專利名稱：柔性輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非充氣式結(jié)構(gòu)支撐的輪胎和輪。更具體地，本發(fā)明涉及柔性(compliant)輪，其用它的結(jié)構(gòu)部件來支撐負(fù)荷并且具有類似充氣輪胎的性能以便用作充氣輪胎的替換和改進(jìn)。
背景技術(shù)：
對(duì)于柔順性、舒適、質(zhì)量和滾動(dòng)阻力而言，充氣輪胎是最已知的解決方案；然而，充氣輪胎具有的缺點(diǎn)在于復(fù)雜性、維護(hù)需求和損壞敏感性。例如，改進(jìn)充氣輪胎性能的裝置能提供更大的柔順性、更好的硬度控制、更低的維護(hù)要求和損壞的抵抗性。
常規(guī)的實(shí)心輪胎、彈簧輪胎和軟心輪胎盡管沒有充氣輪胎的維護(hù)要求和損壞敏感性，但不幸地沒有它的性能優(yōu)點(diǎn)。具體地，實(shí)心和軟心輪胎典型地包括由彈性材料層環(huán)繞的實(shí)心輪緣。這些輪胎依靠直接在負(fù)荷下彈性層的接地部分的壓縮來承重。這些類型的輪胎重而硬，并且沒有充氣輪胎的減震性能。
彈簧輪胎典型地具有剛性木制、金屬或塑料環(huán)，其中彈簧或彈簧狀元件將它連接到輪轂。盡管輪轂由此被彈簧懸掛，但不可伸縮的環(huán)只有很小的接地面積，基本上不能提供柔順性，并且提供較差的牽引和轉(zhuǎn)向控制。
因此，除了在限定情形下以外，還沒有發(fā)現(xiàn)廣泛使用已知的非充氣輪胎作為充氣輪胎的替代品。
非充氣式柔性輪具有類似于充氣輪胎的性能特征，同時(shí)改進(jìn)了它的缺點(diǎn)，將克服本領(lǐng)域的各種缺點(diǎn)，并且將成為受歡迎的改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
依據(jù)本發(fā)明的柔性輪包括柔性帶和多個(gè)張力支撐元件，柔性帶支撐輪轂上的負(fù)荷，張力支撐元件處于拉伸狀態(tài)時(shí)在柔性帶和輪轂之間傳遞負(fù)載力。張力支撐元件在壓縮時(shí)基本上不承重，并且向輪轂提供類似充氣輪胎的懸掛。
依據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，張力支撐元件是腹板輪輻，即由彈性材料制成的片狀部件，以便在壓縮時(shí)提供張力支撐力和柔韌性。也能使用其它張力傳遞元件，例如繩索或鋼索，對(duì)腹板輪輻的描述并不是要限定本發(fā)明。
依據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，柔性輪包括柔性帶、多個(gè)腹板輪輻和用于將腹板輪輻互連到輪轂的裝置，腹板輪輻橫向跨越柔性帶，并且從柔性帶到輪軸基本上徑向向內(nèi)延伸。
依據(jù)另一實(shí)施例，柔性輪包括胎面或磨損部分，其形成或安裝到柔性帶的徑向外表面上。
為了下面的描述，術(shù)語“輪轂”指的是用于支撐輪并把它安裝到車輛輪軸上的任何裝置或結(jié)構(gòu)。
柔性帶由在負(fù)荷下能變形的材料制成，包括柔性帶彎曲，以便包住障礙和符合接觸表面，例如道路或地板。具體地，柔性帶在負(fù)荷下的彎曲變形形成與接觸表面的接觸面積，這提供類似于充氣輪胎的牽引和轉(zhuǎn)向力傳遞。輪材料的柔度(compliance)的一個(gè)方面在于柔性帶的彎曲量與輪上的負(fù)荷量相關(guān)。
柔性帶可以由彈性材料制成，例如天然或合成橡膠、聚亞安酯、泡沫橡膠和泡沫聚亞安酯、分段共聚多醚、以及塊狀尼龍共聚物。優(yōu)選地，這種材料具有約9MPa-60MPa的彈性模量。柔性帶可以不加強(qiáng)，或者可以包括加強(qiáng)疊層以便增加柔性帶的圓周非延伸性。
腹板輪輻互連輪轂和柔性帶，并且在張力狀態(tài)下起作用以便在輪轂和柔性帶之間傳遞負(fù)載力。作為其它功能之一，這提供對(duì)車輛質(zhì)量的支撐。通過未連接到柔性帶接地部分的腹板輪輻內(nèi)張力來產(chǎn)生承重力。負(fù)載輪轂可描述成從柔性帶上部進(jìn)行懸掛，這限定支撐負(fù)荷的拱。
