CN102666126A - 复合材料车轮、尤其是自行车轮以及制造这种车轮的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种车轮（1），尤其是自行车的车轮，所述车轮包括圆形的轮辋（2）、位于轮辋中心的轮毂（3）以及将所述轮毂（3）连接到所述轮辋（2）的多个辐条（4）。轮辋、轮毂和辐条均由聚合复合材料制成。所述车轮的特征在于，辐条（4）在车轮结合平面的每侧上两两成对，这些辐条以其端部无拉伸地连结到轮毂（3）和轮辋（2）。
Description
技术领域
本发明涉及由高性能复合材料制成的供运动用的、特别是自行车运动中使用的装备的设计和制造领域。
本发明尤其涉及一种新型自行车轮，这种自行车车轮的轮辋、辐条和轮毂体均由复合材料、特别是碳纤维基材料制成。
背景技术
在自行车运动领域，参赛选手、职业运动员或业余爱好者的成绩进步主要与使用的材料的技术改进有关。材料的这种技术改进主要取决于自行车的每个部件的质量、它们的刚度和空气动力学品质方面所取得的成果。
关于自行车的车轮，主要性能指标是高的刚度、小的质量和低的转动惯量。
多年以来，通过使用碳纤维基复合材料，特别是用于制造轮辋和轮毂，刚度和质量参数已经得以提高。
直到近年，车轮的辐条始终是由金属制造。为了提高配备有这种辐条的车轮的刚度，辐条常常预加载拉力，该预加载拉力高达1800N。然而，如对辐条施加这种力，需要增大辐条所连结到的轮辋边缘的材料厚度，而这与减轻轮辋乃至车轮质量的目的相悖。
当前，相当多的自行车设备制造商开发了这样一种车轮，其轮辋由复合材料制成，连同辐条也由复合材料制成，施加到该辐条的辐条拉力更低，从而能够获得刚度很大的车轮。
由于减小辐条的拉力能够减小轮辋和轮毂的尺寸（特别是考虑到材料厚度的因素），由此允许减轻车轮的重量并获得显著改善的转动惯量，因而是有利的。
目前有两种主要方法可用于将复合材料制成的辐条组装到由单一材料、复合材料或金属制成的轮辋和轮毂：
-将辐条包覆成型、共成型或粘结方式结合到轮辋和轮毂，
-用机械零件（辐头、螺接件）将单独制造的辐条连结到轮辋和轮毂上。
包覆成型、共成型或粘结技术可以获得重量轻、刚度和强度大的辐条与轮辋和轮毂的连接，因而是有利的。
利用金属机械零件连结由复合材料制成的辐条的技术，可以获得可移除和可调整的连结结构，但是车轮的总重量较大。另外，随着时间流逝，在金属-复合材料连接处会发生疲劳和差胀的机械问题。
文献FR 2933030还提出了一种技术变型，其通过在聚合之后进行束紧来制作自行车轮的辐条。然而，这项技术被证明实施起来非常复杂，车轮的可靠性仍然存在问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型的自行车轮，该车轮包括由复合材料、特别是碳纤维基材料制成的轮辋、轮毂和辐条，车轮的质量、刚度和转动惯量得以优化，由此使制造变得简单、快速和可靠。
本发明的另一目的是提供一种仅由复合材料制成的元件所构成的自行车轮的制造方法，该方法的实施简单可靠。
因此，根据第一目的，本发明提供一种车轮，特别是自行车的车轮，其包括圆形轮辋、位于轮辋中心的轮毂以及将所述轮毂与所述轮辋连接的多个辐条，所述辐条由复合材料构成，其特征在于，这些辐条在车轮的中间面的任一侧上两两成对，并且辐条以其端部无拉伸地连结到轮毂和轮辋。
本发明的车轮的优点是，由复合材料制成的辐条在其端部无拉伸地结合到轮辋和轮毂。与传统的复合材料车轮相比，这种车轮的刚度很高且质量很小，因此其转动惯量小。另外，辐条关于车轮的中间面两两成对的结构允许大幅地减少获得符合要求的车轮刚度所需的辐条数量；在实践中，辐条的数量能够因此而减少到12根，车轮的每个伞形结构具有6根，这样还可以大幅减小车轮的总质量，由此可以获得一对总质量为1kg的前、后车轮。
根据本发明的第一优选特征，车轮的轮辋和轮毂主要（但非排它性地）由包括例如浸渍有热固粘合剂的碳纤维、环氧树脂的复合材料构成。这种材料具有抗压和抗拉强度很高、刚度很高且质量很小的优点。
