NL1016108C2

NL1016108C2 - Composiet wiel.

Info

Publication number: NL1016108C2
Application number: NL1016108A
Authority: NL
Inventors: Jan Spoelstra
Original assignee: Prins Dokkum B V
Priority date: 2000-09-05
Filing date: 2000-09-05
Publication date: 2002-03-07
Also published as: DE60115290T2; WO2002020252A1; EP1353788A1; DE60115290D1; US6926370B2; AU2001294382A1; ATE310632T1; EP1353788B1; US20030189373A1

Description

Titel: Composiet wiel

De uitvinding betreft een werkwijze voor het vervaardigen van een wiel uit composietmateriaal.

Het vervaardigen van dergelijke wielen is bekend, bijvoorbeeld uit de Europese octrooiaanvrage EP-A-0.377.369. De toepassing van composietmaterialen resulteert onder meer in relatief zeer lichte wielen, wat gunstig is voor het brandstofgebruik en het laadvermogen. De tot op heden geproduceerde wielen schieten echter tekort uit het oogpunt van duurzaamheid, sterkte en veiligheid, waardoor grootschalig gebruik van composiet wielen in het wegtransport tot nog toe niet goed mogelijk is. De uitvinding heeft tot doel dit bezwaar op te heffen en te voorzien in een werkwijze waarbij een techniek wordt toegepast die resulteert in een zeer robuust composiet wiel met een grote structurele integriteit.

Dit doel wordt bereikt door het opbouwen van tenminste twee afzonderlijke preformen, welke preformen respectievelijk een naafdeel en een velgdeel van het wiel vormen, door het samenpersen van matten van georiënteerde vezels tot elk der respectieve preformen; het samenbrengen van de afzonderlijke preformen; het samenpersen daarvan tot één geheel; en het impregneren van dit samengeperste geheel met een synthetische hars.

Het vervaardigingsproces volgens de uitvinding kan zeer gecontroleerd worden uitgevoerd, zodat het aldus gevormde wiel bijzonder goede structurele eigenschappen heeft.

Bij voorkeur omvat het vervaardigingsproces van de uitvinding het komvormig uitvoeren van het naafdeel met een kopvlak en een opstaande rand, welk kopvlak zich in radiale richting van het te vormen wiel uitstrekt en welke opstaande rand zich overwegend in de axiale richting daarvan uitstrekt, en zodanig uitvoeren van het velgdeel, dat bij het samenbrengen van de preformen het opstaand randdeel van het naafdeel zich langs althans een deel van de binnenzijde van het velgdeel uitstrekt.

: ' F : . - F

2

Het velgdeel heeft daarbij een naar de middenas toegekeerde zijde waartegen het naafdeel met de overeenkomstig gevormde komvormige buitenrand over een substantiële afstand geklemd passend aanligt. Door deze klempassing-structuur worden de preformen tot een robuust massief geheel samengeperst die in het verdere deel van het vervaardigingsproces gemakkelijk is te hanteren.De komvormige geometrie van het naafdeel en de corresponderende tapse vorm van het velgdeel maakt het mogelijk dat ze gemakkelijk in elkaar geschoven kunnen worden en ook van zichzelf een gunstige sterkte/stijfheid bezitten. Een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding omvat het in een velgdeel brengen, in de axiale richting aan weerszijden daarvan, van twee met de kopvlakken naar elkaar toegekeerde komvormige naafdelen.

Door het samenbrengen van de preformen kunnen zich afgesloten open ruimtes vormen. Deze ruimtes kunnen worden opgevuld met een niet-impregneerbaar materiaal; dit materiaal is bij voorkeur poly-urethaan. Het dient om te voorkomen dat de ruimtes met synthetische hars worden gevuld zonder dat hierin vezelversterking is aangebracht; zulke delen zouden de constructie onnodig zwaar maken en nadelig zijn voor de sterkte daarvan. Verder kan in de ruimtes transportmateriaal zijn aangebracht dat de hars langs voorbepaalde banen door de ruimte leidt; bij voorkeur zijn dit stroken glasvezels. Dergelijke banen laten het impregneerproces optimaal verlopen.

