多功能摩擦发电轮胎及基于该轮胎的传感器和供电设备的制作方法

本发明属于摩擦发电机技术领域，具体涉及一种多功能摩擦发电轮胎，供电设备及一种独立传感器。

背景技术：

目前生活中机械能无处不在，量级也覆盖很宽的范围，但是广泛被人们忽略。本发明利用摩擦起电和静电感应原理将机械能转化为电能这一基本思想，提供一种多功能摩擦发电轮胎。将该摩擦发电轮胎安装于车辆，机械之上，利用轮胎滚动，颠簸，变形等过程产生的机械能转化成电能为外接的电路提供电信号，形成一种绿色环保的发电方式。其自身也可作为传感器，得到一种可以自驱动，免维护的传感器。该多功能摩擦发电轮胎具备多个功能，当以不同的运动方式触发该发电多功能摩擦发电轮胎时，产生电信号的大小或者形状不同，可以作为传感器，监测轮胎的运动状况；当导电层为阵列结构，触发不同位置时，对应的区域产生电信号，可以用于轮胎状态监测，以及速度监测；并且，传输出来的电信号经过外电路的设计与智能系统组合，可以作为报警系统，胎压监测系统，温度监测系统抑或供电设备等。

现有技术中存在具有发电功能的轮胎，但是大多数为压电材料或者通过一系列机械设备带动发电机发电，结构复杂，耗材多，价格昂贵，功能单一，不利于安装使用。中国专利201010230731.7公开了一种磁感应发电轮胎，需要感应线圈，软磁体等部件，存在结构复杂，制备过程繁琐等问题。中国专利201620439198.8公开了一种利用压电材料发电的轮胎，制备过程中需要加入换向器，电刷，压电材料等，同样存在结构复杂的问题。

本发明中提到的多功能摩擦发电轮胎，解决的具体问题如下：

为了解决现有发电地毯的复杂结构，耗材多，成本高的问题，本发明提供的摩擦发电轮胎是利用目前现有的轮胎结构将其设计成一体式摩擦发电轮胎，在不影响轮胎正常使用的前提下，赋予轮胎更多的功能，不仅可以发电作为电源而且可以作为传感器，应用在对轮胎实时状态全方位监测，车辆供电，轮胎寿命检测等场合。

1、本发明的多功能摩擦发电轮胎采用一体式结构或者贴合式结构，将导电层元件与轮胎本体做成片层结构，无需复杂的线圈，软磁体以及换向器等，结构简单、耗材少，加工方便，成本低廉。

2、本发明的多功能摩擦发电轮胎采用摩擦发电的形式，轮胎表面为第一摩擦层，该摩擦发电轮胎无需刻意设计第二摩擦层，轮胎工作环境中的地面，金属转鼓，砂轮以及与轮胎材质有区别的其他物质均可充当第二摩擦层。

3、本发明提供的多功能摩擦发电轮胎，是在市场上现有的轮胎结构基础上添加一个导电层元件，对轮胎本身的使用不受任何影响，并且成本低。

4、本发明提供的多功能摩擦发电轮胎，不仅可以作为节能环保的电源，而且通过产生电信号的特征与触发条件之间的关系，该轮胎可以作为独立供电的传感器。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种多功能摩擦发电轮胎，所述摩擦发电轮胎包括导电层元件和轮胎本体，所述的导电层元件与轮胎本体可以复合为一体，也可贴合在其表面；

进一步地，所述轮胎本体为复合式结构，导电层可以同时充当轮胎结构层，也可仅承担导电作用；

进一步地，所述的导电层元件为导体、半导体材料,可以是单一材质的材料，也可以是复合材料；

进一步地，所述轮胎本体为子午线轮胎，斜交胎，所述轮胎本体为半钢轮胎或者全钢轮胎；

进一步地，所述导电层元件包括可以导电的纯金属或合金，所述纯金属包括金、银、铜、铁、铂、钯、铝、镍、钛、钒、铬、锰、硒、钼和钨；所述合金包括铝合金、铜合金、钛合金、镁合金、铍合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金和钽合金；所述导电材料包括铟锡氧化物、石墨烯及其衍生物、离子掺杂的半导体和导电薄膜材料；

进一步地，所述摩擦发电轮胎系统包括第一摩擦层、第二摩擦层和外电路，所述第一摩擦层为轮胎本体的表面部分，所述第二摩擦层为生活中能够与轮胎表面材料产生摩擦起电的材料，所述外电路为连接两摩擦层，或者连接其中之一与另一电势不同的区域。所述第一摩擦层和第二摩擦层在外力作用下，通过接触和分离，或者滚动，滑移，靠近远离的过程向外电路输出电信号；

进一步地，所述导电层元件包括多个输出端和导电层，所述导电层通过输出端连接外电路或者导电层直接与外电路连接；

进一步地，所述导电层元件位于轮胎的层间轮胎的最里层或者最外层；

进一步地，所述的导电层元件为一个连续的大单元或者多个独立不连续的单元；

进一步地，本发明所述一种多功能摩擦发电轮胎及独立传感器的制作过程简单易行，通常将导电层材料在轮胎成型过程中或者成型之前加入(与轮胎中帘线的加入方式类似)，然后进行硫化交联，得到一体式的摩擦发电轮胎，或者通过简单的粘胶方式将导电材料与轮胎进行组合，以保证导电层与轮胎紧密接触，从而能够达到电荷的高效转移。本领域的技术人员综合轮胎和导电材料的特点，能够选择适当的制备方法。

