KR20150108822A - 복합재 휠을 위한 면 대 허브 연결부 - Google Patents

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매튜 에드워드 딩글
애슐리 제임스 덴미드
마이클 실콕크
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카본 레볼루션 피티와이 엘티디
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Abstract

복합재 휠(10)의 면 부분(12)과 허브 부분(14) 사이에 연결부가 제공된다. 허브 부분(14)은 일반적 디스크 형상의 허브 판(16)을 포함하고, 면 부분(12)은 복수의 스포크들(18)을 포함한다. 연결부는 허브 판(16)을 둘러싸는 환형 허브 링(22)을 포함하고, 허브 링(22)은 허브 링(22)을 중심으로 적어도 일반적 원주 방향으로 연장되는 복수의 강화 섬유들의 층들을 포함한다. 연결부는 또한 휠(10)의 회전축에 대해 일반적 반경 방향(R)으로, 그리고 각각의 스포크(18)의 전방 면을 따라, 허브 링(22)의 전방 엣지(26) 및 내측 환형 표면(28)에 걸쳐, 그리고 허브 판(16)의 전방 면(30)에 걸쳐 연장되는 제 1 복수의 강화 섬유들의 층들(24); 및 각각의 스포크(18)의 후방 면(33)을 따라 일반적 반경 방향(R)으로, 허브 링(22)의 후방 엣지(34)에 걸쳐, 그리고 허브 판(16)의 후방 면(36)에 걸쳐 연장되는 제 2 복수의 강화 섬유들의 층들(32)을 포함한다. 연결부는 제 1 및 제 2 강화 섬유들의 층들(24, 32)을 오버레이하고, 반경 방향(R)에 대해 +30 도 및 +60도 사이의 방향으로 연장되는 제 3 복수의 강화 섬유들의 층들(36); 및 제 1 및 제 2 강화 섬유들의 층들(24, 32)을 오버레이하고, 반경 방향(R)에 대해 -30도 및 -60도 사이의 방향으로 연장되는 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들(40)을 더 포함한다.

Description

복합재 휠을 위한 면 대 허브 연결부{FACE TO HUB CONNECTION FOR A COMPOSITE WHEEL}
본 발명은 일반적으로 차량들 및/또는 항공기들에 대한 복합재 휠들에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 복합재 휠(composite wheel)의 스포크(spoke) 부분과 허브(hub) 부분 사이의 연결부(connection)에 관한 것이다. 따라서, 이후 그러한 예시적인 적용에 관해 본 발명을 일반적으로 설명하는 것이 편리할 것이다. 그렇지만, 본 발명은 다른 적용들에도 활용될 수 있다.
본 발명의 배경에 대한 하기 논의는 본 발명의 이해를 용이하게 하도록 의도된다. 그러나 이 논의는 언급된 어떠한 자료도 본 출원의 우선일에 공개되거나, 공지되거나, 또는 통상적인 일반적 지식의 일부인 것에 대한 인정 또는 승인이 아님을 인식해야 한다.
타이어를 통해 차량 휠의 림(rim) 부분으로 전달되는 횡(lateral), 연직(vertical) 및 비틀림(torsional)하중(load)들은 스포크들을 통한 굽힘(bending) 및 비틀림 응력(stress)들을 초래한다. 이상적으로는 휠에 상당한 질량을 추가함이 없이, 강성 및 강도를 제공하는 기계적으로 효율적인 구조를 제공하기 위하여, 이러한 응력들이 허브 연결부위(join)에서 효과적으로 해소되어야 한다.
본 출원인에게 있어서 공지된 기존의 복합재 차량 휠 설계들은 이러한 기본적인 요건들을 충족시키지 못한다.
본 출원인은 복합재 휠을 제작하기 위한 더 이른 시도를 인식하였다. 그러나 본 출원인은 그러한 휠의 설계가, 휠의 스포크 부분과 허브 부분 사이의 연결을 위해 복합재 재료를 이용하기보다 금속을 포함한다는 점에서 부족하다고 인식하였다.
본 출원인의 이전의 복합재 휠 설계들 중 하나는 스포크로부터 스포크까지 휠을 직선으로 가로지르는 연속적인 탄소 섬유 토우(tow)들을 포함하였다.
이러한 설계들 중 다른 것은 대안적인 토우 기반 프리폼(preform) 구조를 이용하였고, 휠은 러그 홀(lug hole)들이 허브 내에서 보다 중심에 위치되기보다는 스포크들 사이에 제공되도록 구성되었다. 이러한 구조는 스포크로부터 허브까지의 강성을 유지했는데, 이는 스포크의 깊이가 휠의 허브 영역을 통해 유지되었기 때문이다. 다른 사람들에 의한 더 이른 시도들에 비해 이러한 배열은 구조적으로 더 효율적이었고, 접착제 또는 체결구(fastener)를 이용하여 다른 재료(금속 등)로 이루어진 결합 구조들을 포함할 필요성을 회피시켰다.
