CN102458973A - 复合纤维自行车车轮 - Google Patents

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Abstract

碳纤维自行车车轮由零件形成，所述零件切割自碳纤维布，然后粘合在一起以形成轮辋、侧壁、轮辐、凸缘以及该凸缘安装在其上的中心管道。接着将所述零件组装、粘合在一起并且固化以形成车轮。在组装过程中，通过在组装之后在中心管道上向外移动凸缘使轮辐和车轮处于张紧状态，并且接着将其粘合就位以加固和强化车轮。后部车轮的驱动侧的轮辐特别地被成形为吸收由于踩踏而产生的扭矩传递力。

Description

复合纤维自行车车轮
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年5月26日提交的美国临时申请No.61/216,977的优先权，该申请的全部内容通过引用的方式结合到本文中。
背景技术
复合材料自行车车轮是已知的，但是这种车轮通常通过将车轮模制成单件制成，或者通过模制车轮的零件，然后机械地组装模制的零件以形成车轮。两件式车轮是已知的，其中每个半部都包括轮辋、轮辐和轮毂，两个半部粘合在一起。由复合材料部分和金属部分形成的车轮也是已知的。具有由复合纤维线组形成的轮辐的车轮是已知的。在多数情况下，复合材料车轮的轮辐具有较大的直径，而在一些情况下，车轮的整个中心部分形成为单件。所有已知的用于形成复合材料车轮的方法都是复杂和高成本的，并且所生产的车轮比根据本发明制造的车轮更重。
发明内容
提供本概述来介绍(以简单的形式)在下文的具体实施方式中进一步进行描述的理念的选择。本概述既不期望界定要求保护的主题的关键特征，也不期望被用于帮助确定要求保护的主题的范围。
鉴于制造已知的复合材料自行车车轮中的困难、其生产成本及其重量，本申请的发明人设计出一种用于制造新颖的碳纤维自行车车轮的改进的方法。该方法经济地制造出相比已知的车轮更轻并且空气动力学性能更好的碳纤维自行车车轮，同时还是牢固并且耐用的。
根据本发明的一个实施例，车轮的所有零件都由碳纤维形成。包括轮辋、侧壁、轮辐、轮辐附连至其上的中心凸缘，以及凸缘安装在其上的中心管道的自行车车轮的各个零件都由从碳纤维布或带切割的片材形成。将切割的片材放置在一起并固化以形成车轮的各个零件，然后以选定的顺序将零件粘合在一起并固化以形成车轮。通过向外滑动安装在中心管道上的凸缘并接着将其粘合就位来向轮辐增加张力。轮辐张力的增加使车轮得到加固和强化。
由简单的形状形成车轮的所有零件消除了对现有技术中使用的复杂并且高成本的模制技术的需要。此外，本过程允许零件中的每一个形成为使得使用过程中车轮中的零件遭遇的力都由纵向地对齐的碳纤维承受。因此，碳纤维的抗拉强度用于对抗车轮在使用过程中经受的载荷。
上述过程允许制造多种轮辋和侧壁并且以独特的组合将其连接，以制造不同的车轮来满足各种尺寸和性能水平的骑车人的需要。因此，可以利用相同的加工来制造各种刚度、重量和耐用性的车轮。
附图说明
通过参考结合附图的以下详细描述，将更容易并更好地理解本发明的前述方面和许多伴随的优势，其中：
图1是根据本发明制成的前部自行车车轮的透视图；
图2是图1的实施例的侧视图；
图3是图1的自行车车轮的分解视图；
图4是图1的自行车车轮的侧壁的透视图，其中示出轮辐向侧壁上的安装；
图5是图4的侧壁的剖视图，其中示出轮辐向侧壁上的粘合；
图6是叠置以形成侧壁的多块碳纤维布的分解视图。
图7是根据本发明制成的自行车车轮的轮辋的横截面图；
图8是根据本发明制成的后部自行车车轮的右侧透视图；
图9是图8的自行车车轮的左侧透视图；
图10是图8的自行车车轮的右侧正视图；
图11是图8的自行车车轮的右侧分解视图；
图12是图8的自行车车轮的左侧分解视图；
图13是图8的后部自行车车轮的右侧的轮辐的分解视图，其中示出轮辐粘合在一起的方式；
