CN1310673A - 非充气式的可变形车轮 - Google Patents

Abstract

一种用于车辆的可变形结构,其可绕一转轴滚动,其包括一个围绕该轴的环形内部元件,一个构成胎面的可弯曲的,并且基本上不可伸展的设置在内部元件径向外部的环形外部元件,多根布置在该内部元件和外部元件之间的辐条,每根辐条都可以抵抗超过一基本上恒定的给定临界值的径向压力,所述环形外部元件的周长使所述辐条受到径向预应力作用,该结构同样还包括一个用于稳定该内部和外部元件之间位置的稳定机构,其中,布置在内部元件和外部元件之间的辐条在子午面内的柔度正好小于圆周面内的柔度,并且所述稳定机构限制了内部元件和外部元件之间的周向相对转动的幅度大小。

Description

非充气式的可变形车轮

本发明涉及非充气式的车轮，特别用于取代车辆上使用的轮胎。

长久以来人们都试图设计非充气式的车轮，也就是不用压缩空气工作的轮胎，其目的是为了克服轮胎中膨胀压力降低或者平瘪产生的问题。

在各种各样的设计中，我们可以引用美国专利3,324,988中的描述。所述专利中描述了一种非充气式的可变形车轮，该车轮包括一个盘，一个固定在该盘上的内部元件，一个与地面接触的可弯曲并且基本上不能伸展的环形外部元件，以及多根布置在内部和外部元件之间的辐条。该外部元件的长度使所述辐条在径向压力作用下受到拉伸。换句话说，它们受到预应力的作用(也就是受到预载作用)。超出一定的应力临界点，由于辐条被拉伸到了极点，这些辐条在径向上的相互作用力可以保持恒定增加。该车轮还具有保持外部和内部元件相对位置的稳定机构。辐条是在子午面内弯曲的，而稳定机构限制了内部和外部元件之间的相对位移。

这种可变形的车轮使用预应力超过其压弯临界载荷的辐条将内部元件和外部元件连接在一起。因此，当车轮承载增加的时候，只能通过增加辐条的根数来承担增加的载荷。这会增加车轮和路面之间的接触长度。这种情形与轮胎十分类似。

这是现有的这种车轮的一个主要缺点。不同的辐条在其子午面内作纵向弯曲，但事实上不会产生周向变形，因为它们的截面具有很大的周向惯量。当其滚动的时候，与路面接触的外部元件，特别是与路面接触的区域承担着相当大的纵向载荷，这加速了上述非充气式车轮的磨损。

本发明的目的是提供一种包括一个盘的可变形的结构，例如，一种具有同样的舒适性和性能的非充气式的车轮，同时解决了上述的问题。

根据本发明，用在车辆上的该可变形结构可绕一转轴滚动，其包括一个围绕该轴的环形内部元件，一个构成胎面的可弯曲的，并且基本上不可伸展的设置在内部元件径向外部的环形外部元件，多根布置在该内部元件和外部元件之间的辐条，每根辐条都可以抵抗超过一基本上恒定的给定临界值的径向压力，该环形外部元件的长度使辐条受到径向压缩预应力，该结构还包括一个用于稳定该内部元件和外部元件之间的相对位置的稳定机构。这种滚动结构的特征是，布置在内部元件和外部元件之间的辐条在子午面内的柔度大大小于圆周面内的柔度，并且该稳定机构限制了内部元件和外部元件之间的周向相对转动的幅度。

根据本发明的具有可变形结构的车轮具有如下优点：每根辐条都可在周向上变形，特别是当其滚动到位于外部元件和路面相接触的区域中的时候。

辐条的预应力最好超过其压弯临界载荷。稳定机构还包括非径向地连接内部元件和外部元件的弹性接件，例如线缆或细长拉杆。为了当内部元件和外部元件发生旋转位移的时候能够立即产生一个恢复力，稳定机构被预拉伸到松弛(rest)状态。辐条的端部可以通过嵌入或接头连接的方式固定在内部元件和/或外部元件上。稳定机构也可以是经过径向预拉伸的薄壁结构。

