夾心式自行車輪圈及其製備方法
2023-10-09 08:34:49 1
夾心式自行車輪圈及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種夾心式自行車輪圈及其製備方法，包括胎位孔槽和封閉的腔室，二者上下排列，所述胎位孔槽的槽內容納內胎，其側面的外部形成剎車面，其特徵在於，所述胎位孔槽，至少含有一的金屬合金層，胎位孔槽的外表面和剎車面各有一層碳纖維層，將金屬合金層包裹在其中，形成夾心體。在剎車邊形成CFRP-合金材料-CFRP這樣的夾心結構，具有很好的剎車散熱和穩固支撐的效果，利用金屬材料的耐高溫特點，有效降低了輪圈的燒框風險，既提高輪圈的安全性，又不增加碳纖維輪圈的重量，兼顧產品的輕量及安全兩方面的要求；碳纖維層將金屬合金層完全包裹在內，可避免碳纖維材料與金屬合金層因熱膨脹係數不同產生分層的現象。
【專利說明】夾心式自行車輪圈及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及自行車配件應用領域，尤其是一種夾心式自行車輪圈及其製備方法。【背景技術】
[0002]自行車運動是一項對人身體非常有益處的有氧戶外運動，在歐美等發達國家得到廣泛的開展。據統計，在美國，大約有1/3之一的戶外運動是自行車運動。由此可見此運動開展的普遍性。自行車也從我們印象中傳統的交通工具變成健身器材。各個廠商無不努力改進產品設計，製造工藝，使用更好的材料，以求得更好的自行車。
[0003]製造自行車的材料，已經從鋼材，逐步變成鋁合金，以追求輕量化。近年來，更是大規模使用昂貴的碳纖維材料來製作自行車車身。
[0004]相對於車身，自行車的輪圈更是心臟。它的作用，就相當於汽車的發動機。由此可見其重要性。各個廠家無不下大力氣研製更好的自行車輪圈，紛紛採用新材料新工藝，以研製更輕更省力的產品。對於輪圈來說，要使之更輕更省力，主要有兩個因素。一是輪圈的重量，一是輪圈的風阻。輕的輪圈發力快，爬坡輕快，這很好理解。而對於風阻來說，當高速騎行時，風阻就變得非常的關鍵。一般認為，風阻跟速度的平方成正比。所以，低風阻的設計越來越流行。為了獲得低的風阻，紛紛將截面設計成流線型。截面的加高，勢必增加重量，所以，必須在重量與低風阻有所取捨。
[0005]對於重量而言，相比於鋼，鋁合金材料，碳纖維複合材料具有無可比擬的優越性。碳纖維複合材料(GFRP)，其強度比鋼強，但密度只有1.6g/cm3,只有鋼的1/5，跟鋁合金相t匕，其模量是鋁的10倍，抗拉強度是鋁的2倍，但重量只有鋁合金的40%。所以，碳纖材料廣泛用來製作自行車輪圈。
[0006]現有的自行車輪圈一般採用環氧樹脂預浸料，經疊層，加熱加壓成型製得。其成型溫一般在150度，成型時間45-60分鐘。習用的環氧樹脂的玻璃轉化點(也稱為TG)在100-130度。用這種材料及成型工藝製得的輪圈輕量，強度高。但這種輪圈的缺點是，在使用過程中，遇到長下坡時，因為需要長時間剎車，剎車邊的溫度會達到180度左右，由於剎車邊使用的環氧樹脂的TG點只有100-130度，在胎壓的作用下，安置內胎的槽孔軟化並張開，導致突然間爆胎，造成摔車事故，從而產生對騎乘者的安全傷害。這種現象俗稱燒框。
[0007]由於有這種使用的安全隱患，雖然用碳纖維複合材料CFRP製得輪圈重量輕，硬度高，倍受消費者喜愛，但還是沒法普遍使用，僅在一些比賽上供有經驗的車手使用。以目前市場佔有率及使用安全角度看，金屬材料的輪圈的在市場上還是佔有大部分的比率(比如鋁合金)。
