一种利用轮胎行驶变形高效发电车轮的制作方法

本发明涉及利用轮胎转动自发电技术的改进，属于轮胎发电技术领域。

背景技术：

车辆行驶过程中，轮胎快速地旋转，一些人注意到轮胎转动所产生的动能，于是出现了轮胎发电的研究。目前对轮胎发电的认识，大都停留在压电效应和旋转切割磁力线产生电流。压电效应发电的不足在于，发电量非常微小，且在软性材料上产生压电效应不明显。要在轮胎变形中产生旋转切割磁力线的方法非常复杂，且难以实现。因此，要让轮胎变形产生电能又不大量额外消耗车载能源，必须另寻途径。

现有技术公开了专利号为“201210508285.0”、发明名称为“一种利用轮胎转动自发电方法和机构”的轮胎发电技术，该技术在轮胎上沿圆周设有若干套直线发电机，每套直线发电机包括配对的定子和动子，定子位于机壳内，机壳固定安装在轮辋上；定子为环形骨架上绕制线圈而形成，动子由柱状骨架和安装在骨架上的永磁体或励磁线圈构成，动子从定子中穿过，动子一端在轮胎转动时始终与橡胶胎体内表面接触并可随接触处橡胶胎体的变形而在定子的导向作用下与定子之间发生径向的往复运动。其利用轮胎的变形驱动动子与定子之间往复运动而切割磁力线进行发电，由于动子移动方向与轮胎前进方向几乎垂直，所以其消耗的能量少，相比其它现有技术发电效率提高，但由于轮胎变形的复杂性，包括变形量大小、轮胎转速大小以及振动冲击频率的不同和不确定，而如何将轮胎发电与这些因素结合起来才能更好地提高发电效率，则是需要进一步研究的方向，否则发电效率不高，轮胎发电很难真正用于实际车辆上。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种进一步提高发电效率、自身消耗能量小且容易实现的利用轮胎行驶变形高效发电车轮。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：

一种利用轮胎行驶变形高效发电车轮，所述轮胎由轮辋和橡胶胎体构成，在轮胎上沿圆周设有若干套直线发电机，每套直线发电机包括配对的定子和动子，定子位于机壳内，机壳固定安装在轮辋上；定子的轴线位于轮胎直径方向上，动子两端从定子中穿出，在动子两侧设有对称的导向轴，导向轴通过轴承安装在机壳上，两导向轴和动子朝向轮胎中心端通过连接板连为一体以同步运动；动子一端还同时穿出机壳以在轮胎转动时始终与橡胶胎体内底表面接触并可随接触处橡胶胎体的变形而在导向轴导向下与定子之间发生轴向的往复运动；在机壳内设有离心力平衡机构，离心力平衡机构用于调节动子在不同转速带来的离心力下与橡胶胎体的作用力，利用该机构平衡离心力，以减小不同转速下作用力的大小和分布区间。

优选地，所述离心力平衡机构包括单向挡块、弹簧和重锤；导向轴为具有轴向通孔的中空结构，在导向轴上设有径向通孔，径向通孔将导向轴轴向通孔和外部连通；单向挡块为多个并设于每个径向通孔内，单向挡块通过自动复位机构与导向轴连接以在自由状态下单向挡块外端能够自动缩回径向通孔内；重锤设于轴向通孔内并可沿轴向通孔轴向滑动，重锤由一体成型的头部、颈部和尾部构成，颈部卡于单向挡块之间，尾部通过收缩的锲形结构和颈部连接，单向挡块可受锲形结构作用而克服自动复位力伸出径向通孔；弹簧套设于导向轴外，弹簧一端与机壳连接，另一端处于自由状态形成自由端，伸出径向通孔的单向挡块可横向插入弹簧螺圈之间的间隙中实现导向轴与弹簧的连接；在单向挡块外端设有便于单向挡块插入弹簧螺圈之间间隙的导向斜面，导向斜面朝向弹簧自由端。

优选地，所述离心力平衡机构包括通过转轴安装在机壳上的单臂杠杆，杠杆自由端通过拉簧与导向轴远离橡胶胎体那端连接，转轴上设有复位扭簧。

优选地，所述离心力平衡机构包括通过转轴安装在机壳上的双臂杠杆，转轴上设有复位扭簧，杠杆一端通过拉簧与导向轴远离橡胶胎体那端连接，杠杆另一端设有配重块；或者所述杠杆一端与导向轴远离橡胶胎体那端连接，杠杆另一端连接拉簧一端，拉簧另一端与机壳连接。

