CN102233783A - 用于自行车车轮的复合轮圈 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于自行车车轮的复合轮圈，该复合轮圈大体上包括径向外部轮胎接合部分、径向内部辐条接合部分、第一侧壁和第二侧壁。第二侧壁与第一侧壁间隔开。第一侧壁和第二侧壁在轮胎接合部分与辐条接合部分之间延伸。该轮圈包括至少一个通孔和通孔处的全厚度缝合增强图案。轮胎接合部分、辐条接合部分以及第一侧壁和第二侧壁形成了超环面。

Description

用于自行车车轮的复合轮圈
技术领域
本发明涉及自行车复合轮圈(composite rim)，具体而言，涉及一种具有三维增强孔的自行车复合轮圈和制造这种复合自行车轮圈的方法。
背景技术
复合轮圈由固化在环氧树脂或树脂底材中的多个纤维片材(fibrous sheet)或板层(ply)构成。环氧树脂或树脂底材中的纤维可以定向在X或Y方向，并且由碳、陶瓷、玻璃或其他类似物构成。虽然纤维在它们的定向方向上非常坚固，但是它们在定向的横向或垂直方向上不够坚固。由于纤维增强型复合片材的各向异性特质，定向在X-Y方向上的片材被纤维自身所增强，这能够产生并支持沿着它们长度的负载路径。但是，在片材的Z方向或者面外(out-of-plane)方向上，纤维仅仅被将片材捆绑在一起的树脂所增强。并且，当树脂仅需在片材间传递剪切力(shear force)时，其效果最佳。
由于压缩力集中在通孔边缘的分离纤维端，这会在树脂自身中产生大的拉伸和剪切力，因此在轮圈上通孔的区域中出现了问题。最终，高强力使得树脂在薄片之间剪切分离，一种被称为层间剪切或者分层的失败模式。这在位于增强纤维板层之间的裂缝边缘处产生了接近无限大的应力梯级或应力集中。任何随后的负载会都使得裂缝快速扩大。最终，片材薄片失去了承受压缩负载的能力并且通孔直径周围的薄片弯曲。因此，需要提供一种具有三维增强通孔的轮圈。
发明内容
本发明提供了一种用于自行车车轮的复合轮圈，该复合轮圈大体上包括径向外部轮胎接合部分、径向内部辐条接合部分、第一侧壁和与第一侧壁相间隔的第二侧壁。第一侧壁和第二侧壁在轮胎接合部分与辐条接合部分之间延伸。该轮圈包括至少一个通孔和通孔处的全厚度缝合增强(through-thickness stitching reinforcement)图案。轮胎接合部分、辐条接合部分以及第一侧壁和第二侧壁形成了超环面。
在发明的一个实施方式中，所述至少一个通孔包括沿着径向内部辐条接合部分处的线周向间隔开的多个辐条通孔。全厚度缝合增强图案沿着多个通孔的线延伸。全厚度缝合增强图案包括多个缝合行，所述多个缝合行中的一个缝合行与通孔的线相交叉，所述多个缝合行中的另一个缝合行接近通孔的线延伸。所述全厚度缝合增强图案还包括使所述多个缝合行在径向内部辐条接合部分的内表面和外表面上交织的绷缝(coverstitch)图案。所述复合轮圈由多个预浸渍片纤维片材构成。所述全厚度缝合增强图案是用线形成的。
在发明的另一实施方式中，全厚度缝合增强图案包括通孔的周边缝合图案。周边缝合图案使径向缝合沿着径向内部辐条接合部分的内表面和外表面以及沿着通孔的边缘交织。
在发明的一个实施方式中，复合自行车轮圈是通过层叠多个预切的纤维片材而形成的，所述片材包括辐条接合部分。对片材进行预切以形成期望的最终轮圈形状。沿着辐条接合部分处的线利用全厚度缝合增强图案将这些片材缝合在一起。将这些片材置入模具中(draped into tooling)以形成超环面。超环面可以形成为任意闭合曲线形状。在热压器中通过受热和受压将所述超环面固化。多个通孔沿着全厚度缝合增强图案的线穿透层压片材。可以在沿着辐条接合部分利用全厚度缝合增强图案将片材缝合在一起之前将多个预切的纤维片材部分固化。
在发明的另一实施方式中，复合轮圈是通过层叠多个预切的纤维片材而形成的，所述片材包括辐条接合部分。对片材进行预切以形成期望的最终轮圈形状。沿着辐条接合部分处的线穿透所预切的纤维片材打出多个通孔。在通孔的周边利用全厚度缝合增强图案将片材缝合在一起。将心轴(mandrel)插入通孔内。将多个预切的纤维片材置入模具中以形成超环面。在热压器中通过受热和受压将所述超环面固化。
