CN114590081B - 一种具有防护功能的自发电轮胎 - Google Patents
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Abstract
一种具有防护功能的自发电轮胎，本发明涉及轮胎技术领域，为解决传统的有源式胎压监测系统无法满足传感器实时传输数据的电能需求，现有的无源化方式发电效率低且轮胎缺乏防爆胎技术等问题，它包括第一胎压传感器、控制器、安装板、轮毂、轮胎主体、支撑模块、发电模块、防护模块和储能模块，所述发电模块利用轮胎运动时受到的压力带动机械结构运动，从而促使转子转动使得发电机发电，通过在发电模块内设置涡卷弹簧，进一步提高发电效率，有助于满足胎内传感器电能需求；所述储能模块储存电能，防止轮胎停留时间较长使传感器处于断电的状态；所述防护模块提供弹性支撑，支撑模块提供刚性支撑，有助于保证轮胎在爆胎后继续使用。
Description
技术领域
本发明涉及轮胎技术领域，特别是一种具有防护功能的自发电轮胎。
背景技术
在汽车产量飞速增长的同时，发生交通事故的频率也在不断增加。据交通管理部门相关数据显示, 在高速公路上由轮胎问题引发的交通事故占比近32%, 当车速超过130km/h发生爆胎时, 车内人员的死亡率更是高达100%。因此，从2020年1月1日起，在我国生产的所有车辆必须强制安装胎压监测系统。胎压监测系统作为智能轮胎的一项主动安全预警技术，通过胎内的压力和温度传感器监测数据，再经中央处理器后转换成RF信号发射，接收器接收后再经中央处理器处理信号，使其显示在屏幕上。一旦某个轮胎的气压值发生异常时可及时发出预警，提示驾驶员。这一系列过程需足够的电能供应，并且随着对传感器数据精度要求的提升，传统的有源式胎压监测系统无法满足传感器实时传输数据的电能需求。现有的胎压监测系统电源主要为纽扣电池，易受胎内气压和温度等因素的影响，使用寿命较短，又因为不方便更换，所以采用低耗能设计，只有在规定时间内才能传输传感器数据，无法达到对车辆安全实时预警的要求。因此，智能轮胎胎压监测系统无源化供电技术具有较大的发展前景。
目前，国内外采用压电材料、静电回收、电磁机制和设计机械结构等方式实现无源化供电。其中，压电材料形变次数有限，使用寿命较低，静电能量回收的储能密度较低，电磁机制易产生电磁干扰，且普遍存在发电效率低、发电量小等问题。同时，防爆胎技术缺乏，并且未能广泛应用于汽车市场，无法保证在系统预警后能及时规避爆胎风险。本发明提出一种具有防护功能的自发电轮胎，通过设置发电模块，利用轮胎受到的压力产生形变，带动机械结构发电，提高能量回收效率，产生足够的电能满足传感器实时传输数据的需求。汽车爆胎后，防护模块使第一气囊盖住轮胎主体的裂口，此时第二气泵工作给轮胎主体充气，提供弹性支撑。支撑模块可以快速的将第二气囊弹起，使活动杆撑开后抵住轮胎的内壁，提供刚性支撑。因此，轮胎既可以实时监测胎内数据变化，及时反馈信息，使得驾驶员避免爆胎事故发生，也可以在无法避免发生爆胎的情况下使得轮胎继续使用，降低爆胎带来的危险性。
发明内容
本发明提供了一种具有防护功能的自发电轮胎，以解决上述背景技术中提出的轮胎无法满足传感器实时传输数据的电能需求，已有的无源化方式发电效率低，并且缺乏防爆胎技术等问题。
