具有制動軌道的自行車輪圈的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有制動軌道的自行車輪圈。所述輪圈為纖維增強塑料輪圈，并且包括徑向外部輪胎接合部和徑向內(nèi)部輻條接合部。第一側(cè)壁與第二側(cè)壁呈間隔開的構(gòu)造。第一側(cè)壁和第二側(cè)壁在徑向外部輪胎接合部和徑向內(nèi)部輻條接合部之間延伸。制動軌道布置在第一側(cè)壁和第二側(cè)壁中的每個側(cè)壁上，并且包括一層微粒。
【專利說明】具有制動軌道的自行車輪圈
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及自行車輪圈，并且更具體地涉及具有制動軌道的自行車輪圈。
【背景技術(shù)】
[0002]自行車車輪和輪圈已經(jīng)很好的使用了超過一個世紀(jì)。歷史上，大多數(shù)自行車輪圈由鋼或鋁制成。然而，在過去幾十年中，一些自行車輪圈制造商開始利用其他材料生產(chǎn)自行車輪圈，例如包括碳纖維、玻璃纖維、和尼龍纖維的輕量纖維增強塑料(FRP)，這些纖維增強塑料混合在樹脂中，所述樹脂例如為環(huán)氧基樹脂、酚基樹脂和/或酯基樹脂。在這些復(fù)合輪圈中，一些輪圈完全由FRP復(fù)合材料(“全復(fù)合車輪”)制成，而其他輪圈除了 FRP復(fù)合物之外還結(jié)合了不同材料的組分(“多組分輪圈”)。
[0003]碳纖維輪圈制動表面難以設(shè)計。早期的碳纖維輪圈使用輪圈的成型表面作為制動軌道或制動表面，其通常是麻煩的，這是因為成型輪圈通常具有嵌入該表面中的薄脫模層，該脫模層的出現(xiàn)對制動表面是不合適的，這是因為脫模劑材料產(chǎn)生低摩擦系數(shù)。脫模層在制造期間用于將輪圈從模子移除。在短期的制動使用之后，輪圈上的脫模劑和環(huán)氧樹脂的外層磨損，從而暴露出其下方易受影響的碳纖維。碳表面在抵抗磨損和增強摩擦性能方面是相當(dāng)差的。因此，碳纖維表面作為用于FRP輪圈的制動軌道通常是不合適的。
[0004]后來的輪圈在制動軌道中使用玻璃纖維、石英纖維或Kevlar纖維。所有這些材料都具有比碳更好的磨損特性且提供不同程度的改進的制動性能。Kevlar作為摩擦材料是相當(dāng)好的，但是易吸濕，這會導(dǎo)致其從輪圈脫層。Kevlar在該領(lǐng)域僅僅具有平均水平的磨損特性，一旦暴露在潮濕環(huán)境或可能包含混凝土或浙青顆粒以及灰塵和沙子的研磨道路砂鑠時，其可嵌入制動墊內(nèi)，從而造成極大的和迅速的輪圈磨損。玻璃纖維和石英在摩擦性能和磨損性能上是平均的，而且還不貴，但是這些材料可能很重而不對產(chǎn)品提供額外的強度或剛性。
[0005]一種提供良好的制動軌道的方案涉及從制動軌道區(qū)域移除環(huán)氧樹脂和脫模劑。這通過輪圈表面的機械研磨來實現(xiàn)，所述機械研磨既能移除脫模劑也能改進制動軌道的平行性和對齊性。近期輪圈的生產(chǎn)使用混合有玻璃的硅纖維的遮蔽物。硅纖維比玻璃硬且提供顯著改進的磨損性能以及制動“感覺”，但是非常昂貴，由于高的纖維硬度而難以合作且增加了相當(dāng)大的制造成本。盡管現(xiàn)代的飛機和賽車制動器目前由碳化硅纖維制造，但是這些材料目前相當(dāng)昂貴，很難加工且難以形成較小半徑，尤其在制造設(shè)定中。該柔韌性的缺乏限制了它們應(yīng)用到輪圈設(shè)計并潛在地抑制了使用于某些復(fù)雜的輪圈形狀。
[0006]一些輪圈制造商嘗試了后施加“陶瓷”制動軌道涂層。這些涂層的范圍從被熱固化的上漆應(yīng)用到等離子噴涂涂層。所有這些涂層都提供強硬的摩擦表面，但是是易碎的、笨重的且通常要求可能損害成型的輪圈的高溫施加過程。這些涂層還遭受幾何應(yīng)用問題，由于是后施加的，因此制動表面由于缺乏幾何控制因而固有地不完美且是不平行的。
