CN1057028A - 一种能对气轮胎自动补充气体并恒压的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能对气轮胎自动补充气体并恒 压的方法及装置。它巧妙地利用了车体和载物自身 的重量迫使车轮胎发生的变形对胎内气泵作功充气； 而气泵则更合理地利用了变化的胎压、胎形、泵室的 结构，与胎的间距等综合因素的相互作用在不另增加 任何附加装置的情况下维持了胎压的恒定。

Description

本发明涉及一种能对各种充气轮胎在缺气压低、缓慢漏气和因异物刺破内胎所引起的气体泄漏及时补充并恒压的方法及装置。特别对自行车、摩托车、三轮车、手推胶轮车及大、中、小各型汽车的漏气补充更显得效果尤佳。但本人发明该方法及装置，最初仍是从自行车开始联想并发展的。

生活在山城重庆这个特殊地理环境里，对于自行车这种轻巧方便的交通工具没有多大用武之地。因出门就上坡下坎反而给人们增添了不少麻烦，当然在这里的使用者大都将其既作为交通工具又作为锻炼身体的运动器械。每当我有机会驱车作乐时，总愿车胎气足足的以便飞快行驶，因而也就常使我联想到往年中央电视台在春节晚会上播出的自行车自动充气发明的精采表演，但是每次联想总使我迷惑不解的是这想好的发明为什么在国内众多的车手的车轮上不见其踪迹，因此进一步引起了我探索和求解的兴趣。在一次到市情报所翻阅专刊公报文献的同时也顺便查了查有关充气装置的报道。其中比较有代表性的有（GG85202749  GG85202991  GG85203277）等几种类型。当然它们有各自的特色和优越性。都能在原空压机和打气筒的基础上提供一种简便可行的充气方法和装置。但仔细分析，它们也各自存在着一些缺陷和不足。综合表现在下面几个方面：

一、它们几乎都是采取从车轮外部附加一个装置进行充气，如果用一个对比示意图（图2、图3）来表示，即当其在作充气工作时，实际上就意味着将车胎这个密闭系统向外延伸（本发明是内陷）当然这是关键的第一步，此举方案一定随即导致产生下列锁链反应及不佳后果和必须采取的补救措施。

（1）首先是要在充气装置和车胎之间增加一套输气和衔接装置、势必导致结构成本的增加，安装的麻烦。

（2）充气装置欲输出压力空气，势必要借助于外部动力，不论这种动力是来自往复直线或旋转式，均要求在工作时装置体和动力输入臂之间不能发生同步运动，必须固定其中一部分，而在不停旋转行驶的车轮的相对运动物体只能有车轴、车架和地面，这样必将导致充气装置对动力的获得方式和位置受到一定限制，如果欲在行驶中自行充气，能提供动力的形式只能有轮与轴间的摩擦力，轮与车架或地面的碰撞，变化的离心力等几种方式来获得。而这些方式同样要增加一些结构和装置来适应这些设计方案的需要。将导致结构复杂和成本增高;如果将充气装置装在车轮以外，最终还会因输气连接管道的限制，不但不能实现自动充气，还必须将车停下来进行补充，自然后一种方式的缺点就更多了。

二、作为花钱买自动充气机的消费者来说，本来就在经济等方面受到一定的心理压力，更何况现实社会中仍有那么一些连车铃都要摘的小人，自动充气机更是他们要猎取的对象了，这样人们花钱买来的方便反成为他们的负担，停车时欲拆又闲麻烦，不拆又提心吊胆，确实令人啼笑皆非极大地损伤了他们的消费心理。

三、在自动充气装置中还必须配一套自控系统，而在非自动充气装置充气过程中就只能凭经验充气并无法使胎压维持恒定。

在分析并看到了上述的不足和缺陷之后，于是激发了本人要进行改进并创作的热情，经过反复思考和推敲后，认为要克服并弥补上述不足之处必须要从以下几方面着手突破与改进。

（1）不能让充气装置裸露在外，给人们一种安全使用感，同时既能防盗又能维持原车形的美观。

（2）要使充气、恒压、停止充气的控制实现全自动。

（3）要使充气装置的结构尽量简单体积尽量小，加工程序尽量少，生产设备投资尽量小，让使用者经济实惠。生产厂家获利大。

（4）要使充气装置能够适应在特殊情况下（刺破漏气）维持胎压和进出气量的平衡而不影响继续行驶。

（5）尽可能减少各结构之间的摩擦损耗以延长其使用寿命。

（6）要尽量能使其在各类气轮胎中通用。

（7）要尽量保持原车轮结构和功能。

当然也只有当上述各项指标达到和实现后，才能使本发明与装置变为现实并为社会所承认。经过10多天的探索、分析、思考、选择、设计，本发明基本上实现和达到了上述各项指标并具备了相当的实用性。