優(yōu)選地，腹板輪輻在張力狀態(tài)下具有高效硬度而在壓縮狀態(tài)下具有低效硬度。壓縮狀態(tài)下的低硬度允許連接到柔性帶接地部分的腹板輪輻適應(yīng)柔性帶接地部分的變形，而不傳遞很大的垂直負(fù)荷。腹板輪輻與它們的長(zhǎng)度相比是相對(duì)薄的，且典型地，在壓縮狀態(tài)下彎曲。沒有接觸區(qū)域內(nèi)腹板輪輻的壓縮負(fù)荷支撐允許柔性帶更容易形成接地面積，并且更容易彎曲來吸收障礙。另外，因?yàn)閺牡孛娴捷嗇灈]有直接的連接，即，路面震動(dòng)必然傳遞到柔性帶周圍且穿過張緊的腹板輪輻，與充氣輪胎相比，柔性輪具有改進(jìn)的舒適性和減震性。
腹板輪輻也傳遞用于加速、停止和轉(zhuǎn)彎所需要的力。能選擇腹板輪輻的排列和定向以便獲得理想的功能。例如，在期望相對(duì)低圓周硬度的應(yīng)用中，能徑向地排列腹板輪輻，并且與柔性輪轉(zhuǎn)軸平行。為了增加沿圓周方向的硬度，能增加垂直于轉(zhuǎn)軸的腹板輪輻，同時(shí)與軸向?qū)R的腹板輪輻進(jìn)行交替。另一選擇是將腹板輪輻傾斜于柔性輪軸排列，以便沿圓周方向和軸向提供硬度。另一選擇是將腹板輪輻定向成交替傾斜排列，也就是，當(dāng)在赤道面內(nèi)觀察時(shí)成Z字形圖案。當(dāng)然，能使用其它類似的排列來適應(yīng)輪的圓周硬度。
為了促進(jìn)胎面接地部分的腹板輪輻彎曲，能彎曲輪輻。可選地，腹板輪輻在模制期間能定形成以具有沿特定方向彎曲的傾向。另一選擇是在輪轂和腹板輪輻之間或環(huán)和腹板輪輻之間提供連接，這個(gè)連接在張力狀態(tài)下起作用，但在壓縮狀態(tài)下允許腹板輪輻相對(duì)移動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，柔性輪包括輪轂、柔性承重帶和多個(gè)腹板輪輻，柔性承重帶布置成徑向向外并與輪轂同心，腹板輪輻在輪轂和柔性帶之間延伸，其中柔性帶包括嵌在柔性帶內(nèi)的加強(qiáng)膜或疊層。優(yōu)選地，加強(qiáng)疊層包括嵌在彈性層內(nèi)且沿圓周方向?qū)R的繩索。根據(jù)本實(shí)施例，加強(qiáng)疊層在負(fù)載力下起作用來抑制柔性帶的圓周長(zhǎng)度，以便將張力更好地應(yīng)用到腹板輪輻，這增加了承重能力。
根據(jù)本實(shí)施例的另一方面，膜或加強(qiáng)疊層的縱向張力模量大于柔性帶的彈性模量。
根據(jù)本實(shí)施例的又一方面，膜或加強(qiáng)疊層大約位于柔性帶的中性軸上。更優(yōu)選地，加強(qiáng)疊層位于從中性軸徑向向內(nèi)。


通過參考下面的描述以及附圖將能更好地理解本發(fā)明，其中
圖1是本發(fā)明的柔性輪的赤道面內(nèi)的示意圖，其中支撐面在輪的負(fù)荷例示的柔度下；圖2是依據(jù)本發(fā)明的柔性輪的子午面內(nèi)的示意圖，圖解了承重機(jī)構(gòu)；圖3是本發(fā)明的柔性輪實(shí)施例的子午面內(nèi)的剖視圖；圖4是依據(jù)本發(fā)明的柔性輪可選實(shí)施例的赤道面內(nèi)的示意圖；圖5是在赤道面內(nèi)觀察柔性輪的剖視圖，表示腹板輪輻按X圖案的排列；圖6是在赤道面內(nèi)觀察腹板輪輻按“V”圖案的可選排列圖；圖7是徑向地朝向旋轉(zhuǎn)軸觀察腹板輪輻按斜交軸圖案的排列圖；圖8表示徑向地朝向旋轉(zhuǎn)軸觀察腹板輪輻的可選人字紋排列；圖9表示徑向地朝向旋轉(zhuǎn)軸觀察沿圓周交替和沿軸向?qū)R的腹板輪輻的可選排列；圖10以剖視圖來例示柔性帶片段和支撐腹板輪輻，以便例示柔性帶在負(fù)荷下的壓縮變形；圖11示意地例示在柔性輪赤道面內(nèi)觀察的逆偏轉(zhuǎn)硬度。
具體實(shí)施例方式
對(duì)于本說明書，下列術(shù)語定義如下“赤道面”指的是垂直穿過輪旋轉(zhuǎn)軸并平分輪結(jié)構(gòu)的平面。
“子午面”指的是穿過并包括輪旋轉(zhuǎn)軸的平面。
