CN108560436A - 一种基于压电效应的微结构能量回收减速带 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于压电效应的微结构能量回收减速带，包括减速带本体，微结构填充部件，高强橡胶块、悬臂梁压电振子和能量捕获电路；减速带本体截面呈梯形，减速带本体的内部设置有微结构填充部件、高强橡胶块、悬臂梁压电振子以及能量捕获电路；微结构填充部件由三维点阵排列的X形内凹微结构元胞构成；高强橡胶块布置在减速带本体斜坡面处用于减速带与地面以及悬臂梁压电振子的固定；悬臂梁压电振子包括中间弹性极板，两侧的压电片以及前端集中质量块，压电片连接在中心弹性极板上形成双晶压电结构并通过导线实现并联；悬臂梁压电振子在实际应用中是多个相同结构均匀间隔地分布在减速带长度方向上且并联连接；能量捕获电路内嵌在高强橡胶块中。

Description

一种基于压电效应的微结构能量回收减速带

技术领域

本发明属于道路交通安全设施技术领域，更具体地说涉及一种基于压电效应的微结构能量回收减速带。

背景技术

减速带是一种稍凸起于路面以实现车辆减速的新型交通专用安全装置，其一般设置在公路收费站、学校、住宅小区和工矿企业入口等需要车辆减速慢行和交通事故易发的路段。随着人们生活水平的不断提高，汽车保有量的不断提升，交通安全问题日益严峻，而减速带的存在很大程度上减少了各交通要道口的事故发生。

现存的减速带，包括水泥凸台、钢制和橡胶制等形式，尽管其在世界范围内被广泛地应用，且能够有效地降低行车速度，但其易造成以下问题：车辆通过减速带时由于阻碍作用会产生噪声污染，很大程度上影响了小区、学校等区域的生活质量；车辆高速通过减速带时不仅造成车辆颠簸，乘坐舒适性降低，更为严重的是，减速带与车辆的碰撞长此以往会对车辆悬架等部件造成损伤，轻则悬挂内伤，四轮定位走偏，重则直接损伤轮胎，甚至是爆胎。很多现有技术都试图通过几何参数设计来提高减速性，通过减速带相关机械结构设计来降低车辆颠簸程度，提高乘坐舒适性，中国发明专利公开号为201711271731.X的文献公开了一种便于减振的新型单向减速带，减速带的一侧通过转轴与安装板进行连接，支撑杆上端设置有与T型滑槽滑动配合的T型滑块，其下端设置有弹簧，弹簧的另一端与设置在安装槽底部的座板进行连接，该发明能够降低减速带对车辆造成的振动，提高舒适性。但由于其需在地下布置，布置繁琐，且其虽能够降低颠簸程度，但由于碰撞、摩擦产生的噪声并不能得到有效地衰减。

与减速带的尺寸设计相比，车辆通过减速带时耗散的能量问题则被关注得较少。车辆在经过减速带时，会经历碰撞、爬升、下降和落地几个过程，在这个过程中，由于冲击和车辆重力势能的改变会浪费很多能量。随着节能减排要求的日益提高，人们将目光转向了这一能量。中国发明专利公开号为CN105508161A的文献公布了一种能量回收减速带，它通过齿轮传动机械结构实现能量的回收。这种结构存在齿轮副结构复杂，长期往复损耗严重以及发电效率不高的问题。还有相关文献提出了液压系统发电和压电发电的方式，但上述文献所提到的技术方案存在装置过大，结构复杂以及需在地下布置，防水困难等问题。

因此，如何提供一种结构创新、布置简单，且能够有效减少噪声污染和提高舒适性，并兼具回收能量的新型减速带是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术存在的结构和地下布置复杂、振动噪声不能被很好地衰减以及能量回收装置体积大、效率低等问题。本发明的目的是提供一种基于压电效应的微结构能量回收减速带，在不影响功能的前提下，降低振动噪声，提高舒适性，并利用高效压电回收方式回收能量，用以周边信号灯或警示装置。

本发明的目的是这样实现的：一种基于压电效应的微结构能量回收减速带，包括减速带本体，微结构填充部件，高强橡胶块、悬臂梁压电振子和能量捕获电路。所述减速带本体截面呈梯形，由上下表面和斜坡面构成，两端对称安装，所述减速带本体的内部设置有微结构填充部件、高强橡胶块、悬臂梁压电振子以及能量捕获电路；所述微结构填充部件由三维点阵排列的X形内凹微结构元胞构成，并与减速带本体上下表面和部分斜坡面相互连接；所述高强橡胶块布置在减速带本体斜坡面处，其一端用于减速带与地面的连接，另一端用于固定悬臂梁压电振子；所述悬臂梁压电振子包括中间弹性极板，两侧的压电片以及前端集中质量块，其通过安装凹槽与微结构填充部件实现连接；所述压电片连接在中心弹性极板上形成双晶压电结构，并通过导线实现并联；所述悬臂梁压电振子在实际应用中是多个相同结构均匀间隔地分布在减速带长度方向上，且实现电路结构的并联，电路结构的终端通过布置在高强橡胶块中的导线连接到能量捕获电路上；所述能量捕获电路内嵌在高强橡胶块中。

