具有制动轨道的自行车轮圈 |
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| 申请号 | CN201310343703.X | 申请日 | 2013-07-11 | 公开(公告)号 | CN103538425B | 公开(公告)日 | 2016-12-28 |
| 申请人 | 什拉姆有限责任公司; | 发明人 | J·波特内尔; D·莫尔斯; M·霍尔; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种具有 制动 轨道的自行 车轮 圈。所述轮圈为 纤维 增强塑料轮圈，并且包括径向外部轮胎接合部和径向内部 辐条 接合部。第一 侧壁 与第二侧壁呈间隔开的构造。第一侧壁和第二侧壁在径向外部轮胎接合部和径向内部辐条接合部之间延伸。制动轨道布置在第一侧壁和第二侧壁中的每个侧壁上，并且包括一层微粒。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于自行车的纤维增强塑料轮圈，该纤维增强塑料轮圈包括： |
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| 说明书全文 | 具有制动轨道的自行车轮圈技术领域背景技术[0002] 自行车车轮和轮圈已经很好的使用了超过一个世纪。历史上，大多数自行车轮圈由钢或铝制成。然而，在过去几十年中，一些自行车轮圈制造商开始利用其他材料生产自行车轮圈，例如包括碳纤维、玻璃纤维、和尼龙纤维的轻量纤维增强塑料(FRP)，这些纤维增强塑料混合在树脂中，所述树脂例如为环氧基树脂、酚基树脂和/或酯基树脂。在这些复合轮圈中，一些轮圈完全由FRP复合材料(“全复合车轮”)制成，而其他轮圈除了FRP复合物之外还结合了不同材料的组分(“多组分轮圈”)。 [0003] 碳纤维轮圈制动表面难以设计。早期的碳纤维轮圈使用轮圈的成型表面作为制动轨道或制动表面，其通常是麻烦的，这是因为成型轮圈通常具有嵌入该表面中的薄脱模层，该脱模层的出现对制动表面是不合适的，这是因为脱模剂材料产生低摩擦系数。脱模层在制造期间用于将轮圈从模子移除。在短期的制动使用之后，轮圈上的脱模剂和环氧树脂的外层磨损，从而暴露出其下方易受影响的碳纤维。碳表面在抵抗磨损和增强摩擦性能方面是相当差的。因此，碳纤维表面作为用于FRP轮圈的制动轨道通常是不合适的。 [0004] 后来的轮圈在制动轨道中使用玻璃纤维、石英纤维或Kevlar纤维。所有这些材料都具有比碳更好的磨损特性且提供不同程度的改进的制动性能。Kevlar作为摩擦材料是相当好的，但是易吸湿，这会导致其从轮圈脱层。Kevlar在该领域仅仅具有平均水平的磨损特性，一旦暴露在潮湿环境或可能包含混凝土或沥青颗粒以及灰尘和沙子的研磨道路砂铄时，其可嵌入制动垫内，从而造成极大的和迅速的轮圈磨损。玻璃纤维和石英在摩擦性能和磨损性能上是平均的，而且还不贵，但是这些材料可能很重而不对产品提供额外的强度或刚性。 [0005] 一种提供良好的制动轨道的方案涉及从制动轨道区域移除环氧树脂和脱模剂。这通过轮圈表面的机械研磨来实现，所述机械研磨既能移除脱模剂也能改进制动轨道的平行性和对齐性。近期轮圈的生产使用混合有玻璃的硅纤维的遮蔽物。硅纤维比玻璃硬且提供显著改进的磨损性能以及制动“感觉”，但是非常昂贵，由于高的纤维硬度而难以合作且增加了相当大的制造成本。尽管现代的飞机和赛车制动器目前由碳化硅纤维制造，但是这些材料目前相当昂贵，很难加工且难以形成较小半径，尤其在制造设定中。该柔韧性的缺乏限制了它们应用到轮圈设计并潜在地抑制了使用于某些复杂的轮圈形状。 [0006] 一些轮圈制造商尝试了后施加“陶瓷”制动轨道涂层。