專利名稱：除震車輪的制作方法
一、發(fā)明名稱除震車輪二、發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域?qū)儆诒Ｗo被沖擊力沖擊的物體避免震動和破壞的技術(shù)設(shè)備三、現(xiàn)有技術(shù)狀況所謂被沖擊力沖擊的物體，指的是行駛中的自行車、摩托車、汽車、鐵路車輛遇到路面(或軌道，以下同)不平或碰到障礙物時；飛機起降時；物體受到碰撞或降落時，等等，在這些情況下，物體都會受到?jīng)_擊力的沖擊，產(chǎn)生有害的震動和破壞。
本文以車輛的車輪為研究對象。各種車輛的各式現(xiàn)有車輪都是剛性結(jié)構(gòu)體，使用這種車輪，車輛在行駛中不間斷地或強或弱地受到來自路面沖擊力的沖擊。這是因為，車輪承受載荷作用于路面，路面反作用力作用于車輪，建立了力的平衡系統(tǒng)，車輛如在平坦路面上行駛，輪路緊密接觸，這一力的平衡系統(tǒng)不受破壞。但當(dāng)路面不平或遇路障時，輪路接觸點(實際是面與面的接觸，以下同)力的平衡系統(tǒng)受到破壞，來自路面的沖擊力，由輪路接觸點作用于車輪，使輪路產(chǎn)生瞬間脫離，沖擊力在車輪上迅速傳遞開來。現(xiàn)有的剛體車輪是力的傳遞優(yōu)良導(dǎo)體，沖擊力經(jīng)車輪傳至與車輪緊密相聯(lián)的輪軸，再由輪軸傳至車輛減震彈簧(或其它形式的減震裝置)上。彈簧在沖擊力作用下被壓縮，儲存沖擊力能量(關(guān)于力與能之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，后面再敘)，使支撐在減震彈簧上的車體得以緩沖，免受沖擊力瞬間全力沖擊。但是，相對此處減震彈簧而言，被支撐在彈簧上的車體，不論其重量多重，彈簧支撐車體的這一端是自由端，而彈簧的底端是固定端，因而被壓縮了的彈簧內(nèi)積聚的能量，只能向車體上釋放，導(dǎo)致車體不斷搖晃、上拋下沉、顛簸不堪，嚴重時，車體結(jié)構(gòu)遭受破損。
沖擊力對車體的沖擊是極其有害的，往輕處說，不但松動車輛各部結(jié)構(gòu)，影響其使用壽命，貨物受損，被碰撞，被擠壓，影響貨物完整送達；或使乘車旅客飽受顛簸之苦，旅途極易疲勞，健康受損。更有甚者，當(dāng)沖擊力大時，導(dǎo)致車輛破損，造成行車安全事故，這是交通運輸中常見到的現(xiàn)象。
因此，消除沖擊力對運行車輛的有害影響，對確保行車安全，提高運輸服務(wù)質(zhì)量，具有現(xiàn)實和積極的意義。
四、發(fā)明除震車輪的目的開發(fā)除震車輪的目的在于消除沖擊力對車輛的有害影響，防止震動，避免破壞，提高交通運輸服務(wù)質(zhì)量，確保行車安全。
不言而喻，運行中的車輛不可避免地要受到?jīng)_擊力對車輪的沖擊作用，除震車輪的作用是當(dāng)沖擊力作用于除震車輪時，車輪內(nèi)的特殊結(jié)構(gòu)，因勢利導(dǎo)，使沖擊力得到疏解，改變其固有的傳遞方向，使其產(chǎn)生于輪路接觸點，經(jīng)車輪內(nèi)機構(gòu)分解、合成新合力后，又由輪路接觸點作用于路面，從而保護車體免受沖擊力的沖擊。
