CN101376318B - 加强复合轮圈 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种加强复合轮圈。提供了一种包括加强组件的复合轮圈。该复合轮圈包括第一侧壁部分、第二侧壁部分、径向外部和加强组件。所述径向外部包括径向向外的轮胎接合表面。所述加强组件布置在所述轮胎接合表面附近，并包括加强件和用于约束该加强件的约束件。该加强件的轴线围绕所述复合轮圈周向延伸，所述加强组件构造成沿大致垂直于所述加强件轴线的方向加强所述复合轮圈。

Description

加强复合轮圈

相关申请数据

本申请要求2007年8月29日提交的名为“Three-DimensionallyReinforced Composite wheel”的美国临时专利申请No.60/968,778的优先权。

技术领域

本发明涉及一种复合轮圈，更具体地涉及一种用于在诸如自行车和轮椅的人力车上使用的加强复合轮圈。

背景技术

碳纤维轮圈(这里泛指纤维树脂塑料轮圈和复合轮圈)坚固且轻质，因此广泛用于人力车车轮。碳纤维复合轮圈由类似于织物片材的材料片材制成。这些片材包括在环氧底材中固化的碳纤维。环氧底材内的纤维可以沿期望方向定向。例如，碳纤维可沿南北方向定向，或者沿东西方向定向。虽然碳纤维在它们的定向方向上非常坚固，但它们在定向的垂直方向上不够坚固。

碳纤维轮圈的一个缺点是它们通常不适于吸收径向冲击，该径向冲击是一种在自行车轮撞到路面凹坑时产生的冲击。在与路面凹坑剧烈碰撞时，车轮的径向向外的轮胎接合表面可能撞击路面凹坑的边缘，从而可能导致传统轮圈脱层或产生裂缝。

参照图1，示出了现有技术轮圈170。现有技术轮圈170包括第一侧壁部分172和第二侧壁部分174。侧壁部分172、174在轮圈的径向内部176与径向外部177之间延伸，径向外部177包括径向向外的轮胎接合表面178。轮胎接合表面178为圆周形，大致形成轮圈的径向最外部分。多个辐条189在轮圈170的径向内部176与布置在轮轴处的轮毂(未示出)之间径向延伸。

自行车车轮的径向向外的表面的构造根据车轮是包括“缝合式”轮圈还是“钳入式”轮圈而改变。在“缝合式”轮圈中，轮胎胶合到轮胎接合表面178上。图1中的轮圈具有“缝合式”构造。

另一方面，“钳入式”轮圈包括一对大致直立的部件，它们包括轴向向内延伸的卷边(bead)，卷边构造成与其内容纳有内胎的轮胎的胎边配合。图4中的轮圈具有“钳入式”构造。

轮圈170是缝合式轮圈。轮胎接合表面178包括第一冠状部分180和第二冠状部分182。在冠状部分或“牵引件(tow)”180、182之间是谷部186。

当轮胎和轮圈与路面凹坑碰撞时，冠状部分180、182的顶点是轮圈170最有可能撞击路面凹坑边缘并受到径向冲击力的完全冲击的部分。为此，轮圈的两个冠状部分180、182是最容易受损的区域。

为了加强冠状部分180、182，碳纤维加强件或纤维束184、188围绕轮圈周向延伸。这些纤维加强束184、188可包括多根碳纤维，通常包括约48,000根很细的纤维。

加强束184、188夹在“织物”片材的碳纤维层之间。通常，碳纤维轮圈170的包括轮胎接合部分178的外部177除了包括加强束184、188之外，还可包括少至四片或五片、多至20片的碳纤维材料；使用的碳纤维片越多，轮圈的强度就越大，然而重量和成本也越高。

虽然加强束184、188可提高冠状部分180、182的强度，但是束和复合片材却会相对彼此横向移位。该“移位”也可描述为“裂口”、“分裂”或“分层”。虽然碳纤维加强束184、188有助于减少分层，但包括这些加强束184、188的轮圈仍然受分层影响。

发明内容

本发明提供了一种具有加强组件的复合轮圈。该复合轮圈包括第一侧壁部分、第二侧壁部分、径向外部和加强组件。所述径向外部包括径向向外的轮胎接合表面。所述加强组件布置在所述轮胎接合表面附近。所述加强组件包括加强件和用于约束该加强件的约束件。该加强件具有轴线，该加强件及其轴线围绕所述复合轮圈周向延伸。所述加强组件构造成沿大致垂直于所述加强件轴线的方向加强所述复合轮圈。

