CN104724242B - 自行车曲柄臂组件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种自行车曲柄臂，该自行车曲柄臂包括支撑件。该支撑件包括尺寸和形状被定为接收踏板的第一端以及与该第一端相对的第二端。该第二端的尺寸和形状被定为接收主轴，一中部在该第一端和第二端之间延伸，其中所述中部包括至少一个凹槽。插入物布置在各所述凹槽中，一外壳覆盖所述支撑件和所述插入物，其中该外壳由纤维强化复合材料制成。
Description
技术领域
本发明涉及自行车以及自行车曲柄臂。尤其是，本发明涉及复合自行车曲柄臂组件。
背景技术
曲柄臂是用于将踏板连接至自行车曲柄轴的部件，并用于将踏板力从踏板向链条传递。曲柄臂应具有高强度，从而防止由于来自踏板的重复负载而产生失效。另一方面，曲柄臂不应不必要地重，从而保持自行车尽可能轻。复合材料，通常已知为纤维强化塑料“FRP”(例如，基于碳和其它纤维的复合材料)在这方面是有利的，为现代自行车曲柄的制造提供了坚固且轻量的构造。然而，复合结构通常是昂贵的。
发明内容
一方面，本发明提供了一种混合曲柄臂，其利用全长度支撑件和复合封装来获得足够的强度。该支撑件装在曲柄臂的端部之间，并且在凹部填充有较低密度的插入物。该支撑件和插入物子组件随后被封装有复合材料并硬化(cured)以形成结构上结合的组件。
本发明的一个方面是包括支撑件的自行车曲柄臂。该支撑件包括尺寸和形状被定为接收踏板的第一端以及与该第一端相对的第二端。该第二端的尺寸和形状被定为接收主轴，一中部在该第一端和第二端之间延伸，其中该中部包括至少一个凹槽。插入物布置在凹槽中，一外壳覆盖所述支撑件和所述插入物，其中，该外壳由纤维强化复合材料制成，例如纤维强化塑料。
本发明的另一方面提供了一种自行车曲柄臂，其中该支撑件为单件结构。该中部可包括第一凸缘和与该第一凸缘间隔的第二凸缘，以及在该第一凸缘和第二凸缘之间延伸的连接部。该连接部可定位在所述曲柄臂的内侧和所述曲柄臂的外侧之间。该连接部可大致均等地定位在所述曲柄臂的内侧和所述曲柄臂的外侧之间。该连接部可定位为比起所述曲柄臂的内侧更接近所述曲柄臂的外侧。该外壳在所述曲柄臂的外侧可更薄。该外壳在第一端和第二端可比在所述第一端和第二端之间更薄。该支撑件可以是金属的。该支撑件可包括铝材料。该支撑件可包括非金属材料。该插入物可比所述支撑件密度低。该插入物可具有大约与凹槽相等的容积。该插入物可具有大于凹槽的容积。该插入物可以是发泡聚合物材料，例如聚氨酯泡沫。该插入物可以是蜡材料。该插入物可具有从大约0.1g/cm3至大约0.9g/cm3的密度。该插入物可具有大约0.3g/cm3的密度。
从下文结合附图对本发明的一个或多个实施方式的描述中，将更全面地理解本发明的这些和其它特征和优点。
附图说明
在附图中：
图1是根据本发明的曲柄臂的外部视图；
图2是根据本发明的曲柄臂的俯视图；
图3是根据本发明的一个实施方式的图1的曲柄臂的一部分的分解立体图；
图4是图1的曲柄臂沿着A-A线的纵截面图；
图5A-5C是沿着B-B线经过图1所示的横截面的曲柄臂的多个实施方式；
图6是图1的曲柄臂的横截面图，示出了沿着图1的B-B线的外壳的各层的定向；
图7是图1的曲柄臂的末端的局部截面图；
图8是沿着类似图1所示A-A的线的根据本发明的第二实施方式的曲柄臂的纵截面图；
图9是图8的曲柄臂沿着C-C线的横截面图；以及
图10是具有插入物的其他实施方式的曲柄臂的实施方式。
具体实施方式
在此将参考附图描述本发明的实施方式。此外，除非另有指示，在此使用的术语表示传统地安装至自行车、具有自行车定向并以标准方式使用的自行车部件。
