КОЛЕСО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 1997 года по МПК B60B1/12 B60B5/02 

Изобретение относится к колесам, выполненным преимущественно из композиционных неметаллических материалов и имеющим трубчатые спицы, работающие на сжатие и изгиб в плоскости вращения колеса.

Преимущественной областью использования изобретения являются колеса для гоночных велосипедов.

Для улучшения эксплуатационных качеств колеса в ряде случаев необходимо уменьшить его вес и аэродинамическое сопротивление при достаточных прочности и жесткости.

Применение неметаллических композиционных материалов позволяет оптимизировать сочетание этих свойств колеса.

Таково, например, колесо (патент EP N 0368480), содержащее ступицу, несколько спиц и обод, оболочки которых выполнены из композиционных материалов, включающих длинноволокнистый наполнитель и полимеризованное связующее. Оболочка обода частично, а оболочка каждой из спиц полностью имеют аэродинамический профиль.

В каждом радиальном сечении обода, кроме мест его сопряжения со спицами, сужение оболочки обращено к ступице. В поперечном сечении средней части оболочки спицы между ободом и ступицей плоскостью, включающей нормали к наружной поверхности спицы в этом сечении, носовая и хвостовая кромки профиля обращены в стороны соседних спиц.

Устройство колеса ограничивает возможности комплексной оптимизации его веса, жесткости и прочности.

В основу изобретения положено решение задачи создать колесо, характеризующееся оптимальным сочетанием достаточных прочности, жесткости и веса при пониженном аэродинамическом сопротивлении.

Для решения данной задачи в колесе транспортного средства, содержащем ступицу, несколько спиц и обод, оболочки которых выполнены из одного или различных композиционных материалов, включающих длинноволокнистый наполнитель и полимеризованное связующее, причем оболочка обода или каждой из спиц имеет, по крайней мере частично, симметричный аэродинамический профиль, расположенный таким образом, что в каждом радиальном сечении обода, кроме мест его сопряжения со спицами, кромка профиля обращена к ступице, а в поперечном сечении средней части оболочки спицы между ободом и ступицей плоскостью, включающей нормали к наружной поверхности спицы в этом сечении, носовая и хвостовая кромки профиля обращены в стороны соседних спиц, согласно изобретению оболочка обода или каждой из спиц выполнена с одной или более внутренними перегородками, расположенными перед соответствующими кромками профилей, причем внутренние перегородки выполнены из композиционного материала, в котором длинноволокнистый наполнитель является, по крайней мере частично, продолжением длинноволокнистого наполнителя композиционного материала наружных частей оболочки, соединенных с внутренней перегородкой, а связующее композиционного материала перегородки полимеризовано совместно со связующим композиционного материала указанных наружных частей оболочки с образованием замкнутого интегрального силового контура.

Введение одной или нескольких внутренних перегородок, включенных за счет указанной связи наполнителей и совместной полимеризации связующих в замкнутый интегральный силовой контур, существенно увеличивает жесткость оболочки и создает предпосылки для желаемой оптимизации прочности и веса колеса при том, что уменьшение аэродинамического сопротивления обеспечено формой оболочки.

Во многих случаях целесообразно, чтобы полость оболочки от кромки профиля до внутренней перегородки была заполнена упругим материалом с относительно малой плотностью.

Материал с малой плотностью практически не влияет на вес колеса, способствует сохранению его формы при ударах и даже частичном разрушении обтекателя.

В большинстве случаев целесообразно, чтобы наполнитель композиционного материала оболочки на участке соединения ее наружных частей и внутренней перегородки был выполнен в виде непрерывных лент из однонаправленного материала, уложенных под определенным углом армирования.

Формирование оболочки намоткой ленты позволяет технологически просто обеспечить требуемую прочность оболочки и всего колеса.

Может быть целесообразным, чтобы наполнитель композиционного материала оболочки обода на участке ее внутренней перегородки и наполнитель композиционного материала оболочки спицы на участке ее внутренней перегородки являлись, по крайней мере частично, продолжением друг друга в местах сопряжения этой спицы с оболочкой, а связующий компонент этих же композиционных материалов был полимеризован совместно с образованием оболочками интегрального силового контура.

