CN211519132U - 一种非线性减振辐条的可发电车轮 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种非线性减振辐条的可发电车轮，其轮毂设置在车轴外围，轮毂的外侧面上设有多个均匀分布的凹槽，轮毂一个端面设有轮毂盖；轮圈的内圆面设有多个均匀分布的凹槽，辐条的两端分别设置在轮毂与轮圈的凹槽内，辐条的侧表面均贴合有压电材料；轮毂盖的外端面和轮毂的另一个端面分别设有滑环，滑环内侧面的车轴上设有固定电极；滑环的侧面上设有金属接头，滑环外侧的金属触点分别与邻近的压电材料相连，滑环内侧的金属触点分别与固定电极的导电金属层相接触；整流‑储能模块通过导线与固定电极、车架或车轴连接。本实用新型当车轮振动时，在辐条的变形过程中，压电材料可将振动能量回收转换为电能储存起来，给车身电气设备供电。

Description

一种非线性减振辐条的可发电车轮

技术领域

本实用新型属于轮式车辆轮胎技术研究领域，特别涉及一种非线性减振辐条的可发电车轮。

背景技术

目前，车轮的运用越来越广泛，小到儿童玩具车，大到自行车、汽车都离不开车轮，车轮作为行走机构已经融入到工业和农业、智能交通等领域。目前，大多数车轮都是由轮毂和充气轮胎组合而成，在实际使用过程中，充气轮胎难免会出现漏气、爆胎等现象，严重影响行驶安全性，因此非充气车轮被制造出来，用来替代充气轮胎，然而在实际使用中发现大多数非充气车轮都是采用刚性连接，其带来了一定的安全性但又降低了行驶舒适性，不利于行驶体验。

现有刚性连接的非充气轮胎对坑洼路面的适应能力有限，减振效果不明显，最终导致振动传递给人体，并且在振动、冲击的连续作用下车轮甚至车体都会受到损坏。具有减振功能的非充气车轮不同于普通非充气轮胎，它可以通过弹性胎体发生变形来减轻车轮的振动，并且能够及时会弹，然而在长期使用、交变载荷的作用下这种非充气轮胎很容易磨损，降低了车轮的使用寿命及安全性。无论是非充气车轮还是充气车轮，他们都是将路面带来的冲击振动通过自身变形转为热能耗散到空气中，造成能源的浪费。

能量回收技术可从环境中回收太阳能、热能、振动机械能等并转化为电能，供给车身电器设备或无线传感器使用，这为解决车轮减振造成的能源浪费提供了一个很好的解决方案。对于一些无电源的车辆上，由于没有电源，在夜间行车时严重影响交通安全，回收这部分能量显得更加重要。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在辐条的变形过程中，压电材料可将振动能量回收转换为电能储存起来，给车身电气设备供电的非线性减振辐条的可发电车轮。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种非线性减振辐条的可发电车轮，包括轮胎、车轴、轮毂、轮圈、辐条和整流-储能模块；

车轴固定在车架上；轮毂设置在车轴外围并通过轴承与车轴连接，轮毂的外侧面上设有多个均匀分布的凹槽，凹槽的一侧端口位于轮毂的一个端面上，轮毂设有凹槽端口的端面设有轮毂盖；

轮圈的内圆面分别设有多个均匀分布的凹槽，多个辐条均匀分布在轮毂与轮圈之间，辐条的两端分别设置在轮毂与轮圈的凹槽内，辐条的两个侧表面均贴合有压电材料；轮胎安装在轮圈的外槽面上；

轮毂盖的外端面和轮毂的另一个端面分别设有圆柱筒形状的滑环，滑环内侧面的车轴上设有固定电极，固定电极包括由绝缘材料制成的半圆柱体结构以及在半圆柱体的外表面设置的导电金属层，两个固定电极的内表面固定在车轴上，两个固定电极关于车轴的水平轴线上下对称安装；

滑环采用绝缘材料制成，滑环的侧面上设有多个贯穿滑环内外侧面的金属接头，金属接头两端的金属触点分别位于滑环的内外侧面上；金属接头的数量与压电材料的数量相同，位于滑环外侧面上的金属触点分别与邻近的压电材料相连接，位于滑环内侧面上的金属触点分别与固定电极的导电金属层相接触；

