薛涵方

（山東省青島第五十八中學(xué)，山東 青島 266100）

一種彈性輪轂

薛涵方

（山東省青島第五十八中學(xué)，山東 青島 266100）

為適應(yīng)特殊情況的需要，提高輪轂的彈力和避震性，對現(xiàn)有輪轂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了顛覆性地創(chuàng)新，將內(nèi)輪轂與外輪轂用彈簧避震器相連，由于彈簧避震器具有可伸縮的特點(diǎn)，內(nèi)輪轂可以沿對頂?shù)膬蓚€避震器進(jìn)行上下移動，另由于彈簧彈力均與軸心移動方向相反及行程限制，軸心可在適宜范圍內(nèi)移動，據(jù)此顯著提高車輪彈性并能改善其舒適性。

輪轂；避震器；彈性

一、創(chuàng)意背景

本人為山地車愛好者，酷愛自行車速降運(yùn)動，騎行過程中常需要跳躍動作，而輪胎良好的彈性是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量跳躍的有力保障。隨著技術(shù)水平的提高，對于輪轂的彈力和避震性也會有更高的要求，由此希望能顯著提高輪胎彈性并提高其舒適性。

背景技術(shù)：

輪轂又叫輪圈、轱轆、胎鈴，是輪胎內(nèi)廓支撐輪胎的圓桶形的、中心裝在軸上的金屬部件。輪轂根據(jù)直徑、寬度、成型方式、材料不同種類繁多。不同種類的輪轂廣泛應(yīng)用于汽車和自行車領(lǐng)域。

如今，隨著生活水平的提高，我國汽車數(shù)量也直線上升，汽車行駛時，常因路況不好而使得汽車顛簸，有時甚至導(dǎo)致車禍的發(fā)生。因此，設(shè)計一種避震效果比較好，結(jié)構(gòu)簡單、能較好地起到復(fù)位減震作用，保障人們行駛或騎行安全的彈性輪轂是當(dāng)務(wù)之急。

二、構(gòu)想內(nèi)容

本設(shè)計為實(shí)現(xiàn)上述目的采用的技術(shù)方案是：一種彈性輪轂。其包括外輪轂、內(nèi)輪轂。外輪轂與內(nèi)輪轂之間通過均勻分布的8組活塞結(jié)構(gòu)（分別由避震桿和彈簧組成）連接。避震桿固定于外輪轂上，具有調(diào)節(jié)避震的性能，由外桿、內(nèi)桿組成，其中外桿由碳纖維材料制成，為梯形圓柱體，具有強(qiáng)度高、重量輕、耐壓力的特性；彈簧固定于內(nèi)輪轂上，套于避震桿內(nèi)桿上并與外桿相連構(gòu)成活塞結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

彈性輪轂的具體結(jié)構(gòu)部件及其作用：外輪轂（2）與內(nèi)輪轂（1）之間通過均勻分布的八組由避震桿（4）和彈簧（3）組成的活塞結(jié)構(gòu)連接，避震桿（4）固定于外輪轂上，避震桿由外桿（42）、內(nèi)桿（41）組成，避震桿外桿（42）為梯形圓柱體結(jié)構(gòu)，彈簧（3）固定于內(nèi)輪轂（1）上、套于避震桿內(nèi)桿（41）外并與避震桿外桿（42）相連接，避震桿外桿（42）與內(nèi)桿（41）構(gòu)成活塞結(jié)構(gòu)，內(nèi)輪轂中心鉆有8個定位安裝孔（5）。彈簧3在車輪滾動的過程中依次復(fù)位緊壓，起到減震緩沖的作用，使車輪達(dá)到更好的避震效果。

示意圖如下：

圖1為輪轂整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為避震桿外桿與內(nèi)桿活塞結(jié)構(gòu)示意圖。

三、可行性研究及受力分析

為進(jìn)一步制作出該輪轂，針對本彈性輪轂進(jìn)行了可行性研究，假設(shè)安裝本輪轂的車輛行駛在顛簸的路面時，本輪轂各個部件的工作原理如下：外輪轂（2）在外力的作用下，將產(chǎn)生相對于內(nèi)輪轂（1）向上的運(yùn)動，此時，位于不同部位的避震內(nèi)桿（41）將被拉伸或者壓縮，彈簧（3）也將被拉伸或者壓縮。相應(yīng)的避震內(nèi)桿（41）也將產(chǎn)生一定角度的偏移。如圖3所示。

