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KR102636873B1 - 복합 휠의 림 섬유 아키텍처 - Google Patents

복합 휠의 림 섬유 아키텍처 Download PDF

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KR102636873B1
KR102636873B1 KR1020207007415A KR20207007415A KR102636873B1 KR 102636873 B1 KR102636873 B1 KR 102636873B1 KR 1020207007415 A KR1020207007415 A KR 1020207007415A KR 20207007415 A KR20207007415 A KR 20207007415A KR 102636873 B1 KR102636873 B1 KR 102636873B1
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fibers
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하이든 로
티모시 코베트
매튜 에드워드 딩글
이든 코악
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카본 레볼루션 리미티드
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Abstract

차량의 복합 휠(100)의 림 부분(102)으로서, 림 부분(102)은 복합 휠(100)의 중심 회전 축(X) 주위에 형성되는 성형된 환형을 포함하고 중심 축(X) 주위 및 림 부분(102) 주위에 원주방향으로 연장되는 원주방향 축(C)을 갖고, 상기 림 부분(102)은, 섬유들이 림 부분(102)의 원주방향 축(C)과 실질적으로 정렬되는 세장형 섬유 토우를 포함하는 후프 토우 층(230) - 후프 토우 층(230)은 적어도 하나의 환형으로 권취된 세장형 섬유 토우로부터 형성됨 -; 및 섬유들이 림 부분(102)의 원주방향 축(C)에 대해 +θ 또는 -θ의 각도로 실질적으로 배향되는 적어도 하나의 섬유 플라이(ply)를 포함하는 바이어스 플라이 층(240) - θ는 26° 내지 40°임 - 의 교번하는 층들로부터 형성된 적층된 라미네이트를 포함하는 섬유 레이업을 갖는다.

Description

복합 휠의 림 섬유 아키텍처
본 출원은 2017년 8월 18일자로 출원된 호주 가특허 출원 제2017903325호로부터의 우선권을 주장하며, 상기 출원의 내용들은 참조로 본 명세서에 통합되는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 일반적으로 복합 휠의 림 부분의 섬유 아키텍처 및 레이업(layup)과 관련된다. 본 발명은 특히 차량들 및/또는 비행기들을 위한 복합 탄소 섬유 휠들에 적용가능하며, 이하 그 예시적인 애플리케이션과 관련하여 본 발명을 개시하는 것이 편리할 것이다. 그러나, 본 발명은 그 애플리케이션에 한정되지 않으며 광범위한 휠들의 면 및 림 부분들을 연결하기 위해 사용될 수 있음을 인식해야 한다.
본 발명에 대한 배경의 다음 논의는 본 발명의 이해를 용이하게 하도록 의도된다. 그러나, 논의는 언급된 자료 중 임의의 것이 본 출원의 우선일에 공개된, 공지된 또는 통상적인 일반 지식의 일부라는 것을 인정 또는 시인하는 것이 아님을 인식해야 한다.
복합 휠은 일반적으로 2개의 주요 섹션들, 즉, 림(rim) 부분 및 면 부분을 포함한다. 림 부분은 타이어를 수용하고 안착시키도록 구성된 환형 구조를 포함한다. 페이스 부분은 휠을 차량에 고정시키기 위해 사용되는 허브(hub), 및 허브와 림 사이에서 연장되고 이들을 상호연결하는 일련의 스포크(spoke)들 또는 디스크와 같은 연결 구조를 포함한다. 측방향, 수직 및 비틀림 하중들은 타이어를 통해 휠의 림 부분으로 전달되고, 이어서, 연결 구조에서 굽힘 및 비틀림 응력들을 생성한다.
본 출원인은 예를 들어, 국제 특허 공보 WO2010/024495A1에서 설명된 일체형 복합 휠을 생산하였다. 일체형 복합 휠의 생성은 일반적으로 별개의 림 부분 몰드 및 연관된 보강재 및 면 부분 몰드 및 연관된 보강재의 사용을 필요로 한다. 이어서, 별개의 림 및 면 몰드 부분들은 최종 몰딩 프로세스에서 상호연결되고, 이는 전체 복합 휠이 일체형으로 형성되도록 허용한다.
견고하고 강한 림 부분은 타이어와 도로 사이에서 생성된 하중의 림을 통한 스포크들로의 전달을 보조하기 위해 최적의 방사상 충격 성능 및 강성을 갖는 기계적으로 효율적인 구조를 제공하는 것이 바람직하다.
복합 휠의 림 부분의 형성은 비교적 느린 수동 및 노동 집약적 프로세스일 수 있고, 여기서 림 도구들 및 몰드들은 최종 몰딩 프로세스에서 수지의 사출 이전에 섬유 시트들, 플라이, 토우들, 매트들 및/또는 프리폼들의 수동 레이업을 보조하기 위해 사용된다. 또한, 림 레이업에서 토우와 함께 복수의 다중 축 플라이들(예를 들어, 이중 또는 삼축 섬유 배향된 플라이)의 사용은 플라이들 및 토우의 오정렬, 분리, 또는 최종 몰딩 프로세스에서 한번 압축된 레이업의 주름들을 초래하는 과도한 두께를 포함하는 사후 프리폼 부분에서 인접한 플라이들 및 두께 변형들의 버트 조인트들의 간격을 통해 제품 품질에서 원하지 않는 변형들을 생성할 수 있다. 이러한 변형들은 형성된 림 부분에서의 강성 및 방사상 충격 성능을 포함하여 차선의 기계적 속성들을 야기할 수 있다.
섬유 시트들, 플라이, 토우들, 매트들 및/또는 프리폼들의 수동 레이업을 사용하여 형성되는 복합 휠의 림 부분들의 예들은 다음을 포함한다:
폐쇄된 캐비티 내에 위치된 곡선형 타이어 수용 표면을 갖는, 개방 캐비티 및 폐쇄된 캐비티를 포함하는, 자전거용 복합 림을 교시하는 국제 특허 공보 WO 2010/141350 A1. 휠의 레이업은 0° 각도에서 림의 원주방향과 동일한 방향으로 연장되는 섬유들을 갖는 몰드의 내경 부분 내에 놓인 단방향 재료의 초기 플라이를 갖는 단방향 재료의 다수의 섬유 플라이들(시트들)의 연속적 계층화를 수반한다. 단방향 재료의 후속 플라이들은 원주방향에 대해 0°, 0°, +45°, +45°, +45°, -45°, -45°, -45°, +90°, +90°, +90°, -90°, -90°, 및 -90°에서 초기 플라이 상에 놓인다.
미국 특허 공보 제2014/0191566 A1은 섬유 보강된 반-마감된 플라스틱 제품의 몇몇 층들로부터 형성된 섬유 보강된 플라스틱 재료 림을 교시한다. 림은 종래에 림 우물로 구성되며, 림 우물의 양측은 림 숄더에 의해 인접하게 되어 림 플랜지로 전환된다. 림 우물은 베이스 라미네이트의 몇몇 층들에 의해 형성되고, 베이스 라미네이트는 림 플랜지까지 연장되고, 그 층들 사이에 추가적 층들이 림 숄더 뿐만 아니라 림 플랜지의 영역에서 삽입된다. 림의 레이업은 섬유 보강된 반-마감된 플라스틱 플라이들 또는 시트들을 사용하여 계층화된 라미네이트를 형성하는 종래의 플라이 계층화 절차를 포함한다. 이러한 레이업은 섬유들이 본질적으로 접선 방향으로, 즉 림의 원주방향으로 정렬되는 프리폼 도구 상에 배치된 제1 바닥 층 플라이를 갖는다. 휠의 축 방향으로, 즉 림의 원주방향에 수직으로 정렬된 섬유들을 갖는 이러한 최하 층 상에 추가적인 하부 층이 배치된다. 그 후, 섬유들이 본질적으로 접선방향으로 정렬되는, 서로의 위에 배치된 섬유 보강 반-마감된 플라스틱 제품의 몇몇 층들이 적용된다. 마지막으로, 베이스 라미네이트의 상부 층들 중 적어도 하나가 적용된다.
상기 종래 기술의 섬유 아키텍처들 각각은 섬유의 프리폼된 시트들 또는 플라이들의 계층들로 이루어진 라미네이트들을 형성한다. 그러나, 섬유 시트들 또는 플라이들의 배타적 사용은 섬유 레이업 및 아키텍처의 구성, 및 그러한 섬유 시트들 또는 플라이들의 레이업에 사용될 수 있는 프로세스들의 유형을 제한한다.
