CN104085250B - 一种适用于注塑成型的热塑性复合材料车轮 - Google Patents

Abstract

一种适用于注塑成型的热塑性复合材料车轮，其轮辋是由轮辋基底与轮辋加强结构组成,轮辋基底类似于铝合金车轮轮辋，轮辋加强结构依附在轮辋基底上，二者共同构成的外轮廓满足要求；轮辋两侧胎圈座与轮胎接触，轮辋加强结构设计在两个胎圈座中间区域，圆周上将轮辋加强结构划分为复数个区域，每个区域夹角为θ，对应有一个通过车轮中心的拔模方向，改变θ即可改变轮辋模具的个数；轮辋加强结构由预定数目的“加强单元”复制而成，每个“加强单元”有两个肋板交叉呈现X型，在交叉点处有空心圆柱过渡。本发明结构具有较大的刚度质量比，因而将复合材料车轮设计了镂空的结构形式，克服了热塑性复合材料弹性模量较小的缺点。

Description

一种适用于注塑成型的热塑性复合材料车轮

技术领域

本发明提供一种适用于注塑成型的热塑性复合材料车轮，它具体涉及一种适用于注塑成型的热塑性复合材料车轮的结构,属于汽车技术领域。

技术背景

结构轻量化是实现汽车节能减排的重要技术手段。采用先进复合材料制造汽车零部件是实现汽车轻量化最重要和最有效手段之一。热固性复合材料具有比强度高、比刚度高等优点，已广泛应用于航空航天等领域，但限于价格较高和生产效率较低等，还没有大批量的广泛应用于民用汽车领域。热塑性复合材料，如长玻纤增强复合材料和碳纤维增强复合材料，力学性能较热固性复合材料低，但其结构可设计性好，一定程度上可以通过结构的强化设计弥补其力学性能的不足。热塑性复合材料具有成本较低、成型加工性能优良、生产节拍快、和绿色环保等优点，使得其在民用汽车领域具有广阔的市场前景。

车轮是汽车的关键安全部件，承受载荷大且形式复杂。研究表明，汽车车轮这类旋转件轻量化的节能效果相当于非旋转件的1.5倍左右。热固性复合材料车轮已少量应用于竞技车辆和高性能汽车上，但由于成本及生产效率等原因，民用汽车基本没有采用。热塑性复合材料车轮，强度高，质量轻，成本低，生产效率高，节能环保，因而具有广阔的市场前景。

签于此，本发明设计了一种适用于注塑成型的热塑性复合材料车轮，由车轮工作工况的受力特点，有针对性的在结构上强化设计，使得车轮满足使用要求。

发明内容

1、目的：本发明的目的是提供一种适用于注塑成型的热塑性复合材料车轮，由车轮工作工况下的受力特点，有针对性的在结构上强化设计。筋骨结构具有较大的刚度质量比，因而将复合材料车轮设计了镂空的结构形式，克服了热塑性复合材料弹性模量较小的缺点。

2、技术方案：

本发明一种适用于注塑成型的热塑性复合材料车轮，其轮辋是由轮辋基底与轮辋加强结构组成,如图1，轮辋基底11类似于铝合金车轮轮辋，轮辋加强结构12依附在轮辋基底11上，二者共同构成的外轮廓满足国标要求的轮辋轮廓。轮辋两侧胎圈座与轮胎接触，对密封性有要求，故轮辋加强结构设计在两个胎圈座中间区域。圆周上将轮辋加强结构划分为若干个区域，如图3(c)，每个区域夹角为θ(能整除360)，对应有一个通过车轮中心的拔模方向，改变θ即可改变轮辋模具的个数。图3(a)、(b)详细说明了轮辋加强结构的构造，轮辋加强结构由预定数目的“加强单元”复制而成，每个“加强单元”有两个肋板交叉而成，呈现X型，在交叉点处有空心圆柱过渡。轮辋加强结构主要由参数Ω、δ、L、t、D和d等控制，改变参数值可改变轮辋加强结构的强度和交叉处应力集中情况。Ω为轮辋加强结构肋板与车轮平面的夹角，当Ω＝90°时，加强结构肋板平行于车轮平面，如图4(a)、(b)，可根据车轮的受载情况，选择合适的角度。轮辋加强结构与轮辋基底有三种相对位置关系：轮辋加强结构在轮辋基底外侧，如图5(a)；轮辋加强结构在轮辋基底内侧，如图5(b)；轮辋加强结构在轮辋基底两侧，如图5(c)。在轮辋近端轮缘处设计了“夹层加强结构”，如图2(a)，近端轮缘201，圆周方向分布的肋板202和环带状肋板203，组成了一端开口的夹层结构，该结构能有效增强轮缘处的强度和刚度。在远端轮缘处设计了类似的“夹层加强结构”，如图2(b)，夹层结构由远端轮缘211，圆周方向分布的肋板212和环带状肋板213组成。除了“夹层加强结构”，也可以在轮缘内置环带加强嵌件，如图6，环带加强嵌件预埋在轮缘内部，与车轮成为一个整体。

