ОБОД КОЛЕСА
WHEEL RIM

Область техники, к которой относится изобретение
Это изобретение относится к колесам, в частности, колесам, имеющим неметаллический обод, такой как обод, содержащий волоконные композиционные и/или пластмассовые материалы. Обода и колеса, описанные в данном документе, могут, например, использоваться с моторизованными и немоторизованными транспортными средствами, такими как автомобили, мотоциклы, велосипеды и летательный аппарат и т.д.
Уровень техники
Колеса, выполненные из композиционных материалов, таких как армированные волокном пластмассы, создали главные преимущества в последние годы. Однако, даже современные конструкции могут иметь некоторые недостатки. Например, некоторые колеса, которые испытывают очень высокие и/или внезапные осевые или радиальные нагрузки или удары, могут испытывать потерю структурной целостности колеса, что может вести к спусканию шины и/или потере управления транспортным средством. Это особенно касается автомобилей и мотоциклов, которые движутся с высокими скоростями. Дополнительно, повреждение конструкции обода может означать, что весь обод нуждается в замене, по причинам безопасности, вследствие трудности точной оценки повреждения и отсутствия легкозаменяемых элементов, вместо простого ремонта. Иногда, повреждение может оставаться необнаруженным на ободах, что может приводить к проблеме безопасности, если колеса используются, и затем разрушаются, на транспортном средстве.
Сущность изобретения
В первом аспекте предоставляется неметаллический обод для колеса, обод содержит следующие компоненты:
цилиндр, имеющий первый и второй фланцы, проходящие радиально наружу от противоположных кромок цилиндра, причем цилиндр содержит первое седло и второе седло, размещенные в осевом направлении внутрь, соответственно от первого и второго фланцев, при этом
по меньшей мере через первый фланец и цилиндр проходит основной структурный компонент, причем необязательно основной структурный компонент выполнен с возможностью нести большую часть радиальной и/или поперечной нагрузки, которая, при эксплуатации, будет восприниматься ободом,
между внешней поверхностью первого фланца и основным структурным компонентом размещена защитная вставка, и/или
по меньшей мере участок первого седла находится на расстоянии от основного структурного компонента, и
необязательно основной структурный компонент, седло и, если присутствует, защитная вставка связаны полимерной матрицей.
Во втором аспекте предоставляется колесо, содержащее обод из первого аспекта.
В третьем аспекте предоставляется транспортное средство, содержащее колесо из второго аспекта.
В четвертом аспекте предоставляется способ для создания обода из первого аспекта, содержащий сборку основного структурного компонента, седла и, если присутствует, защитной вставки, и любых других необязательных компонентов обода, таких как наполняющий материал, и связывание их вместе посредством полимерной матрицы.
Типичная конструкция обода предыдущего уровня техники для композиционного колеса является цилиндром, имеющим два фланца, проходящих радиально наружу от противоположных кромок цилиндра. Цилиндр, в целом, является цилиндрическим в поперечном сечении. Седла обычно размещаются внутри цилиндра. Седла являются поверхностями, на которых внутренние обода шины усаживаются на колесо. Фланцы предотвращают поперечное (т.е. осевое) движение шины на колесе. В целом, коммерчески доступные композиционные колеса имеют обод, который целиком формируется и имеет контур, чтобы формировать фланцы, седла и участок цилиндра между седлами. Настоящие изобретатели обнаружили, что перенос внезапных и/или высоких нагрузок через седло может быть одной из причин потери структурной целостности колеса. Варианты осуществления ободов, описанные в данном документе, уменьшают склонность композиционного колеса повреждаться от внезапных и/или высоких осевых и/или радиальных нагрузок, при этом все еще имея легковесную структуру и желаемые свойства, которые предоставляют возможность их использования в ситуациях с высокими рабочими характеристиками, в транспортных средствах или летательном аппарате. Дополнительно, было обнаружено, что повреждение обода в некоторых ободах предшествующего уровня техники может быть не обнаружено, или, раз уж обнаружено, привело в результате к главному структурному дефекту, приводящему в результате к потере прочности обода. Варианты осуществления обода, описанные в данном документе, предоставляют возможность раннего обнаружения повреждения обода и указания того, что обод нуждается в дополнительном осмотре, чтобы определять, является ли повреждение серьезным и до того, как оно ухудшится и/или сможет стать проблемой безопасности на транспортном средстве. Кроме того, обода могут быть использованы в гибридных или моноблочных колесах, в то же время улучшая воспроизводимость процесса производства.
Варианты осуществления, описанные в данном документе, имеют следующие дополнительные преимущества:
1) Путь нагрузки, который не следует либо внутренней, либо внешней поверхности на всем протяжении структуры колеса. Это создает путь нагрузки с меньшими изменениями направления от фланца к фланцу, что уменьшает точки концентрации механического напряжения на пути нагрузки, приводя в результате к превосходной механической характеристике и меньшей склонности разрушаться, когда высокие осевые и/или радиальные нагрузки прикладываются к ободу.
2) наполняющий материал, например, вспененный материал, может быть использован, чтобы поддерживать седло, и волоконный материал поверх седла может иметь ориентацию волокна, которая значительно не увеличивает изгибную жесткость от фланца к фланцу колеса.
3) улучшенная защита основной несущей нагрузку структуры колес при ударе и неправильном обращении с колесом, с помощью жертвенного слоя (защитной вставки и какого-либо покрывающего слоя, например, внешнего слоя, описанного в данном документе), заделанного в один или оба фланца обода, которые могут быть внутренним и внешним фланцами на автомобиле или левым и правым фланцами на колесе мотоцикла.
4) улучшенное поглощение и рассеивание нагрузок, вызванных ударами в осевом и радиальном направлении на фланцах колеса, которые могут быть внутренним и внешним фланцами.
5) улучшенное отклонение и/или рассеивание энергии удара по ободу, чтобы снижать тенденцию распространения трещины на основном структурном компоненте, например, от внешнего слоя.
6) улучшенное видимое обнаружение повреждения в интегрированном жертвенном слое, которое указывает необходимость осмотра колеса на предмет повреждения и вывода из эксплуатации.
7) удаленное обнаружение с помощью встроенной электронной системы обнаружения аварийной сигнализации повреждения системы жертвенного слоя, встроенной в жертвенный слой, которое указывает необходимость осмотра колеса на предмет повреждения и вывода из эксплуатации
8) спроектированный 3D волоконный слоистый материал, произведенный в круглых, обвязанных сегментах, чтобы заменять вспененный материал, что также улучшает жесткость и ударопрочность.
В настоящей заявке описаны конструкция и процесс производства, чтобы включать указанные признаки безопасности в колесо, например, армированное волокном моноблочное колесо или колесо гибридного формованного типа.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 показывает вид в поперечном сечении варианта осуществления обода, когда включен в гибридное колесо для автомобиля.
Фиг. 2 показывает вид в поперечном сечении варианта осуществления обода, который описывается в данном документе для использования в автомобильном колесе, с внешним фланцем с левой стороны и внутренним фланцем с правой стороны на чертеже.
Фиг. 3A показывает крупным планом вид в поперечном сечении внешнего фланца обода на фиг. 2.
Фиг. 3B показывает, схематично, трехоснонаправленную ткань для использования в основном структурном компоненте, при просмотре с радиального направления, с одной из осей волокон ткани, являющейся параллельной осевому направлению, т.е., проходящей в направлении от фланца к фланцу (от первого фланца ко второму фланцу).
Фиг. 3C показывает, схематично, двухоснонаправленную ткань для использования во внешнем слое, например, как часть седла, при просмотре с радиального направления, ни с одной из осей волокон ткани, не являющейся параллельной осевому направлению, т.е. проходящей в направлении от фланца к фланцу (от первого фланца ко второму фланцу). Каждая ось ткани находится под углом приблизительно 45° к направлению от фланца к фланцу (или осевому направлению A).
Фиг. 4 показывает крупным планом вид в поперечном сечении внутреннего фланца обода на фиг. 2.
Фиг. 5A и 5B показывают, соответственно, варианты осуществления первого и второго фланцев с датчиками, расположенными в защитной вставке.
