CN113306657A - 一种自行车灯 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自行车灯，属自行车配件与新能源技术领域。灯座和盖板装在轴套上，电路板和LED灯安装在灯座和盖板上；灯座内装有环架、转盘及内环片；环架上设有沉腔和环槽，环槽底壁上设有外环片，外环片由电极片与所粘接的外压电片和外摩擦片构成；两个环槽相对安装的环架构成环架组且其间装有内环片，内环片为独立的金属片、或由金属片与内摩擦片或内压电片构成，内环片上的耦合片与外环片构成俘能器；盖板将环架组压接在灯座内，转盘装在轴套上，磁片与耦合片相对安装；轴套转动时耦合片两侧的磁片交替地离开与靠近，改变耦合片所受磁力大小与方向，耦合片交替地向两侧弯曲变形并与外环片接触与分离，将机械能转换成电能并供给LED灯。

Description

一种自行车灯
技术领域
本发明属于自行车灯与新能源技术领域，具体涉及一种自行车灯，用于自行车行车警示作用。
背景技术
随着国民节能减排及运动健身意识的提高，骑自行车出行及户外锻炼再度成为一种时尚。然而，现在城市中机动车较多且无自行车专用道，骑行者在夜间行车存在一定的安全隐患。为引起机动车驾驶员、其他骑行者及行人的注意、减少或避免意外事故及其对自行车骑行者造成伤害，越来越多的自行车警示产品相继问世，最长见的是反光片和警示灯。警示灯的警示效果较好，但需要化学电池供电，因电池电量有限且存在自然损耗等问题需经常性定期更换。这不仅给骑行者造成了较大麻烦，还增加了使用成本，更关键是电池突然没电且不能及时更换时将起不到必要的警示作用，给骑行者带来一定的安全隐患。因此，自发光的自行车警示灯的使用是极其必要的。
发明内容
本发明提出一种自行车灯，主要由灯座、轴套、盖板、隔环、隔套、转盘、环架、磁片、内外环片、电路板及LED灯构成，电路板上设有能量转换单元；轴套安装在自行车轮轴上并随轮轴转动，灯座和盖板经轴承安装在轴套上，电路板和LED灯安装在灯座和盖板上。
灯座的底壁上设有轴孔，灯座的筒壁内侧设有凸台，轴孔的轴线和凸台的端面垂直；灯座外缘上经螺钉安装有惯性块，惯性块也可直接在灯座上加工出来；盖板的板体上设有轴孔和凸环，轴孔和凸环同轴且与板体垂直；轴套由粗轴套与其两端的细轴套构成，粗轴套与细轴套同轴，粗轴套上设有键槽。
环架由架板、内筒和外筒构成，内筒和外筒经架板连接，架板位于外筒的轴向长度方向的中部，内筒位于架板的一侧，架板与其一侧的外筒构成沉腔，架板与其另一侧的外筒及内筒构成环槽；环槽底壁上设有外环片，外环片由电极片与其两侧分别粘接的外压电片和外摩擦片构成，外压电片靠近环槽底壁，外压电片为PVDF薄膜或PZT晶片，电极片的材料为铜、铝或其合金。
转盘上设有轴孔、键槽和沉槽，键槽位于轴孔的孔壁上，沉槽为通槽或对称配置在转盘两侧的非通槽，沉槽沿转盘圆周方向均布；沉槽中嵌有磁片，转盘与所安装的磁片构成激励器。
内环片为独立的金属片，或内环片由金属片与其两侧所粘接的内摩擦片构成，或内环片由金属片与其一侧或两侧所粘接的内压电片构成，金属片的材料为Fe、Ni、Co、Mn等铁磁性材料或其合金；内环片上设有耦合片，耦合片为悬臂梁或简支梁，耦合片沿内环片圆周方向均布，耦合片和磁片的形状为扇形或矩形，耦合片与磁片的形状和大小分别相同，耦合片数量为转盘同一轴截面上所镶嵌磁片的数量的两倍。
