CN108634478A - 一种具有换气隔温缓震功能的仿生运动鞋鞋底 - Google Patents
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Abstract
一种具有换气隔温缓震功能的仿生运动鞋鞋底,以非洲鸵鸟为仿生原型,提取出鸵鸟足底部包括乳突群,鞋底由仿生大底、仿生中底、弹性环塞组成,鞋底上分布有由弹性环塞、仿生大底上的乳突气柱、柱底过渡槽与仿生中底上的仿生凹槽、进气孔共同配合组成的换气隔热缓震单元,换气室和乳突气柱的中空结构在人的足部和地面之间形成了以气体为主的接触介质,减弱了地面温度向人体足下传输效力,实现隔绝地表温度功能;乳突‑皮肤的独特结构及其组合方式所实现的隔热、透气、缓冲的优异特性,本发明结构简单,选取传统鞋底的橡胶与PHYLON材料,在实现所需仿生运动鞋底的功能性同时,更加贴合于运动鞋鞋底的轻量化设计理念。
Description
技术领域
本发明属于工程仿生技术与鞋具设计相结合的交叉领域,具体涉及一种具有换气隔温缓震功能的仿生运动鞋鞋底。
背景技术
随着运动鞋科技的发展,运动鞋除了基础的舒适、轻便性能要求外,其缓震性能一直是运动鞋性能关注的热点。同时,为解决地面温度向鞋内传导和排除鞋内湿热空气问题,鞋的隔温、换气功能也不断得到了广泛关注。鞋底作为运动鞋重要的组成部件,其功能性拓展更是成为各大厂家关注的核心。目前已有的鞋底科技在鞋底缓震、隔温、换气性能方面都取得了一定的进展,但是尚存在很大的研究空间。
从自然界获取灵感,采用工程仿生技术,将非洲鸵鸟的优异性能运用到运动鞋鞋底开发上来,并且有效的将其优异性能综合应用于功能性运动鞋鞋底的设计,将有助于新型多功能鞋底的开发。
成年非洲鸵鸟体重130Kg-150Kg,能以50-60Km/h的速度在沙地上持续、稳定奔跑约30分钟,其主要栖息于非洲的沙漠和稀树草原地带,生活环境昼夜温差大,日间地表最高温度可达60℃以上,夜间温度又下降到10℃以下。非洲鸵鸟可以完成以上高速重载的运动以及适应以上特殊的生存环境得益于其独特的生物机理。非洲鸵鸟足的底部是直接与地面接触的部分,其在鸵鸟重载高速奔跑中应对地面冲击力、隔绝极高的地表温度和排除多余热量等方面起着至关重要的作用。
非洲鸵鸟足底皮肤上生长着像毛发一样的乳突群,乳突群由单个的乳突基于足底-地面相互作用关系疏密有序的排布而成,单个乳突呈柱状长条形,其内部结构中空,其硬度最高而富有韧性。乳突能牢固的生长于足底皮肤上得益于其独特的皮肤结构,足底皮肤的真皮层具有六棱柱形孔洞,并且每一个棱面上都具有凸包状凸起结构,乳突固定于足底皮肤表皮层,随表皮层附于真皮层,其根部延伸出表皮层并嵌入真皮层的六棱柱孔洞内,孔洞内的凸包结构能沿乳突周向紧紧的夹持住乳突根部,表皮层硬度要高于真皮层。
类似毛刷的足底乳突群、乳突-皮肤的组合结构和乳突到真皮的材料硬度梯度性变化有利于吸收鸵鸟高速奔跑时来自于地面的冲击力,达到缓震的效果。中空的乳突在足底皮肤和地面之间形成大面积的空气介质,有效的阻隔了地面热量向足底皮肤的传递。真皮层独特六棱柱孔洞在棱角处与乳突形成的空隙有利于热量的排出。