Bij voorkeur worden de preformen opgebouwd door het snijden van matten uit grotere geweven vezelmatten, met een weefpatroon met twee in hoofdzaak dwars ten opzichte van elkaar gerichte vezeloriëntaties en die zijn voorzien van een onder invloed van warmte hechtend middel; het in aanzienlijke mate oriënteren van de matten in een omtreksrichting en/of in een radiale richting van de preform; en het onder vacuüm in vorm houden en verwarmen van de matten tot de preform is gevormd. De weefsels geven het wiel bijzonder gunstige sterkte-eigenschappen omdat het mogelijk is om zeer nauwkeurig de vezeloriëntatie van de matten te beheersen.

3

De vezels van een mat kunnen een zodanige oriëntatie hebben dat de oriëntatie van vezels ten hoogste 10° afwijkt ten opzichte van de radiale/tangentiële richting van het te vormen wiel, bij voorkeur ten hoogste 5°. In een voorkeursuitvoerinsvorm ligt een de verhouding van dwars ten opzichte van elkaar georiënteerde vezels per eenheidsgewicht in het bereik van 0,7 tot 1,4; deze bedraagt bij voorkeur 1.

Het vervaardigingsproces kan efficiënt worden uitgevoerd, indien de preformen worden opgebouwd met matten die een relatief kleine afmeting en een voorbepaalde, vaste basisvorm hebben. Door het beperken van het aantal toegepaste vormen blijft het vervaardigingsproces hanteerbaar. Door het toepassen van relatief kleine afmetingen kunnen de vezeloriëntaties vloeiend in elkaar overgaan zonder discontinuïteiten of breukvlakken. Een verder voordeel is dat hiermee de gewichtsverdeling in de preform optimaal kan worden beïnvloed.

De werkwijze van de uitvinding kan verder de stappen omvatten van het aanbrengen van een aantal boringen in het samengeperste geheel; en het daarin aanbrengen van nauwkeurig passende metalen bussen vóór de stap van het impregneren. Door deze werkwijze blijft de vezelstructuur rond de metalen bussen optimaal intact; een nauwkeurige passing introduceert een verwaarloosbare extra spanning in de structuur van de vezels. De bussen worden vastgezet in het samengeperste geheel doordat deze door de hars worden verlijmd.

In een verdere voorkeursuitvoering wordt de stap van het impregneren uitgevoerd door het inspuiten van het samengeperste geheel met synthetische hars via inspuitopeningen die uitmonden aan de buitenzijde van het velgdeel, en die in hoofdzaak in één vlak zijn gelegen met het kopvlak van het naafdeel. Deze posities leveren in de praktijk geschikte resultaten op bij het uitharden van de hars.

De uitvinding heeft verder betrekking op een wiel dat volgens tenminste een der bovengenoemde werkwijzen is gevormd.

4

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de tekening, waarbij:

Figuur 1 een schematisch, perspectivisch aanzicht toont van het samenstellen van drie afzonderlijke preformen tot een wiel volgens de uitvinding;

Figuur 2 een schematisch, perspectivisch aanzicht toont van een een naafdeel vormende preform; en

Figuur 3 een dwarsdoorsnede van het wiel volgens de uitvinding toont, gezien vanuit een richting dwars ten opzichte van de middenas.

In de figuren zijn gelijke of overeenstemmende delen weergegeven met gelijke verwijzingscijfers.

Figuur 1 toont een preform 1, een preform 2 en een preform 3, waarbij preform 1 zodanig is vormgegeven dat deze een velgdeel vormt van een te vormen composietwiel 4. Preformen 2 en 3 zijn zodanig vormgegeven dat deze naafdelen vormen van het composietwiel 4, waarbij in figuur 2 zo’n naafdeel 2,3 vanuit de zijkant, gezien ten opzichte van de middenas, is weergegeven. De preformen 1, 2 en 3 zijn opgebouwd uit matten 5, met een vezeloriëntatie die schematisch door middel van de arcering in de tekening is weergegeven. De matten 5 hebben een weefpatroon met twee in hoofdzaak dwars ten opzichte van elkaar gerichte vezeloriëntaties en zijn in aanzienlijke mate georiënteerd in een omtreksrichting en/of in een radiale richting van de preformen 1, 2 en 3. De matten 5 zijn in vaste basispatronen uit vezelmatten gesneden.

