專利名稱：輪子的制作方法
本專利涉及輪子，尤其裝配車輛、用金屬彈簧產生彈性的輪子。
通常的輪子如果是實心輪胎，彈性很差；如果是充氣輪胎占據的空間較大。
本專利的目的是提供一種輪子，不充氣時有較好的彈性；充氣時占據較小空間。
本專利的目的是這樣達到的，在可視為絕對剛體的輪輞和輪輻(或輪轂)之間設置了m(＞2)個金屬(鋼)彈簧，它們可使輪子有較好的彈性，并且占據較小的空間。根據本說明書下面用數學和結構力學導出的分圓三角函數周向和的平順性原理(簡稱“平順性原理”)設計的這m個彈簧使輪子有平順性。即輪子行駛不顛簸。由于金屬彈簧無滯后，故滾動阻力小。由于彈簧可以有很大的變形，車輛可以不要懸掛彈簧，彈簧可以是矩形或圓形螺旋拉伸壓縮彈簧，兩端和支承體(輪輞，輪輻或輪轂)固定連接或鉸連。也可以是扭轉彈簧或扭桿彈簧，由于輪胎主要用于產生必要的印痕和接地壓力分布，所以胎高很小，高寬比可以在0.2以下，充氣壓力也可以很低，并且還可以改為充水、油等不可壓縮液體。
本專利具體結構由以下附圖及實例給出。
圖1、輪子A-A剖面圖(參見圖3)。圖2、下面彈簧受拉的輪子。圖3、輪子側視示意圖局部。圖4、螺旋彈簧受軸向力、徑向力、力矩時變形分析。圖5、圖10的A-A剖面。圖6、螺旋彈簧端部的旋套固定。圖7、輪子受側向力的變形。圖8、彈簧桿結構。圖9、輪胎包括若干橫向排列的充氣膠管。圖10、輪子有四個彈簧桿。圖11、彈簧軸線在外端與輪子徑向夾θ角。圖12、使用普通充氣輪胎的輪子。圖13、彈簧桿19在輪子中的變形分析。圖14、扭桿彈簧的設置之一。圖15、扭桿彈簧的設置之二。圖16、扭桿彈簧在輪子中的變形。圖17、橫向排列的膠管之間不充滿膠料。圖18、帶束層23’是硬殼型。圖19、胎體23做成拱型。圖20、接地中心處胎體水平壁與輪輞4相切，間隙28消失。
圖1、3輪子包括m(＝4)個沿輪子徑向設置的金屬(鋼)圓柱(或矩形柱)拉壓螺旋彈簧3，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。內端圈也可直接固連輪轂11。輪輞4可以是可卸的，包括用螺釘8固定的擋圈7。也可以按圖2使輪輞4內徑小于輪輻2外徑。這種結構按后面的計算輪子側向剛度較大。將輪輞4，彈簧3、輪輻2組成的結構叫萬向彈簧(詳見后面)，它占據的空間較小。圖11彈簧(軸線)3也可以在外端與自由狀態的輪子徑向夾θ角。當彈簧端圈直徑不變時，墊圈13可以改為圖6中旋套14，旋套14還可分為兩部分16、17(圖8)。16是旋蓋；17是旋塞。旋蓋和旋塞可以只要其中之一。所述各種端圈附件結構改變后可使端圈和支承體(輪輞等)鉸連。以圖6為例，卸下螺釘9，螺母10，把輪輻2與旋套14彈簧3分開。然后把螺釘9螺母10反向(螺釘頭放在旋套14內)擰緊在旋套上，并使螺釘9延伸一段增長桿21(見圖8)，當桿21用銷子15與支承體鉸連時，端圈即與該支承體鉸連。兩端圈都可以鉸連各自的支承體，當彈簧高徑比大時，兩螺釘9的頭部可延伸為導向筒和導向桿18。彈簧與帶兩延伸桿21的端圈附件一起叫做彈簧桿19(圖8)。兩銷子中心距l叫彈簧桿的長。圖10是四個彈簧桿19鉸連在輪輞4輪輻2之間的輪子。圖1的彈簧3也可將一端改為鉸連的。輪子上的m個兩端鉸連的彈簧桿19也可以改為m個扭簧件(圖14、15)。扭簧件是臂24長為lsinθ6的扭轉螺旋彈簧(或扭桿彈簧)與長為lcosθ6的連桿26組成的，連桿26一端鉸連輪輞4，另一端鉸連扭簧本體25(圖14)或臂24(圖15)，圖14中的扭簧臂24再鉸連輪輻2。圖15中的扭簧本體25鉸連輪輻2(即扭桿軸線位置相對輪輻2是固定的。扭桿兩端都鉸連在輪輻2上)。連桿26在外端與輪子徑向夾θ角(圖16)。必要時可以有輔助機構使扭桿不受或少受彎矩，只受扭矩。扭桿斷面可以是圓形矩形或疊片，疊片的有阻尼作用。對于全部所述的萬向彈性元件都可以在輪輞與輪輻間設置阻尼。下面對萬向彈簧(也是一種輪子)作計算分析。
