CN1078276C - 制动盘的合成材料环状件及其预制件的制造方法和设备 - Google Patents

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Abstract

将纤维材料带(1)卷在椭圆形芯轴(10)上。形成椭圆形卷筒，然后，在一个或若干压实阶段之前或之后，以一定角度对卷筒进行切割，制成用于制造合成材料环状件的预制件。切割平面倾斜于卷筒的正截面，对切割后的环状件的内外周边进行加工，形成圆形件。圆形件可制造在圆周应力作用下具有抗脱层性能的合成材料环状件。叠置层在卷绕期间进行针刺。在芯轴转动时，控制针板(5)和芯轴(10)的相对移动，以补偿芯轴截面的偏心距。该方法特别用于制造制动盘预制件。

Description

制动盘的合成材料环状件及其预制件的制造方法和设备
本发明涉及合成材料环状件及其预制件的制造方法和设备，本发明还涉及环状件和预制件本身。本发明特别涉及将一条纤维带卷绕在一个芯轴上来制造预制件的方法和设备，卷绕层整体在用一个模具压实之前或之后加以切割。
通常用于制造合成材料环状件的预制件的方法是：叠置纤维材料平面层，切割或加工卷绕层整体以获得一种具有理想形状的预制件，对预制件进行压实处理。如果预制件是一种制动盘或其它环状件，那么，从叠置层整体制造环状预制件，会损失一半左右的材料重量。
为了减少这种损失，已提出许多建议。建议之一是，对一种从分别由并置扇形件组成的纤维材料层压实的环状预制件进行连接，这些纤维材料层是叠置的。这种方法虽然使损失减少，但依然存在损失。
FR-A-2506672提出另一个建议，下面参照图1A至1D加以描述。这个建议是，将一条纤维带卷绕在一个圆柱形芯轴上(图1A)，形成一个圆柱形卷筒(图1B)，从而制造环状或圆柱形构件。卷绕期间，叠置层彼此通过针刺加以连接。圆柱形卷筒可以同其轴线相垂直地进行切割，以获得待压实环状预制件(图1C)。
FR-A-2584107也提出一个类似的方法。
该方法可避免材料的损失，但是，从采用这种方法形成的预制件制造出来的构件具有不利的特性，这些不利特性在构件使用期间更为突出。如果是制动盘，那么，这些制动盘在使用期间沿切向方向受到剪切力的作用。剪切力尤其发生在使制动盘与一个活动部分或一个固定部分相连的开在内缘或外缘上的切口处(图1D)。这种剪切力E可使构件造成脱层，也就是说，可使预制件因层间分离而受到破坏。
根据本发明的一方面，本发明旨在提出一种方法和装置，可以制造具有良好抗脱层强度的合成材料环状件的预制件，限制了因使用该方法而引起的材料损失。
采用本发明的方法和装置，即可达到该目的。根据本发明的方法和设备，一条纤维材料带卷绕在一个椭圆形芯轴上，以形成一个椭圆形卷筒。该椭圆形卷筒可以倾斜地进行切割，以制造待压实环状预制件，或者该椭圆形卷筒本身就是待压实环状预制件，切割工序在一个或个压实阶段结束后进行。切割平面倾斜于椭圆形卷筒的正截面，也就是说，切割平面不垂直于卷筒的轴线。对切割后的环状件的内外部分进行加工以获得圆形件。
上面所述的方法和装置利用这样的事实：一个椭圆在该椭圆的长轴所通过的并与该椭圆的平面呈角α的一个平面上的投影是一个直径等于椭圆长轴的圆。角α可以根据公式进行计算：
cosα＝b/a其中，2a＝椭圆长轴，2b＝椭圆短轴。
本发明这种情况的原理示于图2A至2D。
图2A示出一条纤维材料带卷绕在一个椭圆形芯轴上，图2B示出由叠层整体形成的椭圆形卷筒的切割平面。在该实施例中，在卷筒上切割而成的环状件在半宽度上完全是圆形，而在内外周边上是椭圆形。切割平面也可以选用为使环状件在其内周边或外周边上呈圆形，或者在距环状件内外周边的另一个距离上呈圆形。(从理论上讲，切割平面可以选用为切割后的环状件在其宽度上处处呈椭圆形，但这种选择增加了为重新获得构件的圆形形状而切除的材料量。)
切割后，对环状件的周边进行内外加工，大体上形成一个环状件(见图2C)。在使用从这种整体制成的一个构件期间，沿切向方向的剪切力E不再沿着使组成构件预制件的材料层易于脱层的方向(见图2D)。
根据本发明，用于制造环状件的预制件可通过一种使材料损失较少的方法进行制造，这些预制件所获得的环状件在使用期间减少了脱层的可能性。
