專利名稱：一種膠合式整體全碳纖維復合材料輪圈及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種車用附屬部件，具體涉及一種輪圈，適用于自行車、電動車、殘疾人用車及獨輪車等車型，還涉及上述輪圈的制作方法。
背景技術：
碳纖維是由含碳量較高且在熱處理過程中不熔融的人造化學纖維，經過熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成的。碳纖維具有耐高溫、耐摩擦、導電、導熱及耐腐蝕等特性，其外形有顯著的各向異性、柔軟，可加工成各種織物，碳纖維沿纖維軸方向表現出很高的強度，碳纖維的比重較小，具有很高的比強度。碳纖維的主要用途是與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合，制成結構材料。在要求高溫、 力學穩(wěn)定性高的場合，碳纖維復合材料都頗具優(yōu)勢。在自行車輪圈制造領域，傳統的編輻條合金自行車輪圈比較重，一支輪圈的重量為1000克以上，使用不方便，而且輪圈在承受約140KG的垂直作用力時，容易發(fā)生永久性變形，而當作用力達到200KG以上時，輪圈就會斷裂，因此輪圈的強度較差，成為影響自行車行駛的不安全因素；另外，傳統自行車輪圈上的輻條較多，導致行駛過程中風阻較大，增加了行駛阻力，影響自行車的行駛速度。目前，市面上現有的碳纖維自行車輪圈的內部中空，雖然重量較小，但是在自行車的行駛過程中，由于黑色的碳纖維本體吸熱，輪圈的剎車面會因剎車動作而急劇升溫，溫度往往高達130°C以上，造成輪圈軟化，導致行駛安全性大大降低。本申請人于2010年2月沈日提交的中國發(fā)明專利申請《一種新型碳纖維復合材料成品及其制備方法》(申請?zhí)?01010136125. 9)公開了一種碳纖維復合材料成品，包括碳纖維材料，還包括聚氨基甲酸酯材料，所述碳纖維材料作為外包材料，所述聚氨基甲酸酯材料作為填充料，所述碳纖維材料包覆在所述聚氨基甲酸酯材料的表面上形成碳纖維復合材料成品。該碳纖維復合材料成品的優(yōu)點在于重量小、使用方便，而且強度高，散熱性好，提高了產品的安全性能。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目的在于提供一種重量輕、強度高、風阻小、能夠提高行駛速度且外形美觀的膠合式整體全碳纖維復合材料輪圈。本發(fā)明的目的通過以下的技術措施來實現一種膠合式整體全碳纖維復合材料輪圈，包括圈部、輻條和花鼓，所述花鼓位于所述圈部的中心部位，所述輻條連接在所述花鼓與所述圈部之間，所述花鼓主要由外殼與內置于外殼中的傳動機構組成，其特征在于所述花鼓的外殼、圈部及輻條均由碳纖維復合材料制成，所述圈部的內圓周上及花鼓的外圓周上分別設有用于安裝輻條的安裝孔，所述輻條的兩端分別插入圈部及花鼓上相應的安裝孔中并膠合固定。本發(fā)明輪圈的圈部、輻條及花鼓的外殼材質均采用碳纖維復合材料，使得輪圈整體的重量輕、強度高，例如本發(fā)明三刀(即三輻條)自行車輪圈，一支輪圈的重量僅為600多克，該輪圈在承受300KG垂直作用力時而無異常，當垂直作用力達到600KG以上，輪圈才會出現裂紋；另外，輪圈采用較少數量的輻條，行駛過程中風阻小，大大降低了行駛阻力，提高了行駛速度；采用碳纖維復合材料制作的輪圈，外形美觀靚麗，深受廣大消費者的喜愛。