CH713855B1

CH713855B1 - Composite bicycle frame.

Info

Publication number: CH713855B1
Application number: CH00721/17A
Authority: CH
Inventors: Maier Anton
Original assignee: Maier Anton
Priority date: 2017-06-06
Filing date: 2017-06-06
Publication date: 2021-06-15
Also published as: WO2018224960A1; CH713855A2

Abstract

Telaio di bicicletta comprendente una pluralità di tubi realizzati in un materiale composito di fibre di carbonio all'interno di una matrice, e nel quale i tubi in materiale composito comprendono un tubo orizzontale (2), un piantone (3) e un tubo obliquo (4), comprendente un giunto (7) tra almeno due di detti tubi di materiale composito, in cui detto giunto è realizzato in una miscela di poliammide e carbonio.Bicycle frame comprising a plurality of tubes made of a carbon fiber composite material within a matrix, and in which the composite tubes comprise a top tube (2), a stem (3) and an down tube ( 4), comprising a joint (7) between at least two of said pipes of composite material, in which said joint is made of a mixture of polyamide and carbon.

Description

Campo dell'invenzioneField of the invention

[0001] L'invenzione riguarda il campo di telai di biciclette in materiale composito di fibra di carbonio. [0001] The invention relates to the field of bicycle frames made of carbon fiber composite material.

Arte notaKnown art

[0002] Nel campo delle biciclette sportive e/o di alta gamma si è diffuso il ricorso a materiali compositi comprendenti fibre di carbonio immerse in una opportuna matrice, che tipicamente è una resina polimerica o epossidica. [0002] In the field of sports and / or high-end bicycles, the use of composite materials comprising carbon fibers immersed in a suitable matrix, which typically is a polymeric or epoxy resin, has become widespread.

[0003] Detti materiali compositi sono denominati per esempio con la sigla CFRP, che indica polimeri rinforzati con fibre di carbonio. Comunemente si usa il termine di „fibra di carbonio“ per riferirsi al materiale composito nel suo insieme; anche nella presente descrizione si userà questa semplificazione. [0003] Said composite materials are denominated for example with the abbreviation CFRP, which indicates polymers reinforced with carbon fibers. The term "carbon fiber" is commonly used to refer to the composite material as a whole; this simplification will also be used in this description.

[0004] Come noto, i materiali compositi con fibre di carbonio sono caratterizzati da una straordinaria leggerezza unita a elevate doti di rigidità e resistenza meccanica specialmente a trazione, e queste qualità li rendono vantaggiosi per la realizzazione di attrezzature sportive ad alte prestazioni, nonché in vari altri settori ad alta tecnologia inclusi il settore aeronautico e il settore automobilistico. [0004] As known, composite materials with carbon fibers are characterized by an extraordinary lightness combined with high rigidity and mechanical resistance, especially in traction, and these qualities make them advantageous for the production of high performance sports equipment, as well as in various other high-tech sectors including aeronautics and the automotive sector.

[0005] Nel campo dei telai per biciclette, al quale si rivolge la presente invenzione, il materiale composito (o fibra di carbonio) è utilizzato vantaggiosamente per realizzare almeno alcuni degli elementi o „tubi“ che compongono il telaio della bicicletta. Si realizzano anche telai denominati monoscocca nei quali almeno una porzione di telaio è formata da un pezzo unico in materiale composito, privo di giunzioni, ottenuto in un unico stampo. [0005] In the field of bicycle frames, to which the present invention is directed, the composite material (or carbon fiber) is advantageously used to make at least some of the elements or "tubes" that make up the bicycle frame. Frames called monocoque are also produced in which at least a portion of the frame is formed by a single piece of composite material, without joints, obtained in a single mold.

[0006] Detta parte di telaio a struttura monoscocca preferibilmente è il così detto triangolo centrale, che comprende gli elementi denominati rispettivamente tubo orizzontale, tubo verticale o piantone, tubo obliquo. Al triangolo centrale con struttura monoscocca in materiale composito si collegano poi la forcella anteriore e il „carro“ posteriore (eventualmente anch'essi con parti in fibra di carbonio). [0006] Said part of the frame with a monocoque structure is preferably the so-called central triangle, which comprises the elements respectively called top tube, vertical tube or column, down tube. To the central triangle with monocoque structure in composite material are then connected the front fork and the rear "wagon" (possibly also with parts in carbon fiber).