根据一个有利的特征，辐条在其处于轮毂与轮辋之间的整个长度上具有可变化的厚度。具体地，辐条具有大致为锥形或截头锥形的纵向截面，材料的厚度从轮毂至轮辋减小。
优选地，为了在受压和受张拉时保持良好的几何稳定性和良好的强度，利用热固树脂将辐条的端部粘附结合到轮毂并插入轮辋中为此目的而设置的凹槽中。
同样根据本发明并且为了提高成对的辐条的抗压及抗拉强度的目的，轮辋在靠近尾缘的辐条插入区域具有厚度加强部。
在本发明的车轮的一个具体实施例中，辐条具有用于插入轮辋中的弯曲端。这样的弯曲端被证明在车轮的轮辋是异形轮辋（profiled rim，塑形轮辋）时特别有利。
更有利的是，本发明提出的车轮包括限位器，以挡住辐条的用于将所述辐条插入轮辋中的端部。这些限位器有利地为处于轮辋内部和外部的限位器，位于轮辋的尾缘的任一侧，以便将辐条有效阻挡在轮辋内。
另外，阻挡限位器有利地由复合材料构成。
有利的是，成对的辐条在其轮辋插入端通过热固树脂两两结合。
同样根据本发明，辐条垂直于轮毂轴线，沿车轮径向方向在轮毂端部结合并定向到结合至轮毂的多个凸缘上。
这种结构赋予了车轮平衡性和刚度，并有助于使车轮具有良好的转动惯量。
进一步，如果车轮是后轮，则可取的是使辐条能够传输轮毂的转矩，在此情况下，至少某些辐条、优选为同一轮伞（wheel umbrella）中的辐条沿着与所述轮毂凸缘相切的方向被连结及定向到轮毂凸缘上。
根据第二目的，本发明还提出一种如上所述的车轮的制造方法，该方法主要包括如下步骤：
a）将由聚合材料构成的轮辋和轮毂装设到夹具上，
b）将辐条的端部两两成对地插入到轮毂和轮辋中的为此目的而形成的凹槽中，
c）将热固粘合剂注入供辐条的端部插设的凹槽中，以及
d）在压热器（autoclave）中，通过聚合作用使辐条连接到轮辋和轮毂。
附图说明
多个其它特征将通过下文给出的参照附图的描述而显现，这些附图通过非限制性示例示出了能够实现本发明的目的的实施例。
在附图中：
图1示出根据本发明的后轮的立体图；
图2示出沿包含轮毂轴线的横向平面截取的图1的车轮的剖视图；
图3示出沿轮辋的垂直于轮毂轴线的结合平面截取的图1的车轮的中间剖视图；
图4示出图3所示的轮辋内的两个辐条的连接的细部；
图5示出图2的细节，其中示出插入和挡住辐条的轮辋的内侧和外侧的细部。
具体实施方式
图1示出根据本发明优选实施例的自行车轮1。传统上，车轮1包括：异形轮辋2，其被设计成在周缘上支撑内胎或轮胎（图中未示）；轮毂3，位于轮辋2的中心并被设计成使车轮1能够连结在自行车架上并在自行车架上转动；以及辐条4，其将轮辋2的内侧部分连接到轮毂3。
如图2和图5所示，轮辋2优选地（以本身公知的方式）由用浸渍有环氧树脂的碳纤维束（股）制成的复合材料22的面覆盖的构造泡沫芯21构成。
如图2所示，轮毂3包括传统上由铝构成的中心轴31，该中心轴的两端安装有两个球轴承32、33和装配螺母34，球轴承32、33阻挡在两个端部凸缘5、6之间的轴31上的平移，装配螺母34与轴31同轴并靠近所述的轴31的两端。该示例中示出的轮毂3包括与轮毂的轴31同轴的花毂（freehub，后轴）本体35，用于支撑能够驱动自行车的链轮。花毂本体35嵌入凸缘6中，并借助球轴承36和飞轮系统37（例如使用棘爪和棘轮）而在轴31上相对于凸缘6可转动地运动。在轴31的端部，花毂本体35通过装配螺母34保持为平移。轮毂3的处于凸缘5、6之间的主体由浸渍有环氧树脂的碳纤维束制成的面37构成，面37赋予了轮毂3极大的刚度和强度，特别是抵抗扭转、翘曲和剪切的刚度和强度。
图1至图3所示的车轮1是自行车的后轮。然而，应注意的是，除轮毂3之外，前轮在形式上与后轮完全相同，前轮的轮毂3不具有与轴31同轴的花毂本体。
