CN104617816B - 一种便于安装的车轮振动俘能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种便于安装的车轮振动俘能装置，包括底座、压电悬臂梁总成、壳体、舵机和电源及控制模块，其中底座固定在轮辋内，压电悬臂梁总成设在壳体内，壳体通过转轴枢接在底座上，舵机驱使壳体进行转动，压电悬臂梁总成通过导线与电源及控制模块连接，电源及控制模块通过导线与舵机相连，电源及控制模块给舵机提供动力并控制舵机的工作。底座与轮辋接触的下表面形状与轮辋的形状相应，底座的顶面为变截面，其中与壳体底部接触的部位与壳体底部的形状相应，与壳体侧面接触的部位与壳体侧面的形状相应，壳体侧面与轮辋接触时为相切接触。有益效果：该装置总成能够进行便捷快速拆装，舵机通过无线控制，简单易行。

Description

一种便于安装的车轮振动俘能装置
技术领域
本发明涉及一种振动俘能装置，特别涉及一种便于安装的车轮振动俘能装置。
背景技术
当前，在汽车的各组成部件中，轮胎是较为重要的一个组成部分。汽车与地面间作用力均通过轮胎进行传递。因此获取这些作用力并作为主动安全系统的参考数据及控制参数对于行车安全来讲具有很重要的意义。目前，包括米其林在内的许多轮胎制造商都在致力于研发带有传感器的智能轮胎，通过这些传感器来获取包括温度，压力，车轮转数在内的众多参数。
现有的对传感器进行供能的方式大多是有源式的，即通过安装锂电池对传感器进行供电。这种方法的缺点在于：由于传感器安装于轮胎内部，因此造成更换电池的操作较为复杂，降低装置的实用性。同时，轮胎振动产生的能量被大大浪费，因此将轮胎内部的能量转换成电能供给传感器使用将是一种解决问题的思路。利用压电材料捕获车轮的振动，将机械能转化成电能是近年来一种被广泛研究的无源供能方式。这种供电方式主要利用的是压电材料的正压电效应，即当压电材料随车轮振动时，其形状会发生变化，从而产生电能。将其发出的电能进行收集，整流之后即可供给传感器使用。
专利200510072213.6公开了一种布置在轮胎内表面上的振动能量收集装置，但是由于轮胎的振动情况较为复杂，产生的电流不规律，造成了可控性较差。而且在胎面附加压电材料也会改变轮胎材料的弹性特性等性能，从而造成不良影响。专利201210451220.7公开了一种车轮振动能量收集装置，但其没有考虑该装置的安装条件。轮胎与轮辋之间的安装是采用专用的轮胎安装设备进行，若装置设计不合理将导致无法安装，大大降低装置的实用价值。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的轮胎内传感器采用电池供电时使用寿命短，导致不能实时工作的问题而提供的一种便于安装的车轮振动俘能装置。
本发明提供的便于安装的车轮振动俘能装置包括底座、压电悬臂梁总成、壳体、舵机和电源及控制模块，其中底座固定在轮辋内，压电悬臂梁总成设在壳体内，壳体通过转轴枢接在底座上，舵机驱使壳体进行转动，压电悬臂梁总成通过导线与电源及控制模块连接，电源及控制模块通过导线与舵机相连，电源及控制模块给舵机提供动力并控制舵机的工作。
底座与轮辋接触的下表面形状与轮辋的形状相应，底座的顶面为变截面，其中与壳体底部接触的部位与壳体底部的形状相应，与壳体侧面接触的部位与壳体侧面的形状相应，壳体侧面与轮辋接触时为相切接触。
壳体的底部与侧面分别安设有第一磁铁块和第二磁铁块，底座上与第一磁铁块对应位置处设有第一固定孔，底座上与第二磁铁块对应位置处设有第二固定孔。
壳体内为真空的，壳体绕转轴的转动行程为0-120°，由径向位置转到与轮辋相切为止。
舵机通过摇臂驱使壳体进行转动。
转轴通过底座两端的固定块与底座连接。
压电悬臂梁总成的自由端对称布置有质量块。
电源及控制模块由能量收集电路、无线舵机驱动控制模块及舵机遥控器组成，其中能量收集电路中接线端与压电悬臂梁总成上、下极板相连，对压电悬臂梁总成产生的电能进行收集，并以3.3V直流恒压源的形式进行输出，接线端分别与无线舵机驱动控制模块的正、负极相连，从而对其进行供电，无线舵机驱动控制模块实现对舵机的驱动和控制，其中控制信号通过FM或RF无线发射接收方式由舵机遥控器输入。
