掉”机械振动能量是当前国内外研究的热点和前沿科学，一方面若能实现电子设备的自供能，就能很好地解决电子设备对于外部能源的依赖，另一方面可以减少化石燃料的消耗，符合节能减排的社会要求。振动能量回收拥有非常可观的实际应用价值。同时，振动和冲击影响着生产和生活，应设法将其不利影响降至最低。
现有振动能量收集方法分为适用于高频小振幅振动能量收集的压电式、电荷式与悬臂梁电磁式，此类能量收集装置在受到低频大振幅激励时，馈能效率低下，并容易产生结构破坏。另一类是应用于低频大振幅振动能量收集的直线电磁式与旋转电磁式。此类装置在受到高频小振幅振动激励时，馈能效率低下，响应速度缓慢。两类装置在受到宽频带激励对时，馈能效果均下降。
现有振动控制执行器根据工作过程中有无能量输入可分为三类：主动式、半主动式与被动式。主动式执行器在任何工作状况下都拥有较好的控制效果，但能耗较高，而被动式执行器只在特定的激励下才能发挥出最好的效果。半主动式执行器以耗能少，控制范围宽等优点受到广泛关注。半主动执行器中最佳工作频带最接近于主动式执行器的是四象限式半主动执行器。但现有应用于四象限式半主动执行器(专利申请公开号为CN109667877A)的次级执行器在工作时振动能量均以热能形式耗散到大气中，无法做到振动能量收集。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种四象限馈能装置，以期能够满足四象限式半主动执行器工作要求，并能够在宽频带激励下实现振动能量的高效收集。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
四象限馈能装置，包括一反力机构和两馈能单元，所述反力机构包括接地齿轮和位于接地齿轮两侧且平行设置的两齿条，所述接地齿轮转动安装在基座上，两齿条分别为驱动侧齿条和非驱动侧齿条，两齿条分别与接地齿轮相啮合；
每组馈能单元包括馈能安装架、输入齿轮、发电机，所述馈能安装架滑动安装在所述基座上，且馈能安装架能沿着与齿条平行的方向滑动，所述输入齿轮转动安装在馈能安装架上，所述发电机的外壳固定安装在馈能安装架上，所述输入齿轮与发电机的输入轴相连接；
两馈能单元包括并排设置的驱动侧馈能单元和非驱动侧馈能单元，两馈能单元的输入齿轮均位于两根齿条内侧，驱动侧馈能单元的输入齿轮与驱动侧齿条内侧相啮合，非驱动侧馈能单元的输入齿轮与非驱动侧齿条内侧相啮合，两馈能单元的发电机外壳在远离输入齿轮的一端横跨设置有一个连接板，通过连接板将两馈能单元的发电机外壳固定连接在一起。
进一步的，所述馈能单元还包括机械式整流器，通过机械式整流器实现输入齿轮和发电机的输入轴之间的连接，所述机械式整流器包括安装在馈能安装架上的整流框架，所述整流框架由四边的四块板构成方形框架，所述整流框架的四个边分别转动安装有锥齿轮，四个锥齿轮两两相对，且每边的锥齿轮分别与相邻两边的两个锥齿轮相啮合，四个锥齿轮中，其中两个相对的锥齿轮为输入锥齿轮，另外两个相对的锥齿轮为输出锥齿轮，所述馈能单元的输入齿轮与其中一个输入锥齿轮同轴固连，两个输出锥齿轮中心分别开有中心孔，两个输出锥齿轮的中心孔中设有同一根中心轴，每个输出锥齿轮的中心孔与中心轴之间通过单向轴承连接，所述单向轴承外圈与对应的输出锥齿轮固连、内圈与中心轴固连，且两个输出锥齿轮内的单向轴承能自由转动的方向相同，所述中心轴外部与发电机输入轴相连接。
进一步的，所述馈能单元中，所述输入齿轮和发电机之间还设有增速器，所述输入齿轮的齿轮轴与增速器的输入轴固连，所述增速器的输出轴与发电机的输入轴固连。
进一步的，所述馈能单元中，所述中心轴与发电机之间还设有增速器，所述中心轴与增速器的输入轴固连，所述增速器的输出轴与发电机的输入轴固连。
进一步的，所述基座上设有多根平行的滑杆，所述滑杆的轴线与齿条的长度方向相平行，所述馈能安装架滑动安装在滑杆上且能沿着滑杆滑动。
进一步的，所述馈能安装架上在位于每根齿条的外侧设有至少两个限位辊，所述齿条外侧依靠限位辊进行限位，所述齿条内侧与接地齿轮和对应侧的输入齿轮相啮合。
