阅读说明：本技术 柔性摩擦纳米发电机、轮胎的垂向力感应装置及估算方法 (Flexible friction nano generator, vertical force sensing device of tire and estimation method ) 是由 徐婷 张不扬 于 2020-04-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及纳米新能源技术领域,尤其涉及一种柔性摩擦纳米发电机、轮胎的垂向力感应装置及估算方法。本发明的柔性摩擦纳米发电机包括柔性封装腔、分别固定设置在柔性封装腔两相对内壁上电性连接的两导电层,以及分别固定设置在两导电层上的两摩擦层以及固定安装在两摩擦层之间边角处的绝缘支撑层；当以上结构在两导电层的相对方向上受压时,两摩擦层的中间区域能够接触,当所受压力减小时两摩擦层脱离接触,过程中产生交流电；以上结构简单、耐潮、稳定性和柔性优良。本发明的轮胎的垂向力感应装置能够感应轮胎所受的垂向力,本发明的轮胎的垂向力估算系统及估算方法,能够估算得到轮胎所受垂向力的大小。(The invention relates to the technical field of nano new energy, in particular to a vertical force sensing device of a flexible friction nano generator and a tire and an estimation method. The flexible friction nano generator comprises a flexible packaging cavity, two conductive layers which are respectively and fixedly arranged on two inner walls of the flexible packaging cavity and are electrically connected, two friction layers which are respectively and fixedly arranged on the two conductive layers and an insulating support layer which is fixedly arranged at the corner between the two friction layers; when the structure is pressed in the opposite direction of the two conductive layers, the middle areas of the two friction layers can be contacted, and when the pressure is reduced, the two friction layers are separated from contact, so that alternating current is generated in the process; the structure is simple, and the moisture resistance, the stability and the flexibility are excellent. The vertical force sensing device of the tire can sense the vertical force applied to the tire, and the vertical force estimation system and the vertical force estimation method of the tire can estimate and obtain the magnitude of the vertical force applied to the tire.)

柔性摩擦纳米发电机、轮胎的垂向力感应装置及估算方法

技术领域

本发明属于纳米新能源技术领域，特别地，涉及一种柔性摩擦纳米发电机、轮胎的垂向力感应装置及估算方法。

背景技术

摩擦纳米发电机的发电原理是，当两种不同材料在机械力的作用下相接触时，它们的表面由于接触起电作用会产生正负静电荷；而当这两种材料分离时，接触起电产生的正负电荷随之发生分离，进而在两种材料的电极间产生感应电势差并感生出电子；如果两种材料的电极之间接入负载或者处于短路状态，以上感应电势差就会驱动感生的电子通过外电路在两个电极之间流动进而形成交流电。

现有的摩擦纳米发电机，为保证其能够源源不断地发电，常处于机械力的持续作用下，本身结构的稳定性和可靠性差，并且会严重影响其安装位置在受力时的力学性能；同时，摩擦纳米发电机中的摩擦材料或者电极，长期呈裸露受潮状态，对摩擦纳米发电机的电输出性能和能量转化效率均有不利影响。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种柔性摩擦纳米发电机，该柔性摩擦纳米发电机的结构简单，稳定性和柔性良好，耐潮可靠。

本发明还提出了一种轮胎的垂向力感应装置，用于通过其包括的本发明的柔性摩擦纳米发电机对轮胎所受的垂向力大小进行感应。

本发明又提出了一种轮胎的垂向力估算系统，用于估算轮胎所受垂向力的大小。

同时，本发明还提出了一种轮胎的垂向力估算方法，能够估算出轮胎所受垂向力的大小。

本发明的柔性摩擦纳米发电机，包括：柔性封装腔以及设置在所述柔性封装腔腔体内部的第一导电层、第二导电层、绝缘支撑层、第一摩擦层以及与所述第一摩擦层材质不同的第二摩擦层；

