内胎式压电发电装置

摘要

本发明是一种内胎式压电发电装置，该装置主要由内胎(3)和包含于其内腔中的棱台状弹性体(5)、发电层(7)组成，其中：内胎(3)的两侧胎壁上均匀的开有通气孔(4)；棱台状弹性体(5)有多组，每两组棱台状弹性体(5)之间设有与通气孔(4)相通的空腔结构(6)，每一组棱台状弹性体(5)之间放置一个发电层(7)。本发明结构简单，对现有成熟的车辆轮辋及轮毂结构改动很小或没有改动，而对于客车和卡车的平底轮辋，则可以直接安装使用，应用范围十分宽广。

权利要求

1.一种内胎式压电发电装置，其特征是该装置主要由内胎（3）和包含于其内腔中的棱台状弹性体（5）、发电层（7）组成，其中：内胎（3）的两侧胎壁上均匀的开有通气孔（4）；棱台状弹性体（5）有多组，每两组棱台状弹性体（5）之间设有与通气孔（4）相通的空腔结构（6），每一组棱台状弹性体（5）之间放置一个发电层（7）；所述的发电层（7）由两块压力施加片（9）和位于其间的压电发电元件（10）、支撑柱（11）及垫片（12）组成，其中压电发电元件（10）通过两块压力施加片（9）内侧一面的压电元件安装槽（13）固定和保护。

2.根据权利要求1所述的内胎式压电发电装置，其特征在于所述的两块压力施加片（9），其内侧都设有与之焊接相连或一起成型加工而得的相对应的垫片（12）；垫片（12）上有相应的圆孔沉槽，支撑柱（11）就安装在该圆孔沉槽中；所述的支撑柱（11），其可在垫片（12）的圆孔沉槽中沿孔的轴向活动。

3.根据权利要求2所述的内胎式压电发电装置，其特征在于所述的支撑柱（11），其长度略小于减去发电元件安装槽两倍深度后的压电发电元件（10）的厚度。

4.根据权利要求1所述的内胎式压电发电装置，其特征在于所述的内胎（3），其与棱台状弹性体（5）采用镶嵌方式连接。

5.根据权利要求1所述的内胎式压电发电装置，其特征在于所述的棱台状弹性体（5），其一端通过粘连与内胎（3）的内壁相连；或者，随内胎（3）一起成型加工而得。

6.根据权利要求5所述的内胎式压电发电装置，其特征在于所述的棱台状弹性体（5），其另一端直接与发电层（7）相连，或者其另一端与发电层（7）中的压力施加片（9）粘连，或者将压力施加片（9）镶嵌到棱台状弹性体（5）中。

7.根据权利要求1或6所述的内胎式压电发电装置，其特征在于所述的棱台状弹性体（5），由实心或空心多孔状弹性材料制成。

8.根据权利要求1所述的内胎式压电发电装置，其特征在于所述的棱台状弹性体（5），其接触发电层（7）中的压力施加片（9）的一端较小，另一端较大。

9.根据权利要求1所述的内胎式压电发电装置，其特征在于所述的发电层（7）中的压电发电元件（10），为一整块长方体的压电发电元件；或者，是由若干个较小体积的部件构成的压电发电元件，这些部件通过串联或并联方式相连。

说明书

内胎式压电发电装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种汽车内胎，特别是一种内胎式压电发电装置。

背景技术

[0002] 汽车造型各异，但无论怎么变化，其所有重量都需要由车轮来支撑，而车轮上的车胎在旋转过程中，有着“压缩——放松——压缩”的循环工作过程，这与压电材料的工作过程相似，因此，将压电材料应用于车辆外胎，并设计合适的结构，可以使之产生电能，用以给汽车上的电子元件及蓄电池充电。

[0003] 压电材料具有压电效应：对压电材料施加压力，它便会产生电位差，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。因此，当压电材料受力时，将其表面的电荷引出，接入蓄电池等电能存储装置，形成电流，就可以实现对车辆充电，这也是本发明的充电原理。

