TWI603863B - 機器加工的車輛用強化纖維輪圈及製作該輪圈的方法 - Google Patents

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Description

機器加工的車輛用強化纖維輪圈及製作該輪圈的方法
本發明是關於一種用於車輛的輪圈，應用於例如由內燃機驅動的車輛，例如汽車，卡車或多用途車輛，或者例如肌肉動力及/或電力驅動的車輛，例如自行車，即如比賽用自行車，山岳自行車或鐵人三項自行車。該輪圈包括一個輪胎接觸裝置，用於固定一鉗夾/鉗夾—輪胎或一軟管/ 管狀/筒狀輪胎，其中該輪胎接觸裝置包括一芯材，由至少一種強化絲線包覆（在以下的說明中，「包覆」也可稱為「纏繞」），使該芯材幾乎主要或幾乎完全由該強化絲線所形成的至少一個支撐層所包覆。
在本技術領域中，一種已知的輪圈製造方法記載於德國專利案DE 10 2007 042 198 A1。該專利案建議一種輪圈環的製造方法，用來製造輪圈，特別是緊鉗式輪圈。其中所描述的方法包括以下步驟：提供一個由固化複合纖維材料製成的輪圈外廓，提供一個塑料成型元件，提供至少一個由複合纖維材料製成的覆蓋層，將該塑料成型元件沿徑向***在該輪圈外廓內，以及將該覆蓋層相對該塑料成型元件和該輪圈外廓定位，以使覆蓋層的至少一部分從該塑料成型元件延伸到該輪圈外廓的外側。上述此早期文件還涉及將複合纖維材料製成的輻條固裝到一輪圈環的方法。該較早文獻最後還涉及一種輪圈環，一種緊鉗式輪圈和包括該緊鉗式輪圈的自行車。
此外，WO 2011/096805 A1也揭示一種製造強化纖維產品的裝置和方法。該文件特別公開了環形的強化纖維複合材料製品。
很久以來輪圈就已經使用在車輛，以支撐輪胎。這種輪圈可使用在由內燃機驅動的車輛，例如汽車，卡車或其它多用途車，但也可使用在肌肉動力的車輛，例如自行車。
在自行車領域中，業者已經嘗試使用各種不同的材料來製作輪圈，例如所謂的鋁合金輪圈，鋼質輪圈，鈦合金輪圈，以及所謂的複合輪圈/複合材料輪圈。上述的複合輪圈一般可以理解為包括不同的材料的輪圈。這種複合輪圈的一種特定形態為纖維複合輪圈，亦即使用強化纖維，例如短纖維或長纖維構成的輪圈。該纖維通常是埋設在樹脂中。將該樹脂在製造過程中硬化，以提供全部完成的輪圈。在絕大多數的製程中，最後都還需使用一個或多個修整加工步驟，以對完成後，包括強化纖維的輪圈產物表面加工，加工方法通常就是研磨。
纖維複合輪圈的優點在過去20年中已經變得明顯，因為這種類型的輪圈比起以纖維複合材料以外的材料製成的輪圈，重量較輕且硬度較高。這種輪圈也都能克服尤其是在高端領域應用上的考驗，例如比賽用自行車，鐵人三項自行車和山岳自行車等用途。
不幸的是，迄今現有纖維複合輪圈仍然過於昂貴，並且在剛性和輕量化方面，仍有改善空間。
本發明的目的即是要解決上述問題，以消除或至少改善上述已知技術的缺點。本發明特別提供一種適於以機器加工的輪圈，以及用來製作該輪圈的方法，以降低製作成本，並改善輪圈，使其具有優於習知輪圈的剛性和減輕的重量。
根據本發明，上述目的可透過將該輪胎接觸裝置以至少一覆蓋層，至少覆蓋其徑向內側，加以達成。其中，該覆蓋層是由至少一種強化絲線所形成，以在該覆蓋層與該輪胎接觸裝置之間，形成一個強化環件層。
本發明有利的實施例記載於申請專利項的從屬項，並詳細說明如下。
一種有利的實施方式是將該強化絲線形成一種平坦的長形狀，例如包括碳纖維絲線，芳族聚酰胺纖維絲線及/或玻璃纖維絲線，或由該等絲線形成。尤其是碳纖維絲線，屬性特別適用於形成輪圈的構造。