作為本發(fā)明的一種實施方式，所述碳纖維復合材料包括碳纖維材料和聚氨基甲酸酯材料，所述碳纖維材料作為外包材料，所述聚氨基甲酸酯材料作為填充料，所述碳纖維材料包覆在所述聚氨基甲酸酯材料的表面上形成碳纖維復合材料。本發(fā)明輪圈所采用的碳纖維復合材料為實心，內置的聚氨基甲酸酯材料可以將因剎車等引起溫度上升而產生的熱量快速傳導，因此，本發(fā)明散熱性好，大大增強了輪圈的安全性能。作為本發(fā)明優(yōu)選的實施方式，所述輻條由環(huán)氧樹脂膠粘合固定于所述安裝孔中， 環(huán)氧樹脂膠一般是指以環(huán)氧樹脂為主體所制得的膠粘劑，環(huán)氧樹脂膠通常還應包括環(huán)氧樹脂固化劑以使環(huán)氧樹脂膠固化。作為本發(fā)明的一種實施方式，所述碳纖維材料緊密壓合在所述聚氨基甲酸酯材料的表面上。本發(fā)明的另一個目的是提供上述膠合式整體全碳纖維復合材料輪圈的制作方法。本發(fā)明的目的通過以下的技術措施來實現一種上述膠合式整體全碳纖維復合材料輪圈的制作方法，其特征在于包括以下步驟
(1)制備聚氨基甲酸酯填充料首先將固化劑與聚醚混合成混合液，并攪拌均勻，然后將混合液倒入模具的模穴內后鎖緊模具，加熱所述混合液至可使該混合液固化的溫度；待所述混合液固化后，從模具中取出已成型的固體狀聚氨基甲酸酯材料；
⑵圈部與花鼓分別包料加工分別按照圈部和花鼓的結構圖編排，將碳纖維材料依結構圖裁剪成符合要求的大小和形狀，然后按照圈部和花鼓結構圖編排的順序和位置將碳纖維材料包覆在由步驟⑴獲得的固體狀聚氨基甲酸酯材料的表面上，分別得到圈部和花鼓半成品；將圈部及花鼓半成品分別放置在相應的模具內，鎖緊模具后，將模具放置在成型機內成型，分別獲得圈部及花鼓成品；
⑶加工輻條將碳纖維材料按照輻條的結構圖裁剪成符合要求的大小和形狀，然后將裁剪所得的碳纖維材料卷成實心棒體，獲得輻條成品；
⑷加工輪圈半成品按照輪圈的裝配結構圖分別在圈部的內圓周及花鼓的外圓周上對應鉆孔，形成用于安裝輻條的安裝孔；對鉆孔后的圈部及花鼓分別進行清洗烘干，在安裝孔內涂抹粘合膠，將輻條兩端分別安裝在相應的安裝孔內固定后獲得輪圈半成品；
ω將輪圈半成品放置在膠合治具上固定，待粘合膠在常溫環(huán)境中自然固化后，從膠合治具上取出輪圈；
(6)對完成步驟ω輪圈的外表面進行涂裝加工，形成輪圈成品。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式，在所述步驟⑴中，加熱所述混合液至30 50°C 的溫度范圍內。如果溫度過低，混合液可能無法完全固化，如果溫度過高，混合液的膨脹速度加快，可能造成固化物的密度不均，以致影響復合材料的性能。作為本發(fā)明的實施方式，在所述步驟⑴中，所述混合液在模具中加熱15 20min 后取出。加熱時間過短可能會導致混合液無法反應固化，而加熱時間過長，混合液固化后可能會發(fā)生脆化或者難以取模，導致延長加工制程。作為本發(fā)明的一種改進，完成步驟⑴后，所述的聚氨基甲酸酯材料在常溫環(huán)境中放置2 3天?？墒咕郯被姿狨ゲ牧蟽鹊姆肿臃磻鼮橥耆?，減少在后續(xù)加工工序中聚氨基甲酸酯材料的尺寸和形狀產生變化的幾率。作為本發(fā)明的進一步改進，將碳纖維材料包覆在聚氨基甲酸酯材料的表面上之前，所述聚氨基甲酸酯材料的表面經過粗化處理。經過粗化處理，可以去除聚氨基甲酸酯材料表面的離型劑，而使聚氨基甲酸酯材料與碳纖維材料結合得更為緊密。