(57)【要約】【解決手段】本発明は、ホイールスパイダ（２）及びリムウェル（３）を有し、繊維強化プラスチックが巻かれて成るホイール（１）に関する。ここで、同一平面で互いに接して支え合うと共に、互いに接合される複数のリング（４）がホイールスパイダ（２）を形成し、ホイールスパイダ（２）及びリムウェル（３）は、合成樹脂が含浸された巻き付け炭素繊維を有すると共に、互いに結合されていることが、本発明の本質である。
2010508200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホイールスパイダ（２）とリムウェル（３）とを備え且つ、繊維強化プラスチックが巻かれて成るホイール（１）であって、
同一平面で互いに支え合うと共に、互いに接合される複数のリング（４）が前記ホイールスパイダ（２）を形成し、
前記ホイールスパイダ（２）及び前記リムウェル（３）は、合成樹脂を含浸させた巻き付け炭素繊維を有すると共に、互いに結合されていることを特徴とするホイール（１）。
【請求項２】
請求項１に記載のホイールにおいて、
前記リング（４）の径方向の外側に向く部分（５）は、前記リムウェル（３）の一部分を形成し、
前記リング（４）の径方向の内側に向く部分（６）は、ハブの一部分を形成し、
前記リング（４）の互いに向かい合う部分（８）は、前記ホイールスパイダ（２）のスポーク（９）を形成していることを特徴とするホイール。
【請求項３】
請求項２に記載のホイールにおいて、
前記リング（４）の径方向内側に向く部分（５）には、少なくとも１の金属製インサート（１０）が設けられていることを特徴とするホイール。
【請求項４】
請求項１ないし３の何れか１項に記載のホイールにおいて、
前記リング（４）を製造するために、金属又はプラスチックから成る巻き芯（１８）が用意され、該巻き芯（１８）は、合成樹脂が硬化された後に取り除かれることを特徴とするホイール。
【請求項５】
請求項１ないし４の何れか１項に記載のホイールにおいて、
前記リムウェル（３）と連結した前記リング（４）は、フレーム支持構造を形成しており、
前記フレーム支持構造は、当該フレーム支持構造平面上、及び、それに対して直交する又は斜めの荷重を吸収するように形成されていることを特徴とするホイール。
【請求項６】
請求項１ないし５の何れか１項に記載のホイールにおいて、
前記リング（４）及び前記リムウェル（３）はそれぞれ、中実断面を有していることを特徴とするホイール。
【請求項７】
請求項１ないし６の何れか１項に記載のホイールにおいて、
少なくとも前記リング（４）は、一方向に巻かれた繊維ロービングを有していることを特徴とするホイール。
【請求項８】
請求項１ないし７の何れか１項に記載のホイールにおいて、
前記リング（４）は、丸みを帯びた角領域（１２）を備えた三角形状を有し、
２つの隣接するリング（４）の間の径方向外側の角領域（１２’）に、当該ホイールの周方向に延びるウェブ（１３）が設けられ、
前記ウェブ（１３）は、前記リムウェル（３）を強化する繊維ウィーブに一体化されていることを特徴とするホイール。
【請求項９】
請求項８に記載のホイールにおいて、
金属製インサート（１０）は、前記リング（４）の径方向内側の領域（１２”）に固定され、その金属製インサートは、ホイールボルト用の貫通口（１１）を少なくとも１つ有していることを特徴とするホイール。
【請求項１０】
請求項９に記載のホイールにおいて、
前記金属製インサート（１０）の少なくともいくつかは、当該ホイールを搭載するときに見ることができる、当該ホイール（１）の外側面のハブ付近で、前記ホイールスパイダ（２）から突出すると共に、装飾用の蓋又はスタッブアクスルのカバーを固定するための前記外側面に向いた外形を有していることを特徴とするホイール。
【請求項１１】
ホイールスパイダ（２）とリムウェル（３）とを有しかつ、繊維強化プラスチックから成る巻き付けホイール（１）を製造する方法であって、
１１．１  巻き芯（１８）の周りに合成樹脂を含浸した炭素繊維を巻き付けることによって複数のリング（４）を製造する工程、