[0007]因此，需要提供一種具有耐久的且節(jié)約成本的具有優(yōu)良制動特性的制動軌道的自行車輪圈。本發(fā)明通過在輪圈重量和輪胎安裝精力上產(chǎn)生最小影響來滿足這一需求。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明涉及施加于FRP輪圈的軌道，所述軌道的材料是碳化硅等的微粒，所述微粒完全地或部分地懸浮在高溫、高韌性的環(huán)氧樹脂的層內(nèi)。碳化硅(SiC)是一種商業(yè)上可獲得的最硬的材料之一。呈纖維形式的碳化硅的高硬度限制了它應(yīng)用到具有大體平坦的或簡單的幾何形狀的物體上，這是因為纖維通常是不易變曲的。碳化硅纖維的硬度使得該材料在生產(chǎn)環(huán)境中難以合作且難以形成自行車輪圈制動軌道。但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，碳化硅等以非纖維形式的使用更容易符合不同輪圈形狀并且更容易以有效的方式操縱和制備，而在施加到FRP輪圈時不損害其制動性能。
[0009]在一個實施方式中，本發(fā)明包括制動軌道，該制動軌道包含環(huán)氧樹脂外層，所述環(huán)氧樹脂包含一定百分比的碳化硅(SiC)或類似材料，所述碳化硅(SiC)或類似材料以顆粒的形式(諸如微球體)施加到輪圈的制動軌道區(qū)域。攙混有SiC的環(huán)氧樹脂薄膜的性質(zhì)使得避免了與SiC纖維合作的難度。例如，SiC纖維幾乎不可能利用傳統(tǒng)工具(例如剃刀或電剪)切割成一定的形狀或形式，這是因為SiC纖維比傳統(tǒng)剃刀硬30%至50%。
[0010]利用在環(huán)氧樹脂基體中嵌入SiC微粒的經(jīng)拋光的成型制動表面提供比先前設(shè)計更顯著的優(yōu)點。制動表面適合于任意幾何形狀；對該設(shè)計沒有最小曲率半徑或者加工限制。通過改變諸如粒徑、樹脂內(nèi)的顆粒的百分比、顆粒的形態(tài)和其它因素之類的多個變量，SiC制動表面可以被“調(diào)整”用于最佳的制動性能和“感覺”。所形成的制動表面被發(fā)現(xiàn)在更低成本下幾乎與SiC纖維一樣耐用。為了在制造廠設(shè)定內(nèi)的處理和操作的目的，本發(fā)明還構(gòu)思了一種薄的玻璃纖維遮蔽材料，該遮蔽材料由所嵌入的SiC環(huán)氧樹脂疊蓋，并且傾向于易于操縱和處理SiC環(huán)氧樹脂，因為所述遮蔽材料不太難以切割和處理且甚至更容易切割和處理。
[0011]最終的輪圈呈現(xiàn)新穎結(jié)構(gòu)的截面。盡管典型的輪圈包括被覆蓋在玻璃或Kevlar?中的碳纖維層，該玻璃或Kevlar?涂覆于環(huán)氧樹脂內(nèi)，或具有蝕刻掉所述環(huán)氧樹脂后的表面的(露出碳然后將玻璃或Kevlar⑩作為外表面)輪圈，但本發(fā)明的輪圈呈現(xiàn)出完全由環(huán)氧樹脂層浸潤的SiC微粒的區(qū)域或基體。一個可選的實施方式涉及研磨或蝕刻掉環(huán)氧樹脂基體的外部部分以露出外部制動表面上的微粒。在可選的實施方式中，還可以控制SiC顆粒的密度以及增加額外的SiC顆粒層以改善耐久性或提高產(chǎn)品壽命。
[0012]本發(fā)明的這些和其它特征和優(yōu)點將結(jié)合附圖從以下對本發(fā)明的一個或多個實施方式的說明被更完全地被理解。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]在附圖中:
[0014]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的具有制動軌道的自行車輪圈的部分立體圖；
[0015]圖2是制動軌道的一部分和簡化的下方碳結(jié)構(gòu)的立體圖；
[0016]圖3是圖2的結(jié)構(gòu)的剖面圖；