进一步的，所述发电机为他励电机。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明提供的四象限馈能装置，其主体包括一反力机构和两馈能单元，通过将两馈能单元与反力机构相结合，既可作为半主动执行器使用，同时还能实现振动能量的回收，即实现了半主动执行器四象限工作和能量回收的一体化功能集成，大幅度提高了馈能效率与馈能强度调节范围。且本装置具有结构简单、便于维护、对温度不敏感、耐候性强等特点。
2、本发明提供的四象限馈能装置，当驱动侧齿条受到外界激励推动其往复运动时，反力机构的两根齿条往复运动的方向始终相反，从而两根齿条对两组馈能单元的驱动方式始终相反，即一推一拉；两组馈能单元的发电机转子与定子发生相对转动，输入励磁电流后，产生电磁转矩，从而对反力机构的两根齿条产生反向阻力，使得两根齿条受力方向相反；即整个四象限馈能装置作为半主动执行器使用时，在“力-速度”图中能以四象限状态工作，且没有额外的能量输入，能耗低。相对于传统馈能装置作为半主动执行器时只具有一三象限工作状态，动力学上只等效于参数可调的被动式阻尼器，本发明提出的四象限馈能装置工作在四象限状态，全局范围可控。
3、本发明提供的四象限馈能装置，其通过在反力机构的两侧齿条上分别连接馈能单元，能将外界输入的振动能量转换为发电机的电能储存起来，实现了振动能量的高效回收。
附图说明
图1是本发明的馈能装置原理图。
图2是本发明包含机械式整流器的馈能装置的立体图。
图3是本发明包含机械式整流器的馈能装置另一个视角的立体图。
图4是本发明包含机械式整流器的馈能单元的原理图。
图5是本发明包含机械式整流器的馈能单元的立体图。
图6是本发明的机械式整流器的剖面图。
图7是本发明不包含机械式整流器的馈能装置的立体图。
图8是本发明不包含机械式整流器的馈能单元的原理图。
图中标号：1非驱动侧馈能单元，11输入齿轮，12馈能安装架，13增速器，14发电机，15连接板，16外壳，17减速电机，18机械式整流器，19整流框架，110输入锥齿轮，111输出锥齿轮，112中心轴，113单向轴承，114限位辊，115滚动轴承，116转子，2反力机构，21接地齿轮，22非驱动侧齿条，23驱动侧齿条，3驱动侧馈能单元，4基座，41滑杆。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1至图8，本实施例公开了四象限馈能装置，包括一反力机构2和两馈能单元，反力机构2包括接地齿轮21、以及位于接地齿轮21两侧且平行设置的两根齿条，接地齿轮21转动安装在基座4上，两根齿条分别为驱动侧齿条23和非驱动侧齿条22，两根齿条分别与接地齿轮21相啮合；
两馈能单元包括并排设置的驱动侧馈能单元3和非驱动侧馈能单元1，两馈能单元的输入齿轮11均位于两根齿条内侧，驱动侧馈能单元3的输入齿轮11与驱动侧齿条23内侧相啮合，非驱动侧馈能单元1的输入齿轮11与非驱动侧齿条22内侧相啮合，两馈能单元的发电机14外壳16在远离输入齿轮11的一端横跨设置有一个连接板15，通过连接板15将两馈能单元的发电机14外壳16固定连接在一起。
其中，馈能单元有如下两种结构形式：
参见图7和图8，馈能单元的第一种结构形式为：
馈能单元包括馈能安装架12、输入齿轮11、增速器13、发电机14，馈能安装架12滑动安装在基座4上，基座4上设有多根平行的滑杆41，滑杆41的轴线与齿条的长度方向相平行，馈能安装架12滑动安装在滑杆41上且能沿着滑杆41滑动。输入齿轮11转动安装在馈能安装架12上，发电机14的外壳16固定安装在馈能安装架12上，输入齿轮11的齿轮轴与增速器13的输入轴固连，增速器13的输出轴与发电机14的输入轴固连。增速器13和发电机14通常为一个装配体，即减速电机17，该减速电机17同时具备发电机14与增速功能。
参见图2至图6，馈能单元的第二种结构形式为：