为实现上述目的，本发明供如下技术方案：一种具有防护功能的自发电轮胎，所述轮胎包括第一胎压传感器、控制器、安装板、轮毂、轮胎主体、支撑模块、发电模块、防护模块和储能模块，所述轮毂的外壁套设有轮胎主体，所述安装板固定安装于轮毂的内壁，所述控制器设置于安装板的一侧，所述发电模块、支撑模块和第一胎压传感器设置于轮毂的外壁，所述防护模块设置于发电模块和轮胎主体之间；
所述发电模块包括弹性钢管、限位板、拉绳、发电机、定位销、防护外壳、活动筒、行星齿轮、定位筒、四点接触球轴承、轴杆和涡卷弹簧，所述轮毂的外壁固定连接六组限位板，限位板一端安装发电机，所述弹性钢管设置于两个限位板之间，且弹性钢管一端固定连接于轮毂的外壁，另一端通过定位销连接于轮胎主体的内壁，所述防护外壳两端固定连接于两个限位板之间，所述活动筒一端内侧中部固定连接轴杆，且活动筒外侧缠绕有拉绳，所述拉绳两端滑动贯穿防护外壳对称两侧，且拉绳两端分别固定连接于弹性钢管内侧两端，所述涡卷弹簧一端安装在轴杆外侧，另一端端口处固定在活动筒的内侧，所述定位筒固定插设在四点接触球轴承的内圈，定位筒一端与行星齿轮的中心齿轮输出轴连接，另一端固定套接于转子外侧；
所述防护模块包括第一气囊和充气机构，所述充气机构包括第一气泵和第二气泵，所述第一气囊设置于弹性钢管的外侧和轮胎主体的内壁之间，所述安装板一侧安装有第一气泵和第二气泵，所述第一气泵的输出端依次贯穿安装板、轮毂与第一气囊相连接，所述第二气泵的输出端贯穿安装板和轮毂与轮胎主体的内腔相连通。
优选的，所述支撑模块包括活动杆、第二气囊、橡胶条、底座、转动杆、信号器、第二胎压传感器、启动器、信号储存模组、固定块和反应器，所述底座一侧与轮毂外壁固定连接，另一侧固定连接橡胶条，所述活动杆一侧设置有固定块，且活动杆铰接转动杆，所述转动杆上设置反应器，所述第二气囊设置于活动杆底端和橡胶条顶端之间，所述固定块底端固定连接底座，所述启动器一侧设置信号储存模组，另一侧设置第二胎压传感器。
优选的，所述轮胎主体与地面接触对弹性钢管进行挤压，弹性钢管两侧内壁分别对拉绳两端进行拉伸，使活动筒和轴杆一起转动，带动涡卷弹簧收紧，当轮胎主体的表面不与地面接触时，所述弹性钢管和涡卷弹簧复位到原始状态，使活动筒反方向转动，在轮胎不断重复运转下，所述活动筒反复转动，带动转子旋转，使发电机发电，有助于满足胎内传感器的电量需求。
优选的，所述涡卷弹簧一端安装在轴杆外侧，另一端作用扭矩后，发生弹性变形，作用力消失后，所述涡卷弹簧储存的弹力释放，并恢复到原始状态，利用涡卷弹簧的弹性能够提高拉绳的收放效果，提高能量收集的效率和发电效率。
优选的，所述定位销与轮胎主体的连接处设置有密封垫圈。
优选的，所述活动筒的外表面开设有与拉绳相适配的卡槽，所述拉绳通过卡槽缠绕在活动筒外侧。
优选的，所述储能模块包括电感电容、稳压芯片、充电芯片和蓄电池，所述蓄电池设置于安装板的一侧，所述发电机转动后产生的正弦波经过全桥整流后产生方向相同的正弦波，经过电感电容的滤波后得到电压值变化较小的波形，将滤波之后的信号通入稳压芯片，得到5V的直流电，接入充电芯片给电池充电，并将产生的电能进行储存，在轮胎停止转动时可对传感器进行实时供电，防止停留时间较长轮胎中的传感器处于断电状态，延长传感器持续对轮胎状态监测的时间。
优选的，所述轮胎主体外壁发生漏气时，所述第一气泵使第一气囊充气，挤压在轮胎主体和弹性钢管之间，盖住轮胎主体的裂口，所述第二气泵工作给轮胎主体充气，同时，所述反应器将第二气囊弹起，所述活动杆被第二气囊撑开抵住轮胎的内壁，所述支撑模块对轮胎提供刚性支撑，所述防护模块对轮胎提供弹性支撑，有助于保证轮胎在爆胎后继续使用。
优选的，所述第二气囊为条形气囊。