Объединение наполнителей композиционных материалов оболочек обода и спиц на участках внутренних перегородок и совместная полимеризация их связующих придают колесу дополнительные прочность и жесткость.

Может быть целесообразно также, чтобы композиционные материалы оболочек обода и спиц включали в себя две внешние тканевые накладки, расположенные поверх наполнителя, включенного в наружные части оболочек и их внутренние перегородки, причем каждая из тканевых накладок включала в себя участки, наложенные на обод, спицы и ступицу, а связующее композиционного материала в местах соединения тканевых накладок с ленточным наполнителем оболочек было полимеризовано совместно со связующим композиционных материалов оболочек обода, спиц и ступицы.

Комбинированные тканевые накладки при совместно полимеризованных связующих объединяют обод, спицы и ступицу в единую интегральную силовую конструкцию, в которой нужные прочность и жесткость достигаются при меньшем весе колеса.

Может быть целесообразным также, чтобы оболочка обода была выполнена с переменным радиальным размером, увеличивающимся от места начала сопряжения обода со спицей к участку между спицами, и соответственно увеличивающимся расстоянием между внутренними перегородками оболочки обода.

Переменный радиальный размер способствует равнопрочности и тем самым создает возможность уменьшить вес колеса. При этом более равномерна жесткость колеса по периметру обода.

Для колеса гоночного велосипеда целесообразно, чтобы часть оболочки обода в области наибольшей строительной высоты имела бы внутреннюю перегородку, а полость между ней и периферийной частью обода была заполнена упругим материалом с относительно малой плотностью, при этом периферийная кромка обода включала бы в себя внешний слой, формирующий гнездо под надувную камеру велосипедного колеса, и жгуты длинноволокнистого наполнителя, проложенные под боковыми участками внешнего слоя.

Введенные перегородки повышают жесткость и прочность периферийной части оболочки обода, а заключенный между ними материал нивелируют пиковые динамические нагрузки при движении велосипеда, при этом на периферийной части обода формируется тормозная площадка повышенной жесткости.

Может быть целесообразным, чтобы каждая спица была выполнена криволинейной в плоскости, перпендикулярной оси колеса, при этом кромки носового и хвостового относительно направления перемещения спицы в ее верхнем положении обтекателей оболочки имели бы соответственно выпуклую и вогнутую форму, причем кромка носового обтекателя на участке начала его сопряжения с кромкой хвостового обтекателя соседней спицы была расположена приблизительно по касательной к ступице, а на участке начала сопряжения с ободом эта же кромка была расположена под острым углом к перпендикуляру к оси колеса.

Формирование колеса из элементов, имеющих аэродинамический профиль с внутренними перегородками, позволяет снизить аэродинамическое сопротивление колеса при вращении и добиться более равномерного распределения радиальной жесткости при качении. При этом механические повреждения обтекателей спиц, также как и механические повреждения подобных частей обода, практически не влияют на прочность колеса, что повышает его живучесть.

Во многих случаях может быть целесообразным, чтобы каждая спица была выполнена с переменной шириной, увеличивающейся в направлении от ступицы к ободу, и соответственно увеличивающимся расстоянием между внутренними перегородками оболочки со стороны носовой и хвостовой кромок.

Перераспределение материала спицы в сторону обода позволяет достичь оптимального соотношения прочности и динамических характеристик колеса.

В большинстве случаев целесообразно, чтобы наполнитель композиционного материала оболочки ступицы являлся, по крайней мере частично, продолжением наполнителя композиционного материала оболочки каждой из спиц в месте соединения ее наружных частей с внутренними перегородками перед хвостовым и носовым обтекателями, а связующие композиционных материалов оболочек спиц и ступицы были полимеризованы совместно.

Объединение наполнителей и совместная полимеризация связующих придают колесу дополнительную прочность и жесткость.

