一种带usb接口的车辆振动发电装置制造方法
【专利摘要】本实用新型为一种带USB接口的车辆振动发电装置，该装置采用重锤和双动式棘轮为拾振机构，齿轮组为振动机械能传递机构，直流永磁发电机为机电能量转换机构，带USB接口的电能处理电路对不规律的直流电能进行处理，实现为车载电子设备供电。本实用新型将双动式棘轮机构用于拾振，把车辆运行中的直线运动转换为旋转运动，再通过高效率的齿轮机构驱动低阻尼永磁直流发电机工作，相比普通的直线式振动发电装置，可显著提高振动机械能的传递和转换效率。本实用新型为可再生能源发电，拾振效率、能量传递和转换效率高，工作寿命长，采用USB接口适合多数车载电子设备使用，通用性强。
【专利说明】—种带USB接口的车辆振动发电装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及将车辆振动的机械能转换为电能的技术，特别涉及重锤和棘轮式拾振机构、直流永磁发电机的装置及其实现方法，具体是采用重锤、双动式棘轮、齿轮组、直流永磁发电机、带USB接口的电能处理电路、磁吸、外壳，实现将车辆行驶中的振动机械能转换为电能的装置。
【背景技术】
[0002]车辆在生活和生产中日益普及，相关的便携式电子设备的应用也日益增多，如:车载导航仪、行车记录仪、驾乘人员的手持式电子设备等，这些电子设备主要依靠车载电源或内置的电池提供电力，这种供电方式存在诸多缺点:
[0003]1.采用车载电源供电需要由汽车发电机输出电能，会增加车辆油耗，在油价高企的今天，显然经济性不高，且增加了环境污染。
[0004]2.采用电池供电的便携式电子设备续航时间短，需要携带充电设备，且电池的使用同样存在污染。
[0005]3.很多车载便携式电子设备为USB电源供电，需为原车载电源外接电源转换器，将12V的点烟器电源转换为USB电源，二次供电效率低，成本高。
[0006]4.杂乱的电源线影响车内的整洁和美观。
[0007]车辆在道路上行驶时会有明显的振动，相关的电子设备工作环境中存在丰富的振动机械能，一种带USB接口的车辆振动发电装置可将车辆行驶中的振动机械能转换为电能，解决这些电子设备的供电问题。
实用新型内容
[0008]本实用新型的目的是针对当前车内便携式电子设备供电技术的不足，提供一种利用车辆振动发电的装置。该装置采用重锤和双动式棘轮为拾振机构，齿轮组为振动机械能传递机构，直流永磁发电机为机电能量转换机构，带USB接口的电能处理电路对不规律的交流电能进行处理，实现为车载电子设备供电。本实用新型将双动式棘轮机构用于拾振，把车辆运行中的直线运动转换为旋转运动，再通过高效率的齿轮机构驱动低阻尼永磁直流发电机工作，相比普通的直线式振动发电装置，可显著提高振动机械能的传递和转换效率。本实用新型为可再生能源发电，拾振效率、能量传递和转换效率高，工作寿命长，采用USB接口适合多数车载电子设备使用，通用性强。
[0009]本实用新型的技术方案为:
[0010]一种带USB接口的车辆振动发电装置，该装置为箱体结构，外形为立方体；箱体内，顶部和底部分别固定有I个磁吸；直流永磁发电机、轴一、轴二、轴三均通过螺钉固定在箱体同一底板的内壁上，其中，直流永磁发电机、轴二和轴三的水平高度相同或相近，轴一在轴二的斜上方；齿轮三通过过盈配合固定在直流永磁发电机的轴上，齿轮二通过过盈配合固定在轴三的轴承上，齿轮一与棘轮通过过盈配合固定在轴二的轴承上，其中，齿轮一铆接固定在棘轮上，同轴转动；同时，齿轮三与齿轮二咬合在一起，齿轮二与齿轮一咬合在一起；棘爪摆杆和重锤均固定在轴一的轴承上，同轴转动，重锤在里部；棘爪一、棘爪二的推动端分别搭在棘轮上部的两个齿上；带USB接口的电能处理电路固定在箱内侧壁上，通过导线与直流永磁发电机的定子绕组相连。