本发明及装置的目的是这样实现的，首先着手解决的问题是既要使充气装置不裸露在车身外并能防盗，又要使之不与车体的其它部位发生碰撞、摩擦、牵扯并要随车轮同步转动并获得动力以实现自动充气，经选择认为在车胎内气门芯处安装一个充气装置是理想位置和方法，这一方案实施的结果是将充气装置置身于车胎内，既防止了易盗的危险性，又保持原车的外形美观，同时也能随车轮同步转动并不会与车体其它部位发生碰撞和牵扯，更重要的是当充气装置与气门芯连为一体后，其原来那些认为是必须的连接、输气、固定等结构系统统统被认为是多余的部分，全都淘汰并删去，它不但使其结构和安装变得极为简单，也使成本大幅度下降。在这一方案选定后，随之又出现充气装置必须微型化并能适应于在高压环境下工作等问题，本人又选择了结构最简单皮老虎和活塞式二种结构作为充气装置，其结构简单、工艺简单，工作可靠性和体积微型化均达到了上述要求并为本发明的实现提供了第一种可能性。

在装置问题得以解决后，下一步的关键是解决动力问题，在仔细观察和分析了车轮在行驶过程中的变化规律后，本人惊奇的发现这种变化规律和前面对装置结构与安装位置方案的选定设计有二处可喜的巧合，首先是动力的获得，从几十公斤的自行车到数十吨的载重车，虽然他们因车轮在接触地面时压力分散压强变小，而一但车轮的重量集中在某一点时又转化为巨大的压力，表现在车轮上的这种分散的小压强和集中的大压力就恰恰迎合了装在气门芯上的这微型充气装置应在小压强的环境下获得足够的压力的需要，其次是动力的作用方向，在研究车轮行驶途中变化规律的同时又可见到。车轮这种受重力的压迫（地面的反作用力）变形虽然是随车轮的转动而依次绕周变形，但变形的方向却始终垂直于地面并朝向车轮轴心作直线往返运动，而这恰好就是充气装置所需的动力和作用力方向。与此同时，这种随车轮转动的绕周变形和形变的恢复过程相对充气装置来说又是一个呈周期性的变化过程，这就给充气装置所需要的间隙往返式动力再次达到了高度的吻合。