На фиг. 1 изображен общий вид патентуемого колеса, изометрия, условно, без части обода и без места сопряжения с этой частью обода одной из спиц, причем условно изъята четверть обода между его сечениями, показанными на чертеже; на фиг. 2 радиальное сечение обода патентуемого колеса в другом масштабе; на фиг. 3 узел I на фиг. 2 в увеличенном масштабе, изометрия; на фиг. 4 узел II на Фиг. 2 в увеличенном масштабе, изометрия; на фиг. 5 - поперечное сечение спицы патентуемого колеса в том же масштабе, что и на фиг. 2; на фиг. 6 узел III на фиг. 5 в увеличенном масштабе, изометрия; на фиг. 7 схема построения профиля обода патентуемого колеса; на фиг. 8 схема построения профиля спицы патентуемого колеса.

Возможность осуществления изобретения иллюстрируется примерами реализации его в колесе гоночного велосипеда. Колесо содержит ступицу 1, три спицы 2 и обод 3.

Оболочка 4 обода с обтекателем 5 в каждом радиальном сечении, кроме мест его сопряжения со спицами, представляет собой симметричный аэродинамический профиль, хвостовая кромка которого обращена к ступице 1.

Оболочка 6 спицы в средней части имеет полный симметричный аэродинамический профиль. В поперечном сечении средней части оболочки 6 каждой спицы 2 между ободом 3 и ступицей 1 плоскостью, включающей нормали к наружной поверхности спицы в этой плоскости, сужения носового 7 и хвостового 8 обтекателей оболочки спицы обращены в стороны разных соседних спиц. Носовым и хвостовым обтекатели называются согласно верхнему положению спицы при движении велосипеда вперед.

Оболочка 4 обода выполнена с внутренними перегородками 9 и 10. Оболочка 6 спицы выполнена с внутренними перегородками 11 и 12.

Оболочка 4 обода на участке каждого из трех секторов между спицами выполнена с переменным радиальным размером. На участке начала сопряжения обода с каждой из спиц этот размер минимален, а на участке между спицами - максимален. При этом максимальная строительная высота оболочки 4 постоянна и расположена во всех радиальных сечениях на одинаковом расстоянии от оси колеса в зоне тормозной площади.

Оболочки ступицы, спиц и обода выполнены из одного или различных композиционных неметаллических материалов. Каждый из этих материалов включает длинноволокнистый наполнитель и полимеризуемое связующее, армируемое указанным наполнителем. В качестве армирующего наполнителя могут быть использованы углеродные ткани марок УТ-1000П и УТ-800С; органоткани 56313, 56319, 56334 ТУ 17 РСФСР 62-10164-81; ленты ЭЛУР-0,08П; ЛУП-0,1; ЛУП-0,2 (все по ГОСТ 28006-88); жгуты УКН-2500 и УКН-5000.

В качестве связующего могут быть использованы материалы на основе эпоксидных или эпоксидиановых смол, например ЭД-20, К-153, КДА с соответствующими отвердителями.

Часть 14 полости оболочки обода в области наибольшей строительной высоты заключена между установленными в ней дополнительной внутренней перегородкой 10 и периферийной перегородкой 15. Перегородки 10 и 15 выполнены из неметаллических композиционных материалов, включающих длинноволокнистый наполнитель и полимеризуемое связующее. Указанная часть 14 оболочки обода заполнена вкладышем 16 из упругого материала с относительно малой плотностью, например пенопластов или пенополиуретанов типов ПС-1, ПСБ, ПУ-3, ППУ-308, ФК-20. Плотность материала может быть в интервале 0,05-0,15 г/см³. Периферийная перегородка 15 включает в себя внешний слой 17 из ткани, формирующий гнездо под надувную камеру велосипедного колеса, и жгуты 18. Жгуты 18 длинноволокнистого наполнителя проложены под боковыми участками внешнего слоя 17.

Каждая спица 2 выполнена криволинейной в плоскости вращения колеса. При этом кромка 19 носового 7 и кромка 20 хвостового 8 обтекателей имеют соответственно выпуклую и вогнутую форму. Кромка 19 на участке начала сопряжения носового обтекателя 7 с кромкой 20 хвостового обтекателя соседней спицы расположена приблизительно по касательной к ступице 1. На участке же начала сопряжения кромки 19 с ободом, она расположена под острым углом к перпендикуляру к оси колеса.

Каждая спица 2 выполнена с переменной шириной, увеличивающейся в направлении от ступицы к ободу. Соответственно увеличивается и расстояние между внутренними перегородками 11 и 12 и между кромками 19 и 20.