本发明的有益效果是：
1.本发明所述的一种具有防护功能的自发电轮胎，通过设置发电模块，轮胎主体与地面接触对弹性钢管进行挤压，弹性钢管两侧内壁分别对拉绳两端进行拉伸，使动活动筒和轴杆一起转动，带动涡卷弹簧收紧，当轮胎主体的表面不与地面接触时，弹性钢管和涡卷弹簧复位到原始状态，使活动筒反方向转动，在轮胎不断重复运转下，活动筒反复转动，带动转子旋转，使发电机发电，有助于满足胎内传感器的电量需求。2.本发明所述的一种具有防护功能的自发电轮胎，通过在发电模块中设置涡卷弹簧，使其一端安装在轴杆外侧，另一端作用扭矩后，收紧发生弹性变形，作用力消失后，涡卷弹簧弹簧储存的弹力释放，并恢复到原始状态，利用涡卷弹簧的弹性能够提高拉绳的收放效果，提高能量收集的效率和发电效率。3.本发明所述的一种具有防护功能的自发电轮胎，通过防护模块的设置，当轮胎主体外壁发生漏气时，第一气泵使第一气囊充气，挤压在轮胎主体和弹性钢管之间，盖住轮胎主体的裂口，此时第二气泵工作给轮胎主体充气，轮胎可以继续使用。4.本发明所述的一种具有防护功能的自发电轮胎，在爆胎后，反应器快速将第二气囊弹起，活动杆被第二气囊撑开抵住轮胎的内壁，支撑模块对轮胎提供刚性支撑，防护模块对轮胎提供弹性支撑，有助于保证轮胎在爆胎后能够继续使用。5.本发明所述的一种具有防护功能的自发电轮胎，通过储能模块的设置，将产生的电能进行储存，在轮胎停止传动时也可对传感器进行实时供电，防止停留时间较长轮胎中的传感器就处于断电的状态，延长传感器持续对轮胎的状态进行监测的时间。
附图说明
图1为本发明正面剖视结构示意图。
图2为本发明轮毂剖面示意图。
图3为本发明轮毂剖面示意图中A处放大结构示意图。
图4为本发明支撑模块结构示意图。
图5为本发明支撑模块结构示意图中B处放大结构示意图。
图6为本发明储能模块原理图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2，本实施方式所述的一种具有防护功能的发电轮胎包括第一胎压传感器1-7、控制器1-8、安装板1-12、轮毂2-1、轮胎主体2-2、支撑模块1-4、发电模块、防护模块和储能模块，所述轮毂2-1的外壁套设有轮胎主体2-2，所述安装板1-12固定安装于轮毂2-1的内壁，所述控制器1-8设置于安装板1-12的一侧，所述发电模块、支撑模块1-4和第一胎压传感器1-7设置于轮毂2-1的外壁，所述防护模块设置于发电模块和轮胎主体2-2之间。
具体实施方式二：结合图1、图2和图3，本实施方式所述发电模块包括弹性钢管1-1、限位板1-2、拉绳1-5、发电机1-6、定位销3-1、防护外壳3-2、活动筒3-3、行星齿轮3-4、定位筒3-5、四点接触球轴承3-7、轴杆3-8和涡卷弹簧3-9，所述轮毂2-1的外壁固定连接六组限位板1-2，限位板1-2一端安装发电机1-6，所述弹性钢管1-1设置于两个限位板1-2之间，且弹性钢管1-1一端固定连接于轮毂2-1的外壁，另一端通过定位销3-1连接于轮胎主体2-2的内壁，定位销3-1与轮胎主体2-2的连接处设置密封圈，所述防护外壳3-2两端固定连接于两个限位板1-2之间，所述活动筒3-3一端内侧中部固定连接轴杆3-8，且活动筒3-3外侧缠绕有拉绳1-5，所述拉绳1-5两端滑动贯穿防护外壳3-2对称两侧，且拉绳1-5两端分别固定连接于弹性钢管1-1内侧两端，所述涡卷弹簧3-9一端安装在轴杆3-8外侧，另一端端口处固定在活动筒3-3的内侧，所述定位筒3-5固定插设在四点接触球轴承3-7的内圈，定位筒3-5一端与行星齿轮3-4的中心齿轮输出轴连接，另一端固定套接于转子3-6外侧，所述定位筒3-5的一端内侧开设有螺栓孔，发电机1-6的转子3-6与定位筒3-5之间通过螺栓固定连接，所述活动筒3-3的外表面开设有与拉绳1-5相适配的卡槽，所述拉绳1-5通过卡槽缠绕在活动筒3-3外侧，卡槽对拉绳1-5起到定位作用。
