CN104039535B - 包括轮子辐条盘的轮子和适当的生产方法 - Google Patents

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Abstract

公开了包括轮辋和轮子辐条盘的轮子，轮子辐条盘包括轮毂(3a,3b)和辐条(2)。所述轮子的特征在于辐条由作为纤维复合物的增强材料的一根或更多根线性织物股制成，并且每一根线性织物股无中断地至少一次从轮辋延伸到轮毂并返回从而形成至少一根辐条。织物股形配连接和/或一体接合至轮毂和轮辋。还公开了本发明的用于生产轮子的方法。

Description

包括轮子辐条盘的轮子和适当的生产方法
技术领域
本发明的主题是用于轮子，尤其是汽车的轮子的轮子辐条盘，该辐条盘具有纤维复合物制成的辐条。此外，公开了一种制造这种轮子辐条盘的方法。
背景技术
通常的轮子设计具有槽，该槽由轮辋槽和轮子凸缘组成。轮子凸缘在两侧环绕轮辋槽，重叠该轮辋槽并提供轮胎侧向支撑。轮子辐条盘或轮盘用于紧固轮子。因此，轮子辐条盘具有辐条或从轮辋至轮毂的其它连接，其布置在轮子的中央。轮盘在没有辐条的情况下执行与轮辋至轮毂的完全连接相同的任务。
在汽车技术的进一步发展中不断地努力减少机动车辆的重量，尤其是非悬挂质量的重量。为此提供了轻质材料的使用，尤其是纤维复合物的使用。
已经有很多方法借助于用纤维复合物替代金属辐条来有助于重量的减少。然而，在这些替代中，稳定性要求可能没有渐渐融入到背景中。
US4,681,647建议将金属轮毂与环形环绕元件连接。因此，轮毂被在轮毂和外环之间延伸的长的增强纤维缠绕，或者轮毂具有用于此的销状突起，增强纤维绕该销状突起放置且然后导向到外环。外环自身被缠绕一次或多次，于是增强纤维被往回导向到轮毂。另一实施方式还提供了在外环上的销状突起，其被相应地缠绕。长的增强纤维具有塑胶浸透处理并且可以在完成在轮毂和环之间的缠绕之后被硬化。它们随后形成轮子的辐条。该设计的缺点是，增强纤维单向地在轮毂和环之间延伸并具有相对于与轴向方向平行的应力的低抵抗性。由于复杂的缠绕，因此制造过程是复杂的且耗时的。
DE10 2006 051 867 A1公开了由多个由纤维增强材料制成的环组成的轮子辐条盘可如何构造。由增强纤维制成的多个环装配到轮辋和轮毂之间的空间内。环仍未被硬化且变形成具有圆形角部的圆弧形形状。圆弧的圆形节段以理想的形状位于轮辋的内表面处，而圆弧的弦彼此接触且在固结之后形成辐条。圆弧实质上彼此连接或借助于基体材料与轮辋连接。该设计的缺点是由增强纤维材料制成的环被单向地缠绕且因此具有相对于轴向方向力的低抵抗性。此外，辐条的结构仅允许位于轮毂平面中的直设计。
发明内容
因此，目的是提出一种轮子设计，该轮子设计将纤维复合物构造的重量优点与良好的相对于轴向应力抵抗性相结合。另外的目的是使得轮子设计的美学上吸引人的形状成为可能。
根据本发明，该目的由根据权利要求1的轮子的轮子辐条盘来实现。权利要求9中公开了制造这种轮子的过程。
根据本发明的轮子具有轮子辐条盘，该轮子辐条盘的辐条由作为纤维复合物的增强材料的一根或更多根线性伸展织物股(也为：织物股)组成。每一根线性伸展织物股至少一次在轮辋和轮毂之间来回延伸并据此形成至少一根辐条。在本申请的意义内，线性被定义为具有不互相连接的至少两根端部的织物股。织物股据此可以沿一个或更多个方向弯曲一次或多次。
在优选实施方式中，线性伸展织物股形成轮子的辐条。织物股的端部据此在固结状态下以形状锁定(positive-locking)方式且优选地也实体(in substance)紧固到轮辋，而织物股的中央在轮毂处偏转。因而，织物股形成了两根部分股，这两根部分股在它们在轮毂和轮辋之间的路线中且没有任何距离地侧向地彼此相邻，并且这两根部分股优选地也借助于基体材料实体连接。