[0017]圖5是制動軌道的一部分和簡化的下方碳結(jié)構(gòu)的立體圖，其中移除了一些樹脂以露出制動軌道材料；
[0018]圖4是圖5的結(jié)構(gòu)的剖面圖；[0019]圖6是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的鉗入式(clincher style)輪圈的剖面圖；以及
[0020]圖7是根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的管形輪圈的剖面圖。
【具體實施方式】
[0021]將參考附圖在這里說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。應(yīng)當(dāng)理解的是這里闡述的附圖和說明僅僅為了說明而提供并且不限制如由所附的權(quán)利要求以及它們?nèi)我夂腿康牡韧锼薅ǖ谋景l(fā)明。
[0022]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的具有制動軌道60的車輪輪圈20。輪圈20大體包括徑向外部輪胎接合部28、徑向內(nèi)部輻條接合部30、第一側(cè)壁32和與該第一側(cè)壁間隔開的第二側(cè)壁34。第一側(cè)壁32和第二側(cè)壁34大體在輪胎接合部28和輻條接合部30之間徑向延伸以形成輪圈20的形狀或輪圈的一部分。應(yīng)當(dāng)理解的是，包括能作為制動軌道的部分的任意形狀的FRP輪圈是本發(fā)明所關(guān)注的。
[0023]制動軌道60位于第一側(cè)壁32和第二側(cè)壁34上的常規(guī)位置。雖然示出了鉗入式輪圈20，但是本發(fā)明能用于非鉗入式輪圈，例如管形或縫入式(sew-up)輪圈(未示出)。輪胎接合部28和輻條接合部30以及第一側(cè)壁32和第二側(cè)壁34可以形成超環(huán)面。在所示實施方式中，輪圈20將考慮為由FRP，即纖維增強塑料制造，在一個實施方式中由碳纖維制造，但應(yīng)理解的是，可以使用多種材料和材料的組合來形成纖維增強輪圈。
[0024]圖2和3包括纖維織物/環(huán)氧樹脂預(yù)浸疊堆40，如眾所周知的，示出了高度簡化但是大體示出FRP車輪輪圈的側(cè)壁的一小部分。疊堆40可以認(rèn)為是用于形成制動軌道60的材料或?qū)拥囊r底。制動軌道層60包括微粒62和環(huán)氧樹脂64的組合，并且位于輪圈的外表面上，在該外表面處該制動軌道層可以由制動墊材料接觸。制動軌道層60疊蓋纖維增強塑料層40，這些纖維增強塑料層如所示的沿交錯的方向放置。當(dāng)然，纖維/樹脂推疊40可以是形成輪圈并支撐制動軌道60的FRP材料的任意合適的布置。在圖2和圖3所示的實施方式中，微粒62被示出為在制動軌道60內(nèi)完全由環(huán)氧樹脂64包含。
[0025]制動軌道60內(nèi)的微粒62可以是任意類型的高硬度材料，例如，陶瓷材料、碳化硅、氮化硅、氧化鋁、碳化硼、氧化鈦、金剛砂或其他具有合適硬度的材料，這些材料呈能夠適于或形成輪圈20的形狀的具體形式。高硬度金屬顆粒也能夠作為替代品，盡管它們可能不會展現(xiàn)與上述材料族相同的壽命。微粒的形狀尤其是在制造設(shè)定中大體可以是緊實的、圓形的、球形的、有角的、無定形的、小片狀的或任意其他合適的適合于不同輪圈形狀的非纖維形狀。
[0026]因此，能夠容易地微調(diào)輪圈的制動性能，這是因為制動軌道60可以通過不同的或可選的材料組合以任意合適的重量百分比來改變。改變微粒形態(tài)也具有改變制動軌道60的表面摩擦系數(shù)的可能，從而允許制動軌道表面被調(diào)整以止動動力和/或調(diào)制。上列制動軌道微粒材料中的一些材料還具有高的熱傳導(dǎo)性，和/或高的耐熱性，這都能被用來以期望的方式更好地管理環(huán)氧樹脂基體內(nèi)的熱。