[0011]所述的棘爪摆杆为条状，棘爪摆杆中孔位于棘爪摆杆的中心位置，棘爪一和棘爪二通过间隙配合固定在棘爪摆杆轴上，棘爪一与棘爪二的活动端部形状与棘轮的对应轮齿相吻合；棘爪摆杆与锤面铆接固定在一起，轴一从棘爪摆杆的中心孔穿过。
[0012]所述的重锤采用半圆盘结构,锤边厚重,锤面轻薄，锤面和锤边铆接在一起,锤面顶部有重锤孔用于与轴一固定。
[0013]所述的齿轮二为复合齿轮,组成包括:齿轮二的直齿轮、齿轮二的伞齿轮和齿轮二中孔，齿轮二的直齿轮在齿轮二的伞齿轮下面，齿轮二为整体铸造而成；齿轮三为伞齿轮，与齿轮二的伞齿轮咬合在一起，齿轮三的分度圆直径小于齿轮二的伞齿轮的分度圆直径，齿轮二的直齿轮与为直齿轮的齿轮一咬合在一起，齿轮二的直齿轮分度圆直径小于齿轮一的分度圆直径。
[0014]所述的带USB接口的电能处理电路的组成包括电容滤波电路、超级电容储能电路、DC-DC电源模块、USB接口，其连接关系为电容滤波电路、超级电容储能电路、DC-DC电源模块、USB接口依次级联而成，由USB接口对外输出电能。
[0015]本实用新型基于重锤和双动式棘轮拾振机构、齿轮机械能传递机构、直流永磁发电机的机电能量转换机构、带USB接口的电能处理电路为车载便携式电子设备供电，将车辆行驶中的振动机械能转换为电能，电能经电能处理、电能储存、电能转换之后，实现稳定的直流输出，为车载便携式电子设备供电。
[0016]本实用新型采用重锤和双动式棘轮结构的拾振机构拾振效率高；齿轮机械能传递机构能量传递效率高；直流永磁发电机具有较高的机电转换效率，具有起动转矩低、定位力较小的优点，动态特性好；电能处理电路采用微功耗设计，自身功耗低，采用USB接口设计，通用性好；采用磁吸固定方式可方便地吸附在车内，也可直接竖直放置在车内，使用方便。具有优点如下:
[0017]I)降低车载便携式电子设备对车载电源的依赖，降低油耗，绿色环保
[0018]2)不需要从点烟器为车载便携式电子设备引出许多电源线，保持车内环境的整洁和美观。
[0019]3)由于车辆振动为可再生能源，本实用新型可长期为车载便携式电子设备供电，工作时间长。
[0020]4)采用USB接口设计，通用性好，避免了电源的二次转换，供电效率高。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为一种带USB接口的车辆振动发电装置的结构主视图。
[0022]其中，1-箱体，2-下磁吸，3-带USB接口的电能处理电路，4_齿轮三，5_直流永磁发电机，6-齿轮二，7-轴三，8-棘轮，9-齿轮一，10-轴二，11-棘爪一，12-棘爪二，13-重锤，14-棘爪摆杆，15-轴一，16-上磁吸。
[0023]图2为棘爪摆杆的结构图。其中，21-棘爪摆杆中孔，22-棘爪摆杆轴。[0024]图3为重锤的结构图。其中，31-锤边，32-锤面，33-重锤孔。
[0025]图4为齿轮二的结构图。其中，41-齿轮二的直齿轮，42-齿轮二的伞齿轮，43-齿轮二中孔
[0026]图5为箱体的结构图。其中，51-下侧板，52-右侧板，53-底板，54-上侧板，55-左侧板。
[0027]图6为带USB接口的电能处理电路图。
[0028]图7为一种带USB接口的车辆振动发电装置的运行示意图。
【具体实施方式】
[0029]本实用新型以重锤为拾振装置，以棘轮和齿轮组为能量传递装置，以直流永磁发电机为机电能量转换装置，以带USB 口的电能处理电路为电能处理装置，该车辆振动发电装置在一般包括:外壳、重锤拾振装置、棘轮、齿轮组、直流永磁发电机、电能处理电路(包括:滤波电路、超级电容储能电路、DC-DC电源模块、USB接口)。
