CN112874232B - 轻质碳纤维复合材料轮毂 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轻质碳纤维复合材料轮毂，它解决了碳纤维轮毂生产成本较高等问题，其包括轮辋和车轴安装座，轮辋和车轴安装座之间通过若干相对其中心轴线对称的轮辐连接，轮辐呈片状且靠近轮辋的一端的宽度大于靠近车轴安装座的一端，轮辐为单个和多个沿周向方向间隔排列设置，轮辋具有铝合金材质的内层以及包覆在内层外侧且由碳纤维复合材料制成的外层。本发明具有生产成本低、结构强度高等优点。

Description

轻质碳纤维复合材料轮毂

技术领域

本发明属于轮毂技术领域，具体涉及一种轻质碳纤维复合材料轮毂。

背景技术

轮毂是轮胎内廓轮钢通过立柱连接的轮芯旋转部分，即支撑轮胎的中心装在轴上的金属部件。又叫轮圈、钢圈、轱辘、胎铃。轿车的轮毂轴承过去最多的是成对使用单列圆锥滚子或球轴承。随着技术的发展，轿车已经广泛的使用轿车轮毂单元。轮毂轴承单元的使用范围和使用量日益增长，已经发展到了第三代：第一代是由双列角接触轴承组成。第二代在外滚道上有一个用于将轴承固定的法兰，可简单的将轴承套到轮轴上用螺母固定。使得汽车的维修变的容易。第三代轮毂轴承单元是采用了轴承单元和防抱刹系统相配合。轮毂单元设计成有内法兰和外法兰，内法兰用螺栓固定在驱动轴上，外法兰将整个轴承安装在一起。现阶段市面上大部分为低压铸造的铝合金轮毂或铁毂，低端轮毂的市场已经越来越饱和，且成本控制越发严格，这种市场已无未来。为此，碳纤维轮毂逐步进入人们的视野。但目前碳纤维轮毂主要运用与轿车领域，摩托车等非主流车辆对于碳纤维轮毂关注不足。在实际的运用中，碳纤维轮毂由于其材料成本较高、加工难度较大，制约了它在轮毂中的运用。

为了解决现有技术存在的不足，人们进行了长期的探索，提出了各式各样的解决方案。例如，中国专利文献公开了一种纤维增强热塑性树脂基复合材料汽车轮毂的制备方法[201510157931.7]，其包括轮辐和轮圈，轮圈采用拉挤成型热塑性复合材料预浸料，轮辐采用热压成型坯料，首先制得拉挤成型热塑性复合材料预浸料；热压成型坯料采用拉挤成型热塑性复合材料预浸料，先预先裁剪成轮辐结构，然后将轮辐结构热压成型坯料放置在具有轮毂外形结构的内、外模具之间，热压成轮辐热压坯料，然后将拉挤成型热塑性复合材料预浸料卷绕在轮辐热压坯料和具有轮毂外形结构的内模具上，将外模具和内模具闭合，经加热、冷却、开模、修边，即得汽车轮毂。

上述方案在一定程度上解决了常规轮毂材质较重的问题，但是该方案依然存在着诸多不足，例如碳纤维轮毂生产成本较高等问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种设计合理，生产成本低的轻质碳纤维复合材料轮毂。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：本轻质碳纤维复合材料轮毂，包括轮辋和车轴安装座，轮辋和车轴安装座之间通过若干相对其中心轴线对称的轮辐连接，轮辐呈片状且靠近轮辋的一端的宽度大于靠近车轴安装座的一端，轮辐为单个和多个沿周向方向间隔排列设置，轮辋具有铝合金材质的内层以及包覆在内层外侧且由碳纤维复合材料制成的外层。片状的轮辐为单个和双个交替排列在轮辋和车轴安装座之间，起到支撑作用，同时筒状的轮辋和片状的轮辐方便碳纤维复合材料进行热压，铝合金与碳纤维复合材料组合，降低了生产难度，从而降低了生产成本。

