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為負值，彈簧用當量桿表示)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)]是當量彎曲剛度，S＝HEA/D2是當量剪切剛度，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F是拉力時v＝qH，η1＝3(v-tanhv)/v3，η2＝2(1-sechv)/v2，η3＝tanhv/v。當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u＝-π2/4時η＝無窮大徑向失穩(wěn)，當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