在另一优选实施方式中，线性伸展织物股形成轮子的两根辐条。织物股的端部在固结状态下以形状锁定方式且优选地也实体紧固到轮辋，而织物股的中央在轮毂处偏转。两根部分股在它们在轮辋和轮毂之间的路线中分离并形成相对于轮毂的作为顶点的反向点的角度。
纤维复合物由至少一种基体材料和增强纤维组成，增强纤维改善纤维复合物承受在其路线方向上的应力的能力。固结的或固结在这里由纤维复合物被硬化来定义。这可部分地(部分固结)或完全地发生。纤维复合物在没有发生固结过程时是未固结的。在固结期间，基体材料硬化且围住增强纤维并将它们固定在其位置。
相邻的辐条优选地以彼此恒定的角度延伸且均匀地分布在轮子辐条盘的整个圆周上。然而，另一优选实施方式也提供了成对布置的辐条，具有较小的包围角和与辐条的下一对的较大的角度或者反之亦然。
在另一优选实施方式中，线性伸展织物股形成多于两根辐条，但是偶数的辐条。为此目的，织物股的端部在固结状态下以形状锁定方式且优选地也实体紧固到轮辋，同时该织物股从第一端部的紧固延伸到轮毂，在该处偏转并往回延伸到轮辋。这通常有利地发生，直到达到指定辐条的数目。这样，辐条由单根的线性伸展织物股形成。也优选是多根线性伸展织物股，据此，每一根织物股或织物股中的甚至仅某些形成轮辋的多于两根辐条。
织物股的端部优选地弯曲且在其中一个旋转方向上跟随轮辋的在其内侧上的曲率。多根相邻的织物股的端部优选地一致地指向彼此或远离彼此。
线性伸展织物股优选地设计为稀洋纱、针织织品、网、织品或多轴织物。织物股优选地还由多个层组成，所述多个层有利地缝合在一起，或者比如，通过粘合剂喷射而被保持在一起。
在特别优选的实施方式中，织物股被编织且优选地具有多个纤维方向。优选地，纤维以相对于辐条的轴线成±45°的角度延伸。织物股的取向可以在长度上变化，使得最有利的可被设置成用于应力。为此目的，织物股优选地以三维编织过程制造。有利地，可变几何结构的织物股可以因此被制造。织物股因而优选地具有在轮毂附近较大的直径且可在紧固到轮辋的区域中被分成两根或更多根部分织物股，且也随后再次聚集成一根织物股。
织物股由根据现有技术的增强纤维材料组成。高强度纤维材料，比如玻璃纤维、碳纤维或Kevlar(芳香聚酰胺)纤维是优选的。
轮毂优选地具有用于紧固轮子的轮轴孔和/或螺栓孔。此外，轮毂优选地具有销状突起，织物股无中断地绕销状突起延伸，并且借助于该销状突起，织物股被偏转。在特别优选的实施方式中，销状突起被设计成使得在面向轮毂的几何轴线的侧上，存在倒圆，织物股绕该倒圆延伸，据此力有利地通过销状突起和织物股而分布在整个接触表面上。销状突起的面向轮辋的部分在其外表面，优选地平行于轮辋的内表面上延伸。在织物股穿过销状突起的表面的部位处，销状突起被略微弄圆以避免销状突起在织物股上的凹口效应。优选地，轮毂具有交替的具有不中断地绕销状突起延伸的织物股的销状突起和没有织物股的销状突起。仅每隔一个销状突起因此保持织物股，据此由于销状突起布置在它们之间，然而，实现了在轮辋内侧方向上闭合的轮毂表面的压痕。在优选实施方式中，轮毂仅具有也保持织物股的销状突起，而具有绕它们延伸的织物股的销状突起之间的中间空间填充有轮毂材料。
轮毂优选地具有两部分设计。优选地具有带有板型下叶片端的第一轮毂部分，其可选地除轮轴开口和/或螺栓开口之外还具有带有高度的销状突起，该高度对应于织物股的宽度。第二轮毂部分于是仅可选地具有轮轴开口和/或螺栓开口，并位于第一轮毂部分上并固定在该处。绕销状突起延伸的织物股有利地轴向地固定并以这种方式确保防止移位。螺栓孔优选地延伸穿过销状突起。
另一优选的轮毂形状使线性伸展织物股仅被引导穿过轮毂材料中的凹部。借助于轮毂部分的布置在这些凹部上方和下方的平的优选圆盘形的限制防止了轴向滑移。在线性伸展织物股固结且安装轮辋之后，线性伸展织物股以形状锁定方式且可选地也经由基体材料实体固定。轮毂部分可选地具有轮轴开口和/或螺栓开口。