[0030]车辆行驶中的振动作用在车辆振动发电装置的外壳上，外壳的振动使得重锤作钟摆运动，重锤摆动时带动棘爪摆杆绕轴一摆动，棘爪摆杆顺时针摆动时，棘爪二推动棘轮逆时针旋转，棘爪摆杆逆时针摆动时，棘爪一推动棘轮逆时针旋转，棘轮与齿轮一固定在一起，齿轮一与棘轮同步逆时针转动，齿轮一逆时针转动时驱动与其咬合的齿轮二的直齿轮顺时针转动，齿轮二的伞齿轮与齿轮二的直齿轮同步顺时针转动，齿轮二的伞齿轮顺时针转动时驱动与之咬合的齿轮三逆时针转动，齿轮三固定在直流永磁发电机的轴上，齿轮三转动时带动直流永磁发电机的转子同步转动，由于电磁感应，直流永磁发电机的定子绕组中产生不稳定直流电，该直流电经带USB 口的电能处理电路的处理，通过USB 口输出稳定的5V直流电。
[0031]下面结合附图对本实用新型进行说明，但它们不对本实用新型作任何限制。
[0032]实施例1
[0033]本车辆振动发电装置的结构图如图1所示，该装置为箱体结构，外形为立方体；箱体内，顶部和底部分别固定有磁吸2和磁吸16 ;直流永磁发电机5、轴一 15、轴二 10、轴三7均通过螺钉固定在同一箱体底板53的内壁上，其中，直流永磁发电机5、轴二 10和轴三7的水平高度相同或相近，轴一 15在轴二 10的斜上方；齿轮三4通过过盈配合固定在直流永磁发电机5的轴上，齿轮二 6通过过盈配合固定在轴三7的轴承上，齿轮一 9与棘轮8通过过盈配合固定在轴二 10的轴承上，其中，齿轮一 9铆接固定在棘轮8上，同轴转动；同时，齿轮三4与齿轮二 6咬合在一起，齿轮二 6与齿轮一 9咬合在一起；棘爪摆杆14和重锤13均固定在轴一 15的轴承上，同轴转动，重锤13在里部；棘爪一 11、棘爪二 12的推动端分别搭在棘轮8上部的两个齿(可以是相邻的两个齿，也可以是本实施例的中间有间隔的齿)上，当车辆振动时，重锤13带动棘爪摆杆14绕轴一 15作钟摆运动；
[0034]所述的棘爪摆杆14如图2所示，棘爪摆杆14为条状，两端圆弧形，棘爪摆杆中孔21位于棘爪摆杆14的中心位置，棘爪一 11和棘爪二 12通过间隙配合固定在棘爪摆杆轴22上，棘爪摆杆14与锤面32铆接固定在一起，轴一 15从棘爪摆杆14的中心孔21穿过。棘爪一 11与棘爪二 12形状相似，且两棘爪的活动端部形状与棘轮8的对应轮齿相吻合，棘爪
一11比棘爪二 12长，棘爪一 11的端部比棘爪二 12的端部更尖锐。[0035]所述的箱体如图5所示，箱体的组成包括下侧板51、右侧板52、底板53、上侧板54、左侧板55,磁吸2、16分别固定在箱体I的下侧板51、上侧板54的内壁,箱体I由端盖扣合实现全封闭。
[0036]所述的重锤如图3所示，重锤13采用半圆盘结构，锤边31厚且较重，锤面32薄且轻,锤面32和锤边31铆接在一起,锤面顶部有重锤孔33用于与轴一固定，锤面32与棘爪摆杆14铆接固定，重锤13通过重锤孔33固定在轴一 15的轴承上。
[0037]所述的齿轮二如图4所示，齿轮二 6为复合齿轮，组成包括:齿轮二的直齿轮41、齿轮二的伞齿轮42和齿轮二中孔43，齿轮二的直齿轮41在齿轮二的伞齿轮42下面，齿轮
二6为整体铸造而成；齿轮三4为伞齿轮，与齿轮二 6的伞齿轮42咬合在一起，齿轮三4的分度圆直径小于齿轮二 6的伞齿轮42的分度圆直径，齿轮二的直齿轮41与直齿轮齿轮一9咬合在一起，齿轮二的直齿轮41分度圆直径小于齿轮一 9的分度圆直径。
[0038]所述的带USB接口的电能处理电路3固定在箱内侧壁上，通过导线与直流永磁发电机5的定子绕组相连。
[0039]所述的带USB接口的电能处理电路如图6所示。电路位于箱体内侧，电能处理电路的组成包括电容滤波电路、超级电容储能电路、DC-DC电源模块、USB接口，其连接关系为电容滤波电路、超级电容储能电路、DC-DC电源模块、USB接口依次级联而成，电容滤波电路两端为带USB接口的电能处理电路的输入端，并与定子绕组相连，USB接口对外输出电能。