切割平面与卷筒正截面的角度越是接近45°，在卷筒上切割而成的环状件在沿其切向方向的剪切力作用下就越是起到防止脱层的作用。但是，材料的损失随着该角度(下面称为“切割角”)的增大而增加。因此，考虑到允许的材料损失，切割角大小应适宜，以便获得具有良好机械性能的构件。切割角最好为10°至45°。当采用的切割角为45°时，材料损失比较大，约为35％。因此，比较好的是采用一种角度为10°至30°的切割角。
本发明的第一方面也确定一种合成材料环形件的制造方法，这种方法包括上述预制件的制造方法以及预制件的压实、切割和加工阶段。为使构件适于特种用途，例如用作制动盘，对构件的补充加工可能是必要的。
制动盘的预制件有利地通过二维织物针刺而制成，这种二维织物由预氧化过的聚丙烯腈(P.N.T.)纤维纱或丝束构成，或由碳化粗纱构成(FR-A-2669940)，或由混合纱构成(FR95/06200)构成。在已有技术中，二维织物例如纱或丝束的织物彼此进行针刺以形成一种板材，制动盘的环状预制件就在该板材上切割而成。
就用于承受很大的热应力和机械应力作用的材料例如用于制动盘的材料而言，重要的是大体上保持稳定的性能，以便尤其避免机械性能和摩擦性能的不均匀性。因此，重要的是在用作制动盘预制件或用于制造制动盘预制件的卷筒上保持针刺密度的均匀性。但是，如果这种卷筒是在一个椭圆形芯轴上卷绕而成的，那么，针刺难度就大。
在FR-A-2584107的公知方法中，一条纤维带卷绕在一个圆柱形芯轴上，每个卷绕层一旦布置在芯轴上就由一个针板进行针刺。芯轴围绕其轴旋转，该轴的位置是固定的，平行于芯轴母线进行延伸的针板沿垂直于芯轴轴线的方向进行交替运动。针板的移动幅度是恒定的。为了在整个过程中确保卷绕层的均匀针刺深度，随着叠置层厚度的增加，要加大针板和芯轴轴线之间的中间间距。
这种方法不直接同一个椭圆形芯轴一起采用。
根据本发明另一种情况，本发明涉及环状件的预制件的制造方法和设备，其中，一条纤维材料带卷绕在一个椭圆形芯轴上，叠置层被均匀地加以针刺。
该目的借助本发明的方法和设备而得以实现，根据本发明的方法和设备，一条纤维材料带卷绕在一个椭圆形芯轴上，卷绕层通过针板进行针刺，而移动被控制在芯轴和针板的中间位置之间，以补尝芯轴截面的偏心距。针板和芯轴之间的移动最好是这样的：针板在相对于针板中间位置来说是固定的一个平面(针刺平面)上同待针刺层相接触。
如果针刺频率是恒定的，那么，针板的控制就简化，这意味着要使针板和待针刺表面之间的相对速度保持恒定，以便获得恒定的针刺表面密度。同样，接触时，针板的针刺表面必须位于同相对的待针刺表面相切的一个平面上，以便获得一种恒定的针刺表面密度。如果针板的移动速度保持恒定，如果芯轴的旋转速度和/或芯轴轴线的移动速度发生变化，那么，为了满足这些条件，构件的移动则很方便。
下面将描述针板和/或芯轴轴线的移动情况。针板的每次移动可以由芯轴的适当移动加以替代，或者由针板和芯轴的组合移动加以替代，反之亦然。重要的是在针板和待针刺表面之间产生一种相对运动，导致在卷绕层上进行均匀的针刺。
但是，如同制造针刺后的预制件所公知的那样，要避免针板的针在芯轴的每一圈都准确地针刺在同一位置上，因为这种方法会使形成的卷筒上出现脆损区域。为避免这个问题的出现，可使针板(或芯轴)沿芯轴纵向方向(也就是说，沿平行于芯轴旋转轴的方向)移动，使其进行必要的小位移。
根据本发明的这方面，在第一实施例中，一个椭圆形芯轴围绕其轴线旋转，以便将一条纤维材料带卷绕在其周边上，同时，芯轴轴线在一个垂直于针刺平面的轨迹上周期性地靠近和离开针刺平面。卷绕在芯轴上的外卷绕层的曲面与针刺平面齐平，接触区域呈一条线。调节芯轴轴线的移动，以便将曲面保持在例如针刺平面在接触线处与之相切的一个位置上。这意味着与针刺平面齐平的曲面部分在针刺平面上以一种往复运动进行滑移。同芯轴曲面对置的针板靠近和离开针刺平面，以便对卷绕在芯轴上的外层进行针刺。针板也以往复运动在针刺平面上移动，以便一直保持卷绕层表面与针刺平面的接触线的运动。接触时，针板的针刺表面沿着与对置的待针刺表面相切的方向定位。
第一实施例也可以使芯轴旋转轴的位置保持固定而加以实施。只通过针板移动就在针板和芯轴之间产生必要的相对运动。
第二实施例中，椭圆形芯轴通常围绕其轴线旋转，同时，芯轴轴线在一个垂直于针刺平面的轨迹上周期性地靠近和离开针刺平面。第二实施例中，外卷绕层曲面与针刺平面齐平的区域不在该平面上移动；但是，曲面相对于针刺平面的定向周期性地发生变化，而芯轴则进行转动。因此，针板无需在针刺平面上移动。只要针板的针刺表面周期性地进行摆动定位，就会在针板和待针刺层之间接触时处于同卷绕层表面相切的一个平面上。