五、除震車輪的技術(shù)內(nèi)容除震車輪的結(jié)構(gòu)如附圖1所示。其主要部件由輪箍塊(見附圖2、附圖3)、支座(見附圖4)和圓形螺旋壓縮彈簧組成。
輪箍塊由不同圓心、不同半徑弧面狀構(gòu)件的輪翼和輪身組成。輪箍塊的輪身彈簧定位桿銜接孔緊密銜接固定在支座上的圓柱形彈簧定位桿，輪身彈簧定位桿銜接孔預(yù)留一定深度，在除震車輪受沖擊力作用時，供彈簧定位桿伸縮。
除震車輪就是由上述那些構(gòu)件組成的圓形彈性結(jié)構(gòu)體。車輪在滾動中，無論何處輪箍塊受沖擊力沖擊，首當(dāng)其沖的受力件是輪翼。那么，除震車輪是如何實現(xiàn)消除沖擊力對車輛的沖擊的呢？下面以沖擊力在車輪內(nèi)從傳入到傳出的傳遞過程，加以說明。
1、把由輪路接觸點作用于車輪的沖擊力分解為過輪心軸橫切面內(nèi)若干偶數(shù)個大小相等、方向指向車輪輪心的向心分力(1)輪翼內(nèi)弧面設(shè)計在除震車輪內(nèi)，將沖擊力分解為若干偶數(shù)個向心分力，進而扭轉(zhuǎn)各分力傳遞方向后，重新合成合力作用于路面的主要部件是輪箍塊。要了解力的分解過程，從明確輪箍塊設(shè)計原理入手，參看附圖5(對照參看附圖2、3、4)。
圖中，O是車輪圓心(或稱車輪輪心，以下同)，OO1是輪箍塊輪身彈簧定位桿銜接孔的中心線(以下簡稱輪身中心線)。同樣，左右相鄰輪箍塊兩條輪身中心線是OO2和OO3，由OO1、OO2和OO3構(gòu)成的兩個輪心中心線圓心夾角∠O1OO2和∠O1OO3的大小是相等的，兩角的角平分線分別是OO4和OO5。
分別在直線OO4和OO5上取點A和B，使OA＝OB≥ΔL1，ΔL1的大小與彈簧的剛度、沖擊力的大小、車輛的裝載量及車輛運行速度有關(guān)，其值ΔL1等于當(dāng)車輛滿載車輪承受最大載荷，車輛以最大允許速度運行，并且可能受到最大沖擊力沖擊時彈簧的高度被壓縮量。
以點A為圓心，以所需半徑長(由輪徑大小決定，以下同)劃弧，得弧線段 和 (此處以弧線段表示相應(yīng)的弧面，以下同)。同樣，以點B為圓心，得到弧線段 和 除震車輪各輪箍塊上的輪翼構(gòu)成車輪的整體輪箍，當(dāng)輪箍受到?jīng)_擊力沖擊時，假如，如附圖5所示的輪箍塊其右側(cè)的輪箍塊受到?jīng)_擊力作用，那么，右側(cè)輪箍塊搭接在該輪箍塊輪身上的輪翼，在以 弧線為弧面的接觸處作相對滑動，輪翼伸入輪翼伸縮槽，并迫使輪箍塊位移。由于輪箍塊輪身上的彈簧定位桿銜接孔緊密銜接彈簧定位桿，輪箍塊只能沿彈簧定位桿方向移動，與此同時，輪箍塊兩側(cè)的輪翼迫使相鄰左右的輪箍塊也作相同的位移，它們位移量的大小，受輪翼內(nèi)弧面制約。從上述輪翼內(nèi)弧面設(shè)計原理可知，迫使相鄰兩輪箍塊位移的兩輪翼內(nèi)弧面半徑是相等的，并且兩處輪翼與輪身接觸點(實則為面)與輪翼內(nèi)弧面圓心等距離，顯然，相鄰兩輪箍塊的位移量是按照等腰三角形縮小擴大變化時兩腰長度也同時等量縮短增長的原理而變化，因而，相鄰兩輪箍塊的位移量是相等的，直至整個車輪各輪箍塊的位移量皆如此。