彈性材料的“模量”指的是由ASTM標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法D412測(cè)量并伸長(zhǎng)10％時(shí)的彈性拉伸模量。
“遲滯”指的是在操作應(yīng)變、溫度和頻率下測(cè)量的動(dòng)態(tài)損耗正切(tanδ)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將能理解，對(duì)于具體應(yīng)用而言操作條件不同，例如，對(duì)于高爾夫手推車和運(yùn)動(dòng)車而言，負(fù)荷和速度要求不同，對(duì)于具體應(yīng)用而言要指定應(yīng)變、溫度和頻率。
圖中描述的附圖標(biāo)記對(duì)于每個(gè)變量而言遵循一致的模式。沒有按照規(guī)定比例來畫這些圖，為了圖解清楚，已經(jīng)按照需要放大或縮小部件尺寸。
在赤道面內(nèi)示意性地觀察的圖1中，圖示了依據(jù)本發(fā)明的柔性輪的實(shí)施例。依據(jù)本發(fā)明的柔性輪在這些應(yīng)用中是有用的，其中充氣輪胎的牽引、駕駛或懸吊質(zhì)量是有利的或者需要改進(jìn)。在比充氣輪胎需要更少的維護(hù)的輪中，依據(jù)本發(fā)明的柔性輪能提供改良的柔度和硬度特性，除了在機(jī)動(dòng)車輛上使用之外，例如，這樣的輪也能有利地用在輪椅、輪床、病床、靈敏儀器的手推車或者其它車輛或運(yùn)輸工具上，其中對(duì)震動(dòng)的靈敏性是重要的。另外，輪可以用于代替椅子或其它家具的輪腳，或者作為童車、滑板、直列冰鞋等的輪。本發(fā)明的柔性輪能用于機(jī)器或裝置中，其中使用承重或施重輪。為了描述目的，在下文中使用術(shù)語“車輛”；然而，其上能安裝柔性輪的任何裝置都包括在下面的描述中。
圖1中所示的輪100具有環(huán)形柔性帶110、多個(gè)張力傳遞元件、以及安裝帶160，多個(gè)張力傳遞元件例示為腹板輪輻150，其橫跨柔性帶并從柔性帶向內(nèi)延伸，而安裝帶位于腹板輪輻的徑向內(nèi)端上。安裝帶160將輪100錨定到輪轂10。胎面部分105形成在柔性帶110的外圍上。如圖1中所示，胎面部分105可以是粘結(jié)在柔性帶110上的附加層，例如，提供與帶材料所提供的不同的牽引和磨損特性?？蛇x地，如圖3中所示，胎面部分105可以是柔性帶110的外表面。胎面特征可以形成在胎面部分105內(nèi)，并且可以包括凹槽107和肋條109。
如上所述，圖1實(shí)施例中的腹板輪輻150橫向跨越輪延伸，這里使用的含義是腹板輪輻150從輪的一端延伸到另一端，并且可以與旋轉(zhuǎn)軸對(duì)齊，或者可以傾斜于輪軸。而且，“向內(nèi)延伸”指的是腹板輪輻150在柔性帶和輪轂之間延伸，并且可以位于向輪軸輻射的平面內(nèi)，或者可以傾斜于徑向平面。另外，如下所述，第二多個(gè)腹板輪輻可以在赤道面內(nèi)延伸。
柔性帶110支撐柔性輪上的負(fù)荷，并且其彈性變形來適應(yīng)路面(或其它支撐表面)以提供牽引和操作能力。如圖1和圖2中所示，當(dāng)將負(fù)荷L放在輪轉(zhuǎn)軸X上時(shí)，柔性帶110彎曲，并且另外變形而在區(qū)域C內(nèi)進(jìn)行地面接觸以便形成接地面積。未進(jìn)行地面接觸的柔性帶110的部分A按照類似于拱的方式進(jìn)行作用，并且在赤道面內(nèi)提供足夠高的圓周壓縮硬度和縱向彎曲硬度以便用作承重部件。從車輛(未圖示)傳遞到輪轂10的輪100上負(fù)荷L基本上由連接到承重部分A的腹板輪輻來懸掛。接觸區(qū)域C內(nèi)的腹板輪輻不承受由于負(fù)荷L而引起的張力負(fù)荷。當(dāng)然，當(dāng)柔性輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，用作拱的柔性帶110的特定部分連續(xù)變化，然而，拱的原理有利于理解承重機(jī)構(gòu)。
