CN103888022B - 基于智能材料的能量采集轮胎装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于智能材料的能量采集轮胎装置及其方法。装置包括气门嘴、控制电路板、胎压监测系统传感器、轮毂、能量采集轮胎；轮毂外设有能量采集轮胎，轮毂上设有气门嘴，气门嘴端部设有控制电路板、胎压监测系统传感器，能量采集轮胎的横截面从外到内包括胎面、尼龙带束层、钢丝带束层、帘线层、压电纤维、气密层。利用车辆行驶过程中，轮胎的振动引起压电纤维的振动，从而将振动的能量转化为电能，为胎压监测系统传感器等供电。与现有技术相比，本发明的有益效果是将振动能量采集装置与轮胎集于一体，简单方便。并且该发明装置采集轮胎振动的能量给胎压监测系统供电，解决了需要定期更换电池的缺点。
Description
技术领域
本发明公开了一种基于智能材料的能量采集轮胎装置及其方法。特别地，该能量采集轮胎可应用于轮胎振动的能量采集，从而为胎压监测系统供电。
背景技术
轮胎的使用和人们日常出行息息相关。据交管部门有关统计，高速公路上的交通事故中有46%是由轮胎发生故障引起的，而其中的70%由胎压异常引起。胎压监测系统可实时针对轮胎胎压过低、胎压过高、快速漏气、胎温过高及电瓶电压过低等状况进行自动监测与报警，预防爆胎事故的发生，增加驾驶汽车的安全性。胎压监测不仅是减少交通事故的重要方式，也是行车安全的重要保障。
胎压监测系统需要电池来提供能源供给，而电池的寿命有限，一般只能用3-5年，需要定期的更换电池，并且电池对环境有一定的污染。如何充分将轮胎行驶过程中振动的能量转换并采集来给胎压监测系统供电，实现绿色能源的可循环利用，也引起了广泛的关注。
目前，人们设计了不同的结构来收集并储存振动的能量。专利CN101247096A设计了一种置于轮胎内部的钢道，通过钢道内部钢珠的转动来撞击压电片，将振动能量装换为电能。CN1702952A中研究者设计了一种压电振子，在车辆行驶过程中在轮胎的振动作用下不断产生电荷。还有研究者提出了压力能量采集轮胎的概念，利用轮胎气压的变化来推动中心轴上叶片的转动来产生电能。研究者通过设计不同的结构置于轮胎内部，利用轮胎的振动实现振动能到电能的转化，然后为胎压监测系统供电。然而已有的能量采集设计结构比较复杂，实施难度大。由于目前车辆多采用无内胎的真空轮胎，在轮胎内部设计复杂的结构来实现振动能到电能的转换，需要改动轮胎的结构，加工难度大，工艺要求高，加工成本高。
发明内容
为了克服现有胎压监测系统需要定期更换电池的缺点，本发明提出一种基于智能材料的能量采集轮胎装置及其方法。可以将轮胎振动的能量转化为电能，为胎压监测系统供电。
基于智能材料的能量采集轮胎装置包括气门嘴、控制电路板、胎压监测系统传感器、轮毂、能量采集轮胎；轮毂外设有能量采集轮胎，轮毂上设有气门嘴，气门嘴端部设有控制电路板、胎压监测系统传感器，能量采集轮胎的横截面从外到内包括胎面、尼龙带束层、钢丝带束层、帘线层、压电纤维、气密层。
所述的控制电路板的控制电路为：变压器T输入端连接压电纤维引出的导线，输出端连接全桥整流电路，整流电路包括四个整流二极管D1、整流二极管D2、整流二极管D3、整流二极管D4，整流二极管D1的阳极和整流二极管D4的阴极和变压器T的一端相连接，整流二极管D2的阳极和整流二极管D3的阴极和变压器T的另一端相连接，整流二极管D3和整流二极管D4共阳极连接并接地，整流二极管D1和整流二极管D2共阴极连接滤波电容C1的一端,滤波电容的C1的另一端连接整流二极管D3的阳极，滤波电容C1的一端串联一个滤波电阻R1后与滤波电容C2的一端相连，滤波电容C1的另一端直接于滤波电容C2的另一端相连接，滤波电容C2的一端串联一个限流电阻Rs后再与稳压二极管Dz的阳极相连，滤波电容C2的另一端直接与稳压二极管Dz的阴极相连。