在本发明的一个实施方式中，所述加强件包括一纤维束，并且所述约束件约束该纤维束。该约束件可包括围绕所述纤维束编织的线。所述复合轮圈还包括多个纤维加强片材，所述线穿过所述纤维加强片材缝合以将所述纤维加强片材和所述纤维束机械结合。所述复合轮圈还可包括多个成形为形成用于接收所述纤维束的凹穴(pocket)的纤维加强覆盖片材。所述覆盖片材被缝合成包绕所述凹穴内的纤维束。所述纤维加强覆盖片材可缝合到所述纤维加强片材。在本发明的另一实施方式中，所述线被编织成大致垂直于所述加强件的轴线延伸。

所述约束件提供横向于所述复合片材平面的加强和强度，该平面内的强度通常由于片材内纤维的面内定向而不足。大多数诸如轮圈的纤维加强装置包括由多个片材层叠起来而形成的层，正如层叠木材而形成层压木板那样。

本发明的约束件或线在大致垂直于所述纤维加强片材平面的方向上放置了坚固部件以将相邻的纤维加强片材机械结合。通过所述线形成的该机械结合补充了由胶或环氧树脂形成的片材之间的化学结合。机械和化学结合的组合有助于进一步阻止分层。所述线包括沿大致垂直或脱离纤维加强片材平面的方向延伸的编织材料。

附图说明

从以下结合附图对本发明的一个以上的实施方式的描述中将更充分地理解这些和其它特征。

图1是现有技术人力车的复合轮圈和辐条的示意性剖面图；

图2是根据本发明一个实施方式的复合轮圈的示意性立体图；

图3是本发明另一实施方式的轮圈的示意性立体图，示出了层间缝合；

图4是本发明另一实施方式的轮圈的示意性立体图；

图5是表示在轮圈内使用约束件的放大示意立体图；

图6是表示将纤维加强材料的相邻片材缝合在一起的约束件的放大示意图；并且

图6A是表示将纤维加强材料的相邻片材和加强束缝合在一起的约束件的放大图。

具体实施方式

图2表示根据本发明一个实施方式的复合轮圈100。复合轮圈100包括第一侧壁部分102和相对的第二侧壁部分104。侧壁部分102、104在径向内部106与径向外部108之间延伸，径向外部108包括构造成接收轮胎的径向向外的轮胎接合表面109。在环箍式车轮上，辐条(见图1的辐条189)在轮圈100的径向内部106和轮毂(未示出)之间径向向内延伸。相比之下，在盘式车轮(未示出)上，轮圈侧壁部分延伸到大约车轮的中心，终止于直径约1到2英寸的轮毂接收中心孔。

图2所示的轮圈100是构造成接收“缝合式”轮胎的“缝合式”，与设计用于接收具有卷边的轮胎的“钳入式”轮圈不同。“钳入式”轮圈300的实施例在图4中示出。虽然图中没有示出盘式车轮，但盘式轮圈的轮胎接合表面类似于其非盘式对应物。这样，本文讨论的发明无需显著的改变即可用于盘式车轮和非盘式车轮。

缝合式轮胎缺少径向向内布置的轮圈接合卷边。为了将缝合式轮胎和内胎附接到轮圈上，将轮胎和内胎胶合到轮圈100的径向向外的轮胎接合表面109。通常，盘式轮圈是缝合式而不是钳入式。

径向外部108包括第一冠状部分120和第二冠状部分122。第一冠状部分120靠近第一侧壁部分102布置，第二冠状部分122靠近第二侧壁部分104布置。在第一冠状部分120和第二冠状部分122之间布置凹入的谷部126。

第一加强件130和第二加强件132分别沿着第一冠状部分120和第二冠状部分122周向延伸。加强件130、132布置在纤维加强片材142与纤维加强覆盖片材144之间以形成夹层。加强件130、132包括周向延伸的碳纤维束136。该碳纤维束136可包括结合在一起的约48,000根独立碳纤维，每束的直径约0.0050英寸，每跟碳纤维的直径约小于0.00001英寸。纤维加强片材可由碳、玻璃、

或类似纤维材料制成。

由于加强件130、132围绕轮圈100在轮胎接合表面109附近周向延伸，所以加强件130、132也均具有围绕轮圈周向延伸的弧形轴线。这样，大致垂直于加强件130、132轴线延伸的约束件(在该实施方式中为线138)在各线138定位的位置大致垂直于各加强件的弧形轴线形成的弧的切线延伸。

线138编织成包围碳纤维束136。线138可由各种材料制成，例如对位芳纶纤维材料，比如以出售的

芳纶纤维。

的附加强度有助于在冲击加载时阻止碳纤维束136分离或“裂口”。虽然约束件示出为线，但也可使用其它物体，例如夹子、销、卡钉、线缆等等。

参照图2，向轮圈100施力的径向冲击大致由箭头R表示。通过用线138将束缝合在一起，可以防止裂口从而保护加强件130、132不损坏，并阻止纤维加强片材142、144的分层以增强轮圈100的整体抗冲击性。

