CN114435019A - 用于机动车辆的混合金属和复合聚合物车轮 - Google Patents

用于机动车辆的混合金属和复合聚合物车轮 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于机动车辆的混合金属和复合聚合物车轮。提出了用于车辆车轮组件的混合金属和纤维增强聚合物（FRP）复合车轮、用于制造/使用这种车轮的方法以及配备有这种车轮的机动车辆。用于机动车辆车轮组件的车轮包括车轮面，所述车轮面具有多个辐条，所述辐条围绕中央毂部周向间隔开并且从中央毂部径向向外突出。所述中央毂部可旋转地附接到所述车身，例如通过角模块。所述车轮面由FRP材料制造成例如一件式结构。限制所述车轮面的车轮筒包括环形轮辋，所述环形轮辋在其上安装可充气的轮胎。所述车轮筒是由金属材料制造成例如一件式结构的。多个包覆模制通孔和/或插入凸舌围绕所述环形轮辋周向间隔开。所述FRP材料延伸通过和/或包围所述包覆模制通孔/插入凸舌，从而将所述车轮面安装到所述车轮筒。

Description

用于机动车辆的混合金属和复合聚合物车轮
技术领域
本公开大体上涉及用于机动车辆的车轮组件。更具体地，本公开的方面涉及用于车辆车轮组件的混合金属-复合聚合物车轮结构。
背景技术
目前生产的机动车辆，诸如现代汽车，最初配备有动力系，该动力系操作以推进车辆并且为车辆的车载电子设备供电。在汽车应用中，动力系通常以发动机和/或马达为代表，该发动机和/或该马达通过自动或手动换挡变速器将驱动扭矩传递到车辆的最终驱动系统（例如差速器、轮轴、行轮等）。在车辆运行期间，转向系统允许驾驶员保持车辆的期望路线并且控制车辆的方向变化。转向系统包括通过中央毂部安装到转向柱组件的用手操作的方向盘。转向柱的伸缩轴连接方向盘与行轮转向机构，最常见的是齿条和小齿轮架构。当方向盘转动时，在转向轴的远端处的小齿轮同时旋转，从而影响被称为“齿条”的直线齿轮杆，以跨车辆横向移动。在齿条的每一端处的拉杆连接到车轮的主轴的转向臂；移动齿条和拉杆使主轴枢转，以转动车轮。
对于大多数汽车传动系统，车辆车轮组件是气动单元，该气动单元具有配合到金属车轮的外轮辋（或“筒（barrel）”）上的合成橡胶轮胎。为了确保一致的道路处理、转向和制动，每个车轮单元都通过由弹簧、减震器和联接件的协作组成的悬架系统例如经由辐条和中央毂部（统称为“车轮面”）连接到车辆底盘。例如，常规的后轮驱动汽车的前角模块采用带有主轴的转向节，毂部和制动转子可旋转地安装到其上。转向节的内部接触点例如通过控制臂、摆杆、支柱减震器和拉杆联接到车身，而外部端例如通过主轴和毂部联接到车轮毂部。车轮单元在转向节、主轴和拉杆上旋转和转向，同时被转向节、支柱和控制臂保持在稳定的运动平面上。
由于金属的耐久性、热稳定性和易于修正表面/维修，绝大多数车辆车轮——筒和面——由高强度钢或铝合金铸造或锻造成单件式构造。然而，金属车轮相对较重，并且使用相对昂贵的原材料，导致增加了总的车辆重量和成本。为了抵消零件成本和重量，一些高性能车辆车轮现在完全由纤维增强聚合物（FRP）复合材料模制。虽然这些FRP车轮结构明显更轻且转动质量减小，但是它们缺乏金属同类产品的抗冲击性、耐久性和可修性。为了确保金属和聚合物设计两者的优势，原始设备和售后制造商已经提出了具有混合金属-复合聚合物车轮结构的混合材料设计。大多数混合金属-复合聚合物车轮是具有全金属车轮面和复合聚合物筒的两部分构造。通常，车轮面和筒是使用金属紧固件来联结的，以将车轮辐条的径向外部端连接到轮辋的内部周边。
发明内容
在本文中提出了用于车辆车轮组件的混合金属-复合聚合物车轮、用于制造这种车轮的方法和用于使用这种车轮的方法以及具有利用这种车轮结构的角模块的机动车辆。通过说明的方式，提出了具有全金属筒的耐冲击混合金属-复合聚合物车轮，该全金属筒限定和安装到碳纤维增强聚合物（CFRP）面。可选的车轮设计采用辐条，该辐条具有空腔或用金属插入件增强的中空加固部段。筒和面可以使用粘合剂（例如高级环氧树脂、硅树脂和氰基丙烯酸酯塑料与金属粘合剂系统）和机械紧固件（例如沉头自对准钛凸耳）联结。使用合适的粘合剂——单独使用或与紧固件结合使用——有助于阻止复合聚合物面和金属筒结构之间的接口处的电位腐蚀。替代地，车轮面可以包覆模制到筒上，例如作为组合旋转挤压（flow-form）和高压树脂传递模塑（RTM）工艺的部分。在这方面，专用的通孔或插入凸舌可以在筒中机加工或焊接到筒；在包覆模制期间，聚合物流动通过和包围孔/凸舌，以增强所产生的机械接头。
