CN101687432B - 具有圆柱形元件的弹性剪切带及包括该剪切带的车轮 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种剪切带，其可以用作结构性支撑的车轮的一部分。更加特别地，描述了一种剪切带，其由附着在不可延伸构件之间的弹性圆柱形元件构成。在特定实施方案中，该剪切带可以完全或基本上不由弹性材料或基于聚合物的材料构成。可以获得多种实施方案，包括构件之间的圆柱形元件的各种布置，以及圆柱形元件的不同几何形状。

Description

具有圆柱形元件的弹性剪切带及包括该剪切带的车轮

技术领域

本发明涉及一种剪切带，所述剪切带可以用作结构性支撑车轮的一部分。更加特别地，本发明提供了一种剪切带，该剪切带由弹性圆柱形元件构成，所述元件附着在圆周构件之间。在特定实施方案中，该剪切带可以完全或基本上不由弹性材料或基于聚合物的材料构成，这就使其能够在极端环境中应用。 

背景技术

以前已经描述了将结构元件用于在无需空气压力的轮胎中提供负载支撑。例如，美国专利第6,769,465号提供了一种弹性轮胎，其在没有内部空气压力的情况下支撑负载。这种轮胎包括地面接触胎面部分、增强环状构件以及侧壁部分，所述侧壁部分从胎面部分而向内径向延伸。通过进一步的例子，美国专利第7,201,194号提供了一种结构性支撑的非充气轮胎，其包括接触地面的胎面部分、增强环状元件以及多个轮辐，所述增强环状元件径向布置于胎面部分之内，所述多个轮辐从增强环状元件横向越过并且径向向内延伸，并且锚固在车轮或轮毂中。对于这些参考文献中的每一篇文献，所描述的构造都特别地适合于包括橡胶和其它聚合材料的弹性材料的使用。然而，这种材料的使用具有特定的限制。例如，极端温度水平和大的温度波动会使得这种弹性材料不再适合于特定应用。因此，能够整体或者部分由非弹性材料制成的构造将会是有利的。并且，由例如基于碳的元件的材料制成的构造也可以导致减轻的重量和较低的材料成本。本发明特定例示性实施方案提供了这些优点以及其它优点。 

发明内容

本发明的目标和优点将在以下的描述中部分地进行说明，或者说根据以下描述本发明的目标和优点可以是显而易见的，或者说 通过实施本发明可以认识到本发明的目标和优点。 

在本发明的一个例示性实施方案中，提供了一种剪切带，其限定了轴向、径向和圆周方向。该剪切带包括沿着圆周方向延伸的外部构件、沿着圆周方向延伸的内部构件以及多个弹性圆柱形元件，所述多个弹性圆柱形元件与外部构件和内部构件连接并且每一个都沿着径向方向在构件之间延伸。可以对构件之间的圆柱形元件的布置进行改变。例如，在一种变化形式中，圆柱形元件被布置为沿着轴向方向的多个重叠的行。重叠的行在外部和内部不可延伸构件之间关于圆周方向定位。在另一种变化形式中，圆柱形元件被布置为一系列轴向对齐的不重叠的行，并且在构件之间关于圆周方向定位。圆柱形元件可以被构造为圆形形状；然而，也可以使用椭圆形或长方形的构造。 

每个圆柱形元件都限定了轴线。圆柱形元件的轴线可以以平行于剪切带轴向方向的方式布置，或者圆柱形元件可以以不平行的定向而布置。圆柱形元件可以直接附着至外部构件和内部构件，或者可以附着至依次与外部构件和内部构件连接的其它部件。更加特别地，可以使用各种不同的装置来将圆柱形元件连接至外部和内部不可延伸构件。内部和外部不可延伸构件以及圆柱形元件可以由各种不同材料构造。可以使用传统弹性材料和基于聚合物的材料。此外，本发明允许应用各种其它材料，例如包括金属和/或基于碳纤维的材料。 

在另一例示性实施方案中，本发明提供了一种车轮，所述车轮限定了轴向、径向和圆周方向。该车轮包括轮毂、剪切带以及多个支撑元件，所述多个支撑元件连接在轮毂和剪切带之间。剪切带包括外部圆周构件和内部圆周构件，所述外部圆周构件在径向位置R₂沿着圆周方向延伸，所述内部圆周构件在径向位置R₁沿着圆周方向延伸。R₁与R₂的比率为大约0.8≤(R₁/R₂)＜1。多个基本上圆柱形元件与内部圆周构件和外部圆周构件连接。在特定实施方案中，剪切带具有至少大约百分之50的剪切效率。此外，也可以应用之前描述的其它变化形式。 