优选地，所述离心力平衡机构包括悬臂、棘轮和设于导向轴上的条形齿，棘轮包括外圈、内圈和通过棘爪转轴设于内圈上的棘爪，悬臂一端通过悬臂转轴与机壳可转动连接，另一端与棘轮的内圈通过内圈转轴可转动连接，在内圈和机壳/定子之间设有蓄力用发条；棘轮外圈与条形齿啮合；悬臂转轴上设有用于克服离心力使悬臂复位的复位扭簧；自然状态下，棘轮在复位扭簧和悬臂的作用下与导向轴条了形齿脱开。

在机壳顶端装有弹性装置，动子在橡胶胎体变形往轮胎圆心方向推动下到达最大行程时与该弹性装置接触，用于将动子到达此位置时没有完全释放的动能通过压缩弹性装置而储能。

在动子与橡胶胎体内底间设有缓冲弹簧，缓冲弹簧一端设于动子上，另一端用于与橡胶胎体接触；或者缓冲弹簧一端设于橡胶胎体内表面上，另一端用于与动子接触。

每套发电机在轮辋上的安装角度，其中心线与该处轮辋切线有一定倾角，以使发电机在轮毂上的安装角度沿轮胎转动方向相反的方向偏离。

每个直线发电机中设有多个离心力平衡机构，每个离心力平衡机构在车轮转速达到设定值时起作用，转速的设定值各不相同。

所述直线发电机安装在轮辋圆周上，成多列交叉排列。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明利用离心力平衡机构减缓动子因为离心力而往橡胶胎体方向的运动，减小两者的作用力，并进行蓄力，由此使不同转速导致的离心力下动子和橡胶胎体的作用保持在一个相对均衡的状态，避免了不同转速下离心力差异较大而带来的作用力忽高忽低的问题。通过离心力平衡机构的调节，从而达到平衡动子离心力的作用，车轮转速不同，车轮推动动子的力的时间间隔也不同。因此动子对应胎面的振动频率的变化而调整，使动子吸收更多胎面冲击和振动能量而产生更多电能。

2、本发明利用弹性装置将动子到达最大行程位置时没有完全释放的动能通过压缩弹性装置而储存，能够很好地吸收多余能量，并将该能量用于动子的复位，由此使动子往复运动更快，行程更大，发电效率更高。

3、通过动子与轮胎内底间的缓冲弹簧充分吸收轮胎的冲击和振动能量，转化为动子的动能，从而避免没有弹簧时该冲击和振动如果过大而动子又不能马上吸收，就会通过胎面和减振器消纳而白白损耗，既提高了发电效率，驾驶感受也更好。

4、本发明通过每套发电机在轮辋上的特殊安装角度，便于轮胎胎面受压时第一时间将能量传递给动子，从而最大限度吸收来自胎面的冲击振动能量，并使轮胎胎面对动子的冲击振动时间最大化，动子吸收更多的能量。

总之，通过上述多方面的措施，本发明轮胎发电的效率明显提高，为该技术更快更好地推广打下了良好的基础。

附图说明

图1-本发明结构示意图。

图2-离心力平衡机构第一种实现结构图。

图3-离心力平衡机构第二种实现结构图。

图4-离心力平衡机构第三种实现结构图。

图5-离心力平衡机构第四种实现结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明利用轮胎行驶变形高效发电车轮，所述轮胎由轮辋1和橡胶胎体2构成，在轮胎上沿圆周设有若干套直线发电机，每套直线发电机包括配对的定子3和动子4，定子3位于机壳5内，机壳5固定安装在轮辋1上。定子3为由硅钢片或其它材料叠放在一起形成的骨架上绕制线圈而成，定子3的轴线位于轮胎直径方向上。动子4由骨架和安装在骨架上的永磁体或励磁线圈构成。动子两端从定子中穿出，其中一端从定子3穿出后还从机壳5中穿过朝向橡胶胎体2，另一端则位于机壳5中。在动子4两侧设有对称的导向轴6，导向轴6位于定子3外并通过轴承7安装在机壳5上，两导向轴6和动子4朝向轮胎中心端通过连接板8连为一体以同步运动。为了使动子能够与定子之间不断往复运动，动子一端在轮胎转动时始终与橡胶胎体内表面接触并可随接触处橡胶胎体的变形而在导向轴导向下与定子之间发生轴向的往复运动。协助动子移动的导向轴布置在动子移动方向的两侧，让动子在有限空间内移动更远的距离，产生更多的电能。在机壳内设有离心力平衡机构，离心力平衡机构用于调节动子在不同转速带来的离心力下与橡胶胎体的作用力，利用该作用力平衡不同转速下的离心力，以减小不同转速下作用力的大小和分布区间，使动子对橡胶车轮内底的压力基本稳定或更小。

