CN114668224A - 减震支撑单元、减震支撑组件及鞋底 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减震支撑单元，包括支撑元件，支撑元件包括相对设置的底壁和顶壁，底壁与顶壁之间连接有可发生弹性形变的环形侧壁，环形侧壁上设置有镂空结构，镂空结构连通支撑元件的内部空间和外部空间；支撑元件至少为两个，相互嵌套设置，相互嵌套的支撑元件的底壁重叠设置，顶壁和环形侧壁均相互间隔设置，以使相互嵌套的支撑元件之间形成形变空间；同时公开了一种包含有该减震支撑单元的减震支撑组件及鞋底。本发明的减震支撑单元、减震支撑组件及鞋底更符合人体工学设计，更适应鞋与地之间的复杂交互，减轻鞋底重量；负载能力强，具有良好的减震和回弹效果；稳定性强；可提升助推力。

Description

减震支撑单元、减震支撑组件及鞋底

技术领域

本发明涉及鞋领域，尤其涉及一种减震支撑单元和由减震支撑单元构成的减震支撑组件，以及包含有该减震支撑单元或减震支撑组件的鞋底。

背景技术

鞋的减震、缓冲与回弹效果是评价一款鞋性能优劣的重要指标。对于鞋的穿着者而言，想要在提供良好的保护效果的前提下，同时提高穿着者的运动效能，往往需要在鞋上增加一些专门化的结构。

例如，Nike公司的Air系列，是在鞋底中设置了由多层微层聚合物叠加的复合材料制成的囊状结构，通过在囊状结构中充满氮气或者空气，形成气垫，为鞋底提供弹性和柔韧性。

然而，以Air max系列为例，气垫的结构虽然相较于初代的Air sole系列气压更大、气量更足，能够提供更高的缓冲量，但会使鞋底的脚感生硬，重量也较沉。而对于Airzoom系列，其结构与Air sole和Air max不同，Air zoom是在气垫内充满高弹力的尼龙纤维，用热压的方式固定在气垫的上下内壁上，由于气垫内气压高过外部，气体会向外膨胀，所以会把尼龙纤维拉直成紧绷状态，当气垫受力时，尼龙纤维会受挤压而弯曲，当气垫卸力时，尼龙纤维则会回弹，提供支撑力。但Air zoom的重量感依旧存在，并且缓震功能相对较弱，在支撑与回弹过程中，由于气垫的不稳定性，对于前后方向与左右方向上的力的响应同样明显，这在弯道跑时对跑者有一定影响。

此外，Nike公司还曾推出一款Nike Shox，有别于传统的中底技术，Nike Shox不是一个单独的模块化部件，而近似于一个独立的微系统，由上承托盘、弹力柱、下承托盘等数个零件组合而成，能够在分散冲击力的同时提供对后跟的支撑。但它过高的厚度以及不似预期的弹簧表现使得这款设计逐渐淡出了市场。

发明内容

本发明的目的在于提供一种体积小、重量轻、减震效果好且支撑稳定的减震支撑单元，以及包含有若干减震支撑单元的减震支撑组件，以及包含有减震支撑单元或减震支撑组件的鞋底。具体技术方案如下：

一种减震支撑单元，包括支撑元件，支撑元件包括相对设置的底壁和顶壁，底壁与顶壁之间连接有可发生弹性形变的环形侧壁，环形侧壁上设置有镂空结构，镂空结构连通支撑元件的内部空间和外部空间；支撑元件至少为两个，相互嵌套设置，相互嵌套的支撑元件的底壁重叠设置，顶壁和环形侧壁均相互间隔设置，以使相互嵌套的支撑元件之间形成形变空间。

进一步，相邻环形侧壁上的镂空结构相互错位设置。

进一步，镂空结构包括多个孔，多个孔位于环形侧壁的中部位置，相互之间均匀间隔的环绕环形侧壁设置。

进一步，支撑元件的环形侧壁为弧面结构，朝向支撑元件的外部凸出设置。

进一步，支撑元件的底壁和顶壁为圆形，底壁和顶壁的圆心对应设置，环形侧壁的一边连接底壁的圆周，另一边连接顶壁的圆周，以使支撑元件形成鼓形结构。

进一步，镂空结构包括6个孔，6个孔设置在环形侧壁的中部位置，相互间隔的环绕环形侧壁的一周设置，以环形侧壁的中轴线为中心线，位于同一环形侧壁上的相邻两个孔之间间隔60度，位于相邻两个环形侧壁上的孔错位30度设置。

