CN109353165A - 一种刚柔并济弹性轮及具有该弹性轮的装备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种刚柔并济弹性轮及具有该弹性轮的装备，其轮圈形成承载外周表面，多个弹性支撑件均布于轮毂和轮圈之间，弹性支撑件可在载荷作用下产生形变；轮毂、轮圈和弹性支撑件中至少两者一体成型，常态下轮毂和轮圈同心；载荷作用于轮圈的径向力大于减震阈值或者转动摩擦作用于弹性支撑件的转动力矩大于抗弯力矩阈值时，弹性支撑件产生受拉形变，以便轮圈的圆心相对于轮毂的圆心产生径向弹性位移。通过结构优化将传统结构转化为刚柔并济结构，可在快速颠簸时弱化颠簸产生的载荷冲击，可确保轮子在颠簸起伏的路况快速安全行进；冲击载荷弱化后，该弹性支撑件将释放弹性势能形成推动轮毂继续正常行进转动的转矩，可兼顾良好的行走性能和用户体验。

Description

一种刚柔并济弹性轮及具有该弹性轮的装备

技术领域

本发明涉及机械轮技术领域，具体涉及一种刚柔并济弹性轮及具有该弹性轮的装备。

背景技术

传统的轮子在实际使用过程中，利用外圈的滚动减少与接触面的摩擦系统，进而获得良好的作动性能。例如但不限于，车轮或传动轮等。通常，轮子转动过程中产生的冲击载荷，直接影响其运行平顺性。

以车轮为例，行走在凹凸不平的路面上时，颠簸产生的冲击作用力会通过车轮及车体等构件传递至乘员，用户体验较差。更严重的情形下，该冲击产生的震动还会导致车上其他构件松动，甚至车载物品的损坏。为了获得良好的用户体验，现有技术提出了不同减震车轮方案，但是，由于设计上大多较为繁琐，在冲击下构件连接点形成较为恶劣的应力集中，易于损坏，无法得以广泛推广应用。此外，现有技术的减震结构均在一定程度上增加了轮子的行进阻力。

有鉴于此，亟待另辟蹊径针对轮子结构进行优化设计，以在获得良好减震效果的基础上，有效规避构为避免构件连接点应力集中影响轮子使用寿命的缺陷。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种刚柔并济弹性轮及具有该弹性轮的装备，通过结构优化将传统结构转化为刚柔并济结构，在获得良好行走性能的基础上，能够有效规避恶劣使用环境对轮子使用寿命的影响。

本发明提供的刚柔并济弹性轮，包括轮毂、轮圈和多个弹性支撑件；其中，所述轮毂用于与轮轴适配，所述轮圈用于形成承载外周表面；多个弹性支撑件，周向依次间隔均布于所述轮毂和所述轮圈之间，每个所述弹性支撑件可受压产生第一形变或受拉产生第二形变；所述轮毂、所述轮圈和所述弹性支撑件中，至少两者一体成型，且配置为：常态下，所述轮毂和所述轮圈同心；载荷作用于所述轮圈的径向力大于减震阈值时，或者转动力矩作用于所述弹性支撑件的转动力矩大于抗弯力矩阈值时，多个所述弹性支撑件中的至少一者产生第一形变且至少另一者产生第二形变，以便所述轮圈的圆心相对于所述轮毂的圆心产生径向弹性位移形成弹性势能；且所述弹性轮转动至所述径向力小于所述减震阈值时，或者所述转动力矩小于所述抗弯力矩阈值时，产生所述第一形变和所述第二形变的所述弹性支撑件释放所述弹性势能形成推动所述轮毂转动的正常行进作用力。

优选地，所述弹性支撑件的受力形变区域由其本体回转盘绕形成。

优选地，所述弹性支撑件的受力形变区域由其本体迂回折弯形成。

优选地，所述弹性支撑件的受力形变区域的本体具有沿其本体延伸方向开设的通槽。

优选地，在轴向投影面内，每个所述弹性支撑件整体呈弯曲形态，且其与所述轮圈的连接段延伸至其弯曲方向相邻所述弹性支撑件的形变区域的径向外侧。

优选地，所述轮毂、所述轮圈和所述弹性支撑件一体成型，所述弹性支撑件的与所述轮圈的连接段的横截面积有由内至外逐渐增大的变化趋势。

优选地，每个所述弹性支撑件的连接段外端均具有周向贯通槽，且所述周向贯通槽内插装设置有支撑块，所述支撑块与相应的周向贯通槽之间为紧配合。

优选地，所述轮毂和所述弹性支撑件一体成型，所述弹性支撑件的与所述轮圈的连接段的横截面积有由内至外逐渐增大的变化趋势，并在端部形成滑块；所述轮圈的相应位置设置有沿周向开设的滑块插装槽，相邻所述滑块插装槽之间向具有周向间隔空间，并配置为：在轴向投影面内，所述周向间隔空间可容纳相应的所述滑块，所述滑块插装槽的槽底与相应所述滑块的外周表面之间形成径向相抵适配副，且所述适配副距轮心的距离沿周向自中部向两侧呈递减的趋势变化。