本发明实现发电的原理：当某直线发电机动子所在处的轮胎与地面接触时，由于受压，该处的轮胎会发生较大的变形，轮胎克服动子重量和磁场阻力等推着动子往上运动，因为动子本身就位于定子中，故在往上运动过程中切割磁力线而发电。一旦该处轮胎转动离开地面，轮胎即复原，动子在离心力作用下，动子也将复位，复位时间较轮胎复原缓慢一些，在复位过程中，同样有切割磁力线过程，因此两个过程都能发电。发电机动子在受车轮一次冲击振动后，能产生多次这样的往复移动，只是移动幅度不断减小，但每次移动都产生不同的发电量，电力由大到小而已，实现间歇冲击动子、动子连续发电的效果。这样，在轮胎转动一圈的过程中，所有的发电机都按上述过程发电，随着轮胎的快速转动，电能即源源不断地输出。本发明发电机所发电量可先整流后经集电环有线输入车载蓄电池或电容中，也可通过电磁感应、电磁耦合等方式无线输入车载蓄电池或电容中。

本发明既可以适用于充气轮胎，也可以适用于非充气轮胎。

所述轮辋上设有通至轮辋外表面上的圆周环槽的径向通孔，径向通孔为台阶孔，台阶孔大孔径为螺纹孔，机壳具有对应的台阶状并从中心向外螺纹旋接在径向通孔中并在两者结合部位设有密封结构。台阶面自然形成对机壳的限位面，不至于因为离心力而松动。事实上，即使没有台阶面，离心力也只会使机壳越旋越紧。本结构机壳和定子安装方便，对轮辋结构改动小，可以确保改动后轮辋的强度符合要求。

本发明离心力平衡机构具有多种结构形式，包括但不局限于下述几种：

1、所述离心力平衡机构包括单向挡块9、弹簧10和重锤11；参见图2，导向轴6为具有轴向通孔的中空结构，在导向轴6上设有径向通孔，径向通孔将导向轴轴向通孔和外部连通；单向挡块9设于每个径向通孔内，单向挡块9通过自动复位机构（如复位簧片12）与导向轴6连接以在自由状态下单向挡块外端能够自动缩回径向通孔内。重锤11设于轴向通孔内，重锤由一体成型的头部、颈部和尾部构成，颈部卡于多个单向挡块之间，尾部通过收缩的锲形结构和颈部连接，单向挡块9可受锲形结构作用而克服复位机构复位力伸出径向通孔。弹簧10套设于导向轴6外，弹簧10一端与机壳5连接，另一端处于自由状态，伸出径向通孔的单向挡块9可横向插入弹簧10螺圈之间的间隙中实现两者连接；在单向挡块9外端设有便于单向挡块插入弹簧螺圈之间间隙的导向斜面13，导向斜面朝向弹簧自由端。该结构工作原理：在离心力作用下，重锤向下运动并将单向挡块从径向通孔推出，伸出的单向挡块插入弹簧内与弹簧连接，弹簧随单向挡块的运动而被压缩或拉伸，由压缩或拉伸的弹簧提供反作用力减缓动子和导向轴往胎体方向运动，进而减轻两者的作用力。假设离心力向下，当弹簧下端与机壳连接时，挡块与弹簧连接，此时弹簧被压缩；当弹簧上端与机壳连接时，挡块与弹簧连接，此时弹簧被拉伸；不管压缩或拉伸，弹簧的作用力都是与挡块相反，即阻止动子在离心力下向橡胶胎体方向运动，因为离心力越大，弹簧的阻止作用力越大，由此平衡不同转速下离心力的大小。在没有离心力下或者车轮转速低离心力小时，挡块因为复位机构而缩回，重锤受挡块作用而复位，由于重锤具有头部结构，因此重锤不会脱开多个挡块的夹持，保证下一次可靠运行。在动子如图2所示往上运动时，如果挡块上口与弹簧接触，由于上口为斜面，在弹簧（包括复位簧片）的作用下，挡块会缩回，即弹簧不会通过挡块作用于动子，只在下行方向起作用，此即挡块单向所在。