所述整流-储能模块安装在车架上，分别通过导线与固定电极、车架或车轴连接。

进一步地，所述轮毂、辐条和轮圈均使用金属材料制成。

进一步地，所述压电材料贴于辐条的两侧表面，用来收集车轮的振动能量；上下对称的辐条受力方向总是相反，两个滑环外侧面上的金属触点均与邻近的压电材料相连接，位于车轴水平轴线上方的压电材料总是通过水平轴线上方的固定电极输出能量；位于车轴水平轴线下方的压电材料总是通过水平轴线下方的固定电极输出能量。

进一步地，所述轮毂盖设置在轮毂设有凹槽端口的端面，用于限制辐条在轮毂凹槽内的轴向位置；所述轮圈开槽的端面设有轮圈盖，轮圈盖用于限制辐条在轮圈凹槽内的轴向位置。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的非线性减振结构简单、性能可靠，当车轮振动时，一部分辐条受拉，另一部分辐条受压，并且受力越大辐条的刚度越大，在不同的道路情况下减振效果都很明显，提高了车辆的舒适性。并且在辐条的变形过程中，压电材料可将振动能量回收转换为电能储存起来，给车身电气设备供电。本实用新型中，可利用的压电材料面积较大、能量密度高，因此能量收集功率高于其他车轮发电装置。

附图说明

图1为本实用新型的非线性减振辐条的可发电车轮的结构示意图；

图2为本实用新型的辐条与轮毂、车圈的配合示意图；

图3为本实用新型的车轴的结构示意图；

图4为本实用新型的轮毂、轮毂盖和滑环的结构示意图；

图5为本实用新型的辐条的结构示意图；

附图标记说明：1-车轴，2-固定电极，3-滑环，4-轮毂盖，5-轮毂，6-压电材料，7-辐条，8-轮圈，9-轮圈盖，10-轮胎，11-整流-储能模块。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的技术方案。

如图1所示，本实用新型的一种非线性减振辐条的可发电车轮，包括轮胎10、车轴1、轮毂5、轮圈8、辐条7和整流-储能模块11；

车轴1固定在车架上；轮毂5设置在车轴1外围并通过轴承与车轴1连接，轮毂5的外侧面上设有多个均匀分布的凹槽，凹槽的一侧端口位于轮毂5的一个端面上，轮毂5设有凹槽端口的端面设有轮毂盖4；

轮圈8的内圆面分别设有多个均匀分布的凹槽，多个辐条7均匀分布在轮毂5与轮圈8之间，辐条7的两端分别设置在轮毂5与轮圈8的凹槽内，辐条7的两个侧表面均贴合有压电材料6，如图2所示；轮胎10安装在轮圈8的外槽面上；

轮毂盖4的外端面和轮毂5的另一个端面分别设有圆柱筒形状的滑环3，滑环3内侧面的车轴1上设有固定电极2，固定电极2包括由绝缘材料制成的半圆柱体结构以及在半圆柱体的外表面设置的导电金属层，两个固定电极2的内表面固定在车轴1上，两个固定电极2关于车轴1的水平轴线上下对称安装，如图3所示；

滑环3采用绝缘材料制成，滑环3的侧面上设有多个贯穿滑环内外侧面的金属接头，金属接头两端的金属触点分别位于滑环3的内外侧面上；金属接头的数量与压电材料6的数量相同，位于滑环3外侧面上的金属触点分别与邻近的压电材料6相连接，位于滑环3内侧面上的金属触点分别与固定电极2的导电金属层相接触并构成回路，两个固定电极2总是与不同的金属触点接触；

所述整流-储能模块11安装在车架上，分别通过导线与固定电极2、车架或车轴1连接。

进一步地，所述轮毂5、辐条7和轮圈8均使用金属材料制成。

进一步地，所述压电材料6贴于辐条7的两侧表面，用来收集车轮的振动能量；上下对称的辐条7受力方向总是相反，两个滑环3外侧面上的金属触点均与邻近的压电材料6相连接，位于车轴1水平轴线上方的压电材料6总是通过水平轴线上方的固定电极2输出能量；位于车轴1水平轴线下方的压电材料6总是通过水平轴线下方的固定电极2输出能量。压电材料6的一端与金属触点连接，将能能量通过滑环3上的金属触点传递到固定电极2，再传输到整流-储能模块11，另一极通过金属辐条、轮毂、轴承、车轴，再到整流-储能模块11。

进一步地，所述轮毂5一个端面开设凹槽端口另一个端面为封闭面，轮毂盖4设置在轮毂5设有凹槽端口的端面，用于限制辐条7在轮毂凹槽内的轴向位置；所述轮圈8上的凹槽的两端分别位于轮圈8的两个端面上，轮圈8开槽的端面设有轮圈盖9，轮圈盖9用于限制辐条7在轮圈凹槽内的轴向位置。轮毂盖4和轮圈盖9用于防止辐条轴向晃动，滑轮3与车轮一起转动，通过金属触点导电来传递电能。