[0008]有業者為解決這個問題，將輪圈安置內胎的槽孔部分用鋁合金，其他部分用碳纖維製做。這種結構雖然能解決剎車高溫產生的爆胎問題.但由於槽孔部分與碳纖維的結合面僅為樹脂結合，導致在剎車高溫時碳纖維與鋁合金部分容易分離，產品容易損壞。也限制了產品的推廣。[0009]一現有的碳纖維輪圈結構，如專利號為CN201120080425.X，專利名稱為「碳纖維輪圈結構」的實用新型，公布了一種碳纖維輪圈結構，其包含有:一個輪圈本體，以碳纖維材料一體成型，其截面系呈框型，由至少一個橋板及平行的兩側壁連接構成，於該橋板兩端區隔出獨立的一個內腔體與一個外腔體；一個加強件，與該外腔體形狀相匹配，且設於該外腔體內壁。該金屬加強件與碳纖維材料的內壁相互嵌卡固定。剎車面通過金屬加強件進行加強，可避免燒框。但由於碳纖維與金屬合金的熱膨脹係數不同，長時間使用，因兩者結合力不夠，會導致出現分層。
【發明內容】
[0010]本發明為了解決上述存在的問題，提供一種夾心式自行車輪圈，克服了現有技術的不足，在碳纖維製得的胎位孔槽的內表面和剎車面各有一層碳纖維層，將密度在2.Sg/cm3以下的金屬合金層包裹在其中，在剎車邊形成CFRP-合金材料-CFRP這樣的夾心結構，具有很好的剎車散熱和穩固支撐的效果，有效降低了輪圈的燒框風險；同時，碳纖維層將金屬合金層完全包裹在內，可避免碳纖維材料與金屬合金層因熱膨脹係數不同產生分層的現象。
[0011]還提供一種夾心式自行車輪圈的製備方法，產品的結構一次性整體成型，提高了產品的強度，實用性高。
[0012]本發明採用如下技術方案:夾心式自行車輪圈，包括胎位孔槽和封閉的腔室，二者上下排列，所述胎位孔槽的槽內容納內胎，其側面的外部形成剎車面，其特徵在於，所述胎位孔槽，至少含有一金屬合金層，胎位孔槽的外表面和剎車面各有一層碳纖維層，將金屬合金層包裹在其中，形成夾心體；胎位孔槽外表面和剎車面的碳纖維層與腔室的壁體以碳纖維材料一體成型。利用金屬材料的耐高溫特點，可有效防止碳纖材料在高溫條件下因燒框而廣生的爆胎，提聞騎乘者的安全性。
[0013]優選的,所述金屬合金層的合金密度低於2.8g/cm3。
[0014]進一步的，所述金屬合金層包括鋁合金、鋁鎂合金、鎂鋁合金、鎂合金和鈧合金中的一種。
[0015]進一步的，所述金屬合金層為一金屬合金圈，其截面呈「U」形，所述金屬合金圈的截面形狀與胎位孔槽的截面形狀相似。
[0016]更進一步的,所述金屬合金圈內表面的兩側分別設有向內延伸的側壁。
[0017]更進一步的，所述胎位孔槽槽內的上部設有用於卡住內胎的卡勾。
[0018]夾心式自行車輪圈的製備方法，包括以下步驟:
步驟1、製作金屬合金層並進行表面處理，噴砂以去除離型劑，並塗上用於增加金屬合金材料與碳纖維複合材料結合強度的底材；將做了表面處理並塗上底材的金屬合金層包裹上一層已經預浸了環氧樹脂的纖維材料；
步驟2、將碳纖維預浸布依據自行車輪圈的形狀疊層，形成V形環狀結構，在V形環狀結構的開口處，預留有與金屬合金層結合的碳纖維預浸片材，分別為胎位槽孔片材和腔室底部片材，兩者間用離型材料隔開；將氣袋置入V形環狀結構的槽中；將腔室底部片材向內彎折；
步驟3、將金屬合金層放置V形環狀結構的開口處的對應位置，開口處兩邊的胎位槽孔片材將金屬合金層完全包裹住，並貼合其外表面，金屬合金層內表面與腔室底部片材貼合，依據胎位槽孔和腔室的形狀進行疊層，從而製得輪圈預型品；
步驟4、將輪圈預型品放入鋼製模具中，然後放入成型設備中，合模，往成型氣袋中充高壓氣體成型；
步驟5、將成型的輪圈毛胚品去除毛邊，取出成型氣袋；在胎位孔槽和腔室底部鑽孔；表面進行烤漆處理。