그렇지만 상기 언급된 본 출원인의 설계들은, 휠 내에 중심 홀을 회피하기 위하여 토우들이 배열되는 것을 요구하였다. 중심 홀은 차량 허브 상에 위치결정(positioning)을 위해 제공된다. 몇몇 환경들에서 이것은 홀들을 제작하기 위해 토우들이 기계가공(machining)되는 것을 초래하였고, 모든 경우들에서 정렬(alignment)이 림의 일측에서 다른 측까지 완전히 직선이 될 수 없었다. 토우들은 종종 후속적으로 휠 허브 안에 기계가공된 볼트 홀(bolt hole)들에서 단절되었다. 모든 이러한 문제들이 최종 휠 구조의 효율 및 무결성(integrity)을 손상시켰다.
게다가, 상기 토우 해결책은 또한 정확하고 일관성 있게 금형에 배열하기 어려워 용인될 수 없는 프로세스 변형을 초래하였다.
파괴 검사는 또한 휠 구조의 토우 영역들과 다른 영역들 사이의 문제들을 식별시켰으며, 본 출원인은 이를 강성에서의 미스매치(mismatch)로 인한 것으로 간주하였다. 높은 하중들 하에서, 구조의 매우 강성한 영역과 보다 유연한 영역 사이의 계면(interface)에서는 크랙이 형성되는 것이 발견되었다.
따라서, 스포크들이 허브 영역과 만나는 영역에서 개선된 강도 및 강성의 복합재 휠을 제공하는 것이 바람직할 것이다. 아울러, 휠에 상당한 질량을 추가하지 않도록 하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명의 광범위한 양상에 따라, 복합재 휠의 면(face) 부분과 허브(hub) 부분 사이의 연결부가 제공된다. 허브 부분은 일반적 디스크 형상의 허브 판을 포함하고, 면 부분은 복수의 스포크(spoke)들을 포함한다. 연결부는:
상기 허브 판을 둘러싸는 환형 허브 링으로서, 상기 허브 링은 상기 허브 링을 중심으로 적어도 일반적 원주 방향(circumferential direction)으로 연장되는 복수의 강화 섬유들의 층들을 포함하는, 환형 허브 링;
상기 휠의 회전축에 대해 일반적 반경 방향(radial direction)으로, 그리고 각각의 스포크의 전방 면(front face)을 따라, 상기 허브 링의 전방 엣지(edge) 및 내측 환형 표면에 걸쳐, 그리고 상기 허브 판의 전방 면에 걸쳐 연장되는 제 1 복수의 강화 섬유들의 층들;
각각의 스포크의 후방 면(rear face)을 따라 일반적 반경 방향으로, 상기 허브 링의 후방 엣지에 걸쳐, 그리고 상기 허브 판의 후방 면에 걸쳐 연장되는 제 2 복수의 강화 섬유들의 층들;
상기 제 1 및 제 2 강화 섬유들의 층들을 오버레이(overlay)하고, 상기 반경 방향에 대해 +30도 및 +60도 사이의 방향으로 연장되는 제 3 복수의 강화 섬유들의 층들; 및
상기 제 1 및 제 2 강화 섬유들의 층들을 오버레이하고, 상기 반경 방향에 대해 -30도 및 -60도 사이의 방향으로 연장되는 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들을 포함한다.
이러한 방식으로, 스포크들은 환형 허브 링을 이용하여 허브 판에 결합된다. 허브 링은, 각각의 스포크의 깊이와 허브 판의 두께 사이의 차이를 고려한다.
허브 링은 본 발명에서 중요하다. 이 구성요소가 없다면, 스포크가 허브 부분과 결합하는 각각의 스포크의 루트(root)에서, 휠 스포크들에서 비틀림 및 굽힘 하중들이 휠 구조의 국부화된 왜곡을 초래할 것이다. 이는 스포크의 높이가 허브 판으로 전이할 때 구조에서의 급격한 변화에 기인한다. 허브 링에서 섬유들의 링은 각각의 스포크의 루트에서 견고한 구조를 제공한다.
바람직한 형태로, 제 3 복수의 강화 섬유들의 층들은 반경 방향에 대해 약 +45도로 연장되고, 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들은 반경 방향에 대해 약 -45도로 연장된다. 결합되는 제 3 및 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들은 본 출원인에 의해 "비틀림 랩(torsion wrap)"으로 지칭된다.
또한, 제 5 복수의 강화 섬유들의 층들이 가장 바람직하게 제공되며, 제 5 복수의 강화 섬유들의 층들은 허브 판의 후방 면에 걸쳐, 허브 링의 후방 엣지에 걸쳐, 허브 링의 외측 환형 표면에 걸쳐, 허브 링의 전방 엣지에 걸쳐, 허브 링의 내측 환형 표면에 걸쳐, 그리고 허브 판의 전방 면에 걸쳐 연장되고, 제 3 및 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들은 제 5 복수의 강화 섬유들의 층들을 오버레이(overlay)한다. 제 5 복수의 섬유들의 층들은 특히, 스포크들 사이에서 허브 부분 주위에 구조적 강화를 제공하기 위해 제공된다. 따라서, 제 5 복수의 강화 섬유들의 층들은 바람직하게는, 인접한 스포크들의 베이스 영역(base region) 사이의 허브 링 주위에서 연장된다.