Фиг. 6 и фиг. 7A показывают, соответственно, вид спереди (при просмотре в осевом направлении) и вид в поперечном сечении (вдоль сечения A-A на фиг. 6) многокомпонентного гибридного колеса, которое может быть использовано для мотоцикла.
Фиг. 7B показывает укрупненный вид фланца на правой стороне колеса на фиг. 7A.
Фиг. 8 показывает поперечное сечение дополнительного варианта осуществления обода на фиг. 6, который также является многокомпонентным гибридным колесом, которое может быть использовано для мотоцикла.
Фиг. 9 показывает схематично устройство, используемое в испытании на радиальную усталость, описанном в примерах ниже.
Фиг. 10 показывает схематично поперечное сечение образцового колеса, испытываемого в примерах ниже.
Фиг. 11 показывает результаты испытания на радиальную усталость, выполняемого на колесе согласно описанию (обозначено Mk2 на чертеже) и образцовом колесе (обозначено Mk1 на этом чертеже).
Подробное описание изобретения
Необязательные и предпочтительные признаки описываются ниже. Любой необязательный или предпочтительный признак может быть объединен с любым аспектом изобретения и любым другим необязательным или предпочтительным признаком.
Неметаллический обод может быть определен как обод, выполненный, главным образом (т.е., по меньшей мере, 50% объема, необязательно, по меньшей мере, 70% объема, необязательно, по меньшей мере, 90% объема) из неметаллических компонентов, например, армированных волокном пластмасс, вместо сплава, такого как стальные или алюминиевые или магниевые сплавы. Неметаллический обод может, тем не менее, содержать металлические компоненты, такие как средство крепления, при желании.
Обод может использоваться с и быть включенным в различные типы колеса, такие как состоящие из одной части моноблочные и состоящие из множества частей гибридные колеса. Колесо, включающее в себя обод, может использоваться в автомобильной или аэрокосмической промышленности, например, для автомобилей и летательного аппарата, соответственно. Оно может также быть использовано для других типов транспортных средств, включающих в себя, но не только, мотоциклы и велосипеды
Состоящее из одной части моноблочное отформованное композиционное колесо (далее в данном документе называемое "моноблочным" колесом) может быть определено как колесо, в котором спица и обод (или цилиндр) физически соединяются во время сборочного производства, чтобы создавать состоящую из единой части конструкцию обод/колесо, к которому некоторые металлические/неметаллические компоненты и вставные втулки могут быть добавлены, прикреплены или заделаны, при желании, чтобы решать различные хорошо известные технические проблемы, ассоциированные с колесами. Волокна сегмента спиц состоящего из одной части моноблочного колеса физически вплетаются или заделываются в обод/цилиндр во время формирования, и/или спица и обод связываются вместе посредством одной полимерной матрицы.
Состоящее из множества частей гибридное колесо (далее в данном документе известное как "гибридное" колесо) может быть определено как колесо, в котором обод (или цилиндр) создается с помощью армированных волокном и/или пластмассовых материалов как единая часть, с которой отдельно сформированная спица и сегмент втулки отделимым образом скрепляется или связывается с помощью средства механического присоединения. Гибридное колесо, как упомянуто в данном документе, может включать в себя колеса с:
a. металлическими спицами или дисковыми центральными элементами, которые могут быть отлиты или механически обработаны из металлов, подходящих для производства колеса.
b. армированными волокном и/или пластмассовыми спицами или дисковыми центральными частями, которые могут быть сооружены или отформованы и/или механически обработаны из неметаллических материалов.
Для обоих типов 1) моноблочных и 2) a и b состоящих из множества частей гибридных колес существуют 3 типа процессов формования, которые могут быть использованы при производстве обода/цилиндра и/или сегментов спиц, которые используют один или более следующих характерных производственных процессов:
1. Предварительно пропитанные волоконные материалы (известные далее в данном документе как материалы "препреги"), в которых смола предварительно пропитывает волоконные материалы или ткани. Эти материалы препреги помещаются в открытые или закрытые литейные формы, после чего материалы отверждаются при нагревании в автоклаве или другой безавтоклавной печной/нагревательной системе, которая может быть встроена в штамповочные инструментальные средства.
2. Мокрое формование слоистых пластиков (известное далее в данном документе как "мокрое формование слоистых пластиков"), в котором сухие волоконные материалы помещаются в пресс-форму и пропитываются с помощью автоматических или механически ванн для пропитки перед закрытием формы для отверждения.
3. Способы трансферного формования пластмасс (известного далее в данном документе как "RTM"), в которых сухой волоконный материал помещается в инструментальное средство пресс-формы(форм), которое затем закрывается, и жидкая смола впрыскивается под давлением для пропитки материала в инструментальном средстве. Инструментальное средство нагревается, чтобы отверждать смолу после впрыска.
В каждом случае, металлические и неметаллические вставки, крепежи и другие материалы, такие как, но не только, арамиды, керамические материалы, конструкционные пеноматериалы, могут быть использованы для улучшения механической характеристики и предоставления точек сборки/крепления для колес и присоединения к транспортному средству. Датчики и визуальные индикаторы могут быть заделаны или добавлены перед, во время или после процесса формования колеса или обода.
Во всех трех производственных процессах моноблочное или гибридное колесо/цилиндр/обод изымается из инструментального средства (или пресс-формы), после того как смола отвердела, и может быть затем дополнительно обработано, обрезано и собрано в законченное колесо и окончательно оформлено/облицовано, чтобы быть готовым для установки на транспортное средство.
В варианте осуществления обод, описанный в данном документе, может быть объединен в или формировать часть армированного волокном моноблочного или гибридного композиционного/пластмассового сегмента обода колеса (или цилиндра), произведенного посредством какого-либо одного или сочетания 3 основных производственных процессов - препрег, мокрое формование слоистых пластиков или RTM.
В варианте осуществления изобретение содержит способ проектирования и создания для защиты основного композиционного пути нагрузки в очень уязвимых внешних и внутренних областях обода структуры колеса от повреждения поперечным и радиальным ударом с помощью вспомогательной жертвенной структуры, включающей в себя ударопрочные материалы.
Как описано в данном документе, основной путь нагрузки является путем, по которому большая часть радиальной и/или осевой нагрузки будет восприниматься ободом в эксплуатации. Он будет типично проходить через основной структурный компонент, как описано в данном документе. В варианте осуществления основной путь нагрузки не следует внутреннему седлу или внешнему фланцу обода по всей области, наиболее уязвимой к радиальным и/или поперечным ударам. Основной путь нагрузки может быть помещен между одним или более слоями ударопрочных материалов, чтобы обеспечивать физическую защиту и передавать нагрузку непосредственно от ударяемой области в более широкую область, тем самым, рассеивая энергию удара по более широкой площади поверхности и уменьшая скалывающее усилие и поперечное механическое напряжение на пути нагрузки.
В варианте осуществления вспомогательный и, следовательно, жертвенный компонент структуры (например, защитная вставка) может быть включен в обод во время производственного процесса и не предназначен быть отдельно производимым или съемным компонентом.
Обод может содержать визуальное и/или электронное указание повреждения колеса, которое может потенциально превышать максимальную безопасную нагрузку для колеса, требуя осмотра и возможной замены поврежденного моноблочного или гибридного колеса.
Обод может включать в себя систему визуальных и/или электронных датчиков, которая должна располагаться в сегменте обода, соседнем, но не являющемся частью основного пути нагрузки.
В одном варианте осуществления, в ободе для гибридного колеса:
1) Обод может содержать металлические вставки, точно расположенные в наполняющем материале (например, вспененном материале) сегмента обода, чтобы облегчать точное расположение крепежей для сборки спиц и сегмента диска на ободе/цилиндре, на основном пути нагрузки, который является отделенным от седла конструкционного вспененного материала.
2) Изобретение гарантирует, что крепеж сквозь основной путь нагрузки окружается сплошным слоем композиционных материалов в области седла, которая не входит в воздушное пространство шины и, следовательно, не требует вспомогательного воздухонепроницаемого уплотнения.
