具有高稳定性的一体式注射成型的车轮的制作方法
本发明涉及一种非常稳定的低重量车轮及其制造方法，所述车轮特别适用于高系统重量的自行车、例如电动自行车和载货自行车。
背景技术：
用于例如山地自行车、日常自行车、躺式自行车等各种类型的自行车的车轮在各种实施方式和材料方面早已为人所知。关于轮辐结构，可获得由金属制成的具有大量的轮辐的经典的轮辐车轮，以及轮辐数量大大减少并且其中轮辐设计成采用更多的材料来提供所需的稳定性的车轮。如果需要低重量和高稳定性，后一种车轮通常由碳结构制成。然而，碳结构相对昂贵且复杂，因此主要用于体育领域。此外，如果不采取特定对策，则对侧向冲击载荷的稳定性通常是不足的。
近年来，载货自行车、车队自行车和电动自行车、如助踩式自行车和电助力自行车的使用大大增加，并且电驱动器特别用于载货自行车和车队自行车。鉴于电动自行车的更高速度和载货自行车的增大的重量，车轮应能够承受所涉及的增大的机械应力。如上所述，上述碳结构车轮在精心设计的情况下重量轻且稳定，但制造成本高且费力，并且在吸收运动自行车的非典型负荷、例如侧向冲击负载方面仍然有待改进。
de3536308a1公开了一种车轮，其描述成特别适用于轮椅，所述轮椅相应地具有高弯曲强度并且对于扭转载荷也是稳定的。具有轮毂、轮辐和轮缘的车轮由塑料模制成一体件，其中，轮辐是中空轮辐，并且轮辐具有限定的横截面尺寸和限定的横截面轮廓。然而，模制成型的塑料车轮的稳定性仍然有待提高。
us4,930,844公开了一种车轮，其中，轮毂、轮辐和轮缘床由玻璃纤维增强式聚酰胺整体地模制成一体件；然而，为了提供足够的稳定性，它们包括连接到轮缘的金属环。仅由纤维增强式塑料制成的车轮的稳定性显然是不够的。
ep1083063a2公开了一种具有s形轮辐横截面的一体式注塑成型车轮，其可以是玻璃纤维增强的。进一步描述了轮辐的横截面朝向轮毂增大，s形朝向轮毂加宽。此外，轮辐在轮毂部分中彼此正弦地凸缘连接。
wo2014/099197a1公开了降低车辆车轮、例如自行车车轮的风阻的方法。对于自行车车轮，公开了一种椭圆形轮廓。
技术实现要素：
本发明的一个目的在于提供稳定的车轮，所述车轮能够承受特别是在电动自行车和/或载货自行车中可能出现的增大的机械应力，所述车轮具有可接受的、优选地低的重量并且可利用少量的工艺步骤低花费地大量生产。车轮还应尽可能耐用，并且几乎不需要维护。
该目的通过根据权利要求1的车轮来解决，所述车轮特别适用于自行车、电动自行车和载货自行车，并且包括轮毂、关于轮轴线旋转对称地布置的至少三个实心体轮辐、以及轮缘，其中，轮毂、轮辐和轮缘的主体通过玻璃纤维增强式热塑性塑料的注射成型制成一体件，其特征在于，
-轮辐具有s形横截面，所述s形横截面的张开角度向轮缘的方向增大，
-轮辐在车轮的中央横截面中(或在车轮的轴向方向上的平面图中)从轮缘朝向轮毂窄缩，以及
-轮辐在通过至少一个轮辐的中央延伸的车轮横截面中从轮毂朝向轮缘窄缩。
本发明还提出一种生产车轮的方法。
发明人进行了大量研究，发现由于所描述的车轮的特定轮辐设计和使用合适的玻璃纤维增强式热塑性塑料，可获得令人惊讶的优良的车轮稳定性，同时可以保持车轮的低重量。特别地，已经观察到在稳定性方面，耐受例如当骑过坑洼时经历的可能结合高系统重量的高垂直冲击载荷。此外，相对于特别是在使用盘式制动器制动时出现的变形力，在轮毂区域中实现高稳定性，并且实现高侧向稳定性、即相对于例如在转弯和发生意外时可能发生的车轮上的轮缘附近的侧向力的稳定性。令人惊讶的是，即使轮辐的壁厚相当小，也可以实现这种稳定性特征的组合。因此，根据本发明的车轮满足高安全要求，这对于载货自行车、电操作式自行车如助踩式自行车和电助力自行车特别有利或必要。特别地，根据本发明的车轮可在一个工艺步骤中大量地快速地生产。