图14是沿图10的线14-14截取的剖视图；
图15A是图14的自行车车轮的轮毂部的放大的视图，其中示出左侧凸缘处于其初始位置；以及
图15B是图14的轮毂的放大的透视图，其中示出左侧凸缘向外移动以张紧车轮的轮辐。
具体实施方式
根据本发明的第一实施例，图1中示出了根据本发明制成的碳纤维前部自行车车轮10。应当理解，本文所公开的前部自行车车轮和后部自行车车轮具有相同的基本设计——由简单形状的碳纤维部件制成的粘合结构。但是，将对涉及后部车轮需要处理由踩踏产生的扭力的一些区别进行讨论。
参考图1至图3，将看到自行车车轮10由多个独立的零件形成，多个独立的零件包括轮辋12、右侧侧壁14和左侧侧壁16、轮辐18、轮辐的向内端部粘合至其上的凸缘20，以及中心管道22。这些独立的零件中的每一个均由从碳纤维布切割的片材形成。在一些情况下，也使用多片单向碳纤维带，如何选择取决于零件的形状以及避免浪费昂贵的碳纤维材料。例如，轮辐可以从单向碳纤维带切割，但是应当理解，可替代地，轮辐可以从编织碳纤维布切割。在一些情况下，零件可以由布和单向带的组合物制成，适当的材料的选择在形成碳纤维零件的领域内的普通技术人员的能力范围内，并且这些普通技术人员因此明白碳纤维的较大的抗拉强度。
参考图6，公开了一种形成侧壁的方法，该方法包括连接碳纤维布的弧形段。为了加强车轮，从碳纤维布切割弧形段，使得最大数目的碳纤维在完全的端到端的方向上延伸。与各个弧的中心相切的那些纤维形成锁定各个弧形段的筋(tendons)，以防止各个弧形段在使用过程中由弧形形状挠曲成矩形形状。因此，碳纤维的这种布置提高了车轮的负荷承载能力。
如图6所示，碳纤维布的六个弧形段24以重叠关系连接并粘合，从而形成圆形侧壁16。弧形段24中的每一个均与邻近的段重叠，以提供较大的粘合区域26用于布置环氧树脂或其它适当的粘合材料。已经证实，将各个段重叠大约一英寸会产生段之间的牢固粘合并且还为轮辐18提供牢固的安装区域。
在优选的形式中，连接并粘合的段在由热膨胀橡胶和真空提供的机械压缩和压力的传统工具中进行固化。已经证实，由两层段24形成侧壁提供了牢固和耐用的侧壁。优选地，段的第二层从第一段旋转(clocked)大约30°，使得覆盖接头不会布置在另一个覆盖接头的顶部上，以防止侧壁上的过度增厚的段。也已证实，弧形段的第二层不需要重叠与如上所述的第一层的段那么大的量。重叠接头26为轮辐18的外端部提供牢固的安装点。
在侧壁的粘合以及固化之后，在连接至轮辋12之前对其边缘进行修整和磨光。应当理解，与在其它碳复合材料车轮上建立的侧壁不同，本发明的侧壁是载荷承载、张紧的结构。通过减小轮辐连接至侧壁处的峰值应力，上述结构带来了更高效、更高性能的结构。在一些实施例中，侧壁可以具有专用的制动表面，该专用的制动表面具有例如为点覆盖的磨损指示器。当已磨损时，可以应用新的制动表面。
参考图7，轮辋12由编织碳纤维布和单向带的叠合的片材形成，在优选实施例中，编织碳纤维布和单向带包绕木芯28。木芯28不是结构元件，而是用作间隔件，由于木材相比碳纤维具有较低的密度，因此使得车轮制造得更轻。
轮辋是通过将叠合的片材放置在钢制模具中并且接着在加热和加压条件下以传统方式将其固化形成的。所形成的轮辋通过由磨料打磨器和锯修整来再次进行磨光。轮辋的外表面形成适于容置传统的橡胶轮胎的通道30的形状。开口32(图4)设置成容置从轮胎穿过轮辋延伸的向内导向的气阀，通过该气阀向轮胎充气。
可以使用由一包单向带组装并绑缚的编织碳纤维布的矩形和盘形成凸缘20(图3)，使得碳纤维定向成许多沿径向方向设置以支承本发明的高轮辐张力连接。同样，在传统工具中固化叠合的矩形、盘和带，然后通过磨料打磨机对其进行修整以去除粗糙的边缘。