В варианте осуществления основной структурный компонент приспособлен для переноса большей части радиальной и/или поперечной нагрузки, которая, в эксплуатации, будет восприниматься ободом. В варианте осуществления, когда основной структурный компонент содержит волокна, это может быть указано, по меньшей мере, некоторыми из структурных волокон (например, по меньшей мере, 25% от числа, необязательно, по меньшей мере, 30% от числа) основного структурного компонента, проходящих через основной структурный компонент в направлении, параллельном осевому направлению, когда основной структурный компонент рассматривается с радиального направления. В варианте осуществления основной структурный компонент, приспособленный для переноса большей части радиальной и/или поперечной нагрузки, которая, в эксплуатации будет восприниматься ободом, указывается как основной структурный компонент, приспособленный для переноса максимальной нагрузки (в N), по меньшей мере, 50% в радиальном или осевом направлении обода с удаленными другими компонентами обода (т.е., неосновными структурными компонентами, такими как защитная вставка и/или наполняющий материал, и любым покрывающим слоем на них).
Как описано в данном документе, предоставляется неметаллический обод для колеса, содержащий:
цилиндр, имеющий первый и второй фланцы, проходящие радиально наружу от противоположных краев цилиндра, причем цилиндр содержит первое седло и второе седло, размещенные в осевом направлении внутрь, соответственно от первого и второго фланцев,
при этом
по меньшей мере через первый фланец и цилиндр проходит основной структурный компонент, причем необязательно основной структурный компонент выполнен с возможностью нести большую часть радиальной и/или поперечной нагрузки, которая, в эксплуатации, будет восприниматься ободом,
между внешней поверхностью первого фланца и основным структурным компонентом размещена защитная вставка, и/или
по меньшей мере участок первого седла находится на расстоянии от основного структурного компонента, и
необязательно основной структурный компонент, первое и/или второе седло и, если присутствует, защитная вставка связываются полимерной матрицей.
В варианте осуществления предоставляется неметаллический обод для колеса, содержащий:
цилиндр, имеющий первый и второй фланцы, проходящие радиально наружу от противоположных кромок цилиндра, причем цилиндр содержит первое седло и второе седло, размещенные в осевом направлении внутрь, соответственно от первого и второго фланцев,
при этом
по меньшей мере через первый фланец и цилиндр проходит основной структурный компонент, причем основной структурный компонент выполнен с возможностью нести большую часть радиальной и/или поперечной нагрузки, которая, в эксплуатации, будет восприниматься ободом,
между внешней поверхностью первого фланца и основным структурным компонентом размещена защитная вставка, и/или
по меньшей мере, участок первого седла находится на расстоянии от основного структурного компонента, и
основной структурный компонент, первое и/или второе седло и, если присутствует, защитная вставка связываются полимерной матрицей.
Предпочтительно, основной структурный компонент проходит через первый фланец, цилиндр и второй фланец. В варианте осуществления защитная вставка располагается между внешней поверхностью второго фланца и основным структурным компонентом, и/или, по меньшей мере, участок седла, ближайший ко второму фланцу, находится на расстоянии от основного структурного компонента.
В варианте осуществления защитная вставка располагается между внешней поверхностью первого фланца и основным структурным компонентом, и, по меньшей мере, участок первого седла располагается на расстоянии от основного структурного компонента.
В варианте осуществления защитная вставка располагается между внешней поверхностью второго фланца и основным структурным компонентом, и, по меньшей мере, участок седла, ближайший ко второму фланцу, находится на расстоянии от основного структурного компонента.
В варианте осуществления обод предназначен для колеса, подходящего для четырехколесного транспортного средства, такого как автомобиль, и первый фланец является внешним фланцем. Соответственно, также предоставляется колесо для четырехколесного транспортного средства, такого как автомобиль, и первый фланец является внешним фланцем.
В варианте осуществления обод предназначен для колеса, подходящего для четырехколесного транспортного средства, такого как автомобиль, и первый фланец является внутренним фланцем. Соответственно, также предоставляется колесо для четырехколесного транспортного средства, такого как автомобиль, и первый фланец является внутренним фланцем.
В варианте осуществления обод предназначен для колеса, подходящего для двухколесного транспортного средства, которое может быть моторизованным транспортным средством, таким как мотоцикл. В варианте осуществления обод предназначен для колеса, подходящего для двухколесного транспортного средства, которое может быть немоторизованным транспортным средством, таким как велосипед.
В варианте осуществления, например, в двухколесном транспортном средстве, первый фланец и второй фланец имеют одинаковое описание друг для друга. В варианте осуществления, например, в двухколесном транспортном средстве, первый фланец и второй фланец являются по существу симметричными версиями друг друга.
Колесо может быть моноблочным колесом или состоящим из множества частей гибридным колесом.
В варианте осуществления основной структурный компонент содержит, в первом фланце по существу вертикальный сегмент, при этом 'вертикальное' направление соответствует направлению, по существу перпендикулярному осевому направлению, определенному цилиндром. Необязательно, над по существу вертикальным сегментом находится сегмент, который изгибается наружу к верхней внешней кромке первого фланца. Необязательно, ниже по существу вертикального сегмента существует сегмент, который изгибается под первым седлом по направлению к сегменту основного структурного компонента, который проходит внутрь цилиндра.
В варианте осуществления защитная вставка располагается между внешней поверхностью первого фланца и по существу вертикальным сегментом основного структурного компонента.
В варианте осуществления основной структурный компонент содержит, во втором фланце по существу вертикальный сегмент, при этом 'вертикальное' направление соответствует направлению, по существу перпендикулярному осевому направлению, определенному цилиндром. Необязательно, над по существу вертикальным сегментом находится сегмент, который изгибается наружу к верхней внешней кромке второго фланца. Необязательно, ниже по существу вертикального сегмента существует сегмент, который изгибается под вторым седлом по направлению к сегменту основного структурного компонента, который проходит внутрь цилиндра.
Необязательно, основной структурный компонент содержит структурные волокна. Необязательно, по меньшей мере, некоторые из структурных волокон проходят через основной структурный компонент в направлении от первого фланца по оси, определенной ободом, при просмотре с радиального направления. Как описано в данном документе, если волокна проходят вдоль или являются параллельными конкретному направлению, волокна могут быть под углом не более 20° от этого направления, необязательно под углом не более 15° от этого направления, необязательно под углом не более 10° от этого направления, необязательно под углом не более 5° от этого направления, необязательно под углом не более 3° от этого направления, необязательно под углом не более 1° от этого направления, необязательно точно параллельно этому направлению.
Структурные волокна могут быть выбраны из углеродных, арамидных и стеклянных волокон.
В варианте осуществления структурные волокна формируют ткань. Структурные волокна могут быть сотканы, связны, сшиты, сплетены, свиты, скреплены скобами или иначе связаны в ткань. В варианте осуществления структурные волокна могут быть связаны посредством других волокон и/или полимера (перед связыванием посредством полимерной матрицы, чтобы формировать обод). По меньшей мере, некоторые из структурных волокон могут быть выровнены друг с другом, например, в двухоснонаправленной или трехоснонаправленной ткани, или могут быть случайным образом ориентированы относительно друг друга. В основном структурном компоненте, предпочтительно, по меньшей мере, некоторые из тканей выравниваются друг с другом, например, в двухоснонаправленной или трехоснонаправленной ткани, и предпочтительно, по меньшей мере, некоторые из тканей ориентируются в направлении от фланца к фланцу (как будет описано более подробно ниже). Структурные волокна могут быть сформированы в 3D (трехмерный) материал, например, материал, в котором волокна ориентируются в трех измерениях, например, формируются в процессе 3D-тканья или процессе 3D-плетения.
В варианте осуществления структурные волокна являются двухоснонаправленно или трехоснонаправленно тканными. Двухоснонаправленное тканое полотно может быть определено в данном документе как полотно, имеющее два набора волокон, сотканных под углом друг к другу, который может быть углом 90° друг к другу. Трехоснонаправленное тканое полотно может быть определено в данном документе как полотно, имеющее три набора волокон, притом каждый набор плетется в ориентации, отличной от ориентации других наборов, например, первый набор под углом 0°, второй набор под углом +60° к первому набору, и третий набор под углом -60° к первому набору. Трехоснонаправленная ткань может содержать структурные волокна, ориентированные в трех направлениях, как описано в данном документе, и может необязательно дополнительно включать в себя дополнительные волокна, например, структурные волокна, в четвертом направлении, которые могут быть сотканы или сшиты с другими волокнами. Это может упрощать производственный процесс.
