CN107009815B - 一种一体成型的全碳纤维轮毂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体成型的全碳纤维轮毂，包括碳纤维材质的轮圈(5)，所述轮圈内一体成型有相互装配且材质均为碳纤维的轮辐上壳(2)和轮辐下壳(3)；其中，所述轮辐上壳是由至少两个阵列式的上壳轮毂条组合而成且带有上壳凹槽的结构，所述上壳轮毂条由Z型结构的轮辐上壳组件(21)左右镶嵌搭接而成；所述轮辐下壳是由至少两个阵列式的下壳轮毂条组合而成且带有下壳凹槽的结构，所述下壳轮毂条由Z型结构的轮辐下壳组件(31)左右镶嵌搭接固定而成。该轮毂整体采用碳纤维材质，轮辐采用中空结构，从而使整个轮毂在具备高强度的同时将重量降到最低。不仅能够有效降低轮毂的生产时间而且还能够极大程度上提高驾驶安全性。

Description

一种一体成型的全碳纤维轮毂

技术领域

本发明涉及一种轮毂，具体是一种一体成型的全碳纤维轮毂，属于汽车轮毂技术领域。

背景技术

汽车作为交通工具在现代社会中扮演着越来越重要的角色。据预计，至2030年全世界的汽车保有量将达到30亿辆，其中中国的汽车保有量约有1.75亿辆。汽车数量的几何式增长，随之带来了油耗、环保和安全性等问题。其中，每百公里油耗Y和汽车自身质量X的关系为Y＝0.003X+3.3434。意味着汽车质量每减少100kg，油耗可降低6％～7％。油耗的下降，意味着二氧化碳、氮氧化物等有害气体排放量的下降。汽车轻量化后有利于降低牵引功率，提高汽车运行速度，减少噪声和振动，增加车辆的使用寿命。

降低车重一方面是可以改善动态重量；另一方面减轻车重固态重量如减轻轮毂重量同样能够减轻整体车身重量。轮毂属于汽车的簧下质量，也就是汽车避震器之下的重量。该重量越大，车轮在遇到颠簸时跳动的惯性就越大，那么避震器的工作负担也会更大。避震器负载越大就会将更多的余震和晃动传递进车厢，进而传递给驾驶者和乘客，从而影响舒适性，操控性和安全性。

一般而言，传统汽车轮毂以钢材或铝合金等制成，进而导致轮毂和轮胎组成的车轮重量大，直接会给动力系统和刹车系统带来负担。发动机带动它需要更多的动力，油耗和加速能力会受影响。行驶中，车轮重量较大就会产生较大的滚动惯性，对于刹车系统的负担就会更大，制动系统负担大就会产生更多热量，从而影响制动效果和刹车系统的寿命，并且刹车距离较大影响行车安全性。

与金属材料制成的轮毂相比，碳纤维增强复合材料在一些方面有着不可比拟的优势，尤其是碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)各方面的性能更加优异。碳纤维树脂复合材料的抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7-9倍，抗拉弹性模量为230-430Gpa亦高于钢。CFRP的密度仅为钢的1/4左右、铝合金的2/3左右，并且比刚度、比强度、比弯曲强度、吸收冲击能等方面也远远优于其他材料。汽车轻量化碳纤维技术，是未来汽车产业竞争的核心技术之一。

然而，由于碳纤维产品制造工艺的复杂性给全碳纤维轮毂的制造带来诸多障碍，故目前市场上最常见的是碳纤维与铝合金结合的轮毂。但是，这种复合轮毂相对于全铝合金轮毂一方面是不仅不能大辐减轻轮毂重量反而增加成本，并没有对铝合金轮毂的性价比大辐改善；另一方面是长纤维热塑性复合材料轮毂，这种工艺制造的轮毂在强度和耐用性上完全无法满足实际应用中的要求，因此无法得到广泛的实际应用。

