CN101448650A - 用于非充气组件的可变刚度辐条 - Google Patents

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Abstract

此处所描述的本发明提供一种具有可变刚度辐条组件的非充气可变形结构，该可变刚度辐条组件提供一种调节垂直刚度的方法。所述结构包括具有预定刚度的外环状带，具有外端和内端的一组辐条元件，其中外端连接至外带，所述辐条元件向内延伸并且具有其连接至轮毂的内端，所述轮毂配置为使得该结构与车辆轴或能够绕轴线旋转的其它设备相连。每一个辐条元件均具有大于一直线段的长度的曲线长度，所述直线段从辐条元件的外端与外环状带的连接点延伸至辐条元件的内端至轮毂的连接点。所述辐条元件的外端与所述直线段相切，并且所述辐条元件的内端与所述直线段相切。

Description

用于非充气组件的可变刚度辐条
背景技术
[0001]在滚动条件下在负载的支撑中使用的非充气可变形结构，例如支撑机动车辆的负载，已经例如在美国专利第7,201,194号中描述，其通常为本发明的受让人所拥有。其中公开的结构支撑非充气轮胎包括支撑负载的增强环状带以及在环状带和车轮或轮毂之间以张紧状态传递负载力的多个辐板辐条(web spoke)。所述轮胎完全通过结构性质支撑其负载，且与充气轮胎中的机构相反，其没有来自内部空气压力的支撑。
[0002]此处在图1中所示的例示性结构中，辐条显示为径向定向的元件，其随后或多或少横穿非充气可变形结构的宽度而延伸。所述结构作为“顶部负载”结构意味着靠着固定轮毂从地面施加的垂直负载由辐条中的张力所抵抗，所述辐条通常在该区域的外侧，在所述区域中带与负载表面接触。在后述区域中辐条承载很少负载或者不承载负载，如图1中所示，其中这些辐条已经承受了翘曲变形。
[0003]非充气可变形结构的设计特征是其垂直刚度。在这里的上下文中，垂直刚度是垂直力的增量，其对于轮毂保持固定时地面的向上的垂直挠度(deflection)或位移的每一增量而产生。根据承载应用的最终使用载荷，可能需要具有一种具有更高初始垂直刚度的结构。这种情形的例子是存在高静负载的应用，例如重型施工装备的一部分。在这种情况下，高刚度限制了静垂直挠度。另一方面，其它应用可能从低初始刚度中获益。这种应用的例子是手推货车，其中设备需要在轻微负载时容易滚过障碍物。控制非充气可变形结构的垂直刚度的一个方法是调节外带的机械性质和尺寸。然而，这也影响外带和负载表面之间的平均接触压力，其对于具体应用来说是重要的总体设计标准。
发明内容
[0004]此处所描述的本发明提供一种具有可变刚度辐条组件的非充气可变形结构，该可变刚度辐条组件提供一种调节垂直刚度的方法。本发明的另一优点是减少可能在辐条端部出现的应力集中。
[0005]非充气可变形结构包括具有预定刚度的外环状带，具有外端和内端的一组辐条元件，其中外端连接至外带，所述辐条元件向内延伸并且具有其连接至轮毂的内端，所述轮毂配置为使得该结构与车辆轴或能够绕轴线旋转的其它设备相连。每一个辐条元件均具有大于一直线段的长度的曲线长度，所述直线段从辐条元件的外端与外环状带的连接点延伸至辐条元件的内端至轮毂的连接点。所述辐条元件的外端与所述直线段相切，并且所述辐条元件的内端与所述直线段相切。
[0006]在本发明的变体形式中，当从横截面观察时，辐条元件包括至少两个凹段以及至少一个凸段。
[0007]在另一变体形式中，凹段和凸段在其交叉点处彼此相切。
[0008]在此处具体描述的例示性实施例中，凹段和凸段每一个都形成圆弧段。
