制造自行车轮毂的方法和所用的装置以及所得到的轮毂

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制造自行车轮毂的方法和所用的装置 以及所得到的轮毂\n技术领域\n本发明涉及一种制造自行车轮毂的方法、执行该方法所用的装置及利用所述方法得到的自行车轮毂。\n背景技术\n本申请人已进行了不同的研究和试验来制造白行车部件特别是自行车轮毅，特别是辐条轮竞赛自行车所用的轮毂，例如，利用结构性纤维基质材料特别是碳纤维材料来生产轮毂。这种类型的材料的优势在于：相对于过去所用的金属材料来说，其重量较轻且具有同样的结构特征。但是，由于上述类型自行车轮毂的特殊的构造而使利用碳纤维基质材料的单个部件制造轮毂变得很困难，至少利用当时的技术是很困难的。现代自行车轮中应用的轮毂具有复杂的圆筒形状，且具有直径恒定中间部分和具有较大直径的两个钟形端部或其他更复杂的形状。此外，人们希望轮毂的厚度从中间部分朝着轮毂端部逐步增大，从而在轮毂的所有区域中特别是在端部上确保所必须的阻力特征，在所述端部上固定轮辐条的同时保证其具有最小的重量。\n由于需要制造具有上述复杂形状的管状体，因此就不可能利用结构性纤维材料如碳纤维材料单个部件来制造轮毂。\n发明内容\n本发明的目的即为克服上述技术问题。\n为达到该目的，本发明提供了一种用于构造自行车轮毂的方法，其特征在于，它包括如下步骤：\n布置一个可膨胀的芯；在芯的周围施加多个结合在塑性材料基质中的结构性纤维织物层以形成具有预定形状和厚度的层置管状体；将具有层置管状体的芯布置在一个模的腔中；将模的温度增大至一个足可使塑性材料基质网格化的温度值；使芯膨胀以对模中的管状体施加力的作用；从模和芯中取出管状体，这样就可得到由单片的结构性纤维材料形成的自行车轮毂。\n在第一个实施例中，可膨胀芯利用合成材料制成，合成材料的热膨胀系数超过5×10-15mm/℃且其最大连续耐热温度至少为80℃，在增大模的温度时，通过形成芯的材料的膨胀来实现芯的膨胀。\n优选的情况为：在该实施例中，形成芯的材料的热膨胀系数超过9×10-5mm/℃且其最大连续耐热温度至少为100℃。\n更优选的情况为：形成芯的材料为PTFE(聚四氟乙烯)或FEP(氟化乙丙烯)或PCTFE(聚氯三氟乙烯)或PVDF(聚偏二氟乙烯)或PE-HD(高密度聚乙烯)。\n目前广泛优选应用PTFE(聚四氟乙烯)，这是由于这种构料的抗黏性有益于使芯与结构性纤维模制体相分离，还因为这种材料具有较高连续耐热温度(260℃)、其良好的热传导性(0.25W/m℃)及其良奸的热容量(比热)等于1.045kJ/kg℃。\n已在上面列出了其主要步骤的方法通常可被用于制造与上述形状不同的各种形状的轮毂。该方法的一个非常优选的特征在于由高热膨胀性合成材料优选FTFE制造的上述芯的布置。这种材料在较低的温度下可承受较高的热膨胀，在温度较低的情况下，其中配合有结构性纤维织物的塑性材料可被网格化。\n在本发明的方法的第二个实施例中，可膨胀的芯具有一个金属材料体，该金属材料体覆盖有一层由弹性材料制成的可变形套壳，在增大模的温度时，通过形成套壳的材料的膨胀来实现芯的延展。\n优选的情况为：在该实施例中，形成所述套壳的弹性材料的热膨胀系数超过15×10-5mm/℃且其最大连续耐热温度至少为100℃。更优选的情况为：该材料是由Airtech International lnc.，HuntingtonBeach，California，USA生产的、商标为AIRCAST 3700的合成橡胶。\n根据第二个实施例的另一个优选特征，与芯的构造相一致的套壳是预先形成的且其尺寸是确定的以通过稍微的拉伸就将其施加到芯上，这样，套壳就在其弹性作用下粘连到芯上。\n在本发明的方法的第三个实施例中，可膨胀的芯具有一个无任何可变形套壳的金属材料体。在该实施例中，金属芯被分为多个部分，所述的多个部分可通过机械装置的作用或通过弹性结合或通过将气体注入金属芯中而膨胀。\n配合在塑性材料基质中的结构性纤维织物是公知的且应用了一段时间。它们是利用从结构性纤维如碳纤维得到的丝制造的。然后，这些纤维经压制处理而成为塑性材料基质特别是热固性塑料材料。