本發(fā)明在完成步驟⑶后，將圈部、花鼓及輻條上的毛邊分別去除。作為本發(fā)明的一種實施方式，所述粘合膠采用環(huán)氧樹脂膠，在所述步驟⑷中， 所述環(huán)氧樹脂膠固化的時間是6 12小時。作為本發(fā)明的實施方式，在所述步驟⑵中，成型機的壓力設置為110 150噸，溫度設定為150 160°C，時間設定至碳纖維材料含浸的樹脂完全固化。成型機的壓力過低，則模具的上下模之間可能存在縫隙，成型后的碳纖維復合材料產品的尺寸可能會發(fā)生變異；成型機的溫度過低，則可能導致碳纖維材料無法完全固化， 而溫度過高，可能會破壞碳纖維材料的分子結構，使產品的物性降低；成型機的時間設定需要根據具體情況，比如需要按照模具的厚薄程度、產品包料的層數等多少來設定不同的時間。作為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，所述固化劑與聚醚按照1 :1 1 :1. 4體積比混合成混合液。與現有技術相比，本發(fā)明具有如下顯著的效果
⑴本發(fā)明輪圈的花鼓外殼、圈部及輻條均由碳纖維復合材料制作而成，使得輪圈整體的重量輕，使用方便，本發(fā)明三刀(即三輻條)自行車輪圈，一支輪圈的重量僅為600多克，與傳統的編輻條合金自行車的一支輪圈的重量相比，重量減少約400克以上，而且本發(fā)明強度高，輪圈在承受300KG垂直作用力時而無異常，當垂直作用力達到600KG以上，輪圈才會出現裂紋。⑵本發(fā)明輪圈采用較少數量的輻條，例如采用三刀(即三輻條)或者五刀(即五輻條)，行駛過程中風阻小，大大降低了行駛阻力，提高了行駛速度。⑶本發(fā)明的圈部由碳纖維材料包覆在聚氨基甲酸酯材料的表面上而構成，圈部為實心，可將碳纖維材料產生的熱量迅速散去，具有良好的散熱性能，同時提高了使用安全性。⑷本發(fā)明輪圈可適用于自行車、電動車、殘疾人用車及獨輪車等多種車型，特別對于車速要求高的場合，本發(fā)明的優(yōu)勢尤為突出。( 本發(fā)明采用碳纖維復合材料制作的輪圈，外形美觀靚麗，深受廣大消費者的喜
ο


下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。圖1是本發(fā)明輪圈的正面結構示意圖； 圖2是本發(fā)明輪圈的側面結構示意圖。
具體實施例方式實施例1
如圖1、2所示，是本發(fā)明一種膠合式整體全碳纖維復合材料輪圈1，包括圈部11、輻條 12和花鼓13，花鼓13位于圈部的中心部位，輻條12連接在花鼓13與圈部11之間，花鼓13 主要由外殼與內置于外殼中的傳動機構組成，花鼓13的外殼、圈部11及輻條12均由碳纖維復合材料制成，在本實施例中，碳纖維復合材料包括碳纖維材料和聚氨基甲酸酯材料，碳纖維材料作為外包材料，聚氨基甲酸酯材料作為填充料，碳纖維材料緊密壓合并包覆在聚氨基甲酸酯材料的表面上形成碳纖維復合材料。圈部11的內圓周上及花鼓13的外圓周上分別設有用于安裝輻條12的安裝孔2，輻條12的兩端分別插入圈部11及花鼓13上相應的安裝孔2中并由環(huán)氧樹脂膠粘合固定。本發(fā)明采用五刀(即五輻條)，一支輪圈的重量僅為600多克，該輪圈在承受300KG 垂直作用力時而無異常，當垂直作用力達到600KG以上，輪圈才會出現裂紋；另外，輪圈采用較少數量的輻條，行駛過程中風阻小，大大降低了行駛阻力，提高了行駛速度；本發(fā)明輪圈所采用的碳纖維復合材料為實心，內置的聚氨基甲酸酯材料可以將因剎車等引起溫度上升而產生的熱量快速傳導，因此本發(fā)明散熱性好，大大增強了輪圈的安全性能。上述膠合式整體全碳纖維復合材料輪圈的制作方法，包括以下步驟
