CN105730137B - 一种柔性绳缆辐条式自行车车轮 - Google Patents

Abstract

一种柔性绳缆辐条式自行车车轮，包括轮辋、花盘和柔性绳缆辐条。轮辋和花盘通过柔性绳缆辐条连接，柔性绳缆辐条与轮辋固定连接，柔性绳缆辐条与花盘固定连接，构成一个整体结构。传统自行车车轮辐条为硬质钢材结构，无法弯曲，故减震效果不佳。本发明中的柔性绳缆辐条结构材质为钢丝、尼龙绳、高强度橡胶等柔性材料，当车轮受到冲击载荷时，辐条会发生一定的弹性变形，较好的缓和冲击载荷。该结构生产工艺简单，经济性好，提高了自行车的舒适性，具有很好的推广前景。

Description

一种柔性绳缆辐条式自行车车轮

技术领域

本发明涉及一种应用与自行车的新式车轮，特别涉及要求越野性能良好的山地自行车车轮，属于自行车交通领域。

背景技术

自从1790年法国人西夫拉克发明自行车以来，进过人们的不断改造和改进，自行车已经是人们生活中不可或缺的交通工具之一。随着人们环保意识的日益加深和严峻的交通问题，自行车再度成为世界各国人民喜爱的交通、健身工具，世界自行车行业的重心正从传统的代步型交通工具向运动型、山地型、休闲型转变，特别是在美。欧、日等发达国家，自行车是一种很普通的运动、健身和娱乐性产品。每年全世界自行车需求量巨大，据日本CyclePress的数据显示：全世界自行车需求规模保持在1.06亿台的水平，自行车年交易额约为50亿美元。

真正具有现代形式的自行车是在1874年诞生的。英国人罗松在1874年一年的时间里，给自行车装上了链条和链轮，用后轮转动来推动车子前进。但仍然是前轮大、后轮小，看起来不够协调、不稳定。1886年，英国的一位机械工程师，约翰·斯塔利，从机械学、运动学的角度设计出了新的自行车样式，为自行车装上了前叉和车闸，前后轮的大小相同，以保持平衡，并用钢管制成了菱形车架，还首次使用了橡胶轮胎。斯塔利不仅改进了自行车的结构，还改制了许多生产自行车部件用的机床，为自行车的大量生产和推广应用开辟了宽阔的前景，因此他被后人称为“自行车之父”。斯塔利所涉及的自行车车型于今天自行车的样子基本一致了。

随着社会的发展，对自行车类产品的研发及技术专业性要求越来越高。各式各样的自行车也随之出现。传统自行车车轮辐条采用硬质钢材结构，对于冲击载荷没有缓冲作用，舒适性较差。本发明中的辐条采用柔性材料，如钢丝、尼龙、高强度橡胶等，对于冲击载荷具有很好的缓冲作用。柔性绳缆辐条的安装也较为简单，且其与轮辋、花盘的连接形式也较为多样化。

发明内容

本发明旨在提供一种具有缓和冲击载荷的自行车车轮，传统自行车车轮辐条通常采用硬质钢材结构，而本发明中车轮辐条采用钢丝、尼龙绳、高强度橡胶等柔性材料，具有很好的缓和冲击载荷的功能，大大增加了自行车的舒适性。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种柔性绳缆辐条式自行车车轮，包括轮辋、花盘和柔性绳缆辐条，轮辋和花盘通过柔性绳缆辐条连接，柔性绳缆辐条两端分别与轮辋和花盘固定连接，构成一个整体结构。柔性绳缆辐条的布置形式与传统辐条布置形式相同，采用逆时针和顺时针交替布置；每根柔性绳缆辐条3的最大受力为：

其中，P为载荷，R为轮辋半径，r为花盘半径，a为花盘轴向长度的一半，n为柔性绳缆辐条根数，N₀为预紧力。

本发明所述的柔性绳缆辐条采用由钢丝、尼龙绳或高强度橡胶构成的辐条。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：传统自行车车轮辐条采用硬质钢材结构，对于冲击载荷没有缓和功能，骑行的舒适性较差。本发明中的车轮辐条采用钢丝绳、尼龙绳、高强度橡胶等柔性材料，对于冲击载荷具有很好的缓和功能。在骑行过程中，当遇到冲击力时，柔性绳缆辐条可以实现大幅度的变形，进而实现对冲击力的减缓，提高了骑行的舒适性。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图。

