CN101570116B - 发电轮胎 - Google Patents
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Abstract
一种在结构上类似常规全钢子午线无内胎充气轮胎的发电轮胎，在胎冠和带束层之间镶嵌发电层，它是由具强压电效应高分子材料聚偏二氟乙烯压制而成并经极化处理和电气制备的环状带，利用贴敷导电橡胶的方法，使得轮胎抓地处因重力和牵引力发生的附加应变产生的压电效应电流得以收集，并利用嵌镶在轮胎内的全波整流子完成压电效应电流对汽车电池的充电。
Description
技术领域
本发明涉及一种在汽车轮胎中利用压电效应实现汽车行驶中自发电的新型节能环保轮胎，尤其适于在电动汽车中应用。
技术背景
汽车轮胎是汽车的重要部件，使车轮和路面良好附着，以保证汽车的牵引性、制动性和通过性。它承受汽车的全部载荷，传递行进方向的牵引力及其它方向的力和力矩，还吸收和缓冲来自路面的冲击和振动。发动机的绝大部分动力通过轮胎实现做功，其中相当部分动力消耗在轮胎的内耗中，造成轮胎发热和材料疲劳老化。纵观汽车轮胎的发展历史，无论是材料和结构的技术演变，例如从硫化橡胶到人造橡胶，从窄轮辋到宽轮辋，从实心轮胎到充气轮胎，从斜交轮胎到子午线轮胎，从织物帘线到钢丝帘线等等，对提高承载强度，延长使用寿命，改善汽车挟顺性以达到乘坐安全、舒适，都取得明显的进步。然而，迄今尚未见任何技术改进针对回收在轮胎中损耗的能量，成为一种技术瓶颈。
本发明的目的在于，提出一种可部分回收损耗在轮胎中能量的技术解决方案，使轮胎因机械变形而发生材料内摩擦的部分能耗转化为可利用的电能。本发明的实质在于，在轮胎中合理采用具有强压电效应的功能高分子材料作为能量转换媒介以及有效的电能收集方法。
发明内容
本发明在结构上类似常规全钢子午线无内胎充气轮胎，如图1所示，由胎冠3、发电层1、胎肩6、胎侧橡胶10、子午断面钢丝帘线7、带束层4、胎圈12、内衬层(或气密层)9等主要部分组成。
胎冠
本发明轮胎的胎冠3与市售子午线轮胎在断面形状上无异，但材料硬度较高，目的在于将轮胎承重后的应变量最大限度地转移到与其紧联的发电层1。
发电层
发电层1是本发明的实质性部件，它是嵌镶在胎冠和带束层之间的环状带，覆盖在钢丝材质的带束层4上，由具强压电效应的高分子材料聚偏二氟乙烯(CH2-CF2)n压制而成，经极化处理后进行电气制备。电气制备后的发电层环带如图2所示。图2中，b表示经极化处理的发电层基带，在基带表面以热压工艺贴合导电橡胶层，其中，a表示在基带内圆柱面全部覆盖的导电层，c表示在基带外圆柱面上沿母线方向所覆盖的相互电气绝缘的多个矩形导电橡胶层，其作用相当于压电陶瓷器件表面金属化层和印制线路板(PCB)上的导电覆铜层，在此用做收集压电效应产生的电荷，并实现与电子器件的电气连接。矩形导电橡胶层c的数量n应按下列原则在轮胎设计中确定：当轮胎最小承载后(汽车自重加一名驾驶员体重)，应保证最少有一块矩形导电橡胶层所覆盖的压电高分子材料全部发生附加应变。附加应变是这样定义的：轮胎在额定充气压强下，其中发电层整体发生静应变，惟有对应轮胎着地部分的发电层材料因地心引力产生的径向及因牵引力产生的剪切附加应变。附加应变是回收电能的必要条件。在汽车行驶中，附加应变沿轮胎圆周方向依次在各矩形导电层覆盖的压电材料中产生。
电气原理
