CN102481804A - 聚合物材料车轮 - Google Patents

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Abstract

本发明的车轮包括由中部轮盘(10)和构造为保持车辆轮胎的轮辋(20)形成的本体(C)，所述中部轮盘具有待安装到车辆的轴端部上的中央孔(11)和用于固定螺栓通过的多个偏心孔(12)，所述车轮的特征在于，所述车轮的所述本体(C)以聚合物复合材料注入成型为单片件，所述聚合物复合材料是均匀的混合物，所述混合物为40％至70％的热塑性聚合物基体、30％至60％的合成纤维以及0.01％至10％的添加剂。

Description

聚合物材料车轮
技术领域
本发明涉及一种用于施加到若干种车辆上的轮胎车轮的新型构造，例如小汽车、轻型和重型多用途车辆、摩托车、三轮车、四轮车、用于内部运输负载和人员的车辆、农用车辆以及用于其他应用的车辆，所述车轮由热塑性复合材料制成。
背景技术
如在现有技术中已知的，聚合物复合材料是那些其中两种或更多种材料相关联以实现特性和性能优化的协同，以及由此实现优于单一材料的特征。复合材料常常源自于具有一种或多种增强材料的聚合物基体的联合。
在工业中，存在对于如下产品的显著需求：该产品提供重量的减小，与由设计自由度提供的特性改进、性能优化和差分视觉方面相关联。除了这些方面以外，所预期的是：生产率增大、质量改进、因为可回收而对生态友好、更舒适和更安全、更大的自主性、减小污染物排放等等。
轻重量合金车轮制造为铸造的单一件并且钢车轮由冲压轮辋和轮盘制成，从而需要焊接点，在这些焊接点中可能出现氧化点，从而损害产品的耐用性和安全性。待考虑的另一方面在于金属材料具有比聚合物材料高的比重，从而意味着用于以这种材料制造的车轮的更大质量，以及由此更重的车辆和更高的能源和/或燃料消耗。
除了以上不利以外，这些已知的车轮可以在撞击的情况下具有永久变形(塑性变形)，从而导致对产品及与产品相关联的系统的严重的或甚至永久的破坏。具体地，铸造轻重量合金车轮的工艺由于在材料中出现的多孔性而增加失效的可能性，这是难以控制的并且对于制造工艺而言是固有的。随后的机加工步骤是昂贵且冗长的工艺，其产生很多油残余和废金属。此外，当分析车轮的整个生产周期时，存在对于铸造工艺而言固有的电能、水和其他输入的高消耗。
已经尝试通过若干工艺并且常常使用热固性材料(不可回收)来生产以玻璃纤维增强的聚合物车轮，这些尝试在确认测试中失效或者被认为是商业不可行的。
在专利US 4,900,097中描述了一种现有技术的示例，其使用插入固定螺栓与制动系统之间的轮盘，该轮盘具有散热的目的。在该构造中，轮盘可以与塑料轮辋分离。
专利US 3,811,737建议使用金属板以避免螺栓过度地紧固在具有低的耐压缩性的树脂中。
专利US 3,917,352具有若干连续的玻璃纤维丝以增强塑料结构，但是制造工艺是昂贵的和困难的，从而使最终的产品经济上不可行或不具竞争性。
在专利US 4,072,358中，车轮在压缩具有切割玻璃纤维的聚酰胺(PI)板的工艺中模制形成。
专利US 5,826,948具有以彼此粘合的两片件制成的车轮，从而需要两个注入成型模具，这增大了生产成本。
专利US 5,268,139公开了一种设计以避免在弱化区域中的不同聚合物流向线的编织线，这是对于车轮的设计自由度以及使其塑料形式适于每个设计需求的大的限制。
