具有多管框架结构的轮子制造技术

一种用于自行车轮的结构，包括至少两根管子，用于增强硬度、强度、空气动力学性能以及轮子的美感。所述车轮可设计成带有传统轮辐的轮圈类型，或者是带有附连的轮辐腿的一件式轮子。优选地，所述管子在不同位置处分离以形成孔。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种轮子，尤其是一种利用多根管子制成的复合自行车轮，这些管子沿着它们的面对表面熔接到一起以便提供一内部加强壁，在这些管子之间有孔或“端口”以提供特定的性能优势。本专利技术涉及一种包括轮圈和轮辐的复合自行车轮的改进结构。特别地，本设计的基础在于具有使用多于一根的加强管子的结构的优点，所述管子产生内部加强壁以增强强度和稳定性。另外，这些管子可以在关键位置和方向上分离开以在作为双相对拱形结构的管子之间形成孔或端口，提供额外的强度、硬度和空气动力学优点。
技术介绍
高性能自行车的重量是决定性能的严格特征。重量越轻，自行车加速越快，越容易维持高速，上坡越容易，并且越易于操纵。因此使用最轻的材料和设计来实现这些性能目标。现代高性能自行车设计的最流行材料是碳纤维强化环氧树脂(CFE)，原因是CFE在任何实际可负担的材料中具有最高的强度重量比。因此CFE能生产出具有优秀的刚度的重量非常轻的自行车轮，并且提供了审美上令人满意的形状。CFE的模制结构可以展现出平滑、光滑的形状，从而减小它们的气动阻力，使之更高效地穿过空气。决定自行车效率的主要因素是车轮。车轮呈现大的前方面积，因此是气动阻力的主要成因。车轮恒定旋转，这添加了独一无二的空气动力学效果。另外，轮辐显著增加了气动阻力。而且由于有两个轮子，这两个轮子也显著增大了自行车的总重量。自行车轮的另一个重要因素是硬度。自行车受到由轮辐传递的径向负荷的作用。车轮必须足够坚硬以抵抗这些负荷，同时不是太坚硬而导致驾乘不舒适。在一定的情况下，优选地具有坚硬的轮子，例如公路自行车。在其它情况下，优选地具有柔性的轮子，例如山地自行车。很难在单一技术或设计中实现这两者。侧向或横向负荷也作用在自行车轮上。这可能是骑车人以高速转弯时造成的，或者是通过在踏板上引入高负荷、同时利用车把抵消该扭矩而造成的。在抵抗这些侧向负荷时轮子越坚硬，自行车的响应将越灵敏，并且考虑到更大的加速度和改进的操作，将反应越迅速。自行车轮的另一重要因素是强度。在自行车轮上引入多种负荷。有因高速转弯产生的离心力。有由于碰撞诸如路面上的坑洞或离开路面的石头这样的大物体而产生的冲击力。有在粗糙路面上行驶而由于“路面嗡嗡叫(road buzz)”产生的振动。因此车轮必须经受住多种负荷情况。最后，自行车轮是最可见部件中的一种，并且能对自行车的质量和预期性能起到效果。具有高科技样子的车轮能极大地增加自行车的可感知价值，这在碳自行车车架的价格可以是几千美元时非常重要。过去三十年的现代自行车轮变革主要集中在重量轻以及空气动力学上。因此已经有许多包括碳纤维复合材料的设计。这些设计可以划分为两种类型1)使用传统轮辐的复合轮圈；2)复合轮圈与复合轮辐相结合。初始设计尝试制造一种将轮圈部分与轮辐部分模制到一起的一件式复合车轮。授予Lewis的美国专利No.4930843公开了一种带有中空复合轮圈和中空复合轮辐的轮子。Lewis描述了与传统金属轮子相比重量减轻，并且由于有翼形的轮辐，具有空气动力学优点。虽然这样产生了重量非常轻的设计，但具有由单个复合管子构建的中空轮辐使轮子易于因为管子的壁薄而压缩弯曲。授予Tsai的美国专利No.4995675描述了一种带有复合轮辐以及中空复合轮圈的复合轮子，该复合轮辐具有泡沫芯。轮辐中的泡沫芯能增大对弯曲负荷的抵抗能力。但是泡沫芯的硬度及由此其重量对于抵抗该负荷将肯定是重要的。另一针对带轮辐的复合轮子的设计记载于授予Arrendondo的美国专利No.5246275，该专利描述了用于实现重量和硬度效率的中空复合整体式结构。该设计使用具有大横截面宽度的中空单根管子的轮辐，由于侧壁薄，使这些轮辐易于出现弯曲失效。有几种使用复合材料只制造轮圈部分的设计。