為要將輪圈連接到輪轂殼體，本發明有利的實施方式是在該覆蓋層的內部的徑向上提供孔洞，用於容納輻條，該輻條完全或部分穿過該覆蓋層，以及該強化環件。由於在鐵人三項自行車或長時間騎用自行車的領域中，空氣動力學的特性特別重要。因此，在該覆蓋層與該支撐層之間，提供一種空氣動力學強化組件，諸如形成一間隔組件的類型，將更形有利。該空氣動力學強化組件配置用於形成輪圈的外部形狀。該空氣動力學強化組件可以由發泡型材料製成。此外該發泡材料還可充當夾層的心層，特別是這種形式的輪圈可以設計成具有非常薄的壁厚的積層，厚度小於1.0毫米，而為大約0.5至0.7mm之間，而使輪圈表面在負荷下仍不會鼓起。相對於現有技術中用來製作輪圈的預浸料工程中所廣泛使用的中空吹塑技術，本發明的方法具有絕對的優勢，且甚至比起拉擠成形方法，本發明的方法也是一種較佳的選擇。事實上，拉擠成形技術並不適合製造在輪圈的側部厚度只有大約0.5mm的壁厚，且適合於纖維材質的輪圈，且所形成的薄的壁厚如果沒有加上夾層的芯材，將會***，不會保持不變形。本發明的發泡芯材具有夾層功能，可以支撐全部輪圈的剛度。該發泡芯材可與輪圈積層體相互作用，對局部的抗膨出剛度，發揮穩定化的功能。
本發明一個有利的實施例中，特徵還在於該空氣動力學強化組件是配置在該支撐層的徑向內側，並未在該強化環件的徑向外側及/或由該覆蓋層覆蓋/封閉在其徑向端面上。
一種有利的設計是該空氣動力學強化組件較好完全以一發泡材料構成。該發泡材料的耐壓力達約10巴，或甚至高達約50巴且/或該發泡材料的耐溫度達到120°C及/或甚至高達約200°C，如為Rohacell發泡體。
其他聚甲基丙烯酰亞胺結構，即聚合物結構，也合適應用在本發明。由該聚合物結構製成硬性塑料（PMI）​​和硬性發泡體（PMI-E），特別是聚酰亞胺。
特別是上述材料可以經過適當的加工，使其重量減輕，但在纏繞之後仍然具有足夠尺寸穩定性。
如果將該空氣動力學強化組件構成多數在圓周方向上彼此相鄰的區段，將使其儲存更形容易。
特別是在以區段形式的空氣動力學強化組件，各區段可以機械加工成形，例如通過研磨或車削製造，而製得特別精確的區段。為要能以簡單且永久的方式可拆卸地將輪胎，例如為輪胎的鉗夾/夾鉗－輪胎安裝到該輪圈，有利的方式是使該支撐層和該覆蓋層形成兩個相鄰的腹板。
一種有利的實施方式是使各個腹板都形成一個制動側翼及/或一個輪圈側部，用於緊固一個輪胎/外部蓋體，其方式可為形狀鎖合及/或強迫鎖合，較好是以適當方式囓合到該輪圈側部的背部及徑向外側。而在該輪圈側部本身，則形成一個具有研磨的囓合區域的制動墊，例如懸臂形制動墊。
一種有利的實施方式是將兩個腹板形成兩個在軸向間隔，且主要面向徑向外側的凸緣部，並使其遠端彼此相對，例如在軸向上彼此相對。
特別是如果將該強化絲線埋設在樹脂內，如環氧樹脂，熱固性樹脂及/或熱塑性樹脂內，則可形成可載入，剛性且同時具輕量的輪圈。特別是在自行車領域，這些特性極其重要。
可以將該輪胎接觸裝置的芯材及/或該強化環件設計成為一個連續的環形、不可壓縮的元件，這種構成使該強化絲線可加以包覆/纏繞，並可避免負載/點負載過度集中在區段上。這種設計可以防止該強化絲線在施用處收縮。
在上述設計下，一種有利的作法是將該不可壓縮的元件建置成例如一個硬化的樹脂環件，例如具有短及/或長纖維的碳纖維，芳族聚酰胺纖維或玻璃纖維的樹脂環件。同時，組合短纖維和長纖維的材質，以及組合碳纖維，芳族聚酰胺纖維和玻璃纖維的材質，也是可能的應用方式。
如果該強化環件是設計成實心的芯材或中空的芯材，例如包括一個或多個中空腔室，則可以進一步減輕重量。
另一種有利的實施例是以兩條或多條強化絲線形成該支撐層。該強化絲線彼此相鄰，形成一封閉的層。在這種設計下，也可使該強化絲線互相重疊，以形成一封閉的層。該連續的支撐層還可以設計成使其以螺旋形狀，在該輪圈的圓周延伸，或以多個螺旋層的方式疊加。