Часть 21 полости оболочки 4 и части 22, 23 полости оболочки 6 на участках соответствующих концевых обтекателей до внутренних перегородок 9, 11, 12 также заполнены упругим материалом с относительно малой плотностью.

Длинноволокнистый наполнитель композиционного материала как оболочки 4, так и оболочки 6 в описываемых примерах реализации изобретения выполнен из однонаправленной ленты из указанных в данном описании материалов и ориентированных под определенными углами в плоскости армирования силового элемента колеса. Внутренние перегородки оболочек и их наружние части армированы непрерывной лентой, образующей замкнутый контур. В описываемом примере реализации изобретения в оболочке 6 (фиг. 5 и 6) композиционный материал перегородки 11 и подобной ей перегородки 12 включает в себя следующие армирующие слои длинноволокнистого наполнителя:
тканевый слой 24, имеющий в сечении форму, подобную швеллеру;
ленточный слой 25;
ленточные слои 26 и 27.

В той же оболочке 6 композиционный материал ее наружных частей на участке между перегородками 11 и 12 включает в себя следующие армирующие слои длинноволокнистого наполнителя:
тканевый слой 28, являющийся частью тканевой накладки, расположенной поверх других слоев наполнителя и содержащей участки, наложенные на обод, спицы и ступицу;
ленточный слой 29;
ленточные слои 30 и 31, в которых волокна являются продолжением волокон слоев 26 и 27 соответственно.

Слои 26 и 30 являются перекрестно-армированными по отношению к слоям 27 и 31 соответственно.

В той же оболочке 6 композиционный материал обтекателя 7 и подобный ему композиционный материал обтекателя 8 армирован только тканевым слоем 28, наложенным на вкладыш 32 из упругого материала малой плотности.

Таким образом, обтекатели 7 и 8 сформированы частями тканевых накладок, образующими слои 28 длинноволокнистого наполнителя композиционного материала оболочки 6, наложенными на вкладыши 32 и 33 соответственно из упругого материала малой плотности.

Аналогично сформирован обтекатель 5 оболочки 4. В нем те же тканевые накладки наложены на вкладыш 34 из упругого материала малой плотности. Отлична лишь форма одного тканевого слоя в композиционном материале внутренней перегородки 9. Этот слой не имеет швеллерообразующих полок ввиду особенностей нагружения обода.

В описываемом примере реализации изобретения в оболочке 4 (Фиг. 2 и 4) аналогично тому, как это сделано в оболочке 6, композиционные материалы наружных частей оболочки, заключенных между внутренними перегородками 9 и 10, содержат два ленточных слоя армирующих волокон. В каждом из этих слоев 35, 36 армирующие волокна являются продолжением волокон соответствующих слоев композиционных материалов перегородок 9 и 10.

Аналогично выполнена часть 14 оболочки 4 (Фиг. 2, 3, 4). Композиционные материалы наружных частей оболочки 4, заключенные между перегородками 10 и 15, содержат два ленточных слоя армирующих волокон. В каждом из этих слоев 37, 38 армирующие волокна являются продолжением волокон соответствующих слоев композиционных материалов перегородок 10 и 15. Слои 35 и 36, 37 и 38, 44 и 45, 39 и 40 также являются перекрестно-армированными по отношению друг к другу.

Внутренняя перегородка 10 оболочки 6 выполнена из композиционного материала, в котором армирующий длинноволокнистый наполнитель включает в себя пять слоев:
волокна слоев 39 и 40 являются продолжением волокон слоев 35 и 36 соответственно;
волокна слоев 41 и 42 являются продолжением волокон слоев 37 и 38 соответственно;
между слоями 40 и 41 проложен продольно-армированный слой 43.

Периферийная перегородка 15 выполнена из композиционного материала, в котором армирующий длинноволокнистый наполнитель включает в себя кроме внешнего тканевого слоя 17 также ленточные слои 44 и 45. Волокна слоев 44 и 45 являются продолжением волокон слоев 37 и 38.

Форма перегородок 10 и 15 кроме слоя 17 определяется формой вкладыша 16 из упругого материала малой плотности.

