用于轮胎或车轮的空气动力特征的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种装置，所述装置包括与轮胎接合的空气动力特征或与车轮接合的空气动力特征。
【专利说明】用于轮胎或车轮的空气动力特征
【技术领域】
[0001]本主题总体上涉及轮胎或车轮。更具体地，本主题涉及与轮胎或车轮或轮胎-车轮系统接合的空气动力特征。
【背景技术】
[0002]轮胎可以配备有轮胎压力监测系统或其它设备。轮胎可以配备的一些类型的设备可以使用电能。
[0003]仍然期望开发技术以将电能供应到轮胎可以配备的设备。
【发明内容】
[0004]提供一种装置，所述装置包括与轮胎接合的空气动力特征或与车轮接合的空气动力特征。
[0005]还提供一种轮胎-车轮系统，所述轮胎-车轮系统包括车轮、安装到所述车轮的轮胎以及空气动力特征。
[0006]还提供一种充气轮胎，所述充气轮胎包括胎面表面、第一侧壁表面、与所述胎面表面相对的环形内表面、与所述第一侧壁表面相对的第一侧壁内表面以及空气动力特征。所述空气动力特征可以通过粘合剂、或通过机械紧固件、或通过模制操作、或通过与其成一体形成的部件与所述环形内表面或所述第一侧壁内表面接合。所述空气动力特征可以与气流改变部件接合，所述气流改变部件包括恒定横截面面积的管道、或收缩喷嘴、或扩张喷嘴、或收缩-扩张喷嘴、或滤网、或过滤器、或它们的某个组合。所述空气动力特征可以包括涡轮机和发电机或压电空气动力特征。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1是轮胎模型的一个实施例的侧视图，显示计算流体动力学结果。
[0008]图2是轮胎的一个实施例的冠部区域的前视图，显示计算流体动力学结果。
[0009]图3是轮胎的一个实施例的轮迹区域的前视图，显示计算流体动力学结果。
[0010]图4是轮胎-车轮系统的一个实施例的前视截面图。
[0011]图5是图形，显示竖直轴线上的轮胎的底部处的速度和水平轴线上的径向距离。
[0012]图6是图形，显示竖直轴线上的相对于轮胎的直平移的轮胎的底部处的速度和水平轴线上的径向距离。
[0013]图7是图形，显示竖直轴线上的相对于车轮的刚性旋转的轮胎的底部处的速度和水平轴线上的径向距离。
[0014]图8是图形，显示竖直轴线上的轮胎的顶部处的速度和水平轴线上的径向距离。
[0015]图9是图形，显示竖直轴线上的相对于轮胎的刚性旋转的轮胎的顶部处的速度和水平轴线上的径向距离。
[0016]图10是图形，显示竖直轴线上的相对于车轮的刚性旋转的轮胎的顶部处的速度和水平轴线上的径向距离。
[0017]图11是轮胎的一个实施例的示意性侧视图，显示冠部区域处和轮迹区域处的气腔气流速度分布。
[0018]图12是与关联轮胎的轮迹区域接合的空气动力特征的一个实施例的俯视截面图。
[0019]图13是空气动力特征的另一实施例的俯视截面图。
[0020]图14是空气动力特征的另一实施例的侧视截面图。
[0021]图15是空气动力特征的另一实施例的侧视截面图。
[0022]图16是空气动力特征的另一实施例的侧视截面图。
[0023]图17是空气动力特征的另一实施例的侧视截面图。
[0024]图18是空气动力特征的另一实施例的前视截面图，显示与其接合的传动装置。
【具体实施方式】
[0025]现在将参考附图，图1-18,其中图示仅仅是为了例示空气动力特征、包括空气动力特征的轮胎、包括空气动力特征的车轮和包括空气动力特征的轮胎-车轮系统的某些实施例。
[0026]图1显示轮胎模型100的一个实施例的侧视图，显示图形计算流体动力学结果110。图2和3分别从邻近冠部132和邻近轮迹区域130的前视角显示这些相同的计算流体动力学结果HO。计算流体动力学结果110显示遍布轮胎模型100的充入空气431的气流1160的速度。当在本文中使用时除非另外说明，空气在一般意义上使用以表示用于充气轮胎的充气的气体并且不限于大气空气或车间空气或干燥空气，而是可以包括其它气体；空气可以包括大气空气、车间空气、干燥空气、氮气、氩气、其它气体或它们的混合物。类似地，气流1160可以表示空气可以包括的气体中的任何一种的气流。再次参考图1-3，计算流体动力学结果110基于沿着路面滚动的P215/55R17轿车尺寸轮胎的假设，在该情况下具有10英尺的鼓直径，在11461bf负荷下具有65mph并且用车间空气作为充入空气431充气到30.5psi (冷)和33.4psi (热)。尽管图1_3中所示的特定结果可以取决于以上输入，但是本文中的一般趋势和发现不特定于任何特定轮胎、轮胎尺寸、速度、负荷、充入气体、路面或充气压力。在图1-3中，基于以上假设在任何指定点的计算气流速度主要是两个变量的函数:1)离轮胎模型100的旋转轴线120的径向距离；2)与轮迹区域130的接近度。首先作为离轮胎模型100的旋转轴线120的径向距离的函数解释气流速度，一般而言，更靠近轮胎模型100的旋转轴线120的流动比更远离旋转轴线120的流动慢。在远离轮迹区域130的区域中，沿着内半径135的流动为大约715英寸每秒。在远离轮迹区域130的区域中，沿着外半径137的流动为大约1142英寸每秒。一般而言，在远离轮迹区域130的区域中，气流速度可以大致描述为径向位置的正函数。作为与轮迹区域130的接近度的函数解释气流速度，在邻近轮迹区域130的区域中在任何指定径向位置处的流动比远离轮迹区域130的区域中的相同径向位置处的流动明显更快。在下文中将更全面地解释该情况的原因。一般而言，在邻近轮迹区域130的区域中，气流速度可以大致完全地描述为径向位置和与轮迹的中心的接近度的正函数。
