專利名稱：整體復合的飛輪輪緣和輪轂的制作方法
技術領域：
本發明涉及纖維增強的復合飛輪，更具體點說涉及一種有輻條的纖維增強的復合飛輪輪轂及/或一種整體的纖維增強的飛輪輪緣和輪轂。
纖維增強的復合飛輪曾被建議用作車輛的能量存儲系統和公用事業的輔助能源。但一個切合實際的、價格合理的纖維復合飛輪曾很難制出。
存儲在飛輪中的能量取決于輪緣的質量和飛輪的角速度。存儲的能量隨著旋轉速度的平方而變。在給定飛輪中可存儲的能量受到其轉速的限制，而該轉速取決于構造飛輪的材料的強度及在飛輪內各種應力的產生和分布的方式。
飛輪在傳統上曾由金屬如高強度鋼制成。但對給定的重量，鋼由于其高密度，是不適合用來制造能存儲大能量的飛輪的。曾經發現所生產的飛輪在具有纖維增強的復合輪緣時能提供顯著的效益，因為所用材料具有比鋼低得多的密度，同時卻有至少與鋼相等的強度，并且在某些情況下，強度遠比鋼高。
這種纖維增強復合的飛輪輪緣曾被制造出來，例如用絲束繞制并用手工將多個預先浸漬層壘高，如同美國專利4,102,221和4,226,442所說明的那樣。
由于作用在輪轂上的力不同，并且輪緣需要通過輪轂與金屬的驅動軸配合，因此纖維增強復合的輪緣典型的做法是與金屬輪轂結合。但當將分立的復合輪緣裝到金屬輪轂上時又會發生如下的問題，由于復合輪緣和金屬輪轂在增長和疲勞上的性能不同，能使輪緣擴張到離開輪轂造成分離。而且由于兩者的性能不同，通常輪轂會在輪緣之前失效。這樣，金屬輪轂常常決定飛輪的使用壽命。
輪轂是飛輪的重要構件，因為為了存儲能量，它必須將力從驅動軸傳送到飛輪輪緣，反過來，它還須將旋轉力從飛輪傳回到軸以便有效地利用飛輪的旋轉機械能。另外，作為旋轉構件中最能變形的構件，輪轂的動態響應控制著整個旋轉結構的振動和壽命。
美國專利4,341,001曾公開過一個整體的輪轂和軸，它由兩個具有淺碟狀的圓形金屬段構成。在每一段的內表面上用焊接固定著圓柱形的金屬條(棒)。這兩個具有淺碟狀的段被放置在一起并用焊接永久地連結在一起，使該成形結構能隨著速度的提高而被壓扁，從而可增大輪轂的增長來適應輪緣的增長。每一段各有一個同軸而對齊的沿軸向的軸部，它們之間被一間隙隔開，使淺盤狀部在高速下可被壓扁。
但這種結構仍然需要利用分開的由金屬制成的構件連結到復合的輪緣上，并且仍然要承受不同的增長和疲勞性能，還要承受潛在的接頭失效的風險。當然生產分開的金屬構件因為必須將它們裝配在一起，還比較費錢。
美國專利4,266,442和4,102,221曾公開過一種飛輪，它包括一個交叉層復合的盤狀芯部和一個比較厚的復合輪緣。在這種情況下，中央芯部或輪轂部是由多個纖維含有層制成的交叉復合層生產出來的。輪轂與纖維增強的輪緣分開來制造，而輪緣是由眾多的沿圓周延伸的纖維構成的。輪轂和輪緣以壓配合(過盈配合)配裝在一起，借以防止在高速下飛輪的輪轂和輪緣由于不同的增長而致分離。
如同以前的飛輪那樣，由于生產的是分開的構件，雖然兩個構件都由復合材料制成，但要生產出復合飛輪，也要添加費用和復雜性，并且雖然用壓配合保持在一起，兩個構件不同的增長仍會造成分離，因此并沒有生產出成為整體的飛輪輪緣和輪轂。
本發明的一個目的是要提供一種飛輪，它有在單一模壓步驟中一同生產出來成為整體的、纖維增強的復合輪緣和輪轂。
本發明另一個目的是要提供一種單獨生產的、纖維增強的輪轂，它可與一飛輪輪緣結合成一個整體。
本發明還有一個目的是要提供一種纖維增強的復合輪轂，它有一個輻條裝置，可用來適應輪緣在高速下的徑向增長而可不致分離。
本發明的上述這些和其他一些目的可由這樣一種纖維增強的復合飛輪達到，此飛輪具有一個由多個從包圍一個中心孔的纖維增強管上延伸出來的纖維增強的復合輻條制成的輪轂，這些輻條的端頭與纖維增強的復合輪緣的最內層結合。該飛輪最好作為用于模制的整體的穩定的預型件生產出來。