内环片为独立的金属片时，外摩擦片的材料与金属片材料的摩擦电序列相隔较远，如外摩擦片的材料为聚四氟乙烯、聚乙烯、聚酰亚胺等高分子材料；内环片由金属片与其两侧所粘接的内摩擦片构成时，内摩擦片和外摩擦片k2的材料分别为摩擦电序列相隔较远的两种高分子材料，如内摩擦片材料为聚四氟乙烯、聚乙烯或聚酰亚胺，外摩擦片材料为聚酰胺；内环片由金属片与其两侧所粘接的内摩擦片构成时，外环片可仅由电极片与外压电片构成，内摩擦片材料与电极片材料的摩擦电序列相隔较远，内摩擦片材料聚四氟乙烯、聚乙烯、聚酰亚胺等高分子材料。
灯座和盖板经轴承安装在轴套上，盖板经螺钉与灯座的筒壁端部连接，盖板的凸环置于筒壁内侧，灯座和盖板围成封闭的腔室，电路板和LED灯安装在灯座的底壁和盖板的板体上，电路板位于腔室内部，LED灯位于腔室外部，腔室内安装有带外环片的环架、带磁片的转盘和内环片。
两个环槽相对安装的环架构成环架组，环架组中的两个环架之间压接有内环片；环架上的外环片与内环片的耦合片相对安装，内环片的内缘和外缘分别压接在环架的外筒之间和内筒之间，耦合片与其两侧的外环片构成俘能器，俘能器为摩擦俘能器、压电俘能器或压电- 摩擦俘能器；盖板的凸环将各环架组压接在灯座的筒壁上。
转盘套在轴套的粗轴套上，盖板经轴承、隔环及隔套将转盘压接在灯座的底壁上，隔环和隔套分别套在轴套的细轴套和粗轴套上，转盘和隔套与轴套经平键连接，转盘与轴套相对固定；磁片与耦合片相对安装，即二者在轴截面上投影的几何中心重叠，即转盘位于两个轴向相邻的环架的沉腔之间，转盘上所安装的磁片与内环片上的耦合片和环架上的外环片正对安装；环架组两侧的磁片在圆周方向上错开排布，即两个转盘上的磁片在转盘的轴截面上的投影不重合。
本发明中，摩擦俘能器为：内环片两侧相邻环架上的电极片构成电极对，内环片与其两侧相邻环架上的外环片构成独立层式摩擦俘能器；或，金属片与其两侧相邻环架上的电极片分别构成电极对，内环片与其两侧相邻环架上的外环片分别构成接触分离式摩擦俘能器；或，金属片两侧相邻环架上的电极片经导线并联后与金属片构成电极对，内环片与其两侧相邻的环架上的外环片构成并联的接触分离式摩擦俘能器。
本发明中，压电俘能器为：外环片中的电极片与外压电片的表面电极构成电极对，电极片与外压电片构成冲击式压电俘能器；或，耦合片由金属片与其一侧或两侧所粘接的内压电片构成，两侧粘接内压电片时内压电片的表面电极经导线并联，内压电片的表面电极与金属片构成电极对，金属片与内压电片构成弯曲式压电俘能器。
各俘能器的电极对经不同的导线组和整流桥分别与电路板相连。
工作中，轴套和激励器随自行车轮转动，灯座和俘能器在惯性块重力的作用下保持相对静止；因俘能器两侧的磁片在圆周方向错开安装，且耦合片只能与一个磁片重叠，车轮转动时俘能器两侧的磁片交替地离开与靠近俘能器，从而改变其间的磁耦合力大小与方向，如：随车轮转动，左侧的磁片远离耦合片时，磁片对耦合片的吸引力逐渐减小并最终消失，耦合片在其自身弹性力的作用下复位，耦合片与左侧的外环片脱离接触；同时，右侧的磁片逐渐靠近耦合片，磁片对耦合片的吸引力逐渐增加并当磁片与耦合片完全重叠时达到最大，耦合片与右侧的外环片接触；车轮连续转动时耦合片交替地向两侧弯曲变形并与外环片接触与分离，使两个外环片之间或外环片与内环片之间产生电荷交换与转移、以及外压电片和内压电片的应力发生变化，进而将机械能转换成电能。
本发明中，俘能器的发电过程包括摩擦发电和压电发电两种：耦合片与外环片接触与分离构成摩擦发电，耦合片与外环片接触产生的冲击与敲打构成外环片压电发电，耦合片自身的弯曲变形构成内环片压电发电；根据俘能器的结构，外环片压电发电与摩擦发电同时发生，或外环片压电发电与内环片压电发电同时发生；所产生的电能经转换处理后供给LED灯。