在上述弹簧的基础上，本发明离心力平衡机构可以利用不同转速下离心力不同，从而利用离心力让不同的离心力平衡机构或者挡块让弹簧和动子相连，也可以利用传感器实现不同轮速下伸出不同的挡块让弹簧和动子相连，使动子离心力和弹簧的回复力达到一个合理值，合理值不一定是两个力相等，让动子在不同的轮速下受胎面冲击后更容易振动，即在不同转速下，发电机动子的振动频率与车轮对动子的冲击频率基本一致，动子收集和输出最大能量。

2、所述离心力平衡机构包括通过转轴安装在机壳上的单臂杠杆14，单臂杠杆14自由端通过拉簧15与导向轴/动子4远离橡胶胎体那端连接，见图3。转轴上设有克服动子作用力使单臂杠杆复位的复位扭簧。在离心力使动子往胎体方向运动时，扭簧和拉簧提供反向作用力阻止该方向的运动。转速越大，扭簧作用力越大。

3、所述离心力平衡机构包括通过转轴安装在机壳上的双臂杠杆16，双臂杠杆16一端通过拉簧15与导向轴/动子4远离橡胶胎体那端连接，双臂杠杆16另一端设有配重块17，见图4。或者所述杠杆一端与导向轴远离橡胶胎体那端连接，杠杆另一端连接拉簧一端，拉簧另一端与机壳连接；在导向轴向橡胶胎体运动时，拉簧提供反向拉力使动子与橡胶胎体作用力减小。第三种结构和第二种结构有些类似，属于第二种结构的变形。

4、所述离心力平衡机构包括悬臂18、棘轮19和设于导向轴上的条形齿20，见图5，棘轮19包括外圈191、内圈192和通过棘爪转轴设于内圈上的棘爪193，悬臂18一端通过悬臂转轴与机壳可转动连接，另一端与棘轮的内圈192通过内圈转轴可转动连接，在内圈1-2和机壳/定子之间设有蓄力用发条194（盘簧）；棘轮外圈191与条形齿20啮合；悬臂转轴上设有用于克服离心力使悬臂复位的复位扭簧；自然状态下，棘轮在复位扭簧和悬臂的作用下与条形齿脱开。在机壳或者定子上设有限位块，限位块用于限制悬臂在离心力作用下的最大转动角度，此最大转动角度下棘轮外圈与条形齿处于最佳啮合状态。

该结构工作原理：在离心力作用下，悬臂18和棘轮19甩出，悬臂18绕转轴转动并带动棘轮19靠近条形齿最终与条形齿20啮合，条形齿20随导向轴6向橡胶胎体运动时，条形齿20带动棘轮外圈191并通过棘爪193带动内圈192一起转动，发条194因内圈192转动被旋紧蓄力，由发条提供克服离心力的阻力，以平衡不同转速下的离心力。导向轴6反向运动时（即图示向上），正常结构下棘轮外圈空转，而本发明中发条194释放并驱动内圈192与外圈同方向转动，由此棘爪193作用于外圈191使外圈191同时受导向轴6上的条形齿20和内圈192一起作用而转动。由于初始阶段，发条瞬间释放而导向轴由向下运动转向上运动较慢，此时以发条通过内圈、棘爪、外圈驱动导向轴为主，而不是导向轴驱动外圈转动为主，即发条储能用于驱动导向轴往上运动，这样可以使导向轴和动子的运动更快，振动频率更高。为了更好地平衡离心力，由悬臂、棘轮构成的离心力平衡机构可以为多套，以在不同的转速下与条形齿结合，从而随转速增大而提供更多的棘轮参与离心力平衡。