De matten 5 die bij het opbouwen van de preformen 1, 2 en 3 zijn toegepast, hebben een relatief kleine afmeting en een voorbepaalde, vaste basisvorm. Bij voorkeur is de afmeting van de basisvormen gelegen tussen 5% en 20% van de grootste lengte van de opgebouwde preform. In de praktijk werden bij de vervaardiging van de in dit uitvoeringsvoorbeeld beschreven wiel acht verschillende basisvormen toegepast. In een mal worden enkele lagen van deze matten, in dit uitvoeringsvoorbeeld variërend t ·* *· ... ί · 'ν'"* '1 ; 1 0 '-35 5 van acht tot achttien lagen, dakpansgewijs, d.w.z. telkens met enige mate aan overlap, over elkaar aangebracht, waarbij de oriëntatie van de vezels steeds in hoofdzaak radiaal/tangentiaal wordt gericht. Als alternatief kunnen de matten ook stotend, d.w.z. met de zijkanten tegen elkaar aan in de mal worden gelegd. De weefsels geven het wiel bijzonder gunstige sterkte-eigenschappen omdat het mogelijk is om zeer nauwkeurig de vezeloriëntatie van de matten te beheersen. De hoekafwijking van de oriëntatie van de matten ten opzichte van de radiale/tangentiële richting van het te vormen wiel bedraagt bij voorkeur niet meer dan 5°. De vezels van beide oriëntatierichtingen hebben bij voorkeur een gelijkwaardige sterkte zodat een goede verhouding van vezels die in een eerste richting zijn georiënteerd ten opzichte van vezels die dwars op die eerste richting zijn georiënteerd ligt in het bereik van 0,7-1,4 per eenheidsgewicht; bij voorkeur bedraagt deze 1. Naarmate de basisvormkleiner is gekozen is het mogelijk de oriëntatie meer radiaal/tangentiaal te richten; de doelmatigheid van het vervaardigingsproces neemt hierbij echter af.

De matten zijn voorzien van een onder invloed van warmte hechtend middel, ook wel een “tackifier” genoemd; nadat de matten op een juiste wijze in de mal zijn aangebracht, wordt deze mal afgesloten door een rubberen afsluitkap, waardoor de matten worden ingesloten tussen de bodem van de mal en de rubberen afsluitkap. Na het sluiten van deze kap wordt het geheel vacuüm gezogen, zodat de matten stevig op elkaar in de gewenste vorm van de preform worden gedrukt. Vervolgens wordt door middel van infrarood-warmtebronnen het geheel enige tijd verwarmd, waardoor onder invloed van de warmte de matten zich door de tackifier aan elkaar hechten.

Het samenstellen van het wiel geschiedt door de naafdelen 2, 3 in de richting van de pijlen P in het velgdeel 1 te brengen. Zoals in figuur 2 is weergegeven, zijn de naafdelen 2 en 3 kom vormig uitgevoerd en hebben ze een kopvlak 6 en een opstaande rand 7. Het kopvlak 6 strekt zich in radiale 6 richting van het te vormen wiel 4 uit. De opstaande rand 7 strekt zich overwegend in de axiale richting daarvan uit. In een samengebrachte toestand van de preformen 1, 2 en 3 strekt de buitenzijde van het opstaand randdeel 7 zich langs althans een deel van de binnenzijde 8 van het velgdeel 1 uit.

De naafdelen 2 en 3 bezitten een concentrische cirkelvormige opening 9 die in het kopvlak 6 is aangebracht. Rondom deze opening 9 worden op regelmatige afstand van elkaar een aantal boringen 10 aangebracht; bij een wiel dat volgens dit uitvoeringsvoorbeeld was vervaardigd, bedroeg dit aantal tien.