所公开的概念中的至少一些的附带益处包括混合车轮结构，该混合车轮结构在车轮的刚性主导的部段中提供连续的CFRP毂部和辐条面的重量与强度益处以及在车轮的易受冲击筒部段中提供金属轮辋的延展性、耐久性和热稳定性。这种构造提供了质量减少，而不牺牲筒凸缘冲击性能。附加益处被提供在车轮面的碳纤维复合材料美学外观。混合材料车轮配置在对车轮单元的外部A侧外观进行造型时提供增加的自由，同时保持足够的径向和横向车轮刚性，以防止在外部加载期间不必要的变形。
在本文中提出了用于车辆车轮组件的混合金属-复合聚合物车轮。在示例中，提出了一种用于机动车辆的车轮组件的车轮。除了其它之外，车轮组件包括可充气的聚合物轮胎，并且除了其它之外，机动车辆包括车身。车轮包括以多个细长辐条为典型特征的车轮面，该细长辐条围绕圆盘形中央毂部周向间隔开并且从圆盘形中央毂部径向向外突出。中央毂部可旋转地附接到车身，例如通过前角模块或后角模块。车轮面全部或部分由纤维增强聚合物（FRP）材料（诸如CFRP）制造。车轮还包括车轮筒，该车轮筒与车轮面同轴并且限制车轮面。车轮筒以环形轮辋为典型特征，在该环形轮辋上安装有轮胎。车轮筒全部或部分由金属材料（诸如钢或铝合金）制造。一系列包覆模制通孔和/或插入凸舌围绕环形轮辋周向间隔开。为了将车轮面刚性地安装到车轮筒，辐条的FRP材料延伸通过和/或包围专用的包覆模制通孔/插入凸舌。
本公开的附加方面涉及配备有混合金属-复合聚合物车轮的机动车辆。如本文中所使用的，术语“车辆”和“机动车辆”可以被互换地和同义地用来包括任何相关的车辆平台，诸如客运车辆（ICE、HEV、FEV、燃料电池、完全和部分自主的等）、商用车辆、工业车辆、履带式车辆、越野和全地形车辆（ATV）、摩托车、农场设备、船舶拖车、飞机等。在示例中，机动车辆包括具有多个行轮的车辆底盘和其它标准原始设备。安装在车辆底盘上的是电力牵引马达和/或内燃发动机，它们独立或共同操作，以选择性地驱动行轮中的一个或多个，从而推进车辆。
继续讨论上述示例，车辆还包括车轮组件，该车轮组件位于车身的车轮窝内。车轮组件包括可充气的轮胎、车轮面和车轮筒。车轮面具有圆盘形中央毂部，该圆盘形中央毂部与多个细长辐条整体形成。这些辐条围绕中央毂部周向间隔开并且从中央毂部径向向外突出。中央毂部可旋转地附接到车身，例如通过主轴和转向节。车轮面全部或部分由FRP材料制造。与车轮面同轴并且限制车轮面的车轮筒具有环形轮辋，在该环形轮辋上安装有轮胎。车轮筒全部或部分由金属材料制造。一系列专用的包覆模制通孔和/或插入凸舌围绕环形轮辋周向间隔开。辐条的FRP材料延伸通过和/或包围包覆模制通孔/插入凸舌，从而将车轮面安装到车轮筒。
在本文中也提出了用于使用所公开的车辆车轮、车轮组件和机动车辆中的任何一种的方法和构造其的方法。在示例中，提出了一种用于制造用于机动车辆的车轮组件的车轮的方法。这种代表性方法以任何顺序和以与上面和下面所描述的选项和特征中的任一者的任何组合包括：用金属材料形成车轮筒，车轮筒包括环形轮辋，该环形轮辋配置为在其上安装可充气的轮胎；将围绕环形轮辋周向间隔开的一系列包覆模制通孔和/或一系列包覆模制插入凸舌添加到车轮筒；以及将由纤维增强聚合物材料制成的车轮面包覆模制到车轮筒上，使得FRP材料延伸通过/包围包覆模制通孔和/或插入凸舌，并且从而将车轮面安装到车轮筒，车轮面包括围绕中央毂部周向间隔开并且从中央毂部径向突出的多个辐条，中央毂部配置为可旋转地附接到车身。
本发明还提供了以下方案：
方案1. 一种用于机动车辆的车轮组件的车轮，所述车轮组件包括轮胎，并且所述机动车辆包括车身，所述车轮包括：
车轮面，所述车轮面具有多个辐条，所述辐条围绕中央毂部周向间隔开并且从所述中央毂部径向突出，所述中央毂部配置为可旋转地附接到所述车身，并且所述车轮面是由纤维增强聚合物（FRP）材料制造的；以及
车轮筒，所述车轮筒限制所述车轮面并且包括环形轮辋，所述环形轮辋配置为在其上安装所述轮胎，所述车轮筒是用金属材料制造的并且包括围绕所述环形轮辋周向间隔开的一系列包覆模制通孔和/或插入凸舌，其中，所述FRP材料延伸通过和/或包围所述包覆模制通孔和/或插入凸舌并且从而将所述车轮面安装到所述车轮筒。
方案2. 根据方案1所述的车轮，其中，所述车轮面进一步包括限制所述中央毂部的环形辐条轮辋，所述辐条在所述辐条轮辋和所述中央毂部之间延伸并且将所述辐条轮辋和所述中央毂部连接。
方案3. 根据方案2所述的车轮，其中，所述辐条轮辋与所述车轮筒同轴，并且坐落成大体上紧靠所述环形轮辋的径向内表面齐平。