本发明的可变形结构还可以构成一安全插入件，安装在由轮胎和轮缘构成的组件中。

下面将参照附图对本发明的几个实施例进行说明。

图1是车轮的轴向视图，包括固定在一个盘上的本发明的可变形结构；

图2是图1所示的车轮的子午面截面图；

图3类似于图1和图2，显示车轮的部分轴向视图，其上安装有稳定机构；

图4表示的是接合在一起的双辐条结构，其中，图4a表示双辐条处于松弛状态，图4b表示其处于变形状态；

图5表示的是另外的一实施例，其为嵌合在一起的双辐条结构，其中，图5a表示双辐条处于松弛状态，图5b表示其处于变形状态；

图6表示的是图1的车轮辐条处于加载情况，其中图6a表示接触区域外围，图6b表示接触区域；

图7表示的是图6的车轮稳定机构处于加载情况，其中图7a表示接触区域外围，图7b表示接触区域。

图1和2分别表示一个非充气式的车轮的轴向视图和沿其子午面的截面图，该车轮包括一个固定在盘2上的本发明的可变形结构1。该可变形结构1包括一个连接到盘2上的内部元件3，一个环形的外部元件4以及连接在内部元件3和外部元件4上的辐条5。辐条5分为轴向并排布置的两套共60个元件(图2)。辐条5为平行六面体，相对长度和宽度而言其厚度很小。辐条5的纵向两端分别通过接头51连接在内部元件3和外部元件4上。所述辐条布置在内部元件3和外部元件4之间的情况是，其长度方向位于径向上，而宽度方向位于轴向上，厚度方向位于周向上。这样一来，辐条5就可以在其纵向端的径向压力作用下弯曲。所述弯曲位于周向上。因而，辐条5在子午面内的柔度要大大小于其在原周面内的柔度。在图1、2和4所示实施例中，接头51包括分别通过一个销子513固定在一起的两部分511和512(参见图4)。固定的方法是使接头51的部分511和512都可以自由转动。销子513布置在车轮的轴向上。所述连接方法使得辐条5可以相对内部元件和外部元件在车轮平面内转动。辐条5可以采用例如玻璃纤维聚合材料制成。该环形外部元件4包括一个薄金属箍(规格为厚度0.1到1毫米)，其外包裹有一层橡胶，用于与路面接触(所述橡胶层在图2中没有显示出来)。因此，该外部元件具有较小的弯曲强度，并且基本上不可伸展。所述外部元件4的周长可以使得所有的辐条5在轴向预压缩应力超过压弯临界载荷之外。因此所有的辐条5就都处于失稳后的(postbuckling)状态。这样一来它们作用在内部元件3和外部元件4上的作用力就基本上恒定并且与它们径向所受的压力无关了。

如图1和2所示的车轮处于不平衡状态，并且辐条5中蓄积的能量可能会由于外部元件4相对于内部元件3的转动位移而释放。为了限制内部元件3和外部元件4之间的相对转动，在图3中的可变形结构1上设置了稳定机构。所述稳定机构包括，例如，连接内部元件3和环形外部元件4的线缆6。在图3中，线缆61固定在内部元件3的A点位置以及外部元件4的B点位置。0点位于车轮转轴上，角度AOB=α,α在松弛状态下等于，例如30度，所述角度AOB可以在1到45度之间变化，最好在25到35度之间。在松弛状态，线缆6为绷紧的。这样所述线缆就可以控制环形外部元件4相对内部元件3的转动位移了。但是接触区域的相对位移严格来说还是可能存在的。线缆的刚度，位置，拉伸预应力以及数量都会对图1所示的整体平衡状况带来影响。

另一方面，由于所述线缆特殊的张紧刚度，还有其相对周向的倾斜角度使得其可以对车轮的周向刚度进行调整。该线缆在其与内部元件和外部元件的连接点位置还可以具有几处厚度不同的部分，这要对应于车轮的周向扭矩的不同来变化。为了获得不均匀的机械特性，还可以对线缆的倾斜角度进行改变。该线缆还可以由更多的整体元件或者任何相当的结构来替代。