根据本发明的车轮包括轮毂、至少三个关于轮轴线旋转对称地布置的实心体轮辐、以及轮缘，其中，轮毂、轮辐和轮缘的主体通过注射成型制成一体件。因此，根据本发明的车轮不需要例如位于轮缘的区域中的金属加强件，而是完全注塑成型为一体件。轮辐的布置优选地使得所有轮辐相对于相邻轮辐具有相同的距离。本发明中的实心体轮辐应理解为不是空心轮辐的轮辐。然而，为了减轻重量，本发明的轮辐可具有凹槽或孔，在所述凹槽或孔中材料已被去除。根据本发明的车轮的轮缘可设计成用于嵌入式轮胎或管状轮胎。通过滑动件或具有可收缩芯的模具部件，可以在注塑成型中实现具有嵌入式轮胎所需的底切的轮缘凸缘。
具有张开角度沿轮缘方向增大的s形横截面的轮辐的设计是本发明的基本特征(参见图2)。s形横截面使得能够实现轮辐的低重量设计并且有助于车轮的稳定性。根据本发明，术语“s形横截面”还包括其中s形的峰略微具有棱边的s形，如图2b)中所示。
根据本发明另外必要的是，轮辐在车轮的中央横截面中从轮缘朝向轮毂窄缩。“车轮的中央横截面”根据本发明应理解为在车轮的中央穿过整个车轮的横截面。该窄缩也可以在轮轴方向上的垂直侧向平面图中观察到(参见图3a))。
此外，轮辐在通过轮辐的中央延伸的车轮横截面中从轮毂朝向轮缘窄缩。更具体地，车轮横截面是穿过轮轴的垂直于车轮主平面的截面，该截面延伸通过至少一个轮辐的中央。换句话说，根据本发明，轮辐在朝向外轮毂端的方向上沿从轮缘到轮毂的方向变宽。在图3b)中可以观察到在车轮横截面中从轮毂到轮缘的窄缩，图3b)示出了沿图3a)中的a-a的截面。
通过组合这些轮辐设计特征，可通过注射成型提供具有优良的稳定性的低重量的一体式车轮，而无需应用复杂的碳构造方法。
根据本发明的车轮优选地具有3至8个、甚至更优选地5或6个所述轮辐。特别是对于6个轮辐，在可接受的低重量下在稳定性方面获得了优良的结果。
根据本发明的车轮的轮辐的壁厚优选地在1.5至5mm的范围内、更优选地在2.5至3.5mm的范围内。另外优选的是使轮辐的壁厚沿着轮辐保持恒定或基本恒定。然而，在向轮缘和/或轮毂的过渡部分中，轮辐的壁厚可增大。
为了进一步改善车轮的稳定性，轮辐与轮缘之间的过渡和/或相邻轮辐之间的在轮毂区域中的过渡优选地设计成连续的(见图3a)，虚线)，以获得轮辐到轮缘的平滑过渡。在轮毂的区域中，这种连续过渡也可以称为相邻轮辐之间的桥。
根据本发明的车轮是使用玻璃纤维增强式热塑性塑料生产的。玻璃纤维增强式热塑性塑料的玻璃纤维含量优选为35至65重量％、更优选40至60重量％、更优选45至55重量％。玻璃纤维优选为长度超过1毫米的所谓的长纤维。在上述量的范围内，一方面可以提供车轮的良好机械性能，另一方面，即使在形成更精细的形状、例如形成轮缘设计的情况下，也可以通过注射成型进行加工。在本发明中，当注塑成型后最终产品中的纤维缠结并且大部分不具有相同的定向时是优选的。
作为热塑性基质、特别是聚酰胺，可以考虑共聚酰胺及其混合物。基于部分结晶聚酰胺和部分芳族聚酰胺的塑料基质是优选的。合适的聚酰胺和共聚酰胺的示例是聚酰胺6、聚酰胺66、聚酰胺6i、聚酰胺6x、聚酰胺6i/x以及特别是其混合物，例如聚酰胺66与聚酰胺6i/x组合。
根据本发明，玻璃纤维增强式热塑性塑料优选地具有100mpa至300mpa、优选地150mpa至250mpa的根据dineniso527的断裂拉伸应力以及6gpa至30gpa、优选地15gpa至25gpa的根据dineniso527的e模量。
合适的玻璃纤维增强式热塑性塑料是可商购的，例如以商品名
在另外的优选实施例中，可以将反射颜料混合到玻璃纤维增强式热塑性塑料中以改善可见性，由此在挤出和注塑成型之后获得反射性车轮。