结合附图，根据以下对本发明的一个或多个实施方式的描述，将能够更加充分地理解本发明的这些以及其他的特征和优点。
附图说明
在附图中：
图1是自行车车轮的侧视图；
图2是图1所示的自行车车轮的截面图；
图3是自行车车轮的截面图；
图4是根据本发明的复合轮圈的立体截面图；
图5是图1所示的复合轮圈的一部分的立体径向内部图示；
图6是图1所示的复合轮圈的通孔的详细立体图；
图7是根据另一实施方式的复合轮圈的通孔的详细立体图；
图8是图7所示的复合轮圈的部分截面立体图；
图9是根据另一实施方式的复合轮圈的部分立体图；
图10是图9所示的通孔的详细立体图；
图11是图9所示的复合轮圈的部分截面立体图。
具体实施方式
图1和图2例示了包括环形轮圈12、轮胎14、轮毂16和辐条系统18的自行车车轮10。轮轴(hub)16安装在自行车车架(未示出)上。辐条系统18包括多个金属辐条20，通常约32到36个辐条。参照图2，辐条20包括螺纹端22和螺纹接头(nipple)24，以将辐条20固定在轮圈12上。
图1和图2中所示的车轮10是管式(tubular)或缝合式(sew-up type)，其中轮胎14胶合到轮圈12上。轮圈12大体上包括径向外部轮胎接合部分34、径向内部辐条接合部分36、第一侧壁38和与第一侧壁38间隔开的第二侧壁40。第一和第二侧壁38和40在轮胎接合部分34与辐条接合部分36之间延伸。轮胎14胶合到轮圈12的轮胎接合部分34上。辐条接合部分36包括多个第一开口或者通孔39，以接纳辐条20的螺纹端22穿过。轮胎接合部分34包括与多个第一开口39对齐的多个第二开口41，以接纳将螺纹接头24拧紧到辐条20的螺纹端22上的工具，从而将辐条20固定在轮圈12上。轮胎接合部分34和辐条接合部分36以及第一侧壁38和第二侧壁40形成了超环面。
图3示出了另一种类型的车轮，钳入式(clincher)车轮42，其中轮胎46的胎边(bead)43和44钳入轮圈48中。轮圈48大体上包括径向外部轮胎接合部分50、径向内部辐条接合部分52、第一侧壁54和与第一侧壁54间隔开的第二侧壁56。第一和第二侧壁56和54在轮胎接合部分50与辐条接合部分52之间延伸。轮胎接合部分50包括一对圆周胎边接合部件49和51，用于接合轮胎46的胎边43和44。辐条接合部分52包括多个第一开口或者通孔53，以接纳辐条60的螺纹端58穿过。通孔53沿着辐条接合部分52处的线周向间隔开。轮胎接合部分50包括与多个第一开口53对齐的多个第二开口55，以接纳将螺纹接头62拧紧到辐条60的螺纹端58上的工具，从而将辐条60固定在轮圈48上。轮胎接合部分50和辐条接合部分52以及第一侧壁54和第二侧壁56形成了超环面。
如这里所用的，超环面是指由平面封闭曲线绕着与该曲线位于相同平面但不与其相交的线旋转所产生的表面。超环面的平面封闭曲线可以为任何形状。参照图4，生成环形轮圈12的形状的平面封闭曲线实质上是经过修改以在轮胎接合部分34处提供凹端(concave end)的椭圆。参照图2和图3，环形轮圈12和48的主次截面尺寸限定了纵横比(aspect ratio)。环形轮圈12和48的纵横比是轮圈高度H与轮圈宽度W之比。轮圈高度被定义为当轮圈垂直于水平面定向时最大的垂直轮圈尺寸。轮圈宽度是当轮圈垂直于水平面定向时最大的水平尺寸。优选地，环形轮圈12和安装在它上面的轮胎14形成了大致椭圆形的横截面，并且轮圈具有范围从1.5到5的纵横比。在示出的实施方式中，轮圈12和48的最大高度为58mm，最大宽度为27mm，因此形成了2.15的纵横比。优选地，轮圈高度大于40mm或者比轮圈直径Dr大7％。为了提高空气动力效率，最大轮圈宽度W与轮胎直径Dt的比在大约1.05到1.25的范围内。环形轮圈12和48的最大宽度W被设置得比轮胎接合部分34和50更接近辐条接合部分36和52。在图2和图3中，最大宽度W距离轮圈的端部22mm。通常来讲，环形轮圈全部由复合材料构成。并且，轮圈的内部根据需要可以是实心的、中空的、填充的或者增强的，以获得期望的强度、重量和成本。