能量收集电路为锂电池储能式能量收集电路，采用凌力尔特公司设计生产的LTC3588为主要芯片的典型锂电池储能式能量收集电路。
本发明的工作原理：
在进行轮胎拆装工作时，通过舵机遥控器输入收回信号。由能量收集电路供电的舵机驱动与控制模块接收到收回信号，并开始驱动舵机运动。舵机转动并带动舵机摇臂摆动，使整个壳体转动，最终转动到壳体侧面与底座的上表面的斜面部分接触。壳体充分与轮辋外表面贴合，其长度方向中间位置与轮辋外表面相切，从而保证了壳体所占用的径向尺寸最小，确保不影响轮胎的拆装。
在轮胎安装完毕后，须使壳体进入工作状态。同样的，通过舵机遥控器输入张开信号，由能量收集电路供电的舵机驱动与控制模块接收到张开信号，并开始驱动舵机反方向运动。舵机转动并带动摇臂摆动，使壳体转动，最终转动到壳体底面与底座的上表面的平面部分接触，从而使壳体中的压电悬臂梁总成沿车轮径向布置。至此，整个装置进入工作状态。当车辆运动时，车轮由于传动系的扭振以及路面不平的激励会产生沿车轮周向的振动，当压电悬臂梁总成沿车轮径向布置时，利用该振动产生的电能最高。但该种布置方案会使装置占用径向尺寸大，造成轮胎安装困难的问题，因此本发明中的张开装置的重要性尤显突出。在压电悬臂梁总成收到车轮振动的激励后便产生振动。PZT压电层受到变化的拉、压应力作用，通过压电材料自身的正压电效应产生累积在上、下表面的电荷。电荷通过导线组输入到能量收集电路中，该电路对电荷进行收集并储存于自身锂电池中，供给传感器及舵机使用。至此，及完成了车轮振动能量的收集。
为了提高能量转化率，本发明将整个装置固定在轮辋上。本发明基于如下考虑：轮辋的振动较之于轮胎或其他的振动更加平稳，振动更有规律，能量转化率更高。同时，本发明采用的压电片振动固有频率与轮胎振动频率相同，实现共振，使得能量转换率进一步提高。进一步说，当车轮转速增大时，车轮振动频率随之提高，本发明将压电片安装方向定为径向，利用离心力充当压电悬臂梁的轴向力，从而提高压电悬臂梁的固有频率，使之与车轮振动频率保持同步增长。实现了自动调节压电悬臂梁固有频率，提高了共振带宽。
频率公式为：
f轮∝v车
其中，f轮为车轮振动频率；v车为车速；f片为发电悬臂梁固有频率；k、m为压电悬臂梁等效刚度和等效质量；F离为离心力；F临为临界轴向力。
张开装置通过舵机的作用，解决以往安装过程中轮胎不易安放的问题。同时通过轴连接达到了壳体，舵机和底座三位一体的效果，起到固定的作用。
本装置工作时，采用无线控制，通过外部无线控制模块，实现对舵机的操作，从而实现安装该装置总成后，仍能便捷地进行轮胎相对于轮辋的拆装。采用无线控制，提高了本发明的可操纵性，减少了由于有线控制而带来的诸多问题。
整个装置设为两个极限位置：其一为装置总成位于轮辋顶部。在该位置要保证安装轮胎后舵机具有足够扭力克服俘能装置的重力矩及磁力矩之和使壳体能够转到径向位置。其二为装置总成位于轮辋底部。在该位置要保证磁力矩大于俘能装置的重力矩使在轮胎安装前俘能装置能够可靠的贴靠在轮辋上。
记磁铁圆心到轴的距离为X吸、舵机扭矩为M舵、磁铁吸力F吸、等效质量M、等效质量质心距离Xc，则：
第一个极限位置：M舵≥M×Xc+F吸×X吸；
第二个极限位置：F吸×X吸≥M×Xc。
本发明的有益效果：
本发明的装置总成采用对称式布置，有利于保证轮胎的动平衡。壳体内部被抽成真空，减小空气阻尼，提高发电片的效率。同时壳体还起到限位功能，防止压电片形变过大导致断裂。壳体固定于轮辋上，利用轮辋振动，具有振动持续时间长，振动规则的优点。壳体沿车轮径向布置，因此可以利用离心力使发电悬臂梁在各个车速下均处于共振状态，提高发电量。该装置总成能够进行便捷快速拆装，舵机通过无线控制，简单易行。
附图说明
图1为本发明工作状态整体结构示意图。
图2为本发明所述底座与舵机连接爆炸示意图。
图3为本发明所述壳体拆分示意图。
图4为本发明所述壳体断面结构示意图。
图5为本发明所述装置非工作状态示意图。
图6为本发明所述的电源及控制模块结构图。
1、底座 2、压电悬臂梁总成 3、壳体 4、舵机 5、电源及控制模块
6、轮辋 7、转轴 10、第一磁铁块 11、第二磁铁块 12、第一固定孔
13、第二固定孔 14、摇臂 15、固定块 16、质量块
