CN112140802A - 自行车轮毂减震装置 - Google Patents

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Abstract

本发明一种自行车轮毂减震装置，属于自行车减震领域；包括分离式外轮毂、柔性辐条和花鼓；通过多个沿周向均布的柔性辐条连接所述分离式外轮毂和花鼓，柔性辐条的数量为6‑12个；所述花鼓为圆环结构，通过轴承安装于车轮转轴上，其外周面上沿周向开有多个凹槽，作为与所述柔性辐条一端连接的第一配合孔；所述柔性辐条外形为圆弧结构，径向截面为椭圆形；所述分离式外轮毂是由多个轮毂段拼接而成的圆环结构，每个轮毂段与一个柔性辐条对应安装，采用分离式的轮毂以及柔性辐条，与地面接触的轮毂及辐条单独负责车轮的减震，不涉及其他轮毂及辐条。因此在减震过程中，车轮的轴承相对前叉顶端不发生相对位移，因此不会发生车轮碰撞到前叉顶端的事故。

Description

自行车轮毂减震装置
技术领域
本发明属于自行车减震领域，具体涉及一种自行车轮毂减震装置。
背景技术
自行车减震系统是提高自行车骑行舒适性的必要配件，通常由轴承、花鼓、钢丝(连接花鼓和轮毂)和橡胶轮胎组成。市面上常见的自行车减震系统有前叉减震和软尾减震两种，都分别存在不同的缺陷。如质量过大、损坏后维修困难且需要整体更换、启动时扭矩损失等。
国外有softwheel产品(专利号US10173463B2)，依靠辐条进行减震，但是这款车轮使用的是固定外轮毂，减震过程中，轮胎整体上下运动，此时可能碰撞到前叉顶端造成事故，且单个辐条受损后依然难以更换。所以我们尝试设计一种只依赖辐条和分离式的轮毂进行减震，且在减震过程中，车轮的轴承不会上下运动的自行车轮。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种自行车轮毂减震装置，采用分离式的轮毂以及柔性辐条，与地面接触的轮毂及辐条单独负责车轮的减震，不涉及其他轮毂及辐条。因此在减震过程中，车轮的轴承相对前叉顶端不发生相对位移，因此不会发生车轮碰撞到前叉顶端的事故。
本发明的技术方案是：一种自行车轮毂减震装置，其特征在于：包括分离式外轮毂、柔性辐条和花鼓；通过多个沿周向均布的柔性辐条连接所述分离式外轮毂和花鼓，柔性辐条的数量为6-12个；
所述花鼓为圆环结构，通过轴承安装于车轮转轴上，其外周面上沿周向开有多个凹槽，作为与所述柔性辐条一端连接的第一配合孔；
所述柔性辐条外形为圆弧结构，其靠近花鼓一侧的轴线垂直于该处的花鼓外表面，靠近轮毂一侧的轴线与轮毂外表面曲率连续，辐条轴线曲率处处连续；柔性辐条的径向截面为椭圆形，所述椭圆形的的长轴平行于车轮的轴向，短轴垂直于车轮的轴向；
所述分离式外轮毂是由多个轮毂段拼接而成的圆环结构，每个轮毂段与一个柔性辐条对应安装，所述轮毂段的两端均为45度斜劈形，一端为向外突出的45度斜劈形，另一端为向内凹的45度斜劈形，用于相邻轮毂段之间的收尾连接，并限制其横向移动；轮毂段的内弧面设置有凹槽，作为与所述柔性辐条另一端连接的第二配合孔；轮毂段两端均沿平行于内外圆弧面的轴向截面开有凹槽作为轮毂缝，轮毂间弹性片插装于相邻两个轮毂段的轮毂缝内，并通过紧定螺丝将轮毂间弹性片的两端分别与相邻两个轮毂段固定。
本发明的进一步技术方案是：所述柔性辐条和轮毂段的数量均为8个。
本发明的进一步技术方案是：所述柔性辐条的截面面积从花鼓一端到分离式外轮毂一端逐渐减小。
本发明的进一步技术方案是：所述柔性辐条采用碳纤维或高强度工程塑料一体成型制造。
本发明的进一步技术方案是：所述轮毂间弹性片采用碳纤维或合金制造。
本发明的进一步技术方案是：所述花鼓由两个相同结构的圆环拼接为一体，并通过沿周向设置的八颗沉头螺钉同轴固定在车轮中心的两侧。