作为优选，所述减速带本体表面蒙皮均采用橡胶材质。

作为优选，所述X形内凹微结构元胞均匀对称分布。

作为优选，所述微结构填充部件采用3D打印增材制造工艺制作而成。

本发明所提供的一种基于压电效应的微结构能量回收减速带，在实际应用时，减速带斜坡面先经过车轮撞击，斜坡面以及高强橡胶块对其起到降低行驶速度和衰减振动的作用。当汽车车轮继续前行时，其冲击到减速带内部由X形内凹微结构元胞构成的微结构填充部件，该部件在冲击作用下的弹性范围内，会沿着垂直方向低频振动，即起到衰减振动的作用。同时由于该部件特殊的X形内凹微结构元胞，不仅使得空间充满空隙，而且有类似于声子晶体的性质，撞击和摩擦产生的噪声会在其中通过扩散、共振的作用被吸收和衰减。在微结构填充部件的振动作用下，悬臂梁压电振子也会跟随振动，带动两侧压电片组成的双晶压电结构产生电流。与此同时除了强迫振动外，由于悬臂梁压电振子前端集中质量块的存在，当外界作用力消失后，其也会在该集中质量作用下有一定程度的自由振动，从而成为双晶压电结构产生电流的第二个激励源。两侧压电片组成的双晶压电结构产生的电能通过高效能量捕获电路被回收。当车轮下落和落地时，由于减速带梯形对称结构，其工作原理与前述一致，后轮经过减速带的过程也如此。

本发明技术方案具有以下优点和积极效果：

（1）、本发明由于采用上述结构，可以通过斜坡面、高强橡胶块和微结构填充部件先进行降低车速和衰减振动；

（2）、本发明利用微结构材料的吸声特性可有效吸音减少噪声污染，与此同时，通过与微结构连接的压电振子强迫振动和自由振动带动压电片产生电能，并被回收利用，实现了节能效果。

（3）、本发明的减速带在降低结构复杂度的基础上，实现了降速、减振、吸声降噪和能量回收功能的一体化。

附图说明

图1为本发明一种具体实施例所提供的减速带整体结构示意图；

图2为本发明一种具体实施例所提供的减速带内部X形内凹微结构元胞立体示意图；

图3为图2中X形内凹微结构元胞A向投影视图；

图4为本发明一种具体实施例所提供的减速带内部X形内凹微结构元胞空间排布示意图；

图5为本发明图1中B处悬臂梁压电振子前端与X形内凹微结构元胞连接局部放大示意图；

图6为本发明一种具体实施例所提供的减速带内部悬臂梁压电振子结构示意图；

图7为图6中悬臂梁压电振子结构示意图中悬臂梁压电振子中间弹性极板的俯视图；

图8为本发明一种具体实施例所提供的减速带内部所有悬臂梁压电振子并联连接示意图；

图9为本发明一种具体实施例所提供的减速带内部能量捕获电路示意图。

图中编号分别为：1、工作车轮，2、减速带本体，3、微结构填充部件，4、膨胀螺栓安装孔，5、高强橡胶块，6、悬臂梁压电振子，7、安装凹槽，8、中心弹性极板，9、集中质量块，10、压电片，11、能量捕获电路。

具体实施方式

如图1-9所示：本发明的一种具体实施例提供了一种基于压电效应的微结构能量回收减速带，该减速带包括减速带本体2、微结构填充部件3、高强橡胶块5、悬臂梁压电振子6、能量回收电路11；所述减速带本体2截面为梯形，两侧对称，分为上下表面和斜坡面，上下表面和斜坡面蒙皮均采用具有成本优势的普通橡胶制造而成；减速带本体2的内部微结构填充部件3均匀填充在上下表面之间，与上下表面和斜坡面通过粘接连接，为了避免其影响悬臂梁压电振子6的有效振动，在悬臂梁压电振子6周围，微结构填充部件3适当稀疏分布。

所述微结构填充部件3由三维点阵排列的X形内凹微结构元胞构成，X形内凹微结构元胞如图2所示，其A向投影如图3所示，其三维空间排列如图4所示。

其中，由X形内凹微结构元胞构成的微结构填充部件3具有负泊松比特性，即受到压力后向中心凹陷，该结构有利于衰减振动和吸音降噪。同时，由于X形内凹微结构元胞呈现出一种正方体体心立方的结构，采用不同组分的材料制作时，其有一定的声子晶体特性，噪声在空隙中扩散、共振并衰减，从而实现有效地降噪。该内部微结构填充部件3采用3D打印增材制造技术制成。

所述高强橡胶块5安装在减速带本体2中斜坡面处，其内部有膨胀螺栓安装孔4，用以安装膨胀螺栓，从而将减速带和地面固定。

所述悬臂梁压电振子6固定在高强橡胶块5之中，其包括中心弹性极板8，集中质量块9和两侧的压电片10。将压电片10用导电胶粘接于中心弹性极板8的上下两侧构成双晶压电结构，集中质量块9固定在悬臂梁压电振子6的前端。整个悬臂梁压电振子6通过安装凹槽7与微结构部件3实现连接，形成整体振动，从而成为其振动的第一激励源，具体地是悬臂梁压电振子6的前端与X形内凹微结构元胞通过安装凹槽7的连接，如图5所示，图5即为图1中B标号处的局部放大。