参考以下描述和附图，本发明的这些和其它特征、方面和优点将得到更好的理解。合并于此并构成说明书一部分的附图描述了本发明的实施方案，并且和文字描述一起用于解释本发明的原理。 

附图说明

对于本领域普通技术人员来说，在说明书中对于本发明进行了完整而有效的公开，包括其最佳模式，本说明书以附图为参考，其中： 

图1A是本发明的一个例示性实施方案，其包括结合了剪切带的实施方案的非充气车轮。 

图1B是图1A的例示性剪切带的剖面的立体图，在图1A中所示的位置处剖开。 

图2A是本发明的另一个例示性实施方案，其包括合并了剪切带的实施方案的非充气车轮。 

图2B是图2A的例示性剪切带的剖面的立体图，在图2A中所示的位置处剖开。 

图2C是沿着图3A的例示性实施方案的线3-3的剖视图。 

具体实施方式

本发明的目标和优点将在以下的描述中进行说明，或者说根据以下描述本发明的目标和优点可以是显而易见的，或者说通过实施本发明可以认识到本发明的目标和优点。在当前说明书和附图中附图标记的重复使用意在表示本发明的相同或类似的特征或元件。 

图1A中显示了根据本发明的车轮110的例示性实施方案在，车轮110的一部分在图1B中显示。车轮110限定了径向方向R、圆周方向C(图1A)和轴向方向A(图1B)。车轮110包括轮毂120，该轮毂120通过多个支撑元件130连接至剪切带140。剪切带140包括多个圆柱形元件170，所述多个圆柱形元件170围绕剪切带140在圆周方向上隔开。轮毂120提供了车轮110到车辆的连接，并且可以包括根据需要连接的各种配置。例如，轮毂120可以具有连接片、孔或者用于附着至车辆轴的其它结构，并且不限于图1A中所示的特别配置。支撑元件130将轮毂120连接至剪切带140，并从而将施加的负载传递至轮毂120。有了轮毂120，支撑元件130可以具有各种配置并且并不限于图1A中所示的特别的几何形状和结构。此外，使用这里公开的教 导，本领域技术人员将会理解，可以容易地将胎面或其它特征添加至外部圆周表面155。 

圆柱形元件170定位在外部构件150和内部构件160之间。在一个实施方案中，例如，构件150和160可以由如图1A中所示环绕的金属元件来构造。进一步例如，可以在弹簧的构造中使用的钢、或者基于碳的细丝也可以用于构件150和160的制造。虽然也能够使用弹性材料，将非弹性材料用于构件150和160提供了极端温度下的应用，例如极地或月球环境，其中弹性材料可能会变得太硬或易碎。例如，能够在温度低至100开氏度的情况下发挥作用的剪切带(包括合并了这种构件的车轮)在不使用弹性构造的场合应该是可用的。 

对于图1A和图1B，对于这种特别的例示性实施方案，圆柱形元件170都由相对较短的圆柱构成。虽然在图中显示为完美的圆形圆柱，也可以使用其它配置。例如，可以使用卵形或椭圆形配置，这里使用的“圆柱”或“圆柱形”包括圆柱的这些和其它形状，其可以不是完美圆形并且可以具有与所示的情况不同的相对长度。与构件150和160一样，圆柱形元件170可以由各种相对弹性的材料构成，所示材料再次包括例如金属或基于碳的细丝，以及温度允许的场合的弹性材料和基于聚合物的材料。此外，本发明并不限于如图所示沿着轴向方向具有相对宽度圆柱形元件170。相反地，相对于圆柱形构件150和160的轴向宽度，可以使用不同的宽度。例如，尽管显示了五个圆柱形元件170越过构件150和160的轴向宽度，可以使用具有对于圆柱形元件170来说变化的宽度的不同数量的圆柱形元件170。此外，虽然圆柱形元件170可以如图3中所示沿着轴向方向刚好彼此邻近地定位，也可以沿着轴向方向使用较大的间隙或间隔。选择性地，元件170可以被构造为重叠，正如下文中的对另一例示性实施方案所述。 

图1B描述了剪切带140的立体剖视图。特别而言，在这个例示性实施方案中没有使用紧固件。相反地，圆柱形元件170直接连接至圆周外部和内部构件150和160。例如，圆柱形元件170能够焊接或粘附至构件150和160，或者圆柱形元件170能够与这些构件整体形成。选择性地，可以使用各种机械紧固件以连接圆柱形元件170，如下文所述。 