本发明的进一步技术方案是：所述花鼓采用碳纤维树脂或高强度工程塑料。
本发明的进一步技术方案是：所述第二配合孔的两侧开有工艺缝，将所述柔性辐条插装于第二配合孔内，通过两个轮毂紧定螺钉分别将两侧的工艺缝紧固，进一步实现对柔性辐条的夹紧。
本发明的进一步技术方案是：所述轮毂段的两端均为45度斜劈形处均设置有倒角避免应力集中。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明的辐条-轮毂减震装置：(一)采用分离式外轮毂，填补国内国际关于非固定是轮毂减震自行车轮研究领域的空白，研制更高性能的适用于共享单车的减震车轮。本发明区别于其他所有减震车轮之处在于其非固定式轮毂，两片分离的轮毂段间采用弹性片进行连接，配合减震辐条吸收能量，缓冲和限位。当自行车遇到不平整地形时，轮胎与地面障碍物接触瞬时受到一个较大的向上的力，接触点附近的弹性片与相近的弹性轮毂发生形变，而非外轮毂整体上移，不会导致轮胎与前叉触碰。轮胎实心自行车轮，包裹在外轮毂外面；轮毂段两端为45度斜劈形，用于限制其横向移动,增强轮毂强度。
(二)采用辐条-轮毂减震机构：每一个花鼓上的凹槽都与一个柔性辐条连接，为轮毂提供支撑和缓冲，自行车与成员产生的支撑力主要有柔性辐条承担。分离的轮毂段间通过固定在轮毂段两端的缝中的弹性片连接，使轮毂减震活动更灵活的同时保证其横向稳定性。辐条减震臂截面为椭圆，两个方向上的惯性矩有较大差异，要求平行于车轮轴线方向为长轴，垂直于车轮轴线方向为短轴，确保车轮在收到横向冲击时不容易弯曲，而受到纵向冲击时能够正常弯曲。
(三)采用轮毂-辐条减震自行车轮专用花鼓：由于我们发明的自行车轮没有钢丝与外轮毂连接，所以该车轮的花鼓与普通自行车的结构不同，八个固定辐条的孔取代普通自行车花鼓的钢丝定位孔，通过八颗紧定螺钉以微小形变固定插入的各个辐条。
本发明的自行车轮根据自行车的重量以及其他参数将减震臂(即柔性辐条)数量优化为8个，拥有相对更高的故障冗余度。弹性材料制造的减震臂结构简单，性能可靠。轮毂两侧的槽用于放置碳纤维布连接两个轮毂，在碳纤维布的限制作用下，车轮形状不会出现过大的变形，导致骑行阻力过大，也不会因为剧烈冲击导致结构断裂。该减震车轮各个部分的结构高度模块化，任一个部位损坏仅需要更换相关构件即可，不需要整车轮进行更换。能够节约维护成本。现有技术中的软尾减震系统由于后轮在减震运动中的位移有沿传动铰链方向上的分量，导致在起步时会发生扭矩损失；而本发明轮毂-辐条减震系统的减震过程在该方向上无位移，因此不会发生扭矩损失。
我们对市面上的三种自行车轮进行了从不同高度的下落实验，分别从5cm、6cm、7cm、8cm、9cm、10cm、11cm静止下落，通过传感器采集数据，使用matlab对采样数据进行绘图比对分析。根据牛顿第二定律F＝ma,我们认为冲击是一个较短的时间内均匀施加力的过程，所以通过测量冲击瞬时加速度的大小来衡量减震效果。实际情况下发生碰撞时动量、动量矩守恒，能量在碰撞因数e不为1时并不守恒。
1、减震过程中，车轮的轴承相对前叉顶端不发生相对位移，因此不会发生车轮碰撞到前叉顶端的事故。
2、车轮高度模块化，维护、更换部件方便。
3、不会发生扭矩损失现象。
附图说明
图1为本发明轮毂减震轮的整体结构示意图；
图2为本发明整体装配示意图；
图3为本发明的花鼓与辐条间的配合关系示意图；
图4为本发明的辐条与分离式轮毂间的配合关系示意图；
图5为本发明的分离式轮毂间的配合关系示意图；
图6为三种自行车(普通五幅自行车轮、共享单车使用的斜辐条车轮、本发明轮毂减震车轮)同样从8cm高处竖直下落的加速度曲线图；
图7为本发明的减震车轮增加1千克配重从不同高度落下的加速度曲线图；