在本实施例中，车轴1固定在车架上，固定电极2固定在车轴两端并靠近轮毂盖4与轮毂5，两个固定电极2形状相同且在竖直方向上对称设置，如图3所示。滑环3分别对称的设置在轮毂盖4与轮毂5的端面，并且滑环3与两个固定电极2相互配合安装，滑环3上的金属触点分别与压电材料6连接，如图4所示。车轴1为圆柱体结构，轮毂5、轮毂盖4和滑环3均为圆柱筒结构，轮毂5设置在车轴1的中部位置，两个轮毂盖5和滑环3对称设置。需要说明的是，车轴1的大小、长度，滑环3与固定电极2的直径大小、长度没有特殊的限制，可根据实际情况及设计需求进行相应的选择，滑环3上导电触点与固定电极2的导电金属面的材料、绝缘体的材料均无特殊要求，只要满足滑环3与固定电极2之间导电即可，滑环3、固定电极2与车轴1采用任何固定连接的方式均可。轮毂5安装在车轴1上，其采用任何安装方式均可，只需保证轮毂5能够绕车轴1自由转动即可，轮毂5与轮毂盖4采用任何固定连接的方式均可，轮毂5外圆面异形凹槽的数量、形状、大小、深度和轮毂5的直径均无特殊要求。同样的，轮圈8与轮圈盖9采用任何固定连接的方式均可，轮圈8内圆面的异形凹槽的数量、形状、大小、深度和轮圈8的直径均无特殊要求，并且与轮毂5的异形凹槽可不完全相同。

进一步值得说明的是，辐条7的数量、弧度、宽度、长度均无限制，各个辐条7的形状是否相同对本实用新型没有实质性的影响，辐条7两端圆柱头的大小亦无限制，只要能与凹槽相配合即可，如图4、5所示，辐条7的两端圆柱头分别设置在凹槽内，设置在轮毂盖4凹槽内的圆柱头两端分别通过轮毂盖4限制辐条7的轴向位置，设置在轮圈8凹槽内的圆柱头通过轮圈盖9限制辐条7的轴向位置，两端的圆柱头与辐条7本体制造成为一体，圆柱头可以在凹槽内受限制的转动；辐条7的侧表面贴合有压电材料6。压电材料6的类型、面积大小、贴合方式均可根据实际需求选择，理论上压电材料6的面积越大，所收集到的能量越多。轮胎10的种类并不影响本实用新型，可设计与任何种类的轮胎配合使用。本实用新型的实用新型点在于辐条7有一定的弧度，并且与轮毂5、轮圈8铰链连接，但本实用新型并不局限于此种连接方式，铰链连接有利于增加辐条7的使用寿命，可根据实际使用情况进行相应的设计；当辐条7受径向力变形时，压电材料6可分别通过滑环3与固定电极2组成的两组开关回收能量并转换为电能输出。

本实用新型的工作原理为：车辆在静止不动时，车轮承受着来自车架的压力，因此车轴1水平线下方的辐条7受到压缩，而车轴1水平线上方的辐条7受到拉伸，辐条7均发生不同程度的变形，此时压电材料6并没有能量输出；当车辆行驶较平坦路面上，车轮绕车轴做旋转运动，此时的辐条7连续受到压缩或者拉伸，辐条7两端的圆柱体在凹槽内转动，缓解了通过车轮传递到车架的路面冲击，并且同一个辐条上的两处压电材料总是一面受拉另一面受压，为避免电荷抵消采用并联方式，因此总能以相同的电压方向输出，而车轴1水平线上方与下方的辐条7受力方向总是相反，上方与下方的辐条7的输出电压方向也是相反，因此通过两个滑环5和两个固定电极2分别收集车轴1水平线上方与下方的电能并输送到集能-储能模块11，如图3所示，车轮每转一圈所有的压电材料6都能输出，其中每一个辐条7上的压电材料6一半圈输出正电压，另一半圈输出负电压，最终电能被集能-储能模块11整流储存下来。当车辆行驶在崎岖路面时，车轮受力不均匀，辐条7受到的压缩或拉伸力也不均匀，辐条7各自发生相应的变形来适应崎岖路面以达到减振的目的，由于辐条7的刚度非线性，辐条7的形变越大越难以继续发生形变，这不仅保护了辐条7不受破坏也保护了压电材料6不发生破损，此时压电材料6的输出电压随着辐条7形变量的增加而增大。当车轮的转速增加或减小时，若车轴的载荷不变，则压电材料6的输出电压几乎不变，只是相同时间内所收集到的能量会增加或减少。这样车轮就实现了减振、回收能量的目的。