[0004] 已申请的申请号为：200510112671.8的发明专利“从转动轮胎中的机械能中产生电力的系统及方法”，该专利使用的一种实例是在美国发售的压电活性纤维组合物，与国内普遍使用的压电材料有较大区别；而车胎受路况的影响，会发生局部大形变和受到冲击等情况，很可能会导致车胎内的压电材料受损，而该专利并未考虑该情况；此外，轮胎摩擦生热对压电材料的影响也并未考虑。

[0005] 申请号201110035645.5的发明专利“一种弹性触发压电装置及其应用”，结构过于笨重复杂，且对现有成熟的车轮结构改动较大。

[0006] 申请号201280051445.1的发明专利“车辆充电装置”，主要是一种方法专利，没有考虑冲击等具体情况，并未设计相应的保护压电元件的缓冲结构，对于其弹性部，也没有具体的结构设计。

[0007] 申请号201320267026.3的实用新型专利“轮胎压力发电装置”，其活塞结构对于路面的复杂情况，在可行性与强度方面未予以考虑，也没有相应的保护结构。

发明内容

[0008] 本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于车辆充电的内胎式压电发电装置，以克服以上技术不足。

[0009] 本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

[0010] 本发明提供的是一种内胎式压电发电装置，该装置主要由内胎和包含于其内腔中的棱台状弹性体、发电层组成，其中：内胎的两侧胎壁上均匀的开有通气孔；棱台状弹性体有多组，每两组棱台状弹性体之间设有与通气孔相通的空腔结构，每一组棱台状弹性体之间置放一个发电层。

[0011] 所述的发电层由两块压力施加片和位于其间的压电发电元件、支撑柱及垫片组成，其中压电发电元件通过两块压力施加片内侧一面的安装槽固定和保护。

[0012] 所述的两块压力施加片，其内侧都设有与之焊接相连或一起成型加工而得的相对应的垫片；垫片上有相应的圆孔沉槽，支撑柱就安装在该圆孔沉槽中；所述的支撑柱，其可在垫片的圆孔沉槽中沿孔的轴向活动。

[0013] 所述的支撑柱，其长度略小于减去发电元件安装槽两倍深度后的压电发电元件的厚度，以便在正常工作状态时，压力只由压电发电元件承受，用于产生电能，当出现车辆超载或车轮局部受到冲击的情况时，超过正常工作范围的压力值再由支撑柱承受，达到保护压电发电元件的目的。

[0014] 所述的内胎，其与棱台状弹性体采用镶嵌方式连接。

[0015] 所述的棱台状弹性体，其一端通过粘连与内胎的内壁相连；或者，随内胎一起成型加工而得。

[0016] 所述的棱台状弹性体，其另一端直接与发电层相连，或者其另一端与发电层中的压力施加片粘连，或者将压力施加片镶嵌到棱台状弹性体中。

[0017] 所述的棱台状弹性体，由实心或空心多孔状弹性材料制成。

[0018] 所述的棱台状弹性体，其接触发电层中的压力施加片的一端较小，另一端较大。

[0019] 所述的发电层中的压电发电元件，为一整块长方体的压电发电元件；或者，是由若干个较小体积的部件构成的压电发电元件，这些部件通过串联或并联方式相连。

[0020] 本发明与以往技术相比主要优点：

[0021] 其一：由于目前国内普遍使用的压电发电元件都是以平面作为其受力形变面，而纤维状压电元件主要应用于电致伸缩，同时，承受径向力并以曲面作为工作面的压电发电元件在制造过程中可能会出现存在残余应力的情况，这会使得发电元件的强度下降；而压电材料自身的高脆性，以及易受轮胎产热影响等特点也进一步限制了其在汽车上的应用；所以为了有较大的使用范围，本发明巧妙地设计了棱台状弹性体，通过该弹性体改变沿轮辋径向的径向力的方向，最后通过压力施加片将径向力转化为垂直于发电元件平面的压力；此外，这样的结构也可吸收由轮胎传递而来的轮胎与地面摩擦产生的热量。需要指出的是，该棱台状弹性体也适用于纤维状压电组合物。