在本发明的一优选实施例中，车轮包括位于轮毂中的用于保持轴、电机(轮毂电机)、轮毂发电机和/或内齿轮轮毂的金属插入件或塑料插入件；或车轮轴承例如直接压入车轮的塑料体中。通过注射成型制造根据本发明的车轮使得能够容易地将这种插入件或车轮轴承设置在车轮轮毂中。例如，相应的部件的结合可通过将相应的部件插入模具中和围绕相应的部件注塑成型来实现，或者利用注塑成型的车轮的余热将相应的部件连接或压至车轮。
此外，关于重量减轻，根据本发明的车轮优选地具有下述轮缘设计，其中，轮缘在向外的径向方向上具有至少部分敞开的中空轮廓(参见图5b))。中空轮廓可以配置为v形、u形、梯形或箱形轮廓。轮廓深度可以优选地为1至80mm、更优选地为15至50mm、还优选为25至35mm。
中空轮廓可完全敞开，或者它可被横向肋断开，横向肋将中空轮廓分成腔室，以增加稳定性(图6)。中空轮廓和由横向肋中断的中空轮廓可通过在注射成型期间径向抽出形成腔的模具部件而形成。
横向肋的优选地在肋的中央具有1mm至6mm的厚度，以及在外肋边缘处测量的更优选地为1.5至4mm、更优选地为2至3mm的厚度。此外，优选的是，横向肋具有进入轮缘侧的连续的过渡。
根据本发明的车轮可设有轮缘衬带，特别是当构造成用于嵌入式轮胎时。轮缘衬带优选地置于中空轮廓或由横向肋中断中空轮廓上，并抵抗轮胎压力支撑内胎。
轮缘衬带优选地由热塑性连续纤维增强式复合材料(具有热塑性基体的织物增强式半成品)形成，并且优选地具有在200至600mpa、更优选地300至400mpa范围内的根据dineniso527的断裂拉伸应力，并且优选地具有在6gpa至30gpa的范围内、更优选地15gpa至25gpa的根据dineniso527的e模量。轮缘衬带的厚度可优选地为0.25至5mm、更优选地为0.3至1mm、进一步优选地为0.4至0.6mm。
特别优选的是下述实施例，其中，分隔轮缘轮廓的横向肋划分至多个区段，其中，肋在区段内具有相同的径向定向、即彼此平行地延伸，并且其中，肋在相邻区段中具有不同的径向定向，但也在同一区段内彼此平行布置(图6)。令人惊讶的是，与所有横向肋具有相同定向的情况相比，可以实现稳定性的进一步改善。根据本发明的车轮还优选地包括6到12个、更优选地8个这些区段。根据本发明，特别优选的是具有6个轮辐和8个区段的车轮，这使得能够特别好地组合稳定性和低重量。
根据本发明的车轮可以用例如etrto(欧洲轮胎和轮缘技术组织)规定的自行车和载货自行车的任何常规尺寸和轮缘尺寸生产。基于etrto规范，优选的标称车轮直径是适合于轮胎尺寸为16至28英寸、更优选地为18至26英寸、更优选地为20至26英寸、最优选地为24英寸的那些车轮直径。轮缘宽度(口宽)优选地为14至35mm、更优选地为25至30mm。在嵌入式轮胎的情况下，轮缘边缘高度优选地在5到10mm、更优选地6到8mm的范围内。
在24英寸轮胎的尺寸的情况下，根据本发明的车轮的重量根据所需的稳定性优选地在1至2kg、更优选地1至1.5kg、更优选地1至1.2kg的范围内。重量是指在注塑成型后的没有轮毂部分中的上述可选的插入件的车轮的重量。
根据本发明的车轮不仅可用于双车轮车辆，还可用于三车轮或四车轮车辆。本发明的车轮的应用领域尤其是电动自行车、载货自行车、车队自行车、助踩式自行车、山地自行车，卧式自行车或轮椅，以及不由肌肉动力驱动的车辆、例如小型摩托车(踏板车)。由于重量和稳定性的良好结合，根据本发明的车轮特别优选地用于两轮或三轮载货自行车和电动自行车、例如电动自行车或助踩式自行车。根据本发明的车轮应用还特别包括由中间发动机和四轮驱动车辆提供动力的车辆，其中，在每个车轮轮毂中设有轮毂电机。
本发明的包括轮毂、关于轮轴线旋转对称地设置的至少三个实心体轮辐、以及轮缘的车轮通过使用合适的热塑性玻璃纤维增强式塑料的注射成型一体地形成。为此，热塑性玻璃纤维增强式塑料通常在挤出机中加工并达到合适的温度，然后注入模具中。然后，主要模具部件通常在沿轮的轴向方向被移除。轮辐的s形横截面形状及其作为实心体的设计使得能够实现简单且无底切的模制。通过使用在注射成型后径向拉出的合适的模具部件或滑动件，可以获得轮缘的任何可选地期望的中空轮廓形状、包括任何可选的横向肋。