[0007] Con il ricorso ai materiali compositi si può realizzare un telaio notevolmente più leggero e rigido rispetto a qualsiasi metallo. Questi vantaggi rendono i telai in materiale composito molto apprezzati per le biciclette di alte prestazioni, sia per uso velocistico sia per mountain-bike. [0007] With the use of composite materials it is possible to make a frame considerably lighter and more rigid than any metal. These advantages make composite frames very popular for high performance bicycles, both for speed and mountain bike use.

[0008] Tuttavia si è riscontrato che la notevole rigidità si traduce anche in una scarsa capacità di assorbire urti o vibrazioni. I telai monoscocca, proprio per il fatto di essere costituiti da un corpo unico di materiale composito, risentono maggiormente di questo svantaggio. [0008] However, it has been found that the considerable rigidity also translates into a poor ability to absorb shocks or vibrations. Monocoque frames, precisely because they consist of a single body of composite material, suffer more from this disadvantage.

[0009] Il comportamento molto rigido del telaio, e la sua sostanziale incapacità di assorbire energia, aumentano il rischio di una perdita di controllo da parte del ciclista, e di una caduta, specialmente a velocità elevate. Un telaio in fibra di carbonio rappresenta in sostanza un sistema meccanicamente molto rigido, non in grado di dissipare energia. L'energia trasmessa al telaio, per esempio al passaggio su asperità del fondo stradale, perturba la dinamica della bicicletta rischiando di far perdere l'equilibrio al ciclista. Inoltre la rigidità aumenta il rischio di danneggiamento del telaio e come noto i telai in materiale composito (e ancor più i telai monoscocca) sono costosi da riparare. Inoltre possono crearsi microfratture difficili da rilevare ma che riducono la resistenza del telaio. The very rigid behavior of the frame, and its substantial inability to absorb energy, increase the risk of a loss of control by the cyclist, and of a fall, especially at high speeds. A carbon fiber frame essentially represents a mechanically very rigid system, unable to dissipate energy. The energy transmitted to the frame, for example when passing over rough road surfaces, disturbs the dynamics of the bicycle, risking to make the cyclist lose his balance. Furthermore, the rigidity increases the risk of damage to the frame and, as known, the frames in composite material (and even more so the monocoque frames) are expensive to repair. In addition, micro-cracks can be created that are difficult to detect but which reduce the strength of the frame.

Sommario dell'invenzioneSummary of the invention

[0010] Lo scopo dell'invenzione è di risolvere il problema sopra enunciato, che affligge i telai per biciclette in materiale composito. [0010] The object of the invention is to solve the problem stated above, which afflicts bicycle frames made of composite material.

[0011] Lo scopo è raggiunto con un telaio di bicicletta comprendente una pluralità di tubi realizzati in un materiale composito comprendente fibre di carbonio all'interno di una matrice, e nel quale i tubi in materiale composito includono almeno un tubo orizzontale, un piantone e un tubo obliquo, caratterizzato dal fatto di comprendere: almeno un elemento di nodo nel quale convergono almeno due tubi di detta pluralità di tubi in materiale composito, detti due tubi convergenti nell'elemento di nodo comprendono detto tubo orizzontale e almeno un altro tubo che raccorda detto tubo orizzontale ad almeno un altro elemento del telaio, detto elemento di nodo essendo realizzato in una miscela di poliammide e carbonio.[0011] The object is achieved with a bicycle frame comprising a plurality of tubes made of a composite material comprising carbon fibers within a matrix, and in which the tubes made of composite material include at least a top tube, a stem and an oblique tube, characterized in that it comprises: at least one node element in which at least two tubes of said plurality of composite material tubes converge, said two tubes converging in the node element comprise said horizontal tube and at least one other tube that connects said horizontal tube to at least one other element of the frame, said knot element being made of a mixture of polyamide and carbon.