进一步，支撑元件为三个，三个支撑元件相互嵌套设置，以形成三层嵌套结构。

进一步，位于外层的支撑元件的顶壁和底壁直径为外层支撑元件高度的5/8；位于中层的支撑元件的顶壁和底壁直径为中层支撑元件高度的5/8，为外层支撑元件顶壁直径的7/10；位于内层的支撑元件的顶壁和底壁直径为内层支撑元件高度的5/8，为外层支撑元件顶壁直径的1/2。

进一步，支撑元件为TPU或碳纤维复合材料制成。

一种减震支撑组件，包括以上所述的减震支撑单元。

进一步，减震支撑组件包括顶板和底板，减震支撑单元设置在顶板和底板之间，多个减震支撑单元依据肌腱的胶原纤维组成结构沿六边形阵列排布。

一种鞋底，包括以上所述的减震支撑单元。

本发明的减震支撑单元、减震支撑组件及鞋底具有以下优点：

1、减震支撑单元和减震支撑组件以运动过程中鞋与地的相互作用为依据设计而成，受力时应力曲线发生非线性响应，与人体的肌腱、韧带等结构的应力变化相似，更符合人体工学设计，更适应运动过程中鞋与地之间的复杂交互，同时减轻鞋底重量；

2、结构刚度大、负载能力强，同时又具有良好的减震和回弹效果；

3、具有稳定的弹性形变性能和稳定的支撑性能；

4、可吸收冲击力的能量，并将其转化为动能，提升助推力；

5、更适应运动过程中鞋与地之间的复杂交互，在同等能效的前提下具有更小的体积和更轻的重量，进而达到减轻鞋底重量的效果；

6、减震支撑单元和减震支撑组件的布设方式可根据用户的不同需求进行有针对性的调整，便于实现结构工效的优化。

附图说明

图1为本发明中的减震支撑单元的立体图。

图2为本发明中的减震支撑单元的剖视图。

图3为本发明中的减震支撑单元的局部剖视图。

图4为本发明中的减震支撑组件的侧视图。

图5为本发明中的减震支撑组件在图4A-A方向上的剖视图。

图6为本发明中的减震支撑单元在受力状态下的应力分布图。

图7为本发明中的减震支撑单元在受力状态下的形变程度示意图。

具体实施方式

本发明中的减震支撑单元包括两个或多个相互嵌套设置的支撑元件，每个支撑元件均包括相对设置的底壁和顶壁，底壁与顶壁之间连接有可发生弹性形变的环形侧壁，环形侧壁上设置有镂空结构，镂空结构连通支撑元件的内部空间和外部空间。当两个或多个支撑元件相互嵌套时，相互嵌套的支撑元件的底壁重叠设置，顶壁和环形侧壁相互间隔设置，以使相互嵌套的支撑元件之间形成形变空间。

当减震支撑单元应用在鞋底中时，支撑元件的顶壁朝向人体足部设置，用于承接来自人体足部的踩踏力，底壁朝向地面设置，用于承接来自地面的反作用力，位于顶壁和底壁之间的环形侧壁受力发生弹性形变，提供减震和缓冲效果，同时吸收冲击力的能量，将其转化为动能反馈至人体足部，提升助推力。

当减震支撑单元受力时，位于最外层的支撑元件首先承受负载并发生形变，随着载荷的逐渐增大，位于最外层支撑元件内部的一个或多个支撑元件按照嵌套次序顺次承受负载并发生形变。这种相互嵌套的结构一方面能够在不改变减震支撑单元的尺寸的前提下，成倍的增强减震支撑单元整体的结构刚度，提高负载能力，另一方面，两层或多层嵌套的结构具有更加稳定的弹性形变性能和更加稳定的支撑性能，受力时应力曲线发生非线性响应，与人体肌腱、韧带等结构的应力变化相似，能够为人体足部提供更符合人体工学设计的减震和回弹效果。

每个支撑元件的环形侧壁上的镂空结构能够在减震支撑单元形变及恢复形状的过程中减少空气流动对单个支撑元件及整个减震支撑单元的结构的影响，使减震支撑单元在垂直方向上具有显著的力学响应，而在左右方向以及前后方向上保持相对稳定。

