专利名称：整体复合的飞轮轮缘和轮毂的制作方法
技术领域：
本发明涉及纤维增强的复合飞轮，更具体点说涉及一种有辐条的纤维增强的复合飞轮轮毂及/或一种整体的纤维增强的飞轮轮缘和轮毂。
纤维增强的复合飞轮曾被建议用作车辆的能量存储系统和公用事业的辅助能源。但一个切合实际的、价格合理的纤维复合飞轮曾很难制出。
存储在飞轮中的能量取决于轮缘的质量和飞轮的角速度。存储的能量随着旋转速度的平方而变。在给定飞轮中可存储的能量受到其转速的限制，而该转速取决于构造飞轮的材料的强度及在飞轮内各种应力的产生和分布的方式。
飞轮在传统上曾由金属如高强度钢制成。但对给定的重量，钢由于其高密度，是不适合用来制造能存储大能量的飞轮的。曾经发现所生产的飞轮在具有纤维增强的复合轮缘时能提供显著的效益，因为所用材料具有比钢低得多的密度，同时却有至少与钢相等的强度，并且在某些情况下，强度远比钢高。
这种纤维增强复合的飞轮轮缘曾被制造出来，例如用丝束绕制并用手工将多个预先浸渍层垒高，如同美国专利4,102,221和4,226,442所说明的那样。
由于作用在轮毂上的力不同，并且轮缘需要通过轮毂与金属的驱动轴配合，因此纤维增强复合的轮缘典型的做法是与金属轮毂结合。但当将分立的复合轮缘装到金属轮毂上时又会发生如下的问题，由于复合轮缘和金属轮毂在增长和疲劳上的性能不同，能使轮缘扩张到离开轮毂造成分离。而且由于两者的性能不同，通常轮毂会在轮缘之前失效。这样，金属轮毂常常决定飞轮的使用寿命。
轮毂是飞轮的重要构件，因为为了存储能量，它必须将力从驱动轴传送到飞轮轮缘，反过来，它还须将旋转力从飞轮传回到轴以便有效地利用飞轮的旋转机械能。另外，作为旋转构件中最能变形的构件，轮毂的动态响应控制着整个旋转结构的振动和寿命。
美国专利4,341,001曾公开过一个整体的轮毂和轴，它由两个具有浅碟状的圆形金属段构成。在每一段的内表面上用焊接固定着圆柱形的金属条(棒)。这两个具有浅碟状的段被放置在一起并用焊接永久地连结在一起，使该成形结构能随着速度的提高而被压扁，从而可增大轮毂的增长来适应轮缘的增长。每一段各有一个同轴而对齐的沿轴向的轴部，它们之间被一间隙隔开，使浅盘状部在高速下可被压扁。
但这种结构仍然需要利用分开的由金属制成的构件连结到复合的轮缘上，并且仍然要承受不同的增长和疲劳性能，还要承受潜在的接头失效的风险。当然生产分开的金属构件因为必须将它们装配在一起，还比较费钱。
美国专利4,266,442和4,102,221曾公开过一种飞轮，它包括一个交叉层复合的盘状芯部和一个比较厚的复合轮缘。在这种情况下，中央芯部或轮毂部是由多个纤维含有层制成的交叉复合层生产出来的。轮毂与纤维增强的轮缘分开来制造，而轮缘是由众多的沿圆周延伸的纤维构成的。轮毂和轮缘以压配合(过盈配合)配装在一起，借以防止在高速下飞轮的轮毂和轮缘由于不同的增长而致分离。
如同以前的飞轮那样，由于生产的是分开的构件，虽然两个构件都由复合材料制成，但要生产出复合飞轮，也要添加费用和复杂性，并且虽然用压配合保持在一起，两个构件不同的增长仍会造成分离，因此并没有生产出成为整体的飞轮轮缘和轮毂。
本发明的一个目的是要提供一种飞轮，它有在单一模压步骤中一同生产出来成为整体的、纤维增强的复合轮缘和轮毂。
本发明另一个目的是要提供一种单独生产的、纤维增强的轮毂，它可与一飞轮轮缘结合成一个整体。
本发明还有一个目的是要提供一种纤维增强的复合轮毂，它有一个辐条装置，可用来适应轮缘在高速下的径向增长而可不致分离。
本发明的上述这些和其他一些目的可由这样一种纤维增强的复合飞轮达到，此飞轮具有一个由多个从包围一个中心孔的纤维增强管上延伸出来的纤维增强的复合辐条制成的轮毂，这些辐条的端头与纤维增强的复合轮缘的最内层结合。该飞轮最好作为用于模制的整体的稳定的预型件生产出来。
