专利名称：车轮状弹簧及其应用方法
技术领域：
本发明涉及到机械上的弹簧，尤其涉及到振动机械上作为主振和隔振的弹簧，一种新的结构及其应用方法。
工业上有一类利用机械振动原理工作的机械，如振动筛机、振动磨机、振动输送机等。目前在此类振动机械当中，为了使其更为节能以及减少机械对支承基础的冲击载荷，而作这样的一种设计，是将其频率特性设计为近共振类型、结构特征设计为双振动质体类型，这类振动机械称为双质体近共振振动机。如广西百色矿山机械厂生产的DZ型振动筛机就属此类型。在此，为了便于说明此类振动机的结构、工作原理及存在的缺陷，以及随后介绍本发明，很有必要先给出以下附图。
图1是现有的双质体近共振振动机械(本图以振动输送机为例)的结构简图。
图2是本发明车轮状弹簧的主视图，其中上半部分剖视。
图3是图2A-A线的剖视图。
图4是已将图1中主振弹簧组、隔振弹簧组置换为车轮状弹簧之后的结构简图。
注图2和图3分别所示的平面直角坐标系X-Y和Y-Z一起构成了以对称中心0点为原点的三维直角坐标系。
双质体近共振振动机械的基本结构如图1所示，由机座7、振动架3、激振器(图1上用其偏心块代替)的偏心块9、工作架1、主振弹簧2、辅振弹簧8、隔振弹簧4、辅隔振弹簧6所组成。其结构特点是，偏心块9有一个旋转平面，此平面确定了其它构件的安装方式和物流方向S，它们的关系是物流方向S，所有的园柱形弹簧的轴线均与上述旋转平面平行；一个主振弹簧2和一个辅振弹簧8构成一组，称为主振弹簧组，一个隔振弹簧4和一个辅隔振弹簧6构成一组，称为隔振弹簧组；一般每台振动机械各安装四个主振弹簧组和四个隔振弹簧组。
双质体近共振振动机的工作原理是电动机带动激振器(以单轴惯性激振器为例)的偏心块9作匀速园周转动，偏心块9产生的离心力作用于振动架3，于是振动架3产生运动轨迹为园形(或椭园形)的平面运动，与此同时振动架3亦通过对每一个主振弹簧组的作用力，使工作架1产生相应运动，那么也就使得紧固于工作架1之上的物料输送板(如果是振动筛机、振动磨机则为筛网箱、磨筒)工作部件实现了工作；振动架3亦通过隔振弹簧组的隔振作用，降低了机械对机座7和地面5的振动冲击载荷。
由于本发明涉及到提供一种新型结构的弹簧，现在仅就现有的振动机械所采用的弹簧的结构、工作特性及其缺陷分述如下一、图1所示振动机，其所采用的是园柱形螺旋金属弹簧(以下简称金属弹簧)或园柱形橡胶弹簧(以下简称橡胶弹簧)。这两种弹簧的刚度是各向异性的，以图1的一个主振弹簧2为例，其铅垂方向的刚度大于水平方向的刚度，那么工作时振动架3和工作架1将很难获得所设计的精确园形平动。作为改善可以水平安装些同类弹簧，如安装了辅振弹簧8。同理，隔振弹簧4亦类同。这种增加辅助弹簧的方法，增加了机械设计、制造的复杂程度，也增加机械日后工作时的调试难度。
二、由于图1所示的振动机，其频率为近共振频率，属于非线性振动系统，要求主振弹簧2的刚度也具有非线性特性。如近低共振系统，要求弹簧刚度具有硬的非线性特性；如近超共振系统，则要求弹簧刚度具有软的非线性特性；以使振动机的振幅稳定也即工作稳定。可是，金属弹簧和橡胶弹簧其刚度是线性，可见采用这两种弹簧并不是很合适的。
三、在设计、制造大型(或重型或激振力很大)的振动机时，要求主振弹簧的刚度具有足够大，而制作单个刚度很大的金属弹簧比较昂贵，一般是采用多个小刚度弹簧并联安装来代替。这样也遇到了上述第一点所提到的增加结构复杂性和调试难度问题。