[0022] 其二：本发明的压电元件置于两弹性体之间，所以当出现车轮碾压大石块或路牙等导致车轮局部大形变的情况时，弹性体可减缓冲击并保护压电元件；同时弹性体直接与轮辋相连，在出现车轮漏气、车胎内气压过低的情况时，还可为轮胎提供一定的支撑，起到泄气保用轮胎的作用效果。

[0023] 其三：在压力施加片之间，设置有支撑柱和垫片，可防止因车辆超载或车轮所受冲击过大时导致压电发电元件被压溃的情况，进一步对压电元件提供保护。

[0024] 其四：因为本发明是以内胎的形式安装在轮辋上，所以在内胎侧面还设计有通气孔，使得本发明内气压与胎压一致，减小本发明对车胎原有充气量的影响。

[0025] 其五：结构简单，对现在已发展成熟的车辆轮辋及轮毂结构改动很小或没有改动，有着良好的应用前景。

附图说明

[0026] 图1为本发明在车轮中安装位置示意图，其中为了方便观察，仅将外胎局部剖。

[0027] 图2所示为本发明的局部剖视图，图中显示了各部件的位置关系：棱台状弹性体5、两组棱台状弹性体之间的空腔结构6以及发电层7均位于内胎3内。

[0028] 图3为图1中A-A向剖视图，其中为了方便表示各结构间的关系，对视角作了一定角度的转动。

[0029] 图4所示为本发明的未工作部分，该部分对应的外胎未接触地面，不受地面的压力。

[0030] 图5所示为本发明的工作部分，该部分对应的外胎与地面接触，受到地面的挤压。

[0031] 图6为内胎3与棱台状弹性体5的一种典型的镶嵌连接方式。

[0032] 图7为中间发电层结构。

[0033] 图8为由若干个较小体积的压电发电元件14通过串联方式相连而组成的压电发电元件10的结构示意图。

[0034] 图9为由若干个较小体积的压电发电元件15通过并联方式相连而组成的压电发电元件10的结构示意图。

[0035] 图中：1.车辆轮毂；2.无内胎轮胎(外胎)；3.内胎；4.通气孔；5.棱台状弹性体；6.两组棱台状弹性体之间的空腔结构；7.发电层；8.轮辋；9.压力施加片；10.压电发电元件；11.支撑柱；12.垫片；13.压电元件安装槽；14.串联结构中使用的较小体积的压电发电元件；15.并联结构中使用的较小体积的压电发电元件；16.地面。

具体实施方式

[0036] 本发明提供的是一种为汽车提供充电的内胎式发电装置，该发电装置以内胎的型式置于车辆的无内胎轮胎(外胎)与车辆的轮辋之间，当车轮碾压地面时，利用地面与轮辋传递的压力使本发明中的压电发电元件受压，通过压电效应产生电能，以达到对汽车充电的目的。本发明巧妙地设计了棱台状弹性体及其布置方式，由该棱台状弹性体支撑压电元件，承受无内胎轮胎与轮辋传递的径向力并改变力的方向；同时这样的结构也可起到缓冲层的作用，降低轮胎所受冲击对压电元件的损害；而对于轮胎与地面摩擦产生的热量，由于棱台状弹性体处于外胎与压电元件之间，因此可吸收一定热量，降低高温对压电元件的影响；此外，当车胎内气压偏低时该结构还能给予轮胎支撑，起到泄气保用轮胎的作用效果。

[0037] 下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但并不局限于下面所述内容。

[0038] 本发明提供的内胎式压电发电装置，由内胎3和包含于其中的其余部件组成，所述其余部件是指位于内胎3内腔的棱台状弹性体5、压力施加片9、压电发电元件10、支撑柱11及垫片12。

[0039] 参考图1、图2、图3可知，本发明可以按照内胎的安装方式，方便的安装在车辆的无内胎轮胎2(外胎)与车辆的轮辋8之间的内胎安装处，即外胎2与轮辋8之间的充气空间。对于深槽位置居中的深槽式轮辋，只要保证受力均衡即可安装使用，若深槽位置偏置，亦可通过调整棱台状弹性体5的厚度和位置，来保证本发明中一对棱台状弹性体所受合力的轴线通过轮轴；而对于客车和卡车的平底轮辋，则可以直接安装使用。同时，由图2、图3还可进一步看出本发明的结构关系：内胎3的两侧胎壁上，均匀的开有圆形的通气通孔4，内胎3内，靠轮辋一侧与其对应的另一侧均匀的设置有多个棱台状弹性体5，其大小和数量由轮辋8尺寸确定，两组棱台状弹性体5之间有空腔结构6，而发电层7置于一组棱台状弹性体5之间。