轮辐18优选地由碳纤维带的多层单向夹层形成，在碳纤维带的多层单向夹层中，纤维沿纵向延伸，以便将高张力载荷从轮毂凸缘20传递至侧壁16。这种构造提高了轮辐的抗拉强度，以提供改进的刚度和性能。轮辐的平整度减小了辐条式车轮的不规则水平的阻力。轮辐在高机械压力和高膨胀橡胶压力的条件下进行固化，并且接着被切割成如附图所示的精确形状。轮辐18的加宽的端部提供了较大的粘合表面。
此外，参考图4和图5，车轮的零件的组装通过一系列结合步骤被实现，所述结合步骤采用传统加工以确保对齐，以及高温和高压。第一粘合步骤包括在侧壁的弧形段24重叠的位置26处将六个轮辐18粘合至各个侧壁14和16上。如前所述，轮辐18被安装在重叠接头26处，使其如下所述地能够更好地支承施加到轮辐上的高轮辐张力载荷。如图5所示，轮辐18的外端部延伸穿过槽34，并利用例如为环氧树脂的传统粘合剂36粘合至侧壁的内侧。如在关于右后部车轮轮辐的图14的横截面图中最佳地看到的，侧壁14和16均在轮辐插入槽34的位置处包括周向轮廓变化部15。该轮廓变化部使得槽34指向相对侧的凸缘20，同时最小化对侧壁表面的破坏，从而提高了磨光的侧壁的强度和空气动力学性能。如在图4中最佳地看到的，轮辐18的内端部被成形为使得其底部边缘彼此邻接，以当全部轮辐在侧壁16的外表面上安装就位时限定圆形开口37。
在轮辐粘合至侧壁之后，具有附连的轮辐18的两个侧壁14和16粘合至轮辋12的横向表面38，并且以传统方式固化以上粘合。接着，轮辐18的内端部粘合至凸缘20的外表面上并被固化。应当理解，凸缘20可形成有由凸缘20向外延伸的短轮辐安装段39，已经去除了这些段之间的材料以减轻重量。参见图1和图3。
凸缘20还包括向内延伸的管状部21，管状部21的尺寸设定为容置中心管道22。当管道22插入穿过凸缘20时，凸缘设置在第一位置处。如将参照图15A和15B在下文中进行更详细地讨论的，通过将凸缘20横向移开较短的距离向轮辐18增加张力。这个过程产生均衡地张紧的轮辐，从而消除了进行修整的需要并且减少了劳动时间、降低了车轮成本。由于能够容易地改变轮辐的几何形状、叠合和轮辐的张紧水平，因此上述过程还允许在不投资新的加工的条件下容易地为不同类型的骑车人定制车轮。在实践中，已经证实，该横向距离需要不大于四分之一英寸或者更小，通过对轮辐18的纵向地延伸的碳纤维的纵向延伸的阻力来限制进一步的向外移动。在轮辐横向向外移动之后，轮辐通过传统的夹具保持就位并粘合至管道22上，以保持轮辐中的诱发张力。
应当理解，所述的形成自行车的车轮的方法使用100％碳纤维布和带来形成所有的结构零件，以及仅通过将零件粘合和固化在一起由这种材料的扁平段组装车轮，而无需模制任何的空心元件。所形成的车轮不但相比已知的碳纤维车轮的制造成本更低，而且还由于增加了诱发应力而产生了非常牢固并且耐用的车轮。
现在参考图8至图10，公开了包括如图9中最佳地看到的左手侧的后部自行车车轮40，左手侧具有与以上关于图1至图7讨论的前部车轮侧壁和轮辐构造相似的构造。如图8和图10中最佳地看到的，后部车轮的右侧采用不同形式的叉形轮辐42(也见图13)，叉形轮辐42的内端部48彼此粘合，并粘合至后部车轮的右侧凸缘44上。
应当理解，除了后部轮毂和后右侧轮辐的构造上的差异，制造后部车轮40的方法与上文所述的制造前部车轮10的方法基本相同。
如图13中最佳地看到的，叉形轮辐42包括扁平外部46，扁平外部46延伸穿过左侧侧壁16中的槽34并且以上文关于图5的前部车轮讨论的方式粘合至侧壁的内侧。叉形轮辐42的内分叉端部48彼此叠置，如图13中最佳地看到的，并被粘合以限定六边形开口50。轮辐的加宽基部使得轮辐能够更好地传递由从动轮毂的转矩引起的剪切载荷。加宽端部还可以由与轮辐的长度以一定角度定向的纤维板层形成，以进一步加强轮辐/轮毂连接。