第三实施例中，椭圆形芯轴围绕其轴旋转，同时，芯轴轴线进行移动，一直沿着由两个半椭圆形构成的线路。这种移动是这样的：任何时候都有一部分外卷绕层曲面位于针刺平面上的一个固定位置，该平面同这部分曲面相切。针板在针刺平面上的该固定位置进行针刺，针刺表面的定位可保持固定。
由于实施起来比较简便易行，所以三个实施例中的第一实施例是最佳
实施例。
根据本发明，用于制造环状件的预制件可以这样形成：在一个椭圆形芯轴上卷绕一条纤维材料带，同时对卷绕层进行均匀针刺，制成一个用于进行偏斜切割的椭圆形卷筒。
本发明的第二方面确定一种用合成材料制造环状件的方法，该方法包括上述预制件制造方法以及预制件的压实、切割和加工阶段。
根据本发明的第一和第二方面，环状件制造方法中所确定的压实阶段可以由公知的任何方法之一来完成。可以在卷筒从芯轴上取出之前或之后开始压实。同样，卷筒可以在压实之前或者在一个或压实阶段之后切割成环状件。卷筒切割之前最好完成第一压实阶段，因为在第一压实阶段之后压固的材料性能较好。
公知的压实方法之一是等温等压汽相化学渗透的传统方法。待压实构件置于一个小室中，一种气体进入该小室，在预先确定的温度和压力条件下，通过其成分之间的分解或反应，产生模具的结构材料。在传统方法中，小室中配有一个通常是石墨制成的电枢，该电枢限定渗透室，并与环绕小室的一个感应器相连接。当这种方法用于从一个卷筒制造环状件时，一般来说，卷筒在压实之前进行切割，使气体能够更容易地以均匀方式透过环状件的内孔隙。但是，这就要求反复中断压实操作，对环状件的表面进行清理，使孔隙完全打开，使气体重新透入。
如果使用椭圆形卷筒，那么，在卷筒切割之前，通过一种温度梯度式汽相化学渗透的方法，有可能至少局部地对卷筒进行压实。根据这种方法，卷筒的加热可以通过感应器和一个电枢的电感耦合来进行，电枢由一个中央芯子构成，卷筒围绕该中央芯子配置。这样，温度梯度在卷筒与电枢接触的最热的内表面和外表面之间形成。因此，在离卷筒外表面最远的部分上进行压实是有利的，表面孔隙被多余沉淀物过早堵塞的危险性减小，这样，就不必进行表面清理。应当指出，当卷筒性能允许的时候(例如，当卷筒是碳纤维的时候)，卷筒的加热也可以通过感应器和卷筒之间的直接电感耦合来进行。一种温度梯度式汽相化学渗透压实方法在例如FR-A-2711647中得到描述。
根据本发明的第一和第二方面，为了在制造环状件的过程中减少材料损失，可以制造一个椭圆形截面的卷筒，这种卷筒在两个端面具有与卷筒的正截面相倾斜的平面端面，也就是说，与卷筒上所确定的切割平面相平行的端面。
参照附图及非限制性实施例，对本发明的其它特征和优越性作进一步描述。附图如下：
图1(图1A至1D)示出用于合成材料环状件的环状预制件的一种已知制造方法，这种方法采用一个圆柱形芯轴；
图2(图2A至2D)示出本发明用于合成材料环状件的预制件的一种制造方法，这种方法采用一个椭圆形芯轴；
图3示出根据本发明方法制造环状件的典型阶段的程序方框图；
图4(图4A至4C)示出对本发明一个椭圆形卷筒进行切割而获得一个环状件的切割阶段；
图5(图5A至5C)示出对本发明一个椭圆形卷筒进行切割而获得一个预定尺寸的环状件的实施例；
图6示出本发明将一条纤维材料带卷绕在一个椭圆形芯轴上的第一方法中椭圆形芯轴和针板的布置；
图7是示出第一卷绕方法中椭圆形芯轴移动情况的示意图；
图8是示出将一条纤维材料带卷绕在一个椭圆形芯轴上的第二方法的示意图；
图9示出本发明将一条纤维材料带卷绕在一个椭圆形芯轴上的第三方法中椭圆形芯轴和针板的布置；
图10是示出第三卷绕方法中椭圆形芯轴移动情况的示意图；
图11是可以实施第一实施例中本发明卷绕和针刺方法的设备实施例的侧视图。
根据本发明方法，合成材料环状件的预制件的制造以及环状件本身的制造包括几个阶段，如图3所示。
第一阶段E1是将一条纤维材料带卷绕在一个椭圆形芯轴上。纤维材料带可以由制造合成材料构件的任一公知材料或由这些材料的混合物构成。纤维呈一种适宜形状(由丝束、连续长丝、粗纱等构成的层、带和织物等)。纤维的结构材料取决于选用的应用领域。就制动盘而言，最好使用碳纤维，但其它材料特别是陶瓷材料也适于使用。
卷绕层在布置在芯轴上的同时进行针刺(阶段E1′)。如同后面所描述的那样，为确保针刺密度的均匀可以采用若干方法。当芯轴上的卷绕层达到理想厚度时，就停止卷绕。
然后，制成的椭圆形卷筒最好压实，以便例如通过汽相化学渗透来充满椭圆形卷筒的内间隙(阶段E2)，椭圆形卷筒进行偏斜切割以获得环状件(阶段E3)。这样，椭圆形卷筒就构成待压实预制件。
