CN107218186B - 一种基于道路减速的能量收集器 - Google Patents

Abstract

一种基于道路减速的能量收集器，用作采集轴承垂直方向运动能量的液压缸一的油口通过软管一与小直径大行程的液压缸三的前、后油口连接，液压缸三的活塞杆与位于该活塞杆左面的齿条一连接；用作采集车辆水平方向运动能量的液压缸二的油口通过软管二与小直径大行程的液压缸四的前、后油口连接，液压缸四的活塞杆与位于该活塞杆右面的齿条二连接，再经过与之啮合的齿轮组转换为发动机转子的转动。它能有效地实现汽车压过减速带时在水平方向和竖直方向上的动能和势能回收，并带动发电装置进行能量转换，具有能量回收效率高的特点。

Description

一种基于道路减速的能量收集器

技术领域

本发明属于能量回收技术领域, 特别涉及车辆道路减速能量回收装置。

背景技术

随着城市私家车数量的快速增加，以及国家高速公路规划与建设的不断发展，公路供电问题受到了越来越广泛的关注。高速公路多处偏远地带，采用农用电源，供电条件差，如电压波动幅度大、停电频繁。同时环境因素多变，如山洞内湿度大、冬季温差大，特别是雷雨季节干扰严重。另外农用电源还存在技术力量薄弱、维修能力差等问题。故高速公路供电往往受到距离、地势、天气等条件限制，电网不够稳定可靠，经常出现供电故障。工作人员赶往故障现场，诊断、分析、排查故障通常需要一段时间，实现故障期间的供电也成为当下亟待解决的问题。考虑道路能量的利用，汽车动能回收将在减少能源消耗中发挥重要作用。在长期演化与发展中，动能收获系统可以根据他们的工作原理分为三类：压电，机械和电磁设计。

压电设计发展充分，它的结构合理、施工可靠，但由于它们的功率密度和电压非常低，大多数压电的方案只供应微机电系统，难以实现大型电力的供应。

机械设计效率较高，但装置尺寸也较大，且路面车辆激励的间歇性与不确定性带来的冲击，会减少使用寿命，不利于装置的安装与维护。

电磁设计装置简单，尺寸适中，使用稳定，发电效率高，便于安装与维护，是能量回收装置中比较理想的设计。

据检索，目前已有的减速发电装置，如专利号为CN201520817816.3名称为“一种用于路面减速带能量回收的换能装置”的中国专利，该装置并联多个液压缸，活塞杆推动挤压缸中液压油压缩回位弹簧，下腔高压液压油输入蓄能器，压力达设定值时，释放高压油带动液压马达旋转发电。但考虑到蓄能器是外界压力低于固定值时便会释放出存储的压力，在其装置回复时，蓄能器中的压力已经高于外界压力，存贮的压力能就会释放，而液压马达转动所需的压力较高，实际很多情况下达不到所需压力，存储能量损失较大，发电效率低。仅仅收集竖直方向上汽车的重力势能，并未收集到汽车对减速带横向冲击的能量。

又如专利号为CN102678492 B名称为“一种公路收费站减速带能量回收发电系统”的中国专利，该专利通过减速带下方的板簧上的垂向连杆与扇形齿轮相连，再由扇形齿轮与棘轮机构传动发电。但该装置所有的机械装置均位于地面以下，安装所需空间过大，施工成本高，润滑不易实现、维护成本高。除此之外，仍然没有收集到汽车对减速带横向冲击的能量。

鉴于上述状况，有必要研发一种结构简单、安全可靠的并且能够收集减速带水平和竖直方向能量的新型减速带能量回收利用装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于道路减速的能量收集器，它能有效地实现汽车压过减速带时水平和竖直方向的能量回收，并能带动发电装置进行能量转换。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于道路减速的能量收集器，用作采集车辆垂直方向运动能量的液压缸一的油口通过软管一与小直径大行程的液压缸三的前、后油口连接，液压缸三的活塞杆与位于该活塞杆左面的齿条一连接；用作采集车辆水平方向运动能量的液压缸二的油口通过软管二与小直径大行程的液压缸四的前、后油口连接，液压缸四的活塞杆与位于该活塞杆右面的齿条二连接，上述齿条一与齿条二平行；齿轮一与齿条一啮合，齿轮五与齿轮一同轴，齿轮六与齿轮五啮合，齿轮七与齿轮六啮合，齿轮九与齿轮七同轴，齿轮八与齿轮九啮合，发电机的转子安装在齿轮八的轴上，齿轮四与齿条二啮合，齿轮六与齿轮四同轴；

上述齿轮一、齿轮二、齿轮三、齿轮四分别经单向单向轴承一、单向轴承二、单向轴承三、单向轴承四安装在对应轴上，且单向轴承一；和单向轴承三在顺时针转动时呈锁死状态而实现轴传动，在逆时针转动时呈自由转动状态而不能实现轴传动，单向轴承二和单向轴承四在顺时针转动时呈自由转动状态而不能实现轴传动，在逆时针转动时呈锁死状态而实现轴传动；所述液压缸一内活塞下方设置有压缩弹簧一，所述液压缸二内活塞下方设置有压缩弹簧二。

