专利名称：轮子的制作方法
技术领域：
本专利涉及轮子。
背景技术：
通常的轮子包括一个视作刚体的轮辋和轮辋外侧的充气或实心轮胎，轮子在静载荷下的下沉量完全由轮胎产生。这种轮子的能耗较大。
发明内容
本专利的目的是提供一种改进的轮子，其能耗较小。
本专利的目的是这样达到的，把轮辋视作圆环形的弹性梁，作为特殊情况当梁的弯曲刚度无限大时，就是普通轮子的轮辋。在这个圆环形轮辋和轮辐(或轮毂)之间(轮辋的内侧)，设置一层支撑弹簧。支撑弹簧可以是具有平顺性(定义在下面)的m个沿轮子周向均匀分布的钢弹簧。也可以是圆环形的空气弹簧，即在圆环形的橡胶帘布层空腔内充以压缩空气，原理与充气轮胎胎体相同。还可以是圆环形橡胶弹簧，原理和实心轮胎胎体相同。由于橡胶和空气弹簧是轴对称的，平顺性自然满足。在轮辋的外侧仍然是充气或实心轮胎。由于轮辋和它内侧的支撑弹簧的弹性变形已经提供了一定的下沉量，所以轮辋外侧的轮胎只要提供较小的下沉量。又由于轮辋被视为圆环形梁，而不是像普通充气轮胎胎体帘布层那样视为薄膜，轮辋外侧必须有包括充气或实心轮胎在内的轮胎保护轮辋免受冲击，不能像专利CN1363476A的轮子，刚衬4的外侧只包括胎面5。这种包括轮辋和支撑弹簧的轮子能耗较小，因为金属弹簧受交变应力无滞后损失以及轮辋内侧的空气或橡胶弹簧交变应力幅度较小。
普通的充气或实心轮胎设置了这样的支撑弹簧(m个沿轮子周向均匀分布的钢弹簧或空气，橡胶弹簧)后可以降低轮子刚度，提高缓冲性和负荷能力。
图1、轮子A-A剖面图(参见图2)。
图2、支撑弹簧是钢弹簧时轮子侧视示意图局部。
图3、螺旋弹簧受轴向力、径向力、力矩时变形分析。
图4、钢弹簧受预压力时压缩弹簧的三种支承座。
图5、包括多个轮辋的例。
图6、弹簧轴线不与轮子半径重合的例。
具体实施方式
图1，2在可视为绝对刚体的轮辐2(或轮毂)和视为弹性圆梁的轮辋4之间设置了m(＞1，图2为4个)个金属(钢)或硬质塑料圆柱(或矩形柱)拉压螺旋弹簧3，可以是变螺距或变中径的，簧丝断面圆形(也可以矩形)。弹簧沿周向均布，即m等分轮子圆周。弹簧端圈直径较小，外端圈用端圈附件(螺钉9，螺母10，垫圈13(最好表面刻槽，增加吻合面))与轮辋4固定连接。内端圈用同样方法与轮辐2连接，轮辐2用螺钉12与轮毂11连接。内端圈也可直接固定连接轮毂11。轮辋4可以是可卸的，包括用螺钉8固定的挡圈7。轮辋4的外侧和充气或免充气(包括实心轮胎)轮胎相连。图1中充气轮胎包括胎面5和由帘布层13及充气内胎1组成的充气胎体。如果是实心轮胎则包括胎面5和其内侧的由橡胶层构成的实心轮胎胎体，实心轮胎的高度应该大于同负荷能力的普通充气轮胎的胎面厚度。由于弹簧可以是变螺距或变中径的，因此固定连接轮辋轮辐的m个弹性杆都可以视为有效圈数小于1的弹簧。当需要有较大的位移h和h’(定义见后面)时也可以在轮幅2外侧设置s(大于1，图5是2个)个轮辋4-1，4-2，...4-s。在轮辋4-1和轮辐2之间有弹簧3-1，轮辋4-1和轮辋4-2之间有弹簧3-2，等等。图1中每个弹簧的二端圈是固定连接其支承体(轮辋4或轮辐2)的，相对支承体不能转动。也可以将其中一或二个端圈改为可以绕支承体上某平行于轮子轴线的轴线转动，即铰连接。图1中每个弹簧都没有受轴向预拉力或预压力，轮子滚动时弹簧轴向力作对称循环，即有时拉力有时压力。可以给每个弹簧相同的预拉力使弹簧滚动时弹簧轴向力始终是拉力。这时如果端圈相对支承体可转动，端圈即可改为拉簧的挂钩。