專利名稱：加強復合輪圈的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種復合輪圈，更具體地涉及一種用于在諸如自行車和 輪椅的人力車上使用的加強復合輪圈。
背景技術：
碳纖維輪圈(這里泛指纖維樹脂塑料輪圈和復合輪圈)堅固且輕質， 因此廣泛用于人力車車輪。碳纖維復合輪圈由類似于織物片材的材料片 材制成。這些片材包括在環(huán)氧底材中固化的碳纖維。環(huán)氧底材內(nèi)的纖維 可以沿期望方向定向。例如，碳纖維可沿南北方向定向，或者沿東西方 向定向。雖然碳纖維在它們的定向方向上非常堅固，但它們在定向的垂 直方向上不夠堅固。
碳纖維輪圈的一個缺點是它們通常不適于吸收徑向沖擊，該徑向沖 擊是一種在自行車輪撞到路面凹坑時產(chǎn)生的沖擊。在與路面凹坑劇烈碰 撞時，車輪的徑向向外的輪胎接合表面可能撞擊路面凹坑的邊緣，從而 可能導致傳統(tǒng)輪圈脫層或產(chǎn)生裂縫。
參照圖i，示出了現(xiàn)有技術輪圈170。現(xiàn)有技術輪圈no包括第一側
壁部分172和第二側壁部分174。側壁部分172、 174在輪圈的徑向內(nèi)部 176與徑向外部177之間延伸，徑向外部177包括徑向向外的輪胎接合表 面178。輪胎接合表面178為圓周形，大致形成輪圈的徑向最外部分。多 個輻條189在輪圈170的徑向內(nèi)部176與布置在輪軸處的輪轂(未示出)
之間徑向延伸。
自行車車輪的徑向向外的表面的構造根據(jù)車輪是包括"縫合式"輪 圈還是"鉗入式"輪圈而改變。在"縫合式"輪圈中，輪胎膠合到輪胎
接合表面178上。圖1中的輪圈具有"縫合式"構造。
另一方面，"鉗入式"輪圈包括一對大致直立的部件，它們包括軸向
向內(nèi)延伸的巻邊(bead),巻邊構造成與其內(nèi)容納有內(nèi)胎的輪胎的胎邊配 合。圖4中的輪圈具有"鉗入式"構造。
輪圈170是縫合式輪圈。輪胎接合表面178包括第一冠狀部分180 和第二冠狀部分182。在冠狀部分或"牽引件(tow)" 180、 182之間是 谷部186。
當輪胎和輪圈與路面凹坑碰撞時，冠狀部分180、 182的頂點是輪圈 170最有可能撞擊路面凹坑邊緣并受到徑向沖擊力的完全沖擊的部分。為 此，輪圈的兩個冠狀部分180、 182是最容易受損的區(qū)域。
為了加強冠狀部分180、 182，碳纖維加強件或纖維束184、 188圍 繞輪圈周向延伸。這些纖維加強束184、 188可包括多根碳纖維，通常包 括約48,000根很細的纖維。
加強束184、 188夾在"織物"片材的碳纖維層之間。通常，碳纖維 輪圈170的包括輪胎接合部分178的外部177除了包括加強束184、 188 之外，還可包括少至四片或五片、多至20片的碳纖維材料；使用的碳纖 維片越多，輪圈的強度就越大，然而重量和成本也越高。
雖然加強束184、 188可提高冠狀部分180、 182的強度，但束和復 合片材卻會相對彼此橫向移位。該"移位"也可描述為"裂口"、"分裂" 或"分層"。雖然碳纖維加強束184、 188有助于減少分層，但包括這些 加強束1S4、 188的輪圈仍然受分層影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種具有加強組件的復合輪圈。該復合輪圈包括第一 側壁部分、第二側壁部分、徑向外部和加強組件。所述徑向外部包括徑 向向外的輪胎接合表面。所述加強組件布置在所述輪胎接合表面附近。
所述加強組件包括加強件和用于約束該加強件的約束件。該加強件具有 軸線，該加強件及其軸線圍繞所述復合輪圈周向延伸。所述加強組件構 造成沿大致垂直于所述加強件軸線的方向加強所述復合輪圈。
在本發(fā)明的一個實施方式中，所述加強件包括一纖維束，并且所述 約束件約束該纖維束。該約束件可包括圍繞所述纖維束編織的線。所述 復合輪圈還包括多個纖維加強片材，所述線穿過所述纖維加強片材縫合 以將所述纖維加強片材和所述纖維束機械結合。所述復合輪圈還可包括
多個成形為形成用于接收所述纖維束的凹穴(pocket)的纖維加強覆蓋片
