ES2665819B2 - Rueda con estructura mixta de amortiguamiento y seguridad aumentada - Google Patents

Description

DESCRIPCIÓN

RUEDA CON ESTRUCTURA MIXTA DE AMORTIGUAMIENTO Y SEGURIDAD

AUMENTADA

Ambito de la técnica

La invención se encuadra dentro del campo de ruedas y neumáticos, para todo tipo de vehículos, con o sin motor, y especialmente se ubica dentro del campo de mejoras e innovaciones destinadas a incrementar la seguridad del vehículo y mejorar el control del mismo.

Estado de la técnica

Históricamente, las ruedas para vehículos de todo tipo, se han venido dividiendo entre ruedas de tipo neumático y de tipo no neumático. Las ruedas de tipo no neumático se fabricaban inicialmente con materiales rígidos, originando problemas relativos a la absorción de los impactos y vibraciones producida por las irregularidades del terreno. Estos problemas relativos a la seguridad del vehículo y la comodidad de los ocupantes, se mitigaron parcialmente con la aparición de ruedas no neumáticas fabricadas con materiales elásticos, así como por la incorporación de sistemas de suspensión en los vehículos. La aparición posterior de ruedas de tipo neumático en las que se incorpora aire a presión en su interior, supuso un importante avance en lo relativo a la absorción de vibraciones, el desgaste de la suspensión y la comodidad de los ocupantes.

Con la incorporación de ruedas de tipo neumático aparecieron nuevos desafíos como la posibilidad de pérdida de presión en el interior de las mismas, debido a roturas, pinchazos, fugas, o a la absorción de oxígeno por parte de sus materiales constitutivos. Esta disminución de la presión de operación incrementa la superficie de contacto aumentando el rozamiento y el consumo de combustible, pudiendo originar riesgos para la seguridad del vehículo en caso de descompresión brusca, o impedir totalmente su movilidad en caso de fuga completa de aire.

Con el fin de solventar estos problemas inherentes a las ruedas de tipo neumático, en las últimas dos décadas se han realizado avances en la fabricación de nuevas ruedas de tipo no neumático que incorporan algunas mejoras en relación a la absorción de vibraciones e impactos producidos por el contacto con el terreno. En este sentido, algunos ejemplos, como por ejemplo la solicitud de patente norteamericana US2006/0113016 (documento 1) desarrollada por Steven M. Cron y otros, y asignada a Michelin, describe una rueda de tipo no neumático, que incluye una estructura de radios que mantienen un comportamiento elástico mediante su deformación por pandeo transversal dentro del equilibrio estable, mejorando el comportamiento con respecto a la utilización de estructuras conformadas por materiales elastómeros macizos. Este diseño, así como otros desarrollos en este mismo campo, permiten disminuir el efecto de rebote producido por las irregularidades del terreno, aumentando su estabilidad, así como también mejoran el comportamiento frente a aquaplaning, al permitir la circulación de agua por huecos interiores de la rueda en una dirección paralela al eje de rotación, desarrollando, asimismo, menor deformación horizontal en las curvas frente a la inercia centrífuga, eliminando los problemas derivados de eventuales pérdidas de presión y aumentando la vida útil de la rueda.

No obstante, estas ruedas de tipo no neumático todavía no alcanzan la capacidad de absorción de la energía mecánica, en las distintas direcciones, que poseen las ruedas de tipo neumático, las cuales son capaces de distribuir la absorción de esta energía mecánica por todo su volumen. Por esta razón, la utilización de los nuevos desarrollos de ruedas no neumáticas se suele restringir al campo de los vehículos donde los sistemas de suspensión no son especialmente relevantes o la circulación no se realiza a altas velocidades.

Por otro lado, en la solicitud de patente US2012/0038207 (documento 2) desarrollada por Timothy L. Williams y otros, y asignada a Boeing, se describe una rueda con una pluralidad de capas concéntricas conectadas a radios situados de forma alterna, conformando una serie de estructuras concéntricas, elásticas y no neumáticas, que opcionalmente pueden rodear una cámara o volumen neumático en su zona de contacto con la llanta. Su principal objetivo es proporcionar una rueda para uso en vehículos militares que presente una mínima superficie lateral al impacto de proyectiles y a la onda expansiva de una explosión, y que presente una resistencia estructural efectiva en caso de sufrir daños, incluyendo una redundancia de elementos que permite mantener el funcionamiento efectivo de la rueda, incluso en caso de que se hayan desprendido algunos radios o porciones de las capas intermedias. En este sentido, la utilización de varias estructuras elásticas concéntricas, puede producir, a determinadas frecuencias, una diferencia de fase entre la vibración de los radios elásticos, en las distintas estructuras concéntricas, dificultando una correcta absorción de las vibraciones e impactos generados por el contacto con el terreno, produciendo un fenómeno no deseado de rebote de la rueda. En definitiva, el diseño del documento 2 está optimizado según requerimientos de resistencia, quedando la comodidad de los ocupantes y el consumo de combustible, relegados a un segundo plano, no resultando su uso eficiente en vehículos civiles a altas velocidades.

De igual modo, en la solicitud de patente US 2014/0217808 (documento 3) de Alice Chang, se divulgan distintos tipos de ruedas no neumáticas macizas que pueden contar con un volumen cerrado que dispone de un fluido en su interior, en una zona cercana a la banda de rodadura. El hecho de que la estructura maciza cuente con un grosor relevante (superior a varios centímetros para las aplicaciones y diseños descritos en el documento 3) y que se encuentre situada entre la llanta y el volumen cerrado que contiene el fluido, elimina la posibilidad de que las vibraciones e impactos se transmitan directamente a la llanta a través de este fluido, evitando una adecuada absorción de los mismos y produciendo una mayor transmisión de vibraciones en el eje del vehículo, que en el caso de una rueda convencional de tipo neumático.