所述第一导电层和与其电性连接的所述第二导电层分别固定设置在所述柔性封装腔的一组相对内壁上，所述第一导电层面向所述第二导电层的一面固定设置有所述第一摩擦层，所述第二导电层面向所述第一导电层的一面固定设置有所述第二摩擦层；所述绝缘支撑层固定安装在所述第一摩擦层与所述第二摩擦层之间且分布在边角处；

在所述第一导电层、所述第二导电层的相对方向上，所述柔性封装腔受压变形时，所述第一摩擦层的中间区域和所述第二摩擦层的中间区域能够相互靠近并接触；所述柔性封装腔所受压力减小时，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层的接触区域能够脱离接触并相互远离。

可选地，所述绝缘支撑层包括弹簧和/或弹性聚合物。

可选地，所述第一导电层包括第一柔性基底层和第一电极层，所述第一柔性基底层固定安装在所述柔性封装腔的内壁上，所述第一电极层固定安装在所述第一柔性基底层靠近所述第一摩擦层的面上；

和/或，所述第二导电层包括第二柔性基底层和第二电极层，所述第二柔性基底层固定安装在所述柔性封装腔的内壁上，所述第二电极层固定安装在所述第二柔性基底层靠近所述第二摩擦层的面上。

可选地，所述第一柔性基底层和/或所述第二柔性基底层与所述柔性封装腔为材质相同的一体绝缘结构。

可选地，所述第一摩擦层与所述第一电极层为相同材质的一体导电结构或者所述第二摩擦层与所述第二电极层为相同材质的一体导电结构。

可选地，所述第一导电层和/或所述第二导电层包括柔性基底和与所述柔性基底混合形成柔性导电膜层的的导电介质。

一种轮胎的垂向力感应装置，用于感应轮胎所受的垂向力大小，包括：设置在所述轮胎内部的能量模块、感应模块以及信号输出模块，所述信号输出模块分别与所述能量模块、所述感应模块电性连接；

所述感应模块包括至少一个上述任一项所述的柔性摩擦纳米发电机，所述柔性摩擦纳米发电机作为感应单元时固定安装在所述轮胎的胎面内表面的周向中心线上；所述感应单元经过所述轮胎的接地印迹区域时受压产生交流电，所述交流电的电信号特征与所述轮胎所受垂向力大小存在特定关联；

所述信号输出模块能够在所述能量模块的供能下将从所述感应模块处获得的电信号特征进行输出。

可选地，所述能量模块包括至少一个上述任一项所述的柔性摩擦纳米发电机，所述柔性摩擦纳米发电机作为发电单元时固定安装在所述轮胎的胎面内表面和/或胎侧内表面上；所述发电单元经过接地印迹区域时受压产生交流电并能够将所述交流电供给至所述信号输出模块；

所述轮胎的垂向力感应装置还包括能量管理模块，所述能量模块、所述能量管理模块以及所述信号输出模块依次串联，所述能量管理模块能够将所述能量模块产生的交流电转化为直流电供给至所述信号输出模块。

可选地，固定安装在所述胎面内表面的若干所述柔性摩擦纳米发电机在所述胎面内表面的周向中心线上等间隔分布；

和/或，固定安装在所述胎侧内表面的若干所述柔性摩擦纳米发电机对称分布在所述胎面内表面两侧的所述胎侧内表面上，且位于同侧的所述柔性摩擦纳米发电机等间隔地分布在与所述周向中心线平行的所述胎侧内表面的周向环线上。

一种轮胎的垂向力估算系统，用于估算轮胎所受垂向力大小，上述任一项所述的轮胎的垂向力感应装置，还包括设置在车内与汽车的车载电源电性连接的估算模块，所述估算模块与所述信号输出模块信号连接，能够利用所述信号输出模块发送的电信号特征估算轮胎所受垂向力大小。