В варианте осуществления обод содержит внешний слой, также связанный полимерной матрицей, при этом внешний слой формирует седло и/или покрытие на первой защитной вставке. Внешний слой может быть определен как слой, расположенный поверх, по меньшей мере, части основного структурного компонента, необязательно с одним или более дополнительными компонентами, расположенными между внешним слоем и основным структурным компонентом. Необязательно, внешний слой формирует самый внешний слой на ободе, например, без дополнительных слоев, расположенных на нем. В альтернативном варианте осуществления один или более дополнительных слоев могут присутствовать поверх внешнего слоя.
В варианте осуществления внешний слой содержит структурные волокна.
В варианте осуществления внешний слой и основной структурный компонент, каждый, содержат, по меньшей мере, один тканевый слой, содержащий структурные волокна, и необязательно основной структурный компонент содержит большее число тканевых слоев, чем внешний слой.
В варианте осуществления внешний слой и основной структурный компонент, каждый, содержат множество тканевых слоев (например, по меньшей мере, два тканевых слоя), содержащих структурные волокна, и необязательно основной структурный компонент содержит большее число тканевых слоев, чем внешний слой. Необязательно, основной структурный компонент содержит два или более тканевых слоев, содержащих структурные волокна, необязательно три или более, необязательно четыре или более тканевых слоев, содержащих структурные волокна.
В варианте осуществления, по меньшей мере, некоторые из структурных волокон основного структурного компонента проходят через основной структурный компонент в направлении, по существу параллельном оси, определенной ободом.
В варианте осуществления внешний слой по существу не содержит волокна, которые проходят через основной структурный компонент в направлении, по существу параллельном оси, определенной ободом.
В варианте осуществления основной структурный компонент содержит трехоснонаправленное тканое полотно, а внешний слой содержит двухоснонаправленное тканое полотно. Двухоснонаправленная ткань и трехоснонаправленная ткань, описанные в данном документе, предпочтительно формируются из углеродных волокон.
В варианте осуществления основной структурный компонент, первое и/или второе седло и, если присутствуют, защитная вставка(и) в первом и/или втором фланце, и, если присутствуют, наполняющие материалы, расположенные между седлом и основным структурным компонентом, связываются полимерной матрицей. Полимерная матрица может содержать полимер, выбранный из термопластика и термоотверждающегося полимера. Полимерная матрица может содержать полимер, выбранный из эпоксидной смолы (EP), полиэфирной смолы (UP), смолы из сложных виниловых эфиров (VE), полиамидной смолы (PA), полиэфирэфиркетона (PEEK), бисмалеимидов (BMI), полиэфиримида (PEI) и бензоксазина.
Защитная вставка может действовать, чтобы защищать основную нагрузочную структуру от удара, прикладываемого радиально и/или в осевом направлении к ободу. В варианте осуществления защитная вставка может действовать, чтобы поглощать и/или отклонять и/или рассеивать энергию от нагрузки или удара, приложенного в осевом направлении и/или радиально к ободу. В варианте осуществления защитная вставка действует, чтобы отклонять и/или рассеивать энергию от удара по ободу (например, в осевом направлении и/или радиально), и уменьшать склонность к распространению трещины в основном структурном компоненте, например, от внешнего слоя.
В варианте осуществления защитная вставка содержит поглощающий удар материал, который может быть выбран из вспененного материала, ячеистого материала, слоистой структуры и ткани. Вспененный материал может быть вспененным материалом с открытой или закрытой ячейкой. Вспененный материал может содержать вспененный полимер, который может быть выбран из вспененного полиакриламида, такого как полиметилакрилимид, вспененного полиуретана, вспененного полистирола, вспененного винилхлорида, вспененного акрилового полимера, вспененного полиэтилена, вспененного полипропилена и вспененного винилнитрила. В варианте осуществления защитная вставка содержит упругий полимер, такой как каучук, который может быть синтетическим каучуком, таким как стирол-бутадиеновым полимером, или натуральным каучуком. Упругий полимер может быть или может не быть вспененным.
Защитная вставка может проходить, по меньшей мере, частично, необязательно по всей длине, по окружности, вокруг обода.
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
Защитная вставка может иметь плотность, которая измеряется посредством ASTM D 1622, по меньшей мере, 10 кг/м, необязательно, по меньшей мере, 20 кг/м, необязательно, по меньшей мере, 30 кг/м, необязательно, по меньшей мере, 40 кг/м. Защитная вставка может иметь плотность, которая измеряется посредством ASTM D 1622, 120 кг/м или менее, необязательно 110 кг/м или менее, необязательно 75 кг/м или менее, необязательно 60 кг/м или менее. Защитная вставка может иметь плотность, которая измеряется посредством ASTM D 1622, от 10 кг/м до 120 кг/м, необязательно от 20 кг/м до 120 кг/м, необязательно от 30 кг/м до 120 кг/м, необязательно от 40 кг/м до 80 кг/м, необязательно от 40 кг/м до 60 кг/м, необязательно от 40 кг/м до 80 кг/м.
Защитная вставка может иметь прочность на сжатие, которая измеряется согласно ASTM D 1621, по меньшей мере, 0,1 МПа, необязательно, по меньшей мере, 0,2 МПа, необязательно, по меньшей мере, 0,3 МПа, необязательно, по меньшей мере, 0,4 МПа, необязательно, по меньшей мере, 0,5 МПа, необязательно, по меньшей мере, 0,6 МПа, необязательно, по меньшей мере, 0,7 МПа, необязательно, по меньшей мере, 0,8 МПа, необязательно, по меньшей мере, 0,9 МПа. Защитная вставка может иметь прочность на сжатие, которая измеряется согласно ASTM D 1621, 5 МПа или менее, необязательно 4 МПа или менее, необязательно 3МПа или менее, необязательно 2 МПа или менее, необязательно 1,5 МПа или менее, необязательно 1 МПа или менее. Защитная вставка может иметь прочность на сжатие, которая измеряется согласно ASTM D 1621, от 0,1 МПа до 5 МПа, необязательно от 0,3 МПа до 4 МПа, необязательно от 0,4 МПа до 4 МПа, необязательно от 0,7 МПа до 3,5 МПа, необязательно от 0,7 МПа до 2 МПа, необязательно от 0,7 МПа до 1,5 МПа, необязательно от 0,7 МПа до 1,3 МПа.
Пример вспененных материалов, которые могут быть использованы для защитной вставки, включает в себя полиметакрилимидные вспененные материалы с замкнутой ячейкой, которые являются доступными, например, от Rohacell, такие как вспененные материалы Rohacell IG и IG-F.
В настоящем варианте осуществления защитная вставка содержит множество слоев. В варианте осуществления множество слоев может иметь различную жесткость по отношению друг к другу, например, отличающийся друг от друга модуль упругости. В варианте осуществления защитная вставка содержит множество слоев, при этом слои размещаются в осевом направлении относительно друг друга (т.е. так, что в поперечном сечении обода (например, способом, показанным на фиг. 1, 2 и 3), слои являются видными между защитной вставкой и внешним слоем). В варианте осуществления защитная вставка содержит множество слоев и имеет первый слой, расположенный ближе к основному структурному компоненту, чем второй слой, и первый слой имеет более высокую жесткость (более высокий модуль Юнга), чем второй слой. В варианте осуществления предусматриваются три или более слоев, слои размещаются в осевом направлении в ободе, относительно друг друга, при этом жесткость слоев (т.е. модуль Юнга слоев) становится постепенно ниже в осевом направлении от основного структурного компонента к внешней поверхности фланца, в котором они располагаются, например, первого и/или второго фланца. Наличие менее жестких вставок в направлении внешней поверхности фланца будет помогать в распространении нагрузок от удара по большой площади, т.е. формируя зону деформации и уменьшая вероятность повреждения основного структурного компонента.