参照图6，复合轮圈48由多个纤维片材80构成。片材80包括放置在环氧树脂或树脂基体内的纤维，因此形成了预浸渍(pre-impregnated或prepreg)片材。基体内的纤维在特定方向上定向，在它们的定向方向(例如图6的X方向)上提供了高强度而在与它们的定向方向垂直的方向(例如图6的Y和Z方向)上提供了低强度。参照图4至图6，示出了一种用于辐条通孔53的全厚度缝合增强图案82。缝合增强图案82包括多个缝合行83和84，中心行83与通孔53交叉，平行相邻的行84在孔53的任一侧接近通孔53的线延伸。
参照图7和图8，示出了另选的全厚度缝合增强图案86。全厚度缝合增强图案86包括多个缝合行88和90，中心行88贯穿通孔53，平行相邻的行90在孔53的任一侧接近通孔53的线延伸，除了包括额外的绷缝(coverstitch)图案92外，与全厚度缝合增强图案82类似。绷缝图案92使多个缝合行88和90在辐条接合部分52的内表面94和外表面96上相交织。使用三针五线绷缝(3-needle and 5-thread coverstitch)可以形成全厚度缝合增强图案86，以在X、Y和Z方向上增强通孔53，具体来讲，Z方向上的缝合用于夹紧或闭合通孔53的边缘98，以抑制层间剪切和纤维分层。可以使用包括
Figure BDA0000059362680000051
的各种线材料。
参照图9至图11，示出了用于通孔53的周边102的另选的全厚度缝合增强图案100。全厚度缝合增强图案100包括沿着辐条接合部分52的内表面94和外表面96以及沿着通孔53的边缘98相交织的径向缝合104。
复合自行车轮圈48是通过层叠多个预切(precut)的纤维片材80而形成的，片材80包括辐条接合部分52。对片材80进行预切以形成期望的最终轮圈形状。沿着辐条接合部分52处的线利用全厚度缝合增强图案82或86将片材80缝合在一起。将片材80置入模具中以形成超环面。超环面可以形成为任意的闭合曲线形状。在热压器中通过受热和受压将超环面固化。多个通孔53沿着全厚度缝合增强图案82或86中的线穿透层压片材。可以在沿着辐条接合部分利用全厚度缝合增强图案82或86将片材80缝合在一起之前将多个预切的纤维片材80部分固化。
另选的是，复合轮圈48是通过层叠多个预切的纤维片材80而形成的，片材80包括辐条接合部分52。对片材80进行预切以形成期望的最终轮圈形状。多个通孔53沿着辐条接合部分52处的线穿透预切的纤维片材80。在通孔53的周边102利用全厚度缝合增强100图案将片材80缝合在一起。心轴(未示出)插入在通孔53中。将多个预切的纤维片材80置入模具中以形成超环面。在热压器中通过受热和受压将超环面固化。
尽管参照多个实施方式描述了本发明，但应当理解，可以在所描述的发明思想的精神和范围内进行各种变化。因此，本发明并非仅限于公开的实施方式，而是具有所附权利要求的文字允许的全部范围。

Claims (26)

1.一种用于自行车车轮的复合轮圈，该复合轮圈包括：
径向外部轮胎接合部分；
径向内部辐条接合部分；
第一侧壁；
与第一侧壁间隔开的第二侧壁，第一侧壁和第二侧壁在所述轮胎接合部分与所述辐条接合部分之间延伸；
至少一个通孔；以及
通孔处的全厚度缝合增强图案，
所述轮胎接合部分、所述辐条接合部分以及第一侧壁和第二侧壁形成超环面。
2.根据权利要求1所述的复合轮圈，其中，所述至少一个通孔包括沿着所述径向内部辐条接合部分处的线周向间隔开的多个通孔，所述全厚度缝合增强图案沿着多个通孔的线延伸。
3.根据权利要求2所述的复合轮圈，其中，所述多个通孔是辐条孔。
4.根据权利要求3所述的复合轮圈，其中，所述全厚度缝合增强图案包括多个缝合行，所述多个缝合行中的一个缝合行与通孔的线相交叉，所述多个缝合行中的另一个缝合行接近通孔的线延伸。
5.根据权利要求4所述的复合轮圈，其中，所述径向内部辐条接合部分包括内表面和外表面，所述全厚度缝合增强图案包括使所述多个缝合行在所述内表面和所述外表面上交织的绷缝图案。
6.根据权利要求5所述的复合轮圈，其中，该复合轮圈由多个预浸渍纤维片材构成。
7.根据权利要求6所述的复合轮圈，其中，所述全厚度缝合增强图案由丝线形成。