本实用新型所提出的一种非线性减振辐条的可发电车轮能够实现车轮自减振，车轮辐条的径向刚度非线性，辐条变形时回收车轮振动能量的原理，即在车轮绕车轴做旋转运动时，辐条连续受到压缩或者拉伸并发生变形，辐条两端的圆柱体在异形凹槽内转动，缓解了通过车轮传递到车架的路面冲击，并且同一个辐条上的两处压电材料总是一面受拉另一面受压，为避免电荷抵消采用并联方式，因此总能以相同的电压方向输出，而车轴水平线上方与下方的辐条受力方向总是相反，上方与下方的辐条的输出电压方向也是相反，因此通过两个滑环和两个固定电极分别收集车轴水平线上方与下方的电能并输送到集能-储能模块。这不仅实现了车轮减振还实现了能量回收。这种车轮结构简单、可靠，运用于无电源车辆时，由于车轮辐条的非线性刚度、辐条采用铰链连接，其减震效果明显，并且能够将不利于车辆行驶的振动能量转换为电能，所采集到的电能可给车身电器设备供电。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。

Claims (4)

1.一种非线性减振辐条的可发电车轮，其特征在于，包括轮胎(10)、车轴(1)、轮毂(5)、轮圈(8)、辐条(7)和整流-储能模块(11)；

车轴(1)固定在车架上；轮毂(5)设置在车轴(1)外围并通过轴承与车轴(1)连接，轮毂(5)的外侧面上设有多个均匀分布的凹槽，凹槽的一侧端口位于轮毂(5)的一个端面上，轮毂(5)设有凹槽端口的端面设有轮毂盖(4)；

轮圈(8)的内圆面分别设有多个均匀分布的凹槽，多个辐条(7)均匀分布在轮毂(5)与轮圈(8)之间，辐条(7)的两端分别设置在轮毂(5)与轮圈(8)的凹槽内，辐条(7)的两个侧表面均贴合有压电材料(6)；轮胎(10)安装在轮圈(8)的外槽面上；

轮毂盖(4)的外端面和轮毂(5)的另一个端面分别设有圆柱筒形状的滑环(3)，滑环(3)内侧面的车轴(1)上设有固定电极(2)，固定电极(2)包括由绝缘材料制成的半圆柱体结构以及在半圆柱体的外表面设置的导电金属层，两个固定电极(2)的内表面固定在车轴(1)上，两个固定电极(2)关于车轴(1)的水平轴线上下对称安装；

滑环(3)采用绝缘材料制成，滑环(3)的侧面上设有多个贯穿滑环内外侧面的金属接头，金属接头两端的金属触点分别位于滑环(3)的内外侧面上；金属接头的数量与压电材料(6)的数量相同，位于滑环(3)外侧面上的金属触点分别与邻近的压电材料(6)相连接，位于滑环(3)内侧面上的金属触点分别与固定电极(2)的导电金属层相接触；

所述整流-储能模块(11)安装在车架上，分别通过导线与固定电极(2)、车架或车轴(1)连接。

2.根据权利要求1所述的一种非线性减振辐条的可发电车轮，其特征在于，所述轮毂(5)、辐条(7)和轮圈(8)均使用金属材料制成。

3.根据权利要求1所述的一种非线性减振辐条的可发电车轮，其特征在于，所述压电材料(6)贴于辐条(7)的两侧表面，用来收集车轮的振动能量；上下对称的辐条(7)受力方向总是相反，两个滑环(3)外侧面上的金属触点均与邻近的压电材料(6)相连接，位于车轴(1)水平轴线上方的压电材料(6)总是通过水平轴线上方的固定电极(2)输出能量；位于车轴(1)水平轴线下方的压电材料(6)总是通过水平轴线下方的固定电极(2)输出能量。

4.根据权利要求1所述的一种非线性减振辐条的可发电车轮，其特征在于，所述轮毂盖(4)设置在轮毂(5)设有凹槽端口的端面，用于限制辐条(7)在轮毂凹槽内的轴向位置；所述轮圈(8)开槽的端面设有轮圈盖(9)，轮圈盖(9)用于限制辐条(7)在轮圈凹槽内的轴向位置。

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