本发明一种适用于注塑成型的热塑性复合材料车轮，其轮辐数目是3～12，每条轮辐可看作轮辐基底13和轮辐肋板14组成，如图2。轮辐肋板根据位置关系分为径向肋板方向和环带肋板，如图2(a)，肋板204、205、206和207为径向肋板，肋板208、209和210为环带肋板，二者相互交错，类似“经纬线”形式。可根据车轮的型号和承受载荷的大小，选择合适的肋板数目，并且各个肋板可以设计成不同的厚度。轮辐基底将肋板连接成一个整体，形成镂空的轮辐结构形式。

其中，该复合材料车轮采用注塑工艺一次成型为一个整体。

其中，该轮辋加强结构与轮辋基底有三种相对位置关系：轮辋加强结构在轮辋基底外侧，轮辋加强结构在轮辋基底内侧，轮辋加强结构在轮辋基底两侧。

其中，该环带加强嵌件的材料为热固性复合材料、热塑性复合材料、铝合金或钢中的一种。

其中，为增强轮缘处的强度，综合采用两种强化方案，即内置环带加强嵌件的同时设计“夹层加强结构”。

其中，轮辐基底与轮辐肋板有三种位置关系：轮辐基底在肋板外侧，如图7(a)；轮辐基底在肋板中间，如图7(b)；轮辐基底在肋板内侧，如图7(c)。

3、优点及功效：本发明的优点在于：

1)利用筋骨结构有较大的刚重比，将车轮设计成镂空的结构形式，克服了热塑性复合材料刚度较小的缺点，得到满足使用要求的复合材料车轮。

2)热塑性复合材料车轮采用注塑工艺一次成型，生产节拍快，加工成本低，便于大批量生产。

3)复合材料成型收缩率小，能够保证车轮的尺寸精度。

4)与热固性复合材料相比，热塑性复合材料车轮可循环回收重复使用，有较好的环保性。

5)结构可设计性好，可以设计出结构新颖、美观多变的复合材料车轮。

附图说明

图1显示了热塑性复合材料车轮的轴视图。

图2(a)显示了热塑性复合材料车轮的正视图。

图2(b)显示了热塑性复合材料车轮的背视图。

图3(a)是轮辋基底与轮辋加强结构的主视图。

图3(b)是轮辋基底与轮辋加强结构的局部放大图。

图3(c)是轮辋基底与轮辋加强结构的剖面图。

图3(d)是轮辋基底与轮辋加强结构的立体图。

轮辋加强结构由以下参数控制：

改变参数θ(θ能整除360)，可以改变轮辋模具的个数；

改变参数Ω，可以改变肋板与车轮轴线的夹角；

改变参数L、δ、t、D和d，可以改变轮辋加强结构的强度和交叉处应力集中情况。

图4(a)是图4(b)的局部放大图。

图4(b)是Ω＝90°时，轮辋基底与轮辋加强结构的立体图，轴向肋板与车轮轴线平行。

图5(a)轮辋基底在肋板内侧示意图。

图5(b)轮辋基底在轮辋加强结构外侧示意图。

图5(c)轮辋基底在轮辋加强结构中间示意图。

图6是轮辋轮缘处内置的环带嵌件示意图，环带嵌件既可以内置于近端轮缘，也可以内置于远端轮缘，还可以同时内置于近、远端轮缘。

图7(a)轮辋基底在轮辐肋板外侧示意图。

图7(b)轮辋基底在轮辐肋板中间示意图。

图7(c)轮辋基底在轮辐肋板内侧示意图。

图中序号、符号和代号说明如下：

图1中11为轮辋基底，12为轮辋加强结构，13为轮辐基底，14为轮辐加强结构。

图2中201为近端轮缘，202为近端周向分布肋板，203为近端环带肋板，204、205、206和207为轮辐径向肋板，208、209和210为轮辐环带肋板，211为远端轮缘，212为远端周向分布肋板，213为远端环带肋板。

