TWI694013B - 複合材輪圈與複合材輪圈製造方法 - Google Patents

Abstract

一種複合材輪圈，包含一本體，該本體由環形管狀之一外環部、一內環部與一外覆層所組成，該外環部位於該內環部徑向上之外側而與之彼此貼合固定，該外覆層包覆於該外環部與該內環部外而與之貼合固定；其中，該外環部由複數第一複合材纖維層所疊合而成，該內環部由複數第二複合材纖維層所疊合而成，該些第一複合材纖維層中包含至少一第一纏繞層，該些第二複合材纖維層中包含至少一第二編織層，該外覆層係由複合材纖維束沿周向方向纏繞於該外環部與該內環部而形成。

Description

複合材輪圈與複合材輪圈製造方法

本發明係有關於一種複合材輪圈與複合材輪圈之製造方法。

一般來說，以碳纖維等複合材進行輪圈製造時，係先將碳纖維製成帶狀之碳纖維布纏繞於一心軸上，亦或是將碳纖維布層疊貼合於心軸上，再置入模具中進行加熱成型，而碳纖維布多在纏繞或貼合前先預浸樹脂，以利成型。

然而，碳纖維布經過纏繞的重疊或層疊貼合，製成的輪圈表面無法平滑，而產生許多縫隙，且以單一方式貼附的碳纖維布在各層之間會產生更大的縫隙，亦使得輪圈厚度無法降低。

此外，單純以纏繞成型的輪圈結構強度亦較弱，難以應付高強度競賽用之需求。

本發明之主要目的在於提供一種複合材輪圈及其製造方法，能提供結構強度與韌性均佳之複合材輪圈。

為達成上述目的，本發明提供一種複合材輪圈，包含一本體，該本體由一外環部、一內環部與一外覆層所組成，該外環部、該內環部與該外覆 層分別呈環形管狀，該外環部位於該內環部徑向上之外側而與該內環部彼此貼合固定，該外覆層包覆於該外環部與該內環部外而與該外環部與該內環部之外表面貼合固定；其中，該外環部由複數第一複合材纖維層所疊合而成，該內環部由複數第二複合材纖維層所疊合而成，該些第一複合材纖維層中包含至少一第一纏繞層，該至少一第一纏繞層係以複合材纖維束沿周向方向纏繞，該些第二複合材纖維層中包含至少一第二編織層，該至少一第二編織層係以複合材纖維束沿周向方向以走馬編織方式形成，使該至少一第二編織層之複合材纖維束之延伸方向斜向於周向方向，該外覆層係由複合材纖維束沿周向方向纏繞於該外環部與該內環部而形成。

為達成上述目的，本發明提供一種複合材輪圈製造方法，包含以下步驟：

製備第一初胚與第二初胚：備一第一模心與一第二模心，該第一模心與該第二模心分別為環狀且該第一模心之內徑大於該第二模心之外徑，於該第一模心外表面貼疊複數第一複合材纖維層以形成一第一初胚、並於該第二模心外表面貼疊複數第二複合材纖維層以形成一第二初胚，其中該些第一複合材纖維層中包含至少一第一纏繞層，該至少一第一纏繞層係以複合材纖維束沿周向方向纏繞，該些第二複合材纖維層中包含至少一第二編織層，該至少一第二編織層係以複合材纖維束沿周向方向以走馬編織方式形成，使該至少一第二編織層之複合材纖維束之延伸方向斜向於周向方向。