在第一种结构形式的基础上增加了机械式整流器18。通过机械式整流器18实现输入齿轮11和增速器13的输入轴之间的连接，机械式整流器18包括安装在馈能安装架12上的整流框架19，整流框架19由四边的四块板构成方形框架，整流框架19的四个边分别通过滚动轴承115转动安装有锥齿轮，四个锥齿轮两两相对，且每边的锥齿轮分别与相邻两边的两个锥齿轮相啮合，四个锥齿轮中，其中两个相对的锥齿轮为输入锥齿轮110，另外两个相对的锥齿轮为输出锥齿轮111，馈能单元的输入齿轮11与其中一个输入锥齿轮110同轴固连，两个输出锥齿轮111中心分别开有中心孔，两个输出锥齿轮111的中心孔中设有同一根中心轴112，每个输出锥齿轮111的中心孔与中心轴112之间通过单向轴承113连接，单向轴承113外圈与对应的输出锥齿轮111之间通过过盈配合的方式固连、内圈与中心轴112固连，且两个输出锥齿轮111内的单向轴承113能自由转动的方向相同，中心轴112与增速器13的输入轴固连，增速器13的输出轴与发电机14的输入轴固连。
由于两个单向轴承113的外圈分别与两个输出锥齿轮111一一对应的固定，而两个输出锥齿轮111的转动方向始终相反，则两个单向轴承113的外圈转动方向始终相反，能够确保无论输入齿轮11转动方向如何，每一时刻总有一个单向轴承113的内圈与外圈咬合，传递转动；另一个单向轴承113的内圈与外圈放开，不传递转动；从而，该机械式整流器18即可将馈能单元输入齿轮11的往复双向转动转换为单向转动。
其中，齿条的安装形式为：馈能安装架12上在位于每根齿条的外侧设有至少两个限位辊114，齿条外侧依靠限位辊114进行限位，齿条内侧与接地齿轮21和对应侧的输入齿轮11相啮合。
发电机14采用他励电机，当发电机14的转子116与定子间发生相对转动后，调节励磁电流即可调节发电机14电磁转矩大小，既能改变同转速下发电机14可输出功率大小，也能改变发电机14阻力矩的大小。
增速器13可采用行星齿轮式增速器13，增速器13将机械式整流器18输出的旋转运动转速增高后带动发电机14的转子116转动，发电机14的转子116转动方向不变，转速波动范围小，有利于保证发电机14的电能输出强度与馈能单元输出转矩，进而确保该装置能够持续工作。无论馈能单元的输入齿轮11激励为高频小振幅或低频大振幅，发电机14转子116均以较高转速运转，馈能效率在宽频带范围内达到较高水平，实现了四象限馈能装置宽频带激励内有效馈能的要求。
当外界激励施加到四象限馈能装置后，驱动侧齿条23与非驱动侧齿条22反向往复运动，推拉驱动侧馈能单元3的输入齿轮11与非驱动馈能单元的输入齿轮11运动。两齿条具有相反的工作状态，即两者拉压受力状态相反。实现了四象限式半主动执行器工作要求。
使用机械式整流器18的四象限馈能装置能够工作在宽频带激励下，能够实现最佳效果。如外界激励为低频大振幅激励，考虑到降低成本、减少能量传递路径和降低转动惯量等因素，可以去掉机械式整流器18，将馈能单元输入齿轮11直接连接到增速器13输入轴，同样能够满足四象限执行器的馈能。
具体应用时，可将该馈能装置用于车辆上，将驱动侧齿条23端部连接车轮部分，将基座4与车架连接，连接板15作为力输出端与车身连接。以下以包含机械式整流器18的馈能装置为例来对该装置的工作原理进行说明：
当外界激励例如车轮上下振动施加到反力机构2的驱动侧齿条23上后，驱动侧齿条23与非驱动侧齿条22反向往复运动，则驱动侧馈能单元3、非驱动侧馈能单元1具有相反的工作状态，即两者激励速度方向相反；当两个发电机14的绕组中通入励磁电流后，两组馈能单元分别产生电磁转矩，分别作为驱动侧齿条23和非驱动齿条的工作阻力，以减少车身振动，驱动侧齿条23和非驱动侧齿条22受力状态相反，驱动侧馈能单元3、非驱动侧馈能单元1在“力-速度”图中以四象限状态配合工作。在此过程中，通过在反力机构2的两侧齿条上分别连接馈能单元，能将外界激励输入的振动能量转换为发电机14的电能储存起来，实现了振动能量的高效回收。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.四象限馈能装置，其特征在于：包括一反力机构(2)和两馈能单元，所述反力机构(2)包括接地齿轮(21)和位于接地齿轮(21)两侧且平行设置的两齿条，所述接地齿轮(21)转动安装在基座(4)上，两齿条分别为驱动侧齿条(23)和非驱动侧齿条(22)，两齿条分别与接地齿轮(21)相啮合；