En resumen, la diferencia en cuanto al comportamiento de los distintos tipos de rueda podría describirse en el sentido de que las ruedas de tipo neumático permiten una absorción global de la energía de impacto o vibración, distribuida por todo su volumen, mientras que las ruedas de tipo no neumático permiten una absorción local de dicha energía mecánica, con mayor o menor extensión del volumen de absorción en función de sus características geométricas de deformación estructural.

Esta clara división entre ruedas de tipo neumático y de tipo no neumático, con sus marcadas diferencias en cuanto a prestaciones y comportamiento, hacen que hoy en día se utilicen ruedas de uno u otro tipo en función de la aplicación final del vehículo, sin que, hasta el momento, se haya conseguido obtener un diseño de rueda que aúne las ventajas de ambas configuraciones.

Descripción de la invención

El diseño de rueda desarrollado en la presente invención permite combinar un gran número de ventajas que son propias de ruedas de tipo no neumático, con otras propias de ruedas de tipo neumático, así como con algunas mejoras específicas de esta innovación, permitiendo su utilización en una gran variedad de vehículos, incluyendo aquellos que cuentan con sistemas de suspensión de gran amortiguamiento o que son capaces de alcanzar velocidades elevadas.

La estructura de rueda que se describe en el presente documento incorpora una banda anular externa, de carácter flexible y sensiblemente inextensible, que cuenta, en su zona exterior, con una banda de rodadura destinada a entrar en contacto con el terreno en condiciones de rodamiento, y, en su zona interior, con una superficie que se une a varios elementos estructurales de amortiguamiento. Estos elementos estructurales de amortiguamiento poseen un comportamiento elástico por compresión longitudinal o por pandeo transversal, ocupando una zona de la rueda interior a la banda anular externa. Por su zona más cercana al eje de la rueda, estos elementos estructurales de amortiguamiento se fijan a una superficie de naturaleza elástica. Esta superficie elástica, se halla en contacto con los laterales de una llanta o estructura rígida de anclaje de la rueda al vehículo, formando una pared elástica que, conjuntamente con la llanta, envuelve un volumen cerrado en el que se introduce un gas o un líquido a una presión superior a la atmosférica. La introducción de gas o líquido a presión puede realizarse directamente en el interior del volumen cerrado si éste se diseña para que sea de carácter estanco, o en caso contrario, mediante la utilización de una cámara de tipo neumático.

La presión interior de este compartimento estanco se selecciona en virtud de varios parámetros, tales como el volumen, el peso a soportar en cada rueda, la capacidad de deformación elástica de los elementos estructurales de amortiguamiento, la rigidez frente a fuerzas centrífugas laterales, el agarre o el consumo de combustible.

De este modo, mediante la utilización, en la zona exterior de la rueda, de una estructura elástica no neumática y no maciza como la descrita en la invención se mantienen una serie de ventajas propias de las ruedas de tipo no neumático, tales como:

- Menor deformación en las curvas.

- Mejor comportamiento frente a la presencia de agua en la calzada permitiendo la circulación de este líquido transversalmente por sus huecos interiores, en una dirección paralela al eje de giro.

- Mayor vida útil de la rueda.

Asimismo, en caso de pérdida total de la presión del gas o líquido contenido en el volumen cerrado, la rueda mantiene un diámetro efectivo que permite al conductor mantener el control del vehículo y poder proseguir circulando con el mismo. Es decir, una pérdida de esta presión en el compartimento estanco, tiene como efecto principal una disminución de la comodidad de los ocupantes del vehículo, así como la necesidad de evitar una circulación a velocidades elevadas hasta que se pueda realizar la reparación o inflado del volumen estanco, evitando los problemas de seguridad y movilidad que aparecen cuando esta disminución de presión se produce en ruedas de tipo estrictamente neumático.

Además de estas ventajas que son intrínsecas al uso de ruedas elásticas, no macizas, y de tipo no neumático, el diseño de la invención produce como consecuencia dos ventajas adicionales que no existen para este tipo de ruedas:

- Una reducción en la transmisión al cuerpo del vehículo, a través del contacto del eje con la llanta, de las vibraciones producidas por el movimiento de la rueda sobre el terreno, que son absorbidas en gran parte por la redistribución de las diferencias de presión en el volumen cerrado.

- Una mejora en el comportamiento de la estructura elástica no neumática de la rueda en su zona más cercana al eje, que tiene como consecuencia un mayor reparto de las cargas entre los elementos estructurales de amortiguamiento y por tanto un mejor funcionamiento con respecto a una estructura elástica y no maciza similar incorporada en una rueda de tipo no neumático tradicional.

- Por otro lado, se elimina el efecto no deseado de rebote que se produce en las rueda fabricadas según el documento 2 y que aparece, a determinadas frecuencias de vibración, al oscilar los elementos radiales con distintas fases, en las distintas estructuras concéntricas que conforman este diseño.

- Asimismo, con respecto al comportamiento del volumen estanco a presión, aparece una nueva ventaja añadida en relación al funcionamiento de un volumen similar en una rueda de tipo neumático tradicional, permitiéndose una reducción en la presión de operación para mejorar la absorción de vibraciones sin generar un aumento en la superficie de rozamiento y por tanto en el consumo de combustible.

Para explicar mejor la aparición de estas ventajas en la innovación, observamos que la principal dificultad con la que se han encontrado los distintos desarrollos de ruedas de tipo no neumático proviene de la diferencia en la estructura molecular constituyente de los sólidos frente a los líquidos y los gases. De este modo, para proporcionar características elásticas a las ruedas de tipo no neumático, se suelen utilizar sólidos elastómeros, tales como caucho, por un lado, o materiales resistentes y flexibles, tales como varillas metálicas, que permiten un comportamiento elástico mediante desplazamiento lateral de sus secciones centrales por efecto transversal de pandeo.