바람직하게는, 제 1, 제 2, 제 3, 제 4 및 제 5 복수의 섬유들 각각은 탄소 섬유들로 구성된다.
섬유들은 임의의 적절한 형태로 제공될 수 있다. 복수의 층들 중 적어도 하나에 대한 섬유들은 바람직하게는, 하나 이상의 프리프레그들(prepregs), 세미-프레그들(semi-pregs), 직조된(woven) 또는 직조되지 않은 패브릭들(fabrics), 매트들(mats), 프리-폼들(pre-forms), 선-강화된(pre-consolidated) 프리-폼들, 개별적인 또는 그룹들의 섬유들, 토우들(tows), 토우-프레그들(tow-pregs), 또는 이들의 조합으로 제공되는 섬유들을 포함한다. 허브 링은 단방향 토우(unidirectional tow)로부터 제조될 것임이 예상된다.
섬유들이 적절히 배열되면, 이들은 바람직하게는 매트릭스(matrix)로 주입 및/또는 침투되고, 그 다음 경화(cure)된다. 따라서, 연결부는 바람직하게는, 제 1, 제 2, 제 3, 제 4 및 제 5 복수의 섬유들을 감싸는 매트릭스를 더 포함한다. 임의의 적절한 매트릭스가 이용될 수 있다. 매트릭스는 바람직하게는, 불포화 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리비닐 에스테르, 에폭시, 열가소성 수지(thermoplastics), 유사한 화학적 화합물들 또는 이들의 조합에 기초한다. 바람직한 실시예에서, 매트릭스는 에폭시계(epoxy-based)이다. 다른 실시예에서, 매트릭스는 금속 매트릭스 복합재이다.
복합재 휠은 바람직하게는 단일형 본체로 형성된다. 이것은 통상적으로 매트릭스의 동시 주입 및/또는 침투, 및 그 후 복합재 휠의 각각의 부분의 경화를 수반한다. 이러한 실시예들에서, 허브 부분 및 면 부분 각각은 바람직하게는, 연결부가 준비되는 때에 적어도 부분적으로 미경화(uncure)된다. 연결부 부분은 바람직하게는 복합재 휠과 통합적으로 형성된다.
연결부의 구성요소 부분들 각각에 임의의 적절한 수의 층들이 제공될 수 있다.
제 3 및 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들의 몇몇 별개의 배열들이 가능하다. 일 배열에서, 제 3 또는 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들 중 하나 이상의 층들은, 제 3 또는 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들 중 다른 것의 층들 사이에 배치된다. 다른 가능한 배열에서, 제 3 복수의 강화 섬유들의 층들은 제 1 및 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들 사이에 제공된다. 또 다른 가능한 배열에서, 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들은 제 1 및 제 3 복수의 강화 섬유들의 층들 사이에 제공된다.
바람직하게는, 제 1 복수의 강화 섬유들의 층들이 각각의 스포크의 전방 면을 따라 휠의 림(rim) 부분의 전방 환형 엣지까지 또는 그 근처까지 반경 방향 바깥쪽으로(radially outwardly) 연장되는 것으로 예상된다.
바람직하게는, 제 3 및 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들 각각은 각각의 스포크 주위에서, 허브 링의 전방 엣지 및 내측 환형 표면에 걸쳐, 그리고 허브 판의 전방 면에 걸쳐, 뿐만 아니라 스포크들 사이에서 허브 링의 외측 환형 표면에 걸쳐 연장된다.
제 3 및 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들은 각각의 스포크의 전방 면을 따라 휠의 림 부분의 전방 환형 엣지까지 또는 그 근처까지 바깥쪽으로 연장되는 것으로 예상된다.
허브 링 부분의 내측 직경은 바람직하게는 허브 판의 직경보다 크다.
제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들 각각은 별개의 패브릭에 제공될 수 있다. 이러한 배열에서, 별개의 패브릭들 각각은 서로 스티치(stitch)될 수 있다. 다른 가능한 배열에서, 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들은 단일 패브릭에 제공될 수 있고, 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들은 패브릭에서 인터위브(interweave)된다. 또 다른 가능한 배열에서, 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들 각각은 맞춤화된 섬유 프리폼으로 제공된다.
각각의 스포크의 내측 부분은 바람직하게는, 제조 프로세스 동안 스포크에 지지부(support)를 제공하는 폼(foam) 재료를 포함한다.