目前碳纤维件的制作方式有利用预浸树脂的碳纤维布逐层手工贴合在模具上配合热压罐成型和湿法模压固化成型。前者只能在模具上用手工贴合的方式实现复杂的形状结构，生产工艺复杂，手工贴合和热压罐成型生产时间都很长，因此生产成本极高，并很难保证批量生产中产品质量的稳定性，故无法实现大批量生产和应用；后者则因为轮毂结构的复杂性无法简单的用模具及现有技术实现成型生产。

现有技术中，公开了专利号为2015209124071的碳纤维轮毂，该轮毂包括径向层和纬向层，径向层中的各碳纤维经过轮辐在轮毂中心与轮缘延伸，纬向层中的各碳纤维环绕轮毂轴线。该纤维轮毂能够在一定程度上解决碳纤维布的走向从杂乱无序到有一定规律的排列，但是并没有有效解决碳纤维轮毂实际生产中的难度。

专利号为2014204963102，专利名称为一种长碳纤维增强热塑性复合材料汽车轮毂，该汽车轮毂不仅仅包括碳纤维还包括热塑性复合材料，该汽车轮毂通过复合材料与碳纤维结合，这样制造而成的轮毂虽然能够耐低温，具有一定的抗冲击性，但是因为内部碳链的排列不够严密，这种轮毂的强度并不能满足实际实用中要求，无法抵抗汽车在路面颠簸对轮毂带来的冲击，因此不具备足够的安全性，并且使用寿命也不长。

专利号为2014208630404，专利名称为碳纤维复合式机动车辆轮毂，该车辆轮毂的刹车毂壳为钢材质，刹车片为碳纤维，通过刹车片排布在刹车轮毂上。这样的车辆轮毂重量仍然很重，没有有效减轻轮毂的重量，对于车辆轻量化意义不大。

因此市场上需要能实现高效率大批量生产的全碳纤维轮毂来改善目前在这领域面临的困难和瓶颈，从而推动整个汽车行业轻量化的进程。

发明内容

针对上述现有技术存在的技术问题，本发明提供一种一体成型的全碳纤维轮毂,该轮毂为一体成型的全碳纤维的中空结构，质量轻，生产工艺简单，操作方便，成本较低，并且能够满足实际应用中的要求。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种一体成型的全碳纤维轮毂，包括碳纤维材质的轮圈，所述轮圈内一体成型有相互装配且材质均为碳纤维的轮辐上壳和轮辐下壳；

其中，所述轮辐上壳是由至少两个阵列式的上壳轮毂条组合而成且带有上壳凹槽的结构，所述上壳轮毂条由Z型结构的轮辐上壳组件左右镶嵌搭接而成；所述轮辐下壳是由至少两个阵列式的下壳轮毂条组合而成且带有下壳凹槽的结构，所述下壳轮毂条由Z型结构的轮辐下壳组件左右镶嵌搭接固定而成。

进一步，所述上壳凹槽内安装有与所述轮辐上壳组件均接触的上压片，所述下壳凹槽内安装有与所述轮辐下壳组件均接触的下压片。

进一步，所述轮辐上壳与轮辐下壳在接触面处形成台阶，进而形成具有降低轮毂重量的中空部。

进一步，所述上壳轮毂条与所述下壳轮毂条数目相同。

进一步，镶嵌搭接成的所述轮辐上壳组件和轮辐下壳组件均为层叠式结构。

进一步，所述轮辐上壳和轮辐下壳的圆周外沿伸入缠绕而成的所述轮圈中，并与所述轮圈一体成型。

本发明的有益效果是：该轮毂整体结构采用分件式单独预成型生产，然后整体组合再对轮圈进行缠绕并一次性注入热固性环氧树脂实现整体全碳纤维材料的固化成型，这样的结构使原本复杂的生产工艺有效地分解为简单易操作的步骤，极大程度上缩短了单个轮毂生产的时间，使生产效率大幅提升并降低生产成本；

轮辐上壳组件和轮辐下壳组件采用层叠镶嵌式设计，使各组件间形成最大面积的相互接触及叠压，并在与环氧树脂结合并一体固化成型后形成有效的整体，这样成型后使整个轮毂强度大幅提升；