本发明中，对于由压电晶片构成的弯曲式压电俘能器，耦合片的弯曲变形量应小于其许用变形量，耦合片的弯曲变形量由外环片与内环片间的轴向距离决定；对于内压电片与金属片厚度相等的矩形两叠片弯曲式压电俘能器，外环片与内环片间的轴向距离为
Figure RE-GDA0003178060180000031
其中：H为耦合片i11厚度，Em和Ep分别为金属片和内压电片的杨氏模量，Tp为压电材料的许用压应力，L为耦合片可变形部分的长度，η为与粘接胶层厚度相关的修正系数，h为金属片的厚度。
本发明提出的一种自行车灯，适当改变轴套的结构还可用于机动车车轮发电与发光警示，也可用于单纯的旋转体发电，为轴系监测系统、风力发电机叶片等旋转监测系统等供电。
特色与优势：能量自给、免维护；非接触激励且耦合片上无需附加磁铁，系统固有频率高且有效频带宽；激振力连续、轮盘切向阻力及随动力小；接触-分离摩擦发电与敲击式压电发电有机结合，无摩擦磨损及弯曲变形导致的脆性材料损坏，发电能力强、可靠性高。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中自行车灯的结构原理简图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是图1的B-B剖视图；
图4是本发明一个较佳实施例中灯座的结构原理简图；
图5是本发明一个较佳实施例中盖板的结构示意图；
图6是本发明一个较佳实施例中轴套的结构示意图；
图7是图6的左视图；
图8是本发明一个较佳实施例中环架的结构示意图；
图9是图8的右视图；
图10是本发明一个较佳实施例中转盘的结构示意图；
图11是图10的左视图；
图12是本发明一个较佳实施例中内环片的结构示意图；
图13是图12的左视图；
图14是本发明一个较佳实施例中外环片的结构示意图。
具体实施方式
本发明提出一种自行车灯，主要由灯座a、轴套b、盖板c、隔环e、隔套f、转盘h、环架j、磁片g、内环片i、外环片k、电路板p及LED灯s构成，电路板p上设有能量转换单元；轴套b安装在自行车轮轴上并随轮轴转动，灯座a和盖板c经轴承d安装在轴套b上，电路板p和LED灯s安装在灯座a和盖板c上。
灯座a的底壁a1上设有轴孔a3，灯座a的筒壁a2内侧设有凸台a4，轴孔a3的轴线和凸台a4 的端面垂直；灯座a的外缘上经螺钉安装有惯性块m，惯性块m也可直接在灯座a上加工出来。
盖板c的板体c1上设有轴孔c3和凸环c2，轴孔c3和凸环c2同轴且与板体c1垂直。
轴套b由粗轴套b1与其两端的细轴套b2构成，粗轴套b1与其两端的细轴套b2同轴，粗轴套 b1上设有键槽b3。
环架j由架板j1、外筒j2和内筒j3构成，外筒j2和内筒j3经架板j1连接，架板j1位于外筒j2 的轴向长度方向的中部，内筒j3位于架板j1的一侧，架板j1与其一侧的外筒j2的筒壁构成沉腔 j4，架板j1与其另一侧的外筒j2的筒壁及内筒j3构成环槽j5；环槽j5的底壁上设有外环片k，外环片k由电极片k1与其两侧分别粘接的外压电片k3和外摩擦片k2构成，外压电片k3靠近环槽j5 底壁，外压电片k3为PVDF薄膜或PZT晶片，电极片k1的材料为铜、铝或其合金。
转盘h上设有轴孔h1、键槽h3和沉槽h2，键槽h3位于轴孔h1的孔壁上，沉槽h2为通槽或对称配置在转盘h两侧的非通槽，沉槽h2沿转盘h的圆周方向均布；沉槽h2中嵌有磁片g，转盘h 与所安装的磁片g构成激励器E。
内环片i为独立的金属片i1，或内环片i由金属片i1与其两侧所粘接的内摩擦片i2构成的复合结构，或内环片i由金属片i1与其一侧或两侧所粘接的内压电片i3构成的复合结构，金属片i1 的材料为Fe、Ni、Co、Mn等铁磁性材料或其合金；内环片i上设有耦合片i11，耦合片i11为悬臂梁或简支梁，耦合片i11沿内环片i的圆周方向均布，耦合片i11和磁片g的形状为扇形或矩形，耦合片i11与磁片g的形状和大小分别相同，耦合片i11的数量为转盘h同一轴截面上所镶嵌磁片 g的数量的两倍。