１１．２  未硬化の前記リング（４）をセンタリング装置にセットする工程、
１１．３  径方向の圧力を作用させる工程、
１１．４  互いに接触する側面（８）でリング４を接合する工程、
１１．５  ウェブ（１３）を、外側に向くと共に前記リングの丸みを帯びた角領域（１２）における隙間（１４）において、周方向に配置する工程、
１１．６  外形を形成するために成形型プレートを取り付ける工程、
１１．７  前記ホイールスパイダ（２）を硬化させる前に、リムウェル（３）を、前記ホイールスパイダ（２）に巻き付け、前記リムウェル（３）を前記ホイールスパイダ（２）に結合する工程、
を少なくとも含むことを特徴とする巻き付けホイールの製造方法。
【請求項１２】
同一平面で互いに支え合うと共に、互いに接合される複数のリング（４）を有しかつ、合成樹脂を含浸した巻き付け炭素繊維から成るホイールスパイダ（２）と、金属製のリムウェル（３）と、を備えた巻き付けホイールの製造方法であって、
硬化した状態のホイールスパイダ（２）は、支持面（１５）及びそこに設けられた貫通口（１１’）によって、フォースフィッティング法及びフォームフィッティング法で接合される巻き付けホイールの製造方法。
【請求項１３】
請求項１１又は１２に記載の巻き付けホイールの製造方法において、
前記リング（４）は、分割壁（１７）によって互いに分離されて、ワインディング装置のシャフト（１６）上に形成されることを特徴とする巻き付けホイールの製造方法。
【請求項１４】
請求項１１ないし１３の何れか１項に記載の巻き付けホイールの製造方法において、
前記リング（４）は、丸みを帯びた角領域（１２）を備えた三角形状を有し、
金属製インサート（１０）は、２つのリング（４）の間の径方向内側の角領域（１２”）において巻き付けられ、
隙間（１４）は、ハブを形成するために合成樹脂が注入されることを特徴とする巻き付けホイールの製造方法。
【請求項１５】
請求項１１ないし１４の何れか１項に記載の巻き付けホイールの製造方法において、
少なくとも前記ホイールスパイダ（２）を製造するために、乾燥した巻き付け長炭素繊維が使用され、少なくとも前記ホイールスパイダ（２）は、巻き付けが完了した後に、密閉された成形型中での加圧下で、合成樹脂が含浸されることを特徴とする巻き付けホイールの製造方法。
【請求項１６】
請求項１１ないし１５の何れか１項に記載の巻き付けホイールの製造方法において、
炭素繊維ウィーブ帯、又は、密閉された成形型中で織られる又は編まれることによって形成された繊維体が陽型に配置されて合成樹脂により成型されることを特徴とする巻き付けホイールの製造方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の巻き付けホイールの製造方法において、
前記炭素繊維ウィーブ帯は、その繊維方向に関して、前記リムウェル（３）の径に応じて異なる剪断の影響が相殺されように前記成形型内に設置されることを特徴とする巻き付けホイールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１のプレアンブルに記載された、繊維強化プラスチックが巻かれて成るホイールに関する。本発明はまた、請求項１１又は１２のプレアンブルに記載されたホイールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維強化プラスチックの使用は、重要性を増している。この例としては、この材料から製造される自転車、オートバイ、乗馬用のヘルメットを挙げることができる。しかしながら、宇宙技術及び飛行機製造業において使用中に高い機械的荷重にさらされる構成部品のように、車のボディ及びシャシー用のパーツもまた、炭素繊維強化プラスチックから製造される。
【０００３】