针对运动鞋鞋底换气、隔温、缓震性能,本发明以非洲鸵鸟足的底部为生物模本,提取足底乳突群、乳突-皮肤特殊组织结构和各部组织材料硬度关系生物特征,设计了一种具有换气隔温缓震多功能特征的仿生运动鞋鞋底。
发明内容
本发明公开了一种具有换气隔温缓震功能的仿生运动鞋鞋底,属工程仿生技术与鞋具设计相结合的交叉领域,以非洲鸵鸟足的底部为生物模本,师法自然,将非洲鸵鸟在生存进化中获取的优特性应用于功能性运动鞋鞋底的开发,实现鞋底功能的综合性,发明了一种兼具换气、隔温、缓冲减震功能的仿生运动鞋鞋底。
本发明包括有仿生大底、仿生中底、单向排气阀和弹性环塞,仿生大底是由大底、嵌入大底的乳突气柱和柱底过渡槽构成的一体结构,乳突气柱为圆柱形,呈中空封闭结构,乳突气柱内部充有氮气,乳突气柱位于大底下段与位于大底上段的长度比例为:1:2,乳突气柱位于大底下段与位于大底上段的壁厚比例为:2:1,在人足部第一跖骨关节对应大底前掌位置处的乳突气柱外径为乳突气柱的1.5倍,大底后跟处的乳突气柱分布密度大于大底前掌处乳突气柱分布密度。
所述仿生中底是由仿生凹槽、导气槽、进气孔构成的一体结构,仿生凹槽对应乳突气柱位置开设,仿生凹槽为六边花型盲孔,仿生凹槽的深度与乳突气柱上段长度相同,仿生凹槽内与内凹半圆相切形成的圆与乳突圆柱外径相同,每个仿生凹槽底面开有连通中底上表面的进气孔,所述进气孔为矩形,对应开设在仿生凹槽底面各个角落区域,进气孔相对于仿生凹槽底面中心呈周向排列,所述导气槽横截面为U型,导气槽的深度为1/5仿生凹槽深度,导气槽设置于仿生中底下表面与仿生大底上表面配合形成导气管道,联接每一个仿生凹槽并连通外部空间。
仿生大底与仿生中底胶黏在一起,仿生大底上方乳突气柱嵌入仿生凹槽,乳突气柱周向由凹槽内壁半圆柱凸起夹持固定,乳突气柱上表面与仿生凹槽底面之间设有弹性环塞,弹性环塞与仿生凹槽底面胶黏在一起,弹性环塞的外延方齿面自然贴合于仿生凹槽底面,弹性环塞由弹性塑料片和凸起堵塞组成,弹性塑料片外延分布有六个方形齿,凸起堵塞自然状态堵住进气孔;乳突气柱外表面、仿生凹槽内表面与仿生大底上的柱底过渡凹槽面共同形成换气室;导气槽与仿生大底表面胶黏配合形成导气管道,导气管道联通各换气室与外部空间。足弓处导气管道端口设置有单向排气阀,单向排气阀包括有气阀弹簧和气阀球塞,所述单向排气阀呈塞状,可拆卸更换。
弹性环塞、仿生大底上的乳突气柱、柱底过渡槽与仿生中底上的仿生凹槽、进气孔共同配合组成换气隔热缓震单元,每个运动鞋鞋底上布置有12个换气隔热缓震单元。
所述仿生大底的材质为橡胶。
所述仿生中底的材质为PHYLON材料,其邵氏硬度为40°,挖槽设计。
本发明的工作原理和过程:
换气室和乳突气柱的中空结构在人的足部和地面之间形成了以气体为主的接触介质,减弱了地面温度向人体足下传输效力,实现隔绝地表温度功能;
足部对于鞋底踩踏产生下压作用力,单个换气隔热缓震单元内乳突气柱轴向受压缩短,内部气体受压使气柱周向膨胀。由于乳突气柱下部壁厚是上部壁厚的倍,上部周向膨胀变形率高于底部周向膨胀变形率,膨胀的上部乳突气柱挤压换气室内气体;同时,大底上的柱底过渡槽的底面壁厚为大底壁厚的/,使乳突气柱周向区域具有更好的弹性变形能力,乳突气柱轴向区域随乳突气柱的轴向压缩向仿生凹槽内凹陷变形。膨胀的乳突气柱与凹陷的柱底过渡槽共同作用挤压换气室内气体;换气室内气压升高,弹性环塞受换气室内外压差作用,被压紧贴合于仿生凹槽槽底面,凸起堵塞紧紧堵住进气口,换气室内的高压气体通过导气通道推动单向排气阀内的气阀弹簧压缩,气阀球塞后移,换气室内气体被排出鞋底。