图8为三种车轮(普通车轮、斜辐条车轮、轮毂减震车轮)携带相同载荷，在崎岖路面以相同速度滚动前进时的纵向加速度曲线图；
附图标记说明：1-花鼓，2-辐条紧定螺钉，3-柔性辐条，4-第一轮毂段，5-轮毂紧定螺钉，6-第二轮毂段，7-轮毂间弹性片，8-弹性片紧定螺丝，9-第一配合孔，10-无螺纹孔，11-第二配合孔，12-工艺缝，13-无螺纹孔，14-螺纹孔，15-斜劈，16-轮毂缝。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参照图1至图5，本发明一种利用柔性辐条及分离式轮毂减震的车轮，包括花鼓1、利用辐条紧定螺钉2固定在花鼓1凹槽中的柔性辐条3、用轮毂紧定螺钉5固定在柔性辐条3末端的轮毂段4、轮毂段间的弹性片7以及固定它的紧定螺丝8。
参照图1，轮毂-辐条减震车轮的整体装配关系如图1所示，包括8个减震单元。
参考图2，轮毂-辐条减震车轮的单个减震单元的装配关系如图2所示。所述花鼓1由两个相同结构的圆环拼接为一体，通过轴承安装于车轮转轴上，其外周面上沿周向开有多个凹槽，作为与所述柔性辐条3一端连接的第一配合孔9；所述柔性辐条3外形为圆弧结构，其靠近花鼓1一侧的轴线垂直于该处的花鼓外表面，靠近轮毂一侧的轴线与轮毂外表面曲率连续，辐条轴线曲率处处连续；柔性辐条3的径向截面为椭圆形，所述椭圆形的的长轴平行于车轮的轴向，短轴垂直于车轮的轴向；柔性辐条3的截面面积从花鼓1一端到分离式外轮毂一端逐渐减小。
所述分离式外轮毂是由多个轮毂段拼接而成的圆环结构，每个轮毂段与一个柔性辐条3对应安装，所述轮毂段的两端均为45度斜劈形，一端为向外突出的45度斜劈形，另一端为向内凹的45度斜劈形，用于相邻轮毂段之间的收尾连接，并限制其横向移动；所述轮毂段的两端均为45度斜劈形处均设置有倒角避免应力集中。轮毂段的内弧面设置有凹槽，作为与所述柔性辐条3另一端连接的第二配合孔11；轮毂段两端均沿平行于内外圆弧面的轴向截面开有凹槽作为轮毂缝16，轮毂间弹性片7插装于相邻两个轮毂段的轮毂缝16内，并通过弹性紧定螺丝8将轮毂间弹性片7的两端分别与相邻两个轮毂段固定。
参照图3，柔性辐条3的近端与第一配合孔9配合，辐条紧定螺钉2穿过无螺纹孔10，螺母紧固后可利用微小形变夹紧柔性辐条3的近端。柔性辐条横截面均为椭圆，利于减震时辐条发生弯曲。所述花鼓1采用碳纤维树脂或高强度工程塑料。
参照图4，柔性辐条3的远端与第二配合孔11配合，所述第二配合孔的两侧开有工艺缝12，轮毂紧定螺钉5穿过第二配合孔11两侧的无螺纹孔13，螺母紧固后工艺缝12发生微小形变夹紧柔性辐条3远端，使轮毂段4与柔性辐条3配合。每段轮毂外侧粘贴有橡胶垫以延长轮毂段的使用寿命。柔性辐条3采用碳纤维或高强度工程塑料一体成型制造。
参照图5，轮毂间弹性片7夹在轮毂段4与轮毂段6的轮毂缝16中，由弹性片紧定螺丝8通过螺纹孔14挤压弹性片7以固定并柔性连接轮毂段4、6。两个轮毂段相近端为斜劈15结构。轮毂间弹性片7采用采用碳纤维或合金制造，其剪切强度小于拉伸、压缩强度，因此斜劈角取45°以使弹性片7获得最大强度。
本发明提供的辐条-轮毂减震车轮，在减震时柔性辐条3远端受到一个扭矩和一个力，使得柔性辐条3发生形变，形变产生的影响为令轮毂段左端或右端或整体由辐条远端向辐条近端位移，以达到减震的目的。本发明轮胎材料的选取，轮胎使用市面上已有的免充气胎，将整个外胎分成八个分段，分别固定在各个轮毂段外侧以起到保护的作用。若有磨损严重的外胎，也仅需更换对应外胎段，无需更换整个外胎，节约维护成本。刹车装置的布置，刹车装置采用碟刹或者鼓刹，与普通碟刹或鼓刹布置方式一致，不可采用V刹。