对于图2A、2B和2C，圆柱形元件270显示为在行276和278(图2)中布置，行276和278沿着轴向方向A重叠。然而，本发明再次包括构件250和260之间的圆柱形元件270的多种其它布置。例如圆柱形元件270可以是随机的、平行的、交错的、偏移的、重叠的行、非重叠的行，在不平行于轴向方向A的行中对齐，等等。将在下文中描述的是，圆柱形元件270在操作过程中提供了一种剪切层，其可以通过在本发明的范围之内的各种几何形状和配置而实现。此外，每个圆柱形元件270的轴线都显示为基本上平行于轴向方向A。然而，也可以使用不平行的定向。如此，图2A至2C的配置强调了本发明的另一个例示性实施方案。再一次说明，使用这里公开的教导，本领域技术人员将会理解，可以使用多种构造和几何形状以在外部和内部构件之间提供圆柱形元件，从而产生根据本发明的剪切带。 

图2B描述了剪切带240的立体剖视图，图2C描述了一个剖面。显然，在这里例示性实施方案中使用了紧固件274。更加特别地，圆柱形元件270被紧固件274所固定，所述紧固件274延伸通过外部和内部构件250和260。应该理解的是，可以使用多种其它类型的紧固件或技术，以固定圆柱形元件270的位置，本发明也不限于紧固件274的使用。更加特别地，为了将圆柱形元件270连接至构件250和260，构造可以包括铆钉、环氧树脂或作为整体构造的模制品，如前面所述。 

虽然不限于此，本发明的剪切带特别应用于车轮的构造，包括但不限于非充气轮胎和不需要将空气压力用于结构支撑的其它车轮。例如，在充气轮胎中，地面接触压力和刚度是充气压力的直接结果，并且它们相互关联。然而，本发明的剪切带可以用于构造这样一种车轮或轮胎，其具有的刚度性质和地面接触压力都基于它们的结构部件，并且有利的可以彼此独立地指定。车轮110和210提供了这种构造的例子。此外，有利地，因为本发明包括用于并不限于弹性材料(例如橡胶)或基于聚合物的材料的剪切带构造的结构和几何形状，本发明提供了一种可以用于极端温度环境的车轮的构造。在这里，极端温度环境不仅包括温度对于弹性材料或基于聚合物的材料来说不可接受的环境，还包括可能发生较大温度波动的环境。 

回到图1A，例如，根据图和上面提供的描述，将会理解， 外部构件150在圆周方向上比内部构件160长，两者都是相对不可延伸的。因此，在施加至车轮110的负载作用下的操作中，构件150和160之间的圆柱形元件170的剪切使得剪切带140能够变形，以提供与行驶表面(例如地面)的更大的接触面积。 

更加特别地，圆柱形元件170共同充当具有有效剪切模量G_eff的剪切层。该有效剪切模量G_eff和外部和内部构件150和160的有效纵向拉伸模量E_im之间的关系控制了在施加的负载下的剪切带140的变形。当E_im/G_eff的比率相对较低的时候，在负载作用下的剪切带的变形接近均质构件的变形，并且与行驶表面产生非均匀的接触压力。然而，当E_im/G_eff的比率足够高的时候，在负载作用下的环状剪切带140的变形实质上接近不可延伸构件150和160很少纵向延伸或压缩的剪切层(即圆柱形元件170)的剪切变形。最完美的是，不可延伸构件150和160会提供最有效的结构，并且使得剪切层中的剪切位移最大化。然而，完美的不可延伸性只是理论上的：由于构件150和160的延伸性增加，剪切位移会减小，这一点将会在下文中以概念性的术语进行解释。 

在接触区域中，位于半径R₁处的内部构件160承受拉伸力。位于半径R₂处的外部构件150承受相等但是相反的压缩力。对于外部和内部构件150和160具有相等的圆周刚度的简单情况，外部构件150由于一些应变e而将会变得更长，内部构件160由于一些应变-e而将会变得更短。对于具有厚度h的剪切层，这就导致了带的剪切效率的关系，定义为：(1) 可以看出，对于完美地不可延伸构件，应变e将会是零，并且剪切效率将会是100％。 

应变e的值可以通过以下等式根据设计变量来近似：(2)  $e=\frac{G_{\mathrm{eff}}{L}^2}{8R_2\mathrm{Et}}$ 例如，假设我们提出具有如下值的设计：h   ＝10mm       (带50和60之间的径向距离)G_eff＝4N/mm²     (带之间的有效剪切刚度)L   ＝100mm      (设计负载所需的接触片长度)R₂  ＝200mm      (到外部构件的径向距离)R₁  ＝190mm      (到内部构件的径向距离)E   ＝20,000N/mm2(两个构件150和160的拉伸模量)t   ＝0.5mm      (两个构件150和160的厚度)使用E来计算e：  $e=\frac{\left(10\right){\left(100\right)}^2}{8\left(200\right)\left(\mathrm{20,000}\right)\left(0.5\right)}=0.0025$ 然后剪切效率能够被计算为：(3) 

