用于复合轮的端面与轮辋连接部的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及复合轮的端面部与轮辋部之间的连接部。本发明具体可应用于车辆和/或飞机的复合碳纤维轮，下文将结合该示例性应用方便地公开本发明。但是，应该认识到，本发明不限于所述应用并且可用于连接各种轮子的端面部和轮辋部。
【背景技术】
[0002]下面对本发明背景的讨论是为了便于理解本发明。但是，应该认识到，该讨论并不是承认或认同任何所引用的材料在本申请的优先权日为止都已出版、已知或是公知常识的一部分。
[0003]复合轮总体上包括两个主要区段:轮辋部和端面部。轮辋部包括构造用于接纳和安置轮胎的环面结构。端面部包括用于将轮子固定到车辆上的轮毂以及连接结构，例如在轮毂和轮辋之间延伸并使轮毂与轮辋互相连接的一系列轮辐或圆盘。横向、竖向和扭转负荷通过轮胎传递到轮子的轮辋部，然后所述负荷在连接结构中产生弯曲和扭转应力。
[0004]本发明的申请人已制造出一体式复合轮，例如在国际专利公开W02010/024495A1中描述了该复合轮。生产一体式复合轮一般需要使用分开的轮辋部模具和相关加强件以及端面部模具和相关加强件。然后，将分开的轮辋模具部分和端面模具部分在最后的成型工序中互相连接，这允许一体地形成整个复合轮。需要轮辋部与端面部之间的连接部，特别是轮辐和轮辋之间的连接部刚性、稳固，以提供具有刚性和强度并且还能经由轮辋和轮辐有效地传递轮胎与道路之间产生的负荷的机械有效结构。
[0005]之前提出的复合轮的轮辋部与端面部结构之间的连接部使用螺栓连接或粘接剂粘合来使所述连接结构与轮辋互相连接。但是，这些形式的连接会显著增加轮子的质量、需要能在轮子结构和构型中提供应力点的结合结构、和/或会在轮子的相邻部分之间形成弱粘合。申请人意识到，当在正常道路状况下测试时，大量这些类型的连接部都是机械故障的原因。
[0006]因此希望提供一种复合轮的轮辋部与端面部之间的改进的或替代的连接部。
【发明内容】
[0007]本发明的第一方面提供了一种复合轮的轮辋部与端面部之间的连接部。所述轮辋部包括第一组纤维。所述端面部包括第二组纤维。所述连接部包括过渡区，在所述过渡区中所述第一组纤维和所述第二组纤维以分层结构布置。所述分层结构的各个层包括具有第一组纤维排列结构和第一连接端的第一区段以及具有第二组纤维排列结构和第二连接端的第二区段。所述第一连接端设置成邻近或邻接所述第二连接端，从而形成层接头。各相邻层的层接头以台阶式构型间隔开。
[0008]因此，本发明提供了一种复合轮的轮辋部与端面部之间的连接部，其中，来自轮辋部和端面部中每一者的纤维在过渡区中的层接头处结合在一起。相邻层的层接头以台阶式构型间隔开，以增强接头结构。该台阶式构型使得分层结构的上方层和下方层跨接于中间层的层接头，由此使该中间层的第一区段和第二区段互相连接。台阶式结构还确保一个层的层接头与另一最接近的层接头对准。
[0009]在连接部中使用的包括第一纤维和第二纤维在内的纤维优选是柔性的，更优选是柔性且柔顺的。纤维的柔性和柔顺性使得轮辋部和端面部能够组装起来，然后将连接部的构件移回到适当的位置，以在复合轮的轮辋部与端面部之间形成连接部。
[0010]过渡区优选与复合轮的轮辋部和端面部相遇的位置/部位间隔开。该布置允许轮辋部和端面部之间的连接部与相关联的层接头形成在如下位置:该位置与端面部的结构和轮辋部的结构相遇的部位间隔开。这是有利的，因为在某些工作负荷状态下，端面部和轮辋部相遇的部位是结构中应力高的区域。
[0011]应该理解，术语“复合”在文中表示任何类型的复合材料，包括固化或未固化的纤维，而不考虑结构是否分层。此外，预制件和固化或未固化的预固结预制件是复合材料和主体的重要亚组。
[0012]过渡区具有分层结构。根据连接部的设计以及复合元件的尺寸和类型，可以显著地改变层的数量。在一些实施例中，仅使用少数层，例如2、3、4、6或10层。在其它实施例中，需要更多数量例如20、30、50、100或更多的层，以获得具有期望质量和/或特性的连接部。
[0013]在分层结构中，邻近层的层接头可以以任何相对取向间隔开。例如，当层包括夹角、曲线或弯曲时，一个或多个层接头可以相对于邻近的层接头以特定的角度间隔开。在其它实施例中，例如平坦的层，各个层的层接头与各相邻层的相应层接头横向间隔开。可选择层接头之间的间距，以适应特定的构型、应用或几何形状。在一些实施例中，各相邻层的层接头在各层接头的一些或全部之间以不同的横向间距间隔开。在其它实施例中，各相邻层的层接头以基本上相同的横向间距间隔开。