\n在本发明的方法中，结构性纤维材料可从碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维或上述纤维的组合中选择。\n根据本发明的另一个重要特征，芯上的织物层由缠绕到芯的至少一个轴向限制部分上的一个或多个织物条带构成以给出管状体的厚度，芯上的织物层还包括沿芯轴线延伸的多个织物网片以在轴向中对管状体产生阻力。\n在附加的权利要求23-34中给出了本发明的方法的其他特征。\n本发明还涉及一种如在权利要求41-44中设定的一种装置。\n最后，本发明还涉及一种自行车轮毂，其特征在于：它具有由配合在塑料材料基质中的多个结构性纤维织物层制造的管状体，所述层包括缠绕在毂体的至少一个轴向限制部分上的一个或多个织物条带及沿轮毂轴线延伸的多个织物网片。\n参考作为本发明的非限制性例子的附图，通过下面的详细描述而可对本发明进行更好的解释。\n附图说明\n图1总体上显示了在根据本发明的第一个实施例的方法中所用装置的芯的透视图；图2所示为形成图1中所示的芯的两个元件在相互远离状态下的透视图；图3-图15所示为将碳纤维织物施加到图1所示的芯上的不同阶段的透视图；图16所示为图1中的芯被碳纤维织物层完全包敷的透视图：图17所示为图16中所示组件的部分剖视图，该组件具有形成芯的两个元件及在两个元件之上的预先形成的层置管状体：图18所示为在根据第一个实施例的方法中所用的模的剖视图：图19、20所示为相应于本发明第二个实施例而对图17、18所做的变化图；图21所示为在根据第二个实施例的方法中所用的弹性材料套壳的透视图；图22显示了具有具有不同形状的轮毂。\n具体实施方式\n参考图1，图中以参考符号1来指示通常为圆筒形的芯，所述芯具有两个独立的元件3、4。在图中所示的例子中，两个元件3、4均由单片的PTFE材料制成，在图1所示的闭合状态下，两个元件3、4形成一个基本为圆筒形的芯，该芯具有中间部分2和两个钟形的端部5、6且其末端具有两个环形凸缘7、8，中间部分2具有恒定的直径，两个钟形的端部5、6具有增大的直径。\n参考图3一16，芯1的外部包敷有配合在热固性塑料材料基质中的结构性纤维织物(特别是碳纤维织物)层。在图3-15中显示了进行层置处理的不同阶段。\n参考图3，在第一个阶段中，将碳纤维织物的条带50缠绕到芯1的钟形端5上(例如：围绕芯完整地缠绕5圈)。在该步骤之后，对芯1的端6缠绕织物51的条带而进行同样的操作。图4显示了在上述阶段终了时所得到的具有两个缠绕织物50、51的芯1。\n条带50和51具有三角形的切口50’和51’，这样条带就可包敷具有不同直径的管状区域而不留下空置的空间或形成叠置。\n然后，在随后的四个步骤中将第一片或网片52、第二网片53(见图5)、第四网片54和第五网片55(见图6)施加到上面得到的基体上。所有这些网片52、53、54、55均沿着芯的整个轴向长度延伸，同时每个网片只是在周向上部分覆盖所述芯。如图5、6所示的那样，它们施加到四个不同的侧面上且以90度的角度相对布置。首先施加径向相对的两个网片52、53，此后施加径向相对布置且相对于网片52、53以90度的角度定位的两个网片54、55。在这种方式中，一对网片覆盖管状体的整个圆周表面，两对网片的结合处是相交错的，具体地说相间隔90度。图7显示了在图5和图6所示的阶段终了时所得到的结构。上述网片的作用非常重要，因为网片与芯的端部上的条带相接触而为层置体提供轴向阻力。\n在上述阶段终了时，在随后的阶段中，与芯的端部相对应，将两个条带56、57(参见图8，它们具有三角形的切口56’和57’)缠绕到所施加的层上以得到图9中所示的结构。此时，将另外两个条带58、59(具有三角形的切口58’和59’)附加性地缠绕到芯的端部上(参见图10)，此后，施加另外两个网片60、61(具有三角形的切口60’和61’)。所述网片60和61径向对置，其形状如图11所示。在随后的时间中施加网片60、61以得到图12中所示的结构，所述网片将端层结合在一起，从而辅助性地增大了层置体的轴向阻力。\n该方法以施加另外两个条带62、63(具有三角形的切口62’和63’)结束，条带62、63的形状如图13所示，条带62和63在随后的两段时间内缠绕到芯端部上，从而得到图14所示的结构。