TWI469884B - 雙向避震系統能量回收設計 - Google Patents

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Description

雙向避震系統能量回收設計
本案係關於一種避震系統，尤其，本案係關於一種雙向避震系統，用以將彈性元件伸縮之機械能加以回收並轉換為電能。
汽車等運載裝置以及建築體之避震系統中通常設置有避震器，用以吸收阻尼效應的震動能量，以維持運載裝置上的人或物之安全性或舒適性。而避震器通常由彈簧等彈性元件組成，現有文獻已將彈性元件的壓縮或伸長所產生的機械能加以運用。
中華民國新型專利公告案第M284604號公開一種避震式發電裝置，其藉由避震器移動產生的重力落差，帶動囓合的齒輪，僅能回收彈簧壓縮的能量，但無法回收彈簧伸長的能量。而美國專利公開案第US 2007/0089919號公開一種將運載裝置之運動轉換為電能並對運載裝置電池充電裝置及方法，避震器伸縮使運轉轉換器(motion converter)驅動轉子相對於定子進行轉動，而產生電能，然而轉子相對於定子作順時針及逆時針來回往復的轉動，易使電流不穩定及電池壽命降低。
本案申請人鑑於習知技術中的不足，經過悉心試驗與研究，並一本鍥而不捨之精神，終構思出本案「雙向避震系統能量回收裝置」，能夠克服先前技術的不足，以下為本案之簡要說明。
為了克服先前技術使用齒輪結構卻無法回收彈簧伸長的機械能，以及產生電流正反方向不穩定之問題，本發明採用具有同一軸心之二個止回斜齒輪的齒輪組，使避震器壓縮及伸長時均可將機械能轉換為電能，而且產生電流之方向一致。再者，透過飛輪設計，提供發電裝置之軸心慣量，使發電裝置能穩定發電，俾對能量回收有所助益。
本案第一目標提供一種用以發電的避震器，包括：一彈簧；一齒輪組，其包括一直齒輪、一正齒輪、一斜齒輪、第一止回斜齒輪及一第二止回斜齒輪，該直齒輪的運動方向與該彈簧的伸縮方向相同，該直齒輪驅動該正齒輪，該正齒輪再驅動該斜齒輪；以及一發電機。當該彈簧壓縮時，該斜齒輪驅動該第一止回斜齒輪，該第一止回斜齒輪再驅動該發電機發電，當該彈簧伸長時，該斜齒輪驅動該第二止回斜齒輪，該第二止回斜齒輪再驅動該發電機發電。
較佳地，該正齒輪與該斜齒輪具有一第一軸心，而該第一及該第二止回斜齒輪具有一第二軸心。該齒輪組還包括一飛輪，該飛輪設置於該第二軸心上
較佳地，當該彈簧壓縮時，該第二止回斜齒輪為空轉，當該彈簧伸長時，該第一止回斜齒輪為空轉。
較佳地，該齒輪組及該發電機配置於該彈簧的內部空間或與該彈簧分離配置。或者，該齒輪組或該發電機配置於該彈簧的內部空間。
本案第二目標提供一種避震裝置，包括：一彈性元件；一齒輪組，包括一第一止回斜齒輪及一第二止回斜齒輪；以及一發電機。當該彈性元件壓縮時，該第一止回斜齒輪驅動該發電機進行發電，當該彈性元件伸長時，該第二止回斜齒輪驅動該發電機進行發電。
較佳地，該第一及該第二止回斜齒輪各包含一單向軸承，當該第一止回斜齒輪被驅動時，該第二止回斜齒輪為空轉，當該第二止回斜齒輪被驅動時，該第一止回斜齒輪為空轉。
本案第三目標提供一種避震裝置，包括：一往復運動裝置，具有一第一運動方向及一第二運動方向；一齒輪組裝置，包括一第一止回斜齒輪及一第二止回斜齒輪，且連接該往復運動裝置；以及一發電裝置。當該往復運動裝置以該第一運動方向運動時，透過驅動該齒輪組裝置使該發電裝置產生電力，當該往復運動裝置以該第二運動方向運動時，透過驅動該齒輪組裝置使該發電裝置產生電力。
本案所提出之「雙向避震系統能量回收設計」將可由以下的實施例說明而得到充分瞭解，使得熟習本技藝之人士可以據以完成之，然而本案之實施並非可由下列實施例而被限制其實施型態，熟習本技藝之人士仍可依據除既揭露之實施例的精神推演出其他實施例，該等實施例皆當屬於本發明之範圍。