따라서, 복합 휠의 림 부분에 대한 개선된 또는 대안적인 아키텍처를 제공하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명의 제1 양상은 차량의 복합 휠의 림 부분을 제공하고, 림 부분은 복합 휠의 중심 회전 축 주위에 형성되는 성형된 환형을 포함하고 중심 축 주위 및 림 부분 주위에 원주방향으로 연장되는 원주방향 축을 갖고, 림 부분은,
섬유들이 림 부분의 원주방향 축과 실질적으로 정렬되는 세장형 섬유 토우(tow)를 포함하는 후프(hoop) 토우 층 - 후프 토우 층은 적어도 하나의 환형으로 권취된 세장형 섬유 토우로부터 형성됨 -; 및
섬유들이 림 부분의 원주방향 축에 대해 +θ 또는 -θ의 각도로 실질적으로 배향되는 적어도 하나의 섬유 플라이(ply)를 포함하는 바이어스 플라이 층 - θ는 26° 내지 40°임 - 의 교번하는 층들로부터 형성된 적층된 라미네이트를 포함하는 섬유 레이업을 갖는다.
본 발명의 다른 양상은 면 부분 및 림 부분을 갖는 차량의 복합 휠의 림 부분의 섬유 레이업을 제공하고, 림 부분은 복합 휠의 중심 회전 축 주위에 형성되는 성형된 환형을 포함하고 중심 축 주위 및 림 부분 주위에 원주방향으로 연장되는 원주방향 축을 갖고, 섬유 레이업은,
섬유들이 림 부분의 원주방향 축과 실질적으로 정렬되는 세장형 섬유 토우를 포함하는 후프 토우 층 - 후프 토우 층은 적어도 하나의 환형으로 권취된 세장형 섬유 토우로부터 형성됨 -;
섬유들이 림 부분의 원주방향 축에 대해 +θ 또는 -θ의 각도로 실질적으로 배향되는 적어도 하나의 섬유 플라이를 포함하는 바이어스 플라이 층 - θ는 26° 내지 40°임 - 의 교번하는 층들로부터 형성된 적층된 라미네이트를 포함한다.
본 발명은 차량을 위한 복합 휠의 림 부분에 새로운 섬유 아키텍처를 제공한다. 결과적 라미네이트 스택은 림 부분의 원주방향 축에 대해 0°, +θ° 및 -θ° 섬유 배향 각도들의 조합의 반복 패턴 또는 시퀀스를 제공하는 연속적 층들을 포함한다. 계층화된 구조의 층들은 복합 휠의 림 부분의 구조에 강도를 추가하는 방향으로 배향되는 섬유들을 갖는다. 후프 토우 층은 적어도 하나의 환형으로 권취된 세장형 섬유 토우로 구성되고, 따라서 림 부분의 배럴(barrel) 또는 환형 형상에서 강성을 제공한다. 또한, 각각의 후프 토우 층은 라미네이트 두께가 제어될 수 있도록 인접한 바이어스 플라이 층을 제한한다. 따라서, 전통적인 또는 종래의 플라이 기반 레이업들, 예를 들어 90 도 플라이들(예를 들어, 배경에서 교시된 바와 같음)로부터 본 발명의 맞춤형 레이업으로의 섬유 아키텍처의 변화는 개선된 충격, 내구성 및 강성 성능을 도출한다.
출원인은, 후프 토우 층 및 바이어스 플라이 층의 섬유 방향의 선택이 전체 림 구조의 안정성 및 강도를 개선하기 위해 층들 사이에 시너지 효과를 제공하도록 주의깊게 설계되었음을 주목한다. 선택된 섬유 배향 각도들은 층 재료의 선택과 함께 림 부분에 개선된 충격, 내구성 및 강성 성능을 제공한다.
손상에 대한 저항을 제공하는 권취된 후프 토우 층 및 라미네이트의 두께에 걸쳐 연장되는 얇은 플라이 층들의 적층된 구조를 제공하는 라미네이트 구조의 사용을 통해 바람직한 방사상 충격 성능이 제공된다. 가능한 경우 버트(butt) 연결들의 부재를 통해 방사상 충격이 또한 개선될 수 있다. 후프 토우 층 및 바이어스 플라이 층들의 사용은 림 부분에 바람직한 강성을 제공한다.
개선된 기계적 효율/성능으로 인해, 다른 현재의 탄소 섬유 휠 아키텍처들에 비해 더 얇은 림 라미네이트가 가능하여 비교적 더 가벼운 휠을 도출할 수 있다.
본 명세서에서 "복합"이라는 용어는, 구조가 계층화되는지 아닌지와 무관하게, 경화되거나 경화되지 않은 섬유들을 포함하는 임의의 유형의 복합 재료를 나타내는 것으로 이해해야 한다. 또한, 경화되거나 경화되지 않은 프리폼들 및 사전-통합된 프리폼들은 복합 재료들 및 본체들의 중요한 하위 그룹들이다.
토우들 또는 섬유 토우들은 다수의 개별적인 섬유들, 예를 들어 1000개, 10000개 또는 100000개의 섬유들의 다발들인 것을 또한 이해해야 한다. 토우-프레그들은 적어도 부분적으로 함침된 섬유 토우들이다. 따라서, 후프 토우 층은 림 부분의 환형 형상 주위에 환형으로 권취되어 중심 축 주위에서 내부에 정렬된 섬유들의 적어도 하나의 후프를 형성하는 토우/섬유 토우를 포함한다. 바람직한 형태들에서, 후프 층은 림 부분의 환형 형상 주위에 여러번 환형으로 권취되는 종방향 세장형 토우로부터 형성된 후프 권취 층을 포함한다.
플라이 또는 플라이들은 함께 형성되거나 그렇지 않으면 연결된 섬유들의 시트 또는 층을 지칭함을 또한 이해해야 한다. 따라서 바이어스 플라이는 섬유들이 그 시트 내부에서 특정 방향으로 배향(또는 바이어스)되는 섬유들의 시트 또는 층을 지칭한다. 바이어스 플라이들은 통상적으로 실질적으로 단방향 섬유들, 즉, 단일 축을 따라 또는 단일 축에 평행하게 단일 방향으로 정렬 또는 배향된 섬유들을 포함한다.
프리폼은 섬유들을 포함하는 복합 재료임을 또한 이해해야 한다. 일부 예들에서, 프리폼은 또한 수지와 같은 경화되지 않은 매트릭스 재료를 포함할 수 있다. 일부 프리폼들은 실질적으로 어떠한 매트릭스 재료도 없이 건조 섬유들을 포함할 수 있다. 매트릭스 재료가 사출되기 전에 플라이들을 함께 유지하는 것을 보조하기 위해 결합제가 사용될 수 있다.
탄소 섬유들, 유리 섬유들, 아라미드 섬유들, 합성 섬유들, 예를 들어, 아크릴, 폴리에스테르, PAN, PET, PE, PP 또는 PBO-섬유들 등, 바이오 섬유들, 예를 들어, 헴프(hemp), 황마, 셀룰로오스 섬유들 등, 미네랄 섬유들, 예를 들어, 암면 등, 금속 섬유들, 예를 들어, 강철, 알루미늄, 황동, 구리 등, 붕소 섬유들 또는 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 섬유들을 포함하지만 이에 제한되는 것은 아닌 광범위한 섬유들이 본 발명에서 사용될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 섬유들의 제1 세트 및 섬유들의 제2 세트는 탄소 섬유들을 포함한다.
레이업의 부분들 내의 섬유들(구체적으로 특정되지 않은 경우)은 프리프레그들, 반-프레그들, 직포 또는 부직포, 매트들, 프리폼들, 사전-통합된 프리폼들, 개별적인 섬유들 또는 섬유들의 그룹들, 토우들, 토우-프레그들 등을 포함하는 임의의 적합한 형태로 제공될 수 있다. 섬유들은 바람직하게는 배향된 섬유들의 층들, 예를 들어, 특정되는 대로 개별적인 섬유들 또는 섬유들의 그룹, 섬유 토우들, 섬유 토우-프레그들, 프리프레그들, 반-프레그들, 직포 또는 부직포 또는 매트들에서 제공된다.
프리프레그는 섬유들, 섬유 토우들, 직포 또는 부직포 등의 실질적으로 또는 완전히 함침된 집합물을 지칭하는 것을 이해해야 한다. 유사하게, 반-프레그는 섬유 또는 섬유 토우들의 부분적으로 함침된 집합물을 지칭하는 것을 이해해야 한다. 부분적 함침은 통합 및/또는 경화 동안 건조 섬유들을 통한 또는 건조 섬유를 따른 가스의 향상된 제거를 제공한다. 반-프레그의 예는 섬유들의 부분적으로 함침된 층이다.
직포와 부직포는 실질적으로 건조한, 즉, 수지와 같은 매트릭스 재료에 의해 함침되지 않은 개별적인 섬유들 또는 섬유 토우들의 집합물들인 것을 이해해야 한다.
후프 토우 층은 림 부분의 원주방향 축으로 배향 또는 정렬되는 섬유를 제공한다. 이는 림 부분에 후프 강도를 제공한다. 바이어스 플라이들은 각을 이루어 배향된 또는 정렬된 섬유들을 제공하여, 림의 구조에 측방향 보강 강도를 제공한다. 그러한 섬유들이 림 부분의 원주방향 림으로부터 멀리 각을 이루는 각도 θ는 26° 내지 40°이다. 실시예들에서, 각도 θ는 28° 내지 40°, 바람직하게는 30° 내지 36°, 및 더 바람직하게는 약 33°이다. 물론 최적의 각도는 림 부분 및 복합 휠의 모델의 유한 요소 분석에 의해 결정될 수 있다. 사용되는 특정 각도 θ는 복합 휠 및 림 부분 및 필수적 하중들 등의 전체 구성에 의존한다.