根据本发明，车轮1包括由复合材料构成的辐条4，在该特定示例中辐条4由浸渍有环氧树脂的碳纤维构成，辐条4在轮辋2与轮毂3之间不被拉伸。按现有的方式使用热固粘合剂（例如环氧胶或树脂）通过粘附结合使辐条4实际上简单地结合到轮毂3和轮辋2，可以利用玻璃纤维以无拉伸方式加强。
有利的是，辐条4呈锥形并且具有可变的厚度，其厚度优选为从连结到轮毂3的第一端41至插入并结合到轮辋2的第二端42减小。这种锥形形状有利于使车轮1具有良好的刚度以及更好地抵抗辐条4的翘曲力。每个锥形辐条4被制造成基于碳纤维束的单个单元。
为了提供辐条的强度，用于制造辐条4的纤维并非都与辐条4的轴线共线，而是与其交叉。由此，当辐条4受扭转或剪切载荷时，能够避免使载荷仅作用在使所用的碳纤维束粘合在一起的环氧树脂上。
另外，根据本发明的有利特征，每根辐条4围绕聚合材料的芯7构造而成，这样有利于安置碳纤维，并且旨在确保所制成的辐条4的内聚力。为此，聚合物芯7有利地选择为聚酰胺（尼龙）。事实上，这种材料耐冲击，这使得当辐条4受到撞击而导致碳复合面层43破裂时，可以避免辐条断裂并通过芯7与复合表皮层43的碎片的连接而保持其完整性。
每个车轮1上优选具有十二根辐条4，在轮辋2中这些辐条以其窄端42两两成对地结合。
对于前轮而言，两两成对的辐条则是相对于一直线对称，该直线经过车轮的中间面与车轮的轴的交点A以及尾缘上的与每个成对的辐条等距的点B。以如此成对的方式，本发明的车轮1的辐条4的对构成等距的刚性车轮辐条，由此赋予了辐条非常大的刚度。
为了能够两两成对地连结辐条4，本发明的车轮的轮辋2包括开口或凹槽8，这些开口或凹槽钻入轮辋的从轮辋的周向区带23到轮辋的尾缘区域9的加强部10的高度。这些加强部10例如由额外厚度的碳构成，用以加强轮辋2的抗拉和抗压能力。这些开口8被钻设为在轮辋2中相对于所述轮辋的中间面稍微倾斜，以便在制造期间使辐条4的窄端42能够插入轮辋2，同时使辐条的另一端41以期望的伞形角（umbrella angle，辐条在轮辋与轮毂之间的展开角）连结到轮毂3。
实践中，开口8的钻孔角度基本上等于辐条的轴线相对于轮毂3的轴线的角度。最终，选择开口8的钻孔直径，使其能允许成对的辐条4的端部42插入轮辋，并且允许在安置辐条之后注入两个树脂插塞11、12，这两个树脂插塞设计成使轮辋内的辐条4的端部42结合在一起并使所述端部结合到轮辋本身，插塞11构成用于将辐条4挡在轮辋2中的内部限位器，而插塞12构成用于将辐条的端部42固定在轮辋2的周向区带23上的固定座。
本发明的车轮1的轮辋2具有传统轮辋，或者如图1至图5所示的异形轮辋。这种异形轮辋通常具有比传统轮辋更高的轮辋高度，实践中一般具有约4cm到8cm的高度。这个轮辋高度旨在改善车轮的空气动力学性质。然而，在本发明的范围内，这一高度被证明有是问题的。实际上，用这种“高度轮廓”型轮辋，辐条4与轮辋的中间面之间形成的角度大于开口8（该开口可形成在轮辋2中）的轴与轮辋的中间面的最大夹角。因此，直线形辐条4不能完全经过轮辋2。
为解决这一问题，特别地如图2和图5所示，本发明有利地提出了使用辐条4，该辐条的端部42不是直的，而是实际上为弯曲的，这样就补偿了辐条4在其主要的直线部分上的轴线与异形轮辋中的开口8的钻孔轴线之间的倾角差。于是，辐条的弯曲部基本上位于轮辋中的辐条装配开口8的中间，以便当辐条4受到载荷作用时，不会在辐条-轮辋过渡区造成载荷集中。
辐条4的这个弯曲端42还能够衰减作用于结合到轮辋2的辐条上的载荷，因为该载荷不再作用于轮辋2与轮毂3之间的辐条的主轴线上。
最后，无论轮辋2的类型为何，本发明的车轮1还包括用于将辐条4的端部挡在轮辋2上的外部限位器13。由复合材料制成的这些限位器13有利地包覆成型到辐条4的与轮辋的尾缘联结部上，并支承在轮辋加强部10上。这些外部限位器13特别地加强了辐条4与轮辋2的连结，以承载辐条上的压缩载荷，同时内部限位器11本身加强了轮辋-辐条的连接，以承载辐条4在轮辋2上的拉伸载荷。