[0027]轉(zhuǎn)向圖4和圖5，制動軌道60可以在使用之前通過從制動軌道60移除大量的環(huán)氧樹脂64來改變，以微調(diào)制動軌道的摩擦系數(shù)以及表面狀況。以這種方式，F(xiàn)RP可以最佳用于潮濕天氣的制動。
[0028]具體地，與圖2和3所示的一樣，圖4和圖5示出了纖維織物/環(huán)氧樹脂預(yù)浸疊堆40。除了作為輪圈20的結(jié)構(gòu)部件之外，疊堆40可以被當(dāng)作制動軌道60的襯底。制動軌道60包括位于輪圈20的外表面上的微粒62和環(huán)氧樹脂64的組合,在該外表面處所述微粒62和環(huán)氧樹脂64的組合可以由制動墊材料接觸。制動軌道材料層60疊蓋沿期望的交錯方向設(shè)置的纖維增強塑料層40。纖維/樹脂疊堆40可以由FRP材料的任意合適的布置形成。在圖4和5的實施方式中，微粒62被示出為通過部分地移除包含微粒的環(huán)氧樹脂基體64而露出。
[0029]為了制造根據(jù)本發(fā)明的輪圈20的實施方式，制動軌道60的材料通過將大量微粒62和環(huán)氧樹脂64組合而產(chǎn)生。該制動軌道材料60可以如環(huán)氧樹脂64 —樣簡單，所述環(huán)氧樹脂64已與合適百分比的微粒62混合并形成為薄膜且在一個實施方式中設(shè)置在碳、石英、聚酯、玻璃纖維、Kevlar?:或其他合適材料的細遮蔽物或紗罩66上。這種環(huán)氧樹脂薄膜或紗罩層66然后可以被切割成條段或弧段，這些條段或弧段可以被直接層壓在未固化的纖維增強環(huán)氧樹脂輪圈上。一些成型方法還會允許在工具接收未固化的材料之前將攙混微粒的薄膜直接施加到工具的表面。然后工具可以被閉合并加熱和加壓以固化纖維增強環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)以及攙混微粒的環(huán)氧樹脂制動表面60。在足夠量的時間之后，例如通常在從三十分鐘至IJ兩小時的固化時間之后，從模子移除固化的輪圈20，過多的樹脂會被移除，并且輪圈將準(zhǔn)備移除制動軌道60的環(huán)氧樹脂的最外面部分以露出微粒62。該步驟可以不是必要的，但是新的碳纖維輪圈上的潮濕天氣制動性能通常變差且表面可能花幾周到幾個月時間“裂開”，因為制動墊慢慢磨去環(huán)氧樹脂64而露出嵌入其中的微粒62。因此，在一個實施方式中，覆蓋微粒62的環(huán)氧樹脂64以研磨噴砂操作被輕易地磨去。該噴砂可以使用例如硬度高于環(huán)氧樹脂但是小于成型到制動表面中的研磨微粒的石榴石之類的介質(zhì)來微調(diào)?？梢允褂闷渌牧蟻硪瞥h(huán)氧樹脂覆層，例如使用胡桃殼，與移除較少的環(huán)氧樹脂的石榴石相比胡桃殼是侵進性較小的研磨劑，因此產(chǎn)生更低侵進性的制動軌道表面。
[0030]微粒62與環(huán)氧樹脂64的變化范圍優(yōu)選地以重量計研磨微粒為約5%至60%。在研磨微粒的濃度低于大約5%時，對輪圈的性能或耐久性有很小甚至沒有明顯的影響。在研磨微粒的濃度較高時，顯著地改進了制動性能和耐久性，但是可能付出表面變得易碎或過度侵進的代價。但微粒62的濃度太高盡管作為制動表面有效但將趨向于在制動時產(chǎn)生過多的熱且可能很快磨損使用于自行車上的標(biāo)準(zhǔn)制動墊。微粒62的粒徑優(yōu)選地小于大約0.1mnin
