车轮胎圈锁止器设计的制作方法

1.本发明涉及将轮胎固定至车轮的整体领域。更具体地说，本发明涉及一种具有旋转球座的螺栓，在螺栓向着车轮紧固钢圈（a bead ring）的同时该螺栓使带有拉长孔的钢圈能绕螺栓枢转，以将轮胎有效固定至车轮。本发明还涉及一种在车辆加速或减速时防止轮胎从车轮的内轮辋向内移动和不绕车轮滑落（slipping）的方法。
2.发明简要说明：在一个实施方式中，本发明包含改良螺栓和钢圈，它们进而形成一种改良的夹紧机构，以将轮胎固定在钢圈和车轮中间。钢圈包括制造在其中的钢圈球座，钢圈球座具有拉长向导孔。螺栓具有头、球座、螺纹和螺栓向导。螺纹与车轮上的螺纹部啮合。螺纹可以具有任意直径和每英寸螺纹密度。球座螺栓位于钢圈球座中，使钢圈能随着螺栓螺纹与车轮中的螺纹部啮合而枢转，从而向车轮拉动钢圈，以将轮胎胎圈固定在车轮和钢圈中间。随着钢圈通过螺栓的旋转被向下压到车轮上，钢圈最终与车轮上的枢轴点接触，这时钢圈的外缘与轮胎胎圈芯发生杠杆作用，向下压轮胎胎圈，向着车轮将其锁在适当位置。因为钢圈可在球座和拉长向导孔中绕螺栓枢转，所以螺栓不像在现有技术中一样受压。
3.在另一个实施方式中，车轮的轮筒（barrel）还具有防止轮胎脱离车轮的胎圈座的改良安全胎圈。安全胎圈和车轮外缘之间的区域（轮胎胎圈座区域）接受已测量的（ra【roughness average，平均粗糙度】）表面粗糙度处理（finish）过程，来实现橡胶对铝的最大系数，防止车轮随着轮胎转数快速提高或降低（赛车时经常发生）而在轮胎内侧旋转地滑落。
4.在第三实施方式中，本发明提供一种垫圈，其具有将附接至钢圈的球座。很明显附接方式要非常牢固，所以将垫圈焊接在现存车轮中的现存向导孔周围是本发明的优选实施方式。因为垫圈具有球座，所以本发明中比较充分描述的螺栓之一可用于将钢圈绕枢轴朝车轮固定到轮胎胎圈芯上。


背景技术：

5.问题声明：轮胎的开口边缘被称为轮胎胎圈，而轮胎胎圈中间部分被称为轮胎胎圈芯。轮胎胎圈芯一般由金属或一些其他不可压缩的材料制成。随着轮胎磨损，需要更换轮胎。为了将新轮胎有效密封在车轮上，需要用几根螺栓将轮胎胎圈芯夹紧在车轮和钢圈中间。上述螺栓通过钢圈中的向导孔延伸，具有与车轮中的螺纹部啮合的螺纹。因为螺栓需要用足够压力将轮胎胎圈芯夹紧在钢圈和车轮中间，所以螺栓要能经受住相当大的压力，才能让空气不从轮胎外泄。
6.随着钢圈被紧固在车轮上，由于钢圈和车轮之间的角度不总是平行的，这一般被称为结合面倾斜度，即使最小的倾斜度错误都可以造成螺栓疲劳寿命的灾难性影响，所以螺栓要承受大量压力。螺栓头尤其是这样，其经常在至少部分过程中以一定角度按压钢圈，使得只有部分螺栓头接触钢圈。这一问题在赛车或越野轮胎安装等领域中尤其严重，这种情况下时间至关重要，工人不会花时间担心他们可能会向螺栓头施加的压力。面临的一个问题是在螺栓断裂时的轮胎安装中，螺栓头不再在钢圈和车轮之间持续压缩轮胎胎圈芯，
因此可能会漏气进而轮胎变平，或者车轮的不对称可能导致其他螺栓破损，使轮胎从车轮完全掉落。当这发生在赛车上时，对该车驾驶员或任何附近的驾驶员来说都可能是灾难性的。
7.汽车车主（尤其是赛车驾驶员）面对的另一个问题是，当轮胎在低压强情况下快速运转时，有两种可能会导致灾难性轮胎故障的倾向。首先，支撑轮胎的轮胎胎圈倚靠车轮的压强非常小，这时轮胎很容易从车轮的内轮辋向内移动，使胎圈掉落。这可导致轮胎迅速放气或严重的轮胎失衡，带来轮胎故障。第二，驾驶员迅速加速或减速车辆时，低压强轮胎有在车轮上“转体”的倾向，这会使轮胎和车轮不再以一个整体旋转，这是因为没有什么能再将轮胎封锁至车轮的轮筒和内轮辋了。这种双重旋转可能给轮胎的侧壁带来无法接受的压力量，导致轮胎侧壁构造的灾难性故障。