具体实施方式三：结合图1和图2，本实施方式所述防护模块包括第一气囊1-3和充气机构，所述充气机构包括第一气泵1-10和第二气泵1-11，所述第一气囊1-3设置于弹性钢管1-1的外侧和轮胎主体2-2的内壁之间，所述安装板1-12一侧安装有第一气泵1-10和第二气泵1-11，所述第一气泵1-10的输出端依次贯穿安装板1-12、轮毂2-1与第一气囊1-3相连接，所述第二气泵1-11的输出端贯穿安装板1-12和轮毂2-1与轮胎主体2-2的内腔相连通。
具体实施方式四：结合图1、图2、图4和图5，本实施方式所述支撑模块1-4包括活动杆4-1、第二气囊4-2、橡胶条4-3、底座4-4、转动杆4-5、信号器5-1、第二胎压传感器5-2、启动器5-3、信号储存模组5-4、固定块5-5和反应器5-6，所述底座4-4一侧与轮毂2-1外壁固定连接，另一侧固定连接橡胶条4-3，所述活动杆4-1一侧设置有固定块5-5，且活动杆4-1铰接转动杆4-5，所述转动杆4-5上设置反应器5-6，所述第二气囊4-2设置于活动杆4-1底端和橡胶条4-3顶端之间，所述第二气囊4-2为条形气囊，所述固定块5-5底端固定连接底座4-4，所述启动器5-3一侧设置信号储存模组5-4，另一侧设置第二胎压传感器5-2。
具体实施方式五：结合图1和图6，本实施方式所述储能模块包括电感电容、稳压芯片6-1、充电芯片6-2和蓄电池1-9，所述蓄电池1-9设置于安装板1-12的一侧，所述发电机1-6转动后产生的正弦波经过全桥整流后产生方向相同的正弦波，经过电感电容的滤波后得到电压值变化较小的波形，将滤波之后的信号通入稳压芯片6-1，得到5V的直流电，接入充电芯片6-2给电池充电，所述稳压芯片6-1可选用78M05稳压芯片，所述充电芯片6-2可选用TP4056锂电池充电芯。
本发明工作原理：在汽车行驶过程中，轮胎主体2-2与地面接触对弹性钢管1-1进行挤压，弹性钢管1-1两侧内壁分别对拉绳1-5两端进行拉伸，使活动筒3-3顺时针转动，活动筒3-3带动轴杆3-8一起转动，涡卷弹簧3-9一端与轴杆3-8是连接状态，从而将带动涡卷弹簧3-9收紧，当轮胎主体2-2的表面不与地面接触时，弹性钢管1-1和涡卷弹簧3-9复位到原始状态，使活动筒3-3逆时针转动，在轮胎不断重复运转下，轮胎主体2-2会连续对弹性钢管1-1进行挤压，使拉绳1-5反复的收放，使活动筒3-3反复的顺时针和逆时针转动，带动转子3-6在发电机1-6中持续转动，转子3-6会切割磁感线而使发电机1-6进行发电。利用涡卷弹簧3-9的弹性能够提高拉绳1-5的收放效果，进而提高能量收集的效率。将发电机1-6产生的正弦电整流后产生方向相同的正弦波，经过电感电容的滤波之后得到电压值变化较小的波形，将滤波之后的信号通入稳压芯片6-1，得到5V的直流电，接入充电芯片6-2给电池充电，并将产生的电能储存。由此，有助于满足胎内传感器实时传输数据的电力需求，在轮胎停止转动时可对传感器进行实时供电，防止停留时间较长轮胎中的传感器处于断电状态，延长传感器持续对轮胎状态监测的时间。
