能量转换装置以及轨道车辆的制作方法

本发明属于一种能量回收技术领域，特别涉及一种能量转换装置以及轨道车辆。

背景技术

轨道车辆，尤其是轨道货车，在运营时，基本没有受电网提供其电力需求。尽管机车车辆可以提供一定的电能以供拖车使用，但由于轨道车辆拖车节数很多，且铁路货车具有运行条件恶劣，编组频繁等特点，使得牵引机车供电线路布置存在困难，牵引机车通过电缆向其它拖车供电的方式难以实施。而传统的安装蓄电池供电的方式，需要定期维护和更换蓄电池，使其不满足车辆用电的需求，并不可行。因此，在铁路货车上安装发电装置是解决该问题的一个研究方向。

现有的轨道车辆车载发电装置有轴端发电装置、太阳能电池、风力发电、轴承发电和压电材料发电等多种方案。

在实现本发明的过程中，申请人发现现有技术中至少存在以下问题：

现有技术中，轴端发电装置是通过皮带轮将车轴的转动力矩传递到发电机输入端，该装置结构复杂，体积大，对运用检修要求较高；同时，该种轴端发电装置从本身来讲仍然是将货车本身的能量转化为电能，而并不是回收利用耗散的能量；对于太阳能和风力发电在轨道车辆上的应用，恶劣的作业条件和多变的天气条件，限制了它们在铁路上的实际应用，且能力利用率低；而轴承发电装置加剧了轴承温度的升高，直接影响到了轴承的寿命。

因此，需对现有技术改进。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种能量利用率及能量回收效率高的能量转换装置以及轨道车辆。

本发明的技术方案为：

一方面，本发明提供了一种能量转换装置，其特征在于，所述装置包括：

驱动单元；

转动轴，用于和所述驱动单元连接，在所述驱动单元的驱动下，所述转动轴顺时针或逆时针转动；

切换单元，用于将所述转动轴的顺时针或逆时针转动，切换为发电机的输入轴的单向转动；

发电机，用于将经其输入轴输入的机械能转换为电能。

进一步地，所述切换单元包括：

第一单向离合器以及第二单向离合器，间隔相对设置在所述转动轴上，并可选择性地和所述转动轴传动连接；

第一锥齿轮，固定套装在所述第一单向离合器上；

第二锥齿轮，固定套装在所述第二单向离合器上；

第三锥齿轮，所述第一锥齿轮和所述第二锥齿轮相对啮合在所述第三锥齿轮的齿面上，所述第三锥齿轮和所述发电机的输入轴连接。

更进一步地，所述切换单元还包括：

增速齿轮箱，所述第三锥齿轮和所述发电机的输入轴通过所述增速齿轮箱连接。

优选地，所述驱动单元包括：

齿条；

驱动轮，所述驱动轮固定套装在所述转动轴上，且所述驱动轮和所述齿条相啮合。

进一步地，所述驱动单元还包括：

导轨，所述齿条可移动地设置在所述导轨上，以对齿条的往返运动提供导向。

进一步地，所述驱动单元还包括：

第一吊耳，所述第一吊耳设置在所述齿条的一端。

优选地，所述驱动单元为齿轮齿条机构。

进一步地，所述装置还包括：

飞轮，所述飞轮固定设置在所述发电机的输出轴上。

另一方面，本发明还提供了一种轨道车辆，所述轨道车辆包括上述能量转换装置。

进一步地，所述装置的驱动单元的两端分别与车辆转向架以及轮对连接。

本发明的有益效果至少包括：

本发明的一种能量转换装置，由于转动轴在驱动单元的驱动下顺时针或逆时针转动，而切换单元可以将转动轴的顺时针或逆时针转动，切换为发电机的输入轴的单向转动，即无论转动轴是如何方向转动，发电机均可维持同一方向的转动，因此，是一种将机械能转换为电能的装置，能量利用率、能量回收效率和机械结构的可靠性会得到显著的提升，同时，采用该能量转换装置的轨道车辆，可高效回收轨道车辆运行中的振动能量，以提高能量利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种能量转换装置的结构示意图；

图2为图1中的所述能量转换装置的局部放大图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。

为了解决现有技术在轨道车辆上的发电装置存在的结构复杂、能量利用率和能量回收效率低的问题，本发明实施例提出了一种将轨道车辆振动时产生的机械能转换为电能的方案，其目的是通过一种集成的、简单的机械结构设计来高效的回收轨道车辆振动的能量，能量回收从之前的毫瓦级别提升到瓦级别甚至是几十瓦的级别。