8.现有技术有几个尝试解决这些问题的示例。例如，用非枢转螺栓将钢圈向下固定到车轮上，该非枢转螺栓没有用于附加杠杆作用的枢轴点。另一示例记录在rider等人的美国专利第9481205号中，该专利说明了具有螺纹双头螺栓的设备，而不是传统的螺栓。但该设备既没有解决非枢转螺栓的压力源问题，也没有提供本发明教导的钢圈和车轮之间的杠杆作用的附加益处。
9.因此，需要一种将轮胎胎圈固定在钢圈和车轮中间的更优装置，其应防止轮胎胎圈从车轮胎圈座向内移动或绕车轮旋转转动。


技术实现要素：

10.为解决上述问题，本发明提供一种方案，其利用钢圈可绕其枢转的螺栓和可利用其产生杠杆作用的车轮上的支轴，来实现钢圈和车轮之间在轮胎胎圈上的优越密封。钢圈被制造为具有数个钢圈孔，其中每个钢圈孔具有钢圈座和扩大向导孔，扩大向导孔使钢圈能绕正在被紧固的螺栓枢转。螺栓具有头、球座、螺纹部或螺纹，以及螺栓向导。球座与钢圈座匹配，钢圈中的向导孔被拉长为比螺栓的螺纹部直径更长，使钢圈能随着螺栓螺纹与车轮中的螺纹啮合而在螺栓两侧枢转几度，防止钢圈穿过（ threading），向车轮拉动钢圈。随着钢圈紧固至车轮，钢圈最终与车轮上的支轴接触，这时钢圈的外缘与轮胎胎圈芯发生杠杆作用，被向下压到轮胎胎圈，向着车轮被锁在适当位置。因为钢圈在拉长向导孔中可绕螺栓枢转，所以螺栓不像现有技术中一样受结合面倾斜或穿过（ threading）的压力，由此提供了轮胎至车轮的更稳固附接。
11.本发明此外包含安全胎圈，其位于车轮轮筒，靠近内轮辋。安全胎圈防止轮胎向车轮中心移动，这是在低压强轮胎中尤其严重的问题，如短程泥路跑车和短程高速赛车。在安全胎圈和内轮辋之间设置可测量的表面（ra）处理，以最大化橡胶对铝的摩擦系数，防止轮胎随着汽车加速或减速而绕车轮旋转地滑落。
12.因此本发明的一个目标就是提供可将轮胎附接至车轮的优越机构。
13.本发明的另一个目标是提供带有钢圈座和拉长向导孔的钢圈，钢圈座和拉长向导孔使钢圈能随着其被旋进车轮而绕螺栓枢转。
14.本发明的另外一个目标是提供带有支轴的车轮，钢圈可与支轴进行杠杆作用。
15.本发明的另一个目标是提供一种将轮胎固定至车轮的优越方法，上述轮胎包括赛车、越野车和飞机机轮中使用的轮胎。
16.本发明的另一个目标是提供“安全胎圈”，其位于车轮轮筒，靠近内轮辋，用于防止轮胎向车轮中心移动，这是在低压强轮胎中尤其严重的问题。
17.本发明的另一个目标是提供安全胎圈和车轮胎圈座之间的表面（已测量ra（measured ra））处理的最大化摩擦系数，来防止随着汽车加速或减速轮胎旋转滑落。
18.本发明的最终目标是提供带有球座的螺栓，其中该球座可以与钢圈座匹配，以使得钢圈能随着其被旋进车轮中的螺纹螺栓孔而通过拉长向导孔绕螺栓枢转，防止结合面倾斜和穿过。
19.现已宽泛概述了本发明的比较重要的特征，便于更好地理解本发明的详细说明，以及使本发明对本领域的贡献更加明了。下文将描述本发明的附加特征，这些特征将构成所附权利要求的主题。参考下文说明和所附权利要求，会更好地理解本发明在本文所列特征以及其他特征、方面和优势。附图并入本说明书、并形成本说明书的一部分，图解了本发明的实施方式，并与本说明一起用于解释本发明的原理。
20.应理解，虽然本文详细描述了本发明的优选实施方式，但本文仅作示例，在不脱离下文权利要求和其合理的等价权利要求（我认为该等权利要求即为我的发明）的范围中主旨前提下，可修改和变化本发明。
附图说明
21.现参考附图描述本发明的一种优选形式。
22.图1为根据本发明优选实施方式的螺栓的立体图；图2为根据本发明优选实施方式的螺栓的侧视图；图3为根据本发明优选实施方式的螺栓的俯视图；图4为根据本发明优选实施方式的螺栓的仰视图；图5a和图5b为根据本发明一个实施方式的
¼
