CN108712971A - 混合复合材料车轮 - Google Patents

Abstract

一种用于车辆的负重轮，其包含面部分以及轮辋部分。所述面部分由金属合金形成并且限定在中心部分与近侧凸缘元件之间延伸的中心部分的多个轮辐。所述轮辋部分由复合材料形成并且限定环绕车轮轴线且从所述面部分延伸至远侧凸缘元件的环形壁。所述近侧凸缘元件由所述金属合金限定并且所述远侧凸缘元件由所述复合材料限定。所述面部分与所述轮辋部分以联锁接合互相连接。

Description

混合复合材料车轮

现有申请

本申请要求于2016年2月2日提交的美国临时专利申请第62/290,122号的优先权，所述美国临时专利申请的内容通过引用并入本文中。

技术领域

本申请总体涉及一种具有复合材料轮辋的轻型车轮。更具体地，本发明涉及一种具有复合材料轮辋部分以及合金面部分的轻型车轮。

背景技术

铸造合金轮在被设计用于道路使用的汽车以及被设计用于非道路使用的其它车辆上已经被使用了很多年。铸造合金(比如，例如，铝、锰以及钛)提供可取的外观同时与包含用于提供可取的外观的毂盖的较老的钢轮相比还提供减小的质量。不断增加的燃料效率标准对车辆制造商施加压力以连续地减小甚至已经提供低质量特征的车辆构件(比如，例如，合金轮)的质量。有人认为，由于使具有不利的惯性矩的车轮旋转所需的能量的原因，车轮的减小的质量比其它车辆构件的减小的质量更有益。

已经做出了一些努力来通过由复合材料形成车轮的全部或部分来减小车轮的质量。考虑到形成车轮的轮辐以及凸耳螺钉部分的复杂性，由复合材料形成整个车轮已经被证明对于批量生产而言太昂贵。已经做出了其它努力来由合金形成车轮的面以及由复合材料形成车轮的轮辋。尚未证明将合金接合至复合材料对商业应用可行，因为使用紧固件以及复杂的接合特征，其中没有一个为可行的。

因此，发展使用轻型合金结合复合材料的最好的特征的车轮将是可取的，所述车轮在技术上以及经济上对于商业使用为可行的。

发明内容

一种用于车辆的负重轮包含面部分以及轮辋部分。所述面部分由金属合金形成并且限定在中心部分与近侧凸缘元件之间延伸的中心部分的多个轮辐。所述轮辋部分由复合材料形成并且限定环绕车轮轴线并从所述面部分延伸至远侧凸缘元件的环形壁。所述近侧凸缘元件由所述金属合金限定并且所述远侧凸缘元件由所述复合材料限定。所述面部分与所述轮辋部分以联锁接合互相连接。

本发明的负重轮以简化方式提供合金的可取的方面与复合物的可取的方面，提供商业上可行的实施例。所述面部分与所述轮辋部分之间的联锁接合消除对提供第三机械紧固件(引起车轮中的不平衡以及另外的组装复杂性)的需要。在一个实施例中，本发明的车轮包含限定面配合壁的面部分以及限定轮辋配合壁的轮辋部分，其中所述面配合壁包含从所述轮辋配合壁的一部分径向向外设置的机械联锁部。在该非限制性实施例中，使所述面部分与所述轮辋部分之一经受热处理，其致使所述轮辋配合壁以及所述面配合壁的尺寸改变，使所述面部分以及所述轮辋部分能够配合。在返回至环境温度时，实现将所述面部分固定至所述轮辋部分的机械联锁。