方案4. 根据方案1所述的车轮，其中，所述车轮筒包括一系列包覆模制通孔，所述包覆模制通孔中的每一个延伸通过所述环形轮辋并且通过其接收所述车轮面的所述辐条中的相应的一个的所述FRP材料。
方案5. 根据方案4所述的车轮，其中，所述环形轮辋包括具有轮辋凸缘的轮辋鞍边，所述轮辋凸缘从其相对的边缘径向向外突出，并且其中，所述相应的辐条的所述FRP材料形成紧靠所述环形轮辋的所述轮辋鞍边坐落的整体垫板。
方案6. 根据方案4所述的车轮，其中，所述环形轮辋包括具有轮辋凸缘的轮辋鞍边，所述轮辋凸缘从其相对的边缘径向向外突出，并且其中，所述相应的辐条的所述FRP材料形成邻接所述环形轮辋的所述轮辋鞍边的整体铆钉。
方案7. 根据方案4所述的车轮，其中，所述环形轮辋包括具有轮辋凸缘的轮辋鞍边，所述轮辋凸缘从其相对的边缘突出，并且其中，包含在所述车轮面的所述FRP材料内的至少约10%至约25%的纤维被定位在所述轮辋鞍边内部。
方案8. 根据方案1所述的车轮，其中，所述车轮筒包括一系列包覆模制插入凸舌，所述包覆模制插入凸舌中的每一个从所述环形轮辋径向向内突出，并且嵌入所述车轮面的所述辐条中的相应的一个的所述FRP材料内。
方案9. 根据方案8所述的车轮，其中，所述包覆模制插入凸舌中的每一个包括具有凸舌通孔的细长主体，所述凸舌通孔通过其接收所述车轮面的所述辐条中的相应的一个的所述FRP材料。
方案10. 根据方案8所述的车轮，其中，所述包覆模制插入凸舌的所述细长主体的近侧端部被焊接到所述环形轮辋的径向内表面。
方案11. 根据方案1所述的车轮，其中，所述金属材料包括铝、钢、镁、钛、其合金和/或其组合，并且其中，所述FRP材料包括嵌入热固性或热塑性聚合物基体内的玻璃、碳、芳纶、硼、金属和/或玄武岩纤维。
方案12. 根据方案1所述的车轮，其中，包括所述辐条和所述中央毂部的所述车轮面完全由所述FRP材料制造成单件式车轮面结构。
方案13. 根据方案12所述的车轮，其中，包括所述环形轮辋的所述车轮筒完全由所述金属材料制造成单件式车轮筒结构。
方案14. 根据方案1所述的车轮，进一步包括围绕所述环形轮辋周向间隔开并且将所述车轮面的所述辐条安装到所述车轮筒的多个机械紧固件。
方案15. 一种机动车辆，包括：
具有车轮窝的车身；以及
至少部分地位于所述车轮窝内的车轮组件，所述车轮组件包括：
可充气的轮胎；
车轮面，所述车轮面具有中央毂部和多个辐条，所述辐条围绕所述中央毂部周向间隔开并且从所述中央毂部径向突出，所述中央毂部可旋转地附接到所述车身，并且所述车轮面是由纤维增强聚合物（FRP）材料制造的；以及
车轮筒，所述车轮筒限制所述车轮面并且与所述车轮面同轴并且包括环形轮辋，所述环形轮辋在其上安装所述轮胎，所述车轮筒是由金属材料制造的并且包括围绕所述环形轮辋周向间隔开的一系列包覆模制通孔和/或插入凸舌，其中，所述FRP材料延伸通过和/或包围所述包覆模制通孔和/或插入凸舌并且从而将所述车轮面安装到所述车轮筒。
方案16. 一种制造用于机动车辆的车轮组件的车轮的方法，所述车轮组件包括轮胎，并且所述机动车辆包括车身，所述方法包括：
由金属材料形成车轮筒，所述车轮筒包括环形轮辋，所述环形轮辋被配置成在其上安装所述轮胎；
将围绕所述环形轮辋周向间隔开的一系列包覆模制通孔和/或一系列包覆模制插入凸舌添加到所述车轮筒；以及
将由纤维增强聚合物（FRP）材料制成的车轮面包覆模制到所述车轮筒上，使得所述FRP材料延伸通过和/或包围所述包覆模制通孔和/或插入凸舌，并且从而将所述车轮面安装到所述车轮筒，所述车轮面包括围绕中央毂部周向间隔开并且从中央毂部径向突出的多个辐条，所述中央毂部配置为可旋转地附接到所述车身。
方案17. 根据方案16所述的方法，其中，所述车轮面是用限制所述中央毂部的环形辐条轮辋形成的，所述辐条在所述辐条轮辋和所述中央毂部之间延伸并且将所述辐条轮辋和所述中央毂部连接。
方案18. 根据方案16所述的方法，其中，所述车轮筒包括一系列包覆模制通孔，所述包覆模制通孔中的每一个延伸通过所述环形轮辋并且通过其接收所述车轮面的所述辐条中的相应的一个的所述FRP材料。
方案19. 根据方案16所述的方法，其中，所述车轮筒包括一系列包覆模制插入凸舌，所述包覆模制插入凸舌中的每一个从所述环形轮辋径向向内突出，并且嵌入所述车轮面的所述辐条中的相应的一个的所述FRP材料内。
方案20. 根据方案16所述的方法，其中，包括所述辐条和所述中央毂部的所述车轮面通过高压树脂传递模塑（RTM）工艺完全由所述FRP材料形成为单件式车轮面结构，并且其中，包括所述环形轮辋的所述车轮筒通过锻造和旋转挤压工艺完全由所述金属材料形成为单件式车轮筒结构。