"螺栓的侧视图；图6a和图6b为根据本发明一个实施方式的3/8"螺栓的侧视图；图7a和图7b为根据本发明一个实施方式的5/16"螺栓的侧视图；图8为胎圈锁止器紧固过程开始时的本发明侧视图；图9为胎圈锁止器紧固过程中间时的本发明侧视图；图10为胎圈锁止器紧固过程结束时的本发明侧视图；图11a、图11b和图11c显示了本发明另一个实施方式的侧视图，其中钢圈中有扩大孔；图12为车轮侧视图，显示了支轴的位置；图13为带有钢圈座的钢圈的立体图；图14a、图14b和图14c显示了现有技术和本发明中的胎圈锁止器设计，并比较了它们的效能；图15是图示施加在根据现有技术设计的螺栓头上的附加转矩的图表；图16a、图16b、图16c、图16d和图16e图示了压力膜测试结果；图17显示了针对不同现有技术和本发明进行的压力膜测试的结果；图18a、图18b、图18c和图18d为本发明一个实施方式的几种替换设计；图19a和图19b是本发明第二实施方式的立体图，其中带有垫圈座的垫圈已经附接
至钢圈；图20为安全胎圈和防滑应用的侧视图；图21为图20中优选实施方式的侧视图。
23.具体实施方式参考下文附图，将更容易理解本发明的众多方面。附图中部件并不一定是按比例绘制的。相反，其重点在于清晰地图示本发明的部件。此外，相似附图标记在附图中几张视图中标示相应的部件。在解释本发明的至少一个实施方式之前，应理解，本发明实施方式不限于其在下文描述中阐述的或在附图中示出的部件结构和配置详情中的应用。本发明的实施方式能够以多种方式实践或实施。另外，本文采用的措词和术语仅作说明，不作限制。
24.本发明的优选实施方式提供了改良螺栓和钢圈，用于形成改良的夹紧机构，以将轮胎固定在钢圈和车轮中间。
25.详细来说，现参考图1、图2、图3和图4中的本发明，图1、图2、图3和图4分别图示了根据本发明优选实施方式的螺栓的立体图、侧视图、俯视图和仰视图。该螺栓具有头1（至少有三侧，优选具有12个尖端）、球座2（螺栓中处于钢圈座中的部分）、螺纹3（可具有任意直径，每英寸可具有任意条螺纹），以及螺栓向导4。头1为六边形。头1可以制成任意侧面构造，如图所示，从三侧的三角形到12侧的变型均可。
26.螺纹3具有直径。螺纹可以具有任意直径和每英寸螺纹密度。图5a、图5b、图6a、图6b、图7a和图7b中显示了根据本发明实施方式的具有变化的螺纹直径的螺栓的一些示例。
27.现参考图5a和图5b中所示的本发明，其为根据本发明的一个实施方式的
¼
"螺栓。图5a和图5b显示了两种类型的头1、球座2、螺纹3和螺栓向导4。图5a中的头1与图5b中的头1不同。如图5a和图5b所示，
¼
"螺栓的长度分别为1.492"和1.5"，头1的长度为0.180直径为0.375"，螺纹3的直径为0.250"，螺栓向导4的长度为0.125"。
28.根据本发明的一个实施方式，
¼
"螺栓每英寸螺纹的密度是20。在本发明的某个实施方式中，
¼
"螺栓每英寸螺纹的密度是28，但也考虑了其他螺纹密度并将其作为本发明的部分，尤其是5/16
‑
18、5/16
‑
24、3/8
‑
16和3/8
‑
24。
29.同样，现参考图6a和图6b中所示的本发明，其为根据本发明的一个实施方式的3/8"螺栓。图6a和图6b显示了两种类型的头1、球座2、螺纹3和螺栓向导4。如图6a和图6b所示，3/8"螺栓的长度为2.0"，头1的长度为0.250直径为0.563"，螺纹3的直径为0.375"，螺栓向导4的长度为0.251"。
30.根据本发明的一个实施方式，3/8"螺栓每英寸螺纹的密度是16。在本发明的某个实施方式中，3/8"螺栓每英寸螺纹的密度是24。
31.同样，现参考图7a和图7b中所示的本发明，其为根据本发明的一个实施方式的5/16"螺栓。图7a和图7b显示了两种类型的头1、球座2、螺纹3和螺栓向导4。如图7a和图7b所示，5/16"螺栓的长度分别为1.750"和1.650"，头1的长度为0.225直径为0.469"，螺纹3的直径为0.313"，螺栓向导4的长度为0.188"。
32.根据本发明的一个实施方式，5/16"螺栓每英寸螺纹的密度是18。在本发明的某个实施方式中，5/16"螺栓每英寸螺纹的密度是24。
33.根据本发明的可供替换的实施方式，还提供了7/16"螺栓（图中未显示）。7/16"螺栓每英寸螺纹的密度是14。