[0027]图1-3中所示的轮胎模型100可以表示在其操作期间轮胎-车轮系统400中的空气的性能。轮胎车轮系统400包括车轮410和轮胎420。当轮胎-车轮系统400操作时，它旋转。在图4所示的非限制性实施例中，轮胎420是充气轮胎422。在其它实施例中，轮胎400可以包括防爆轮胎或另一种类型的轮胎。充气轮胎422是适合于用充入空气431进行充气的轮胎420。当轮胎-车轮系统400在操作期间旋转时，充入空气431将倾向于在充气轮胎422内旋转使得它将倾向于形成气流1160。车轮410可以包括适合于具有围绕其安装的轮胎420的各种类型的车轮中的任何一种。在图4所示的实施例中，车轮410包括适合于与轮胎420 (例如但不限于充气轮胎422)接合的轮辋部分412，以及适合于与关联车辆(未显示)接合的板部分416。除非另外说明，接合表示部件直接地或间接地接合。直接接合的部件彼此直接接触。间接接合的部件由一个或多个中间部件分离。轮辋部分412包括以封闭环围绕轴线402延伸的环形外表面413，并且因此具有限定车轮圆周方向的车轮圆周。尽管轮辋部分412显示为在离轴线402的半径上变化使得车轮圆周随着轴向位置而变化，但是在任何指定轴向位置处获得的圆周方向与在任何其它轴向位置处相同。在图4所示的实施例中，轮胎420和车轮410 —起限定内腔430。内腔430可以由包括轮胎420所包含的表面和车轮410所包含的表面的一组表面限定。内腔430由轮胎420所包含的一组表面(包括与胎面表面426相对的环形内表面424和与第一侧壁表面427相对的第一侧壁表面425)并且由车轮410所包含的一组表面、车轮轮辋表面413限定。内腔430通过轮胎420和车轮410与周围环境440基本隔离并且可以包含空气或用充入空气4310充气到高于周围环境440的某个压力。在图4所示的实施例中，充气车辆轮胎422包括限定轮胎轴向方向472并且与其重合的操作旋转轴线402。充气车辆轮胎422包括环形内表面424，所述环形内表面以封闭环围绕轴线472延伸并且因此具有限定轮胎圆周方向的圆周。充气车辆轮胎422还包括与轮胎轴向方向472和轮胎圆周方向两者相互垂直的轮胎径向方向474。环形内表面424完全环绕轮胎并且因此具有圆周，限定在圆周的方向上沿着环形内表面的内表面圆周方向1202,限定与环形内表面424相切并且垂直于内表面圆周方向1202的内表面子午线方向464，并且限定与内表面圆周方向1202和内表面子午线方向464两者相互垂直的内表面法线方向466。环形内表面424可以适合于接合到车轮410。环形内表面424可以间接地通过第一侧壁表面427和通过第二轮胎侧壁428与车轮轮辋表面413接合。
[0028]轮胎圆周方向1204与内表面圆周方向1202重合。为了避免重复，除非在本文中另外说明，对内表面圆周方向1202的引用也适用于轮胎圆周方向1204。类似地，轮胎径向方向474与内表面法线方向466重合。为了避免重复，除非在本文中另外说明，对内表面法线方向466的引用也适用于轮胎径向方向474。一般而言，内表面子午线方向464不必与轮胎轴向方向472重合，原因是前者部分地由可以弯曲的环形内表面424的切线限定，并且后者由直的操作旋转轴线402限定。应当注意在环形内表面424是平面的并且平行于操作旋转轴线402的区域中(例如可以在环形内表面424通过轮胎轮迹时发生)，内表面子午线方向464可以与轮胎轴向方向472重合。
[0029]上述方向可以用于限定均可用于描述其它方向的两个不同坐标系。第一坐标系可以被限定为包括内表面圆周方向1202、内表面法线方向466和内表面子午线方向464的相互独立方向。第二坐标系可以被限定为包括轮胎圆周方向1204、轮胎径向方向474和轮胎轴向方向472的相互独立方向。使用第一坐标系或第二坐标系，可以根据沿着坐标轴限定的向量的向量和在其中限定任意方向。由于任意方向的幅值是无关的，因此沿着坐标轴限定的向量的幅值也是无关的并且全部可以假设是统一的而不损失一般性。
[0030]在操作中，轮胎-车轮系统400将旋转并且由此沿着路面(未显示)滚动或滑动。而且，在操作期间轮胎-车轮系统400在某种类型的负荷下操作是常见的。负荷可以是车辆负荷，例如车辆的重量的某个分数，或者它可以是某个其它负荷，包括但不限于货物负荷、动力负荷或轮胎-车轮系统400的重量。负荷将导致进入轮胎轮迹1110中的接触路面的轮胎区域的变形，如图11中所示。在操作期间，包括轮胎车轮系统400的单独元件将以共同速率受到旋转使得任何指定元件将具有与每个其他元件大致相同的角速度。
[0031]旋转充气轮胎-车轮系统400的充入空气431将倾向于与相邻质量431、425、424、413—起旋转。相邻质量431、425、424、413可以包括环形内表面424、车轮轮辋表面413、侧壁内表面425或充入空气431的另一量或分数。在充气轮胎-车轮系统400中，内腔430由限定外部径向限度的环形内表面424和限定较小的内部径向限度的车轮轮辋表面413包围。如上所述，在操作期间环形内表面424和车轮轮辋表面413将以大致相同的角速度旋转。由于环形内表面424和车轮轮辋表面413将以大致相同的角速度旋转但是在它们离旋转轴线402的距离上不同，因此它们移动的速度彼此不同，环形内表面424更快。如上所述，最靠近环形内表面424的充入空气431的部分将倾向于与环形内表面424 —起以一定速率移动，而最靠近车轮轮辋表面413的充入空气431的部分将倾向于与车轮轮辋表面413 —起以一定速率移动，使得最靠近环形内表面424的充入空气431的部分将倾向于比最靠近车轮轮辋表面413的充入空气431的部分更快地移动。该趋势通常由图1-3中所示的计算流体动力学结果110产生。在图8中图形地显示该趋势。