⑴制備聚氨基甲酸酯填充料首先將固化劑與聚醚按照1 :1. 4體積比混合成混合液， 并攪拌均勻；然后將上述的混合液倒入模具的模穴內后，鎖緊模具的上下模，模具的溫度設定為30°C;待加熱15min后，從模具中取出已成型的固體狀聚氨基甲酸酯材料，然后在常溫環(huán)境中放置2天；
⑵圈部與花鼓分別包料加工對聚氨基甲酸酯材料的表面經過粗化處理，分別按照圈部和花鼓的結構圖編排，將碳纖維材料依結構圖裁剪成符合要求的大小和形狀，然后按照圈部和花鼓結構圖編排的順序和位置將碳纖維材料包覆在由步驟⑴獲得的固體狀聚氨基甲酸酯材料的表面上，分別得到圈部和花鼓半成品；將圈部及花鼓半成品分別放置在相應的模具內，鎖緊模具后，將模具放置在成型機內成型，成型機的壓力設置為110 噸，溫度設定為150°C，時間設定至碳纖維材料含浸的樹脂完全固化；分別獲得圈部及花鼓成品；
⑶加工輻條將碳纖維材料按照輻條的結構圖裁剪成符合要求的大小和形狀，然后將裁剪所得的碳纖維材料卷成實心棒體，獲得輻條成品；
⑷加工輪圈半成品去除圈部、花鼓及輻條上的毛邊，按照輪圈的裝配結構圖分別在圈部的內圓周及花鼓的外圓周上對應鉆孔，形成用于安裝輻條的安裝孔；對鉆孔后的圈部及花鼓分別進行清洗烘干，在安裝孔內涂抹環(huán)氧樹脂膠，將輻條兩端分別安裝在相應的安裝孔內固定后獲得輪圈半成品；
ω將輪圈半成品放置在膠合治具上固定，待環(huán)氧樹脂膠在常溫環(huán)境中自然固化6小時后，從膠合治具上取出輪圈；
(6)對完成步驟ω輪圈的外表面進行涂裝加工，形成輪圈成品。實施例2
本實施例的輪圈與實施例1的輪圈結構相同，不同之處在于制作方法，該制作方法包括以下步驟
⑴制備聚氨基甲酸酯填充料首先將固化劑與聚醚按照1 :1. 3體積比混合成混合液， 并攪拌均勻；然后將上述的混合液倒入模具的模穴內后，鎖緊模具的上下模，模具的溫度設定為40°C;待加熱15min后，從模具中取出已成型的固體狀聚氨基甲酸酯材料，然后在常溫環(huán)境中放置3天；
⑵圈部與花鼓分別包料加工對聚氨基甲酸酯材料的表面經過粗化處理，分別按照圈部和花鼓的結構圖編排，將碳纖維材料依結構圖裁剪成符合要求的大小和形狀，然后按照圈部和花鼓結構圖編排的順序和位置將碳纖維材料包覆在由步驟⑴獲得的固體狀聚氨基甲酸酯材料的表面上，分別得到圈部和花鼓半成品；將圈部及花鼓半成品分別放置在相應的模具內，鎖緊模具后，將模具放置在成型機內成型，成型機的壓力設置為130 噸，溫度設定為K5°C，時間設定至碳纖維材料含浸的樹脂完全固化；分別獲得圈部及花鼓成品；
⑶加工輻條將碳纖維材料按照輻條的結構圖裁剪成符合要求的大小和形狀，然后將裁剪所得的碳纖維材料卷成實心棒體，獲得輻條成品；
⑷加工輪圈半成品去除圈部、花鼓及輻條上的毛邊，按照輪圈的裝配結構圖分別在圈部的內圓周及花鼓的外圓周上對應鉆孔，形成用于安裝輻條的安裝孔；對鉆孔后的圈部及花鼓分別進行清洗烘干，在安裝孔內涂抹環(huán)氧樹脂膠，將輻條兩端分別安裝在相應的安裝孔內固定后獲得輪圈半成品；
ω將輪圈半成品放置在膠合治具上固定，待環(huán)氧樹脂膠在常溫環(huán)境中自然固化 ο小時后，從膠合治具上取出輪圈；
(6)對完成步驟ω輪圈的外表面進行涂裝加工，形成輪圈成品。