开始压实之前也可以切割卷筒；在这种情况下，切割而成的纤维环形件构成待压实预制件。该阶段只有在椭圆形卷筒具有足以能取出芯轴的性能时才能进行。通常对卷绕层进行针刺就足以制造一个具有所需性能的卷筒。卷筒也可以从树脂浸渍的纤维材料层进行制造，卷筒在从芯轴上取下之前进行加工，使卷绕层通过树脂聚合作用彼此相连。
如果椭圆形卷筒不具有足够的性能使芯轴在卷绕结束后能够取出的话，那么，压实阶段可以开始进行并继续到卷筒被完全压固的时候(阶段E2′)。这个时候，芯轴能够取出，卷筒被切割成环形件(阶段E3′)。这样，制成的预压实构件在加工之后可以送到压实装置，以完成压实操作(阶段E2″)。
如果采用上述传统的等温汽相化学渗透方法，那么，如果取出芯轴，在压实之前或之后切割预制件，则已压实构件中的基质均匀性较好。相反，如果使用上述温度梯度方法，那么，就可以将未切割卷筒保留到压实结束，因而获得一种对预制件的均匀压实，并由于无需表面清理而减少材料损失。
在椭圆形卷筒上切割而成的环形件不是一个完全的圆形。因此，必须对环形件进行加工，使之具有完全的圆环形形状(阶段E4)。
为了从上述环形件制造环状件例如制动盘，采用一个或若干补充阶段是需要的。例如，环状件要进行最后加工以适于它的用途(阶段E5)。如果是用于制动盘的环状件，这种最后加工是在环状件的内周边或外周边上形成若干凹口。
上述一个或若干阶段可以在采用一个或若干自动装置时加以使用。在同时进行卷绕和针刺的情况下，自动装置尤其使用在制造椭圆形卷筒的阶段中。另外，应当指出，芯轴可以配有一个保护层例如一层毡，当最初几层进行针刺时，针可以刺入保护层而不折断，如同FR-A-2584107所述的那样。
在描述一种可以使用本发明方法的装置之前，将详细地描述椭圆形卷筒的切割阶段，以及同时进行卷绕和针刺的阶段。
下面参照图4和5来描述卷筒的切割阶段。
图4A和4B示出一个椭圆形卷筒2，椭圆形卷筒2具有一个中央孔3(相应于卷绕中使用的椭圆形芯轴)。图4A是端面图，图4B是侧视图。在该实施例中，切割平面同卷筒的正截面呈30°。线AD和BC标示限定一个环形件4的两个切割平面。
椭圆形卷筒2的切割利用这种事实：一个椭圆在该椭圆的长轴所通过的并与该椭圆的平面呈角α的一个平面上的投影是一个直径等于椭圆长轴的圆。角α和椭圆尺寸的关系式如下式：
cosα＝b/a其中，2a＝椭圆长轴，2b＝椭圆短轴。
当将材料层卷绕在一个椭圆形芯轴上的时候，由外层确定的椭圆的比例关系b/a不同于由芯轴确定的椭圆的比例关系b/a(见图4A)。因此，在同垂直于芯轴轴线的平面相倾斜的切割平面上，完全可以在卷筒的内周边处获得一种圆形形状，而在卷筒的外周边处获得一种椭圆形形状。也就是说，一个在椭圆形卷筒上切割而成的环形件的偏心距在环形件的宽度上不是恒定的。最好选用一个切割角α，使切割平面在切割而成的环形件的内周边处(在芯轴处)，或者在切割而成的环形件的外周边处(在卷筒外部处)，或者在内外周边之间的一个中间距离上呈圆形形状，然后对环形件的内周边和/或外周边进行加工以获得圆形形状。
此外，虽然同切割平面相对应的每个环形件的表面是平行的，但它们之间具有一个差距x。因此，环形件的周边(内外周边)的曲面不垂直于同切割平面相对应的表面(见图4C)。这是有必要对切割后的环形件进行加工使之具有完全的环形形状的一个补充理由。
图4C示出一个环形件4，该环形件利用一个切割平面切割而成，使得在该切割平面上在环形件内外周边的中间距离上、即环形件的半宽度上具有圆形形状。图上的剖面线部分对应于在切割成具有适当环形形状构件之前的环形件部分。
如上所述，如果一个环状预制件用于使环状件可以经受沿切向方向的剪切力的作用，就要选择切割角，使材料的损失与环状件中理想的抗脱层强度之比达到最佳状态。为此，切割角最好为10°至45°，在减少材料的损失方面，切割角最好为10°至30°。一旦选定该切割角，就可以选择芯轴的偏心距，以便在切割平面上获得具有理想宽度的环形形状。
在选择椭圆形芯轴的尺寸、选择为制造具有确定的内外尺寸的预制件而卷绕的卷筒的厚度时，必须考虑到对切割后的环形件的内外尺寸进行加工的效率。进行切割的实施例示于图5。
图5A示出在图4所示切割平面AD或BC上进行切割后的环形件4的形状(沿环形件的厚度，形状相同)。切割后的环形件在半宽度上的一部分呈圆形形状(见图5的圆cr)。环形件的内外周边是椭圆形的，必须对环形件的内外周边进行加工，使其呈圆形形状(见图中的外圆ce和内圆ci)。