[0014]在一些实施例中，连接部形成在复合轮中的轮辋部与端面部之间的几何形状的拔模方向发生改变的位置。在其它实施例中，连接部在轮辋的内侧边缘附近形成。优选地，连接部的第一纤维从复合轮的轮辋部的边缘部分以一角度延伸。类似地，连接部的第二纤维优选从复合轮的端面部的区段以一角度延伸。该角度优选在60°至110°之间，更优选在75°至100°之间，再优选地为约90°。然后，轮辋部和端面部可以在过渡区互相连接。
[0015]在一些实施例中，复合轮绕中心轮轴线形成。端面部包括相对于中心轮轴线基本沿径向取向的第二纤维，轮辋部由相对于中心轮轴线基本沿轴向取向的第一纤维形成。连接部由从端面部相对于中心轮轴线沿轴向取向而延伸的第二纤维以及从轮辋部相对于中心轮轴线沿轴向取向而延伸的第一纤维形成。优选地，轮辋部包括相对于轴线以一角度延伸的边缘凸缘部或唇部。在一些实施例中，连接部的第一纤维从轮辋部的边缘凸缘部延伸。
[0016]为了在轮辋部、端面部和连接部之间形成稳固的纤维结，优选的是，至少一些来自过渡区的第一纤维延伸到轮辋部，并且至少一些过渡区的第二纤维延伸到复合轮的端面部。在一些实施例中，过渡区中第二纤维的至少一部分包括延伸到复合轮的端面部的前部中的第一组第二纤维和延伸到端面部的后部中的第二组第二纤维。
[0017]如上文所述，连接部中使用的包括第一纤维和第二纤维在内的纤维优选是柔性的，更优选是柔性且柔顺的。纤维的柔性和柔顺性以及纤维的优选定位/构型(如上文所述)使得能够组装轮辋部和端面部，然后将连接部的构件移回到适当的位置，以在轮辋部和端面部之间提供结构优良的连接部。因此，连接部可以利用织物的柔顺性实现铺放过程中的柔性，并且还用于在与轮毂部和端面部接合的部位不一致的区域形成结构优良的连接部。这是有利的，因为在某些工作负荷状态下，该连接部是结构中应力高的区域。
[0018]台阶式构型可以具有任何期望的构型。在一些情况下，台阶式构型具有曲线轮廓。在其它实施例中，台阶式构型具有渐进式构型。在又一些其它实施例中，台阶式构型具有振荡式和/或正弦式构型。在优选的实施例中，台阶式构型包括线性台阶式布置。
[0019]层结构优选包括多个堆叠的层。在层结构的各个层中优选包括共面布置的第一区段和第二区段。
[0020]在本发明中可以使用各种纤维，包括但不限于选自如下群组的纤维，该群组包括碳纤维，玻璃纤维，芳族聚酰胺纤维，例如丙烯酸、聚酯、PAN、PET、PE、PP或PBO纤维等合成纤维，例如大麻、黄麻、纤维素纤维等生物纤维，例如岩棉等矿物纤维，例如钢、铝、黄铜、紫铜等金属纤维，硼纤维或这些纤维的任何组合。在优选实施例中，第一组纤维和第二组纤维包括碳纤维。
[0021 ] 在过渡区中，纤维可以以任何期望的取向设置，例如单向的、双轴向的、或随机的、或这些取向的组合。在一些实施例中，过渡区中的各个层包括有取向的纤维，优选单向纤维和/或双轴向纤维。但是，纤维优选取向成用于减小过渡区与复合元件之间的应力和/或用于减小复合元件之间的应力并且用于对在使用过程中会受到较高应力的最终结构中的区域进行增强。在过渡区中的所有包括纤维的层中，纤维的取向可以相同或不同。例如，如果应力分析建议多轴向纤维取向，则一个或多个层的纤维可以以与其它层不同的方式取向。但是，在其它实施例中，在所有层的纤维中，纤维可以以基本相同的方式取向。
[0022]—旦成型并形成复合轮，包括过渡区的连接部、轮辋部和端面部包括基质材料，例如树脂、金属和纤维。纤维可以以任何合适的形式提供，这些形式包括预浸料、半浸料、纺织物或非纺织物、垫子、预制件、预固结预制件、单根或成组的纤维、丝束、丝束浸料等。在连接部的铺放(直到基质材料的固结和/或凝结、固化等之前的准备)过程中，基质材料不需要被包括在包含纤维(例如预浸料或半浸料)的层中或包含纤维的层之间。但是，基质材料在发生凝结后应该形成连续的基质。
[0023]基质材料不需要被包括在包含纤维的两个邻近层中或之间。在优选实施例中，可以在这种情况下在至少一些这种成对的层之间设置粘合剂，以至少临时地和至少局部地固定包含纤维的邻近层。
[0024]应该理解，预浸料是指基本或完全浸渍的纤维、纤维丝束、纺织物或非纺织物等的集合。类似地，应该理解，半浸料是指部分浸渍的纤维或纤维丝束的集合。部分浸渍允许改善在固结和/或固化过程中对穿过或沿干燥纤维的气体的去除。半浸料的实例是部分浸渍的纤维层。
[0025]应该理解，纺织物和非纺织物是基本干燥(即没有被例如树脂等基质材料浸渍)的单根纤维或纤维丝束的集合。还应该理解，纤维丝束是成束的