特許文献１には、繊維複合材料から成るホイールが開示されており、ここでは、ホイールスパイダ及びリムの個々のパーツは、一方向の無端繊維ストランドから、樹脂注入法によって製造される。その際には、コアの周りに一方向無端繊維ストランドが巻かれると共に、ホイールスパイダ部材（円盤形状）には、放射状の繊維が付加される。さらに、一方向性無端繊維ストランドから成るウィーブが、ホイールスパイダ部材の外側面に貼り付けられる。この方法で用意されたホイールスパイダ部材は、それからホイールリムのウェブに固定され、その際に、金属又はプラスチックから成るハブが予め中央に挿入される。このようにリムリングに接合した円盤形状を有するホイールスパイダ部材の設計は、乗物の運転中に複合して生じる、引張り、圧縮、及びねじり荷重に耐えることができるか否かが疑わしい。コーナリングフォースは、一側のホイールスパイダ部材と他側のリムリング及びハブとの間の狭い支持面に作用する。
【０００４】
特許文献２には、特殊な方法によって製造されると共に、繊維強化プラスチックから成るホイールリムが開示されている。ホイールリム及びそのホイールリムを定められた角度で側面から支持するウェブは、軸方向及び放射方向の繊維配向を交互に有する繊維が巻かれたセグメントから成る複数の層で構成されている。リムリング及びリムウェブは、平らに製造された原材料をプレス加工／打ち抜き加工する間に輪郭がかたどられることによって、その形状となり、それらはそれから、硬化する前に接合される。この方法で製造される自動車用のホイールは、複雑な巻き機械及びプレス加工／抜き打ち加工のダイスの設備において特に明らかなように、製造技術において高い出費が必要となる。巻き付け及びプレス加工／打ち抜き加工によって２つのセグメントから成る製造物を製造すること及びそれらを接合することは技術的に困難であり、それゆえ費用が高くつく。
【０００５】
特許文献３には、中空カセット型のセグメントが接合されて成る鉄道用車輪が開示されている。不利なことに、巻き芯として使用される泡充填材は、製造後に車輪の中に残る。その構造は、リムウェルの接合には適しておらず、鉄道用車輪にのみ適している。
【０００６】
特許文献４には、自動車のホイールフレームについて記述されており、そのスポーク部分及びリムウェル部分の形状は共に、２つの半割部材によって形成される。不利なことに、この場合には、層間の損傷が発生したときに、内部検査をすることができない中空横断面に製造される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０１４５６３０号
【特許文献２】独国特許出願公開第３５４１０７４号
【特許文献３】独国特許発明第３８１４３４３号
【特許文献４】欧州特許第０５３９２１４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、明示した前記の課題に関連する、一般的なタイプのホイールの改良に係り、特に高い機械的荷重を許容することによって特徴づけられる新たな構成に関するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題は、本発明によると、独立請求項の発明主題によって解決される。有利な実施形態は、従属請求項の発明主題となっている。
【００１０】
本発明は、繊維強化プラスチックが巻かれて成るホイールを、セグメント法、及び、複数のリングが互いに接合してホイールスパイダを形成すると共に、そのホイールスパイダを、放射状に囲むリムウェルに対してしっかりと接合するような方法によって構成する概念に基づいている。互いに接合されたリングは、同一平面で互いに接して支え合うと共に、一体となってホイールスパイダを形成する。ホイールスパイダ及びリムウェルはそれぞれ、合成樹脂を含浸させた巻き付け炭素繊維を有し、それらは互いに接合される。この概念的に新しい構造は、炭素繊維及び合成樹脂のような、使用する材料に起因して、一方で軽量であり、他方で比較的長時間を経ても高い機械的荷重に耐え得るホイールを作り出すことができることを意味する。この場合において、一方で軽重量を達成し、他方で高い機械的荷重に対する許容を達成しているので、この種のホイールを特にモータースポーツの分野において使用することは興味深い。
【００１１】