В варианте осуществления внешний слой покрывает защитную вставку в первом и/или втором фланце, внешний слой имеет отличающийся цвет от защитной вставки или какие-либо материалы, которые могут быть расположены между внешним слоем и защитной вставкой, чтобы предоставлять визуальное указание какого-либо повреждения внешнего слоя. Защитная вставка и/или какие-либо материалы, которые могут быть расположены между внешним слоем и защитной вставкой, могут быть ярко расцвечены (например, иметь цвет, такой как белый, зеленый или желтый, флуоресцентный цвет или основной цвет или какое-либо сочетание основных цветов).
Внешний слой, покрывающий защитную вставку на первом и/или втором фланце, при просмотре с осевого направления A, может не содержать волокон, которые являются выровненными с радиальным направлением R, т.е. волокна внешнего слоя могут быть ориентированы так, что они находятся под углом (например, по меньшей мере, 20° от радиального направления), при просмотре с осевого направления A.
В варианте осуществления наполняющий материал располагается, по меньшей мере, в участоке обода, определенном пространством между первым и/или вторым седлом и основным структурным компонентом. Наполняющий материал может проходить, по меньшей мере, частично, необязательно по всей длине, по окружности, вокруг обода. Наполняющий материал может быть защитным материалом и может быть таким же или отличаться от материала в защитной вставке. Наполняющий материал может быть вспененным материалом, ячеистым материалом, слоистой структурой и тканью. Вспененный материал может быть вспененным материалом с открытой или закрытой ячейкой. Вспененный материал может содержать вспененный полимер, который может быть выбран из вспененного полиакриламида, такого как полиметилакрилимид, вспененного полиуретана, вспененного полистирола, вспененного винилхлорида, вспененного акрилового полимера, вспененного полиэтилена, вспененного полипропилена и вспененного винилнитрила. В варианте осуществления защитная вставка содержит упругий полимер, такой как каучук, который может быть синтетическим каучуком, таким как стирол-бутадиеновым полимером, или натуральным каучуком. Упругий полимер может быть или может не быть вспененным.
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
Наполняющий материал может иметь плотность, которая измеряется посредством ASTM D 1622, по меньшей мере, 10 кг/м, необязательно, по меньшей мере, 20 кг/м, необязательно, по меньшей мере, 30 кг/м, необязательно, по меньшей мере, 40 кг/м. Наполняющий материал может иметь плотность, которая измеряется посредством ASTM D 1622, 120 кг/м или менее, необязательно 110 кг/м или менее, необязательно 75 кг/м или менее, необязательно 60 кг/м или менее. Наполняющий материал может иметь плотность, которая измерена посредством ASTM D 1622, от 10 кг/м до 120 кг/м, необязательно от 20 кг/м до 120 кг/м, необязательно от 30 кг/м до 120 кг/м, необязательно от 40 кг/м до 80 кг/м, необязательно от 40 кг/м до 60 кг/м, необязательно от 40 кг/м до 80 кг/м.
Наполняющий материал может иметь прочность на сжатие, которая измеряется согласно ASTM D 1621, по меньшей мере, 0,1 МПа, необязательно, по меньшей мере, 0,2 МПа, необязательно, по меньшей мере, 0,3 МПа, необязательно, по меньшей мере, 0,4 МПа, необязательно, по меньшей мере, 0,5 МПа, необязательно, по меньшей мере, 0,6 МПа, необязательно, по меньшей мере, 0,7 МПа, необязательно, по меньшей мере, 0,8 МПа, необязательно, по меньшей мере, 0,9 МПа. Наполняющий материал может иметь прочность на сжатие, которая измеряется согласно ASTM D 1621, 5 МПа или менее, необязательно 4 МПа или менее, необязательно 3МПа или менее, необязательно 2 МПа или менее, необязательно 1,5 МПа или менее, необязательно 1 МПа или менее. Наполняющий материал может иметь прочность на сжатие, которая измеряется согласно ASTM D 1621, от 0,1 МПа до 5 МПа, необязательно от 0,3 МПа до 4 МПа, необязательно от 0,4 МПа до 4 МПа, необязательно от 0,7 МПа до 3,5 МПа, необязательно от 0,7 МПа до 2 МПа, необязательно от 0,7 МПа до 1,5 МПа, необязательно от 0,7 МПа до 1,3 МПа.
Пример вспененных материалов, которые могут быть использованы для наполняющего материала, включают в себя полиметакрилимидные вспененные материалы с закрытой ячейкой, которые являются доступными от Rohacell, такие как вспененные материалы Rohacell IG и IG-F.
В варианте осуществления присоединяющий компонент для присоединения спицы колеса к ободу заделывается в наполняющий материал. В варианте осуществления присоединяющий компонент является гайкой или болтом. В варианте осуществления присоединяющий компонент является гайкой, и отверстие предусматривается в основном структурном компоненте, чтобы предоставлять возможность вставки болта в гайку.
В варианте осуществления наполняющий компонент располагается в ободе, например, в первом фланце и/или втором фланце и/или под первым и/или вторым седлом, наполняющий компонент проходит, по меньшей мере, частично по окружности обода в первом фланце и/или втором фланце, соответственно. В варианте осуществления наполняющий компонент располагается рядом с концом основного структурного компонента в первом фланце и/или втором фланце, наполняющий компонент проходит, по меньшей мере, частично по окружности обода в первом фланце и/или втором фланце, соответственно.
В варианте осуществления наполняющий компонент содержит по существу однонаправленный волоконный материал, проходить в круговом направлении вокруг обода. Волоконный материал может быть сплетен вместе, например, свит вместе, и может формировать веревку. Волоконный материал может содержать структурные волокна, которые могут быть или могут не быть одним и тем же типом структурных волокон, используемых в основном структурном компоненте или внешнем слое. Структурные волокна в наполняющем компоненте могут содержать волокна, выбранные из углеродных, арамидных и стеклянных волокон.
В варианте осуществления основной структурный компонент, в первом или втором фланце, разделяется в области под седлом и/или в области цилиндра, и наполняющий материал располагается в полости, сформированной посредством разделения. Если основной структурный компонент разделяется в области под или рядом с седлом, участок основного структурного компонента, расположенный наиболее радиально наружу, может формировать часть седла, например, вместе с внешним слоем, и наполняющий материал может быть расположен между этим участком и участком основного структурного компонента, расположенного максимально радиально внутрь.
В варианте осуществления один или более датчиков предусматривается/предусматриваются в или рядом с защитной вставкой и/или между седлом и основным структурным компонентом, чтобы отправлять сигнал приемнику с информацией об ободе или какой-либо шине, расположенной на ней.
В варианте осуществления датчик или датчики отправляет(ют) информацию приемнику о каком-либо повреждении защитной вставки и какого-либо слоя, покрывающего защитную вставку.
В варианте осуществления датчик или датчики могут передавать телеметрическую или электронную информацию в реальном времени через беспроводную или проводную систему в систему наблюдения за транспортным средством.
В варианте осуществления колесо может изучаться с помощью системы контроля и/или оборудования для недеструктивного испытания (NDT) специалистом.
В варианте осуществления датчик может обнаруживать структурную поломку или повреждение защитной вставки и/или покрывающего внешнего слоя и вставки, указывающее необходимость осмотра обода экспертом, пока основной структурный компонент является минимально поврежденным или неповрежденным.
Датчик может быть много- или одноканальным детектором, который предоставляет возможность удаленной оценки степени повреждения защитной вставки и/или какого-либо покрывающего внешнего слоя обода.
Неограниченные варианты осуществления настоящей заявки будут сейчас описаны со ссылкой на чертежи. Отдельный признак, упомянутый ниже, может быть объединен индивидуально, и без ссылки на какие-либо ассоциированные признаки, с каким-либо из аспектов, описанных здесь, или другими необязательными и предпочтительными признаками, описанными в данном документе.
