CN112829509A - 一体成型碳纤维辐条及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种一体成型碳纤维辐条及制备方法，制备碳纤维芯体及制备辐条两端的第一金属件和第二金属件，两金属件中心轴向通孔，该通孔与碳纤维芯体适配，其中第一金属件的端部具有环形凸台；将碳纤维芯体从第一金属件和第二金属件的通孔穿过，使第一金属件和第二金属件置于碳纤维芯体的两端；用碳纤维预浸料缠绕包覆碳纤维芯体和两端的金属件形成半成品；将缠绕包覆好的半成品放到成型模具里加温成型。本发明采用碳纤维预浸料缠绕包覆金属件，使金属件和碳纤维材料间形成三明治结构来增大辐条本体与两端金属件内外表面的结合界面，大幅度提高辐条本体与两端金属件的结合力，确保辐条本体和金属件间不会滑脱。

Description

一体成型碳纤维辐条及制备方法

技术领域

本发明公开一种一体成型碳纤维辐条及制备方法，按国际专利分类表(IPC)划分属于车轮辐条制造技术领域。

背景技术

在自行车比赛中，自行车装备是影响运动员成绩的一个很重要因素。自行车部件的重量、刚性、强度、几何形状是影响速度的最重要的几个因素。重量越轻，速度越快；刚性越好，能量转化越有效。

在自行车系统中，辐条是连接轮圈与花鼓的桥梁。在使用过程中，辐条一端带帽头连接在花鼓上，一端带螺牙与辐条帽锁固，连接在轮圈上。自行车在行驶过程中，所有承载的压力，都是靠辐条组配在花鼓和轮圈上产生的拉力来提供的，所以辐条性能的好坏，直接影响到整个自行车的性能。现有的辐条一般使用不锈钢、钛、铝等材质制作，重量相当重，不利于产品重量日益轻量化需求。

对于重量而言，相比于不锈钢、铝合金等材料，碳纤维复合材料(CFRP)具有无可比拟的优越性。碳纤维复合材料作为辐条的材质目前在市面上崭露头角，但是不同的工厂生产、制作工艺都不尽相同。

目前主流的碳纤维辐条制作方式是用模具或者其它方式成型出辐条主体，再在辐条两端粘接金属件，使其具备辐条的功能。但是这样制作的辐条强度，受制于粘接工艺稳定性的影响，如果设计上粘接面积较小，粘接的强度很不稳定，如果粘接面积大，所用金属件的尺寸和重量增大：如果整个制作出来的辐条太重，又失去其最终的设计意义，不被市场所认可；金属件的尺寸过大，则配合配合的花鼓和轮圈的孔径增大，同等条件下，强度减弱。

如中国文献CN205273028U公开一种碳纤维辐条，包括辐条本体，辐条本体的一端连接能够与轮圈配合连接的第一配件，另一端连接能够与花鼓配合连接的第二配件，辐条本体为碳纤维材质。辐条本体端部和配件之间的连接采用粘结方式，在使用过程中，花鼓、车圈能产生拉力作用在配件上，使配件易被拉离辐条本体，导致二者分离，使用寿命短，安全性不足，也会增加维修成本。

又如中国文献CN103448465A，用于自行车碳纤维轮圈的辐条固定件，其包括一个固定部与一个抵靠部，固定部沿一虚拟轴轴向延伸形成，该抵靠部形成于该固定部一端并以该虚拟轴为轴心径向延伸形成，该辐条固定件穿设一个定位孔，该定位孔套设于自行车的辐条，该抵靠部抵靠于自行车的碳纤维轮圈，辐条传递扭力而带动碳纤维轮圈时，该辐条固定件能够固定辐条，使辐条无法相对于碳纤维轮圈移动。该车用辐条结构极其复杂，制造不便，装配不便，制造成本高。