リングの径方向の外側に向く部分はリムウェルの部分を形成する一方、リングの径方向の内側に向く部分はホイールハブの部分を形成する。さらに、リングの互いに向かい合う部分は、ホイールスパイダのスポークを形成する。リングは、好ましくは、所望のスポーク数に応じて、より大きい又はより小さい大きさの角度領域を覆う平らな環状のセグメントとして形成される。比較的小さい領域を覆うリングの場合には、比較的大きい領域を覆うリングの場合よりも、より多くのスポークが作り出される。ホイールスパイダを形成するリングは通常、同一形状に構成されるので、ホイールスパイダは通常、アンバランスになることはない。個々にリングを設計することを可能にすることは、実質的にあらゆる方法でホイールを設計できることを意味し、結果として設計自由度をより高める。
【００１２】
本発明による解決手段の有利な実施形態において、リング及びリムウェルは中実横断面を有する。中実横断面は、中空横断面と比較したときに、検査及び保守をすることが難しかったり不可能であったりして安全点検をすることが難しい中空スペースがないという大きな利点を有する。同時に、中実横断面を有するリング及びリムウェルの製造は、巻き芯を追加的に必要とすると共にその巻き芯を後で取り除かなければならない中空横断面を有するものを製造するよりも、極めて容易である。
【００１３】
本発明による解決手段のさらに有利な実施形態において、リムウェルと連結したホイールスパイダのリングは、フレーム支持構造を形成する。フレーム支持構造は、軽量で高剛性を提供し、その構造は、橋や飛行機の建造のような他の建造分野においてよく知られている。
【００１４】
本発明のさらに重要な特徴と利点は、サブクレーム、図面、及び、図面に用いられている図の関連記述の中に見つけることができる。
【００１５】
上述した特徴及び後述する特徴を、明細書中に記載された組み合わせだけではなく、本発明の枠組みから離れない範囲で、他の組み合わせや単独で用いてもよいことは自明である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る、同一平面で互いに接して支え合うと共に、互いに接合される３つのリングを備えたオートバイ用の巻き付けホイールを示す概略図である。
【図２】本発明に係る、５つのリングと１つのリムウェルとを有する乗用車用のホイールを図１と同様に示す概略図である。
【図３】巻き芯を備え、ホイールスパイダのリングを製造するためのワインディング装置のシャフトを示す概略図である。
【図４】同一平面で互いに接して支え合うと共に、互いに接合される、ホイールスパイダのリングを硬化するためのセンタリング装置を示す概略図である。
【図５】別の実施形態に係る図２に相当する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の好ましい代表的な実施形態は、図面中に示され、同一の又は同様の、若しくは機能的に等しい構成部品を参照する同一の参照符号を用いて、以下の記述中に、より詳細に説明されている。
【００１８】
図１によると、本発明に係る繊維強化プラスチックが巻かれて成るホイール１は、ホイールスパイダ２と、リムウェル３とを有している。同一平面で互いに接して支え合うと共に、互いに接合される複数の、この場合には合計３つのリング４は、ホイールスパイダ２を形成する。さらに、リング４及びリムウェル３はそれぞれ、好ましくは、合成樹脂を含浸した巻き付け炭素繊維を有しており、その際、リング４は、ホイールスパイダ２を形成するために各リング４間で接合し、その接合した状態でリムウェル３に接合される。
【００１９】