上述发明内容并不代表本公开的每个实施例或每个方面。更确切地说，当结合附图和所附权利要求获得时，本公开的上述特征和优点以及其它特征和附带优点由下面对用于执行本公开的说明性示例和模式的详细描述将变得明显。此外，本公开明确包括上面和下面提出的要素和特征的任何和所有组合和子组合。
附图说明
图1是根据本公开的方面的代表性机动车辆的前立体图图示，该机动车辆具有包括混合金属-复合聚合物车轮的代表性车轮组件。
图2是根据本公开的方面的具有专用的包覆模制插入凸舌的代表性包覆模制混合金属-复合聚合物车轮的部分的放大立体图图示。
图3是根据本公开的方面的具有专用的包覆模制通孔的另一种代表性包覆模制混合金属-复合聚合物车轮的部分的放大立体图图示。
图4是根据本公开的方面的又一种代表性包覆模制混合金属-复合聚合物车轮的部分的放大立体图图示，该包覆模制混合金属-复合聚合物车轮具有专用的包覆模制通孔和辐条增强FRP垫板。
图5是根据所公开的概念的方面的图示了用于制造混合金属-复合聚合物车辆车轮的示例工作流动通过程的流程图，该混合金属-复合聚合物车辆车轮中的一些或全部可以与由常驻或远程系统控制器、控制逻辑电路、可编程电子控制单元或其它集成电路装置或装置的网络执行的存储器存储的指令对应。
本公开以各种修改和替代形式实施，并且一些代表性实施例以示例的方式在附图中示出并且将在下面进行详细描述。然而，应当理解，本公开的新颖方面并不限于上面列举的图中所示的特定形式。更确切地说，本公开将涵盖例如由所附权利要求包含的落入本公开的范围内的所有修改、等效物、组合、子组合、排列、分组和替代方案。
具体实施方式
本公开可接受许多不同形式的实施例。本公开的代表性示例在附图中示出，并且在本文中进行详细描述，并且要理解这些实施例是作为所公开的原理的例证，而不是作为本公开的广泛方面的限制而提供的。为此，例如，在摘要、引言、发明内容和具体实施方式中描述，但没有在权利要求中明确陈述的元件和限制不应通过暗示、推论或其它方式被单独地或共同地并入权利要求中。
出于此具体实施方式的目的，除非特别声明，否则：单数形式包括复数形式，反之亦然；词语“和”与“或”应该既是连接词也是反意连接词；词语“任何”和“全部”两者应该都指“任何和全部”；并且词语“包括”、“包含”、“组成”、“具有”等均指“包括但不限于”。此外，近似的词语，诸如“大约”、“几乎”、“大体上”、“一般地”、“近似地”等在本文中可以均在例如“处于、接近或几乎处于”或“在0%到5%的范围内”或“在可接受的制造公差范围内”或它们的任何逻辑组合的意义上使用。最后，方向性形容词和副词，诸如前部、后部、内侧、外侧、右舷、左舷、竖直、水平、向上、向下、前、后、左、右等，可以相对于机动车辆，诸如，当车辆被可操作地定向在水平驾驶表面上时，相对于机动车辆的向前驾驶方向。
现在参照附图，其中，相似的附图标记贯穿几个视图都指相似的特征，在图1中示出了代表性汽车的立体图图示，该汽车通常被指定为10，并且在这里为了讨论的目的而被描绘成三厢轿车式客运车辆。安装在汽车10的前面部分（例如前保险杠仪表板14的后部和乘客舱16的前面）处的是前角模块12，该前角模块12全部或部分位于车轮窝内，该车轮窝部分地由车辆的主体20的前挡泥板18限定。所示的汽车10（在本文中也被简称为“机动车辆”或“车辆”）仅仅是示例性应用，利用该应用，可以实践本公开的新颖方面。同样地，汽车的前角模块的本概念的实施方式应被理解为本文中所公开的新颖概念的示例性应用。因此，将理解，本公开的许多方面和特征可以应用于其它车轮组件，并且可以并入任何逻辑上相关的类型的机动车辆中。最后，本文中所讨论的附图不一定按比例绘制，并且纯粹是为了指导的目的而提供的。因此，附图中所示的具体尺寸和相对尺寸不应被解释为限制的。
参照图1的放大视图和嵌入视图两者，前角模块12包括前悬架、转向和制动系统部件，以用于在挡泥板18的车轮窝内将车轮组件22连接到车身20。这些前悬架、转向和制动系统可以采用任何商业上可用的或今后开发的架构，包括：电磁、液压和摩擦（鼓式或盘式）制动系统配置；机械、动力辅助和线控车辆转向系统配置；以及独立或依赖、主动或被动、板簧、扭转梁或螺旋弹簧、叉骨、拖臂或多连杆悬架系统配置等。图1的悬架、转向和制动系统通常由前盘式制动器组件的制动转子24和独立的“叉骨”前悬架的轮轴毂和轴承组件26表示。防尘罩（或“防溅罩”）28插置在转向和悬架系统的制动转子24和转向节、主轴、支柱等（不可见）之间，以保护这些部件免受道路碎屑、冰、水等的影响。