本發明還包括一種生產整體飛輪的輪轂和輪緣的方法，該方法包括(a)用多個由纖維增強復合材料制成的輻條構成輪轂預型件，該纖維材料含有增粘劑，這些輻條的端頭則至少與復合輪緣的第一內周層結合；(b)由多個被增粘劑保持在一起的環及/或徑向纖維構成輪緣，從而提供一個整體的輪轂和輪緣預型件；(c)將輪轂和輪緣預型件放到模型(模具)內；及(d)將樹脂注射到模型內，這樣便可制成一個具有整體模塑而成的輪轂和輪緣的飛輪。
在本發明另一個實施例中，輻條為正弦曲線形，帶有彎曲部分，它在高速下可延長，這樣便可適應輪緣的徑向增長。或者可用傾斜的輻條，這種輻條可通過彎曲來適應徑向的輪緣增長。
整體模塑而成的飛輪可不用裝配多個構件并可在一個模壓步驟內以較高的精度和較低的費用制成一個整體的結構。另外，在輪緣和輪轂界面上分離的可能性基本上被消除，因為在界面上沒有由鉚接、焊接或粘結劑形成的分開的連結。
圖1為按照本發明的纖維增強的復合飛輪預型件的頂視圖；圖1A為示出成為整體的輪轂和輪緣的放大的說明圖。
圖2為圖1中沿2-2線切開的預型件的剖視圖，該預型件位于模型內以便注入樹脂。
圖3為具有編織元件組合體(組件)的纖維增強的復合飛輪預型件的頂視圖。
圖4a為用來構成輻條的編織元件的透視圖；圖4b為用來構成管子的編織元件的透視圖；圖4c為編織元件的輪轂亞單元組合體的透視圖。
圖5a為具有正弦曲線形輻條的纖維增強的復合飛輪的頂視圖；圖5b為具有傾斜輻條的纖維增強的復合飛輪的頂視圖。
參閱圖1，其中示出一個整體的復合飛輪預型件，用來構成一個整體的飛輪輪緣和輪轂。
“預型件”是于纖維或纖維層的組合體，它已被成形并壓縮到接近所需物件的形狀和尺寸。這樣的預型件通常含有在成形后使纖維保持其形狀的穩定劑或增粘劑。
飛輪1有一中心縱軸2延伸通過一個區域3，在該區域內可設置轉動飛輪用的軸4(圖2)。在預型件組合體內，區域3或是被軸4或是被可移走的心軸4a充填，如圖1所示。區域3最好被圓周的或環狀的纖維5包圍，后者形成一個管子6，從該管子伸出多個輻條7，每一輻條都是由多條形式為線束卷繞、編織或織造的纖維層的纖維8構成。形成輻條的纖維8具有第一部分9，該部分或是本身形成管子6或是與管子6結合。輻條的數目可隨具體設計而變化，3到8個輻條是最常用的，管子和輻條構成飛輪的輪轂。
飛輪輪緣10由多條環狀纖維11構成，它們被穩定劑或增粘劑保持在位。輪緣還可由徑向纖維與環狀纖維織造在一起構成，它們沒有被畫出只是為了容易說明本發明。為了使輻條和輪緣成為整體，第一輻條還有第二部分12與輪緣的第一內層13結合。
圖1a更詳細地示出構成整體飛輪的方式。心軸4a被四條纖維8的第一部分9包圍著，這些纖維疊置構成管子6。纖維8的第二部分12疊置構成輪緣的第一內層(未示出)或結合到其上。
再參閱圖1，多個心軸14被設置在輻條7之間的區域內，以便在輻條纖維與輪緣結合前將輻條纖維保持在適當位置。這樣便可首先制出輪轂預型件，然后可直接在輪轂預型件上用絲束卷繞或極向織造構成輪緣。當然，輪緣也可分開制成，然后添加到輪轂預型件上。
在模壓后心軸可用機械方法或用熱——加在采用低共熔點(易熔)金屬心軸時——或將它溶解在水或其他溶劑內除去。構成這種心軸的材料在生產可除去的心軸的行業內是公知的。
輻條被結合到飛輪輪緣的至少第一層內使結合的輪緣和輪轂結構能共同被模塑，這樣便可不必生產出必須連結在一起的分開的構件。通過這個整體化，便可得到一個整體的高強度的復合飛輪。