本発明に係るホイール１の実施形態によると、図１に示すようなオートバイ用のホイール１や図２に示すような乗用車用のホイール１の例では、異なった数のリング４がホイールスパイダ２を形成している。全ての実施形態において共通のことであるが、リング４の径方向の外側に向く部分５はリムウェル３の一部分を形成する一方、リング４の径方向の内側に向く部分６はハブの一部分を形成する。リング４の互いに向かい合う部分８は、ホイールスパイダ２のスポーク９を順に形成する。スポーク９の数は、個々のリング４の角度の広がりに依存する。そのため、図１に示すようにリング４が１２０°の角度の広がりを有するときには、全部で３つのスポーク９が作り出されるのに対して、図２に示すようにリング４が７２°の角度の広がりを有するときには、全部で５つのスポーク９が作り出される。リング４の角度の広がりが実質的に自由に選択可能であることは、設計自由度を高める。仮に、個々のリング４の角度の広がりとして６０°が選択されると、リング４は必然的に正三角形のように構成される。その際に、各リング４は通常、一方向に巻かれた繊維ロービング（図５参照）の繊維配向のきれめがなく、連続的な、長方形の、正方形の、台形の、又は他の横断面を有する。これに対し、リムウェル３に用いられる繊維ロービングは、多方向の繊維配向を有する。このことにより、特に接線方向に作用する荷重、径方向に作用する荷重、及びねじり力は、とても良好に吸収され且つ伝達される。好ましい実施形態では、個々のリング４は、互いに離れないように接合され、好ましくはリムウェル３とも同様に離れないように接合される。
【００２０】
リング４の径方向の内側に向く部分６は、少なくとも１の金属製インサート１０を有している。金属製インサート１０は、例えば少なくとも１のホイールボルトのための貫通口１１を備えている。本発明に係るホイール１は、この貫通口１１によってオートバイや乗用車に固定することができる。金属製インサート１０は、図２に示すように、例えば鎌形状のデザインを有していると共に、例えば軽金属や鋼で構成されており、同時に、金属製インサート１０は、個々の繊維ロービングによってリング４にしっかりと一体化されている。一般的に、ホイールスパイダ２は、ホイールスパイダ２と同様に巻かれるか、長炭素繊維が巻かれて成るリムウェル３を、未硬化のホイールスパイダ２に取り付けてリムウェル３と組み合わされ、その状態で両方の部材を一緒に硬化する。特殊な実施形態では、少なくとも部分的に金属製のリムウェル３と、巻き付け炭素繊維から成るホイールスパイダ２とを接合することも考えられる。このために、一部金属製のリムウェル３の内径上の支持面１５は、対応するねじ孔や貫通口１１’を備える。この場合には、ホイールスパイダ２は、外側に接した支持面１５を支えることができると共に、その支持面１５でねじ止めされる。
【００２１】
全てのホイール１において共通するが、リング４は、同一平面上で互いに接して支え合うと共に、互いに接合されるという事実に基づくと、リング４は必然的に三角形状を有すると共に、その角領域１２において好ましくは丸みを帯びた輪郭を有する。本発明に係るホイール１の補強材としての、ホイール１の周方向に延びるウェブ１３は、２つの隣接するリング４の間で、径方向外側の角領域１２’に配置され且つ、例えばリムウェル３を補強する繊維ウィーブと一体化される。ウェブ１３は、好ましくは金属又はプラスチックで構成される。これに対し、リング４の径方向内側の角領域１２”には、ホイール１を乗物に固定させるための、特にホイールハブ（図示せず）用の取り付け部７として使用される上記金属製インサート１０が固定されている。角領域１２の間の残存隙間１４は、合成樹脂によって埋められていてもよく、その際、特にリング４の径方向内側の角領域１２”における隙間１４が合成樹脂によって埋められていてもよい。さらに、少なくともいくつかの金属製インサート１０を、ホイール１が乗物に取り付けられたときに見ることができる外側面から外方に突出させると共に、ホイール及び／又は装飾用の蓋（図示せず）を固定するために、外側面の方へ向く外形を有するようにしてもよい。
【００２２】
繊維強化プラスチックから成るホイール１を製造することができる方法を、以下に簡単に説明する。
【００２３】