图5B和5C是示出图4B所示的平面AD和BC中所限定的内圆(ci AD，ci BC)和外圆(ce AD，ce BC)之间差距的示意图；实际上，这种差距存在于环形件4前后表面之间。椭圆形芯轴的尺寸和切割角之间的关系式，以及对环形件12(由图5A中剖面线部分切割而成)加工之后所获得的环形件的尺寸，从图5可立即推算出来。如果2a1和2b1是在垂直于卷筒轴的平面上由卷筒内周边所确定的椭圆长轴和短轴的长度，2a2和2b2是由卷筒外周边所确定的椭圆长轴和短轴的长度，α是同垂直于卷筒轴的平面所呈的切割角，d和D是待制环状预制件的内径和外径，e是待制环状预制件的厚度，则得：
d≥2a1＋x
 ≥2a1＋e tanα以及
D≤2a2－x
 ≤2a2－e tanα
如果环状预制件的希望尺寸是d＝250毫米，D＝450毫米，e＝25毫米，且切割角是30°，那么，椭圆形芯轴具有至多为22 5毫米的长轴2a1，由卷筒外面部分所确定的椭圆形具有至少为475毫米的长轴2a2。因此，鉴于在卷筒上的关系式为cosα＝b/a，使用数值2a1＝225毫米，2a2＝475毫米，则：
cos45°＝1/2(b1＋b2)/1/2(a1＋a2)
0.707＝1/2(b1＋b2)/175
b1＋b2≌247.5因为
2b2－2b1＝2a2－2a1＝2×卷绕层厚度(2×f)所以，芯轴短轴2b1＝122.5毫米，由卷筒外部确定的椭圆短轴2b2＝372.5毫米。
上述切割方法的结果是这样的，椭圆形卷筒的端部不加以使用。在图5所示的实施例中，在长度为1.5米的一个卷筒上可切割三十多个环状件，卷筒端部造成的材料损失约为350毫米。显然，如果使用的卷筒长度加大，那么，这些损失不算太大。
本发明也可以使材料的损失更少，即：使用一个椭圆形截面的卷筒，这种卷筒在两个端面具有与卷筒正截面相倾斜的平面表面，也就是说，与卷筒上确定的切割平面相平行的表面。因此，可以沿卷筒整个长度切割环状件，而不在端面留下未被利用的材料。一个具有这种形状的卷筒可以通过芯轴沿其轴的方向进行移动、在卷绕期间进行往复运动而制成。这种卷筒也可以通过芯轴沿纵向方向进行移动、供给待卷绕纤维材料的滚筒在卷绕期间进行往复运动而制成。只要采用一种较小的卷筒切割角，这种方法就不致于在材料卷的变形方面或者在纤维与卷筒上切割而成的环状件的摩擦表面所呈的角度方面产生太大干扰。
现在描述卷绕阶段。卷绕和针刺应同时进行，以确保针刺密度的均匀性。这种情况要求在针板和芯轴之间进行周期性的相对移动，以补偿芯轴截面的偏心距。
图6示出对卷绕层同时进行卷绕和针刺的方法的第一实施例。在该实施例中，一个椭圆形芯轴10围绕其轴S旋转，以便在其周边上卷绕一条纤维材料带1。同时，芯轴轴线S在一个垂直于针刺平面T的直线轨迹Δ上周期性地靠近和离开针刺平面T。卷绕在芯轴上的外层曲面与针刺平面T齐平，接触区域是一条线M。一个与卷绕层的外表面相对的针板5进行一种垂直于针刺平面T的往复运动，以便对卷绕在芯轴上的外层进行针刺。
图7示出在该实施例中芯轴围绕其轴移动半圈的情况。图中的椭圆Γ示出卷绕在芯轴10上的外层。芯轴轴线S在线Δ上移动的极限是位置A和B，当椭圆Γ的长轴垂直于针刺平面T时，轴S处于极限位置A(图7中所示的位置1和5)，当椭圆Γ的短轴垂直于针刺平面T时，轴S处于极限位置B(图7中所示的位置3)。由于芯轴轴线的移动，因此，卷绕在芯轴上的外层曲面和针刺平面T之间的接触线M在该针刺平面上进行移动，在两个极限位置Me之间进行往复运动(图7中所示的位置2和4)。
因此，针板以往复运动进行移动，在接触线M的针刺平面T上不断进行运动。
为达到一种恒定的表面针刺密度，如果针板的针刺频率是恒定的，那么，针板和卷绕在芯轴上的外层之间的切向相对速度可保持恒定。使芯轴轴线在极限位置A与B之间的移动速度与芯轴围绕其旋转轴的转速同步，即可使接触线M在针刺平面T上的平移速度(vT)保持恒定。
对于具有一个长轴2a2和一个短轴2b2的一个椭圆来说，极限位置Me之间的距离为2(a2－b2)。如果椭圆是一个具有轴线CC′的圆柱体的正截面(C是椭圆Γ的中心)，那么，最好根据上面所述的平移运动使轴线CC′进行移动。在这种情况下，如果芯轴以速度ω(t)进行转动，例如速度vT是恒定的，那么，可以在芯轴上以恒定的切向速度卷绕一种多轴向纤维卷或织物。
