CN103707716A - 夹心式自行车轮圈及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种夹心式自行车轮圈及其制备方法，包括胎位孔槽和封闭的腔室，二者上下排列，所述胎位孔槽的槽内容纳内胎，其侧面的外部形成刹车面，其特征在于，所述胎位孔槽，至少含有一的金属合金层，胎位孔槽的外表面和刹车面各有一层碳纤维层，将金属合金层包裹在其中，形成夹心体。在刹车边形成CFRP-合金材料-CFRP这样的夹心结构，具有很好的刹车散热和稳固支撑的效果，利用金属材料的耐高温特点，有效降低了轮圈的烧框风险，既提高轮圈的安全性，又不增加碳纤维轮圈的重量，兼顾产品的轻量及安全两方面的要求；碳纤维层将金属合金层完全包裹在内，可避免碳纤维材料与金属合金层因热膨胀系数不同产生分层的现象。

Description

夹心式自行车轮圈及其制备方法

技术领域

    本发明涉及自行车配件应用领域，尤其是一种夹心式自行车轮圈及其制备方法。

背景技术

自行车运动是一项对人身体非常有益处的有氧户外运动，在欧美等发达国家得到广泛的开展。据统计，在美国，大约有1/3之一的户外运动是自行车运动。由此可见此运动开展的普遍性。自行车也从我们印象中传统的交通工具变成健身器材。各个厂商无不努力改进产品设计，制造工艺，使用更好的材料，以求得更好的自行车。

制造自行车的材料，已经从钢材，逐步变成铝合金，以追求轻量化。近年来，更是大规模使用昂贵的碳纤维材料来制作自行车车身。

相对于车身，自行车的轮圈更是心脏。它的作用，就相当于汽车的发动机。由此可见其重要性。各个厂家无不下大力气研制更好的自行车轮圈，纷纷采用新材料新工艺, 以研制更轻更省力的产品。对于轮圈来说, 要使之更轻更省力, 主要有两个因素。 一是轮圈的重量, 一是轮圈的风阻。 轻的轮圈发力快, 爬坡轻快, 这很好理解。 而对于风阻来说, 当高速骑行时，风阻就变得非常的关键。一般认为，风阻跟速度的平方成正比。所以，低风阻的设计越来越流行。为了获得低的风阻, 纷纷将截面设计成流线型。截面的加高，势必增加重量，所以，必须在重量与低风阻有所取舍。

对于重量而言，相比于钢，铝合金材料，碳纤维复合材料具有无可比拟的优越性。碳纤维复合材料（GFRP），其强度比钢强，但密度只有1.6g/cm3, 只有钢的1/5，跟铝合金相比，其模量是铝的10倍，抗拉强度是铝的２倍，但重量只有铝合金的40％。所以，碳纤材料广泛用来制作自行车轮圈。

现有的自行车轮圈一般采用环氧树脂预浸料，经叠层，加热加压成型制得。其成型温一般在150度，成型时间45-60分钟。习用的环氧树脂的玻璃转化点(也称为TG)在100-130度。用这种材料及成型工艺制得的轮圈轻量，强度高。但这种轮圈的缺点是，在使用过程中, 遇到长下坡时, 因为需要长时间刹车, 刹车边的温度会达到180度左右, 由于刹车边使用的环氧树脂的TG点只有100-130度, 在胎压的作用下,安置内胎的槽孔软化并张开, 导致突然间爆胎,造成摔车事故， 从而产生对骑乘者的安全伤害。 这种现象俗称烧框。

由于有这种使用的安全隐患，虽然用碳纤维复合材料CFRP制得轮圈重量轻，硬度高，倍受消费者喜爱，但还是没法普遍使用，仅在一些比赛上供有经验的车手使用。以目前市场占有率及使用安全角度看，金属材料的轮圈的在市场上还是占有大部分的比率（比如铝合金）。