也可以给每个弹簧相同的预压力使弹簧滚动时弹簧轴向力始终是压力，这时端圈和工作圈直径相同，端圈并紧磨平或不磨平，固定或可转动地与支承体连接的端圈支座14(即端圈附件)有图4a，b，c三种形式。a，套在端圈外侧；b，插入端圈内侧；c，同时套在端圈外侧和插入端圈内侧。图2未加载时m个弹簧的分布具有这样的特征，轮子顺时针绕其轴线旋转角度360度/m后m个弹簧的分布和旋转前是相同的，叫循环分布。因此当弹簧轴线不重合轮子半径时(图6)也是循环分布，也可以做支撑弹簧。必要时为了提高轮子的侧向刚度把轮辐2和轮辋4用导向板和导向槽连接。即在与轮子中心轴轴线垂直的平面内轮辐2包括一个圆环形的插入导向槽6内的导向板15，圆环形的导向槽6固定在轮辋4的挡圈7和轮辋4之间。由于导向板和导向槽的导向作用轮辋4相对于轮辐2和轮毂只能在与轮子中心轴轴线垂直的平面内运动，因而提高了轮子的侧向刚度，并且工作时，两者互相摩擦起阻尼隔震作用。导向板和导向槽连接也可以如下方法实现。轮辋4的内缘和轮辐2的外缘之间各有两个摩擦面，轮辋4和轮辐2通过摩擦面互相嵌套。当弹簧轴向只受压力或同时受拉力和压力时，通常取弹簧的有效圈数小于等于5，如n等于0.5，1，2，3，等。每个弹簧的高径比可以较小，未加载时H0/D小于等于2.6，如0.35，其中H0是轮子未受载(有轴向预拉力或预压力时是受轴向预拉力或预压力后的)m个弹簧有相同高度时弹簧的有效高度。m小于等于35。下面是对二端圈与支承体固定连接时轮子平顺性的描述。
下端固定上端自由的悬臂螺旋弹簧，上端受弯矩M，径向力Fr，轴向力F(图3，轴向力为拉力，若为压力F为负值，弹簧用当量杆表示)的变形分析如下。其中D是弹簧中径，d是簧丝直径。n是有效圈数。H是工作高度，E是弹性模量，G是剪切弹性模量，μ是泊松比，B＝HEA/[4(2+μ)]是当量弯曲刚度，S＝HEA/D2是当量剪切刚度，F’＝Gd4/(8D3n)是轴向拉压刚度。其中A＝d4/(8Dn)图4把弹簧看作当量杆，变形前的横截面加载后有弯曲产生的转角λ，剪切产生的截面相对杆中心线的转角φ，设截面距下端距离x，受轴力F，剪切力-Fλ+Fr，弯矩-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时q是正实数；F＜0时是虚数q＝|q|i。此方程的解为y＝C1Sinh qx+C2Coshqx+[M+Fr(H-x)]/F。由边界条件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。上端径向变形fr＝y|x＝11＝(FrH/F)[1-tanhqH/(qH)]+FrH/S+(M/F)(1-SechqH)；角变形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)叫轴力影响系数，都是实变函数，因令|qH|＝v，当F是拉力时v＝qH，η1＝3(v-tanhv)/v3，η2＝2(1-sechv)/v2，η3＝tanhv/v。当F是压力时，iv＝qH，η1＝3(tanv-v)/v3，η2＝2(1-secv)/v2，η3＝tanv/v。于是上述变形(2)式为，fr＝FrH3ξ1/(3B)+FrHη3/S+MH2ξ2/(2B)，γ＝-FrH2ξ2/(2B)-MHη3/B.........(2’)。令u＝q2H2，当u＝-π2/4时η＝无穷大径向失稳，当u＝0时，η都等于1。如果近似取η1＝η2＝η3＝η，1-F/S＝1，上述变形为fr＝[FrH3(3B)-1(1+3BH-2S-1)+MH2(2B)-1]η，γ＝-[FrH2(2B)-1+MH/B]η。可见η是轴力F对变形的影响。