請參閱第1圖，為本案第一實施例的齒輪組示意圖。在第1圖中，直齒輪A囓合正齒輪B。由於正齒輪B與斜齒輪C同一軸心，正齒輪B被驅動時將同時驅動斜齒輪C轉動。斜齒輪C分別與第一止回斜齒輪D及第二止回斜齒輪E囓合。由於第一及第二止回斜齒輪D、E為同一軸心F且均設計有一單向軸承，斜齒輪C轉動時將只會驅動第一止回斜齒輪D或第二止回斜齒輪E轉動，並不會使第一及第二止回斜齒輪D、E同時轉動。在一較佳實施例中，軸心F上還配置一飛輪G，用以使第一或第二止回斜齒輪D、E轉動帶動軸心F時，飛輪G持續提供軸心F轉動的慣量，能夠穩定發電。
請參閱第2圖(a)及(b)，為本發明第一實施例的避震器壓縮(a)或伸長(b)時之齒輪運動示意圖。在第2圖(a)中，當彈簧10被壓縮時，與壓縮運動方向同向的直齒輪A驅動正齒輪B，正齒輪B驅動斜齒輪C，斜齒輪C驅動第一止回斜齒輪D逆時針轉動，軸心F亦逆時針轉動，進而驅動發電裝置20發電。由於第二止回斜齒輪E內配置單向軸承，故第二止回斜齒輪E為順時針空轉。在第2圖(b)中，當彈簧10被伸長時，直齒輪A改以伸長運動方向同向運動，正齒輪B、斜齒輪C依序被驅動，此時，斜齒輪C再驅動第二止回斜齒輪E逆時針轉動，軸心F亦逆時針轉動，進而驅動發電裝置20發電。由於第一止回斜齒輪D內配置單向軸承，故第一止回斜齒輪D為順時針空轉。因此，無論彈簧進行壓縮或伸長運動，均只驅動一個止回斜齒輪以第一轉動方向(例如逆時針方向)轉動，而驅動發電裝置20發電，而另一止回斜齒輪則以第二轉動方向(例如順時針方向)空轉。此保證了軸心F均是以相同的轉動方向驅動發電裝置20發電，而非順時針、逆時針來回轉動。可穩定地發電且不會造成電流正反方向不定之問題。
第3圖則示出本發明的齒輪組側視圖，齒輪作功可依序由直齒輪A傳遞至正齒輪B、斜齒輪C，再傳遞至第一或第二止回斜齒輪D、E，設計者可依據實際需要決定彈簧壓縮或伸長時要驅動那一個止回斜齒輪。
在本發明中，能量產生與軸心F的轉速相關，以下列方程式(1)表示：
其中，V A (t )為直齒輪A速度，R B 為正齒輪B半徑，而ω B 為正齒輪B轉速。第一止回斜齒輪D的轉速及第二止回斜輪E的轉速以下列方程式(2)表示：
其中ω D (t )及ω E (t )分別為第一及第二止回斜齒輪D、E的轉速，n C 為斜齒輪C的齒數，而n D 及n E 分別為第一及第二止回斜齒輪D、E的齒數。
本發明第一實施例之發電裝置使用直流馬達(Photonic，型號：CG-309A)，並測試彈簧壓縮或伸長時將機械能轉換為電能之輸出功率。由第4圖(a)及(b)可知，本發明的能量轉換機制之輸出電壓以及輸出功率均與發電裝置轉速成正比，軸心F之轉速加速時，發電裝置的輸出電壓及輸出功率均增加。
此外，本發明亦利用電腦模擬分析及實作方式驗證本發明之可行性。在電腦模擬分析方面，避震系統被簡化為包括等效彈簧、等效阻尼及止回斜齒輪的機械模式圖(第5圖)。在此二階動態特徵模型中，齒輪之間囓合關係被忽略。以物體碰撞平板使彈簧壓伸縮模擬實際的運輸裝置顛波行進時之避震器伸縮。因此，重力加速度為唯一的考量點。避震系統的動態特徵以下列方程式(3)及(4)表示：
其中，m 為系統其他機構等效質量，M U 為平板質量，M W 為落下物體質量，b 為阻尼比例，k 為彈性係數，F ext 為彈簧接收的外力，x 為平板位置，且。在方程式(4)中，當時間t =0時，物體碰撞平板，而模擬模型以下列方程式(5)表示：
物體碰撞平板而壓縮彈簧，而最後位置設定為0。方程式(5)中的X 0 為壓縮長度，g 為重力加速度，h 為物體在落下前與平板之間的距離。若系統處於阻尼不足(underdamped)的情況(即ξ<1)，平板位置由方程式(4)證明：
將方程式(6)的x 對時間t 進行一次微分，獲得方程式(7)：
再將方程式(5)代入方程式(6)及(7)，獲得方程式(8)：
由於第一及第二止回斜齒輪D、E將直齒輪A的速度轉換成特定的轉速，軸心F的轉速為方程式(2)的絕對值：