图1-图4和图5A示出了根据本发明的一个实施方式的曲柄臂10。虽然示出的曲柄臂10是非驱动侧曲柄臂，但相同的构造可例如通过提供额外且已知的结构来将链条载体和/或链条安装于其上而用于自行车的驱动侧上。
曲柄臂10包括位于远端的第一端12和位于近端的第二端14，踏板可固定至该第一端，该第二端以传统方式将曲柄臂安装至主轴或类似物(未示出)。在本申请中，术语主轴应被看作是其上安装曲柄臂的底部支架的任何类型的轴或类似轴的元件。
图3示出了曲柄臂10的两个主要部件。曲柄臂10包括全长度支撑件16，其是刚性的主要内部元件，具有形成于其中的凹部或凹槽18。插入物20(其可以是较低密度的元件)布置在凹槽中。在该实施方式中，凹槽18形成在曲柄臂10的支撑件16的内侧22中，即，其中内侧是当安装在主轴上时曲柄臂面向自行车车架的一侧。本发明也考虑了相反构造，其中，凹槽18形成在外侧23上。
图4、图5A-5C和图10示出了本发明的一个实施方式的曲柄臂10的截面(分别是纵截面和横截面)。三个主要部件形成了曲柄臂10的结构。这些部件是支撑件16、插入物20和外壳24。
支撑件16具有三个主要部分。第一端12包括螺纹开口28。螺纹开口28的尺寸和形状被定为接收踏板的螺纹(未示出)。与第一端12相对的第二端14的尺寸和形状被定为接收主轴(未示出)。例如，第二端14可包括设有花键32或类似物的开口，用于将曲柄臂10固定至主轴。花键32的精确构造取决于作为已知部件的主轴的构造。
在第一端12和第二端14之间延伸的是中部34，其可以是肋或梁的形式。中部34包括第一凸缘36、第二凸缘38和连接部40，该连接部40可以是在第一凸缘和第二凸缘之间延伸的腹板的形式。
中部34总体上可以是“C”形。当被安装至自行车的主轴上时，连接部40可被定向至曲柄臂10的外侧23，即，背向自行车车架。如果连接部40定向至曲柄臂10的外侧，则凹槽18形成在中部34的内侧22且向其开口。
替代地，连接部40可定向至曲柄臂的内侧22。如果连接部40定向至曲柄臂10的内侧22，则凹槽18形成在中部34的外侧23且向其开口。
在图8和9中所示的另一个实施方式中，连接部40可总体上在中部定位，即，在内侧22和外侧23之间基本均等间隔，并且限定了内侧凹槽18A和外侧凹槽18B。内侧凹槽18A和外侧凹槽18B均可包括布置在其中的相应插入物20A、20B。在该实施方式中，外壳24在曲柄臂10的内侧22和外侧23上的厚度可以相同。
多种材料可用于支撑件16。该支撑件16可由金属材料形成且使用例如锻造或铸造的方法制造。铝及其合金由于低重量和高强度是特别好的选择。在例如由铝合金形成支撑件16的实施方式中，第一端12、第二端14和中部34形成为单件，即单件构造。支撑件16的其它合适的材料包括钢、钛、钪、铍、镁和其它类似的合适材料、合金及其组合。
支撑件16的中部34可由短切纤维强化复合材料，通过任何适于所期望材料的工艺制成，例如团状模塑料(BMC)或片状模塑料(SMC)。在该实施方式中，第一端12和第二端14可以是独立金属插入物，其结合至和/或机械互锁于复合中部34或由纤维强化复合材料或塑料材料制成，如本领域已知的。
支撑件16可以被设计为使得通过其自身不能在结构上支持施加至典型曲柄臂的负载，从而最小化支撑件的重量。比起更传统的复合曲柄构造，支撑件16允许较少的复合材料用于外壳24中，这降低了制造本发明的曲柄臂10的整体成本。
在第一端12和第二端14之间的支撑件16(即中部34)在一个实施方式中可以形成为“C”形，且其壁厚可小于大约三(3)毫米以最小化重量。图5A-5C中示出了“C”形支撑件16。
中部34的连接部40的壁厚可以是大约1.5-2毫米，并且上、下凸缘36、38例如可大于大约1.5毫米，至大约3毫米。应理解的是，不同部分的精确厚度将至少部分取决于用于该部分的材料和制造工艺。在一个示例中，支撑件16可被锻造且进一步机加工为比当前锻造工艺允许的更薄的壁厚。支撑件16和结合的复合外壳24的组合的尺寸和形状被定为产生封闭部分，该封闭部分将承受使用中出现的负载。