Фиг. 1 показывает вид в поперечном сечении варианта осуществления обода 1 в колесе 2 гибридного типа. В этом варианте осуществления обод 1 привинчивается к спицам 3 посредством болта 4, который удерживается на месте крепежной вставкой, например, гайкой 5. Первый фланец 101 составляет внешний фланец обода, т.е. фланец, который будет самым внешним, когда колесо устанавливается на четырехколесном транспортном средстве. Второй фланец 102 составляет внутренний фланец, т.е. фланец, который будет самым внутренним, когда колесо устанавливается на четырехколесное транспортное средство. Первое седло B1 размещается в осевом направлении внутрь от первого фланца 101. Второе седло B2 размещается в осевом направлении внутрь от второго фланца 102. Болт 4 может быть металлическим компонентом. Вставка 5 может просверливаться и снабжаться резьбой, после того как колесо полностью отвердело и было изъято из пресс-формы.
Основной структурный компонент 103 проходит через первый фланец 101, цилиндр 104 и второй фланец 102. Основной структурный компонент приспособлен для переноса большей части радиальной и/или поперечной нагрузки, которая, в эксплуатации, будет восприниматься ободом.
Защитная вставка 105 располагается между внешней поверхностью 106 первого фланца и основным структурным компонентом 103.
Горизонтальный сегмент седла B1, ближайший к первому фланцу (первое седло), находится на расстоянии от основного структурного компонента 103. Наполняющий материал 107 размещается в полости, сформированной первым седлом B1 и нижележащим основным структурным компонентом. Наполняющий материал 107 действует, чтобы удерживать крепежную вставку 5 на месте.
Защитная вставка 105 располагается между внешней поверхностью 106 второго фланца и основным структурным компонентом 103. Наполняющий материал 108 размещается в полости, сформированной разделенным основным структурным компонентом под вторым седлом B2 и основным структурным компонентом 103 в седле B2, и проходит к левой стороне поглощающей энергию вставки 105, чтобы повторно соединяться выше в сегменте 103V над нитевидным волокном 109A.
Основной структурный компонент 103, седло(а) B1, B2 и защитная вставка 105 связываются полимерной матрицей. Основной структурный компонент и седла предпочтительно содержат структурные волокна, пропитанные полимерной матрицей, т.е., основной структурный компонент и седла являются армированными волокном пластмассами. Защитные вставки могут быть или могут не быть пропитаны полимерной матрицей, например, если они содержат вспененный материал, в зависимости от того, является ли он или нет вспененным материалом с открытой ячейкой или закрытой ячейкой, они все равно связываются с другими компонентами посредством полимерной матрицы.
Фиг. 2 показывает вид в поперечном сечении варианта осуществления обода 1, который описывается в данном документе для использования в автомобильном колесе 2, с внешним фланцем 101 с левой стороны и внутренним фланцем 102 с правой стороны на чертеже. Этот обод является аналогичным ободу на фиг. 1, за исключением того, что крепежная вставка не присутствует, и дополнительные компоненты иллюстрируются. Этот обод может быть для использования в моноблочном колесе и целиком формируется со спицами (не показаны). Все компоненты на фиг. 1 аналогично нумеруются на фиг. 2. На фиг. 2 наполняющий компонент 109 размещается рядом с концом основного структурного компонента в первом фланце, наполняющий компонент 109 проходит по окружности обода в первом фланце. Наполняющий компонент 109 может иначе быть назван нитевидным волокном в данном документе. Наполняющий компонент 109 может, например, содержать по существу однонаправленный волоконный материал, проходящий в круговом направлении вокруг обода, например, плетеный волоконный материал, например, содержащий структурные волокна, как описано в данном документе. Наполняющий компонент 109 может быть размещен, как показано, чтобы обеспечивать точное размещение волоконного материала (например, основного структурного компонента) и предотвращать движение во время производственного процесса, например, во время RTM-процесса. Наполняющий компонент 109 также действует, чтобы предотвращать повреждение конца основного структурного компонента, рассеивая усилия вдоль нитевидных волокон. Подходящие нитевидные волокна являются плетеными углеродными нитевидными волокнами, доступными коммерчески, например, от Cristex.
Дополнительные нитевидные волокна 109A могут быть расположены под материалом 1010, формирующим седло в точке, где он изменяет направление. Область внешнего фланца была обнаружена более уязвимой к очень локализованным изгибающим нагрузкам вследствие соединения со спицей и крепежной системой. Структурные пустоты в областях, где основной и вспомогательный путь нагрузки разделяются и могут инициировать или распространять расслоения, заполняются с помощью дополнительных нитевидных волокон (109A), таким образом, уменьшая тенденцию вызывать расслоение.
Может быть видно на фиг. 3A, что основной структурный компонент 103 содержит в первом фланце 101 по существу вертикальный сегмент 103V, при этом вертикальное направление V соответствует направлению R, по существу перпендикулярному осевому направлению A, определенному цилиндром. Направление R может также называться радиальным направлением в данном документе. Вышеупомянутый по существу вертикальный сегмент 103V является сегментом основного структурного компонента 103C1, который изгибается наружу по направлению к верхней внешней кромке 101E первого фланца. Ниже по существу вертикального сегмента 103V находится сегмент 103C2, который изгибается под седлом B1 по направлению к сегменту основного структурного компонента 104, который проходит внутрь цилиндра 104. Защитная вставка 105 может быть расположена между внешней поверхностью первого фланца 106 и по существу вертикальным сегментом 103V основного структурного компонента 103.
На фиг. 3A может быть видно, что основной путь нагрузки (сформированный основным структурным компонентом) помещается по центру между объединенным жертвенным слоем (защитной вставкой 105 и покрывающим внешним слоем 1010) с одной стороны и структурной сердцевиной (наполняющим материалом 107) с противоположной стороны. Это гарантирует оптимизированный перенос нагрузки и минимизирует концентраторы напряжений, которые могут возникать в колесах, где основной путь нагрузки проходит под/через седло.
В варианте осуществления, показанном на чертежах, основной структурный компонент 103 содержит структурные волокна. В этом варианте осуществления структурные волокна являются тканевыми углеродными волокнами. Предпочтительно, основной структурный компонент содержит множество слоев тканевых углеродных волокон. Структурные волокна могут быть двухоснонаправленно или трехоснонаправленно тканными.
В этом варианте осуществления обод содержит внешний слой 1010, также связанный с полимерной матрицей. Внешний слой 1010 проходит поверх всей внутренней стороны цилиндра (т.е. стороны, ближайшей к оси обода), поверх каждой верхней внешней кромки 101E, 102E обоих фланцев 101, 102 и проходит в осевом направлении внутрь от каждого из фланцев, чтобы формировать седла B1, B2, с кромкой 1010E внешнего слоя, заканчивающейся на цилиндре 104. Как может быть видно, внешний слой 1010 формирует покрытие на защитной вставке 105 и поверх наполняющего материала 107. В этом варианте осуществления внешний слой 1010 содержит двухоснонаправленные структурные волокна, которые вплетены в слой. Предпочтительно, в этом варианте осуществления, внешний слой 1010 и основной структурный компонент 103, каждый, содержат множество тканевых слоев, содержащих структурные волокна, основной структурный компонент содержит большее число тканевых слоев, чем внешний слой, и тканевые слои основного структурного компонента являются по существу трехоснонаправленной тканью.
В основном структурном компоненте 103, по меньшей мере, некоторые из структурных волокон основного структурного компонента проходят через основной структурный компонент в направлении, по существу параллельном оси, определенной ободом, при просмотре с радиального направления R. Другими словами, по меньшей мере, некоторые из структурных волокон проходят через обод от первого фланца ко второму фланцу по кратчайшему пути между ними (например, как показано на фиг. 3B схематично). На фиг. 1, 2 и 3A это будет в той же плоскости, что и страница, и вдоль линий, показанных в первом структурном компоненте. Когда основной структурный компонент содержит двухоснонаправленную или трехоснонаправленную ткань, тогда ткань выравнивается так, что одна из осей волокон проходит в направлении от фланца к фланцу, т.е., в осевом направлении обода.
Фиг. 3B показывает, схематично, трехоснонаправленную ткань для использования в основном структурном компоненте 103, при просмотре с радиального направления R, с одной из осей волокон ткани, являющейся параллельной осевому направлению, т.е., проходящей в направлении от фланца к фланцу (от первого фланца ко второму фланцу).