本发明还包括一种生产整体飞轮的轮毂和轮缘的方法，该方法包括(a)用多个由纤维增强复合材料制成的辐条构成轮毂预型件，该纤维材料含有增粘剂，这些辐条的端头则至少与复合轮缘的第一内周层结合；(b)由多个被增粘剂保持在一起的环及/或径向纤维构成轮缘，从而提供一个整体的轮毂和轮缘预型件；(c)将轮毂和轮缘预型件放到模型(模具)内；及(d)将树脂注射到模型内，这样便可制成一个具有整体模塑而成的轮毂和轮缘的飞轮。
在本发明另一个实施例中，辐条为正弦曲线形，带有弯曲部分，它在高速下可延长，这样便可适应轮缘的径向增长。或者可用倾斜的辐条，这种辐条可通过弯曲来适应径向的轮缘增长。
整体模塑而成的飞轮可不用装配多个构件并可在一个模压步骤内以较高的精度和较低的费用制成一个整体的结构。另外，在轮缘和轮毂界面上分离的可能性基本上被消除，因为在界面上没有由铆接、焊接或粘结剂形成的分开的连结。
图1为按照本发明的纤维增强的复合飞轮预型件的顶视图；图1A为示出成为整体的轮毂和轮缘的放大的说明图。
图2为图1中沿2-2线切开的预型件的剖视图，该预型件位于模型内以便注入树脂。
图3为具有编织元件组合体(组件)的纤维增强的复合飞轮预型件的顶视图。
图4a为用来构成辐条的编织元件的透视图；图4b为用来构成管子的编织元件的透视图；图4c为编织元件的轮毂亚单元组合体的透视图。
图5a为具有正弦曲线形辐条的纤维增强的复合飞轮的顶视图；图5b为具有倾斜辐条的纤维增强的复合飞轮的顶视图。
参阅图1，其中示出一个整体的复合飞轮预型件，用来构成一个整体的飞轮轮缘和轮毂。
“预型件”是于纤维或纤维层的组合体，它已被成形并压缩到接近所需物件的形状和尺寸。这样的预型件通常含有在成形后使纤维保持其形状的稳定剂或增粘剂。
飞轮1有一中心纵轴2延伸通过一个区域3，在该区域内可设置转动飞轮用的轴4(图2)。在预型件组合体内，区域3或是被轴4或是被可移走的心轴4a充填，如图1所示。区域3最好被圆周的或环状的纤维5包围，后者形成一个管子6，从该管子伸出多个辐条7，每一辐条都是由多条形式为线束卷绕、编织或织造的纤维层的纤维8构成。形成辐条的纤维8具有第一部分9，该部分或是本身形成管子6或是与管子6结合。辐条的数目可随具体设计而变化，3到8个辐条是最常用的，管子和辐条构成飞轮的轮毂。
飞轮轮缘10由多条环状纤维11构成，它们被稳定剂或增粘剂保持在位。轮缘还可由径向纤维与环状纤维织造在一起构成，它们没有被画出只是为了容易说明本发明。为了使辐条和轮缘成为整体，第一辐条还有第二部分12与轮缘的第一内层13结合。
图1a更详细地示出构成整体飞轮的方式。心轴4a被四条纤维8的第一部分9包围着，这些纤维叠置构成管子6。纤维8的第二部分12叠置构成轮缘的第一内层(未示出)或结合到其上。
再参阅图1，多个心轴14被设置在辐条7之间的区域内，以便在辐条纤维与轮缘结合前将辐条纤维保持在适当位置。这样便可首先制出轮毂预型件，然后可直接在轮毂预型件上用丝束卷绕或极向织造构成轮缘。当然，轮缘也可分开制成，然后添加到轮毂预型件上。
在模压后心轴可用机械方法或用热——加在采用低共熔点(易熔)金属心轴时——或将它溶解在水或其他溶剂内除去。构成这种心轴的材料在生产可除去的心轴的行业内是公知的。
辐条被结合到飞轮轮缘的至少第一层内使结合的轮缘和轮毂结构能共同被模塑，这样便可不必生产出必须连结在一起的分开的构件。通过这个整体化，便可得到一个整体的高强度的复合飞轮。