又如中国文献CN107839402A中碳纤维轮框辐条，其基本结构包括一碳纤条及组合固定于碳纤条端部之接头，该接头设有一穿套孔以供套组于碳纤条之端部；其特点主要在于碳纤条端部设有一扩径段，接头的穿套孔则相对应处配合设有一扩孔段；藉此，利用碳纤条端部所设扩径段嵌卡于接头穿套孔所设扩孔段，令碳纤条与接头之间达到更加坚固耐用的固定防脱效果。但这种设计由于要在碳纤条两个端部者设置扩径段，这样两个接头基本上是无法在碳纤条制成后套设到碳纤条上，因此方案几乎没有可操作性。退一步讲，即使能将接头套接在碳纤条上，但要在较细的碳纤条上的扩径段内开设支撑构件的空腔，其工艺和成本也是相当难且成本非常高的。因此该方案工艺要求高，制作模具复杂，制造效率低，装配不便，制造成本高，基本不适应工业化生产。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种一体成型碳纤维辐条。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种一体成型碳纤维辐条，其包括一由碳纤维制成的辐条内芯、一能配合连接轮圈的牙帽和一能配合连接花鼓的帽头以及碳纤维预浸料层，所述的牙帽和帽头设有贯穿的安装孔，该牙帽的安装孔和帽头的安装孔分别固定套接在辐条内芯的两端，辐条内芯及部分金属牙帽和帽头外设有碳纤维预浸料层。

进一步，碳纤维预浸料层是碳纤维预浸料缠绕或包覆辐条内芯和金属牙帽和帽头并在模具内加温成型。

进一步，辐条内芯为圆柱状，辐条内芯两端的接头部同牙帽和帽头安装孔紧配连接；辐条内芯的接头部与牙帽或帽头通过胶粘连接。

进一步，牙帽和帽头被碳纤维预浸料包覆部分的外周设有防脱凸台以提高碳纤维预浸料包覆的结合力。

进一步，牙帽端设有螺纹，该牙帽设有配合组配的螺帽以与轮圈连接固定，牙帽周侧设有直线卡槽。

本发明还提供上述一体成型碳纤维辐条制备方法。

一种一体成型碳纤维辐条制备方法，其包括以下步骤：

S1、制备碳纤维芯体，即辐条内芯；

S2、制备辐条两端的第一金属件和第二金属件，两金属件中心轴向通孔，该通孔与碳纤维芯体适配；

S3、将碳纤维芯体从第一金属件和第二金属件的通孔穿过，使第一金属件和第二金属件置于碳纤维芯体的两端；

S4、用碳纤维预浸料缠绕包覆碳纤维芯体和两端的金属件形成半成品；

S5、将缠绕好的半成品放到成型模具里加温成型；

S6、成型后开模取出，然后在第二金属件上加工螺牙，完成后即为最终可用的产品。

步骤S1中，碳纤维芯体采用模具成型或拉挤成型为圆柱体，碳纤维芯体的直径小于1.8mm。

步骤S2中，第一金属件和第二金属件的相对端的外周均带有锥度，两金属件中间通孔的孔径小于1.8mm，第二金属件侧面加工直线卡槽；

步骤S2中，第一金属件和第二金属件周侧均加工成防脱凸台设计以提高碳纤维预浸料包覆金属件的结合力。

步骤S3前，两金属件及碳棒需做粗化处理，碳纤维芯体表面涂覆高强度的耐高温接合胶，与两金属件连接备用；

步骤S4中，采用交叉角度的碳纤维预浸料进行缠绕包覆，从第一金属件或第二金属件带斜度的位置开始渐层缠绕，直到设计需要的厚度。

步骤S5中，加温成型时，温度控制在150－180摄氏度，时间为50－70分钟；

步骤S5中，辐条造型是圆形或扁平形或椭圆形或大体菱形截面形状；

步骤S6中，辐条上第二金属件的螺牙端配合组配螺帽。

本发明一种一体化碳纤维辐条及制备方法，用碳纤维预浸料缠绕包覆碳纤维芯体(即辐条内芯)和金属件的工艺，使金属件和碳纤维材料间形成三明治结构来增大辐条本体与两端金属件牙帽和帽头的结合界面，大幅度提高辐条本体与两端金属件的结合力，确保辐条本体和金属件间不会滑脱，提高产品结构强度。