[0032]在操作期间，旋转轮胎420的任何指定部段将通过轮胎轮迹1110每转一次。当轮胎420的任何指定部段通过轮胎轮迹1110时，包含在轮胎的该部段中的充入空气431也将通过轮胎轮迹1110。在轮胎轮迹1110处或附近的轮胎的横截面具有小于远离轮胎轮迹的轮胎的横截面的面积。当轮胎420的指定部段通过轮胎轮迹1110时该部段的横截面面积减小，而包含在轮胎的该部段中的充入空气431通过其穿过。由于轮胎轮迹1110中的减小面积，因此包含在轮胎的该部段中的充入空气431必定相对于内腔430中的别处的气流1160更快地流动以便满足相关守恒要求。该趋势通常由图1-3中所示的计算流体动力学结果110产生。在图5中图形地显示该趋势。
[0033]现在参考图12-18，轮胎420或车轮410可以包括空气动力特征450。空气动力特征450适合于接收气流1160并且将所述气流1160中的能量转换成电能。空气动力特征可以适合于与轮胎420或车轮410的表面接合，如果组装到轮胎-车轮系统400中，所述表面将至少部分地限定内腔430。如果组装到轮胎-车轮系统400中将至少部分地限定内腔430的轮胎420或车轮410的表面可以包括环形内表面424、车轮轮辋表面413、侧壁内表面425或与第二轮胎侧壁428相对的侧壁内表面429。空气动力特征可以与轮胎420或车轮410的表面直接地接合，或者与轮胎420或车轮410的表面间接地接合。在空气动力特征与轮胎420或车轮410的表面间接地接合的一些实施例中，空气动力特征与接合轮胎420或车轮410的表面的表面的中间部件、例如但不限于阀杆(未显示)、轮胎压力监测系统(TPMS)(未显示)或主动噪声干涉装置(未显示)直接地接合。
[0034]空气动力特征450或空气动力特征的部件、例如但不限于空气动力特征外壳1210、1310、1410、1510、1610、1710可以通过粘合剂、机械紧固件、模制操作、通过与所述轮胎420或所述车轮410成一体地形成、或通过接合到与所述轮胎420或所述车轮410成一体形成的部件与轮胎420的表面或车轮410的表面接合或者接合到与轮胎420或车轮410接合的另一部件、例如但不限于阀杆(未显示)、轮胎压力监测系统(TPMS)(未显示)或主动噪声干涉装置(未显示)。粘合剂可以包括聚醋酸乙烯脂、聚氨酯、聚乙烯、环氧树脂、氰基丙烯酸酯或用良好的工程判断进行选择的其它粘合剂。机械紧固件可以包括螺钉、螺栓、螺母、夹子、夹具、销、卡钉、铆钉或用良好的工程判断进行选择的其它机械紧固件。模制操作可以包括轮胎模制操作、注射模制操作或用良好的工程判断进行选择的其它模制操作。成一体形成的部件不作为独立件形成，而是形成为已经联结作为单一整体件。成一体形成的部件的非限制性例子可以是这样的实施例，空气动力特征450的部件、例如但不限于空气动力特征外壳1210、1310、1410、1510、1610、1710可以如下地与胎体部件(未显示)模制在一起，即:通过挤出过厚胎体部件(未显示)并且磨掉周围材料直到留下空气动力特征外壳1210作为与胎体部件(未显示)成一体形成的部件。在一些实施例中，空气动力特征外壳1210、1310、1410、1510、1610、1710可以是如果组装到轮胎-车轮系统400中将至少部分地限定内腔430的轮胎420或车轮410的表面的一体形成部件。
[0035]在一些实施例中轮胎420或车轮可以包括一个或多个空气动力特征450。在一些实施例中轮胎420可以包括与环形内表面424、车轮轮辋表面413、侧壁内表面425或与第二轮胎侧壁428相对的侧壁内表面429接合的多个空气动力特征450。
[0036]现在参考图4和12-17，空气动力特征450可以采用各种形式中的任何一种。在图12-17中所示的非限制性实施例的每一个中，空气动力特征450、1250、1350、1450、1550、1650,1750 包括外壳 1210、1310、1410、1510、1610、1710，涡轮机元件 1220、1320、1420、1520,1620,1720,以及发电机元件 1230、1330。一般而言，外壳 1210、1310、1410、1510、1610、1710可以包括适合于将空气动力特征450、1250、1350、1450、1550、1650、1750的其它部件相对于彼此保持在大致固定位置的任何元件。一般而言，涡轮机元件1220、1320、1420、1520、1620、1720可以包括适合于从气流1160提取能量并且将它转换成轴功的任何元件。一般而言，发电机元件1230、1330可以包括适合于将轴功转换成电能的任何元件。在图12-17中所示的非限制性实施例的每一个中，空气动力特征450、1250、1350、1450、1550、1650,1750包括外壳1210、1310、1410、1510、1610、1710，所述外壳容纳涡轮机元件1220、1320、1420、1520、1620、1720 和发电机元件 1230、1330 ;涡轮机元件 1220、1320、1420、1520、1620、1720，所述涡轮机元件适合于从气流1160提取能量并且将它转换成轴功；发电机元件1230、1330，所述发电机元件与涡轮机元件1220、1320、1420、1520、1620、1720直接地或间接地接合以从其接收轴功并且将轴功转换成电能。在一些实施例中，空气动力特征可以包括用于将气流1160中的能量转换成电能的其它装置。