[0031]圖6是根據(jù)本發(fā)明的具有制動軌道60的鉗入式車輪輪圈20。輪圈20大體包括徑向外部輪胎接合部28、徑向內(nèi)部輻條接合部30、第一側(cè)壁32和與該第一側(cè)壁間隔開的第二側(cè)壁34。第一側(cè)壁32和第二側(cè)壁34大體在輪胎接合部28和輻條接合部30之間徑向地延伸以形成輪圈20的形狀。制動軌道60具有大約9mm至Ilmm的高度H2，優(yōu)選地大約為10.5mm,并且定位在距外部輪胎接合部28的最外范圍大約Imm至3mm處,其為由H1表示的高度。在所示實施方式中，制動軌道60靠近輪胎接合部28的在第一側(cè)壁32和第二側(cè)壁34之間延伸的跨架或橫向構(gòu)件58設(shè)置，或者在該跨架或橫向構(gòu)件的上方和下方延伸。在一個實施方式中，制動軌道60大體與FRP橫向構(gòu)件58交叉。制動軌道60的厚度不是按比例繪制的。輪圈20的在制動軌道60處從第一側(cè)壁32到第二側(cè)壁34的寬度大約是19mm至24mm。因此，制動軌道60的高度與輪圈20的寬度之比大約是1: 2。
[0032]圖7是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式的具有制動軌道160的管形車輪輪圈120。輪圈120大體包括徑向外部輪胎接合部128、徑向內(nèi)部輻條接合部130、第一側(cè)壁132和與該第一側(cè)壁間隔開的第二側(cè)壁134。第一側(cè)壁132和第二側(cè)壁134大體在輪胎接合部128和輻條接合部130之間徑向地延伸以形成輪圈120的形狀。制動軌道160具有大約9mm至Ilmm的高度H4，優(yōu)選地大約為10.5mm，并且定位在距外部輪胎接合部128的最外部范圍大約Imm至3mm處，其為由H3表示的高度。在一個實施方式中，制動軌道160靠近或開始于輪胎接合部128的在第一側(cè)壁132和第二側(cè)壁134之間延伸的跨架或橫向構(gòu)件158，并在該跨架或橫向構(gòu)件的下方(徑向向內(nèi))延伸。在一個實施方式中，制動軌道160大體與FRP橫向構(gòu)件158交叉。制動軌道160的厚度不是按比例繪制的。輪圈120的在制動軌道160處從第一側(cè)壁132到第二側(cè)壁134的寬度大約是19_至24_。因此，制動軌道160的高度與輪圈120的寬度之比大約是1: 2。
[0033]盡管本發(fā)明已經(jīng)參考【具體實施方式】進行了說明，但應(yīng)當(dāng)理解的是，可以在所述的發(fā)明構(gòu)思的精神和范圍內(nèi)做出多種變化。因此，本發(fā)明不旨在被限制到所公開的實施方式，而是包含了由所附權(quán)利要求所允許的全部范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于自行車的纖維增強塑料輪圈，該纖維增強塑料輪圈包括: 徑向外部輪胎接合部； 徑向內(nèi)部輻條接合部； 第一側(cè)壁； 與所述第一側(cè)壁間隔開的第二側(cè)壁，所述第一側(cè)壁和所述第二側(cè)壁從所述徑向外部輪胎接合部向內(nèi)延伸；以及 布置在所述第一側(cè)壁和所述第二側(cè)壁上的制動軌道，所述制動軌道包括一層微粒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維增強塑料輪圈，其中，所述第一側(cè)壁和所述第二側(cè)壁在所述徑向外部輪胎接合部和所述徑向內(nèi)部輻條接合部之間延伸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維增強塑料輪圈，其中，所述微粒嵌入在環(huán)氧樹脂基體內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維增強塑料輪圈，其中，所述微粒部分地嵌入環(huán)氧樹脂基體內(nèi)并且部分地露出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維增強塑料輪圈，其中，所述微粒是微球體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維增強塑料輪圈，其中，所述微粒是高硬度顆粒。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的纖維增強塑料輪圈，其中，所述高硬度顆粒由碳化硅、氮化硅、氧化鋁、碳化硼、氧化鈦、金剛砂和陶瓷中的一種或多種制成。