此后，施加最后一条条带64而缠绕到芯的中间部分，从而最后得到图16中所示的结构，条带64的形状如图15所示。\n所显示的条带50、51、56、57、62、63的一侧上具有三角形切口50，、51’、56’、57’、62’、63’。但可在它们的两侧上布置三角形切口。也可在所述条带的一侧或两侧上布置其他形状的切口，如圆形、椭圆形、正方形、矩形、线性等或上述形状的组合。切口与条带的边缘垂直或相对倾斜。此外，也可对切口的数量、深度、宽度和倾斜度进行选择。在条带50、51、56、57、62、63的一侧或两侧上布置具有不同形状的延伸部，如圆形、椭圆形、正方形、矩形、三角形等或上述形状的组合，延伸部相对于条带的边缘垂直或倾斜。此外，也可对延伸部的数量、深度、宽度和倾斜度进行选择。最后，可对条带一侧或两侧上的切口和/或延伸部的组合进行选择，这样就可基本得到任何的厚度和形状，如图22中所示的厚度和形状。\n如上所述，条带和网片相互交替布置，这样，对于厚度和轴向阻力来说可达到最好的效果。\n该方法一旦被实现，就在芯上形成具有中部直径恒定的部分10和两个钟形端部11、12的一个管状体9(参见图16)，钟形端部11、12的直径较大。此外，预先形成的管状体9的厚度在端部的方向中或如在图17中所看到的那样而从中间部分10处开始逐渐增大，管状体9具有直径恒定的千间部分A和直径恒定的端部C及厚度大于中间部分的增大的过渡部分B。最后，芯1的两个环形凸缘7、8轴向容纳预先形成的管状体9的端部。\n由芯1、两个元件3和4和缠绕在芯1上的预先形成的管状体9形成的组件布置在模制装置14的圆筒形腔13中(参见图18)。圆筒形腔13是由一个上半模15和一个下半模16形成的，腔13的结构与要得到的轮毂的外表面的形状相一致，也就是说，与图16中所示的预先形成的管状体9的外表面基本相对应。腔13的端部由两个端帽17、18封闭，端帽17、18通过螺栓19紧固在半模15、16的两个端凸缘上。两个端帽17、18均与一个中间的圆筒形壳体20相配合，在圆筒形壳体20中布置有一根相应的螺旋弹簧21。每根螺旋弹簧21轴向介于相应筒形壳体20的底壁20a和芯1的相应端表面之间。两根弹簧21弹性地压靠在芯1的两个元件3、4上，这样，这些元件就相应于其接触平面22而相互接触，所述接触平面22与芯1的轴线23正交。\n在将由芯1和包绕到芯上的预先形成管状体9构成的组件布置在模中之后，将模放置入一个足可使管状体9的热固性塑料材料基质网格化的温度中，例如，将其放置入80℃-200℃范围内的温度中。将该温度保持一段时间，该时间在10分钟至3小时的范围内，优选在30分钟至3小时的范围内。在这种方式中，由于形成芯1的两个元件3、4的PTFE膨胀而使热固性基质网格化。由于凸缘7、8通过两根弹簧21压靠在预先形成的管状体9的端部上，因此，所述的膨胀主要是径向向外进行的。这样，就对管状体9施加了一个径向向外的力，该力作用在圆筒形腔13的壁上。在这种方式中，尽管图中所示的基体结构较为复杂且具有钟形的端部及从中心向端部而逐渐增大的厚度，但在预先形成管状体9的所有部分上均施加了均匀的力。自然地，在该阶段中，弹簧21允许芯的两个元件3、4随着由PTFE芯作用到环形凸缘7、8上的力而稍微间隔开。\n在网格化阶段终了时，随之进行一个冷却阶段，然后开启模而将由芯1及布置于其上的管状体9构成的组件取出来。此时，将形成芯1的两个元件3、4从所得到的管状体中按相反的方向取出来而形成根据本发明的轮毂。尽管上述的几何形状比较复杂，但这样得到的轮毂是用结构性纤维材料特别是碳纤维材料制造的，并且是用单个部件制造的。所得到的产品自然需要另外的加工(例如：在两个钟形端部上可钻出一套径向孔以与辐条配合)，这样可使该部件用作为自行车轮毂。\n也可得到具有如图22中所示的不同形状的多种其他类型的轮毂。具体地说，可得到相对于中间平面对称及不对衬的轮毂、在一端或两端的附近具有一个或两个凸缘的轮毂及具有十字形凸缘的轮毂。\n参考图19、20和21，这些图中涉及了本发明的方法的第二个实施例，芯1是由金属材料如钢制成的两个元件3、4形成的，并且芯1的外面包敷有由高热膨胀弹性材料制造的一个套壳24。优选的情况为：形成上述套壳的弹性材料的热膨胀系数大于15×10-5mm/℃且其最大连续耐热温度超过100℃。