參閱圖2，預型件被放入到一對模型15a和15b所形成的型腔內。可硬化的塑料16通過口17被注射到模型內，塑料滲透輪轂、輻條和輪緣內的纖維，這樣便生產出成為整體的復合飛輪。如圖所示，軸4與飛輪被模制成為一個整體，但也可用一軸狀的心軸插入而在模塑后除去，留下的孔眼在以后接納飛輪的驅動軸。
參閱圖3，其中示出本發明的另一實施例。在本發明的這個實施例中，飛輪18的管子19、輻條20和輪緣21如前述地被裝配成為預型件。但輻條的制備方式是，在心軸23上用絲束卷線或編織的纖維22生產出多個預成形的輻條元件24和一個管子元件25，然后將這些元件裝配成一個亞單元(子單元)26，這在圖4a到4c中可最好地看到。圖3中的纖維輪緣21最好在這個亞單元上卷繞、編織或織造而成。這種元件的編織在美國專利5,399,395中有說明。
參閱圖4a到4c，每一輻條元件24包括有心軸23，在該心軸周圍纖維22被織造、卷繞或編織。每一輻條元件提供著兩個輻條27a和27b的各一部分、一個與圖4b示出的管子元件25結合的部分28和一個與輪緣21結合的部分29。雖然這些元件能被模塑在一起形成一個分開的輪轂，但最好將這些預成形的構件裝配起來，并與一個輪緣預型件一起放置到模型內，然后注射樹脂，這樣來制出整體的復合飛輪。
參閱圖5a，其中示出本發明另一個可替代的方案。飛輪30具有四個成正弦形或曲線形的徑向延伸的輻條31。這種形狀之所以有用是因為輻條能延伸來適應輪緣在高速下直徑的增長，以減少傳送給輪緣的載荷和扭曲。在這實施例中，設有鍵槽32，以便以后接合到驅動軸上。當然，該軸也可用冷縮(熱壓)配合、膠粘劑粘合或通過整體模塑結合到飛輪輪轂上，這個連結方式留給設計人員選擇。在圖5b中示出另一個可替代的方案。飛輪33具有傾斜的輻條34，該輻條被偏置，以致沿管子的切向而不是沿徑向延伸。這些傾斜的輻條在高速下會彎曲而作類似的延伸，從而可適應輪緣的增長。
纖維增強的復合飛輪的輪轂、輻條和輪緣可用任一種可獲得的纖維材料生產，如石墨、碳、聚酰胺、玻璃、硼、陶瓷纖維及其組合物。本發明可用的可硬化塑料或樹脂為任何一種公知的熱塑性或熱固性塑料，最好為商業上有供售的如乙烯樹脂、環氧樹脂、聚酯、聚酰胺和雙馬來酰亞胺，其中環氧樹脂和雙馬來酰亞胺樹脂尤其合用。
本發明所用穩定劑或增粘劑也是那些公知的，例如在美國專利5,427,726、5,427,725、5,217,766、5,080,851、5,071,711或4,992,228中所說明的。它們主要為熱固性樹脂基的增粘劑。
術語“增粘劑”或“穩定劑”在本文中使用時可互換，用來說明一種分布在纖維中的樹脂，它能在模塑前將纖維以所需的形狀保持在一起。
其他合適的增粘劑包括環氧樹脂、聚酰胺特別是雙馬來酰亞胺、聚氰酸酯樹脂、乙烯酯樹脂和苯并環丁烯樹脂。
由樹脂和硬化劑的混合物組成的合適的增粘劑的實例包括環氧樹脂的混合物，如Dow化學公司制造的TACTIXTM123環氧樹脂或3M公司制造的PR500。另一種合適的樹脂是CYTEC化學公司制造的被稱為5250-4 RIM BMI樹脂的1.1P-MDA Bismaleimide(BMI)樹脂。
這些示范的樹脂是有用的，因為采用環氧樹脂或BMI樹脂可生產許多構件，而且這些增粘劑可適用于所述的系統中。但其他一些樹脂也能被本行業的技術人員認可而用于特定的樹脂系統，因此本發明并不受本文所述的限制。
采用本發明能夠生產出與纖維增強的復合輪緣分立的或成為整體的纖維增強的復合飛輪輪轂的預型件。一旦這些構件被裝配起來，便可模塑成為一個具有高強度并對輪緣和輪轂的分離具有高抗力的整體結構。輪轂預型件能具有徑向的、正弦形的或傾斜的輻條，它們能延伸來適應輪緣的增長。