在上述的轻质碳纤维复合材料轮毂中，轮辋内侧与轮辐的交接处设置有碳纤维复合材料制成的第一加强圈，车轴安装座外侧与轮辐的交接处设置有碳纤维复合材料制成的第二加强圈，第一加强圈和第二加强圈上分别开有供碳纤维复合材料制成的轮辐穿过的限位槽，第二加强圈外部两侧分别开有相对其中心轴线对称的卡接槽。第一加强圈和第二加强圈固定轮辐的相对位置，提高了轮辐与轮辋和车轴安装座连接处的局部结构强度，克服了单一碳纤维复合材料的轮辐抗扭性能不足的缺点，使其可承受较大的转矩。

在上述的轻质碳纤维复合材料轮毂中，第一加强圈和第二加强圈由碳纤维粉通过注塑与轮辋或车轴安装座连为一体，轮辋的外层和轮辐由长纤维或连续纤维增强复合材料通过模压连为一体，轮辋的外层和轮辐外侧覆有聚酰胺树脂层。第一加强圈和第二加强圈采用碳纤维粉固定连接，其加工难度较低，方便快速装配生产，长纤维或连续纤维增强复合材料具有较高的拉伸强度，保证轮辐对轮辋和车轴安装座的支撑稳定性。

在上述的轻质碳纤维复合材料轮毂中，轮辋的内层包括与第一加强圈相对的槽底，槽底两侧通过倾斜的斜板连接有与槽底平行的横板，槽底、斜板和横板交接处由圆角过渡，轮辋的外层两端分别设有朝外翻折的外沿边，轮辋的外层内侧设有周向环绕的加强条，轮辋上开有贯通的充气孔。铝合金材质的内层作为骨架，相较于全碳纤维轮辋成本较低，同时保留了碳纤维复合材料的外层的结构强度，使其具有较好的抗冲击能力。

在上述的轻质碳纤维复合材料轮毂中，轮辐包括若干叠加设置的碳纤维片，碳纤维片压紧贴合在轮辋内侧的固定片两侧，碳纤维片朝向轮辋两端延伸且与轮辋内侧贴合，碳纤维片呈长条状且每一个碳纤维片的内侧和外侧分别贴合有另一碳纤维片，碳纤维片之间设置有相互重合的加强部，加强部之间夹有玻璃纤维制成的加强层。选用碳纤维片组成的轮辐适用于大批量生产，可与轮辋和车轴安装座直接热压成型也可单独生产组合装配。

在上述的轻质碳纤维复合材料轮毂中，碳纤维片包括沿径向方向延伸的第一纤维基条以及与第一纤维基条互相垂直的第二纤维基条，第一纤维基条和两侧分别编织有相对第一纤维基条倾斜且与第一纤维基条和第二纤维基条呈三角结构的第三纤维基条。第一纤维基条保证轮辐的径向拉伸强度，两侧的第二纤维基条限制轮辐相对轮毂的轴向位置，第三纤维基条起到约束作用。

在上述的轻质碳纤维复合材料轮毂中，轮辐为铝合金材质且与轮辋的内层以及车轴安装座连为一体，轮辐相对车轴安装座中心对称设置，轮辐上分布有蜂窝状的通孔。轮辐与车轴安装座和轮辋全部采用铝合金材质且铸造成型，轮辋外侧依然采用碳纤维复合材料，进一步降低加工难度和生产成本，适用于低端车用轮毂。

在上述的轻质碳纤维复合材料轮毂中，车轴安装座包括安装座体，安装座体外侧设置有两侧与轮辐相对的安装台，安装台两侧分别设置有与安装台贴合压紧的安装圈，安装台与安装圈之间开有若干一一对应且朝外的半槽，安装台与安装圈内侧分别设置有互相压紧的限位台阶，安装台与安装圈上开有若干互相对应且相对其中心对称的螺纹孔且通过螺栓互相连接。车轴安装座可分离拆卸，方便将轮辐插接固定在轮辋和车轴安装座之间。

在上述的轻质碳纤维复合材料轮毂中，车轴安装座中心开有轴孔，车轴安装座两侧分别设置有限位圈，限位圈与轴孔之间开有若干相对限位圈中心对称的限位孔。轴孔以及限位孔用于轮毂与车轴的连接固定。