可选地，所述轮胎的垂向力估算系统还包括车载电控系统，所述估算模块估算得到的轮胎所受垂向力大小超出设定范围时，所述车载电控系统能够对汽车的运行状态进行调整。

一种轮胎的垂向力估算方法，用于估算轮胎所受的垂向力大小：

通过仿真或者试验手段构建上述任一项所述的柔性摩擦纳米发电机作为感应单元时其电信号特征与轮胎所受的垂向力之间存在特定关联；

汽车行驶的实际工况下，测得所述感应单元的电信号特征，根据其与轮胎所受的垂向力之间的特定关联计算轮胎所受的垂向力大小。

可选地，通过轮胎有限元仿真或者轮胎室内台架试验，测得不同胎压下所述感应单元的开路电压峰值数据与对应时刻轮胎所受的垂向力数据；

构建不同胎压下的开路电压峰值数据与垂向力数据的第一关系模型；

汽车行驶的实际工况下，测得胎压和所述感应单元的开路电压峰值，根据所述第一关系模型计算得到轮胎所受的垂向力大小。

可选地，通过轮胎有限元仿真或者轮胎室内台架试验，

测得不同胎压下所述感应单元从接地到离地的开路电压周期T₁以及所述感应单元相邻两次接地的开路电压周期T₂，或者，测得不同胎压下所述感应单元从接地到离地的短路电流周期T₁以及所述感应单元相邻两次接地的短路电流周期T₂；

根据a＝2k·Rsin(πT₁/T₂)，其中k为试验或经验所得比例系数，R为轮胎半径，计算得到接地印迹长度a；

再根据其中P为胎压，a为计算所得接地印迹长度，a₁、a₂、a₃为试验可得辨识参数，计算得到轮胎所受的垂向力F_z。

本发明的有益效果是：

本发明的柔性摩擦纳米发电机，包括柔性封装腔、分别固定设置在柔性封装腔中两相对内壁上相互电性连接的第一导电层和第二导电层、分别固定设置在所述第一导电层和所述第二导电层上的第一摩擦层和第二摩擦层，以及固定安装在两摩擦层之间的且分布在边角处的绝缘支撑层；当以上结构在两导电层的相对方向上受压时两摩擦层的中间区域能够相互靠近并接触产生正负静电荷，当所受压力减小时两摩擦层的接触区域能够脱离接触并远离，电子在两导电层间流动形成交流电。本发明的柔性摩擦纳米发电机的结构简单耐潮、稳定性和柔性优良。

附图说明

为了更清楚地说明本发明

具体实施方式

或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1是本发明的柔性摩擦纳米发电机的一个实施例的剖视图；

图2是本发明的柔性摩擦纳米发电机的第二个实施例的剖视图；

图3是本发明的柔性摩擦纳米发电机的第三个实施例的剖视图；

图4是本发明的柔性摩擦纳米发电机的第四个实施例的剖视图；

图5是本发明的轮胎的垂向力感应装置的一个实施例的结构示意图；

图6是本发明的柔性摩擦纳米发电机作为感应单元固定安装在胎面内表面的一个实施例的结构示意图；

图7是本发明的柔性摩擦纳米发电机作为发电单元固定安装在胎侧内表面的一个实施例的结构示意图；

图8是本发明的轮胎的垂向力估算系统的一个实施例的结构示意图，图中同时示出了汽车的车载电源。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“长度”“内”“外”“轴向”“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提出了一种柔性摩擦纳米发电机，其第一个实施例，如图1所示，包括：

柔性封装腔1，第一导电层2，第二导电层3，第一摩擦层4，第二摩擦层5以及绝缘支撑层6，第一摩擦层4和第二摩擦层5的材质不同。

本发明的柔性摩擦纳米发电机的第一个实施例如图1所示，柔性封装腔1的一组相对内壁上，分别固定设置有第一导电层2、第二导电层3，在第一导电层2面向第二导电层3的一面固定设置有第一摩擦层4，在第二导电层3面向第一导电层2的一面固定设置有第二摩擦层5；设置第一导电层2与第二导电层3电性连接，绝缘支撑层6固定安装在第一摩擦层4和第二摩擦层5之间且分布在两摩擦层的边角处，确保两摩擦层之间存在间隔距离。