柔性帶110的彎曲量與負(fù)荷L成比例，因此接地面積或區(qū)域C的大小與負(fù)荷L成比例。柔性帶在負(fù)荷下彈性彎曲的能力提供柔性接地區(qū)域C，其起的作用類似于充氣輪胎，具有類似的有利結(jié)果。例如，柔性帶110能包住障礙以便提供較平滑的乘坐。同樣，柔性帶110能向地面或路面?zhèn)鬟f力以便牽引、轉(zhuǎn)彎或轉(zhuǎn)向。
相反，在典型的實(shí)心和軟心輪胎中，通過在接觸區(qū)域內(nèi)壓縮輪胎結(jié)構(gòu)來支撐負(fù)荷，其包括在剛性輪轂下對(duì)軟墊材料的壓縮。軟墊材料的柔度受到材料的壓縮特性和剛性輪或輪轂上材料厚度的限制。
柔性帶110由彈性材料制成。柔性帶彈性材料可以包括天然和合成橡膠、聚亞安酯、泡沫橡膠和聚亞安酯、分段共聚多醚、以及塊狀尼龍共聚物。優(yōu)選地，彈性材料具有約9MPa-60MPa的彈性模量。可以按照本領(lǐng)域公知常識(shí)來制備彈性材料，除了聚合物含量之外，還有填充劑、調(diào)節(jié)劑、固化添加劑等，只要獲得柔性帶的適當(dāng)柔度、柔性和彈性特性。
柔性帶110在負(fù)荷下滾動(dòng)期間的重復(fù)變形導(dǎo)致遲滯損失，在柔性輪內(nèi)引起熱量積累。因此，柔性帶材料的遲滯應(yīng)該規(guī)定成將操作溫度維持在所用材料的容許操作溫度之下。對(duì)于常規(guī)輪胎材料(例如橡膠)，例如，對(duì)于連續(xù)使用的柔性輪而言，柔性帶的遲滯應(yīng)該規(guī)定為產(chǎn)生的溫度低于約100℃。
參考圖2和3，腹板輪輻150基本上是片狀元件，具有沿徑向的長(zhǎng)度N，沿軸向的寬度W，通常相當(dāng)于柔性帶110的軸向?qū)挾?，以及垂直于其它維的厚度。厚度比長(zhǎng)度N或?qū)挾萕小得多，這允許腹板輪輻在壓縮狀態(tài)下時(shí)變形或彎曲，如圖1中所示。薄腹板輪輻在經(jīng)過接觸區(qū)域A時(shí)將彎曲，其中基本上沒有抗壓力，也就是，向承重不提供或只提供很小的壓力。隨著腹板輪輻的厚度增加，腹板輪輻可以在接地區(qū)域內(nèi)提供一些壓縮承重力。然而，腹板輪輻的主要負(fù)荷傳遞作用作為整體是張力。可以選擇特定的腹板輪輻厚度來滿足車輛的規(guī)定要求。
如圖2中所示，優(yōu)選地，腹板輪輻150相對(duì)于柔性帶110橫跨軸向定向。因此，腹板輪輻150內(nèi)(與圖1中區(qū)域A對(duì)應(yīng)的圖上部?jī)?nèi))的張力橫跨柔性帶110分布以便支撐負(fù)荷L。
根據(jù)本優(yōu)選實(shí)施例，腹板輪輻150由張力模量約為10-100MPa的彈性材料制成。如果需要可以加強(qiáng)腹板輪輻。腹板輪輻材料也應(yīng)該呈現(xiàn)出彈性性能以便在應(yīng)變到30％之后返回到原始長(zhǎng)度，并且當(dāng)腹板輪輻材料應(yīng)變到4％時(shí)呈現(xiàn)出恒定應(yīng)力。此外，期望在有關(guān)操作條件下材料的tanδ不大于0.1。例如，能確定滿足這些要求的市場(chǎng)銷售的橡膠或聚亞安酯材料。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，來自康涅狄格米德爾伯里的精細(xì)化工公司的尤尼羅伊爾分公司(Uniroyal Chemical division of CromptonCorporation of Middlebury，Connecticut)的Vibrathane B836已經(jīng)適合于腹板輪輻。
參考圖3，在一個(gè)實(shí)施例中，腹板輪輻150通過徑向內(nèi)安裝帶160相互連接，徑向內(nèi)安裝帶160環(huán)繞輪轂10以便將輪安裝到輪轂。對(duì)接帶170在腹板輪輻150的徑向外端上與它們相互連接，并且將腹板輪輻150連接到柔性帶110。為了方便，腹板輪輻150、安裝帶160和對(duì)接帶170可以由單一材料模制成一個(gè)單元。