若直齒輪A速度太慢，斜齒輪C將無法驅動第一及第二止回斜齒輪D、E，那麼發電裝置的扭矩τ F 將會抵抗第一及第二止回斜齒輪D、E及軸心F。因此，在第6圖(a)中，在具有止回斜齒輪的避震系統中，軸心F的轉速隨時間緩慢地振盪下降；而在不具止回斜齒輪的避震系統中，軸心F的轉速將因彈簧壓縮及伸長而由較高轉速迅速降低至0再上升至次高轉速，並且在短時間內降低至0而停止。可知，具有第一及第二止回斜齒輪D、E的避震系統之軸心轉速穩定度較高，也能夠穩定地將機械能轉換為電能。
而在實作方面，採用如第2圖(a)及(b)所示的避震系統，並以15.57公斤之物體置於平板上方0.1公尺處，測試該物體掉落平板之能量轉換，其他參數請參閱表1，並將這些參數代入方程式(7)~(9)。當物體碰撞平板時，彈簧因平板的衝擊力而壓縮，再因彈簧之潛在彈性能量而伸長。運用第一及第二止回斜齒輪，彈簧的壓縮及伸長能夠驅動軸心轉動而使發電裝置產生電能。
在第6圖(b)中，第一波峰為彈簧壓縮時之輸出電壓，第二波峰為彈簧伸長時之輸出電壓。由於彈簧振盪受齒輪之間摩擦力及彈簧本身特性影響，使第三波峰較不明顯。但本發明具有止回斜齒輪設計的避震實作系統依舊可在彈簧伸縮時輸出電壓，且電壓值不會降低至0。
本發明的避震系統(雙向法)並與習知技術的單向法(Ye,2005)及整流器法(Choi et al.,2001)進行能量回收效能比較。三種方法的輸出功率依據不同的軸心F的輸入轉速而決定。當避震器受外力而振動時，三種方法的能量回收效能以輸出功率曲線下面積積分求得。其他實驗參數則相同。
在第7圖(a)中，每種方法的效能隨彈簧的彈性係數增加而增加。當彈性係數為12000N/m時，雙向法的能量回收效能為3.35%，比單向法及整流器法高出51.1%。在第7圖(b)中，三種方法的能量回收效能相當接近，因此阻尼比例對能量回收效能僅有微小影響。然而，當阻尼比例為0.78時，雙向法的效能仍比整流器法高出2.3倍。
在第7圖(c)中，物體落下高度對整流器法的效能僅有微小影響，但其他兩種方法的能量回收效能相當接近，且隨落下高度增加而增加。當落下高度為15公分時，雙向法及單向法的能量回收效能為整流器法的14.5倍。在第7圖(d)中，飛輪之轉動慣量增加會造成能量回收效能降低。當飛輪轉動慣量為0.675×10-3 kgm2 時，雙向法的能量回收效能比單向法及整流器法高出32.6%。因此，在調整不同參數時，本發明的避震裝置之能量回收效能均比其他兩種方法為佳，此係彈簧伸縮時兩個止回斜齒輪驅動發電裝置的軸心，而飛輪使軸心維持高轉速。
本發明的齒輪組(裝置)包括直齒輪、正齒輪、斜齒輪、止回斜齒輪，但並不限定僅可使用前述齒輪，其他齒輪亦可應用於齒輪組，或者將前述齒輪以其他齒輪置換。而彈簧亦可以其他彈性元件或者其他進行往復運動的裝置置換。齒輪組及該發電機可配置於彈簧10的內部空間或者是 與彈簧分離配置(如第2圖(a)及(b)所示)，或者僅將齒輪組或發電機配置於該彈簧的內部空間(未示出)。設計者可依實際需要任意調整彈簧、齒輪組及馬達位置，以及決定止回斜齒輪的轉動方向。
本發明實屬難能的創新發明，深具產業價值，援依法提出申請。此外，本發明可以由本領域技術人員做任何修改，但不脫離如所附權利要求所要保護的範圍。
A‧‧‧直齒輪
B‧‧‧正齒輪
C‧‧‧斜齒輪
D‧‧‧第一止回斜齒輪
E‧‧‧第二止回斜齒輪
F‧‧‧軸心
G‧‧‧飛輪
10‧‧‧彈簧
20‧‧‧發電裝置
M W ‧‧‧落下物體質量
M U ‧‧‧平板質量
m ‧‧‧系統其他機構等效質量
h ‧‧‧物體落下前落下物體與平板之間的距離
x ‧‧‧平板位置
b ‧‧‧阻尼比例
k ‧‧‧彈性係數
M D ‧‧‧下平板質量
第1圖為本發明第一實施例的齒輪組示意圖。
第2圖(a)及(b)分別為本發明第一實施例的避震器壓縮(a)或伸長(b)時之齒輪運動示意圖。
第3圖為本發明第一實施例的齒輪組側視圖。