轮圈采用缠绕式设计，各轮辐圆周外沿端部伸入轮圈内部使之固化成型后形成有效的整体，进而承受高强度的冲击及压力；缠绕式生产方式能极大提高生产效率的同时，通过对丝束在不同位置时缠入的角度，速度及预紧力的不同调整能使轮圈各个部位在各方向上都具备高的强度，实现自动化大批量生产，从而在提高生产效率降低生产成本的同时保证稳定的高质量。

该轮毂整体采用碳纤维材质，轮辐采用中空结构，从而使整个轮毂在具备高强度的同时将重量降到最低。全碳纤维的强度远高于钢，同时耐用性抗腐蚀性远高于金属，该轮毂整体重量只有钢制轮毂的1/4，也比全铝合金轮毂轻1/3。轮毂重量的减轻，从而使得汽车的簧下惯性减小，可提升车辆的操控性能并缩短车辆对驾驶员动作的反应时间，使车辆拥有更快的启动过程并降低能耗，有效缩短刹车距离增强行车安全性，提高转向效率增强驾驶感受。更轻的车轮能减小底盘的余震和抖动，车内也会更加安静，对降噪也有帮助，增强车内的乘坐感受，簧下质量的减轻也大大降低整个行驶过程中的能耗。从而使得全碳纤维轮毂更加具有耐用性和安全性。

附图说明

图1为本发明整体结构爆炸式示意图；

图2为本发明轮辐上壳与轮辐下壳装配结构示意图；

图3本发明主视结构示意图；

图4为本发明立体结构示意图之一；

图5为本发明立体结构示意图之二；

图6为本发明轮辐上壳与轮辐下壳装配仰视结构立体示意图；

图7为本发明轮辐上壳与轮辐下壳装配俯视结构立体示意图；

图中：1、上压片，2、轮辐上壳，21、轮辐上壳组件3、轮辐下壳，31、轮辐下壳组件，4、下压片，5、轮圈，6、台阶，7中空部。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2、图4和图5所示，一种一体成型的全碳纤维轮毂，包括碳纤维材质的轮圈5，所述轮圈5内一体成型有相互装配且材质均为碳纤维的轮辐上壳2和轮辐下壳3；

其中，所述轮辐上壳2是由至少两个圆周阵列式的上壳轮毂条组合而成，并且在轮辐上壳2上端面上形成上壳凹槽，所述上壳轮毂条由Z型结构的轮辐上壳组件21左右镶嵌搭接而成，如图1中，轮毂上壳2上圆周阵列有九个上壳轮毂条，每个上壳轮毂条均由Z型结构的轮辐上壳组件21左右镶嵌叠加组合连接，最终形成中部为圆环形，往外延伸出九个阵列式的上壳轮毂条，这种叠加式镶嵌结构能够保证每个轮辐上壳组件21分别与其左右的轮辐上壳组件21接触，有利于大幅加强轮毂上壳2一体固化成型后整个轮毂的强度和使用寿命；

所述轮辐下壳3是由至少两个圆周阵列式的下壳轮毂条组合而成，并且在轮辐下壳3下端面上形成下壳凹槽，所述下壳轮毂条由Z型结构的轮辐下壳组件31左右镶嵌搭接而成，如图1中，轮毂下壳3上圆周阵列有九个上壳轮毂条，每个下壳轮毂条均由Z型结构的轮辐下壳组件31左右镶嵌叠加组合连接，最终形成中部为圆环形，往外延伸出九个阵列式的下壳轮毂条，这种叠加式镶嵌结构能够保证每个轮辐下壳组件31分别与其左右的轮辐下壳组件31接触，有利于大幅加强轮毂下壳3一体固化成型后整个轮毂的强度和使用寿命。

如图1和图3所示，所述上壳凹槽内安装有与所述轮辐上壳组件21均接触的上压片1，所述下壳凹槽内安装有与所述轮辐下壳组件31均接触的下压片4。上压片1和下压片4能够分别压紧轮辐上壳2的上端面和轮辐下壳的下端面，进一步增加各组件的接触面积，从而增强固化成型后整个轮毂的刚性和强度。