四、對結(jié)構(gòu)的要求

通過以上分析可知，制作出的產(chǎn)品，避震桿不但要能被壓縮拉伸，還必須能自由地在一定角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，為此，避震桿（4）與內(nèi)輪轂（1）、外輪轂（2）的連接采用鉸接（類似轉(zhuǎn)軸，可轉(zhuǎn)動），可以滿足一定限度內(nèi)的自由轉(zhuǎn)動。

由此，將圖1和圖2的構(gòu)想完善如下，示意圖如圖4所示。

五、技術(shù)探討

在制作的過程中，又不斷地進(jìn)行技術(shù)探討——使用8個彈簧減震器，減震器缸體中為雙行程彈簧，與普通輪轂比較有如下優(yōu)勢：

（一）由于彈簧減震器具有可伸縮的特點(diǎn)，車輪軸心可沿對頂兩減震器（活塞結(jié)構(gòu)）所在直線上下移動。

（二）由于彈簧彈力均與軸心移動方向相反及行程限制，軸心可在適宜范圍內(nèi)移動。

（三）減震器與內(nèi)輪轂（1）采用螺栓連接的方法，使減震器缸體能夠靈活旋轉(zhuǎn)。由此可以實(shí)現(xiàn)，既能使軸心移動過程中各個減震器均能施力，且因彈力方向而異，使軸心快速準(zhǔn)確回到原位，吸震防顫；又能奇妙化解“死點(diǎn)”問題，使減震效果始終如一，避免意外發(fā)生。

（四）在內(nèi)輪轂軸心以滾珠軸承取代傳統(tǒng)自行車上的沙碗軸承，精度高且不易損壞。制成品如圖5所示。

六、工作原理及科學(xué)依據(jù)

（一）減震：車輛遇到顛簸時內(nèi)輪轂與外輪轂發(fā)生相對運(yùn)動，彈簧彈力F=-kx，由于彈性勢能與動能相互轉(zhuǎn)化及彈簧自身的阻尼作用，因而在彈簧作用下內(nèi)輪轂在某對頂減震缸體連線上做阻尼振動。由能量轉(zhuǎn)化與守恒定律：△EK=△EP+Q即1/2mv2=1/2kx2+Q，因顛簸產(chǎn)生的機(jī)械能可在較短時間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能而耗散，內(nèi)輪轂?zāi)軌蜉^快恢復(fù)到穩(wěn)定位置，從而顯著減少車輛質(zhì)心上下位移，起到減震效果。

（二）助力：車輛遇到坑洼地時，內(nèi)輪轂下降，分別壓縮和拉伸對頂彈簧，重力勢能轉(zhuǎn)化為彈性勢能，形變的對頂彈簧對內(nèi)輪轂施加朝向車圈圓心的合力，使得彈性勢能轉(zhuǎn)化為動能，對車輛駛出坑洼地起到助力效果。

七、創(chuàng)新點(diǎn)

（一）結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：此項(xiàng)目以彈性結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)剛性結(jié)構(gòu)，外輪轂與內(nèi)輪轂通過均勻分布的8組彈簧減震器鉸接。減震器外桿與內(nèi)桿構(gòu)成活塞結(jié)構(gòu)。

（二）實(shí)用性創(chuàng)新：

（1）低成本、高效能，增大車輪彈跳性能。

（2）大幅度提高了車輛在凹凸不平的特殊地貌的通過能力。

（3）如若車輛采用本創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，可增加舒適性。

（4）特殊情況下車輛及有關(guān)裝置避險，提高安全性能。

八、推廣應(yīng)用

（一）此輪轂可應(yīng)用于山地自行車，提高其越野性能；用于特技小輪車，有助于車手完成高難度花式動作。

（二）可推廣應(yīng)用于農(nóng)林機(jī)械，越野車輛，救援、作戰(zhàn)用車輛或機(jī)器人，提高特殊地貌下的通過能力。

（三）摩天輪：利用其減震性能減少振動。

（四）傳送裝置：利用彈簧可變形性提高異形物輸送安全性。

（五）可應(yīng)用于惡劣環(huán)境下無輪胎特種車輛。比如，火災(zāi)、爆炸現(xiàn)場，戰(zhàn)場及尖銳物多的場所。如果研制一種以此輪轂進(jìn)行移動的消防機(jī)器人，替代消防員深入火海，可有效降低人員傷亡。

［1］長春阿龍.折疊車維修改裝DIY［M］.北京：中國輕工業(yè)出版社，2013.

［2］自行車組裝教材編寫組.自行車組裝基本技能［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2012.

［3］關(guān)文達(dá).汽車構(gòu)造（第2版）［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009.

［4］聞邦椿.機(jī)械設(shè)計手冊單行本：連接、緊固與彈簧［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

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