在解决了动力这个关键问题后的有幸之余，本人再来仔细研讨捉摸这个动力的做功过程，在仔细推敲这个动力做功过程中又发现它既是一个十分复杂的作用过程又是一个有趣的反应，也就是说这个力最终表现出来的做功过程是多种力在相互作用过程中的综合反应;同时这个力的最终做功结果又是一个十分巧妙的，也可以说是根据自身的需求并经选择的自控的按相应需求自供的动力，下面我简略的描述一下这个反应过程，首先是当车胎需补充气体时对动力的需求，这个需求是按胎内失去了多少气体和降低了多少压力，需及时补充多少数量和需做多少功而自己选定的，在每次做功过程中表现在以下两个方面：（1）当胎压下降较大时它对地面传给轮胎的反作用力阻力减小，故充许轮胎将这个动力较大的远距离的作用于压气室做功以大量的向胎供气。（2）同时，相对降低的胎压又给压气室压出的压力空气提供了一个容易进入的环境。而后在不断充气过程中胎压逐渐升高，这时它又好似根据自己的需求减小故意产出较大的阻力阻碍轮胎传来的反作用力以阻止其对压气室做较大的功，同时也极力阻止略高于胎压的压力空气进入胎内，直到它最后感到胎压已满足需求时，轮胎也就不再对压气室施力做功了。正是因为上述这些反应过程，就好象是它自身感到需大量补充空气时，车胎就及时的做出相应反应将压强转化成一个较大动力以满足其需要，一但当它感到不需要时，车胎则自动不输出动力以终止充气。它们之间看上去就好象是达到了高度的协调，统一并配合得那么默契，欲大则多给，欲小则少及，所以本人认为它的这种反应过程和机制是一种按自身需求的、经选择的自控的，自动提供相应动力并做功充气的过程。当然在这个反应过程中还有压气室内的压缩空气和弹簧的反作用力也同时在对做功过程起阻碍限制作用，只不过它们在做功过程中的变化比较稳定有规律，为简便起见，在论述过程中基本没有提及，但实际他们在充气过程中所起的作用也是不容忽视的。在解决了上述两关键问题之后，本发明的构想和设计方案实现的可能性已完全具备了，但它仍不完善还有不少缺陷需要改进，在进一步探索和研究后，又提出了必须利用这个简单结构的充气装置在不另外增加其它附加结构的同时去实现自动充气恒压并尽可能减少充气装置和车内胎间的摩擦损伤以延长其使用寿命，在着手研究过程中本人又再次可喜的发现车轮在行驶过程当中出现的这种重量的变化，车胎受压力和胎压影响的变形规律，气体在被压缩后的变化规律等因素只要通过合理运用均可为自动恒压的实现提供有利的条件。在这里应指出的是自动充气并恒压和尽量减少机械磨损这二个功能的实现几乎是同时的和相互的，而绝非各自独立完成。在弄清了各种因素间的相互联系和作用后在技术上对本发明作了下述处理。首先是将充气装置受力端稍稍移动使之和内胎保持一定间距，这个间距的大小应使车体重量变化为原来1-2倍的情况下仍能保持正常充气，这种设计方案是否合理，本人再作进一步分析和论证，在分析车轮行驶的全过程中会出现下面三种情况，即平稳的行驶，车振动着的行驶，车轮受到巨大的压力和冲击力的情况下行驶，当然第三种情况是因路面极坏、凹凸不平，石块顶撞，急刹车，车速快等多种因素造成的撞击颠颇和振动。这三种状态它们间的发生次数在一般情况下成正态分布，也就是说平稳的行驶和受到巨大撞击的行驶出现的次数相应要少得多，而这第三种现象的时有间断发生再加上发生在车轮360度内偶然机会，正是本发明既要实现充气自动并恒压，又要尽可能的减少磨损的最有利条件，本人在考察一个正常轮胎后发现每天的漏气量实际非常小，也就是说不必要让车轮每转一周进行一次气体补充，只要利用这种为数不多的撞击次数和相对较大变化的重量迫使车胎发生的间隙较大变形，就完全足以补充每天的漏气数量了，实际上在解决上述两个难题的时候，仅仅只是在间距上作了一个小小移动手术，巧妙地利用了车轮在行驶途中的变化规律即达到了一举两得效果和目的，当然本人在这里无法以具体的数据精确计算作出准确的结论，更何况行车的状况是千变万化的，但本发明及装置也确实就在这撞击的相对和绝对之中，时而停停充充时而充充停停，在极大地减少了磨损情况下实现了对车轮的自动充气并恒压。当然这种撞击的利用还具有另一独特的意义，在这里必须说明，即当胎压下降较大胎内气量经一段时间的补充基本满足时，这时的车胎和充气装置是处于一个似接触非接触要离开不离开的状况，而充气也是处于一个似充非充的状况，胎压也处于一个快要达到最大值的状况时，要使胎压充完全趋于最大值，装置和车胎真正离开，仍就是必须要借助于这种偶然间的撞击去实现真正的分离。到此为止，本发明提出的主要技术目标基本上全部实现。

在最后，为了让本发明及装置有更大的适应用性以满足不同车、人的不同要求，同时又在下面几方面进行了技术处理。

1、在恒压方面，为防止万一充气过量出现事故，本人对压气室进行了定量的设计，根据公式：P₁V₁＝P₂V₂可知P₂和V₂成反比关系，如果限定了V₂大小也就等于限定了P₂，于是在设计时根据各种轮胎所需的不同工作压力，在压气室的底部（即连杆的端部）留出一个空间V₂，不论压气室受到多大的作用力，它所压出的气体压力也不会超过定值P₂，这种处理方案也是对前自动恒压的一种补充和限定。

2、在考虑到驾车人各自对胎压的爱好不同（反弹力），设计时在压气室和连杆接合部加减2-3块垫圈，其目的是利用垫圈的厚度在小范围内改变并调节压气室V₂，从而达到改变P₂的目的，这样就能很方便的满足不同人的不同需要了。