후프 토우 층 및 바이어스 플레이 층은 정렬된 섬유들, 즉, 복합 휠의 림 부분 내에서 특정 방향으로 정렬된 섬유들을 포함한다. 이러한 정렬된 섬유들은 림 부분의 원주방향 축에 대해 그러한 층들의 정렬된 섬유들이 연장되는 방향으로 림 부분에 대한 섬유 방향을 제공한다. 후프 토우 층은 바람직하게 림 부분에서 섬유 방향의 40 내지 60%, 바람직하게는 약 50%를 제공한다. 유사하게, 바이어스 플라이 층은 바람직하게 림 부분에서 섬유 방향의 40 내지 60%, 바람직하게는 약 50%를 제공한다. 실시예들에서, 이는 림 부분에서 섬유의 40 내지 60%, 바람직하게는 약 50%를 포함하는 후프 토우 층에 의해 달성될 수 있다. 유사하게, 바이어스 플라이 층은 림 부분에서 섬유의 40 내지 60%, 바람직하게는 약 50%를 포함할 수 있다.
적층된 라미네이트 내의 바이어스 플라이들은 후프 토우 층의 어느 한 측에 교번하여 각을 이루는 섬유 방향들을 제공하기 위한 레이업으로 배열된다. 따라서, 연속적인 바이어스 플라이 층들은 선행하는 바이어스 플라이 층의 섬유 배향의 (+ 또는 -) 교번하는 각도인 섬유 배향 각도를 갖는 층을 제공하기 위한 레이업으로 배열되는 것이 바람직하다. 각각의 바이어스 플라이 층은 바람직하게는 인접한 후프 토우 층들 사이에 개재된다. 따라서, 결과적 라미네이트 스택은 림 부분의 원주방향 축에 대해 [0°, +θ°, 0°, -θ°] 섬유 배향 각도들의 반복을 제공하는 연속적 층들을 포함한다.
바이어스 플라이들은 단방향이고 적층된 라미네이트의 그 층에 대한 필수적 섬유 정렬/배향을 여전히 유지하면서 복잡한 림 기하구조 위에 형성하기 위해 활용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 바이어스 플라이들은 상호연결된 단방향 섬유 재료의 시트, 바람직하게는 상호연결된 단방향 토우를 포함한다. 이러한 연결은 스티칭된 연결을 포함할 수 있다. 이러한 바이어스 플라이들은 스티칭된 단방향 시트 재료, 바람직하게는 스티칭된 단방향 토우의 시트를 포함한다. 단일 층 바이어스 플라이가 바람직하지만, 적층된 라미네이트는 레이업에 하나 이상의 2층 바이어스 플라이를 포함할 수 있다. 일부 실시예들은 림 부분의 원주방향 축에 대해 +(26° 내지 40°)의 섬유 방향들을 갖는 층 및 -(26° 내지 40°)의 섬유 방향들을 갖는 층을 포함하는 2층 바이어스 플라이를 포함할 수 있다. 적층된 라미네이트에서 후프 토우 층들 사이에 각각의 2층 바이어스 플라이가 라미네이트될 것이다. 따라서, 후프 토우들의 층은 각각의 바이어스 플라이 층 사이에 위치된다. 또한, 각각의 후프 토우 층은 라미네이트 두께가 제어되도록 인접한 바이어스 플라이 층을 제한한다.
다수의 실시예들에서, 복합 휠의 림 부분은 림 부분의 폭의 대향 에지들에서, 2개의 환형 플랜지들, 즉, 내부 플랜지 및 외부 플랜지를 포함한다. 실시예들에서, 각각의 바이어스 플라이는 휠의 내부 플랜지로부터 휠의 외부 플랜지까지 연속적인 시트를 포함한다. 따라서, 각각의 바이어스 플라이 층은 바람직하게는 버트 연결들 없이 형성될 수 있다.
그러나, 대안적인 실시예들에서, 바이어스 플라이들은 플랜지들 둘 모두 사이에서 연속하지 않을 수 있다는 것을 인식해야 한다. 바이어스 플라이들이 충분히 짧은 경우, 이들은 프리폼 동작으로부터 수동으로 또는 자동으로 선택될 수 있는 직사각형 형태의 '패치'로서 프리폼될 수 있고, 맨드렐(mandrel) 상에서 동일한 각도의 바이어스 플라이들의 완전한 층을 형성하기 위해 하나씩 레이업될 수 있다. 패치들이 중첩될 수 있다. 프리폼 동작은, 정확한 형상에서 플라이를 클램핑하고 결합제/열가소성 재료를 세팅하기 위해 재료를 냉각시킴으로써 직사각형에 미리 적용된 결합제 또는 열가소성 재료를 사용하여 플라이들이 정확한 림 프로파일에 먼저 형성되는 동작일 수 있음을 인식해야 한다. 프리폼된 직사각형 패치에는 후프 권취 토우가 적용될 수 있다. 그러나, 다른 프리폼 동작들이 또한 활용될 수 있다.
후프 토우 층은 적어도 하나의 환형으로 권취된 세장형 섬유 토우로부터 형성된다. 각각의 후프 토우 층을 형성하기 위해 단일의 세장형 후프 토우가 중심 축을 중심으로 그리고 중심 축 주위에 권취될 수 있지만, 후프 토우 층은 복수의, 바람직하게는 다수의 환형으로 권취된 세장형 섬유 토우들을 포함할 수 있다. 후프 토우 층은 바람직하게는 세장형 토우 인접의 동심 후프들의 인접 에지들로 나선형으로 권취된다.
림 부분은 통상적으로 림 부분의 원위 에지들로부터 또는 그 주위에서 방사상 외측으로 연장되어 내부 플랜지들 및 외부 플랜지들을 형성하는 환형 플랜지들을 포함한다. 림 부분은 또한, 환형 플랜지들 중 하나로부터 림의 폭을 따라 이격된 림의 표면으로부터 방사상 외측으로 연장되는 적어도 하나의 바람직하게는 2개의 환형 비드(bead)를 포함한다(내부 안전 비드 및 외부 안전 비드가 내부 플랜지 및 외부 플랜지로부터 각각 이격되어 있음). 안전 비드는 타이어의 내부 에지를 림 부분 상에 유지하기 위해 사용된다. 이러한 특징부들은 레이업 내의 선택된 위치들에서 후프 권취 토우를 집성하거나 구축함으로써 적층된 라미네이트의 섬유 레이업의 일부로서 형성될 수 있다. 실시예들에서, 적층된 라미네이트는 집성된 후프 권취 토우로부터 형성된 윤곽을 갖는 특징부들을 더 포함한다. 윤곽을 갖는 특징부들은 바람직하게는 림 부분의 원주 주위에서 연장되며 환형으로 권취된 세장형 섬유 토우로부터 구축된다. 집성된 후프 권취 토우를 사용하여 형성될 수 있는 윤곽을 갖는 특징부들은 적어도 하나의 비드, 플랜지, 리브 또는 스텝을 포함한다. 따라서, 윤곽을 갖는 특징부들은 림 부분의 안전 비드들(즉, 내부 안전 비드 및 외부 안전 비드) 및 에지 플랜지들(내부 플랜지 및 외부 플랜지)을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 내부 플랜지 또는 외부 플랜지 중 적어도 하나의 레이업은 림 부분의 원주방향 축에 대해 80 내지 100도, 바람직하게는 림 부분의 원주방향 축에 대해 약 90도로 배향된 섬유들을 갖는 섬유 플라이를 포함하는 보강 층을 포함한다. 내부 플랜지 및/또는 외부 플랜지의 이러한 추가적인 플라이들은 이들 영역들에서 라미네이트의 균열 방지를 보조한다. 보강 층은 바람직하게는 후프 토우 층, 바이어스 플라이 층 및 보강 층, 또는 토우 층, 바이어스 플라이 층 토우 층, 바이어스 플라이 층 및 보강 층을 제공하기 위해 레이업 시퀀스 또는 패턴에 포함된다. 다른 레이업 시퀀스들이 또한 가능하다는 것을 인식해야 한다.
림 부분은 또한 드롭 중심을 포함할 수 있다. 드롭 중심은 바람직하게는 외부 안전 비드에 인접하지만 그로부터 이격되어 있는 림 부분의 리세스된 또는 트렌치 부분을 포함한다. 드롭 부분의 리세스는 타이어의 비드가 드롭 중심의 리세스 내로 푸시되는 한편 다른 측은 대향 플랜지 위로 당겨지도록 허용한다.