附图说明

将容易地理解本发明的其它优点，因为在结合附图考虑时通过参考以下具体描述将更好地理解本发明，其中：

图1示出本发明的混合复合材料车轮的立体图；

图2A和2B示出复合材料轮辋部分的可选的增强纤维取向；

图3示出本发明的混合复合材料车轮的平面图；

图4示出所述混合复合材料车轮的、通过图3的线4-4所剖开的侧视剖视图；

图5示出图4的区域5的扩大图；

图6示出本发明的、具有不同的密度的预制件的可选实施例的分解图；以及

图7A至7E示出本发明的另外的可选实施例的剖视图。

具体实施方式

参考图1，本发明的混合车轮总体显示为10。车轮10包含面部分12以及轮辋部分14。在一个实施例中，面部分12由金属合金形成。可经由很多不同的方法形成面部分，例如，使合金熔融并且将合金注射至模具(未示出)的模具腔中以限定铸造面部分，或者经由热锻操作成形合金。在必要的地方，将面部分12机械加工或铣削成所期望的几何构造以实现所期望的外观以及性能特征。

面部分12包含在中心部分18与近侧凸缘元件20之间延伸的多个轮辐16。近侧凸缘元件20环绕车轮轴线并且使多个轮辐16中的每一个互相连接。应当理解的是，面部分12可由各种不同的合金铸造而成，所述合金包含但不限于铝合金、锰合金、钛合金等等。虽然传统的轮辐16处于本发明的范围内，但是包含如在与此有关的美国专利申请第14/805,999号中所限定的可选的改进的实施例，所述美国专利申请的内容通过引用并入本文中。

轮辋部分14由通过纤维22增强的复合型聚合物形成，如将在下文中进一步解释说明的。在一个实施例中，聚苯硫醚(PPS)为用来形成轮辋部分14的载体树脂。在可选实施例中，聚合物载体树脂包含氨基甲酸乙酯、TPP、或者能够提供车轮10的轮辋部分14的可取的性能需求的其它等同的聚合物载体。然而，已经确定的是，热塑性材料的独特的性质提供从热固性材料无法获得的提高的制造效率。例如，热塑性材料在成批制造的制造步骤期间为可再成形的，如以下将进一步解释说明的那样。另外，热塑性材料以及因此本发明的车轮10在它的使用寿命结束时可被回收。

如在图2A和2B中最好地示出的，复合粘合剂被灌输至纤维22以改进轮辋部分14的刚度以及强度。纤维22包含多个不同的取向，在期望的地方提供局部强度。另外，纤维22包含玻璃纤维、碳纤维、尼龙纤维、碳纳米纤维(比如石墨烯等等)以及甚至其组合。在本实施例中，纤维包含于由热塑性材料所制成的树脂带中。纤维为长形的并且相对于带纵长地定向。如在图2A的22a处所示出的，带连同纤维22在环形壁24(其在近侧凸缘20与远侧凸缘26之间延伸)上相对于车轮轴线a以一定的角度定向。可选地，如在图2A的22b处所示出的，带连同纤维22平行于轴线a定向。图2B更进一步示出纤维22的取向，其中纤维交织，生成如以22c所示出的交叉取向。在本实施例中，与其它实施例一样，以交叉方式将多层带应用至心轴，以使得纤维22以一定的角度重叠。可选地，使纤维22在带中交织，以使得多层带形成纤维22的几乎随机的重叠。还应当理解的是，如以22d所示出的，带以及纤维22还位于远侧凸缘26处，为远侧凸缘26提供加强特性，其目的将在下文中变得更明显。更进一步，如在附图标记22e处所示出的，环形壁24中的纤维垂直于轴线A以环绕轴线A。

如上所述，带包含热塑性载体树脂。因此，当一层带被加热至热塑性材料的熔点以上时，带取得心轴的形式并且附着至相邻层的带，按期望定向纤维22。由于载体树脂为热塑性材料，可在稍后的处理步骤期间使带再成形，如以下将进一步描述的。

