CN1298528C - 制造自行车轮辋的方法、实施该方法的装置及制成的轮辋 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种一块以强化纤维，最好是碳纤维，为基础的材料制成的自行车轮辋，该轮辋带有两个用于固定轮胎的环形翼片(6)，该翼片沿外圆周壁(2)的两个侧边径向向外伸出。

Description

制造自行车轮辋的方法、实施该方法的装置 及制成的轮辋
技术领域
本发明涉及自行车轮辋，该轮辋具有一个内圆周壁，一个外圆周壁，连接圆周内外壁的两个侧壁和两个用于固定一个轮胎的环形翼片，该翼片沿外圆周壁的两个侧边径向向外延伸。
本发明还涉及一种制造上述类型轮辋的方法。
背景技术
近期对采用以强化纤维为基础的材料，一般是以碳纤维为基础的材料，制造自行车轮辋进行了各种研究和测试。这类材料的好处是在提供同样结构特性的情况下重量上比过去使用的金属材料轻。只用一块以碳纤维为基础的材料制造轮辋是困难的，至少在当时能提供的技术条件是困难的，这是由于环形的固定轮胎用翼片的常用结构所造成的。一般来说，这些翼片的外缘会彼此相向弯曲，因而会产生底切，这将导致模制方面的问题。
发明内容
本发明的目的是解决这些技术问题。
为了达到这个目的，本发明涉及一种自行轮辋，该轮辋包含一个内圆周壁，一个外圆周壁，两个连接所述圆周壁的侧壁和两个用于固定轮胎的环形翼片，该翼片沿外圆周壁的两个侧边径向向外伸出，其中，所述的轮辋由一块以强化纤维为基础的材料制成，并带有两个环形翼片。
本发明还涉及一种制造自行车轮辋的方法，轮辋具有一个内圆周壁，一个外圆周壁，两个连接所述圆周壁的侧壁和两个用于固定轮胎的环形翼片，该翼片沿处圆周壁的两个侧边向外伸出，其包含以下步骤：
将一种预定层数的强化纤维织物层放在一个模具的内部，使其结合进构成内圆周壁，外圆周壁，两个侧壁和翼片的一种塑料材料的基材；
将一个充气袋布置在织物层上；
将织物层的预定层数的第一部分折回在充气袋上；
将至少一个型芯放在折好的预定层数的第一部分织物层上；
将织物层的预定层数的第二部分折在该型芯上；
用模具的外部封闭织物层；
对充气袋充气使织物层压向模具；
给模具加热到足够致使塑料材料的基材网状化的温度值；
将该自行车轮辋从模具中取出并取下型芯，得到由一块强化纤维材料制成的自行车轮辋。
该型芯由热膨胀系数超过5×10-5mm/℃的材料制成，该模制过程包含加温，致使所述构成型芯的材料膨胀，以构成固定轮胎用翼片的织物层压向模具的壁。
优选地，构成型芯的材料热膨胀系数超过9×10-5mm/℃且最大持续热抗温度超过100℃。
再优选地，构成型芯的材料是PTFE(聚四氟乙烯)或FEP(氟化乙烯丙稀)或PCTFE(多氯氟化乙烯)或PVDF(聚氟乙二烯)或PE-HD(高密度聚乙烯)之一。
采用PTFE是极优选的，因为这种材料有抗粘特性，这对将型芯从模制的强化纤维体上取出是有用的，而且这种材料有高的持续热抗(260℃)，高的热传导性能(025W/m℃)和良好的热容量(比热)，等于1.045Kj/kg℃。
这种材料呈现在相对较低的温度下有高热膨胀的特性，在该温度，强化纤维织物结合进网状化的塑料材料(基材)。
强化纤维织物结合进一种塑料材料基材是已知技术并已经使用了一段时间。其以强化纤维，例如碳纤维，织成纱。然后将这些织物用注入的方法结合进一种塑料材料的基材，该材料一般是一种热固性塑料材料。
根据本发明的另一个最佳实施例，采用了两个所述热膨胀材料的环形型芯，如果需要每个型芯可分为几部分，这些型芯布置在用于制造该轮辋的外圆周壁的织物层的周围，彼此之间有空隙，每个型芯用于支撑两个固定轮胎用翼片中的一个。
在第一个实施例中，所述两个环形(型芯)之间存在的空隙由模具的一个壁填充。在第二个实施例中，该空隙由第三个型芯填充，该型芯也是可分为若干部分的环，用热膨胀材料构成。型芯被分为若干部分可使所述型芯容易在模制过程的末尾，打开模具后从得到成品中取出，而不存在两个轮胎固定用翼片的底切构造。在第三个实施例中，型芯是一种由一个连续的整块或由模具外部的凸起定在中间的几部分构成的硅树脂蒙皮制成。