轮毂的另一优选实施方式提供了轮毂的第一部分和第二部分的制造。每一个轮毂部分从而除可选的轮轴开口和/或可选的螺栓开口之外还具有一些销状突起。在优选实施方式中，销状突起的数目的50％布置在第一轮毂部分上且50％布置在第二轮毂部分上。在另一优选实施方式中，每一个轮毂部分具有带有总高度的一半的销状突起，使得在将两个轮毂部分连接在一起之后，销状突起在其需要的总高度下可利用。对本领域技术人员明显的是，当销状突起的数目不是偶数时，尽可能均匀地分布销状突起，例如，在两个轮毂部分上交替的。还明显的是，当轮毂部分的销状突起的高度是销状突起的必要总高度的30％时，在另一轮毂部分上的具有总高度的70％的高度的销状突起与该轮毂部分相对。在两个轮毂部分之间的销状突起的总高度对应于绕它们延伸的织物股的宽度。同样，绕销状突起延伸穿过轮毂材料的自由空间对应于环绕织物股的高度。
两个轮毂部分优选地通过螺栓连接或通过使这些轮毂部分在安装轮子期间经由螺栓孔保持在一起来固定。在优选实施方式中，轮毂还由纤维复合物组成，且两个轮毂部分在纤维复合物固结过程中连接在一起并经由基体材料实体保持。
为此目的，轮毂优选地由现有技术已知的材料组成。这可以是例如深拉钢、铝、镁或轻金属合金。然而，也优选地使用纤维增强塑料。
在优选实施方式中，轮子的轮辋由纤维复合物组成。此处尤其优选的是多层编织纤维增强。轮子辐条盘优选地通过织物股的端部以及如果存在的线性伸展织物股的沿轮辋的内侧延伸的线性伸展部分被编织并因此在固结状态下延伸到轮辋内来紧固，然而，来自轮子辐条盘的织物股的纤维越过进入轮毂的纤维增强的纤维。在轮辋固结之后，织物股的端部以及织物股的沿轮辋的内侧延伸的部分以形状锁定方式且可选地也经由轮辋本体中的基体材料实体固定。
另一优选实施方式中提供了在其内圆周上具有胎圈的轮辋，线性伸展织物股的端部且(如果存在的话)线性伸展织物股的沿轮辋的内侧延伸的部分延伸到该胎圈内，且这些在胎圈内固结。这样，由纤维复合物制成的轮子辐条盘可有利地以形状锁定方式紧固在金属轮辋中。
另一优选实施方式中使得每一根线性伸展织物股形成两根辐条且织物股的两个端部中的每一个端部被分成两个单个端部。
在第一实施方式中，单个端部在与轮子的轴线平行的平面中(优选地，在材料厚度的50％处)分开。它们在轮辋的内侧上散开并在固结之后形成轮子辐条盘和轮辋之间的形状锁定的连接。在散开之后，两个端部遵循轮辋内侧上并对着轮子旋转方向的轮辋的曲率。模制件可以有利地被插入两个端部之间的V形部分内，用于稳定。该模制件优选地通过失芯来形成。模制件优选地由泡沫材料组成。
第二优选实施方式使得单个端部在与轮子的轴线垂直的平面中(也优选是在织物股的材料厚度的50％处)分开。端部随后在两个轴向方向上包围轮辋的内侧的一部分并遵循其轮廓。在织物股固结之后，轮辋因此借助于所有辐条的端部以形状锁定方式保持。该实施方式有利地适合于用于金属轮辋。在轮辋材料中形成胎圈此处有利地而不是必须的。
用于制造线性伸展织物股的优选过程提供了通过编织来制造它们。此处有利地使用3D编织机。线性伸展织物股可以作为连续产品来制造且从而也设有可变的横截面、厚度、分裂和连接部。为此目的，当制造线性伸展织物股时，已经考虑了期望的轮子尺寸。线性伸展织物股随后被切割成必要的长度且可用于进一步的处理。
a)固结的或
b)未固结的
制备的线性伸展织物股被用于进一步处理。
根据a)，未固结的织物股被插入到模具内，该模具指定织物股的设计曲率和其它形状且随后充满基体材料，或者如果基体材料包含在织物股中，硬化该基体材料。热塑性材料或硬质塑料材料被用作基体材料。聚丙烯尤其优选为热塑性材料且环氧树脂尤其优选为硬质塑料材料。固结的织物股随后被插入到模具内，该模具已经包含第一轮毂部分。优选地，织物股的端部延伸到轮辋区域中。然后，插入第二轮毂部分，且使模具闭合。之后通过模具被编织而形成轮辋区域。然后还使轮辋区域固结。轮毂和轮辋之间的织物股此刻以形状锁定方式固定。