實施例3
本實施例的輪圈與實施例1的輪圈結構相同，不同之處在于制作方法，該制作方法包括以下步驟
⑴制備聚氨基甲酸酯填充料首先將固化劑與聚醚按照1:1體積比混合成混合液，并攪拌均勻；然后將上述的混合液倒入模具的模穴內后，鎖緊模具的上下模，模具的溫度設定為50°c;待加熱20min后，從模具中取出已成型的固體狀聚氨基甲酸酯材料，然后在常溫環(huán)境中放置3天；
⑵圈部與花鼓分別包料加工對聚氨基甲酸酯材料的表面經過粗化處理，分別按照圈部和花鼓的結構圖編排，將碳纖維材料依結構圖裁剪成符合要求的大小和形狀，然后按照圈部和花鼓結構圖編排的順序和位置將碳纖維材料包覆在由步驟⑴獲得的固體狀聚氨基甲酸酯材料的表面上，分別得到圈部和花鼓半成品；將圈部及花鼓半成品分別放置在相應的模具內，鎖緊模具后，將模具放置在成型機內成型，成型機的壓力設置為150噸，溫度設定為160°C，時間設定至碳纖維材料含浸的樹脂完全固化；分別獲得圈部及花鼓成品；
⑶加工輻條將碳纖維材料按照輻條的結構圖裁剪成符合要求的大小和形狀，然后將裁剪所得的碳纖維材料卷成實心棒體，獲得輻條成品；
⑷加工輪圈半成品去除圈部、花鼓及輻條上的毛邊，按照輪圈的裝配結構圖分別在圈部的內圓周及花鼓的外圓周上對應鉆孔，形成用于安裝輻條的安裝孔；對鉆孔后的圈部及花鼓分別進行清洗烘干，在安裝孔內涂抹環(huán)氧樹脂膠，將輻條兩端分別安裝在相應的安裝孔內固定后獲得輪圈半成品；
ω將輪圈半成品放置在膠合治具上固定，待環(huán)氧樹脂膠在常溫環(huán)境中自然固化12小時后，從膠合治具上取出輪圈；
(6)對完成步驟ω輪圈的外表面進行涂裝加工，形成輪圈成品。本發(fā)明實施例中的固化劑和聚醚是本領域所屬技術人員的公知常識，可根據實際情況對這類產品的具體種類作出合適的選擇作為制備聚氨基甲酸酯材料的原料。本發(fā)明的實施方式不限于此，根據本發(fā)明的上述內容，按照本領域的普通技術知識和慣用手段，在不脫離本發(fā)明上述基本技術思想前提下，本發(fā)明還可以做出其它多種形式的修改、替換或變更，均落在本發(fā)明權利保護范圍之內。
權利要求
1.一種膠合式整體全碳纖維復合材料輪圈⑴，包括圈部(11)、輻條(1 和花鼓(13)， 所述花鼓(1 位于所述圈部(11)的中心部位，所述輻條(1 連接在所述花鼓(1 與所述圈部(11)之間，所述花鼓(13)主要由外殼與內置于外殼中的傳動機構組成，其特征在于所述花鼓(1 的外殼、圈部(11)及輻條(1 均由碳纖維復合材料制成，所述圈部(11) 的內圓周上及花鼓(13)的外圓周上分別設有用于安裝輻條(12)的安裝孔O)，所述輻條 (12)的兩端分別插入圈部(11)及花鼓(13)上相應的安裝孔(2)中并膠合固定。
2.根據權利要求1所述的膠合式整體全碳纖維復合材料輪圈，其特征在于所述碳纖維復合材料包括碳纖維材料和聚氨基甲酸酯材料，所述碳纖維材料作為外包材料，所述聚氨基甲酸酯材料作為填充料，所述碳纖維材料包覆在所述聚氨基甲酸酯材料的表面上形成碳纖維復合材料。
3.根據權利要求2所述的膠合式整體全碳纖維復合材料輪圈，其特征在于所述碳纖維材料緊密壓合在所述聚氨基甲酸酯材料的表面上。
4.根據權利要求3所述的膠合式整體全碳纖維復合材料輪圈，其特征在于所述輻條 (12)由環(huán)氧樹脂膠粘合固定于所述安裝孔O)中。
