一种高刚性一体式飞轮的制作方法

本发明涉及一种自行车变速部件，尤其涉及一种高刚性一体式飞轮。

背景技术：

随着社会的进步，现今各种交通工具对于轻量化、高强度的要求越来越高。目前自行车通常是通过材料轻量化与结构轻量化来进行减重，并且轻量化是以强度与刚度有足够的保障为前提，特别是对于运动型自行车来说，其对变速链轮的强度与刚度有更高的要求。而变速链轮为自行车中最重要的零部件之一，其基本的性能需求是在质量一定的情况下，强度与刚度越高越好。

变速链轮为多层齿圈结构，通常有两种典型结构形式，一种是以shimano公司为代表的冲压齿圈通过铆接叠装在一起形成变速链轮，另一种是以sram公司为代表采用锥形空心体做支撑结构的一体式飞轮。前一种产品往往刚度与强度较小，承载能力较弱，并且质量较重，但加工工艺性相对较好；后一种为锥形空心体结构，且通常多数齿圈是由一块材料加工而成，因而具有较高的强度与刚度，但该种设计中，每层齿圈必对应有一个与回转轴线同轴的圆筒，这种结构在相临两层齿圈的齿数相差较小时工艺性很差，不利于加工出减重孔与正负齿，同时质量也较大，此外，如申请号为200910004713.4的专利所示，因产品减重需要，在齿的对应部位将筒筋与辐板一起开出了大量的减重槽，形成了所谓的桥接部，该桥接部实际已为一种杆状的悬臂梁，其强度与刚性均因减重槽的开出而大大降低。

技术实现要素：

本发明旨在解决上述所提及的技术问题，提供一种高刚度、轻质量且工艺性好的一体式飞轮。

本发明是通过以下的技术方案实现的：

一种高刚性一体式飞轮，包括多个大小不同的、用于接纳链条且将由该链条传来的周向力传至自行车后轮轮毂的齿圈以及用于固定相邻齿圈的环形的支撑部，该链条可以通过变速机构从一个齿圈换至另一个齿圈；支撑部包括由辐板和筒筋组成的第一级支撑部、第二级支撑部…以此类推；第一级支撑部包括第一辐板以及分布在第一辐板上的若干个第一筒筋，第二级支撑部包括第二辐板以及若干个均布在第二辐板上的第二筒筋，以此类推；相邻的支撑部之间，第一辐板与下一级支撑部的筒筋其中一端搭接形成第一搭接点，第一筒筋的一端与第一辐板的内侧搭接，第一筒筋的另一端与第二辐板外侧搭接固定形成第二搭接点；第一齿圈固定在第一搭接点上，第三齿圈固定在第二搭接点上；第一辐板为环形板状结构，第一辐板远离第一齿圈的内侧具有呈连续环形的环筋；第一筒筋上沿径向设置有至少一层第二齿圈，辐板上设置有第一减重孔。

优选的，支撑部的外径与相应齿圈的内径相同，任意两个支撑部形状相似；由此通过所有支撑部的辐板与筒筋顺序搭接构成多级阶梯状的锥形构件，相应齿圈固定在锥形构件上形成飞轮或飞轮的其中一部分。

优选的，相邻的第一辐板与第二辐板之间通过第一筒筋构成支撑，两个相邻的第一筒筋、位于上侧的第一辐板以及位于下侧的第二辐板构成排污孔。

优选的，排污孔的数量m与所搭接的第三齿圈(6a)的齿数z的关系为z－(0.5*z+1)≤m≤z+(0.5*z+1)，m、z均为整数。

优选的，筒筋垂直搭接在辐板上。

优选的，第二齿圈位于第一齿圈与第三齿圈之间，且第三齿圈、第二齿圈以及第一齿圈的直径关系依次变大形成锥塔形多层变速齿圈。

优选的，第二齿圈与第一筒筋的固定点为第三搭接点，当位于同一个第一筒筋上的第二齿圈具有两个以上时，第二齿圈之间的直径关系应当符合锥塔形多层变速齿圈，多个第三搭接点均匀的分布在第一筒筋上。

优选的，第二齿圈与第一筒筋的固定点为第三搭接点，当位于同一个第一筒筋上的第二齿圈为一个时，第三搭接点设置在第一筒筋的中心区域。

优选的，第二齿圈与第一筒筋的固定点为第三搭接点，以第一级支撑部上的多个第一筒筋处于同一水平面上的第三搭接点依次连接形成限定区域，第二齿圈位于相邻的第三搭接点之间的部分背离限定区域向外凹进形成第一减重槽。