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4，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。H是工作高度，Ho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’＝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生的轉角λ，剪切產生的截面相對桿中心線的轉角φ，設截面距下端距離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；F＜0時是虛數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|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，都是實變函數，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)+FsHη3/S+MH2ξ2/(2B)，γ＝-FrH2ξ2/(2B)-MHη3/B。令u＝q2H2，當u＝-π2/4時η＝無窮大徑向失穩，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。可見η是軸力F對變形的影響。將(2)式對Fr，M解出有。Fr＝2B[Δ(1+μ)HD2]-1(2+μ)(fsη3-0.5γHξ2)，M＝2(2+μ)B[Δ(1+μ)HD2]-1{[H2ξ1/3+0.25(2+μ)-1D2η3]γ-0.5frHξ2}。其中Δ＝2(2+μ)(1+μ)-1(H/D)2(ξ1η3/3-0.25ξ22)+0.5(1+μ)-1η32。代入B＝[32Dn(2+μ)]-1HEd4＝0.5(2+μ)-1HD2F’(1+μ)，S＝(8D3n)-1HEd4＝2(1+μ)HF’，E＝2(1+μ)G。并令f1＝f/H0，a1＝1-0.5(1+μ)-1，a2＝0.5(1+μ)-1，a3＝2(1+μ)-1(2+μ)。可以把軸力F變換為軸向變形率f1。如(qH)2＝a3(Ho/D)2f1(1+a1f1)，H(1-F/S)＝Ho(1+a1f1)，Δ＝a3(Ho/D)2[3-1(1+f1)(1+a1f1)η1η3-0.25(1+a1f1)2ξ22]+a2η32，F＝F’Hof1，Fr＝F’[g3fr-0.5Ho(1+a1f1)g2γ]，M＝F’{[3-1(1+f1)(1+a1f1)g1Ho2+a3-1a2D2g3]γ-0.5Ho(1+a1f1)g2fr}。其中g3＝Δ-1η3，g1＝Δ-1η1，g2＝Δ-1η2。...。(3)現在用這些來計算圖3的輪子，接地部位受法向力Q，水平力Qφ.φ＝tanθ′是牽引系數。載荷下，視為剛體的輪輞4沿β角移動距離h，中心到達O′點，并轉動γ角。立固定坐標系ZO′Y，Z軸重合OO′。