在上述的轻质碳纤维复合材料轮毂中，轮辋、车轴安装座和轮辐为对称式结构。本轮毂采用对称结构，主要用于摩托轮胎装配，弥补市面上碳纤维复合材料的摩托轮毂的空缺。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：片状的轮辐与轮辋和车轴安装座组合，轮辋采用铝合金和碳纤维复合材料组合，克服了单一碳纤维轮毂生产难度较大，生产成本较高的缺点；采用碳纤维材质的第一加强圈和第二加强圈，提高了轮辐与轮辋和车轴安装座连接处的局部结构强度，保证轮毂具有较好的抗扭能力；轮辐由碳纤维片叠加而成，之间重叠的加强部以及加强层进一步提高轮辐的使用寿命和结构强度。

附图说明

图1是本发明的实施例一的结构示意图。

图2是本发明的实施例一的局部结构剖视图。

图3是本发明的实施例一的轮辐的局部剖视图。

图4是本发明的实施例一中车轴安装座的局部结构示意图。

图5是本发明的实施例一的碳纤维片的局部放大图。

图6是本发明的实施例二的结构示意图。

图7是本发明的实施例二的局部结构剖视图。

图中，轮辋1、外沿边11、加强条12、充气孔13、固定片14、车轴安装座2、安装座体21、安装台22、安装圈23、半槽24、限位台阶25、螺纹孔26、轴孔27、限位圈28、限位孔29、轮辐3、通孔31、内层4、槽底41、斜板42、横板43、外层5、聚酰胺树脂层51、第一加强圈6、限位槽61、第二加强圈7、卡接槽71、碳纤维片8、加强部81、加强层82、第一纤维基条83、第二纤维基条84、第三纤维基条85。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1-5所示，本轻质碳纤维复合材料轮毂，包括轮辋1和车轴安装座2，轮辋1和车轴安装座2之间通过若干相对其中心轴线对称的轮辐3连接，轮辐3呈片状且靠近轮辋1的一端的宽度大于靠近车轴安装座2的一端，轮辐3为单个和多个沿周向方向间隔排列设置，轮辋1具有铝合金材质的内层4以及包覆在内层4外侧且由碳纤维复合材料制成的外层5。采用多个轮辐3与单个轮辐3沿周向交替排列，用于承受轮毂径向载荷，在轮毂转动过程中，多个并排的轮辐3保证轮辋1与车轴安装座2轴向相对位置固定，轮辋1采用碳纤维复合材料制成，降低重量的同时保证其抗拉强度，铝合金材质的内层4作为轮辋1的内骨架，外侧覆盖碳纤维复合材料制成的外层5且延伸至轮辐3与轮辋1连接处。

具体地，轮辋1内侧与轮辐3的交接处设置有碳纤维复合材料制成的第一加强圈6，车轴安装座2外侧与轮辐3的交接处设置有碳纤维复合材料制成的第二加强圈7，第一加强圈6和第二加强圈7上分别开有供碳纤维复合材料制成的轮辐3穿过的限位槽61，第二加强圈7外部两侧分别开有相对其中心轴线对称的卡接槽71。第一加强圈6将轮辐3外端连接，第二加强圈7将轮辐3内端连接，限位槽61不影响轮辐3与轮辋1和车轴安装座2的连接，卡接槽71方便轮毂覆盖保护壳或与车轴配合连接。

深入地，第一加强圈6和第二加强圈7由碳纤维粉通过注塑与轮辋1或车轴安装座2连为一体，轮辋1的外层5和轮辐3由长纤维或连续纤维增强复合材料通过模压连为一体，轮辋1的外层5和轮辐3外侧覆有聚酰胺树脂层51。第一加强圈6和第二加强圈7呈环状，采用注塑降低了加工难度，轮辋1和轮辐3外侧的聚酰胺树脂层51对内部碳纤维起到保护作用，其性质较为稳定。

进一步地，轮辋1的内层4包括与第一加强圈6相对的槽底41，槽底41两侧通过倾斜的斜板42连接有与槽底41平行的横板43，槽底41、斜板42和横板43交接处由圆角过渡，轮辋1的外层5两端分别设有朝外翻折的外沿边11，轮辋1的外层5内侧设有周向环绕的加强条12，轮辋1上开有贯通的充气孔13。外沿边11和槽底41用于轮胎安装固定，轮辋1呈阶梯状以提高其承载能力。