Профиль периферийной части обода 3 между его наружным радиусом, обозначенным на Фиг. 7 "R₀", и радиусом, обозначенным "R₀₁", где оболочка 4 имеет наибольшую строительную высоту "C₀", постоянен по всему периметру обода. В каждом радиальном сечении профиль этой части остается постоянным и образует тормозные площадки по боковым поверхностям обода.

Центр поверхностей с радиусами "R₀" и "R₀₁" расположен на оси колеса. Радиус "R_к" кромки 46 обтекателя 5 оболочки обода постоянен во всех сечениях, кроме мест 47 сопряжения обода со спицами. При этом центр окружности, по которой расположена кромка 46 в каждом из трех секторов обода 3, смещен относительно оси колеса на эксцентриситет "E₀" симметрично спицам, формирующим этот сектор обода. Поверхности обода 3 на участках, удаленных от оси колеса на расстояния в интервале значений от (R₀₁) до (R_k-E₀) в каждом радиальном сечении, кроме мест сопряжения обода со спицами, имеют форму окружности с радиусом "R_п.o". Величина этого радиуса максимальна в среднем относительно спиц сечения обода и минимальна в сечении начала сопряжения обода со спицей. Центр окружности радиусом "R_п.o" в каждом радиальном сечении обода расположен на линии, расстояние которой от оси колеса в этом радиальном сечении равно R₀₁.

Каждая из спиц 2 выполнена с постоянной в радиальном направлении максимальной строительной высотой "C_c". Кромка 19 носового и кромка 20 хвостового обтекателей спицы имеют форму окружностей с радиусами "R_н" и "R_x". Внутренние 11 и 12 перегородки имеют форму круговых цилиндрических поверхностей с радиусами "R_c1" и "R_c2". Как показано на фиг. 8, центры и оси этих окружностей и цилиндров расположены в плоскости диаметрального сечения колеса и на линии пересечения с перпендикулярной ей плоскостью симметрии спицы. При этом эти центры и оси расположены на разных расстояниях от оси колеса таким образом, что разности (R_н-R_x) и (R_c1-R_c2) возрастают от оси колеса к ободу.

Поверхность каждой спицы на участке от кромки 19 до места наибольшей строительной высоты эллиптическая. Этот участок составляет приблизительно 30% длины хорды спицы в ее поперечном сечении.

Поверхности каждой спицы на участке от места наибольшей строительной высоты до кромки 20 имеют форму окружности с радиусом "R_п.c". Величина этого радиуса максимальна на участке начала сопряжения спицы с ободом и минимальна на участке сопряжения спиц около ступицы колеса. Центр окружности радиусом "R_п.c" расположен на линии, перпендикулярной плоскости кромок 19 и 20 в месте наибольшей строительной высоты соответствующего поперечного сечения спицы.

Формирование оболочек возможно с помощью специальных оправок, подлежащих в дальнейшем удалению. Предпочтительно, чтобы при полимеризации связующих композиционных материалов армирующие слои длинноволокнистого наполнителя были бы плотно прижаты друг к другу. Для этого можно использовать различные известные средства. Например, внешнее сжатие оболочек со стороны тканевых накладок 28.

Приведенные примеры реализации изобретения не ограничивают возможности его реализации в ином сочетании признаков приведенной далее формулы изобретения и их эквивалентов, очевидных для специалистов.