其中，支撑元件的顶壁和底壁可以为尺寸相同或不同的圆形、椭圆形、矩形、三角形或多边形的板件结构，上下对应设置。优选地，顶壁的中心点和底壁的中心点在垂直方向上位于同一直线上，以使支撑元件的整体结构更加稳定。优选地，顶壁和底壁为尺寸和形状均相同的板件结构，可进一步加强支撑元件整体结构的稳定性。

其中，支撑元件的环形侧壁相对于环形侧壁的中轴线具有一定的倾斜角度，例如可以设置为向外凸出或向内凹陷的形式，以便于支撑元件在承受载荷时，环形侧壁能够按照倾斜的方向发生弹性形变，即能够使环形侧壁的形变方向具有一定的可控性。或者，环形侧壁也可以设置成纵截面为曲线形或折线形的结构。优选地，环形侧壁为朝向支撑元件外部空间凸出设置的弧面结构，弧面结构能够减少环形侧壁形变时产生的应力集中问题，延长支撑元件的工作寿命，向外凸出设置的形式有利于相互嵌套的支撑元件之间的形变空间充分发挥作用，使多层支撑元件均能充分发生弹性形变，提高减震支撑单元的整体效能。

其中，使相互嵌套的支撑元件的底壁重叠设置的方式包括：将两个或多个底壁通过粘合剂固定粘接；或通过限制各个底壁的尺寸，使它们能够相互卡合固定；或将两个或多个底壁一体成型设置等。底壁重叠设置能够进一步加强减震支撑单元整体的形变稳定性和支撑稳定性。

其中，环形侧壁上的镂空结构可以是圆形或其他形状的孔洞结构，按照单排或多排的形式均匀布设在环形侧壁上；或者也可以是形成在环形侧壁上的栅格结构或镂空花纹等。优选地，镂空结构为单排设置的多个孔，均匀间隔环绕环形侧壁一周设置，这种设置方式既能够减少空气压缩或流动过程中产生的不良影响，又能够尽量减少环形侧壁材料的损失，保证回弹和支撑效果，同时均匀环绕布设的孔还能够提高空气流动时气流变化的稳定性。优选地，减震支撑单元中位于相邻位置的两个支撑元件，其环形侧壁上的镂空结构相互错位设置，不相互对应，这种设置方式能够进一步减少多个支撑元件之间的空气压缩或流动的相互影响，使整个减震支撑单元在给予垂直方向上的正向力反馈的同时，进一步增加其支撑的稳定性。

为了更好的了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的减震支撑单元、减震支撑组件及鞋底的其中一种优选实施方式做进一步详细的描述。

如图1至图3所示，本发明中的减震支撑单元10包括相互嵌套的第一支撑元件1、第二支撑元件2和第三支撑元件3，第一支撑元件1位于减震支撑单元10的外层，第二支撑元件2位于减震支撑单元10的中层，第三支撑元件3位于减震支撑单元10的内层，第一支撑元件1、第二支撑元件2和第三支撑元件3共同组成三层嵌套结构。

第一支撑元件1、第二支撑元件2和第三支撑元件3分别具有相对设置的底壁和顶壁，底壁与顶壁之间连接有可发生弹性形变的环形侧壁，环形侧壁上设置有镂空结构4，镂空结构4连通各支撑元件的内部空间和外部空间。第一支撑元件1、第二支撑元件2和第三支撑元件3的底壁采用一体成型的方式重叠设置，顶壁和环形侧壁相互间隔设置，以使第一支撑元件1和第二支撑元件2之间、第二支撑元件2和第三支撑元件3之间分别形成有形变空间。

进一步，各支撑元件的底壁和顶壁均为圆形，且具有相同大小的尺寸，底壁和顶壁的圆心上下对应设置；各支撑元件的环形侧壁均为弧面结构，朝向支撑元件的外部凸出设置，环形侧壁一边连接底壁的圆周，另一边连接顶壁的圆周，以使各支撑元件形成鼓形结构。这种形式的鼓形结构在竖直方向上呈中心对称，在水平方向上呈轴对称，因此具有稳定的支撑性能和弹性形变性能，能够在竖向方向上提供良好的力学响应。