已知的以塑料材料形成的车辆车轮通常由聚合物材料获得，其成分具有就其结构抵抗性、对气候条件的抵抗性、老化、承受大的紧固能力、以及在轴端部(车轮安装在轴端部中)中的保持力而言的缺陷，并且还涉及制造的复杂性以及使其结构设计在每个应用中适于美学和功能需求。
发明内容
面临由迄今为止已知的用于充气轮胎的车辆车轮呈现的缺点，本发明的目的是提供一种聚合物复合材料车轮，其易于制造，具有高的生产率和高的设计多功能性，还具有对张力、压缩、弯曲和撞击的高抵抗性，并且确保长的有用寿命，甚至当其在车辆中的使用期间经受有害的气候条件和化学攻击时也如此。
由本文提出的单片件构造类型的车轮实现的正面特性由于用于所构思的产品(其初始地和实质上生效)的适当项目以及用于注入成型单件式本体的新型聚合物混合物而变为可行，其中所述车轮包括由中部轮盘和周缘轮辋形成的单一本体，所述中部轮盘设有窗口(“装饰孔”)、待安装到车辆的轴端部上的中央孔、用于通过固定螺栓的多个孔，所述周缘轮辋构造为保持车辆轮胎，所述新型聚合物混合物以均匀混合的方式包括40％至70％的热塑性聚合物基体(优选地为聚酰胺(PA))、30％至60％的合成纤维(优选地为与碳纤维组合的合成玻璃纤维)、10％至30％的撞击改良剂、0.01％至10％的添加剂、稳定剂、润滑剂和颜料。
除了新型车轮的结构和功能特征以外，应当理解的是，通过注入成型模制工艺制造的本体允许减小生产周期、消除模制后续步骤、减小原材料的浪费和能量消耗、减小成本并且使产品经济上可行。
产品就美学(设计)和功能(构造)方面而言的开发关联于计算机模拟，比如通过使用用于有限元分析(FEA)的软件而就结构、疲劳和形态(可加工性)方面的分析；在设计/产品/原材料/工艺与工具之间的交互分析；以及物理试验台测试的虚拟模拟，这使对产品性能的分析加速，从而避免试错。
这种模拟减小涉及到产品的设想、开发和审批步骤方面的时间和成本。最后，与耐用性和场地测试相关联的实验室和疲劳测试能够审批遵从于特定应用需求的产品。但是，由于缺少用于这种聚合物复合材料类型的产品的具体的国家和国际规则和准则，因此已经基于应用到通常以金属材料和它们的合金制造的现有产品上的SAE、ISO和NBR(巴西规则)的规范和准则(除了一些车辆制造者的需求)执行性能评估。
待考虑的另一要点在于车辆不需要被修改以接收本发明的车轮。
附图说明
下面将参照作为图示用于本车轮的可能实施例而给出的附图描述本发明，并且其中：
图1描绘不具有嵌入物的车轮构造的局部剖视立体图；
图2描绘了设有金属合金的嵌入物的车轮构造的局部剖视立体图，该嵌入物附接到中部轮盘的中央孔的内部中，以覆盖中央孔的整个轴向延伸部；
图3描绘与图2相似的立体图，但是图示了中部轮盘的偏心孔在其整个轴向延伸部中由金属合金的嵌入物内部覆盖；
图4描绘了与图3相似的立体图，但是图示了中部轮盘的偏心孔在其轴向延伸部的一部分中由嵌入物内部覆盖；
图5描绘了与图2和图4相似的立体图，其中通过相应的金属合金的嵌入物使中央孔在其整个延伸部中被内部覆盖并且使偏心孔仅在其延伸部的一部分中由相应的金属合金嵌入物内部覆盖；以及
图6描绘了与图5相似的立体图，但是图示了一种构造，其中中央孔的嵌入物和偏心孔的嵌入物形成单片件，在其上注入成型形成车轮本体的聚合物材料。
具体实施方式