优选地，所述适配副呈外凸孤状。

本发明还提供一种具有前述轮子的装备。

与现有技术相比，本发明改变了由轮与轮圈相对位置固定的传统轮子形式，通过刚柔并济结构适应使用过程中的工作载荷，并由此取消了轮子外胎。应用本方案，具有下述有益技术效果：

首先，工作载荷作用下，弹性支撑件可产生相应的受拉形变或受压形变，过程中两者圆心发生连续的不同心变化，也即轮圈在外载荷的作用下产生相对于转动圆心的径向弹性位移，其中的主要形变构件弹性支撑件与轮圈或者轮毂一体成型，可有效规避在降低冲击载荷的过程中应力集中的产生，为提高轮子使用寿命提供技术保障，且制造成本能够得以有效控制。同时，弹性支撑件可在快速颠簸时充分吸收较大的冲击载荷，从而可弱化颠簸并降低载荷冲击，并且，轮子前行或倒退过程中，上述形变使得结构具备与转动力矩成正比的刚性，构成避免结构失稳的能力，从而可确保轮子在颠簸起伏的路况快速安全行进，具有良好的用户体验。另外，形变过程中产生的位置变化形成弹性势能，冲击载荷弱化后，该弹性支撑件将释放弹性势能，在正常行进过程中，形成推动轮毂继续转动的转矩，也即推动轮毂转动的作用力，可为轮子的旋转提供助力。本方案提供的刚柔并济弹性轮，有效兼顾了避震效果以及通过能力的提升,保证了运行的稳定性和平衡性。此外，在轮子克服摩擦力的转动过程中，转动力矩作用于弹性支撑件且大于其抗弯力矩的阈值时，其弹性形变量与刚性成正比，同样形成弹性退让，吸收、储存的能量同样可在转动力矩小于抗弯力矩的阈值是发生释放。

其次，在本发明的优选方案中，在弹性支撑件的受力形变区域的本体具有沿其本体延伸方向开设的通槽，如此设置，可快速调整该受力形变区域自体弹性的大小，快速响应工况下载荷的变化，具有较好的可适应性。

再次，在本发明的另一优选方案中，弹性支撑件的与轮圈的连接段延伸至其弯曲方向相邻弹性支撑件的形变区域的径向外侧，相邻弹性支撑件有序交错布置，使得轮子滚动过程形成更加可靠的脉冲式连续转动，进一步提高其运动稳定性。

第四，在本发明的又一优选方案中，每个弹性支撑件的连接段外端均具有周向贯通槽，其中插装有与其紧配合的支撑块。由此，利用支撑块在轮圈上构成的几何形态形成所需刚性的补充，可根据承载需求改变轮圈刚性，也即调节了轮圈的刚性。在此基础上，本优选方案的轮圈可采用不同刚性特征的材料，而非局限于仅依据结构静态的质量冗余保障其使用功能，材料和结构的匹配选择更加机动灵活。

附图说明

图1为实施例一所述刚柔并济弹性轮的立体示意图；

图2为实施例一所述刚柔并济弹性轮的正视图；

图3示出了所述刚柔并济弹性轮的使用状态形变示意图；

图4为图1中A向所视弹性支撑件的局部示意图；

图5为实施例二所述刚柔并济弹性轮的示意图；

图6为实施例三所述刚柔并济弹性轮的示意图；

图7为实施例三所述轮毂和弹性支撑件的示意图；

图8为实施例三所述轮图的示意图；

图9为图6的B-B剖面图。

图中：

轮毂1、弹性支撑件2、通槽21、连接段22、周向贯通槽23、滑块24、外周表面241、轮圈3、滑块插装槽31、支撑块4。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例一：