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.R為彈簧外端到輪輞4中心的距離。則彈簧i外端有軸向變形fi＝hcosαi，徑向變形fri＝Rγ+hsinαi，角變形γi＝γ...。(4)這些變形在彈簧外端按(3)式產生軸向力Fi，徑向力Fri，力矩Mi，取它們在Z軸，Y軸上的投影及對O′之矩。再對i＝1到m求和，稱為周向和，用∑m表示，應等于外力Q，φQ相應的投影及力矩。即平衡方程∑m(Ficosαi+Frisinαi)＝Qcosβ-φQsinβ，∑m(-Fisinαi+Fricosαi)＝Qsinβ+φQcosβ，∑m(FriR+Mi)＝φQR。變換式(4)使與fI有關的量g(泛指gi等)，Δ等變成與角α有關，是α的函數。在α＝αi時其函數值記為gi。Δi等。整理后平衡方程為。F′b1+F′γb2＝(1+φ2)0.5Qsin(β+θ′)，F′b3+F′γb4＝(1+φ2)0.5Qcos(β+θ′)，F′b5+F′γb6＝φQR。其中h1＝h/H0，b1＝∑m
，b2＝∑m{cosαi[Rg3i-0.5H0(1+a1h1cosαi)g2i]}，b3＝∑m[H0h1(cos2αi+g3isin2αi)]，b4＝∑m{sinαi[Rg3i-0.5H0(1+a1h1cosαi)g2i]}，b5＝∑m{H0h1sinαi[g3iR-0.5H0(1+a1h1cosαi)g2i]}，b6＝∑m{-H0(1+a1h1cosαi)g2iR+3-1H2o(1+h1cosαi)(1+a1h1cosαi)g1i+(R2+a2D2/a3)g3i}...(5a)此方程可對β，γ，F′解出，β＝arcsin[d1/(d22+d23)0.5]-arcsin[d3/(d22+d23)0.5]，F′＝φQRd4/d1，γ＝(d1-b4d5)/(b6d4)。其中d1＝φR(b2b3-b1b4)，d2＝[b3b6-b2b5+φ(b1b6-b2b5)]，d3＝φ(b3b6-b4b5)-(b1b6-b2b5)，d4＝b2(cosβ-φsinβ)-b4(sinβ+φcosβ)...(5)。解出的β，γ，F′都是α的函數。α的區間為
。任取一個這樣的函數，如γ，令γ0＝γ|α＝0，γ在區間的最大偏移記為max|γ-γ0|，則最大相對偏移δ＝γ0-1max|γ-γ0|。當δ小于給定的δ0時輪子有平順性。設計時可以預給H0，D，f1，m等參數，由(5)式計算β，γ，F′，如果它們的相對偏移不全部小于δ0就全部或部分修改預給數(如增大彈簧數m)直到全部小于δ0。
下面是近似方法，取函數η1＝η2＝η3＝η，于是g1＝g2＝g3＝g＝η3-1[3-1a3(1+f1)(1+a1f1)y-0.25a3(1+a1f1)2y+a2]-1。其中y＝(H0/D)2...(8a)。再令e＝a3y/12+a2，c＝a3y(2-a1)/(6e)。于是g＝[e(1+cf1)η3]-1...(8b)由(1)式，其中η3-1＝(qH)ctgh(qH)＝1+u/3+u2/45+2u3/945+...。在|u|＜π2/4時收斂，可以只取3項。(1+cf1)-1＝1-(cf1)+(cf1)2...收斂條件是|f1|＜c-1。令w＝a3y，將u＝wf1(1+f1)和兩個級數代入(8b)式，并令a4＝[c2-(wc)/3+(wa1)/3+w2/45]。有g＝e-1[1-(c-w/3)f1+a4f12+...