当足部抬起时,压力消除,乳突气柱由于其自身弹性和内部气体作用恢复初始状态,乳突气柱周向区域柱底过渡槽由于橡胶自身弹性展平。此时换气室内气压低于外界气压,由于压差的作用,弹性环塞、弹性塑料片周向方形齿向换气室内弯曲变形,凸起堵塞打开,鞋内的湿热空气被吸入换气室。当鞋与换气室内气压恒定时,弹性环塞由于其自身弹性作恢复初始状态,堵住进气孔,实现将鞋内湿热空气吸入换气室。如上述工作过程循环进行,实现鞋底换气功能。
在运动过程中,鞋底冲击地面,乳突气柱轴向受力压缩发生弹性变形,乳突气柱周向区域柱底过渡槽下大底向仿生凹槽内凹陷变形有效地吸收了来自与地面的冲击力,当鞋抬起时鞋底弹性变形恢复,实现了鞋底的缓冲减震功能。
本发明的有益效果:
本发明以工程仿生学为基础,将鸵鸟足底部优异特性运用于运动鞋鞋底设计,并且通过结构与材料耦合,实现了鞋底的换气、隔温、缓震多功能特征。
本发明结构简单,在不改变传统鞋底材料运用的基础上,选取传统鞋底的橡胶与PHYLON中底材料,在鞋底上进行挖除材料设计,通过对生物原型的结构仿生设计展开到功能仿生应用。在实现所需仿生运动鞋底的功能性同时,更加贴合于运动鞋鞋底的轻量化设计理念。
本发明加工难度小、生产成本低。
附图说明
图1是本发明的立体示意图。
图2是本发明的仿生大底立体示意图。
图3是本发明的仿生中底立体示意图。
图4是本发明的弹性环塞立体示意图。
图5是本发明的仿生中底局部装配示意图。
图6是本发明的单个换气隔热缓震单元受压状态纵切截面示意图。
图7是本发明的单个换气隔热缓震单元恢复状态纵切截面示意图。
图8是本发明的仿整体立体示意图。
1-仿生大底,2-进气孔,3-仿生中底,4-弹性环塞,5-乳突气柱,6-柱底过渡槽,7-仿生凹槽,8-单向排气阀,9-大底,10-导气槽,11-弹性片,12-凸起堵塞,13-气阀弹簧,14-气阀球塞,15-换气室。
具体实施方式
如图1、图2、图3、图5和图8所示,本发明包括有仿生大底1、仿生中底3、单向排气阀8和弹性环塞4,仿生大底1是由大底9、嵌入大底9的乳突气柱5和柱底过渡槽6构成的一体结构,乳突气柱5为圆柱形,呈中空封闭结构,乳突气柱5内部充有氮气,乳突气柱5位于大底9下段与位于大底9上段的长度比例为1:2,乳突气柱5位于大底9下段与位于大底9上段的壁厚比例为2:1,在人足部第一跖骨关节对应大底9前掌位置处的乳突气柱5外径为乳突气柱5的1.5倍,大底9后跟处的乳突气柱5分布密度大于大底9前掌处乳突气柱5分布密度。
所述仿生中底3是由仿生凹槽7、导气槽10、进气孔2构成的一体结构,仿生凹槽7对应乳突气柱5位置开设,仿生凹槽7为六边花型盲孔,仿生凹槽7的深度与乳突气柱5上段长度相同,仿生凹槽7内与内凹半圆相切形成的圆与乳突圆柱5外径相同,每个仿生凹槽7底面开有连通中底上表面的进气孔2,所述进气孔2为矩形,对应开设在仿生凹槽7底面各个角落区域,进气孔2相对于仿生凹槽7底面中心呈周向排列,所述导气槽10横截面为U型,导气槽10的深度为1/5仿生凹槽7深度,导气槽10设置于仿生中底3下表面与仿生大底1上表面配合形成导气管道,联接每一个仿生凹槽7并连通外部空间。