请参见图1和图2，其中，图1为本实施例所述刚柔并济弹性轮的立体示意图，图2为该刚柔并济弹性轮的正视图。

该弹性轮主要包括用于与装备的轮轴(图中未示出)适配的轮毂1、弹性支撑件2和轮圈3。本方案提供的刚柔并济弹性轮取消了传统外部轮胎，轮圈3具有一定的承载刚性并形成承载外周表面；其中，多个弹性支撑件2周向依次间隔均布于轮毂1和轮圈3之间。这里，多个弹性支撑件2兼具传统轮子的轮辐功能，同时基于其受压形变和受压形变的特点，该轮圈3可在外载荷的作用下相对于轮毂1弹性位移，也即弹性退让，并在退让过程吸收、储存外载荷的冲击能量，且形变过程中产生的位置变化形成弹性势能，该弹性势能在外载荷阈值小于弹性退让阈值时发生释放，使支撑件助力于正常行进轮子的转动。同时，轮子前行或倒退过程中，上述形变使得结构具备与转动力矩成正比的刚性，具有刚柔并济的结构刚性不断加大，构成避免结构失稳的能力，由此适应轮子转动过程的转动力矩载荷变化。工作过程中，弹性支撑件2可在快速颠簸时充分吸收较大的冲击载荷，从而可大大降低载荷冲击、弱化颠簸，本方案可确保轮子在颠簸起伏的路况快速安全行进，具有良好的用户体验。而传统阻尼的作用仅仅是使能量耗散，且传统阻尼力与冲击载荷速度成正比，能量耗散方式粗暴。因此，轮子行进过程中难以适应快速颠簸。

此外，在轮子克服摩擦力的转动过程中，作用于弹性支撑件2转动力矩大于其抗弯力矩阈值时，其弹性形变量与刚性成正比，同样形成弹性退让，吸收、储存的能量同样可在转动力矩小于抗弯力矩的阈值是发生释放。

如图所示，本方案以五个弹性支撑件2作为示例性说明，轮毂1、轮圈3和各弹性支撑件2一体成型，可有效规避在降低冲击载荷的过程中应力集中的产生，为提高轮子使用寿命提供技术保障。每个位于轮毂1和轮圈3之间的弹性支撑件2，可在受压时产生第一形变，或者在受拉产生第二形变。请一并参见图3，该图以在路面行驶的轮子为例示出了该弹性轮的使用状态形变示意，为清晰表达本方案的作用机理，图3以三个弹性支撑件2进行示意以简化图面。

常态下，轮毂1和轮圈3同心，具体如图中所示圆心O；当载荷作用于轮圈3的径向力大于减震阈值时，至少位于下方的弹性支撑件2受压产生第一形变，具有一定刚性的轮圈3随之拉动至少位于右上方的弹性支撑件2受拉产生第二形变，这样，轮圈3的圆心O′相对于轮毂1的圆心O产生径向弹性位移Δ，也就是说，在轮子转动过程中两者圆心发生连续的不同心变化，也即轮圈3在外载荷的作用下产生相对轮毂1转动圆心的弹性位移。图3中所示，发生相应形变的构件采用虚线表示，45°剖面所示区域为轮圈3内收区，网格剖面所示区域为轮圈3外扩区。

需要说明的是，这里的“减震阈值”是指总体设计所提出吸能响应条件，具体可根据该弹性轮的实际应用工况进行设定；例如但不限于，当外载荷作用力大于50kg时，则相应弹性支撑件2当产生第一形变和第二形变，启动吸能减震的功能。

随着弹性轮继续转动，路面变为平坦，外载荷所产生的径向力小于该减震阈值时，产生第一形变和第二形变的弹性支撑件2释放弹性势能将形成推动轮毂1转动的作用力，也就是说，冲击载荷弱化后，该弹性支撑件2将释放该弹性势能形成推动轮毂1继续转动的转矩，也即推动轮毂1转动的正常行进作用力，可为轮子的旋转提供助力。如此设置，该刚柔并济弹性轮对材料无特殊性要求，满足产品轻量化的设计趋势，有效兼顾了避震效果以及通过能力的提升。

应当理解，本文中的“受力形变区域”是指在外载荷作用下发生弹性变形的区域，“受力形变区域”的表达仅用于清楚示明本方案的作用机理，并非构成对弹性支撑件2工作区域的绝对划分限制；也就是说，该弹性支撑件2可局部产生弹性变形，也可整体产生弹性变形，只要满足前述功能需要均在本申请请求保护的范围内。例如但不限于，弹性支撑件2的受力形变区域如图中所示的由其本体回转盘绕形成，也可由其本体迂回折弯形成。其中，对于采用由本体回转盘绕形成的方式，弹性支撑件2的弹性变形止动于结构交汇处，也就是说，其形变位于约束范围内，可确保轮轴与轮圈之间传递最大转动力矩。

为了进一步提高该弹性轮的快速调整能力，作为优选，可以在弹性支撑件2的受力形变区域的本体具有沿其本体延伸方向开设的通槽21，请一并参见图4，该为图1的A向所视弹性支撑件2局部示意图。

