CN103865175B - 一种利用复合塑料制造的车轮轮毂结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用复合塑料制造的车轮轮毂结构，解决轮毂存在重量大、强度低、加工成本高的问题。制造车轮轮毂的复合塑料，由48%～79%聚丙烯、20%～50%经表面活化处理后的玻璃纤维、1%～2%塑料辅助剂组成；该车轮轮毂结构包括采用上述复合塑料、并通过注塑成型工艺制成的轮毂主体；轮毂主体包括轮辋，一端与轮辋内壁连接并呈放射状分布的轮辐，一端与轮辋内壁连接并设置在相邻轮辐之间的辐板，以及加强结机构和轮圈；所有轮辐与辐板各自的另一端组合形成一个圆形，轮圈位于该圆形中，加强筋机构连接在圆形与轮圈之间。本发明通过材料与结构的有效结合，大幅提高了轮毂的承载能力，并减轻其重量及降低了生产成本。

Description

一种利用复合塑料制造的车轮轮毂结构

技术领域

本发明涉及一种车轮轮毂，具体涉及的是一种用于制造车轮（包括汽车、摩托车、电动车及自行车车轮）轮毂的复合塑料及其构成的轮毂结构。

背景技术

传统的车轮轮毂大多是采用金属（钢材或者铝合金）制造，以铸造A356铝合金和B380CL热轧钢材为例，采用此类材料制造的轮毂不仅产品重量很大，造成车辆惯性大，刹车距离延长，而且钢制轮毂还容易生锈，需要进行表面喷漆处理，铝合金制造的轮毂也需要表面氧化或者喷砂处理才能获得良好的外观效果。

此外，传统的轮毂结构，其轮辐与轮辐之间存在间隔，导致单个轮辐承受的外力较大，轮辐容易断裂，进而造成轮毂外圈变形，大大降低了轮毂本身的强度，给驾驶人员带来了严重的身体伤害，关于轮毂断裂而造成的人身伤害事故在报道上已经屡见不鲜了。

另外，金属制造的轮毂通常采用铸造或者冲压成型，然后再经过机械切削加工制成轮辋，最后再组装轮辐、轮圈等很多零件，并且需要在表面进行喷漆，如此一来，不仅制造和组装工序繁多、复杂，而且产品尺寸和质量不易控制，因而不仅生产周期长（通常需要两个小时左右才能做出一件产品），而且成本较高。

综上所述，现有的轮毂由于材料和结构方面的因素，导致其存在着重量大、强度不高、加工复杂、且成本高的缺陷，因此，需要有针对性地设计一种新型轮毂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用复合塑料制造的车轮轮毂结构，主要解决现有的车轮轮毂存在重量大、强度低、加工成本高的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种利用复合塑料制造的车轮轮毂结构，包括采用复合塑料、并利用注塑机通过注塑成型工艺制成的轮毂主体；所述轮毂主体包括轮辋，一端与该轮辋内壁连接并呈放射状分布的轮辐，一端与轮辋内壁连接并设置在相邻轮辐之间的辐板，以及加强筋机构和具有轴孔的轮圈；所有轮辐与辐板各自的另一端组合形成一个圆形，所述轮圈位于该圆形中，而所述加强筋机构则连接在该圆形与轮圈之间；

所述复合塑料由48%～79%的聚丙烯、20%～50%经表面活化处理后的玻璃纤维以及1%～2%的塑料辅助剂组成；

制造轮毂主体采用的注塑成型工艺的加工条件分别为：料筒温度230～250℃、喷嘴温度240～250℃、模具温度40～60℃、注射压力100～120bar、材料预干燥温度80～90℃、干燥时长2～2.5h、注射速度为中速。