如上文所示，在模具内部，向构成该轮辋内外壁和两个侧壁的织物层提供压力的是布置在织物层空腔内的充气袋。该袋在模制过程结束后仍留在成品内部。这种技术在以往制造不带固定轮胎翼片的上述类型的轮辋进行过测试。这种技术不能以类似的方式用于制造包含上述翼片的轮辋中的所述固定翼片。因为这个原因，应用开发人员另外进行了开发进而创造了本发明。
根据本发明另外一个优选特性，最初模制出的轮辋的固定翼片长度大于所需长度。在这个例子中，完成模制过程后，使用机械方式缩短该翼片到所需尺寸。这种方法有利于防止在表面上产生瑕疵，该瑕疵可能在摸制完成后出现在两翼片的圆周边缘。尽管在该类模制过程中使用过这种方法，但它仍是本发明所要求保护的内容。
本发明方法的进一步特征会在权利要求书中说明。
本发明还包含实现上述方法的装置和这种自行车轮辋本身。该装置和本发明的轮辋的特征也列在所附的权利要求书中。
附图说明
本发明将在下文结合附图对具体实施例的叙述中得到更好地解释，但本发明不局限于对实施例的描述，在附图中：
图1、2和3表示根据本发明制造一个自行车轮辋的方法中模制的三个不同阶段；
图4、5表示根据本发明的方法的二个不同阶段，使用了相对图1～3表示的模具的改进模具；
图6表示最终的成品，该成品的生产既可以使用图1～3所示的模具，也可以使用图4和5所示的模具，该成品已经完成了最后用所需的机械方式将轮胎固定翼片缩短为所需尺寸；
图7表示该方法一个阶段的透视分解视图；
图8表示图5的一种变型；
图9、10表示两种进一步的变型。
具体实施例描述
参考图6，本发明的方法用来制造用于自行车车轮的轮辋1，在图中表示的是轮辋的横截面。该轮辋包含一个外圆周壁2，一个内圆周壁3，两个侧壁4、5，以及两个用于固定轮胎的环形翼片6。侧壁4、5用于连接圆周壁2、3并与圆周壁2、3共同限定出一个封闭的环形空腔50，该翼片6沿外圆周壁2的侧边向外伸出。正如上文所述，按照本发明的方法制造的该轮辋1全部由一块以强化纤维(structural fibre)，优选为碳纤维，为基础的材料制成。在该空腔50中布置一塑料材料的袋7，其原因在下文中有解释。
图1～3表示本发明方法内的三个连续的阶段，使用了第一种类型的模具。在该例中，用于模制该轮辋的模具包含两个内部元件8和一个外部元件9，该内部元件8是环形元件并在平面8a处搭接。它们构成了将要限定的一个环形表面11，如图3所示，该表面包括该内圆周壁的外表面和该轮辋的两侧。为了制成该轮辋，多层具有结构纤维为基础的织物12，例如将碳纤维织物结合在一种塑料材料的基材中，被布置在表面11上，该结构纤维可在下述材料中选择：碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酸胺纤维、硼纤维、陶瓷纤维或者是这些纤维的组合。布置的该织物层12要达到图1所示的预定构造。第一，该织物层12布置在该表面11上以使织物层12从该模具元件8处径向向外延伸，布置在点划线所示的位置处。然后将一个由塑料材料制成的充气袋13放在该层上，该袋配有一个充气阀(未画出)，该充气袋通过一个通道(图中未画出)与模具外部通连。使用充气袋13的目的是，在模具封闭后的模制过程中将织物层12压向模具的壁。再次参考图1，放好该塑料材料袋13后，将织物层12的一定数量的伸出部分12a部分折回，盖在袋13上，织物层12的其余数量12b被自由地留下，用于制成环形的轮胎固定翼片6。当然，还可在位于袋13上的织物层12上附加层C，以达到该轮辋外圆周壁2和/或翼片所需的厚度。同时/或者，附加层D也可以用于填充轮辋外壁侧边区域。
再次参考图1并参考图7，两个型芯14，每个型芯由一个可分为几个部分(例如是三部分)的环15构成，以便于在后续步骤中从模具中抽出该型芯14，该型芯布置在织物层12上，用于制成该轮辋的外圆周壁2。两个环15布置在织物层12上，用于制成壁2，环15处于隔开相应距离的位置，因而可将其中一边缘12b折回在其上，制成轮胎固定翼片6(见图2)。在图1～3所示的实施例中，两个环14之间的空隙由模具外部元件9的一个环形的肋16填充，如图2、3所示(后一幅图表示该模具处于封闭状态且充气袋充气)。