Использование: в колесах транспортных средств, преимущественно в колесах гоночных велосипедов. Сущность: оболочки ступицы, спиц и обода колеса выполнены из неметаллических композиционных материалов. Каждый из этих материалов включают армирующий длинноволокнистый наполнитель и полимеризованное связующее. Оболочки обода и спиц имеют симметричные аэродинамические профили и выполнены с внутренними перегородками, причем полости между кромками профиля и соответствующими перегородками заполнены упругим материалом с малой плотностью и формируют обтекатели обода и спиц. Полости внутри оболочек обода и спиц между перегородками выполнены пустотелыми. 9 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Колесо транспортного средства, содержащее ступицу, несколько спиц и обод, оболочки которых выполнены из одного или различных композиционных материалов, включающих длинноволокнистый наполнитель и полимеризованное связующее, при этом оболочка обода или каждой из спиц имеет по крайней мере частично симметричный аэродинамический профиль, расположенный так, что в каждом радиальном сечении обода, кроме мест его сопряжения со спицами, кромка профиля обращена к ступице, а в поперечном сечении средней части оболочки спицы между ободом и ступицей плоскостью, включающей нормали к наружной поверхности спицы в этом сечении, носовая и хвостовая кромки профиля обращены в сторону соседних спиц, отличающееся тем, что оболочка обода или каждой из спиц выполнена с внутренними перегородками перед соответствующими кромками профилей, причем внутренняя перегородка выполнена из композиционного материала, в котором длинноволокнистый наполнитель является по крайней мере частично продолжением длинноволокнистого наполнителя композиционного материала наружных частей оболочки, соединенных с внутренней перегородкой, а связующее композиционного материала перегородки полимеризовано совместно со связующим композиционного материала указанных наружных частей оболочки с образованием замкнутого интегрального силового контура. 2. Колесо по п.1, отличающееся тем, что полость оболочки от кромки профиля до внутренней перегородки заполнена упругим материалом с относительно малой плотностью. 3. Колесо по п.1, отличающееся тем, что наполнитель композиционного материала оболочки на участке соединения ее наружных частей и внутренней перегородки выполнен из непрерывной ленты. 4. Колесо по п.1, отличающееся тем, что наполнитель композиционного материала оболочки обода на участке ее внутренней перегородки и наполнитель композиционного материала оболочки спицы на участке ее внутренней перегородки являются по крайней мере частично продолжением друг друга в местах сопряжения этой спицы с оболочкой, а связующие этих же композиционных материалов полимеризованы совместно с образованием оболочками интегрального силового контура. 5. Колесо по п.3, отличающееся тем, что композиционные материалы оболочек обода и спиц включают в себя две внешние тканевые накладки, расположенные поверх наполнителя, включенного в наружные части оболочек и их внутренние перегородки, причем каждая из тканевых накладок включают в себя участки, наложенные на обод, спицы и ступицу, а связующее композиционного материала в местах соединения тканевых накладок с ленточным наполнителем оболочек полимеризовано совместно со связующим композиционных материалов оболочек обода, спиц и ступицы. 6. Колесо по п.1, отличающееся тем, что оболочка обода выполнена с переменным радиальным размером, увеличивающимся от места начала сопряжения обода со спицей к участку между спицами и соответственно увеличивающимся расстоянием между внутренней перегородкой оболочки обода и местом наибольшей строительной высоты оболочки. 7. Колесо по п.1, отличающееся тем, что часть оболочки обода в области наибольшей строительной высоты заключена между установленными в ней дополнительной внутренней и периферийной перегородками из композиционного материала и заполнена упругим материалом с относительно малой плотностью, при этом периферийная перегородка включает в себя внешний слой, формирующий гнездо под надувную камеру велосипедного колеса, и жгуты длинноволокнистого наполнителя, проложенные под боковыми участками внешнего слоя. 8. Колесо по п.1, отличающееся тем, что каждая спица выполнена криволинейной в плоскости, перпендикулярной оси колеса, при этом носовые и хвостовые относительно направления перемещения спицы кромки симметричного аэродинамического профиля имеют соответственно выпуклую и вогнутую форму, причем носовая кромка профиля на участке начала его сопряжения с хвостовой кромкой соседней спицы расположена приблизительно по касательной к ступице, а на участке начала сопряжения с ободом эта же кромка расположена под острым углом к перпендикуляру к оси колеса. 9. Колесо по п.8, отличающееся тем, что каждая спица выполнена с переменной шириной, увеличивающейся в направлении от ступицы к ободу, и соответственно увеличивающимся расстоянием между внутренними перегородками оболочки со стороны носовой и хвостовой кромок. 10. Колесо по п.8, отличающееся тем, что наполнитель композиционного материала оболочки ступицы является по крайней мере частично продолжением наполнителя композиционного материала оболочки каждой из спиц в месте соединения ее наружных частей с внутренними перегородками, а связующее композиционных материалов оболочек спиц и ступицы полимеризовано совместно.