参照图11和图12，后部车轮的轮毂零件示出为包括左侧凸缘52和右侧凸缘44，右侧凸缘44所示形成为包括向内延伸的管道56，如将在下文中进行讨论的，左侧凸缘52安装在管道56上。具有六边形外表面的配件58和适于容置传统的自由轮毂的向外延伸的管件60安装在凸缘44的外中心开口内。驱动侧右后部轮辐42成形为吸收(accommodate)由于踩踏力而产生的传递至后部车轮40的右侧的高扭力，踩踏力通过连接自行车的前部链轮和后部链轮的链条进行传递，车轮安装在自行车的前部链轮和后部链轮上。分支的轮辐设计成承受高扭矩传递力并且包括定向成最佳吸收这种力的较大的粘合表面46和48。如前所述，通过连接重叠的轮辐42形成的六边形开口50配合在配件58的六边形外边缘上来形成机械连接，并且因此额外地吸收从轮毂穿过轮辐传递至外车轮的扭矩。
如图13中最佳地看到的，轮辐接合在一起处的轮辐的内端部48的轮辐式样形成为两层，单层的每个轮辐跨越120度，使得三个轮辐包括完整的圆形层。第二层的三个轮辐相对于第一层偏置60度并且粘合在第一层的顶部上。由于轮辐的平整度和宽度，两层组件是可能的，并且在最终组件中产生较大的强度。
同样，前部车轮和后部车轮具有相同的基本设计——由简单成形的平整碳纤维部件制成的粘合结构。在各个部件的例子中，将多片碳纤维预浸渍织物或单向碳纤维带切割成式样形状。这些织物和带的片材以精确的顺序、方向和层在传统的工具中叠合，然后在真空中和在高温下的加压条件下固化。接着将固化部件修整成形，并且通过粘合剂将经过修整的零件组装、粘合在一起，并且接着进行高温固化。最后，如下文所讨论的，将高张力引入最终结构中。
现在参考图14、图15A和图15B，是后部车轮40及其中心轮毂组件的剖视图，中心轮毂组件具有安装在其上的车轮凸缘44和52。
如图15A中最佳地看到的，在对车轮的所有零件进行组装之后，左侧凸缘52在管道56的端部上滑动，如上所述，管道56形成为右侧凸缘44的一部分。
此外，参照图15B，以上文关于前部车轮进行讨论的方式，通过将右侧凸缘44和左侧凸缘52横向地移开并且接着将左侧凸缘52粘合至管道56以保持轮辐和车轮中的张力，将张力增加至轮辐和车轮。图15B以假想线示出凸缘52的初始位置，箭头62示出凸缘52相对于凸缘44移动的方向。应当理解，图15B中所示的移动的距离仅是例示性的，在实际情况中，需要相对较小的移动来向轮辐和车轮结构增加高张力。
作为最后的步骤，所有的轮辐都通过高强度的线联接，以防止剥离故障并提高耐用性和安全性。联接件45出现在用于前部轮辐和左后部轮辐的各个轮辐与轮毂粘合处的周围。对于右后部轮辐而言，由于联接件在轮辐的路径上跨过侧壁，因此联接件将轮辐系在一起。在所有的情况下，联接件防止在轮辐趋于在事故中剥离的情况下的轮辐与轮毂的粘合失效。
尽管已经示出并且描述了某些实施例，但是应当理解，能够在不偏离本发明的精神和范围的情况下做出各种改变。

Claims (22)

1.一种碳纤维自行车车轮，包括：
轮辋，所述轮辋具有中心管道以及第一侧和第二侧；
第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁和所述第二侧壁粘合至所述轮辋的所述第一侧和所述第二侧上；
多个扁平轮辐，所述多个扁平轮辐粘合至所述侧壁中的每一个上并且朝向第一凸缘和第二凸缘向内延伸，所述凸缘彼此横向地隔开；
所述第一凸缘和所述第二凸缘具有径向地向外延伸的至少一个部分，所述轮辐粘合至所述至少一个部分上。
2.根据权利要求1所述的自行车车轮，其中，所述第一侧壁和所述第二侧壁由编织碳纤维布的弧形段形成；
所述弧形段彼此部分地重叠，以形成圆形侧壁。
3.根据权利要求2所述的自行车车轮，其中，所述侧壁由编织碳纤维布的弧形段的层形成，所述层相对于彼此周向地偏置。
4.根据权利要求2所述的自行车车轮，其中，所述编织碳纤维布的所述弧形段中的每一个均切割成使得最大数目的碳纤维在所述段上端到端地延伸。
5.根据权利要求1所述的自行车车轮，其中，所述凸缘中的至少一个相对于另一个横向可移动地安装，使得所述凸缘的横向向外的移动张紧所述轮辐。