可選地，根據(jù)構(gòu)造材料和對(duì)帶110和輪轂或輪10的處理，可以除去安裝帶160或?qū)訋?70，并且可以模制或形成腹板輪輻以便直接粘結(jié)到帶110和輪轂10。例如，如果柔性帶110由與腹板輪輻相同或兼容的材料制成，則用形成腹板輪輻、柔性帶和安裝帶作為整體單元的一個(gè)步驟能制造本發(fā)明的柔性輪。類似地，通過將腹板輪輻直接模制到輪轂?zāi)芟惭b帶。
根據(jù)另一實(shí)施例，例如，通過在每個(gè)腹板輪輻的內(nèi)端上提供嚙合輪轂內(nèi)凹槽的擴(kuò)大部分，或者通過連接相鄰的腹板輪輻以便在形成輪轂內(nèi)的鉤或棒上形成環(huán)，腹板輪輻150能機(jī)械地連接到輪轂。
圖4圖示了一個(gè)這樣的實(shí)施例，其中腹板輪輻150形成有環(huán)152，環(huán)152嚙合輪轂10外半徑內(nèi)的鉤154。
通過具有腹板輪輻來獲得基本完全張力的負(fù)荷支撐，腹板輪輻在張力狀態(tài)下具有高效硬度而在壓縮狀態(tài)下具有很低的硬度。為了有利于沿特定方向彎曲，腹板輪輻可以彎曲。可選地，腹板輪輻能模制成帶有一定彎曲并且在冷卻期間可通過熱收縮來伸直，以便提供沿特定方向彎曲的傾向。
例如，當(dāng)扭矩施加到輪時(shí)，腹板輪輻150應(yīng)該抵抗柔性帶110和輪轂10之間的扭矩。另外，例如當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)或轉(zhuǎn)彎時(shí)，腹板輪輻150應(yīng)該抵抗橫向偏轉(zhuǎn)。如所能理解的，位于徑向-軸向平面內(nèi)的腹板輪輻150，也就是與徑向和軸向都對(duì)齊，將具有對(duì)軸向定向力的高抵抗力，但是，特別是如果沿徑向伸長(zhǎng)，可以具有對(duì)沿圓周方向的扭矩相對(duì)低的抵抗力。對(duì)于某些車輛和應(yīng)用，例如，產(chǎn)生相對(duì)低的扭矩的車輛和應(yīng)用，具有相對(duì)短且與徑向?qū)R的輪輻的腹板輪輻外殼將是合適的。
對(duì)于期望高扭矩的應(yīng)用，例如圖5-7中圖解的排列，這些排列之一可能是更合適的。在圖5中，如沿徑向觀察，以重復(fù)X圖案來定向腹板輪輻150，其中成對(duì)的輪輻在它們中心形成連接的X。在圖6中，相對(duì)徑向以Z字形圖案來定向腹板輪輻150。按Z字形圖案來定向圖7中的腹板輪輻，其中相鄰的腹板輪輻相對(duì)于徑向相對(duì)地定向。在這些變化中，這些定向沿徑向和圓周方向來提供抗力分量，從而增加對(duì)扭矩的抵抗力，同時(shí)保持徑向和橫向抗力分量?？梢愿鶕?jù)使用的腹板輪輻量和相鄰腹板輪輻之間的間隔來選擇定向角度。
可以使用其它可選排列。如圖8中所示，沿徑向觀察，腹板輪輻可以排列成人字或V圖案。如圖9中所示，另一可選排列是在沿軸向?qū)R和沿圓周對(duì)齊之間改變相鄰腹板輪輻的定向。然而，因?yàn)樵诮佑|區(qū)域內(nèi)腹板輪輻的調(diào)節(jié)性彎曲的困難，這些可選排列可能是更不優(yōu)選的。
本發(fā)明的柔性輪的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，柔性帶和腹板輪輻的尺寸和排列選擇允許調(diào)整輪的垂直、橫向和扭轉(zhuǎn)硬度，而不依賴于接觸壓力和彼此的壓力。通過選擇在赤道面(圖1的觀察面)內(nèi)具有圓周壓縮硬度和縱向彎曲硬度的材料來部分確定柔性帶110的操作參數(shù)，即承重和柔度，以便滿足設(shè)計(jì)負(fù)荷要求?？紤]到柔性輪的直徑、柔性帶沿軸向的寬度、柔性帶沿徑向的厚度、以及腹板輪輻的長(zhǎng)度和間隔，來檢查這些參數(shù)。
選擇腹板輪輻的數(shù)量來維持柔性帶的環(huán)狀，并且也將依賴于相鄰腹板輪輻之間的間隔。
柔性輪與氣墊輪和彈簧輪不同的特征結(jié)構(gòu)在于，承重柔性帶110和腹板輪輻150都是能彈性地彎曲或變形的。這種結(jié)構(gòu)提出兩個(gè)考慮在承重期間保持負(fù)載柔性帶110的足夠均勻性，以便平滑滾動(dòng)和防止腹板輪輻的疲勞衰壞彎向和彎出接觸區(qū)域。