进一步，设置在各支撑元件环形侧壁上的镂空结构4包括6个孔，6个孔设置在环形侧壁的中部位置，即设置在环形侧壁向外凸出幅度最大的区域处，并且6个孔相互间隔的环绕环形侧壁的一周设置。具体的，以环形侧壁的中轴线为中心线，位于同一环形侧壁上的相邻两个孔之间间隔60度设置，位于相邻两个环形侧壁上的孔错位30度设置。这种镂空结构4的错位设置方式能够最大程度的减少各层支撑元件在受力形变过程中，空气压缩或流动所产生的相互影响，使整个减震支撑单元10在给予垂直方向上的正向力反馈的同时，进一步增加其支撑和形变过程的稳定性，特别是在进行弯道跑或变向动作时。此外，孔优选为圆形孔，可进一步减少环形侧壁形变过程中的应力集中现象。

进一步，位于外层的第一支撑元件1的顶壁和底壁直径为第一支撑元件1高度的5/8；位于中层的第二支撑元件2的顶壁和底壁直径为第二支撑元件2高度的5/8，为第一支撑元件1顶壁直径的7/10；位于内层的第三支撑元件3的顶壁和底壁直径为第三支撑元件3高度的5/8，为第一支撑元件1顶壁直径的1/2。采用这种非等比例缩小的尺寸设置方式，当减震支撑单元10受到外部压力时，有利于减震支撑单元10整体在合理的形变下将应力由外部传导至内部，实现稳定的减震和支撑效果。

进一步，第一支撑元件1、第二支撑元件2和第三支撑元件3采用TPU或碳纤维复合材料等具有一定刚性和回弹性的材质制成。TPU是由二苯甲烷二异氰酸酯或甲苯二异氰酸酯等二异氰酸酯类分子和大分子多元醇、低分子多元醇共同反应聚合而成的高分子材料，是一类加热可以塑化、溶剂可以溶解的弹性体；碳纤维复合材料具有较高的弹性模量，且质量轻，抗拉强度也较高，是比强度与比模量最高的复合材料之一，在抗冲击性能、抗疲劳性能、减摩耐磨性能、自润滑性、耐腐蚀性以及耐热性方面都有显著优势。采用这两种材料制成的减震支撑单元10具有更好的减震和支撑效果。

当然，除上述设置方式外，本发明中的减震支撑单元10也可以设置为两层或三层以上，但优选为设置成三层嵌套的结构。这是由于三层嵌套结构能够达到最为合理的减震和回弹效果，其能量的存储和释放均能够满足人体运动的需求。与设置三层相比，设置两层结构支撑效果不足，减震支撑单元10容易发生撕裂；设置为四层或四层以上，则层数过多，会导致减震支撑单元10刚度过大，形变困难，影响脚感，且制作工艺过于复杂。

本发明中同时公开了一种如图4和图5所示的减震支撑组件20，该减震支撑组件20包括多个以上所述的减震支撑单元10。具体的，减震支撑组件20包括顶板5和底板6，多个减震支撑单元10设置在顶板5和底板6之间，沿六边形阵列排布。具体的，如图5所示，多个减震支撑单元10依据肌腱的胶原纤维组成结构，即三股螺旋的胶原分子通过侧连有序排列成相互交联构成的纤维，将多个减震支撑单元10按照图5所示的形式进行阵列排布，以使减震支撑组件20更符合人体工学设计。肌腱的胶原纤维组成结构的应力-应变关系是非线性的，这种非线性关系的函数是凹函数，虽然凹函数意味着能量“丢失”，但实际上肌腱的三股螺旋的胶原分子通过间隙连接方式，能够把能量通过侧连的弹性元件储存为弹性势能，这种储存方式同时也能达到落地缓冲的效果。由此可见，图4和图5所示的减震支撑组件20的结构设计可以实现无论利用鞋底的任何一部分冲击地面，都能使多个减震支撑单元10参与缓冲减震，提高缓冲减震效果。

此外，本发明中还公开了一种鞋底，包括以上所述的减震支撑单元10，当然，也可以包括以上所述的减震支撑组件20。

本发明中，可以依据运动鞋穿着者的需求对减震支撑组件20中减震支撑单元10的位置进行调整，以实现结构工效的优化；单个减震支撑单元10的大小可以根据实际需要进行调整；减震支撑组件20中减震支撑单元10的数量可以根据实际需要进行调整。