[0040]其中，直流永磁发电机5的定子绕组的感应电流(不稳定直流电)由输入端Vin传输给电能处理电路3，输入端Vin的两根导线分别连接节点E、D (文中所述节点为导线连接点，若多个连接点之间由导线连接，则这些连接点采用同一节点编号)。
[0041]电容滤波电路由电容Cl组成，电容Cl两端分别接节点E和节点D。
[0042]超级电容储能电路的组成包括:防反充二极管D1、超级电容C2、超级电容C3、超级电容C4。超级电容C2、C3、C4依次串联，储存电能。防反充二极管Dl的正、负极分别接节点E、F，防止超级电容C2、C3、C4向输入端漏电。
[0043]DC-DC电源模块可将一定电压范围内的电能稳压输出，DC-DC电源模块输入端接节点F、D，输出端接USB接口。
[0044]本实施例采用的具体材料和器件为:
[0045]外壳由厚度为3mm的招合金板材制成,端盖与箱体之间采用卡扣进行连接,端盖长 150mm、宽 130mm,箱体长 150mm、宽 130mm、高 30mm ；
[0046]磁吸选用富尼牌圆形磁吸,直径36mm、高度8mm ；
[0047]直流永磁发电机为130长轴碳刷电机，长度25mm、厚度20mm、高度15mm，电机轴径2mm,出轴长度:前端19mm、后端9mm，工作电压为1.5V-12V DC，采用M2螺丝固定在箱体底部。
[0048]齿轮一、齿轮二、齿轮三、棘轮、棘爪、棘爪摆杆材料均为PVDF。
[0049]齿轮一为直齿轮,其参数为:齿数24、模数6、厚度5mm、孔径5mm。
[0050]齿轮二为直齿轮和伞齿轮组成的复合齿轮,齿轮二的直齿轮参数为:齿数12、模数6、厚度5mm、孔径5mm,齿轮二的伞齿轮参数为:齿数18、模数6、厚度8mm、孔径5mm。
[0051]齿轮三为伞齿轮,其参数为:齿数6、模数4、厚度8mm、孔径2mm。
[0052]轴一、轴二、轴三的固定轴材料为不锈钢，固定轴的半径均为2mm、长度IOmm ;轴一、轴二、轴三的轴承型号均为NMB牌,轴承内径2mm、外径5mm、高度2.5mm ;轴承通过过盈配合固定在固定轴上。所述的轴一、轴二、轴三的组成包括固定轴和轴承，轴的位置根据齿轮尺寸合理分布。
[0053]棘轮采用三角形齿形,相关参数为:齿数24、齿高3mm、齿槽夹角60°、模数为4、顶圆外径为96_、内圆直径为5_、厚度3_。棘轮与齿轮一铆接在一起,通过过盈配合固定在轴一的轴承上。
[0054]棘爪相关参数为:厚度3mm、端部高度6mm、平均宽度8mm，棘爪一和棘爪二轴线长度分别为20mm、16mm,棘爪一和棘爪二的孔径均为5mm。
[0055]棘爪摆杆为条状，两端圆弧形，相关参数为:厚度5mm、宽度10mm、长度30mm、棘爪摆杆轴直径5mm。
[0056]重锤外缘为半圆环结构，由不锈钢制成，重锤外缘尺寸为:厚3mm、外径20mm、内径17mm ;锤面为半圆盘结构，由黄铜制成,锤面尺寸为:半径17mm、厚度0.5mm ;重锤孔直径为2mm ο
[0057]电能处理电路所用元件如下:滤波电容Cl为470 μ F电解电容；二极管Dl型号为ΙΝ4001 ;超级电容C2、C3、C4为2F超级电容，DC-DC电源模块型号为LM2596S-ADJ，USB接口为A型口；