图4和5给出了另一种辐条布置和连接到内部元件3和外部元件4之间的方法。图4显示的是两根辐条52和53及其接头51。如上所述，接头包括两部分，即第一部分511和第二部分512，在第一部分511，辐条52,53的纵向端镶嵌在一起，第二部分512固接在内部元件或外部元件上。这两个部分通过销子513连接在一起，并且被放置在可变形结构1的轮子的轴向上。在图4所示的实施例中，辐条成对的布置在内部元件和外部元件之间，并且与前面一样，其弯曲面位于周向上。辐条52和53的纵向端嵌入在支撑511上，这样两根辐条分开的距离D就要比两个销子513之间的距离d大了。结果，在轴向压力作用下，施加在辐条上的扭矩会使两根辐条在两个相反的方向作周向弯曲，这样它们的中间部分就可以分开了(图4b)。

这种结构的优点是它总是将辐条的弯曲简化在了同一方向上。

在图5中，两根辐条56嵌入在一个支撑57中。与前述实施例相比，该支撑57仅仅只包括固接在内部元件或外部元件上的一部分。辐条56由周向并排嵌入到支撑57中的两个平行六面体的半辐条561和562构成。支撑57固定在内部元件和外部元件上。所述的半辐条在周向通过一个板563隔开。和前述一样，所述板的方向使得两个半辐条在两个相反的方向作周向弯曲，这样他们的中间部分就可以分开了(图5b)。

图6和7示意性的表示出了包含该可变形结构的车轮在平坦路面上受压时的状态。所述车轮与图1、2和3中一样，包括两套辐条5以及由两套截面形状为正方形的聚氨脂拉杆构成的稳定机构7。所述的两套拉杆7具有一个非径向的倾角，并且在径向上布置在子午面的两侧，如图3所示。所述拉杆的弹性模量级别为20Mpa。拉杆7的倾斜方向与图3中所示的线缆6相似。只有在图6b和7b中的外部元件4上具有一层与路面8良好接触的橡胶层。所述橡胶层的厚度大约为10mm。为清楚起见，在图6a和6b中的接触区域之外(图6a)和接触区域之内(图6b)仅仅只表现了辐条5的两套中的一套的工作状态，并且在图7a和7b中表示了接触区域之外(图7a)的工作状态和仅仅只表现了两套拉杆中的一套的工作状态(图7b)。

当车轮1在路面8上滚动的时候，人们发现所有的辐条5处于失稳之后的状态，但是它们的径向压缩状况明显不同，会出现三种现象：接触区域之外(图6a)-辐条R1-有一点径向压缩；在接触区域，位于点E和F之间的辐条R2受到显著的压缩；在进入和离开接触区域的地方，辐条R3处于中间压缩状态。但车轮在路面上滚动变形的时候，辐条5的径向压缩情况是直接与内部元件和外部元件之间的径向距离有关的。

由于每根辐条都处于失稳之后的状态，因而会在外部元件4上施加一个基本上恒定的作用力。在地面和车轮接触的区域，外部元件或者车轮面会在路面上施加上基本上恒定的压力作用。由于辐条5的径向压缩幅度使得所述作用力基本上是不变的，并且环形外部元件在相应区域上产生的压力基本上是与滚动车轮产生的径向压缩幅度无关的。这种现象和轮胎是很相似的。这使得车轮可以吸收不平路面产生的颠簸，而不会将剧烈的作用力传递给车轮盘，或者在车轮和路面之间的接触面上产生有意的变形。这种现象和轮胎是很相似的。

图7表示接触区域之外(图7a)的工作状态和两套拉杆中的一套的工作状态(图7b)。其中有三种现象：接触区域之外(图7a)-连接在内部元件和外部元件上的拉杆H1-略微处于张紧状态；在接触区域，位于点E和F之间，连接在内部元件和外部元件上的拉杆H2处于失稳状态；在进入和离开接触区域的地方，拉杆H3处于中间状态。这样人们发现，连接点一端处于接触区域的拉杆，其张紧状态由于外部元件的径向压缩而松弛，从而使得拉杆的连接点拥挤在内部元件和外部元件之间。结果是，在接触区域或者车轮在障碍物上行驶的时候，这种截面积很小的所述拉杆就会失稳并且仅仅稍微抵抗外部元件的径向压缩。