作为对上述内容的扩展，构成型芯14的材料为一种热膨胀系数较高的材料，例如PTFE。然后，将模具封闭，使织物层12在其内部排列，模具被放入加热室经历一个加热和冷却的周期，使该塑料材料的基材网状化，因而，该碳纤维织物结合进基材，这一方面是由于该型芯14的热膨胀，另一方面是由于将织物层12b压向模具的外壁。制成该轮辋内外圆周壁和侧壁所需的压力由压入充气袋13的空气提供。为了完成该过程，模具的温度最好在80℃～200℃这一范围。最好将模具在此温度范围保持一段时间，该时间在10分钟至3小时这一范围，优选为30分钟至3小时。
模制过程完成后，接下来是冷却阶段，打开模具，取下型芯14。
必须要指出，用于模制该翼片6而采用的型芯可以是任何数量、结构和布置，即使与作为非限定性实施例提供的附图所示的完全不同也可以。可以预料到，由可变形材料制成的一个单件型芯也能从模具上取下(图8)。图9表示一种更进一步的变形，其中单件的型芯14由一整块或多块硅树脂蒙皮制成。该蒙皮可变形并依赖外模具的一个凸起140保持在中间位置。在该过程的末尾，该硅树脂蒙皮可用钳子起出。
根据本发明的另外一个重要特征，织物层的边用于制成翼片6，其长度超出需要的尺寸。因此，在模制阶段的最后，要用机械的方法将翼片6缩短到需要的尺寸和/或形状。这个方法还有一个好处，即可以消除在模制阶段的最后阶段织物层缘部分12b的端部在模具内产生的缺陷。这一特征即使在模制工艺中被采用过，但是可以应用于本发明，因而是具有自身权力的发明。
图4、5图示了在打开状态和封闭状态的第二种类型的模具。在这个例子中，两个环形型芯14之间的空隙由一个第三环形型芯17占据，该型芯也由高热膨胀系数的材料制造，例如PTFE。
最后，图10表示根据本发明的原理得到的带不对称横截面的一种轮辋的实施例。在这个例子中，纤维织物层包括延伸出的第一层A、第二层B、第三层C和第四层D，第一层A用于限定该轮辋的内壁、侧壁和两个翼片，第二层B用于限定该轮辋的内、侧和外壁，第三层C用于限定该外壁和轮辋的两个翼片，第四层D缠绕地填充在该轮辋伸出翼片的侧边区域。
自然，可以预料到本发明实施例的结构与构成可有很多变化，这些都包含在下述权利要求书中所限定的本发明的基本特征范围内。

Claims (43)

1、一种制造自行车轮辋的方法，所述轮辋具有一个内圆周壁(3)，一个外圆周壁(2)，两个连接所述圆周壁(2、3)的侧壁(4、5)和两个用于固定轮胎的环形翼片(6)，该翼片沿该外圆周壁(2)的两个侧边向外伸出；
其特征在于，所述方法包含以下步骤：
将一种预定层数的结构纤维织物层(12，12a，12b，A，B)放在一个模具(8，9)的内部(8)，所述结构纤维织物层(12，12a，12b，A，B)结合进构成内圆周壁(3)、外圆周壁(2)、两个侧壁(4、5)和翼片(6)的一种塑料材料的基材中；
将一个充气袋(13)布置在织物层(12)上；
将织物层(12)预定数量的第一部分(12a，B)折回在该充气袋(13)上；
将至少一个型芯(14)放在折好的织物层(12)预定数量的第一部分(12a)上；
将织物层(12)预定数量的第二部分(12b，A)折在该型芯(14)上；
用模具(8，9)的外部(9)封住织物层(12，12a，12b，A，B)；
将充气袋(13)充气使织物层(12，A)压向模具(8，9)；
给模具(8，9)加热到足够致使塑料材料的基材网状化的温度值；
将该自行车轮辋从模具(8，9)中取出并取下型芯(14)，得到由一块强化纤维材料制成的自行车轮辋。
2、如权力要求1所述的方法，其特征在于所述的型芯也可向所述的织物层(12)施加压力。
3、如权力要求1所述的方法，其特征在于，加温与对织物层(12)施加压力大体是同步的。
4、如权力要求1所述的方法，其特征在于，一冷却阶段设置在从模具中取出该轮辋之前。
5、如权力要求1所述的方法，其特征在于，所述的型芯(14)由热膨胀系数超过5×10-5mm/℃的材料制成，该模制过程包含加温，致使所述的型芯(14)膨胀，以使各构成固定轮胎翼片(6)的织物层(12b)压向模具的壁。
6、如权力要求5所述的方法，其特征在于，构成型芯(14)的材料的热膨胀系数超过9×10-5mm/℃。
7、如权力要求6所述的方法，其特征在于，构成型芯(14)的材料是PTFE、PCTFE、PVDF或PE-HD之一。
8、如权力要求1所述的方法，其特征在于，所述的塑料材料为一种热固性塑料材料基材。