雖然本發明的較優實施例已被示出并說明，但應知道在不離開本發明范圍的條件下，上述這些實施例是能夠作出各種改變和修改的。
權利要求
1.一種纖維增強的復合飛輪輪轂，它包括多個纖維增強的復合輻條，所述輻條具有環繞中心孔的第一部分，該中心孔的尺寸能在其內接納驅動軸，所述輻條還具有與纖維增強的飛輪輪緣的第一最內層結合的第二部分。
2.按照權利要求1的飛輪輪轂，其特征為，復合輻條含有用來將輻條保持在組合形狀的穩定劑，該組合體為適應模塑的預型件。
3.按照權利要求1的飛輪輪轂，其特征為還具有一根位在所述孔內的軸。
4.按照權利要求1的飛輪輪轂，其特征為，構成輻條的纖維選自石墨、玻璃、聚酰胺及其組合物。
5.按照權利要求1的飛輪輪轂，其特征為還具有形狀為管子的環狀纖維設在中心孔和第一部分之間。
6.一種纖維增強的復合飛輪，它包括一個纖維增強的復合飛輪輪轂，其上有多個輻條，每一輻條有一環繞中心孔的第一部分，所述中心孔的尺寸能將驅動軸接納在其內；一個纖維增強的復合輪緣，其上有多條用來包圍輪轂的環狀纖維，每一輻條有一第二部分與纖維增強的復合輪緣的第一最內層結合。
7.按照權利要求6的飛輪，其特征為，復合輻條和復合輪緣含有用來將輻條和輪緣保持在組合形狀的穩定劑，該組合體為適宜模塑成一整體結構的預型件。
8.按照權利要求6的飛輪，其特征為，構成輻條和輪緣的纖維選自石墨、玻璃、聚酰胺及其組合物。
9.按照權利要求6的飛輪，其特征為還具有一根位在所述孔內的軸。
10.按照權利要求6的飛輪，其特征為還具有設在中心孔和第一部分之間的形狀為管子的纖維。
11.一種生產纖維增強的復合飛輪的方法，它包括提供一個輪轂預型件，它具有多個纖維增強的輻條，輻條具有包圍著一個中心孔的第一部分，該中心孔的尺寸能將驅動軸接納在其內，輻條還具有與纖維增強的飛輪輪緣的第一最內層結合的第二部分；將纖維增強的飛輪輪緣圍繞著纖維增強的輪轂和輻條放置；將輻條的第二部分結合到飛輪輪緣上；將組裝好的飛輪輪轂、輻條和輪緣放置在模型內；將可硬化的塑料注射到模型內使塑料滲透到纖維之間；和使塑料硬化而形成整體的纖維增強的飛輪。
12.按照權利要求11的方法，其特征為還包括將穩定劑與纖維輻條和纖維增強的飛輪輪緣結合，使在將組裝件放置到模型內之前生產出一個剛性的預型件。
13.一種生產纖維增強的復合飛輪的方法，它包括提供一根心軸，其尺寸限定一個用來接納驅動軸的中心孔；提供多個纖維層，以便形成飛輪的輻條；將纖維層的第一部分圍繞心軸放置；延伸纖維層的中間部分，使其基本上沿徑向從心軸離開，以便形成多個輻條；將纖維增強的輪緣圍繞輻條放置；將纖維層的第二部分結合到輪緣的最內層上，以便形成輪轂和輪緣的組裝件；將組裝件放置在模型內；及將可硬化塑料注射到模型內，從而生產出整體模塑的纖維增強的復合飛輪。
14.按照權利要求13的方法，其特征為還包括將穩定劑與纖維層結合，使在將組裝件放置到模型內以前生產出一個剛性的預型件。
15.按照權利要求13的方法，其特征為還包括將多個輻條心軸鄰近所述中間部分放置，以便在輻條之間形成空檔。
16.按照權利要求13的方法，其特征為，所說纖維層為多個纖維織造層。
全文摘要
纖維增強的復合輪轂(6)具有多個纖維增強的輻條(7),輻條的第一部分(9)形成一個驅動軸的孔(3),而第二部分與纖維增強的飛輪輪緣(10)的最內層結合。輪緣(10)和輪轂(6)最好都被生產成整體或分開制出的穩定的預型件,然后將它們組裝起來并放置在模型內,以便模塑成整體的結構。
文檔編號F16F15/30GK1242826SQ9719863
公開日2000年1月26日 申請日期1997年8月22日 優先權日1997年8月22日
發明者戴維·馬斯 申請人:Gkn西方航空公司