本发明第一实施例的其它实施方式中，采用的是同时对卷绕层进行卷绕和针刺的方法，芯轴旋转轴的位置保持固定。针板和芯轴之间所需的相对运动只通过针板的移动来进行。在这种情况下，不再仅仅在一个平面上进行针刺，而是在若干彼此平行的平面上进行针刺。为了在接触时获得一种恒定的相对速度，针板的移动速度最好保持恒定，而芯轴的转速进行变化。
另外，芯轴每次转动时应离开针板的中间位置，以便随着针刺过程中预制件厚度的加大，使针刺的深度保持恒定，这是因为针刺行程是恒定的，例如等于卷绕层的厚度。显然，这种离开可以在移动芯轴和/或针板时进行。在最后一层卷绕之后，可以进行最后加工的多次针刺，使靠近外周边的卷绕层上的针刺密度保持恒定，如同FR-A-2584107所述的那样。
图8示出第二实施例，在该实施例中，一个椭圆形芯轴10始终围绕其轴S进行旋转，而芯轴轴线在两个极限位置A、B之间在一个直线轨迹Δ上周期性地靠近和离开针刺平面T。因此，芯轴轴线的运动是这样的：卷绕在芯轴上的外层的曲面同针刺平面T相切，或者同沿固定接触线M的剖面相切。针板5在包括这条接触线M在内的一个区域中与待针刺卷绕层相接触。这样，针板5无需在针刺平面上进行移动。但是，针板具有一个定向头，该定向头周期性地进行摆动，以便使其方向在接触线M上适合于同待针刺卷绕层的曲面相垂直的方向。针板的针刺表面相对于针刺平面T的方位在两个极限位置e之间进行变化，其中：
e＝arc tg[(a2－b2)/√(a2b2)]2a2＝卷绕外层所确定的椭圆的长轴2b2＝卷绕外层所确定的椭圆的短轴
第二实施例中，通过适当控制芯轴的转速、芯轴轴线沿方向Δ的移动速度以及针板定向的摆动速度，就可以获得恒定的表面针刺密度。
图9和10示出第三实施例，在该实施例中，椭圆形芯轴始终围绕其轴进行转动，同时，芯轴轴线进行移动，一直沿着由两个半椭圆形成的一个线路Q(见图9)。由于芯轴的运动，卷绕层的外曲面沿固定接触线M同针刺平面相切。这可以使针板对针刺平面上的固定区域进行针刺，并使方位相对于针刺平面保持固定。从机械上来说，这种解决方案实施起来比前面述及的两个解决方案(见图10，该图示出当芯轴围绕其轴转动半圈时由卷绕外层所确定的椭圆的移动情况)要复杂一些。但是，如果使用自动装置来控制芯轴的移动，那么，实施起来是很容易的。
图11示出一种设备，用于实施上述第一实施例中的卷绕和针刺的方法，其中，芯轴轴线不移动，但针板移动，以便一直保持一个椭圆形线路。在这种情况下，针板和卷绕外层在彼此平行的多个平面上进行接触，接触时，针板同待针刺表面相切。
图11所示的设备包括一个芯轴机构100、一个针刺机构500和一个展开机构600，这些机构都支承在一个加工板200上，加工板200嵌入一个底板300中。
展开机构600包括一个将一条纤维材料带1卷绕在一个中央芯子上的卷轴6。一个发动机-减速器组7控制卷轴6的中央芯子的转动，以便展开纤维材料带1，使之供给芯轴机构100。开始展开时，纤维材料带1以手动方式卷绕在芯轴上，直至卷绕一整圈，并且纤维材料带的自由端卡在第二层的始点之下。一个边界导向光电管8确保在以后的卷绕期间纤维材料带相对于芯轴机构的准确定位。一个检测卷轴6直径的光电管9布置在卷轴的下面，以便检测卷绕期间卷轴6的直径怎样变化。直径检测光电管9例如使用光学元件连续地或周期性地检测卷轴6的直径。由直径检测光电管9发出的信号可以控制芯轴机构100和针刺机构500之间的距离随着芯轴上卷绕层厚度的增加而加大。
在芯轴机构100中，一个偏心距较小的椭圆形芯轴10安装在由一个底座12支承的一个中心轴上。底座12安装在板200上，并由一个中央导向件13进行导向，中央导向件13在板200之下延伸，以便可以根据展开机构600的直径检测光电管9发出的信号，进行移动而离开针刺机构500。一个发动机-减速器组14控制中心轴和芯轴10转动。在该实施例中，发动机-减速器组14用于改变芯轴10的转速，以便使待针刺表面和针板之间的相对切向速度保持恒定。
中心轴在底座上的布置是这样的：中心轴和芯轴可以沿纵向方向移动，也就是说，沿芯轴10的轴的方向移动，这种周期性的移动用以使针板针刺位置略微移动，以避免始终在相同的径向平面上进行针刺。一个压辊16压在卷绕在芯轴10上的外层上，以保持卷绕层。图11中，箭头A标示卷绕期间压辊16经过的线路。