优选的，环筋上设置有第二减重槽。

优选的，辐板上设置有第一减重孔，第一减重孔为圆形、腰形、方形的一种或圆形、腰形、方形的任意组合。

优选的，辐板、筒筋以及齿圈是由一块整体材料加工而成。

有益效果是：

与现有技术相比，本发明的高刚性一体式飞轮通过在环形的辐板上设置完整的环筋使得在周向上的刚度和抗扭变形能力较断开的形式要高出很多，使得齿圈传递过来的扭力更好的均匀的被分散，因此在同等的质量下，飞轮可承受更高的扭转力矩，相应的在负荷不变的情况下其抗扭强度、刚度以及使用寿命相对现有技术均有较大提高；同时本发明的高刚性一体式飞轮通过在筒筋上设置至少一层第二齿圈，节省了一层支撑部，可适当的增加筒筋的直径而不会增加整体的质量，起到了简化结构并且减轻质量的作用，使得抗扭强度能力增强、刚度提高以及使用寿命增加，并且在加工时，尤其在相临齿圈的齿数相差较少进行加工时，辐板之间的距离随着筒筋的高度增加而增加，从而有效的增大了加工刀具可腾挪的空间增大，进而可以更加灵活的选择加工的刀具直径最终使得工艺性更佳，加工质量更好。

附图说明

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，其中：

图1为支撑部与齿圈关系局部示意图；

图2为飞轮的其中一段三维示意图。

具体实施方式

本实施方式中的部件，如第一级支撑部1和第二级支撑部1a、第一辐板2和第二辐板2a、第一筒筋3和第二筒筋3a以及第一齿圈6和第三齿圈6a等，其形态、结构以及尺寸相同或相似，在重复构件相应拓展时应具有代表性。

如图1所示，一种高刚性一体式飞轮，包括多个大小不同的、用于接纳链条且将由该链条传来的周向力传至自行车后轮轮毂的齿圈以及用于固定齿圈的环形的支撑部，该链条可以通过变速机构从一个齿圈换至另一个齿圈；支撑部包括由辐板和筒筋组成的第一级支撑部1、第二级支撑部1a…以此类推；第一级支撑部1包括第一辐板2以及分布在第一辐板2上的若干个第一筒筋3，第二级支撑部1a包括第二辐板2a以及若干个均布在第二辐板2a上的第二筒筋3a，以此类推；相邻的支撑部之间，第一辐板2与下一级支撑部的筒筋其中一端搭接形成第一搭接点4，第一筒筋3的一端与第一辐板2的内侧搭接，第一筒筋3的另一端与第二辐板2a外侧搭接固定形成第二搭接点4a；第一齿圈6固定在第一搭接点4上，第三齿圈6a固定在第二搭接点4a上；辐板根据材质的特性不同可为0.5～2.5mm厚的环形板材，过薄影响强度以及后续的加工工序如开减重孔或者减重槽，过厚一来使得材料成本浪费，加工刀具磨损相对较快，并且使得飞轮的体积增大；第一辐板2远离第一齿圈6的内侧具有呈连续环形的环筋5；链条传来的周向力通过第一齿圈6形成扭力作用到第一搭接点4，进而传递到第一辐板2上，由于第一辐板2是一块整板，传递的力矩被均匀的分散，因此在周向上的刚度和抗扭变形能力较断开的形式要高出很多，使得在同等的质量下，飞轮所具有的抗扭强度、刚度以及使用寿命寿命大大提高。

同时，第一筒筋3上沿径向设置有至少一层第二齿圈7，考虑到飞轮整体的形态、尺寸以及重量因素，在第一筒筋3上增加的第二齿圈7数量以一到四层为佳，数量太多，会影响支撑强度与加工的工艺性；第二齿圈7与第一筒筋3的固定点为第三搭接点10；为了方便描述以及理解，虽然第二齿圈7并没有对应于支撑部，本段及以下仍然假设一个支撑构件，该支撑构件即为第一级支撑部1、第二级支撑部1a或类似的结构，该支撑构件是在未采用本设计方案时每一层齿圈所必须的支撑与固定结构；通过本设计方案将至少两层齿圈合并的设计到一个支撑部上，使得由原本结构的一层齿圈对应一层支撑构件变为现在的两层或多层齿圈共用一个支撑部，省去了原本对应于第二齿圈7的支撑构件，起到了简化结构的作用，虽然第一筒筋3考虑到结合了多层齿圈，齿圈之间的距离是不变的，因此需要要加粗并且加高，但相对于原本结构一层齿圈对应一个支撑构件的形式，省略一层支撑构件后飞轮总的质量是降低的，且因第一筒筋3加粗其周向上的刚度以及抗扭能力是上升的；同时由于第一筒筋3高度提高，使得相邻第一辐板2和第二辐板2a之间的距离大大增加，在加工制作齿圈尤其在相临齿圈的齿数相差较少加工时，加工刀具可腾挪的空间增大，可根据需要选择更为合适的刀具以及更加适宜的进刀退刀距离，并最终使得第一筒筋3之间的区域金加工工艺性显著优化，且质量更佳，第二筒筋3a之间的区域同理。

较优的实施方式，如图1和图2所示，支撑部的外径与相应齿圈的内径相同，由此通过所有支撑部辐板与筒筋顺序搭接构成多级阶梯状的锥形构件9，相应齿圈固定在锥形构件9上形成飞轮或飞轮的其中一部分，齿圈与锥形构件9的连接方式可以是一体连接的，也可以是加工成两个单独的模块再通过后续的工艺将两者连接为不可拆卸的一个单元，推荐是采用将上述辐板、筒筋以及齿圈均由一块整体材料加工而成，这样使得不同的部件间的连接更为紧固，通过链条传来的周向力通过第一齿圈6形成扭力作用到搭接点(图中未标号)，进而传递到第一辐板2上，第一辐板2再将力矩作用到第一筒筋3上，第一筒筋3将力矩传递至第一搭接点4再过渡到下一级支撑部的辐板上以此类推并最终作用到最小直径的支撑部(图中未标出)上，最小直径的支撑部是与自行车上的转轴轮毂连接的，使得即便支撑部未设置轮毂，也可以使得飞轮实现整体扭力的传递并与轮毂相对。