[0012] I tubi di telaio sono elementi che si sviluppano essenzialmente in una lunghezza e sono preferibilmente ma non necessariamente rettilinei. I tubi possono avere una sezione trasversale di forma circolare o di forma differente. Preferibilmente i tubi hanno sezione circolare. [0012] The frame tubes are elements which develop essentially in one length and are preferably but not necessarily straight. The pipes can have a circular cross section or a different shape. Preferably the tubes have a circular section.

[0013] In una realizzazione preferita, i tubi di telaio che convergono nel detto elemento di nodo comprendono un primo tubo che raccorda detto tubo orizzontale al tubo obliquo, e un secondo tubo che raccorda detto tubo orizzontale a un tubo dello sterzo di detto telaio. Più preferibilmente detti primo e secondo tubo sono essenzialmente perpendicolari e convergono nell'elemento di nodo secondo direzioni spaziate di 90 gradi o circa 90 gradi. [0013] In a preferred embodiment, the frame tubes which converge in said node element comprise a first tube which connects said top tube to the down tube, and a second tube which connects said top tube to a head tube of said frame. More preferably, said first and second tubes are essentially perpendicular and converge in the node element according to directions spaced by 90 degrees or about 90 degrees.

[0014] Il tubo orizzontale e detti primo e secondo tubo di raccordo formano, in una realizzazione preferita, una struttura a Y che forma il lato superiore del così detto triangolo del telaio. [0014] The horizontal tube and said first and second connecting tubes form, in a preferred embodiment, a Y-shaped structure which forms the upper side of the so-called triangle of the frame.

[0015] Vantaggiosamente i detti primo e secondo tubo di raccordo sono tubi rettilinei e di breve lunghezza, cioè l'elemento di noto è localizzato in prossimità del tubo obliquo e del tubo dello sterzo. Preferibilmente detti primo e secondo tubo di raccordo hanno una lunghezza non superiore a 300 mm. [0015] Advantageously, said first and second connecting tubes are straight tubes of short length, ie the known element is located near the down tube and the steering tube. Preferably said first and second connecting pipes have a length not exceeding 300 mm.

[0016] In una realizzazione preferita, detto secondo tubo di raccordo è parallelo o sostanzialmente parallelo al tubo dello sterzo. Preferibilmente, la distanza di interasse tra detto secondo tubo di raccordo e detto tubo dello sterzo (misurata in direzione perpendicolare agli assi dei tubi) è compresa tra 5 cm e 15 cm, più preferibilmente 10 cm. [0016] In a preferred embodiment, said second connecting tube is parallel or substantially parallel to the steering tube. Preferably, the center distance between said second connecting tube and said steering tube (measured in a direction perpendicular to the axis of the tubes) is between 5 cm and 15 cm, more preferably 10 cm.

[0017] I tubi di telaio che convergono nell'elemento di nodo sono fissati stabilmente all'elemento di nodo stesso. In una realizzazione preferita, le estremità dei tubi di telaio sono fissate all'elemento di nodo tramite forzamento per interferenza in opportune sedi dell'elemento di nodo stesso. [0017] The frame tubes which converge in the knot element are stably fixed to the knot element itself. In a preferred embodiment, the ends of the frame tubes are fixed to the node element by forcing it by interference into suitable seats of the node element itself.

[0018] L'elemento di nodo ha preferibilmente una forma cava. Più preferibilmente l'elemento di nodo ha una forma di un manicotto cilindrico. [0018] The knot element preferably has a hollow shape. More preferably the knot element has the shape of a cylindrical sleeve.

[0019] I tubi del telaio sono generalmente cavi. Un altro aspetto dell'invenzione è dato da una struttura a sandwich di almeno uno dei tubi cavi del telaio. The frame tubes are generally hollow. Another aspect of the invention is given by a sandwich structure of at least one of the hollow tubes of the frame.