图3表示根据本发明另一实施方式的轮圈200。轮圈200包括第一侧壁部分202和第二侧壁部分204。第一和第二侧壁部分202、204在径向内部206与径向外部208之间延伸。轮圈200的径向外部208包括径向向外的轮胎接合表面209。在这方面，轮圈200大致类似于图2所示的轮圈100。此外，图3所示的轮圈200是“缝合式”轮圈，包括径向向外的轮胎接合表面209，表面209包括第一冠状部分220和第二冠状部分222，在它们之间为谷部224。

由碳纤维构成的第一和第二加强件230、232分别沿着冠状部分220、222周向延伸，从而分别环绕冠状部分220、222。加强件230、232类似于图2所示的加强件120、122，也具有周向延伸的弧形轴线。

约束件或线240、242也构造成分别约束加强件230、232。此外，与图2的线不同，图3的线240、242被缝合而穿过用来进一步加强轮圈的一个或多个纤维加强层。轮圈200的径向向外的轮胎接合部209包括多个结合在一起的纤维加强片材以形成构造轮圈200的层。这些片材包括内片材250，内片材250覆盖第二片材252，第二片材252覆盖第三片材254。应理解，可使用任何数量的片材来形成轮圈200。在图3的实施方式中，周向延伸的碳纤维加强件230、232夹在片材254、256之间。线240、242穿过片材250、252、254以不仅约束加强件230、232，而且在片材250、252、254之间形成机械结合。然后碳纤维加强件230、232和线240、242被另一片材256覆盖，片材256本身被第五片材258覆盖。

诸如轮圈100、200的复合轮圈由通过将纤维加强材料片材层叠铺设形成的层构成。每个纤维加强片材可在层内沿期望方向(通常为0度、90度、+45度、-45度)定向，以提供沿期望方向的强度。

参照图4，示出了根据本发明另一实施方式的轮圈300。轮圈300是钳入式轮圈，大致与图2和图3的缝合式轮圈100和200类似，只是与缝合式相比，改变了本发明的各个部件以接收钳入式轮胎。

钳入式轮圈300包括第一侧壁部分302和相对的第二侧壁部分304，第一和第二侧壁部分在径向内部306与径向外部308之间延伸。径向外部308包括轮胎接合部分309。

与图2和3所示的缝合式轮圈的冠式外观相比，钳入式轮圈300包括径向和周向延伸的第一刹车接合部分320和第二刹车接合部分322，这些刹车接合部分径向向外延伸。刹车接合部分320、322由于它们的柱形构造而可能特别容易受到径向力的冲击破坏。

刹车接合部分320、322在它们的上端均终止于直径较大的卷边部分330、332。卷边部分330、332构造成配合接收轮胎的胎边(未示出)。周向延伸的加强件340、342分别穿过和沿着第一卷边部分330和第二卷边部分332延伸。加强件340、342大体上类似于图2的加强件130、132，因为它们也均可包括被由芳伦纤维缝合材料形成的约束件或线348包围的碳纤维束346。此外，线348可穿过层的若干片材，如图3所示。

在图4中，元件356包括延伸穿过制动接合部分320、322的缝合材料。缝合元件356的好处在于提供了上述附加抗冲击性并且用作刹车磨损指示器。刹车接合部分320、322被自行车的夹钳式刹车(未示出)接合以减慢轮圈的旋转。夹钳与刹车接合部分320、322之间的摩擦接合可能随着时间流逝而磨损刹车接合部分320、322的接触面。

可以使用颜色与轮圈层颜色不同的线356作为磨损指示器。在线356上设置一个或多个层片材，因此在全新时缝合元件356会被层的外片材遮住。当外损层片材由于使用刹车而磨损时，线356变得可见。

图5、图6和6A表示各种缝合方案。首先参照图5，示出的一段轮圈400具有周向延伸的加强件406，加强件406被部分地绕其卷绕的纤维加强层408包裹。轮圈400还包括侧壁部分402和径向向外的轮胎接合部分403。

约束件(在本实施方式中为线420)穿过片材408的相对部分缝合以将加强件406保持在片材408形成的凹穴409中。将加强件406卷在凹穴409中限制了其在负载下移位的能力，从而阻止加强件和片材408的磨损。此外，线可缝合在片材408的位置422和424处，以将轮圈400的相邻的纤维加强片材机械结合在一起。

参照图6，线468被缝制或缝合在第一纤维加强片材460与第二纤维加强片材462之间以在其间提供机械结合。层包括第一纤维加强片材460与第二纤维加强层462，其间的一层胶或环氧树脂(未示出)、以及线468，线468大致垂直于片材460、462的平面缝合。图6A表示图6的层的更详细的视图，示出了形成层片材460、462的纤维460A、462A以及线468A的织法，线468A大致垂直于片材的平面缝合以将片材机械结合在一起。