복합 휠의 림 부분의 드롭 중심을 형성하는 리세스는, 적층된 라미네이트가 형성되는 지지 몰드 면의 윤곽을 형성함으로써 및/또는 드롭 중심 리세스 내에서 후프 토우 층들의 선택적 또는 감소된 적용을 통해 형성될 수 있다. 실시예들에서, 림 부분은 드롭 중심 리세스를 포함하고, 드롭 중심 리세스는 드롭 중심 리세스에 인접한 섹션들보다 감소된 또는 작은 토우를 갖는 환형 섹션을 포함한다.
일부 경우들에서 감소된 후프 토우의 사용은 주위의 레이업에 비해 드롭 중심 리세스에 림 부분을 약화시킬 수 있다. 따라서, 드롭 중심은 바람직하게는 강화 섬유 구조, 더욱 바람직하게는 강화 플라이 층을 포함한다. 일부 실시예들에서, 림 부분은 드롭 중심 리세스에 위치된 적어도 하나의 보강 층을 더 포함할 수 있다. 보강 층은 림 부분의 원주방향 축에 대해 80 내지 100도, 바람직하게는 림 부분의 상기 원주방향 축에 대해 약 90도로 배향된 섬유들을 갖는 섬유 플라이를 포함한다. 보강 층의 사용은 쌍축 피로 시험 하중 하에서 휠 성능을 개선하기 위한 것이다. 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 후프 토우 층이 보강 층의 적어도 단부들 위에 제공된다.
실시예들에서, 외부 플랜지와 드롭 리세스 사이의 레이업의 베이스 영역은 바이어스 플라이 층에 대한 림 부분의 원주방향 축에 대해 섬유 배향 각도들을 갖는 직포를 포함한다. 일부 실시예들에서, 이러한 직포는, 림 부분의 원주방향 축에 대해 + 또는 - 30 내지 50도, 바람직하게는 림 부분의 원주방향 축에 대해 + 또는 - 45도의 섬유 배향을 갖는다. 바람직하게는, 직포의 적어도 2개, 바람직하게는 3개 층들이 사용된다. 실시예들에서, 이러한 직포는 복합 휠의 림 부분과 허브 부분 사이의 연결부의 일부를 형성한다.
림 부분의 윤곽을 갖는 형상의 수직 섹션들 또는 플랜지들(즉, 방사상으로 연장되거나 중심 축과 정렬되는 그러한 섹션들)은 더 낮은 층류 간 장력을 위해 그에 인접한 섹션들보다 감소된 또는 작은 토우를 갖도록 형성될 수 있다. 이러한 실시예들에서, (중심 축에 대해) 림 부분의 방사상 연장된 또는 정렬된 섹션들은 그에 인접한 섹션들보다 감소된 또는 작은 토우를 갖도록 형성된다.
본 발명의 림 부분의 섬유 레이업 또는 섬유 아키텍처는 다중-층 구조를 포함한다. 층들의 수는 림 부분의 설계 및 복합 부재들의 크기 및 유형에 따라 상당히 달라질 수 있다. 일부 실시예들에서는, 오직 일부의 층들, 예를 들어, 4 내지 10개의 층들, 일부 실시예들에서는 4 내지 20개의 층들이 사용된다. 다른 실시예들에서, 림 부분의 원하는 품질 및/또는 속성들을 획득하기 위해 더 많은 수, 예를 들어, 20, 30, 50, 100개 이상의 층들이 필요하다.
각각의 층 내의 섬유 밀도는 선택된 섬유 밀도의 재료들로부터 다양한 층들을 형성함으로써 제어될 수 있다. 섬유 밀도의 선택은 림 부분의 기계적 속성들 및 전체 가중치에 영향을 미칠 수 있다. 실시예들에서, 적층된 라미네이트의 각각의 층 내의 섬유 밀도는 50 내지 400 g/m2, 바람직하게는 150 내지 300 g/m2, 더 바람직하게는 180 내지 250 g/m2, 더 바람직하게는 180 내지 220 g/m2, 더욱 더 바람직하게는 약 200 g/m2이다. 후프 토우 층 및 바이어스 플라이 층들의 섬유 밀도는 동일하거나 상이할 수 있음을 인식해야 한다. 그러나, 섬유 밀도는 림 부분 전체에 걸쳐 일정한 섬유 밀도를 제공하기 위해 적어도 유사하고, 바람직하게는 동일한 것이 바람직하다.
림 부분은 바람직하게는 적층된 라미네이트의 섬유들을 둘러싸는 매트릭스 재료를 더 포함하는 것을 인식해야 한다. 매트릭스 재료는 불포화 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리비닐 에스테르, 에폭시, 열가소성 수지, 유사한 화학적 화합물 또는 이들의 조합들에 기초한 수지를 포함할 수 있다. 그러나, 다른 매트릭스 재료들이 또한 적용가능할 수 있음을 인식해야 한다.
본 발명의 제2 양상은 본 발명의 제1 양상에 따른 림 부분을 포함하는 복합 휠을 제공한다. 복합 휠의 림 부분은 바람직하게는 복합 휠의 면 부분과 일체형으로 형성된다.
일부 실시예들에서, 복합 휠은 중심 휠 축 주위에 형성된다. 면 부분은 휠 축에 대해 실질적으로 방사상으로 정렬된 제2 섬유들을 포함하고, 림 부분은 휠 축에 대해 실질적으로 축방향으로 정렬된 제1 섬유들로부터 형성된다. 면 부분과 림 부분 사이의 연결부는 휠 축에 대해 축방향으로 정렬된 면 부분으로부터 연장되는 제2 섬유들 및 휠 축에 대해 축방향으로 정렬된 림 부분으로부터 연장되는 제1 섬유로부터 형성될 수 있다. 바람직하게는, 림 부분은 축에 대해 각을 이루어 연장되는 에지 플랜지 또는 립 부분을 포함한다. 일부 실시예들에서, 연결부의 제1 섬유들은 림 부분의 에지 플랜지 부분으로부터 연장된다.
본 발명의 제1 양상에 따른 섬유 아키텍처/레이업을 포함하는 림 부분은 임의의 적합한 프로세스에 의해 형성될 수 있음을 인식해야 한다. 그 프로세스는 수동 레이업 프로세스, 자동 레이업 프로세스 또는 수동 및 자동 프로세스의 조합일 수 있다. 실시예들에서, 복합재의 림 부분은 하기 일반적 프로세스 단계들을 사용하여 형성될 수 있다:
림 부분의 설계된 구성을 제공하기 위해 성형된 환형 몰드 면을 갖는 환형 몰드 툴을 제공하는 단계;
환형 몰드 면에 적어도 하나의 클로즈-아웃(close-out) 플라이 층을 적용하는 단계;
복합 휠의 면 부분 레이업과 복합 휠의 림 레이업 사이의 연결 요소들을 환형 몰드 면에 적용된 클로즈-아웃 플라이 상에 위치시키는 단계;
적층된 다중층 구조를 형성하기 위해, 후프 토우 층 및 바이어스 플라이 층의 교번하는 층들을 클로즈-아웃 플라이 및 연결 요소들 상에 증착하는 단계,
이로써, 본 발명의 제1 양상에 따른 림 부분 섬유 아키텍처를 형성하는 단계.
클로즈 아웃 플라이는 섬유 플라이 시트 또는 다른 섬유 직물 또는 요소일 수 있거나 이전에 논의된 바와 같이 후프 토우로부터 형성될 수 있음을 인식해야 한다.
앞서 언급된 바와 같이, 림 부분의 윤곽들, 예를 들어, 림 부분 상의 제 위치에 타이어의 내부 에지들을 유지하기 위해 사용되는 환형 안전 비드들은 필수적 윤곽들 및 형상들에 위치되고 구축된 후프 토우 권선들을 사용하여 형성될 수 있다. 또한, 림 부분의 내부 플랜지 및 외부 플랜지는 바람직하게는 요구된 후프 토우를 다중층 구조 상의 필수적 위치들 내로 권취함으로써 형성된다.
후프 토우는 미리 적용된 결합제, 바람직하게는 분말 결합제와 함께 레이업에 위치될 수 있다. 분말 결합제가 가열되고 토우가 이전 섬유 층에 적용되고, 이어서 냉각되어, 분말 결합제는 ‘점착제’로서 작용하고 토우는 증착되는 위치에 위치된다. 토우는 저항성 가열을 통해 가열될 수 있다.
이러한 단계들 각각은 개선된 부품 일관성을 위해 자동화되는 것이 바람직하다. 토우들/플라이들의 시작 포인트를 세팅하기 위해, 또는 레이업 맨드렐 상에 바이어스 플라이의 새로운 층을 안내하고 플라이 클램프를 세팅하는 것 등을 위해 일부 수동/조작자 입력이 사용될 수 있다.
림 부분 및/또는 면 부분의 섬유들은 바람직하게는 매트릭스 재료로 사출 및/또는 함침되고, 이어서 경화 및/또는 세팅된다. 따라서, 방법은 바람직하게는 다음 단계들을 더 포함한다:
림 부분의 층들 각각과 접촉하는 매트릭스 재료를 제공하는 단계; 및
림 부분을 경화시키는 단계.