En ambos casos, los átomos y moléculas que conforman estos sólidos mantienen unas posiciones relativas entre si, y que pueden variar dentro de un rango limitado. En el caso de materiales elastómeros, esta variación dentro de su rango elástico viene definida por la fórmula de Hooke, que permite calcular una deformación en la dirección de aplicación de la tensión, resultando en una relación lineal de proporcionalidad. En el caso de estructuras metálicas o realizadas con fibras sintéticas inextensibles, la teoría de Euler permite calcular la deformación producida por pandeo transversal en estas estructuras, dentro del rango de equilibrio estable, resultando en una desviación lateral con respecto al eje de cada estructura. De este modo, al mantenerse prácticamente constante la longitud total del elemento, disminuye la distancia entre sus extremos debido a este desplazamiento lateral, adquiriendo la totalidad del mismo un comportamiento de naturaleza elástica en relación a la posición relativa entre sus extremos.

En el caso de líquidos y gases, por el contrario, las partículas pueden modificar libremente su posición relativa, distribuyéndose de forma aleatoria y manteniendo uniforme la distancia media entre partículas para cualquier porción del volumen total ocupado. Esto hace que la aplicación de una tensión sobre una superficie determinada de la pared que rodea a un volumen, produzca una variación de presión que se transmite de forma uniforme por dicho volumen cumpliendo el Principio de Pascal.

Por este motivo, la modificación instantánea de la presión del aire generada por la deformación de una rueda de tipo neumático, al recibir el peso del vehículo, aplicado sobre su eje, o al impactar sobre las irregularidades del terreno, se distribuye uniformemente por todo el volumen de la rueda, absorbiéndose así un importante porcentaje de la energía del impacto. De este modo, la absorción de energía se produce, incluso, en la mitad superior de la rueda, en zonas alejadas del área de contacto entre ésta y la superficie del terreno, provocando que se transmitan menores vibraciones al eje del vehículo.

Esta absorción de la energía a lo largo de todo el volumen de la rueda no puede conseguirse mediante la utilización exclusiva de materiales sólidos que desarrollan capacidades elásticas. Los avances efectuados en los últimos años y que han permitido la construcción de ruedas no neumáticas con distintas capacidades de deformación en función de la dirección de la tensión transmitida, han permitido aumentar el reparto estructural de las deformaciones, aunque sin haber podido emular, satisfactoriamente, la capacidad de absorción, en las distintas direcciones, de una rueda de tipo neumático.

De este modo, con la incorporación de un compartimento estanco a presión, rodeado por una pared elástica, en una zona intermedia entre la llanta y la banda anular externa no neumática de la rueda, se consigue una absorción instantánea, en un porcentaje significativo, de las vibraciones recibidas en la banda de rodadura y transmitidas por los elementos estructurales de amortiguamiento hasta la pared elástica que rodea este compartimento estanco. Esta transmisión de la tensión se realiza directamente mediante cada elemento estructural de amortiguamiento, desde un punto de la banda anular externa no neumática hasta un punto de la pared elástica que rodea la pared que rodea el compartimento estanco. La tensión transmitida por cada elemento estructural de amortiguamiento genera una deformación de tipo local en la pared elástica. El hecho de que esta deformación en la pared elástica sea de tipo local, y el hecho de que un único elemento estructural de amortiguamiento transmita la tensión producida en cada punto de la banda de rodadura, supone una importante mejora con respecto a la situación en la que existen varias estructuras elásticas concéntricas que pueden oscilar con distinta fase (documento2), y con respecto a la situación en la que el contorno interior de la estructura no neumática cuenta con un grosor o una rigidez suficiente para impedir una deformación local en la pared elástica del compartimento estanco (documento 3). De este modo, las variaciones locales e instantáneas de presión se redistribuyen, por todo el volumen del compartimento, amortiguando su efecto y haciendo que dichas vibraciones sólo puedan alcanzar la estructura rígida de la llanta mediante su contacto con los laterales de la pared elástica, reduciéndose significativamente el porcentaje de las mismas que se transmite al cuerpo del vehículo.

Asimismo, esta incorporación de un volumen a presión, intermedio con la llanta, permite superar otra limitación adicional inherente a los diseños de ruedas no neumáticas existentes en la actualidad.

En este sentido, el peso del cuerpo del vehículo se distribuye entre las ruedas a través de la zona de contacto con los ejes, produciéndose una tensión que se reparte a lo largo de la mitad inferior de la superficie de contacto entre la llanta y la rueda. En la zona de apoyo sobre el terreno se suma esta fuerza al peso de la rueda generándose una fuerza normal de reacción. Esta fuerza normal presenta un valor igual al total de la fuerza recibida, manteniendo un sentido contrario a la misma, y generando una tensión que se distribuye por toda la superficie de la banda de rodadura que se encuentra en contacto con el suelo. Esta combinación de tensiones producidas por la aplicación de dos fuerzas con sentidos contrarios, situadas en la parte inferior de la rueda, en los límites interior y exterior de la estructura elástica no neumática, genera una deformación en la dirección de aplicación de estas fuerzas, que se ve favorecida por el hecho de que, en los diseños descritos en el presente documento, la capacidad de deformación de estas estructuras elásticas es considerablemente mayor en la dirección del radio que en las direcciones del plano perpendicular al mismo.

Del mismo modo, en las ruedas no neumáticas tradicionales, la existencia de una estructura rígida, conformada por la llanta, impide la deformación de este contorno interno que mantiene su forma circular. El contorno exterior de la rueda, dado su carácter flexible y sensiblemente inextensible, se deforma adquiriendo una forma plana en el área de apoyo sobre el terreno. En el caso en que esta deformación en la banda anular externa implique una deformación de varios elementos de amortiguamiento, la existencia de un contorno circular fijo, en su extremo más cercano al eje, hace que el elemento, o conjunto de elementos, más cercano a la zona de contacto, reciba una contracción mayor que el resto de elementos de amortiguamiento afectados, recibiendo una mayor proporción de la tensión recibida.

