專利名稱：輪子的制作方法
本專利涉及輪子，是對前中國專利02111327.0的完善。
前專利未對輪輞4視為彈性體時輪子的平順性作出具體描述。而當(dāng)輪輞4視為剛體時輪子與地面的接觸面(叫接地面)較小，因而抓著力較小，牽引力較小，制動力較小。
本專利的目的是補充這一描述。
本專利的目的是這樣達到的，由于輪輞(視作圓環(huán)性粱)的彈性變形使得接地點輪輞的曲率減小，因而接地面增大。極端情況時當(dāng)輪輞的彎曲剛度接近零時輪輞和充氣輪胎胎體一樣可以視為薄膜。
此外本專利還具體指出彈簧的有效圈數(shù)n和高徑比H0/D以及總的彈簧數(shù)m應(yīng)該取較小的取值范圍，使輪子不失穩(wěn)并減少自重和成本，但有效圈數(shù)n和高徑比H0/D較小時輪子承載能力反而提高。又由于工作時輪輞和彈簧循環(huán)應(yīng)力的滯后損失可以忽略不計，使行駛時輪子的能耗下降90％以上，尤其是當(dāng)輪胎為硬度大于85A的實心輪胎時，這樣就使自行車輪椅車等可以免充氣，不用電力或用很少的電力驅(qū)動，大大減少有蓄電池產(chǎn)生的污染。
本專利具體結(jié)構(gòu)由以下附圖及實例給出。


圖1、輪子A-A剖面圖(參見圖2)。
圖2、輪子側(cè)視示意圖局部。
圖3、螺旋彈簧受軸向力、徑向力、力矩時變形分析。
圖4、使用普通充氣輪胎的輪子。
圖5、包括多個輪輞的例。
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(＞2，圖2為4個)個金屬(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。當(dāng)彈簧有預(yù)壓力(即初壓力)時可以不要端圈附件，如圖4端圈套在輪輞4的凸緣上或嵌入輪輞4的凹槽內(nèi)。當(dāng)然也可以把端圈直接焊接在輪輞上。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(包括實心輪胎)5相連。也可以把輪輻2，輪輞4，彈簧3設(shè)置在充氣輪胎5的內(nèi)部，如圖4。對于圖4可以把其中的簾布層胎體改為金屬(鋼)或硬質(zhì)塑料薄殼，這樣輪胎可以不充氣，在接地點法向力切向力作用下殼體失穩(wěn)，因而即使輪輞4是絕對剛體輪子也有較大的接地面。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個彈性桿都可以視為有效圈數(shù)小于1的彈簧。輪輞4的內(nèi)緣和輪輻2的外緣之間可以有兩個間隙6。也可以沒有間隙6，輪輞4和輪輻2通過摩擦面互相嵌套，工作時兩者互相摩擦起阻尼隔震作用。當(dāng)需要有較大的位移h和h′(定義見后面)時也可以在輪幅2外側(cè)設(shè)置s(大于1，圖5是2個)個輪輞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。每個彈簧的高徑比仍然較小。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。H0/D小于等于1.4，如0.35。m小于等于35。下面是對平順性的描述。
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，H0是自由高度，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q是正實數(shù)；F＜0時是虛數(shù)q＝|q|i。此方程的解為y＝C1Sinh qx+C2Cosh qx+[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＝H＝(FrH/F)[1-tanhqH/(qH)]+FrH/S+(M/F)(1-SechqH)；角變形γ＝λ|x＝H＝(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)，都是實變函數(shù)，因令|qH|＝v，當(dāng)F是拉力時v＝qH，η1＝3(v-tanhv)/v3，η2＝2(1-sechv)/v2，η3＝tanhv/v。當(dāng)F是壓力時，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η＝無窮大徑向失穩(wěn)，當(dāng)u＝0時，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為拉力和壓力時都成立，是現(xiàn)有的科技文獻中找不到的。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＝tan θ′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。加載前第一個彈簧軸線與Z軸夾α角，令r＝2π/m，第i個彈簧與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
。當(dāng)選擇圓梁4較大的彎曲剛度或選擇較大的彈簧個數(shù)m時可以使h，h′在
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(5)，其特征是在輪轂和輪輞(4)之間設(shè)置了m個彈簧(3)，并且輪子有平順性。
2，根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪子，其特征是在輪轂外側(cè)有s個輪輞，每個輪輞內(nèi)側(cè)都設(shè)置了彈簧。
3，根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪子，其特征是輪輻(2)和輪輞(4)之間有阻尼摩擦面。
4，根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪子，其特征是輪胎(5)是實心輪胎或胎體是金屬或硬質(zhì)塑料薄殼的免充氣輪胎。
5，根據(jù)權(quán)利要求1，2，3或4所述的輪子，其特征是彈簧的高徑比小于等于1.4。
6，根據(jù)權(quán)利要求1，2，3或4所述的輪子，其特征是彈簧的有效圈數(shù)小于等于5。
7，根據(jù)權(quán)利要求1，2，3或4所述的輪子，其特征是只有一個輪輞時彈簧的總數(shù)小于等于35。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種輪子，在彈性體輪輞4和輪輻2之間固定設(shè)置了若干個金屬彈簧3，輪輞外側(cè)是高硬度的實心輪胎5。工作時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B60B9/06GK1739988SQ200410054018
公開日2006年3月1日 申請日期2004年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月26日
發(fā)明者崔世泰 申請人:崔阿年