这些涂层的范围从被热固化的上漆应用到等离子喷涂涂层。所有这些涂层都提供强硬的摩擦表面，但是是易碎的、笨重的且通常要求可能损害成型的轮圈的高温施加过程。这些涂层还遭受几何应用问题，由于是后施加的，因此制动表面由于缺乏几何控制因而固有地不完美且是不平行的。 [0007] 因此，需要提供一种具有耐久的且节约成本的具有优良制动特性的制动轨道的自行车轮圈。本发明通过在轮圈重量和轮胎安装精力上产生最小影响来满足这一需求。 发明内容[0008] 本发明涉及施加于FRP轮圈的轨道，所述轨道的材料是碳化硅等的微粒，所述微粒完全地或部分地悬浮在高温、高韧性的环氧树脂的层内。碳化硅(SiC)是一种商业上可获得的最硬的材料之一。呈纤维形式的碳化硅的高硬度限制了它应用到具有大体平坦的或简单的几何形状的物体上，这是因为纤维通常是不易变曲的。碳化硅纤维的硬度使得该材料在生产环境中难以合作且难以形成自行车轮圈制动轨道。但是已经发现，碳化硅等以非纤维形式的使用更容易符合不同轮圈形状并且更容易以有效的方式操纵和制备，而在施加到FRP轮圈时不损害其制动性能。 [0009] 在一个实施方式中，本发明包括制动轨道，该制动轨道包含环氧树脂外层，所述环氧树脂包含一定百分比的碳化硅(SiC)或类似材料，所述碳化硅(SiC)或类似材料以颗粒的形式(诸如微球体)施加到轮圈的制动轨道区域。搀混有SiC的环氧树脂薄膜的性质使得避免了与SiC纤维合作的难度。例如，SiC纤维几乎不可能利用传统工具(例如剃刀或电剪)切割成一定的形状或形式，这是因为SiC纤维比传统剃刀硬30％至50％。 [0010] 利用在环氧树脂基体中嵌入SiC微粒的经抛光的成型制动表面提供比先前设计更显著的优点。制动表面适合于任意几何形状；对该设计没有最小曲率半径或者加工限制。通过改变诸如粒径、树脂内的颗粒的百分比、颗粒的形态和其它因素之类的多个变量，SiC制动表面可以被“调整”用于最佳的制动性能和“感觉”。所形成的制动表面被发现在更低成本下几乎与SiC纤维一样耐用。为了在制造厂设定内的处理和操作的目的，本发明还构思了一种薄的玻璃纤维遮蔽材料，该遮蔽材料由所嵌入的SiC环氧树脂叠盖，并且倾向于易于操纵和处理SiC环氧树脂，因为所述遮蔽材料不太难以切割和处理且甚至更容易切割和处理。 [0011] 最终的轮圈呈现新颖结构的截面。尽管典型的轮圈包括被覆盖在玻璃或中的碳纤维层，该玻璃或 涂覆于环氧树脂内，或具有蚀刻掉所述环氧树脂后的表面的(露出碳然后将玻璃或 作为外表面)轮圈，但本发明的轮圈呈现出完全由环氧树脂层浸润的SiC微粒的区域或基体。一个可选的实施方式涉及研磨或蚀刻掉环氧树脂基体的外部部分以露出外部制动表面上的微粒。在可选的实施方式中，还可以控制SiC颗粒的密度以及增加额外的SiC颗粒层以改善耐久性或提高产品寿命。 附图说明[0013] 在附图中： [0014] 图1是根据本发明的实施方式的具有制动轨道的自行车轮圈的部分立体图； [0015] 图2是制动轨道的一部分和简化的下方碳结构的立体图； [0016] 图3是图2的结构的剖面图； [0017] 图5是制动轨道的一部分和简化的下方碳结构的立体图，其中移除了一些树脂以露出制动轨道材料； [0018] 图4是图5的结构的剖面图； [0019] 图6是根据本发明的实施方式的钳入式(clincher style)轮圈的剖面图；以及[0020] 图7是根据本发明的另一实施方式的管形轮圈的剖面图。 具体实施方式[0022] 图1示出了根据本发明的具有制动轨道60的车轮轮圈20。轮圈20大体包括径向外部轮胎接合部28、径向内部辐条接合部30、第一侧壁32和与该第一侧壁间隔开的第二侧壁34。第一侧壁32和第二侧壁34大体在轮胎接合部28和辐条接合部30之间径向延伸以形成轮圈20的形状或轮圈的一部分。