專利名稱：輪子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利涉及輪子。
背景技術(shù)：
通常的輪子包括一個(gè)視作剛體的輪輞和輪輞外側(cè)的充氣或?qū)嵭妮喬?，輪子在靜載荷下的下沉量完全由輪胎產(chǎn)生。這種輪子的能耗較大。

發(fā)明內(nèi)容
本專利的目的是提供一種改進(jìn)的輪子，其能耗較小。
本專利的目的是這樣達(dá)到的，把輪輞視作圓環(huán)形的彈性梁，作為特殊情況當(dāng)梁的彎曲剛度無限大時(shí)，就是普通輪子的輪輞。在這個(gè)圓環(huán)形輪輞和輪輻(或輪轂)之間(輪輞的內(nèi)側(cè))，設(shè)置一層支撐彈簧。支撐彈簧可以是具有平順性(定義在下面)的m個(gè)沿輪子周向均勻分布的鋼彈簧。也可以是圓環(huán)形的空氣彈簧，即在圓環(huán)形的橡膠簾布層空腔內(nèi)充以壓縮空氣，原理與充氣輪胎胎體相同。還可以是圓環(huán)形橡膠彈簧，原理和實(shí)心輪胎胎體相同。由于橡膠和空氣彈簧是軸對稱的，平順性自然滿足。在輪輞的外側(cè)仍然是充氣或?qū)嵭妮喬ァＳ捎谳嗇y和它內(nèi)側(cè)的支撐彈簧的彈性變形已經(jīng)提供了一定的下沉量，所以輪輞外側(cè)的輪胎只要提供較小的下沉量。又由于輪輞被視為圓環(huán)形梁，而不是像普通充氣輪胎胎體簾布層那樣視為薄膜，輪輞外側(cè)必須有包括充氣或?qū)嵭妮喬ピ趦?nèi)的輪胎保護(hù)輪輞免受沖擊，不能像專利CN1363476A的輪子，剛襯4的外側(cè)只包括胎面5。這種包括輪輞和支撐彈簧的輪子能耗較小，因?yàn)榻饘購椈墒芙蛔儜?yīng)力無滯后損失以及輪輞內(nèi)側(cè)的空氣或橡膠彈簧交變應(yīng)力幅度較小。
普通的充氣或?qū)嵭妮喬ピO(shè)置了這樣的支撐彈簧(m個(gè)沿輪子周向均勻分布的鋼彈簧或空氣，橡膠彈簧)后可以降低輪子剛度，提高緩沖性和負(fù)荷能力。


圖1、輪子A-A剖面圖(參見圖2)。
圖2、支撐彈簧是鋼彈簧時(shí)輪子側(cè)視示意圖局部。
圖3、螺旋彈簧受軸向力、徑向力、力矩時(shí)變形分析。
圖4、鋼彈簧受預(yù)壓力時(shí)壓縮彈簧的三種支承座。
圖5、包括多個(gè)輪輞的例。
圖6、彈簧軸線不與輪子半徑重合的例。
具體實(shí)施方式
圖1，2在可視為絕對剛體的輪輻2(或輪轂)和視為彈性圓梁的輪輞4之間設(shè)置了m(＞1，圖2為4個(gè))個(gè)金屬(鋼)或硬質(zhì)塑料圓柱(或矩形柱)拉壓螺旋彈簧3，可以是變螺距或變中徑的，簧絲斷面圓形(也可以矩形)。彈簧沿周向均布，即m等分輪子圓周。彈簧端圈直徑較小，外端圈用端圈附件(螺釘9，螺母10，墊圈13(最好表面刻槽，增加吻合面))與輪輞4固定連接。內(nèi)端圈用同樣方法與輪輻2連接，輪輻2用螺釘12與輪轂11連接。內(nèi)端圈也可直接固定連接輪轂11。輪輞4可以是可卸的，包括用螺釘8固定的擋圈7。輪輞4的外側(cè)和充氣或免充氣(包括實(shí)心輪胎)輪胎相連。圖1中充氣輪胎包括胎面5和由簾布層13及充氣內(nèi)胎1組成的充氣胎體。如果是實(shí)心輪胎則包括胎面5和其內(nèi)側(cè)的由橡膠層構(gòu)成的實(shí)心輪胎胎體，實(shí)心輪胎的高度應(yīng)該大于同負(fù)荷能力的普通充氣輪胎的胎面厚度。由于彈簧可以是變螺距或變中徑的，因此固定連接輪輞輪輻的m個(gè)彈性桿都可以視為有效圈數(shù)小于1的彈簧。當(dāng)需要有較大的位移h和h’(定義見后面)時(shí)也可以在輪幅2外側(cè)設(shè)置s(大于1，圖5是2個(gè))個(gè)輪輞4-1，4-2，...4-s。