参阅图2，预型件被放入到一对模型15a和15b所形成的型腔内。可硬化的塑料16通过口17被注射到模型内，塑料渗透轮毂、辐条和轮缘内的纤维，这样便生产出成为整体的复合飞轮。如图所示，轴4与飞轮被模制成为一个整体，但也可用一轴状的心轴插入而在模塑后除去，留下的孔眼在以后接纳飞轮的驱动轴。
参阅图3，其中示出本发明的另一实施例。在本发明的这个实施例中，飞轮18的管子19、辐条20和轮缘21如前述地被装配成为预型件。但辐条的制备方式是，在心轴23上用丝束卷线或编织的纤维22生产出多个预成形的辐条元件24和一个管子元件25，然后将这些元件装配成一个亚单元(子单元)26，这在图4a到4c中可最好地看到。图3中的纤维轮缘21最好在这个亚单元上卷绕、编织或织造而成。这种元件的编织在美国专利5,399,395中有说明。
参阅图4a到4c，每一辐条元件24包括有心轴23，在该心轴周围纤维22被织造、卷绕或编织。每一辐条元件提供着两个辐条27a和27b的各一部分、一个与图4b示出的管子元件25结合的部分28和一个与轮缘21结合的部分29。虽然这些元件能被模塑在一起形成一个分开的轮毂，但最好将这些预成形的构件装配起来，并与一个轮缘预型件一起放置到模型内，然后注射树脂，这样来制出整体的复合飞轮。
参阅图5a，其中示出本发明另一个可替代的方案。飞轮30具有四个成正弦形或曲线形的径向延伸的辐条31。这种形状之所以有用是因为辐条能延伸来适应轮缘在高速下直径的增长，以减少传送给轮缘的载荷和扭曲。在这实施例中，设有键槽32，以便以后接合到驱动轴上。当然，该轴也可用冷缩(热压)配合、胶粘剂粘合或通过整体模塑结合到飞轮轮毂上，这个连结方式留给设计人员选择。在图5b中示出另一个可替代的方案。飞轮33具有倾斜的辐条34，该辐条被偏置，以致沿管子的切向而不是沿径向延伸。这些倾斜的辐条在高速下会弯曲而作类似的延伸，从而可适应轮缘的增长。
纤维增强的复合飞轮的轮毂、辐条和轮缘可用任一种可获得的纤维材料生产，如石墨、碳、聚酰胺、玻璃、硼、陶瓷纤维及其组合物。本发明可用的可硬化塑料或树脂为任何一种公知的热塑性或热固性塑料，最好为商业上有供售的如乙烯树脂、环氧树脂、聚酯、聚酰胺和双马来酰亚胺，其中环氧树脂和双马来酰亚胺树脂尤其合用。
本发明所用稳定剂或增粘剂也是那些公知的，例如在美国专利5,427,726、5,427,725、5,217,766、5,080,851、5,071,711或4,992,228中所说明的。它们主要为热固性树脂基的增粘剂。
术语“增粘剂”或“稳定剂”在本文中使用时可互换，用来说明一种分布在纤维中的树脂，它能在模塑前将纤维以所需的形状保持在一起。
其他合适的增粘剂包括环氧树脂、聚酰胺特别是双马来酰亚胺、聚氰酸酯树脂、乙烯酯树脂和苯并环丁烯树脂。
由树脂和硬化剂的混合物组成的合适的增粘剂的实例包括环氧树脂的混合物，如Dow化学公司制造的TACTIXTM123环氧树脂或3M公司制造的PR500。另一种合适的树脂是CYTEC化学公司制造的被称为5250-4 RIM BMI树脂的1.1P-MDA Bismaleimide(BMI)树脂。
这些示范的树脂是有用的，因为采用环氧树脂或BMI树脂可生产许多构件，而且这些增粘剂可适用于所述的系统中。但其他一些树脂也能被本行业的技术人员认可而用于特定的树脂系统，因此本发明并不受本文所述的限制。
采用本发明能够生产出与纤维增强的复合轮缘分立的或成为整体的纤维增强的复合飞轮轮毂的预型件。一旦这些构件被装配起来，便可模塑成为一个具有高强度并对轮缘和轮毂的分离具有高抗力的整体结构。轮毂预型件能具有径向的、正弦形的或倾斜的辐条，它们能延伸来适应轮缘的增长。
