一种弹性轮毂

2016-09-28薛涵方

中国新技术新产品 2016年18期

关键词：避震减震器轴心

薛涵方

（山东省青岛第五十八中学，山东青岛 266100）

一种弹性轮毂

薛涵方

（山东省青岛第五十八中学，山东青岛 266100）

为适应特殊情况的需要，提高轮毂的弹力和避震性，对现有轮毂的结构进行了颠覆性地创新，将内轮毂与外轮毂用弹簧避震器相连，由于弹簧避震器具有可伸缩的特点，内轮毂可以沿对顶的两个避震器进行上下移动，另由于弹簧弹力均与轴心移动方向相反及行程限制，轴心可在适宜范围内移动，据此显著提高车轮弹性并能改善其舒适性。

轮毂；避震器；弹性

一、创意背景

本人为山地车爱好者，酷爱自行车速降运动，骑行过程中常需要跳跃动作，而轮胎良好的弹性是实现高质量跳跃的有力保障。随着技术水平的提高，对于轮毂的弹力和避震性也会有更高的要求，由此希望能显著提高轮胎弹性并提高其舒适性。

背景技术：

轮毂又叫轮圈、轱辘、胎铃，是轮胎内廓支撑轮胎的圆桶形的、中心装在轴上的金属部件。轮毂根据直径、宽度、成型方式、材料不同种类繁多。不同种类的轮毂广泛应用于汽车和自行车领域。

如今，随着生活水平的提高，我国汽车数量也直线上升，汽车行驶时，常因路况不好而使得汽车颠簸，有时甚至导致车祸的发生。因此，设计一种避震效果比较好，结构简单、能较好地起到复位减震作用，保障人们行驶或骑行安全的弹性轮毂是当务之急。

二、构想内容

本设计为实现上述目的采用的技术方案是：一种弹性轮毂。其包括外轮毂、内轮毂。外轮毂与内轮毂之间通过均匀分布的8组活塞结构（分别由避震杆和弹簧组成）连接。避震杆固定于外轮毂上，具有调节避震的性能，由外杆、内杆组成，其中外杆由碳纤维材料制成，为梯形圆柱体，具有强度高、重量轻、耐压力的特性；弹簧固定于内轮毂上，套于避震杆内杆上并与外杆相连构成活塞结构。

结构特点：

弹性轮毂的具体结构部件及其作用：外轮毂（2）与内轮毂（1）之间通过均匀分布的八组由避震杆（4）和弹簧（3）组成的活塞结构连接，避震杆（4）固定于外轮毂上，避震杆由外杆（42）、内杆（41）组成，避震杆外杆（42）为梯形圆柱体结构，弹簧（3）固定于内轮毂（1）上、套于避震杆内杆（41）外并与避震杆外杆（42）相连接，避震杆外杆（42）与内杆（41）构成活塞结构，内轮毂中心钻有8个定位安装孔（5）。弹簧3在车轮滚动的过程中依次复位紧压，起到减震缓冲的作用，使车轮达到更好的避震效果。

示意图如下：

图1为轮毂整体结构示意图。

图2为避震杆外杆与内杆活塞结构示意图。

三、可行性研究及受力分析

为进一步制作出该轮毂，针对本弹性轮毂进行了可行性研究，假设安装本轮毂的车辆行驶在颠簸的路面时，本轮毂各个部件的工作原理如下：外轮毂（2）在外力的作用下，将产生相对于内轮毂（1）向上的运动，此时，位于不同部位的避震内杆（41）将被拉伸或者压缩，弹簧（3）也将被拉伸或者压缩。相应的避震内杆（41）也将产生一定角度的偏移。如图3所示。

四、对结构的要求

通过以上分析可知，制作出的产品，避震杆不但要能被压缩拉伸，还必须能自由地在一定角度范围内转动，为此，避震杆（4）与内轮毂（1）、外轮毂（2）的连接采用铰接（类似转轴，可转动），可以满足一定限度内的自由转动。

由此，将图1和图2的构想完善如下，示意图如图4所示。

五、技术探讨

在制作的过程中，又不断地进行技术探讨——使用8个弹簧减震器，减震器缸体中为双行程弹簧，与普通轮毂比较有如下优势：

（一）由于弹簧减震器具有可伸缩的特点，车轮轴心可沿对顶两减震器（活塞结构）所在直线上下移动。

（二）由于弹簧弹力均与轴心移动方向相反及行程限制，轴心可在适宜范围内移动。

（三）减震器与内轮毂（1）采用螺栓连接的方法，使减震器缸体能够灵活旋转。由此可以实现，既能使轴心移动过程中各个减震器均能施力，且因弹力方向而异，使轴心快速准确回到原位，吸震防颤；又能奇妙化解“死点”问题，使减震效果始终如一，避免意外发生。

（四）在内轮毂轴心以滚珠轴承取代传统自行车上的沙碗轴承，精度高且不易损坏。制成品如图5所示。

六、工作原理及科学依据

（一）减震：车辆遇到颠簸时内轮毂与外轮毂发生相对运动，弹簧弹力F=-kx，由于弹性势能与动能相互转化及弹簧自身的阻尼作用，因而在弹簧作用下内轮毂在某对顶减震缸体连线上做阻尼振动。由能量转化与守恒定律：△EK=△EP+Q即1/2mv²=1/2kx²+Q，因颠簸产生的机械能可在较短时间内转变为内能而耗散，内轮毂能够较快恢复到稳定位置，从而显著减少车辆质心上下位移，起到减震效果。

（二）助力：车辆遇到坑洼地时，内轮毂下降，分别压缩和拉伸对顶弹簧，重力势能转化为弹性势能，形变的对顶弹簧对内轮毂施加朝向车圈圆心的合力，使得弹性势能转化为动能，对车辆驶出坑洼地起到助力效果。