一種有利的實施方式是將該支撐層以一個或多數的第一分層，一個或多數的第二分層及一個或多數的第三分層形成。其中， 該第一分層的單一強化絲線或多數強化絲線較佳的以對該圓周方向正交，大約呈一個 85° +/- 1° 到2°的角度的方式配置，圍繞該芯材延伸。該第二分層包圍該一個或多數的第一分層，並包括單一強化絲線或多數強化絲線，較佳的以對該圓周方向平行，大約呈一個 0° +/- 1° 、2°或呈一個16° +/- 1° 、2°、 3°、 4° 或 5°的角度的方式配置。且該第三分層包圍該一個或多數的第二分層，且該一個或多數的第三分層包括單一強化絲線或多數強化絲線，並以與該一個或多數的第一分層相同的方式配置。
本發明也提供一種設備/機器，用於將該單一強化絲線或多數強化絲線以可控制的方式，並以足夠精確的方式施用。本發明的有利設計是以一個強磁性檢測構件、一個磁體或一個偵測器以施力方式***於該芯材及/或包覆在該支撐層之下。
通過對腹板的遠端，以銑削、切割、研磨或車削的方式加工可以將目標材料移除，因而使囓合該鉗夾的輪圈，在幾何尺寸上可以設計成高效能並能加載。
就該供輻條***用的孔洞而言，一種有利的作法是以鑽孔，銑削或打孔的方式形成該孔洞。
一種適宜的實施方式是將該覆蓋層以塗布層及/或塗裝層，例如全部或至少部分覆蓋其外部表面。
本發明還涉及一種用於製作例如根據本發明形態的纖維複合輪圈的方法，該方法包括優選地在時間順序進行的下列步驟： a）以一強化絲線包覆/纏繞一個較好為封閉的環形芯材，以在該芯材上施加一連續的支撐層，並形成一個輪胎接觸裝置。 b）定位該輪胎接觸裝置於相鄰一大致為環形的空氣動力學強化組件之處，該空氣動力學強化組件作為一間隔物及一強化環件，且較佳為具有一封閉全表面的環狀，及 c）以一強化絲線或多數強化絲線包覆該輪胎接觸裝置，該空氣動力學強化組件及該強化環件，以形成一覆蓋層。
本發明的製造方法即使在高工資國家，也具有成本效益，並且可以迅速進行加工。該空氣動力學強化組件是設計成一種發泡芯材的形式，具有支撐的功能及分隔的功能，並將該內部環件或多數內部環件固定，以使該第二環件的包覆/纏繞步驟可以用來以一種基本上具尺寸穩定性及精確的方式，產生該積層結構。該發泡芯材在一個RTM樹脂注入步驟中，具有空間保持功能，使其在10巴的壓力下和高達200°C的高溫下，仍然不會塌陷，且以這種方式產生的空腔也會被不需要的樹脂填充。該發泡芯材還提供整形功能，可以理想的產生良好的空氣動力學特性。
此外，該方法可以有利地進一步發展，即該空氣動力學強化組件是以90°角分成四個區段。理所當然，也可以60°角分成六個區段，或以任何數量的區段，平分360°角。例如，以72°角分成五個區段、以120°角分成三個區段等等。
一種適宜的實施方式是將該輪胎接觸裝置、該空氣動力學強化組件以及該強化環件以一種正向/形狀配合及/或非正向/力配合的方式保持在一起，形成一個輪圈前身。
在本發明一種有利的實施例中，其特徵還在於，該輪圈前身是由一個以單一強化絲線或兩條或多條強化絲線製成的覆蓋層包覆/纏繞。特別是，使用兩條強化絲線的實施方式已證明是特別有利的安排。
在本發明一種有用的實施方式中，該輪圈前身中包含單一強化絲線或多條強化絲線，並具有或不具有覆蓋層的區域，是以樹脂浸透/浸泡，且/或使用以樹脂浸漬的強化絲線。
在該覆蓋層施加之後，且在該覆蓋層硬化之前/之後，該覆蓋層和該支撐層的徑向最外部分以例如機器加工的方式切削，以達到該芯材，並予移除。以這種方式可以容易的提供一個緊鉗式輪圈。
在本發明一種有利的實施例中，該切削可由一銑削步驟實現。