有业者为解决这个问题, 将轮圈安置内胎的槽孔部分用铝合金, 其他部分用碳纤维制做。这种结构虽然能解决刹车高温产生的爆胎问题. 但由于槽孔部分与碳纤维的结合面仅为树脂结合，导致在刹车高温时碳纤维与铝合金部分容易分离，产品容易损坏。也限制了产品的推广。

一现有的碳纤维轮圈结构，如专利号为CN201120080425.X，专利名称为“碳纤维轮圈结构”的实用新型，公布了一种碳纤维轮圈结构，其包含有：一个轮圈本体，以碳纤维材料一体成型，其截面系呈框型，由至少一个桥板及平行的两侧壁连接构成，于该桥板两端区隔出独立的一个内腔体与一个外腔体；一个加强件，与该外腔体形状相匹配，且设于该外腔体内壁。该金属加强件与碳纤维材料的内壁相互嵌卡固定。刹车面通过金属加强件进行加强，可避免烧框。但由于碳纤维与金属合金的热膨胀系数不同，长时间使用，因两者结合力不够，会导致出现分层。

发明内容

本发明为了解决上述存在的问题，提供一种夹心式自行车轮圈，克服了现有技术的不足，在碳纤维制得的胎位孔槽的内表面和刹车面各有一层碳纤维层，将密度在2.8g/cm3以下的金属合金层包裹在其中，在刹车边形成CFRP-合金材料-CFRP这样的夹心结构，具有很好的刹车散热和稳固支撑的效果，有效降低了轮圈的烧框风险；同时，碳纤维层将金属合金层完全包裹在内，可避免碳纤维材料与金属合金层因热膨胀系数不同产生分层的现象。

还提供一种夹心式自行车轮圈的制备方法，产品的结构一次性整体成型，提高了产品的强度，实用性高。

本发明采用如下技术方案：夹心式自行车轮圈，包括胎位孔槽和封闭的腔室，二者上下排列，所述胎位孔槽的槽内容纳内胎，其侧面的外部形成刹车面，其特征在于，所述胎位孔槽，至少含有一金属合金层，胎位孔槽的外表面和刹车面各有一层碳纤维层，将金属合金层包裹在其中，形成夹心体；胎位孔槽外表面和刹车面的碳纤维层与腔室的壁体以碳纤维材料一体成型。利用金属材料的耐高温特点，可有效防止碳纤材料在高温条件下因烧框而产生的爆胎，提高骑乘者的安全性。

优选的，所述金属合金层的合金密度低于2.8g/cm³。

进一步的，所述金属合金层包括铝合金、铝镁合金、镁铝合金、镁合金和钪合金中的一种。

进一步的，所述金属合金层为一金属合金圈，其截面呈“U”形，所述金属合金圈的截面形状与胎位孔槽的截面形状相似。

更进一步的，所述金属合金圈内表面的两侧分别设有向内延伸的侧壁。

更进一步的，所述胎位孔槽槽内的上部设有用于卡住内胎的卡勾。

夹心式自行车轮圈的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、制作金属合金层并进行表面处理，喷砂以去除离型剂, 并涂上用于增加金属合金材料与碳纤维复合材料结合强度的底材；将做了表面处理并涂上底材的金属合金层包裹上一层已经预浸了环氧树脂的纤维材料；

步骤2、将碳纤维预浸布依据自行车轮圈的形状叠层,形成V形环状结构，在V形环状结构的开口处，预留有与金属合金层结合的碳纤维预浸片材，分别为胎位槽孔片材和腔室底部片材，两者间用离型材料隔开；将气袋置入V形环状结构的槽中；将腔室底部片材向内弯折；

步骤3、将金属合金层放置V形环状结构的开口处的对应位置，开口处两边的胎位槽孔片材将金属合金层完全包裹住，并贴合其外表面，金属合金层内表面与腔室底部片材贴合，依据胎位槽孔和腔室的形状进行叠层，从而制得轮圈预型品；