허브 판은 약 8mm 및 약 20mm 사이의 두께를 갖는 복합재 라미네이트(composite laminate)로부터 제조될 것임이 예상된다. 허브 판은, 종래의 휠 림(wheel rim) 상에 제공되는 것과 같은 복수의 볼트 홀들, 또는 레이싱 카에 종종 이용되는 것과 같이 중앙 락(lock) 부착 배열을 수용하기 위한 중앙 위치된 홀을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따라, 복합재 휠의 면 부분 및 허브 부분을 함께 연결시키는 방법이 제공되며, 여기서 허브 부분은 일반적 디스크 형상의 허브 판을 포함하고, 면 부분은 복수의 스포크들을 포함한다. 상기 방법은, 허브 판을 둘러싸는 환형 허브 링으로서, 허브 링은 허브 링을 중심으로 적어도 일반적 원주 방향으로 연장되는 복수의 강화 섬유들의 층들을 포함하는, 환형 허브 링을 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한, 휠의 회전축에 대해 일반적 반경 방향으로, 그리고 각각의 스포크의 전방 면을 따라, 허브 링의 전방 엣지 및 내측 환형 표면에 걸쳐, 그리고 허브 판의 전방 면에 걸쳐 연장되는 제 1 복수의 강화 섬유들의 층들을 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은, 각각의 스포크의 후방 면을 따라 일반적 반경 방향으로, 허브 링의 후방 엣지에 걸쳐, 그리고 허브 판의 후방 면에 걸쳐 연장되는 제 2 복수의 강화 섬유들의 층들을 제공하는 단계를 더 포함한다. 추가적으로, 상기 방법은, 제 1 및 제 2 강화 섬유들의 층들을 오버레이하고, 상기 반경 방향에 대해 +30도 및 +60도 사이의 방향으로 연장되는 제 3 복수의 강화 섬유들의 층들을 제공하는 단계; 및 제 1 및 제 2 강화 섬유들의 층들을 오버레이하고, 상기 반경 방향에 대해 -30도 및 -60도 사이의 방향으로 연장되는 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들을 제공하는 단계를 포함한다.
상기 방법은, 보다 상세하게는, 상기 반경 방향에 대해 약 +45도로 연장되는 제 3 복수의 강화 섬유들의 층들을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
추가로, 상기 방법은, 보다 상세하게는, 상기 반경 방향에 대해 약 -45도로 연장되는 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은 또한 바람직하게는, 허브 판의 후방 면에 걸쳐, 허브 링의 후방 엣지에 걸쳐, 허브 링의 외측 환형 표면에 걸쳐, 허브 링의 전방 엣지에 걸쳐, 허브 링의 내측 환형 표면에 걸쳐, 그리고 허브 판의 전방 면에 걸쳐 연장되는 제 5 복수의 강화 섬유들의 층들을 제공하는 단계를 포함하고, 제 3 및 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들은 제 5 복수의 강화 섬유들의 층들을 오버레이한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하는 것이 편리할 것이다. 도면들의 특이성은 본 발명의 앞선 광범위한 설명을 제한하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합재 휠의 면 부분과 허브 부분 사이의 연결부 부분의 부분 단면 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 복합재 휠의 일부의 단면 확대 측면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 복합재 휠의 일부의 다른 부분 단면 사시도이다.
도면들을 참조하면, 면 부분(12) 및 허브 부분(14)을 갖는 복합재 휠(10)이 도시되어 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 허브 부분(14)은 디스크 형상의 허브 판(16)을 포함한다.
허브 판(16)은 8mm 및 20mm 사이의 두께를 갖는 복합재 라미네이트(composite laminate)로 제조된다. 허브 판(16)에는 휠(10)이 피팅(fitting)될 특정 차량에 따라 임의의 적절한 볼트 패턴이 제공될 수 있다. 이러한 배열은 대부분의 종래의 차량들에서 이용된다. 대안적으로, 허브 판(16)은 레이싱 카에서 이용되는 바와 같이, 중앙 락(lock) 배열을 수용하기 위하여 중앙에 위치된 애퍼처(aperture)를 포함할 수 있다.
면 부분(12)에는 일련의 스포크들(18)(이들 중 오직 일부만이 도시됨)이 제공됨을 볼 수 있다. 스포크들(18)은 허브 부분(14)으로부터 림 부분(20)까지 일반적 반경 방향으로(radially) 연장된다.
휠(10)에는 면 부분(12)과 허브 부분(14) 사이에 고유한 연결부가 제공되며, 이 연결부는 원하는 레벨의 휠 강성 및 강도를 제공한다. 연결부는 도 1에서 가장 명확하게 도시된다.
연결부는 허브 판(16)을 둘러싸는 환형 허브 링(22)을 포함한다. 허브 링(22)은 허브 링(22) 주위에서 일반적 원주 방향으로 연장되는 복수의 강화 섬유들의 층들을 포함한다. 허브 링(22)은 단방향 토우로부터 제조될 것임이 예상된다. 상기 링(22)은 레이업(lay-up)의 적절한 단계에서 휠에 배치된다. 바람직하게는, 상기 링(22)은 모든 스포크들(18)의 허브 단부들을 견고한 링에 함께 고정시킨다. 도 1 및 도 2로부터, 허브 링(22)의 내측 직경은 허브 판(16)의 직경보다 커서 허브 링(22)이 허브 판(16) 주위에 안착됨을 볼 수 있다.