매트릭스 재료 및 연관된 부분, 예를 들어, 연결부, 휠 또는 유사한 것의 경화는 경화, 세팅, 건조 또는 유사한 프로세스들을 포함하는 것을 인식해야 한다.
복합 휠은 바람직하게는 단일체로서 형성된다. 이것은 통상적으로 매트릭스 재료의 동시 사출 및/또는 함침, 및 이어서 복합 휠의 각각의 부분의 경화, 세팅 등을 수반한다. 이러한 실시예들에서, 림 부분 및 면 부분 각각은 바람직하게는 그 사이에 연결이 준비될 때의 시간에 적어도 부분적으로 경화되지 않는다. 따라서, 방법은 바람직하게는 다음 단계들을 더 포함한다:
휠의 각각의 림 부분 및 면 부분과 접촉하는 매트릭스 재료를 동시에 제공하는 단계; 및
휠의 림 부분 및 면 부분을 공동-경화시키는 단계.
매트릭스 재료가 수지를 포함하는 경우, 다양한 수지 전달 시스템들이 제2 양상의 방법과 함께 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 수지의 적어도 일부는 수지 주입 및/또는 수지 전달 몰딩 및/또는 진공 보조 수지 전달 몰딩에 의해 제공된다.
일단 복합 휠로 몰딩되고 형성되면, 림 부분 및 면 부분 및 그 사이의 연결부는 수지, 금속 및 섬유들과 같은 매트릭스 재료를 포함한다. 연결부의 레이업(매트릭스 재료의 통합 및/또는 세팅, 경화 등 이전의 포인트까지의 준비) 동안, 매트릭스 재료는, 섬유들(예를 들어, 프리프레그 또는 반-프레그)을 포함하는 층들에 또는 섬유들을 포함하는 층들 사이에 포함될 필요가 없다. 그러나, 매트릭스 재료는 세팅이 발생한 후 연속적인 매트릭스를 형성해야 한다.
매트릭스 재료는 섬유들을 포함하는 2개의 인접한 층들 내에 또는 그 사이에 포함될 필요가 없다. 바람직한 실시예에서, 이러한 경우, 섬유들을 포함하는 인접한 층들을 적어도 일시적으로 그리고 적어도 부분적으로 고정시키기 위해 이러한 층들의 쌍들 중 적어도 일부 사이에 접착제가 제공될 수 있다.
연결부, 림 부분 및/또는 면 부분의 섬유들은 바람직하게는 매트릭스 재료로 사출 및/또는 함침되고, 이어서 경화, 세팅 등이 된다. 따라서, 연결부는 바람직하게는 구성 섬유들을 둘러싸는 매트릭스 재료를 더 포함한다. 임의의 적합한 매트릭스 재료가 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 수지가 사용된다. 수지는 바람직하게는 불포화 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리비닐 에스테르, 에폭시, 열가소성 수지, 유사한 화학적 화합물 또는 이들의 조합들에 기초한다. 바람직한 실시예에서, 수지는 에폭시-계이다. 다른 실시예들에서, 매트릭스 재료는 금속 매트릭스를 포함하여, 세팅될 때 섬유들과 함께 복합 금속 매트릭스를 형성한다. 금속 매트릭스 재료는 바람직하게는 알루미늄, 마그네슘, 티타늄, 철 및 이들의 조합들, 합금들 및 이들의 혼합물들로부터 선택된다.
이제 본 발명은, 본 발명의 특정한 바람직한 실시예들을 예시하는 첨부된 도면들의 도면들을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 림 부분을 포함하는 복합 휠의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 복합 휠의 림 대 면 연결 영역의 더 상세한 도면이다.
도 3은 림 부분의 섬유 배향 방향들을 제공하는 도 1 및 도 2에 도시된 복합 휠의 림 부분의 측면도를 제공한다.
도 4 내지 도 6c는 도 1 내지 도 3에 도시된 복합 휠의 실시예들의 림 부분의 다양한 부분들의 섬유 층 레이업의 단면 개략도를 제공한다. 이러한 도면들에 표현된 상이한 층들에 대한 핵심은 도 5b에 제공된다.
도 7 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 림 부분을 형성할 때 진행하는 섬유 층 레이업 단계들을 예시한다.
먼저 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 림 부분(102)을 포함하는 복합 휠(100)의 사시도가 도시되어 있다. 예시된 복합 휠(100)은 본 출원인에 의해 일체형으로 형성된 단일체로서 개발되었다. 복합 휠(100)의 일반적인 제조 프로세스는 국제 특허 공보 WO2010/024495A1에 기술되어 있으며, 이의 내용들은 본 명세서에 참조로 통합되는 것으로 이해되어야 한다. 그 공보에서 림 부분(102)의 형성은 본 출원에 제공된 세부사항들에 의해 본 발명의 구성으로 대체되는 것에 유의한다.
예시된 복합 휠(100)은 2개의 주요 섹션들을 포함한다:
A). 림 부분(102)은 타이어(예시되지 않음)가 장착되는 환형 구조를 포함하고;
B). 면 부분(104)은 원형 허브(106) 및 일련의 스포크들(108)을 포함한다. 허브(106)는 휠을 차량의 휠 마운트에 고정시키기 위해 사용되는 체결 볼트들(예시되지 않음)을 수용하도록 구성된 5개의 체결 애퍼처들(107)을 포함한다. 스포크들(108)은 일 단부에서 허브(106)에 그리고 다른 단부에서 림 부분(102)에 연결되는 세장형 아암들을 포함한다. 체결 볼트 장착 연결부가 예시되어 있지만, 허브(106)는 중심 마운트 구성 및 당업계에 알려진 다른 휠 장착 구성들과 같은 다른 체결 연결부들에 대해 구성될 수 있음을 인식해야 한다.
국제 특허 공보 WO2010/024495A1에 기술된 바와 같이, 이러한 일체형 복합 휠(100)의 생성은 별개의 림 부분 몰드(예를 들어, 도 7 내지 도 12의 280, 310) 및 면 부분 몰드들(예를 들어, 도 8의 300으로 일부 도시됨)의 사용을 필요로 한다. 사용시에, 면 부분(104)은 면 부분 몰드에 안착된 보강 직물에서 통상적으로 구현되는 섬유들의 제1 세트를 레이업함으로써 형성된다. 림 부분 몰드는 내부 버킷 몰드를 포함하고, 적용가능한 경우 외부 원통형 몰드를 사용할 수 있다. 림 부분(102)은 림 부분 몰드에 안착된 보강 직물에서 통상적으로 구현되는 섬유들의 제2 세트를 레이업함으로써 형성된다. 이어서, 림 부분 몰드 및 면 부분 몰드로부터의 보강 직물은 연결 포인트(110)에서 상호연결된 별개의 부분들에 의해 조합된 몰드에서 함께 조립된다. 이어서, 몰딩된 일체형 휠(100)을 생성하기 위해 전체 휠 형태의 보강재 내로 매트릭스 재료, 예를 들어, 수지가 사출 및/또는 주입될 수 있는 마지막 몰딩 프로세스가 착수된다.
아래에서 설명될 바와 같이, 본 발명에 따른 림 부분(102) 및 이의 섬유 아키텍처를 형성하는 방법은 이제 WO2010/024495A1에 설명된 것과 상이하다. 스포크 대 림 연결부(110)는 림 부분(102)을 레이업하는 동안 복합 휠(100)의 림 부분(102) 및 면 부분(104)의 림 보강 및 면 보강의 상호연결을 통해 형성된다. 림 부분의 섬유 레이업은 또한 면 부분(104) 레이업이 완료된 후 레이업되어, 면 부분(104)과 림 부분(102) 사이의 연결부가 림 부분(102)의 섬유 레이업에 직접 포함될 수 있다.
도 3 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 림 부분(102)의 섬유 레이업 세부사항들을 도시한다. 예시된 림 부분(102)은 복합 휠(100)의 중심 회전 축 X-X 주위에 형성된 환형 성형된 본체를 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 림 부분(102)은 또한 중심 축 X-X 주위에 그리고 림 부분(102) 주위에 원주방향으로 연장되는 원주방향 축 C-C을 갖는다. 림 부분(102)은 그 본체의 폭을 따라 위치된 일련의 윤곽을 갖는 환형 특징부들을 갖는다. 예시된 림 부분(102)은 먼저, 림 부분(106)의 원위 에지들로부터 또는 그 주위에서 방사상 외측으로 연장되는 2개의 환형 플랜지들(201, 202)을 포함한다. 이러한 플랜지들(201, 202)은, 복합 휠(100)의 면 부분(104)에서 또는 그에 인접하게 림 부분(102)의 외부 에지(205) 상에 위치되는 외부 플랜지(201), 및 차량 상에 장착될 때 차량(예시되지 않음)의 휠 마운트에 가장 가깝게 위치되는, 복합 휠(100)의 내부 에지(206)에 또는 그 상에 위치되는 내부 플랜지(202)를 포함한다. 플랜지들(201, 202)은 타이어 및 타이어 벽들(예시되지 않음)에 접하고 이들을 림 부분(102) 및 복합 휠(100) 상에 보유하는 에지 정지부 부재들을 제공한다. 림 부분(102)은 또한 내부 안전 비드(210) 및 외부 안전 비드(211)를 포함하는 2개의 환형 비드들을 포함하며, 이들은 림 부분(102)의 내부 플랜지(202) 및 외부 플랜지(201)로부터 각각 이격된다. 안전 비드들(210, 211)은 타이어(예시되지 않음)의 내부 에지를 림 부분(102) 상에 유지하기 위해 사용된다. 사용시에, 타이어 벽(예시되지 않음)의 림은 협력형 플랜지(201, 202)와 안전 비드(210, 211) 사이에 안착된다.