本发明所属领域的普通技术人员应当理解的是，纤维22的多个构造或者取向仅仅在必要的地方提供局部加强。纤维22的、仅仅在需要的地方的有限的使用减小轮辋部分14的成本以及质量。如以上所解释说明的，纤维22包含于包含热塑性载体树脂的并且铺放于心轴上的或者铺放至模具表面上的带或条(未示出)中。当铺放于心轴上时，预制件为附图标记48指示，或者可生成多个预制件并且稍后将所述多个预制件包裹于模具腔中，其中预制件被按压成网或者近似于网状。由于载体树脂为热塑性材料，预制件在模具腔中被重新加热至大致热塑性材料的熔化温度同时被按压成网或者近似于网状。相邻的预制件48在被加热至热塑性材料的熔点时结合在一起。一旦在模具腔中形成，轮辋部分14就在必要时被切割、机械加工、以及甚至铣削成最终的设计构造。

如在图4和5中最好地示出的，图4和5示出通过图3的线4-4所剖开的剖视图，轮辋部分14限定配合凸缘28，其具有比环形壁24的横截面面积大的横截面面积。轮辋部分14的配合凸缘28限定轮辋配合壁30，其抵接面部分12的面配合壁32。面配合壁32包含拔模角，该拔模角终止于从轮辋配合壁30的至少一部分径向向外设置的位置处，以使得面配合壁32与轮辋配合壁30限定机械联锁，由此在组装之后防止轮辋部分14与面部分12分离。然而，为了进一步将轮辋部分14固定至面部分12，将粘合剂34布置于面配合壁32与轮辋配合壁30之间。

面配合壁的拔模角为大致1.5度，或者防止该组件或面部分12与轮辋部分14分离的大致角度。为了便于将轮辋部分14组装至面部分12，使轮辋部分14以及面部分12中的一个经受热处理以改变轮辋部分14或面部分12中的任一个的尺寸，由此容许组装。作为非限制性示例，一旦成形，轮辋部分14就被维持于环境温度下而面部分12在已经成形之后被冻结至零度以下(0℃)的温度，致使合金收缩，使面部分12能够与轮辋部分14配合。当面部分12返回至环境温度、或者与轮辋部分14相同的温度时，面部分12膨胀，引起轮辋配合壁30与面配合壁32之间的机械联锁，防止面部分12与轮辋部分14分离。进一步考虑的是，选择PPS配方产品以提供与形成面部分12的合金的热膨胀率相似的或者几乎相同的热膨胀率，以使得在车轮10经受极限环境条件时面配合壁32与轮辋配合壁30之间的机械联锁不改变。

如上所述，在单一的复合组合物上可使用多种不同的纤维22。因此，涉及用于在轮辋部分14的配合凸缘28中使用的纤维，比如，例如，尼龙。将尼龙纤维定位于配合凸缘28处接近于面配合壁32放置尼龙纤维以防止或减小限定面部分12的合金的腐蚀的可能性。应当理解的是，可为配合凸缘28或者轮辋部分14的、与面部分12配合的任何其它表面局部地提供用来减小或阻止所选择的合金的腐蚀的任何已知的纤维或填充物，同时可使用其它类型的纤维来在轮辋部分14的不同的位置处实现不同的机械特性。

应当理解的是，纤维可被独立地加工、任意排列、涂覆、处理、等等，包含这些取向以及加工方法的组合。另外，还可使用具有相同的或交叉的取向的多层纤维。纤维可设置于织布、布、织物、网、带、以及甚至纱线中，这在配合凸缘或者需要另外的或者专门的增强的其它区域中可能是特别地有用的。还应当理解的是，纤维还可采取呈随机取向的纳米纤维的形式，以为轮辋部分14提供不同的且有益的增强。

近侧凸缘20与近侧凸起38限定近侧轮胎座36。远侧凸缘26与远侧凸起42限定远侧轮胎座40。限定于面部分12与轮辋部分14之间的接缝44使近侧轮胎座36分成两支。因此，在本实施例中，近侧凸缘元件20由限定面部分的铸造合金形成并且远侧凸缘元件26由形成轮辋部分14的复合材料限定。进一步，远侧轮胎座40完全地由限定轮辋部分14的复合材料形成并且近侧轮胎座36部分地由形成端部部分14的复合材料以及形成面部分12的铸造合金形成。