一方面，本发明实施例提供了一种能量转换装置，图1为本发明实施例的一种能量回收装置的结构示意图，图2为图1中的所述能量转换装置的剖面示意图，结合图1及图2，本发明实施例的一种能量转换装置包括：

驱动单元；

转动轴1，用于和驱动单元连接，在驱动单元的驱动下，转动轴1顺时针或逆时针转动；

切换单元，用于将转动轴1的顺时针或逆时针转动，切换为发电机2的输入轴的单向转动；

发电机2，用于将经其输入轴输入的机械能转换为电能。

本发明实施例的一种能量转换装置，由于转动轴在驱动单元的驱动下顺时针或逆时针转动，而切换单元可以将转动轴的顺时针或逆时针转动，切换为发电机的输入轴的单向转动，即无论转动轴是如何方向转动，发电机均可维持同一方向的转动，因此，是一种将机械能转换为电能的装置，能量利用率、能量回收效率和机械结构的可靠性会得到显著的提升，同时，采用该能量转换装置的轨道车辆，可高效回收轨道车辆运行中的振动能量，以提高能量利用率。

结合图1，本发明实施例中，驱动单元可以包括齿条5以及驱动轮6，其中，齿条5和转动轴1垂直设置，齿条5在外力的驱动下往返运动，而驱动轮6固定套装在转动轴1上，且驱动轮6和齿条5相啮合。齿条5的往返运动可以驱动与其相互啮合的驱动轮6转动，进而带动转动轴1的顺时针或逆时针转动。

本发明实施例中，驱动轮6可以和转动轴1为一体式结构，以提高其强度；当然，也可以采用键连接等可拆卸方式，以方便拆装维修。

结合图1，本发明实施例的驱动单元还可以包括导轨7，齿条5可移动地设置在导轨7上，导轨7设置的目的在于对齿条5的往返运动进行导向，使齿条5只能在一个方向上往返运动。

结合图1，本发明实施例的驱动单元还包括第一吊耳8，第一吊耳8设置在齿条5的一端，以用于和外在的动力机构连接，以驱动齿条5的往返运动。

上述驱动单元可以总称为齿轮齿条机构，当然，也可以采用其他能实现转动轴逆时针或顺时针双向转动的其他机构，例如滚柱丝杠机构等，本发明实施例对此不作限制。

结合图1及图2，本发明实施例还可以包括第一球轴承3和第二球轴承4，第一球轴承3和第二球轴承4分别套装在转动轴1的轴向两端上，以实现转动轴1在既定安装环境的稳定转动。

结合图1及图2，本发明实施例的切换单元包括：

第一单向离合器10以及第二单向离合器11，间隔设置在转动轴1上，并可选择性地和转动轴1传动连接；

第一锥齿轮12，固定套装在第一单向离合器10上；

第二锥齿轮13，固定套装在第二单向离合器11上；

第三锥齿轮14，第一锥齿轮12和第二锥齿轮13相对啮合在第三锥齿轮14的齿面上，第三锥齿轮14和发电机2的输入轴连接。

进一步地，本发明实施例中，第一锥齿轮12和第二锥齿轮13同轴设置，而第一锥齿轮12的中心轴和第二锥齿轮13的中心轴均和第三锥齿轮14的中心轴相垂直。

本发明实施例所示的单向离合器为现有技术，其包括外座圈，内座圈、保持架、楔块等组成，当内座圈固定时，外座圈顺时针方向转动楔块不锁止，外座圈可自由转动，当外座圈逆时针转动时，楔块锁止，外座圈不能转动。

应用到本发明实施例中，转动轴1逆时针转动时，第一单向离合器10的楔块锁止，第一单向离合器10和转动轴1同步转动，进而带动第一锥齿轮12转动，同时，第二单向离合器11的楔块不锁止，第二单向离合器11不会和转动轴1同步转动；反之，转动轴1顺时针转动时，第一单向离合器10的楔块不锁止，第一单向离合器10不会和转动轴1同步转动，而第二单向离合器11的楔块锁止，第二单向离合器11和转动轴1同步转动，进而带动第二锥齿轮13转动。即通过转动轴1的不同方向的旋转，实现第一单向离合器10以及第二单向离合器11中的一个与转动轴1的连接，即上文所述的第一单向离合器10以及第二单向离合器11可选择性地和转动轴1传动连接。