附图说明

图1是本发明实施例示意图。

图2是本发明实施例碳纤维芯体示意图。

图3是本发明实施例第一金属件帽头示意图。

图4是本发明实施例第二金属件牙帽立体图。

图5是本发明实施例第二金属件牙帽侧视图。

图6是本发明实施例第二金属件牙帽轴视图。

图7是本发明实施例螺帽示意图。

图8是本发明实施例碳纤维芯体与金属件配合示意图。

图9是本发明实施例碳纤维预浸料缠绕包覆后示意图。

图10是本发明实施例剖视状态下的流程图。

图11是图10中A处放大图。

图12是图10中B处放大图。

图13是本发明另一实施例加温成型后剖视图。

图14是本发明实施例辐条在金属件一处的剖视图。

图15是本发明实施例辐条主体外形图。

图16是辐条与轮圈及花鼓配合图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

实施例：请参阅图1至图16，一种一体成型碳纤维辐条，其包括一由碳纤维制成的辐条内芯即碳纤维芯体1、一能配合连接轮圈的第二金属件3即牙帽和一能配合连接花鼓的第一金属件2即帽头以及碳纤维预浸料层4，所述的牙帽和帽头设有贯穿的安装孔，该牙帽的安装孔31和帽头的安装孔21分别固定套接在辐条内芯的两端，辐条内芯及部分金属牙帽和部分帽头外设有碳纤维预浸料层4，上述的部分金属牙帽是指金属牙帽与碳纤维预浸料层结合的连接区，部分帽头是指帽头与碳纤维预浸料层结合的连接区，辐条内芯及碳纤维预浸料层一体成型为辐条本体100。碳纤维预浸料层4是碳纤维预浸料缠绕或包覆碳纤维芯体1和金属牙帽和帽头并在模具内加温成型。碳纤维芯体1为圆柱状，碳纤维芯体1两端的接头部同牙帽和帽头安装孔紧配连接；碳纤维芯体1的接头部与牙帽或帽头通过胶粘连接。牙帽和帽头被碳纤维预浸料包覆部分的外周设有牙帽防脱凸台20及帽头防脱凸台30以提高碳纤维预浸料包覆的结合力,防脱凸台可以环状凸起或齿状结构或其它凹凸形。本发明实施例中的牙帽和帽头，除了采用金属材料外，也可以采用其他材料，达到与轮圈或花鼓连接功能强度。

本发明使用时，如图16，辐条101外端与轮圈102连接，辐条内端与花鼓103连接，辐条101偏离该辐条外端连接点与花鼓中心的径向连接线M。

本发明一体成型碳纤维辐条制备方法，如图10、图8、图9及图1，包括以下步骤：

S1、制备碳纤维芯体1，如图2，碳纤维芯体内的纤维是零度连续不间断，具有较大的断裂拉伸力；碳纤维芯体采用模具成型或拉挤成型或其他方式成型为圆柱体，碳纤维芯体的直径小于1.8mm；

S2、制备辐条两端的第一金属件2如图3，及第二金属件3如图4、图5、图6，两金属件中心轴向通孔，该通孔与碳纤维芯体适配，第一金属件2是与花鼓配合连接的帽头，第二金属件是牙帽，此步骤牙帽没有加工螺牙，这里也可以加工螺牙；

S3、将碳纤维芯体1从第一金属件2和第二金属件3的通孔穿过，使第一金属件2和第二金属件3置于碳纤维芯体1的两端，碳纤维芯体的外端与第一金属件2和第二金属件3的通孔的孔口持平并固定，如图8；