纏繞外覆層：將該第一初胚設於該第二初胚徑向上的外側，以複合材纖維束沿周向方向纏繞於該第一初胚與該第二初胚之外表面，以形成一外覆層。

成型：將纏繞該外覆層之第一初胚與第二初胚置入一模具以加熱成型為一複合材輪圈。

為達成上述目的，本發明亦提供一種複合材輪圈，係以上述複合材輪圈製造方法所製造，係由該第一初胚、該第二初胚及該外覆層所組合成型。

10:第一模心

20:第一複合材纖維層

21:第一纏繞層

22:第一編織層

30:第二模心

40:第二複合材纖維層

41:第二纏繞層

42:第二編織層

60:外覆層

70:模具

80:黏著劑

100:第一初胚

300:第二初胚

400:複合材輪圈

401:外環部

402:內環部

50:加強件

403:外覆層

圖1係本發明之複合材輪圈之剖面圖。

圖1A係圖1之部分放大圖。

圖2與圖3係本發明之第一初胚之製造示意圖。

圖4與圖5係本發明之第二初胚之製造示意圖。

圖6係本發明之輪圈成型前之剖面圖。

圖7與圖8係本發明之成型示意圖。

以下僅以實施例說明本發明可能之實施態樣，然並非用以限制本發明所欲保護之範疇，合先敘明。

請參考圖1與圖1A，本發明提供一種複合材輪圈400，包含一本體，該本體由一外環部401、一內環部402與一外覆層403所組成，該外環部401、該內環部402與該外覆層403分別呈環形管狀，該外環部401位於該內環部402徑向上之外側而與該內環部彼此貼合固定，該外覆層403包覆於該外環部401與該內環部402外而與該外環部401與該內環部402之外表面貼合固定；其中，該外環部401由複數第一複合材纖維層所疊合而成，該內環部402由複數第二複合材纖維層所疊合而成，該些第一複合材纖維層中包含至少一第一纏繞層與至少一第一編織層，該至少一第一纏繞層係以複合材纖維束沿周向方向纏繞，該至少一第一編織層係以複合材纖維束沿周向方向以走馬編織方式形成，使該至少一第一編織 層之複合材纖維束之延伸方向斜向於周向方向，該些第二複合材纖維層中包含至少一第二纏繞層與至少一第二編織層，該至少一第二纏繞層係以複合材纖維束沿周向方向纏繞，該至少一第二編織層係以複合材纖維束沿周向方向以走馬編織方式形成，使該至少一第二編織層之複合材纖維束之延伸方向斜向於周向方向，該外覆層403係由複合材纖維束沿周向方向纏繞於該外環部與該內環部而形成(該第一纏繞層、該第一編織層、該第二纏繞層與該第二編織層之結構請參見圖2至圖8所示)。

請參考圖1至圖8，本發明更提供一種複合材輪圈製造方法，包含以下步驟：

製備第一初胚100與第二初胚300：備一第一模心10與一第二模心30，該第一模心10與該第二模心30分別為環狀且該第一模心10之內徑大於該第二模心30之外徑，於該第一模心10外表面貼疊複數第一複合材纖維層20以形成一第一初胚100、並於該第二模心30外表面貼疊複數第二複合材纖維層40以形成一第二初胚300，其中該些第一複合材纖維層20中包含至少一第一纏繞層21與至少一第一編織層22，該至少一第一纏繞層21係以複合材纖維束(於本實施例中，係為碳纖維束)沿周向方向纏繞，該至少一第一編織層22係以複合材纖維束沿周向方向以走馬編織方式形成，使該至少一第一編織層22之複合材纖維束之延伸方向斜向於周向方向，該些第二複合材纖維層40中包含至少一第二纏繞層41與至少一第二編織層42，該至少一第二纏繞層41係以複合材纖維束沿周向方向纏繞，該至少一第二編織層42係以複合材纖維束沿周向方向以走馬編織方式形成，使該至少一第二編織層42之複合材纖維束之延伸方向斜向於周向方向；於本實施例中，該些第一複合材纖維層20包含複數該第一纏繞層21與複數該第一編織層22，該些第二複合材纖維層40包含複數該第二纏繞層41與複數該第二編織層42，較佳 地，該些第一纏繞層21與該些第一編織層22交錯設置，該些第二纏繞層41與該些第二編織層42交錯設置。

纏繞外覆層60：將該第一初胚100設於該第二初胚300徑向上的外側，以複合材纖維束沿周向方向纏繞於該第一初胚100與該第二初胚300之外表面，以形成一外覆層60；較佳者，係另將一環狀之加強件50設於該第二初胚300徑向上之內側後，再以複合材纖維束沿周向方向纏繞於該第一初胚100、該第二初胚300與該加強件50之外表面，以形成該外覆層60。