[0040] 所述内胎3，可由多种橡胶材料制成，包括天然橡胶、顺丁橡胶、丁苯橡胶、丁基橡胶，但不限制于以上材料及其组合物。需指出的是，本发明中内胎3为基础结构，其余部件都包含于其中，且内胎3需要支撑棱台状弹性体5及其它部件，承受车轮旋转过程中产生的切向力以及与外胎2摩擦产生的摩擦力，因此其胎壁要比普通内胎厚，具体厚度随安装车辆与工作条件的不同而变化，在此可理解为：本发明中的内胎3是安装位置与普通内胎相同，外形与普通内胎相似，但其结构异于普通内胎的部件。

[0041] 所述的通气孔4，是在本发明内胎3的胎壁上所开的圆形通孔，具体数量和大小依所安装轮胎结构而定，可以采取在对称的内胎壁上开孔，可参见图1、图2、图3。由于本发明不需充气，而车辆的无内胎轮胎2内充有空气，并保持一定的胎压，因此通气孔4的作用是：将内胎3与无内胎轮胎2内的充气空间连通，使内胎3内气压与胎压一致，同时，所充空气进入内胎3内部的两组棱台状弹性体之间的空腔结构6，也可减少本发明对车辆无内胎轮胎2内原有充气量的影响。

[0042] 参考图4，图中的无内胎轮胎2(外胎)未与地面接触，可理解为车轮旋转过程中未碾压地面的部分，该部分外胎2与内胎3之间有一定空隙，不与内胎3接触，因此，此部分内胎3中的各结构没有受到压力作用，处于未工作状态。

[0043] 参考图5，图中显示的是无内胎轮胎2(外胎)碾压地面16的部分，可观察出：外胎2、内胎3、棱台状弹性体5相较于图4中的对应结构均有一定变形，且外胎2与内胎3已发生接触。该部分外胎2对应的内胎3受到外胎2的挤压，进而内胎3将压力传递给棱台状弹性体5，最终，压力通过棱台状弹性体5传递到发电层7，使本发明的该部分处于工作状态，产生电能。

[0044] 参考图6，该图给出了一种典型的内胎3与棱台状弹性体5的镶嵌连接方式，该连接方式可不使用粘连剂而达到将上述内胎3与棱台状弹性体5紧密结合的目的。

[0045] 所述的棱台状弹性体5，由弹性材料组成，包括但不限制于：天然橡胶、合成橡胶。同时，为了进一步减小本发明对车辆外胎2原有充气量的影响，优选的，棱台状弹性体5所用的材料还可包括空心多孔状弹性体。需指出的是，棱台状弹性体5的材料选择不限制于本说明书中提及的橡胶和空心多孔状弹性体，可根据所安装车辆具体的工作情况而定，但是必须保证棱台状弹性体的弹性模量不能太小，即工作受力时其形变量不能过大，否则会导致传递给压电发电元件10的压力过小，造成发电量过小的情况。由于棱台状弹性体5在内胎3中成对使用，所以优选的，棱台状弹性体5还可在内胎3的加工过程中，随内胎3一起成型加工而得，这样就使得棱台状弹性体5与内胎3成为一个整体，保证了整体的结构强度。此外，棱台状弹性体5可以粘连在内胎3的内壁上，也可镶嵌于其中，参考图6，该图给出了一种典型的内胎3与棱台状弹性体5的镶嵌连接方式。棱台状弹性体5的末端直接与发电层7相连，同样的，棱台状弹性体5可与发电层7中的压力施加片9粘连或者将压力施加片9镶嵌到棱台状弹性体5中，以实现棱台状弹性体5与中间发电层7的连接。