[0019]本發明的有益之處在於，在碳纖維製得的胎位孔槽的外表面和剎車面各有一層碳纖維層,將密度在2.8g/cm3以下的金屬合金層包裹在其中，在剎車邊形成CFRP-合金材料-CFRP這樣的夾心結構，具有很好的剎車散熱和穩固支撐的效果，利用金屬材料的耐高溫特點，即使騎乘者在連續剎車造成剎車邊高溫的情況下，不會因為碳纖維的軟化而產生爆胎的現象，有效降低了輪圈的燒框風險，既提高輪圈的安全性，又不增加碳纖維輪圈的重量，兼顧產品的輕量及安全兩方面的要求；碳纖維層將金屬合金層完全包裹在內，可避免碳纖維材料與金屬合金層因熱膨脹係數不同產生分層的現象，整體碳纖維一體成型外觀，提高了產品的耐用度及產品的檔次。
[0020]【專利附圖】
【附圖說明】
圖1為本發明具體實施例的組合剖視圖；
圖2為本發明實施例一的金屬合金層截面剖視圖；
圖3為本發明實施例二的金屬合金層截面剖視圖 圖4為本發明具體實施例的產品製備中的V形環狀結構示意圖；
圖5為本發明具體實施例的產品製備中的金屬合金層結構示意圖；
附圖標記:1、胎位槽孔；11、外表面；12、剎車面；13、卡勾；2、腔室；21、壁體；3、碳纖維層；4、金屬合金層；41、側壁；42、底材；43、纖維材料；44、外表面；45、內表面；5、V形環狀結構；51、胎位槽孔片材；52、腔室底部片材；53、離型材料；6、氣袋。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細的說明。
[0022]如圖1所示，本發明所提供的一種夾心式自行車輪圈，包括胎位孔槽I和封閉的腔室2，二者上下排列，胎位孔槽I的槽內容納內胎，其側面的外部形成剎車面12，胎位孔槽I至少含有一的金屬合金層4，胎位孔槽I的外表面11和剎車面12各有一層碳纖維層3，將金屬合金層4包裹在其中，形成夾心體；胎位孔槽I的外表面11和剎車面12的碳纖維層3與腔室2的壁體21以碳纖維材料一體成型。胎位孔槽I槽內的上部設有用於卡住內胎的卡勾13。金屬合金層4的合金密度低於2.8g/cm3,該金屬合金可為招合金、招鎂合金、鎂招合金、鎂合金或鈧合金等金屬材料的應用。
[0023]如圖2所示，為本發明的第一實施例，金屬合金層4為一金屬合金圈，其截面呈「U」形，所述金屬合金圈的截面形狀與胎位孔槽I的截面形狀相似。
[0024]如圖3所示，為本發明的第二實施例。與第一實施例不同的是，在金屬合金圈內表面45的兩側分別設有向內延伸的側壁41。增大了剎車面12底層的金屬面積，具有更好的剎車散熱和穩固支撐的效果。
[0025]本發明還提供上述夾心式自行車輪圈的製備方法，具體包括下述步驟: 步驟1、用常用的金屬加工方法，比如拉擠、鑄造、整形、焊接等工藝，製作金屬合金層4，如圖5所示，該金屬合金層4的截面形狀與胎位孔槽I形狀相似，尺寸略小，用於給後續的碳纖維層3讓位；並進行表面處理，噴砂以去除離型劑，並塗上用於增加金屬合金材料與碳纖維複合材料結合強度的底材42，可有效防止碳纖維材料與金屬合金層因熱膨脹係數不同產生分層；將做了表面處理並塗上底材的金屬合金層包裹上一層已經預浸了環氧樹脂的纖維材料43，該材料具有低的介電常數，防止碳纖維材料和金屬合金材料形成的電化學腐蝕；
步驟2、將碳纖維預浸布依據自行車輪圈的形狀疊層，形成V形環狀結構5，如圖4所示，在V形環狀結構5的開口處，預留有與金屬合金層結合的碳纖維預浸片材，分別為胎位槽孔片材51和腔室底部片材52，兩者間用離型材料53隔開；將氣袋6置入V形環狀結構5的槽中；將腔室底部片52材向內彎折；
步驟3、將金屬合金層4放置V形環狀結構5的開口處的對應位置，開口處兩邊的胎位槽孔片材51將金屬合金層4完全包裹住，並貼合其外表面44，金屬合金層4內表面45與腔室底部片材52貼合，依據胎位槽孔I和腔室2的形狀進行疊層，從而製得輪圈預型品；步驟4、將輪圈預型品放入鋼製模具中，然後放入成型設備中，合模，往成型氣袋6中充高壓氣體成型；