[0020] Più in particolare, un aspetto dell'invenzione risiede in una struttura di elemento tubolare per un telaio di una bicicletta in materiale composito comprendente fibre di carbonio all'interno di una matrice, in cui l'elemento tubolare è internamente cavo e ha una parete comprendente due strati coassiali di materiale composito e un riempimento di materiale espanso (quale una schiuma) posto tra detti due strati. More particularly, an aspect of the invention resides in a tubular element structure for a bicycle frame made of composite material comprising carbon fibers within a matrix, wherein the tubular element is internally hollow and has a wall comprising two coaxial layers of composite material and a filling of expanded material (such as a foam) placed between said two layers.

[0021] Detto materiale espanso preferibilmente è un poliuretano espanso. [0021] Said expanded material is preferably an expanded polyurethane.

[0022] L'adozione di detta struttura comprendente due strati coassiali di materiale composito e un riempimento di materiale espanso è particolarmente preferita almeno per il tubo orizzontale del telaio. [0022] The adoption of said structure comprising two coaxial layers of composite material and a filling of foam material is particularly preferred at least for the horizontal tube of the frame.

[0023] Il vantaggio principale dell'invenzione è dato dal fatto che l'elemento di nodo introduce una certa elasticità nel sistema rappresentato dal telaio. L'elemento di nodo, grazie alla sua forma e al materiale con cui è realizzato, opera sostanzialmente come una cerniera con un certo gradi di elasticità e rende il telaio meno rigido, in grado di deformarsi assorbendo energia, senza però aumentare significativamente il peso del telaio. Di conseguenza si ottiene un telaio avente una leggerezza paragonabile ai telai monoscocca in fibra di carbonio ma in grado di reagire in modo migliorato a urti e vibrazioni, che possono essere assorbiti riducendo il rischio di cadute o rotture del telaio stesso. [0023] The main advantage of the invention is given by the fact that the knot element introduces a certain elasticity in the system represented by the frame. The knot element, thanks to its shape and the material with which it is made, essentially operates as a hinge with a certain degree of elasticity and makes the frame less rigid, capable of deforming by absorbing energy, without however significantly increasing the weight of the frame. Consequently, a frame is obtained having a lightness comparable to carbon fiber monocoque frames but able to react in an improved way to shocks and vibrations, which can be absorbed reducing the risk of falls or breakages of the frame itself.

[0024] Un altro vantaggio dell'invenzione è dato dalla possibilità di accorciare la lunghezza di alcuni tubi del telaio, particolarmente del tubo orizzontale. Il tubo orizzontale infatti non deve più estendersi sino allo sterzo, ma si estende solo fino all'elemento di nodo. Riducendo la lunghezza di libera flessione del tubo, il tubo è meno soggetto a vibrazioni durante l'uso. In altre parole l'invenzione mette a disposizione un telaio con tubi più corti e più stabili, con minore tendenza a vibrare, rispetto all'arte nota. [0024] Another advantage of the invention is given by the possibility of shortening the length of some tubes of the frame, particularly of the horizontal tube. In fact, the horizontal tube no longer has to extend to the steering wheel, but only extends to the node element. By reducing the free bending length of the tube, the tube is less subject to vibration during use. In other words, the invention provides a frame with shorter and more stable tubes, with less tendency to vibrate, with respect to the known art.

[0025] La descritta struttura dei tubi del telaio introduce una ulteriore capacità di assorbimento delle vibrazioni, grazie al riempimento di materiale espanso o schiumoso, mantenendo le doti di leggerezza e rigidità tipiche dei tubi in fibra di carbonio convenzionali. [0025] The described structure of the frame tubes introduces a further capacity to absorb vibrations, thanks to the filling of expanded or foamy material, while maintaining the qualities of lightness and rigidity typical of conventional carbon fiber tubes.

[0026] L'invenzione mette così a disposizione un telaio in fibra di carbonio che mantiene i vantaggi di estrema leggerezza e robustezza ma è meno critico nell'uso. [0026] The invention thus provides a carbon fiber frame which maintains the advantages of extreme lightness and strength but is less critical in use.

