композиционная мембрана дискового колеса

Формула изобретения

1. КОМПОЗИЦИОННАЯ МЕМБРАНА ДИСКОВОГО КОЛЕСА, содержащая по крайней мере два слоя, каждый из которых выложен из секторных фрагментов с углом со смещением стыков между прилегающими слоями, причем каждый фрагмент выкроен из ткани на основе синтетической нити, отличающаяся тем, что, с целью повышения ее жесткости, увеличения ресурса работы и надежности, каждый фрагмент содержит сопряженные между собой наружный секторный и внутренний прямоугольный участки, второй слой фрагментов выложен встречно первому слою, при этом фрагменты в каждом слое выложены с частичным наложением их прямоугольных участков друг на друга для образования опоры под ступицу колеса, а угол a, радиус мембраны R и ширина A прямоугольного участка фрагмента связаны соотношениями





где n - количество фрагментов в одном слое мембраны.

2. Мембрана по п.1, отличающаяся тем, что угол между основой ткани и осью фрагмента связан с углом a соотношением

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к транспортной технике, а именно к изготовлению дисковых колес с выпуклой боковой поверхностью, например, велосипедных колес с композиционными мембранами. Изобретение может быть использовано в строительстве для изготовления легких замкнутых оболочек, работающих на изгиб, кручение и внешнее давление, а также зонтичных оболочек.

Известна композиционная мембрана дискового колеса, содержащая по крайней мере два слоя, каждый из которых выложен из секторных фрагментов со смещением стыков между прилегающими слоями, причем фрагменты выкроены из ткани на основе синтетической нити. В данном техническом решении волокна ткани фрагментов расположены параллельно или нормально к линии из средней точки основания к вершине равнобедренного треугольника, образующего фрагмент (сегмент).

Известное техническое решение реализует эффект "размазанной спицы", что позволяет по сравнению со сплошными дисковыми колесами снизить напряжения в мембране, повысить ее прочность и надежность в эксплуатации. Однако это решение нельзя применить в колесах с выпуклой боковой поверхностью, а только в плоских, тогда как известно, что колеса с выпуклой боковой поверхностью обладают повышенной устойчивостью и улучшенными аэродинамическими качествами (сниженным аэродинамическим сопротивлением). Если такую плоскую мембрану для получения выпуклой поверхности подвергнуть действию сосредоточенной силы, приложенной к центру окружности мембраны, при этом защемив внешний край мембраны, то произойдет местная потеря устойчивости, так как коэффициент Пуансона в тангенциальном и радиальном направлениях одинаковы, вследствие чего на мембране будут образовываться волнообразные складки тангенциального направления.

Описанное техническое решение принято за прототип, как имеющее наибольшее из известных количество сходных признаков с изобретением.

Цель изобретения повышение жесткости мембраны колеса, увеличение ресурса работы и надежности.

Это достигается тем, что, в композиционной мембране дискового колеса, содержащей по крайней мере два слоя, каждый из которых выложен из секторных фрагментов с углом со смещением стыков между прилегающими слоями, причем каждый фрагмент выкроен из ткани на основе синтетической нити, содержит наружный секторный участок и внутренний прямоугольный участок шириной А, второй слой фрагментов выложен встречно первому слою, при этом в каждом слое фрагменты расположены с частичным наложением их прямоугольных участков друг на друга для образования опор под ступицу колеса, а каждый фрагмент выкроен из ткани таким образом, что при его выкладке по окружности мембраны образуется угол между основой ткани и осью фрагмента, причем углы и , а также радиус мембраны R и ширина прямоугольного участка фрагмента А связаны соотношениями

= 15- 30

52,5 + 60

3 5 где R радиус мембраны колеса;

А ширина прямоугольной части фрагмента;

угол сектора каждого фрагмента;

угол между направлением основы ткани и радиальной осью фрагмента;

n количество фрагментов в одном слое мембраны.

На фиг.1 показана композиционная мембрана, общий вид; на фиг.2 фрагмент мембраны; на фиг.3 схема приложения нагрузки на мембрану при сборке колеса; на фиг.4 мембрана со складками при отклонении от оптимального значения параметров; на фиг.5 разрез Б-Б на фиг.4.

