26645

جذب ارتعاشات تاير به منظور برداشت انرژي براي كاربرد در سنسور TPMS

كارشناسي ارشد

مهندسي خودرو

1398-1400

1400/12/15

سلمان ابراهيمي نژاد

مرتضي ملاجعفري

مهندسي خودرو

در اين پژوهش، يك مدل برداشت¬كننده انرژي تير يكسرگيردار پيزوالكتريك با دو سطح مقطع نمايي در عرض و ضخامت به همراه وزنه موجود در نوك آن، تحت تحريك دوراني تاير براي تامين انرژي مورد نياز سيستم نظارت¬بر فشار باد تاير يا TPMS پيشنهاد شده است. پژوهش¬هاي كمي وجود دارد كه هر دو ضخامت و عرض تير را متغير در نظر گرفته و هيچ تحقيق نظري بر روي اين مدل، تحت تحريك دوراني تاير انجام نشده است. با توجه به بررسي¬ها، اين سنسور در حدود 20 ميكرووات، توان نياز دارد. به دليل اهميت بالاي تنظيم فشار باد تاير، نصب سنسور TPMS بر روي خودروها در چند سال اخير به قانون تبديل شده و به دليل مشكلات مربوط به استفاده از باتري براي تامين انرژي مورد نياز آن، روش برداشت انرژي از تاير براي تغذيه سنسورهاي موجود در آن، به يك موضوع داغ تبديل شده است. نتايج تحقيق¬ها نشان مي¬دهد كه دستگاه برداشت¬كننده انرژي پيزوالكتريك براي تأمين انرژي TPMS نسبت به سازوكارهاي ديگر همچون الكترومغناطيسي و الكترواستاتيك مناسب¬تر است. همچنين نتايج پژوهش¬ها نشان مي¬دهد كه مدل تير يكسرگيردار پيزوالكتريك به دليل سادگي در ساخت و برداشت انرژي مطلوب به دليل كرنش نسبتاً زياد و مناسب¬بودن براي محيط با فركانس پايين، براي محيط تاير مطلوب است و در نظر گرفتن سطح مقطع متغير براي تير باعث افزايش چگالي توان برداشت انرژي مي¬گردد. بعد از مدل¬سازي مدل برداشت¬كننده انرژي و يافتن رابطه¬هاي مكانيكي از روش اويلر-لاگرانژ و اتصال آن به رابطه¬هاي الكتريكي؛ براي بهبود نتايج، از بهينه¬سازي¬هاي تك هدفه PSO با هدف افزايش توان الكتريكي و چند هدفه MOPSO و NSGAII با اهداف افزايش توان الكتريكي و كاهش وزن استفاده شده است. بر اين اساس، بهترين ابعاد هندسي مدل براي دست¬يابي به توان بيشتر و وزن كمتر با حل معادله¬هاي الكترومكانيكي و مقايسه با نتايج قبل يافت مي¬شود. بهينه¬سازي انجام¬شده توانسته بهبود 49/77 و 86/74 درصدي را به ترتيب در توان خروجي از مدل و وزن آن در مقايسه با داده¬هاي مشابه شكل هندسي پژوهش وانگ و همكاران كه اين پايان¬نامه براساس آن صحه¬گذاري شده است، داشته باشد. نتايج بررسي¬ها نشان مي¬دهد كه مدل برداشت¬كننده انرژي پيشنهادي¬ با استفاده از داده¬هاي بهينه براي شكل هندسي خود و استفاده از پيزوالكتريك مناسب، مي¬تواند توان متوسط 75/39 ميكرووات را با وجود وزن پايين خود با مقدار 0087/0 نيوتون، برداشت كند.

1401/03/17

Absorption of tire vibrations in order to energy harvesting for application in TPMS sensor

3/6/2023 12:00:00 AM

In this study, a piezoelectric cantilever beam energy harvester model with two exponential cross-sections in width and thickness with a weighted block at the tip is proposed under the tire rotational excitation to meet the energy required by the tire pressure monitoring system or TPMS. A few studies have considered both beam thickness and width variable, and without theoretical research has been done on this model under tire rotational excitation. According to the reviews, this sensor needs the power of about 20 μw. Due to the high importance of adjusting tire wind pressure, applying TPMS sensors on vehicles has become the obligatory rule in recent years. Due to problems with using the battery to supply the required energy, the method of energy harvesting from the tire to power the sensors has become a hot topic. The results show that the piezoelectric energy harvester device is more proper for TPMS power supply than other mechanisms such as electromagnetic and electrostatic. Also, the results show that the piezoelectric cantilever beam model is desirable for the tire environment due to its simplicity in fabrication and optimal energy harvest due to its relatively high strain and suitability for low-frequency environments. The variable cross-section for the beam increases the density of energy harvesting power. After modeling the energy harvester model and finding the mechanical relationships from the Euler-Lagrange method and coupling it to the electrical equation, to improve the results, single-objective optimizations of PSO aimed at increasing electrical power and multi-objective MOPSO and NSGAII to increase power electric and weight loss has been used. Indeed, the best geometric dimensions of the model to acquire more power and less weight are found by solving electromechanical equations and comparing them with previous results. Moreover, to better distinguish the problem, the adjustment of parameters of the optimization algorithms and sensitivity analysis has been made The present optimized problem could improve the output power and the model weight by 77.49% and 74.86%, respectively, compared to data from Wang et. al. that was used for the present model validation. The results indicate that the proposed energy harvesting model, using the optimal data for its geometric shape and the appropriate piezoelectric, can harvest an average power of 39.75 μw despite its low weight of 0.0087 N.

برداشت انرژي از تاير , TPMS , بهينه¬سازي چند هدفه , جذب ارتعاشات دوراني تاير , تير يكسرگيردار پيزوالكتريك , فركانس رزونانس خودتنظيم

Energy harvesting from the tire , TPMS , Multi-objective optimization , Vibrations absorption of tire rotation , Piezoelectric cantilever beam , Resonant frequency self-tunable

Mojtaba Momen

Salman Ebrahimi-Nejad