插入物20在以上图5A所示的实施方式中是“D”形的，且可以是预制的元件。换句话说，插入物20可被制造为其最终形状且随后定位在支撑件16的凹槽18中。在该实施方式中，插入物20的形状和尺寸可以为填充或轻微过度填充凹槽18。插入物20的形状和尺寸可以是几乎填充凹槽18。插入物20主要用于使用低密度材料填充由凹槽18限定的曲柄臂的中部，以降低曲柄臂整体重量。插入物20还可被构造为在硬化工艺期间提供巩固相邻的形成外壳24的外侧复合材料所需的必要支撑。以这种方式，可以控制曲柄臂10的精确最终形状，并且在制造期间支撑外壳24的插入物20的功能是可预测的。
图5B和5C以及图10示出了具有一个或多个空隙或凹部50的插入物20。该凹部50可对凹槽18开口，使得外壳24被支撑。凹部50可以是圆的或非圆的，并且可具有横向或非横向对齐的纵轴。
插入物20的材料可包括很多种材料，但是聚氨酯泡沫是一种优选材料，因为它可被容易地铸造成网状形状并且密度低。可以使用其它类型的泡沫，例如聚甲基丙烯酰亚胺。另一示例是基于聚合体的蜂窝材料。插入物20还可由更坚固的材料制成，例如蜡或低熔点金属合金。在一些实施方式中，在被外壳24围绕着封装且硬化之后(这留下了以凹槽18形式的中空空隙)插入物20可被移除。聚氨酯泡沫作为插入物材料是有益的，因为它可被制得比凹槽18稍大，以提供对外壳24的支撑并将根据需要压缩。蜡插入物当被加热时将轻微膨胀，从而以相同方式提供支撑。
当前，大约0.1g/cm3-0.9g/cm3(其中，“g”是克，且“cm”是厘米)的密度对于插入物20是希望的。大约0.3g/cm3的密度是优选的。泡沫体密度可以低至0.03g/cm3。如果插入物20是可移除的，如在蜡的示例中，密度可以更高，而没有由于更高重量的负面效应。类似于蜂窝结构，本发明考虑到肋状结构，该肋状结构在面对外壳的一侧具有外皮。
支撑件/插入物子组件16、20覆盖有纤维强化复合材料，例如FRP，以形成覆盖大部分子组件的复合外壳24。在示出的实施方式中，壳24覆盖曲柄臂10外侧的大部分。在其它实施方式中，壳24可覆盖曲柄臂10的全部外表面或曲柄臂的小部分。组件16、20、24随后硬化到一起以形成结构上结合的曲柄臂10。结果是，廉价地制成了更轻重量的复合曲柄。
纤维强化树脂的不同形式或组合可被用于构造复合外壳24。本发明考虑了单向的或编织的“预浸料坯”(“预浸渍的”复合纤维)，从而具有能够控制纤维方向和树脂含量的优点，但是还可以使用例如片状模塑料(SMC)或团状模塑料(BMC)的材料。用于在复合材料中的纤维材料可包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶和其它适用纤维中的一种或多种。
正如在图5A-5C中可见的，复合壳在与支撑件“C”形部的连接部40邻接的区域中可以更薄，因为支撑件局部通过其自身提供了重要结构。复合材料的厚度在端部12、14可以降低，如图7中所示，因为端部12、14的结构提供了大量的支撑。在结构上，在曲柄臂10的端部12、14处有更少量的负载，从而复合壳的厚度可局部降低以节约额外的材料。更少的复合材料也降低了手动接合时间，其进一步降低了制造成本。
复合外壳24最初由多层未硬化的纤维强化树脂制成。这些层可被策略性地彼此、并与支持元件16的“C”形截面几何形状重叠，以实现更为结构化的互相连接。支撑件16和复合外壳24之间的大接触区域最大化了纤维强化树脂的结合区域，从而提供给支撑件极佳的结构连接。
