基于智能材料的新型能量采集輪胎裝置及其方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于智能材料的新型能量采集輪胎裝置及其方法。裝置包括氣門嘴、控制電路板、胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器、輪轂、能量采集輪胎；輪轂外設(shè)有能量采集輪胎，輪轂上設(shè)有氣門嘴，氣門嘴端部設(shè)有控制電路板、胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器，能量采集輪胎的橫截面從外到內(nèi)包括胎面、尼龍帶束層、鋼絲帶束層、簾線層、壓電纖維、氣密層。利用車輛行駛過(guò)程中，輪胎的振動(dòng)引起壓電纖維的振動(dòng)，從而將振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化為電能，為胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器等供電。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是將振動(dòng)能量采集裝置與輪胎集于一體，簡(jiǎn)單方便。并且該發(fā)明裝置采集輪胎振動(dòng)的能量給胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電，解決了需要定期更換電池的缺點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】基于智能材料的新型能量采集輪胎裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開(kāi)了一種基于智能材料的新型能量采集輪胎裝置及其方法。特別地，該新型能量采集輪胎可應(yīng)用于輪胎振動(dòng)的能量采集，從而為胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電。
【背景技術(shù)】
[0002]輪胎的使用和人們?nèi)粘３鲂邢⑾⑾嚓P(guān)。據(jù)交管部門有關(guān)統(tǒng)計(jì)，高速公路上的交通事故中有46%是由輪胎發(fā)生故障引起的，而其中的70%由胎壓異常引起。胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)針對(duì)輪胎胎壓過(guò)低、胎壓過(guò)高、快速漏氣、胎溫過(guò)高及電瓶電壓過(guò)低等狀況進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警，預(yù)防爆胎事故的發(fā)生，增加駕駛汽車的安全性。胎壓監(jiān)測(cè)不僅是減少交通事故的重要方式，也是行車安全的重要保障。
[0003]胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要電池來(lái)提供能源供給，而電池的壽命有限，一般只能用3-5年，需要定期的更換電池，并且電池對(duì)環(huán)境有一定的污染。如何充分將輪胎行駛過(guò)程中振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換并采集來(lái)給胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電，實(shí)現(xiàn)綠色能源的可循環(huán)利用，也引起了廣泛的關(guān)注。
[0004]目前，人們?cè)O(shè)計(jì)了不同的結(jié)構(gòu)來(lái)收集并儲(chǔ)存振動(dòng)的能量。專利CN101247096A設(shè)計(jì)了一種置于輪胎內(nèi)部的鋼道，通過(guò)鋼道內(nèi)部鋼珠的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)撞擊壓電片，將振動(dòng)能量裝換為電能。CN1702952A中研究者設(shè)計(jì)了一種壓電振子，在車輛行駛過(guò)程中在輪胎的振動(dòng)作用下不斷產(chǎn)生電荷。還有研究者提出了壓力能量采集輪胎的概念，利用輪胎氣壓的變化來(lái)推動(dòng)中心軸上葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生電能。