Por el contrario, en el caso del diseño de rueda de la invención, la existencia de una pared elástica, y un volumen a presión, en conexión con el otro extremo de los elementos de amortiguamiento afectados por la deformación, hace que parte de esta deformación se transmita a esta pared elástica y se redistribuya, a su vez, de forma más eficiente entre los distintos elementos estructurales de amortiguamiento. De este modo, al encontrarse los elementos estructurales de amortiguamiento situados entre una superficie plana y otra superficie con menor curvatura, las distancias entre sus extremos varían en menor medida entre unos y otros, repartiéndose la compresión de forma más homogénea entre los elementos centrales y los adyacentes. Esta distribución espacial de la deformación es mayor que la que se produciría en una estructura no neumática similar incorporada en un rueda tradicional sin dicho volumen estanco.

Cabe destacar que esta característica supone una cualidad específica diferencial que no se puede desprender únicamente de la combinación de los comportamientos de los diseños de ruedas de tipo no neumático y de tipo neumático por separado.

Asimismo, existe otra ventaja relacionada con el comportamiento del volumen estanco, en comparación con el comportamiento de un volumen similar incorporado en una rueda de tipo neumático tradicional, y que tampoco puede derivarse exclusivamente del análisis de las características de las ruedas de tipo neumático y no neumático por separado.

En este sentido, en una rueda tradicional, una disminución en la presión interna de operación, con el fin de reducir la transmisión de vibraciones y mejorar el confort de los ocupantes, viene acompañada por un aumento en el área de contacto con el terreno, aumentando el rozamiento e incrementando el consumo de combustible. Por el contrario, el diseño de esta innovación permite distribuir el incremento de la deformación del volumen estanco, producido por una disminución de su presión interior, en zonas de la pared elástica alejadas de la vertical del eje. Esta mayor distribución espacial de la deformación de la pared elástica, en combinación con una adecuada elección de la geometría y resistencia de los elementos de amortiguamiento, permite la transmisión de esta deformación producida por la disminución de la presión en el volumen a una porción mayor de la rueda, incluyendo zonas alejadas de la superficie de contacto, evitando, así, un aumento en el rozamiento y en el consumo de combustible.

Por otro lado, tal y como se describe en una de las realizaciones preferidas, la posible presencia de una estructura unida a la llanta en el interior del compartimento estanco, y que cuenta con una superficie externa que rodea circularmente al eje, proporciona una ventaja adicional. De este modo, en esta realización se consigue evitar la entrada de los elementos estructurales de amortiguamiento en esta zona de la llanta, en caso de descompresión del volumen intermedio. Esta estructura cilindrica no puede ser sustituida por un mayor tamaño del radio interior de la llanta, ya que en ese caso, para un mismo radio exterior efectivo, la capacidad del volumen estanco sería sustancialmente menor que en esta realización, disminuyendose la capacidad de absorción.

De este modo, el diseño de la invención consigue combinar en un sólo modelo de rueda las principales ventajas de las ruedas de tipo neumático y no neumático en relación a seguridad, comodidad y consumo, añadiendo nuevas ventajas propias y específicas que no se encuentran en ninguno de estos dos tipos de ruedas por separado, ni en ninguno de los diseños de ruedas mixtas citados en el estado de la técnica.

Descripción de los dibujos

En las siguientes figuras se muestran varios modos de realización de la invención, así como diagramas descriptivos de las tensiones y deformaciones producidas durante la operación de estas ruedas.

La figura 1A muestra un corte transversal de una rueda con elementos estructurales de amortiguamiento que siguen una dirección cercana al radio, montada sobre una llanta, realizándose este corte según un plano que contiene al eje de rotación de la misma.

La figura 1B muestra una vista externa de la rueda de la figura 1A según la dirección del eje de rotación, en su cara exterior al lateral del vehículo.

La figura 2A muestra un corte transversal similar al de la figura 1A, indicando, asimismo, el plano medio de corte que define a la figura 2B.

La figura 2B muestra un corte transversal de la rueda de las figuras 1A, 1B y 2A, realizándose este corte según el plano medio definido en la figura 2A y siendo este plano de corte perpendicular al eje de rotación.

La figura 3 muestra un corte similar al de la figura 2B donde se observa la deformación en la rueda producida por los pesos de la rueda y el cuerpo del vehículo, que se aplica sobre el eje, y por la normal en la zona de contacto con el terreno, así como la transmisión de las tensiones producidas por esta deformación y la distribución de las variaciones de presión. En este dibujo se aprecia la pérdida de forma cilíndrica tanto del contorno inferior de la rueda, como de la pared elástica que rodea al volumen estanco. Las tensiones se distribuyen principalmente en sus zonas inferiores bajo la parte central de la llanta.

La figura 4 muestra un esquema lateral de una rueda elástica de tipo no neumático, cuyo interior incorpora una llanta rígida, en el caso en el que el perímetro de la rueda es sensiblemente inextensible, aunque elástico, y la rigidez en el sentido del radio es muy inferior a la rigidez que presenta en la dirección tangente al perímetro, y en la que se aplica un peso en la zona del eje, generándose una fuerza normal al apoyar sobre el terreno. En esta figura se incluye, también, un diagrama de las fuerzas aplicadas y las principales distancias relevantes de la rueda, produciéndose la deformación principalmente en su parte inferior y en la dirección del radio vertical.