四、金属弹簧和橡胶弹簧存在着两端头不好与其它部件联接的缺陷。
五、金属弹簧易疲劳破坏、抗过载能力低且噪声大。
为了解决或改善上述缺陷或不足，本发明提供一种结构新型的弹簧，即车轮状弹簧。现结合有关附图，详细介绍其结构、材料及其工作原理和应用方法。
车轮状弹簧如图2和图3所示，主要由轮辋12、轮胎14、外圈10所组成，其中轮辋12中心有一通孔15，四周均布四个小孔17，以便于车轮状弹簧的轮辋12与其它机件进行轴头或法兰定位和联接。轮辋12的外缘为一凹形环槽。
轮胎14的外形由图3所示的一个园形轮郭线，以确定的半径绕Z轴一周所形成，其外缘部分的轮郭线段，称为轮胎工作轮郭线段11。当然轮胎14的轮郭线并不限于园形，它可以是任意可能的形状，如椭圆形、矩形、梯形、多边形等，尤其是其外缘面部位的轮胎工作轮郭线段11还可以是某种曲线或波浪线等。轮胎工作轮郭线段11是指车轮状弹簧在工作时，轮胎14与外圈10所能接触的部分，并无明显界限。
外圈10的内环面在图3的剖面轮郭线称为外圈内轮郭线16，内环面是外圈内轮郭线16以确定的半径，绕Z轴一周所形成。外圈内轮郭线16分为两部分，中间部分称为外圈工作轮郭线段，两边部分称为外圈限位轮郭线段，其实这两部分线段并不一定有明显的分界，当外圈内轮郭线16上任何的点，以Z轴为转轴所形成的直径小于轮胎14最外缘的直径的那些部分，均可构成限位轮郭线段。另外，外圈工作轮郭线段也不限于是一条直线段，它可以是任意可能的曲线段，如园形的、椭圆形的、波浪形的等等。外园10外缘焊接一块联接金属板13，以便于车轮状弹簧与其它机件的联接。
车轮状弹簧的装配关系是外圈10包围于轮胎14之外，靠外圈限位轮郭部分限制，防止外圈10相对轮胎14的脱落；轮辋12凹形环槽与轮胎14内环面接触，靠轮胎14的弹力将两者牢靠地固定在一起，并保证在工作时永不分离。
车轮状弹簧的材料是轮辋12和外圈10一般用金属制成；轮胎14则与汽车、摩托车、自行车的轮胎一样，是橡胶气襄轮胎；其实车轮状弹簧的结构特征，实质上就是一个金属外圈包围着一个车轮。
车轮状弹簧的设计特点一、车轮状弹簧作为主振或隔振弹簧应用于振动机械时，是利用轮辋12与外圈10的相对位移而对轮胎14压缩变形产生弹力来工作的，由于位移可以是三维的，但本发明主要是设计利用轮辋12与外圈10在X-Y坐标平面的位移来工作的，而在坐标Z轴的位移，则仅仅作为防止振动机械短时出现的不稳定和不平衡时产生Z方向位移的限位作用(以下当描述单个车轮状弹簧工作时，其受力方向及位移均指在X-Y坐标平面内，所谓的位移是指轮胎14的对称中心相对外圈10的对称中心的位移，而所谓的受力是指合力，合力的作用线与上述两对称中心连线相重合。)由此也就规定了车轮状弹簧的X-Y坐标平面与偏心块9旋转平面或激振力所在的平面平行。
二、为了适应不同刚度特性的振动机械需要，外圈10和轮胎14的配合关系，规定为三种方式。即当外圈10对称中心点与轮胎14对称中心点重合时，视轮胎14的工作轮郭线段16与外圈工作轮郭线段是否有间隙，以及轮胎14受到外圈10预压缩的情况分为第一种为有间隙且无预压缩；第二种为无间隙且无预压缩；第三种为无间隙且有预压缩。
三、轮胎工作轮郭线段16或外圈工作轮郭线段，它们无论采用何种形状的曲线都应对称于Y轴，并且在工作时两线段最早的接触点在Y轴上。