8.根据权利要求1所述的复合轮圈，其中，所述通孔具有周界并且所述全厚度缝合增强图案包括所述通孔的周界缝合图案。
9.根据权利要求8所述的复合轮圈，其中，所述径向内部辐条接合部分包括内表面和外表面，所述通孔具有边缘，所述周界缝合图案使径向缝合沿着所述内表面和所述外表面以及沿着所述通孔的所述边缘交织。
10.根据权利要求9所述的复合轮圈，其中，所述至少一个通孔包括沿着所述径向内部辐条接合部分处的线周向间隔开的多个通孔。
11.根据权利要求10所述的复合轮圈，其中，所述多个通孔是辐条孔。
12.根据权利要求11所述的复合轮圈，其中，所述复合轮圈由多个预浸渍纤维片材构成。
13.根据权利要求12所述的复合轮圈，其中，所述全厚度缝合增强图案由丝线形成。
14.根据权利要求1所述的复合轮圈，其中，该复合轮圈由多个预浸渍纤维片材构成。
15.根据权利要求14所述的复合轮圈，其中，所述全厚度缝合增强图案由丝线形成。
16.一种制造复合自行车轮圈的方法，该方法包括以下步骤：
层叠多个预切的纤维片材，这些片材包括辐条接合部分；
沿着所述辐条接合部分处的线、利用全厚度缝合增强图案将这些片材缝合在一起；
将这多个预切的纤维片材置入模具中以形成超环面，该超环面包括径向外部轮胎接合部分、被布置为径向向内的所述辐条接合部分、第一侧壁和与第一侧壁间隔开的第二侧壁，第一侧壁和第二侧壁在所述轮胎接合部分与所述辐条接合部分之间延伸；
使所述超环面在受热和受压下固化；以及
沿着所述全厚度缝合增强图案的线打出周向间隔开的多个通孔。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述全厚度缝合增强图案包括多个缝合行，所述多个缝合行中的一个缝合行与通孔的线相交叉，所述多个缝合行中的另一个缝合行接近通孔的线延伸。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述径向内部辐条接合部分包括内表面和外表面，所述全厚度缝合增强图案包括使所述多个缝合行在所述内表面和所述外表面上交织的绷缝图案。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述多个预切的纤维片材是预浸渍片材。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述全厚度缝合增强图案由丝线形成。
21.根据权利要求20所述的方法，该方法还包括以下步骤：在沿着所述辐条接合部分、利用所述全厚度缝合增强图案将所述片材缝合在一起之前，部分固化所述多个预切的纤维片材。
22.一种制造复合自行车轮圈的方法，该方法包括以下步骤：
层叠多个预切的纤维片材，这些片材包括辐条接合部分；
沿着所述辐条接合部分处的线、穿透所述预切的纤维片材打出多个通孔，所述通孔包括周界；
在所述通孔的周界、利用全厚度缝合增强图案将这些片材缝合在一起；
将心轴插入所述通孔中；
将所述多个预切的纤维片材置入模具中以形成超环面，该超环面包括径向外部轮胎接合部分、被布置为径向向内的所述辐条接合部分、第一侧壁和与第一侧壁间隔开的第二侧壁，第一侧壁和第二侧壁在所述轮胎接合部分与所述辐条接合部分之间延伸；以及
使所述超环面在受热和受压下固化。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述径向内部辐条接合部分包括内表面和外表面，所述通孔具有边缘，所述周界缝合图案使径向缝合沿着所述内表面和所述外表面以及沿着所述通孔的所述边缘交织。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述多个通孔是辐条孔。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述多个预切的纤维片材是预浸渍片材。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述全厚度缝合增强图案由丝线形成。
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