图1的车轮组件22通常由复合合成橡胶轮胎30组成，该轮胎限制通常指定为32的混合金属-复合聚合物车轮。不管轮胎类型如何，无论它是四季的、全地形的、越野的、低型的、雪地的、泥地的等，轮胎30都可以采用多层圆环形式，该形式具有外部胎面，其增加牵引力，并且因此提高车辆操纵性。例如，典型的充气子午线轮胎包括覆盖金属带、胎冠和子午线帘布层的橡胶胎面以及具有密封到车轮32的外周边的不可展胎圈的主胎体。轮胎30可以设置有常规的施拉德型（Schrader）型止回阀，以用于调节轮胎压力。通常情况下，轮胎30可以直接安装到车轮32结构上，并且在不需要单独的内胎的情况下保持空气。
为了管理外部加载条件（诸如浅偏置前负载）以及在这种加载期间伴随控制前角组件12的偏转，车轮32被构造为混合车轮，该混合车轮由附接到纤维增强聚合物（FRP）复合车轮面36的金属筒34组成。这种配置在车轮的刚性主导的区域中提供FRP的刚度和高强度与重量比，并且在车轮的易受冲击的区域中提供金属的耐久性和鲁棒性。在非限制性示例中，图1的车轮筒34可以是整体铸造或锻造的焊件，该焊件全部由金属材料（诸如用于铸造的焊件的铝356合金和用于锻造的焊件的铝6061或铝5454合金）形成，并且车轮面36可以全部由FRP材料（诸如嵌入热固性环氧树脂基体中的编织碳纤维铺层）制造。车轮32并且因此车轮组件22通过带耳螺母（lug nut）38的圆形阵列安装到毂部和轴承组件26的互补双头螺栓上，以与转子24共同旋转。应当认识到，车轮组件22的组成部分的审美特性以及单独尺寸和相对尺寸可能与附图中所示的不同。
接下来转向图2至图4，示出了根据所公开的概念的方面的混合金属-复合聚合物车轮132、232和332的不同示例。虽然在外观上不同，但是设想，在本文中参考图1的车轮32和车轮组件22所公开的特征和选项可以单独或以任何组合并入图2至图4的车轮132、232、332中，并且反之亦然。作为与上述车轮32的相似点，每个车轮132、232、332结构都可以是两部分构造，该两部分构造由分别安装到纤维增强聚合物车轮面136、236和336上的金属车轮筒134、234和334组成。与图1的筒34类似，每个车轮筒134、234、334分别具有带有环形轮辋140、240和340的圆环形状，该环形轮辋与车轮面136、236、336同心并且包围车轮面136、236、336。车轮筒轮辋140、240、340在其上密封地安装可充气的聚合物轮胎，诸如图1的轮胎30。相对于图1的车轮面36，车轮面136、236、336具有毂部和辐条几何形状，该毂部和辐条几何形状具有一系列辐条142、242和342，这些辐条围绕中央毂部（例如图1的车轮毂部44）周向等距离间隔开，并且从该中央毂部径向向外突出。如上所述，毂部44将车轮32可旋转地附接到车身20。
图2至图4的车轮筒134、234、334均全部和部分由金属材料（诸如铝、钢、镁、钛、其合金、其组合等）制造。对于至少一些车辆应用，包括环形轮辋140、240、340的车轮筒134、234、334全部由金属材料制造成一件式整体结构可能是期望的。如图所示，环形轮辋140、240、340可以有轮廓的轮辋鞍边141为典型特征，该有轮廓的轮辋鞍边141具有一对环形轮辋凸缘143，该环形轮辋凸缘143从鞍边141的相对边缘径向向外突出。形成对照地，车轮面136、236、336均全部或部分由嵌入热固性或热塑性聚合物基体内的FRP材料制造，诸如玻璃、碳、芳纶、硼、金属、玄武岩纤维、其组合等制造。对于至少一些车辆应用，包括辐条142、242、342和中央毂部44的车轮面136、236、336全部由FRP材料制造成一件式整体可能是期望的。如图2和图3中所示，车轮面136、236可以分别合包含环形辐条轮辋145和245，该环形辐条轮辋与中央车轮毂部44同心。在这种情况下，辐条142、242在辐条轮辋145、245与中央毂部44之间延伸，并且连接辐条轮辋145、245与中央毂部44。可选地，辐条轮辋145、245与车轮筒134、234同轴对准，该车轮筒134、234被坐落为紧靠环形轮辋140、240的径向内部周边大体上齐平。