在輪輞4-1和輪輻2之間有彈簧3-1，輪輞4-1和輪輞4-2之間有彈簧3-2，等等。圖1中每個(gè)彈簧的二端圈是固定連接其支承體(輪輞4或輪輻2)的，相對支承體不能轉(zhuǎn)動(dòng)。也可以將其中一或二個(gè)端圈改為可以繞支承體上某平行于輪子軸線的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，即鉸連接。圖1中每個(gè)彈簧都沒有受軸向預(yù)拉力或預(yù)壓力，輪子滾動(dòng)時(shí)彈簧軸向力作對稱循環(huán)，即有時(shí)拉力有時(shí)壓力?？梢越o每個(gè)彈簧相同的預(yù)拉力使彈簧滾動(dòng)時(shí)彈簧軸向力始終是拉力。這時(shí)如果端圈相對支承體可轉(zhuǎn)動(dòng)，端圈即可改為拉簧的掛鉤。也可以給每個(gè)彈簧相同的預(yù)壓力使彈簧滾動(dòng)時(shí)彈簧軸向力始終是壓力，這時(shí)端圈和工作圈直徑相同，端圈并緊磨平或不磨平，固定或可轉(zhuǎn)動(dòng)地與支承體連接的端圈支座14(即端圈附件)有圖4a，b，c三種形式。a，套在端圈外側(cè)；b，插入端圈內(nèi)側(cè)；c，同時(shí)套在端圈外側(cè)和插入端圈內(nèi)側(cè)。圖2未加載時(shí)m個(gè)彈簧的分布具有這樣的特征，輪子順時(shí)針繞其軸線旋轉(zhuǎn)角度360度/m后m個(gè)彈簧的分布和旋轉(zhuǎn)前是相同的，叫循環(huán)分布。因此當(dāng)彈簧軸線不重合輪子半徑時(shí)(圖6)也是循環(huán)分布，也可以做支撐彈簧。必要時(shí)為了提高輪子的側(cè)向剛度把輪輻2和輪輞4用導(dǎo)向板和導(dǎo)向槽連接。即在與輪子中心軸軸線垂直的平面內(nèi)輪輻2包括一個(gè)圓環(huán)形的插入導(dǎo)向槽6內(nèi)的導(dǎo)向板15，圓環(huán)形的導(dǎo)向槽6固定在輪輞4的擋圈7和輪輞4之間。由于導(dǎo)向板和導(dǎo)向槽的導(dǎo)向作用輪輞4相對于輪輻2和輪轂只能在與輪子中心軸軸線垂直的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，因而提高了輪子的側(cè)向剛度，并且工作時(shí)，兩者互相摩擦起阻尼隔震作用。導(dǎo)向板和導(dǎo)向槽連接也可以如下方法實(shí)現(xiàn)。輪輞4的內(nèi)緣和輪輻2的外緣之間各有兩個(gè)摩擦面，輪輞4和輪輻2通過摩擦面互相嵌套。當(dāng)彈簧軸向只受壓力或同時(shí)受拉力和壓力時(shí)，通常取彈簧的有效圈數(shù)小于等于5，如n等于0.5，1，2，3，等。每個(gè)彈簧的高徑比可以較小，未加載時(shí)H0/D小于等于2.6，如0.35，其中H0是輪子未受載(有軸向預(yù)拉力或預(yù)壓力時(shí)是受軸向預(yù)拉力或預(yù)壓力后的)m個(gè)彈簧有相同高度時(shí)彈簧的有效高度。m小于等于35。下面是對二端圈與支承體固定連接時(shí)輪子平順性的描述。