La figura 5 muestra un corte transversal de una rueda con elementos estructurales de amortiguamiento que se encuentran unidos a la banda anular externa con una dirección cercana a la tangente a la circunferencia de la banda. Esta rueda se encuentra apoyada sobre el terreno, estando sometida a su peso, al peso del cuerpo del vehículo y a la normal generada en la zona de contacto con el suelo. En el dibujo se aprecia la deformación producida por esta combinación de fuerzas, así como la transmisión de las tensiones generadas y la distribución de las variaciones de presión. Debido a la singular geometría de los elementos estructurales de amortiguamiento la transmisión principal de las tensiones, desde la zona de contacto de la banda de rodadura, hasta la pared elástica que rodea al volumen estanco, se realiza en esta última en las zonas laterales al eje de la rueda, ligeramente por debajo del mismo. Debido a que existen elementos estructurales de amortiguamiento dirigidos según el movimiento de las agujas del reloj en las cercanías de la cara exterior de la rueda, y elementos dirigidos en sentido contrario en las cercanías de la cara interior, se ha elegido un plano de corte perpendicular al eje y desplazado hacia el exterior, con respecto al plano medio de la rueda, para poder contener a ambos conjuntos de elementos estructurales de amortiguamiento en una misma vista, y permitir una mayor claridad en el esquema.

La figura 6 muestra un corte transversal similar al de las figuras 1A y 2A en el que se incluye una estructura rígida de refuerzo unida a la llanta para aumentar el diámetro efectivo en caso de rotura de la pared elástica. En esta figura se muestra también la dirección de transmisión de la fuerza centrífuga producida durante el giro del vehículo y que tiene su punto de aplicación en la zona de contacto entre el eje y la rueda, produciendo un momento de fuerza con respecto al punto de contacto con el terreno.

La figura 7 muestra una rueda con elementos estructurales de amortiguamiento lineales que se unen a la banda anular externa en dos puntos distantes entre si. La vista se realiza según la dirección del eje de rotación, en su cara exterior al lateral del vehículo.

La figura 8 muestra un detalle ampliado de un corte transversal según un plano que contiene al eje de rotación de una rueda, montada sobre una llanta, y que contiene una cámara con un gas o líquido a presión.

La figura 9 muestra un corte transversal de una rueda de bicicleta con elementos estructurales de amortiguamiento que siguen una dirección cercana al radio. Esta rueda se encuentra montada sobre una llanta y contiene una cámara con gas a presión. El plano de corte es perpendicular al eje de rotación.

La figura 10 muestra un detalle ampliado de un corte transversal según un plano que contiene al eje de rotación de una rueda de bicicleta con elementos estructurales de amortiguamiento que siguen una dirección cercana al radio. Esta rueda se encuentra montada sobre una llanta y contiene una cámara en su interior.

A continuación se listan los distintos componentes que aparecen en los dibujos:

1 - Banda anular externa de naturaleza flexible y sensiblemente inextensible.

2 - Llanta rígida e indeformable para ruedas de tipo neumático, utilizada en la rueda de la invención.

3 - Pared elástica que rodea al volumen cerrado estanco preparado para contener un gas o líquido a presión.

4 - Elemento estructural de amortiguamiento elástico por pandeo transversal, fijado a la banda anular externa y a la pared elástica que rodea al volumen cerrado.

5 - Pared de la llanta más cercana al eje de rotación.

6 - Cara interna de la pared elástica que rodea al volumen cerrado.

7 - Volumen cerrado estanco.

8 - Dirección del eje de rotación de la rueda.

9 - Superficie exterior de contacto de la rueda. Banda de rodadura.

10 - Refuerzo estructural de la banda anular externa elástica.

11 - Refuerzo estructural de la pared elástica que rodea al volumen cerrado.

12 - Cara interna de la banda anular externa elástica.

13 - Zona lateral de encastre de la pared elástica que rodea al volumen cerrado.

14 - Válvula de inflado/desinflado.

15 - Zona lateral externa de la pared elástica que rodea al volumen cerrado.

16 - Espacio entre la llanta y el eje.

17 - Borde de la llanta en su zona más alejada del eje de rotación.

18 - Espacio externo entre dos elementos estructurales de amortiguamiento entre la banda anular externa y la pared elástica que rodea al volumen cerrado.

19 - Espacio interno entre dos elementos estructurales de amortiguamiento entre la banda anular externa y la pared elástica que rodea al volumen cerrado.

20 - Plano de corte transversal de las figuras 1A y 2A.

21 - Plano de corte transversal de la figura 2B.

22 - Zona lateral de la llanta para encastre de la pared elástica.

23 - Pared de la llanta más cercana al eje.

24 - Cara externa de la pared elástica que rodea al volumen cerrado.

25 - Zona de contacto entre la rueda y la superficie de rodadura.

26 - Dirección de la tensión producida por la deformación de la rueda transmitida por el perímetro exterior de la misma.

27 - Dirección de la tensión producida por la deformación de la rueda transmitida por el elemento estructural de amortiguamiento que sufre una deformación elástica relevante.

28 - Dirección de la tensión producida por la deformación de la rueda transmitida por el elemento estructural de amortiguamiento que no sufre una deformación relevante. 29 - Dirección de la tensión producida por la deformación de la rueda transmitida por el perímetro de la pared elástica.

30 - Transmisión de la diferencia de presión producida por la deformación de la rueda en la dirección perpendicular al radio, en la parte inferior a la llanta.

31 - Transmisión de la diferencia de presión producida por la deformación de la rueda en la dirección del radio, en la parte inferior a la llanta.

32 - Transmisión de la diferencia de presión producida por la deformación de la rueda en la dirección del radio, en la parte lateral de la llanta.

33 - Transmisión de la diferencia de presión producida por la deformación de la rueda en la dirección perpendicular al radio, en la parte lateral de la llanta.

34 - Transmisión de la diferencia de presión producida por la deformación de la rueda en la dirección del radio, en la parte superior de la llanta.

35 - Transmisión de la diferencia de presión producida por la deformación de la rueda en la dirección perpendicular al radio, en la parte superior de la llanta.