较优的实施方式，如图2所示，相邻的第一辐板2与第二辐板2a之间通过第一筒筋3构成支撑，任意两个相邻的第一筒筋3、位于上侧的第一辐板2以及位于下侧的第二辐板2a构成排污孔8，有利于排出飞轮工作时的泥泞，并且排污孔8的设置有利于减少飞轮总的质量；排污孔8的数量m与所搭接的第三齿圈6a的齿数z的关系为z－(0.5*z+1)≤m≤z+(0.5*z+1)，m、z均为整数，例如当第三齿圈6a的齿数z为20时，排污孔8的数量m为20±11范围内的任意整数值，这意味着第一筒筋3可以与较小直径第三齿圈6a的齿部中心对齐或者不对齐，齿数z为20且排污孔8的数量m为20时，两者差值为0，第一筒筋3与第三齿圈6a的齿部中心对齐，刚度的均匀性较好，当两者差值不为0时，第一筒筋3可以与较小直径第三齿圈6a的齿部中心错开一定角度，可更好的适应加工工艺性以及高强度高刚度的需要，第一筒筋3之间的排污孔8的宽度可根据需要进行一定调整，并且不同的排污孔8之间的宽度也是可以进行差量设置，方便加工。

较优的实施方式，如图1和图2所示，第二齿圈7位于较大直径的第一齿圈6与较小直径的第三齿圈6a之间，且第三齿圈6a、第二齿圈7以及第一齿圈6的直径关系依次变大形成锥塔形多层变速齿圈，方便在同一个第一筒筋3上的第一齿圈6以及第二齿圈7可以根据需要调节链条的功能，同时所述锥塔形多层变速齿圈与所述锥形构件9的倾斜方向应当相适应，防止出现第二级支撑部1a上的齿圈直径加大导致浪费材料。

较优的实施方式，当位于同一个第一筒筋3上的第二齿圈7具有两个及以上时，第二齿圈7之间的直径关系应当符合所述锥塔形多层变速齿圈的关系，多个第三搭接点10均匀的分布在第一筒筋3上，使得多层齿圈之间的距离适宜，使得加工方便并且可以保证变速性能。

较优的实施方式，如图1所示，当位于同一个第一筒筋3上的第二齿圈7为一个时，第三搭接点10设置在第一筒筋3的中心区域，使得第三齿圈6a、第二齿圈7以及第一齿圈6之间的距离适宜，使得加工方便并且可以保证变速性能。

较优的实施方式，如图2所示，为了方便理解，定义第一级支撑部1上的多个第一筒筋3处于同一水平面上的第三搭接点10依次连接形成限定区域，第二齿圈7位于相邻的第三搭接点10之间的部分背离所述的限定区域的向外凹出形成第一减重槽11，第一减重槽11优选的形状是圆弧形或者半方形两侧带圆弧过度，由于第一筒筋3的高度是增加的，可根据需要从所述锥形结构内部往外在第二齿圈7加工出第一减重槽11，并且应当注意的是第一减重槽11加工时应避免靠近第三搭接点10，设置第一减重槽11的目的在于减少第二齿圈7的质量，进而减少飞轮的整体质量，同时由于第三搭接点10的连接关系不受加工影响，第二齿圈7以及相结合的第一筒筋3结构的刚度和抗扭能力没有下降。

较优的实施方式，如图2所示，辐板上设置有第一减重孔21，第一减重孔21的形状可以是圆孔，也可以是腰形孔或方孔，当然还可以是三者的组合，各孔的尺寸可根据辐板的宽度确定，且开孔后各孔之间并不连通，也没有第一减重孔21会延伸到环筋5上，从而保持环筋5的完整性，使得第一辐板2为一个整板而非断开板块，通过设置第一减重孔21，在抗扭能力以及刚性提高的同时有利于减少第一辐板2的质量从而降低飞轮总的质量，并且飞轮工作时的泥泞也可以顺着排污孔8再经过第一减重孔21排出。

较优的实施方式，如图2所示，第一筒筋3上设置有第二减重孔31，开设第二减重孔31后在保证连接结构的抗扭能力以及刚性不受影响的同时有利于减少第一筒筋3的质量从而降低飞轮总的质量。

较优的实施方式，如图2所示，环筋5上设置有第二减重槽51，有利于减少第一辐板2的质量进而减少飞轮总的质量，第二减重槽51优选的为圆弧形或者半方形两侧带圆弧过度，且不应当与第一减重孔21发生干涉以确保环筋5的完整性避免对；第二减重槽51是由锥形构件9的半成品在铣削过程中加工得到，以确保工艺性。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。