如此设置，可快速调整该受力形变区域自体弹性的大小，快速响应工况下载荷的变化，具有较好的可适应性。具体地，该通槽21可贯通弹性支撑件2也可为盲槽，且其具体尺寸及设置数量可根据实际需要进行设定，本文不再赘述。

在轴向投影面内，如图2所示，每个弹性支撑件2整体呈弯曲形态，在不增大轮子外径尺寸的基础上，可最大限度的获得吸能减震能力。该弹性支撑件2的与轮圈3的连接段22延伸至其弯曲方向相邻弹性支撑件2的形变区域的径向外侧，一个弹性支撑件2连接段22位于与其相邻的另一弹性支撑件2的形变区域的径向外侧，如此设置，相邻弹性支撑件2有序交错布置，使得轮子滚动过程形成更加可靠的脉冲式连续转动，进一步提高其运动稳定性。

如图所示，弹性支撑件2的与轮圈3的连接段22的横截面优选具有由内至外逐渐增大的变化趋势，具体来说，接近轮圈3的连接段22横截面相对较大，以提高轮圈3的刚性以及整个弹性轮的承载稳定性。

此外，每个弹性支撑件2的连接段22外端，也即与轮圈3相连位置处均具有周向贯通槽23，且配备3有可插装于该周向贯通槽23内的支撑块4，插装完成后，支撑块4与相应的周向贯通槽23之间为紧配合，具体如图3所示局部剖所示。如此设置，可利用支撑块4在轮圈3上构成的几何形态形成对轮圈3刚性补充，根据承载需求改变轮圈4刚性，也就是说，工况需要较大轮圈刚性时，则将支撑块4插入相应的周向贯通槽23内，而所需轮圈刚性较小时，将支撑块4取出即可，以此调节了轮圈3的工作刚性。

另外，基于上述支撑块4的设置，轮圈3可采用不同刚性特征的材料，而非局限于仅依据结构静态的质量冗余保障其使用功能，材料和结构的匹配选择更加机动灵活。

特别说明的是，本方案提供的刚柔并济弹性轮所采用一体成型工艺，可根据材料选择进行选定，例如，金属材料可采用精密铸造工艺，非金属材料或者复合材料可采用注塑或者3D打印工艺成型。本方案中，连接段22与轮圈3间具有沿周向形成的承载受力区域，工作过程中形成的冲击载荷将在周向形成整体分布承载状态，相比于螺纹紧固等易于形成应力集中的连接方式，具有良好的承载能力。

实施例二：

本方案与实施例一的区别在于，本方案未设置对轮圈3进行刚性补充的支撑块4。请参见图5，该图为本方案所述刚柔并济弹性轮的示意图，为了清晰示出本方案与实施例一的区别和联系，相同功能作用的构件或结构在图中以同一标记进行示明。

同样地，本方案的轮毂1、轮圈3和各弹性支撑件2为一体成型，使用过程中，在降低冲击载荷的过程中可规避应力集中的产生，同时能够有效兼顾了避震效果以及通过能力的提升。具体作用机理与实施例一相同，在此不再赘述。

实施例三：

本方案与实施例一或实施例二的区别在于，其中的轮毂1和各弹性支撑件2一体成型，另与轮圈3组装在一起。请参见图6，该图为本方案所述刚柔并济弹性轮的示意图，为了清晰示出本方案与实施例一、二的区别和联系，相同功能作用的构件或结构在图中以同一标记进行示明。

本方案中，弹性支撑件2的与轮圈3的连接段22的横截面积有由内至外逐渐增大的变化趋势，并在端部形成滑块24，请参见图7，该图为集成为一体的轮毂和弹性支撑件的示意图。相应地，请参见图8，该图本实施例所述轮圈3的示意图，该轮圈3的相应位置设置有沿周向开设的滑块插装槽31，相邻滑块插装槽31之间向具有周向间隔空间C，并配置为：在轴向投影面内，该周向间隔空间C可容纳相应的滑块24，滑块插装槽31的槽底与相应滑块24的外周表面241之间形成径向相抵适配副C，且适配副距轮心O的距离沿周向自中部向两侧呈递减的趋势变化。

请一并参见图9，该图为图6的B-B剖面图。组装时，滑块24自周向间隔空间C轴向插装至与滑块插装槽31相对，与此同时，对各弹性支撑件2施压略内收，弹性支撑件2与轮毂1相对于轮圈3周向相对转动，即可实现滑块24与滑块插装槽31径向相抵组配。图中所示，滑块24与滑块插装槽31之间的适配副D呈外凸孤状。