34.根据本发明的可供替换的实施方式，还提供了1/2"螺栓（图中未显示）。1/2"螺栓每英寸螺纹的密度是13。在本发明的某个实施方式中，1/2"螺栓每英寸螺纹的密度是20。
35.现参考图8、图9和图10中的本发明，这一系列图显示了胎圈锁止器紧固过程。
36.图8为紧固过程开始时的本发明侧视图。可以看出，在初始啮合中，螺栓的螺纹3与车轮8中的螺纹部分啮合。螺栓的球座2处于钢圈5的钢圈座中（图13中的12显示的更清楚）。螺栓为90
°
垂直布置，以便在扩大向导孔9中留出一点空间，使钢圈5能够随着钢圈5向车轮8紧固时稍微绕螺栓枢转。因为轮胎具有轮胎胎圈6和轮胎胎圈芯7。轮胎胎圈芯7由金属或其他不可压缩的材料制成。轮胎胎圈压缩器11在轮胎胎圈芯7上方和下方，轮胎胎圈芯7最终将被压缩在车轮8和钢圈5中间，以密封轮胎胎圈芯7。胎圈锁止器的用途即为向轮胎胎圈压缩器11施加足够压力，使得空气不从轮胎内外泄，轮胎固定至车轮。
37.图9为紧固过程中间时的本发明侧视图。可以看出，螺栓头1已经旋转，导致螺栓螺纹3与车轮中螺纹部的匹配螺纹孔进一步啮合。这向下朝车轮8拉动钢圈5。这时的力还不足以压缩轮胎胎圈压缩器11，因此钢圈5在钢圈座中（图13中的12显示的更清楚）稍微旋转，直到接触到枢轴点或支轴10为止，这形成钢圈5接触车轮8的支轴。该图中的螺栓进一步旋进了车轮8，钢圈5已经绕螺栓稍微枢转（优选实施方式中稍微枢转约4
°
），而螺栓与车轮8的螺纹保持90
°
直角。这防止了由于整个螺栓头1未一致向下压钢圈5而导致的部分螺栓头1受到不必要压力。扩大向导孔9现在未显示出间隙，这是由于间隙已经随着螺栓枢转被螺纹3填充，但钢圈的相反侧出现了间隙。
38.图10为紧固过程结束时的本发明侧视图。轮胎被挤压，轮胎胎圈6的两侧各还有约0.0125"橡胶。击打支轴10后，由于螺栓进一步的紧固，钢圈5利用来自螺栓的压力，并开始向轮胎胎圈压缩器11施压以抵靠轮胎胎圈芯7。由于轮胎胎圈芯7不可压缩，轮胎胎圈压缩器11变平，以有效密封轮胎内空气并防止轮胎胎圈芯7逃出其在钢圈5和车轮8之间的限域。由于支轴10的使用，可在同一车轮上使用各种厚度的轮胎，而不会降低车轮8和钢圈5之间锁止器的安全性。
39.图11a、图11b和图11c显示了本发明的侧视图，其步骤是通过扩大向导孔9来固定轮胎胎圈7，并使得钢圈5能随着其向车轮8紧固而稍微绕螺栓枢转。由于钢圈5中的扩大向导孔9，螺栓未受到过度的压力。这是因为钢圈5可绕螺栓枢转，尽管如图8、图9和图10所示，如果螺栓具有球座，则带来的压力将更少。
40.图12为车轮8的侧视图，显示了支轴10和安全胎圈13的位置。车轮8的轮筒具有防止轮胎内侧脱离车轮8的内轮辋的安全胎圈13。安全胎圈13和内壁之间的间隙上有ra涂层，该ra涂层防止轮胎随着轮胎转数快速提高或降低（赛车时经常发生）而沿车轮8滑落。
41.图13为带有钢圈座12和扩大向导孔9的钢圈5的立体图。可以看出，扩大向导孔9不是圆形的，而是拉长型或“赛道”型的，使得钢圈5可绕螺栓枢转，但仅沿单轴枢转。由于螺栓向车轮拉动胎圈锁止器，该设计在最小化螺栓所受压力方面非常有用。
42.图14a、图14b显示了两种现有技术的胎圈锁止器设计，图14c显示了本发明的胎圈锁止器设计，由此比较了它们的效能。图14a是现有技术胎圈锁止器设计。可以看出，钢圈5被向下以一定角度朝轮胎胎圈6和车轮8拉动。这导致螺栓头1的底部伸进钢圈5的顶部，最多可造成20英尺磅的结合力，并给螺栓头带来大量压力。事实上，钢圈5所承受的不对称压力很快就会导致钢圈5变形，使得未来更换轮胎时，实现加强密封更加困难。这一般会导致
螺栓断裂或螺栓头切断，这两种情况都可导致灾难性故障。
43.如图14a所示，当向螺栓头施加大量力时，螺栓可在安装时破损或弯曲。如算式所示，当f
bead
=f
bolt
时，螺栓转矩变成m
bolt