+(-1)ncn-2a4f1n+...]，...。(8)。級數(8)取的項數是由預給的數據及誤差要求決定的。為簡單起見，以取2項為例。即g＝e-1+a5f1，其中a5＝e-1(w/3-c)。g是f1的多項式。代入式(4)和(5a)后∑m求和就是對t次三角函數多項式求和。利用變換sin2α＝1-cos2α知其一般項為cosnαi，sinαicosn-1αi，n＜t。下面指出，當m＞t時∑m(sinαicosnαi)＝0。n為奇數時∑m(cosnαi)＝0；n為偶數時∑m(cosnαi)＝常數。如∑m(cos2αi)＝m/2。都與α無關。因而由(5a)算出的b(bi等)偏移為零。因為cosnαi等可以經積化和差化為倍角函數coskαi，sinkαi(k小于n+1)的一次冪。而∑m(sinnαi)，∑m(cosnαi)，n＜m，除了∑m(cos0αi)＝m其余都為零。理由是，當n＝1時∑m(sinαi)，∑m(cosαi)是m等分單位圓的m個半徑矢量之和在縱橫坐標軸上的投影，故為零。當n＞1時，設m，n有最大公約數p(可以為1)，m＝pq，∑m(cosnαi)＝p∑q(cosαj)，和式∑q(cosαj)是原m個矢量中q等分圓的q個矢量。故∑m(cosnαi)＝0。同理∑m(sinnαi)＝0。把sinnαi，cosnαi，i＝1...m，n＜m叫分圓三角函數，這種性質叫做分圓三角函數的周向和的平順性。簡稱平順性原理。據此m＞3時(5a)中的b1＝b4＝b5＝0。b2＝mh1
，b3＝0.5mH0h1(1+e-1)，b6＝me-1[-H0R+3-1H02+R2+a2D2/a3]。解出β＝-θ′。表示O′點在Q，φQ的合力方向上。F′＝2(1+φ2)0.5Q/[mH0h1(1+e-1)]...。(10)，γ＝φhe(1+e-1)/[2Rd5]...。(11)其中d5＝1-H0/R+3-1(H0/R)2+(D/R)2a2/a3。代入F′＝Gd4/(8D3n)，輪子的徑向剛度為mGd4(1+e-1)/(16D3n)，切向剛度為φQ/(Rγ)＝mGd4d5e-1/(8D3n)，側向剛度為mGd4(e-1-0.5a5h1)/(8D3n)。(圖2的輪子側向剛度為mGd4(e-1+0.5a5h1)/(8D3n))。可見各個剛度都與e-1有關，而e-1是隨彈簧的高徑比y減小而增加的，故用做輪子的彈簧高徑比不能太大。Q是滿載負荷，令Q0＝Q/m。彈簧的安全系數應考慮制動，交變應力等。由于交變應力有較大安全系數，制動可以不再考慮。最大切應力在圖1彈簧下端內側，產生該應力的扭矩估算為Q0d6。其中d6＝(1+e-1)-1
。強度條件為τmax＝16Kd6Q0/(πd3)＜[τ]...。(12)具體設計時預給數據D，d，Ho，h1，n，R，其中H0＞nd+h，算出y，w，c，e，a4，a5，d5，d6，等，并檢驗|u|＜π2/4。確定g的展開式(8)式應取的項數t，然后代入由(10)式推導的公式Q0＝Q/m＝Gd4h(1+e-1)/(16D3n)。將結果代入(12)式進行強度校核，若滿足(12)式則包括m(m＞t+1)個這種彈簧的輪子成為輪子的一個系列，它們的額定負荷為mQo。下沉量都是h，當m較大時，m個彈簧也可以排列成2個或多個周向圈。不同的彈簧及不同的下沉量h可以有不同的輪子系列，不同的系列中的兩個輪子可以有相同的負荷。