作为优选，所述注塑成型工艺的加工条件分别为：料筒温度230℃、喷嘴温度240℃、模具温度40℃、注射压力100bar、材料预干燥温度80℃、干燥时长2.5h。

作为优选，所述注塑成型工艺的加工条件分别为：料筒温度245℃、喷嘴温度250℃、模具温度50℃、注射压力100bar、材料预干燥温度80℃、干燥时长2.5h。

具体地说，所述加强结构包括设置在轮辐和辐板各自一端构成的圆形中的环形加强筋，以及连接在该环形加强筋内部与轮圈之间并呈与轮辐相同放射状分布的加强筋。

进一步地，所述条形加强筋与轮辐形状、结构完全相同，并且二者的中心轴线相重合。

再进一步地，所述轮辋与轮圈二者的圆心相重合。

本发明的主要设计原理在于，在聚丙烯中添加经表面活化处理后的玻璃纤维以及塑料辅助剂形成复合塑料，然后通过注塑成型工艺成型出轮毂。由于玻璃纤维具有强度高的特性，其抗拉伸强度可达到普通钢材的5倍以上，而将玻璃纤维表面活化处理可以提高其表面自由能，并且玻璃纤维的表面自由能又是影响其浸润、吸附和粘结等性能的重要参数，因此，玻璃纤维表面自由能的提高有利于基体的湿润，当玻璃纤维与聚丙烯接触时，由于湿润情况理想，因而玻璃纤维可以很好吸附聚丙烯分子基团，增强接触界面的粘结强度，大幅提高了聚丙烯的整体抗拉伸强度和抗冲击强度。而加入的塑料辅助剂则可以进一步提高复合塑料的性能，例如抗氧、抗黄变、抗老化等等。

而制成的轮毂，其强度和性能也因为原料的缘故而被大幅提升，并且轮毂在结构上还增设了辐板与加强筋机构，可以有效地防止轮辐断裂及轮辋变形，进一步提升轮毂整体强度，因此，在高强度复合塑料与结构设计的配合下，轮毂的整体承载能力和抗冲击强度被大幅提升，并且轮毂的重量也被有效地减轻。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明结构合理，制造方便、快捷，采用注塑成型工艺可以大幅缩短轮毂的制作时间，据统计，本发明平均两分钟就能成型出一个完整的轮毂，因此，其大幅提高了生产的效率，并且采用聚丙烯和玻璃纤维作为制作轮毂的原料，其成本也相当低廉，因而在提高生产效率和成本低廉的前提下，在相同时间内，本发明可以创造出更多的效益。

（2）本发明采用新型复合塑料作为原料，然后通过注塑成型工艺制造出结构与现有结构不同的轮毂。本发明利用了注塑成型工艺的特性，无论结构是否复杂，均可快速一次成型，省时省力、加工效率高，这是单纯的零部件组装方式无法比拟的优势，而注塑成型工艺又可以确保聚丙烯、玻璃纤维和塑料辅助剂能够很好地实现熔料共混，使三者熔合后形成的材料新特性最大化地呈现出来，因此，本发明利用合理的工艺，充分发挥了材料的力学性能，并在有利的加工环境下巧妙地设计了更为优化的结构，使得轮毂的承载能力和强度大幅提高，远远超过了现有材料和结构的轮毂，充分满足了车身对于轮毂的要求。

（3）由于塑料具有表观密度小、不生锈的特点，因此，本发明采用复合塑料成型的轮毂，其重量要低于现有轮毂的重量，而且无需在表面喷漆，并且加入的抗老化剂，不仅可以很好地与其他原料熔合，且不影响复合塑料的强度性能，而且进一步增强了轮毂的抗老化能力，有效延长了其使用寿命。

（4）本发明所选材料的比例及注塑工艺中各种加工条件均是通过多次试验确定出来的。根据材料的特性及配比，并结合注塑原理，采用本发明设计的加工参数，可以确保材料能够完全被熔化，然后在适当的注射压力及注射速度条件下被注射到型腔中，并在防止过早发生冷却固化的情况下，使熔料在型腔中保持一定的流动性，直至充满整个型腔内部，然后再迅速冷却、干燥、固化，继而成型出整个轮毂的结构，本发明确定的材料配比及加工参数，其使得本发明具有了生产周期短、产品尺寸公差小、轮毂成型效果好、节省材料、降低成本的优点，利用本发明提供的加工参数，其材料的有效利用率可达到97%以上，基本不需要在轮毂成型后再对其进行过多的机械加工。