\n例如，形成芯的套壳的所述材料可以是由Airtech Internationallnc.，Huntington Beach，California，USA生产的、商标为AIRCAST 3700的合成橡胶。优选这种材料是因为它具有较高的热膨胀系数(15×10-5mm/℃)及其较高的连续耐热温度(232℃)、其良好的热传导性能(2.59W/m℃)和良好的极限抗拉应力(680％)，这对于在将组件从模中取出且除去芯之后而从最终产品的内表面中除去套壳是很重要的。\n套壳是根据具有一个中间圆筒形部分和两个钟形端部的芯的结构(参见图4)而预先形成的且其尺寸优先确定，从而通过将其稍微拉伸而施加到芯上，这样，套壳就通过其弹性的作用而粘连到芯上。\n除了上面所指示的芯的不同结构之外，该方法仍与参考第一实施例的上述内容相一致。将由芯1、两个元件3和4、套壳24及包围到芯上的预先形成的管状体9所构成的组件布置到由一个上半模15和一个下半模16形成的模制装置14的圆筒形腔13中，组件的构造与所要得到的轮毂的外表面的形状相一致，也就是说，与图21中所示的预先形成的管状体9的外表面相一致。腔13的端部由两个端帽17、18封闭，端帽17、18通过螺栓19紧固在半模15、16的两个端凸缘上。两个端帽17、18均与一个中间的圆筒形壳体20相配合，在圆筒形壳体20中布置有一根相应的螺旋弹簧21。每根螺旋弹簧21轴向介于相应筒形壳体20的底壁20a和芯1的相应端表面之间。两根弹簧21弹性地压靠在芯1的两个元件3、4上，这样，这些元件就相应于其接触平面22而相互接触，所述接触平面22与芯1的轴线23正交。\n在将由芯1和包绕到芯上的预先形成管状体9构成的组件布置在模中之后，将模放置入一个足可使管状体9的热固性塑料材料基质网格化的温度中，例如，将其放置入80℃-200℃范围内的温度中。将该温度保持一段时间，该时间在10分钟至3小时的范围内，优选在30分钟至3小时的范围内。在这种方式中，由于形成包敷芯1的两个元件3、4的套壳的合成橡胶膨胀而使热固性基质网格化。由于凸缘7、8通过两根弹簧压靠在预先形成的管状体9的端部上，因此，所述的膨胀主要是径向向外进行的。这样，就对管状体9施加了一个径向向外的力，该力作用在圆筒形腔13的壁上。在这种方式中，尽管图中所示的基体结构较为复杂且具有钟形的端部及从中心向端部而逐渐增大的厚度，但在预先形成管状体9的所有部分上均施加了均匀的力。自然地，在该阶段中，弹簧21允许芯的两个元件3、4随着相对于凸缘7、8而施加在套壳24上的力而稍微间隔开。\n在网格化阶段终了时且经过随后的一个冷却阶段之后，将模开启而将由芯1及布置于其上的管状体9构成的组件取出来。此时，将形成芯1的两个元件3、4和10在相反方向中从组件体中取出来，之后通过套壳24的弹性变形而将仍与管状体的内表面相关联的套壳24取出来。尽管上述的几何形状比较复杂，但这样得到的轮毂是用结构性纤维材料特别是碳纤维材料制造的，并且是用单个部件制造的。所得到的产品自然需要另外的加工(例如：在两个钟形端部上可钻出一套径向孔以与辐条配合)，这样可使该部件用作为自行车轮毂。\n第三实施例与第二实施例的不同之处在于：金属芯分为没有包敷任何可变形套壳的部分。在该实施例中，作用在管状体上的径向压力是由作用在芯的内部的机械装置或通过金属部分和弹性材料的结合或通过将气体注入金属芯中而施加的。在得到织物基质的网格化且经过随后的冷却阶段之后，内部压力停止而芯又回复至其初始尺寸，这样就可将芯的两个元件从网格化的管状体中抽取出来。\n最后，通过布置上面所示类型的一个高度热膨胀的材料壁而可对图20所示的装置进行明显变更，所述材料壁通过利用由两个金属材料元件3、4制造的芯而再次与模腔的表面相对应。在这种情况下，腔壁的热膨胀将决定从外侧向预先形成的管状体9的外表面施加的径向压力，从而对金属芯施加压力。\n自然地，可对此处所设计的本发明实施例的结构和形式进行多种变更，所有这些变更均包含在由下面的权利要求所限定的本发明的技术内容之内。\n例如，尽管本申请的内容和附图均显示性地针对自行车轮毂，但根据本发明的方法明显可适用于制造具有相似形状的其他部件，特别是其他自行车部件。因此，这些适用的及衍生的产品均落入本发明的范围之内。