为了验证本发明中的减震支撑单元10的实际工效，建立了单个减震支撑单元10的有限元模型，图6和图7为有限元分析结果。从单个减震支撑单元10受力状态下的应力分布图可以看出，在受力状态下，单个减震支撑单元10的第一支撑元件1所受应力最大，第二支撑元件2次之，第三支撑元件3最小，但外部载荷在减震支撑单元10的内部得到了有效的传导。

单个减震支撑单元10受力状态下形变程度图表明，减震支撑单元10可以发挥弹簧的工效，可以吸收冲击力的能量并将其转化为动能。鞋的稳定性很大程度上取决于侧面所受的冲击力，而侧面冲击力的力矩，作用在减震支撑单元10各支撑元件底壁的连接处，但由于连接处的嵌套结构使得力臂增大，因此受力就小，结构稳定性大幅度提升。

本发明的减震支撑单元、减震支撑组件及鞋底具有以下优点：

1、减震支撑单元和减震支撑组件以运动过程中鞋与地的相互作用为依据设计而成，受力时应力曲线发生非线性响应，与人体的肌腱、韧带等结构的应力变化相似，更符合人体工学设计；

2、结构刚度大、负载能力强，同时又具有良好的减震和回弹效果；

3、具有稳定的弹性形变性能和稳定的支撑性能；

4、可吸收冲击力的能量，并将其转化为动能，提升助推力；

5、更适应运动过程中鞋与地之间的复杂交互，在同等能效的前提下具有更小的体积和更轻的重量，进而达到减轻鞋底重量的效果；

6、减震支撑单元和减震支撑组件的布设方式可根据用户的不同需求进行有针对性的调整，便于实现结构工效的优化。

以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims (12)

1.一种减震支撑单元，其特征在于，包括支撑元件，支撑元件包括相对设置的底壁和顶壁，底壁与顶壁之间连接有可发生弹性形变的环形侧壁，环形侧壁上设置有镂空结构，镂空结构连通支撑元件的内部空间和外部空间；支撑元件至少为两个，相互嵌套设置，相互嵌套的支撑元件的底壁重叠设置，顶壁和环形侧壁均相互间隔设置，以使相互嵌套的支撑元件之间形成形变空间。

2.如权利要求1所述的减震支撑单元，其特征在于，相邻环形侧壁上的镂空结构相互错位设置。

3.如权利要求2所述的减震支撑单元，其特征在于，镂空结构包括多个孔，多个孔位于环形侧壁的中部位置，相互之间均匀间隔的环绕环形侧壁设置。

4.如权利要求1所述的减震支撑单元，其特征在于，支撑元件的环形侧壁为弧面结构，朝向支撑元件的外部凸出设置。

5.如权利要求4所述的减震支撑单元，其特征在于，支撑元件的底壁和顶壁为圆形，底壁和顶壁的圆心对应设置，环形侧壁的一边连接底壁的圆周，另一边连接顶壁的圆周，以使支撑元件形成鼓形结构。

6.如权利要求5所述的减震支撑单元，其特征在于，镂空结构包括6个孔，6个孔设置在环形侧壁的中部位置，相互间隔的环绕环形侧壁的一周设置，以环形侧壁的中轴线为中心线，位于同一环形侧壁上的相邻两个孔之间间隔60度，位于相邻两个环形侧壁上的孔错位30度设置。

7.如权利要求1至6中任一所述的减震支撑单元，其特征在于，支撑元件为三个，三个支撑元件相互嵌套设置，以形成三层嵌套结构。

8.如权利要求7所述的减震支撑单元，其特征在于，位于外层的支撑元件的顶壁和底壁直径为外层支撑元件高度的5/8；位于中层的支撑元件的顶壁和底壁直径为中层支撑元件高度的5/8，为外层支撑元件顶壁直径的7/10；位于内层的支撑元件的顶壁和底壁直径为内层支撑元件高度的5/8，为外层支撑元件顶壁直径的1/2。

9.如权利要求1所述的减震支撑单元，其特征在于，支撑元件为TPU或碳纤维复合材料制成。

10.一种减震支撑组件，其特征在于，包括多个权利要求1至9中任一所述的减震支撑单元。

11.如权利要求10所述的减震支撑组件，其特征在于，包括顶板和底板，减震支撑单元设置在顶板和底板之间，多个减震支撑单元依据肌腱的胶原纤维组成结构沿六边形阵列排布。

12.一种鞋底，其特征在于，包括多个权利要求1至9中任一所述的减震支撑单元。

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