应当理解的是，包括能作为制动轨道的部分的任意形状的FRP轮圈是本发明所关注的。 [0023] 制动轨道60位于第一侧壁32和第二侧壁34上的常规位置。虽然示出了钳入式轮圈20，但是本发明能用于非钳入式轮圈，例如管形或缝入式(sew-up)轮圈(未示出)。轮胎接合部28和辐条接合部30以及第一侧壁32和第二侧壁34可以形成超环面。在所示实施方式中，轮圈20将考虑为由FRP，即纤维增强塑料制造，在一个实施方式中由碳纤维制造，但应理解的是，可以使用多种材料和材料的组合来形成纤维增强轮圈。 [0024] 图2和3包括纤维织物/环氧树脂预浸叠堆40，如众所周知的，示出了高度简化但是大体示出FRP车轮轮圈的侧壁的一小部分。纤维织物/环氧树脂预浸叠堆40可以认为是用于形成制动轨道60的材料或层的衬底。制动轨道层60包括微粒62和环氧树脂64的组合，并且位于轮圈的外表面上，在该外表面处该制动轨道层可以由制动垫材料接触。制动轨道层60叠盖纤维增强塑料层，这些纤维增强塑料层如所示的沿交错的方向放置。当然，纤维/树脂堆叠可以是形成轮圈并支撑制动轨道60的FRP材料的任意合适的布置。在图2和图3所示的实施方式中，微粒62被示出为在制动轨道60内完全由环氧树脂64包含。 [0025] 制动轨道60内的微粒62可以是任意类型的高硬度材料，例如，陶瓷材料、碳化硅、氮化硅、氧化铝、碳化硼、氧化钛、金刚砂或其他具有合适硬度的材料，这些材料呈能够适于或形成轮圈20的形状的具体形式。高硬度金属颗粒也能够作为替代品，尽管它们可能不会展现与上述材料族相同的寿命。微粒的形状尤其是在制造设定中大体可以是紧实的、圆形的、球形的、有角的、无定形的、小片状的或任意其他合适的适合于不同轮圈形状的非纤维形状。 [0026] 因此，能够容易地微调轮圈的制动性能，这是因为制动轨道60可以通过不同的或可选的材料组合以任意合适的重量百分比来改变。改变微粒形态也具有改变制动轨道60的表面摩擦系数的可能，从而允许制动轨道表面被调整以止动动力和/或调制。上列制动轨道微粒材料中的一些材料还具有高的热传导性，和/或高的耐热性，这都能被用来以期望的方式更好地管理环氧树脂基体内的热。 [0027] 转向图4和图5，制动轨道60可以在使用之前通过从制动轨道60移除大量的环氧树脂64来改变，以微调制动轨道的摩擦系数以及表面状况。以这种方式，FRP可以最佳用于潮湿天气的制动。 [0028] 具体地，与图2和3所示的一样，图4和图5示出了纤维织物/环氧树脂预浸叠堆40。除了作为轮圈20的结构部件之外，纤维织物/环氧树脂预浸叠堆40可以被当作制动轨道60的衬底。制动轨道60包括位于轮圈20的外表面上的微粒62和环氧树脂64的组合，在该外表面处所述微粒62和环氧树脂64的组合可以由制动垫材料接触。制动轨道材料层60叠盖沿期望的交错方向设置的纤维增强塑料层。纤维/树脂叠堆可以由FRP材料的任意合适的布置形成。在图4和5的实施方式中，微粒62被示出为通过部分地移除包含微粒的环氧树脂基体64而露出。 [0029] 为了制造根据本发明的轮圈20的实施方式，制动轨道60的材料通过将大量微粒62和环氧树脂64组合而产生。该制动轨道材料60可以如环氧树脂64一样简单，所述环氧树脂64已与合适百分比的微粒62混合并形成为薄膜且在一个实施方式中设置在碳、石英、聚酯、玻璃纤维、 或其他合适材料的细遮蔽物或纱罩66上。这种环氧树脂薄膜或纱罩层然后可以被切割成条段或弧段，这些条段或弧段可以被直接层压在未固化的纤维增强环氧树脂轮圈上。一些成型方法还会允许在工具接收未固化的材料之前将搀混微粒的薄膜直接施加到工具的表面。然后工具可以被闭合并加热和加压以固化纤维增强环氧树脂结构以及搀混微粒的环氧树脂制动表面60。