研究者通過(guò)設(shè)計(jì)不同的結(jié)構(gòu)置于輪胎內(nèi)部，利用輪胎的振動(dòng)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能到電能的轉(zhuǎn)化，然后為胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電。然而已有的能量采集設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，實(shí)施難度大。由于目前車輛多采用無(wú)內(nèi)胎的真空輪胎，在輪胎內(nèi)部設(shè)計(jì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能到電能的轉(zhuǎn)換，需要改動(dòng)輪胎的結(jié)構(gòu)，加工難度大，工藝要求高，加工成本聞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要定期更換電池的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種基于智能材料的新型能量采集輪胎裝置及其方法?？梢詫⑤喬フ駝?dòng)的能量轉(zhuǎn)化為電能，為胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電。
[0006]基于智能材料的新型能量采集輪胎裝置包括氣門嘴、控制電路板、胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器、輪轂、能量采集輪胎；輪轂外設(shè)有能量采集輪胎，輪轂上設(shè)有氣門嘴，氣門嘴端部設(shè)有控制電路板、胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器，能量采集輪胎的橫截面從外到內(nèi)包括胎面、尼龍帶束層、鋼絲帶束層、簾線層、壓電纖維、氣密層。
[0007]所述的控制電路板的控制電路為:變壓器T輸入端連接壓電纖維引出的導(dǎo)線，輸出端連接全橋整流電路，整流電路包括四個(gè)整流二極管Dl、整流二極管D2、整流二極管D3、整流二極管D4，整流二極管Dl的陽(yáng)極和整流二極管D4的陰極和變壓器T的一端相連接，整流二極管D2的陽(yáng)極和整流二極管D3的陰極和變壓器T的另一端相連接，整流二極管D3和整流二極管D4共陽(yáng)極連接并接地，整流二極管Dl和整流二極管D2共陰極連接濾波電容Cl的一端，濾波電容的Cl的另一端連接整流二極管D3的陽(yáng)極，濾波電容Cl的一端串聯(lián)一個(gè)濾波電阻Rl后與濾波電容C2的一端相連，濾波電容Cl的另一端直接于濾波電容C2的另一端相連接，濾波電容C2的一端串聯(lián)一個(gè)限流電阻Rs后再與穩(wěn)壓二極管Dz的陽(yáng)極相連，濾波電容C2的另一端直接與穩(wěn)壓二極管Dz的陰極相連。
[0008]基于智能材料的新型能量采集方法是:壓電纖維嵌于輪胎尼龍帶束層內(nèi)部，在車輛行駛過(guò)程中，輪胎的振動(dòng)將引起輪胎內(nèi)部壓電纖維的振動(dòng)，該壓電纖維材料在外部振動(dòng)的情況下產(chǎn)生應(yīng)力，由于壓電纖維材料的力電耦合性能，在壓電纖維表面產(chǎn)生電荷，從而將輪胎振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化成電能，再通過(guò)控制電路板給胎壓監(jiān)測(cè)傳感器供電，通過(guò)四個(gè)整流二極管的整流作用，將交流電壓轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)直流電壓，再通過(guò)兩個(gè)濾波電容和濾波電阻的濾波作用，將脈動(dòng)直流電壓轉(zhuǎn)化成直流電壓，最后通過(guò)限流電阻Rs和穩(wěn)壓二極管Dz的調(diào)節(jié)輸出一個(gè)1V-5V的穩(wěn)定直流電壓，實(shí)現(xiàn)將新型智能回收輪胎振動(dòng)的能量采集并供電給胎壓監(jiān)測(cè)傳感器。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是將振動(dòng)能量采集裝置與輪胎集于一體，簡(jiǎn)單方便。并且該發(fā)明裝置采集輪胎振動(dòng)的能量給胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電，解決了需要定期更換電池的缺點(diǎn)。
[0010]【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
圖1是本發(fā)明的能量采集輪胎示意圖；