基于智能材料的能量采集方法是：压电纤维嵌于轮胎尼龙带束层内部，在车辆行驶过程中，轮胎的振动将引起轮胎内部压电纤维的振动，该压电纤维材料在外部振动的情况下产生应力，由于压电纤维材料的力电耦合性能，在压电纤维表面产生电荷，从而将轮胎振动的能量转化成电能，再通过控制电路板给胎压监测传感器供电，通过四个整流二极管的整流作用，将交流电压转换成脉动直流电压，再通过两个滤波电容和滤波电阻的滤波作用，将脉动直流电压转化成直流电压，最后通过限流电阻Rs和稳压二极管Dz的调节输出一个1V-5V的稳定直流电压,实现将智能回收轮胎振动的能量采集并供电给胎压监测传感器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是将振动能量采集装置与轮胎集于一体，简单方便。并且该发明装置采集轮胎振动的能量给胎压监测系统供电，解决了需要定期更换电池的缺点。
附图说明
图1是本发明的能量采集轮胎示意图；
图2是本发明的能量采集轮胎横截面的详细示意图，是图1所示虚线部分的示意图；
图3是本发明的能量采集轮胎与外部轮毂连接示意图；
图4是本发明的控制电路板电路图；
图中，胎面1、尼龙带束层2、钢丝带束层3、帘线层4、压电纤维5、气密层6、气门嘴7、控制电路板8、胎压监测系统传感器9、轮毂10、轮胎11。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1-3所示，基于智能材料的能量采集轮胎装置包括气门嘴7、控制电路板8、胎压监测系统传感器9、轮毂10、能量采集轮胎11；轮毂10外设有能量采集轮胎11，轮毂10上设有气门嘴7，气门嘴7端部设有控制电路板8、胎压监测系统传感器9，能量采集轮胎11的横截面从外到内包括胎面1、尼龙带束层2、钢丝带束层3、帘线层4、压电纤维5、气密层6。
如图4所示，所述的控制电路板3的控制电路为所述的控制电路板8的控制电路为：变压器T输入端连接压电纤维5引出的导线，输出端连接全桥整流电路，整流电路包括四个整流二极管D1、整流二极管D2、整流二极管D3、整流二极管D4，整流二极管D1的阳极和整流二极管D4的阴极和变压器T的一端相连接，整流二极管D2的阳极和整流二极管D3的阴极和变压器T的另一端相连接，整流二极管D3和整流二极管D4共阳极连接并接地，整流二极管D1和整流二极管D2共阴极连接滤波电容C1的一端,滤波电容的C1的另一端连接整流二极管D3的阳极，滤波电容C1的一端串联一个滤波电阻R1后与滤波电容C2的一端相连，滤波电容C1的另一端直接于滤波电容C2的另一端相连接，滤波电容C2的一端串联一个限流电阻Rs后再与稳压二极管Dz的阳极相连，滤波电容C2的另一端直接与稳压二极管Dz的阴极相连。
本发明将智能材料和轮胎结构集合，利用智能材料的力电耦合性能采集轮胎振动产生的能量，经过后端控制电路板的处理，从而为胎压监测传感器供电。本发明中智能材料采用压电纤维材料。本发明中智能材料还可采用其他具有力电耦合性能即在力的作用下可以产生电的智能材料。
基于智能材料的能量采集方法是：压电纤维5嵌于轮胎尼龙带束层2内部，在车辆行驶过程中，轮胎的振动将引起轮胎内部压电纤维5的振动，该压电纤维材料在外部振动的情况下产生应力，由于压电纤维材料的力电耦合性能，在压电纤维5表面产生电荷，从而将轮胎振动的能量转化成电能，再通过控制电路板8给胎压监测传感器9供电，通过四个整流二极管的整流作用，将交流电压转换成脉动直流电压，再通过两个滤波电容和滤波电阻的滤波作用，将脉动直流电压转化成直流电压，最后通过限流电阻Rs和稳压二极管Dz的调节输出一个1V-5V的稳定直流电压,实现将智能回收轮胎振动的能量采集并供电给胎压监测传感器9。