6.根据权利要求1所述的自行车车轮，其中，所述扁平轮辐由碳纤维材料切割，使得最大数目的碳纤维沿所述轮辐纵向地延伸。
7.根据权利要求2所述的自行车车轮，其中，所述轮辐在所述侧壁的所述弧形段中的至少两个彼此重叠的点处粘合至所述侧壁上。
8.根据权利要求2所述的自行车车轮，其中，所述侧壁由至少一个重叠的弧形段的层形成，所述轮辐在所述重叠的区域处粘合至所述侧壁上。
9.根据权利要求1所述的自行车车轮，其中，所述轮辐纵向地延伸，并且在至少一个端部处被加宽以增大所述轮辐端部与所述侧壁或所述凸缘之间的粘合表面的尺寸。
10.根据权利要求1所述的自行车车轮，其中，所述第一侧壁和所述第二侧壁包括周向轮廓变化部，所述扁平轮辐穿过所述侧壁中的槽朝向所述凸缘向内延伸，所述槽定位在所述周向轮廓变化部处。
11.一种用于自行车的后部的碳纤维自行车车轮，包括：
圆形轮辋、粘合至所述轮辋上的第一侧壁和第二侧壁、粘合至所述侧壁中的至少一个上并向内延伸用于附连至第一凸缘上的第一组轮辐、粘合至所述侧壁中的至少一个上并向内延伸用于附连至第二凸缘上的第二组轮辐，所述第一凸缘和所述第一组轮辐的形状不同于所述第二凸缘和所述第二组轮辐的形状。
12.根据权利要求11所述的后部自行车车轮，其中，所述第二组轮辐在邻近所述轮辐的凸缘端部的位置沿所述第二组轮辐的长度分支。
13.根据权利要求11所述的后部自行车车轮，其中，所述第一侧壁、所述第一组轮辐以及所述第一凸缘定位在所述后部自行车车轮的左侧上，所述第二侧壁、所述第二组轮辐以及所述第二凸缘定位在所述车轮的右侧上。
14.根据权利要求12所述的后部自行车车轮，其中，所述第二组轮辐的分支的端部彼此叠置并且粘合在一起。
15.根据权利要求14所述的后部自行车车轮，其中，所述叠置的轮辐端部限定中心开口，所述中心开口成形为与所述相关联的凸缘的相似成形部机械地配合。
16.一种制造自行车车轮的方法，包括以下步骤：
选择一片编织碳纤维布；
从所述布切割式样形状；
叠合所述式样形状以形成包括轮辋、一对侧壁、一对凸缘以及多个轮辐的自行车车轮零件；
固化所述叠合的自行车车轮零件；
用粘合剂将所述固化的零件粘合在一起以形成车轮并固化所述粘合的零件；
以横向间隔开的关系连接所述凸缘；以及
将所述凸缘横向地移开以在所述轮辐中产生张力并粘合所述凸缘以保持所述轮辐中的所述张力。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，以横向地间隔开的关系连接所述凸缘的步骤包括将所述凸缘安装到管状管道上的步骤。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，将所述凸缘横向地移开并将其粘合就位的步骤包括使所述凸缘中的一个形成为包括横向地延伸的管的步骤和将所述凸缘中的第二个安装到所述管上的步骤；
在所述管状管道上横向地向外移动所述第二凸缘，并将所述第二凸缘粘合就位。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，从所述编织碳纤维布切割式样形状以形成所述成对的侧壁的步骤包括将所述式样形状切割成弧形使得最大数目的碳纤维在所述弧形式样形状上端到端地延伸的步骤。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，叠合所述式样形状的步骤包括叠合所述形状使得最大数目的碳纤维在所述零件中端到端地延伸的步骤。
21.根据权利要求16所述的方法，其中，切割并叠合所述式样形状以形成侧壁的步骤包括切割弧形段并将所述段端到端地叠合使得所述段的端部重叠的步骤。
22.根据权利要求16所述的方法，其中，叠合所述式样形状以形成轮辋的步骤包括围绕填充件包绕所述轮辋式样形状的步骤。
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