内环片i为独立的金属片i1时，外摩擦片k2的材料与金属片i1材料的摩擦电序列相隔较远，如外摩擦片k2的材料为聚四氟乙烯、聚乙烯、聚酰亚胺等。
内环片i由金属片i1与其两侧所粘接的内摩擦片i2构成时，内摩擦片i2和外摩擦片k2的材料分别为摩擦电序列相隔较远的两种高分子材料，如内摩擦片i2的材料为聚四氟乙烯、聚乙烯或聚酰亚胺，外摩擦片k2的材料为聚酰胺。
内环片i由金属片i1与其两侧所粘接的内摩擦片i2构成时，外环片k可仅由电极片k1与外压电片k3构成，内摩擦片i2材料与电极片k1材料的摩擦电序列相隔较远，内摩擦片i2材料聚四氟乙烯、聚乙烯、聚酰亚胺等。
灯座a和盖板c经轴承d安装在轴套b上，盖板c经螺钉与灯座a的筒壁a2端部连接，盖板c的凸环c2置于筒壁a2的内侧，灯座a和盖板c围成封闭的腔室C，电路板p和LED灯s安装在灯座a 的底壁a1和盖板c的板体c1上，电路板p位于腔室C的内部，LED灯s位于腔室C的外部，腔室C 内安装有至少两个带外环片k的环架j、两个带磁片g的转盘h和1个内环片i。
两个环槽j5相对安装的环架j构成环架组，环架组中的两个环架j之间压接有内环片i；环架 j上的外环片k与内环片i的耦合片i11相对安装，内环片i的内缘和外缘分别压接在环架j的外筒j2 之间和内筒j3之间，内环片i的耦合片i11与其两侧相对安装的外环片k构成俘能器T，俘能器T 为摩擦俘能器、压电俘能器或压电-摩擦俘能器；盖板c的凸环c2将各环架组压接在灯座a的筒壁a2内侧凸台a4上。
转盘h套在轴套b的粗轴套b1上，盖板c经轴承d、隔环e和隔套f将转盘h压接在灯座a的底壁a1上,转盘h位于腔室C内，隔环e和隔套f分别套在轴套b的细轴套b2和粗轴套b1上，转盘h 和隔套f与轴套b经平键z连接，转盘h与轴套b相对固定；转盘h位于两个轴向相邻的环架组之间，即转盘h位于两个轴向相邻的环架j的沉腔j4之间，转盘h上所安装的磁片g与内环片i上的耦合片i11和环架j上的外环片k正对安装；同一环架组两侧的转盘h上的磁片g在圆周方向上错开，即两个转盘h上的磁片g在转盘h的轴截面上的投影不重合。
本发明中，摩擦俘能器为：内环片i两侧相邻环架j上的电极片k1构成电极对，内环片i与其两侧相邻环架j上的外环片k构成独立层式摩擦俘能器；或，金属片i1与其两侧相邻环架j上的电极片k1分别构成电极对，内环片i与其两侧相邻环架j上的外环片k分别构成接触分离式摩擦俘能器；或，金属片i1两侧相邻环架j上的电极片k1经导线并联后与金属片i1构成电极对，内环片i与其两侧相邻的环架j上的外环片k构成并联的接触分离式摩擦俘能器。
本发明中，压电俘能器为：外环片k中的电极片k1与外压电片k3的表面电极构成电极对，电极片k1与外压电片k3构成冲击式压电俘能器；或，耦合片i11由金属片i1与其一侧或两侧所粘接的内压电片i3构成，两侧粘接内压电片i3时内压电片i3的表面电极经导线并联，内压电片 i3的表面电极与金属片i1构成电极对，金属片i1与内压电片i3构成弯曲式压电俘能器。
各俘能器的电极对经不同的导线组和整流桥分别与电路板p相连。
