CN203293820U

CN203293820U - 一种自供能量式轮胎

Info

Publication number: CN203293820U
Application number: CN2013202501335U
Authority: CN
Inventors: 唐诗晨; 汪若尘; 陈龙; 施德华
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2013-05-10
Filing date: 2013-05-10
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2023-05-10

Abstract

本实用新型涉及汽车轮胎，特指一种基于压电效应的自供能量式轮胎，属于汽车节能技术领域。汽车在行驶过程中因外界条件和行驶工况的变化，胎内气压发生变化，通过将轮胎分隔成两个工作腔，利用两侧腔内压差的不同，驱使压电薄膜元件变形产生电能。产生的电能可以供给轮胎压力监测系统（TPMS）中的传感发射器，形成自供能TPMS，同时多余的电能也可被储存并加以利用。此外，压电薄膜元件通过连接电压检测单元，兼作胎压监测系统的压力传感器和速度、加速度传感器。

Description

一种自供能量式轮胎

技术领域

本实用新型涉及汽车轮胎，特指一种基于压电效应的自供能量式轮胎，属于汽车节能技术领域。

背景技术

轮胎是汽车的重要组成部分，车轮通过轮胎来传递各种作用力，减轻汽车行驶过程中的冲击，具有防震作用并减少车辆冲击；同时，汽车在行驶过程中，受到路面工况的影响和汽车本身的行驶状态，车轮轮胎内的气压不断变化，例如在汽车行驶速度增大时，轮胎内温度升高，胎内气体膨胀，胎压也随之增大；在高温环境中，甚至会发生爆胎的危险；轮胎内气压的变化，对汽车的行驶安全性和舒适性有很大的影响；基于传感器技术的轮胎压力监测系统（TPMS）通过对胎压进行实时监测，以确行车安全；TPMS由胎压监测模块和中央监视控制模块两个主要部分组成；其中胎压监测模块安装在汽车轮胎内，该模块带有传感器和无线发射装置，主要用来监测轮胎内的气压和温度并把监测到的数据通过发射装置发送给中央监视控制模块；现有的监测模块一般安装在轮毂的凹槽底面，由于轮毂型号或品牌的不同，尺寸会有差异，导致监测模块的通用性差；目前传感器系统的质量大都在20g左右，从而引起较大的动态负载，特别是在最关键的高速区段。

压电效应是指某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷；当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态；本文利用汽车行车过程中轮胎胎压变化的原理，提出了一种回收车轮能量的结构；专利CN101599527A公开了一种压电薄膜元件，可以回收薄膜变形时所产生的电能，因此可以利用胎压的变化产生电能，回收能量并加以利用；这部分电能可以给TPMS中的传感发射器进行供电，形成自供能TPMS，并可以将多余的电能储存起来；同时，通过检测薄膜变形产生的电压，可作为TPMS的压力传感器和速度、加速度传感器。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：在车辆行驶过程中，根据车胎内气压变化产生压差的原理，利用压电材料的正压电效应，回收轮胎转动所产生的能量并加以利用，形成自供能轮胎压力监测系统，得到一种自供能量式轮胎。

本实用新型通过以下技术方案解决所提出的技术问题：在轮胎内设置一基体，该基体将轮胎内腔分隔成两个腔室，利用行车过程中两个腔室压强的变化，使基体两侧产生压差，引起基体发生形变，贴附在基体上的压电薄膜元件亦随之变形产生电能。

本实用新型的具体方案为：包括轮胎、气门嘴、轮辋、压电薄膜元件、基体、外腔、内腔、螺母、传感发射器和连接块。

基体由金属材料制成，为一圆形空腔，且对应于轮辋的气门嘴孔开有一通孔，用以安装气门嘴，基体可以与轮辋焊接而成或制成一体，内部与轮辋组成封闭的内腔，外部与轮胎组成外腔。

气门嘴包括气门嘴本体、防尘帽、气门芯、限位盖、密封圈A和回位弹簧；气门嘴本体整体为筒形，两端外部设有螺纹，用于连接防尘帽和限位盖，气门嘴本体内部有两个凹槽，由气门嘴本体内部的环形凸台分隔开，防尘帽与气门嘴本体的一端凹槽形成A腔，限位盖与气门嘴本体的另一端凹槽形成B腔，所述气门嘴本体在外部对称设有V型凸台A和圆形凸台B；气门嘴本体的内部的环形凸台内径与气门芯中部凸台的外径相同；V型凸台A的一端设有一颈部，用于与连接块配合，凸台A顶端设有螺纹，用于连接胎压监测系统的传感发射器，并可通过发射器外侧的螺母微调传感发射器的位置；沿V型凸台A和圆形凸台B的轴线分别设有通气道A和通气道B，且通气道A和通气道B分别与气门嘴本体内部的环形凸台内孔同轴连通，通气道A与外腔连通，通气道B与内腔连通；回位弹簧安装于B腔中，且位于气门芯与限位盖之间。

