CN103978830A - 一种散热性能好的碳纤维自行车轮圈及自行车 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种散热性能好的碳纤维自行车轮圈，包括轮圈本体、以及设置在轮圈本体两侧的刹车边，所述刹车边外表面设有一层增强层，该增强层由具有金属镀层的耐磨纤维编织而成。本发明还公开采用上述车圈的自行车。本发明采用在刹车边覆设一层具有金属镀层的耐磨纤维增强层，大大提高碳纤维轮圈表面导热系数，热量快速散发出去，从而大大降低热量聚集升温的效应，避免温度上升，即使常规Tg温度的树脂也不会失去强度，从而保证了选手骑乘的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种交通工具，具体是涉及一种散热性能好的碳纤维自行车轮圈及带有该轮圈的自行车。
背景技术
随着人们生活水平的提高，高档自行车的需求越来越多，自行车运动越来越普及，人们开始追求更加轻巧的骑行工具，碳纤维复合材料由于其轻而强的特点，非常适合制造轻量化的自行车，目前，高档自行车的“碳纤化”的趋势愈发明明显
然而在制造碳纤维轮组的一个技术难点在于：如何提高轮圈的摩擦耐热性。为了将赛车的轻量化追求到极致，公路自行车赛的选手们基本都愿意使用V刹制动的赛车，这种车是通过安装在夹器上的摩擦块与轮圈的刹车痕部位的滑动摩擦来产生制动力的。对于铝合金等金属材料制成的轮圈，由于金属材料本身熔点高，耐热性能好，加之导热性好，摩擦产生的热量很快就散发掉了，不会产生热量的聚集而使温度升得过高从而影响轮圈的强度。但是对于树脂基复合材料，情况就有所不同了。碳纤维本身的耐热性很好，其耐温性甚至超过了钢铁，碳纤维在1000摄氏度左右的温度下，强度等物理力学特性的损失率要远远小于钢铁的损失率。但是纤维周围的树脂基体(对于碳纤维复合材料来说，绝大多数都是环氧体系)Tg软化点都在100～150摄氏度左右。在面对一些长距离大坡度的路段，轮圈和刹车块的摩擦升温功率急剧增大，轮圈的升温速度也急剧加快。环氧树脂在100度左右的时候已经开始软化而失去强度，失去树脂基体的支撑，碳纤维复合材料轮圈也失去了强度，从而无法支撑在胎压和选手体重带来的载荷，出现变形甚至断裂，对选手的安全造成极大的威胁。
目前现有的碳纤维复合材料开口轮圈普遍存在着升温速度快，轮圈高温失去强度(管胎圈折断，开口圈爆开变形)的情况。这个问题也制约了碳纤维轮圈的普及。
也正是这个问题的存在，才有人转而求其次，将轮圈的内环用碳纤维制作，刹车边框的部分仍然用铝合金材料制作，虽然整个轮圈的重量要略高于全碳的轮圈，但这种“半碳”的轮圈却兼顾了碳纤维的轻量化和铝圈的摩擦耐热性，不失为一种好的“折中”方案。
为了提高全碳纤维轮圈的摩擦耐温性能，许多碳纤维轮组厂商使用高Tg(树脂软化温度)温度的环氧树脂体系，来提高制品的耐温性。实践表明，这样做的确可以提高轮圈一定的耐温性能，但使用这种高Tg温度树脂的碳纤维预浸料，在常温下硬度大，不宜弯折变形，给常温下的铺层操作带来了极大的难度；同时这种树脂在高温下的流动性也不佳，树脂中的气泡也不宜排出，从而造成了材料内部空隙率的增加，空隙率的增加恶化了材料热传导的条件，从而也弱化了高温树脂(高Tg树脂)提高耐温性的效果。
申请公布号为CN102795053A的专利文献公开了一种自行车轮圈，包含：一个轮圈，该轮圈为碳纤维材质，该轮圈具有两个对应的刹车边，该两个刹车边外缘具有金属的电镀层。该文献在该两个刹车边电镀上一层金属，让刹车皮不与碳纤维表面直接摩擦，是用金属镀层来隔绝刹车块与碳纤维之间的摩擦，来维持碳纤维复合材料的强度。但是，上述自行车轮圈使用过程中，并没有解决碳纤维轮圈刹车耐热性低的问题，强度无法保证。而且CN102795053A所使用的刹车边需先将刹车边的碳纤维复合材料固化成型后，再电镀一层金属，然后将镀好金属的刹车边再与碳纤维轮圈二次粘合，导致金属的电镀层与碳纤维车圈主体结合牢度低，长期使用后容易脱落。
发明内容