上述离心力平衡机构也可以随车轮转速不同，让不同数量的弹簧对动子产生作用，从而达到平衡动子离心力的作用。此时可以在连接板和机壳顶部（靠近轮子圆心端）之间设有拉簧23，拉簧有多根，每根拉簧在转速大于预设值时被拉伸，每根拉簧对应的转速预设值各不相同。比如拉簧Ⅰ在转速大于Ⅰ时被拉伸，拉簧Ⅱ在转速大于Ⅱ时被拉伸，拉簧Ⅲ在转速大于Ⅲ时被拉伸，转速Ⅳ﹥转速Ⅲ﹥转速Ⅱ﹥转速Ⅰ，这样在不同的转速下，就有不同数量的拉簧被拉伸，转速越高，离心力越大，被拉伸的拉簧也越多，比如转速大于转速Ⅳ时，拉簧Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ都被拉伸；转速大于转速Ⅲ时，拉簧Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ都被拉伸，从而在不同的转速下都能够对离心力实现可靠的平衡。也可以在反方向安装若干压簧，原理跟拉簧类似。

除此之外，离心力平衡机构还可以是电磁式或者液压式调节机构，电磁式利用传感器采集离心力大小，进而通过控制机构使执行机构动作，由执行机构平衡离心力，阻止动子向胎体方向的运动，从而均衡动子与胎体的作用力。

每个直线发电机中设有多个离心力平衡机构，每个离心力平衡机构在车轮转速达到设定值时起作用，转速的设定值各不相同。这些多个离心力平衡机构既可以是同种结构的多套，也可以是不同结构的组合，这根据实际情况灵活选取。

为了将动子在最大行程位置时还没有释放的能量储存起来，本发明在机壳5顶端装有弹性装置21，动子在胎体变形往轮胎中心方向推动下到达最大行程时与该弹性装置21接触，用于将动子到达此位置时没有完全释放的动能通过压缩弹性装置21而储能，随后又推动动子回复，对动子的作用力更大，产生更多电能。所述弹性装置为若干碰簧，碰簧位于动子最大行程处，与自由状态下的动子间存在间距。由于橡胶胎体在不同情形下对动子的作用力不同，动子的行程也不同，理论上每次作用都会产生一个行程，不同作用力行程不同；由于空间原因，机壳限制了动子最大行程，通常情况下动子不会达到最大行程就会反向，但如果作用力很大，比如明显的凹凸路面对橡胶胎体的变形就大，动子可能会达到最大行程，即使在最大行程处，也有继续运动的趋势，即胎体给动子的作用力没有完全释放，此时通过弹性装置就能够很好地吸收多余能量，并将该能量用于动子的复位，由此使动子往复运动更快，行程更大，发电效率更高。

在动子4与橡胶胎体2内底间设有缓冲弹簧22，缓冲弹簧22一端设于动子4上或者设于橡胶胎体2内表面，另一端处于自由状态。轮胎下沉量对应位置的动子被瞬间作用，由该缓冲弹簧充分吸收轮胎的冲击和振动能量，转化为动子的动能，从而避免没有弹簧时该冲击和振动如果过大而动子又不能马上吸收，就会通过胎面和减振器消纳而白白损耗。缓冲弹簧同时缓冲轮胎给动子的脉冲式冲击，使动子在定子内的往复运动趋向均匀，驾驶感受也更好。

由于轮胎运行与地面作用时有这样一个特点，轮胎变形时，即将进入路面部位会向外凸起，刚驶离路面部位会内凹，为此每套发电机在轮辋上的安装角度，其中心线与该处轮辋切线有一定倾角，以使发电机在轮毂上的安装角度沿轮胎转动方向相反的方向偏离，即朝向外凸方向；便于轮胎胎面受压变凸时，第一时间将能量传递给动子，从而最大限度吸收来自胎面的冲击振动能量，并使轮胎胎面对动子的冲击振动时间最大化，动子吸收更多的能量。

橡胶胎体内底，由于要与动子弹簧产生接触磨损，故在底表面增设一层耐磨材料。

直线发电机安装在轮辋圆周上，在圆周上成多列且列与列之间交叉排列，随车轮转动可连续实现发电机动子，几只上几只下发电，增大发电量，减小动子运动对车轮及车辆的冲击。

本发明直线发电机的动子移动距离大于或等于轮胎下沉量，即动子与轮胎胎面内底之间是弹性碰撞，动子收集更多能量。而胎面因将能量传递给动子，自身的振动振幅大幅减小、振动持续时间大幅缩短，因安装直线发电机车轮质量增加而导致的车辆簧下质量增加，从而多了一条将冲击振动能量转化为电能的传递途径，这样车轮遇凹凸不平路面对车身的冲击就减少了，车辆舒适性和车轮触地时间都得到提高。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。