以上論述了沖擊力使各輪箍塊作等量位移，也就是說，沖擊力在傳入除震車輪后，就被分解為大小相等的分力。由于除震車輪支座的各彈簧定位桿布列在以車輪輪心為中心的軸橫切面的圓平面內(nèi)，并且各彈簧定位桿的中心線相交于輪心，因而沖擊力在除震車輪被分解得到的分力，其值大小不但相等，并且都位于同一圓平面內(nèi)，方向都指向輪心。如附圖1所示的除震車輪，可將沖擊力分解為八個大小相等，方向指向輪心的徑向向心力。
(2)輪翼外弧面設(shè)計輪翼的外弧面構(gòu)成除震車輪輪面。在大小不等沖擊力不間斷作用下，車輪輪徑大小也不斷隨著變化。然而，構(gòu)成車輪輪面的輪翼外弧面半徑是固定不變的，因此，除震車輪是經(jīng)常處于外圓度不斷變化的狀況下運行，這種情況是除震車輪不可避免的。但是應(yīng)該看到，除了可以從設(shè)計上做到使除震車輪外圓不圓度在一個很小的范圍內(nèi)變化使之不影響車輛運行外，還存在著使車輪處于最佳外圓度狀態(tài)下運行的可能性。
當(dāng)車輛滿載常速運行時，車輪在受到最多最常見沖擊力作用下，除震車輪的彈簧被壓縮量設(shè)定為ΔL2。以輪心為起點，在圓心夾角角平分線OO4和OO5上取線段OO6＝ΔL2和OO7＝ΔL2，得到O6和O7點，以點O6和O7為圓心，以所需長度為半徑劃弧，得到輪翼外弧面弧線段C2C3和C4C5。顯然，這樣的輪翼外弧面，可使除震車輪以最佳外圓度投入運行。
還需要說明，輪翼尾鉤上的圓孔，用來上螺栓，使輪翼與相鄰輪箍塊聯(lián)接起來，其緊密程度要不防礙輪翼在輪翼伸縮槽內(nèi)滑動。另外，輪面形狀的設(shè)計要根據(jù)不同車種需要為依據(jù)，如鐵路車輛的輪面與汽車的不同，而汽車、摩托車、自行車的輪面要設(shè)計成“U”形槽，以便安裝輪胎。在確定“U”形槽深度時，要考慮車輛可能受到最大沖擊力，車輪輪徑縮短量達到最大時，車輪輪胎不脫落為依據(jù)。
2、使各向心分力實現(xiàn)力 (作功)能的雙向轉(zhuǎn)化，變向心力為離心力，進而合成與沖擊力反方向的合力，于輪路接觸點作用于路面為使除震車輪消除引起車輛震動和破壞的沖擊力，在上述將一個沖擊力分解為若干大小相等的向心分力之后，為最終消除沖擊力對車體的有害影響創(chuàng)造了條件，而實現(xiàn)力 (作功)能雙向轉(zhuǎn)化是保證消除沖擊力對車體沖擊的理論基礎(chǔ)，除震車輪的支座是將此理論變成現(xiàn)實的技術(shù)保證。
見附圖4所示的除震車輪的支座。支座有八個支座彈簧支承面，分為四對，以車輪輪心為中心，面面相對排列，構(gòu)成八面體支座。在除震車輪內(nèi)，輪箍塊的輪身中心線，與輪身銜接的彈簧定位桿中心線是重合的，而垂直固定在支座彈簧支承面中心位置的八根圓柱體彈簧定位桿的中心線不但位于車輪圓平面內(nèi)，相交于車輪輪心，并且兩兩相對的彈簧定位桿的中心線同為一條直線。因而套裝在彈簧定位桿上的彈簧，在受到力的作用時，由彈簧傳過來的力，都是成對互成180度反方向作用于支座上。