现在参考图6，示出车轮10的另一个实施例的分解图。发明人考虑的是，可通过减小轮辋部分14的各个区域中的复合材料密度实现进一步的质量减小。例如，轮辋部分14的较厚的横截面包含比轮辋部分14的中心部分(比如环形壁24)低的密度。作为非限制性示例，配合凸缘28包含低密度部分46，能通过封装于限定配合凸缘28的树脂中的不同的纤维材料的选择调节所述低密度部分46。

可选地，在模制轮辋部分14之前，将具有比PPS低的密度的单个或多个预制件48插入至模具腔中。进一步，还可通过在模制轮辋部分14之前将预制件48插入至模具腔中限定轮辋部分14的另外的元件，例如，环形壁24以及远侧凸缘元件26。

在另一个实施例中，还可利用轮辋部分14的较高密度的部分来平衡车轮10。例如，预制件48可包含比PPS或者其它载体树脂高的密度以及质量并且位于阀杆孔50对面。按这种方式，轮辋部分14包含局部高质量来充当平衡件，阀杆孔50所接收的阀杆(未示出)以及轮胎压力传感器(未示出)的质量消除对添加至车轮10的、特别地用于平衡阀杆的另外的质量的需要。

在图7A至7E中示出本发明的可选实施例，其中大体示出车轮的局部剖视图。第一可选实施例在图7A中被显示为附图标记110，轮辋部分114由上述热塑性复合材料形成。在本实施例中，轮辋部分限定环形壁124，其环绕车轮轴线a(图2A、2B)并且在远侧凸缘126与配合凸缘128之间延伸。在本实施例中，近侧凸缘120由复合材料形成并且为轮辋部分114的部分。近侧轮胎座136也由复合材料形成。面部分112由合金形成并且用粘合剂附着至轮辋部分114的、设置于近侧凸缘120的下侧上的配合表面152。

面部分112限定配合壁154，轮辋部分114的配合表面152附着至该配合壁上。预制件148设置于轮辋部分114的配合表面152与面部分112的配合壁154之间，局部地提供与对轮辋部分112的复合材料的平衡不同的密度或性能特征。应当理解的是，如在以上所阐述的之前的实施例中所公开的，第一可选实施例的预制件148以相似的方式组装，并且提供相似的特性。

本发明所属领域的普通技术人员应当理解的是，第一可选实施例的车轮110还包含远侧轮胎座140，其由热塑性复合材料形成，以使得轮胎不接触合金，而是仅仅接触复合材料。这样，通过完全的复合材料近侧轮胎座136以及完全的复合材料远侧轮胎座140接收轮胎。

本发明的车轮的第二可选实施例被显示为图7B的附图标记210，其中与第一实施例中的那些元件相似的元件具有200系列的相似的元件编号。相对于第二实施例，将不会再一次解释说明与第一实施例相似的元件。在第二可选实施例中，轮辋部分214限定配合凸缘228，其接收紧固螺柱256以将面部分212固定至轮辋部分214。应当理解的是，多个螺柱256设置于面部分212的配合壁254上。可选地，螺柱256为设置于配合壁254上的连续的肋，上述配合壁环绕车轮轴线a。上述带被铺放于螺柱256上并且在被加热时成型至螺柱256。在一个非限制性示例中，面部分212被可释放地固定至心轴，使所述带能够在被加热时围绕螺柱256成型。可选地，或者除上文之外，面部分212被放置至模具腔中并且所述带在该带被模具加热时围绕螺柱256固定地成型。应当进一步理解的是，可包含粘合剂以将面部分212的配合壁254固定至轮辋部分214的配合表面252。

本发明的车轮的第三可选实施例被显示为图7C的附图标记310，其中与第一实施例中的那些元件相似的元件具有300系列的相似的元件编号。相对于第三实施例，将不会再一次解释说明与第一实施例相似的元件。在本实施例中，轮辋部分314包含与合金面部分312相邻的合金轮辋底座358。合金轮辋底座358充当心轴，以使得复合材料带被铺放于轮辋底座358之上，生成从近侧凸缘320延伸至远侧凸缘326的复合材料面360。