工作中，轴套b和激励器E随自行车轮转动，灯座a和俘能器T在惯性块m重力的作用下保持相对静止；因俘能器T两侧的磁片g在圆周方向错开安装，且俘能器T只能与一个磁片g重叠，车轮转动时俘能器T两侧的磁片g交替地离开与靠近俘能器T，从而改变耦合片i11与其两侧磁片g间的磁耦合力大小与方向，如：随车轮转动，左侧的磁片g远离耦合片i11时，磁片g对耦合片i11的吸引力逐渐减小并最终消失，耦合片i11在其自身弹性力的作用下复位，耦合片i11 与左侧的外环片k脱离接触；同时，右侧的磁片g逐渐靠近耦合片i11，磁片g对耦合片i11的吸引力逐渐增加并当磁片g与耦合片i11完全重叠时达到最大，耦合片i11与右侧的外环片k接触；车轮连续转动时耦合片i11则交替地向左右两侧弯曲变形并与外环片k交替地接触与分离，使两个外环片k之间或外环片k与内环片i之间产生电荷交换与转移、以及外压电片k3和内压电片 i3的应力发生变化，进而将机械能转换成电能。
本发明中，俘能器T的发电过程包括摩擦发电和压电发电两种：耦合片i11与外环片k接触与分离构成摩擦发电，耦合片i11与外环片k接触产生的冲击与敲打构成外环片压电发电，耦合片i11自身的弯曲变形构成内环片压电发电；根据俘能器结构，外环片压电发电与摩擦发电同时发生，或外环片压电发电与内环片压电发电同时发生；所产生的电能经转换处理后供给 LED灯s。
本发明中，对于由压电晶片构成的弯曲式压电俘能器，耦合片i11的弯曲变形量应小于其许用变形量，耦合片i11的弯曲变形量由外环片k与内环片i间的轴向距离决定；对于内压电片 i3与金属片i1厚度相等的矩形两叠片弯曲式压电俘能器，外环片k与内环片i间的轴向距离为
Figure RE-GDA0003178060180000061
其中：H为耦合片i11厚度，Em和Ep分别为金属片i1 和内压电片i3的杨氏模量，Tp为压电材料的许用压应力，L为耦合片i11可变形部分的长度，η为与粘接胶层厚度相关的修正系数，h为金属片i1的厚度。
本发明提出的一种自行车灯，适当改变轴套b的结构还可用于机动车车轮发电与发光警示，也可用于单纯的旋转体发电，为轴系监测系统、风力发电机叶片等旋转监测系统等供电。

Claims (3)

1.一种自行车灯，主要由灯座、轴套、盖板、均布有磁片的转盘、设有外环片的环架、内环片、电路板及LED灯构成，灯座和盖板装在轴套上，盖板与灯座的筒壁端部连接，电路板和LED灯安装在灯座和盖板上，灯座外缘上装有惯性块，灯座内装有环架、转盘及内环片；其特征在于：环架两侧分别设有沉腔和环槽，环槽底壁上设有外环片，外环片由电极片与其两侧分别粘接的外压电片和外摩擦片构成；两个环槽相对安装的环架构成环架组，内环片被压接在环架组的环架间，内环片为独立的金属片、或由金属片与内摩擦片或内压电片粘接构成，内环片上均布地设有耦合片，金属片材料为铁磁性材料，耦合片数量为转盘同一轴截面上磁片数量的两倍；外环片与耦合片相对安装，耦合片与其两侧的外环片构成俘能器；盖板将环架组压接在灯座的筒壁上，转盘装在轴套上且位于环架组的外侧，磁片与耦合片相对安装，环架组两侧的磁片在圆周方向上错开排布；轴套转动时耦合片两侧的磁片交替地离开与靠近，从而改变耦合片所受磁耦合力大小与方向，耦合片交替地向两侧弯曲变形并与外环片接触与分离，进而将机械能转换成电能，电能经转换处理后供给LED灯。
2.根据权利要求1所述的一种自行车灯，其特征在于：耦合片与外环片接触与分离构成摩擦发电，耦合片与外环片接触产生的冲击与敲打构成外环片压电发电，耦合片自身的弯曲变形构成内环片压电发电。
3.根据权利要求1和权利要求3所述的一种自行车灯，其特征在于：外环片压电发电与摩擦发电同时发生，或外环片压电发电与内环片压电发电同时发生。
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