CN101472747A - 辐条式轮 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及辐条式轮，其包括周边轮圈(20)、中央毂(30)和一些单独的轮圈与毂之间的连接辐条(40、50)。其特征在于，在自由状态下，所述辐条(40、50)不受张力、不受压缩地被安装在所述轮圈与所述毂之间；并且，每根辐条能承受至少60daN的压缩载荷而没有弯曲。另外，该轮包括使每根辐条(40、50)的至少一端部(41、51)无间隙连接或双侧连接于所述轮圈或所述毂的连接装置。

Description

辐条式轮
技术领域
[01]本发明涉及杆式轮的新设计，特别是对于自行车轮。本发明还涉及具有至少一此类杆()的杆式轮、以及配有至少一此类轮的滚动器械，特别是自行车。
背景技术
[02]自蒙昧时代以来就存在轮。最初的轮是实心的。最早的改进在于构造带有杆的轮，这种轮更轻。这些杆被轮圈促使压缩和弯曲。然后用金属环给轮加箍，并且杆被预施应力而压缩。专利申请CH91759描述了这种构造方式。
[03]具有处于张力的丝型辐条的轮的发明可以追溯到1866年，该发明归功于Eugène Meyer。该发明可通过大大减小辐条的截面来构造轮，因此极大地减小了重量。并且还使轮直径的增加成为可能，因此可扩大它们的发展，如脚踏板直接接合在动力轮上的钢制大自行车(bis)就是这种情况。下面，术语处于拉伸/张力的辐条将无区别地用于辐条的正张力。
[04]现在的辐条式轮以传统方式包括设置用于接纳轮胎的周边轮圈、中央毂、以及轮圈和毂之间的连接辐条。辐条的数量根据轮的类型变化，并且一般在十二到四十根。按照一般规律，辐条按两层分布，这两层辐条使轮圈与毂的一端部连接。每层的辐条与轮圈的中间平面形成一角度，习惯把该角度称为伞角。
[05]辐条在结构上连接轮圈和毂，这可使轮具有良好的刚性和良好的抗力强度。轮使用时所述轮承受的外部负荷可以分解为：按轮圈中间平面指向的径向力、垂直于该中间平面指向的侧向力、动力或者相反地与轮圆圈相切的制动力——其对应于毂与轮圈之间的力矩的传递。
[06]目前还存在张力辐条式轮以外的其它轮结构。已知例如所述实心轮或带有杆的轮，这些带有杆的轮由复合材料制成并主要由于它们的空气动力特性被使用。专利申请WO2004/033231和FR 2701899描述了这类轮。还存在由轻合金(铝、镁或钛)形成的模制轮。例如从专利申请EP1016552和WO2004/108515了解到此类轮。
[07]在由复合材料或模制合金制成的带有杆的轮的情况下，杆的数量减少，每个轮约为三到五根杆。实际上，这些应抵抗压缩力的辐条的截面比用于避免弯曲的普通常规辐条要大得多，并且它们本身的尺寸阻止任何设置数量更多的杆。
[08]但在这些不同的轮构造方式中，张力辐条式轮由于其能够很好地被构造和调节，因而仍被视为在轻便性与强度之间具有最好的折衷。
[09]然而，尽管辐条式轮的确给出良好的结果，但它们仍具有某些缺点。
[10]首先，辐条张力在轮圈体中感生压缩应力。估计对于有36根辐条的公路自行车轮，每根辐条在1000牛顿下受到拉伸，则轮圈体处产生的合成压缩力为5730牛顿，这导致压缩应力为88MPa，对于常用的轮圈材料(例如铝6106)，88MPa的压缩应力已经占材料内在潜在强度(220MPa)的40％。换句话说，该引起的压缩已经极大地使轮圈削弱。
[11]另外，对于直径为622mm的轮圈，该压缩力导致轮圈的渐屈线(développée)可能减少达2.5mm，这自然地可能对轮圈和轮胎之间的连接产生影响，并可能导致轮胎意外脱落和发生事故。
[12]第二点，辐条的张力局部施加在轮圈上。每根辐条通过它的张力在其联接区处产生局部剪切力，并在每个辐条孔之间产生可变弯矩。弯矩导致轮圈的多边形变形，通常称为“跳动(saut)”，并在每个辐条联接区处引起局部扭曲(voile)。