図３によると、分割壁１７によってシャフト１６の軸方向に互いに区画される複数の巻き芯１８は、残りの部分は図示しないワインディング装置のシャフト１６上に配置されており、巻き芯１８上に、合成樹脂を含浸した長炭素繊維が、好ましくは一方向に巻かれて、複数の層が成る。特に鎌形状の金属製インサート１０は、巻き付け中にリング４の径方向内側の角領域１２”で一体化される。巻物が、巻いた後に生じる荷重に対して十分なウェブ幅又はリング横断面の厚みになれば、まだ硬化していない状態のリングがセンタリング装置（図４参照）にセットされると共に、隣接するリング４の、互いに接して支え合う部分８が、各々のプラスチックに適した、空気乾燥や熱の供給により、完全に硬化されるまで互いに押し付けられるように、クランプされる。センタリング装置にセットされるリングの寸法安定性は、上記巻き芯１８によって保証される。この方法で製造されたホイールスパイダ２はそれからセンタリング装置から取り外されて、例えばフォームフィッティング法によって、金属製の又は同様に合成樹脂を含浸した長炭素繊維から製造されるリムウェル３と接合される。後者のリムウェル３では、センタリング装置はワインディング装置（図示せず）と組み合わされ、センタリング装置にクランプされたホイールスパイダ２の周上に、リムウェル３に対応して形成される側板を設置した後に、リムウェル３がリング４の外側部分５に巻かれる。巻かれるリムウェル３とホイールスパイダ２との間の接合の安定性と強度を増すために、ウェブ１３は、径方向の外側に向いた部分５の隙間１４に対して周方向に配置され、そのウェブ１３は、巻き付けた繊維ロービングに、好ましくは完全に且つしっかりと一体化される。リムウェル３の形成が完了した後に、リムウェル３及びホイールスパイダ２はセンタリング装置で一緒に硬化される。
【００２４】
ホイール１の製造としては、ＲＴＭ法として知られている方法によって、完全に乾いた状態で巻かれ、それから密閉された成形型中で、合成樹脂を巻き付け繊維層に加圧浸透させることも考えられる。その後の硬化は、上述したような雰囲気や熱の影響下で起こる。
【００２５】
少なくとも部分的に金属製のリムウェル３が使用されるときには、リムウェル３は、ホイールスパイダ２が、リムウェル３上に相応して形成される支持面１５に接して支持されるように、ホイールスパイダ２に接合され、それらは、支持面１５及びホイールスパイダ２において位置調整された貫通口１１’によって互いにしっかりとねじ止めされる。ホイールスパイダ２は、炭素繊維ウィーブ帯や、密閉された成形型中で織られたり、編まれたりして形成された繊維体を陽型に設置して、合成樹脂を注入することによってもまた、製造可能である。炭素繊維ウィーブ帯は、その繊維方向に関して、リムウェル３の径に応じて異なる剪断の影響が、相殺されるように成形型内に設置されることが好ましい。
【００２６】
一般的に巻き付けホイール１は、視覚的に有効な塗装が施された魅力的な外観も備え、その際、塗料は同時に機械的なダメージから保護する。非常に小さい巻き芯１８が使用されるときには、ホイールスパイダ２はリング４をロール状に設計をすることができる。さらに、ホイールフランジ（図示せず）がリムウェル３の代わりに巻かれること及び、このようなホイール１が鉄道車両に使用されることも考えられる。
【００２７】
特に、ゴルフキャディーのような動力化していない乗物において、ホイール１は、炭素繊維に加えて、木及び／又はガラス繊維のような他の繊維材料を有することも考えられる。この場合には、繊維方向が必然的にホイールの主な荷重の方向と平行に、つまり、好ましくは放射方向に延びるという、カーボン製のホイールと原理上同じ概念が、適用される。他の材料の包含は、ハイブリット材料として知られており、そのことは、強度特性を向上させる設計を可能にする。ハイブリット材料から成るこの種のホイールの製造は、炭素繊維強化ホイールの製造と同様の方法でなされ、その際に、個々の繊維層は、積層や巻き付けの間又はその後に、特に接着されたり、粘着的に結合されたりして、互いに接合される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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2010508200.tif 000011
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