成型：將纏繞該外覆層60之第一初胚100與第二初胚300置入一模具70以加熱成型為一複合材輪圈400，於本實施例中，係將該模具70內之空氣抽出以使該模具70內部呈負壓狀態，再注入一黏著劑80(例如樹脂)，使該些複合材纖維束之間的縫隙被該黏著劑80所填滿，再加熱該模具70以成型該複合材輪圈400；然而，於其他可能實施例中，該些第一複合材纖維層與該些第二複合材纖維層之複合材纖維束係先經預浸黏著劑才進行纏繞或編織，再以模具直接成型。

於本實施例中，該第一模心10與該第二模心30分別為可溶性材質所製，於「成型」之步驟後，分別於對應該第一初胚100與該第二初胚300之位置開設孔洞並以有機溶劑將該第一模心10與該第二模心30溶出移除；然而，於其他可能實施例中，該第一模心與該第二模心亦可由其他方法移除，甚或是以其他材料製造(例如發泡材)而不加以移除亦可。

關於編織，該至少一第一編織層22與該至少一第二編織層42中任一者之複合材纖維束以與周向的夾角分類為複數第一纖維束與複數第二纖維束，該些第一纖維束與該些第二纖維束朝周向的相對兩側延伸，較佳者，該些第一纖維束與該些第二纖維束朝周向的相對兩側延伸且分別與周向夾45度角；實務上來說，係以走馬編織機直接於該第一模心與該第二模心上隨著第一模心與第二模心之轉動進行走馬編織。

至於纏繞，則係以複合材纖維束持續沿周向方向纏繞，且每圈複合材纖維束彼此部分重疊，而纏繞的角度可概垂直於周向，亦可斜向於周向，當然，亦可於不同的複合材纖維層以不同的纏繞方向與角度加以組合。

此外，較佳地，該第一模心10的內環面設有一凸緣，該第二模心30的外環面設有一凹溝，該凸緣與該凹溝形狀對應，使該第一初胚100之內環面嵌設至該第二初胚300之外環面，以強化第一初胚與第二初胚的結合以及位置精確性。

藉由上述方法，本發明能提供一種極為進步之複合材輪圈，不僅由單層結構組成，而是由外環圈、內環圈以及包覆外環圈與內環圈之外覆層所組成，特別的是，外環圈與內環圈分別皆具有走馬編織之纖維層與纏繞的纖維層，具有極佳的結構強度，纖維之間的縫隙小，更可降低輪圈厚度、減少樹脂用量，達到輕量化效果，外覆層再將外環圈與內環圈結合為一體，更進一步強化結構強度。

10:第一模心

20:第一複合材纖維層

30:第二模心

40:第二複合材纖維層

50:加強件

60:外覆層

Claims (10)