例H0＝D＝70mm，d＝9mm，n＝4，h＝23mm，R＝350mm，φ＝0.3，[τ]＝0.4σb＝680MPa。設計過程，1，|u|＜π2/4。e＝0.679。d5＝θ.81。d6＝62.3mm。D/d＝7.78。K＝1.13。Q0＝1360N。τmaxa＝669MPa＜[τ]。當m＝4時，Q＝5440N，m＝8時，Q＝10880N。
當彈簧外端與徑向夾θ角(圖11)時，相應的(4)式應為fi＝Rγsinθ+hcosαi，fri＝Rγcosθ+hsinαi，γi＝γ然后用相同的方法可得設計公式。當彈簧外端與輪輞4鉸連(參見圖5)時，只要令圖4中的力矩M＝0，相同的推導可得設計公式。當彈簧軸向剛度F′與f1有關時，F′是f1的冪級數，取有限項后也可以用平順性原理推導公式。當彈簧兩端都鉸連在支承體上且外端與徑向夾θ角，彈簧的變形及公式推導為圖13，輪輞4的受力及坐標軸ZO′Y的設立與圖3相同。彈簧桿(長度l)19外端沿輪子的切線方向與Y軸(水平)夾α角，(這里彈簧桿19及α都應有下標i，為了敘述簡潔，暫不加i，到∑m求和時再加)。加載后外端有切向位移t＝Rγ，Z向位移h，變成長l1的虛線19′，可以認為先切向變形為長度u，再Z向變形為l1，θ1為u和切向，θ2為u和Z向夾角。θ3為l1和Z向夾角。由圖，u2＝l2+t2-2ltsinθ，ucosθ1＝t-lsinθ，sinθ2＝-cos(θ1+α)，l12＝u2+h2+2uhsin(θ1+α)，l1sinθ3＝usinθ2，l1cosθ3＝h-ucosθ2，cos(θ3+0.5π-α)＝-sin(θ3-α)。參照前面的記號有平衡方程。∑m[F′(l1i-l)sinθ3i＝-F′∑m[(l1i-1)l1i-1ucos(θ1+αi)]＝(1+φ2)0.5Qsin(β+θ′)。∑m[F′(l1i-1)cosθ3i]＝F′∑m{(l1i-1)l1i-1[h+usin(θ1+αi)]]＝(1+φ2)0.5Qcos(β+θ′)。∑m[F′(l1i-1)Rcos(θ3i+0.57π-αi)]＝∑m{F′(l1i-1)l1i-1[hsin(θ1+αi)cosθ1-hcos(θ1+αi)sinθ1+ucosθ1]}＝φQR。其中的(l1i-l)l1i-1＝1-ll1i-1＝1-(u2+h2)-0.5[1-0.5a+0.375a2...。]，a＝2uh(u2+h2)-1sin(θ1+αi)....。(8′)。當括號中級數取t項滿足誤差要求時。根據平順原理設計的輪子應當m＞t。由于l比h，t大的多，故可取2項。于是m＞2。此時解出β＝-θ′。Qo＝Gd4h(8Dn3)-1[2(1+φ2)0.5+φh/(lsinθ)]-1...。(10′)。t＝8φQ0D3n/(Gd4sin2θ)...。(11′)有類似的設計過程。1、預給數據D，H0，n.h，Q，l。由(10’)求出Q0，進行強度校核。τmax＝8KDQo(πd3)-1＜[τ]。若滿足強度條件。即有系列輪子，m＝3，4，...由(11’)式知θ＝0時，t＝無窮大，故應該θ不等于0。反過來可以根據預給的輪子切向剛度求θ角。(10’)中θ改為-θ后，Qo不同，說明輪子前進，后退時徑向剛度不同，如要求前進后退徑向剛度相同，可以設置m＝2k個彈簧桿19，其中k個取θ角，另外k個取-θ角，此時Qo＝Gd4h/16D3n(1+φ2)0.5]。(當θ＝π/4時(圖10)，若取(1+φ2)0.5＝1，有徑向切向剛度相等，即Q/h＝φQ/t＝Gd4/(16D3n)，最小的m＝4)。圖16是扭桿彈簧輪子變形及推導圖。