如已经提及的和在附图中图示的，本车轮是如下类型，其包括：由中部轮盘10和构造为保持车辆的轮胎的轮辋20形成的本体C，该中部轮盘设有待安装到车辆的轴端部上的中央孔11和用于固定螺栓通过的多个偏心孔12。在图示的构造形式中，中央孔11具有大致圆筒形的且轴向最内的安装部分11a，该安装部分绕车辆的相应的轴端部安装。另一方面，偏心孔12具有轴向最内的圆筒形部分12a和轴向最外的去头圆锥形部分12b，其中所述圆筒形部分作为用于将车轮附接到车辆上的螺栓的本体的导向部，所述去头圆锥形部分的内部容置与车轮的紧固螺栓或螺母可操作地相联的六角螺栓或螺母的圆锥形区域。
根据本发明，本体C是以聚合物复合材料注入成型的单片件，该聚合物复合材料是均匀的混合物，包括40％至70％的热塑性聚合物基体，30％至60％的合成纤维，以及0.01％至10％的添加剂。
优选地，聚合物基体通过聚酰胺(PA)获得，合成纤维由精细柔性的长玻璃纤维丝限定，具有对于张力、弯曲和撞击的高的抵抗性。
此外，用于形成车轮的本体C的优选的添加剂由兼容剂、阻老化剂、热稳定剂、UV添加剂/吸收剂、阻燃剂、加工助剂、主抗氧化剂和助抗氧剂以及颜料限定。
取决于车轮在其在车辆的有用寿命中经受的力，设置增强元件可能是便利的并且甚至是必要的，该增强元件以金属合金构造并且其采取嵌入物30、40的形式，该嵌入物仅设置在中央孔11的内部或仅设置在偏心孔12的内部，或者甚至设置在中央孔11和偏心孔12的内部，以向本体C的与车辆的轴端部或用于将车轮紧固至车辆上的螺栓直接接触的部分赋予更高的结构抵抗性。
在图1中图示的构造中，本体C不具有嵌入物30、40。
在图2中图示的构造中，仅中央孔11的安装部分11a由相应的嵌入物30内部覆盖。应当理解的是，该嵌入物30可以延伸穿过中央孔11的所述安装部分11a的整个轴向延伸部，或仅穿过所述延伸部的一部分。
在图3的构造中，仅偏心孔12由相应的管状嵌入物40内部覆盖。在该附图中，每个偏心孔12的圆筒形部分12a和去头圆锥形部分12b均由相应的嵌入物40在内部完全覆盖，嵌入物40的形状与偏心孔12的所述部分的形式一致。
图4图示了图3的构造的变型，其中金属嵌入物40没有内部覆盖相应的偏心孔12的整个去头圆锥形部分12b，而是仅内部覆盖所述偏心孔的圆筒形部分12a的相邻区域。
图5描绘了一种构造，其中中央孔11使其安装部分11a的整个轴向延伸部由嵌入物30覆盖，而偏心孔12仅使它们的轴向延伸部的一部分由相应的嵌入物40覆盖，如在图4中图示的那样。
图6描绘了一种构造，其包含在图5的解决方案中限定的特征，但是其中偏心孔12的全部嵌入物40与覆盖中央孔11的安装部分11a的嵌入物30接合为单片件。应当理解，图5和图6的构造还可以构思为使用管状嵌入物40，从而占据相应的偏心孔12的整个轴向延伸部。
当被施加时，金属嵌入物30、40被过注入(over-inject)，从而在聚合物复合材料注入成型之前定位在模具中，涉及这些元件并且确保它们的定位和机械固定；或者在注入成型工艺之后借助于监控插入物的位移和力的适当装置来安装所述金属嵌入物。通过由孔部分11a、12a、12b的直径与金属嵌入物30、40的外直径之间的差异限定的干预来促进机械固定，在偏心孔12的嵌入物40的情况下，还与嵌入物和产品的渐缩效果以及施加到所述嵌入物的外壁上的滚花构型有关。每个产品的需求和构型将确定对每种类型的嵌入物何种工艺是最好的。
以上描述的构造允许车轮被生产为单个元件(并且不是在后期接合的模块)，并且如果必要或被项目需要，其可以在安装到车辆的区域中包括金属合金的嵌入物，以防止张力松弛效果，该效果最后能够使固定螺栓/螺母失去它们的扭矩。