由此可知，如附圖1所示的除震車輪，在輪路接觸點受到?jīng)_擊力作用時，沖擊力在車輪內(nèi)被分解為八個分力，經(jīng)由彈簧作用于支座上，此時的支座同時受到四組大小相等、方向相反的力的作用，在這種情況下，支座是不會產(chǎn)生向任一個方向位移的，由此得到兩個重要結(jié)論其一，沒有沖擊力傳遞到位于支座中心位置并與支座固定在一起的輪軸上，自然與輪軸聯(lián)為一體的車體也沒有受到?jīng)_擊力的作用；其二，支座彈簧支承面成為圓形壓縮彈簧的固定端，而彈簧另一端的輪身彈簧支承面為活動端。因此，彈簧有了固定端，在活動端受力時，使得被支座阻斷去路的力壓縮彈簧作功，完成由力 (作功)能的轉(zhuǎn)化，能量儲存在壓縮了的彈簧內(nèi)。當(dāng)輪路接觸點這次沖擊力作用完了后，在下次沖擊力到來之前，彈簧反撥，釋放出儲存的能量，進行能(作功) 力之間的轉(zhuǎn)化。這時，除震車輪輪箍擴大，但這種擴大趨勢在輪路接觸點受到路面的制約，于是形成合力，此力在輪路接觸點作用到路面上。
至此，除震車輪完成了一次沖擊力的分解，繼而進行力 (作功)能之間雙向轉(zhuǎn)化，形成新合力的過程，它使沖擊力起于輪路接觸點，沖擊力不經(jīng)由車體，又止于輪路接觸點，因而除車輪以外的車輛主體，免受沖擊力的影響，確保了行車安全。
六、除震車輪與現(xiàn)有車輪相比所具有的效果。
現(xiàn)有車輪是傳遞沖擊力的導(dǎo)體，這是眾所周知的事實，除震車輪阻斷沖擊力像在現(xiàn)有車輪內(nèi)那樣的傳遞途徑，使之調(diào)頭返回路面，
從而保護了車體不受沖擊力的危害，這是除震車輪的特有功能。對此，上述作了論證，下面從物體受力其重心移動特征的角度上，作進一步的討論。
我們知道，表明一個物體受力與否，要看這個物體的重心位置是否有所改變。從嚴格的物理意義上講，即使對一個質(zhì)量極大的物體，施加一個極其微小的力作用于其上，這個物體也會產(chǎn)生微小的變形，其重心也會產(chǎn)生微小的位移。下而對除震車輪和現(xiàn)有車輪在受到?jīng)_擊力作用后，比較一下它們的輪心與車體重心的相對距離變化情況，驗證除震車輪的除震功能。
附圖6，是現(xiàn)有車輪和除震車輪在沖擊力作用下，它們輪心位置變化示意圖。
橫座標(biāo)OT軸，既表示時間，也表示車輪輪心在運行中未受沖擊力作用時所處位置?？v座標(biāo)表示車輪在沖擊力作用下輪心的偏移量。顯然，車輛重心位置高于車輪輪心位置，則位于OT軸上方的某處。
圖中，A0-A1-A2-A3(不考慮車輛減震彈簧的影響，下同)和B0-B1-B2-B3分別表示現(xiàn)有車輪和除震車輪各自受到一次沖擊力作用，從受力時起至該次沖擊力作用完了時止的兩車輪輪心位移變化軌跡線。
現(xiàn)有車輪受沖擊力作用輪心位移軌跡線，位于OT軸上部，這是由于現(xiàn)有車輪是剛體，在受到?jīng)_擊力作用時，車輪輪心向位于它上方的車輛重心靠攏，輪心與車輛重心的相對距離縮短，此時，車體受到由車輪傳過來的沖擊力沖擊，產(chǎn)生震動、搖晃。作用于車輪的沖擊力越大，兩心間的相對距離縮短量也越大，車體受到的沖擊力的沖擊也越嚴重。
現(xiàn)有車輪輪心位移軌跡線A0-A1-A2-A3的A0-A1段變化較緩，因在這個階段，車輪輪胎受壓，是彈性變化過程。雖則是彈化變化，但整個車輪是剛體，車輪輪心還是向車輛重心靠攏。隨著輪胎受壓力增大，胎內(nèi)氣壓壓強也越來越高，輪心位移至A1時，整個車輪變?yōu)橥耆膭傮w，A1-A2以較大的坡度變化著，直至沖擊力作用完了到A2點時止，接著，車輪下落，輪心迅速回落到OT軸的A3點。