若出现收到胎压警报也无法避免爆胎或没有足够时间停止汽车运动时，即轮胎主体2-2的外壁被割裂后，第一胎压传感器1-7监测到胎压变化，控制器1-8控制第一气泵1-10开始工作向第一气囊1-3内充气，第一气囊1-3充满气后被挤压在轮胎主体2-2和弹性钢管1-1之间，盖住轮胎主体2-2的裂口，此时第二气泵1-11工作给轮胎主体2-2充气，充满气的第一气囊1-3和轮胎主体2-2可保证轮胎继续使用。同时，第二胎压传感器5-2监测到胎压变化后将信号通过信号器5-1传递给启动器5-3，启动器5-3启动反应器5-6的开关，反应器5-6可以快速的将第二气囊4-2弹起，活动杆4-1被第二气囊4-2撑开抵住轮胎的内壁，从而对轮胎内壁进行支撑。支撑模块1-4对轮胎提供刚性支撑，防护模块对轮胎提供弹性支撑，有助于保证轮胎在爆胎后继续使用。
Claims (9)
1.一种具有防护功能的自发电轮胎，其特征在于：所述轮胎包括第一胎压传感器(1-7)、控制器(1-8)、安装板(1-12)、轮毂(2-1)、轮胎主体(2-2)、支撑模块(1-4)、发电模块、防护模块和储能模块，所述轮毂(2-1)的外壁套设有轮胎主体(2-2)，所述安装板(1-12)固定安装于轮毂(2-1)的内壁，所述控制器(1-8)设置于安装板(1-12)的一侧，所述发电模块、支撑模块(1-4)和第一胎压传感器(1-7)设置于轮毂(2-1)的外壁，所述防护模块设置于发电模块和轮胎主体(2-2)之间；
所述发电模块包括弹性钢管(1-1)、限位板(1-2)、拉绳(1-5)、发电机(1-6)、定位销(3-1)、防护外壳(3-2)、活动筒(3-3)、行星齿轮(3-4)、定位筒(3-5)、四点接触球轴承(3-7)、轴杆(3-8)和涡卷弹簧(3-9)，所述轮毂(2-1)的外壁固定连接六组限位板(1-2)，限位板(1-2)一端安装发电机(1-6)，所述弹性钢管(1-1)设置于两个限位板(1-2)之间，且弹性钢管(1-1)一端固定连接于轮毂(2-1)的外壁，另一端通过定位销(3-1)连接于轮胎主体(2-2)的内壁，所述防护外壳(3-2)两端固定连接于两个限位板(1-2)之间，所述活动筒(3-3)一端内侧中部固定连接轴杆(3-8)，且活动筒(3-3)外侧缠绕有拉绳(1-5)，所述拉绳(1-5)两端滑动贯穿防护外壳(3-2)对称两侧，且拉绳(1-5)两端分别固定连接于弹性钢管(1-1)内侧两端，所述涡卷弹簧(3-9)一端安装在轴杆(3-8)外侧，另一端端口处固定在活动筒(3-3)的内侧，所述定位筒(3-5)固定插设在四点接触球轴承(3-7)的内圈，定位筒(3-5)一端与行星齿轮(3-4)的中心齿轮输出轴连接，另一端固定套接于转子(3-6)外侧；
所述防护模块包括第一气囊(1-3)和充气机构，所述充气机构包括第一气泵(1-10)和第二气泵(1-11)，所述第一气囊(1-3)设置于弹性钢管(1-1)的外侧和轮胎主体(2-2)的内壁之间，所述安装板(1-12)一侧安装有第一气泵(1-10)和第二气泵(1-11)，所述第一气泵(1-10)的输出端依次贯穿安装板(1-12)、轮毂(2-1)与第一气囊(1-3)相连接，所述第二气泵(1-11)的输出端贯穿安装板(1-12)和轮毂(2-1)与轮胎主体(2-2)的内腔相连通。