步驟5、將成型的輪圈毛胚品去除毛邊，取出成型氣袋6 ;在胎位孔槽和腔室底部鑽孔；表面進行烤漆處理。
[0026]在碳纖維材料製得的胎位孔槽的外表面和剎車面各有一碳纖維層，將密度在
2.8g/cm3以下的金屬合金層包裹在其中，在剎車邊形成CFRP-合金材料-CFRP這樣的夾心結構，具有很好的剎車散熱和穩固支撐的效果，利用金屬材料的耐高溫特點，即使騎乘者在連續剎車造成剎車邊高溫的情況下，不會因為碳纖維的軟化而產生爆胎的現象，有效降低了輪圈的燒框風險，既提高輪圈的安全性，又不增加碳纖維輪圈的重量，兼顧產品的輕量及安全兩方面的要求；同時，碳纖維層將金屬合金層完全包裹在內，可避免碳纖維材料與金屬合金層因熱膨脹係數不同產生分層的現象，整體碳纖維一體成型外觀，提高了產品的耐用度及產品的檔次。
[0027]儘管結合優選實施方案具體展示和介紹了本發明，但所屬領域的技術人員應該明白，在不脫離所附權利要求書所限定的本發明的精神和範圍內，在形式上和細節上對本發明做出各種變化，均為本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.夾心式自行車輪圈，包括胎位孔槽和封閉的腔室，二者上下排列，所述胎位孔槽的槽內容納內胎，其側面的外部形成剎車面，其特徵在於，所述胎位孔槽，至少含有一金屬合金層，胎位孔槽的外表面和剎車面各有一層碳纖維層，將金屬合金層包裹在其中，形成夾心體；所述胎位孔槽外表面和剎車面的碳纖維層與腔室的壁體以碳纖維材料一體成型。
2.如權利要求1所述的夾心式自行車輪圈，其特徵在於，所述金屬合金層的合金密度低於 2.8g/cm3。
3.如權利要求2所述的夾心式自行車輪圈，其特徵在於，所述金屬合金層包括鋁合金、鋁鎂合金、鎂鋁合金、鎂合金和鈧合金中的一種。
4.如權利要求1-3任一項所述的夾心式自行車輪圈，其特徵在於，所述金屬合金層為一金屬合金圈，其截面呈「U」形，所述金屬合金圈的截面形狀與胎位孔槽形狀相似。
5.如權利要求4所述的夾心式自行車輪圈，其特徵在於，所述金屬合金圈內表面的兩側分別設有向內延伸的側壁。
6.如權利要求5所述的夾心式自行車輪圈，其特徵在於，所述胎位孔槽槽內的上部設有用於卡住內胎的卡勾。
7.如權利要求1-6所述的夾心式自行車輪圈的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟: 步驟1、製作金屬合金層並進行表面處理，噴砂以去除離型劑，並塗上用於增加金屬合金材料與碳纖維複合材料結合強度的底材；將做了表面處理並塗上底材的金屬合金層包裹上一層已經預浸了環氧樹脂的纖維材料； 步驟2、將碳纖維預浸布依據自行車輪圈的形狀疊層，形成V形環狀結構，在V形環狀結構的開口處，預留有與金屬合金層結合的碳纖維預浸片材，分別為胎位槽孔片材和腔室底部片材，兩者間用離型材料隔開；將氣袋置入V形環狀結構的槽中；將腔室底部片材向內彎折； 步驟3、將金屬合金層放置V形環狀結構的開口處的對應位置，開口處兩邊的胎位槽孔片材將金屬合金層完全包裹住，並貼合其外表面，金屬合金層內表面與腔室底部片材貼合，依據胎位槽孔和腔室的形狀進行疊層，從而製得輪圈預型品； 步驟4、將輪圈預型品放入鋼製模具中，然後放入成型設備中，合模，往成型氣袋中充高壓氣體成型； 步驟5、將成型的輪圈毛胚品去除毛邊，取出成型氣袋；在胎位孔槽和腔室底部鑽孔；表面進行烤漆處理。
【文檔編號】B29C70/44GK103707716SQ201310746570
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月31日 優先權日:2013年12月31日
【發明者】劉五瑞, 蔡聖堂 申請人:廈門碳帝複合材料科技有限公司