36 - Distancia desde el eje de rotación a la superficie de la llanta interna al volumen cerrado.

37 - Distancia desde el eje de rotación a la cara interna de la pared elástica que rodea al volumen cerrado.

38 - Distancia desde el eje de rotación al perímetro de la rueda.

39 - Centro del eje de la rueda que se apoya sobre el terreno.

40 - Circunferencia del contorno de la rueda sin deformar.

41 - Zona de la pared elástica en la que se aplica principalmente la deformación.

42 - Circunferencia del contorno de la pared elástica que rodea al volumen estanco sin deformar.

43 - Fuerza normal de reacción de la superficie rígida del terreno.

44 - Peso del cuerpo del vehículo transmitido por el eje a la llanta.

45 - Rueda elástica no neumática sin un volumen a presión.

46 - Llanta rígida en contacto con esta rueda.

47 - Peso del cuerpo del vehículo transmitido por la llanta directamente a la rueda. 48 - Fuerza normal de reacción del terreno a esta rueda no neumática.

49 - Radio horizontal del contorno exterior de la rueda.

50 - Radio vertical superior de la rueda sin un volumen a presión.

51 - Radio vertical inferior de la rueda sin un volumen a presión.

52 - Grosor vertical superior de la parte deformable de la rueda sin un volumen a presión.

53 - Radio de la llanta rígida de la rueda sin un volumen estanco.

54 - Grosor vertical inferior de la parte deformable de la rueda.

55 - Circunferencia del contorno de esta rueda sin deformar.

56 - Elementos de amortiguamiento que siguen una dirección cercana a la tangente de la circunferencia.

57 - Dirección de la tensión transmitida en los elementos de amortiguamiento.

58 - Dirección de la tensión transmitida a la pared elástica por los elementos de amortiguamiento.

59 - Límite inferior de la zona de transmisión de tensiones en la pared elástica.

60 - Límite superior de la zona de transmisión de tensiones en la pared elástica.

61 - Distancia desde el eje de rotación al borde de la llanta en su zona más alejada del eje.

62 - Dirección de transmisión de la fuerza centrífuga aplicada sobre el eje de la rueda.

63 - Dirección según el radio de giro en la pared elástica que rodea al volumen cerrado.

64 - Zona de contacto y punto de aplicación del momento de fuerza.

65 - Dirección paralela al eje de rotación en la pared elástica.

66 - Distancia desde el eje de rotación al extremo externo de la estructura de refuerzo.

67 - Estructura de refuerzo dentro del volumen cerrado.

68 - Distancia entre la cara interna de la pared elástica que rodea al volumen cerrado y la estructura de refuerzo.

69 - Elemento estructural de amortiguamiento según una dirección oblicua lineal.

70 - Zona de unión entre el elemento estructural de amortiguamiento con dirección oblicua lineal y la banda anular externa.

71 - Zona de unión entre el elemento estructural de amortiguamiento con dirección oblicua lineal y la pared elástica.

72 - Superficie de la cámara a presión en contacto con la pared elástica.

73 - Válvula para la introducción y extracción de gas o líquido a presión en la cámara.

74 - Superficie de la cámara en contacto con la llanta.

75 - Interior de la cámara.

76 - Zona de entrada y salida de gas o líquido en la cámara.

77 - Banda anular externa de la rueda de bicicleta.

78 - Banda de rodadura de la rueda de bicicleta.

79 - Elemento estructural de amortiguamiento en la rueda de bicicleta.

80 - Superficie de contacto de la banda anular externa con los elementos estructurales de amortiguamiento en la rueda de bicicleta.

81 - Anclaje al eje de la rueda.

82 - Radio de la llanta de bicicleta.

83 - Pared elástica que envuelve al volumen cerrado no estanco.

84 - Pared de la llanta que rodea al volumen cerrado no estanco.

85 - Superficie de la cámara en contacto con la pared elástica.

86 - Interior de la cámara de bicicleta.

87 - Superficie de la cámara en contacto con la llanta.

88 - Válvula de la cámara de bicicleta.

89 - Lateral de la pared elástica para anclaje en la llanta.

90 - Pared lateral de la llanta.

Descripción de una realización preferida

Las figuras 1A, 1B, 2A, 2B, 3, 5, 6, y 7 muestran distintos modos de realización de una rueda para un vehículo automóvil incorporando las características y ventajas de la presente invención.

En estas realizaciones se utiliza una llanta estándar (2) para ruedas de tipo neumático, y una válvula (14) de tipo Schrader, permitiendo su incorporación en sustitución de ruedas de tipo neumático en un vehículo con las mismas dimensiones de llanta. También se pueden modificar los diseños para utilizar otro tipo de válvula o llanta.

Esta rueda cuenta con una banda anular externa (1), situada en la parte más alejada al eje de rotación (8). Esta banda anular externa (1), cuenta con una banda de rodadura en su parte exterior (9), y en su interior con un trenzado metálico de refuerzo estructural (10), flexible y sensiblemente inextensible, que se encuentra recubierto en su cara interna (12) por un material elastómero.

Esta banda anular externa se encuentra, a su vez, unida a un conjunto de elementos estructurales de amortiguamiento metálicos, los cuales poseen características elásticas debido a la capacidad de desplazamiento transversal en su parte central por pandeo en régimen de equilibrio estable.

Estos elementos estructurales de amortiguamiento se encuentran en contacto con una pared elástica (3) que rodea el volumen (7) destinado a contener un gas o líquido a una presión superior a la atmosférica. Esta pared elástica esta formada, en su cara interior, por una superficie (6) compuesta por un material elastómero, en su cara exterior, por otra pared similar (24), y por un refuerzo estructural (11) formado por hilos metálicos entrelazados, situado entre ambas superficies, y que le confiere un carácter flexible, sensiblemente inextensible y le proporciona la rigidez necesaria para permitir su encastre en los laterales de la llanta (2).