由于图2所示的辐条的对称结构，使得本发明所提供的车轮的环形外部元件在平坦路面上滚动的时候，其轴向具有优良的均匀的接触压力。

通过在一个带条上加上一层硫化橡胶层可以很方便的制得外部元件4。所述带条可以是宽度为L，厚度为0.1mm的平钢板。

本发明的可变形结构还可以具有一种，例如为止动件的、能够限制辐条的径向压缩的机构。例如，可以在图1至3所示的径向并排布置的两套辐条之间布置一个固定在内部元件上的环形止动件，其外径可以将辐条的最大径向压缩限制大约50％。

在图1到3所示的例子中，布置了两套并排的辐条，但是完全可以增加轴向并排的辐条的数量，用以改善车轮在不平坦路面上的工作状态或者行驶情况。外部元件同样也可以采用一个或者多个轴向并排的元件来构成。

Claims (13)

1．一种用于车辆的可变形结构(1)，其可绕一转轴滚动，其包括一个围绕该轴的环形内部元件(3)，一个构成胎面的可弯曲的，并且基本上不可伸展的设置在内部元件(3)径向外部的环形外部元件(4)，多根径向地布置在该内部元件(3)和外部元件(4)之间的辐条(5,52,53,56)，每根辐条都可以抵抗超过一基本上恒定的给定临界值的径向压力，所述环形外部元件(4)的周长使所述辐条(5,52,53,56)受到径向预应力作用，以及一个用于稳定该内部元件(3)和外部元件(4)之间位置的稳定机构(6,7)，其特征在于，布置在内部元件(3)和外部元件(4)之间的辐条(5,52,53,56)在子午面内的柔度大大小于圆周面内的柔度，并且所述稳定机构(6,7)限制了内部元件(3)和外部元件(4)之间的周向相对转动的幅度大小。

2．根据权利要求1的可变形结构(1)，其特征在于，该辐条(5,52,53,56)受到的预载超过压弯临界载荷。

3．根据权利要求1或2的可变形结构(1)，其特征在于，该稳定机构(6,7)包括非径向连接外部元件(4)和内部元件(3)的弹性连接件(6,7)。

4．根据权利要求3的可变形结构(1)，其特征在于，该弹性连接件(6,7)在所述结构(1)松弛的时候是张紧的。

5．根据权利要求3或4的可变形结构(1)，其特征在于，在松弛状态，该弹性连接件(6,7)连接环形外部元件(4)和内部元件(3)的连接点之间分开的角度α在1到45度之间。

6．根据权利要求5的可变形结构(1)，其特征在于，在松弛状态，该弹性连接件(6,7)连接环形外部元件(4)和内部元件(3)的连接点之间分开的角度α在25到35度之间。

7．根据权利要求3到6之一的可变形结构(1)，其特征在于，该弹性连接件(6,7)为经过预拉伸的线缆。

8．根据权利要求1到7之一的可变形结构(1)，其特征在于，该稳定机构包括一个布置在内部元件(3)和外部元件(4)之间的、经过径向预拉伸的薄板。

9．根据权利要求1到8之一的可变形结构(1)，其特征在于，辐条(56)的端部嵌入到内部元件(3)和/或外部元件(4)中。

10．根据权利要求1到9之一的可变形结构(1)，其特征在于，辐条的端部通过接头连接到内部元件(3)和/或外部元件(4)上。

11．根据权利要求1到10之一的可变形结构(1)，该结构还包括限制辐条的径向压缩幅度的机构。

12．一种用于车辆的非充气式的车轮，其特征在于，该车轮包括一个盘(2)和一个根据权利要求1至11之一的可变形结构(1)。

13．一种用于车辆的安全插入件，用于安装到包括一个轮胎和轮缘的组件中，其特征在于其由根据权利要求1至11之一的可变形结构(1)构成。

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