本发明的有益效果如下：

1、基于摩擦起电和静电感应原理设计成一体式结构的多功能发电轮胎及独立传感器，将导电层元件在成型过程中加入，其余步骤与传统轮胎加工过程样，得到一体式摩擦发电轮胎，无需添加弹性条和固定端；

2、不需刻意提供第二摩擦层，且材料绝缘和非绝缘均可，轮胎工作环境中接触的地面，金属转鼓，以及和轮胎表面材质不同的所有物质均可成为第二摩擦层与轮胎本身充当的第一摩擦层作用；

3、多功能摩擦发电轮胎适用于多种能量驱动形式，如滚动，滑移，形变，拍打，撞击等，该摩擦发电轮胎都显示有电流输出，为使用该轮胎的设备提供了一种新的绿色环保发电形式；

4、本发明提供的一体式多功能摩擦发电轮胎及独立传感器，结构简单，制备容易，不影响轮胎的使用和外观，触发材料以及能量驱动形式多样化，可以作为传感器，并且对选用轮胎材料的结构、材质、硬度无要求，这些优点为本发明中所提供的摩擦发电轮胎带来更大的应用市场。

5、本发明提供了一种直观的科学教具，具有极好的科学原理演示作用，效果直观清晰。

附图说明

图1为本发明多功能摩擦发电轮胎的一种典型结构示意图；

图2为本发明多功能摩擦发电轮胎的发电原理示意图；

图3为本发明多功能摩擦发电轮胎的另一种单电极结构示意图；

图4为本发明多功能摩擦发电轮胎的另一种多电极结构示意图；

图5为本发明多功能摩擦发电轮胎的一种贴合式结构实物图；

图6为本发明多功能摩擦发电轮胎的一种一体式结构实物图；

图7为本发明实施例2中一种多功能摩擦发电轮胎的电流输出图；

图8为本发明实施例2中一种多功能摩擦发电轮胎的电压输出图；

图9为本发明实例2中多功能摩擦发电轮胎点亮led灯的效果图；

图10为本发明实施例3中一种多功能摩擦发电轮胎作为传感器，应用在胎压监测。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

本发明提供一种能够将轮胎运动中不同形式的机械能转化为电能的新型多功能摩擦发电轮胎。该发电轮胎是在胎面以下植入导电层，组成结构简单的贴合式或者一体式摩擦发电系统，并且可以作为独立传感器，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。具体如下：

实施例1

1、多功能摩擦发电轮胎及独立传感器的构造

图1为本发明多功能摩擦发电轮胎一种典型结构的示意图。包括：轮胎本体和导电层元件。将其制备成一体式或者贴合式轮胎。轮胎工作环境中的地面，金属转鼓等能够与轮胎表面产生摩擦起电的材料都可以充当第二摩擦面，轮胎在外力引起的滚动，滑移，形变，拍打，撞击等形式作用下，通过轮胎本体和导电层元件向外电路传输电信号。导电层元件可以位于轮胎本体的表面之下的任意地方，以一体式发电轮胎为例，导电层位于胎面胶之中

2、摩擦发电轮胎的工作原理

当外界存在且与该多功能摩擦发电轮胎的摩擦电极序不同的多种物体，与本发明的摩擦发电轮胎之间发生摩擦起电和静电感应时，该摩擦发电轮胎系统能够将机械能转换为电能，对外电路进行做功。

实施例2：

本实施例中提供一种贴合式多功能摩擦发电轮胎，实物图参见附图5。本实施例中的轮胎本体由玲珑轮胎制备，规格为205/55r16。导电层元件选取为导电性较强的铜箔，厚度为80μm。本实施例中的导电层元件和轮胎本体通过简单粘合的方式制备。本实施例中，以大理石地板为第二摩擦层，自由落体引起的撞击和滚动的方式进行能量驱动，该多功能摩擦发电轮胎对外部产生电流，自由落体产生的电流经静电计6514测试显示的电流数据参见附图7，电压数据参见附图8，滚动运动点亮led灯的效果图如图9所示。

实施例3：

本实施例中提供一种一体式多功能摩擦发电轮胎，，作为传感器，本实施例中的实物图参见图6，其中轮胎胎面胶以下为山东玲珑集团生产的普通半钢胎乘用车胎，规格为205/55r16。导电层元件选取为导电性较强且具有多孔结构的海绵铜，厚度为1mm。本实施例中的导电层元件和轮胎本体通过高压硫化的方式得到一体式摩擦发电轮胎。本实施例中，以轮胎滚动阻力测试仪的金属转鼓为第二摩擦层，滚动的方式进行能量驱动，该多功能摩擦发电轮胎对外部产生电流信号，根据不同速度下电流频率和波形的差异，该多功能发电轮胎可以作为独立传感器，也可以作为供电装置驱动led灯泡，图10为不同气压下的等高度自由落体的波形图。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式中的几种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。