以上结构在第一导电层2、第二导电层3相对的方向上受压变形时，第一摩擦层4的中间区域和第二摩擦层5的中间区域之间不存在绝缘支撑层6，故能够相互靠近至接触，此时两摩擦层由于接触时挤压摩擦会产生正负静电荷；而当以上结构所受压力减小时，第一摩擦层4和第二摩擦层5能够脱离接触并相互远离，此时两导电层之间产生感应电势差，以上感应电势差会驱动电子通过第一导电层2、第二导电层3之间的电性连接电路流动形成交流电。

本发明的柔性摩擦纳米发电机的结构简单，其柔性封装腔能够缓冲所受压力，保护内部的导电层和摩擦层，并且为内部的以上结构提供一个相对清洁、干燥的封闭环境，提高了本发明的柔性摩擦纳米发电机整体结构的稳定性、可靠性，延长了其服役寿命，并且电输出性能和能量转化效率得到优化。同时，本发明的柔性摩擦纳米发电机的柔性优良，不会过分影响其安装位置在受力时的力学性能。

本实施例中，进一步地，可以设置第一摩擦层4的材质和第二摩擦层5的材质不但不同，在摩擦带电序列中还不相邻，并且在摩擦带电序列中的排序尽可能地远，如此，第一摩擦层4和第二摩擦层5在相互接触时能够产生更多的电荷，更有利于本发明的柔性摩擦纳米发电机发电。更进一步地，设置第一摩擦层4和第二摩擦层5为柔性膜层(即厚度较小的柔性材料)，能够提高结构的柔性。

此处，第一摩擦层4的材质可以是聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚偏二氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、碳纳米管、弹性硅胶、环氧树脂、溴化丁基橡胶以及尼龙材料中的一种，第二摩擦层5也可以是以上材料中的一种，只要与第一摩擦层4的材质不同即可。

本实施例中，进一步地，可以设置柔性封装腔1选用绝缘材料，包括橡胶、硅胶、弹性树脂以及聚酰亚胺中的至少一种，以满足柔性封装腔的柔性需求。

本实施例中，进一步地，设置绝缘支撑层6包括弹簧和/或弹性聚合物，此时，绝缘支撑层6不仅能够确保在初始的自然状态下，两摩擦层之间始终保持一定间隔，还能够在柔性封装腔1所受压力减小时，为两摩擦层提供恢复力使其快速恢复至初始位置。

本发明的第二个实施例，是在第一个实施例的结构的基础上，设置第一导电层2包括第一柔性基底层201和第一电极层202；其中，第一柔性基底层201固定安装在柔性封装腔1的内壁上，第一电极层202固定安装在第一柔性基底层201靠近第一摩擦层4的面上；

或者，

设置第二导电层3包括第二柔性基底层301和第二电极层302；其中，第二柔性基底层301固定安装在柔性封装腔1的内壁上，第二电极层302固定安装在第二柔性基底层301靠近第二摩擦层5的面上；

再或者，

如图2所示，第一导电层2包括第一柔性基底层201和第一电极层202的同时，第二导电层3包括第二柔性基底层301和第二电极层302。

以上结构中，因第一柔性基底层201和第二柔性基底层301的设置，使第一导电层2和第二导电层3具有柔性，提高了本发明的柔性摩擦纳米发电机整体结构的柔性；并且，第一柔性基底层201和第二柔性基底层301的柔性，只要能够大于本发明的柔性摩擦纳米发电机的安装位置处的柔性，即可实现本发明的柔性摩擦纳米发电机的安装不会过分影响其安装位置处在受力时的力学性能。

本发明的第三个实施例，是在第二个实施例的结构的基础上：

设置第一柔性基底层201和柔性封装腔1为材质相同的一体绝缘结构；或者，设置第二柔性基底层301与柔性封装腔1为材质相同的一体绝缘结构；再或者，如图3所示，第一柔性基底层、第二柔性基底层以及柔性封装腔三者为材质相同的一体绝缘结构。