正常使用状态下，适配副D1区域形成的周向限位作用，可确保轮毂1、弹性支撑件2和轮圈3同步转动。本实施例提供的刚柔并济弹性轮作为行走设备的行走轮，出现急停时，滑块24在惯性的作用下可随弹性支撑件2和轮毂1具有继续前移的趋势，适配副D2区域的周向贯通槽23槽底使得各弹性支撑件2内收，可吸收急停冲击对用户感受的影响。

需要说明的是，一体成型的轮毂1和各弹性支撑件2与轮圈3之间组装连接方式，可根据具体应用情境需要进行调整。当然也可采用这样的设计，各弹性支撑件2与轮圈3采用一体成型，另与轮毂1组装在一起(图中未示出)，同样可以达成前述应用效果。

除前述实施例提供的刚柔并济弹性轮外，本实施方式还提供一种应用前述弹性轮的装备。该装备可以为自行车或机动车或其他设备，本方案提供的刚柔并济弹性轮可以作为设备的行走轮和/或传动轮。应当理解，装备的其他功能部分非本申请的核心发明点所在，本领域技术人员可以基于现有技术实现，故本文不再赘述。

特别说明的是，图中所示轮子的弹性支撑件为示例性说明，不失一般性，弹性支撑件可以根据不同设备的具体要求设置为其他复数个，例如七个或者九个等，而非局限于图中所示的数量。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.刚柔并济弹性轮，其特征在于，包括：

轮毂，用于与轮轴适配；

轮圈，用于形成承载外周表面；和

多个弹性支撑件，周向依次间隔均布于所述轮毂和所述轮圈之间，每个所述弹性支撑件可受压产生第一形变或受拉产生第二形变；所述轮毂、所述轮圈和所述弹性支撑件中，至少两者一体成型，且配置为：

常态下，所述轮毂和所述轮圈同心；载荷作用于所述轮圈的径向力大于减震阈值时，或者转动摩擦作用于所述弹性支撑件的转动力矩大于抗弯力矩阈值时，多个所述弹性支撑件中的至少一者产生第一形变且至少另一者产生第二形变，以便所述轮圈的圆心相对于所述轮毂的圆心产生径向弹性位移形成弹性势能；且所述弹性轮转动至所述径向力小于所述减震阈值时，或者所述转动力矩小于所述抗弯力矩阈值时，产生所述第一形变和所述第二形变的所述弹性支撑件释放所述弹性势能形成推动所述轮毂转动的正常行进作用力。

2.根据权利要求1所述的刚柔并济弹性轮，其特征在于，所述弹性支撑件的受力形变区域由其本体回转盘绕形成。

3.根据权利要求1所述的刚柔并济弹性轮，其特征在于，所述弹性支撑件的受力形变区域由其本体迂回折弯形成。

4.根据权利要求2或3所述的刚柔并济弹性轮，其特征在于，所述弹性支撑件的受力形变区域的本体具有沿其本体延伸方向开设的通槽。

5.根据权利要求4所述的刚柔并济弹性轮，其特征在于，在轴向投影面内，每个所述弹性支撑件整体呈弯曲形态，且其与所述轮圈的连接段延伸至其弯曲方向相邻所述弹性支撑件的形变区域的径向外侧。

6.根据权利要求5所述的刚柔并济弹性轮，其特征在于，所述轮毂、所述轮圈和所述弹性支撑件一体成型，所述弹性支撑件的与所述轮圈的连接段的横截面积有由内至外逐渐增大的变化趋势。

7.根据权利要求6所述的刚柔并济弹性轮，其特征在于，每个所述弹性支撑件的连接段外端均具有周向贯通槽，且所述周向贯通槽内插装设置有支撑块，所述支撑块与相应的周向贯通槽之间为紧配合。

8.根据权利要求5所述的刚柔并济弹性轮，其特征在于，所述轮毂和所述弹性支撑件一体成型，所述弹性支撑件的与所述轮圈的连接段的横截面积有由内至外逐渐增大的变化趋势，并在端部形成滑块；所述轮圈的相应位置设置有沿周向开设的滑块插装槽，相邻所述滑块插装槽之间向具有周向间隔空间，并配置为：在轴向投影面内，所述周向间隔空间可容纳相应的所述滑块，所述滑块插装槽的槽底与相应所述滑块的外周表面之间形成径向相抵适配副，且所述适配副距轮心的距离沿周向自中部向两侧呈递减的趋势变化。

9.根据权利要求8所述的刚柔并济弹性轮，其特征在于，所述适配副呈外凸孤状。

10.一种具有权利要求1至9中任一项所述轮子的装备。