从而，在这种情况下效率为大约90％。 

上述分析假设外部和内部构件150和160具有相同的构造。然而，构件150和160的厚度和/或模量并不一定是相同的。使用本文所公开的原理，使用上述方法，本领域技术人员能够容易地计算构件150和160中的应变，并且然后计算剪切效率。应该维持至少50％的剪切效率，以避免与行驶表面的接触压力出现显著退化。优选地，应该维持至少75％的剪切效率。 

因此，在实现足够的剪切效率时，与行驶表面的接触压力 变得大致均匀。在这种情况下，产生了一种有利的关系，使得可以指定对于给定应用的剪切模量G_eff和剪切层厚度h的值： 

(4)

P_eff*R₂＝G_eff*h

其中：

P_eff  ＝预定的地面接触压力

G_eff  ＝构件150和160内的圆柱形元件170的有效剪切模量

h     ＝剪切层的厚度——即柱170的径向高度

R₂    ＝外部构件150的径向位置

本领域技术人员将会认识到，使用这里公开的教导，上述关系在设计环境中是有用的，因为P_eff和R₂经常是已知的，使得设计者要对于给定的应用而对G_eff和h进行优化。 

剪切层140的行为以及(更加特别地)有效剪切模量G_eff可以使用现在将要描述的方法来建模。假定不可延伸构件150、不可延伸构件160以及圆柱形元件170沿着轴向方向A在物理性质上都是均匀的，并且假定圆柱形元件170主要沿着圆周方向C剪切变形，车轮110能够被建模为具有二维平面模型的基于线的结构(即梁和桁架元件)，该二维平面模型沿着轴向方向A在宽度上是一个单位(例如一毫米)。作为这种方法的一部分，单个圆柱形元件被建模为单个圆柱，其被约束在一个点(节点)上，并然后在圆柱的相反侧面上在一个点(节点)上承受非旋转的切向位移(即多个节点位于圆柱的二维平面模型的一条直径的各个端点上)。使用这个模型，能够计算反作用力并且使用该反作用力来确定等效的有效剪切模量，如下所述： 

(5)

G＝τ/γ

其中：

G＝剪切模量，单位是N/mm²，

τ＝剪切应力，单位是N/mm²，

γ＝剪切角度，单位是弧度。

使用下面的类似等式来计算剪切应力τ： (6)τ＝F/A其中：F＝在上述单个圆柱模型上通过有限元分析计算的反作用力，单位为N，A＝在一个圆柱的圆周和深度方向上的附属面积，单位为mm²。 

如上面所述，将有限元模型限制为深度1.0mm，面积A能够使用如下等式根据环状构件的半径和圆柱的数量来计算：(7)A＝2πR/N其中：R＝环状构件的半径，单位为mm，N＝圆柱的数量。剪切角度是根据施加在圆柱上的预定位移和圆柱的直径而确定的，如下所述：(8)γ＝tan^-1(δ/h)其中δ＝施加在圆柱顶部节点上的位移，单位为mm，h＝圆柱的直径，单位为mm。 

结合等式2至5，有效剪切模量通过如下等式给出：(9)G＝FN/(2πRtan^-1(δ/h))反作用力F取决于圆柱的材料性质(即杨氏模量E和泊松比v)以及圆柱的厚度t。剪切带的设计者因此能够选择设计变量E、v、t、h和N，选择位移δ，并然后通过单个圆柱的有限元分析(使用上面刚刚描述过的模型)计算反作用力F，以获得所需的有效剪切模量。 

使用这种方法，对具有类似于图1的构造的二维车轮110 进行了建模，本领域技术人员使用本文公开的教导将会理解这一点。车轮110的几何形状定义为基于线的结构，其具有如下部件：圆柱形元件170、外部和内部构件150和160(每个都通过使用Timoshenko二阶梁有限元来建模)、支撑元件130(建模为不具有压缩的线性桁架元件)以及表示为具有参考点的刚性线的地面。边界条件包括位移被约束的每个支撑元件130的径向内端，地面和外部构件150之间的相互作用定义为接触无摩擦切向行为和硬接触正常行为。在模拟过程中，地面逐渐向上移动预定距离。使用本文所公开的教导，本领域技术人员会理解，以Abaqus/CAE(版本6.6-1)的名义出售的商业软件用于进行有限元分析，并且获得了如下结果： 表一