基于智能材料的能量采集轮胎的制备方法：首先经过密炼工序把炭黑、天然/合成橡胶、油、添加剂、促进剂等原材料混合在一起，在密炼机里进行加工，生产出胶料，根据成品的负荷要求将打好的胶料拉成不同厚度的空心胎管，按要求的轮径尺寸定长裁切修剪，经过半硫化过程生成胎圈，备好钢丝、帘布和胎面胶，将三者合而为一形成生胚胎，将生胚胎和胎圈组合形成轮胎的雏形，最后经过硫化过程形成轮胎。在轮胎制备过程中，沿着轮胎周向在尼龙带束层2中分布数条半个周长或者四分之一周长的压电纤维5，压电纤维5通过导线连接到气门嘴7端部的控制电路板8上然后在尼龙带束层2上面铺设钢丝带束层3，通过压延机将两面都挂有胶体的帘线层4铺设在带束层上，在轮胎的最内面带束层上覆盖由几乎无法渗透的丁基合成橡胶制成的气密层6。
该能量采集轮胎的核心设计是将压电纤维5嵌入到尼龙带束层2之间，在保证轮胎刚度的同时，可以利用轮胎行驶过程中的振动引起压电纤维的振动。由压电材料的正压电效应，其在外部振动作用下可以产生电荷，从而可以将轮胎振动的能量转化为电能，给胎压监测传感器供电。
Claims (3)
1.一种基于智能材料的能量采集轮胎装置，其特征在于包括气门嘴（7）、控制电路板（8）、胎压监测系统传感器（9）、轮毂（10）、能量采集轮胎（11）；轮毂（10）外设有能量采集轮胎（11），轮毂（10）上设有气门嘴（7），气门嘴（7）端部设有控制电路板（8）、胎压监测系统传感器（9），能量采集轮胎（11）的横截面从外到内包括胎面（1）、尼龙带束层（2）、钢丝带束层（3）、帘线层（4）、压电纤维（5）、气密层（6）；所述的能量采集轮胎（11）在制备过程中，沿着轮胎周向在尼龙带束层（2）中分布数条半个周长或者四分之一周长的压电纤维（5），压电纤维（5）通过导线连接到气门嘴（7）端部的控制电路板（8）上，然后在尼龙带束层（2）上面铺设钢丝带束层（3），通过压延机将两面都挂有胶体的帘线层（4）铺设在带束层上，在轮胎的最内面带束层上覆盖由丁基合成橡胶制成的气密层（6）。
2.根据权利要求1所述的一种基于智能材料的能量采集轮胎装置，其特征在于所述的控制电路板（8）的控制电路为：变压器T输入端连接压电纤维（5）引出的导线，输出端连接全桥整流电路，整流电路包括四个整流二极管D1、整流二极管D2、整流二极管D3、整流二极管D4，整流二极管D1的阳极和整流二极管D4的阴极和变压器T的一端相连接，整流二极管D2的阳极和整流二极管D3的阴极和变压器T的另一端相连接，整流二极管D3和整流二极管D4共阳极连接并接地，整流二极管D1和整流二极管D2共阴极连接滤波电容C1的一端,滤波电容的C1的另一端连接整流二极管D3的阳极，滤波电容C1的一端串联一个滤波电阻R1后与滤波电容C2的一端相连，滤波电容C1的另一端直接于滤波电容C2的另一端相连接，滤波电容C2的一端串联一个限流电阻Rs后再与稳压二极管Dz的阳极相连，滤波电容C2的另一端直接与稳压二极管Dz的阴极相连。
3.一种采用权利要求1所述装置的基于智能材料的能量采集方法，其特征在于压电纤维（5）嵌于轮胎尼龙带束层（2）内部，在车辆行驶过程中，轮胎的振动将引起轮胎内部压电纤维（5）的振动，该压电纤维材料在外部振动的情况下产生应力，由于压电纤维材料的力电耦合性能，在压电纤维（5）表面产生电荷，从而将轮胎振动的能量转化成电能，再通过控制电路板（8）给胎压监测传感器（9）供电，通过四个整流二极管的整流作用，将交流电压转换成脉动直流电压，再通过两个滤波电容和滤波电阻的滤波作用，将脉动直流电压转化成直流电压，最后通过限流电阻Rs和稳压二极管Dz的调节输出一个1V-5V的稳定直流电压,实现将智能回收轮胎振动的能量采集并供电给胎压监测传感器（9）。
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