圖2是本發(fā)明的能量采集輪胎橫截面的詳細(xì)示意圖，是圖1所示虛線部分的示意圖； 圖3是本發(fā)明的能量采集輪胎與外部輪轂連接示意圖；
圖4是本發(fā)明的控制電路板電路圖；
圖中，胎面1、尼龍帶束層2、鋼絲帶束層3、簾線層4、壓電纖維5、氣密層6、氣門嘴7、控制電路板8、胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器9、輪轂10、輪胎11。
【具體實(shí)施方式】
[0011]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明:
如圖1-3所示，基于智能材料的新型能量采集輪胎裝置包括氣門嘴7、控制電路板8、胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器9、輪轂10、能量采集輪胎11 ;輪轂10外設(shè)有能量采集輪胎11，輪轂10上設(shè)有氣門嘴7，氣門嘴7端部設(shè)有控制電路板8、胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器9，能量采集輪胎11的橫截面從外到內(nèi)包括胎面1、尼龍帶束層2、鋼絲帶束層3、簾線層4、壓電纖維5、氣密層6。
[0012]如圖4所示，所述的控制電路板3的控制電路為所述的控制電路板8的控制電路為:變壓器T輸入端連接壓電纖維5引出的導(dǎo)線，輸出端連接全橋整流電路，整流電路包括四個(gè)整流二極管D1、整流二極管D2、整流二極管D3、整流二極管D4，整流二極管Dl的陽(yáng)極和整流二極管D4的陰極和變壓器T的一端相連接，整流二極管D2的陽(yáng)極和整流二極管D3的陰極和變壓器T的另一端相連接，整流二極管D3和整流二極管D4共陽(yáng)極連接并接地，整流二極管Dl和整流二極管D2共陰極連接濾波電容Cl的一端，濾波電容的Cl的另一端連接整流二極管D3的陽(yáng)極，濾波電容Cl的一端串聯(lián)一個(gè)濾波電阻Rl后與濾波電容C2的一端相連，濾波電容Cl的另一端直接于濾波電容C2的另一端相連接，濾波電容C2的一端串聯(lián)一個(gè)限流電阻Rs后再與穩(wěn)壓二極管Dz的陽(yáng)極相連，濾波電容C2的另一端直接與穩(wěn)壓二極管Dz的陰極相連。
[0013]本發(fā)明將智能材料和輪胎結(jié)構(gòu)集合，利用智能材料的力電耦合性能采集輪胎振動(dòng)產(chǎn)生的能量，經(jīng)過(guò)后端控制電路板的處理，從而為胎壓監(jiān)測(cè)傳感器供電。本發(fā)明中智能材料采用壓電纖維材料。本發(fā)明中智能材料還可采用其他具有力電耦合性能即在力的作用下可以產(chǎn)生電的智能材料。
[0014]基于智能材料的新型能量采集方法是:壓電纖維5嵌于輪胎尼龍帶束層2內(nèi)部，在車輛行駛過(guò)程中，輪胎的振動(dòng)將引起輪胎內(nèi)部壓電纖維5的振動(dòng)，該壓電纖維材料在外部振動(dòng)的情況下產(chǎn)生應(yīng)力，由于壓電纖維材料的力電稱合性能，在壓電纖維5表面產(chǎn)生電荷，從而將輪胎振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化成電能，再通過(guò)控制電路板8給胎壓監(jiān)測(cè)傳感器9供電，通過(guò)四個(gè)整流二極管的整流作用，將交流電壓轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)直流電壓，再通過(guò)兩個(gè)濾波電容和濾波電阻的濾波作用，將脈動(dòng)直流電壓轉(zhuǎn)化成直流電壓，最后通過(guò)限流電阻Rs和穩(wěn)壓二極管Dz的調(diào)節(jié)輸出一個(gè)1V-5V的穩(wěn)定直流電壓，實(shí)現(xiàn)將新型智能回收輪胎振動(dòng)的能量采集并供電給胎壓監(jiān)測(cè)傳感器9。
[0015]基于智能材料的能量采集輪胎的制備方法:首先經(jīng)過(guò)密煉工序把炭黑、天然/合成橡膠、油、添加劑、促進(jìn)劑等原材料混合在一起，在密煉機(jī)里進(jìn)行加工，生產(chǎn)出膠料，根據(jù)成品的負(fù)荷要求將打好的膠料拉成不同厚度的空心胎管，按要求的輪徑尺寸定長(zhǎng)裁切修剪，經(jīng)過(guò)半硫化過(guò)程生成胎圈，備好鋼絲、簾布和胎面膠，將三者合而為一形成生胚胎，將生胚胎和胎圈組合形成輪胎的雛形，最后經(jīng)過(guò)硫化過(guò)程形成輪胎。在輪胎制備過(guò)程中，沿著輪胎周向在尼龍帶束層2中分布數(shù)條半個(gè)周長(zhǎng)或者四分之一周長(zhǎng)的壓電纖維5，壓電纖維5通過(guò)導(dǎo)線連接到氣門嘴7端部的控制電路板8上然后在尼龍帶束層2上面鋪設(shè)鋼絲帶束層3，通過(guò)壓延機(jī)將兩面都掛有膠體的簾線層4鋪設(shè)在帶束層上，在輪胎的最內(nèi)面帶束層上覆蓋由幾乎無(wú)法滲透的丁基合成橡膠制成的氣密層6。