根据b)，将未固结的织物股插入到用于轮辋的模具内，模具已经包含第一轮毂部分。然后，将第二轮毂部分插入，且使模具闭合。模具此刻再产生外区域中轮辋的轮廓。织物股的端部优选地延伸到轮辋区域中。随后，轮辋模具被编织。在编织过程之后，由轮毂、织物股和轮辋组成的整个物体固结。
除用于形成轮辋的模具的编织之外，也有利地使用现有技术已知的其它纤维沉积方法。由纤维材料制成的预浸料的缠绕和沉积此处是尤其优选的。
具体实施方式
根据本发明的过程在下面基于三个示例性实施方式来解释，然而，不将本发明限制于这些示例性实施方式。
根据图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7的示例性实施方式1：
轮子辐条盘由单独预成型的辐条节段(2)构成。辐条节段(2)在这里在单独的模具(4)中成型，纵长伸展织物股被覆盖在单独的模具(4)中。在该情形中，能够提前固结辐条节段(2)。随后将第一轮毂部分(3a)以及预成型的辐条节段(2)插入到模具的第一模具半部(5)的插入凹槽(7)内。在施用第二轮毂部分(3b)并闭合模具半部(5、8)之后，通过在作为编织芯部(6)的模具(5、8)上编织来形成轮辋槽(1)。辐条(2)从而经由形状锁定到轮辋槽(1)的织物结构内而被轴向地和径向地集成。在轮辋槽(1)的区域中使用多部分外模具来在固结期间压制织物预成型件。在固结之后，轮子辐条盘和轮辋槽以形状锁定方式且实体连接。
根据图8、图9的示例性实施方式2：
轮子辐条盘的辐条(2)通过在轮辋模具的模具半部1中覆盖未固结的纵长伸展织物股以及在其中插入轮子轮毂半部1而形成。为了保证尽可能大地连接辐条和轮辋槽之间的区域，用于轮辋槽的区域中的辐条的织物股的端部在两侧上在这里发生散开。此处在散开的织物层之间形成的V形凹部借助于楔形嵌入件被闭合。在施用轮子轮毂半部2且模具半部被闭合之后，通过在作为编织芯部的模具上编织来进行轮辋槽的形成。辐条从而经由在底切区域中形成的形状锁定到轮辋槽的织物结构内而被轴向地和径向地集成。在轮辋槽的区域中使用多部分外模具来在固结期间压制织物预成型件。在固结之后，轮子辐条盘和轮辋槽以形状锁定方式且实体连接。
根据图10、图11、图12、图13、图14、图15、图16的示例性实施方式3：
纵长伸展织物股与轮辋槽的连接借助于在底切区域中形成的形状锁定来进行，据此，织物在槽上以及轮辋槽的外凸缘几何结构上轴向地延伸。图14显示了纵长伸展织物股连同用于轮毂的模具部分是如何被覆盖在模具中的。
图13示出纤维(a-f)的纤维路线是如何无中断地从一部分中央部分经过进入织物股的散开的端部的。在织物股的未分开的部分中，此处纤维以相对于织物股的轴线成+45°(e、c、e)以及-45°(b、d、f)的角度延伸。在分开和散开之后，第一部分股具有纤维b、d和e，且第二部分股具有纤维a、c和f。此外，纤维还在以相对于各自的部分股的轴线成±45°的角度分开之后延伸。
辐条节段的纵长伸展织物股具有不同的横截面，该横截面用于与应力对应的轮子辐条盘的成型。具有不同横截面的辐条节段的预成型以及辐条端部分散成两根纤维股(2a、2b)通过3D编织机(图15)来实现。这使得制造由串在一起的多个辐条节段组成的连续的3D织物成为可能，所述多个辐条节段借助于根据现有技术的分离装置(比如，杠杆式剪切机、自动切割机)而被相互分离(图16，作为图15的细节C的放大)。
附图标记列表
1 轮辋槽
2 由纵长伸展织物股组成的辐条节段
2a 辐条端部a
2b 辐条端部b
3a 第一轮毂部分
3b 第二轮毂部分
4 用于轮毂节段的模具
5 第一模具半部
6 编织芯部
7 插入凹槽
8 第二模具半部
9 对称轴线