限位盖用于限制回位弹簧的轴向移动，且内部开有凹槽，凹槽内设有密封圈A用于密封。

连接块为一圆柱形，连接块沿轴向钻有通孔，并与V型凸台A的颈部配合，连接块可以沿V型凸台A的颈部上下滑动，且通过密封圈B密封，隔绝外腔和内腔之间的气体，连接块的外部沿圆周开有一凹槽，用于固定基体；基体的外侧贴附有压电薄膜元件，压电薄膜元件随着基体的变形而变形，产生正压电效应，回收电能；此外，压电薄膜元件的上部电极与下部电极之间连接电压检测单元，通过检测薄膜变形产生的电压，可作为TPMS的压力传感器和速度、加速度传感器。

TPMS的传感发射器由温度传感器、MCU（单片机）、发射机和电池组成；它们集成在一个保护盒内，通过螺纹与气门嘴连接；当安装于不同轮毂时，可以通过螺母微调传感发射器的位置，因此此种传感发射器与气门嘴组装结构的通用性强；由于减少了压力传感器和速度、加速度传感器，传感发射器的质量较小，从而引起的动态负载较小，特别是在最关键的高速区段。

附图说明

图1是压电自供能量式轮胎结构示意图；

图2是气门嘴结构结构图；

图3是气门嘴本体结构示意图；

图4是气门芯结构示意图；

图中：1-轮胎 2-气门嘴 21-气门嘴本体 211-通气道A 212-通气道B 213-凸台A 214-凸台B 215-环形凸台 216-A腔 217-B腔 22-防尘帽 23-气门芯 231-气门芯中部凸台 24-限位盖 25-密封圈A 26-回位弹簧 27-连接块 28-密封圈B 3-轮辋 4-压电薄膜元件 5-基体 6-外腔 7-内腔 8-螺母 9-传感发射器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1~图3所示，包括轮胎1、气门嘴2、轮辋3、压电薄膜元件4、基体5、外腔6、内腔7和连接块27。

基体5由金属材料制成，为一圆形空腔，且对应于轮辋3的气门嘴开有一通孔，用以安装气门嘴2，基体5可以与轮辋3焊接而成或制成一体，内部与轮辋3组成封闭的内腔，外部与轮胎1组成外腔。

气门嘴包括气门嘴本体21、防尘帽22、气门芯23、限位盖24、密封圈A25和回位弹簧26；气门嘴本体21整体为筒形，两端外部设有螺纹，用于连接防尘帽22和限位盖24，气门嘴本体21内部有两个凹槽，由气门嘴本体21内部的环形凸台215分隔开，防尘帽22与气门嘴本体21的一端凹槽形成A腔216，限位盖24与气门嘴本体21的另一端凹槽形成B腔217，所述气门嘴本体21在外部对称设有V型凸台A213和圆形凸台B214。气门嘴本体21内部的环形凸台215内径与气门芯23的中部凸台231的外径相同。V型凸台A213的一端设有一颈部，用于与连接块27配合，V型凸台A顶端设有螺纹，用于与传感发射器9和螺母8配合。沿V型凸台A213和圆形凸台B214的轴线分别设有通气道A211和通气道B212，且通气道A211和通气道B212分别与环形凸台215的内孔同轴连通，通气道A211与外腔6连通，通气道B212与内腔7连通；回位弹簧26安装于B腔217中，并位于气门芯23与限位盖24之间。

限位盖24用于限制回位弹簧26的轴向移动，且内部开有凹槽，凹槽内设有密封圈A25用于密封。

连接块27为一圆柱形，沿轴向钻有通孔，并与V型凸A213台的颈部配合，连接块27可以沿V型凸台A213的颈部上下滑动，且通过密封圈B28密封，隔绝外腔6和内腔7之间的气体，连接块27的外部沿圆周开有一凹槽，用于固定基体5；基体5的外侧贴附有压电薄膜元件4，压电薄膜元件4随着基体5的变形而变形，产生正压电效应，回收电能。

下面结合附图对本实用新型具体实施过程作进一步说明。

本实用新型所提出的基于压电效应的自供能量式轮胎通过气门嘴2进行充气；充气时，充气设备克服回位弹簧26的预紧力，顶开气门芯23，圆形台阶215上的两个径向小孔被打开，使得通气道A211、通气道B212与充气设备连通，保证了外腔6和内腔7两个腔室内的气压大小相同，基体5薄壁两侧的气压大小相同，没有压差；充气完成后，撤掉充气设备，气门芯23在回位弹簧26的作用下回位，圆形台阶215上的两个径向小孔被封闭，外腔6和内腔7成为两个封闭的腔室，防尘帽22通过螺纹连接在气门嘴本体21上，防止灰尘进入堵塞气门嘴2。