為了不使輪圈彼此相對的邊緣部分扣壓該芯材，在本發明的有利實施例中，將該芯材在切削過程中部分或較好為全部切斷。當時切斷的芯材各個部分可容易地從輪圈移除。
在本發明有利的實施例中，在切削時，是切削到該支撐層的徑向內側部分以內。
此外，在本發明的有利實施例中，在切削後將包含該覆蓋層以及該支撐層的一個環狀部份的橋接環，加以移除，並將該芯材移除，以形成該輪圈的邊緣。
本發明一個有利的實施例中，其特徵還在於，在硬化後，將用於接收輪輻的孔洞引入到該覆蓋層，該強化環件及/或該空氣動力學強化組件中。
在本發明中，一種有利的實施方式是以鑽孔方式形成該孔洞。
最後，根據本發明一種有利的實施例，緊接在該硬化或該鑽孔的步驟之後，以塗料施用於該覆蓋層上，或塗布該覆蓋層的外部表面，以提高其識別性。此外，也可以提供例如一個反射表面。
以下將參照顯示本發明製造一輪圈的方法的圖式，詳細說明本發明的內容。
所附的圖式僅為示意圖，目的僅為供理解本發明內容之用。
芯材3是由至少一條強化絲線4包覆，而形成一個支撐層5。該強化絲線4是包含在支撐層5中，並嵌入於一樹脂床內。強化絲線4是由未圖示的捲繞裝置施加。較好以兩條強化絲線4纏繞成為第一支撐層5，由該芯材3的第一側開始纏繞，而在芯材3的相對側也開始形成一個以不同的強化絲線4纏繞而成的另一個支撐層5。
其後使兩個支撐層5沿相同的圓周方向逐漸「成長」。不過，圖1並沒有顯示這種過程。這種形成的過程可以參照前面所提到的專利文獻WO 2011/096805 A1所記載。
空氣動力學強化組件7是由多數區段6所組成，將該多數區段6夾持在受到該支撐層5所包圍的芯材3的徑向內側。此外，另以強化環件8夾持在該空氣動力學強化組件7的徑向內側，形成組件。
上述的組件形成一個輪圈前身9，如在圖1的中央部份所示。
在隨後的步驟中，該輪圈前身9再度利用一台纏繞機，以該強化絲線4包覆。這種可以形成環形的纏繞裝置可見於WO 2011/096805 A1的記載。以這種方式形成一覆蓋層10。
該覆蓋層10也因此而覆蓋芯材3的徑向外側，與支撐層5完全相同向。
覆蓋層10的形成方式可以與形成該支撐層5的方式類似或相同，如以上所述。因此也特別可以使用多數的強化絲線4形成。
在隨後的步驟中，將芯材3露出並切斷。在此步驟中，先將一個由支撐層5及覆蓋層10的一部分形成的橋接環11切除，尤其是以銑削或車削方式切除。其結果，芯材3也會被切成三個部分。其中兩個軸向外側的部分大小相同。隨後將該芯材的三個部分，以及該橋接環11移除並丟棄。在此步驟之後，具有凸緣部13的腹板12仍然保留在結構體中。內部可以用來固定嚙合一個夾鉗。
該凸緣部13的遠端14朝向彼此對準。
製作完成的輪圈1顯示在圖1中的左下方。從圖中可以看到，該芯材3也可以建置成玻璃纖維貼布，或為膠乳元件，橡膠元件，注射塑形元件，或為拉擠成型工序或RTM製程所形成的元件。
以上說明也可比照適用於該強化環件8。經實驗後也顯示玻璃纖維芯材和碳纖維芯材能夠提供較發泡材料更足夠大的密度和強度。在這種方式下，即可避免該強化纖維4在該區段6內的收縮。
在製作的最後步驟中，將孔洞（未圖示）引入到該覆蓋層10及該強化環件8。同時也可能施以有色塗層和塗料。
該輪胎接觸裝置2也可稱為輪胎接觸裝置。該輪圈1也可以稱為纖維複合輪圈。
該輪圈前身9中含有各該強化絲線4的部分區域可以與強化絲線4一起使用樹脂浸透，如圖1中最右方部分所示。但也可以分別浸透，如圖中中間部分所示該輪圈前身9的區域。如果是分別浸透，則是在時間上錯開，先完成該支撐層5的浸透，之後才浸透該覆蓋層10。
硬化的方式可以使用任何已知的方法，而以提高溫度及/或提高壓力的方式進行。
1‧‧‧輪圈/纖維複合輪圈
2‧‧‧輪胎接觸裝置