예시된 림 부분(102)은 또한 외부 안전 비드(211)에 인접하지만 그로부터 이격되는 예시된 실시예에서 위치된 림 부분(102)의 리세스된 또는 트렌치 부분을 포함하는 드롭 중심(220)을 포함한다. 드롭 중심(220)의 리세스는, 타이어(예시되지 않음)의 림 또는 비드가 드롭 중심(220)의 리세스 내로 푸시되는 한편 타이어의 다른 측이 대향 플랜지로부터 대향 플랜지 위로 당겨지도록 허용함으로써 타이어의 고정 및 림 부분으로부터 제거를 보조한다. 드롭 중심(220)을 형성하는 리세스는 2개의 안전 비드들(210, 211) 사이에서 림 부분(102)의 폭을 따라 임의의 곳에 위치될 수 있음을 인식해야 한다.
도 4 내지 도 6c는 림 부분(102)의 섬유 레이업의 뷰를 제공하는 림 부분(102)의 단면도들을 제공한다. 이러한 도면들에 도시된 바와 같이, 림 부분(102)은 이러한 레이업에서 교번하는 층들로서 적층된 적어도 2개의 상이한 섬유 층 구성물들의 적층된 라미네이트로서 형성된다. 그러한 층 구성물들은:
(1) 섬유들이 림 부분(102)의 원주방향 축 C-C와 실질적으로 정렬되는 세장형 섬유 토우(도 7 내지 도 12 참조)를 포함하는 후프 토우 층(230)(도 5b에 제공된 핵심에서 0° 후프 및 0° 토우 다발들로 라벨링됨); 및
(2) 섬유들이 림 부분의 원주방향 축에 대해 +θ 또는 -θ의 각도로 실질적으로 배향되는 토우 또는 직물의 적어도 하나의 시트를 포함하는 바이어스 플라이 층(240)(도 5b에 제공된 핵심에서 +/- 33° NCF 직물로 라벨링됨). 예시된 실시예에서, θ는 33°이다. 그러나, 설계 고려사항들에 따라 θ는 26° 내지 40°일 수 있음을 인식해야 한다.
각각의 후프 토우 층(230)이 인접한 바이어스 플라이 층(240)을 제한하여 라미네이트 두께가 어느 정도 제어될 수 있게 하도록, 각각의 바이어스 플라이 층(240)은 인접한 후프 토우 층들(230) 사이에 개재된다. 바이어스 플라이 층들(240)은 후프 토우 층(230)의 어느 한 측에 교번하여 각을 이루는 섬유 방향들을 제공하기 위한 레이업으로 배열된다. 따라서, 예시된 실시예에서, 연속적인 바이어스 플라이 층들(240)은 (후프 토우 층(230) 주위에서) 선행하는 바이어스 플라이 층(240)의 섬유 배향의 (+ 또는 -) 교번하는 각도인 섬유 배향 각도를 갖는 층을 제공하기 위한 레이업으로 배열된다. 따라서, 결과적 라미네이트 스택은 림 부분(102)의 원주방향 축 C-C에 대해 [0°(후프 토우 층(230)), +θ°(바이어스 플라이 층들(240)), 0°(후프 토우 층(230)), -θ°(바이어스 플라이 층들(240))] 섬유 배향 각도들의 반복을 제공하는 연속적인 층들을 포함한다.
후프 토우 층(230)은 림 부분(102)의 원주방향 축 C-C로 배향 또는 정렬되는 섬유를 제공한다. 이는 림 부분(102)에 후프 강도를 그리고 림 부분(102)의 배럴(barrel) 또는 환형 형상에서 강성을 제공한다. 바이어스 플라이 층(240)은 각을 이루어 배향된 또는 정렬된 섬유들을 제공하여, 림의 구조에 측방향 보강 강도를 제공한다. 사용되는 특정 각도 θ는 복합 휠 및 림 부분 및 필수적 하중들 등의 전체 구성에 의존한다. 도 4 내지 도 6c에 도시된 층들 각각의 라인 구성들에 대한 핵심은 도 5b에 제공된다.
후프 토우 층(230) 내에 정렬된 섬유들은 통상적으로 섬유 방향의 40 내지 60%, 바람직하게는 림 부분(102)의 섬유 방향의 약 50%를 제공한다. 유사하게, 바이어스 플라이 층(240)은 통상적으로 섬유 방향의 40 내지 60%, 바람직하게는 림 부분(102)의 섬유 방향의 약 50%를 제공한다.
도 4 및 도 6a에 도시된 바와 같이, 림 부분(102)의 주 본체(251)는 앞서 개략된 후프 토우 층(230) 및 바이어스 플라이 층들(240)로부터 형성된 림 부분의 원주방향 축에 대해 0°, +θ° 및 -θ° 섬유 배향 각도들의 조합의 반복 패턴 또는 시퀀스를 제공하는 연속적인 층들을 포함하는 라미네이트 스택이다. 복합 휠(100)의 내부 플랜지(201), 외부 플랜지(202), 내부 안전 비드(210) 및 외부 안전 비드(211) 및 드롭 중심(220)은 아래에서 더 상세히 설명되는 상이한 레이업 구성들을 갖는다.
림 부분(102)의 층들 각각의 실제 레이업 구성은 도 7 내지 도 12에 가장 잘 예시되어 있다.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 각각의 후프 토우 층 또는 "후프 권취 토우 층"(230)은 림 몰드(280)의 내부 버킷 몰드(310) 주위에 권취되는 환형으로 권취된 세장형 섬유 토우(232)로부터 형성된다. 그 세장형 섬유 토우(232)는 내부 버킷 몰드(310) 주위에서 그의 폭을 따라 후프들에서 권취되어, 각각의 후프 토우 층(230)의 원하는 두께 및 윤곽들을 형성한다. 결과적 층은 세장형 섬유 토우(232)의 일련의 중첩하는 동심 후프들을 포함한다.
도 9에 가장 잘 예시된 바와 같이, 바이어스 플라이 층(240)은 시트를 형성하도록 함께 스티칭된 상호연결된 단방향 토우의 시트(242)로부터 형성된다. 토우는 시트에서 원하는 각도 θ로 배향된다. 통상적으로, 단일의 연속적인 바이어스 토우 시트(242)는 복합 휠(100)의 내부 플랜지(201)로부터 외부 플랜지(202)로 레이업되어 각각의 바이어스 플라이 층(240)을 형성한다. 따라서, 각각의 바이어스 플라이 층(240)은 버트 연결들 없이 형성될 수 있다. 그러나, 대안적인 실시예들에서, 바이어스 플라이들은 플랜지들(201, 202) 둘 모두 사이에서 연속적이지 않을 수 있으며, 필수적 층을 형성하도록 (가능하게는 중첩되는 모자이크형 형성으로) 설치되는 더 작은 패치들로서 레이업될 수 있다. 패치들은 중첩될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 클로즈 아웃 플라이 층(250)은, 먼저 (림 몰드(280)의) 내부 버킷 몰드(310)에 적용된 림 부분(102)의 내부 측 상에서 사용될 수 있다. 이러한 클로즈 아웃 플라이(250)는 직물 플라이의 시트, 후프 토우의 층, 바이어스 플라이 층, 후프 권취 섬유 유리 토우 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 림 부분(102)이 섬유 레이업은 또한 섬유 레이업의 최종 적용된 후프 토우 층 위에 제공된 적어도 하나의 캐핑(capping) 층을 더 포함할 수 있다. 캐핑 층은 섬유 레이업의 외부 표면 위에 최종 보강 층을 제공하고, 바람직하게는 복합 휠의 인접하는 섹션들의 외부 표면에 매칭하는 마감 층을 제공한다. 클로즈 아웃 플라이 층(250)과 유사하게, 캐핑 층은 직물 플라이의 시트, 후프 토우의 층, 바이어스 플라이 층, 후프 권취 섬유 유리 토우 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
도 8 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 레이업의 외부 단부(205)는 또한, 면 부분(104) 및 림 부분(102)을 함께 고정적으로 연결하기 위해 림 부분 레이업에 통합되는 면 부분(104)의 섬유 레이업으로부터 연결 시트들 또는 섹션들(259)(도 5b에 제공된 핵심에서 면 직물로 라벨링됨)을 포함할 것이다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 이들은 외부 플랜지(201)로부터 드롭 중심(220)까지의 베이스 레이업의 일부일 수 있다.