La selección de la presión de operación del volumen estanco se realiza en función de la capacidad de absorción de la energía cinética por parte de los elementos estructurales de amortiguamiento. De este modo, mediante la elección de una presión adecuada, se consigue que la deformación en la rueda producida por el peso del vehículo se reparta proporcionalmente entre la estructura no neumática y las paredes del compartimento a presión. De esta forma, se busca que el cociente entre la variación del radio exterior de la rueda y este radio exterior sin modificar (38) sea similar al cociente resultante de dividir la variación del radio interior de la pared elástica entre el valor de este radio (37) sin variación. Se consideran estos cocientes similares si la variación entre ambos es inferior al 20%.

Dependiendo del uso que se pretenda dar al vehículo y de la importancia que se asigne a los distintos factores de operación, principalmente al consumo de combustible y a la vida media esperada de la rueda, se pueden elegir distintos diseños para los elementos estructurales de amortiguamiento.

En las figuras 1A, 1B, 2A, 2B y 3 estos elementos estructurales de amortiguamiento (4) se disponen formando un pequeño ángulo (8°) con la dirección del radio, transmitiéndose las tensiones desde la banda de rodadura en una dirección prácticamente radial hacia el centro de la rueda.

Por el contrario, en la figura 5 se muestra un diseño en el que los elementos estructurales de amortiguamiento (56) tienen una geometría curva que les permite conectar puntos situados en la banda anular externa con otros puntos situados en la pared elástica que rodea el volumen cerrado estanco, y que se encuentran situados a una distancia importante de los mismos, formando estos puntos de conexión entre los dos extremos un ángulo relevante medido desde el eje (48°). Estos elementos estructurales se encuentran formando dos conjuntos situados en ambas mitades de la rueda, con respecto a un plano medio perpendicular al eje de rotación. Uno de los conjuntos está formado por elementos estructurales de amortiguamiento que siguen una curvatura dirigida según el sentido de avance de las agujas del reloj, mientras que los elementos pertenecientes al otro conjunto mantienen una simetría rotada 180° con respecto a este plano medio siguiendo la curvatura opuesta.

Mediante la adopción de elementos estructurales de amortiguamiento, que transmiten las tensiones (57) a puntos muy alejados de la vertical de la zona de contacto con el terreno, se consigue aumentar el área en la que se distribuye la deformación producida en la pared elástica. De este modo, el estiramiento de la pared elástica en zonas (58) situadas en los laterales de la misma y ligeramente por debajo del eje de la rueda, fuerzan a la sección inferior de esta pared elástica a adoptar una forma ligeramente elíptica, manteniendo el eje principal de la elipse una posición horizontal. Este diseño permite rebajar la presión de operación de la rueda sin aumentar significativamente el área de contacto con el suelo en la banda de rodadura y sin incrementar, por tanto, el consumo de combustible.

El diseño de la figura 7 muestra un diseño en el que los elementos estructurales de amortiguamiento (69) tienen una geometría lineal, que forma un ángulo oblicuo (60°) con respecto a la dirección del radio. A diferencia de las realizaciones anteriores, los elementos estructurales de amortiguamiento de este diseño se unen a la banda anular externa en dos puntos distintos que se encuentran distantes entre si. La fijación con la pared elástica se realiza en el punto medio del elemento estructural de amortiguamiento. Mediante este diseño se permite una transmisión de la deformación a puntos de la pared elástica situados a distancia de la vertical de la zona de contacto con el terreno, del mismo modo que ocurría en el diseño de la figura 5. De este modo, se permite también, con esta configuración, rebajar la presión de operación del volumen estanco sin incrementar la superficie de rozamiento y el consumo de combustible.

La selección del número de elementos estructurales de amortiguamiento (64 elementos en el primer modo de realización de las figuras 1A, 1B, 2A, 2B y 3; 32 elementos en el segundo modo de realización de la figura 5; y 24 elementos en el tercer modo de realización de la figura 7) depende del equilibrio entre el peso buscado y la rigidez de la banda anular externa. Es decir, en el primer caso existe un elemento por cada ángulo sólido de 5,62° , en el segundo un elemento cada 11,25° y en el tercero un elemento cada 15°. Un número de elementos menor disminuye el peso de la estructura pero aumenta el grado de rigidez necesario en la banda anular externa para seguir manteniendo un comportamiento circular.

Asimismo, la selección de la geometría de los elementos estructurales de amortiguamiento influye en la vida útil esperada de la rueda. Una dirección de los mismos cercana al radio facilita que el desplazamiento transversal de pandeo se pueda realizar en ambos sentidos, dentro del plano perpendicular al eje de giro, en función de la posición de la rueda en cada momento, con lo que la carga recibida se ve compensada constantemente, aumentando la vida útil del elemento. Por el contrario, una geometría oblicua con respecto al radio facilita que el desplazamiento transversal de pandeo se realice siempre en el mismo lado del elemento, aumentando la fatiga y reduciendo su vida útil.

Por otro lado, se pueden realizar modificaciones en relación al diseño interior del compartimento cerrado. En la figura 6 se muestra una rueda como las de las figuras 1A y 2A, en la que se ha incluido dentro del volumen estanco una estructura de refuerzo (67). Habitualmente una llanta necesita contar con una anchura mínima entre sus bandas laterales para facilitar el encastre de una cubierta, o, como en la innovación, de una pared elástica que rodea el compartimento. En determinadas ocasiones, este espacio entre los laterales de la llanta puede suponer un problema en caso de pérdida brusca de presión, ya que los elementos estructurales de amortiguamiento pueden ocupar el espacio situado entre ambos laterales, reduciendo el diámetro efectivo de la rueda. Para evitar esta circunstancia puede elegirse fijar a la llanta, una estructura de refuerzo que cuenta con una superficie circular con un radio (66) superior al radio máximo de la llanta (61), e inferior al radio mínimo de la pared elástica (37). Esta estructura de refuerzo puede estar constituida por un material rígido o elástico, estando fijada a la zona central de la llanta o al interior de sus laterales y contribuye a mantener el diámetro efectivo de la rueda en caso de pérdida de presión en el volumen interno, reduciéndose el mismo en una distancia (68) que permite mantener la circulación del vehículo.