3‧‧‧芯材
4‧‧‧強化絲線
5‧‧‧支撐層
6‧‧‧區段
7‧‧‧空氣動力學強化組件
8‧‧‧強化環件
9‧‧‧輪圈前身
10‧‧‧覆蓋層
11‧‧‧橋接環
12‧‧‧腹板
13‧‧‧凸緣部分
14‧‧‧遠端
圖1顯示一種輪圈1的組成，該輪圈適用於自行車。該輪圈1包括一個輪胎接觸裝置2。該輪胎接觸裝置2包括一個芯材3。該芯材3可以是玻璃纖維芯材。但在製作完成的輪圈中，並不包含該玻璃纖維芯材。
1‧‧‧輪圈/纖維複合輪圈
2‧‧‧輪胎接觸裝置
3‧‧‧芯材
4‧‧‧強化絲線
5‧‧‧支撐層
6‧‧‧區段
7‧‧‧空氣動力學強化組件
8‧‧‧強化環件
9‧‧‧輪圈前身
10‧‧‧覆蓋層
11‧‧‧橋接環
12‧‧‧腹板
13‧‧‧凸緣部分
14‧‧‧遠端

Claims (10)

  1. 一種車輛用輪圈(1)，包括一個輪胎接觸裝置(2)，製作用以緊固一個夾鉗或一管狀輪胎，其中該輪胎接觸裝置(2)包括一個芯材(3)，該芯材(3)由至少一條強化絲線(4)所包覆，以使該芯材(3)由至少一個由該強化絲線(4)所形成的支撐層(5)覆蓋；其特徵在於，該輪胎接觸裝置是以一覆蓋層(10)至少覆蓋其徑向內側，該覆蓋層(10)是以至少一條強化絲線(4)所形成，並使一強化環件(8)提供於該覆蓋層(10)與該輪胎接觸裝置(2)之間。
  2. 如申請專利範圍第1項之輪圈(1)，其特徵在於，該強化絲線(4)包括一碳纖維絲線、芳族聚酰胺纖維絲線及/或玻璃纖維絲線，或由一碳纖維絲線、芳族聚酰胺纖維絲線及/或玻璃纖維絲線形成。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之輪圈(1)，其特徵在於，在該覆蓋層(10)的徑向內側提供用於收容輻條的孔洞，該孔洞也完全或部分穿過該強化環件(8)。
  4. 如申請專利範圍第1項之輪圈(1)，其特徵在於，提供一個空氣動力學強化組件(7)在該覆蓋層(10)與該支撐層(5)之間，並位在該強化環件(8)的徑向外側。
  5. 如申請專利範圍第4項之輪圈(1)，其特徵在於，該空氣動力學強化組件(7)是配置在該支撐層(5)的徑向內側上，並配置在該強化環件(8)的徑向外側上及/或被該覆蓋層(10)覆蓋其軸向端面。
  6. 一種製作纖維複合輪圈(1)的方法，包括如下步驟： a)以一強化絲線(4)包覆一個芯材(3)，以在該芯材(3)上施加一支撐層(5)，並形成一個輪胎接觸裝置(2)；b)以一空氣動力學強化組件(7)夾持在該輪胎接觸裝置(2)的徑向內側，及以一強化環件(8)夾持在該空氣動力學強化組件(7)的徑向內側；及c)以一條強化絲線(4)或多條強化絲線(4)包覆該輪胎接觸裝置(2)、該空氣動力學強化組件(7)及該強化環件(8)，以形成一覆蓋層(10)。
  7. 如申請專利範圍第6項的方法，其特徵在於：該空氣動力學強化組件7是以四個以90°角分割的區段(6)形成。
  8. 如申請專利範圍第6或7項的方法，其特徵在於：以形狀配合及/或施力配合的方法，將該輪胎接觸裝置(2)與該空氣動力學強化組件(7)及該強化環件(8)保持在一起，形成一個輪圈前身(9)。
  9. 如申請專利範圍第8項的方法，其特徵在於：將該輪圈前身(9)以該由一條強化絲線(4)或兩條強化絲線(4)形成的覆蓋層(10)包覆。
  10. 如申請專利範圍第9項的方法，其特徵在於：將該輪圈前身(9)中，具有或不具有覆蓋層(10)的區域，包括一條強化絲線(4)或兩條強化絲線(4)，以樹脂浸透及/或使用一預先以樹脂浸透的強化絲線(4)。
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