도 4 내지 도 6c를 다시 참조하면, 림 부분의 윤곽을 갖는 특징부들은 림 몰드(도시되지 않음)의 윤곽을 갖는 구성 및 집성된 후프 권취 토우로부터 구축된 것의 조합으로부터 형성되는 것이 관찰될 수 있다. 도 5 및 도 6b 및 도 6c에 도시된 바와 같이, 에지 플랜지들(201 및 202) 각각은 후프 권취 토우(230)의 집성된 두께로부터 구축된다. 이와 관련하여, 에지 플랜지들(201 및 202)의 위치들 각각 내의 후프 토우 층(230)은 플랜지(201, 202)의 윤곽들을 구축하기 위해 추가적인 후프 토우 권취들을 포함한다. 유사하게, 내부 안전 비드(210) 및 외부 안전 비드(211)는 후프 토우 층들(230) 중 하나에서 후프 권취 토우의 집성된 두께로부터 구축된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 내부 플랜지(202)의 레이업은 림 부분의 원주방향 축에 대해 80 내지 100도로 배향된 섬유들을 갖는 섬유 플라이를 포함하는 보강 층들(도 5b에 제공된 핵심에서 90° NCF 직물로 라벨링됨)(260)을 포함한다. 예시된 경우에서, 보강 층들(260)은 림 부분(102)의 원주방향 축 C-C에 대해 90도로 배향된 섬유들을 갖는 섬유 플라이를 포함한다. 그러한 보강 층들(260)은 내부 플랜지(202)의 수직 또는 직립 섹션들(293)을 따라 레이업에서 연장되고 내부 안전 비드(210)에 대한 림의 주 섹션까지 연장된다. 이러한 보강 층들(260)은 이러한 영역에서 라미네이트의 균열 방지를 보조한다.
드롭 중심(220)은 림 몰드(280)의 윤곽을 갖는 형상에서(그리고 내부 버킷 몰드(310)를 포함하는) 그리고 드롭 중심 리세스 내의 후프 토우 층들의 선택적인 또는 감소된 적용을 통해 형성된 몰딩된 형상의 조합으로부터 형성되어, 그 영역에서 더 얇은 또는 감소된 두께를 형성한다. 따라서, 드롭 중심 리세스(220)는 드롭 중심 리세스(220)에 인접한 섹션들보다 적은 후프 토우 권취들을 갖는다. 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 이러한 하부 후프 토우 레이업으로부터의 임의의 강도 감소는 드롭 중심 리세스(260)에 위치된 적어도 하나의 보강 층(260)의 적용을 통해 보강될 수 있다. 예시된 실시예에서, 이러한 보강 층(260)은 림 부분의 원주방향 축에 대해 약 90도로부터 배향된 섬유들을 갖는 섬유 플라이, 통상적으로는 스티칭된 토우에 의해 형성된 직물을 포함하지만, 섬유 정렬은 림 부분(102)의 원주방향 축 C-C에 대해 80 내지 100도일 수 있음을 인식해야 한다. 도 6c에 도시된 바와 같이, 보강 층들(260)은 레이업에서 드롭 중심(220)을 통해 드롭 중심의 수직 또는 직립 섹션들(295)까지 위로 연장되고 외부 플랜지(201)를 향해 연장된다.
마지막으로, 림 부분의 윤곽을 갖는 형상(예를 들어, 도 4, 도 5, 도 6b 및 도 6c의 섹션들(290, 291, 292))의 방사상으로 연장되는 섹션들 또는 플랜지들(즉, 중심 축과 정렬되거나 방사상으로 연장되는 그러한 섹션들)은 더 낮은 층류 간 장력을 위해 그에 인접한 섹션들보다 감소된 또는 적은 토우로 형성된다.
림 부분(102)의 섬유 레이업 또는 섬유 아키텍처는 다중-층 구조를 포함한다. 층들의 수는 림 부분의 설계 및 복합 부재들의 크기 및 유형에 따라 상당히 달라질 수 있다. 일부 실시예들에서, 오직 일부 층들, 4 내지 10개의 층, 바람직하게는 4 내지 20개의 층들, 예를 들어, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18 또는 20개의 층들이 사용된다. 다른 실시예들에서, 림 부분(102)의 원하는 품질 및/또는 속성들을 획득하기 위해 더 많은 수, 예를 들어, 20, 30, 50, 100개 이상의 층들이 필요하다.
탄소 섬유들, 유리 섬유들, 아라미드 섬유들, 합성 섬유들, 예를 들어, 아크릴, 폴리에스테르, PAN, PET, PE, PP 또는 PBO-섬유들 등, 바이오 섬유들, 예를 들어, 헴프(hemp), 황마, 셀룰로오스 섬유들 등, 미네랄 섬유들, 예를 들어, 암면 등, 금속 섬유들, 예를 들어, 강철, 알루미늄, 황동, 구리 등, 붕소 섬유들 또는 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 섬유들을 포함하지만 이에 제한되는 것은 아닌 광범위한 섬유들이 본 발명에서 사용될 수 있음을 인식해야 한다. 바람직한 실시예에서, 섬유들은 탄소 섬유들을 포함한다.
각각의 후프 토우 층(230) 및 바이어스 플라이 층(240) 내의 섬유 밀도는 선택된 섬유 밀도의 재료들로부터 다양한 층들을 형성함으로써 제어될 수 있다. 각각의 층(230, 240) 내의 섬유 밀도는 50 내지 400 g/m2, 바람직하게는 180 내지 250 g/m2, 더 바람직하게는 180 내지 220 g/m2, 더욱 더 바람직하게는 약 200 g/m2이다.
예시된 복합 휠(100)(도 1)은 단일체로서 형성되도록 의도된다. 이는, 예시적인 실시예에서 수지인 매트릭스 재료의, 림 부분(102), 면 부분(104) 및 연결부(110)를 포함하는 모든 부품들로의 동시 사출 및/또는 함침, 및 이어서 복합 휠(100)의 부분들 각각의 경화를 수반한다. 사용되는 수지는 바람직하게는 에폭시-계이다. 그러나, 임의의 적합한 수지, 예를 들어 불포화 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리비닐 에스테르, 에폭시, 열가소성 수지, 유사한 화학적 화합물 또는 이들의 조합이 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 수지 주입 및/또는 수지 이송 몰딩 및/또는 진공 보조 수지 이송 몰딩을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 수지 전달 시스템들이 사용될 수 있다.
따라서, 복합 휠(100)의 형성된 림 부분(102)은 또한, 통상적으로 불포화 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리비닐 에스테르, 에폭시, 열가소성 수지, 유사한 화학적 화합물들 또는 이들의 조합들에 기초한 수지인 적층된 라미네이트의 섬유들을 둘러싸는 매트릭스 재료를 포함한다. 그러나, 다른 매트릭스 재료들이 또한 적용가능할 수 있음을 인식해야 한다.
도 1에 예시된 복합 휠(100)을 구성할 때, 복합 휠(100)은 2개의 주요 몰드 면들을 포함한다. 첫째, 휠의 회전 축 X-X에 대해 일반적으로 방사상으로 배향된 면 몰드(300). 둘째, 림 부분(102)의 내부 면을 형성하는 내부 버킷 몰드(310)(도 7 및 도 8). 내부 버킷 몰드(310)는 휠의 회전축 X-X에 대해 방사상으로 배향된 면 부분의 후방 몰드 벽을 형성하는 전방 면을 포함한다. 내부 버킷 몰드(310)는 휠의 회전 축 X-X에 대해 실질적으로 축방향으로 정렬된다.
사용시에, 면 부분(104)은 예를 들어 연결 섹션들 또는 탭들(260)(도 8)의 연결부(110) 섹션들과의 보강으로 레이업된다.