虽然本发明的较优实施例已被示出并说明，但应知道在不离开本发明范围的条件下，上述这些实施例是能够作出各种改变和修改的。
权利要求
1.一种纤维增强的复合飞轮轮毂，它包括多个纤维增强的复合辐条，所述辐条具有环绕中心孔的第一部分，该中心孔的尺寸能在其内接纳驱动轴，所述辐条还具有与纤维增强的飞轮轮缘的第一最内层结合的第二部分。
2.按照权利要求1的飞轮轮毂，其特征为，复合辐条含有用来将辐条保持在组合形状的稳定剂，该组合体为适应模塑的预型件。
3.按照权利要求1的飞轮轮毂，其特征为还具有一根位在所述孔内的轴。
4.按照权利要求1的飞轮轮毂，其特征为，构成辐条的纤维选自石墨、玻璃、聚酰胺及其组合物。
5.按照权利要求1的飞轮轮毂，其特征为还具有形状为管子的环状纤维设在中心孔和第一部分之间。
6.一种纤维增强的复合飞轮，它包括一个纤维增强的复合飞轮轮毂，其上有多个辐条，每一辐条有一环绕中心孔的第一部分，所述中心孔的尺寸能将驱动轴接纳在其内；一个纤维增强的复合轮缘，其上有多条用来包围轮毂的环状纤维，每一辐条有一第二部分与纤维增强的复合轮缘的第一最内层结合。
7.按照权利要求6的飞轮，其特征为，复合辐条和复合轮缘含有用来将辐条和轮缘保持在组合形状的稳定剂，该组合体为适宜模塑成一整体结构的预型件。
8.按照权利要求6的飞轮，其特征为，构成辐条和轮缘的纤维选自石墨、玻璃、聚酰胺及其组合物。
9.按照权利要求6的飞轮，其特征为还具有一根位在所述孔内的轴。
10.按照权利要求6的飞轮，其特征为还具有设在中心孔和第一部分之间的形状为管子的纤维。
11.一种生产纤维增强的复合飞轮的方法，它包括提供一个轮毂预型件，它具有多个纤维增强的辐条，辐条具有包围着一个中心孔的第一部分，该中心孔的尺寸能将驱动轴接纳在其内，辐条还具有与纤维增强的飞轮轮缘的第一最内层结合的第二部分；将纤维增强的飞轮轮缘围绕着纤维增强的轮毂和辐条放置；将辐条的第二部分结合到飞轮轮缘上；将组装好的飞轮轮毂、辐条和轮缘放置在模型内；将可硬化的塑料注射到模型内使塑料渗透到纤维之间；和使塑料硬化而形成整体的纤维增强的飞轮。
12.按照权利要求11的方法，其特征为还包括将稳定剂与纤维辐条和纤维增强的飞轮轮缘结合，使在将组装件放置到模型内之前生产出一个刚性的预型件。
13.一种生产纤维增强的复合飞轮的方法，它包括提供一根心轴，其尺寸限定一个用来接纳驱动轴的中心孔；提供多个纤维层，以便形成飞轮的辐条；将纤维层的第一部分围绕心轴放置；延伸纤维层的中间部分，使其基本上沿径向从心轴离开，以便形成多个辐条；将纤维增强的轮缘围绕辐条放置；将纤维层的第二部分结合到轮缘的最内层上，以便形成轮毂和轮缘的组装件；将组装件放置在模型内；及将可硬化塑料注射到模型内，从而生产出整体模塑的纤维增强的复合飞轮。
14.按照权利要求13的方法，其特征为还包括将稳定剂与纤维层结合，使在将组装件放置到模型内以前生产出一个刚性的预型件。
15.按照权利要求13的方法，其特征为还包括将多个辐条心轴邻近所述中间部分放置，以便在辐条之间形成空档。
16.按照权利要求13的方法，其特征为，所说纤维层为多个纤维织造层。
全文摘要
纤维增强的复合轮毂(6)具有多个纤维增强的辐条(7),辐条的第一部分(9)形成一个驱动轴的孔(3),而第二部分与纤维增强的飞轮轮缘(10)的最内层结合。轮缘(10)和轮毂(6)最好都被生产成整体或分开制出的稳定的预型件,然后将它们组装起来并放置在模型内,以便模塑成整体的结构。
文档编号F16F15/30GK1242826SQ9719863
公开日2000年1月26日 申请日期1997年8月22日 优先权日1997年8月22日
发明者戴维·马斯 申请人:Gkn西方航空公司