연결부는 또한 휠의 회전축에 대해 일반적 반경 방향(R)으로, 및 각각의 스포크(18)의 전방 면을 따라 연장되는 스포크 스트랩(spoke strap)의 형태인 제 1 복수의 강화 섬유들의 층들(24)을 포함한다. 또한, 강화 섬유들의 층들(24)은 허브 링(22)의 전방 엣지(front edge)(26) 및 내측 환형 표면(28)에 걸쳐, 그리고 허브 판(16)의 전방 면(30)에 걸쳐 연장됨을 인식해야 한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 강화 섬유들의 층들(24)은 각각의 스포크(18)의 전방 면을 따라 림 부분(20)의 전방 환형 엣지(19)까지 반경 방향 바깥쪽으로 연장된다.
연결부는 또한 스포크 스트랩의 형태인 제 2 복수의 강화 섬유들의 층들(32)을 더 포함한다. 강화 섬유들의 층들(32)은 각각의 스포크(18)의 후방 면(33)을 따라 일반적 반경 방향(R)으로 연장된다. 강화 섬유들의 층들(32)은 또한 허브 링(22)의 후방 엣지(34)에 걸쳐, 그리고 허브 판(16)의 후방 면(36)에 걸쳐 연장된다.
코너링(cornering) 또는 몇몇 다른 유사한 이벤트 동안 차량의 휠이 높은 횡하중(lateral load)들을 겪는 경우, 타이어를 통해 림에 전달되는 높은 국부적 힘이 존재한다. 이것은 횡하중에 인접한 스포크들에서 굽힘력(bending force)(도로 표면에 대략 연직이고 도로 표면을 향함), 및 도로 표면에 평행하게 정렬된 스포크들에서 비틀림 하중(torsional load)을 초래한다. 제 1 및 제 2 층들(24, 32)에 의해 제공되는 스포크 스트랩 배열은 I-빔과 유사한 구조를 제공함으로써 개별적인 스포크들(18)에서의 굽힘 하중들을 처리한다. 스포크들(18)의 상단 및 바닥에서 층들(24, 32)에 의해 제공되는 연속적이고 정렬된 섬유들은 굽힘에서 최적의 강성 및 강도를 제공한다. 섬유들(24, 32)은 바람직하게는, 효율적인 구조를 달성하기 위해 가능한 한 각각의 스포크(18)의 중립축(neutral axis)으로부터 멀리 배치된다.
비틀림 랩(torsion wrap)의 형태인 제 3 복수의 강화 섬유들의 층들(36)이 또한 제공된다. 강화 섬유들의 층들(36)은 제 1 및 제 2 강화 섬유들의 층들(24, 32)을 오버레이(overlay)한다. 강화 섬유들의 층들(36)은 반경 방향(R)에 대해 약 +45도의 방향(X)로 각각의 스포크(18)의 전방 면에 걸쳐 연장되지만, 원한다면 이러한 각도는 실제적인 제한들 내에서 달라질 수 있다. 강화 섬유들의 층들(36)은 또한 허브 부분(14)으로 연장된다. 이와 관련하여, 강화 섬유들의 층들(36)은 허브 링(22)의 전방 엣지(26)와 내측 환형 표면(28)에 걸쳐, 그리고 허브 판(16)의 전방 면(30)에 걸쳐 연장된다.
연결부는 또한 비틀림 랩의 형태인 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들(40)을 또한 포함한다. 섬유들의 층들(36, 40)은 단일의 비틀림 랩으로 통합될 수 있다. 비틀림 랩은 각각의 스포크(18)의 외측 표면을 커버한다. 그렇지만, 비틀림 랩 상에 마감층(들)(finishing layer(s))(미도시)이 제공될 수 있다.
강화 섬유들의 층들(40)은 또한 제 1 및 제 2 강화 섬유들의 층들(24, 32)을 오버레이한다. 강화 섬유들의 층들(40)은 반경 방향(R)에 대해 약 -45도의 방향(Y)으로 연장되지만, 원한다면 이러한 각도는 실제적인 제한들 내에서 달라질 수 있다. 강화 섬유들의 층들(40)은 또한 허브 링(22)의 전방 엣지(26)와 내측 환형 표면(28)에 걸쳐, 그리고 허브 판(16)의 전방 면(30)에 걸쳐 연장됨으로써 허브 부분(14)으로 연장된다.
층들(36, 40)에 의해 제공되는 비틀림 랩은 스포크들(18)을 통해 전달되는 비틀림 하중들을 처리한다. 회전축에 대해 약 +45/-45도로 정렬된 섬유들은 각각의 스포크(18)의 외측 표면 주위에 생성되는 전단 응력(shear stress)들에 효율적으로 저항할 것이다. 이상적으로, 층들(36, 40)은 효율적인 구조를 달성하기 위해 가능한 한 회전축으로부터 멀리 위치된다.