[0046] 所述棱台状弹性体5，为棱台状的特殊形状：接触压力施加片9的一端较小，而与轮辋8以及在工作时与无内胎轮胎2接触的另一端较大，外形为类似坝体的棱台状；但需指出的是，棱台状弹性体5的外形不限制于棱台状，其他一端较小、另一端较大的结构都属于棱台状弹性体5的形状范畴，比如：圆台、球缺。因此，当棱台状弹性体5承受无内胎轮胎2与轮辋8传递的径向力时，径向力会沿棱台状弹性体5进行传递，因为棱台状的特殊形状，径向力的方向也将随之发生改变，由径向变为沿棱台状弹性体5的大端至小端的传递方向，最终将径向力集中施加于压力施加片9上，达到改变径向力方向的目的。同时，该结构可实现在轮辋8径向方向上作弹性形变，起到缓冲层的作用，用以缓冲：车轮碾压大石块或路牙等导致车轮局部大形变时所产生的冲击，对发电层起到保护作用，使得本发明能够适应多种路况。由于棱台状弹性体处于外胎2与压电发电元件10之间，这样的结构也可吸收一定的轮胎与地面摩擦产生的热量，降低高温对压电发电元件10的损害。该棱台状弹性体还有支撑发电层7的作用，给予发电层7上下两个面的支撑，以固定其位置，当车胎内气压偏低时该结构也能给予无内胎轮胎2支撑，将无内胎轮胎2所传递的压力，经由棱台状弹性体5传递给轮辋8，避免了车轮缺气时无内胎轮胎2的损坏，轮胎缺气时本发明的具体状况类似其工作状态示意图，参见图5，这样就可以保护缺气的轮胎避免其受到轮辋的直接碾压，起到泄气保用轮胎的支撑作用。

[0047] 所述发电层7的结构如图7所示，包括：压力施加片9、压电发电元件10、支撑柱11和垫片12。此外，对于压电发电元件10还设计了压电元件安装槽13，以方便对该压电发电元件进行固定和保护。其中：压电发电元件10、支撑柱11和垫片12处在两块压力施加片9之间。而两块压力施加片9的结构完全一样，其内侧一面均加工有压电元件安装槽13、焊接有垫片12，图7中为方便观察，仅在下方压力施加片9上绘出上述结构，同时，也将支撑柱11绘于下方的压力施加片9上。

[0048] 所述的压力施加片9的结构如图7所示，其为长方体的片状结构。为方便与棱台状弹性体5的连接，其与棱台状弹性体5小端接触面的面积大小不能超过棱台状弹性体5小端的面积。在本发明中，压力施加片9成对使用，其内侧均设置有与压电发电元件10外形相匹配的压电元件安装槽13，用以放置并固定压电发电元件。因为压力施加片9直接与压电发电元件10接触，所以其采用合金钢或其它高刚度与高强度的金属或合金材料制成，材料的高刚度与高强度，可保证压力施加片9进一步改变由棱台状弹性体传递而来的径向力的方向，使得所传递的力均匀且垂直的直接施加在压电发电元件10上，使本发明能满足国内大部分压电发电元件的工作条件。

[0049] 参考图8，其中左侧为数个较小体积的压电发电元件14，将它们依次串联连接后，构成为右侧的压电发电元件10的结构。

[0050] 参考图9，其中左侧为数个较小体积的压电发电元件15，将它们并联连接后，构成为右侧的压电发电元件10的结构。应当指出的是，图8、图9中，压电元件串联、并联的结构特点已表述清楚其连接方式，所以图中并未画出导线连接结构。