Door middel van koolstoftouw of glasvezel (glasmat) kan de preform verder worden afgewerkt, indien het nodig om details van de preform nog wat bij te vormen. Bij een wiel dat volgens dit uitvoeringsvoorbeeld was vervaardigd, werd bijvoorbeeld, zoals in figuur 3 is weergegeven, door middel van koolstoftouw een versterking aangebracht op de schouder 11, dat het aangrijppunt vormt van de buitenband. Een zogenaamde “hump” 12 werd van glasvezel op de velgrand aangebracht; zo’n hump vormt een beveiliging voor het van het wiel aflopen van de buitenband wanneer deze lek zou raken.

Aan de binnenzijde 8 van het velgdeel worden twee ringen van polyurethaan 13 aangebracht. Deze ringen 13 hebben een driehoekige dwarsdoorsnede met een zodanige vorm, dat in de vervolgstap van het samenpersen van het velgdeel 1 en de naafdelen 2 en 3, de ruimte 14 tussen velgdeel 1 en naafdelen 2, 3 in het vlak van het kopvlak nagenoeg geheel is opgevuld. Dit is noodzakelijk om te voorkomen dat in het wiel aanwezige open ruimtes met synthetische hars worden gevuld zonder dat hierin vezelversterking is aangebracht; zulke delen zouden de constructie onnodig zwaar maken en nadelig zijn voor de sterkte daarvan. Tussen de polyurethaan ringen 13 is een laag glasvezelmateriaal 15 aangebracht. Dit laagje 15 dient daarbij als een transportmateriaal om de hars door de 7 structuur te geleiden. Twee cirkelvormig randdelen 16 vormen aan de buitenzijden van het velgdeel 1 een versterkende verbinding tussen het velgdeel 1 en de respectieve naafdelen 2 en 3.

In de impregneerstap wordt het samengeperste geheel in een impregneermal gebracht en opgesloten. Daarbij worden metalen bussen 17, bij voorkeur aluminium bussen, in de boringen 10 gestoken, zodat de bussen door vormsluiting bij het impregneren vast met de vezelstructuur worden verlijmd.

Het inspuiten van synthetische hars in de impregneermal geschiedt via in figuur 2 afgebeelde inspuitopeningen 18. De inspuitopeningen 18 monden uit aan de buitenzijde van het (niet in figuur 2 weergegeven) velgdeel 2. Aan deze zijde zijn op regelmatige afstand van elkaar, in het vlak 19 dat samenvalt met het kopvlak 6 van het in het velgdeel 1 gebrachte naafdeel 2 de inspuitopeningen 18 in de mal (niet weergegeven) aangebracht. De combinatie van op deze wijze gepositioneerde inspuitopeningen 18 en de eerdergenoemde transportstrook van glasvezel bereikt een zeer gelijkmatige en optimale impregnering van het samengeperste geheel waarbij de hars uithardt vanuit de verst gelegen delen vanuit de inspuitopeningen. Hierdoor wordt vermeden dat bepaalde delen van de samengeperste preform niet door de hars wordt bereikt, wat zeer nadelig zou zijn voor de sterkte/stijfheid van de constructie. Anderzijds wordt daarmee zoveel moge lijk vermeden dat bij het uitharden krimpeffecten optreden die ongunstige spanningen in de constructie introduceren, wat eveneens nadelig is voor de sterkte/stijfheid.

Nadat het aldus gevormde wiel uit de impregneermal is verwijderd, wordt het wiel afgewerkt en voorzien van een UV-bestendige kunststof kap 20 die bijvoorbeeld met epoxylijm tegen het naafdeel 1 wordt gelijmd.

Het zal de vakman duidelijk zijn dat de uitvinding niet beperkt is tot de aan de hand van de tekening beschreven uitvoeringsvoorbeelden, j j ..«i 8 maar allerlei variaties daarop kan omvatten. Zo is in de bovenstaande figuurbeschrijving een uitvoeringsvorm van een wiel volgens de uitvinding besproken met twee met de kopvlakken naar elkaar toegekeerde komvormige naafdelen 2, 3. De uitvinding kan echter ook worden toegepast met een enkel naafdeel, dat vanaf één zijde in een velgdeel wordt gebracht en samengeperst. In deze uitvoeringsvorm dient het velgdeel tenminste aan de tegenover het naafdeel liggende zijde verzwaard te worden uitgevoerd.

Dergelijke variaties worden geacht te liggen binnen de beschermingsomvang van de hiernavolgende conclusies.