为了提供本发明的车轮1更高的制造品质以及高度的可维修性，所述车轮的每个部件（轮辋、轮毂3、辐条4）均为单独制造。所述部件在制造出之后被装配在一起制成车轮1。这种装配优选地在合适的装配夹具上手动地执行，通过将辐条粘附结合到轮辋2中并粘附结合到轮毂3上来完成。为了操作熟练和容易实施起见，该装配方法被设计成尽可能简单。金属件被尽可能避免使用。
该方法按以下方式进行：
a）将由复合材料制成的轮辋2和轮毂3装设到夹具上，
b）将由复合材料构成的辐条4的端部两两成对地插入到轮毂和轮辋中为此目的而形成的凹槽8中，形成两个伞形辐条阵列，
c）将热固粘合剂注入供辐条的端部插设的凹槽中，以及
d）在压热器中，通过聚合作用将辐条连接到轮辋和轮毂。
本发明的车轮制造方法可以获得一对总质量约为1000g、轮辋2高度为45mm的车轮1。与配备具有不锈钢辐条的相同轮辋的车轮相比，平均一对车轮要轻250g。
另外，仍与配备相同轮辋和轮毂但装有金属辐条的车轮相比，本发明的车轮获得的侧向刚度至少增大25%，而转动惯量上的改善至少为8%。
Claims (14)
1.一种尤其用于自行车的车轮，该车轮包括圆形的轮辋（2）、与所述轮辋同心的轮毂（3）以及将所述轮毂（3）连接到所述轮辋（2）的辐条（4），所述辐条由聚合复合材料制成，其特征在于，所述辐条（4）在所述车轮的中间面的任一侧上两两成对，并且所述辐条在其端部无拉伸地结合到所述轮毂（3）和所述轮辋（2）上，所述辐条的处于所述轮辋内的端部结合在一起。
2.根据权利要求1所述的车轮，其特征在于，所述辐条（4）在其处于所述轮毂与所述轮辋之间的整个长度上具有可变的厚度。
3.根据权利要求1或2所述的车轮，其特征在于，所述辐条在其处于所述轮毂与所述轮辋之间的整个长度上，具有基本上呈锥形或截头锥形的纵向截面。
4.根据权利要求1至3中的一项所述的车轮，其特征在于，所述辐条在其端部（41，42）通过热固树脂粘附结合到所述轮毂上并进入所述轮辋中为此目的而设置的凹槽中。
5.根据权利要求1至4中的一项所述的车轮，其特征在于，所述车轮包括用于在所述辐条插入所述轮辋时挡住所述辐条的限位器。
6.根据权利要求5所述的车轮，其特征在于，所述车轮包括处于所述轮辋内部和外部的限位器（11，13），用于将所述辐条挡在所述轮辋内。
7.根据权利要求5或6所述的车轮，其特征在于，阻挡限位器由复合材料制成。
8.根据权利要求1至7中的一项所述的车轮，其特征在于，所述轮辋在辐条插入区（9）中包括厚度加强部（10）。
9.根据权利要求1至8中的一项所述的车轮，其特征在于，所述辐条具有用于插入所述轮辋中的弯曲端（42）。
10.根据权利要求1至9中的一项所述的车轮，其特征在于，成对的所述辐条（4）在其处于所述轮辋（2）内的端部（42）通过热固树脂两两结合。
11.根据权利要求1至10中的一项所述的车轮，其特征在于，所述辐条（4）垂直于轮毂轴线，沿所述车轮的径向方向在所述轮毂（3）端部被连结并定向到结合至所述轮毂的多个凸缘（5，6）上。
12.根据权利要求1至11中的一项所述的车轮，其特征在于，至少某些辐条（4），优选为所述车轮的同一伞形阵列中的辐条沿着与所述轮毂凸缘相切的方向被连结并定向到所述轮毂凸缘（6）上。
13.根据权利要求1至12中的一项所述的车轮，其特征在于，所述车轮的所述辐条、所述轮辋和所述轮毂由包括浸渍有热固粘合剂的碳纤维的复合材料制成。
14.制造根据权利要求1至13中的一项所述的车轮（1）的方法，所述车轮包括彼此独立制造的轮辋、轮毂和辐条，所述方法包括如下步骤：
a）将由复合材料制成的轮辋（2）和轮毂（3）装设到夹具上，
b）将由复合材料制成的辐条（4）的端部两两成对地插入到所述轮毂和所述轮辋中为此目的而形成的凹槽中，构成两个伞形辐条阵列，
c）将热固粘合剂注入供所述辐条的端部插设的所述凹槽中，以及
d）在压热器中，通过聚合作用使所述辐条连接到所述轮辋和所述轮毂。
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