[0037]如图12中所示，空气动力特征1250可以包括:适合于接收气流1160的外壳1210 ；长形轴1215，所述长形轴以这样的方式与外壳1210可旋转地接合使得轴1215的伸长轴线1217大致平行于气流1160 ;包括轴流式翼型1222的涡轮机元件1220，所述轴流式翼型与轴1215接合并且适合于将轴功给予轴1215 ;旋转式发电机1230，所述旋转式发电机包括与外壳1230接合的定子1232和与轴1215接合从而相对于定子1232可移动的转子1234，转子适合于接收来自轴1215的轴功；以及电力输出1260，所述电力输出与旋转式发电机1230接合以接收由此生成的电能并且适合于分配电能。在替代实施例中，图12中所示的装置可以以这样的方式定位使得轴1215不大致平行于气流1160。
[0038]如图13中所示，空气动力特征1350可以包括:外壳，所述外壳包括适合于接收气流1160的第一外壳部件1312和与第一外壳部件1312接合的第二外壳部件1314。在图13所示的实施例中，第二外壳部件1314可以通过轮胎420或车轮410的平台、板、基座或表面(例如但不限于它们相互接合的环形内表面424)与第一外壳部件1312接合。长形轴1315，所述长形轴以这样的方式与外壳1310可旋转地接合使得轴1315的伸长轴线1317大致垂直于气流1160 ;包括交叉流动式翼型1322的涡轮机元件1320，所述交叉流动式翼型与轴1315接合并且适合于将轴功给予轴1315 ;旋转式发电机1330，所述旋转式发电机包括与外壳1310接合的定子1332和与轴1315接合从而相对于定子1332可移动的转子1334，转子适合于接收来自轴1315的轴功；以及电力输出1360，所述电力输出与旋转式发电机1330接合以接收由此生成的电能并且适合于分配电能。在替代实施例中，图13中所示的装置可以以这样的方式定位使得轴1315不大致垂直于气流1160。
[0039]现在参考图14-17，显示空气动力特征1450、1550、1650、1750的各实施例，所述空气动力特征包括:适合于接收气流1160的外壳1410、1510、1610、1710 ;与外壳1410、1510、1610、1710可旋转地接合的长形轴1415、1515、1615、1715 ;包括交叉流动式翼型1422、1522、1622、1722的涡轮机元件1420、1520、1620、1720，所述交叉流动式翼型与轴1415、1515、1615、1715接合并且适合于将轴功给予轴1415、1515、1615、1715 ;旋转式发电机1330，所述旋转式发电机包括与外壳1410、1510、1610、1710接合的定子1332和与轴1415、1515、1615、1715接合从而相对于定子1332可移动的转子1334，转子适合于接收来自轴1415、1515、1615、1715的轴功；以及电力输出1360，所述电力输出与旋转式发电机1330接合以接收由此生成的电能并且适合于分配电能。
[0040]现在参考图14，空气动力特征1450包括与外壳1410的入口 1412流体接合的第一管道1470 ;入口 1412与外壳1410的涡轮机封闭区域1413流体接合；涡轮机封闭区域1413与外壳1410的出口 1416流体接合。第一管道1470包括通过其中的第一通道1472。第一通道1472可以包括恒定横截面面积的管道、收缩喷嘴1474、扩张喷嘴、收缩-扩张喷嘴、滤网、过滤器或根据良好的工程判断进行选择的适合于改变气流1160的其它部件。一般而言，气流改变部件可以包括以下的任何一种:恒定横截面面积的管道、收缩喷嘴1474、扩张喷嘴、收缩-扩张喷嘴、滤网、过滤器或根据良好的工程判断进行选择的适合于改变气流1160的其它部件或它们的组合。一般而言，收缩喷嘴、扩张喷嘴或收缩-扩张喷嘴可以适合于改变气流1160的速度、气流1160的压力或气流1160的质量流量。一般而言，滤网或过滤器可以适合于防止灰尘或碎屑的通过。入口 1412是提供流体连通的端口以便气流1160从外壳1410的外部的环境1402进入外壳1410到达外壳1410的涡轮机封闭区域1413。入口 1412可以包括恒定横截面面积的管道1414、收缩喷嘴、扩张喷嘴、收缩-扩张喷嘴、滤网、过滤器或根据良好的工程判断进行选择的适合于改变气流1160的其它部件。外壳1410包括限定涡轮机封闭区域1413的翼型包围表面1411。翼型包围表面1411紧密地符合在操作期间当涡轮机旋转时由涡轮机1420的交叉流动式翼型1422扫掠的区域。翼型包围表面1411通过防止空气旁路通过涡轮机翼型或以另外方式流动通过涡轮机而不将相当大的能量给予它而提高效率。出口 1416是提供流体连通的端口以便气流1160从涡轮机封闭区域1413离开外壳1410到达外壳1410的外部的环境1402。出口 1416可以包括恒定横截面面积的管道1418、收缩喷嘴、扩张喷嘴、收缩-扩张喷嘴、滤网、过滤器或根据良好的工程判断进行选择的适合于改变气流1160的其它部件。在空气动力特征1450的操作期间，气流1160由第一管道1472引入并且通过通道1474到达入口 1412 ;通过管道1414到达涡轮机封闭区域1413并且越过或通过涡轮机1420的交叉流动式翼型1422将能量给予它；并且通过出口1416离开空气动力特征1450。如图14中所示，在一些实施例中，空气动力特征1450可以具有方向偏置使得它对第一方向上的气流1160很好地起作用，但是对与第一方向1160相反的方向上的气流不那么好地起作用或根本不起作用。