1. 一種複合材輪圈，包含一本體，該本體由一外環部、一內環部與一外覆層所組成，該外環部、該內環部與該外覆層分別呈環形管狀，該外環部位於該內環部徑向上之外側而與該內環部彼此貼合固定，該外覆層包覆於該外環部與該內環部外而與該外環部與該內環部之外表面貼合固定；其中，該外環部由複數第一複合材纖維層所疊合而成，該內環部由複數第二複合材纖維層所疊合而成，該些第一複合材纖維層中包含至少一第一纏繞層與至少一第一編織層，該至少一第一纏繞層係以複合材纖維束沿周向方向纏繞，該至少一第一編織層係以複合材纖維束沿周向方向以走馬編織方式形成，使該至少一第一編織層之複合材纖維束之延伸方向斜向於周向方向，該些第二複合材纖維層中包含至少一第二編織層，該至少一第二編織層係以複合材纖維束沿周向方向以走馬編織方式形成，使該至少一第二編織層之複合材纖維束之延伸方向斜向於周向方向，該外覆層係由複合材纖維束沿周向方向纏繞於該外環部與該內環部而形成。
2. 如請求項1所述之複合材輪圈，其中該些第二複合材纖維層中更包含至少一第二纏繞層，該至少一第二纏繞層係以複合材纖維束沿周向方向纏繞。
3. 如請求項2所述之複合材輪圈，其中該些第一複合材纖維層包含複數該第一纏繞層與複數該第一編織層，該些第二複合材纖維層包含複數該第二纏繞層與複數該第二編織層。
4. 如請求項1所述之複合材輪圈，其中各該複合材纖維束為碳纖維束。
5. 一種複合材輪圈製造方法，包含以下步驟：製備第一初胚與第二初胚：備一第一模心與一第二模心，該第一模心與該第二模心分別為環狀且該第一模心之內徑大於該第二模心之外徑，於該第一模心外 表面貼疊複數第一複合材纖維層以形成一第一初胚、並於該第二模心外表面貼疊複數第二複合材纖維層以形成一第二初胚，其中該些第一複合材纖維層中包含至少一第一纏繞層與至少一第一編織層，該至少一第一纏繞層係以複合材纖維束沿周向方向纏繞，該至少一第一編織層係以複合材纖維束沿周向方向以走馬編織方式形成，使該至少一第一編織層之複合材纖維束之延伸方向斜向於周向方向，該些第二複合材纖維層中包含至少一第二編織層，該至少一第二編織層係以複合材纖維束沿周向方向以走馬編織方式形成，使該至少一第二編織層之複合材纖維束之延伸方向斜向於周向方向；纏繞外覆層：將該第一初胚設於該第二初胚徑向上的外側，以複合材纖維束沿周向方向纏繞於該第一初胚與該第二初胚之外表面，以形成一外覆層；成型：將纏繞該外覆層之第一初胚與第二初胚置入一模具加熱成型為一複合材輪圈。
6. 如請求項5所述之複合材輪圈製造方法，其中該些第二複合材纖維層中更包含至少一第二纏繞層，該至少一第二纏繞層係以複合材纖維束沿周向方向纏繞。
7. 如請求項6所述之複合材輪圈製造方法，其中該至少一第一編織層與該至少一第二編織層中任一者之複合材纖維束以與周向的夾角分類為複數第一纖維束與複數第二纖維束，該些第一纖維束與該些第二纖維束朝周向的相對兩側延伸。
8. 如請求項6所述之複合材輪圈製造方法，其中該些第一複合材纖維層包含複數該第一纏繞層與複數該第一編織層，該些第二複合材纖維層包含複數該第二纏繞層與複數該第二編織層。
9. 如請求項8所述之複合材輪圈製造方法，其中該些第一纏繞層與該些第一編織層交錯設置，該些第二纏繞層與該些第二編織層交錯設置。
10. 如請求項6所述之複合材輪圈製造方法，其中該第一模心與該第二模心分別為發泡材；其中於「纏繞外覆層」之步驟中，係另將一環狀之加強件設於該第二初胚徑向上之內側後，再以複合材纖維束沿周向方向纏繞於該第一初胚、該第二初胚與該加強件之外表面，以形成該外覆層；於「成型」之步驟中，係將纏繞該外覆層之第一初胚與第二初胚置入該模具後，將該模具內之空氣抽出使該模具內部呈負壓狀態，再注入一黏著劑，使該些複合材纖維束之間的縫隙被該黏著劑所填滿，再加熱該模具以成型為該輪圈；該至少一第一編織層與該至少一第二編織層中任一者之複合材纖維束以與周向的夾角分類為複數第一纖維束與複數第二纖維束，該些第一纖維束與該些第二纖維束朝周向的相對兩側延伸且分別與周向夾45度角；該些第一複合材纖維層包含複數該第一纏繞層與複數該第一編織層，該些第二複合材纖維層包含複數該第二纏繞層與複數該第二編織層；該些第一纏繞層與該些第一編織層交錯設置，該些第二纏繞層與該些第二編織層交錯設置；各該複合材纖維束為碳纖維束；該黏著劑為樹脂；該第一模心的內環面設有一凸緣，該第二模心的外環面設有一凹溝，該凸緣與該凹溝形狀對應，使該第一初胚之內環面嵌設至該第二初胚之外環面。

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