[13]设置适当轮辐的专利申请EP 1316442和FR 1019285图示出这两种现象，这两个专利申请试图提出对这两个问题的解决方法。可以顺便强调的是，如EP 1316442所述的，辐条成对地联接在轮圈处可很好地减小局部扭曲效应，但却加重了多边形效应。
[14]文献EP 1316442提出相反地从预成形轮圈出发解决该问题(见该专利的图5)，它的实施是很复杂的。
[15]最后可注意到，轮的寿命，即它的每个部件的寿命，与辐条的张力基本成反比。在轮旋转的过程中，每根辐条承受一加载和卸载周期，并且每根辐条使轮圈局部地承受这样的加载和卸载周期。这些重复的周期以辐条、毂或轮圈的损坏而结束，并且辐条中的张力越大，这种损坏越快速。因此目前的拉伸辐条式轮没有最佳寿命。由于该现有技术，存在对结合有轻便性、坚固性、强度和最佳寿命的轮结构的需求性。
[16]还存在对使轮的几何特征(扭曲、跳动、渐屈线)尽可能保持稳定的轮的需求。
[17]通过符合按本发明的轮的新设计来达到这些目的和在以下描述过程中体现的其它目的。
发明内容
[18]特别是该目的或这些目的在符合本发明的辐条式轮中实现，所述轮包括周边轮圈、中央毂、以及一些单独的轮圈和毂之间的连接辐条，其特征在于，在自由状态下，辐条没有张力、也没有压缩地安装于轮圈与毂之间；并且，每根辐条可承受至少60daN的压缩载荷，而没有弯曲。另外，轮包括的辐条数量大于带杆轮，例如辐条数量大于十。该结构具有在自由状态下使轮圈辐条内的所有应力减小到零的优点。因此，辐条设置为能够抵抗很大的压缩力而没有弯曲，以便能抵抗使用过程中施加在轮中的力。
[19]这样的结构与有关轮结构的已有想法相反，这些已有想法提出：轮在自由状态下即没有负荷时，或者辐条通过轮圈被预加应力，因而辐条的截面很大，以便能够抵抗压缩力，或者辐条被预拉伸，并因此对轮圈预施应力。
[20]而基于本发明的想法在于：消除自由状态下的轮(轮圈、辐条)内的所有(或几乎所有)应力，这样可明显增加该轮的总强度。另外，该轮具有以下优点：
[21]-轮完全不再有张力，一根辐条的断裂不再会导致如拉伸或压缩辐条式轮中那样的扭曲；
[22]-轮不再有残余应力，因此轮受力较小并因此可减轻；
[23]-辐条和它们的端部被促动拉伸要小得多，因此强度更大，轮圈和毂也是如此；
[24]-轮更能抗疲劳(更小的应力)；
[25]-轮完全不再有任何多边形效应，也不产生扭曲；
[26]-如果一根辐条断裂，可取下旧的辐条并将一根辐条直接固定在轮上进行更换，无需特殊的安装装置。
[27]另外，与带有数量基本小于六根杆的轮相反的是，侧向刚性几乎是恒定的，但例如对于具有三根杆的轮就不是这样；并且前部刚性不是太大并且几乎恒定，与由于轮的不规则性产生的正前冲击相比，这使骑车人得到舒适的轮。
[28]根据一实施方式，每根辐条包括外径大于4.8mm并且内径小于的15mm的主体。因此，与已知的传统辐条相比，所述辐条为管形辐条，其外径更大，这样可增加辐条的抗压缩(弯曲)强度，而不增加其重量。也可具有非管形截面的辐条，例如横截面为I形。
[29]也可设置截面在纵向方向上不是恒定的辐条，辐条截面的形状可沿该纵向方向变化，例如在中间区域更大的截面，以便更好地抵御弯曲。
附图说明
[30]无论如何，通过下面参照以非限定例子表示一些实施方式的所附示意图进行的描述，可以更好地了解本发明并阐明本发明的其它特征，附图中：
[31]-图1为包括按本发明的结构的轮的透视图；
[32]-图2为辐条安装在毂处的放大细节图；
[33]-图3为图2的毂的纵剖面图，毂未带有辐条；
[34]-图4和5为表示不同的辐条安装阶段的轮平面图；
[35]-图6为以放大比例示出的图5的一细部，表示辐条在毂处的安装；