针刺机构500包括一个针板5，针板5在待针刺纤维材料带1的宽度上延伸，并且被导向到一个伸长臂20的第一端部。伸长臂的另一端部安装在壳体22上。臂20在其第一端部形成调节臂，在针刺过程中，通过一个支承在壳体22上的作动筒23压靠在卷筒的表面上。针板沿横向方向进行针刺，也就是说，沿图11中的水平方向进行针刺。针板针刺的往复运动由一个安装在壳体22中的偏心式传动装置29产生。在该实施例中，针板5的针刺频率保持恒定。针刺机构500也包括一个抽吸装置24，该抽吸装置布置成可以在针刺期间抽吸从纤维带上脱落的纤维碎屑。
壳体22置放在一个滑架25上，滑架25沿一个杆13进行置放和导向，以便在一个发动机-减速器组26的控制下可以离开和靠近芯轴机构100。另外一个发动机-减速器组28控制壳体22的竖直移动。根据前面述及的卷绕和针刺方法第一实施例的其它实施方式，发动机-减速器组26和28被控制成使针板产生周期性椭圆形移动。发动机-减速器组26还被控制成随着卷筒变厚而保持恒定的针刺深度。
前面述及的方法和装置可以制造用于各种用途的环状件的预制件。具有特殊用途的环状件是制动盘。上述预制件的制造方法以及对纤维结构材料的选用可适合于所应用的环状件的特性。如果是制动盘的预制件，那么，纤维在卷绕期间相对于摩擦表面的取向可以使预制件达到最佳状态。
例如，在前面述及的卷绕和针刺方法中，如果卷绕双向织物(0°和90°)，使一个方向同针头下织物的进给方向相平行，并以45°的切割角切割环形件，那么，就可以获得纤维与摩擦面倾斜45°的制动盘。使用从根据这种方法制成的预制件制造的制动盘，在使用期间剪切力不再沿层间方向进行作用。
同样，按照两个确定的纱线方向卷绕多轴向碳纤维纱织物(两个或三个方向)时，可以选择纤维与所应用制动盘摩擦面的迎角。此外，具有若干方向之一的纱线可以由连续碳纤维长丝构成，针刺连接由沿另一个方向布置的粗纱例如FR-A-2669940所述的粗纱加以确保(针进行适当的定向)。

Claims (29)

1.一种用于制造制动盘的合成材料环状件的预制件的制造方法，其特征在于，它包括以下阶段：
提供一个椭圆形截面的芯轴(10)，
在芯轴(10)上将一条纤维材料带(1)卷绕成叠置层，叠置层通过针刺彼此连接，制成一种呈椭圆形卷筒(2)形状的预制件，以便沿不垂直于卷筒轴线的平面切割后，可获得环状件(4)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每一层新的叠置层在其卷绕的同时由一个在纤维材料带(1)的宽度上延伸的针板(5)进行针刺。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在卷绕和针刺阶段，针板(5)和芯轴(10)的运动是这样的：它们彼此接触时，针板的针刺表面位于同相对的待针刺卷绕层部分相切的一个平面上。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在卷绕和针刺阶段，芯轴(10)和针板(5)的运动是这样的：一部分外卷绕层始终沿一条接触线(M)与一个针刺平面(T)相切。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在卷绕和针刺阶段，芯轴(10)和针板(5)的运动是这样的：接触线(M)在针刺平面(T)上的位置以往复运动进行移动。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在卷绕和针刺阶段，接触线(M)在针刺平面(T)上的位置保持固定，芯轴轴线(S)在具有两个半椭圆的一条线路(Q)上周期性地进行移动。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在卷绕和针刺阶段，芯轴(10)的运动是这样的：一部分外卷绕层始终位于一个固定的针刺位置(M)上，针板(5)的针刺表面改变方向，以便同相对的待针刺卷绕层部分保持相切。
8.根据权利要求5或7所述的方法，其特征在于，在卷绕和针刺阶段，芯轴(10)围绕其轴转动，同时，芯轴轴线(S)以往复运动进行移动，靠近和离开针刺平面或针刺位置。
9.根据权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，在卷绕和针刺阶段，针板(5)以恒定的频率进行针刺。
10.根据权利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，在卷绕和针刺阶段，芯轴(10)和针板(5)之间的距离随着卷绕层厚度的增加而加大。