此处，也可以理解为，当选用的第一柔性基底层201、第二柔性基底层301的材质同时适合做柔性封装腔1的材质时，柔性封装腔1的内壁可以在围合形成封闭腔体的同时，充当第一电极层202、第二电极层302的基底，以简化结构；而当第一柔性基底层201、第二柔性基底层301的选材不适合做柔性封装腔1的材质时，则以上柔性基底层与柔性封装腔1需要各自独立设置。

本发明的第四个实施例，是在本发明的第二个、第三个实施例的结构的基础上：

设置第一摩擦层4与第一电极层202为材质相同的一体导电结构，或者，设置第二摩擦层5与第二电极层302为材质相同的一体导电结构。

如图4所示，是在本发明的图3所示的实施例的结构的基础上，设置第二摩擦层5与第二电极层302为材质相同的一体导电结构7，在能够保证本发明的柔性摩擦纳米发电机在能够正常发电的前提下，简化其结构。

本发明中对于第一导电层2和第二导电层3的结构，还可以采用以下设计：

第一导电层2和/或第二导电层3包括柔性基底和与所述柔性基底混合形成柔性导电膜层的导电介质。例如，此处的柔性基底可以选用柔性良好的硅胶基底，甚至是经过硫化处理的硅胶基底，此处的导电介质可以选用镀银玻璃粉，或者是碳纳米管和炭黑。当然，此处对柔性基底以及导电介质的选材不做具体限制，只要二者能够混合形成柔性导电膜层即可。此时，第一导电层2和第二导电层3的结构的柔性得到提升，且柔性基底与导电介质的混合的组成方式提高了结构的一体性，使其更加稳定可靠。

在以上任意一种实施例的结构的基础上，可以设置：

第一摩擦层4面向第二摩擦层5的一面和/或第二摩擦层5面向第一摩擦层4的一面设置有微纳结构。通过在以上摩擦层的表面设置微纳结构能够提高摩擦层表面的结构周期密度以及能够产生的电荷密度，此处的微纳结构，可以是图案化微纳结构，和/或纳米复合结构，和/或高密度栅格结构。

本发明还提出了一种轮胎的垂向力感应装置，如图5、图6所示，包括：

设置在轮胎内部的能量模块8、感应模块9以及信号输出模块10，其中，信号输出模块10分别与能量模块8和感应模块9电性连接。

将本发明的轮胎的垂向力感应装置所在的轮胎记为A，则，

感应模块9包括至少一个本发明的柔性摩擦纳米发电机，该柔性摩擦纳米发电机作为感应单元B时，固定安装在轮胎A的胎面内表面的周向中心线上；感应单元B经过轮胎A的接地印迹区域时受压产生交流电，且交流电的电信号特征与轮胎A所受垂向力存在特定关联；

此时，信号输出模块10能够在能量模块8的供能下将从感应单元B处获得的电信号特征进行输出。

进一步地，信号输出模块10包括电性连接的RF射频发射器101和MCU微控制单元102。RF射频发射器101能够将从感应模块9处收到的电信号调制以高频滤波的形式向外发送；MCU微控制单元102能够实现信号输出模块10从接收数据到发射信号的深入控制。

以上结构中，感应单元B产生交流电的电信号特征与轮胎A所受垂向力存在特定关联的原理在于：轮胎A在滚动时会周期性的接地，而安装在轮胎A胎面内表面的周向中心线上的感应单元B也随之周期性的经过轮胎A的接地印迹区域；在感应单元B未进入接地印迹区域时，两个摩擦层初始处于相互分离的状态，而当感应单元B进入接地印迹区域时，接地印迹区域内的胎面内表面在垂向力的作用下产生垂向变形，进而使接地印迹区域内的感应单元B受压变形，其两摩擦层在相互靠近至接触，而后感应单元B离开接地印迹区域，两摩擦层相互远离，基于摩擦起电和静电感应感应单元B产生交流电，当感应单元B的结构和材料确定时，交流电的开路电压与胎面内表面的垂向变形存在特定关联，也就是与造成胎面内表面垂向变形的垂向力大小存在特定关联。另外，感应单元B交流电的开路电压的周期和短路电流的周期与接地印迹长度存在特定关联，也就是与造成接地印迹长度变化的垂向力存在特定关联。