图3中θ为单个轮辋加强结构区域的角度，Ω为肋板与车轮平面的夹角，δ为“加强单元”两个肋板的夹角，L为“加强单元”肋板的长度，t为肋板的厚度，D和d分别为交叉点处空心圆柱的外径和内径。

图6中61为近端轮缘环带嵌件，62为远端轮缘环带嵌件。

具体实施方式

在以下的描述中，将根据示例性实施例详细地描述本发明。

本发明示例基于某型号的铝合金车轮，轮辋尺寸为14×5.5英寸，螺栓孔数目为4。

本发明一种适用于注塑成型的热塑性复合材料车轮，其轮辋可看作轮辋基底与轮辋加强结构组成,如图1，轮辋基底11类似于铝合金车轮轮辋，轮辋加强结构12依附在轮辋基底11上，二者共同构成的外轮廓满足国标要求的轮辋轮廓。为保证轮辋的内部空间，将轮辋直径增加至15英寸。轮辋两侧胎圈座与轮胎接触，对密封性有要求，故轮辋加强结构12设计在两个胎圈座中间区域。圆周上将轮辋加强结构12划分为若干个区域，如图3(c)，每个区域夹角为θ(能整除360)，对应有一个通过车轮中心的拔模方向，改变θ即可改变轮辋模具的个数，这里取θ为60°。图3(a)、(b)详细说明了轮辋加强结构12的构造，轮辋加强结构12有一定数目的“加强单元”复制而成，每个“加强单元”有两个肋板交叉而成，呈现X型，在交叉点处有空心圆柱过渡。轮辋加强结构12主要由参数Ω、δ、L、t、D和d等控制，改变参数值可改变轮辋加强结构12的强度和交叉处应力集中情况，这里取δ＝60°，t＝4mm，L＝12mm，D＝14mm，d＝6mm。Ω为轮辋加强结构12肋板与车轮平面的夹角，当Ω＝90°时，轮辋加强结构肋板平行于车轮平面，如图4(a)、(b)，可根据车轮的受载情况，选择合适的角度，这里取Ω＝30°。轮辋加强结构12与轮辋基底11有三种相对位置关系：轮辋加强结构12在轮辋基底11外侧，如图5(a)，轮辋加强结构12在轮辋基底11内侧，如图5(b)，轮辋加强结构12在轮辋基底11两侧，如图5(c)，本示例采用轮辋加强结构12在轮辋基底11外侧的结构形式。在轮辋近端轮缘处设计了“夹层加强结构”，如图2(a)，近端轮缘201，近端周向分布肋板202和近端环带肋板203，组成了一端开口的夹层结构，该结构能有效增强轮缘处的强度和刚度。在远端轮缘处设计了类似的“夹层加强结构”，如图2(b)，夹层加强结构由远端轮缘211，圆周方向分布的肋板212和环带状肋板213组成。除了“夹层加强结构”，也可以在轮缘内置环带加强嵌件，如图6，近端轮缘环带嵌件61和远端轮缘环带嵌件62预埋在轮缘内部，与车轮成为一个整体。该环带加强嵌件的材料可以为热固性复合材料、热塑性复合材料、铝合金或钢中的一种，本示例采用热固性碳纤维复合材料。为增强轮缘处的强度，可以综合采用两种强化方案，即内置环带加强嵌件的同时设计“夹层加强结构”。

本发明一种适用于注塑成型的热塑性复合材料车轮，由螺栓孔数目为4，轮辐为双四辐形式。每条轮辐可看作轮辐基底13和轮辐肋板14组成，如图2(a)、(b)。轮辐肋板根据位置关系分为轮辐径向肋板方向和轮辐环带肋板，如图2(a)，肋板204、205、206和207为轮辐径向肋板，肋板208、209和210为轮辐环带肋板，二者相互交错，类似“经纬线”形式。可根据车轮的型号和承受载荷的大小，选择合适的肋板数目，这里选择轮辐径向肋板数目为4，轮辐环带肋板数目为3，各个肋板可以设计成不同的厚度，厚度介于3～15mm。轮辐基底13将肋板连接成一个整体，形成镂空的轮辐结构形式。轮辐基底13与轮辐加强结构14的肋板有三种位置关系：轮辐基底13在轮辐加强结构14的肋板外侧，如图7(a)，轮辐基底在轮辐加强结构14的肋板中间，如图7(b)，轮辐基底在轮辐加强结构14的肋板内侧，如图7(c)，本示例采用轮辐基底13在轮辐加强结构14的肋板中间的结构形式。