[0009]参考随后的描述以及所附权利要求，本发明的这些以及其它特征、方面和优点将得到更好的理解。合并进来并且构成本说明书一部分的附图描述了本发明的实施例，附图和描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
[0010]图1是非充气可变形结构100的横截面或者侧视图，描述了下方辐条元件的动作以及来自所施加的垂直力的向上挠度。
[0011]图2是非充气可变形结构100的详细视图，描述了辐条元件的过剩长度(excess length)。
[0012]图3a是显示对于具有三种水平的过剩长度的例示性辐条元件来说作为施加的垂直位移(单位mm)的函数的垂直负载(十牛顿，daN)的图表。
[0013]图3b是显示对于具有三种水平的过剩长度的例示性辐条元件来说作为施加的垂直位移(mm)的函数的垂直刚度(daN/mm)的图表。
[0014]图4a是通过向上挠度负载时非充气可变形结构100的示意图。
[0015]图4b是与图4a的矩形轮廓相对应的描述应力集中的详细视图。
[0016]图5是部分非充气可变形结构200的横截面或者侧视图，描述了反曲(recurved)辐条元件的应用。
[0017]图6a是通过向上挠度负载时非充气可变形结构200的示意图。
[0018]图6b是与图6a的矩形轮廓相对应的描述减少的应力集中的详细视图。
[0019]图7是显示两个凹段和一个凸段的反曲辐条元件的几何限定。
[0020]图8是显示作为所施加的垂直位移(mm)的函数的垂直负载(daN)的图表，将非充气可变形结构100与具有反曲辐条元件的非充气可变形结构200比较，并且包括具有零过剩长度的参考。
具体实施方式
[0021]图1是非充气可变形结构100的例子。该结构包括具有预定刚度的外带110。一组辐条状元件120将带110连接至轮毂130。然后轮毂130可以与车辆轴或能够绕轴线旋转的其它设备相连。带的刚度可以通过单层或者多层的不同类型的增强件获得。美国专利第7,013,939号和第6,769,465号提供了合适的带构造的例子以及设计信息，以获得需要的负载承载能力。图1描述了在轮毂130被保持为在垂直方向不可移动的条件下将垂直负载FZ施加至非充气结构100。外带110与地面接触的部分承受向上的垂直位移Δ。图3a是对于三种水平的过剩长度EL(在下文中描述)来说力FZ(单位daN)与垂直位移德尔塔(delta)的关系的图表表现。图3b是垂直刚度(单位daN/mm)与垂直位移Δ的关系的图表表现。对于给定的位移，垂直刚度是力对于位移曲线的斜率。
[0022]所提出的用以控制非充气可变形结构的垂直刚度的方法将改变辐条过剩长度EL，该过剩长度EL定义如下并且在图2中描述，
过剩长度＝[(L1/L0)]*100%
i.其中L0和L1定义如下并且在图2中描述，
ii.L0是辐条端部之间的距离。
iii.L1是曲线辐条长度。
[0023]对于除了辐条过剩长度EL以外在材料和增强件的所有方面具有相同设计规格的三种不同非充气可变形结构进行了分析。对于该分析，辐条元件120的定向使得其端部连接点落到径向线上，然而图2中所示的辐条元件120的定向使得其端部连接点落到相对于径向方向成一定角度的线上。对于辐条过剩长度EL通过上述限定，任一配置都是允许的。
[0024]开发了一种使用市场上可获得的软件的有限元仿真模型，以评估变化的辐条过剩长度EL在非充气可变形结构100的垂直刚度上的效果。该模型是一种二维仿真，其对应于贯穿其横向宽度具有均匀行为的非充气可变形结构100。该二维仿真是对实际的三维非充气可变形结构100的行为的良好的近似。该三维结构的例子在美国专利第7,013,939号中展示。该模型的输出是非充气可变形结构100的每单位宽度的垂直力。