本发明提供了一种散热性能好的碳纤维自行车轮圈，通过在车圈刹车部位贴敷一层具有金属镀层的玻璃纤维增强层，大大提高碳纤维轮圈表面导热系数，热量快速散发出去，从而大大降低热量聚集升温的效应，避免温度上升，即使采用常规Tg温度的树脂也不会失去强度，从而保证了选手骑乘的安全性。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：
一种散热性能好的碳纤维自行车轮圈，包括轮圈本体、以及设置在轮圈本体两侧的刹车边，所述刹车边外表面设有一层增强层，该增强层由具有金属镀层的耐磨纤维编织而成。考虑到金属镀层与纤维的结合强度，本方案推荐采用的是玻璃纤维、玄武岩纤维或碳纤维，优选玻璃纤维。
所述增强层是由纤维表面镀覆上金属镀层的耐磨纤维以某种形式排列组合而成，不论是单向、平纹编织还是斜纹编织的排列方式，均在本发明保护的范围之内。作为优选的方案，所述增强层由具有金属镀层的耐磨纤维采用平纹编织或者斜纹编织而成。
刹车边表面所使用的耐磨纤维的表面镀覆有金属镀层，凡是导热系数大于耐磨纤维的金属镀层，均在本发明的保护范围之内，例如可采用导热系数较高的金、银、铜、铝、镁、镍、镉、锌、锡以及含有上述组分的合金等，其中银在0-400摄氏度内的导热系数均较高，作为优选，所述金属镀层采用的金属为银。
轮圈本体可根据需要选用多种材料，作为优选，所述轮圈本体为碳纤维材质。所述轮圈本体可采用常规的方法加工而成，其规格尺寸、结构形状均可根据实际需要确定。
为提高轮圈本体的刹车边与增强层的连接强度，提高刹车边的整体耐磨行，作为优选，所述轮圈由下述方法制作而成：将镀有金属镀层的耐磨纤维预浸料与制造碳纤维轮圈的碳纤维预浸料一同铺设于轮圈模具中，经过一次加热固化成型工艺制造而成。采用一次加热固化成型，刹车边与轮圈之间浑然一体，结合的更加紧固可靠。
所述增强层的厚度可根据实际使用场合确定，一般为0.03～0.5mm，作为优选所述增强层的厚度为0.1～0.3mm。
所述耐磨纤维的直径为3～100μm；所述金属镀层的厚度为3～60μm。
本发明还提供了一种自行车，该自行车刹车过程中，能够迅速将摩擦热量散开，避免热量积聚，提高自行车轮圈的整体强度。
一种自行车，该自行车车圈采用上述任一技术方案所述的散热性能好的碳纤维自行车轮圈。
本发明所述的散热性能好的碳纤维自行车轮圈，可使用在多种自行车上，尤其适于对刹车牢度和轮圈牢度要求较高的场合，例如可使用在自行车赛车、或者山地自行车上。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)本发明采用在刹车边覆设一层具有金属镀层的耐磨纤维增强层，大大提高碳纤维轮圈表面导热系数，热量快速散发出去，从而大大降低热量聚集升温的效应，避免温度上升，即使常规Tg温度的树脂也不会失去强度，从而保证了选手骑乘的安全性。
(2)现有技术中，金属镀层是在已经固化完成的碳纤维复合材料刹车边的外表面上，即表面的树脂基体上；而本发明的金属镀层是在耐磨纤维的表面，在纤维的金属镀层外是包裹着的树脂基体；在避免刹车块对金属镀层直接摩擦的同时，能够迅速将产生的热量散去。
(3)现有技术中，金属镀层是隔绝刹车块直接与轮圈的碳纤维进行摩擦，从而保护轮圈免受破坏；而本发明在耐磨纤维表面镀覆金属镀层的目的是利用金属镀层的高导热系数的特性，迅速将刹车摩擦产生的热量发散掉，避免轮圈表面温度过高，保证轮圈的机械强度。
(4)现有技术中，所使用的刹车边需先将刹车边的碳纤维复合材料固化成型后，再电镀一层金属，然后将镀好金属的刹车边再与碳纤维轮圈二次粘合；而本发明的工艺是将具有金属镀层的耐磨纤维预浸料与制作轮圈的碳纤维预浸料一起铺设与模具中，一次加热固化成型，刹车边与轮圈之间浑然一体，结合的更加紧固可靠。
附图说明
图1为本发明的散热性能好的碳纤维自行车轮圈横截面的结构示意图。
图2为图1所示轮圈的A部分的局部放大结构示意图。
图3为图2所示轮圈的B部分的局部放大结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1-图3所示：一种散热性能好的碳纤维自行车轮圈，包括轮圈本体1、以及设置在轮圈本体1两侧的刹车边2，刹车边2外表面设有一层增强层3，该增强层3由具有金属镀层的玻璃纤维编织而成。