仿生大底1与仿生中底3胶黏在一起,仿生大底1上方乳突气柱5嵌入仿生凹槽7,乳突气柱5周向由凹槽内壁半圆柱凸起夹持固定,乳突气柱5上表面与仿生凹槽7底面之间设有弹性环塞4,弹性环塞4与仿生凹槽7底面胶黏在一起,弹性环塞4的外延方齿面自然贴合于仿生凹槽7底面,弹性环塞4由弹性塑料片11和凸起堵塞12组成,弹性塑料片11外延分布有六个方形齿,凸起堵塞12自然状态堵住进气孔2;乳突气柱5外表面、仿生凹槽7内表面与仿生大底1上的柱底过渡凹槽6面共同形成换气室15;导气槽10与仿生大底1表面胶黏配合形成导气管道,导气管道联通各换气室15与外部空间。足弓处导气管道端口设置有单向排气阀8,单向排气阀8包括有气阀弹簧13和气阀球塞14,所述单向排气阀8呈塞状,可拆卸更换。
如图1、图6、图7所示,弹性环塞4、仿生大底1上的乳突气柱5、柱底过渡槽6与仿生中底3上的仿生凹槽7、进气孔2共同配合组成换气隔热缓震单元,每个运动鞋鞋底上布置有12个换气隔热缓震单元。
所述仿生大底1的材质为橡胶。
所述仿生中底3的材质为PHYLON材料,其邵氏硬度为40°,挖槽设计。
本发明的工作原理和过程:
换气室15和乳突气柱5的中空结构在人的足部和地面之间形成了以气体为主的接触介质,减弱了地面温度向人体足下传输效力,实现隔绝地表温度功能;
如图1和图6所示,足部对于鞋底踩踏产生下压作用力,单个换气隔热缓震单元内乳突气柱5轴向受压缩短,内部气体受压使气柱周向膨胀。由于乳突气柱5下部壁厚是上部壁厚的2倍,上部周向膨胀变形率高于底部周向膨胀变形率,膨胀的上部乳突气柱5挤压换气室15内气体;同时,大底9上的柱底过渡槽6的底面壁厚为大底9壁厚的1/2,使乳突气柱5周向区域具有更好的弹性变形能力,乳突气柱5轴向区域随乳突气柱5的轴向压缩向仿生凹槽7内凹陷变形。膨胀的乳突气柱5与凹陷的柱底过渡槽6共同作用挤压换气室15内气体;换气室15内气压升高,弹性环塞4受换气室15内外压差作用,被压紧贴合于仿生凹槽7槽底面,凸起堵塞12紧紧堵住进气口2,换气室15内的高压气体通过导气通道推动单向排气阀8内的气阀弹簧13压缩,气阀球塞14后移,换气室15内气体被排出鞋底。
如图1和图7所示,当足部抬起时,压力消除,乳突气柱5由于其自身弹性和内部气体作用恢复初始状态,乳突气柱5周向区域柱底过渡槽6由于橡胶自身弹性展平。此时换气室15内气压低于外界气压,由于压差的作用,弹性环塞4、弹性塑料片11周向方形齿向换气室15内弯曲变形,凸起堵塞12打开,鞋内的湿热空气被吸入换气室15。当鞋与换气室15内气压恒定时,弹性环塞4由于其自身弹性作恢复初始状态,堵住进气孔2,实现将鞋内湿热空气吸入换气室。如上述工作过程循环进行,实现鞋底换气功能。
如图1和图6所示,在运动过程中,鞋底冲击地面,乳突气柱5轴向受力压缩发生弹性变形,乳突气柱5周向区域柱底过渡槽6下大底向仿生凹槽7内凹陷变形有效地吸收了来自与地面的冲击力,当鞋抬起时鞋底弹性变形恢复,实现了鞋底的缓冲减震功能。
Claims (5)