材。所述覆蓋片材被縫合成包繞所述凹穴內(nèi)的纖維束。所述纖維加強覆 蓋片材可縫合到所述纖維加強片材。在本發(fā)明的另一實施方式中，所述 線被編織成大致垂直于所述加強件的軸線延伸。
所述約束件提供橫向于所述復合片材平面的加強和強度，該平面內(nèi) 的強度通常由于片材內(nèi)纖維的面內(nèi)定向而不足。大多數(shù)諸如輪圈的纖維 加強裝置包括由多個片材層疊起來而形成的層，正如層疊木材而形成層 壓木板那樣。
本發(fā)明的約束件或線在大致垂直于所述纖維加強片材平面的方向上 放置了堅固部件以將相鄰的纖維加強片材機械結合。通過所述線形成的 該機械結合補充了由膠或環(huán)氧樹脂形成的片材之間的化學結合。機械和 化學結合的組合有助于進一步阻止分層。所述線包括沿大致垂直或脫離 纖維加強片材平面的方向延伸的編織材料。


從以下結合附圖對本發(fā)明的一個以上的實施方式的描述中將更充分 地理解這些和其它特征。
圖1是現(xiàn)有技術人力車的復合輪圈和輻條的示意性剖面圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的復合輪圈的示意性立體圖3是本發(fā)明另一實施方式的輪圈的示意性立體圖，示出了層間縫
合;
圖4是本發(fā)明另一實施方式的輪圈的示意性立體圖5是表示在輪圈內(nèi)使用約束件的放大示意立體圖； 圖6是表示將纖維加強材料的相鄰片材縫合在一起的約束件的放大 示意圖；并且
圖6A是表示將纖維加強材料的相鄰片材和加強束縫合在一起的約 束件的放大圖。
具體實施例方式
圖2表示根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的復合輪圈100。復合輪圈100 包括第一側壁部分102和相對的第二側壁部分104。側壁部分102、 104 在徑向內(nèi)部106與徑向外部108之間延伸，徑向外部108包括構造成接 收輪胎的徑向向外的輪胎接合表面109。在環(huán)箍式車輪上，輻條(見圖l 的輻條189)在輪圈100的徑向內(nèi)部106和輪轂(未示出)之間徑向向內(nèi) 延伸。相比之下，在盤式車輪(未示出)上，輪圈側壁部分延伸到大約 車輪的中心，終止于直徑約1到2英寸的輪轂接收中心孔。
圖2所示的輪圈100是構造成接收"縫合式"輪胎的"縫合式"，與 設計用于接收具有巻邊的輪胎的"鉗入式"輪圈不同。"鉗入式"輪圈300 的實施例在圖4中示出。雖然圖中沒有示出盤式車輪，但盤式輪圈的輪 胎接合表面類似于其非盤式對應物。這樣，本文討論的發(fā)明無需顯著的 改變即可用于盤式車輪和非盤式車輪。
縫合式輪胎缺少徑向向內(nèi)布置的輪圈接合巻邊。為了將縫合式輪胎 和內(nèi)胎附接到輪圈上，將輪胎和內(nèi)胎膠合到輪圈100的徑向向外的輪胎 接合表面109。通常，盤式輪圈是縫合式而不是鉗入式。
徑向外部108包括第一冠狀部分120和第二冠狀部分122。第一冠 狀部分120靠近第一側壁部分102布置，第二冠狀部分122靠近第二側 壁部分104布置。在第一冠狀部分120和第二冠狀部分122之間布置凹 入的谷部126。
第一加強件130和第二加強件132分別沿著第一冠狀部分120和第 二冠狀部分122周向延伸。加強件130、 132布置在纖維加強片材142與 纖維加強覆蓋片材144之間以形成夾層。加強件130、 132包括周向延伸
的碳纖維束136。該碳纖維束136可包括結合在一起的約48,000根獨立 碳纖維，每束的直徑約0.0050英寸，每跟碳纖維的直徑約小于0.00001 英寸。纖維加強片材可由碳、玻璃、Kevkr⑧或類似纖維材料制成。
由于加強件130、 132圍繞輪圈100在輪胎接合表面109附近周向延 伸，所以加強件130、 132也均具有圍繞輪圈周向延伸的弧形軸線。這樣， 大致垂直于加強件130、132軸線延伸的約束件(在該實施方式中為線138) 在各線138定位的位置大致垂直于各加強件的弧形軸線形成的弧的切線 延伸。