S4、用碳纤维预浸料缠绕包覆碳纤维芯体和两端的金属件形成半成品；

S5、将缠绕包覆好的半成品放到成型模具里加温成型，缠绕包覆后的碳纤维预浸料形成辐条包覆层即碳纤维预浸料层4，如图9；

S6、成型后开模取出整修，然后在第二金属件3上加工螺牙，完成后即为最终可用的产品。

上述步骤S1和步骤S2中制备碳纤维芯体和制备两金属件，可以同时进行或先制备金属件或先制备碳纤维芯体。

为了金属件与碳纤维芯体结合部位有过度，如图3、图4及图5，步骤S2中，第一金属件2和第二金属件3的相对端的外周侧均带有锥度。两金属件中间通孔的孔径小于1.8mm，第二金属件侧面加工直线卡槽32，可在后面拧紧螺帽的时候作为固定的作用，防止扭转。如图11，步骤S2中，第一金属件和第二金属件周侧均加工成防脱凸台设计以提高碳纤维预浸料包覆金属件的结合力，防脱凸台可以环状凸起或齿状结构或其它凹凸形状。

本发明一实施例，进一步采用胶合与碳纤维预浸料包覆方式配合使用，以提高结合力，步骤S3前，两金属件及碳纤维芯体需做粗化处理，这里的粗化处理主要是表面处理，其中金属件是喷砂处理。碳棒即碳纤维芯体表面涂覆高强度的耐高温接合胶，与两金属件连接备用，涂胶主要是碳纤维芯体两端与金属件结合的部位，涂胶也可以是整支碳纤维芯体。

本发明一实施例步骤S4中，采用交叉角度的碳纤维预浸料进行缠绕包覆，从第一金属件或第二金属件带斜度的位置开始渐层缠绕，直到设计需要的厚度，这里交叉是用0度碳纤维预浸料与带角度碳纤维预浸料缠绕/包覆碳纤维芯体和金属件，0度碳纤维预浸料是其内纤维沿辐条轴向延伸。普通的碳材料辐条，一般采用0度碳纤维预浸料成型，由于纤维排布平行，使用过程中，碰撞后有瑕疵或出现断口时，强度降低，而本发明实施例中，辐条主体外层采用交叉角度的碳纤维预浸料成型，具有较强的抗扭力和拉伸力。

本发明一实施例步骤S5中，加温成型时，温度控制在150－180摄氏度，优选155摄氏度，加温时间控制在50－70分钟，优选60mins；辐条两端与金属件配合的部分是圆形如图14，两端金属件之间的辐条造型是圆形或扁平形或椭圆形或类似菱形等截面形状，如图15，辐条主体成型为扁状或大体椭圆形，其目的是骑行过程中，减少风阻，其中辐条主体100外形中最小宽度大于中间碳纤维芯体1的直径。

如图11、图12及14所示，金属件和碳纤维材料间形成三明治结构，金属件是指两端的第一金属件2或第二金属件3，其内孔配有碳纤维芯体1，外面有碳纤维预浸料层4。

本发明一实施例中，如图1，辐条上第二金属件3的螺牙端配合组配螺帽5以与车圈连接。

下表是本发明实施例与目前市场上的轻量化金属辐条对比：

上述数据是由万能材料试验机测试得到，测试标准，参照标准ASTM D3039。

本发明一体成型碳纤维辐条具有如下特点：

1、一体成型的碳纤维辐条，无需后期固纱、粘着等加工；

2、金属件牙帽和帽头中间镂空的孔径为小于1.8mm,同时碳纤维芯的直径小于1.8mm。

3、本发明中第一金属件和第二金属件，即帽头和牙帽的尺寸小，可以适应现有市面上小孔径的花鼓和车圈，与背景技术中辐条主体与金属件直接粘接方式相比，由于孔径小，组装配合的车架，强度增强。

4、本发明克服了背景技术中一种碳纤维辐条所存在的不足，特别是胶合的粘结强度，改变辐条本体与两端金属件之间的结合方式，用碳纤维预浸料包覆碳纤维芯体(即辐条内芯)和金属件的工艺或进一步采用胶合与碳纤维预浸料包覆方式配合使用，使金属件和碳纤维材料间形成三明治结构来增大辐条本体与两端金属件牙帽和帽头的结合界面，大幅度提高辐条本体与两端金属件的结合力，确保辐条本体和金属件间不会滑脱，提高产品结构强度，提升骑行或竞赛的安全性。