为了将车轮面136、236、336刚性地固定到其相应的筒134、234、334，辐条142、242、342和毂部44可以包覆模制到环形轮辋140、240、340上，如下面将在图5的讨论中更详细地描述的。除了仅仅用聚合物或FRP材料覆盖、涂覆和/或遮盖金属骨架辐条和毂部结构，图2至图4的车轮面136、236、336是通过制造技术制造的，该制造技术与多次注射模制工艺类似，从而用金属筒134、234、334插入模具型腔中代替常规的两注射模制工艺的第一注射。为了增加两个部分之间的所产生的连接的强度，将一个或多个包覆模制通孔和/或插入凸舌添加到环形轮辋140、240、340，以在模制工艺期间在筒134、234、334与面136、236、336之间产生机械接头。例如，包覆模制插入凸舌146的圆形阵列围绕图2的筒134周向间隔开，例如离散插入凸舌146专用于对应的伴辐条142。包覆模制插入凸舌146中的每一个包括细长主体147，该细长主体147具有延伸通过主体147的通孔149。包覆模制插入凸舌146的细长主体147的径向最外（近侧）端部与环形轮辋140的径向内表面整体形成、焊接到环形轮辋140的径向内表面或以其它方式安装在环形轮辋140的径向内表面上，使得凸舌146从环形轮辋140径向向内突出。每个包覆模制插入凸舌146被嵌入辐条142和环形辐条轮辋145中的相应的一个的FRP材料内。这样做，包覆模制插入凸舌主体147被包封在固化FRP材料内，并且FRP材料牢固固定在凸舌主体147的通孔149中。
作为图2的车轮132结构上的非限制分界点，图3和图4的车轮232、332分别用延伸通过环形轮辋240、340的包覆模制通孔248、348的圆形阵列制造。这些通孔248、348围绕筒234、334周向间隔开，例如，利用专用于辐条242、342中的相应的一个的离散通孔248、348。图3的FRP通孔248具有椭圆或圆形形状，而图4的FRP通孔348具有矩形或多边形形状。在包覆模制操作之前将车轮面组装到筒期间，纤维增强的翼片可以通过这些孔，以驻留在车轮的轮胎侧的轮辋鞍边241、341中。在模制期间，车轮面236、336的FRP材料流动通过并且包围包覆模制通孔248、348。例如，延伸通过环形轮辋240的图3的每个包覆模制通孔248通过其接收相应的辐条242的FRP材料。一旦被固化，车轮面236的FRP材料形成整体蘑菇形铆钉250，该整体蘑菇形铆钉250位于鞍边凸缘243之间并且邻接轮辋鞍边241。作为另一种选择，图4的包覆模制通孔348均通过其接收辐条342中的对应的一个的FRP材料。一旦被固化，车轮面336的FRP材料便形成整体矩形垫板350，该整体矩形垫板350坐落于鞍边凸缘343之间并且邻接轮辋鞍边341。对于至少一些实施方式，包含在车轮面236、336的FRP材料内的纤维的约10%至约25%或更多位于轮辋鞍边241、341内。除了所产生的FRP铆钉250和/或垫板350或作为其替代，一个或多个机械紧固件252可以围绕环形轮辋240周向间隔开，以将车轮面236的辐条242紧固到车轮筒234。
现在参照图5的流程图，根据本公开的方面的用于制造用于机动车辆的车轮组件（诸如图1的汽车10的车轮组件22）的混合金属-复合聚合物车轮（诸如图1至图4的车轮32、132、232、332）的改进方法或控制策略通常被描述为400。图5中所示和下面进一步详细描述的一些或全部操作可以代表与处理器可执行指令对应的算法，这些处理器可执行指令存储在例如主存储器或辅助存储器或远程存储器中，并且由例如驻留或远程系统控制器、处理单元、控制逻辑电路或其它模块、装置或装置的网络执行，以执行与所公开的概念相关联的上述或下述功能中的任何一个或全部。应当认识到，所示的操作的执行顺序可能会改变，附加操作可以被添加，并且所描述的操作中的一些可能会被修改、组合或消除。
方法400可以在过程框401处开始，其中，将选定金属材料锻造、轧制、铸造或旋转挤压成预定义零件毛坯。例如，钢锭或钢坯可以热锻造成环形零件毛坯。然后，将金属毛坯转移到合适的旋转挤压站，其中，它可以被安装到心轴上，并且通过辊或成形模具逐渐成形为金属筒，如过程框403处所指示。设想可以采用其它金属加工技术将零件毛坯形成为期望的形状。也设想金属筒可以用适当的金属合金来铸造。铸造可以是高精度压铸、真空辅助压铸、熔模铸造或其它适当的铸造技术。
然后，方法400前进到过程框405，以对形成的筒执行最终的精密加工和后处理操作，诸如修整、斜切、喷砂、清洁等。过程框405可以进一步包括将一组专用的包覆模制通孔和/或插入凸舌制造成筒。专用的包覆模制插入凸舌可以被单独制造，以预定义模式围绕筒被定位（即与车轮辐条接合），并且随后被焊接或紧固到旋转挤压的筒。可选地或替代地，可以贯穿筒钻孔、切割或冲压预定义模式的包覆模制通孔，使得来自车轮面的FRP材料的织物增强材料和/或纤维可以通过这些孔并且散布到筒的车轮窝上。方法400然后前进到过程框407，以对筒进行粉末涂覆、电镀、镀铬、透明涂覆和/或涂漆。