所述齿轮五和齿轮七分别位于齿轮六的左、右两侧。

所述齿条一固定在导轨一上，导轨一与导轨座滑动配合，齿条二固定在导轨二上，导轨二与另一导轨座滑动配合；上述两个导轨座上表面均有截面形状为倒置等边梯形的凸棱。

所述单向轴承一、二、三、四的型号选自CSK系列单向轴承。

该方案经过创新设计，利用液压缸、差动连接增速装置、单向轴承与发电机的组合，实现能量的采集转换。

当车辆通过减速带时，车轮对减速带的冲击分解在水平和竖直两个方向上。水平方向的冲击传递给水平液压缸，推动水平液压缸活塞挤压液压油并压缩弹簧，液压油经过管道流入于齿条相连的液压缸，推动活塞杆往外伸。竖直方向的冲击传递给竖直方向的液压缸，推动竖直方向液压缸活塞挤压液压油并压缩弹簧，液压油经过管道流入与齿条相连的液压缸，推动活塞杆往外伸，从而推动齿条运动，经过一系列的齿轮增速，最终将运动传递于发电机的转子轴上。齿条的往复运动传递于与齿条相配合的齿轮，齿轮顺时针的转动通过以顺时针转动为正的单向轴承传递到轴上，齿轮逆时针以的转动通过以逆时针转动为正的单向轴承传递到轴上。

本发明有如下优点：

1、采用液压传动，无需另外附加润滑油。在同等功率条件下，重量轻、体积小，因此惯性小，响应速度快，可实现频繁换向。

2.采用二级液压传动，在传动过程中就实现了增速的作用。减速带振动幅度小，力矩大，采用单级传动传动比过大，传动效率低，采用大直径短行程液压缸与小直径大行程液压缸串联，实现力的减小，行程增大，加快速度，配合多级齿轮传动，最终实现输出的力矩与发电机额定功率小扭矩之间的吻合。

3、采用单向轴承配合使用，将输入端齿条的双向运动转变为单向输入，在系统快速换向执行过程中保证电机转子转向始终保持一致，从而避免了齿条突然换向而强行要求发电机转子轴瞬间换向所造成的冲击，延长了发电机的使用寿命。

4、采用两对单向轴承的配合使用，将两个方向同时发生但持续时间不同的运动耦合在一起，无需另外附加设备分别收集水平和竖直方向的能量。

5、小直径大行程液压缸采用差动连接，运动速度提升了一倍，为后续的齿轮传动降低了一般的传动比，减少齿轮的使用，降低了成本。

6、实际生产应用过程中齿轮转动惯性较大，突然换向对齿轮造成的冲击极大，在传动输入端便实现齿轮转向的一致，使得不需后续大齿轮换向，延长产品的使用寿命，减少维护成本。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是图2所示采集竖直方向能量的液压缸的内部结构图。

图4是图1所示采集水平方向能量的液压缸的内部结构图。

图5是图1中四个带单向轴承的齿轮以及齿轮传动组的立体图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1、图2示出本能量收集器，用作采集轴承垂直方向运动能量的液压缸一1的油口通过软管一30与小直径大行程的液压缸三28的前、后油口连接，液压缸三28的活塞杆与位于该活塞杆左面的齿条一6连接；用作采集车辆水平方向运动能量（减速带压迫在液压缸一、二的活塞杆上）的液压缸二19的油口通过软管二22与小直径大行程的液压缸四21的前、后油口连接，液压缸四21的活塞杆与位于该活塞杆右面的齿条二17连接，上述齿条一6与齿条二17平行；齿轮一5与齿条一6啮合，齿轮五9与齿轮一5同轴，齿轮六10与齿轮五9啮合，齿轮七15与齿轮六10啮合，齿轮九14与齿轮七15同轴，齿轮八11与齿轮九14啮合，发电机12的转子安装在齿轮八11的轴上，齿轮四13与齿条二17啮合。或者，发电机12的转子轴即齿轮11的轴。齿轮六10与齿轮四13同轴；

上述齿轮一5、齿轮二3、齿轮三7、齿轮四13分别经单向轴承三8、单向轴承四16安装在对应轴上，且单向轴承一4；和单向轴承三8在顺时针转动时呈锁死状态而实现轴传动，在逆时针转动时呈自由转动状态而不能实现轴传动，单向轴承二2和单向轴承四16在顺时针转动时呈自由转动状态而不能实现轴传动，在逆时针转动时呈锁死状态而实现轴传动。上述齿轮经单向轴承安装在轴上是指齿轮安装在单向轴承的外圈上，单向轴承的内圈固定在轴上。图1、图2中，18导轨滑块，24底板，25轴承座（安装齿轮轴），29减速带。减速带29的底面贴压在液压缸一7的活塞杆上，减速带29的前侧面抵压在液压缸二19的活塞杆上。齿轮五9和齿轮七15分别位于齿轮六10的左、右两侧。齿条一6固定在导轨一20上，导轨一20与导轨座滑动配合，齿条二17固定在导轨二27上，导轨二27与另一导轨座滑动配合；上述两个导轨座上表面均有截面形状为倒置等边梯形的凸棱。导轨上有倒置等边梯形的开口，与导轨座上的凸棱配合。单向轴承一、二、三、四的型号选自CSK系列单向轴承。型号具体为CSK12。