3、在材料上本人采用了橡胶和金属二种，连杆统一采用橡胶（或弹簧）其目的是要使连杆既能起到支撑压气室，又要作为反作用的传递承受与缓冲者，在设计时橡胶连杆的承受压力规定为胎压的1-2倍，当压力不超过时它能正常的协助压气室压出压力空气，一但超过这个承受力时连杆即发生变形弯曲，以缓冲这种猛烈的冲击力，一但冲击力消失，连杆又因橡胶的良好弹性恢复原状，同时，橡胶之间也不会因相互冲击而迅速损坏，提高了产品的使用寿命，如考虑压气室用橡胶制作它较适于胎压较小的车轮，同时它加工容易成本非常低，金属则相对来说可承受较高压力并且压出的空气压力较恒定，但成本略高一些。

4、为帮助压气室在压气后恢复原状（相对高压下）并吸入外界气体，在连杆和压气室之间加一个压簧以帮助压气室恢复原状，而安装弹簧的位置和空间也正是V₂的所必须的空间

5、为使本发明及装置在不改变原车轮结构的情况下即能使用，首先是采用了连接在气门芯内的连接方案，同时在压气室和连杆上各分别安装一个同向气阀，它既能让原打气方法得到保留，又能独立的自动充气，并防止空气外溢，在原气门芯外加一个泡沫，以过滤空气和阻挡灰尘的进入。

6、对于充气装置的安装方式，因只有二部分主要构件，故安装时压气室装在外或内都可以，当然如果压气室装在气门芯处，还可以受到车轮辋圈和车轮的保护，如果车轮横剖面直径较大（连杆较长），在连杆间再加一个压簧更能缓冲外界传来的剧烈撞击。见（图4-7）。

本发明在实现了全部设计目标后，和原方法及结构（GG85202991  GG85202749  GG85203277）相比较其优点突出表现在以下几方面。

1、运用非常巧妙的方法和简单结构，灵活地利用了车轮在行驶过程中的各种力学原理和压缩气体的变化规律，在基本上不改变原车轮结构的情况下，实现了车轮在行驶中自动冲气、补气和恒压，并保持了原车的结构和美观。

2、它以极低的成本和售价（仅为原来同类产品的价格的几十分之一）和安装位置给使用者带来了极大的方便和实惠，并使偷盗者因安装的位置和其价值失去了盗窃的意义。

3、它不但能恒压还可以在一定范围改变其恒压值，满足了各种使用者对胎压的不同需求，一次安装上去可舒舒服服使用数月以至数年。

4、本发明及装置的高度自控性，可使车在行驶途中的充气自我调节，差一点它补一点，差得多补得快，气量充足后它又自动停止充气（装置和车胎自动分离），在一定范围内车胎被尖锐物刺破漏气仍可不必中途停下来修补充气直到到达目的地，给使用者带来极大方便。

5、对于生产厂家，可在极少的设备和投资（几百元至几千元）下进行批量生产且市埸之大可保证生产厂有足够的利润。

6、它适用的广泛性，几乎包括了所有的充气轮胎。

7、它不但适用于中国的轮胎，同样也适用于外国的轮胎，它在国外的市埸和意义，以及给国家带来的外汇收入，本人在此也无法去估计。

本发明和装置的许多实质性优点是很突出的，并有目共睹，但任何事物也不可能是十全十美，本发明及装置也存在一些不足和缺陷。本装置的结构连杆的使用（1）是增大了和内胎的磨损并加剧了车胎的损坏。（2）连杆还不太适宜特殊情况的冲击顶撞（尖锐石块等）。（3）不太适宜在太坏的路面行驶。

图1是根据本发明及装置安装在气门芯位置处以及和车轮的横剖面示意图。

图1中所示的结构有（1）连杆  （2）压气室  （3）内胎  （4）外胎  （5）进气孔  （6）（7）气阀门  （8）弹簧  （9）气门嘴  （10）过滤泡沫  （11）调节垫圈

下面结合图1说明其工作原理

一、安装：将（1）和（2）连接，增减（11）即可在小范围内改变并调节（2）在工作时的压缩比以适应不同使用者对不同胎压的需求;再将（1）和（9）连接装入胎内固紧，首次使用打气筒自（9）处向胎内充入一定量气体。

二、自动吸气、充气过程：车在一般情况下行驶时，当（3）内气体密度和胎压下降时，胎压对（3）（4）受地面反作用力变形的阻力减小，再当（1）（2）随相应位置的（3）（4）绕周转动近地面时，（3）（4）受地面反作用压迫变形增大。朝轴心的运动距离加大，一但（3）（4）接触到（2）即对（2）做功，当（2）内被压缩的气体值大于胎压时，即推开（7）向（3）内充气;而后（3）（4）转离地面，地面对该处的反作用力消失;（3）（4）受自身弹力和胎压的作用力离开（2）并恢复原形，（2）失去（3）（4）的压力并受（8）的弹力恢复原状，此时（7）闭（6）开空气被吸入（2），即完成一次充气吸气过程。