在将复合材料面360应用至轮辋底座358之后，将车轮310放置于模具中以将热塑性复合材料形成为预定构造。当轮辋底座至少在环形壁324处包含大致恒定的厚度时，模具使热塑性复合材料再成形以形成适当地安置轮胎所需的特征。例如，模具使近侧凸缘320再成形以形成近侧轮胎座336。同样地，模具使远侧凸缘326再成形以形成远侧轮胎座340。如上，按照期望定向纤维取向22(图2A-2B)并且可选择地在轮辋底座358与复合材料面360之间局部地或总体地应用粘合剂。然而，考虑到复合材料面360与轮辋底座358的联锁构造，不认为粘合剂对将复合材料面360固定至轮辋底座358将是必要的。应当进一步理解的是，本实施例包含仅仅与复合材料面360而非与合金轮辋底座358配合的轮胎。

本发明的车轮的第四可选实施例被显示为图7D的附图标记410，其中与第一实施例中的那些元件相似的元件具有400系列的相似的元件编号。相对于第四实施例，将不会再一次解释说明与第一实施例相似的元件。在本实施例中，以上述方式将复合材料面460应用至合金轮辋底座458。在本实施例中，轮辋部分414的合金轮辋底座458与合金面部分412相邻。然而，由铸造合金而不是复合材料面460限定近侧凸缘420以及近侧轮胎座436。因此，复合材料面460延伸过环形壁414至远侧凸缘426并且限定远侧轮胎座440。如上所述，合金轮辋底座458充当心轴，以使得复合材料带被铺放于轮辋底座458之上，生成复合材料面460，通过在模具中重新加热热塑性复合材料载体将复合材料面460形成为所期望的构造。

本发明的车轮的第五可选实施例被显示为图7E的附图标记510，其中与第一实施例中的那些元件相似的元件具有500系列的相似的元件编号。相对于第五实施例，将不会再一次解释说明与第一实施例相似的元件。在本实施例中，通过将含有纤维的带铺放于上述心轴上而完全地由复合材料形成轮辋部分514。轮辋部分514接收接合肋562，该接合肋沿轴向方向延伸同时环绕车轮510的轴线a。如在第四实施例中所述，由铸造合金而非复合材料限定近侧凸缘520以及近侧轮胎座536。粘合剂将复合材料轮辋部分514固定至合金接合肋562。

另外，如在第一和第二可选实施例中所解释说明的那样，远侧凸缘526以及远侧轮胎座540完全地由热塑性复合材料形成。因此，将带铺放于心轴上并且在加热的模具中使热塑性复合材料再成形以形成远侧凸缘526以及远侧轮胎座540。

明显地，根据以上教义，本发明的很多修改以及变形为可能的，已经根据相关的法律标准描述了上述发明；因此，所述描述本质上仅仅为示例性的而不是限制性的。所公开的实施例的变形以及修改对于所属领域的技术人员而言可能变得显而易见并且在本发明的范围内。因此，仅仅可通过学习以下权利要求确定对本发明提供的法律保护的范围。

Claims (20)

1.一种用于车辆的负重轮，包括：

面部分以及轮辋部分；

所述面部分由金属合金形成并且限定在中心部分与近侧凸缘元件之间延伸的多个轮辐；

所述轮辋部分由复合材料形成并限定环形壁，所述环形壁环绕车轮轴线并且从所述面部分延伸至远侧凸缘元件；以及

所述近侧凸缘元件由所述金属合金限定并且所述远侧凸缘元件由所述复合材料限定。

2.根据权利要求1所述的负重轮，其特征在于，所述轮辋部分包含配合凸缘，该配合凸缘限定比所述环形壁的横截面大的横截面。

3.根据权利要求1所述的负重轮，其特征在于，所述轮辋部分包含配合凸缘，该配合凸缘由比所述环形壁低的密度限定，从而减小所述轮辋部分的、在所述配合凸缘处的质量。

4.根据权利要求1所述的负重轮，其特征在于，所述面部分限定面配合壁并且所述轮辋部分限定轮辋配合壁，其中所述面配合壁包含从所述轮辋配合壁的一部分径向向外设置的机械联锁部。