20、能量收集电路 21、无线舵机驱动控制模块 22、舵机遥控器。
具体实施方式
请参阅图1、图2、图3、图4、图5和图6所示：
本发明提供的便于安装的车轮振动俘能装置包括底座1、压电悬臂梁总成2、壳体3、舵机4和电源及控制模块5，其中底座1固定在轮辋6上，压电悬臂梁总成2设在壳体3内，壳体3通过转轴7枢接在底座1上，舵机4驱使壳体3进行转动，压电悬臂梁总成2通过导线与电源及控制模块5连接，电源及控制模块5通过导线与舵机4相连，电源及控制模块5给舵机4提供动力并控制舵机4的工作。
底座1与轮辋6接触的下表面形状与轮辋6的形状相应，底座1的顶面为变截面，其中与壳体3底部接触的部位与壳体3底部的形状相应，与壳体3侧面接触的部位与壳体3侧面的形状相应，壳体3侧面与轮辋6接触时为相切接触。
壳体3的底部与侧面分别安设有第一磁铁块10和第二磁铁块11，底座1上与第一磁铁块10对应位置处设有第一固定孔12，底座1上与第二磁铁块11对应位置处设有第二固定孔13。
壳体3内为真空的，壳体3绕转轴7的转动行程为0-120°，由径向位置转到与轮辋6相切为止。
舵机4通过摇臂14驱使壳体3进行转动。
转轴7通过底座1两端的固定块15与底座1连接。
压电悬臂梁总成2的自由端对称布置有质量块16。
电源及控制模块5由能量收集电路20、无线舵机驱动控制模块21及舵机遥控器22组成，其中能量收集电路20中接线端与压电悬臂梁总成2上、下极板相连，对压电悬臂梁总成2产生的电能进行收集，并以3.3V直流恒压源的形式进行输出，接线端分别与无线舵机驱动控制模块21的正、负极相连，从而对其进行供电，无线舵机驱动控制模块21实现对舵机4的驱动和控制，其中控制信号通过FM或RF无线发射接收方式由舵机遥控器22输入。
能量收集电路20为锂电池储能式能量收集电路，采用凌力尔特公司设计生产的LTC3588为主要芯片的典型锂电池储能式能量收集电路。

Claims (9)

1.一种便于安装的车轮振动俘能装置，其特征在于：包括底座、压电悬臂梁总成、壳体、舵机和电源及控制模块，其中底座固定在轮辋内，压电悬臂梁总成设在壳体内，壳体通过转轴枢接在底座上，舵机驱使壳体进行转动，压电悬臂梁总成通过导线与电源及控制模块连接，电源及控制模块通过导线与舵机相连，电源及控制模块给舵机提供动力并控制舵机的工作。
2.根据权利要求1所述的一种便于安装的车轮振动俘能装置，其特征在于：所述的底座与轮辋接触的下表面形状与轮辋的形状相应，底座的顶面为变截面，其中与壳体底部接触的部位与壳体底部的形状相应，与壳体侧面接触的部位与壳体侧面的形状相应，壳体侧面与轮辋接触时为相切接触。
3.根据权利要求1所述的一种便于安装的车轮振动俘能装置，其特征在于：所述的壳体的底部与侧面分别安设有第一磁铁块和第二磁铁块，底座上与第一磁铁块对应位置处设有第一固定孔，底座上与第二磁铁块对应位置处设有第二固定孔。
4.根据权利要求1所述的一种便于安装的车轮振动俘能装置，其特征在于：所述的壳体内为真空的，壳体绕转轴的转动行程为0-120°，由径向位置转到与轮辋相切为止。
5.根据权利要求1所述的一种便于安装的车轮振动俘能装置，其特征在于：所述的舵机通过摇臂驱使壳体进行转动。
6.根据权利要求1所述的一种便于安装的车轮振动俘能装置，其特征在于：所述的转轴通过底座两端的固定块与底座连接。
7.根据权利要求1所述的一种便于安装的车轮振动俘能装置，其特征在于：所述的压电悬臂梁总成的自由端对称布置有质量块。
8.根据权利要求1所述的一种便于安装的车轮振动俘能装置，其特征在于：所述的电源及控制模块由能量收集电路，无线舵机驱动控制模块及舵机遥控器组成，其中能量收集电路中接线端与压电悬臂梁总成上、下极板相连，对压电悬臂梁总成产生的电能进行收集，并以3.3V直流恒压源的形式进行输出，接线端分别与无线舵机驱动控制模块的正、负极相连，从而对其进行供电，无线舵机驱动控制模块实现对舵机的驱动和控制，其中控制信号通过FM或RF无线发射接收方式由舵机遥控器输入。
9.根据权利要求8所述的一种便于安装的车轮振动俘能装置，其特征在于：所述的能量收集电路为锂电池储能式能量收集电路。
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