下压发电过程：

齿条一6与齿条二17分别与小直径大行程液压缸三28和液压缸四21的活塞杆相连。液压缸四21的活塞杆往外伸时，推动齿条二17运动，以整体结构示意图左侧观察，齿轮三7和齿轮四13逆时针转动，此时，由于单向轴承四16闭合，单向轴承三8分离，齿轮四13的运动传递给轴二26，再经过齿轮六10逆时针转动、齿轮七15顺时针转动、齿轮九14顺时针转动、齿轮八11逆时针转动，最终传递于发电机转子轴。液压缸三28的活塞杆往外伸时，推动齿条一6运动，以整体结构示意图左侧观察，齿轮一5和齿轮二3顺时针转动，此时，由于单向轴承一4闭合，单向轴承二2分离，齿轮一5的运动传递给轴一23，再经过齿轮五9顺时针转动、齿轮六10逆时针转动、齿轮七15顺时针转动、齿轮九14顺时针转动、齿轮八11逆时针转动，最终传递于发电机12转子轴以逆时针转动。

回复过程：

正如前面所叙述的，汽车冲击时弹簧压缩，存储弹性势能，当外负载消失时，液压缸一1和液压缸二19内的弹簧一31和弹簧二32回复（参见图3、图4），推动液压缸一1和液压缸二19活塞运动，液压油流回油腔。液压油回流的同时，小直径大行程液压缸三28和液压缸四21活塞回复初始状态。以整体结构示意图左侧视角观察，液压缸四21的活塞杆往回收缩，带动齿条二17往左运动，齿轮三7和齿轮四13顺时针转动，此时，由于单向轴承三8闭合，单向轴承四16分离，齿轮三7的运动传递给轴一23，再经过齿轮五9顺时针转动、齿轮六10逆时针转动、齿轮七15顺时针转动、齿轮九14顺时针转动、齿轮八11逆时针转动，最终传递于发电机转子轴以逆时针转动。液压缸三28的活塞杆往回收缩，以整体结构示意图左侧视角观察，带动齿条一6往右运动，齿轮一5和齿轮二3逆时针转动，此时，单向轴承二2闭合，单向轴承一4分离，齿轮二3的运动传递给轴二26，齿轮六10逆时针转动、齿轮七15顺时针转动、齿轮九14顺时针转动、齿轮八11逆时针转动，最终传递于发电机转子轴以逆时针转动。

上述所有单向轴承可采用内啮式棘轮-棘爪超越离合器替代。

Claims (2)

1.一种基于道路减速的能量收集器，其特征是，用作采集车辆垂直方向运动能量的液压缸一（1）的油口通过软管一（30）与小直径大行程的液压缸三（28）的前、后油口连接，液压缸三（28）的活塞杆与位于该活塞杆左面的齿条一（6）连接；用作采集车辆水平方向运动能量的液压缸二（19）的油口通过软管二（22）与小直径大行程的液压缸四（21）的前、后油口连接，液压缸四（21）的活塞杆与位于该活塞杆右面的齿条二（17）连接，上述齿条一（6）与齿条二（17）平行；齿轮一（5）与齿条一（6）啮合，齿轮五（9）与齿轮一（5）同轴，齿轮六（10）与齿轮五（9）啮合，齿轮七（15）与齿轮六（10）啮合，齿轮九（14）与齿轮七（15）同轴，齿轮八（11）与齿轮九（14）啮合，发电机（12）的转子安装在齿轮八（11）的轴上，齿轮四（13）与齿条二（17）啮合，齿轮六（10）与齿轮四（13）同轴；

上述齿轮一（5）、齿轮二（3）、齿轮三（7）、齿轮四（13）分别经单向轴承一（4）、单向轴承二（2）、单向轴承三（8）、单向轴承四（16）安装在对应轴上，且单向轴承一（4）；和单向轴承三（8）在顺时针转动时呈锁死状态而实现轴传动，在逆时针转动时呈自由转动状态而不能实现轴传动，单向轴承二（2）和单向轴承四（16）在顺时针转动时呈自由转动状态而不能实现轴传动，在逆时针转动时呈锁死状态而实现轴传动；

所述液压缸一（1）内活塞下方设置有压缩弹簧一（31），所述液压缸二（19）内活塞下方设置有压缩弹簧二（32）；

所述齿轮五（9）和齿轮七（15）分别位于齿轮六（10）的左、右两侧；

所述齿条一（6）固定在导轨一（20）上，导轨一（20）与导轨座滑动配合，齿条二（17）固定在导轨二（27）上，导轨二（27）与另一导轨座滑动配合。

2.根据权利要求1所述的基于道路减速的能量收集器，其特征是，所述单向轴承一、二、三、四的型号选自CSK系列单向轴承。