림 부분(102)은 먼저, 클로즈-아웃 플라이 또는 플라이들(도 5b에 제공된 핵심에서 +/- 45° 2x2 직물로 라벨링됨)(250)을 (요구되는 경우) 내부 버킷 몰드(310)에 적용함으로써 형성된다. 클로즈 아웃 플라이는 +/- 45° 바이어스된 직물을 포함할 수 있다. 이어서, 내부 버킷 몰드(310)는 도 8에 도시된 바와 같이 프리폼된 면 부분 레이업, 면 몰드(300)와 조합된다. 면 부분(104) 레이업과 연결된 연결부 섹션들(259)은 클로즈-아웃 플라이 또는 플라이들(250) 상에 놓이고, 제1 후프 토우 층(230)은 클로즈-아웃 플라이(250) 및 연결부 섹션들 또는 탭들(259)의 일부 위에 적용된다. 이어서, 바이어스 플라이 층(240)이 적용되고, 이어서 후프 토우 층(230)과 바이어스 플라이 층(240)의 교번하는 층들이 적용되어, 전술된 바와 같이 림 부분(102) 및 이의 윤곽을 갖는 특징부들을 구축한다. 유리하게는, 후프 토우(230)는 레이업 동안 툴링(tooling)에 대해 정확한 위치에 바이어스 플라이(240)를 유지한다. 이러한 프로세스는, 토우들/플라이들의 시작 포인트를 세팅하기 위해, 또는 레이업 맨드렐 상에 바이어스 플라이의 새로운 층을 안내하고 플라이 클램프를 세팅하는 것 등을 위해 일부 조작자 입력으로, 합리적으로 자동화될 것으로 의도된다. 레이업 동안, 바이어스 플라이 또는 플라이들(240)의 층이 림 몰드(280) 상에 공급되고 토우들의 층이 그 위에 후프 권취되어, 바이어스 플라이를 레이업 내에 캡슐화하고 후프 토우 층(230)을 형성한다. 바이어스 플라이 또는 플라이들(240)의 제2 층은 (반대 바이어스, 즉, 원주방향 축 C-C에 대한 섬유 각도 θ로) 레이업 상에 공급되어 토우들(230)의 이전 층을 커버한다. 이어서, 그 바이어스 플라이 층(240)은 그 위에 권취된 토우 후프의 층으로 커버되어, 바이어스 플라이(230)를 레이업 내에 캡슐화하고 후프 토우 층(230)을 형성한다. 이는, 요구되는 라미네이트 두께가 달성될 때까지 반복된다.
결과적 림 레이업은 면 레이업, 면 몰드(300) 및 버킷 몰드(301) 주위에 배열된 바이어스 플라이들(240) 및 후프 토우들(후프 토우 층(230))의 조합으로부터 형성된 적층된 라미네이트이다. 이러한 적층된 라미네이트는 수지 사출 스테이션(예시되지 않음)에 제공되고, 여기서 진공 소스 및 수지 사출 헤드가 툴 조립체에 연결되고, 레이업을 포함하는 캐비티로의 압력 하에 수지가 사출 및/또는 함침된다. 수지는 적층된 라미네이트의 섬유에 침투하고 경화되어 라미네이트된 휠을 형성한다. 디몰딩 이후, 마감되지 않은 몰딩된 휠은 마감 절차들(추가적 드릴링, 표면 마감, 코팅 등)을 겪을 수 있다.
당업자들은, 본 명세서에 설명된 발명이 구체적으로 설명된 것들 이외로 변형 및 수정되기 쉽다는 것을 인식할 것이다. 본 발명은 본 발명의 사상 및 범위 내에 있는 모든 그러한 변형들 및 수정들을 포함하는 것으로 이해된다.
"포함한다"("comprise", "comprises", "comprised" 또는 "comprising")라는 용어들이 본 명세서(청구항들을 포함함)에 사용되는 경우, 이들은 언급된 특징들, 정수들, 단계들 또는 컴포넌트들의 존재를 특정하지만 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 컴포넌트 또는 이들의 그룹의 존재를 배제하지 않는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (28)

  1. 차량의 복합 휠의 림(rim) 부분으로서,
    상기 림 부분은 상기 복합 휠의 중심 회전 축 주위에 형성되는 성형된 환형을 포함하고 상기 중심 회전 축 주위 및 상기 림 부분 주위에 원주방향으로 연장되는 원주방향 축을 갖고, 상기 림 부분은,
    섬유들이 상기 림 부분의 상기 원주방향 축과 실질적으로 정렬되는 세장형 섬유 토우(tow)를 포함하고 적어도 하나의 환형으로 권취된 세장형 섬유 토우로부터 형성되는 후프(hoop) 토우 층; 및
    상기 섬유들이 상기 림 부분의 상기 원주방향 축에 대해 +θ 또는 -θ의 각도로 실질적으로 배향되고, θ는 26° 내지 40°인 적어도 하나의 섬유 플라이(ply)를 포함하는 바이어스 플라이 층;
    의 교번하는 층들로부터 형성된 적층된 라미네이트를 포함하는 섬유 레이업(layup)을 갖는,
    림 부분.
  2. 제1항에 있어서,
    θ는 28° 내지 40°인,
    림 부분.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 후프 토우 층은 상기 림 부분 내의 섬유의 40 내지 60% 를 포함하는,
    림 부분.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 바이어스 플라이 층은 상기 림 부분 내의 상기 섬유의 40 내지 60%를 포함하는,
    림 부분.
  5. 제1항에 있어서,
    연속적인 바이어스 플라이 층들은 선행하는 바이어스 플라이 층의 섬유 배향의 +θ 또는 -θ의 각도로 교번하는 각도인 섬유 배향 각도를 갖는 층을 제공하기 위해 상기 레이업에 배열되는,
    림 부분.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 바이어스 플라이들은 상호연결된 단방향 섬유 재료의 시트(sheet)를 포함하는,
    림 부분.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 바이어스 플라이들은 스티칭된(stitched) 단방향 시트 재료를 포함하는,
    림 부분.
  8. 제1항에 있어서,
    바이어스 플라이는 +26° 내지 +40°의 섬유 방향들을 갖는 층 및 -26° 내지 -40°의 섬유 방향들을 갖는 층을 포함하는 2개의 층 바이어스 플라이를 포함하는,
    림 부분.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 림 부분은 상기 림 부분의 폭의 대향하는 에지들에서 2개의 환형 플랜지(flange)들, 내부 플랜지 및 외부 플랜지를 포함하고, 각각의 바이어스 플라이는 상기 휠의 상기 내부 플랜지로부터 상기 휠의 상기 외부 플랜지까지 연속적 시트를 포함하는,
    림 부분.
  10. 제1항에 있어서,
    각각의 바이어스 플라이 층은 인접한 후프 토우 층들 사이에 개재되는,
    림 부분.
  11. 제1항에 있어서,
    각각의 바이어스 플라이 층은 버트(butt) 연결들 없이 형성되는,
    림 부분.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 적층된 라미네이트는 집성된 후프 권취 토우로부터 형성된 윤곽을 갖는 특징부들을 더 포함하는,
    림 부분.
  13. 제12항에 있어서,
    윤곽을 갖는 특징부들은 상기 림 부분의 원주방향 주위에서 연장되고, 환형으로 권취된 세장형 섬유 토우로부터 구축되는,
    림 부분.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 윤곽을 갖는 특징부들은 적어도 하나의 비드(bead), 플랜지, 리브(rib) 또는 스텝(step)을 포함하는,
    림 부분.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 림 부분은 드롭 중심 리세스(drop center recess)를 포함하고, 상기 드롭 중심 리세스는 상기 드롭 중심 리세스에 인접한 섹션들보다 감소된 또는 작은 토우를 갖는 환형 섹션을 포함하는,
    림 부분.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 드롭 중심 리세스에 위치된 적어도 하나의 보강 층을 더 포함하고, 상기 보강 층은 상기 림 부분의 상기 원주방향 축에 대해 80 내지 100도로 배향된 섬유들을 갖는 섬유 플라이를 포함하는,
    림 부분.
  17. 제16항에 있어서,
    적어도 상기 보강 층의 단부들 위에 적어도 하나의 후프 토우 층이 제공되는,
    림 부분.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 중심 회전 축에 대해 상기 림 부분의 방사상으로 연장된 또는 정렬된 섹션들은 그에 인접한 섹션들보다 감소된 또는 작은 토우를 포함하는,
    림 부분.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 림 부분은 상기 림 부분의 폭의 대향하는 에지들에서 2개의 환형 플랜지들, 내부 플랜지 및 외부 플랜지를 포함하고, 상기 내부 플랜지 또는 외부 플랜지 중 적어도 하나의 레이업은 상기 림 부분의 상기 원주방향 축에 대해 80 내지 100도로 배향된 섬유들을 갖는 섬유 플라이를 포함하는 보강 층을 포함하는,
    림 부분.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 적층된 라미네이트의 각각의 층 내의 섬유 밀도는 50 내지 400 g/m2인,
    림 부분.
  21. 제1항에 있어서,
    라미네이트된 층 구조의 적어도 하나의 외측에 클로즈 아웃(close out) 플라이 층을 더 포함하는,
    림 부분.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 클로즈 아웃 플라이는 직물 플라이의 시트, 후프 토우의 층, 바이어스 플라이 층, 후프 권취 섬유 유리 토우 또는 이들의 조합을 포함하는,
    림 부분.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 후프 토우 층은 미리 적용된 결합제와 함께 상기 레이업에 위치되는,
    림 부분.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 섬유들은 탄소 섬유들을 포함하는,
    림 부분.
  25. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적층된 라미네이트의 섬유들을 둘러싸는 매트릭스 재료를 더 포함하는,
    림 부분.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 매트릭스 재료는 불포화 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리비닐 에스테르, 에폭시, 열가소성 수지, 유사한 화학적 화합물 또는 이들의 조합들에 기초한 수지를 포함하는,
    림 부분.
  27. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 림 부분은 상기 복합 휠의 면 부분과 일체형으로 형성되는,
    림 부분.
  28. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 따른 림 부분을 포함하는 복합 휠.
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