沖擊力作用在除震車輪上，情況就不同了，此時車輪輪心位移軌跡線是B0-B1-B2-B3。其中的B0-B1段表示沖擊力作用的初始時，輪心位移稍有向車輛重心靠攏，除震車輪內(nèi)各部件之間存在靜摩擦阻力，在靜摩阻力范圍內(nèi)，可視這一瞬間的除震車輪是剛體。但靜摩擦阻力是很小的，可忽略不計?？朔o摩擦阻力后，彈性結(jié)構(gòu)體的除震車輪輪心位移軌跡線是B1-B2-B3，它的意義表明在沖擊力繼續(xù)作用下，除震車輪的彈簧被壓縮，輪徑縮短，輪心下移向地面靠攏，與此同時，車輛重心也同步等量下移，車輪輪心與車輛重心相對距離沒有改變，兩心間沒有任何力的傳遞關(guān)系。車輪彈簧反撥時的變化情況，兩心間的關(guān)系也遵循此規(guī)律。
這種情況表明，除震車輪消除了沖擊力對車輛的沖擊，使車輛避免震動、免受破壞，如此優(yōu)異的除震功能是由除震車輪的屬性所決定的。
除震車輪還有一個顯著的優(yōu)點在對運行中的車輛進行制動方面，使用除震車輪時，既保行車安全又高效。
以對鐵路列車進行緊急制動為例。在對列車進行緊急制動時，一個較大的總閘瓦壓力加于車輪輪面上，由于除震車輪是彈性結(jié)構(gòu)體，在閘瓦壓力作用下，車輪內(nèi)的彈簧逐漸被壓縮，閘瓦壓力轉(zhuǎn)化為對車輪的制動力，也是一個由小到大的漸變過程，而不像現(xiàn)有車輪那樣是一個突然的加力。假如對兩種車輪一次施加同樣大小的制動力，加力時間一樣長短，那么效果就很不一樣。對于除震車輪來說，無論一次加力多大、時間多短暫，作用到車輪上的制動力是由弱到強、由小到大的過程，在這個過程中，列車高速運行所具有的強大動能，相應(yīng)地被逐漸克服，列車的瞬時運行速度隨著制動力由小到大的變化，也逐漸由高到低地降下來。當(dāng)制動力最終使車輪停止轉(zhuǎn)動，列車的運行速度已經(jīng)降低到安全范圍內(nèi)了或接近安全速度了，列車的慣性力大大減弱，因而緊急制動可能造成的損失程度大大降低，從而確保了行車安全。在相同情況下，對現(xiàn)有車輪進行緊急制動，一次加力太大，列車動能得不到克服，車輪就停止轉(zhuǎn)動，相當(dāng)大的車輪滑動摩擦阻力，使列車受到極大的沖擊，以至造成行車事故。
除震車輪在鐵路列車制動方面的優(yōu)越性能。做到在確保行車安全的前提下，適應(yīng)增加制動力度的實際需要，因而提高了鐵路列車制動效率，滿足鐵路部門提高列車運行速度的客觀需要。對其他車輛使用除震車輪，在這方面也會產(chǎn)生相同效果。
七、附圖及


圖1 除震車輪結(jié)構(gòu)面說明 1-輪箍塊2-彈簧 3-支座 4-輪軸圖2 輪箍塊圖面說明 1-輪翼 2-輪身 3-彈簧定位桿銜接孔4-輪身中心線 5-輪翼尾鉤圖3 輪箍塊俯視4 支座圖面說明 1-彈簧定位桿 2-彈簧定位中心線3-彈簧支座 4-輪軸圖5 除震車輪受力分析面說明 1-輪翼外弧面 2-輪翼內(nèi)弧面 3-輪翼伸縮槽4-輪翼與輪身搭接弧面5-輪身彈簧支承面6-支座彈簧支承面7-輪身中心線圓心夾角角平分線8-輪翼內(nèi)弧面圓心9-輪身中心線圓心夾角10-輪翼外弧面圓心11-車輪輪心圖6 現(xiàn)有車輪和除震車輪受沖擊力作用輪心位移狀況與車輛重心相對距離變化的比較、分析沖擊力對車輛影響示意圖。圖面說明 折線A0-A1-A2-A3表示現(xiàn)有車輪受到?jīng)_擊力作用時其車輪輪心位移變化軌跡線。