下端固定上端自由的懸臂螺旋彈簧，上端受彎矩M，徑向力Fr，軸向力F(圖3，軸向力為拉力，若為壓力F為負(fù)值，彈簧用當(dāng)量桿表示)的變形分析如下。其中D是彈簧中徑，d是簧絲直徑。n是有效圈數(shù)。H是工作高度，E是彈性模量，G是剪切彈性模量，μ是泊松比，B＝HEA/[4(2+μ)]是當(dāng)量彎曲剛度，S＝HEA/D2是當(dāng)量剪切剛度，F(xiàn)’＝Gd4/(8D3n)是軸向拉壓剛度。其中A＝d4/(8Dn)圖4把彈簧看作當(dāng)量桿，變形前的橫截面加載后有彎曲產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角λ，剪切產(chǎn)生的截面相對桿中心線的轉(zhuǎn)角φ，設(shè)截面距下端距離x，受軸力F，剪切力-Fλ+Fr，彎矩-Fy+M+Fr(H-x)，φ＝(-Fλ+Fr)/S，dλ/dx＝[-Fy+M+Fr(H-x)]/B，dy/dx＝-(φ+λ)＝-(1-F/S)λ-Fr/S。由以上各式有微分方程d2y/dx2-(F/B)(1-F/S)y＝-(1-F/S)[M+Frr(H-x)]/B.令q2＝(F/B)(1-F/S)。F＞0時(shí)q是正實(shí)數(shù)；F＜0時(shí)是虛數(shù)q＝|q|i。此方程的解為y＝C1Sinh qx+C2Coshqx+[M+Fr(H-x)]/F。由邊界條件x＝0，λ＝0；x＝H，y＝0，有C1＝(Fr/Fq)(1-F/S)；C2＝(-Fr/Fq)(1-F/S)tanhqH-(M/F)SechqH。上端徑向變形fr＝y(tǒng)|x＝11＝(FrH/F)[1-tanhqH/(qH)]+FrH/S+(M/F)(1-SechqH)；角變形γ＝λ|x＝11＝(1-F/S)-1[-(Fr/F)(1-F/S)(1-sechqH)-(Mq/F)tanhqH]...(2)。令η1＝3(qH-tanhqH)/(qH)3，η2＝2(1-SechqH)/(qH)2，η3＝tanhqH/(qH)，...(1).ξ1＝η1(1-F/S)，ξ2＝η2(1-F/S)。η(泛指η1，η2等)叫軸力影響系數(shù)，都是實(shí)變函數(shù)，因令|qH|＝v，當(dāng)F是拉力時(shí)v＝qH，η1＝3(v-tanhv)/v3，η2＝2(1-sechv)/v2，η3＝tanhv/v。當(dāng)F是壓力時(shí)，iv＝qH，η1＝3(tanv-v)/v3，η2＝2(1-secv)/v2，η3＝tanv/v。于是上述變形(2)式為，fr＝FrH3ξ1/(3B)+FrHη3/S+MH2ξ2/(2B)，γ＝-FrH2ξ2/(2B)-MHη3/B.........(2’)。令u＝q2H2，當(dāng)u＝-π2/4時(shí)η＝無窮大徑向失穩(wěn)，當(dāng)u＝0時(shí)，η都等于1。如果近似取η1＝η2＝η3＝η，1-F/S＝1，上述變形為fr＝[FrH3(3B)-1(1+3BH-2S-1)+MH2(2B)-1]η，γ＝-[FrH2(2B)-1+MH/B]η?？梢姦鞘禽S力F對變形的影響。
公式(2′)對于F為拉力和壓力時(shí)都成立，是現(xiàn)有的科技文獻(xiàn)中找不到的。利用(2′)式可以用力法，能量法或迭代法求解圖2的輪子，即在接地部位受法向力Q，水平力Qφ，φ＝tanθ′是牽引系數(shù)，作用下的變形。對于變螺距或變中徑的彈簧等一般情況，(2′)可以簡記為fr＝A1(Fr，F(xiàn)，M)，γ＝A2(Fr，F(xiàn)，M)，f＝A3(Fr，F(xiàn)，M)。下面是力法求解。
立固定坐標(biāo)系ZOY，其中O是輪輻2的中心。加載前第一個(gè)彈簧軸線與Z軸夾α角，令r＝2π/m，第i個(gè)彈簧與Z軸夾角αi＝α+(i-1)r，i＝1，2，....，m。輪輞受平衡力系Fi，F(xiàn)ri，Mi，i＝1，2，...，m，Q，Qφ作用，其中Fi，F(xiàn)ri，Mi，是彈簧i的上端部作用在輪輞上的力。在此力系下輪輞有一個(gè)位移解記做B(Fi，F(xiàn)ri，Mi，i＝1，2，...，m，Q，Qφ)。