[0051] 所述的压电发电元件10，其压电材料包括但不限制于：锆钛酸铅(PZT)、钛酸钡、石英、聚偏二氟乙烯(PVDF)、PZT纤维和聚氯乙烯(PVC)中的一种或多种，以及其他能够产生压电效应的材料。参考图7，压电发电元件10可为一整块长方体的压电发电元件；同时，其也可由较小体积的压电发电元件串联或并联组成，图8中的右侧结构，展示了一种串联的压电发电元件，该串联结构可提供高于整块结构的电压输出；图9中的右侧结构，展示了一种并联的压电发电元件，该并联结构可提供高于整块结构的电流输出。相应的，根据不同类型的压电发电元件10，其对应的压电元件安装槽13也需制成与之外形相匹配的槽状结构，用以放置该压电发电元件。所述压电发电元件10在受到压力作用时通过压电效应产生电能，该电能可由导线引出并接入蓄电池等储电装置，进而实现对车辆蓄电池充电，目前已有成熟的技术实现以上所述的电能存储过程，因此在本发明中未画出导线、蓄电池等结构。

[0052] 所述的支撑柱11，为圆柱体支撑柱，外形可参考图7，其采用弹性模量大于压电发电元件的高刚度合金材料制成，例如：满足上述条件的合金钢。支撑柱安装在垫片12的圆孔沉槽中，但不加以固定，以保证其可在圆孔沉槽中沿孔的轴向活动。同时，支撑柱11的长度，要略小于减去两倍的发电元件安装槽深度后的压电发电元件10的厚度，也就是说：在正常工作状态时，因为压电发电元件10较厚，而支撑柱11相对较短，所以支撑柱11不承受压力施加片9所传递的压力，该压力由压电发电元件10承受，用于产生电能，此时压力值处在压电发电元件的正常工作范围内；当出现车辆超载或车轮局部受到冲击的情况时，产生的压力值会超过压电发电元件10的正常工作范围，将导致压电发电元件10的压缩量超过正常范围，使得两压力施加片9间的宽度与支撑柱11长度相当，进而使支撑柱11开始受力，由于其弹性模量较大，形变量会小于压电发电元件10，所以超过正常工作范围的压力值主要由支撑柱11承受，压电发电元件10得到保护。需指出的是，支撑柱11的数量与布置位置不限制于图7所示，可根据本发明所安装车辆的工作条件而定。

[0053] 所述垫片12，参考图7，为圆形垫片，其材料包括但不限制于：碳钢、304不锈钢、316L不锈钢、紫铜、镍基合金、钛。因为上下两块压力施加片9内侧都设置有相对应的垫片，压力施加片9直接与垫片接触，所以垫片可焊接在压力施加片9上，或与压力施加片一起成型加工而得。垫片上有相应的圆孔沉槽，支撑柱11就安装在该圆孔沉槽中。垫片12的设计，增大了压力施加片9的受力面积，保护了压力施加片9的受压面，进一步增强了本发明的抗压强度。

[0054] 本发明提供的内胎式压电发电装置，其工作过程如下：

[0055] 利用车轮碾压地面时轮胎的局部形变挤压本发明，通过内胎3及棱台状弹性体5将压力传递至中间发电层7处，由压电发电元件10产生电能。

[0056] 参见图4，所示为本发明处于未工作状态的部分，即车轮中未与地面接触受压的部分，由于此部分没有受到地面施加的压力，无内胎轮胎2未发生形变，本发明装置没有受到挤压，无电能产生，此时本发明装置与无内胎轮胎之间有一定间隙，没有接触。

[0057] 参见图5，为车轮中与地面接触时的情况，由于地面的挤压，使无内胎轮胎2受力变形，进而与本发明装置接触，无内胎轮胎2将地面的压力传递给本发明装置，由于本发明装置与轮辋8直接相连，因此本发明装置受到无内胎轮胎2传递的压力与轮辋8的反作用径向力的作用，两个棱台状弹性体5受力变形，由于其特殊结构，进而将径向力的方向改变，随后将力传递给压力施加片9，最终作用于压电发电元件10；由于压电效应的作用，压电发电元件10产生电能，将产生的电能通过导线传递至蓄电池等储电装置，实现对车辆的充电。

[0058] 本发明设计并合理布置了棱台状弹性体，使之对每一个发电层进行支撑与保护；并在发电层中设计了垫片与支撑柱，确定了支撑柱与压电发电元件的尺寸关系，进一步加强了对压电发电元件的保护，使本发明能够适用于国内大多数的压电发电元件、适应多种路况，还可在轮胎缺气时起到泄气保用轮胎的支撑作用。