[0025]对于这个模型，非充气可变形结构100包括具有300mm外径的环状外带110，通过辐条元件120连接至具有150mm直径的轮毂130。带110为大约9mm厚，并且进一步包括两个同心增强圈115和116，其分别嵌入带110中并且径向间隔7mm。每个圈115或116包括如同用于轮胎带束(tire belt)材料并且在圈中的缆绳之间具有1.8mm横向间隔的4×0.26mm钢缆的圆周定向的绕组。对于在有限元模型中的使用，圈的有效圆周拉伸刚度转换为每单位宽度的刚度，或者有效地转换为拉伸模量。在非充气可变形结构的模制过程中，圈中缆绳的间隔也使得材料能够流动。该配置在具有大约7mm厚度的两个圈之间产生了环状中间层118。在图2中所示的视图中，非充气结构100具有2.5mm厚的二十个辐条元件120。轮毂的外径为150mm。根据标号B836 VIBRATHANE，非充气可变形结构100模制为来自由Chemtura供给的聚氨基甲酸酯的一个单元。
[0026]将具有单曲率辐条元件的三种非充气可变形结构100分别制成模型，所述单曲率辐条元件具有(a)0.98％、(b)8.59％以及(c)22.9％的过剩辐条长度EL。预测垂直力(每单位结构宽度)与这三种结构的挠度的关系在图3a中显示。预测垂直刚度(每单位结构宽度)与这三种结构的挠度的曲线在图3b中显示。出于参考，具有零过剩长度的非充气可变形结构在图8中显示作为“参考”。通过改变辐条过剩长度，垂直力与挠度的关系被显著地更改了。当具有0.98％过剩辐条长度的设计与参考结构比较时，可以看出在超过15mm的位移处垂直负载减少了大约10％。然而，对于两种设计来说，超过15mm的挠度的垂直刚度保持为相当的。
[0027]对于三种水平的过剩辐条长度，在比较垂直刚度的变化时发现一个意料之外的结果。图3b提供了三种单曲率设计的垂直刚度的比较。设计(a)对于小于大约5mm的挠度具有高初始刚度，此后接近相对恒定的值，在超过15mm的挠度处为0.08daN/mm的量级。设计(b)贯穿挠度的范围具有相对恒定的刚度，设计(c)具有逐渐接近与设计(a)相同的刚度值的低初始刚度。根据使用的类型，这个结果是有利的。对于具有高静负载的重型装备应用，需要高初始刚度以限制非充气可变形结构的静挠度，同时在装备的操作过程中保持较少的刚性响应。另一方面，对于其它应用，当设备承载小负载的时候需要低初始刚度。在这种情况下，低刚度有利于滚过障碍物，但当施加较高的负载以限制非充气可变形结构的总体挠度的时候会产生较高的刚度。
[0028]通过增加的辐条过剩长度管理应力分布：在图4a中显示了具有22.9％过剩辐条长度EL的设计(c)的单曲率辐条元件的变形形状。图4b提供了突出显示的矩形的内部的区域的细节，该矩形显示了辐条端部和外带110之间的交叉。对于具有零过剩长度的径向辐条元件，该交叉是垂直的。随着辐条过剩长度EL的增加，辐条和外带之间的交叉角度减小。在辐条元件120和轮毂130的交叉处产生相同的效果。这在辐条连接至带110以及连接至轮毂130的区域导致应力集中。
[0029]开发了一种替代性的、改进的设计以减少应力集中。可变形非充气结构200的这种改进的设计具有一种辐条轮廓，其中使得辐条元件220和带210(或者轮毂230，未示出但相当于图1的轮毂130)之间的连接角度更加接近与辐条本身中产生的总体拉伸应力对齐。这是通过对于具有三种主要曲率(两个凸和一个凹)的辐条元件220采用反曲轮廓而实现的，这种设计在图5中显示并且在图7中具体显示。使用术语“凹”和“凸”以便于表示辐条元件220的曲率的正或负的指向(sense)。从几何上说，如图7中所示，反曲辐条元件220由曲率半径R1、R2和R3基本相等的三个弧构成，其彼此相切并且也与将所需辐条元件端部连接点连接至带210并且连接至轮毂230的线相切。三个曲率半径R1、R2和R3不一定相等。连接端部连接点(在图7中通过小圆圈显示)的线可以遵循径向方向，或者相对于径向方向具有一个角度。