公式(2′)对于F为拉力和压力时都成立，是现有的科技文献中找不到的。利用(2′)式可以用力法，能量法或迭代法求解图2的轮子，即在接地部位受法向力Q，水平力Qφ，φ＝tanθ′是牵引系数，作用下的变形。对于变螺距或变中径的弹簧等一般情况，(2′)可以简记为fr＝A1(Fr，F，M)，γ＝A2(Fr，F，M)，f＝A3(Fr，F，M)。下面是力法求解。
立固定坐标系ZOY，其中O是轮辐2的中心。加载前第一个弹簧轴线与Z轴夹α角，令r＝2π/m，第i个弹簧与Z轴夹角αi＝α+(i-1)r，i＝1，2，....，m。轮辋受平衡力系Fi，Fri，Mi，i＝1，2，...，m，Q，Qφ作用，其中Fi，Fri，Mi，是弹簧i的上端部作用在轮辋上的力。在此力系下轮辋有一个位移解记做B(Fi，Fri，Mi，i＝1，2，...，m，Q，Qφ)。由此解B可以得到轮辋在弹簧i上端部的法向位移，切向位移和转角，它们应该等于该弹簧上端部受力Fi，Fri，Mi产生的位移fi，fri，γi。因而得到一个代数方程组。对Fi，Fri，Mi，i＝1，2，...，m，解出此方程组，然后代入B中即有轮辋的具体解。因而得到轮辋接地点的法向和切向位移h，h′。显然h，h′与α有关，α的取值范围是[0，r]。当选择圆梁4较大的弯曲刚度或选择较大的弹簧个数m时可以使h，h′在[0，r]内的最大值和最小值之差小于指定的数，如0.1厘米。这样轮子就有平顺性。
权利要求1，一种轮子，包括轮毂，弹性体轮辋(4)，轮胎，其特征是在轮毂和轮辋(4)之间设置了支撑弹簧，并且轮子有平顺性。
2，根据权利要求1所述的轮子，其特征是轮胎是充气或实心轮胎，其中实心轮胎的高大于同负荷普通充气轮胎的胎面厚度。
3，根据权利要求2所述的轮子，其特征是所述支撑弹簧是m个循环分布的钢螺旋弹簧，弹簧有a，轴向预压力；b，轴向预拉力；或c，没有轴向预拉力和轴向预压力。
4，根据权利要求3所述的轮子，其特征是轮辐(2)和轮辋(4)用导向板(15)和导向槽(6)连接。
5，根据权利要求3所述的轮子，其特征是当弹簧受轴向预压力时，端圈并紧磨平或不磨平，固定或可转动地与支承体连接的端圈支座有a，b，c三种形式之一，a，套在端圈外侧；b，插入端圈内侧；c，同时套在端圈外侧和插入端圈内侧。
6，根据权利要求3或4所述的轮子，其特征是在轮毂外侧有s个轮辋，每个轮辋内侧都设置了弹簧。
7，根据权利要求2，3或4所述的轮子，其特征是当1，弹簧受轴向预压力；或2，不受轴向预拉力和轴向预压力时弹簧的高径比小于等于2.6。
8，根据权利要求2，3或4所述的轮子，其特征是当弹簧受轴向预压力或，不受轴向预拉力和轴向预压力时弹簧的有效圈数小于等于5。
9，根据权利要求3或4所述的轮子，其特征是只有一个轮辋时弹簧的总数小于等于35。
10，根据权利要求2所述的轮子，其特征是支撑弹簧是空气或橡胶弹簧。
专利摘要本实用新型公开了一种轮子，在弹性体轮辋4和轮辐2之间固定设置了若干个金属弹簧3(或1个空气弹簧，橡胶弹簧)，轮辋外侧是充气或实心轮胎。工作时轮辋和弹簧的弹性变形使轮子有弹性，弹簧的有效圈数n和高径比H
文档编号B60B9/06GK2763097SQ200520038760
公开日2006年3月8日 申请日期2005年1月6日 优先权日2005年1月6日
发明者崔世泰 申请人:崔阿年