8.根據(jù)權(quán)利要 求6所述的纖維增強塑料輪圈，其中，所述高硬度顆粒是金屬顆粒。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維增強塑料輪圈，其中，所述微粒的形狀是下列的一種或多種:緊實的；圓形的；球形的；有角的；無定形的；小片狀的。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的纖維增強塑料輪圈，其中，所述制動軌道的所述微粒按重量計大約為環(huán)氧樹脂基體的5%至60%。
11.根據(jù)權(quán)利要求4所述的纖維增強塑料輪圈，其中，所述制動軌道的所述微粒按重量計大約為環(huán)氧樹脂基體的5%至60%。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維增強塑料輪圈，其中，所述微粒具有小于大約0.05mm的粒徑。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維增強塑料輪圈，其中，所述制動軌道包括遮蔽物。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的纖維增強塑料輪圈，其中，所述遮蔽物包括玻璃纖維、碳、石英、Kevlar和聚酯中的一種或多種。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的纖維增強塑料輪圈，其中，所述遮蔽物與所述環(huán)氧樹脂基體以及有效量的所述微粒結(jié)合。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維增強塑料輪圈，其中，所述微粒具有高的熱傳導(dǎo)性或高的耐熱性，或者既具有高的熱傳導(dǎo)性也具有高的耐熱性。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維增強塑料輪圈，其中，所述微粒的形狀和大小適應(yīng)于所述輪圈的形狀。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維增強塑料輪圈，其中，所述輪圈是鉗入式輪圈。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維增強塑料輪圈，其中，所述輪圈是管形輪圈。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維增強塑料輪圈，其中，所述輪圈包括碳纖維增強材料。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維增強塑料輪圈，其中，所述制動軌道的高度與所述輪圈在所述制動軌道處的寬度之比大約是1: 2。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維增強塑料輪圈，其中，所述制動軌道在所述第一側(cè)壁和所述第二側(cè)壁上靠近纖維增強塑料橫向構(gòu)件布置。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的纖維增強塑料輪圈，其中，所述制動軌道大體與所述纖維增強塑料橫向構(gòu)件 的平面交叉。
【文檔編號】B60B21/08GK103538425SQ201310343703
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月12日
【發(fā)明者】J·波特內(nèi)爾, D·莫爾斯, M·霍爾 申請人:什拉姆有限責(zé)任公司