도면들에 명시적으로 도시되지는 않지만, 제 3 및 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들(36, 40) 각각은, 각각의 스포크(18) 주위에서, 허브 링(22)의 전방 엣지(26) 및 내측 환형 표면(28)에 걸쳐, 그리고 허브 판(16)의 전방 면(30)에 걸쳐, 뿐만 아니라 스포크들 사이에서 허브 링의 외측 환형 표면(44)에 걸쳐 연장된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제 5 복수의 강화 섬유들의 층들(42)이 제공된다. 강화 섬유들의 층들(42)은 허브 판(16)의 후방 면(36)에 걸쳐, 허브 링(22)의 후방 엣지(34)에 걸쳐, 허브 링(22)의 외측 환형 표면(44)에 걸쳐, 허브 링(22)의 전방 엣지(26)에 걸쳐, 허브 링(22)의 내측 환형 표면(28)에 걸쳐, 그리고 허브 판(16)의 전방 면(30)에 걸쳐 연장된다. 즉, 강화 섬유들의 층들(42)은 인접한 스포크들(18)의 베이스 영역(46) 사이에서 허브 링(22) 주위로 연장된다. 이러한 추가적인 복수의 섬유들의 층들(42)은 스포크들(18) 사이에서 허브 부분(14) 주위에 구조적 강화를 제공하기 위해 특히 제공된다.
제 3 및 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들(36, 40)은 제 5 복수의 강화 섬유들의 층들(42)을 오버레이 한다는 것을 이해해야 한다.
앞서 언급된 바와 같이, 제 3 및 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들(36, 40)의 몇몇 상이한 배열들이 가능하다. 일 배열에서, 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들(40) 중 하나 이상은 제 3 복수의 강화 섬유들의 층들(36) 사이에 배치되거나 또는 그 반대도 가능하다. 다른 가능한 배열에서, 제 3 복수의 강화 섬유들의 층들(36)은 제 1 및 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들(24, 40) 사이에 제공된다. 또 다른 가능한 배열에서, 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들(40)은 제 1 및 제 3 복수의 강화 섬유들의 층들(24, 36) 사이에 제공된다.
도 1에서, 제 3 및 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들(36, 40)은 각각의 스포크(18)의 전방 면을 따라 휠(10)의 림 부분(20)의 전방 환형 엣지(19)까지 바깥쪽으로 연장됨을 볼 수 있다.
도시된 실시예에서, 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4(및 가능하게는 제 5) 복수의 강화 섬유들의 층들(24, 32, 36, 40, 42) 각각은 단일 패브릭(single fabric) 내에 제공된다. 이것은, 제 1, 제 2, 제 3, 제 4 및 제 5 복수의 강화 섬유들의 층들을 패브릭 내에 인터위브(interweave)함으로써 달성될 수 있다. 인식될 수 있는 바와 같이, 다양한 섬유들을 단일 패브릭 내에 결합하는 것은 휠 제조 프로세스를 단순화시킬 수 있다. 대안적으로, 강화 섬유들의 층들 중 하나 이상은 별개의(separate) 패브릭에 제공될 수 있다. 별개의 패브릭들이 제공되면, 이들은 스티치(stitch)되거나 그렇지 않으면 함께 결합될 수 있다. 또 다른 가능한 배열에서, 제 1, 제 2, 제 3, 제 4 및 제 5 복수의 강화 섬유들의 층들 각각은 맞춤화된 섬유 프리폼에 제공된다.
도 1 및 도 2는 층들(24, 32, 36, 40, 42) 각각에 대해 단일 요소만을 도시하지만, 실제로는 링(22)의 내부 및 외부에 오버랩(overlap)하는 각각의 요소의 다수의 층들이 존재할 것임을 인식해야 한다. 또한, 구조 전반에 걸쳐 다른 섬유들이 정렬될 수 있다(미도시). 요소들은 구조적 요소들 사이의 결합들이 휠(W)의 일 영역에 정렬되지 않는 방식으로 오버랩해야 함을 주목해야 한다.
각각의 스포크(18)는 폼 재료의 내측 부분(50)을 포함한다. 이것은 제조 프로세스 동안 스포크(18)에 지지부(support)를 제공한다. 본 발명은 도시되고 설명된 특정 스포크 구성으로 제한되는 임의의 방식으로 의도되지 않음을 인식해야 한다. 본 발명은 다양한 스포크 구성들 중 임의의 구성을 갖는 휠들로의 적용을 고려한다. 이와 관련하여, 스포크들(18) 각각은 폼 재료로 채워질 필요가 없음을 인식해야 한다. 그 대신, 각각의 스포크(18)의 내측 캐비티(cavity)는 비어있을 수 있다. 게다가, 스포크들(18) 각각은, 원한다면 속이 찬(solid) 것일 수 있다(즉, 캐비티가 없음).
추가로, 스포크들은 적용 도면들에 도시된 바와 같이, 실질적으로 스트레이트 사이드형(straight-sided)일 필요가 없다. 본 발명은 또한 곡선 사이드들(curved sides)을 갖는 스포크들, 스포크들 사이에 비교적 작은 애퍼처들이 제공되는 휠들을 포함하는, 다양한 다른 구성들을 갖는 스포크들을 갖는 휠들에 관한 것이다.
바람직하게는, 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 복수의 층들 각각은 실제적인 한 스포크(18)의 외측 표면에 근접하게 제공된다. 이것은 배열의 강성 및 강도를 최대화한다.
휠(10)은 바람직하게는, 기존의 공지된 배열들에 비해 더 가볍고, 더 구조적으로 효율적이며, 접착제 또는 체결구들을 이용하여 상이한 재료들로부터 제조된 스포크들과 허브 사이의 결합 구조에 대한 필요성을 회피한다.