[0030]如图6a中所示的具有反曲辐条元件220的三种非充气可变形结构200通过模型进行仿真。为了更好地说明反曲设计的优点，三种设计中的每一种的过剩长度EL的量在模型中进行调节，以产生与之前在图3a和图3b中显示的单曲率结构100相同的垂直刚度。例如，与单曲率设计的22.9％过剩辐条长度相比较，反曲辐条元件220仅仅需要14％的过剩辐条长度以获得近似相等的垂直刚度。在图8中显示了六种设计(三种单曲率结构100以及三种反曲结构200)的垂直负载与挠度的关系，其中图例“初始设计”对应于结构100，图例“新设计”对应于具有反曲辐条元件220的结构200，且图例“参考”对应于具有零过剩长度EL的辐条元件。对于反曲辐条设计，图6b显示了辐条元件220与带210的交叉处应力集中区域的细节。在单曲率辐条元件120中(参见图2)，峰值应力为0.733daN/mm2而反曲辐条元件220在相同的位置具有0.472daN/mm2的峰值应力，减小了36％。下面的表1显示了单曲率和反曲辐条设计的比较。在每一种情况中，反曲辐条元件220(表中一行之中)显示出比单曲率辐条元件120更低的主应力。
表1：辐条元件过剩长度和最大主应力
Figure A200780018174D00091
[0031]由于反曲设计用过剩辐条长度的减小的量以及辐条连接点处减小的主应力获得了对于初始和最终垂直刚度的相同调节，可以说反曲设计是更加有效的设计。公开的设计原理已经处于非充气可变形结构200的实践中，用于与12R16.5充气轮胎和车轮相对应的滑动转向应用，以及用于与10x3充气轮胎和车轮相对应的手推货车应用。
[0032]申请人理解的是，对于阅读上述说明书以后的本领域普通技术人员来说，很多其它变化形式都是显而易见的。这些变化形式以及其它变化形式处于如随后所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内。

Claims (7)

1、一种非充气可变形结构，包括具有预定刚度的外环状带，具有外端和内端的一组辐条元件，所述外端连接至外带，所述辐条元件向内延伸并且所述内端连接至内轮毂，所述轮毂配置为使得该结构与车辆轴或能够绕轴线旋转的其它设备相连；每一个所述辐条元件均具有大于一直线段的长度的曲线长度，所述直线段从所述辐条元件的所述外端与外环状带的连接点延伸至所述辐条元件的所述内端至内轮毂的连接点，并且其中所述辐条元件的所述外端与所述直线段相切，并且所述辐条元件的所述内端与所述直线段相切。
2、根据权利要求1所述的可变形结构，其中所述辐条元件的横截面包括至少两个凹段以及至少一个凸段。
3、根据权利要求2所述的可变形结构，其中所述凹段和所述凸段在其交叉点处彼此相切。
4、根据权利要求3所述的可变形结构，其中所述凹段和所述凸段每一个都形成具有曲率半径的圆弧段。
5、根据权利要求4所述的可变形结构，其中所述凸和凹段的每一个的所述曲率半径彼此相等。
6、根据权利要求1所述的可变形结构，其中所述辐条元件的曲线长度和所述直线段的长度的差异限定出辐条过剩长度，并且其中所述过剩长度可以改变以获得所述可变形结构的垂直负载与挠度刚度的关系的预定水平。
7、根据权利要求6所述的可变形结构，其中所述过剩长度大于或等于大约0.5％并且小于或等于大约15％。
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