更进一步地，轮辐3包括若干叠加设置的碳纤维片8，碳纤维片8压紧贴合在轮辋1内侧的固定片14两侧，碳纤维片8朝向轮辋1两端延伸且与轮辋1内侧贴合，碳纤维片8呈长条状且每一个碳纤维片8的内侧和外侧分别贴合有另一碳纤维片8，碳纤维片8之间设置有相互重合的加强部81，加强部81之间夹有玻璃纤维制成的加强层82。碳纤维片8环绕在轮辐3周围，固定片14方便轮辋1与车轴安装座2的周向定位，玻璃纤维制成的加强层82具有较好的隔热性，避免碳纤维片8交接处热量集中而导致长时间使用后分离，加强部81提高碳纤维片8的局部厚度，使得轮辐3沿径向具有若干筋状的加强结构。

除此之外，碳纤维片8包括沿径向方向延伸的第一纤维基条83以及与第一纤维基条83互相垂直的第二纤维基条84，第一纤维基条83和两侧分别编织有相对第一纤维基条83倾斜且与第一纤维基条83和第二纤维基条84呈三角结构的第三纤维基条85。第一纤维基条83和第二纤维基条84和第三纤维基条85编织成碳纤维片8不同纤维基条交接处呈三角状，使得碳纤维片8的抗拉强度均匀分散，降低碳纤维的各向异性。

可见地，车轴安装座2包括安装座体21，安装座体21外侧设置有两侧与轮辐3相对的安装台22，安装台22两侧分别设置有与安装台22贴合压紧的安装圈23，安装台22与安装圈23之间开有若干一一对应且朝外的半槽24，安装台22与安装圈23内侧分别设置有互相压紧的限位台阶25，安装台22与安装圈23上开有若干互相对应且相对其中心对称的螺纹孔26且通过螺栓互相连接。安装轮辐3时，将轮辐3端头压入安装台22的半槽24内，之后将安装圈23与安装台22贴合压紧，完成轮辐3的装配，当轮辐3损坏时，可快速拆卸更换，延长了轮毂的使用寿命。

很明显，车轴安装座2中心开有轴孔27，车轴安装座2两侧分别设置有限位圈28，限位圈28与轴孔27之间开有若干相对限位圈28中心对称的限位孔29。轴孔27供车轴穿过，限位孔29与车轴通过连接件固定其周向位置，限位圈28外侧可作为第二加强圈7以及轮辐3的安装基座。

优选地，轮辋1、车轴安装座2和轮辐3为对称式结构。本轮毂主要运用于摩托车等非主流车辆，采用对称式结构与摩托车轴相适配。

实施例二

如图6-7所示，本实施例的结构、原理及实施步骤和实施例一类似，不同的地方在于，本实施例中的轮辐3为铝合金材质且与轮辋1的内层4以及车轴安装座2连为一体，轮辐3相对车轴安装座2中心对称设置，轮辐3上分布有蜂窝状的通孔31。采用铝合金的轮辐3、车轴安装座2以及轮辋1的内层4作为基本骨架，轮辋1的外层5依然采用碳纤维复合材料，其生产成本进一步降低，并采用蜂巢结构，大幅降低轮辋1的重量，满足轮毂轻量化需求。

综上所述，本实施例的原理在于：片状的轮辐3方便碳纤维复合材料加工成型，与轮辋1和车轴安装座2进行组合装配，保证轮毂结构强度的同时，相较于全碳纤维轮毂，生产成本和加工难度下降。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了轮辋1、外沿边11、加强条12、充气孔13、固定片14、车轴安装座2、安装座体21、安装台22、安装圈23、半槽24、限位台阶25、螺纹孔26、轴孔27、限位圈28、限位孔29、轮辐3、通孔31、内层4、槽底41、斜板42、横板43、外层5、聚酰胺树脂层51、第一加强圈6、限位槽61、第二加强圈7、卡接槽71、碳纤维片8、加强部81、加强层82、第一纤维基条83、第二纤维基条84、第三纤维基条85等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (8)