在执行过程框401至407中所阐述的制造操作之前、同时或之后，方法400执行过程框409，并且接收、取回或生产（统称为“获得”）形成车轮单元的基于FRP的部段所需的纤维。例如，选定直径和长度的短切碳纤维可以从合适的供应商获得。纤维可以加工成机织织物或非卷曲织物，或如果期望，则可以加工成两者的混合物，例如针对期望的外观和物理性能。可选地，纤维可以作为预浸料复合物获得，其中，纤维被用未固化的树脂浸渍。然后，方法400前进到过程框411并且由在过程框409处获得的纤维制备毂部和辐条预制体。通过非限制性示例，将织物铺层、定制纤维放置或长丝卷绕制备成期望大小和形状的预制体。这种步骤实现了将中空芯添加到预制体的能力（例如长丝可以围绕囊袋或泡沫形式卷绕），并且将玻璃/碳/芳纶等纤维定位或集中在期望的位置，以减轻已知更易受腐蚀的位置处的腐蚀。在过程框413处，将预制体插入或“铺放”到模制工具中。这可以是单步操作或多步操作。在使用热塑性基底材材的应用中，可以省略框411处的预制体制备。
继续参照图5，混合金属-复合聚合物车轮的组成部分可以使用机械紧固件和可选的粘合剂组装，如由过程框415、417和419所指示，或可以使用包覆模制和可选的机械紧固件组装，如由过程框421、423和425所指示。如前所述，过程框415包括通过合适的聚合物模制工艺对车轮面进行模制。模制工艺可以采用各种适当的技术，诸如预浸料纤维增强材料的使用干增强纤维床的高压树脂传递模塑（HPRTM）、使用干增强纤维床的真空辅助树脂传递模塑（VARTM）、树脂灌注模制、长纤维注塑成型或压缩成型。过程框417然后包括对车轮的面进行脱模、去毛刺和机加工（例如以去除工具痕迹、无关的材料等）。此时，用于机械紧固件的互补孔也可以被机加工成车轮面。在过程框419处，将车轮面联结到车轮的筒部段。涂层钢、不锈钢或钛螺钉（或其它合适的材料）、自对准螺栓、锥形销、索环或其它功能机械紧固件可以将面刚性地固定到筒。如上所述，合适的金属到聚合物粘合剂可以用于提供更耐久的接头。一般来说，要小心确保面的每个辐条都均匀地紧固到筒，例如，优化加载力在面上的均匀分布。作为又一种选择，方孔和方头螺栓可以用于从鞍边（例如轮胎的空气空间）内部固定面，以提供“更清洁的”外观。
对于其中期望将车轮面包覆模制到筒上的应用，方法400从过程框413过渡到过程块421，并且在将面连接到筒的同时，同时形成车轮面。与过程框415类似，在框421处，通过合适的聚合物模制工艺（包括上述工艺）形成车轮面。然而，在这种情况下，将涂覆有粉末的筒插入模具工具中，将预制体/预浸料放入模具中并且与筒正确地对准，并且模制开始。在碳纤维预制体与热固性聚合物基体一起使用的情况下，可能期望使用HPRTM工艺将车轮面包覆模制到筒上。面的辐条部段的增强纤维可以以这样一种方式策略性地布置成使得它们通过专用的包覆模制通孔和/或插入凸舌孔，并且返回到辐条中。对于至少一些应用，这是对辐条的纤维增强材料的约10%至约25%（或更多）执行的。这样做，当纤维床被放置到模具工具中并且树脂流动通过纤维床时，将嵌入包覆模制通孔/凸舌中的纤维并入复合材料中，并且相对于筒将车轮面保持就位，从而将筒锁定就位。
在过程框421处关闭模具工具和将车轮面形成到筒上之后，允许车轮面在过程框423处固化，并且然后在过程框425处脱模和去毛刺。对于至少一些实施例，FRP材料包含在约40体积百分比与约70体积百分比之间或替代地在约50体积百分比与65体积百分比之间的碳纤维体积浓度。设想FRP材料采用热固性聚合物树脂，诸如环氧树脂、聚氨酯、双马来酰亚胺、热固性二环戊二烯、交联异氰脲酸酯等。替代地，FRP材料可以采用热塑性树脂，诸如聚酰胺、芳族聚酰胺、聚醚酰亚胺、聚对亚苯（poly(p-phenylene ethers)）等。可选地，可以为凸耳座和垫板添加金属段，以与车辆的毂部和轴承组件接口连接。在过程框427处，整个车轮单元都被透明涂覆，并且在过程框429处，在运输产品或将其安装在车辆上之前执行最后的检查。在最后的检查的期间，每个车轮单元都可以被检查，以确保例如合格的外观，在组装期间紧固件不会丢失等。
在一些实施例中，本公开的方面可以通过指令的计算机可执行程序实施，诸如程序模块，其通常被称为由本文中所描述的控制器或控制器变型中的任何一种执行的软件应用或应用程序。在非限制性示例中，软件可以包括执行特定任务或实施特定数据类型的例程、程序、对象、部件和数据结构。软件可以形成界面，以允许计算机根据输入的源作出反应。软件还可以与其它代码段协作，以响应于结合接收到的数据的源所接收到的数据而发起各种任务。软件可以存储在各种存储介质中的任何一种上，诸如CD-ROM、磁盘、磁泡存储器和半导体存储器（例如各种类型的RAM或ROM）。