（5）本发明很好地克服了人们对于塑料强度低、不宜用于制造承受力较大的轮毂方面的技术偏见，其通过合理的选材及大量的试验，突破了现有技术的限制，实现了重大的创新，不仅满足了实际生产和使用的需求，符合科技发展潮流，而且做到了技术、产品和成本三者之间的相对平衡。

（6）本发明实用性强、易于批量制造生产，其既能满足用户和厂家的需求，又能节约成本，并且轮毂废弃后，其材料可进行回收利用，因而还具有低碳环保的特点，因此，本发明具有广泛的应用前景，非常适于推广应用。

附图说明

图1为本发明车轮轮毂的结构示意图。

图2为图1中A处的放大示意图。

其中，附图标记对应的零部件名称为：

1-轮辋，2-轮辐，3-辐板，4-环形加强筋，5-条形加强筋，6-轮圈。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

本发明提供了一种制造车轮轮毂的新型复合塑料，以及利用该种复合塑料制成的与现有车轮轮毂结构不一样的轮毂。本发明设计的新型复合塑料，其由48%～79%的聚丙烯、20%～50%经表面活化处理后的玻璃纤维以及1%～2%的塑料辅助剂组成，所述的玻璃纤维可以是长玻璃纤维，也可以是短玻璃纤维，具体视实际情况选择。所述塑料辅助剂用于进一步增强复合塑料的性能，其可以是抗老化剂；也可以是由抗老化剂与染色剂组成，二者比例根据厂家实际生产需要来定。加入抗老化剂可以使轮毂的抗老化能力进一步增强，而加入染色剂则可以使轮毂外观上呈现出多种颜色，外形鲜艳、美观，既能满足用户的爱好，又能从侧面上给厂家增加卖点。

本发明设计的车轮轮毂，其是将上述原料加入到注塑机，然后通过注塑成型工艺成型出来的，采用现有工艺将玻璃纤维表面活化处理后，可以在其与聚丙烯熔合时，增强二者的粘结强度。而在这其中，注塑成型工艺所采用的加工条件（既注塑机的加工参数）分别为：料筒温度230～250℃、喷嘴温度240～250℃、模具温度40～60℃、注射压力100～120bar、材料预干燥温度80～90℃、干燥时长2～2.5h、注射速度为中速。需要说明的是，在注塑机上，注射速度是指螺杆或柱塞在注射时移动的速率，注射时间是指螺杆或柱塞射出公称注射量所需要的时间，而注射速率则是指将公称注射量的熔料在注射时间内注射出去，单位时间内所达到的体积流率（百分比），是注射容量与注射时间的比值。为了同类型的控制器可以通用不同型号的注塑机，许多注塑机都没有标明实际的注射速度，而是按照注塑机最大注射速率的不同百分比来表示，为方便统称，行业内将注塑机的注射速度划分为高速、中速和低速三种，当注射速度为中速时，其表示注塑机的注射速率为40%～80%，因此，本发明选定的注射速度为中速也即是表示注塑机当前的注射速率为40%～80%。

如图1、2所示，利用上述复合塑料和工艺成型出来的轮毂，其结构主要由轮毂主体构成。所述轮毂主体包括轮辋1、轮辐2、辐板3、加强筋机构以及轮圈6，由于采用的是注塑成型工艺制成，因此轮毂主体中各个部件均是固为一体的。所述轮辋1用于外部安装轮胎，然后与安装在轮圈6轴孔上的转轴和滚珠轴承配合形成一个车轮，最后再利用轮辋1绕转轴转动实现车轮的转动。所述轮辐2呈放射状分布在轮辋1内部，并且所有轮辐2的一端均与该轮辋1内壁连接。所述辐板3是本发明车轮轮毂的结构设计要点之一，辐板3一端与轮辋1内壁连接，并且分布在相邻两个轮辐2之间，所有轮辐与辐板各自的另一端则组合形成了一个圆形。如此一来，轮辐2与辐板3之间便形成一个封闭的结构，使得轮圈内部受力均匀，轮辐不易发生断裂，并且能很好地支撑轮辋，因而也大幅增强了轮毂的强度。