線138編織成包圍碳纖維束136。線138可由各種材料制成，例如 對位芳綸纖維材料，比如以Dupont⑧出售的Kevlar⑧芳綸纖維。Kevlar 的附加強度有助于在沖擊加載時阻止碳纖維束136分離或"裂口"。雖然 約束件示出為線，但也可使用其它物體，例如夾子、銷、卡釘、線纜等等。
參照圖2，向輪圈IOO施力的徑向沖擊大致由箭頭R表示。通過用 線138將束縫合在一起，可以防止裂口從而保護加強件130、 132不損壞， 并阻止纖維加強片材142、 144的分層以增強輪圈100的整體抗沖擊性。
圖3表示根據(jù)本發(fā)明另一實施方式的輪圈200。輪圈200包括第一 側壁部分202和第二側壁部分204。第一和第二側壁部分202、 204在徑 向內(nèi)部206與徑向外部208之間延伸。輪圈200的徑向外部208包括徑 向向外的輪胎接合表面209。在這方面，輪圈200大致類似于圖2所示的 輪圈100。此外，圖3所示的輪圈200是"縫合式"輪圈，包括徑向向外 的輪胎接合表面209，表面209包括第一冠狀部分220和第二冠狀部分 222，在它們之間為谷部224。
由碳纖維構成的第一和第二加強件230、232分別沿著冠狀部分220、 222周向延伸，從而分別環(huán)繞冠狀部分220、 222。加強件230、 232類似 于圖2所示的加強件120、 122，也具有周向延伸的弧形軸線。
約束件或線240、 242也構造成分別約束加強件230、 232。此外， 與圖2的線不同，圖3的線240、 242被縫合而穿過用來進一步加強輪圈 的一個或多個纖維加強層。輪圈200的徑向向外的輪胎接合部209包括
多個結合在一起的纖維加強片材以形成構造輪圈200的層。這些片材包 括內(nèi)片材250，內(nèi)片材250覆蓋第二片材252，第二片材252覆蓋第三片 材254。應理解，可使用任何數(shù)量的片材來形成輪圈200。在圖3的實施 方式中，周向延伸的碳纖維加強件230、 232夾在片材254、 256之間。 線240、 242穿過片材250、 252、 254以不僅約束加強件230、 232，而且 在片材250、 252、 254之間形成機械結合。然后碳纖維加強件230、 232 和線240、 242被另一片材256覆蓋，片材256本身被第五片材258覆蓋。
諸如輪圈100、 200的復合輪圈由通過將纖維加強材料片材層疊鋪設 形成的層構成。每個纖維加強片材可在層內(nèi)沿期望方向(通常為0度、 卯度、+45度、-45度)定向，以提供沿期望方向的強度。
參照圖4，示出了根據(jù)本發(fā)明另一實施方式的輪圈300。輪圈300是 鉗入式輪圈，大致與圖2和圖3的縫合式輪圈100和200類似，只是與 縫合式相比，改變了本發(fā)明的各個部件以接收鉗入式輪胎。
鉗入式輪圈300包括第一側壁部分302和相對的第二側壁部分304， 第一和第二側壁部分在徑向內(nèi)部306與徑向外部308之間延伸。徑向外 部308包括輪胎接合部分309。
與圖2和3所示的縫合式輪圈的冠式外觀相比，鉗入式輪圈300包 括徑向和周向延伸的第一剎車接合部分320和第二剎車接合部分322，這 些剎車接合部分徑向向外延伸。剎車接合部分320、 322由于它們的柱形 構造而可能特別容易受到徑向力的沖擊破壞。
剎車接合部分320、 322在它們的上端均終止于直徑較大的巻邊部分 330、 332。巻邊部分330、 332構造成配合接收輪胎的胎邊(未示出)。 周向延伸的加強件340、 342分別穿過和沿著第一巻邊部分330和第二巻 邊部分332延伸。加強件340、 342大體上類似于圖2的加強件130、 132， 因為它們也均可包括被由芳倫纖維縫合材料形成的約束件或線348包圍 的碳纖維束346。此外，線348可穿過層的若干片材，如圖3所示。
在圖4中，元件356包括延伸穿過制動接合部分320、 322的縫合材 料。縫合元件356的好處在于提供了上述附加抗沖擊性并且用作剎車磨 損指示器。剎車接合部分320、 322被自行車的夾鉗式剎車(未示出)接