發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，為了平滑滾動(dòng)，柔性帶110能分解成一系列梁段，這些梁段由相鄰的腹板輪輻150在端部支撐，如圖10中示意性例示。由于施加在軸上的負(fù)荷而在腹板輪輻150內(nèi)引起的張力T，而在相鄰的腹板輪輻之間的梁段112內(nèi)產(chǎn)生壓縮力K。當(dāng)壓縮超過梁段112的能力而縮短時(shí)，出現(xiàn)彎曲，如虛線所示(按照放大尺寸)。彎曲或徑向位移μ在柔性帶110的滾動(dòng)半徑內(nèi)產(chǎn)生非均勻性，導(dǎo)致非均勻滾動(dòng)。
通過選擇柔性帶110和腹板輪輻150的特征，徑向位移μ能保持在限度內(nèi)以便基本均勻、平滑地滾動(dòng)。使用下列關(guān)系式，徑向位移μ與柔性輪部件的物理特征有關(guān)μp/p≅1.5(1-v2EI)T(r0n)3]]>這里，μp/p是峰到峰徑向位移(mm)；v是柔性環(huán)的泊松比；E是柔性環(huán)彈性的模量(N/mm2)；I是柔性環(huán)的慣性力矩(mm4)；T是輪輻張力(N)；r0是柔性環(huán)的額定半徑(mm)；n是輪輻數(shù)量。
為了平滑滾動(dòng)，徑向位移μ當(dāng)然應(yīng)該小。徑向位移μ與柔性帶的半徑相關(guān)是方便的。柔性帶110的額定半徑r0與峰到峰徑向位移μ的優(yōu)選比例是等于或大于約值1500，或者r0μ≥1500]]>如公式中暗示，例如，通過增加輪輻數(shù)量或通過增加柔性帶硬度，修正柔性帶110和腹板輪輻150的不同參數(shù)，可以獲得這個(gè)半徑與徑向位移的比例。
在柔性輪的設(shè)計(jì)中考慮的另一因素是腹板輪輻的疲勞期。根據(jù)柔性帶在負(fù)載時(shí)經(jīng)受的偏轉(zhuǎn)量，腹板輪輻能經(jīng)受很大的彎曲應(yīng)力，導(dǎo)致疲勞。對(duì)于規(guī)定應(yīng)用所期望的循環(huán)量而言，最大的輪輻應(yīng)變能應(yīng)該低于輪輻材料的疲勞限度。使用下列公式能估算徑向腹板輪輻的最大應(yīng)變能 這里，v是輪輻的泊松比；E是輪輻的彈性模量(N/mm2)；L是輪輻的長(zhǎng)度(mm)；ΔL是輪輻的最大徑向位移(mm)；t是輪輻沿圓周方向的厚度(mm)，假設(shè)是矩形橫截面。
垂直硬度與輪在負(fù)荷下抵抗偏轉(zhuǎn)的能力有關(guān)。輪的垂直硬度受到對(duì)不與地面接觸的輪部分負(fù)荷的反作用的強(qiáng)烈影響，即柔性輪的“逆偏轉(zhuǎn)”。圖11按照放大比例來圖解這個(gè)現(xiàn)象。當(dāng)輪處于負(fù)荷L下時(shí)，它偏轉(zhuǎn)的量為f，而接地部分符合地面來形成接地區(qū)域C。注意，為了本說明書，圖11內(nèi)的參考系使柔性輪軸X保持在恒定位置上，并且朝著軸向上移動(dòng)地面。柔性輪是彈性體，因此，垂直偏轉(zhuǎn)f與負(fù)荷L成比例，根據(jù)垂直偏轉(zhuǎn)f可以獲得柔性輪的垂直硬度Kv。
柔性帶110的圓周硬度(示意性圖示)將在探尋中抵抗負(fù)載下的拉伸、壓縮和彎曲以便保持它空載時(shí)的圓周。因此，當(dāng)在負(fù)荷下時(shí)，如圖中虛線所示，不接地的柔性輪部分轉(zhuǎn)移或逆偏轉(zhuǎn)，遠(yuǎn)離接觸區(qū)域C。逆偏轉(zhuǎn)量λ也與負(fù)荷L成比例，因此可以獲得逆偏轉(zhuǎn)硬度Kλ。偏轉(zhuǎn)硬度Kλ主要與柔性帶的圓周壓縮硬度和不接地的腹板輪輻承受負(fù)荷的方式有關(guān)。較小的程度地包括了柔性帶的橫向和縱向彎曲。
通過將柔性輪放在負(fù)荷F下且軸固定，并測(cè)量接觸區(qū)域內(nèi)柔性輪的偏轉(zhuǎn)f和與接觸區(qū)域相對(duì)的胎面的偏轉(zhuǎn)，能直接測(cè)量逆偏轉(zhuǎn)。然后，通過用逆偏轉(zhuǎn)量λ除負(fù)荷F來確定逆偏轉(zhuǎn)硬度。