=f
bead
ꢀ×ꢀ
d和m
bolt
=f
bolt
×ꢀ
d（其中f
bead
=胎圈受力，f
bolt
=螺栓受力，m
bolt
=螺栓力矩（或转矩），d=垂直距离）。另外很明显，向螺栓施加不稳定的胎圈力，并由此产生了钢圈磨损，可获得不准确的转矩读数。而且，施加至钢圈5的力处于不准确的角度，因此经过一些使用后，钢圈5会出现明显变形。
44.图14b是另一个现有技术的胎圈锁止器的设计，其显示了钢圈5如何具有创造出空腔的抬升部分，轮胎胎圈6处于该空腔中。一旦螺栓已经紧固至车轮8中的螺纹孔中，轮胎胎圈6的压力达到最大。另外图14b显示向螺栓施加不稳定的胎圈力，并由此产生了钢圈磨损，可获得不准确的转矩读数。而且，施加至钢圈5的力处于不准确的角度，因此经过一些使用后，钢圈5会出现明显变形。如算式所示，当f
bead
=h
×ꢀ
k
bead
时，也就是f
bead
=f
bolt
‑ꢀ
f
abutment
时），螺栓转矩变成m
bolt
=f
bead
ꢀ×ꢀ
d（其中f
bead
=胎圈受力，f
bolt
=螺栓受力，m
bolt
=螺栓力矩（或转矩），d=垂直距离，h是轮胎胎圈的高度，k
bead
是压缩力）。
45.图14c是本发明的胎圈锁止器设计，显示了与车轮8上的支轴10组合的枢转钢圈5如何通过车轮8和钢圈5实现轮胎胎圈6的更加紧固的密封。如图14c所示，其显示了胎圈力的增长率。另外，钢圈和支轴分摊了螺栓力，这最大化了荷载传递。球座2和钢圈5的设计补偿了角度误差，没有磨损，提供适当的螺栓转矩。这在算式中有进一步解释，其中f
bead
=f
bolt
‑ꢀ
f
fulcrum
，然后螺栓转矩为m
bolt
=f
bead
ꢀ×ꢀ
d
‑
f
fulcrum
×ꢀ
c（其中f
bead
=胎圈受力，f
bolt
=螺栓受力，f
fulcrum
=支轴受力，m
bolt
=螺栓力矩（转矩），d=垂直距离，c=垂直距离，f=支轴位移）。
46.图15是图示施加在根据现有技术设计的螺栓头上的附加转矩的图表。伴随不同量的胎圈压缩力（x轴），深色圆表示现有技术中随着力增加发生的螺栓故障，而浅色圆则表示本发明中的故障点。可以看出，针对最常见的胎圈压缩力的量，本发明允许螺栓承受1000磅或以上的额外压力，超过现有技术的车轮/钢圈中螺栓在失效前可承受的压力。
47.图16a、图16b、图16c、图16d和图16e显示了压力膜测试结果。图16a和图16b显示惯常的新钢圈/车轮/螺栓如何组合，图16c和图16d显示该组合如何随着时间推移和较多使用，由于圈变形而损失夹紧力，而图16e显示了没有随较多使用而出现力损失的本发明。
48.图17显示了针对不同现有技术和本发明进行的压力膜测试的结果，其中压力膜测试显示夹紧力的量。
49.图18a、图18b、图18c和图18d图示了本发明几种可供替换的实施方式。图18a是3/8"螺栓的侧视图，该螺栓在头1具有12个尖端，还具有球座2、螺纹3和向导孔4。图18b是3/8"螺栓的侧视图，该螺栓在双头螺栓15上具有圆顶螺母14。图18c是3/8"螺栓的侧视图，该螺栓在双头螺栓15上具有圆顶垫圈16、螺母17和垫圈18。图18d是3/8"螺栓的侧视图，该螺栓具有圆顶垫圈16。
50.图19a是本发明第二实施方式的立体图，显示具有非螺纹部19的螺栓，其用于在钢圈5中枢转，其中带有垫圈座20的垫圈18已经附接至钢圈5。
51.图19b是本发明另一个实施方式的立体图，显示具有非螺纹部19的螺栓，该螺栓已经枢转进钢圈5中，其中带有垫圈座20的垫圈18已经附接至钢圈5，形成枢转空间21。因为垫圈18具有球座2，用于将钢圈5固定到轮胎胎圈芯7上，使其抵靠在车轮8上。
52.图20为安全胎圈13和防滑应用的侧视图。本发明还包含安全胎圈13，其位于车轮