[36]-图7为沿图5的VII-VII的剖面图，表示辐条联接在轮圈处；
[37]-图8为沿图6的VIII-VIII的剖面图；
[38]-图9为符合另一实施方式的与图7类似的图；
[39]-图10为表示两根辐条的扎结例子的视图；
[40]-图11为符合另一实施方式的轮的局部透视图；
[41]-图12为沿图11的XII-XII的剖面图；
[42]-图13为沿图11的XIII-XIII的剖面图。
具体实施方式
[43]图1所示的符合本发明的轮1以传统方式包括周边轮圈20、中央毂30、以及轮圈20和毂30之间的连接辐条40、50。辐条40、50分布为两层，各相应层的辐条40、50分别联接在毂30的端部31、32，并从毂的相应端部31、32向轮圈20延伸。相应辐条40、50交替地联接在轮圈上，并沿轮圈的周边均匀地分布，如专利US 6,145,983中所描述的，它们也可以已知方式在拉伸辐条式轮上按确定的组分布于不同层上。
[44]可注意到，每层辐条40、50包括十根辐条，即总共为二十根，该数量明显大于杆式轮中的杆数——所述杆数最多为六根，并且该数量小于辐条数量为12-40的拉伸辐条式轮中通常的辐条数。该辐条数量在全部两层上可以减少到10。
[45]轮圈20为任何适当类型，并且例如图7所示具有一箱式中空金属结构，该结构带有上桥21、下桥22和连接这两桥的两侧壁23、24，所述上桥21在它的周边具有接纳轮胎的沟槽21a，所述下桥22具有一些联接辐条的螺纹孔道22a。可以如专利FR 2 750 913所述的，通过荧光钻孔(fluopercage)制出螺纹孔道22a。在所示的例子中，另外在每个角落通过碳箍25加强箱体，如专利申请FR 2 881 682中所描述的。
[46]当然轮圈的任何其它形状可能也是合适的，特别是轮圈可以只有单个桥、一形状不同的并且可接纳尤其轮胎的接纳沟槽21a。
[47]根据本发明，辐条40、50在自由状态下(即轮不受荷载)，不受拉伸也不受压缩地安装于轮圈20与毂30之间，并且每根辐条可承受至少为60daN的压缩载荷。
[48]为了实现这样的特征，如图7和8所示，每根辐条40、50包括相应的细长形主体40a、50a，对于每根辐条，所述主体40a、50a确定纵向方向L并包括两个联接端部，分别为41、51和43、53。另外，每根辐条的主体40a、50a是管形主体，所述管形主体例如具有圆形或椭圆形截面，由具有高强度特性的材料、特别是拉拔(pultrudee)碳制成。
[49]根据一实施例，从常用的HR(高强度)拉拔碳纤维和总模量为115Gpa的环氧树脂基体出发，每根辐条40、50的外径D大于4.8mm(例如为5.5mm)，其内径d小于15mm(例如为4.1mm)，并且壁厚为0.7mm，在例如充填有泡沫的中空(管形)辐条的情况下，该壁厚可以减小。也可根据材料得到不同的值，例如，如果使用模数大于200GPa的HM(高模数)碳纤维。实际应用中，将选择适用于此类轮的辐条，从而对于正常长度的辐条，使它们的EI特征大于106Nmm2(实际上，这等于直径为3.2mm的钢制辐条的EI值，因此对于使用在钢制辐条的直径一般为2mm的轮中要重得多)。
[50]已通过计算得到这些尺寸，并通过实际试验进行了验证，以便协调两个矛盾的要求，这两个要求是：一方面，使辐条具有尽可能大的平方弯矩I，以便在轮的使用过程中抵御交替施加在每根辐条上的高压缩力，因为这些辐条初始时没有被预拉伸(抵抗压缩载荷的张力)，并因此最大程度地限制弯曲危险；并且另一方面，尽可能减小辐条的质量，以便不增加甚至减小轮的质量。
[51]实际上，轮的质量通过以下公式给出：
M＝LρS＝L.ρ.π.(D2-d2)/4
[52]L为辐条的长度
[53]ρ为材料密度(g/mm3)
[54]D为外径(mm)
[55]d为内径(mm)