授予Hed和Haug的美国专利No.5061013描述了一种针对实心盘式轮子的可选设计，其中轮子的轮圈具有更大的径向尺寸并且与传统的轮辐附连。由于带有实心轮盘，这一设计具有低气动阻力的优点，但易受侧风负荷的影响。该No.5061013设计陈述了优先选择复合材料来实现轻重量，并且使用单根管子的设计。为了附连轮辐，必须在内轮圈表面沿着径向钻出孔洞。另外，必须在外轮圈表面处在相应的位置上钻出更大的孔洞，从而容纳一个工具来调整所述轮辐。具有两个彼此紧靠近的钻孔，这产生大的应力集中。在授予Martin等人的美国专利No.5249846中描述了另一种复合轮圈设计，该专利公开了一种包括至少两个相邻盒状结构的复合轮圈，每个盒状结构带有一个泡沫芯，之间有一共用壁。该设计的目的是制造重量轻并且牢固的轮圈。该设计需要钻孔以附连轮辐，并且因为减阻(fairing)部分太薄弱不能支撑这样的负荷，因此将轮辐附连到轮圈盒的更厚、更牢固的壁上。在授予Sargent的美国专利No.5975645中描述了另一种复合轮圈设计，该专利公开了一种带有轮胎接合圈部分以及在该轮胎接合圈部分的内侧的另一主体部分的轮圈，该另一主体部分带有球根形的侧壁，该侧壁设计成挠性的以吸收振动和冲击负荷。轮辐连接到轮圈的最内侧部分上，由于当轮辐施加更多的拉伸负荷时侧壁将弯曲，因此所述侧壁的挠性实现了吸震。因此，该设计由于存在这些挠曲而感觉反应迟钝。另外，必须在轮圈的内侧部分上钻孔以附连轮辐，也必须在轮圈的外侧部分上钻孔以接触到和调整轮辐。将复合材料用于车轮给出了重量轻以及空气动力学的优点。到此为止，轮子的设计可以划分为两种基本类型？使用传统薄断面轮辐的复合轮圈，以及轮辐数量更少、横截面更大并且被一体化到复合轮子结构中的复合轮子。复合材料在设计轮圈时对于金属是具有吸引力的选择，所述轮圈必须轻、坚硬、牢固、有弹性并且符合空气动力学。在本文中描述的轮圈是靠近外周边的轮子的一部分，其需要附连到轮毂上的附连装置。最常见的这种装置是传统的金属轮辐。包括高强度铝和重量轻的纤维的其它轮辐材料，诸如PBO(聚苯撑苯并二噁唑，Polyphenylene benzobisoxazole)。对于所有的轮辐，必须有用来在轮圈和轮毂之间附连轮辐的装置。为了附连到一传统的轮圈部分上，所述轮圈必须在两个位置上被钻孔来实现。首先，轮圈在径向方向上的最内侧表面被钻孔以容纳轮辐的柄。第二，在沿着相同径向方向的轮圈的最外侧表面上钻更大的孔洞，从而为保持所述轮辐的螺母提供外部的通路，其中通常所述轮胎位于所述最外侧表面上。这对于调整轮辐的张力是必需的。钻孔会显著弱化结构。在使用复合材料的情况下，每当钻出一个孔时，加强纤维被截断。例如，对于典型的高性能自行车轮，有32根轮辐意味着有32个小孔洞，并且在轮圈结构中钻32个大孔洞。另外，这些孔洞被钻在内侧和外侧表面上。这显著弱化了结构并且使之更易失效。
技术实现思路
存在对改进车辆设计的持续需求。在这点上，本专利技术基本满足了这一需求。本专利技术涉及一种轮子结构，该结构利用多根复合预浸料坯(prepreg)材料的管子构建，所述材料被模制成自行车轮的不同部分，诸如轮圈和轮辐部分，其中在沿着共用内部壁模制的过程中，相邻的管子被结合到一起，即熔接。与现有技术相比，利用这种多管设计形成轮圈和/或轮辐提供了定制的硬度、增强的强度、更好的减震性能、更好的抗疲劳性能、更好的舒适性、改进的空气动力学性能、改进的轮辐附连装置以及改进的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有轮圈的轮子，所述轮圈位于一中心平面中并且具有外端和内端以及一对侧壁，其特征在于，所述轮圈由复合材料的至少一根第一中空管和一根第二中空管制成，其中部分所述管子被沿着一共用内壁熔接到一起，并且其中所述管子的其它部分形成所述外端和内端以及所述侧壁。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：SJ戴维斯，R加扎拉，
申请(专利权)人：王子运动集团公司，
类型：发明
国别省市：US[]