10 径向编织机
11 编织筒子
12 编织丝
13 楔形嵌入件
14 3D编织机的筒子区域
15 模子
16 分离装置
a-f 纤维

Claims (8)

1.一种带有轮辋以及轮子辐条盘的轮子，所述轮子辐条盘具有轮毂和辐条，其中所述辐条由作为纤维复合物的增强材料的一根或更多根线性伸展织物股组成，所述线性伸展织物股具有不彼此连接的至少两端，并且每一根线性伸展织物股无中断地至少一次从所述轮辋延伸到所述轮毂并返回且因此形成至少一根辐条，所述线性伸展织物股的所述至少两端中的每一端被分成两个单个端部，并且
所述两个单个端部在与所述轮子的轴线平行的平面中分开，所述两个单个端部散开并以形锁方式在所述轮子的两个旋转方向上紧固在所述轮子的槽中，或者
所述两个单个端部在与所述轮子的轴线垂直的平面中分开，所述两个单个端部散开并连接到所述轮辋的在沿所述轮辋的轴向方向上的内侧的轮廓，且因此产生形状锁定的紧固。
2.根据权利要求1所述的轮子，其特征在于所述辐条和所述轮辋和/或所述辐条和所述轮毂以形状锁定方式和/或实体连接。
3.根据权利要求1或2所述的轮子，其特征在于每一根线性伸展织物股绕所述轮毂中的销状突起延伸。
4.根据权利要求1或2所述的轮子，其特征在于所述线性伸展织物股延伸穿过所述轮毂中的凹部。
5.根据权利要求1或2所述的轮子，其特征在于所述线性伸展织物股中的至少一根形成多于两根辐条，且为此，该线性伸展织物股的与端部不相同的一个部分在所述轮子的槽的内表面中延伸并以所述槽终止。
6.根据权利要求1所述的轮子，其特征在于在每一根线性伸展织物股的一端散开的部位处，形成具有三角形横截面的自由空间，理想地成型的模制件插入到所述自由空间中。
7.一种制造带有轮子辐条盘的根据权利要求1所述的轮子的过程，所述轮子辐条盘的辐条由作为纤维复合物的增强材料的一根或更多根线性伸展织物股组成，其中执行以下步骤：
a.制备与轮辋轮廓对应的模具，所述模具具有第一模具部分和第二模具部分，所述模具具有用于形成所述轮子辐条盘的凹部；
b.制备所述线性伸展织物股；
c.将第一轮毂部分插入到所述第一模具部分中，使得辐条节段的形状的连续路线成镜像；
d.将未固结的线性伸展织物股插入到所述第一模具部分中，使得所述线性伸展织物股的至少端部在底切区域中被集成到所述第一模具部分中并且所述线性伸展织物股无中断地至少一次从所述轮辋延伸穿过所述轮毂并返回且因此形成至少一根辐条；
e.插入第二轮毂部分；
f.通过将所述第一模具部分和所述第二模具部分连接在一起闭合所述模具；
g.借助于将纤维进一步沉积到所述模具上来形成所述轮辋的增强纤维结构；
h.所述轮辋和所述轮子辐条盘的连接固结；
i.将所述轮子从所述模具移除。
8.一种制造带有轮子辐条盘的根据权利要求1所述的轮子的过程，所述轮子辐条盘的辐条由作为纤维复合物的增强材料的一根或更多根线性伸展织物股组成，其中执行以下步骤：
a.制备与轮辋轮廓对应的模具，所述模具具有第一模具部分和第二模具部分，所述模具具有用于形成所述轮子辐条盘的凹部；
b.制备所述线性伸展织物股；
c.将第一轮毂部分插入到所述第一模具部分中，使得辐条节段的形状的连续路线成镜像；
d.将已经固结的或预先固结的线性伸展织物股插入到所述第一模具部分中，使得所述线性伸展织物股的至少端部在底切区域中被集成到所述第一模具部分中并且所述线性伸展织物股无中断地至少一次从所述轮辋延伸穿过所述轮毂并返回且因此形成至少一根辐条；
e.插入第二轮毂部分；
f.借助于将所述第一模具部分和所述第二模具部分连接在一起闭合所述模具；
g.借助于将纤维沉积到所述模具上来形成所述轮辋的增强纤维结构；
h.所述轮辋和所述轮子辐条盘的连接固结；
i.将所述轮子从所述模具移除。
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