扭桿25的軸線固定在輪輻2上，即扭桿的兩端都鉸連輪輻2。長為lsinθ6的扭桿臂24經長lcosθ6的連桿26與輪輞4相連。自由狀態時臂24垂直連桿26。連桿26與Z軸夾α角，在外端與輪子徑向夾θ角。加載后連桿26外端有沿輪子切向位移t，Z向位移h，使臂24轉動角度θ4＝(tsinθ6+hcosα)/(lsinθ6)。連桿26轉動角度θ5＝(tcosθ6-hsinα)/(lcosθ6)。角θ4使扭桿產生扭距GJpθ4/L，其中Jp，L為扭桿極慣矩和有效長，令a＝θ4-θ5＝(h/l)(sinα/cosθ6+cosα/sinθ6)，連桿26受力F＝GJpθ4/(Llsinθ6cosa)，令b＝θ5有下面三個有用的sinα，cosα的冪級數。cos-1a＝1+0.5a2+(5/24)a4+....，sinθ5＝b-b3/6+b5/120....，cosθ5＝1-0.5b2+b4/24....(8″)。因為連桿26與Z軸和徑向的夾角變為α-θ5，θ-θ5，所以，令a7＝GJp/(Llsinθ6)后平衡方程為∑m[Fisin(αi-θ5i)]＝a7∑m{θ4icos-1aisin(αi-θ5i)}＝(1+φ2)0.5Qsin(β+θ′)。∑m[Ficos(αi-θ5i)]＝a7∑m{θ4icos-1aicos(αi-θ5i)}＝(1+φ2)0.5Qcos(β+θ′)，∑m[Fisin(θ-θ5i)R]＝a7∑m{θ4icos-1aisin(θ-θ5i)R}＝φQR。平衡方程中的下列因子可展開，sin(α-θ5)＝sinαcosθ5-cosαsinθ5，cos(α-θ5)＝cosαcosθ5+sinαsinθ5，sin(θ-θ5)＝sinθcosθ5-cosθsinθ5根據誤差要求將(8”)中的三個級數各取有限項代入此三式，再將此三式代入平衡方程就可以應用分圓三角函數的平順原理決定m的取值。作為例子為簡便起見取cosa＝1，cosθ5＝1，sinθ5＝0。于是解出β＝-θ′，h＝2(1+φ2)0.5QLl2sinθ6/(mGJp)...。(10″)，t＝φQLl2sin2θ6/(mGJpsinθ)...。(11″)設計過程同前。這里m＞2。圖11，13，16中的θ角可以用來調節輪子徑向與切向剛度比值，即在徑向剛性很小時保持切向剛性不太小。
以上都是不計輪輞4變形導出的公式，計及輪輞4變形時，也可以用類似的原理(或試驗)給出彈簧的設計方法，叫一般平順性原理。
萬向彈簧和輪胎5相連可以產生必要的印痕和接地壓力分布。串聯(圖1、9、17、19)時，輪胎著合在輪輞4上；并聯時(圖12、18)設置在普通充氣輪胎5內，上面和胎體間有間隙28。可以降低充氣壓力，因為萬向彈簧有附加彈性作用，及泄氣保用作用。普通充氣輪胎的擋圈，鎖圈把輪輻2和胎圈一起固定在主輪輞22上。圖1充氣輪胎是用柔軟補強層23制作的斷面扁平圓環形殼，殼的上壁受周向拉力較大，附加帶束層23’。實際上圖1輪胎是一種約束因素Fr很大的子午線輪胎。胎體做成圓環形殼是為了避免出現薄弱的胎圈。圖1中帶束層23’和胎體23粘連一體，為了避免出現薄弱的胎肩，也可以做成分體的，即和帶束層23’粘連的胎面5是可卸的活胎面。可卸的活胎面也可以看作外胎，圓環形殼23看作帶補強的內胎。這些論述可以用來改進現有的子午線輪胎。即1、在輪輞和輪輻(或輪轂)間設置彈簧3，增加不平路面行駛的舒適性。2、胎體做成圓環形殼(斷面圖上胎體是封閉的)。