轮筒，靠近内轮辋。安全胎圈13防止轮胎向车轮中心移动，这是在低压强轮胎中尤其严重的问题，低压强轮胎可出现在如短程泥路跑车和短程高速赛车中。在安全胎圈和内轮辋之间设置了ra处理22，用来防止轮胎随着汽车加速或减速而从车轮滑落。通过防止轮胎在车轮上滑动或脱离轮辋，安全胎圈和ra处理22的组合避免了轮胎两侧压力过大和/或车轮上轮胎的突然不平衡造成的潜在灾难性故障。
53.图21为图20中优选实施方式的侧视图，其具有用于防滑应用的安全胎圈13和ra处理。在示例性实施方式中，ra处理22针对14"轮辋宽度设置为0.866"。
54.尤其，应注意，“螺栓”和“垫圈”版本的本发明可完成同一功能。
55.应理解，虽然本文详细描述了本发明的优选实施方式，但本文公开仅作示例。在不脱离下文权利要求或其合理的等价权利要求（我认为该等权利要求即为我的发明）的范围中主旨前提下，可修改和变化本发明。
56.附图标记1.
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头、螺栓头2.
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球座3.
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螺纹4.
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螺栓向导5.
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钢圈6.
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轮胎胎圈7.
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轮胎胎圈芯8.
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车轮9.
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扩大向导孔10.
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支轴11.
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轮胎胎圈压缩器12.
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钢圈座13.
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安全胎圈14.
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圆顶螺母15.
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双头螺栓16.
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圆顶垫圈17.
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螺母18.
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垫圈19.
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非螺纹部20.
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垫圈座21.
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枢转空间22.
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ra处理