 例如，该结果表明有效剪切模量G_eff随着圆柱形元件170的厚度t的增加而增大，并随着圆柱形元件170的直径的增加而减小。更加重要的是，提供了一种方法，通过这种方法设计者能够为根据本发明构造的剪切带开发可接受的剪切模量G_eff。 

最后，应该注意的是，本发明的优点主要在内部和外部构件之间的相对径向距离落在特定范围之内时获得。更加特别地，优选地形成以下关系：(10)0.8≤(R₁/R₂)＜1其中：R₂＝外部构件的径向位置(例如从旋转轴线或者这种构件限定的半径的焦点到外部构件的距离)(参见图2C)R₁＝内部构件的径向位置(例如从旋转轴线或者这种构件限定的半径的焦点到内部构件的距离)(参见图2C) 

虽然以及参考其具体实施方案对本发明的主题进行了具体描述，但将会认识到的是，理解前面内容的本领域技术人员可以容易地产生这种实施方案的改变形式、变化形式和等效形式。因此，这里公开的内容的范围是通过例子而不是通过限制来说明的，公开的主题内容并不排除对针对本发明主题进行的这种修改形式、变化形式和/或添加形式的包含，其对于本领域普通技术人员来说将会是显而易见的。 

Claims (17)

1.一种剪切带，限定了轴向、径向和圆周方向，所述剪切带包括：

沿着所述圆周方向延伸的外部构件；

沿着所述圆周方向延伸的内部构件；以及

多个弹性圆柱形元件，所述多个弹性圆柱形元件与所述外部构件和所述内部构件连接，并且每一个弹性圆柱形元件都沿着所述径向方向在所述内部构件和外部构件之间延伸，其中所述剪切带具有至少百分之五十的剪切效率。

2.根据权利要求1所述的剪切带，其中所述多个圆柱形元件被布置为沿着所述轴向方向的多个重叠的行，所述重叠的行在所述外部和内部构件之间关于所述圆周方向定位。

3.根据权利要求1所述的剪切带，其中所述多个圆柱形元件的每一个都限定了平行于所述轴向方向的轴线。

4.根据权利要求1所述的剪切带，其中所述多个圆柱形元件的每一个都直接附着至所述外部和内部构件。

5.根据权利要求1所述的剪切带，其中所述外部构件和所述内部构件包括沿着所述圆周方向环绕的金属构件。

6.根据权利要求1所述的剪切带，进一步包括用于将所述多个圆柱形元件连接至所述外部构件的装置。

7.根据权利要求6所述的剪切带，进一步包括用于将所述多个圆柱形元件连接至所述内部构件的装置。

8.根据权利要求1所述的剪切带，其中所述多个圆柱形元件为圆形形状。

9.一种车轮，包括根据权利要求1所述的剪切带。

10.一种车轮，所述车轮限定了轴向、径向和圆周方向，该车轮包括：

轮毂；

剪切带，所述剪切带包括

在径向位置R₂沿着所述圆周方向延伸的外部圆周构件；

在径向位置R₁沿着所述圆周方向延伸的内部圆周构件，

其中R₁与R₂的比率为0.8≤(R₁/R₂)＜1；

多个圆柱形元件，每个都与所述内部圆周构件和所述外部圆周构件连接；以及

多个支撑元件，所述多个支撑元件连接所述轮毂和所述剪切带的所述内部圆周构件；其中所述剪切带具有至少百分之五十的剪切效率。

11.根据权利要求10所述的车轮，其中所述多个圆柱形元件被布置为沿着所述轴向方向的多个偏移的行，所述偏移的行在所述外部和内部圆周构件之间关于所述圆周方向定位。

12.根据权利要求10所述的车轮，其中所述多个圆柱形元件的每一个都限定了平行于所述轴向方向的轴线。

13.根据权利要求10所述的车轮，其中所述多个圆柱形元件的每一个都直接附着至所述外部和内部圆周构件。

14.根据权利要求10所述的车轮，其中所述外部和所述内部圆周构件包括沿着所述圆周方向环绕的金属构件。

15.根据权利要求10所述的车轮，进一步包括用于将所述多个圆柱形元件连接至所述外部圆周构件的装置。

16.根据权利要求15所述的车轮，进一步包括用于将所述多个圆柱形元件连接至所述内部圆周构件的装置。

17.根据权利要求10所述的车轮，其中所述多个圆柱形元件为圆形形状。

Images