[0027] Questi e altri vantaggi saranno ancor più chiari con l'aiuto della seguente descrizione dettagliata a titolo esemplificativo. These and other advantages will be even clearer with the help of the following detailed description by way of example.

Descrizione di una forma di realizzazioneDescription of an embodiment

[0028] La Fig. 1 mostra schematicamente un telaio di bicicletta 1 in cui si riconoscono i seguenti elementi: un tubo orizzontale 2, un tubo verticale o piantone 3, un tubo obliquo 4, un tubo dello sterzo 5, una forcella posteriore 6.[0028] Fig. 1 schematically shows a bicycle frame 1 in which the following elements are recognized: a top tube 2, a vertical tube or column 3, an oblique tube 4, a head tube 5, a rear fork 6.

[0029] Il tubo dello sterzo 5 porta una forcella anteriore (non rappresentata) secondo l'asse A di Fig. 1. Il punto P rappresenta il nodo del movimento centrale e il punto R rappresenta l'asse della ruota posteriore e del cambio. [0029] The steering tube 5 carries a front fork (not shown) along the axis A of Fig. 1. The point P represents the node of the bottom bracket and the point R represents the axis of the rear wheel and of the gearbox.

[0030] Il telaio 1 comprende un giunto 7 nel quale convergono il tubo orizzontale 2 nonché un primo tubo 8 e un secondo tubo 9, i quali raccordano il tubo orizzontale 2 rispettivamente al tubo obliquo 4 e al tubo dello sterzo 5. [0030] The frame 1 comprises a joint 7 in which the top tube 2 converge as well as a first tube 8 and a second tube 9, which connect the top tube 2 to the down tube 4 and to the steering tube 5 respectively.

[0031] Il tubo orizzontale 2 insieme al giunto 7 e ai tubi di raccordo 8, 9 forma una struttura essenzialmente a Y che si può considerare come il lato superiore del triangolo 10 del telaio 1, gli altri due lati del triangolo 10 essendo rappresentati essenzialmente dal piantone 3 e dal tubo obliquo 4. [0031] The horizontal pipe 2 together with the joint 7 and the connecting pipes 8, 9 forms an essentially Y-shaped structure which can be considered as the upper side of the triangle 10 of the frame 1, the other two sides of the triangle 10 being essentially represented from column 3 and down tube 4.

[0032] Vantaggiosamente, come in Fig. 1, i tubi di raccordo 8 e 9 hanno assi sostanzialmente perpendicolari. [0032] Advantageously, as in Fig. 1, the connecting pipes 8 and 9 have substantially perpendicular axes.

[0033] La Fig. 1 mostra una realizzazione preferita nella quale il tubo 8 è essenzialmente parallelo al tubo dello sterzo 5. La distanza di interasse tra detti tubi 5 e 8 preferibilmente è di circa 10 cm. [0033] Fig. 1 shows a preferred embodiment in which the tube 8 is essentially parallel to the steering tube 5. The center distance between said tubes 5 and 8 is preferably about 10 cm.

[0034] In Fig. 1 si può anche notare il vantaggioso accorciamento del tubo orizzontale 2, che lo rende meno sensibile alle vibrazioni. Grazie alla presenza del giunto 7 e dei tubi di raccordo 8 e 9, infatti, il tubo orizzontale 2 si estende per una lunghezza inferiore rispetto alla distanza tra il piantone 3 e il tubo dello sterzo 5. [0034] In Fig. 1 it is also possible to note the advantageous shortening of the horizontal tube 2, which makes it less sensitive to vibrations. Thanks to the presence of the joint 7 and the connecting tubes 8 and 9, in fact, the horizontal tube 2 extends for a shorter length than the distance between the steering column 3 and the steering tube 5.

[0035] In altre realizzazioni dell'invenzione, un giunto analogo al giunto 7 può essere previsto anche nel punto P e/o nel punto R del telaio, come sopra definiti. [0035] In other embodiments of the invention, a joint similar to the joint 7 can also be provided in the point P and / or in the point R of the frame, as defined above.