[56]S为辐条的截面积
[57]另外，最大压缩(弯曲)力通过下面的关系式给出：
F＝π2EI/(KL)2＝π3(D4-d4)E/[64(KL)2]
[58]其中，K为取决于嵌入条件的系数
[59]对于嵌入/嵌入(encastré)，K＝0.5
[60]对于球接/球接，K＝1
[61]对于嵌入/自由，K＝2
[62]对于自由/自由，K＝4
[63]E为材料的杨氏模量，单位MPa
[64]I为二次矩(mm4)，对于管形截面，I＝π(D4-d4)/64
[65]L为支撑体之间的梁(即辐条)的长度(mm)
[66]结合这两个公式可观察到，在恒定截面，增加外径D可减小管的厚度，但还可非常快地增加容许的弯曲力。因此，如果比较D＝4mm、d＝2.65mm并且模量为115GPa的拉拔碳纤维制的管形辐条，该辐条承受55daN的压缩力，而D＝6mm、d＝5.2mm的相同材料制成的辐条承受152daN的弯曲荷载，即几乎为三倍，而其质量相同。这样的辐条足以构造具有十八根在正常使用条件下无张力的辐条的自行车轮，在每根辐条上的最大力因而小于140daN。需要指出的是，在某些条件下，只要避免任何的辐条断裂危险，辐条的一定弯曲是可容许的。还需要指出的是大的乘积EI用以抵抗压缩力。
[67]为了保证每根辐条40、50的无负荷地、即不受张力也不受压缩地安装，另外考虑：轮包括使每根辐条40、50的至少一端部无间隙连接或双侧连接到轮圈或毂的连接装置。
[68]下面参照图2-8解释该连接装置和辐条安装。
[69]首先，如图2-3特别表示的，毂30包括管形体33和两个用于联接辐条的端部31、32，管形体33通过轴承38转动安装在轴39上，轴39用于接纳轮的转轴。每个端部31、32通常呈从管形体33径向延伸的盘或环箍的形式。
[70]在每个环箍31、32上分别形成槽座31a、32a，所述槽座的整体形状为柱形，并在相应的端部或环箍31、32处沿基本相切于毂的方向T延伸。这些槽座31a、32a的内径基本对应于辐条40、50的外径D，并用于接纳这些辐条。另外，每个槽座31a、32a的长度1约为10-15mm，以便于安装并随后联接辐条40、50。
[71]如图2和8特别表示的，槽座31a、32a成对出现，并朝相反方向取向，以便将两个相邻辐条配对设置在毂的每个端部31、32处。在所示的例子中，每个端部31、32包括五对沿毂的周边均匀分布的槽座31a、32a。
[72]如图7所示，每根辐条40、50在其用于固定在轮圈20上的端部41、51分别配有套接管42、52，所述套接管42、52分别配有外螺纹42a、52a并通过粘接固定于辐条的所述端部41、51，端部41、51借助塞子44、54被封闭，以避免在套接管安装到辐条上的作业时黏结剂深入到构成所述辐条的管内。每个带有螺纹的套接管42、52用于与轮圈的孔道22a的相关内螺纹配合，以通过旋拧把所述辐条端部的套接管42、52固定于轮圈。每根辐条的另一端部45、55是自由的(参见图8)。
[73]一方面通过在毂处粘接每根辐条的端部43、53、并借助带有螺纹的套接管42、52把它的另一端部拧在轮圈上，来实现每根辐条40、50的无间隙安装。
[74]如图4和5上特别所示的实现该安装。
[75]首先制备辐条40、50：按照需要的长度切割形成辐条的拉拔碳纤维管，并如前所指出的通过粘接组装套接管42、52。
[76]需要指出的是，为了最佳粘接，在表面预先去除油污后进行该粘接。还可通过在每个套接管42、52内设置适当的表面状态(例如粗糙度、沟槽)来改进该粘接，以便提高黏结剂的附着。