行车过程中，受到路面、天气等外部环境的影响，以及车辆自身行车速度和负载等的不断变化，车内胎压不断变化；轮胎1与地面直接接触，使得外腔6内气压的变化受到更为直接的影响；以汽车负载增大为例分析该种自供能量式轮胎工作过程，当负载增加时，外腔6内气体受到挤压，其内部气压增加，进而挤压基体5的薄壁，使得薄壁发生弯曲变形，贴附在基体5薄壁上的压电薄膜元件4也随之发生形变，压电材料的正压电效应使其产生电能。

基体5薄壁弯曲变形时，为了防止基体5与气门嘴2因直接固连而造成的气门嘴2晃动，设计了一连接块27，连接块27可以沿V型凸台A213的颈部上下滑动；基体5的薄壁嵌于连接块27的凹槽内，薄壁发生弯曲变形时，连接块27随基体5薄壁的弯曲变形沿气门嘴2的V型凸台A213上下滑动，保证气门嘴2不会因基体5薄壁的变形而晃动；其他因素造成外腔6内气压变化时，工作原理与前所述相似，外腔6和内腔7内气压的变化在基体5薄壁两侧形成压差，使得基体5薄壁和贴附在其表面的压电薄膜元件4发生弯曲变形，产生电能。

压电薄膜元件4变形产生的电能可以通过电极引出，供给TPMS的传感发射器9；同时，当压力输入到压电元件，会产生一个与被测压力正比例的压电信号，经过电压检测单元对信号的放大处理，可检测系统的压力和速度、加速度；将测量得到的信号调制后通过高频无线电波（RF）发射出去，并将各个轮胎的压力和温度数据显示在屏幕上，供驾驶者参考，形成自供能胎压监测系统；若轮胎的压力或温度出现异常，中央监视器根据异常情况，发出不同的警报信号，提醒驾驶者采取必要的措施；压电薄膜元件4变形产生的多余的电能也可以被储存起来供给汽车上的其他耗能部件。

Claims

1.一种自供能量式轮胎，包括轮胎和轮辋，其特征在于：还设有气门嘴、压电薄膜元件、基体、螺母、传感发射器和连接块；

所述基体为一圆形空腔，且对应于轮辋的气门嘴孔开有一通孔，用以安装气门嘴，基体与轮辋焊接而成或制成一体，内部与轮辋组成封闭的内腔，外部与轮胎组成外腔；

气门嘴包括气门嘴本体、防尘帽、气门芯、限位盖和回位弹簧；气门嘴本体整体为筒形，两端外部设有螺纹，用于连接防尘帽和限位盖，气门嘴本体内部有两个凹槽，由气门嘴本体内部的环形凸台分隔开，防尘帽与气门嘴本体的一端凹槽形成A腔，限位盖与气门嘴本体的另一端凹槽形成B腔，所述气门嘴本体在外部对称设有V型凸台A和圆形凸台B；气门嘴本体的内部的环形凸台内径与气门芯中部凸台的外径相同；V型凸台A的一端设有一颈部，用于与连接块配合，凸台A顶端设有螺纹，用于连接胎压监测系统的传感发射器，并通过发射器外侧的螺母微调传感发射器的位置；沿V型凸台A和圆形凸台B的轴线分别设有通气道A和通气道B，且通气道A和通气道B分别与气门嘴本体内部的环形凸台内孔同轴连通，通气道A与外腔连通，通气道B与内腔连通；回位弹簧安装于B腔中，且位于气门芯与限位盖之间；

连接块为一圆柱形，连接块沿轴向钻有通孔，并与V型凸台A的颈部配合，能够沿V型凸台A的颈部上下滑动；连接块的外部沿圆周开有一凹槽，用于固定基体；基体的外侧贴附有压电薄膜元件，压电薄膜元件随着基体的变形而变形，产生正压电效应，回收电能。

2.如权利要求1所述的一种自供能量式轮胎，其特征在于：所述限位盖用于限制回位弹簧的轴向移动，且内部开有凹槽，凹槽内设有密封圈A用于密封。

3.如权利要求1所述的一种自供能量式轮胎，其特征在于：所述连接块与V型凸台A的颈部接触的端面开有凹槽，凹槽内设有密封圈B用于密封，隔绝外腔和内腔之间的气体。

4.如权利要求1所述的一种自供能量式轮胎，其特征在于：所述传感发射器由温度传感器、MCU（单片机）、发射机和电池组成；它们集成在一个保护盒内，通过螺纹与气门嘴连接；当安装于不同轮毂时，通过外侧螺母微调传感发射器的位置。

5.如权利要求1所述的一种自供能量式轮胎，其特征在于：所述压电薄膜元件的上部电极与下部电极之间连接电压检测单元，通过检测薄膜变形产生的电压，作为传感发射器的压力传感器和速度、加速度传感器。