轮圈本体1的结构、材料、制作方法等均可采用现有技术。本实施例中，轮圈本体1采用碳纤维材质。刹车边2的结构和尺寸等均为现有技术，均可采用现有技术的结构和尺寸。
如图3所示，增强层3由具有金属镀层的玻璃纤维采用平纹编织或者斜纹编织而成，增强层的厚度一般为0.03～0.5mm，包括玻璃纤维3a、以及包覆在玻璃纤维3a外壁的金属镀层3b。所述玻璃纤维的直径一般为3～100μm；所述金属镀层的厚度一般为3～60μm。增强层3可采用现有的金属镀层方法，例如可采用化学镀层或者电化学镀层等。
增强层3中金属镀层所采用的金属壳选用多中导热性能较好的金属，例如可采用导热系数较高的金、银、铜、铝、镁以及含有上述组分的合金等，其中银在0-400摄氏度内的导热系数均较高，本实施方式中金属镀层采用的金属为银，镀层时，可采用现有的适于银的金属镀层方法。
本实施方式中，轮圈可采用由下述方法制作而成：将镀有金属镀层的玻璃纤维预浸料与制造碳纤维轮圈的碳纤维预浸料一同铺设于轮圈模具中，经过一次加热固化成型工艺制造而成。与申请公布号为CN102795053A的专利文献公开的技术方案相比，本发明采用一次成型，大大提高了轮圈本体与增强层之间的结合强度。
通过对比试验测试结果表明，具有镀银玻纤编织布刹车边的碳纤维轮圈比没有镀银刹车边的轮圈，在室内室温无风条件下，升温速率要低25％以上。强制轮圈转动的输入功率350W，制动功率300W的(转速在3转/秒)的制动条件下，持续80秒后，无镀银刹车边的轮圈表面温度已经达到158℃，轮圈已经开始变形，而具有镀银刹车边的轮圈，同样持续80秒后，温度为105℃上下，继续维持上述刹车状态，刹车边最高温度也只在116℃左右，轮圈未出现任何变形的现象。实验结果表明镀银刹车边的散热效果非常显著。
实施例2
一种自行车，自行车车圈采用实施例1中公开的散热性能好的碳纤维自行车轮圈。自行车为自行车赛车或山地自行车，自行车的其他结构均可采用现有技术的结构。
上述的实施例只是为了描述本发明，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本方面的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种散热性能好的碳纤维自行车轮圈，包括轮圈本体、以及设置在轮圈本体两侧的刹车边，其特征在于，所述刹车边外表面设有一层增强层，该增强层由具有金属镀层的耐磨纤维编织而成。
2.根据权利要求1所述散热性能好的碳纤维自行车轮圈，其特征在于，所述耐磨纤维为玻璃纤维、玄武岩纤维或碳纤维。
3.根据权利要求1所述散热性能好的碳纤维自行车轮圈，其特征在于，所述增强层由具有金属镀层的耐磨纤维采用平纹编织或者斜纹编织而成。
4.根据权利要求1所述散热性能好的碳纤维自行车轮圈，其特征在于，所述金属镀层采用的金属为金、银、铜、铝、镁、镍、镉、锌、锡或含有上述组分的合金。
5.根据权利要求1所述散热性能好的碳纤维自行车轮圈，其特征在于，所述轮圈本体为碳纤维材质。
6.根据权利要求5所述散热性能好的碳纤维自行车轮圈，其特征在于，所述轮圈由下述方法制作而成：将镀有金属镀层的耐磨纤维预浸料与制造碳纤维轮圈的碳纤维预浸料一同铺设于轮圈模具中，经过一次加热固化成型工艺制造而成。
7.根据权利要求1所述散热性能好的碳纤维自行车轮圈，其特征在于，所述增强层的厚度为0.03～0.5mm。
8.根据权利要求1所述散热性能好的碳纤维自行车轮圈，其特征在于，所述耐磨纤维的直径为3～100μm；所述金属镀层的厚度为2～60μm。
9.一种自行车，其特征在于，所述自行车车圈采用权利要求1-8任一权项所述的散热性能好的碳纤维自行车轮圈。
10.根据权利要求9所述的自行车，其特征在于，所述自行车为自行车赛车或山地自行车。
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