三、充气的自动停止：在一般情况下，当（3）内因不断充气体密度和胎压逐渐上升到近额定值时，胎压对（3）（4）的变形阻力增大到（3）（4）对（2）的做功产生的压力空气的压力等于或小于（3）内胎压时，即表现为充气停止（注：此时的胎压应略小于额定最大值）。

四、充气装置与内抬处侧的分离：胎压因不断充入的气体接近额定值时，车胎又因逐渐上升的胎压对（3）（4）的变形阻力渐增大而逐渐远离（1）（2）时，车轮因路况不佳引起的重量超常变化和车轮的撞击仍时有发生，当这种异常情况足以克服胎压的阻力继续作用于（2）产生出最大额定气压的空气向（3）内充气最终导致（3）内胎压达到或几乎接近额定最大值并最大地阻碍（3）（4）的轴向变形以实现（3）与（2）间的分离（相对的）

五、胎压的调节和限定：增或减（11）可改变（1）在（2）中的占有位置和留出的空间V₂，根据公式P₁V₁＝P₂V₂可知，当其V₂被改变或限定后也就相应地改变或限定了P₂，而P₂的限定也最终导致胎压的被限定。如果胎压在不断地受到P₂气体的补充即表现为车胎气压的恒定。

六、胎破损引起漏气补充：当胎压因漏气较快下降较快时，（3）（4）变形加大并作用于（2）使之迅速充气（车轮转速快充气加快也是其中一个因素）如充气和漏气保持动态的平衡，车仍保持正常行驶。

附表-1为摩托车充气装置在受力后的气压体积变化表（温度从略）。

附表-2为摩托车充气装置在充气过程中气量与体积压力的变化表。

图（8）是说明书摘要简图。

附表－1

体积（厘米3）	1	0.8	0.6	0.5	0.4	0.3
							压强（公斤／厘米2）	1	1.25	1.66	2	2.5	3.3

※ 规定密闭容器体积1毫升，空气1毫升，压强1公斤/厘米，P₁·V₁＝P₂·V₂。

附表－2

压缩体积（厘米3）	0.4	0.4	0.4	0.4	0.4	0.4
							压气室、胎压平衡时压强（公斤／厘米2）	2.0	2.1	2.2	2.3	2.4	2.5
压气室余气量（厘米3／大气压1公斤）	0.8	0.84	0.88	0.92	0.96	1
							充入胎内气量（厘米3／大气压1公斤）	0.2	0.16	0.12	0.08	0.04	0

※  原始条件同上，0表示停止充气。

Claims (7)

1、本发明是一种能对气胎自动充气并恒压的方法及装置。其方法是利用车轮在行驶途中因车体的重量及重量的变化和胎压的变化所引起的不同程度的车胎轴向变形并做功，使装在胎内的微型气筒(泵)向胎内压出受限的压力空气以实现对车胎的自动充气并恒压；其装置是为本发明而设计的专用设备，它仅由一个微型气筒和传输动力兼连接固定作用的连杆组成，它能在胎内高压环境下正常工作。

2、根据权利要求1.所述的方法，本发明的特征是对于自动充气的实现是利用车重量和胎压的大小不同所引起车胎轴向变形的程度不同而对微型气筒施力做功的大小不同能否产生出高于胎压的压力空气并向胎内充气的方法以实现充气的自动。

3、根据权利要求1.所述的方法，本发明的特征是对胎压的最终限定是利用限定微型气筒的空气压缩比以产生出受限的压力空气来实现的。

4、根据权利要求1.所述的方法，本发明的特征是装置的安装位置及方法是安装在气门芯和与之相对应的内胎外侧之间并将其一端与气门芯出气口连接并固定。

5、根据权利要求1.所述的装置，其特征是在微型气筒内有一个弹簧，以帮助微型气筒在高压环境中压缩充气后恢复原状并吸收外界空气。

6、根据权利要求1.所述的装置，其特征是该装置的连杆是一个既能承受和传输10～20公斤/平方厘米的动力又能在受到超过这个动力的撞击后能发生变形以缓冲这种猛烈冲击并复原的弹性连杆（或弹簧装置）。

7、根据权利要求1.所述的装置，其特征是在打气筒内始终留有一个一定量的并可在小范围内改变的空间，以限定或改变空气的最大压缩比并最终限定被压缩后的空气压力。

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