[0041]现在参考图15，空气动力特征1550包括外壳1510的入口 1512;入口 1512与外壳1510的涡轮机封闭区域1513流体接合；涡轮机封闭区域1513与外壳1510的出口 1516流体接合。空气动力特征1550可以适合于同样好地或大致同样好地对空气1160的方向上的气流或对气流1560的方向上的气流起作用。也就是说，空气动力特征1550可以同样好地或大致同样好地对进入入口 1512、流动越过或通过涡轮机1520并且离开出口 1516的的气流1160和对进入出口 1516、流动越过或通过涡轮机1520并且离开入口 1512的气流1560起作用。因此，应当理解术语入口 1512和出口 1516是非限制性的并且可以执行摄入或输出气流的功能。也就是说，并且如下文中将更全面地所述，入口 1512可以用于摄入气流1160或输出气流1560并且出口 1516可以用于摄入气流1560或输出气流1160。入口1512是提供环境1502和涡轮机封闭区域1513之间的流体连通的端口。入口 1512可以包括恒定横截面面积的管道1514、收缩喷嘴、扩张喷嘴、收缩-扩张喷嘴、滤网、过滤器或根据良好的工程判断进行选择的适合于改变气流1160或气流1560的其它部件。外壳1510包括限定涡轮机封闭区域1513的翼型包围表面1511。翼型包围表面1511紧密地符合在操作期间当涡轮机旋转时由涡轮机1520的交叉流动式翼型1522扫掠的区域。翼型包围表面1511通过防止空气旁路通过涡轮机翼型或以另外方式流动通过涡轮机而不将相当大的能量给予它而提高效率。出口 1516是提供涡轮机封闭区域1513和环境1502之间的流体连通的端口。出口 1516可以包括恒定横截面面积的管道1518、收缩喷嘴、扩张喷嘴、收缩-扩张喷嘴、滤网、过滤器或根据良好的工程判断进行选择的适合于改变气流1160或气流1560的其它部件。如上所述，在一些实施例中空气动力特征1550适合于双向地起作用使得它同样好地或大致同样好地对第一方向上的气流1160和对与第一方向1160相反的第二方向上的气流1560起作用。在图15中所示的双向功能实施例中，涡轮机1520适合于同样好地或大致同样好地对气流1160和对气流1560起作用。在第一方向上的空气动力特征1550的操作期间，气流1160被引导到入口 1512中；通过管道1514到达涡轮机封闭区域1513并且越过或通过涡轮机1520的交叉流动式翼型1522将能量给予它；并且通过出口 1516离开空气动力特征1550。在第二方向上的空气动力特征1550的操作期间，气流1560被引导到出口 1516中；通过管道1518到达涡轮机封闭区域1513并且越过或通过涡轮机1520的交叉流动式翼型1522将能量给予它；并且通过入口 1512离开空气动力特征1550。
[0042]现在参考图16，空气动力特征1650包括外壳1610的入口 1612;入口 1612与外壳1610的涡轮机封闭区域1613流体接合；涡轮机封闭区域1613与外壳1610的出口 1616流体接合。入口 1612是提供流体连通的端口以便气流1160从外壳1610的外部的环境1602进入外壳1610到达外壳1610的涡轮机封闭区域1613。入口 1612可以包括气流改变部件，例如但不限于恒定横截面面积的管道、收缩喷嘴1614、扩张喷嘴、收缩-扩张喷嘴、滤网、过滤器或根据良好的工程判断进行选择的适合于改变气流1160的其它部件。外壳1610包括限定涡轮机封闭区域1613的翼型包围表面1611。翼型包围表面1611紧密地符合在操作期间当涡轮机旋转时由涡轮机1620的交叉流动式翼型1622扫掠的区域。翼型包围表面1611通过防止空气旁路通过涡轮机翼型或以另外方式流动通过涡轮机而不将相当大的能量给予它而提高效能。出口 1616是提供流体连通的端口以便气流1160从涡轮机封闭区域1613离开外壳1610到达外壳1610的外部的环境1602。出口 1516可以包括气流改变部件，例如但不限于恒定横截面面积的管道1618、扩张喷嘴、收缩喷嘴、收缩-扩张喷嘴、滤网、过滤器或根据良好的工程判断进行选择的适合于改变气流1160的其它部件。在空气动力特征1650的操作期间，气流1160由入口 1612引入；通过管道1614到达涡轮机封闭区域1613并且越过或通过涡轮机1620的交叉流动式翼型1622将能量给予它；并且通过出口 1616离开空气动力特征1650。如图16中所示，在一些实施例中，空气动力特征1650可以具有方向偏置使得它对第一方向上的气流1160很好地起作用，但是对与第一方向1160相反的方向上的气流不那么好地起作用或根本不起作用。