在足够量的时间之后，例如通常在从三十分钟到两小时的固化时间之后，从模子移除固化的轮圈20，过多的树脂会被移除，并且轮圈将准备移除制动轨道60的环氧树脂的最外面部分以露出微粒62。该步骤可以不是必要的，但是新的碳纤维轮圈上的潮湿天气制动性能通常变差且表面可能花几周到几个月时间“裂开”，因为制动垫慢慢磨去环氧树脂64而露出嵌入其中的微粒62。因此，在一个实施方式中，覆盖微粒62的环氧树脂64以研磨喷砂操作被轻易地磨去。该喷砂可以使用例如硬度高于环氧树脂但是小于成型到制动表面中的研磨微粒的石榴石之类的介质来微调。可以使用其它材料来移除环氧树脂覆层，例如使用胡桃壳，与移除较少的环氧树脂的石榴石相比胡桃壳是侵进性较小的研磨剂，因此产生更低侵进性的制动轨道表面。 [0030] 微粒62与环氧树脂64的变化范围优选地以重量计研磨微粒为约5％至60％。在研磨微粒的浓度低于大约5％时，对轮圈的性能或耐久性有很小甚至没有明显的影响。在研磨微粒的浓度较高时，显著地改进了制动性能和耐久性，但是可能付出表面变得易碎或过度侵进的代价。但微粒62的浓度太高尽管作为制动表面有效但将趋向于在制动时产生过多的热且可能很快磨损使用于自行车上的标准制动垫。微粒62的粒径优选地小于大约0.1mm，并且更优选地，所述微粒具有小于0.05mm的粒径。 [0031] 图6是根据本发明的具有制动轨道60的钳入式车轮轮圈20。轮圈20大体包括径向外部轮胎接合部28、径向内部辐条接合部30、第一侧壁32和与该第一侧壁间隔开的第二侧壁34。第一侧壁32和第二侧壁34大体在轮胎接合部28和辐条接合部30之间径向地延伸以形成轮圈20的形状。制动轨道60具有大约9mm至11mm的高度H2，优选地大约为10.5mm，并且定位在距外部轮胎接合部28的最外范围大约1mm至3mm处，其为由H1表示的高度。在所示实施方式中，制动轨道60靠近轮胎接合部28的在第一侧壁32和第二侧壁34之间延伸的跨架或横向构件58设置，或者在该跨架或横向构件的上方和下方延伸。在一个实施方式中，制动轨道60大体与FRP横向构件58交叉。制动轨道60的厚度不是按比例绘制的。轮圈20的在制动轨道 60处从第一侧壁32到第二侧壁34的宽度大约是19mm至24mm。因此，制动轨道60的高度与轮圈20的宽度之比大约是1：2。 [0032] 图7是根据本发明的另一个实施方式的具有制动轨道160的管形车轮轮圈120。轮圈120大体包括径向外部轮胎接合部128、径向内部辐条接合部130、第一侧壁132和与该第一侧壁间隔开的第二侧壁134。第一侧壁132和第二侧壁134大体在轮胎接合部128和辐条接合部130之间径向地延伸以形成轮圈120的形状。制动轨道160具有大约9mm至11mm的高度H4，优选地大约为10.5mm，并且定位在距外部轮胎接合部128的最外部范围大约1mm至3mm处，其为由H3表示的高度。在一个实施方式中，制动轨道160靠近或开始于轮胎接合部128的在第一侧壁132和第二侧壁134之间延伸的跨架或横向构件158，并在该跨架或横向构件的下方(径向向内)延伸。在一个实施方式中，制动轨道160大体与FRP横向构件158交叉。制动轨道160的厚度不是按比例绘制的。轮圈120的在制动轨道160处从第一侧壁132到第二侧壁134的宽度大约是19mm至24mm。因此，制动轨道160的高度与轮圈120的宽度之比大约是1：2。 [0033] 尽管本发明已经参考具体实施方式进行了说明，但应当理解的是，可以在所述的发明构思的精神和范围内做出多种变化。因此，本发明不旨在被限制到所公开的实施方式，而是包含了由所附权利要求所允许的全部范围。 |
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