본 명세서(청구항들을 포함함)에서 "포함하다("comprise", "comprises", "comprised" 또는 "comprising")"라는 용어들이 사용되는 경우, 이 용어들은 언급된 특징들, 정수들, 단계들 또는 구성요소들의 존재를 특정하는 것으로서 해석되는 것이지만, 그렇다고 하여 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 구성요소 또는 이들 그룹의 존재를 배제하지는 않는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명의 사상 또는 영역을 벗어남이 없이, 앞서 설명된 부분들의 구성 및 배열에 다양한 대안들, 변형들 및/또는 추가들이 도입될 수 있음을 이해해야 한다.

Claims (25)

  1. 복합재 휠의 면(face) 부분과 허브(hub) 부분 사이의 연결부로서,
    상기 허브 부분은 일반적 디스크 형상의 허브 판을 포함하고, 상기 면 부분은 복수의 스포크(spoke)들을 포함하며, 상기 연결부는:
    상기 허브 판을 둘러싸는 환형 허브 링으로서, 상기 허브 링은 상기 허브 링을 중심으로 적어도 일반적 원주 방향(circumferential direction)으로 연장되는 복수의 강화 섬유들의 층들을 포함하는, 환형 허브 링;
    상기 휠의 회전축에 대해 일반적 반경 방향(radial direction)으로, 그리고 각각의 스포크의 전방 면(front face)을 따라, 상기 허브 링의 전방 엣지(edge) 및 내측 환형 표면에 걸쳐, 그리고 상기 허브 판의 전방 면에 걸쳐 연장되는 제 1 복수의 강화 섬유들의 층들;
    각각의 스포크의 후방 면(rear face)을 따라 일반적 반경 방향으로, 상기 허브 링의 후방 엣지에 걸쳐, 그리고 상기 허브 판의 후방 면에 걸쳐 연장되는 제 2 복수의 강화 섬유들의 층들;
    상기 제 1 및 제 2 강화 섬유들의 층들을 오버레이(overlay)하고, 상기 반경 방향에 대해 +30도 및 +60 사이의 방향으로 연장되는 제 3 복수의 강화 섬유들의 층들; 및
    상기 제 1 및 제 2 강화 섬유들의 층들을 오버레이하고, 상기 반경 방향에 대해 -30도 및 -60도 사이의 방향으로 연장되는 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들을 포함하는, 복합재 휠의 면 부분과 허브 부분 사이의 연결부.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 복수의 강화 섬유들의 층들은 상기 반경 방향에 대해 약 +45도로 연장되는, 복합재 휠의 면 부분과 허브 부분 사이의 연결부.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들은 상기 반경 방향에 대해 약 -45도로 연장되는, 복합재 휠의 면 부분과 허브 부분 사이의 연결부.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 허브 판의 후방 면에 걸쳐, 상기 허브 링의 후방 엣지에 걸쳐, 상기 허브 링의 외측 환형 표면에 걸쳐, 상기 허브 링의 전방 엣지에 걸쳐, 상기 허브 링의 내측 환형 표면에 걸쳐, 그리고 상기 허브 판의 전방 면에 걸쳐 연장되는 제 5 복수의 강화 섬유들의 층들을 포함하고, 상기 제 3 및 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들은 상기 제 5 복수의 강화 섬유들의 층들을 오버레이하는, 복합재 휠의 면 부분과 허브 부분 사이의 연결부.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 5 복수의 강화 섬유들의 층들은 인접한 스포크들의 베이스 영역(base region) 사이에서 상기 허브 링 주위에서 연장되는, 복합재 휠의 면 부분과 허브 부분 사이의 연결부.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 허브 링은 단방향 토우(unidirectional tow)로부터 제조되는, 복합재 휠의 면 부분과 허브 부분 사이의 연결부.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 3 또는 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들 중 하나 이상의 층들은, 상기 제 3 및 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들 중 다른 하나의 층들 사이에 배치되는, 복합재 휠의 면 부분과 허브 부분 사이의 연결부.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 3 복수의 강화 섬유들의 층들은 상기 제 1 및 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들 사이에 제공되는, 복합재 휠의 면 부분과 허브 부분 사이의 연결부.
  9. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들은 상기 제 1 및 제 3 복수의 강화 섬유들의 층들 사이에 제공되는, 복합재 휠의 면 부분과 허브 부분 사이의 연결부.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 복수의 강화 섬유들의 층들은, 각각의 스포크의 전방 면을 따라 상기 휠의 림(rim) 부분의 전방 환형 엣지까지 또는 그 근처까지 반경 방향 바깥쪽으로(radially outwardly) 연장되는, 복합재 휠의 면 부분과 허브 부분 사이의 연결부.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 3 및 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들 각각은, 각각의 스포크 주위에서, 상기 허브 링의 전방 엣지 및 내측 환형 표면에 걸쳐, 상기 허브 판의 전방 면에 걸쳐, 그리고 상기 스포크들 사이에서 상기 허브 링의 외측 환형 표면에 걸쳐 연장되는, 복합재 휠의 면 부분과 허브 부분 사이의 연결부.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 3 및 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들은, 각각의 스포크의 전방 면을 따라 상기 휠의 림 부분의 전방 환형 엣지까지 또는 그 근처까지 바깥쪽으로 연장되는, 복합재 휠의 면 부분과 허브 부분 사이의 연결부.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 허브 링 부분의 내측 직경은 상기 허브 판의 직경보다 큰, 복합재 휠의 면 부분과 허브 부분 사이의 연결부.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들 각각은 별개의 패브릭(separate fabric)에 제공되는, 복합재 휠의 면 부분과 허브 부분 사이의 연결부.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 별개의 패브릭들 각각은 함께 스티치(stitch)되는, 복합재 휠의 면 부분과 허브 부분 사이의 연결부.