11.根据权利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，芯轴(10)的端部是彼此平行并且同卷筒正截面相倾斜的平面端面，在卷绕和针刺阶段，在芯轴(10)和正在卷绕的纤维材料带(1)之间存在相对移动，这种相对移动是沿芯轴的纵向方向以往复运动进行的。
12.一种制动盘的合成材料环状件的制造方法，其特征在于，这种方法包括根据前述权利要求之一所述的方法制造一种预制件(2)，以及沿不垂直于卷筒轴线的平面将椭圆形卷筒切割成环形件。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，选择卷筒的切割角(α)，使切割后的环形件在其内周边或者在其外周边或者在内外周边之间的一个预定位置上具有圆形截面。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，选择卷筒的切割角(α)，使切割后的环形件(4)在半宽度上呈圆形形状。
15.根据权利要求12、13或14所述的方法，其特征在于，卷筒(2)的切割在卷筒的至少一个压实阶段之后进行。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，卷筒(2)的压实通过温度梯度式汽相化学渗透进行。
17.一种制动盘的制造方法，其特征在于，这种方法包括根据 12至16之一所述的方法制造一种环状件(4)，以及对环状件的内周边和/或外周边进行加工。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，在卷绕阶段，将一条双向织物纤维材料带(1)卷绕在芯轴(10)上，使其中一个方向与芯轴上的进给方向一致。
19.一种用于制造制动盘的合成材料环状件的预制件的设备，其特征在于，它包括：
一个具有椭圆形截面的芯轴(10)，以及
机构(600)，用于将一条纤维材料带(1)在芯轴(10)上卷绕成叠置层，以便制成一种呈椭圆形卷筒形状的预制件(2)。
20.根据权利要求19所述的设备，其特征在于，它还包括一个针板(5)，针板(5)用于在卷绕层卷绕到椭圆形芯轴(10)上时对卷绕层进行打击，使它们通过针刺彼此连接。
21.根据权利要求20所述的设备，其特征在于，它还包括用于使针板(5)和/或芯轴(10)进行移动的装置(26，28)，以便使针板(5)的针刺表面在同相对的待针刺预制件外卷绕层部分相互接触时位于同该部分相切的一个平面上。
22.根据权利要求21所述的设备，其特征在于，用于使针板(5)和/或芯轴(10)进行移动的装置(26，28)设计成使预制件的一部分外卷绕层始终沿一条接触线(M)同一个针刺平面(T)相切。
23.根据权利要求22所述的设备，其特征在于，用于使针板(5)和/或芯轴(10)进行移动的装置设计成使针刺平面(T)上的接触线(M)的位置以往复运动进行移动，针板(5)进行移动，使上述移动一直进行。
24.根据权利要求22所述的设备，其特征在于，用于使针板(5)和/或芯轴(10)进行移动的装置设计成使芯轴轴线(S)在具有两个半椭圆的一条线路(Q)上周期性地进行移动，针刺平面(T)上的接触线(M)的位置保持固定。
25.根据权利要求21所述的设备，其特征在于，用于使针板(5)和/或芯轴(10)进行移动的装置设计成使芯轴(10)进行这样的移动，使一部分外卷绕层始终位于一个固定的针刺位置(M)上，针板(5)的针刺表面改变方向，以便同相对的待针刺预制件外卷绕层部分保持相切。
26.根据权利要求22所述的设备，其特征在于，用于使针板(5)和/或芯轴(10)进行移动的装置设计成使芯轴轴线以往复运动进行移动，靠近和离开针刺平面或针刺位置。
27.根据权利要求19至26之一所述的设备，其特征在于，针板(5)适用于以一种恒定频率进行针刺。
28.根据权利要求19至27之一所述的设备，其特征在于，它还包括装置(26)，用于使芯轴(10)和针板(5)之间的中间距离随着卷绕层厚度的增加而加大。
29.根据权利要求19至28之一所述的设备，其特征在于，芯轴(10)的端部是彼此平行并且不垂直于卷筒轴线的平面表面，设置一些装置，以在卷绕过程中控制芯轴(10)和纤维材料带(1)之间的相对移动，这种相对移动以往复运动沿芯轴的纵向方向进行。
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