每组馈能单元包括馈能安装架(12)、输入齿轮(11)、发电机(14)，所述馈能安装架(12)滑动安装在所述基座(4)上，且馈能安装架(12)能沿着与齿条平行的方向滑动，所述输入齿轮(11)转动安装在馈能安装架(12)上，所述发电机(14)的外壳(16)固定安装在馈能安装架(12)上，所述输入齿轮(11)与发电机(14)的输入轴相连接；
两馈能单元包括并排设置的驱动侧馈能单元(3)和非驱动侧馈能单元(1)，两馈能单元的输入齿轮(11)均位于两根齿条内侧，驱动侧馈能单元(3)的输入齿轮(11)与驱动侧齿条(23)内侧相啮合，非驱动侧馈能单元(1)的输入齿轮(11)与非驱动侧齿条(22)内侧相啮合，两馈能单元的发电机(14)外壳(16)在远离输入齿轮(11)的一端横跨设置有一个连接板(15)，通过连接板(15)将两馈能单元的发电机(14)外壳(16)固定连接在一起。
2.如权利要求1所述的四象限馈能装置，其特征在于：所述馈能单元还包括机械式整流器(18)，通过机械式整流器(18)实现输入齿轮(11)和发电机(14)的输入轴之间的连接，所述机械式整流器(18)包括安装在馈能安装架(12)上的整流框架(19)，所述整流框架(19)由四边的四块板构成方形框架，所述整流框架(19)的四个边分别转动安装有锥齿轮，四个锥齿轮两两相对，且每边的锥齿轮分别与相邻两边的两个锥齿轮相啮合，四个锥齿轮中，其中两个相对的锥齿轮为输入锥齿轮(110)，另外两个相对的锥齿轮为输出锥齿轮(111)，所述馈能单元的输入齿轮(11)与其中一个输入锥齿轮(110)同轴固连，两个输出锥齿轮(111)中心分别开有中心孔，两个输出锥齿轮(111)的中心孔中设有同一根中心轴(112)，每个输出锥齿轮(111)的中心孔与中心轴(112)之间通过单向轴承(113)连接，所述单向轴承(113)外圈与对应的输出锥齿轮(111)固连、内圈与中心轴(112)固连，且两个输出锥齿轮(111)内的单向轴承(113)能自由转动的方向相同，所述中心轴(112)外部与发电机(14)输入轴相连接。
3.如权利要求1所述的四象限馈能装置，其特征在于：所述馈能单元中，所述输入齿轮(11)和发电机(14)之间还设有增速器(13)，所述输入齿轮(11)的齿轮轴与增速器(13)的输入轴固连，所述增速器(13)的输出轴与发电机(14)的输入轴固连。
4.如权利要求2所述的四象限馈能装置，其特征在于：所述馈能单元中，所述中心轴(112)与发电机(14)之间还设有增速器(13)，所述中心轴(112)与增速器(13)的输入轴固连，所述增速器(13)的输出轴与发电机(14)的输入轴固连。
5.如权利要求1所述的四象限馈能装置，其特征在于：所述基座(4)上设有多根平行的滑杆(41)，所述滑杆(41)的轴线与齿条的长度方向相平行，所述馈能安装架(12)滑动安装在滑杆(41)上且能沿着滑杆(41)滑动。
6.如权利要求1所述的四象限馈能装置，其特征在于：所述馈能安装架(12)上在位于每根齿条的外侧设有至少两个限位辊(114)，所述齿条外侧依靠限位辊(114)进行限位，所述齿条内侧与接地齿轮(21)和对应侧的输入齿轮(11)相啮合。
7.如权利要求1所述的四象限馈能装置，其特征在于：所述发电机(14)为他励电机。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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