Предпочтительно, внешний слой 1010 по существу не имеет волокон, которые проходят через внешний слой в направлении, по существу параллельном оси, определенной ободом, при просмотре с радиального направления R. Другими словами, внешний слой по существу не имеет волокон, которые проходят от первого фланца ко второму фланцу по кратчайшему пути между ними. Когда внешний слой содержит двухоснонаправленную ткань, например, ткань выравнивается так, что ни одна из осей волокон не находится вдоль направления от фланца к фланцу. Каждая ось волокон предпочтительно выравнивается так, что существует угол, по меньшей мере, 30° между направлением от фланца к фланцу и одной из двух осей волокон в двухоснонаправленной ткани. Например, внешний слой может быть двухоснонаправленной тканью, и волокна ориентируются под углом приблизительно +/- 45° к направлению от фланца к фланцу.
В варианте осуществления основной структурный компонент содержит, по меньшей мере, один слой структурных волокон, вплетенных в трехоснонаправленную ткань, и одна из осей волокон проходит в направлении от фланца к фланцу, т.е. в осевом направлении обода, при просмотре с радиального направления R, и внешний слой 1010 содержит, по меньшей мере, один слой структурных волокон, вплетенных в двухоснонаправленную ткань и выровненных так, что ни одна из осей волокон в двухоснонаправленной ткани не находится в направлении от фланца к фланцу, т.е. в осевом направлении обода, при просмотре с радиального направления R.
Фиг. 3C показывает, схематично, двухоснонаправленную ткань для использования во внешнем слое, например, как часть седла, при просмотре с радиального направления, ни с одной из осей волокон ткани, не являющейся параллельной осевому направлению, т.е. проходящей в направлении от фланца к фланцу (от первого фланца ко второму фланцу). Каждая ось ткани находится под углом приблизительно 45° к направлению от фланца к фланцу (или осевому направлению A).
Как упомянуто, предпочтительно, основной структурный компонент содержит трехоснонаправленную ткань, а внешний слой содержит двухоснонаправленную ткань, и оси ткани могут быть ориентированы, как описано выше. Трехоснонаправленная ткань может содержать структурные волокна, ориентированные в трех направлениях, как описано в данном документе, и может необязательно дополнительно включать в себя дополнительные волокна, например, структурные волокна, в четвертом направлении, которые могут быть вплетены или вшиты в другие волокна. Это может помогать производственному процессу.
В вариантах осуществления, показанных на чертежах, защитная вставка 105 содержит вспененный материал, который может быть вспененным материалом с закрытой или открытой ячейкой, сформированным из подходящего материала, такого как полиметакрилимидный (PMI) вспененный материал.
В варианте осуществления на фиг. 1, 2 и 3A внешний слой 1010 покрывает защитную вставку 105 на внешней поверхности первого и второго фланцев. Внешний слой имеет цвет, отличный от защитной вставки или каких-либо материалов, которые могут быть расположены между внешним слоем и защитной вставкой. Во многих армированных волокном колесах повреждение какого-либо из компонентов может проходить незамеченным, так как они часто имеют темный цвет, и какие-либо трещины или сколы в материале могут не быть легко видимыми. Однако, посредством содержания отличного цвета под внешним слоем, это предоставляет возможность обнаружения повреждения на ранней стадии. Это предоставляет визуальное указание какого-либо повреждения внешнего слоя и предоставляет возможность устранения какого-либо повреждения. Расположение основного структурного компонента на противоположной стороне защитной вставки от внешнего слоя и легкое видимое повреждение наружного слоя означает, что место, в котором повреждение является видимым, обычно предшествует повреждению основного структурного компонента.
В варианте осуществления на фиг. 1, 2 и 3A наполняющий материал 107 располагается в полости, сформированной седлом и нижележащим основным структурным компонентом. В этом варианте осуществления наполняющий материал является вспененным материалом. Вспененный материал может быть или может не быть таким же, что и вспененный материал, используемый в защитной вставке.
Как видно на фиг. 1, прикрепляющий компонент для прикрепления спицы колеса к ободу заделывается в наполняющий материал. Прикрепляющий компонент может быть предварительно собран в наполняющий материал 107 во время процесса производства обода, например, перед закрытием пресс-формы и процессом RTM-инжекции.
Фиг. 4 показывает крупным планом вид в поперечном сечении внутреннего фланца 102 обода на фиг. 2. Отличительные признаки этого фланца нумеруются аналогично первому фланцу. Компоновка является очень похожей на первый фланец за исключением того, что основной структурный компонент разделяется в области под седлом, и наполняющий материал 108 располагается в полости, сформированной посредством разделения. Внешний слой 1010 проходит поверх основного структурного компонента на седле поверх верхней кромки 102E фланца и внешней кромки фланца, покрывающего защитную вставку 105. Внешний слой 1010 проходит под цилиндром обода от первого фланца ко второму фланцу 1010. Как может быть видно, нитевидное волокно 109, например, структурные волокна, сплетенные вместе, располагается на конце 102E основного структурного компонента во внутреннем фланце 102. Опять же, нитевидное волокно (109) размещается, как показано, чтобы обеспечивать точное размещение волоконного материала во время производства и предотвращать перемещение во время RTM-процесса. Нитевидное волокно 109 формирует цельную часть объединенного ударопрочного/жертвенного слоя, 1010, и вставки 105. Дополнительное нитевидное волокно 109A располагается в верхней точке разделения в основном структурном компоненте 103.
В варианте осуществления внешний слой 1010 содержит два слоя двухоснонаправленного углеродно-волоконного материала с полотняным переплетением, основной структурный компонент содержит четыре или пять слоев трехоснонаправленного тканого углеродно-волоконного материала, защитные вставки и наполняющий материал содержат вспененный материал с закрытой ячейкой, например, сформированный из полиметакрилимида, и нитевидные волокна содержат плетеный углеродно-волоконный материал. Волокна в основном структурном компоненте ориентируются так, что одна из осей волокон выравнивается в направлении от фланца к фланцу (например, как показано схематично на фиг. 3B). Волокна двухоснонаправленного полотняного переплетения во внешнем слое 1010 ориентируются так, что обе оси находятся под углом около 45° к направлению от фланца к фланцу (например, как показано схематично на фиг. 3C).
Внешний слой 1010, покрывающий защитную вставку 105 на всех фланцах B1, B2, показанный на чертежах в данном документе, при просмотре с осевого направления A, не имеет волокон, которые выровнены с радиальным направлением R, т.е. волокна внешнего слоя ориентируются так, что они находятся под углом (например, по меньшей мере, 20° от радиального направления), при просмотре с осевого направления A.
Фиг. 5A и 5B показывают, соответственно, первый и второй фланцы с одним или более датчиками 1011, расположенными в защитной вставке. Отдельные или многочисленные датчики могут отправлять сигнал или сигналы приемнику с информацией об ободе и/или какой-либо шине, расположенной на нем. Датчик(и) 1011 могут действовать, чтобы обнаруживать какое-либо повреждение внешнего слоя и/или защитной вставки.
Фиг. 6 показывает вид спереди (при просмотре в осевом направлении) многокомпонентного гибридного колеса, которое может быть использовано для мотоцикла. Фиг. 7A показывает вид в поперечном сечении (вдоль сечения A-A на фиг. 6) варианта осуществления обода колеса на фиг. 6. Фиг. 7B показывает укрупненный вид фланца на правой стороне колеса на фиг. 7A. Колесо отличается от колеса на фиг. 1 в том, что спицы 3 располагаются по центру между двумя фланцами вместо расположения ближе к одному фланцу, чем к другому. Конструкция обоих фланцев этого колеса является аналогичной конструкции внутреннего фланца B2 колеса на фиг. 4. Отличительным признакам на фиг. 7A и 7B, соответствующим признакам в фланце B2 на фиг. 4, присваиваются те же номера. Как может быть видно на фиг. 7B, основной структурный компонент разделяется в области под седлом B2, и наполняющий материал 108 располагается в полости, сформированной посредством разделения. Внешний слой 1010 проходит поверх основного структурного компонента на седле поверх верхней кромки 102E фланца и внешней кромки фланца, покрывающего защитную вставку 105. Внешний слой 1010 проходит под цилиндром обода от первого фланца ко второму фланцу 1010. Как может быть видно, нитевидное волокно 109, например, структурные волокна, сплетенные вместе, располагается на конце 103E основного структурного компонента во внутреннем фланце 102. Опять же, нитевидное волокно (109) размещается, как показано, чтобы обеспечивать точное размещение волоконного материала во время производства и предотвращать перемещение во время RTM-процесса. Нитевидное волокно 109 формирует цельную часть объединенного ударопрочного/жертвенного слоя, 1010, и вставки 105. Дополнительное нитевидное волокно 109A располагается в верхней точке разделения в основном структурном компоненте 103.