[77]然后使每根辐条的端部43、53插入毂的各自的相关槽座31a、32a中，并将例如为环形的密封垫43a、53a在相关槽座31a、32a出口处安放于辐条上(见图8)。同一层的辐条40、50可以通过柔性扎结件80(例如合成材料如聚甲醛树酯(迭尔林)、聚酰胺或醋酸酯制成的环形密封垫或环圈)成对地组装起来，以便产生凸结部并把压缩的每根辐条推到弯曲极限。如图10所示，可在安装前成对地准备辐条及其扎结环80，以便于所述安装。
[78]如图4所示，然后把轮圈20安放在毂30和辐条40、50构成的子组件的周围，这些辐条收回它们各自的槽座31a、32a内，以使轮圈可在所述子组件的周围正确就位；再使每个套接管42、52进入并旋拧在轮圈的孔道22a中。因此每个槽座31a、32a构成辐条最终安装前的收回部件以及所述辐条安装过程中的引导和滑动部件。整体在适当安装装置上就位，以保证轮的完善几何形状，特别是毂的轴线相对轮圈平面的垂直性和对中性、以及毂相对所述轮圈的跳动。
[79]然后实现每根辐条的另一端部43、53在毂的相关槽座31a、32a中的粘接，垫43a、53a可以保证粘接时的密封性。
[80]如图8所示，每个槽座31a、32a具有直径大于辐条直径的柱形凹空部35，并且其在一端部被突肩36封闭，调整突肩的直径以适于(间隙约为1/100°mm)辐条40、50的直径，并且凹空部在另一端部通到环形垫43a、53a处。在安装每根辐条40、50之前，将黏结剂装入柱形凹空部35内。注入黏结剂时，突肩36处的微小间隙可允许一定的空气泄漏，并还可保持黏结剂。辐条就位并在轮圈处固定之后，例如借助针并通过孔眼70引入黏结剂，孔眼70例如为锥形并在突肩36前、径向设置于每个槽座31a、32a中。
[81]为了保证良好的粘接，可能希望在辐条固定于轮圈之前引入黏结剂，并使每根辐条在它的槽座中枢转，以便在毂和辐条处很好地润湿粘接界面。
[82]然后使黏结剂在环境温度下聚合，在轮圈材料(例如金属的)相对于毂不同的情况下优选该方法，以便不会引起材料的热膨胀，或者在大约80℃的温度下进行烘干。一旦黏结剂聚合，则从安装装置卸下轮。在使黏结剂在环境温度聚合的情况下，也可进行附加烘干，以保证完善的粘接。
[83]黏结剂例如是如命名为DP460的双组分环氧树脂。
[84]另一安装变型可以是：把带有预粘接套接管42、52的辐条40和50的管最大程度地旋拧到轮圈20中；然后使毂30在中间就位并拧松套接管42、52，以使辐条的端部41、51深入到毂的粘接槽座31a、32a中；该方法需要每个套接管42、52的螺纹特别长，因为要将之拧松到毂侧的粘接长度。
[85]在轮圈20侧，轮圈与每根辐条的套接管42、52之间的螺纹连接应是拉伸/压缩式双侧的，并且没有间隙。为此，可以涂覆“Nylock”类型的聚酰胺涂层，以掩盖螺纹42a、52a的间隙，或者借助厌氧或环氧黏结剂粘接螺纹，也可将套接管在孔道22a中旋拧到底，靠于套接管上形成的一突肩。
[86]另一变型是可把辐条的碳管直接粘在轮圈的孔道22a中，粘接长度将更小，但节省了插入件的重量。
[87]也可如专利EP 1 595 721所述的将辐条粘接在钎焊的附加插入件中。
[88]辐条也可粘接在复合轮圈中。
[89]图11-13表示另一实施方式，其中类似的零件用相同的参考数字表示，但增加100。毂130简化为它的更简单的形式，并且毂只包括两个通过轴承138旋转安装在毂的轴139上的侧板131。在这种情况下，侧板131是相同的，并包括一些基本为径向的孔道132，这些孔道132形成用于每根辐条140、150的柱形槽座132a，每个孔道132相对毂的纵轴线L成约为82.5°的角度β。换句话说，与传统的毂或与上述实施方式的毂相反的是，毂的侧板131没有通过主体互相连接。
[90]在该实施方式中和上述实施方式一样，在辐条/轮圈/毂按照前面描述的方法相对就位之后，辐条140、150通过粘接被固定在侧板131的孔道132内。需要指出的是，辐条140、150在轴承138就位前安装，以便安装时能够在轴承的槽座138a中滑动。