四、综合上述三点设计特点可知，当车轮状弹簧受外力作用使轮辋12与外圈10开始持续相对位移时，轮胎14与外圈10的接触，随着轮胎14的逐渐变形，使得接触处逐渐由点接触扩大到面接触，或由线接触扩大到面接触，或由小面积接触扩大到大面积接触，当位移达到最大值时(也即外力达到最大值时)，形成的接触面积也达到最大值。另外，由车轮状弹簧的结构我们已经知道，无论受到外力与否，轮辋12与轮胎14始终都保持原有的大面积接触。那么在设计上要保证在日后工作时轮胎14与外圈10所能形成的最大接触面积，要远小于轮辋12与轮胎14的接触面积，使得应变最大的部位在轮胎14的外缘。
五、很显然，就车轮状弹簧的设计和使用来说，不允许在其工作时出现轮胎14与外圈10相对滑动的情况，以防磨损。但由此会出现轮胎14在外圈10内滚动的情况，因此在设计和使用车轮状弹簧时应使轮辋12通过转轴与机架或工作架等联接(即保证轮辋12能相对其它机件转动)，以防滚动产生的扭矩把机件破坏。当然，亦可设计外圈10能相对机架或工作架转动，这从原理上与上述的轮辋12的转动是等效的。
车轮状弹簧的应用原理。
在描述车轮状弹簧的应用原理前，先设定一些参数及其符号，并作一些必要的假设1、车轮状弹簧工作时某瞬时所受的外力为F，其变量为ΔF；2、外圈10和轮辋12在F的作用下，对应于ΔF，其相对位移变量为ΔB；其接触面积变量为ΔS；(注此接触面积及其变量本发明规定为投影面积，此投影面垂直于F的方向)3、设轮胎14是无内胎的具有气压为P(P为常量)的橡胶气襄轮胎，在任何时刻，橡胶材料本身所受拉伸、压缩、剪切等外力作用而产生的应变忽略不计；4、车轮状弹簧的刚度为K。
根据力学原理及有关弹簧刚度的定义。
得ΔF＝ΔS·P(式一)得K=ΔFΔB]]>(式二)则K=P·ΔSΔB]]>(式三)因为P为常量，式三中的ΔS与ΔB的比值大小就反映了车轮状弹簧某瞬时的刚度大小，而ΔS与ΔB比值的变化规律就反映车轮状弹簧刚度的特性，如线性或非线性、软的或硬的特性。这就是车轮状弹簧最基本的应用原理。
车轮状弹簧的刚度大小及刚度特性取决于ΔS与ΔB这二个参数，而这两个参数之间亦存在着复杂的函数关系，其函数关系还涉及以下参数外圈工作轮郭线段的形状、轮胎工作轮郭线段11的形状、轮胎14的外径和宽度(Z轴方向)等。如果将这些参数随意组合，可获得无限多种不同刚度大小和刚度特性的车轮状弹簧。实际上可以从中挑几种典型组合来应用。经本发明人简略计算发现当外圈10的外圈工作轮郭线段和轮胎14的轮胎工作轮郭线段11分别为1、一直线段和一直线段时，则车轮状弹簧具有软的非线性刚度特性；2、一直线段和一段园弧时，则车轮状弹簧具有近似的线性刚度特性；
3、一段园弧和一段园弧时，则车轮状弹簧具有硬的非线性刚度特性。
当然，在实际工程应用上还要考虑到轮胎14是何种材料和具体的空间结构等许多参数，要获得特定的精度合适的刚度特性曲线，依靠实验来获取也是可行的。另外，由上述式三可知车轮状弹簧的刚度大小还可以通过气压P的大小来调整，这是车轮状弹簧在安装使用过程中的重要调试手段。这种可变刚度大小的特性是金属弹簧和橡胶弹簧所不具有的。
计设、制造重载荷、大刚度、大振幅的车轮状弹簧还可以通过增大轮胎14的直径和宽度和轮胎气压而较易获得。