實(shí)際上，逆偏轉(zhuǎn)硬度Kλ基本上控制柔性輪的垂直硬度，因此，控制柔性輪軸在負(fù)荷下的偏轉(zhuǎn)。低逆偏轉(zhuǎn)硬度允許柔性帶110在負(fù)荷下垂直移動(dòng)，從而減少偏轉(zhuǎn)時(shí)的負(fù)荷能力。逆偏轉(zhuǎn)硬度Kλ確定接觸區(qū)域的長(zhǎng)度，這可以從圖10中看出。因此，具有高逆偏轉(zhuǎn)硬度的柔性輪具有相對(duì)小的逆偏轉(zhuǎn)和更長(zhǎng)的接觸區(qū)域。
能調(diào)節(jié)垂直硬度以便最優(yōu)化給定的柔性輪的承重能力。可選地，能調(diào)節(jié)垂直硬度以便提供厚度減小的柔性帶，從而減小接觸壓力或柔性輪質(zhì)量，同時(shí)保持理想程度的垂直硬度。
能按照許多方式來修改逆偏轉(zhuǎn)硬度Kλ。用來調(diào)節(jié)該硬度的一些設(shè)計(jì)參數(shù)包括腹板輪輻模量、腹板輪輻長(zhǎng)度、腹板輪輻曲率、腹板厚度、柔性輪直徑、柔性帶層的厚度、以及柔性帶的寬度。
根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，柔性帶110包括加強(qiáng)層130，以便當(dāng)它在負(fù)荷下變形時(shí)來抑制柔性帶的圓周。優(yōu)選地，加強(qiáng)層或疊層布置在柔性帶的中性軸上或稍微向內(nèi)，也就是，接近徑向外表面和內(nèi)表面之間的中間，或者中性軸的稍微徑向向內(nèi)。加強(qiáng)疊層130將在沿柔性帶圓周方向的張力下起作用。
任何適當(dāng)材料都可以用于加強(qiáng)層。加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)可以是若干選擇之一，例如，均勻材料(如薄金屬片)、纖維加強(qiáng)矩陣或具有離散加強(qiáng)件的層。通過任何適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)或粘結(jié)連接或機(jī)械固定方法，將加強(qiáng)疊層130粘結(jié)在柔性帶110上或柔性帶110內(nèi)，這些都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。加強(qiáng)疊層130可以包括兩層或多層。
優(yōu)選實(shí)施例內(nèi)的加強(qiáng)層包括多個(gè)嵌在彈性敷層內(nèi)的基本不能伸展的繩加強(qiáng)件。對(duì)于由彈性材料構(gòu)成的柔性輪，加強(qiáng)疊層130可以位于兩個(gè)局部彈性材料層120之間，并且由固化彈性材料進(jìn)行粘結(jié)?？蛇x地，加強(qiáng)疊層130可以在模制柔性帶本身的工藝期間嵌入。疊層130內(nèi)的加強(qiáng)元件可以是若干材料之一，這些材料適合于用作常規(guī)輪胎內(nèi)的柔性輪帶加強(qiáng)件，例如，單纖維絲或鋼絲、芳族聚酸胺或其它高模量紡織品。對(duì)于本文中所述的例示性柔性輪，加強(qiáng)件是鋼索，每個(gè)都由四根直徑為0.26mm的金屬絲構(gòu)成(4×0.26)。
疊層130包括多個(gè)相對(duì)圓周以任何角度定向且基本平行的繩索。一個(gè)有利的排列是繩索相對(duì)于柔性輪赤道面定向成約0°，以便增加張力硬度。
可選地，如果提供了兩個(gè)或多個(gè)疊片，則各層的繩索可以相對(duì)于沿圓周方向的角度來布置，并且相互之間以相對(duì)方向來布置。
繩索嵌在彈性敷層內(nèi)，典型地具有約9MPa-60MPa的彈性模量。