2.根据权利要求1所述的一种具有防护功能的自发电轮胎，其特征在于：所述支撑模块(1-4)包括活动杆(4-1)、第二气囊(4-2)、橡胶条(4-3)、底座(4-4)、转动杆(4-5)、信号器(5-1)、第二胎压传感器(5-2)、启动器(5-3)、信号储存模组(5-4)、固定块(5-5)和反应器(5-6)，所述底座(4-4)一侧与轮毂(2-1)外壁固定连接，另一侧固定连接橡胶条(4-3)，所述活动杆(4-1)一侧设置有固定块(5-5)，且活动杆(4-1)铰接转动杆(4-5)，所述转动杆(4-5)上设置反应器(5-6)，所述第二气囊(4-2)设置于活动杆(4-1)底端和橡胶条(4-3)顶端之间，所述固定块(5-5)底端固定连接底座(4-4)，所述启动器(5-3)一侧设置信号储存模组(5-4)，另一侧设置第二胎压传感器(5-2)。
3.根据权利要求1所述的一种具有防护功能的自发电轮胎，其特征在于：所述轮胎主体(2-2)与地面接触对弹性钢管(1-1)进行挤压，弹性钢管(1-1)两侧内壁分别对拉绳(1-5)两端进行拉伸，使活动筒(3-3)和轴杆(3-8)一起转动，带动涡卷弹簧(3-9)收紧，当轮胎主体(2-2)的表面不与地面接触时，所述弹性钢管(1-1)和涡卷弹簧(3-9)复位到原始状态，使活动筒(3-3)反方向转动，在轮胎不断重复运转下，所述活动筒(3-3)反复转动，带动转子(3-6)旋转，使发电机(1-6)发电，有助于满足胎内传感器的电量需求。
4.根据权利要求1所述的一种具有防护功能的自发电轮胎，其特征在于：所述涡卷弹簧(3-9)一端安装在轴杆(3-8)外侧，另一端作用扭矩后，发生弹性变形，作用力消失后，所述涡卷弹簧(3-9)储存的弹力释放，并恢复到原始状态，利用涡卷弹簧(3-9)的弹性能够提高拉绳(1-5)的收放效果，提高能量收集的效率和发电效率。
5.根据权利要求1所述的一种具有防护功能的自发电轮胎，其特征在于：所述定位销(3-1)与轮胎主体(2-2)的连接处设置有密封垫圈。
6.根据权利要求1所述的一种具有防护功能的自发电轮胎，其特征在于：所述活动筒(3-3)的外表面开设有与拉绳(1-5)相适配的卡槽，所述拉绳(1-5)通过卡槽缠绕在活动筒(3-3)外侧。
7.根据权利要求1所述的一种具有防护功能的自发电轮胎，其特征在于：所述储能模块包括电感电容、稳压芯片(6-1)、充电芯片(6-2)和蓄电池(1-9)，所述蓄电池(1-9)设置于安装板(1-12)的一侧，所述发电机(1-6)转动后产生的正弦波经过全桥整流后产生方向相同的正弦波，经过电感电容的滤波后得到电压值变化较小的波形，将滤波之后的信号通入稳压芯片(6-1)，得到5V的直流电，接入充电芯片(6-2)给电池充电，并将产生的电能进行储存，在轮胎停止转动时可对传感器进行实时供电，防止停留时间较长轮胎中的传感器处于断电状态，延长传感器持续对轮胎状态监测的时间。
8.根据权利要求2所述的一种具有防护功能的自发电轮胎，其特征在于：所述轮胎主体(2-2)外壁发生漏气时，所述第一气泵(1-10)使第一气囊(1-3)充气，挤压在轮胎主体(2-2)和弹性钢管(1-1)之间，盖住轮胎主体(2-2)的裂口，所述第二气泵(1-11)工作给轮胎主体(2-2)充气，同时，所述反应器(5-6)将第二气囊(4-2)弹起，所述活动杆(4-1)被第二气囊(4-2)撑开抵住轮胎的内壁，所述支撑模块(1-4)对轮胎提供刚性支撑，所述防护模块对轮胎提供弹性支撑，有助于保证轮胎在爆胎后继续使用。
9.根据权利要求2所述的一种具有防护功能的自发电轮胎，其特征在于：所述第二气囊(4-2)为条形气囊。
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