1.一种轻质碳纤维复合材料轮毂，包括轮辋（1）和车轴安装座（2），其特征在于，所述的轮辋（1）和车轴安装座（2）之间通过若干相对其中心轴线对称的轮辐（3）连接，所述的轮辐（3）呈片状且靠近轮辋（1）的一端的宽度大于靠近车轴安装座（2）的一端，所述的轮辐（3）为单个和多个沿周向方向间隔排列设置，所述的轮辋（1）具有铝合金材质的内层（4）以及包覆在内层（4）外侧且由碳纤维复合材料制成的外层（5）；所述的轮辐（3）包括若干叠加设置的碳纤维片（8），所述的碳纤维片（8）压紧贴合在轮辋（1）内侧的固定片（14）两侧，所述的碳纤维片（8）朝向轮辋（1）两端延伸且与轮辋（1）内侧贴合，所述的碳纤维片（8）呈长条状且每一个碳纤维片（8）的内侧和外侧分别贴合有另一碳纤维片（8），所述的碳纤维片（8）之间设置有相互重合的加强部（81），所述的加强部（81）之间夹有玻璃纤维制成的加强层（82）；所述的碳纤维片（8）包括沿径向方向延伸的第一纤维基条（83）以及与第一纤维基条（83）互相垂直的第二纤维基条（84），所述的第一纤维基条（83）和两侧分别编织有相对第一纤维基条（83）倾斜且与第一纤维基条（83）和第二纤维基条（84）呈三角结构的第三纤维基条（85）。

2.根据权利要求1所述的轻质碳纤维复合材料轮毂，其特征在于，所述的轮辋（1）内侧与轮辐（3）的交接处设置有碳纤维复合材料制成的第一加强圈（6），所述的车轴安装座（2）外侧与轮辐（3）的交接处设置有碳纤维复合材料制成的第二加强圈（7），所述的第一加强圈（6）和第二加强圈（7）上分别开有供碳纤维复合材料制成的轮辐（3）穿过的限位槽（61），所述的第二加强圈（7）外部两侧分别开有相对其中心轴线对称的卡接槽（71）。

3.根据权利要求2所述的轻质碳纤维复合材料轮毂，其特征在于，所述的第一加强圈（6）和第二加强圈（7）由碳纤维粉通过注塑与轮辋（1）或车轴安装座（2）连为一体，所述的轮辋（1）的外层（5）和轮辐（3）由长纤维或连续纤维增强复合材料通过模压连为一体，所述的轮辋（1）的外层（5）和轮辐（3）外侧覆有聚酰胺树脂层（51）。

4.根据权利要求3所述的轻质碳纤维复合材料轮毂，其特征在于，所述的轮辋（1）的内层（4）包括与第一加强圈（6）相对的槽底（41），所述的槽底（41）两侧通过倾斜的斜板（42）连接有与槽底（41）平行的横板（43），所述的槽底（41）、斜板（42）和横板（43）交接处由圆角过渡，所述的轮辋（1）的外层（5）两端分别设有朝外翻折的外沿边（11），所述的轮辋（1）的外层（5）内侧设有周向环绕的加强条（12），所述的轮辋（1）上开有贯通的充气孔（13）。

5.根据权利要求1所述的轻质碳纤维复合材料轮毂，其特征在于，所述的轮辐（3）为铝合金材质且与轮辋（1）的内层（4）以及车轴安装座（2）连为一体，所述的轮辐（3）相对车轴安装座（2）中心对称设置，所述的轮辐（3）上分布有蜂窝状的通孔（31）。

6.根据权利要求1所述的轻质碳纤维复合材料轮毂，其特征在于，所述的车轴安装座（2）包括安装座体（21），所述的安装座体（21）外侧设置有两侧与轮辐（3）相对的安装台（22），所述的安装台（22）两侧分别设置有与安装台（22）贴合压紧的安装圈（23），所述的安装台（22）与安装圈（23）之间开有若干一一对应且朝外的半槽（24），所述的安装台（22）与安装圈（23）内侧分别设置有互相压紧的限位台阶（25），所述的安装台（22）与安装圈（23）上开有若干互相对应且相对其中心对称的螺纹孔（26）且通过螺栓互相连接。

7.根据权利要求6所述的轻质碳纤维复合材料轮毂，其特征在于，所述的车轴安装座（2）中心开有轴孔（27），所述的车轴安装座（2）两侧分别设置有限位圈（28），所述的限位圈（28）与轴孔（27）之间开有若干相对限位圈（28）中心对称的限位孔（29）。

8.根据权利要求1所述的轻质碳纤维复合材料轮毂，其特征在于，所述的轮辋（1）、车轴安装座（2）和轮辐（3）为对称式结构。

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