5.根据权利要求4所述的负重轮，其特征在于，用粘合剂将所述面配合壁结合至所述轮辋配合壁。

6.根据权利要求1所述的负重轮，其特征在于，限定所述轮辋部分的所述复合材料包括热塑性聚合物，该热塑性聚合物包含用于加强所述轮辋部分的纤维。

7.根据权利要求6所述的负重轮，其特征在于，所述纤维在所述轮辋部分各处包含多个不同的取向，从而为所述轮辋部分提供局部强度。

8.根据权利要求6所述的负重轮，其特征在于，所述面部分限定面配合壁并且所述轮辋部分限定轮辋配合壁，其中设置于所述轮辋配合壁中的所述纤维包含尼龙，从而抑制限定所述面部分的所述金属合金的腐蚀。

9.根据权利要求1所述的负重轮，其特征在于，所述复合材料包含第一密度以及比所述第一密度大的第二密度，并且在与阀杆孔相对的位置处包含所述第二密度。

10.根据权利要求1所述的负重轮，其特征在于，所述近侧凸缘元件限定轮胎座并且形成于所述金属合金与所述复合材料之间的接缝使所述轮胎座分成两支。

11.一种制造车轮的方法，包括步骤：

由第一材料形成面部分，其中所述面部分包含限定第一径向直径的面配合元件；

由第二材料形成轮辋部分，其中所述轮辋部分包含限定比所述第一径向直径大的第二径向直径的轮辋配合元件；

使所述面部分以及所述轮辋部分中的一者经受热处理，从而改变所述第一径向直径与所述第二径向直径之一；

在所述面配合元件与所述轮辋配合元件中的至少一者经受热处理时将所述面配合元件互相连接至所述轮辋配合元件；

使所述车轮返回至环境温度，从而使所述面配合元件能够返回至所述第一径向直径或者使所述轮辋配合元件能够返回至所述第二径向直径，由此使所述面配合元件联锁至所述轮辋配合元件。

12.根据权利要求11所述的方法，进一步包含步骤：选择具有与所述第二材料大致相同的热膨胀率的第一材料。

13.根据权利要求11所述的方法，进一步包含步骤：在所述面配合元件与所述轮辋配合元件之间应用粘合剂，用以将所述面配合元件附着至所述轮辋配合元件。

14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，通过由金属合金形成所述面部分来进一步限定由第一材料形成所述面部分的所述步骤，以及通过由热塑性复合材料形成所述轮辋部分来进一步限定形成所述轮辋部分的所述步骤。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，通过将增强纤维包裹于所述复合材料内来进一步限定由复合材料形成所述轮辋部分的所述步骤。

16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，通过将多个不同的增强纤维包裹于所述复合材料内来进一步限定将增强纤维包裹于所述复合材料内的所述步骤。

17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，通过包裹具有多个不同的取向的增强纤维来进一步限定由复合材料形成所述轮辋部分的所述步骤。

18.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，通过所述第二材料在所述轮辋部分内限定第一密度以及第二密度，由此进一步限定由第二材料形成轮辋部分的所述步骤，其中所述第二密度与所述第一密度不同。

19.根据权利要求11所述的方法，进一步包含步骤：由多个热塑性预制件形成所述轮辋部分以及通过加热所述热塑性预制件使所述热塑性预制件互相连接。

20.根据权利要求11所述的方法，进一步包含步骤：由复合材料形成远侧凸缘元件以及由抵接的复合材料以及金属合金形成近侧凸缘元件。