虽然以上针对一个或多个实施方式描述了本发明，但应理解，在仅由本发明所附的权利要求限定的精神和范围内存在变更和修改。

Claims (14)

1.一种复合轮圈，该复合轮圈包括：

第一侧壁部分；

第二侧壁部分；

径向外部，该径向外部包括径向向外的轮胎接合表面，一个第一冠状部和第二冠状部；以及

加强组件，该加强组件布置在所述径向向外的轮胎接合表面附近，并且该加强组件布置在所述的第一冠状部和所述的第二冠状部上；

所述加强组件布置在多个纤维加强片材之间以形成夹层，所述加强组件包括：

加强件，其轴线围绕所述复合轮圈周向延伸，和

用于约束该加强件的约束件，所述的约束件包括围绕所述加强件编织的线，

所述加强组件构造成沿大致垂直于所述加强件轴线的方向加强所述复合轮圈。

2.根据权利要求1所述的复合轮圈，其中，所述加强件包括一纤维束，所述约束件约束该纤维束。

3.根据权利要求1所述的复合轮圈，所述线穿过所述纤维加强片材缝合以将所述纤维加强片材和所述纤维束机械结合。

4.根据权利要求3所述的复合轮圈，该复合轮圈还包括多个成形为形成用于接收所述纤维束的凹穴的纤维加强覆盖片材，所述纤维加强覆盖片材缝合成包绕所述凹穴内的纤维束。

5.根据权利要求4所述的复合轮圈，其中，所述纤维加强覆盖片材缝合到所述纤维加强片材上。

6.根据权利要求1所述的复合轮圈，其中，所述线被编织成大致垂直于所述加强件的轴线延伸。

7.一种复合轮圈，该复合轮圈包括：

第一侧壁装置；

第二侧壁装置；

径向外部，该径向外部包括径向向外的轮胎接合装置，一个第一冠状部和第二冠状部；以及

加强组件，该加强组件布置在所述径向向外的轮胎接合装置附近，并且该加强组件布置在所述的第一冠状部和所述的第二冠状部上；并且

所述加强组件布置在多个纤维加强片材之间以形成夹层，所述加强组件包括：

加强装置，其轴线围绕所述复合轮圈周向延伸，和

用于约束所述加强装置的约束装置，所述的约束件包括围绕所述加强件编织的线，

所述加强组件构造成沿大致垂直于所述加强装置轴线的方向加强所述复合轮圈。

8.一种复合轮圈，该复合轮圈包括：

第一侧壁部分；

第二侧壁部分；

径向外部，该径向外部包括径向向外的轮胎接合表面，一个第一卷边部分和一个第二卷边部分；以及

加强组件，该加强组件布置在所述径向向外的轮胎接合表面附近，并且该加强组件布置在所述第一卷边部分和一个第二卷边部分上；

所述加强组件包括：

加强件，其轴线围绕所述复合轮圈周向延伸，和

用于约束该加强件的约束件，所述的约束件包括围绕所述加强件编织的线，

所述加强组件构造成沿大致垂直于所述加强件轴线的方向加强所述复合轮圈。

9.根据权利要求8所述的复合轮圈，其中，所述加强件包括一纤维束，所述约束件约束该纤维束。

10.根据权利要求8所述的复合轮圈，所述线穿过所述纤维加强片材缝合以将所述纤维加强片材和所述纤维束机械结合。

11.根据权利要求10所述的复合轮圈，该复合轮圈还包括多个成形为形成用于接收所述纤维束的凹穴的纤维加强覆盖片材，所述纤维加强覆盖片材缝合成包绕所述凹穴内的纤维束。

12.根据权利要求11所述的复合轮圈，其中，所述纤维加强覆盖片材缝合到所述纤维加强片材上。

13.根据权利要求8所述的复合轮圈，其中，所述线被编织成大致垂直于所述加强件的轴线延伸。

14.一种复合轮圈，该复合轮圈包括：

第一侧壁装置；

第二侧壁装置；

径向外部，该径向外部包括径向向外的轮胎接合表面，一个第一卷边部分和一个第二卷边部分；以及

加强组件，该加强组件布置在所述径向向外的轮胎接合装置附近，并且该加强组件布置在所述第一卷边部分和一个第二卷边部分上；并且

所述加强组件包括：

加强装置，其轴线围绕所述复合轮圈周向延伸，和

用于约束所述加强装置的约束装置，所述的约束件包括围绕所述加强件编织的线，所述加强组件构造成沿大致垂直于所述加强装置轴线的方向加强所述复合轮圈。

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