图2是自行车车轮理想模型示意图。

图3是理想模型中车轮受力辐条变形示意图。

图4是实际模型与理性模型辐条夹角示意图。

图5是实际模型中夹角与相关尺寸关系的示意图。

图6是在冲击载荷作用下柔性绳缆辐条变形示意图。

图中：1—轮辋；2—花盘；3—柔性绳缆辐条。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理及具体实施方式做进一步说明。

图1为本发明的总体结构示意图，该柔性绳缆辐条式自行车车轮包括轮辋1、花盘2和柔性绳缆辐条3，轮辋1和花盘2通过柔性绳缆辐条3连接，柔性绳缆辐条3两端分别与轮辋1和花盘2固定连接。柔性绳缆辐条3的布置形式与传统辐条布置形式相同，逆时针和顺时针交替布置。

图2为自行车车轮理想模型示意图，根据受力平衡，可以得到受力平衡方程：

式中，P为载荷，n为柔性绳缆辐条根数，N_i为第i根辐条的受力，α_i为第i根辐条与铅垂线的夹角。

图3为理想模型中车轮受力辐条变形示意图，根据几何关系，可以得到变形协调方程：

Δl₂＝Δl₁cosα₂

Δl₃＝Δl₁cosα₃

……

Δl_n＝Δl₁cosα_n

即：Δl_i＝Δl₁cosα_i(2)

又，由胡克定理，伸长量

式中，F为载荷，l为杆的长度，Δl_i为第i根辐条的伸长量，E为材料的弹性模量，A为杆件的横截面积。

联合方程式(2)和方程式(3)，可得：

N_i＝N₁cosα_i (4)

将式(4)代入式(1)，可得：

根据余弦定理cos²α＝(1+cos2α)/2，

可以得到：

其中，α_i为0:2π之间的角度，且为等差数列，故：

可以得到，理想模型下每根辐条的受力介于0和之间。

图4为实际模型与理性模型辐条夹角示意图，其中为辐条的实际位置与理想模型中辐条位置的夹角。

图5为实际模型中夹角与相关尺寸关系的示意图，根据几何关系，可以得到：

其中，R为轮辋1半径，r为花盘2半径，a为花盘2轴向长度的一半。

考虑角的影响，

每根辐条的最大载荷受力为：

辐条装配时已加载预紧力N₀，且每根辐条的预紧力N₀>N₁，

则，每根辐条的最大受力为：

在行进中，车轮辐条的受力是周期性变化的，考虑到载荷冲击的影响，需加动载系数k_d。则每根辐条的受力变化范围为：

根据辐条受力的变化周期，选择优化的预紧力，可以最大限度的提高柔性绳缆辐条的承载能力和抗冲击载荷的能力。

图6为冲击载荷作用下柔性绳缆辐条变形示意图，在冲击载荷的作用下，车轮下半部分的柔性绳缆辐条处于不受力的状态，出现自然下垂现象。

本发明中的柔性绳缆辐条提高了自行车的骑行舒适性，当自行车在行驶过程中遇到冲击载荷时，柔性绳缆辐条会发生变形，最大限度的吸收冲击载荷，提高自行车的舒适程度。相比传统硬质材料的辐条，柔性绳缆辐条更易加工和装配，而且经济性也很好，具有很好的市场前景。同时，也增加了自行车的美观性，带来了一定的视觉冲击效果，具有很好的观赏性。

总之，本发明中的柔性绳缆辐条结构，不仅具有良好的力学性能，同时也具有很好的稳定性和经济性，在增加了自行车舒适性的同时，也提高了自行车的美观性和经济性。在现有技术条件下进行批量生产不存在任何技术障碍，具有十分广阔的应用前景。

在本发明中，没有对自行车车轮涉及到的其他部件如螺栓、轮胎等部件展开讨论，原因是这些部件没有涉及到结构的本质特征。可以根据不同车型具体的使用工况、各部件的具体尺寸等已知参数选择相关部件合适的种类和参数。

Claims (1)

1.一种柔性绳缆辐条式自行车车轮，包括轮辋(1)、花盘(2)和柔性绳缆辐条(3)，其特征在于：所述柔性绳缆辐条(3)采用尼龙绳或高强度橡胶构成的辐条；柔性绳缆辐条(3)的两端分别与轮辋(1)和花盘(2)固定连接，并采用逆时针和顺时针交替布置；每根柔性绳缆辐条(3)的最大受力为：

其中，P为载荷，R为轮辋半径，r为花盘半径，a为花盘轴向长度的一半，n为柔性绳缆辐条的根数，N₀为预紧力。