折線B0-B1-B2-B3表示除震車輪受到?jīng)_擊力作用時其車輪輪心位移變化軌跡線。八、實現(xiàn)除震車輪的方案除震車輪可應(yīng)用在各種車輛上，如用作自行車、摩托車、汽車、鐵路車輛的車輪，也可用作飛機的起降輪，等等。除震車輪可設(shè)計成如附圖1那種有八個輪箍塊所組成的車輪，也可根據(jù)不同車種、不同輪載荷量需要以及不同輪徑設(shè)計成少于或多于八個偶數(shù)個輪箍塊的除震車輪。
從廣義上講，除震車輪實際是使運動物體免受沖擊力破壞的保護裝置，是新機械，用來保護受沖擊力沖擊物體的主體免遭破壞，免受震動，所涉及的面很廣，如防止重物墜落時受震動受碰撞，避免手持電動風(fēng)鎬對操作員難以忍受的震動，等等方面，都有待開發(fā)應(yīng)用。
權(quán)利要求
要求保護的主題名稱除震車輪從車輪的功能角度上講，除震車輪具有現(xiàn)有車輪的功能，用作車輛運行的車輪，但除震車輪又是一種新機械，它是由不同部件構(gòu)成的彈性結(jié)構(gòu)體。車輛在不平坦路面上行駛或碰到障礙物時，除震車輪在輪路接觸點能承受由路面作用于輪上的沖擊力，并控制沖擊力在輪內(nèi)的傳遞途徑，保護被沖擊力沖擊的物體—車體—不受沖擊的影響，避免車輛受到有害的震動和破壞。具體地說，除震車輪的技術(shù)特征是首先將作用于除震車輪上的沖擊力，經(jīng)過疏導(dǎo)、分解為在車輪圓平面內(nèi)若干對大小相等、方向相反且都指向輪心的徑向向心分力(輪箍塊)。與此同時，并使各分力實現(xiàn)力 (作功)能雙向轉(zhuǎn)化，扭轉(zhuǎn)力的方向，使各向心力成為背離輪心的離心力(支座)，繼而合成新的合力，在輪路接觸點，此合力仍作用于路面(輪箍塊)。從沖擊力的傳入到傳出的全過程都是在除震車輪內(nèi)完成的，因而車體避開了沖擊力的沖擊，免受沖擊力的破壞作用，確保車輛平穩(wěn)、安全運行。
全文摘要
除震車輪屬于保護被沖擊力沖擊物體避免震動和破壞的技術(shù)設(shè)備。除震車輪用作車輛的車輪，保護行駛中的車輛運行在不平坦的路面上或碰到障礙物時所產(chǎn)生的沖擊力不對車體造成震動和破壞。除震車輪是由不同部件構(gòu)成的彈性結(jié)構(gòu)體，能將承受到的沖擊力經(jīng)過輪內(nèi)機構(gòu)的疏導(dǎo)、分解、重新合成合力，并控制它的傳遞途徑，不經(jīng)過車體而導(dǎo)向路面，從而確保車輛平穩(wěn)運行。除震車輪可用作自行車、摩托車、汽車和鐵路車輛的車輪、飛機起降輪，等等。
文檔編號B60B9/00GK1403309SQ0210269
公開日2003年3月19日 申請日期2002年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月1日
發(fā)明者劉起清 申請人:劉起清