[0036] Una forma preferita del giunto 7 è mostrata in Fig. 2. Il giunto 7 ha essenzialmente la forma di un manicotto cilindrico 20, internamente cavo e con fori di alleggerimento 21. Il giunto 7 inoltre presenta rispettivi fori 22 nei quali si inseriscono con forzamento, risultando così bloccati, i tubi 2, 8 e 9. [0036] A preferred shape of the joint 7 is shown in Fig. 2. The joint 7 essentially has the shape of a cylindrical sleeve 20, internally hollow and with lightening holes 21. The joint 7 also has respective holes 22 into which they are inserted with forcing, thus resulting blocked, pipes 2, 8 and 9.

[0037] In altre realizzazioni, il bloccaggio dei tubi nel giunto 7 può comprendere altri mezzi in sé noti, per esempio un accoppiamento di forma. [0037] In other embodiments, the locking of the pipes in the joint 7 can comprise other means known per se, for example a shape coupling.

[0038] La Fig. 3 mostra una struttura preferita dei tubi di telaio, in accordo a un aspetto dell'invenzione. Un tubo di telaio è internamente cavo e ha una parete esterna comprendente uno strato esterno 30 e uno strato interno 31 materiale composito, e un riempimento 32 di materiale espanso o schiuma posto tra detti due strati 30 e 31. Fig. 3 shows a preferred structure of the frame tubes, according to an aspect of the invention. A frame tube is internally hollow and has an outer wall comprising an outer layer 30 and an inner layer 31 of composite material, and a filling 32 of foam or foam placed between said two layers 30 and 31.

[0039] In Fig. 3 si può apprezzare che il materiale espanso 32 è posto a sandwich tra due pareti sottili e coassiali di materiale composito di fibra di carbonio. [0039] In Fig. 3 it can be appreciated that the foam material 32 is sandwiched between two thin and coaxial walls of carbon fiber composite material.

[0040] La struttura di Fig. 3 è adottata preferibilmente, almeno, per il tubo orizzontale 2. [0040] The structure of Fig. 3 is preferably adopted, at least, for the horizontal tube 2.

Claims

1. Bicycle frame (1) comprising a plurality of tubes made of a composite material comprising carbon fibers within a matrix, and in which the composite material tubes include at least a top tube (2), a stem (3 ) and an oblique tube (4), characterized by the fact of comprising: at least one node element (7) in which at least two tubes of said plurality of composite material tubes converge, said two tubes converging in the node element comprise said horizontal tube (2) and at least one other tube (8, 9) which connects said horizontal tube to at least one other element of the frame, said knot element (7) being made of a mixture of polyamide and carbon.

Bicycle frame according to claim 1, wherein the frame tubes converging in said knot element comprise a first tube (8) which connects said top tube (2) to the down tube (4), and a second tube ( 9) which connects said horizontal tube to a steering tube (5) of said frame.

Frame according to claim 2, wherein said first tube (8) and second tube (9) are essentially perpendicular and converge in the node element in directions spaced 90 degrees.

Frame according to any one of the preceding claims, wherein said top tube (2), seat tube (3) and down tube (4) are part of a triangle (10) of the frame.

Frame according to any one of the preceding claims, in which the frame tubes which converge in the node element are fixed to the node element by forcing by interference into suitable seats of the node element itself.

Frame according to any one of the preceding claims, in which the knot element has a hollow shape.

Frame according to claim 6, wherein the knot element has the shape of a cylindrical sleeve.

Frame according to any one of the preceding claims, wherein at least one of the frame tubes has a hollow structure and comprises a sandwich wall which includes two coaxial layers of composite material (30, 31) and a filling layer (32) of foam material placed between said two layers of composite material.

Frame according to claim 8, said at least one tube with sandwich wall being the horizontal tube (2) of the frame.

10. Tubular element structure suitable for making a bicycle frame in composite material according to claim 8, comprising carbon fibers within a matrix, in which the tubular element is internally hollow and has a wall comprising two coaxial layers of composite material (30, 31) and a filling (32) of foam material placed between said two layers.