La figura 8 muestra una realización de la innovación en ruedas de vehículos de gran tamaño que cuentan con cámaras de aire, como puede ser el caso de camiones pesados, autobuses o tractores.

En las figuras 9 y 10 se muestra una realización de la invención para una rueda de bicicleta que incorpora una cámara a presión en su interior. En este diseño se utiliza una llanta habitual para ruedas de bicicleta con cámara. Las cámaras utilizadas tienen un diámetro transversal de tubo inferior al correspondiente a un cámara para una rueda de tipo neumático. En este sentido, el compartimento cerrado no estanco envuelto por la pared elástica posee un volumen bastante más reducido que el destinado para la cámara de aire en una rueda neumática con la misma dimensión de llanta. En esta realización, los elementos estructurales de amortiguamiento se han elegido en direcciones cercanas al radio de la rueda.

El diseño de rueda de la innovación descrito en las realizaciones precedentes puede también adaptarse, mediante la modificación de sus dimensiones y requerimientos de presión, para su utilización en otro tipo de vehículos, tales como aviones, helicópteros, maquinaria especializada, vehículos de limpieza viaria, vehículos especializados, remolques, vehículos auxiliares, etc.

Claims (8)

1. REIVINDICACIONES

   1- - Rueda para vehículo, que cuenta con:

   a) una banda anular externa de naturaleza flexible (1), sensiblemente inextensible, con una banda de rodadura en su superficie exterior (9);

   b) una pluralidad de elementos estructurales de amortiguamiento (4), con comportamiento elástico, unidos a la banda anular externa por la zona de esta banda más cercana al eje de rotación de la rueda (8);

   c) una llanta o estructura rígida de anclaje (2) para fijar la rueda al vehículo, por la parte interior a la banda anular externa, permitiendo su movimiento circular;

   caracterizada por que:

   d) los elementos estructurales de amortiguamiento se encuentran unidos, en su parte más cercana al eje de rotación, a una superficie de naturaleza elástica, continua y que se dispone alrededor de este eje;

   e) todos los puntos de contacto entre los elementos estructurales de amortiguamiento y esta superficie elástica, contenidos en un plano perpendicular al eje de rotación de la rueda, están situados a mayor distancia de este eje que la totalidad de los puntos de la llanta contenidos en este mismo plano;

   f) esta superficie elástica entra en contacto con la llanta formando una pared elástica (3), que envuelve parcialmente a un volumen cerrado (7), por la zona de contorno de este volumen más alejada al eje de rotación;

   g) todos los puntos pertenecientes a esta pared elástica, contenidos en un plano perpendicular al eje de rotación de la rueda, están situados a menor distancia de este eje que la totalidad de los puntos de la banda anular externa contenidos en este mismo plano;

   h) esta pared elástica puede deformarse localmente al recibir una tensión transmitida por un elemento estructural de amortiguamiento, o por un conjunto reducido de elementos estructurales de amortiguamiento;

   i) el volumen cerrado se halla rodeado parcialmente, por la zona de su contorno más cercana al eje de rotación, por la llanta o estructura rígida de anclaje;

   j) la pared elástica mantiene su contacto con la llanta al someterse el interior del volumen cerrado a una presión superior a la atmosférica;

   k) los elementos estructurales de amortiguamiento no ocupan la totalidad del volumen situado entre la banda anular externa y la pared elástica, de modo que pueden deformarse, al recibir tensiones, ocupando parte de este volumen libre; l) en el interior de la pared elástica existe una estructura de refuerzo que le confiere un carácter sensiblemente inextensible;
2. 2. - Rueda para vehículo según la reivindicación 1 caracterizada por que en el interior del volumen cerrado existe una estructura rígida, cuya superficie más alejada del eje de rotación es concéntrica con el mismo, hallándose esta estructura anclada a la llanta.
3. 3. - Rueda para vehículo según la reivindicación 1 caracterizada por que en el interior del volumen cerrado existe una estructura elástica, cuya superficie más alejada del eje de rotación es concéntrica con el mismo, hallándose esta estructura anclada a la llanta.
4. 4. - Rueda para vehículo según la reivindicación 2 caracterizada por que la estructura rígida en el interior del volumen cerrado se halla anclada a la llanta por una zona distinta a los laterales de la llanta.
5. 5. - Rueda para vehículo según la reivindicación 3 caracterizada por que la estructura elástica en el interior del volumen cerrado se halla anclada a la llanta por una zona distinta a los laterales de la llanta.
6. 6. - Rueda para vehículo según las reivindicaciones 1, 2, 3, 4, o 5 caracterizada por que, el cociente entre la variación del radio exterior de la rueda y este radio exterior sin modificar se diferencia del cociente resultante de dividir la variación del radio interior de la pared elástica entre el valor de este radio sin modificar en menos de un 20%.
7. 7. - Rueda para vehículo según las reivindicaciones 1, 2, 3, 4, o 5, caracterizada por que, al menos un elemento estructural de amortiguamiento se encuentra unido a la banda anular externa en dos puntos distantes entre si.
8. 8. - Rueda para vehículo según las reivindicaciones 1, 2, 3, 4, o 5, caracterizada por que, los elementos estructurales de amortiguamiento sufren un desplazamiento transversal elástico por pandeo dentro de su rango de equilibrio estable.