Claims

1. Werkwijze voor het vervaardigen van een composiet wiel, gekenmerkt door de stappen van: - het opbouwen van tenminste twee afzonderlijke preformen (1,2, 3), welke preformen respectievelijk een naafdeel (2,3) en een velgdeel (1) van het wiel vormen, door het samenpersen van matten van georiënteerde vezels (5) tot elk der respectieve preformen; - het samenbrengen van de afzonderlijke preformen; - het samenpersen daarvan tot één geheel; en - het impregneren van dit samengeperste geheel met een synthetische hars.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de preformen worden opgebouwd door - het zodanig komvormig uitvoeren van het naafdeel (3) dat een kopvlak (6) daarvan zich in radiale richting van het te vormen wiel (4) uitstrekt en dat een opstaande rand (7) daarvan zich overwegend in de axiale richting van het te vormen wiel uitstrekt, en - het zodanig uitvoeren van het velgdeel (1), dat bij het samenbrengen van de preformen het opstaand randdeel van het naafdeel zich langs althans een deel van de binnenzijde (8) van het velgdeel uitstrekt.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de preformen worden samengebracht door - het brengen in een velgdeel, in de axiale richting aan weerszijden daarvan, van twee met de kopvlakken naar elkaar toegekeerde komvormige naafdelen (2,3).

4. Werkwijze volgens tenminste één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat door het samenbrengen van de preformen gevormde 101 in OU afgesloten open ruimtes (14) worden opgevuld met een niet-impregneerbaar materiaal en door een transportmateriaal (15), dat de hars langs voorbepaalde banen door de ruimte (14) leidt.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat het materiaal dat niet door hars kan worden geïmpregneerd, poly-urethaan (13) is.

6. Werkwijze volgens conclusie 4 of 5, met het kenmerk, dat het transportmateriaal bestaat uit stroken glasvezels.

7. Werkwijze volgens tenminste één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de preformen worden opgebouwd door - het snijden van matten (5) uit grotere geweven vezelmatten, met een weefpatroon met twee in hoofdzaak dwars ten opzichte van elkaar gerichte vezeloriëntaties en die zijn voorzien van een onder invloed van warmte hechtend middel; - het in aanzienlijke mate oriënteren van de vezels van de matten in een omtreksrichting en/of in een radiale richting van de preform; en - het onder vacuüm in vorm houden en verwarmen van de matten tot de preform (1,2,3) is gevormd.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de oriëntatie van vezels ten hoogste 10° afwijkt ten opzichte van de radiale/tangentiële richting van het te vormen wiel.

9. Werkwijze volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de oriëntatie van vezels ten hoogste 5° afwijkt ten opzichte van de radiale/tangentiële richting.

10. Werkwijze volgens tenminste een der conclusies 7 - 9, met het kenmerk, dat verhouding van vezels die in een eerste richting zijn georiënteerd ten opzichte van vezels die dwars op die eerste richting zijn georiënteerd ligt in het bereik van 0,7-1,4 per eenheidsgewicht.

11. Werkwijze volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat de verhouding 1 bedraagt per eenheidsgewicht.

12. Werkwijze volgens tenminste één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de preformen worden opgebouwd met matten (5) die een relatief kleine afmeting en een voorbepaalde, vaste basisvorm hebben.

13. Werkwijze volgens tenminste één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het vervaardigen van het wiel verdere stappen omvat van - het aanbrengen van een aantal boringen (10) in het samengeperste geheel; en - het daarin aanbrengen van nauwkeurig passende metalen bussen (16) vóór de stap van het impregneren.

14. Werkwijze volgens tenminste één der conclusies 2-13, met het kenmerk, dat de stap van het impregneren wordt uitgevoerd door - het inspuiten van het samengeperste geheel met synthetische hars in een richting die hoofdzaak in één vlak ligt met het kopvlak (6) van het naafdeel (2,3).

15. Wiel met het kenmerk, dat deze is gevormd volgens de werkwijze van een der voorgaande conclusies. 1 Wiel volgens conclusie 15, met het kenmerk, dat deze de afmetingen bezit voor toepassing als vrachtwagenwiel.