Композиционная мембрана 1 содержит два слоя, каждый из которых выложен из фрагментов 2 со смещением стыков между слоями так, что стыки по всей окружности мембраны не совпадают (не попадают друг на друга). Фрагменты мембраны изготовлены из ткани типа "Кевлар". Количество фрагментов n варьируется в пределах 12-24 в каждом слое. Каждый фрагмент содержит секторный участок с углом = 15- 30. При числе фрагментов n 12 угол 30^о; при числе фрагментов n 24 угол 15^о. Фрагменты имеют внутренние прямоугольные участки с шириной + .

Каждый фрагмент выкроен из ткани строго определенным образом, с соблюдением угла между направлением продольной оси фрагмента и направлением основы ткани ("основой" ткани считается нить, воспринимающая основную нагрузку на растяжение и ориентированная по длине рулона ткани; перпендикулярно ей вплетена нить, называемая "уток"; поэтому ткань, выкроенная в направлении основы, воспринимает большую нагрузку, чем выкроенная в направлении "утка".

В соответствии с предложением фрагменты мембраны выкраиваются из ткани под углом к основе. Оптимальный угол определен по результатам испытаний (см. акт испытаний) и равен 45^о 7,5^о. Такой угол обеспечивает наилучшее восприятие нагрузок мембраной как при сборке колеса, так и при его эксплуатации, так как при таком угле коэффициент пуансона мембраны при выкладке фрагментов получается различным в тангенциальном и радиальном направлениях, что дает при изменении формы мембраны на выпуклую отсутствие складок в тангенциальном направлении.

После выкладки фрагментов двумя слоями навстречу один другому (изнанка к изнанке) производят полимеризацию мембраны в автоклаве.

Фрагменты имеют сложную форму, наружный участок каждого из них выполнен в виде сектора с углом 15^о 30^о в зависимости от числа фрагментов. Внутренний участок каждого фрагмента выполнен прямоугольной формы. При выкладке фрагментов их прямоугольные участки накладываются один на другой, что обеспечивает формирование утолщения мембраны к ступице достаточной толщины (1,5-2 мм) при толщине фрагмента 0,15 мм.

Оптимальная ширина А прямоугольного участка каждого фрагмента находится в пределах + где R радиус фрагмента (радиус мембраны). Нижний предел обусловлен необходимостью выполнения в мембране отверстия для оси колеса и условием достаточной прочности крепления мембраны к ступице. Верхний предел обусловлен тем, что ширина прямоугольного участка фрагмента не должна быть больше ширины (проекции длины) дуги сектора, так как фрагмент будет целиком приобретать прямоугольную форму, что неэкономично, и, кроме того, приведет к возникновению волн деформации при натяжении мембраны силой, направленной вдоль оси колеса (см. фиг.4, 5), а также приведет к излишнему утяжелению мембраны ввиду увеличения площади пересекающихся частей фрагментов.

Кроме того, необходимо соблюдение еще одного условия

52,5 + 60

Это соотношение обусловлено тем, что при углах в пределах 15-30^оугол должен составлять 45^о 7,5^о. При отклонении угла в любую сторону больше указанного допуска (7,5^о) на мембране начинается складкообразование.

П р и м е р. При 24 фрагментах в каждом слое мембраны, где угол = 15, радиус мембраны R 316,5 мм, угол 45^о, ширина прямоугольной части фрагмента принята равной А 80 мм, т.е. находится в пределах + . Сумма углов + 52,5, что находится в указанных выше пределах соотношения + .

Фрагменты 1-12 в каждой мембране выкладывают изнанкой вверх, фрагменты 13-24 выкладывают изнанкой вниз. После выкладки всех фрагментов мембрану формуют в автоклаве. Результаты испытания колеса с описанными параметрами показали его высокие динамические свойства, жесткость и одновременно легкость.

При сборке колеса мембране придается выпуклая лицевая поверхность посредством защемления ее периферийного края и натяжения сосредоточенной силой Р (см. фиг.3), приложенной в центре окружности мембраны. Выполнение мембраны по изобретению позволяет избежать образования на ней волнообразных складок в тангенциальном направлении, так как не происходит местная потеря устойчивости.

Использование изобретения позволяет существенно упростить технологию изготовления дискового колеса, разделив процесс изготовления мембраны и процесс сборки с ее растяжением, что позволяет получить изделие (мембрану колеса или оболочку) без специального оборудования, т.е. приводит к снижению затрат на изготовление. Кроме того, выполнение мембран по изобретению позволяет получать жесткие, легкие конструкции дисковых колес с улучшенной аэродинамикой и динамическими свойствами, что позволяет более эффективно реализовать усилия гонщика.