[0043]现在参考图17，空气动力特征1750包括外壳1710的入口 1712;入口 1712与外壳1710的涡轮机封闭区域1713流体接合；涡轮机封闭区域1713与外壳1710的出口 1716流体接合。空气动力特征1750可以适合于同样好地或大致同样好地对空气1160的方向上的气流或对气流1760的方向上的气流起作用。也就是说，空气动力特征1750可以同样好地或大致同样好地对进入入口 1712、流动越过或通过涡轮机1720并且离开出口 1716的的气流1160和对进入出口 1716、流动越过或通过涡轮机1720并且离开入口 1712的气流1760起作用。因此，术语入口 1712和出口 1716是非限制性的并且可以执行摄入或输出气流的功能。也就是说，并且如下文中将更全面地所述，入口 1712可以用于摄入气流1160或输出气流1760并且出口 1716可以用于摄入气流1760或输出气流1160。入口 1712是提供环境1702和涡轮机封闭区域1713之间的流体连通的端口。入口 1712可以包括气流改变部件，例如但不限于恒定横截面面积的管道、收缩喷嘴1714a、扩张喷嘴1714b、收缩-扩张喷嘴、滤网、过滤器或根据良好的工程判断进行选择的适合于改变气流1160或气流1560的其它部件。应当理解收缩喷嘴是这样的喷嘴，其中喷嘴的横截面面积在流动的方向上减小，并且扩张喷嘴是这样的喷嘴，其中喷嘴的横截面面积在流动的方向上增加。记住收缩喷嘴和扩张喷嘴的这些定义，应当明白收缩喷嘴1714a和扩张喷嘴1714b可以是由通过其中的流动的方向区分的相同结构；当流过入口 1712的是气流1160时入口 1712中的通道可以被称为收缩喷嘴1714a，并且当流过入口 1712的是气流1760时入口 1712中的通道可以被称为扩张喷嘴1714b。外壳1710包括限定涡轮机封闭区域1713的翼型包围表面1711。翼型包围表面1611紧密地符合在操作期间当涡轮机旋转时由涡轮机1720的交叉流动式翼型1722扫掠的区域。翼型包围表面1711通过防止空气旁路通过涡轮机翼型或以另外方式流动通过涡轮机而不将相当大的能量给予它而提高效率。出口 1716是提供涡轮机封闭区域1713和环境1702之间的流体连通的端口。出口 1716可以包括气流改变部件，例如但不限于恒定横截面面积的管道、扩张喷嘴1718a、收缩喷嘴1718b、收缩-扩张喷嘴、滤网、过滤器或根据良好的工程判断进行选择的适合于改变气流1160或气流1760的其它部件。类似于上面关于收缩喷嘴1714a和扩张喷嘴1714b所述的情况，扩张喷嘴1714a和收缩喷嘴1718b可以是由通过其中的流动的方向区分的相同结构；当流过出口 1716的是气流1160时出口 1716中的通道可以被称为扩张喷嘴1718a，并且当流过出口 1716的是气流1760时出口 1716中的通道可以被称为收缩喷嘴1718b。如上所述，在一些实施例中空气动力特征1750适合于双向地起作用使得它同样好地或大致同样好地对第一方向1160上的气流和对与第一方向1160相反的第二方向1560上的气流起作用。在图17中所示的双向功能实施例中，涡轮机1720适合于同样好地或大致同样好地对气流1160和对气流1760起作用。在第一方向上的空气动力特征1750的操作期间，气流1160被引导到入口 1712中；通过收缩喷嘴1714a到达涡轮机封闭区域1713并且越过或通过涡轮机1720的交叉流动式翼型1722将能量给予它；并且通过出口 1716通过扩张喷嘴1718a离开空气动力特征1750。在第二方向上的空气动力特征1750的操作期间，气流1760被引导到出口 1716中；通过收缩喷嘴1718b到达涡轮机封闭区域1713并且越过或通过涡轮机1720的交叉流动式翼型1722将能量给予它；并且通过入口 1712通过扩张喷嘴1714b离开空气动力特征1750。
[0044]现在参考图18,显示空气动力特征1850的一个实施例。在图18中所示的实施例中，发电机1830通过传动装置1880与涡轮机元件1820接合。传动装置1880适合于将轴功从涡轮机元件1820传递到发电机1830。传动装置1880也可以适合于提供一定的机械效益、改变传递的轴功以增加速度、减小速度、改变旋转的方向、增加扭矩、减小扭矩或以另外方式改变传递的轴功的性质。传动装置1880采用各种实施例，包括但不限于包括齿轮系、行星齿轮装置、蜗杆传动、皮带和滑轮系统、链传动、机械连杆、另一机构或用于将轴功从涡轮机元件1820传递到发电机1830的其它装置的实施例。在图18中所示的非限制性实施例中，涡轮机元件1820通过由齿轮系1881具体化的传动装置1880接合到发电机1830。在图18中，涡轮机元件1820适合于从气流1160提取能量并且将它转换成通过轴1815传递的轴功。轴1815可选地接合或适合于将轴功输送到齿轮系1881的输入齿轮1882。输入齿轮1882与轴1815操作地接合以从其接收轴功，并且与输出齿轮1884操作地接合以向其传递轴功。一般而言，输入齿轮1882和输出齿轮1884之间的操作接合可以是直接接合或间接接合。在直接接合中，输入齿轮1882和输出齿轮1884彼此直接地啮合。在间接接合中，通过中间部件进行接合。在图18中所示的实施例中，输入齿轮1882和输出齿轮1884之间的接合是间接接合，其中通过惰齿轮1886进行接合。输出齿轮1884与轴1818操作地接合并且适合于从其输送轴功。发电机1830适合于接收来自轴1818的轴功并且将轴功转换成电能。
[0045]如上所述，涡轮机元件1220、1320、1420、1520、1620、1720可以包括轴流式翼型1222或交叉流动式翼型1322。在其它实施例中，涡轮机元件1220、1320、1420、1520、1620、1720可以包括用良好的工程判断进行选择的一个或多个其它类型的翼型，例如但不限于螺旋式翼型。