步骤4、将轮圈预型品放入钢制模具中, 然后放入成型设备中, 合模, 往成型气袋中充高压气体成型；

步骤5、将成型的轮圈毛胚品去除毛边, 取出成型气袋；在胎位孔槽和腔室底部钻孔；表面进行烤漆处理。

本发明的有益之处在于，在碳纤维制得的胎位孔槽的外表面和刹车面各有一层碳纤维层，将密度在2.8g/cm³以下的金属合金层包裹在其中，在刹车边形成CFRP-合金材料-CFRP这样的夹心结构，具有很好的刹车散热和稳固支撑的效果，利用金属材料的耐高温特点，即使骑乘者在连续刹车造成刹车边高温的情况下，不会因为碳纤维的软化而产生爆胎的现象，有效降低了轮圈的烧框风险，既提高轮圈的安全性，又不增加碳纤维轮圈的重量，兼顾产品的轻量及安全两方面的要求；碳纤维层将金属合金层完全包裹在内，可避免碳纤维材料与金属合金层因热膨胀系数不同产生分层的现象，整体碳纤维一体成型外观，提高了产品的耐用度及产品的档次。

 附图说明

图1为本发明具体实施例的组合剖视图；

图2为本发明实施例一的金属合金层截面剖视图；

图3为本发明实施例二的金属合金层截面剖视图

图4为本发明具体实施例的产品制备中的V形环状结构示意图；

图5为本发明具体实施例的产品制备中的金属合金层结构示意图；

附图标记：1、胎位槽孔；11、外表面；12、刹车面；13、卡勾；2、腔室；21、壁体；3、碳纤维层；4、金属合金层；41、侧壁；42、底材；43、纤维材料；44、外表面；45、内表面；5、V形环状结构；51、胎位槽孔片材；52、腔室底部片材；53、离型材料；6、气袋。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明所提供的一种夹心式自行车轮圈，包括胎位孔槽1和封闭的腔室2，二者上下排列，胎位孔槽1的槽内容纳内胎，其侧面的外部形成刹车面12，胎位孔槽1至少含有一的金属合金层4，胎位孔槽1的外表面11和刹车面12各有一层碳纤维层3，将金属合金层4包裹在其中，形成夹心体；胎位孔槽1的外表面11和刹车面12的碳纤维层3与腔室2的壁体21以碳纤维材料一体成型。胎位孔槽1槽内的上部设有用于卡住内胎的卡勾13。金属合金层4的合金密度低于2.8g/cm³，该金属合金可为铝合金、铝镁合金、镁铝合金、镁合金或钪合金等金属材料的应用。

如图2所示，为本发明的第一实施例，金属合金层4为一金属合金圈，其截面呈“U”形，所述金属合金圈的截面形状与胎位孔槽1的截面形状相似。

如图3所示，为本发明的第二实施例。与第一实施例不同的是，在金属合金圈内表面45的两侧分别设有向内延伸的侧壁41。增大了刹车面12底层的金属面积，具有更好的刹车散热和稳固支撑的效果。

本发明还提供上述夹心式自行车轮圈的制备方法，具体包括下述步骤：

步骤1、用常用的金属加工方法，比如拉挤、铸造、整形、焊接等工艺，制作金属合金层4，如图5所示，该金属合金层4的截面形状与胎位孔槽1形状相似，尺寸略小，用于给后续的碳纤维层3让位；并进行表面处理，喷砂以去除离型剂, 并涂上用于增加金属合金材料与碳纤维复合材料结合强度的底材42，可有效防止碳纤维材料与金属合金层因热膨胀系数不同产生分层；将做了表面处理并涂上底材的金属合金层包裹上一层已经预浸了环氧树脂的纤维材料43，该材料具有低的介电常数，防止碳纤维材料和金属合金材料形成的电化学腐蚀；

步骤2、将碳纤维预浸布依据自行车轮圈的形状叠层,形成V形环状结构5，如图4所示，在V形环状结构5的开口处，预留有与金属合金层结合的碳纤维预浸片材，分别为胎位槽孔片材51和腔室底部片材52，两者间用离型材料53隔开；将气袋6置入V形环状结构5的槽中；将腔室底部片52材向内弯折；