[0016]該新型能量采集輪胎的核心設(shè)計(jì)是將壓電纖維5嵌入到尼龍帶束層2之間，在保證輪胎剛度的同時(shí)，可以利用輪胎行駛過(guò)程中的振動(dòng)引起壓電纖維的振動(dòng)。由壓電材料的正壓電效應(yīng)，其在外部振動(dòng)作用下可以產(chǎn)生電荷，從而可以將輪胎振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化為電能，給胎壓監(jiān)測(cè)傳感器供電。
【權(quán)利要求】
1.一種基于智能材料的新型能量采集輪胎裝置，其特征在于包括氣門嘴(7)、控制電路板(8)、胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器(9)、輪轂(10)、能量采集輪胎(11);輪轂(10)外設(shè)有能量采集輪胎(11)，輪轂(10 )上設(shè)有氣門嘴(7 )，氣門嘴(7 )端部設(shè)有控制電路板(8 )、胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器(9)，能量采集輪胎(11)的橫截面從外到內(nèi)包括胎面(I)、尼龍帶束層(2)、鋼絲帶束層(3)、簾線層(4)、壓電纖維(5)、氣密層(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于智能材料的新型能量采集輪胎裝置，其特征在于所述的控制電路板(8)的控制電路為:變壓器T輸入端連接壓電纖維(5)引出的導(dǎo)線，輸出端連接全橋整流電路，整流電路包括四個(gè)整流二極管Dl、整流二極管D2、整流二極管D3、整流二極管D4，整流二極管Dl的陽(yáng)極和整流二極管D4的陰極和變壓器T的一端相連接，整流二極管D2的陽(yáng)極和整流二極管D3的陰極和變壓器T的另一端相連接，整流二極管D3和整流二極管D4共陽(yáng)極連接并接地，整流二極管Dl和整流二極管D2共陰極連接濾波電容Cl的一端，濾波電容的Cl的另一端連接整流二極管D3的陽(yáng)極，濾波電容Cl的一端串聯(lián)一個(gè)濾波電阻Rl后與濾波電容C2的一端相連，濾波電容Cl的另一端直接于濾波電容C2的另一端相連接，濾波電容C2的一端串聯(lián)一個(gè)限流電阻Rs后再與穩(wěn)壓二極管Dz的陽(yáng)極相連，濾波電容C2的另一端直接與穩(wěn)壓二極管Dz的陰極相連。
3.一種采用權(quán)利要求1所述裝置的基于智能材料的新型能量采集方法，其特征在于壓電纖維(5)嵌于輪胎尼龍帶束層(2)內(nèi)部，在車輛行駛過(guò)程中，輪胎的振動(dòng)將引起輪胎內(nèi)部壓電纖維(5 )的振動(dòng),該壓電纖維材料在外部振動(dòng)的情況下產(chǎn)生應(yīng)力，由于壓電纖維材料的力電耦合性能，在壓電纖維(5)表面產(chǎn)生電荷，從而將輪胎振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化成電能，再通過(guò)控制電路板(8)給胎壓監(jiān)測(cè)傳感器(9)供電，通過(guò)四個(gè)整流二極管的整流作用，將交流電壓轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)直流電壓，再通過(guò)兩個(gè)濾波電容和濾波電阻的濾波作用，將脈動(dòng)直流電壓轉(zhuǎn)化成直流電壓，最后通過(guò)限流電阻Rs和穩(wěn)壓二極管Dz的調(diào)節(jié)輸出一個(gè)1V-5V的穩(wěn)定直流電壓，實(shí)現(xiàn)將新型智能回收輪胎振動(dòng)的能量采集并供電給胎壓監(jiān)測(cè)傳感器(9)。
【文檔編號(hào)】B60C23/00GK103888022SQ201410064132
【公開(kāi)日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年2月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月26日
【發(fā)明者】鄒鴻生, 張旭方, 李華 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)