其中，压电片10形状为矩形或者梯形，选用PZT/PVDF复合材料，其克服了压电陶瓷材料脆性高，疲劳耐久性差的缺点并且具有成本优势。为了增大压电片10的输出应变大小，提高发电效率，应尽量将其粘贴于悬臂梁压电振子6固定端附近处。

其中，中心弹性极板8选用梯形等强度梁，形状如图7所示。等强度梁是一种在应力较大处采用较大截面，在应力较小处采用较小截面的梁结构。这种变截面梁各横截面上的最大应力都相等，且都等于许用应力。其不仅能节约材料，还能一定程度上提高压电片的应变大小，从而提高其发电性能。

其中，集中质量块9可以使悬臂梁压电振子6产生一定的自由振动，作为其振动发电的第二激励源。并且集中质量块9的存在有利于降低悬臂梁压电振子6的振动频率，从而与工作车轮1撞击时的振动频率相匹配，使压电片10处于接近谐振的最佳发电工作范围。

所述悬臂梁压电振子6上的两侧压电片10组成的双晶压电结构通过导线用并联方式连接，如图6所示导线连接方式。多个悬臂梁压电振子均匀间隔地分布在减速带长度方向上，最后用穿插在高强橡胶快5之中的导线相互连接，形成如图8所示的并联结构，最终将导线接入能量捕获电路11。

所述能量捕获电路11固定在高强橡胶快5之中，并置于减速带长度方向的一侧。该能量捕获电路11采用振动能量回收电路低功耗芯片LTC3588-1，其采用集成化低损失全波桥式整流器，拥有2.7V—20V输入电压工作范围，能够很好地对多个悬臂梁压电振子6收集到的电流进行整流、滤波和稳压并进行可调电压的输出。使用该芯片的高效能量捕获电路整体结构如图9所示。

本发明实施例所提供的一种基于压电效应的微结构能量回收减速带，在实际应用时的工作原理为：

工作车轮1经过减速带时，首先冲击减速带本体2的斜坡面和高强橡胶块5，斜坡面以及高强橡胶块5对其起到降低行驶速度和衰减振动的作用。当工作车轮1继续前行时，其冲击到减速带本体2内部微结构填充部件3，该部件在冲击作用下的弹性范围内，会沿着垂直方向低频振动，起到衰减振动的作用。同时由于该微结构填充部件3特殊的X形内凹微结构元胞三维点阵排列，拥有很多空隙并有类似于声子晶体的性质，撞击和摩擦产生的噪声会在其中通过扩散、共振的作用被吸收和衰减。在微结构填充部件3的振动作用下，悬臂梁压电振子6也会跟随其受迫振动，带动压电片10组成的双晶压电结构振动发电，除了强迫振动外，当无外力作用时，悬臂梁压电振子6前端的集中质量块9也会带动其有一定的自由振动，从而成为压电片10组成的双晶压电结构产生电流的第二个激励源。悬臂梁压电振子6上的压电片10组成的双晶压电结构通过导线并联连接，多个悬臂梁压电振子也采用并联连接方式，最终产生的电流通过内嵌在高强橡胶块5中的导线输送至减速带长度方向一侧内嵌在高强橡胶块5中的高效能量捕获电路11中，并被存储和应用到周围信号灯、警示装置的供电。当工作车轮1沿着减速带本体2下落和落地时，由于减速带本体2的梯形对称结构，其工作原理与前述一致，后轮经过减速带的过程也如此。

Claims (4)

1.一种基于压电效应的微结构能量回收减速带，其特征在于：该减速带包括减速带本体，微结构填充部件，高强橡胶块、悬臂梁压电振子和能量捕获电路；所述减速带本体截面呈梯形，所述减速带本体的内部设置有微结构填充部件、高强橡胶块、悬臂梁压电振子以及能量捕获电路；所述微结构填充部件由三维点阵排列的X形内凹微结构元胞构成；所述高强橡胶块布置在减速带本体斜坡面处用于减速带与地面以及悬臂梁压电振子的固定；所述悬臂梁压电振子包括中间弹性极板，两侧的压电片以及前端集中质量块，所述压电片连接在中心弹性极板上形成双晶压电结构并通过导线实现并联；所述悬臂梁压电振子在实际应用中是多个相同结构均匀间隔地分布在减速带长度方向上且并联连接；所述能量捕获电路内嵌在高强橡胶块中。

2.根据权利要求1所述的一种基于压电效应的微结构能量回收减速带，其特征在于：所述减速带本体表面蒙皮均采用橡胶材质。

3.根据权利要求1所述的一种基于压电效应的微结构能量回收减速带，其特征在于：所述X形内凹微结构元胞均匀对称分布。

4.根据权利要求1所述的一种基于压电效应的微结构能量回收减速带，其特征在于：所述微结构填充部件采用3D打印增材制造工艺制作而成。