Основной структурный компонент делится в центральном участоке цилиндра, и крепежная вставка, т.е., гайка 5, располагается в полости, которая может удерживаться на месте посредством наполняющего материала 107 (не показан). Обод 1 привинчивается к спицам 3 посредством болта 4, который завинчивается в гайку 5.
Фиг. 8 показывает поперечное сечение дополнительного варианта осуществления обода на фиг. 6, который также является многокомпонентным гибридным колесом, которое может быть использовано для мотоцикла. В этом варианте осуществления колесо отличается от колеса на фиг. 1 в том, что спицы 3 располагаются по центру между двумя фланцами вместо расположения ближе к одному фланцу, чем к другому. Конструкция обоих фланцев этого колеса является аналогичной конструкции внешнего фланца B1 колеса на фиг. 3a за исключением того, что внешний слой 1010 проходит в осевом направлении внутрь от каждого фланца и вместо оконтуривания так, что он касается основного структурного компонента, он формирует полость по всей ширине обода между каждым фланцем. В этой полости располагаются два участка наполняющего материала 107, между которыми располагается крепежная вставка, т.е. гайка 5. Как и на фиг. 7A, обод 1 закрепляет спицы 3 посредством болта 4, который завинчивается в металлическую вставку 5.
Обод какого-либо из вариантов осуществления, описанных в данном документе, может быть выполнен посредством сборки различных компонентов и затем связывания их вместе в полимерной матрице. Это может подразумевать сборку различных компонентов в пресс-форме и затем связывание их вместе в полимерной матрице. Например, в варианте осуществления на фиг. 1, 2 и 3, различные ткани (для формирования основного структурного компонента, седла и внешнего слоя), защитные вставки, наполняющие материалы и нитевидные волокна собираются в пресс-форме. Ткани могут быть предварительно пропитаны смолой или материалом-прекурсором, которые будут полимеризоваться, чтобы формировать смолу, и затем отверждены в пресс-форме, чтобы формировать обод, необязательно со спицами, если формируется моноблочное или гибридное колесо. В альтернативном варианте осуществления различные ткани (для формирования основного структурного компонента, седла и внешнего слоя), защитные вставки, наполняющие материалы и нитевидные волокна собираются в пресс-форме, и смола (или материал-прекурсор для создания смолу) применяется, либо когда они собираются (например, в процессе мокрого формования слоистых пластиков или процессе препрега), либо после того как пресс-форма закрывается (например, в способе трансферного формования пластмасс), и обод отверждается, чтобы формировать полимерную матрицу и связывать компоненты вместе.
Примеры
Испытание радиальной нагрузки было выполнено на двух различных типах колеса: (i) колесо, содержащее обод согласно изобретению (обозначенная как Mk2 конструкция ниже), и (ii) образцовое колесо (обозначенная как Mk1 конструкция ниже). Схематичная иллюстрация тестового оборудования показана на фиг. 9. Тестирование содержит приводимый в действие цилиндр 901, на который испытываемое колесо устанавливается под радиальной нагрузкой, как показано на фиг. 9; этот тип испытания обычно называется испытанием на радиальную усталость. На этом чертеже приводимый в действие цилиндр обозначается ссылкой 901, испытываемое колесо обозначается ссылкой 2, обод колеса обозначается как 1, шина на колесе обозначается ссылкой 902, спицы колеса обозначаются ссылкой 3, а радиальная нагрузка - стрелкой 903. Число оборотов колеса перед отказом, определенное в момент спуска шины или поломки колеса, регистрируется. Описанное испытание было предпринято в соответствии с SAE J328. Испытание, описанное в данном документе, было предпринято с помощью узла колеса, включающего в себя углеродно-волоконный обод (в соответствии с настоящим изобретением) и специально чрезмерно технически усложненную центральную часть со спицами из алюминиевого сплава. Чрезмерно технически усложненная центральная часть со спицами была использована для определения полной способности углеродно-волоконного обода посредством устранения режима поломки спиц.
Обод согласно изобретению, который был испытан, имеет поперечное сечение, по существу как показано на фиг. 1. В этом ободе внешний слой 1010 состоит из двух слоев двухоснонаправленного углеродно-волоконного материала с полотняным переплетением, основной структурный компонент 103 состоит, по меньшей мере, из четырех слоев трехоснонаправленного тканого углеродно-волоконного материала, защитные вставки 105 и наполняющий материал 107 состоят из вспененного материала с закрытой ячейкой, сформированного из полиметакрилимида, и нитевидные волокна состоят из свитого углеродно-волоконного материала. Смола, использованная для связывания углеродно-волоконных тканей вместе, была эпоксидной смолой. Волокна в основном структурном компоненте были ориентированы так, что одна из осей волокон была выровнена в направлении от фланца к фланцу (как показано схематично на фиг. 3B). Волокна двухоснонаправленного полотняного переплетения во внешнем слое 1010 ориентируются так, что обе оси находятся под углом около 45° к направлению от фланца к фланцу (как показано схематично на фиг. 3C).
Радиальные тестовые нагрузки были установлены в 650 кг для обычного транспортного средства, 750 кг для умеренно тяжелого грузового транспортного средства и 850 кг для тяжелого грузового транспортного средства. Эксплуатационный коэффициент 2,25 был умножен на каждый класс колеса, чтобы вычислять суммарную приложенную тестовую нагрузку. Испытание началось для 650 кг класса и длилось 1000000 циклов. То же самое колесо было затем испытано при 750 кг в течение дополнительных 1000000 циклов. Класс был увеличен дополнительно до 850 кг, и то же испытываемое колесо прошло дополнительные 500000 циклов. Подводя итог, одно испытываемое колесо было подвергнуто следующему: 1000000 циклов при радиальной нагрузке 650 кг х 2,25, 1000000 при радиальной нагрузке 750 кг х 2,25 и 500000 при радиальной нагрузке 850 кг х 2,25. Колесо, прошедшее испытание, показывает отсутствие повреждения в ободе при визуальном осмотре и сохранение первоначального давления шины. Испытание было завершено, так как результат был сочтен достаточным, хотя благоприятное состояние колеса подсказывает, что оно могло бы выдержать даже более тяжелое и длительное испытание.
Углеродно-волоконная конструкция обода (Mk2), описанная в данном документе, представляет значительное улучшение по сравнению с предыдущей углеродно-волоконной конструкцией обода (Mk1), которая характеризуется монтажным фланцем на внутренней поверхности. Предыдущий углеродно-волоконный обод (Mk1 конструкция), который был испытан, показан схематично, в поперечном сечении, на фиг. 10. На этом чертеже показано: внешний фланец 101, внутренний фланец 102, седла B1 и B2 со связующим цилиндром 104. В конструкции Mk1 монтажный фланец вызывал неблагоприятную концентрацию механического напряжения в своем основании и значительно увеличил трудность производства обода. В аналогичном испытании, на другом испытательном стенде, колесо конструкции Mk1 было протестировано при классе 650 кг в течение 500000 циклов без признаков повреждения обода при визуальном осмотре и без потери первоначального давления накачки. Класс был сохранен, и то же самое колесо прошло дополнительные 500000 циклов, всего 1000000 циклов. Между 500000 и 1000000 циклами в колесе началась утечка воздуха рядом с отверстием клапана, так что, при 1000000 циклов, давление накачки упало на 20% по сравнению с первоначальным давлением накачки. Эти результаты иллюстрируются на фиг. 11.