由此解B可以得到輪輞在彈簧i上端部的法向位移，切向位移和轉(zhuǎn)角，它們應(yīng)該等于該彈簧上端部受力Fi，F(xiàn)ri，Mi產(chǎn)生的位移fi，fri，γi。因而得到一個(gè)代數(shù)方程組。對Fi，F(xiàn)ri，Mi，i＝1，2，...，m，解出此方程組，然后代入B中即有輪輞的具體解。因而得到輪輞接地點(diǎn)的法向和切向位移h，h′。顯然h，h′與α有關(guān)，α的取值范圍是[0，r]。當(dāng)選擇圓梁4較大的彎曲剛度或選擇較大的彈簧個(gè)數(shù)m時(shí)可以使h，h′在[0，r]內(nèi)的最大值和最小值之差小于指定的數(shù)，如0.1厘米。這樣輪子就有平順性。
權(quán)利要求1，一種輪子，包括輪轂，彈性體輪輞(4)，輪胎，其特征是在輪轂和輪輞(4)之間設(shè)置了支撐彈簧，并且輪子有平順性。
2，根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪子，其特征是輪胎是充氣或?qū)嵭妮喬?，其中?shí)心輪胎的高大于同負(fù)荷普通充氣輪胎的胎面厚度。
3，根據(jù)權(quán)利要求2所述的輪子，其特征是所述支撐彈簧是m個(gè)循環(huán)分布的鋼螺旋彈簧，彈簧有a，軸向預(yù)壓力；b，軸向預(yù)拉力；或c，沒有軸向預(yù)拉力和軸向預(yù)壓力。
4，根據(jù)權(quán)利要求3所述的輪子，其特征是輪輻(2)和輪輞(4)用導(dǎo)向板(15)和導(dǎo)向槽(6)連接。
5，根據(jù)權(quán)利要求3所述的輪子，其特征是當(dāng)彈簧受軸向預(yù)壓力時(shí)，端圈并緊磨平或不磨平，固定或可轉(zhuǎn)動(dòng)地與支承體連接的端圈支座有a，b，c三種形式之一，a，套在端圈外側(cè)；b，插入端圈內(nèi)側(cè)；c，同時(shí)套在端圈外側(cè)和插入端圈內(nèi)側(cè)。
6，根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的輪子，其特征是在輪轂外側(cè)有s個(gè)輪輞，每個(gè)輪輞內(nèi)側(cè)都設(shè)置了彈簧。
7，根據(jù)權(quán)利要求2，3或4所述的輪子，其特征是當(dāng)1，彈簧受軸向預(yù)壓力；或2，不受軸向預(yù)拉力和軸向預(yù)壓力時(shí)彈簧的高徑比小于等于2.6。
8，根據(jù)權(quán)利要求2，3或4所述的輪子，其特征是當(dāng)彈簧受軸向預(yù)壓力或，不受軸向預(yù)拉力和軸向預(yù)壓力時(shí)彈簧的有效圈數(shù)小于等于5。
9，根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的輪子，其特征是只有一個(gè)輪輞時(shí)彈簧的總數(shù)小于等于35。
10，根據(jù)權(quán)利要求2所述的輪子，其特征是支撐彈簧是空氣或橡膠彈簧。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種輪子，在彈性體輪輞4和輪輻2之間固定設(shè)置了若干個(gè)金屬彈簧3(或1個(gè)空氣彈簧，橡膠彈簧)，輪輞外側(cè)是充氣或?qū)嵭妮喬?。工作時(shí)輪輞和彈簧的彈性變形使輪子有彈性，彈簧的有效圈數(shù)n和高徑比H
文檔編號(hào)B60B9/06GK2763097SQ200520038760
公開日2006年3月8日 申請日期2005年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月6日
發(fā)明者崔世泰 申請人:崔阿年