以上所记载，仅为利用本创作技术内容的实施例，任何熟悉本项技艺者运用本创作所做的修饰、变化，皆属本创作主张的专利范围，而不限于实施例所揭示者。

Claims (10)

1.一种一体成型碳纤维辐条，其特征在于：包括一由碳纤维制成的辐条内芯、一能配合连接轮圈的牙帽和一能配合连接花鼓的帽头以及碳纤维预浸料层，所述的牙帽和帽头设有贯穿的安装孔，该牙帽的安装孔和帽头的安装孔分别固定套接在辐条内芯的两端，辐条内芯及部分金属牙帽和帽头外设有碳纤维预浸料层，辐条内芯及碳纤维预浸料层一体成型为辐条本体。

2.根据权利要求1所述的一体成型碳纤维辐条，其特征在于：碳纤维预浸料层是碳纤维预浸料缠绕或包覆辐条内芯和金属牙帽和帽头并在模具内加温成型。

3.根据权利要求1所述的一体成型碳纤维辐条，其特征在于：辐条内芯为圆柱状，辐条内芯两端的接头部同牙帽和帽头安装孔紧配连接；辐条内芯的接头部与牙帽或帽头通过胶粘连接。

4.根据权利要求2所述的一体成型碳纤维辐条，其特征在于：牙帽和帽头被碳纤维预浸料包覆部分的外周设有防脱凸台以提高碳纤维预浸料包覆的结合力。

5.根据权利要求1所述的一体成型碳纤维辐条，其特征在于：牙帽端设有螺纹，该牙帽设有配合组配的螺帽以与轮圈连接固定，牙帽周侧设有直线卡槽。

6.一种一体成型碳纤维辐条制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、制备碳纤维芯体；

S2、制备辐条两端的第一金属件和第二金属件，两金属件中心轴向通孔，该通孔与碳纤维芯体适配；

S3、将碳纤维芯体从第一金属件和第二金属件的通孔穿过，使第一金属件和第二金属件置于碳纤维芯体的两端；

S4、用碳纤维预浸料缠绕包覆碳纤维芯体和两端的金属件形成半成品；

S5、将缠绕好的半成品放到成型模具里加温成型；

S6、成型后开模取出，然后在第二金属件上加工螺牙，完成后即为最终可用的产品。

7.根据权利要求6所述的一种一体成型碳纤维辐条制备方法，其特征在于：步骤S1中，碳纤维芯体内的纤维是零度连续不间断；

步骤S1中，碳纤维芯体采用模具成型或拉挤成型为圆柱体，碳纤维芯体的直径小于1.8mm。

8.根据权利要求6所述的一种一体成型碳纤维辐条制备方法，其特征在于：步骤S2中，第一金属件和第二金属件的相对端的外周均带有锥度，两金属件中间通孔的孔径小于1.8mm，第二金属件侧面加工直线卡槽；

步骤S2中，第一金属件和第二金属件周侧均加工成防脱凸台设计以提高碳纤维预浸料包覆金属件的结合力。

9.根据权利要求6所述的一种一体成型碳纤维辐条制备方法，其特征在于：步骤S3前，两金属件及碳棒需做粗化处理，碳纤维芯体表面涂覆高强度的耐高温接合胶，与两金属件连接备用；

步骤S4中，采用交叉角度的碳纤维预浸料进行缠绕包覆，从第一金属件或第二金属件带斜度的位置开始渐层缠绕，直到设计需要的厚度。

10.根据权利要求6或7或8或9所述的一种一体成型碳纤维辐条制备方法，其特征在于：步骤S5中，加温成型时，温度控制在150－180摄氏度，时间为50－70分钟；

步骤S5中，辐条造型是圆形或扁平形或椭圆形或大体菱形截面形状；

步骤S6中，辐条上第二金属件的螺牙端配合组配螺帽。

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