通过热塑性注入成型模制成型形成所述车轮，这允许更高的精度、可重复性以及更高的生产率，使得能够获得单片件，具有大的设计自由度并且使用可回收材料。
从而确保最终产品的质量，具有更高的精确性和可重复性、更高的生产率、消除和减小模制后续步骤和过程、减小原材料的浪费并且具有更少的能量消耗，由此能够获得单片件，具有大的设计自由度并且通过使用可回收材料。
根据SAE、ISO和NBR规则的虚拟分析(虚拟模拟)和物理实验室测试显示了积极的结果，在一些情形下优于通常存在于合金制造的车轮中的测试结果。该成功的结果是由于本体C的设计和结构以及正确地选择具有优于通常使用的合金的机械性能(例如对与屈服/破裂有关的张力的抵抗性)的聚合物复合材料，这赋予产品高的能量吸收性能(弹性变形)而不产生损伤(塑性变形)。此外，与轻重量合金车轮和钢车轮相比，分别可以减小20％至40％和30％至50％的重量。

Claims (9)

1.一种聚合物材料车轮，该类型的车轮包括：由中部轮盘(10)和构造为保持车辆轮胎的轮辋(20)形成的本体(C)，所述中部轮盘具有待安装到车辆的轴端部上的中央孔(11)和用于固定螺栓通过的多个偏心孔(12)，所述车轮的特征在于，所述车轮的所述本体(C)以聚合物复合材料注入成型为单片件，所述聚合物复合材料是均匀的混合物，包括40％至70％的热塑性聚合物基体、30％至60％的合成纤维以及0.01％至10％的添加剂。
2.如权利要求1中所述的车轮，其特征在于，所述热塑性聚合物基体是聚酰胺(PA)。
3.如权利要求2中所述的车轮，其特征在于，所述合成纤维由精细柔性的长玻璃纤维丝限定，具有对张力、弯曲和撞击的高抵抗性。
4.如权利要求2中所述的车轮，其特征在于，所述添加剂由如下限定的成分中的至少一种限定：兼容剂、阻老化剂、热稳定剂、UV吸收剂、阻燃剂、加工助剂、主抗氧化剂和助抗氧剂以及颜料。
5.如权利要求1、2、3或4中任一项所述的车轮，所述车轮的中央孔(11)具有轴向最内安装部分(11a)，并且所述车轮的偏心孔(12)具有轴向最内圆筒形部分(12a)以及轴向最外去头圆锥形部分(12b)，所述车轮的特征在于，由所述中央孔(11)的所述安装部分(11a)和所述偏心孔(12)限定的部分中的至少一个在其轴向延伸部的至少一部分中由相应的金属合金的嵌入物(30、40)内部覆盖，所述嵌入物轴向且径向地附接到所述车轮的所述本体(C)的所述中部轮盘(10)上。
6.如权利要求5中所述的车轮，其特征在于，形成所述车轮的所述本体(C)的聚合物复合材料绕至少一个嵌入物(30、40)模制成型。
7.如权利要求5中所述的车轮，其特征在于，所述车轮具有至少一个嵌入物(30、40)，所述至少一个嵌入物在所述本体(C)的所述中部轮盘(10)的相应的中央孔(11)或偏心孔(12)内。
8.如权利要求5、6或7中任一项所述的车轮，其特征在于，仅仅所述偏心孔(12)的所述圆筒形部分(12a)的相邻区域和所述去头圆锥形部分(12b)由相应的嵌入物(40)内部覆盖。
9.如权利要求5至8中任一项所述的车轮，其特征在于，所述偏心孔(12)的所有所述嵌入物(40)与覆盖所述中央孔(11)的所述安装部分(11a)的管状的所述嵌入物(30)接合为单片件。
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