参照图6，从实验数据中可以看出，从相同高度下落时，减震车轮能够有效减小冲击。参照图7，减震车轮增加1千克配重，分别从不同高度落下，根据图像可以看出，在许可范围内，高度较低，冲击较小时减震效果并不特别明显，但是随着冲击强度加大，减震效果也会变得明显起来。当然，如果冲击过大，减震轮毂根部受力会过大，首先出现屈服和断裂。我们对不加轮毂间连接的自行车轮进行了冲击测试，从11cm高处摔落就会在柔性辐条根部产生裂纹。
滚动实验中，本发明的滑动轨道为外覆塑料的硬质胶合板，倾角为5.3°，静止释放，轮下方外挂约1千克的配重片模拟车轮在载重状态下行驶在颠簸路面。图8是滚动实验记录下的轴心处加速度数据，使用matlab绘图。每次采样时间间隔一致，为44/230400s,纵坐标相同，横坐标均为300个采样单位，选用z轴，即垂直于传感器标签面的一根轴，不记录x、y轴数据，x,y这两组数据记录的是传感器平行于地面摆动产生的干扰，故只记录垂直方向数据。根据实验数据，斜辐条和普通五幅并无太大差别，但是减震车轮振动图像两个加速度波峰间的间距明显大于其余两款车轮，加速度最大值也小于其他两款车轮。
在本发明中，如果由于剧烈刹车、冲撞等不可抗力造成的车轮损坏(如辐条扭曲、断裂等)，不必像普通车轮一样更换整个车轮，本发明将车轮的各个部分模块化，只需要更换受损的个别部位即可(如折断的单根轮毂等)。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种自行车轮毂减震装置，其特征在于：包括分离式外轮毂、柔性辐条和花鼓；通过多个沿周向均布的柔性辐条连接所述分离式外轮毂和花鼓，柔性辐条的数量为6-12个；
所述花鼓为圆环结构，通过轴承安装于车轮转轴上，其外周面上沿周向开有多个凹槽，作为与所述柔性辐条一端连接的第一配合孔；
所述柔性辐条外形为圆弧结构，其靠近花鼓一侧的轴线垂直于该处的花鼓外表面，靠近轮毂一侧的轴线与轮毂外表面曲率连续，辐条轴线曲率处处连续；柔性辐条的径向截面为椭圆形，所述椭圆形的的长轴平行于车轮的轴向，短轴垂直于车轮的轴向；
所述分离式外轮毂是由多个轮毂段拼接而成的圆环结构，每个轮毂段与一个柔性辐条对应安装，所述轮毂段的两端均为45度斜劈形，一端为向外突出的45度斜劈形，另一端为向内凹的45度斜劈形，用于相邻轮毂段之间的收尾连接，并限制其横向移动；轮毂段的内弧面设置有凹槽，作为与所述柔性辐条另一端连接的第二配合孔；轮毂段两端均沿平行于内外圆弧面的轴向截面开有凹槽作为轮毂缝，轮毂间弹性片插装于相邻两个轮毂段的轮毂缝内，并通过紧定螺丝将轮毂间弹性片的两端分别与相邻两个轮毂段固定。
2.根据权利要求1所述自行车轮毂减震装置，其特征在于：所述柔性辐条和轮毂段的数量均为8个。
3.根据权利要求1所述自行车轮毂减震装置，其特征在于：所述柔性辐条的截面面积从花鼓一端到分离式外轮毂一端逐渐减小。
4.根据权利要求1所述自行车轮毂减震装置，其特征在于：所述柔性辐条采用碳纤维或高强度工程塑料一体成型制造。
5.根据权利要求1所述自行车轮毂减震装置，其特征在于：所述轮毂间弹性片采用碳纤维或合金制造。
6.根据权利要求1所述自行车轮毂减震装置，其特征在于：所述花鼓由两个相同结构的圆环拼接为一体，并通过沿周向设置的八颗沉头螺钉同轴固定在车轮中心的两侧。
7.根据权利要求1所述自行车轮毂减震装置，其特征在于：所述花鼓采用碳纤维树脂或高强度工程塑料。
8.根据权利要求1所述自行车轮毂减震装置，其特征在于：所述第二配合孔的两侧开有工艺缝，将所述柔性辐条插装于第二配合孔内，通过两个轮毂紧定螺钉分别将两侧的工艺缝紧固，进一步实现对柔性辐条的夹紧。
9.根据权利要求1所述自行车轮毂减震装置，其特征在于：所述轮毂段的两端均为45度斜劈形处均设置有倒角避免应力集中。
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