如果要在轮毂开口中设置车轮轴承或用于保持轴承和/或电机的金属插入件或塑料插入件，则可以在注塑期间将相应的部件预先布置在模具中并且围绕所述部件进行注塑成型，或者所述相应的部件在注塑成型后优选地利用注射成型部件的余热压在轮毂开口中。
附图说明
下面将参考附图更详细地描述本发明。
图1示出了具有六个轮辐的根据本发明的车轮的从侧方的平面图。
图2示出了轮辐的s形横截面轮廓。图2a)示出了根据本发明的车轮的一部分，图2b)示出了轮辐的更详细的示图，其中强调了对应于图2a)中的虚线的位置的横截面。
图3a)示出了根据本发明的车轮的在轴的方向上的平面图，其中，可以看到轮辐从轮缘朝向轮毂窄缩。图3b)示出轮辐在车轮横截面中从轮毂到轮缘窄缩。
图4a)示出了根据本发明的车轮沿轴向的平面图。图4b)示意性地示出了根据本发明的轮毂部分的设计示例，其具有用于轴承的插入的插入件，其中图4b)的下部示出了轮毂部分的沿着b-b线的横截面。
图5a)示出了根据本发明的车轮沿轴向的平面图，图5b)作为沿图5a)的线d-d的横截面示出了可能的轮缘轮廓形状。
图6特别示出了根据本发明的车轮的轮缘部分，其具有在一个实施例中由横向肋形成的中空腔室以及八个区段，区段内的横向肋彼此平行地布置。
具体实施方式
下面参考附图更详细地描述本发明的车轮的实施例。
如图1所示的具有六个s形轮辐2、轮毂3和轮缘4的车轮1通过将玻璃纤维含量为50％的合适的玻璃纤维增强式热塑性塑料(例如
轮辐2具有s形横截面，其张开角度向轮缘方向增大(参见图2，特别是图2b))。壁厚在该实施例中约为3mm，并且从轮毂到轮缘基本恒定。轮辐2在车轮的中央横截面中从轮缘4朝向轮毂3窄缩(图3a))，并在车轮的居中地通过至少一个轮辐2的横截面中从轮毂3朝向轮缘4窄缩(见图3b))。在轮毂3的部分中的轮辐2与从轮辐2到轮缘4的过渡部分之间，轮辐2是连续的。这些过渡在图3a中用虚线表示。
图4b)示出了根据本发明的车轮的轮毂3的一可能的实施例，所述轮毂3包括用于保持轮轴的插入件。轮毂部分3设有用于安装制动盘的安装孔或孔口6。在沿着线b-b的横截面中，可以观察到由具有集成的球轴承11的圆筒形支撑件7形成的插入件。插入件固定地插入车轮3中并用于保持延伸通过开口10的轮轴。注塑成型的车轮的壁9包围设置用于减轻重量的腔8。在本示例中，与插入件接触的壁9是台阶形的，以便更好地将插入件锚固在轮毂中。
根据本发明，轮毂部分3和插入物的任何其他配置都是可能的。特别地，电机可设置在轮毂部分中。
图5示出了根据本发明的车轮的轮缘轮廓的一种可能的设计。图5b)示出了沿图5a)的d-d线的横截面。轮缘4设计成具有连续的腔13。在轮缘4的上部区域中，示出了轮缘边缘12。此外，在该实施例中提供了轮缘衬带，以提供抵抗轮胎管的压力的边界。
如图6所示，轮缘轮廓的腔13可由横向肋15分隔，以将腔13分成腔室。在图6所示的优选实施例中，轮缘部分4由横向肋15形成为分隔的中空轮廓，并具有八个区段16。在这些区段16内，横向肋具有相同的定向，而相邻区段中的横向肋15的定向相应地不相同。当通过提供和取出八个径向布置的滑动件来生产车轮时，可以形成各个区段16。
附图标记列表
1车轮
2轮辐
3轮毂、轮毂部分
4轮缘
5孔(复数个)
5孔
6固定孔、孔口
7支撑件
8腔
9壁
10用于轴安装的开口
11球轴承
12轮缘边缘
13轮缘腔
14轮缘衬带
15横向肋
16区段
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