虽然参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明并不限于所述示例性实施例或结构。相反，本发明旨在包含不同的修改和等效的配置。另外，虽然示例性实施例的各种元件以示例性的不同组合与配置来显示，但是包括更多、更少或单一元件的其它组合和配置同样是在本发明的精神和范围内的。

Claims (6)

1.一种适用于注塑成型的热塑性复合材料车轮，其特征在于：其轮辋是由轮辋基底与轮辋加强结构组成,轮辋基底类似于铝合金车轮轮辋，轮辋加强结构依附在轮辋基底上，二者共同构成的外轮廓满足要求；轮辋两侧胎圈座与轮胎接触，轮辋加强结构设计在两个胎圈座中间区域，圆周上将轮辋加强结构划分为复数个区域，每个区域夹角为θ，对应有一个通过车轮中心的拔模方向，改变θ即可改变轮辋模具的个数；轮辋加强结构由预定数目的“加强单元”复制而成，每个“加强单元”有两个肋板交叉呈现X型，在交叉点处有空心圆柱过渡，轮辋加强结构由参数Ω、δ、L、t、D和d控制，改变参数值能改变轮辋加强结构的强度和交叉处应力集中情况；Ω为轮辋加强结构肋板与车轮平面的夹角，当Ω＝90°时，加强结构肋板平行于车轮平面，根据车轮的受载情况，选择合适的角度；在轮辋近端轮缘处设计了“夹层加强结构”，近端轮缘(201)，圆周方向分布的肋板(202)和环带状肋板(203)，组成了一端开口的夹层结构，该结构能有效增强轮缘处的强度和刚度；在远端轮缘处设计了类似的“夹层加强结构”，夹层结构由远端轮缘(211)，圆周方向分布的肋板(212)和环带状肋板(213)组成；除了“夹层加强结构”，在轮缘内置环带加强嵌件，环带加强嵌件预埋在轮缘内部，与车轮成为一个整体；其轮辐数目是3～12，每条轮辐由轮辐基底(13)和轮辐肋板(14)组成，轮辐肋板根据位置关系分为径向肋板和环带肋板，第一肋板(204)、第二肋板(205)、第三肋板(206)和第四肋板(207)为径向肋板，第五肋板(208)、第六肋板(209)和第七肋板(210)为环带肋板，二者相互交错，类似“经纬线”形式；根据车轮的型号和承受载荷的大小，选择合适的肋板数目，并且各个肋板设计成不同的厚度；轮辐基底将肋板连接成一个整体，形成镂空的轮辐结构形式；

其中，Ω为肋板与车轮平面的夹角，δ为加强单元两个肋板的夹角，L为加强单元肋板的长度，t为肋板的厚度，D和d分别为交叉点处空心圆柱的外径和内径。

2.根据权利要求1所述的一种适用于注塑成型的热塑性复合材料车轮，其特征在于：该复合材料车轮采用注塑工艺一次成型为一个整体。

3.根据权利要求1所述的一种适用于注塑成型的热塑性复合材料车轮，其特征在于：该轮辋加强结构与轮辋基底有三种相对位置关系：轮辋加强结构在轮辋基底外侧，轮辋加强结构在轮辋基底内侧，轮辋加强结构在轮辋基底两侧。

4.根据权利要求1所述的一种适用于注塑成型的热塑性复合材料车轮，其特征在于：该环带加强嵌件的材料为热固性复合材料、热塑性复合材料、铝合金或钢中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种适用于注塑成型的热塑性复合材料车轮，其特征在于：为增强轮缘处的强度，综合采用两种强化方案，即内置环带加强嵌件的同时设计“夹层加强结构”。

6.根据权利要求1所述的一种适用于注塑成型的热塑性复合材料车轮，其特征在于：该轮辐基底与轮辐肋板有三种位置关系：轮辐基底在肋板外侧；轮辐基底在肋板中间；轮辐基底在肋板内侧。