随着附加应变的产生，压电高分子材料在对应的导电橡胶层表面产生极性相反的电荷(其中发电层内表面整体的导电橡胶覆盖层为共用极板)。鉴于汽车行进中，产生附加应变的压电材料轮回转换，对于发电层外表面任一块矩形导电层对应的那部分压电材料而言，都在车轮旋转周期中占1/n时段内发生附加应变从产生到消失的过程，即当某一段压电材料迴转到抓地位置时，先发生径向和切向正附加应变，随车轮转动，该部分材料附加应变消失，亦即随之发生径向和切向负附加应变，两者产生的电偶极子方向相反，如不能实时处理，将发生电荷中和作用，即使存在因压电效应发生的机械能到电能的转换过程，也使可收集的电能总量为零。为了有效收集电能，本发明轮胎中，在发电层内嵌镶n个按图2所示连接的全波整流子d。整流子为定制的软封装方式，以减小体积和便于连接。每个整流子d的输入端①和③分别接向发电层的内、外导电橡胶层(其中输入端①接向相应的矩形导电橡胶层，输入端③公共地接向发电层内表面导电橡胶层)，整流子输出端②、④作为电能收集端公共地接向汽车电池19，实现对电池的充电。分析整流子对电池充电的电流路径，可知各整流子输出端与电池的连接存在隐性逻辑与门，使每段发生附加应变的高分子材料产生的电能独立对电池充电做出贡献，其间不发生电荷中和作用，防止电能内耗。
图1中导线2即为整流子公共正极输出端，经轮胎胎侧引出并连接到安装于轮辋13上的绝缘子部件。如图1所示，绝缘子部件由带螺纹的基体16、紧定螺母14、密封橡胶圈15、绝缘玻璃体17和可发合金接线端18构成，当轮胎装入轮辋时，应尽量使导线2对准绝缘子部件，并焊接。整流子公共负极输出端以类似导线2的方式从轮胎中引出(在图1中，导线5表示与导线2重合)，但不需通过绝缘子，可直接焊接在轮辋上(即负极搭铁)。为减少因电能输出引线造成的车轮静不平衡，导线2和5代表的正、负极引线应布局于轮胎圆周对侧。
本发明轮胎的其它部分，如胎肩6、胎侧10、子午断面钢丝帘线7、带束层4、胎圈12及其包裹橡胶11、胎内壁橡胶层8及内衬层(或气密层)9等，在结构、选材和设计原则等方面可完全遵照现行全钢丝子午线轮胎的设计规范。
附图说明
图1为发电轮胎结构示意图。
图2为发电层结构及电气制备原理图。
图1中，1---以聚偏二氟乙烯为基础材料制成的轮胎发电层；
2，5---收集电能的导线；
3---胎冠；
4---钢丝带束层；
6---胎肩；
7---子午断面钢丝帘线；
8---胎内壁橡胶层；
9---内衬层(或气密层)；
10---胎侧橡胶层；
11，12--胎圈钢丝及包裹橡胶；
13-轮辋；
14---绝缘子紧定螺母；
15---密封橡胶圈；
16---绝缘子基体；
17---绝缘玻璃体；
18---可发合金接线端；
19---汽车电池。
图2中，a---发电层基带内圆柱面整体贴合的导电橡胶层；
b---以聚偏二氟乙烯制成的轮胎发电层基带；
c---在发电层基带外圆柱面上贴合的矩形导电橡胶层，沿圆周共计n个；
d---全波整流子；
①---整流子输入端之一；
②---整流子正输出端；
③---整流子输入端之二；
④---整流子负输出端。
Claims (2)
1.一种结构上基于全钢子午线无内胎充气轮胎的发电轮胎，由胎冠(3)、发电层(1)、胎肩(6)、胎侧橡胶(5，10)、子午断面钢丝帘线(7)、带束层(4)、胎圈(12)、内衬层(9)组成，其特征在于，发电层是嵌镶在胎冠和带束层之间、由具强压电效应的高分子材料聚偏二氟乙烯压制而成并经极化处理和电气制备的环状带，在其内圆柱面整体贴敷导电橡胶层a，在其外圆柱面沿母线方向贴敷n个矩形导电橡胶层c，参数n应保证当轮胎最小承载后，最少有一块矩形导电橡胶层所覆盖的压电高分子材料全部发生由重力和牵引力引起的附加应变。
2.根据权利要求1所述的发电轮胎，其特征在于，发电层所贴敷的导电橡胶既作为收集压电效应产生电能的极板，也实现与镶嵌在轮胎内的整流子的电气连接，各整流子输入端之一分别连接到矩形导电橡胶层，另一个输入端公共地接向发电层内表面导电橡胶层，整流子正、负输出端通过嵌镶在胎侧橡胶层中分布于轮胎圆周对侧的两导线接向汽车电池正、负极。
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