如图3、图6和图7所示，所述轮辐上壳2与轮辐下壳3在接触面处形成台阶6，进而形成具有降低轮毂重量的中空部7。换言之，在接触面处形成台阶6，即形成了凸起结构，进而在轮毂上壳2和轮毂下壳3之间形成了一个中空的空间，这种结构形态在加强轮毂的刚性和强度同时，又能减少碳纤维材料的使用，进而将轮毂的重量进一步减轻。

所述上壳轮毂条与所述下壳轮毂条数目相同，保证轮毂上壳2和轮毂下壳3安装匹配。

如图3所示，所述轮辐上壳2和轮辐下壳3的圆周外沿(即上壳轮毂条和下壳轮毂条的外端部)伸入缠绕而成的所述轮圈5中，从而使得轮圈的碳纤维材料能与轮辐上壳2和轮辐下壳3形成包裹结构，达到与所述轮圈5一体成型的目的。

生产过程：生产时，首先用斜纹碳纤维布对上压片1，轮辐上壳2，轮辐下壳3和下压片4进行预成型生产；其次，将这些组件依次放入一体成型的模具中，合模后在模芯的外壁上进行碳纤维丝束的缠绕，直到碳纤维丝束厚度和形状均符合要求，形成外圈5；然后，合上侧模锁紧并将模具升温，注入树脂直到模腔内充满(由于中空部的存在，树脂有可能会充入中空部，此时可通过在中空部设有预制的中空组件，该中空组件能够有效地阻止树脂流入中空部，保持轮毂处的中空式设计)，保持高温到树脂固化后开模取出已融为一体的坯件；最后，对外表面批锋进行打磨检查并对安装孔位进行加工，再对表面进行打磨检查，然后对表面进行喷涂处理，放入烤箱进行二次升温固化，二次固化完成取出后装上隔热配件即可安装使用。该轮毂各安装孔位及尺寸能与各规格相对应的轮胎及车辆匹配，将轮胎装在轮圈上后，将轮毂上的安装孔位对准汽车上的安装螺栓锁紧螺母后即可。

针对碳纤维产品制造工艺的复杂性，本发明采用分件式中空结构，各组件利用裁剪好的碳纤维布分别进行预成型生产，然后整体组合再对轮圈进行缠绕生产并一次性注入热固性树脂实现整体全碳纤维材料的固化成型。这样不仅在产品的结构上保证利用最少材料的同时将轮毂的重量控制在最轻状态，还在全碳纤维材料一体成型的工艺下保证轮毂在实际应用中拥有极高的强度及韧性的同时，对复杂的成型工艺进行有效的分解，使高效的大批量自动化生产模式得以实现，并且能大幅降低生产成本。

以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所做出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。

Claims (1)

1.一种一体成型的全碳纤维轮毂，其特征在于：包括碳纤维材质的轮圈（5），所述轮圈（5）内一体成型有相互装配且材质均为碳纤维的轮辐上壳（2）和轮辐下壳（3）；

其中，所述轮辐上壳（2）是由至少两个阵列式的上壳轮毂条组合而成且带有上壳凹槽的结构，所述上壳轮毂条由Z型结构的轮辐上壳组件（21）左右镶嵌搭接而成；所述轮辐下壳（3）是由至少两个阵列式的下壳轮毂条组合而成且带有下壳凹槽的结构，所述下壳轮毂条由Z型结构的轮辐下壳组件（31）左右镶嵌搭接固定而成；

所述上壳凹槽内安装有与所述轮辐上壳组件（21）均接触的上压片（1），所述下壳凹槽内安装有与所述轮辐下壳组件（31）均接触的下压片（4）；

所述轮辐上壳（2）与轮辐下壳（3）在接触面处形成台阶（6），进而形成具有降低轮毂重量的中空部（7）；

所述上壳轮毂条与所述下壳轮毂条数目相同；

镶嵌搭接成的所述轮辐上壳组件（21）和轮辐下壳组件（31）均为层叠式结构；

所述轮辐上壳（2）和轮辐下壳（3）的圆周外沿伸入缠绕而成的所述轮圈（5）中，并与所述轮圈（5）一体成型。