此外，本公开的方面可以用各种计算机系统和计算机网络配置来实践，包括多处理器系统、基于微处理器的或可编程的消费电子产品、小型计算机、大型计算机等。另外，本公开的方面可以在分布式计算环境中实践，其中，任务由通过通信网络链接的常驻和远程处理装置执行。在分布式计算环境中，程序模块可以被定位在本地和远程计算机存储介质（包括存储器存储装置）两者中。因此，本公开的方面可以因此结合各种硬件、软件或其组合实施在计算机系统或其它处理系统中。
本文中所描述的方法中的任何一种都可以包括由：（a）处理器、（b）控制器和/或（c）任何其它合适的处理装置执行的机器可读指令。本文中所公开的任何算法、软件、控制逻辑、协议或方法都可以体现为存储在有形介质（诸如，例如，闪存、CD-ROM、软盘、硬盘驱动器、数字多功能盘（DVD）或其它存储装置）上的软件。整个算法、控制逻辑、协议或方法和/或其部分可以交替地由控制器之外的装置执行和/或以可用的方式（例如，由专用集成电路（ASIC）、可编程逻辑装置（PLD）、现场可编程逻辑装置（FPLD）、离散逻辑等实施）体现在固件或专用硬件中。进一步地，虽然特定算法是参照本文中所描述的流程图进行描述的，但是实施示例机器可读指令的许多其它方法也可以替代地使用。
本公开的方面已经参考所示的实施例进行详细描述；然而，本领域的技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对其做出许多修改。本公开并不限于本文中所公开的精确构造和组成；从上述描述明显的任何和所有修改、改变和变化都在由所附权利要求限定的本公开的范围内。此外，本概念明确地包括前述元件和特征的任何和所有组合和子组合。

Claims (10)

1.一种用于机动车辆的车轮组件的车轮，所述车轮组件包括轮胎，并且所述机动车辆包括车身，所述车轮包括：
车轮面，所述车轮面具有多个辐条，所述辐条围绕中央毂部周向间隔开并且从所述中央毂部径向突出，所述中央毂部配置为可旋转地附接到所述车身，并且所述车轮面是由纤维增强聚合物（FRP）材料制造的；以及
车轮筒，所述车轮筒限制所述车轮面并且包括环形轮辋，所述环形轮辋配置为在其上安装所述轮胎，所述车轮筒是用金属材料制造的并且包括围绕所述环形轮辋周向间隔开的一系列包覆模制通孔和/或插入凸舌，其中，所述FRP材料延伸通过和/或包围所述包覆模制通孔和/或插入凸舌并且从而将所述车轮面安装到所述车轮筒。
2.根据权利要求1所述的车轮，其中，所述车轮面进一步包括限制所述中央毂部的环形辐条轮辋，所述辐条在所述辐条轮辋和所述中央毂部之间延伸并且将所述辐条轮辋和所述中央毂部连接。
3.根据权利要求2所述的车轮，其中，所述辐条轮辋与所述车轮筒同轴，并且坐落成大体上紧靠所述环形轮辋的径向内表面齐平。
4.根据权利要求1所述的车轮，其中，所述车轮筒包括一系列包覆模制通孔，所述包覆模制通孔中的每一个延伸通过所述环形轮辋并且通过其接收所述车轮面的所述辐条中的相应的一个的所述FRP材料。
5.根据权利要求4所述的车轮，其中，所述环形轮辋包括具有轮辋凸缘的轮辋鞍边，所述轮辋凸缘从其相对的边缘径向向外突出，并且其中，所述相应的辐条的所述FRP材料形成紧靠所述环形轮辋的所述轮辋鞍边坐落的整体垫板。
6.根据权利要求4所述的车轮，其中，所述环形轮辋包括具有轮辋凸缘的轮辋鞍边，所述轮辋凸缘从其相对的边缘径向向外突出，并且其中，所述相应的辐条的所述FRP材料形成邻接所述环形轮辋的所述轮辋鞍边的整体铆钉。
7.根据权利要求4所述的车轮，其中，所述环形轮辋包括具有轮辋凸缘的轮辋鞍边，所述轮辋凸缘从其相对的边缘突出，并且其中，包含在所述车轮面的所述FRP材料内的至少约10%至约25%的纤维被定位在所述轮辋鞍边内部。
8.根据权利要求1所述的车轮，其中，所述车轮筒包括一系列包覆模制插入凸舌，所述包覆模制插入凸舌中的每一个从所述环形轮辋径向向内突出，并且嵌入所述车轮面的所述辐条中的相应的一个的所述FRP材料内。
9.根据权利要求8所述的车轮，其中，所述包覆模制插入凸舌中的每一个包括具有凸舌通孔的细长主体，所述凸舌通孔通过其接收所述车轮面的所述辐条中的相应的一个的所述FRP材料。
10.根据权利要求8所述的车轮，其中，所述包覆模制插入凸舌的所述细长主体的近侧端部被焊接到所述环形轮辋的径向内表面。
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