3、把圓環形殼的胎體和帶束層胎面分體，作為帶補強層的內胎。可以簡化工藝；且具有無內胎輪胎的優點。也可以把帶束層下面的胎體23改為若干個并列的小胎體，每個小胎體是一膠管環23(圖17)可以減小子午線輪胎的約束因素Fr。若干個膠管環23也可以是一根長膠管在輪輞上螺旋形纏繞而成。也可以把膠管做成基本圓形(圖9)，和胎面間有或沒有緩沖層。膠管補強層受力小，可降低成本，還有泄氣保用性。大小氣室都可改充水油等液體。相鄰膠管間可以如圖9充滿膠料或如圖17不充滿膠料。考慮到圖1、9、17、胎側撓曲較大，可以把胎體23做成拱型(參見圖19)，使接地處撓度不全由胎側產生。并聯時(圖12)為發揮萬向彈簧作用，應降低充氣壓力，為使氣壓降低后接地壓力分布不變可以增大帶束層23’在周向平面內的彎曲剛度Iy(如在鋼絲簾布帶束層間填硬質膠料增加帶束層總厚度，叫加厚的)。極端情況時氣壓降為零，成為免充氣輪胎。此時帶束層23’(圖18)可以是固態高模量材料(金屬，塑料，常用鋼)做成的環帶或環殼(簡稱硬殼型)。徑向位置用胎體簾布鋼絲或類似的結構約束(詳細可參見專利US4111249中的部件34或CN2251501中的剛襯4)。必要時外粘硬質膠層27使剛度連續過渡。粘或襯在胎體23內側(也可外側)。徑向負荷下因胎體3和輪輞4的約束，像板彈簧那樣產生彎曲變形(圖20實線帶束層23’)貼合地面29，中心部分落入輪輞4(圖18虛線)的槽內，使間隙28消失，萬向彈簧變形。圖20帶束層23’的平直部分像墊板那樣使接地壓力面加大，并不需要很大的Iy。遇到小障礙時平直部分彎曲成虛線23’，并將輪輞4頂到虛線位置，(圖20)，而有包絡(包容)性。因為變形到圖20狀態的彈簧環23’在接地中點處徑向剛度已經變小以及氣壓為零，可推斷所述包容性不比普通充氣輪胎(斜交或子午線)差。此外由于零氣壓胎體23簾線受力比普通充氣輪胎降低60％以上，故胎體可以很薄，從而扁平比可減小，也適用于串聯結構(圖1，此時間隙28可以不消失)。對圖1串聯時的結構也有類似的描述，在不變的徑向負荷下，較大的氣壓可維持胎體上下壁分開使負荷全全部通過串聯的空氣彈簧胎體。相當于普通充氣輪胎，故扁平比不能太小，萬向彈簧的作用是增加普通輪胎的彈性。隨著氣壓降低，但不為零，由圖20，接地中心處胎體水平壁與輪輞4相切，間隙28消失。因而充氣胎體不再起彈性作用，但在切點前后部分仍有氣壓產生必要的接地壓力。由于氣壓低扁平比可以小，胎體可以薄使包容性好，因而輪胎能正常工作。免充氣輪胎也可用硬質塑料或鋼薄壁環(硬殼型)做胎體23著合在輪輞4(圖19)或主輪輞22上。環殼23兩邊圈(也叫胎圈)靜配合在輪輞上，產生切向剛度，負荷下殼體在斷面內彎曲變形(虛線)。此外串聯免充氣輪胎還可以是實心輪胎，包括普通實心輪胎；或用拉伸強度大的(如聚氨酯橡膠)橡膠做成有中間空腔的，或沒有空腔但發泡海綿狀的以增加印痕面積的實心輪胎。或者有大致如圖12(充氣輪胎)的形狀但無補強簾線，胎壁較厚且較硬，叫橡膠型胎體或橡膠型帶束層，總括起來除圖1、9、17以外與萬向彈簧串聯或并聯的輪胎有普通充氣(子午線，斜交帶束斜交)或免充氣輪胎，以及具有充氣輪胎形狀的充氣或免充氣輪胎，其帶束層23’，胎體23的之一或之二是橡膠型，簾布型或硬殼型。