[0046]在某些实施例中，空气动力特征450可以包括涡轮机元件1220、1320、1420、1520、1620、1720和/或发电机元件1230、1330以外的部件。在某些实施例中，空气动力特征450可以包括压电空气动力特征。压电空气动力特征是包括压电部件的空气动力特征450，所述压电部件适合于从气流1160提取能量并且将它转换成电能。在某些实施例中，并且非限制地，压电空气动力特征可以与气流改变部件接合以从其接收气流。
[0047]压电空气动力特征可以如1981年6月4日提交的美国专利第4，387，318号中所述，上述专利通过引用完整地合并于本文中。压电空气动力特征可以包括如美国专利第4，387，318号中所公开的颤振叶片型压电流体发电机。压电空气动力特征可以包括如美国专利第4，387，318号中所公开的簧片型压电流体发电机。如美国专利第4，387，318号中所述，颤振叶片型压电流体发电机可以被调谐成最佳地响应特定气流速度。由于在轮胎-车轮系统400的内腔430内的特定位置处的气流速度可以基于操作条件被预测，因此空气动力特征450可以被调谐成最佳地响应安装空气动力特征450的位置中的预测气流速度。例如并且非限制地，空气动力特征450可以适合于放置在轮胎420的环形内表面424上并且空气动力特征450可以针对在某个额定负荷条件下的某些额定速度期间预测在远离轮迹的轮胎的环形内表面424处出现的气流速度进行调谐。此外，如下文中更全面地所述，压电空气动力特征可以与气流改变部件接合，所述气流改变部件适合于改变气流1160的性质或引导来自内腔430的一个或多个区域的空气从而产生具有特定性质的气流1160。
[0048]压电空气动力特征可以包括如2007年9月4日提交的美国专利第7，772，712号中所述的部件，上述专利通过引用完整地合并于本文中。在某些实施例中，压电空气动力特征可以包括如美国专利第7，772，712号中所述的具有弯曲部分的流体诱导能量转换器。在某些实施例中，压电空气动力特征可以包括适合于响应流体在其上的流动而经历气动弹性颤振的表面。
[0049]压电空气动力特征可以如2008年12月31日提交的美国专利第8，102，072号中所述，上述专利通过引用完整地合并于本文中。在某些实施例中，压电空气动力特征可以包括如美国专利第8，102，072号中所述的气动振动发电装置。
[0050]压电空气动力特征可以如2011年12月I日提交的美国专利申请第13/115,547号中所述，上述专利申请通过引用完整地合并于本文中。在某些实施例中，压电空气动力特征可以包括如美国专利申请第13/115，547号中所述的流体流能量捕捉装置。
[0051]一般而言，压电空气动力特征可以与气流改变部件接合，所述气流改变部件适合于改变气流1160的性质或引导来自内腔430的一个或多个区域的空气。如上所述，气流改变部件可以改变气流1160的性质或引导来自内腔430的一个或多个区域的空气。气流改变部件可以包括收缩喷嘴、扩张喷嘴、或收缩-扩张喷嘴、滤网、或过滤器。喷嘴可以适合于改变气流1160的速度、气流1160的压力、气流1160的质量流量或组合来自内腔430的一个或多个区域的空气。一般而言，压电空气动力特征可以与恒定横截面面积的管道、扩张喷嘴、收缩喷嘴、收缩-扩张喷嘴、滤网、过滤器或根据良好的工程判断进行选择的适合于改变气流1160的其它部件接合。与发电机1230、1330 —样，压电空气动力特征可以产生电能并且可以与接合压电空气动力特征的电力输出1260接合以接收由此产生的电能并且适合于分配电能。
[0052]如上所述，空气动力特征450可以将由此产生的电力输送到适合于分配电能的电力输出1260。电力输出1260可以将电能分配到适合于接收电能的任何数量的装置。电力输出1260可以将电能分配到电能调节装置(未显示)、整流器、逆变器、电池(未显示)、电容器或其它能量储存装置、轮胎压力监测系统(未显示)、主动噪声干涉装置(未显示)或使用电力的另一装置。也称为功率调节器、线路调节器或电力线调节器的电能调节装置可以是适合于调节电能的任何装置。非限制地，电能调节装置可以用于保持恒定的交流频率或保持恒定的电压。
[0053]现在参考图5-10，显示使用与计算图1-3中所示的计算流体动力学结果110中使用的相同的假设来描述作为包括径向位置的变量的函数的轮胎-车轮系统的内部的计算气流速度的一系列图形。图形5显示作为径向位置的函数的靠近的轮迹的气流速度。图形6显示在具有邻近轮胎冠部安装到环形轮胎内表面424的空气动力特征450的轮胎-车轮系统中作为径向位置的函数的相对于轮胎胎面的直平移的靠近轮迹的气流速度。图形7显示在具有安装到环形外表面、例如车轮轮辋表面413的空气动力特征450的轮胎-车轮系统中作为径向位置的函数的相对于车轮的刚性旋转的靠近轮迹的气流速度。图形8显示在轮胎-车轮系统中作为径向位置的函数的靠近轮胎的顶部的气流速度。如上所述，计算流体动力学结果110表明沿着内半径13的流动为大约715英寸每秒，而沿着外半径137的流动为大约1142英寸每秒。因此，图8中的结果表明在远离轮迹的区域中，空气速度略小于相邻质量。图形9显示在具有邻近轮胎冠部安装到环形内表面424的空气动力特征450的轮胎-车轮系统中作为径向位置的函数的相对于轮胎的刚性旋转的靠近轮胎冠部的气流速度。图形10显示在具有安装到环形外表面、例如车轮轮辋表面413的空气动力特征450的轮胎-车轮系统中作为径向位置的函数的相对于车轮的刚性旋转的靠近轮胎冠部的气流速度。