参见图6，外壳24可由两个主要层形成，内壳层44抵靠插入物20和上、下凸缘36、38而覆盖并跨越内侧22，外壳层46抵靠中部34和覆盖并跨越上、下凸缘36、38的内壳层的一些部分而覆盖外侧23。内壳层44和外壳层46均可由多层FRP材料制成。在一个实施方式中，外壳层46比内壳层44具有更少层的FRP材料。
虽然通过参考特定实施方式描述了本发明，但应理解的是，可在上述本发明概念的精神和范围内进行多种改变。因此，本发明并不限于公开的实施方式，而是具有通过所附权利要求书的语言允许的全部范围。
Claims (22)
1.一种自行车曲柄臂，该自行车曲柄臂包括：
支撑件，该支撑件包括：
尺寸和形状被定为接收踏板的第一端，
与所述第一端相对的第二端，该第二端的尺寸和形状被定为接收主轴，以及
在所述第一端和第二端之间延伸的中部，该中部包括：至少一个凹槽，在所述第一端和第二端之间延伸的第一凸缘，与所述第一凸缘间隔的在所述第一端和第二端之间延伸的第二凸缘，以及在所述第一凸缘和第二凸缘之间以及所述第一端和第二端之间延伸的连接部，所述第一凸缘、所述第二凸缘和所述连接部形成了所述至少一个凹槽的侧面；
布置在所述至少一个凹槽中的插入物；以及
覆盖所述支撑件和插入物的外壳，该外壳由纤维强化复合材料制成并包括覆盖所述自行车曲柄臂的外侧的外壳层和覆盖所述自行车曲柄臂的内侧的内壳层。
2.如权利要求1所述的自行车曲柄臂，其中，所述支撑件是单件构造。
3.如权利要求1所述的自行车曲柄臂，其中，所述外壳包括纤维强化塑料材料，该纤维强化塑料材料包括碳纤维、玻璃纤维和芳纶中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的自行车曲柄臂，其中，所述连接部的横截面是基本上“C”形和基本上“I”形中的一种。
5.如权利要求1所述的自行车曲柄臂，其中，所述连接部定位在所述曲柄臂的所述内侧和所述曲柄臂的所述外侧之间。
6.如权利要求5所述的自行车曲柄臂，其中，所述连接部大致均等地定位在所述曲柄臂的所述内侧和所述曲柄臂的所述外侧之间。
7.如权利要求1所述的自行车曲柄臂，其中，所述连接部定位为比起所述曲柄臂的所述内侧更接近所述曲柄臂的所述外侧。
8.如权利要求7所述的自行车曲柄臂，其中，所述外壳在所述曲柄臂的所述外侧上比在所述曲柄臂的所述内侧上更薄。
9.如权利要求1所述的自行车曲柄臂，其中，所述连接部定位为比起所述曲柄臂的所述外侧更接近所述曲柄臂的所述内侧。
10.如权利要求9所述的自行车曲柄臂，其中，所述外壳在所述曲柄臂的所述内侧上比在所述曲柄臂的所述外侧上更薄。
11.如权利要求1所述的自行车曲柄臂，其中，比起邻近所述中部的所述外壳，所述外壳在所述曲柄臂的所述第一端和第二端处更薄。
12.如权利要求1所述的自行车曲柄臂，其中，所述支撑件是金属的。
13.如权利要求12所述的自行车曲柄臂，其中，所述支撑件包括铝材料。
14.如权利要求1所述的自行车曲柄臂，其中，所述支撑件包括非金属材料。
15.如权利要求1所述的自行车曲柄臂，其中，所述插入物比所述支撑件密度低。
16.如权利要求1所述的自行车曲柄臂，其中，所述插入物的体积基本上等于所述至少一个凹槽的体积。
17.如权利要求1所述的自行车曲柄臂，其中，所述插入物的体积大于所述至少一个凹槽的体积。
18.如权利要求1所述的自行车曲柄臂，其中，所述插入物是发泡聚合物材料。
19.如权利要求18所述的自行车曲柄臂，其中，所述插入物是聚氨酯泡沫。
20.如权利要求1所述的自行车曲柄臂，其中，所述插入物是蜡或金属材料。
21.如权利要求15所述的自行车曲柄臂，其中，所述插入物的密度在0.03g/cm3至0.9g/cm3之间。
22.如权利要求21所述的自行车曲柄臂，其中，所述插入物的密度为0.3g/cm3。
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