下面是對前文的幾點補充。1；第4頁(12)式中的K是曲度修正系數。2；在圖6和圖8中，當旋蓋16旋塞17旋套14上的螺距與彈簧3的螺距不等時也可以不要螺母10。3；圖1及圖6圖8中的螺釘9也可以和彈簧3一體，即是灘簧3簧絲延伸并在上面加工出螺紋，這時可以不要旋蓋16旋塞17旋套14及墊圈13，只要螺母10就能將彈簧3固定在輪輞4上。4；各種萬向彈簧滾動工作時，拉壓彈簧3受對稱循環交變軸向力，扭簧件受對稱循環交變扭矩。可以用改變彈簧3自由高度(因之高徑比改變)等方法使每個彈簧3都有相同的初內力(既不受載自由狀態下已有軸向內力)。用改變扭簧件尺寸1等方法使每個扭簧件都有相同的初扭矩。這樣原來的對稱循環交變軸向力就成為非對稱或脈動循環交變力。
權利要求
1.一種輪子，包括輪轂、輪輞(4)，其特征是在輪轂和輪輞(4)之間設置了m個金屬彈簧(3)。
2.根據權利要求1所述的輪子，其特征是所述彈簧數m是按照分圓三角函數周向和的平順性原理或一般平順性原理設置的。
3.根據權利要求2所述的輪子，其特征是所述彈簧是矩形或圓柱形螺旋拉伸壓縮彈簧，簧絲斷面圓形或矩形，一個端圈和輪輞固定或鉸連接，另一端圈和輪輻固定或鉸連接，自由狀態時彈簧軸線在外端與輪子徑向夾θ角，θ＝0或θ≠0。
4.根據權利要求3所述的輪子，其特征是彈簧端部附件包括螺釘(9)，螺母以及墊圈，旋套，旋蓋，旋塞的之一或之二；螺釘(9)的螺釘頭一端延伸或不延伸為導向筒或導向桿(18)，另一端延伸或不延伸為帶銷孔的桿(21)。
5.根據權利要求2所述的輪子，其特征是所述彈簧是扭轉螺旋彈簧或扭桿彈簧，它們通過連桿(26)與輪輞4相連；自由狀態時連桿(26)在外端與輪子徑向夾θ角，θ＝0或θ≠0；具體設置為下列二者之一，一、臂(24)鉸鏈輪輻或輪轂，扭簧或扭桿本體用連桿(26)與輪輞(4)相連；二、扭簧或扭桿軸線固定在輪輻或輪轂上，臂(24)用連桿(26)和輪輞(4)相連。
6.根據權利要求1～5之一所述的輪子，其特征是包括所述輪輞(4)彈簧(3)的萬向彈簧，串聯下列免充氣輪胎之一一、實心輪胎；二、聚氨酯橡膠實心輪胎，中間有空腔；三、聚氨酯發泡海綿橡膠填充體。
7.根據權利要求1～5之一所述的輪子，其特征是包括所述輪輞(4)彈簧(3)的萬向彈簧，串聯充氣或液體的輪胎，結構為下列之一一、包括一個粘連帶束層(23’)的胎面，帶束層(23’)胎體(23)分體或一體，胎體(23)是一柔軟補強層做的扁平圓環形殼或若干個膠管，相鄰膠管間充滿或不充滿膠料；二、包括胎面和它下面的若干并列膠管，二者之間有或沒有緩沖層，相鄰膠管間充滿或不充滿膠料。
8.根據權利要求1～5之一所述的輪子，其特征是包括所述輪輞(4)彈簧(3)的萬向彈簧，串聯或并聯具有充氣輪胎形狀的下列輪胎之一，1、充氣輪胎，帶束層(23’)是加厚的，簾布層或者，鋼環殼或環帶；2免充氣輪胎，其帶束層(23’)胎體(23)的之一或之二是橡膠型，簾布型或硬殼型。
9.根據權利要求1～5之一所述的輪子，其特征是包括所述輪輞(4)彈簧(3)的萬向彈簧，并聯下列充氣輪胎之一，1、子午線；2、斜交；3、帶束斜交。
全文摘要
本發明公開了一種在輪輞和輪輻(或輪轂)間按嚴格分析計算設置m個金屬螺旋拉壓彈簧，螺旋扭轉彈簧或扭桿彈簧的輪子，金屬彈簧系和充氣或免充氣輪胎串聯或并聯，輪胎氣壓較低，包括加厚或鋼環殼做的帶束層，扁平比較小，根據計算和推斷，輪子的平順性，包容性，彈性，滾動阻力，等主要指標都接近或優于充氣輪胎，包括子午線輪胎，但結構工藝簡單，成本低。
文檔編號B60B9/00GK1443661SQ0211098
公開日2003年9月24日 申請日期2002年3月8日 優先權日2002年3月8日
發明者崔世泰 申請人:崔阿年