9、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的温度在80℃～200℃这一范围。
10、如权力要求11所述的方法，其特征在于，将所述温度持续的时间在10分钟至3小时这一范围。
11、如权力要求12所述的方法，其特征在于，将所述温度持续的时间在30分钟至3小时这一范围。
12、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的型芯包含两个环形的型芯(14)，将其布置为之间有一定间隔。
13、如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述的每个环形型芯(14)是由一块可变形材料制成的。
14、如权力要求12所述的方法，其特征在于，每个所述的环形型芯(14)分为若干部分(15)。
15、如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述的环形型芯(14)之间的空隙由属于模具的一个环形的肋(16)填充。
16、如权利要求12所述的方法，其特征在于，一个也为热膨胀材料制成的第三环形型芯(17)布置在上述两个环形型芯之间。
17、如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述的第三环形型芯(17)由一块可变形材料制成。
18、如权力要求16所述的方法，其特征在于，所述的第三环形型芯(17)分为若干部分(15)。
19、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的型芯由一种环形多块的可变形膨胀材料制成。
20、如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述的型芯由一种硅树脂蒙皮制成。
21、如权利要求20所述的方法，其特征在于，该硅树脂蒙皮分为几部分。
22、如权利要求21所述的方法，其特征在于，该环形型芯有一个朝外的凹进用于容纳模具的中央凸起。
23、如权利要求22所述的方法，其特征在于，该中央凸起由模具的外部提供。
24、如权利要求1所述的方法，其特征在于，该模具包含两个并列排布的内部环形元件(8)，形成该轮辋的内圆周壁(3)和两个侧壁(4，5)的织物层设置在元件(8)上，该模具还包含一个外部环形元件(9)，用于挤压在上述一个或多个型芯上的构成固定轮胎用翼片(6)的上述织物层(12b)。
25、如权力要求1所述的方法，其特征在于，上述的强化纤维可在下述材料中选择：碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酸胺纤维、硼纤维、陶瓷纤维或者是这些纤维的组合。
26、如权利要求1所述的方法，其特征在于，在上述模制过程中首先制成的轮胎固定翼片(6)长度超过需要的长度，打开模具后再用机械加工将所述模制好的翼片(6)缩减为所需的长度和/或形状。
27、如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用第一附加层(C)增加该轮辋外壁和/或两个翼片的厚度。
28、如权力要求27所述的方法，其特征在于，使用第二附加层(D)填充该轮辋伸出翼片的侧边区域。
29、如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述模具和所述型芯如此布置，以使其能限定出一个具有对称横截面的轮辋。
30、如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述模具和所述型芯如此布置，以使其能限定出一个具有不对称横截面的轮辋。
31、一种制造自行车轮辋的方法，所述轮辋具有一个内圆周壁(3)，一个外圆周壁(2)，两个连接所述圆周壁(2、3)的侧壁(4、5)和两个用于固定轮胎的环形翼片(6)，该翼片沿该外圆周壁(2)的两个侧边径向向外伸出，其特征在于，通过对若干层结合进一种塑料材料基材中的强化纤维织物层进行模制过程，并利用一块强化纤维而制成所述轮辋，而在上述摸制过程中制成的用于固定轮胎的环形翼片(6)长度超过所需长度并在模制过程完成后对所述的环形翼片(6)进行机械加工，将其缩短为所需的长度和/或形状。