合以減慢輪圈的旋轉。夾鉗與剎車接合部分320、 322之間的摩擦接合可 能隨著時間流逝而磨損剎車接合部分320、 322的接觸面。
可以使用顏色與輪圈層顏色不同的線356作為磨損指示器。在線356 上設置一個或多個層片材，因此在全新時縫合元件356會被層的外片材 遮住。當外損層片材由于使用剎車而磨損時，線356變得可見。
圖5、圖6和6A表示各種縫合方案。首先參照圖5，示出的一段輪 圈400具有周向延伸的加強件406,加強件406被部分地繞其巻繞的纖維 加強層408包裹。輪圈400還包括側壁部分402和徑向向外的輪胎接合 部分403 。
約束件(在本實施方式中為線420)穿過片材408的相對部分縫合 以將加強件406保持在片材408形成的凹穴409中。將加強件406巻在 凹穴409中限制了其在負載下移位的能力，從而阻止加強件和片材408 的磨損。此夕卜，線可縫合在片材408的位置422和424處，以將輪圈400 的相鄰的纖維加強片材機械結合在一起。
參照圖6，線468被縫制或縫合在第一纖維加強片材460與第二纖 維加強片材462之間以在其間提供機械結合。層包括第一纖維加強片材 460與第二纖維加強層462，其間的一層膠或環(huán)氧樹脂(未示出)、以及 線468,線468大致垂直于片材460、 462的平面縫合。圖6A表示圖6 的層的更詳細的視圖，示出了形成層片材460、 462的纖維460A、 462A 以及線468A的織法，線468A大致垂直于片材的平面縫合以將片材機械 結合在一起。
雖然以上針對一個或多個實施方式描述了本發(fā)明，但應理解，在僅 由本發(fā)明所附的權利要求限定的精神和范圍內(nèi)存在變更和修改。
權利要求
1. 一種復合輪圈，該復合輪圈包括第一側壁部分；第二側壁部分；徑向外部，該徑向外部包括徑向向外的輪胎接合表面；以及加強組件，該加強組件布置在所述徑向向外的輪胎接合表面附近，所述加強組件包括加強件，其軸線圍繞所述復合輪圈周向延伸，和用于約束該加強件的約束件，所述加強組件構造成沿大致垂直于所述加強件軸線的方向加強所述復合輪圈。
2. 根據(jù)權利要求l所述的復合輪圈，其中，所述加強件包括一纖維 束，所述約束件約束該纖維束。
3. 根據(jù)權利要求2所述的復合輪圈，其中，所述約束件包括圍繞所 述纖維束編織的線。
4. 根據(jù)權利要求3所述的復合輪圈，該復合輪圈還包括多個纖維加 強片材，所述線穿過所述纖維加強片材縫合以將所述纖維加強片材和所 述纖維束機械結合。
5. 根據(jù)權利要求4所述的復合輪圈，該復合輪圈還包括多個成形為 形成用于接收所述纖維束的凹穴的纖維加強覆蓋片材，所述纖維加強覆 蓋片材縫合成包繞所述凹穴內(nèi)的纖維束。
6. 根據(jù)權利要求5所述的復合輪圈，其中，所述纖維加強覆蓋片材 縫合到所述纖維加強片材上。
7. 根據(jù)權利要求3所述的復合輪圈，其中，所述線被編織成大致垂 直于所述加強件的軸線延伸。
8. —種復合輪圈，該復合輪圈包括 第一側壁裝置；第二側壁裝置； 徑向外部，該徑向外部包括徑向向外的輪胎接合部件；以及 加強組件，該加強組件布置在所述徑向向外的輪胎接合裝置附近， 所述加強組件包括加強裝置，其軸線圍繞所述復合輪圈周向延伸，和用于約束所述加強裝置的約束裝置，所述加強組件構造成沿大致垂直于所述加強裝置軸線的方向加 強所述復合輪圈。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種加強復合輪圈。提供了一種包括加強組件的復合輪圈。該復合輪圈包括第一側壁部分、第二側壁部分、徑向外部和加強組件。所述徑向外部包括徑向向外的輪胎接合表面。所述加強組件布置在所述輪胎接合表面附近，并包括加強件和用于約束該加強件的約束件。該加強件的軸線圍繞所述復合輪圈周向延伸，所述加強組件構造成沿大致垂直于所述加強件軸線的方向加強所述復合輪圈。
文檔編號B60B21/00GK101376318SQ20081016865
公開日2009年3月4日 申請日期2008年8月29日 優(yōu)先權日2007年8月29日
發(fā)明者約書亞·珀爾特納, 邁克爾·霍爾 申請人:合成科技有限公司