第4圖(a)為本發明的能量轉換機制之輸出電壓與發電裝置轉速關係圖。
第4圖(b)為本發明的能量轉換機制之輸出功率與發電裝置轉速關係圖。
第5圖為本發明之電腦模擬分析之機械模式圖。
第6圖(a)為本發明物體撞擊避震系統時，模擬能量轉換之時間與F軸之轉速關係圖。
第6圖(b)為本發明物體撞擊避震系統時，實作能量轉換之時間與輸出電壓關係圖。
第7圖(a)至(d)為雙向法、單向法及整流器法在分別調整(a)彈性係數、(b)阻尼比例、(c)物體落下高度及(d)飛輪 轉動慣量的參數時之能量回收效能。
A．．．直齒輪
B．．．正齒輪
C．．．斜齒輪
D．．．第一止回斜齒輪
E．．．第二止回斜齒輪
F．．．軸心
G．．．飛輪

Claims (9)

  1. 一種用以發電的避震器，包括：一彈簧；一齒輪組，其包括一直齒輪、一正齒輪、一斜齒輪、一第一止回斜齒輪及一第二止回斜齒輪，該直齒輪的運動方向與該彈簧的伸縮方向相同，該直齒輪驅動該正齒輪，該正齒輪再驅動該斜齒輪，而且該第一及該第二止回斜齒輪具有一第二軸心；以及一發電機，其中，當該彈簧壓縮時，該斜齒輪驅動該第一止回斜齒輪，該第一止回斜齒輪再驅動該發電機發電，當該彈簧伸長時，該斜齒輪驅動該第二止回斜齒輪，該第二止回斜齒輪再驅動該發電機發電，且該齒輪組還包括一飛輪，其裝設於該第二軸心上，俾使該發電機能穩定發電。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的避震器，其中該正齒輪與該斜齒輪具有一第一軸心。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的避震器，其中當該彈簧壓縮時，該第二止回斜齒輪為空轉，當該彈簧伸長時，該第一止回斜齒輪為空轉。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的避震器，其中該齒輪組及該發電機配置於該彈簧的內部空間或與該彈簧分離配置。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的避震器，其中該齒輪組及該發電機其中之一配置於該彈簧的內部空間。
  6. 一種避震裝置，包括：一彈性元件； 一齒輪組，包括一第一止回斜齒輪及一第二止回斜齒輪，而且該第一及該第二止回斜齒輪具有一軸心；以及一發電機，其中當該彈性元件壓縮時，該第一止回斜齒輪驅動該發電機進行發電，當該彈性元件伸長時，該第二止回斜齒輪驅動該發電機進行發電，且該齒輪組還包括一飛輪，其裝設於該軸心上，俾使該發電機能穩定發電。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的避震裝置，其中該齒輪組還包括一直齒輪、一正齒輪及一斜齒輪，該彈性元件驅動該直齒輪，該直齒輪驅動該正齒輪，該正齒輪驅動該斜齒輪，該斜齒輪驅動該第一止回斜齒輪或該第二止回斜齒輪。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的避震裝置，其中該第一及該第二止回斜齒輪各包含一單向軸承，當該第一止回斜齒輪被驅動時，該第二止回斜齒輪為空轉，當該第二止回斜齒輪被驅動時，該第一止回斜齒輪為空轉。
  9. 一種避震裝置，包括：一往復運動裝置，具有一第一運動方向及一第二運動方向；一齒輪組裝置，包括一第一止回斜齒輪及一第二止回斜齒輪，且連接該往復運動裝置，而且該第一及該第二止回斜齒輪具有一軸心；以及一發電裝置，其中，當該往復運動裝置以該第一運動方向運動時，透過驅動該齒輪組裝置使該發電裝置產生電力，當該往復運動裝置以該第二運動方向運動時，透過驅動該齒輪組裝置 使該發電裝置產生電力，且該齒輪組裝置還包括一飛輪，其裝設於該軸心上，俾使該發電裝置能穩定發電。
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