所述加强筋机构与轮圈6均设置在轮辐与辐板各自一端构成的圆形中，而加强筋机构则是本发明轮毂结构的另一个设计要点，其设计的目的主要在于增强轮圈6处的强度。该加强筋机构包括设置在轮辐和辐板各自一端构成的圆形中的环形加强筋4，以及连接在该环形加强筋内部与轮圈6之间并呈与轮辐相同放射状分布的条形加强筋5。环形加强筋4用于强化轮辐2与辐板3末端的强度，条形加强筋5则用于使轮辐2的力延伸到轮圈6上，使之强度增加，为确保轮辐2的力能够很好地延伸到轮圈6上，所述条形加强筋5与轮辐2的形状、结构完全相同，并且二者的中心轴线相重合。并且，为使轮辋1能够很好地转动，作为优选，本实施例中，轮辋1与轮圈6二者的圆心相重合。

基于上述材料、制造方法和制成的轮毂，下面以几个试验案例来阐述本发明的技术方案和所带来的技术效果。

案例1

采用79%的聚丙烯、20%的短玻璃纤维、1%的抗老化剂作为制造轮毂的原料，放入到注塑机中，然后通过注塑成型工艺直接成型出轮毂，该工艺的加工条件分别为：料筒温度230℃、喷嘴温度240℃、模具温度40℃、注射压力100bar、材料预干燥温度80℃、干燥时长为2.5h、注射速度选取中速。

本案例以利用铸造A356铝合金和B380CL热轧钢材为原料制造的轮毂来与本案例制造的轮毂的性能进行对比。经过检测，在使用相同单位重量的现有材料制造轮毂的条件下，利用上述条件制造出来的轮毂，其与现有轮毂的主要性能对比如表1所示：

表1

上述表1中，比强度的值由抗拉强度除以表观密度得到，而通过该表1可以看出，在材料与结构不同的情况下，本案例制造出来的轮毂与现有的轮毂相比，具有表观密度小、比强度高的优点，即相同单位重量的材料制造出来的轮毂，由于表观密度较小，本案例的轮毂的重量小于现有的轮毂，而比强度高则使得本案例的轮毂的强度高于现有的轮毂，因此，本案例在减轻了轮毂重量的同时，还有效地提升了其所能承受的拉力。轮毂重量小也减轻了车体的整体重量，在优化其性能的同时，也使得其符合了现代车身轻量化的趋势。本案例的轮毂适合用在自行车方面，其不仅强度能满足要求，而且重量的减轻可以使自行车能够更好地被人为抬动，大大增强了自行车的实用性。

本案例亦可采用20%的长玻璃纤维代替短玻璃纤维，采用长玻璃纤维成型出的轮毂，其抗拉强度、比强度均比短玻璃纤维成型的轮毂稍高。

案例2

与案例1不同之处在于，本案例采用68%的聚丙烯、30%的短玻璃纤维、2%的抗老化剂作为制造轮毂的原料，放入到注塑机中，然后通过注塑成型工艺直接成型出轮毂，该工艺的加工条件分别为：料筒温度230℃、喷嘴温度240℃、模具温度40℃、注射压力100bar、材料预干燥温度80℃、干燥时长2.5h、注射速度选取中速。

同样，经过检测，本案例制造的轮毂，其主要性能如表2所示：

表2

通过表1、2可以看出，在材料与结构不同的情况下，本案例制造出来的轮毂与现有的轮毂相比，同样具有表观密度小、比强度高的优点。本案例表观密度和比强度均比案例1的稍高，适于用作电动车方面的轮毂。

本案例同样可以采用30%的长玻璃纤维代替短玻璃纤维，采用长玻璃纤维成型出的轮毂，其抗拉强度、比强度同样均比短玻璃纤维成型的轮毂稍高。

案例3

与案例1不同之处在于，本案例采用58%的聚丙烯、40%的长玻璃纤维、2%的抗老化剂作为制造轮毂的原料，放入到注塑机中，然后通过注塑成型工艺直接成型出轮毂，该工艺的加工条件分别为：料筒温度245℃、喷嘴温度250℃、模具温度50℃、注射压力100bar、材料预干燥温度80℃、干燥时长2.5h、注射速度选取中速。同样，经过检测，本案例制造的轮毂，其主要性能如表3所示：