由于第一锥齿轮12和第二锥齿轮13相对啮合在第三锥齿轮14的齿面上，在第一锥齿轮12被转动轴1带动转动时，第一锥齿轮12可以带动第三锥齿轮14绕某一方向转动，第三锥齿轮14并带动第二锥齿轮13空转；在第二锥齿轮13被转动轴1带动转动时，第二锥齿轮13可以带动第三锥齿轮14绕同一方向继续转动，第三锥齿轮14并带动第一锥齿轮12空转，即无论转动轴1在何种方向上转动，均能使第三锥齿轮14在一个方向上转动。

由于第三锥齿轮14和发电机2的输入轴连接，第三锥齿轮14在一个方向转动会带动发电机2的输入轴转动，发电机即可工作，将机械能转换为所需要的电能。

结合图2，本发明实施例的切换单元还可以包括第一轴承15，第一锥齿轮12的轮毂设置在第一轴承15内，以实现第一锥齿轮12在既定安装环境的稳定转动。

结合图2，本发明实施例的切换单元还可以包括第二轴承16，第二锥齿轮13的轮毂设置在第二轴承16内，以实现第二锥齿轮13在既定安装环境的稳定转动。

结合图2，本发明实施例的切换单元还可以包括第三球轴承17，第三锥齿轮14的轮毂设置在第三球轴承17内，以实现第三锥齿轮14在既定安装环境的稳定转动。

本发明实施例中，单向离合器的外座圈可以嵌设在锥齿轮的轮毂内，也可以为键连接、焊接等方式，本发明实施例对此不作限制。

结合图1及图2，为了提高发电机的传动效率，本发明切换单元还可以包括增速齿轮箱18，第三锥齿轮14和发电机2的输入轴通过增速齿轮箱18连接，以提高发电机2的输入轴的转速，进而提高传动比，提高机械能的输入。

结合图2，本发明实施例还包括第三轴承19，第三轴承19设置在第三锥齿轮14和发电机2的输入轴之间，以实现二者的稳定传动。

另外，结合图1，本发明实施例还可以包括飞轮20，飞轮20固定设置在发电机2的输出轴上，飞轮20在旋转的过程中增大了等效的惯性质量，以维持发电机的高速转动。

结合图1，本发明实施例的装置还包括壳体21，以将上述构件集成在一个壳体21中，在壳体21背向第一吊耳8的一端可以设置有第二吊耳9，第二吊耳9用于将壳体21的安装连接。

还有，本发明实施例中，齿轮可以密封在有润滑系统的齿轮箱内，使得装置的寿命和效率能得到提升。

由上述可知，本发明实施例的能量转换装置是一种机械运动整流装置，这样的运动机制，使得无论能量转换装置的输入是哪个方向，发电机均可以维持着同一个方向的相对高速转动，能量回收的效率和机械结构的可靠性会得到显著的提升。

另一方面，本发明实施例还提供了一种轨道车辆，该轨道车辆包括上述能量转换装置。

具体地，上述装置的驱动单元的两端可以分别与车辆转向架以及轮对连接，这样就可以利用轨道车辆悬架的上下振动，带动齿条的上下移动，进而驱动转动轴逆时针或顺时针转动，使发电机得以启动，实现将轨道车辆产生的机械能进行回收，并转换成电能的目的。

本发明实施例中，上述装置的驱动单元的两端即第一吊耳和第二吊耳最好分别与车辆转向架以及轮对可转动连接，这样，就能适应车辆转向架以及轮对的倾斜运动。

具体地，第一吊耳8和车辆转向架可转动连接，而第二吊耳9用于和轮对连接。

具有上述装置的轨道车辆，其具有的优点至少包括：

1、发电性能好：由于装置的上下两端，分别和车辆转向架和轮对连接，因此，只要车辆运行，该装置就可以发电，发电功率可达几瓦到几十瓦。

2、由于装置可以集成在一个壳体中，具有体积小，重量轻的特点，可以装在一系悬挂中，既有足够的行程，满足空车重车不同的安装需求，还装卸方便，易于维护。

3、该装置安装不需要改变现有车辆结构，便于推广应用。

以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所述技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。