[91]由于在轮自由状态(无负荷)消除了辐条140、150中的任何张力，这些侧板131之间没有主体的毂结构成为可能。
[92]在传统的张力辐条式轮的结构中，例如通过专利US 5,647,643了解的该类毂结构是不可行的。实际上，在此类毂上，辐条张力的作用是在两个相对的辐条层之间产生大约为700N的轴向力，该力被两个轴承轴向承受，这就导致在每个轴承上产生不可忽略的摩擦力矩，而摩擦力矩会产生对骑车人的表现有害的功率损失，另外该较大的轴向力会使这些轴承非常快地损坏。按照本发明消除辐条的张力，将完全消除该轴向力并因此使该结构完全可行，因此是可能的。
[93]在该实施方式中，如图13所示的，可实现辐条在轮圈侧的安装，即以和图7所示的相同方法进行，唯一区别在于辐条140、150配有套接管142，但没有塞子。当然也可设置塞子。
[94]作为变型，也可考虑使轮处于非常轻微的轴向预应力下，以在一方向上预施负荷于轴承，并因此通过小的轴向预应力消除它们的径向间隙。在此类结构中，希望滚珠轴承138的推动中心(基本为轴承中心)位于不同辐条140、150的汇聚点(实际上，忽略辐条的弯曲作用并只考虑拉伸或压缩的轴向分量)，该层辐条的合力(résultante)始终经过该层辐条的汇聚点，因此环形轴承在良好的条件下工作，没有任何斜矩。
[95]当然，本发明并不局限于上面作为非限定例子描述的实施方式，而是囊括其所有类似或等效的实施方式。
[96]因此，辐条的截面不必非为管形，例如可为I形，和/或可变化的(例如为具有截面更大的中间区域的“桶”形)，或者辐条可由非复合的材料例如金属制成。另外，需要指出的是，轮圈相对辐条的不同膨胀(与相对粘接时刻的条件改变有关)、或者轮胎充气或其它因素(轮圈在其粘接安装中的轻微预应力)可在辐条中产生微小的拉伸/压缩应力，这同样也不超出本发明的范围，这些应力被认为是微小的，且辐条的安装因而仍然几乎没有张力，也没有压缩。

Claims (11)

1.辐条式轮，其包括周边轮圈(20、120)、中央毂(30、130)和一些单独的轮圈与毂之间的连接辐条(40、50、140、150)，其特征在于，在自由状态下，所述辐条(40、50、140、150)不受张力、不受压缩地被安装在所述轮圈与所述毂之间；并且，每根辐条能承受至少60daN的压缩载荷而没有弯曲。
2.如权利要求1所述的轮，其特征在于，该轮包括连接装置，其将每根辐条(40、50)的至少一端部(41、51)无间隙连接或双侧连接于所述轮圈或所述毂。
3.如权利要求2所述的轮，其特征在于，每个无间隙连接装置(42、52)包括连接间隙消除装置。
4.如权利要求2或3所述的轮，其特征在于，每根辐条的另一端部(43、53)通过粘接加以固定。
5.如权利要求2或3所述的轮，其特征在于，连接间隙通过粘接予以消除。
6.如权利要求1至5中任一项所述的轮，其特征在于，该轮包括数量大于十的辐条(40、50)。
7.如权利要求1至6中任一项所述的轮，其特征在于，每根辐条包括外径大于4.8mm、而内径d小于15mm的主体(40a、50a)。
8.如权利要求7所述的轮，其特征在于，每根辐条(40、50)包括拉拔碳制成的管形主体。
9.如权利要求4至8中任一项所述的轮，其特征在于，所述轮包括毂(30、130)，所述毂(30、130)具有在最终安装前使所述辐条收回的收回部件(31a、32a、138a)。
10.如权利要求9所述的轮，其特征在于，所述毂包括引导每根辐条并使每根辐条滑动的引导和滑动部件(31a、32a)。
11.如权利要求1至10中任一项所述的轮，其特征在于，每根辐条(40、50)的EI乘积大于106Nmm2。
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