也正是基于以上原理，使得以上轮胎的垂向力感应装置能够对轮胎所受的垂向力进行感应。

此处，相当于感应单元B在监测胎面内表面的周期性形变，而胎面内表面的周期性形变具有低频高幅的特点，因此，需要优化设计感应单元B中绝缘支撑层6的强度，例如当需要构建交流电其开路电压与垂向力之间的关系时，需要使得感应单元B的开路电压峰值随垂向力的增大基本呈线性增大而不会出现饱和，保证感应单元B在间接感应垂向力时的灵敏度和量程，另外，需要对感应单元B进行参数设计，以避免感应单元B的固有频率在胎面内表面的变形频率范围内进而发生共振，造成感应单元B的量程减小。

本发明的轮胎的垂向力感应装置的第二个实施例，是在第一个实施例的结构的基础上，设置能量模块8包括至少一个上述任一实施例所述的本发明的柔性摩擦纳米发电机，如图7所示，此处的柔性摩擦纳米发电机作为发电单元C时，固定安装在轮胎A的胎面内表面和/或胎侧内表面上；发电单元C经过轮胎A的接地印迹区域时受压产生交流电并将该交流电供给至信号输出模块10。

也就是说，本发明的轮胎的垂向力感应装置，能够在不额外接入其他电源的情况下实现无源工作。

此处发电单元C产生交流电的过程为：

轮胎A在滚动时存在接地印迹；

当安装在轮胎A的胎面内表面和/或胎侧内表面的发电单元C未进入接地印迹区域时，发电单元C内部的两摩擦层处于存在间隔距离的状态；

而当安装在轮胎A的胎面内表面和/或胎侧内表面的发电单元C逐渐进入接地印迹区域时，发电单元C受压，其内部的两摩擦层逐渐靠近至接触状态，二者之间接触起电；

当安装在轮胎A的胎面内表面和/或胎侧内表面的发电单元C逐渐离开接地印迹区域时，发电单元C所受压力减小，其内部的两摩擦层逐渐远离至脱离接触，此时发电单元C内部的两导电层之间产生静电感应进而形成感应电流；

因安装在轮胎A的胎面内表面和/或胎侧内表面的发电单元C在轮胎A滚动时会周期性地经过接地印迹区域，所以会周期性地产生感应电流进而形成交流电。

以上实施例中，选用的发电单元C的尺寸以不影响轮胎的力学性能为准，其安装位置以不影响轮胎的质量平衡和动平衡为佳，且选用的发电单元C的数量、若干个发电单元C的电性连接关系(串联和/或串并联)、每个发电单元C中摩擦层的面积、两摩擦层之间的间隔需要综合设计，以使整个能量模块8能够满足感应模块9所需的电功率为必须。

同时，本实施例中还包括能量管理模块11，能量模块8、能量管理模块11以及信号输出模块10依次串联，能量管理模块11能够将能量模块8产生的交流电转化为直流电供给至信号输出模块10。

进一步地，如图5所示，能量管理模块11包括电性连接的开关111、变压器112、整流桥113以及电容114。其中，开关111能够解决电能的阻抗失配问题，提高电能的转移效率；变压器112能够增大输出电流，提高电容114的充电速度；经过变压器112输出的交流电经整流桥113转化为直流电后，存储到电容114中，为后续的信号输出模块10供电。