表3

通过表1、3可以看出，在材料与结构不同的情况下，本案例制造出来的轮毂与现有的轮毂相比，同样具有表观密度小、比强度高的优点。本案例表观密度和比强度均比案例2的稍高，适于用作摩托车方面的轮毂。

案例4

与案例1不同之处在于，本案例采用48%的聚丙烯、50%的长玻璃纤维、2%的抗老化剂作为制造轮毂的原料，放入到注塑机中，然后通过注塑成型工艺直接成型出轮毂，该工艺的加工条件分别为：料筒温度250℃、喷嘴温度250℃、模具温度60℃、注射压力110bar、材料预干燥温度80℃、干燥时长2.5h、注射速度选取中速。

同样，经过检测，本案例制造的轮毂，其主要性能如表4所示：

表4

通过表1、4可以看出，在材料与结构不同的情况下，本案例制造出来的轮毂与现有的轮毂相比，同样具有表观密度小、比强度高的优点。本案例比强度比案例3的稍低，适于用作汽车、特别是小型汽车方面的轮毂。

本发明经过工艺的改进和结构设计的优化，大幅提升了轮毂的性能，其承载能力和抗冲击强度均有大幅度的提高，并且重量降低，从而优化了车身的整体性能。本发明完全适用于汽车、摩托车、电动车及自行车方面，其与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步。

上述实施例仅为本发明较佳的实现方式之一，而实施例中所列举的试验案例仅仅只是为了体现本发明技术方案的效果。上述实施例不应当用以限制本发明的保护范围，凡在本发明的主体设计思想和精神下所作出的任何毫无实质意义的改动和润色，或是进行等同置换的技术方案，其所解决的技术问题实质上与本发明一致的，也应当在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种利用复合塑料制造的车轮轮毂结构，其特征在于，包括采用复合塑料、并利用注塑机通过注塑成型工艺制成的轮毂主体；所述轮毂主体包括轮辋（1），一端与该轮辋（1）内壁连接并呈放射状分布的轮辐（2），一端与轮辋（1）内壁连接并设置在相邻轮辐之间的辐板（3），以及加强筋机构和具有轴孔的轮圈（6）；所有轮辐与辐板各自的另一端组合形成一个圆形，所述轮圈（6）位于该圆形中，而所述加强筋机构则连接在该圆形与轮圈（6）之间；

所述复合塑料由48%～79%的聚丙烯、20%～50%经表面活化处理后的玻璃纤维以及1%～2%的塑料辅助剂组成；

制造轮毂主体采用的注塑成型工艺的加工条件分别为：料筒温度230～250℃、喷嘴温度240～250℃、模具温度40～60℃、注射压力100～120bar、材料预干燥温度80～90℃、干燥时长2～2.5h、注射速度为中速。

2.根据权利要求1所述的一种利用复合塑料制造的车轮轮毂结构，其特征在于，所述注塑成型工艺的加工条件分别为：料筒温度230℃、喷嘴温度240℃、模具温度40℃、注射压力100bar、材料预干燥温度80℃、干燥时长2.5h。

3.根据权利要求1所述的一种利用复合塑料制造的车轮轮毂结构，其特征在于，所述注塑成型工艺的加工条件分别为：料筒温度245℃、喷嘴温度250℃、模具温度50℃、注射压力100bar、材料预干燥温度80℃、干燥时长2.5h。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种利用复合塑料制造的车轮轮毂结构，其特征在于，所述加强机构包括设置在轮辐和辐板各自一端构成的圆形中的环形加强筋（4），以及连接在该环形加强筋内部与轮圈（6）之间并呈与轮辐相同放射状分布的条形加强筋（5）。

5.根据权利要求4所述的一种利用复合塑料制造的车轮轮毂结构，其特征在于，所述条形加强筋（5）与轮辐（2）形状、结构完全相同，并且二者的中心轴线相重合。

6.根据权利要求5所述的一种利用复合塑料制造的车轮轮毂结构，其特征在于，所述轮辋（1）与轮圈（6）二者的圆心相重合。