[0054]尽管上面已结合某些实施例描述了空气动力特征，但是应当理解可以使用其它实施例或者可以对所述实施例进行修改或增加以便执行空气动力特征的相同功能而不脱离本发明。此外，空气动力特征可以包括被公开、但是未相当详细地描述的实施例。此外，公开的所有实施例不必是替代选择，原因是各实施例可以组合以提供期望特性。本领域的普通技术人员可以进行变化而不脱离空气动力特征的精神和范围。所以，空气动力特征不应当被限制到任何单实施例，而是在广度和范围上根据附带的权利要求的叙述进行解释。
【权利要求】
1.一种装置，其包括: 空气动力特征，所述空气动力特征通过粘合剂、或通过机械紧固件、或通过模制操作、或通过与其成一体形成的部件与轮胎接合；或 空气动力特征，所述空气动力特征通过粘合剂、或通过机械紧固件、或通过模制操作、或通过与其成一体形成的部件与车轮接合。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述空气动力特征与气流改变部件接合，所述气流改变部件包括恒定横截面面积的管道、或收缩喷嘴、或扩张喷嘴、或收缩-扩张喷嘴、或滤网、或过滤器、或它们的某个组合。
3.根据权利要求2所述的装置，其包括与轮胎接合的空气动力特征，所述轮胎包括: 胎面表面； 第一侧壁表面； 与所述胎面表面相对的环形内表面；以及 与所述第一侧壁表面相对的第一侧壁内表面。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述轮胎是充气轮胎。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述空气动力特征与所述环形内表面或所述第一侧壁内表面接合。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述空气动力特征包括: 与所述轮胎接合的外壳，所述外壳包括， 入口，所述入口与所述气流改变部件接合并且适合于从其接收气流， 用于所述气流的出口，以及 翼型包围表面； 与所述外壳接合的涡轮机， 所述涡轮机包括 轴流式翼型， 交叉流动式翼型，或 螺旋式翼型， 所述涡轮机适合于从所述气流提取能量并且将所述能量转换成轴功； 与所述涡轮机接合以从其接收轴功的传动装置，所述传动装置包括， 齿轮系， 行星齿轮装置， 蜗杆传动， 皮带和滑轮系统， 链传动，或 机械连杆； 与所述传动装置接合的发电机， 所述发电机适合于从所述传动装置接收轴功并且将所述轴功转换成电能。
7.根据权利要求5所述的装置，其中所述空气动力特征包括压电空气动力特征。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述空气动力特征包括: 颤振叶片型压电流体发电机；或 簧片型压电流体发电机；或 具有弯曲部分的流体诱导能量转换器；或 气动振动发电装置；或 流体流能量捕捉装置。
9.一种轮胎-车轮系统，其包括: 车轮； 安装到所述车轮的轮胎；以及 空气动力特征。
10.根据权利要求9所述的轮胎-车轮系统，其中 所述轮胎包括: 胎面表面， 第一侧壁表面， 与所述胎面表面相对的环形内表面，以及 与所述第一侧壁表面相对的第一侧壁内表面；并且 所述车轮包括车轮轮辋表面。
11.根据权利要求10所述的轮胎-车轮系统， 其包括由一组表面限定的内腔，所述一组表面包括: 所述环形内表面； 所述第一侧壁内表面；以及 所述车轮轮辋表面； 其中所述空气动力特征通过粘合剂、或通过机械紧固件、或通过模制操作、或通过与其成一体形成的部件与所述一组表面接合。
12.根据权利要求11所述的轮胎-车轮系统，其中所述空气动力特征与气流改变部件接合，所述气流改变部件包括恒定横截面面积的管道、或收缩喷嘴、或扩张喷嘴、或收缩-扩张喷嘴、或滤网、或过滤器、或它们的某个组合。
13.根据权利要求12所述的轮胎-车轮系统，其中所述空气动力特征包括: 与所述一组表面接合的外壳，所述外壳包括， 入口，所述入口与所述气流改变部件接合并且适合于从其接收气流， 用于所述气流的出口，以及 翼型包围表面； 与所述外壳接合的涡轮机， 所述涡轮机包括 轴流式翼型， 交叉流动式翼型，或 螺旋式翼型， 所述涡轮机适合于从所述气流提取能量并且将所述能量转换成轴功； 与所述涡轮机接合以从其接收轴功的传动装置，所述传动装置包括， 齿轮系， 行星齿轮装置， 蜗杆传动， 皮带和滑轮系统， 链传动，或 机械连杆； 与所述传动装置接合的发电机， 所述发电机适合于从所述传动装置接收轴功并且将所述轴功转换成电能。
14.根据权利要求12所述的轮胎-车轮系统，其中所述空气动力特征包括压电空气动力特征。
15.一种充气轮胎，其包括: 胎面表面； 第一侧壁表面； 与所述胎面表面相对的环形内表面； 与所述第一侧壁表面相对的第一侧壁内表面；以及 空气动力特征，所述空气动力特征 通过粘合剂、或通过机械紧固件、或通过模制操作、或通过与其成一体形成的部件与所述环形内表面或所述第一侧壁内表面接合， 与气流改变部件接合，所述气流改变部件包括恒定横截面面积的管道、或收缩喷嘴、或扩张喷嘴、或收缩-扩张喷嘴、或滤网、或过滤器、或它们的某个组合， 并且 所述空气动力特征包括 a)涡轮机和发电机，或 b)压电空气动力特征。
【文档编号】B60C23/04GK104321210SQ201380026988
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2013年3月20日 优先权日:2012年3月27日
【发明者】B·D·斯廷维克, S·M·福斯伯格, S·J·普雷萨蒂 申请人:普利司通美国轮胎运营有限责任公司