步骤3、将金属合金层4放置V形环状结构5的开口处的对应位置，开口处两边的胎位槽孔片材51将金属合金层4完全包裹住，并贴合其外表面44，金属合金层4内表面45与腔室底部片材52贴合，依据胎位槽孔1和腔室2的形状进行叠层，从而制得轮圈预型品；

步骤4、将轮圈预型品放入钢制模具中, 然后放入成型设备中, 合模, 往成型气袋6中充高压气体成型；

步骤5、将成型的轮圈毛胚品去除毛边, 取出成型气袋6；在胎位孔槽和腔室底部钻孔；表面进行烤漆处理。

在碳纤维材料制得的胎位孔槽的外表面和刹车面各有一碳纤维层，将密度在2.8g/cm³以下的金属合金层包裹在其中，在刹车边形成CFRP-合金材料-CFRP这样的夹心结构，具有很好的刹车散热和稳固支撑的效果，利用金属材料的耐高温特点，即使骑乘者在连续刹车造成刹车边高温的情况下，不会因为碳纤维的软化而产生爆胎的现象，有效降低了轮圈的烧框风险，既提高轮圈的安全性，又不增加碳纤维轮圈的重量，兼顾产品的轻量及安全两方面的要求；同时，碳纤维层将金属合金层完全包裹在内，可避免碳纤维材料与金属合金层因热膨胀系数不同产生分层的现象，整体碳纤维一体成型外观，提高了产品的耐用度及产品的档次。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.夹心式自行车轮圈，包括胎位孔槽和封闭的腔室，二者上下排列，所述胎位孔槽的槽内容纳内胎，其侧面的外部形成刹车面，其特征在于，所述胎位孔槽，至少含有一金属合金层，胎位孔槽的外表面和刹车面各有一层碳纤维层，将金属合金层包裹在其中，形成夹心体；所述胎位孔槽外表面和刹车面的碳纤维层与腔室的壁体以碳纤维材料一体成型。

2.如权利要求1所述的夹心式自行车轮圈，其特征在于，所述金属合金层的合金密度低于2.8g/cm³。

3.如权利要求2所述的夹心式自行车轮圈，其特征在于，所述金属合金层包括铝合金、铝镁合金、镁铝合金、镁合金和钪合金中的一种。

4.如权利要求1-3任一项所述的夹心式自行车轮圈，其特征在于，所述金属合金层为一金属合金圈，其截面呈“U”形，所述金属合金圈的截面形状与胎位孔槽形状相似。

5.如权利要求4所述的夹心式自行车轮圈，其特征在于，所述金属合金圈内表面的两侧分别设有向内延伸的侧壁。

6.如权利要求5所述的夹心式自行车轮圈，其特征在于，所述胎位孔槽槽内的上部设有用于卡住内胎的卡勾。

7.如权利要求1-6所述的夹心式自行车轮圈的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、制作金属合金层并进行表面处理，喷砂以去除离型剂, 并涂上用于增加金属合金材料与碳纤维复合材料结合强度的底材；将做了表面处理并涂上底材的金属合金层包裹上一层已经预浸了环氧树脂的纤维材料；

步骤2、将碳纤维预浸布依据自行车轮圈的形状叠层,形成V形环状结构，在V形环状结构的开口处，预留有与金属合金层结合的碳纤维预浸片材，分别为胎位槽孔片材和腔室底部片材，两者间用离型材料隔开；将气袋置入V形环状结构的槽中；将腔室底部片材向内弯折；

步骤3、将金属合金层放置V形环状结构的开口处的对应位置，开口处两边的胎位槽孔片材将金属合金层完全包裹住，并贴合其外表面，金属合金层内表面与腔室底部片材贴合，依据胎位槽孔和腔室的形状进行叠层，从而制得轮圈预型品；

步骤4、将轮圈预型品放入钢制模具中, 然后放入成型设备中, 合模, 往成型气袋中充高压气体成型；

步骤5、将成型的轮圈毛胚品去除毛边, 取出成型气袋；在胎位孔槽和腔室底部钻孔；表面进行烤漆处理。

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