[0058]一种带USB接口的车辆振动发电装置运行示意图如图7所示。车辆振动作用在发电装置外壳上，外壳带动固定在箱体底部的轴一振动，使得重锤绕轴一摆动，重锤带动棘爪摆杆摆动，棘爪摆杆摆动时依次推动棘爪一和棘爪二，棘爪一和棘爪二推动棘轮逆时针转动，棘轮带动与其固定在一起的齿轮一同轴转动，齿轮一驱动与其咬合的齿轮二的直齿轮转动，齿轮二的伞齿轮与齿轮二的直齿轮同轴转动，驱动与其咬合的伞齿轮齿轮三转动，齿轮三固定在直流永磁发电机轴上，齿轮三转动时带动直流永磁发电机的转子转动，由于电磁感应，直流永磁发电机的定子绕组输出不稳定直流电，定子绕组的输出端接入带USB口的电能处理电路，经电容滤波后为超级电容储能电路充电，超级电容储能电路后接DC-DC电源模块，经进一步的稳压处理后，通过USB端口输出5V稳压直流电。
[0059]车辆在行驶中振动明显，具有丰富的振动机械能资源，本车辆振动发电装置可将不稳定的车辆振动机械能转换为稳定输出的电能。车载电子设备日益增多，且多需要将车载12V直流电源转换为5V直流供电。本车辆振动发电装置能直接通过USB 口输出稳定5V直流电，可放置在电子设备附近或直接嵌入电子设备中为其供电，减少了车辆的供电负荷，避免外接电源线影响车内环境的美观。
[0060]本发电装置采用直流永磁发电机可长期稳定运行，重锤和棘轮拾振机构具有较高的机械能传递效率，采用的尼龙齿轮具有自润滑特性，系统整体具有很高的可靠性，采用通用的USB接口供电，通用性强，可直接放置在车载电子设备附近或置于其内部，使用方便。
[0061]本实用新型未尽事宜为公知技术。
【权利要求】
1.一种带USB接口的车辆振动发电装置，其特征为该装置为箱体结构，外形为立方体；箱体内，顶部和底部分别固定有I个磁吸；直流永磁发电机、轴一、轴二、轴三均通过螺钉固定在箱体同一底板的内壁上，其中，直流永磁发电机、轴二和轴三的水平高度相同或相近，轴一在轴二的斜上方；齿轮三通过过盈配合固定在直流永磁发电机的轴上，齿轮二通过过盈配合固定在轴三的轴承上，齿轮一与棘轮通过过盈配合固定在轴二的轴承上，其中，齿轮一铆接固定在棘轮上，同轴转动；同时，齿轮三与齿轮二咬合在一起，齿轮二与齿轮一咬合在一起；棘爪摆杆和重锤均固定在轴一的轴承上，同轴转动，重锤在里部；棘爪一、棘爪二的推动端分别搭在棘轮上部的两个齿上；带USB接口的电能处理电路固定在箱内侧壁上，通过导线与直流永磁发电机的定子绕组相连。
2.如权利要求1所述的带USB接口的车辆振动发电装置，其特征为所述的棘爪摆杆为条状，棘爪摆杆中孔位于棘爪摆杆的中心位置，棘爪一和棘爪二通过间隙配合固定在棘爪摆杆轴上，棘爪摆杆与锤面铆接固定在一起，轴一从棘爪摆杆的中心孔穿过。
3.如权利要求1所述的带USB接口的车辆振动发电装置，其特征为所述的重锤采用半圆盘结构，锤边厚重，锤面轻薄,锤面和锤边铆接在一起,锤面顶部有重锤孔用于与轴一固定。
4.如权利要求1所述的带USB接口的车辆振动发电装置，其特征为所述的齿轮二为复合齿轮，组成包括:齿轮二的直齿轮、齿轮二的伞齿轮和齿轮二中孔，齿轮二的直齿轮在齿轮二的伞齿轮下面，齿轮二为整体铸造而成；齿轮三为伞齿轮，与齿轮二的伞齿轮咬合在一起，齿轮三的分度圆直径小于齿轮二的伞齿轮的分度圆直径，齿轮二的直齿轮与为直齿轮的齿轮一咬合在一起，齿轮二的直齿轮分度圆直径小于齿轮一的分度圆直径。
5.如权利要求1所述的带USB接口的车辆振动发电装置，其特征为所述的带USB接口的电能处理电路的组成包括电容滤波电路、超级电容储能电路、DC-DC电源模块、USB接口，其连接关系为电容滤波电路、超级电容储能电路、DC-DC电源模块、USB接口依次级联而成，由USB接口对外输出电能。
【文档编号】F03G7/08GK203747568SQ201320807672
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2013年12月9日 优先权日:2013年12月9日
【发明者】王志华, 王莉, 王博文 申请人:河北工业大学