1.一种具有换气隔温缓震功能的仿生运动鞋鞋底,其特征在于:包括有仿生大底(1)、仿生中底(3)、单向排气阀(8)和弹性环塞(4),仿生大底(1)是由大底(9)、嵌入大底(9)的乳突气柱(5)和柱底过渡槽(6)构成的一体结构,乳突气柱(5)为圆柱形,呈中空封闭结构,乳突气柱(5)位于大底(9)下段与位于大底(9)上段的长度比例为1:2,乳突气柱(5)位于大底(9)下段与位于大底(9)上段的壁厚比例为2:1;
所述仿生中底(3)是由仿生凹槽(7)、导气槽(10)、进气孔(2)构成的一体结构,仿生凹槽(7)对应乳突气柱(5)位置开设,仿生凹槽(7)为六边花型盲孔,仿生凹槽(7)的深度与乳突气柱(5)上段长度相同,仿生凹槽(7)内与内凹半圆相切形成的圆与乳突圆柱(5)外径相同,每个仿生凹槽(7)底面开有连通中底上表面的进气孔(2),所述进气孔(2)为矩形,对应开设在仿生凹槽(7)底面各个角落区域,进气孔(2)相对于仿生凹槽(7)底面中心呈周向排列,所述导气槽(10)横截面为U型,导气槽(10)的深度为1/5仿生凹槽(7)深度,导气槽(10)设置于仿生中底(3)下表面与仿生大底(1)上表面配合形成导气管道,联接每一个仿生凹槽(7)并连通外部空间;
仿生大底(1)与仿生中底(3)胶黏在一起,仿生大底(1)上方乳突气柱(5)嵌入仿生凹槽(7),乳突气柱(5)周向由凹槽内壁半圆柱凸起夹持固定,乳突气柱(5)上表面与仿生凹槽(7)底面之间设有弹性环塞(4),弹性环塞(4)与仿生凹槽(7)底面胶黏在一起,弹性环塞(4)的外延方齿面自然贴合于仿生凹槽(7)底面,弹性环塞(4)由弹性塑料片(11)和凸起堵塞(12)组成,弹性塑料片(11)外延分布有六个方形齿,凸起堵塞(12)自然状态堵住进气孔(2);乳突气柱(5)外表面、仿生凹槽(7)内表面与仿生大底(1)上的柱底过渡凹槽(6)面共同形成换气室(15);导气槽(10)与仿生大底(1)表面胶黏配合形成导气管道,导气管道联通各换气室(15)与外部空间;足弓处导气管道端口设置有单向排气阀(8),单向排气阀(8)包括有气阀弹簧(13)和气阀球塞(14)。
2.根据权利要求1所述的一种具有换气隔温缓震功能的仿生运动鞋鞋底,其特征在于:所述的弹性环塞(4)、仿生大底(1)上的乳突气柱(5)、柱底过渡槽(6)与仿生中底(3)上的仿生凹槽(7)、进气孔(2)共同配合组成换气隔热缓震单元,每个运动鞋鞋底上布置有12个换气隔热缓震单元。
3.根据权利要求1所述的一种具有换气隔温缓震功能的仿生运动鞋鞋底,其特征在于:在人足部第一跖骨关节对应大底(9)前掌位置处的乳突气柱(5)外径为乳突气柱(5)的1.5倍,大底(9)后跟处的乳突气柱(5)分布密度大于大底(9)前掌处乳突气柱(5)分布密度。
4.根据权利要求1所述的一种具有换气隔温缓震功能的仿生运动鞋鞋底,其特征在于:所述的乳突气柱(5)内部充有氮气。
5.根据权利要求1所述的一种具有换气隔温缓震功能的仿生运动鞋鞋底,其特征在于:所述仿生大底(1)的材质为橡胶;所述仿生中底(3)的材质为PHYLON材料。
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