32、一种制造自行车轮辋的装置，所述轮辋具有一个内圆周壁(3)，一个外圆周壁(2)，两个连接所述圆周壁(2、3)的侧壁(4、5)和两个用于固定轮胎的环形翼片(6)，该翼片沿该外圆周壁(2)的两个侧边径向向外伸出；
其特征在于，所述装置包含：
一个具有两个内部元件(8)的模具，该内部元件(8)在平面(8a)处搭接，强化纤维织物层布置在元件(8)上，以使其结合进构成该轮辋内圆周壁(3)，两个侧壁(4、5)的一种塑料材料的基材：
一个充气袋(13)，所述充气袋(13)布置在织物层(12)上，用于制造该轮辋外圆周壁(2)并从内部支撑织物层以制成内圆周壁(3)和两个侧壁(4、5)；
一或多个型芯，所述型芯放在上述织物层上，用于制造该轮辋外圆周壁，型芯由热膨胀系数超过5×10-5mm/℃的材料制成；
一个外部的环形模具元件(9)，该元件(9)用于挤压织物层，以便在所述型芯上制造安装轮胎的翼片(6)。
33、如权力要求32所述的装置，其特征在于，其包含两个环形的型芯(14)，每个型芯分为几部分(15)，这些型芯布置在用于制造该轮辋的外圆周壁(2)的织物层(12)周围，彼此之间有空隙，每个型芯用于支撑织物层(12)，以分别制成一个固定轮胎用的翼片(6)。
34、如权力要求33所述的装置，其特征在于，上述两个环形型芯(14)之间的空隙由属于模具的外部环形元件(9)的一个环形肋(16)充填。
35、如权利要求33所述的装置，其特征在于，上述两个环形型芯(14)之间的空隙由一个也为热膨胀材料制成的第三环形型芯(17)充填。
36、一种自行车轮辋，包含一个内圆周壁(3)，一个外圆周壁(2)，两个连接所述圆周壁(2、3)的侧壁(4、5)和两个用于固定轮胎的环形翼片(6)，该翼片沿该外圆周壁(2)的两个侧边向外伸出，所述的轮辋由一块以强化纤维为基础的材料制成，并带有两个环形翼片(6)，其特征在于，所述两个环形翼片(6)由预定层数的以结构纤维为基础的材料层(12b)形成。
37、如权力要求36所述的轮辋，其特征在于，上述的强化纤维可在下述材料中选择：碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酸胺纤维、硼纤维、陶瓷纤维或者是这些纤维的组合。
38、如权力要求36所述的轮辋，其特征在于，所述的轮辋具有对称横截面。
39、如权利要求36所述的轮辋，其特征在于，所述的轮辋具有不对称横截面。
40、如权力要求36所述的轮辋，其特征在于，所述的轮辋含一种以层状纤维结构为基础的织物材料，至少包括第一织物层(A，12，12b)和第二织物层(B，12，12a)，第一织物层(A，12，12b)用于限定该轮辋的内壁、侧濒口两个翼片，第二织物层(B，12，12a)用于限定该轮辋的内、侧和外壁。
41、如权力要求40所述的轮辋，其特征在于，该层结构进一步包括用于限定该轮辋的外壁和两个翼片的第三层(C)。
42、如权力要求40所述的轮辋，其特征在于，所述的层结构进一步包含缠绕在该轮辋伸出翼片的侧边区域的第四层(D)。
43、一种制造自行车轮辋的方法，所述轮辋具有一个内圆周壁(3)，一个外圆周壁(2)，两个连接所述圆周壁(2、3)的侧壁(4、5)和两个用于固定轮胎的环形翼片(6)，该翼片沿该外圆周壁(2)的两个侧边径向向外伸出；
其特征在于，内圆周壁(3)，外圆周壁(2)和两个侧壁(4、5)由采用将多层的强化纤维织物层(12)结合进塑料材料基材的材料制成；
上述织物层(12)放入一个模具(8，9)中，并将一个充气袋(12)放入由构成所述壁的织物层限定出的空腔里，用于在模制过程中将所述的织物层压向模具壁(8)：
用于固定轮胎的环形翼片也是通过将结合进塑料材料基材的多层强化纤维织物层(12b)放在模具(8，9)中模制而成的；
在制造固定轮胎翼片(6)的上述织物层(12b)上放置一或多个布置在模具(8，9)内的型芯(14)，位于构成外圆周壁的层(12，12b)与构成两个固定轮胎翼片的织物层之间的空间。
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