本发明的轮胎的垂向力感应装置的第三个实施例，是在第二个实施例结构的基础上：

设定固定安装在胎面内表面的若干柔性摩擦纳米发电机(包括感应单元B，还可以包括发电单元C)在胎面内表面的周向中心线上等间隔分布；和/或，固定安装在胎侧内表面的若干柔性摩擦纳米发电机(发电单元C)对称分布在胎面内表面两侧的胎侧内表面上，且位于同侧的柔性摩擦纳米发电机等间隔地分布在与胎面内表面的周向中心线平行的胎侧内表面的周向环线上。

以上柔性摩擦纳米发电机的分布方案，能够尽可能保证轮胎A的质量平衡，进而保证其在转动时的动平衡。

本发明还公开了一种轮胎的垂向力估算系统，用于估算轮胎A所受的垂向力，如图8所示，包括上述任一实施例所述的本发明的轮胎的感应装置，还包括与本发明的轮胎的感应装置中的信号输出模块10信号连接的估算模块12，估算模块12设置在车内与汽车的车载电源D电性连接，能够在车载电源D的供能下利用信号输出模块10发送的电信号特征估算轮胎所受的垂向力。

进一步地，本发明的估算模块12还包括电性连接的RF射频接收器121、车载控制单元122以及LED显示屏123。其中，RF射频接收器121接收RF射频发射器101发出的高频滤波，并将其调制转化为电信号，经车载控制单元122(可以选用微控制单元)分析处理后，将以上电信号以数据形式显示到LED显示屏123上以供车内人员、特别是驾驶员查看。

进一步地，本发明的轮胎的垂向力估算系统还包括车载电控系统13，当估算模块12估算得到的轮胎所受垂向力超出预设范围时(保证汽车行驶安全的轮胎受力范围)，车载电控系统13能够对汽车的运行状态进行调整。

本发明还提出了一种轮胎的垂向力估算方法，用于估算轮胎所受的垂向力大小：

通过仿真或者试验手段构建上述任一实施例所述的本发明的柔性摩擦纳米发电机作为感应单元B时其电信号特征与轮胎所受的垂向力之间的特定关联；

汽车行驶的实际工况下，测得感应单元B的电信号特征，根据其与轮胎所受的垂向力之间的特定关联计算轮胎所受的垂向力大小。

具体可以设置为，

通过轮胎有限元仿真或者轮胎室内台架试验，测得不同胎压下感应单元B的开路电压峰值数据与对应时刻轮胎所受的垂向力数据；

构建不同胎压下的开路电压峰值数据与垂向力数据的第一关系模型；

在汽车行驶的实际工况下，测得胎压和感应单元B的开路电压峰值，根据第一关系模型计算得到轮胎所受的垂向力大小。

再或者，可以设置为：

通过轮胎有限元仿真或者轮胎室内台架试验，

测得不同胎压下感应单元B从接地到离地的开路电压周期T₁以及感应单元B相邻两次接地的开路电压周期T₂，

同时，根据第一公式：a＝2k·Rsin(πT₁/T₂)，

其中k为试验或经验所得比例系数，一般取值为1.1，R为轮胎半径，计算得到接地印迹长度a；

再根据接地印迹长度a的经验公式：

其中P为胎压，a为计算所得接地印迹长度，a₁、a₂、a₃为可辨识参数(此处的a₁、a₂、a₃也是通过轮胎有限元仿真或者轮胎室内台架试验，并基于上述公式辨识得到)，计算得到轮胎所受的垂向力F_z。

其中，根据第一公式计算接地印迹长度a的长度时，也可以选用测得的不同胎压下感应单元B从接地到离地的短路电流周期T₁以及感应单元B相邻两次接地的短路电流周期T₂。

以上方案中，在获得感应单元B从接地到离地的开路电压周期T₁以及感应单元B相邻两次接地的开路电压周期T₂之前，或者在获得感应单元B从接地到离地的短路电流周期T₁以及感应单元B相邻两次接地的短路电流周期T₂之前，可以先对短路电流或者开路电压的波形进行滤波处理，去除其中因环境噪音、结构干扰以及共振等因素形成的干扰波。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。