申請(qǐng)人明白，通過對(duì)上面說明書的閱讀，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，許多其它變化是顯而易見的。如下列附屬權(quán)利要求書限定，這些變化和其它變化都位于本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種柔性輪，包括輪轂；柔性帶，所述柔性帶布置成從所述輪轂徑向向外；多個(gè)張力傳遞元件，所述張力傳遞元件在所述輪轂和柔性帶之間延伸并且連接到它們，其中，所述張力傳遞元件傳遞輪轂和環(huán)之間的張力，并且在壓縮狀態(tài)下基本上不傳遞力。
2.如權(quán)利要求1所述的柔性輪，還包括嵌在帶內(nèi)的加強(qiáng)疊層。
3.如權(quán)利要求2所述的柔性輪，其中所述加強(qiáng)疊層至少包括一層嵌在彈性敷層內(nèi)且基本不能伸展的繩索加強(qiáng)件，其剪切彈性模量至少等于柔性帶的剪切彈性模量。
4.如權(quán)利要求2所述的柔性輪，其中所述加強(qiáng)疊層大約位于柔性帶的中性軸上。
5.如權(quán)利要求2所述的柔性輪，其中所述加強(qiáng)疊層位于從柔性帶的中性軸徑向向內(nèi)的位置。
6.如權(quán)利要求1所述的柔性輪，還包括形成在柔性帶的徑向外表面上的胎面。
7.如權(quán)利要求1所述的柔性輪，其中所述柔性帶由彈性模量約為9MPa-60Mpa的彈性材料制成。
8.如權(quán)利要求1所述的柔性輪，其中所述張力傳遞元件包括橫跨所述柔性帶延伸的腹板輪輻。
9.如權(quán)利要求8所述的柔性輪，其中所述腹板輪輻平行于軸向定向。
10.如權(quán)利要求8所述的柔性輪，其中每個(gè)腹板輪輻傾斜于軸向定向。
11.如權(quán)利要求10所述的柔性輪，其中相互相鄰的腹板輪輻相對(duì)于軸向的相對(duì)傾斜角度定向。
12.如權(quán)利要求8所述的柔性輪，其中相對(duì)于徑向的相對(duì)傾斜角度來定向的相互相鄰的腹板輪輻，在赤道面內(nèi)形成Z字形。
13.如權(quán)利要求8所述的柔性輪，其中交叉成對(duì)地定向的多個(gè)腹板輪輻，在赤道面內(nèi)形成重復(fù)X圖案。
14.如權(quán)利要求8所述的柔性輪，其中所述腹板輪輻在赤道面內(nèi)具有曲面，以便在沿徑向壓縮時(shí)促進(jìn)彎曲。
15.如權(quán)利要求8所述的柔性輪，其中第一多個(gè)腹板輪輻平行于軸向定向，而第二多個(gè)腹板輪輻垂直于軸向定向。
16.如權(quán)利要求8所述的柔性輪，其中每個(gè)腹板輪輻的厚度不大于柔性輪半徑的約5％。
17.如權(quán)利要求8所述的柔性輪，其中所述腹板輪輻由彈性模量約為9Mpa-60Mpa的彈性材料制成。
18.如權(quán)利要求8所述的柔性輪，其中所述柔性帶和多個(gè)腹板輪輻整體地模制成由單一材料制成的單元。
19.一種柔性輪，包括輪轂；彈性材料的柔性帶，所述柔性帶從所述輪轂徑向向外布置；嵌在所述柔性帶內(nèi)的加強(qiáng)疊層；以及多個(gè)軟腹板輪輻，所述軟腹板輪輻在所述柔性帶和輪轂之間延伸，其中所述柔性帶和多個(gè)腹板輪輻整體地模制成由單一材料制成的單元。
全文摘要
一種柔性輪(100)包括柔性帶(110)和多個(gè)腹板輪輻(150)，所述腹板輪輻(150)橫跨所述加強(qiáng)的柔性帶(110)并從所述加強(qiáng)的柔性帶向內(nèi)橫向延伸以便連接到輪轂(10)。柔性帶(110)彎曲以便柔性接觸表面(C)并包住障礙。腹板輪輻(150)通過未連接到輪(100)接地部分的腹板輪輻內(nèi)的張力來在柔性帶(110)和輪轂(10)之間傳遞負(fù)荷力。柔性帶的外表面可以形成為包括胎面(105)，或者可以連接分開的胎面帶。
文檔編號(hào)B60B1/02GK1822962SQ200480020449
公開日2006年8月23日 申請(qǐng)日期2004年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月14日
發(fā)明者T·B·賴恩, S·M·克龍, J-P·蓬皮耶里 申請(qǐng)人:米其林技術(shù)公司, 米其林研究和技術(shù)股份有限公司