综上所述，本发明的车轮状弹簧具有刚度大小可调、刚度特性任选，尤其是其园形对称(Y-X坐标系)的结构，使其无论是刚度大小和刚度软硬特性都各向均一；由于外圈10有很大的富余面积，使车轮状弹簧具有极强的抗过载荷能力。
本发明的车轮状弹簧，其轮胎14的结构和材料并不限于橡胶气襄胎，也可以是实心橡胶胎，其橡胶可以是泡沫橡胶和非泡沫橡胶。这种实心橡胶的车轮状弹簧，除了其刚度的特性和大小，在设计计算上略为复杂以及使用后不好调整之外，其余性能与橡胶气襄胎的车轮状弹簧基本一样，但上述式三中常数P则成为橡胶材料的弹性模量、应变量等变量的函数。
目前国内已在用的振动机械，其采用的一些振动参数是，振幅；一般为3毫米，最大为20毫米，频率；一般为15HZ，最大为50HZ，重量；轻中型为5吨以下，重型为10吨左右。根据这些参数，经本发明人粗略计算，轮胎14直径小于1200毫米、宽度小于300毫米、轮胎气压小于1Mpa的车轮状弹簧，就可完全胜任从重型至轻型的振动机械的使用。
图4是将本发明应用于双质体近其振振动机械的实施例的经构简图，图4中每一个用车轮状弹簧而作为的主振弹簧18和隔振弹簧19，分别代替图1中每一个主、隔振弹簧组，每个车轮状弹簧的轮辋通过轴板架20与振动机械其它部件联接。
本发明的车轮状弹簧不仅限于振动机械上采用，它也可以作其它机械或设施的隔振和减振之用。
附图3是说明书摘要附图。
权利要求
1.一种用于振动机械上作为主振和隔振的车轮状弹簧。该弹簧主要由轮辋(12)、轮胎(14)组成，其特征是还有一个园形外圈(10)包围在轮胎(14)的外缘面上。
2.根据权利要求1所述的外圈(10)，其特征在于外圈(10)的外圈内轮郭线(16)，分为外圈工作轮郭线段和外圈限位轮郭线段。
3.根据权利要求1和2所述的外圈(10)，其特征在于外圈(10)的外缘焊接有一块联接金属板(13)。
4.根据权利要求1所述的车轮状弹簧其特征还在于，轮胎(14)与外圈(10)的配合关系，视外圈工作轮郭线段与轮胎工作轮郭线段(11)有无间隙和轮胎(14)是否受预压缩的情况，而分为三种配合关系第一种为有间隙，且无预压缩，第二种为无间隙且无预压缩，第三种为无间隙且有预压缩。
5.一种将权利要求1所述的车轮状弹簧用于振动机械上的应用方法，其特征是a、车轮状弹簧的X-Y坐标平面与偏心块(9)旋转平面或激振力所在的平面平行；b、车轮状弹簧工作时，轮胎(14)与外圈(10)可相互转动；c、车轮状弹簧的刚度大小及特性主要是K=P·ΔSΔB]]>(式三)d、轮辋(12)和外圈(10)分别任意地与工作架(1)、振动架(3)联接作为主振弹簧用，而分别任意地与振动架(3)、机座(7)联接作为隔振弹簧用。
全文摘要
本发明公开一种用于振动机械上作为主振和隔振的车轮状弹簧，包括其结构和应用方法。车轮状弹簧由外圈(10)、轮胎(14)、轮辋(12)组成。利用工作时外圈(10)相对轮辋(12)的位移对轮胎(14)压缩，而主要使得轮胎(14)在与外圈(10)的接触部位发生应变。根据由此应变产生的弹力的大小与相应的位移关系，可使得车轮状弹簧在设计和使用上具有许多关于刚度特性的选择余地，如刚度的大小、线性或非线性、软硬特性的选择，特别是重载荷大刚度的选择。
文档编号B06B1/10GK1940335SQ20051010777
公开日2007年4月4日 申请日期2005年9月28日 优先权日2005年9月28日
发明者浦强 申请人:浦强