5.一種根據權利要求2所述的膠合式整體全碳纖維復合材料輪圈的制作方法，其特征在于包括以下步驟⑴制備聚氨基甲酸酯填充料首先將固化劑與聚醚混合成混合液并攪拌均勻，然后將混合液倒入模具的模穴內后鎖緊模具，加熱所述混合液至可使該混合液固化的溫度；待所述混合液固化后，從模具中取出已成型的固體狀聚氨基甲酸酯材料；⑵圈部與花鼓分別包料加工分別按照圈部和花鼓的結構圖編排，將碳纖維材料依結構圖裁剪成符合要求的大小和形狀，然后按照圈部和花鼓結構圖編排的順序和位置將碳纖維材料包覆在由步驟⑴獲得的固體狀聚氨基甲酸酯材料的表面上，分別得到圈部和花鼓半成品；將圈部及花鼓半成品分別放置在相應的模具內，鎖緊模具后，將模具放置在成型機內成型，分別獲得圈部及花鼓成品；⑶加工輻條將碳纖維材料按照輻條的結構圖裁剪成符合要求的大小和形狀，然后將裁剪所得的碳纖維材料卷成實心棒體，獲得輻條成品；⑷加工輪圈半成品按照輪圈的裝配結構圖分別在圈部的內圓周及花鼓的外圓周上對應鉆孔，形成用于安裝輻條的安裝孔；對鉆孔后的圈部及花鼓分別進行清洗烘干，在安裝孔內涂抹粘合膠，將輻條兩端分別安裝在相應的安裝孔內固定后獲得輪圈半成品；ω將輪圈半成品放置在膠合治具上固定，待粘合膠在常溫環(huán)境中自然固化后，從膠合治具上取出輪圈；(6)對完成步驟ω輪圈的外表面進行涂裝加工，形成輪圈成品。
6.根據權利要求5所述的膠合式整體全碳纖維復合材料輪圈的制作方法，其特征在于將碳纖維材料包覆在聚氨基甲酸酯材料的表面上之前，所述聚氨基甲酸酯材料的表面經過粗化處理。
7.根據權利要求6所述的膠合式整體全碳纖維復合材料輪圈的制作方法，其特征在于在完成步驟⑶后，將圈部、花鼓及輻條上的毛邊分別去除。
8.根據權利要求7所述的膠合式整體全碳纖維復合材料輪圈的制作方法，其特征在于所述粘合膠采用環(huán)氧樹脂膠，在所述步驟⑷中，所述環(huán)氧樹脂膠固化的時間是6 12小時。
9.根據權利要求8所述的膠合式整體全碳纖維復合材料輪圈的制作方法，其特征在于在所述步驟⑵中，成型機的壓力設置為110 150噸，溫度設定為150 160°C，時間設定至碳纖維材料含浸的樹脂完全固化。
10.根據權利要求9所述的膠合式整體全碳纖維復合材料輪圈的制作方法，其特征在于在所述步驟⑴中，加熱所述混合液至30 50°C的溫度范圍內；所述混合液在模具中加熱15 20min后取出；所述已成型的固體狀聚氨基甲酸酯材料在常溫環(huán)境中放置2 3天。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種膠合式整體全碳纖維復合材料輪圈，包括圈部、輻條和花鼓，所述花鼓位于所述圈部的中心部位，所述輻條連接在所述花鼓與所述圈部之間，所述花鼓主要由外殼與內置于外殼中的傳動機構組成，所述花鼓的外殼、圈部及輻條均由碳纖維復合材料制成，所述圈部的內圓周上及花鼓的外圓周上分別設有用于安裝輻條的安裝孔，所述輻條的兩端分別插入圈部及花鼓上相應的安裝孔中并膠合固定；還公開了上述輪圈的制作方法。本發(fā)明輪圈的圈部、輻條及花鼓的外殼材質采用碳纖維復合材料，使得輪圈重量輕、強度高，輪圈采用較少數量輻條，行駛風阻小，大大降低了行駛阻力，提高了行駛速度；采用碳纖維復合材料制作的輪圈，外形美觀靚麗，深受廣大消費者喜愛。
文檔編號B60B1/00GK102320217SQ20111017057
公開日2012年1月18日 申請日期2011年6月23日 優(yōu)先權日2011年6月23日
發(fā)明者尚青海, 熊道武 申請人:廣州迪諾克碳纖維科技有限公司