  16. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들은 단일 패브릭에 제공되고, 상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들은 상기 패브릭에서 인터위브(interweave)되는, 복합재 휠의 면 부분과 허브 부분 사이의 연결부.
  17. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들 각각은 맞춤화된 섬유 프리폼(preform)으로 제공되는, 복합재 휠의 면 부분과 허브 부분 사이의 연결부.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 스포크의 내측 부분은 폼(foam) 재료를 포함하는, 복합재 휠의 면 부분과 허브 부분 사이의 연결부.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 허브 판은 약 8mm 및 약 20mm 사이의 두께를 갖는 복합재 라미네이트(composite laminate)로부터 제조되고, 복수의 볼트 홀(bolt hole)들 또는 중앙 락(lock) 부착 배열을 수용하기 위한 중앙 위치된 홀을 포함하는, 복합재 휠의 면 부분과 허브 부분 사이의 연결부.
  20. 복합재 휠의 면 부분 및 허브 부분을 함께 연결시키는 방법으로서,
    상기 허브 부분은 일반적 디스크 형상의 허브 판을 포함하고, 상기 면 부분은 복수의 스포크들을 포함하며, 상기 방법은:
    상기 허브 판을 둘러싸는 환형 허브 링 부분으로서, 상기 허브 링은 상기 허브 링을 중심으로 적어도 일반적 원주 방향으로 연장되는 복수의 강화 섬유들의 층들을 포함하는, 환형 허브 링 부분을 제공하는 단계;
    상기 휠의 회전축에 대해 일반적 반경 방향으로, 그리고 각각의 스포크의 전방 면을 따라, 상기 허브 링의 전방 엣지 및 내측 환형 표면에 걸쳐, 그리고 상기 허브 판의 전방 면에 걸쳐 연장되는 제 1 복수의 강화 섬유들의 층들을 제공하는 단계;
    각각의 스포크의 후방 면을 따라 일반적 반경 방향으로, 상기 허브 링의 후방 엣지에 걸쳐, 그리고 상기 허브 판의 후방 면에 걸쳐 연장되는 제 2 복수의 강화 섬유들의 층들을 제공하는 단계;
    상기 제 1 및 제 2 강화 섬유들의 층들을 오버레이하고, 상기 반경 방향에 대해 +30도 및 +60도 사이의 방향으로 연장되는 제 3 복수의 강화 섬유들의 층들을 제공하는 단계;
    상기 제 1 및 제 2 강화 섬유들의 층들을 오버레이하고, 상기 반경 방향에 대해 대략 -30도 및 -60도의 방향으로 연장되는 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들을 제공하는 단계를 포함하는, 복합재 휠의 면 부분 및 허브 부분을 함께 연결시키는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 반경 방향에 대해 약 +45도로 연장되는 상기 제 3 복수의 강화 섬유들의 층들을 제공하는 단계를 더 포함하는, 복합재 휠의 면 부분 및 허브 부분을 함께 연결시키는 방법.
  22. 제 20 항 또는 제 21 항에 있어서,
    상기 반경 방향에 대해 약 -45도로 연장되는 상기 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들을 제공하는 단계를 더 포함하는, 복합재 휠의 면 부분 및 허브 부분을 함께 연결시키는 방법.
  23. 제 20 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 5 복수의 강화 섬유들의 층들은, 상기 허브 판의 후방 면에 걸쳐, 상기 허브 링의 후방 엣지에 걸쳐, 상기 허브 링의 외측 환형 표면에 걸쳐, 상기 허브 링의 전방 엣지에 걸쳐, 상기 허브 링의 내측 환형 표면에 걸쳐, 그리고 상기 허브 판의 전방 면에 걸쳐 연장되는 제 5 복수의 강화 섬유들의 층들을 제공하는 단계를 더 포함하고, 상기 제 3 및 제 4 복수의 강화 섬유들의 층들은 상기 제 5 복수의 강화 섬유들의 층들을 오버레이하는, 복합재 휠의 면 부분 및 허브 부분을 함께 연결시키는 방법.
  24. 실질적으로 본 명세서에 설명되고 도시된 복합재 휠의 면 부분 및 허브 부분 사이의 연결부.
  25. 실질적으로 본 명세서에 설명되고 도시된 복합재 휠의 면 부분 및 허브 부분 사이를 연결하는 방법.
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