CN106427391A - 碳纤维轮圈的制造方法及其结构 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种碳纤维轮圈的制造方法及其结构，先将基材加热到可塑温度再经挤压成型以得所需形状的长条体，该长条体包括两侧壁、一连接于所述侧壁相对端面间的连接壁，及一连接于所述侧壁径向内侧边缘间的内环壁，使两侧壁、连接壁、以及内环壁之间框围出一空间；接着将长条体的两端接合成圆圈形状以形成轮圈骨架胚体，并进行铣削，使轮圈骨架胚体的两侧壁或两侧壁及内环壁上具有多个透孔且成为轮圈骨架，之后对轮圈骨架表面施以粗糙化工序，再于轮圈骨架粗糙表面披覆经裁切为预设形状的碳纤维布材，并予以加热定型，最后进行表面处理后即得一重量轻且结构强度佳的碳纤维轮圈。

Description

碳纤维轮圈的制造方法及其结构

技术领域

本发明是关于一种碳纤维轮圈的制造方法及其结构，尤其是指一种在铣削有多个透孔的轮圈骨架胚体表面披覆碳纤维布材，以借此得到一结构强度佳但重量轻盈的轮圈。

背景技术

自行车的使用除了作为基本的代步交通工具之外，更兼具有休闲、运动等复合功能。加上研发能力的提升与科技的进步，自行车的外观、骑乘舒适感、车身强度、重量、速度等皆成为开发重点；尤其对于专业级竞技比赛用的自行车而言，骑乘舒适感、车身强度、重量、速度绝对是车手追求的目标。

为了让自行车朝向轻量化结构的方向发展，近年来已发展出以碳纤维所制成的轮圈来取代传统的金属轮圈，以有效减轻自行车整体重量。

传统的碳纤维轮圈的成型技术，是先设置一环状囊袋，并对囊袋内部充气使囊袋鼓起，再于囊袋外表面依序贴覆多层的碳纤维布材，其中碳纤维布材贴覆的层数是依据轮圈所需要的结构强度而改变，通常供辐条组设的面需要较高的结构强度，因此贴覆的碳纤维布材的层数约为7层，而轮圈其他部位的结构强度需求略低，故贴覆的碳纤维布材的层数约为5层；然而，由于该传统的碳纤维轮圈必须通过多层的碳纤维布材层层依序贴覆，因此在制作施工上相当费时、费工；此外贴覆时必须注意相邻的上、下层碳纤维布材间是否有残留空气，若残留空气将使相邻的上、下层碳纤维布材之间无法完全平整贴覆，产生局部突出的瑕疵品，所以传统的制作方式使碳纤维轮圈的不合格率无法有效降低；而且碳纤维布材本身的售价高昂，贴覆多层的所需的材料成本也相对增加；而上述这些原因都是造成碳纤维轮圈售价不亲民的重要因素。

另，如中国台湾专利TW I308527 B“自行车轮圈的制造方法”，该制造方法是先将多层碳纤维预浸材进行叠置以成型出一轮圈初胚。将该轮圈初胚放置入一模具中，并依三阶段程序对该轮圈初胚进行充气，迫使该轮圈初胚外表面完全紧密贴合该模具内模面，同时配合加热程序，以成型出一轮圈成胚；最后，使该轮圈成胚依序进行热烘定型与表面加工，以制得一碳纤维自行车轮圈成品。此一制造方法，同样仍然存在着传统碳纤维轮圈制作时的缺失，即需要5～7层的碳纤维预浸材制作费时、费工、材料成本高、贴覆时须注意相邻两层之间是否产生气泡、无法降低不合格率。

再者，单纯以碳纤维所制成的轮圈虽在重量上达到轻量化的优良效果，但是却没有办法确实满足结构强度的需求，而容易变形。

因此，后来便有自行车相关业者进一步开发自行车轮圈结构，如中国台湾专利TW 200950990 A号“自行车轮圈的制造方法及其结构”，该自行车轮圈的制造方法包括：

A、成型，将金属材料成型为一管体；

B、接合，将成型后的管体的两端接合；

C、整圆，将接合后的管体予以整型成一轮圈；

D、钻孔，于该轮圈钻设多个辐条结合孔；

E、钻设减重孔，于该轮圈钻设多个减重孔；

F、表面处理，进行该轮圈的毛边修整及抛光处理；

G、披覆碳纤维，于所述减重孔与该轮圈的表面披覆碳纤维，以将所述减重孔的开口密封，借此，即成一轮圈结构。

然而，就该TW 200950990 A号专利的轮圈仅是在对应减重孔处对应填覆遮蔽减重孔的碳纤维，且碳纤维仅以周缘与减重孔周缘衔接，因此，提升该轮圈的整体强度的效果上并不明显。

发明内容

本发明的目的，是提供一种碳纤维轮圈的制造方法及其结构，主要是在轮圈轻量化的前提下，能同时兼具有良好的结构强度，并且具有制造省时、省工、降低成本的碳纤维轮圈的制造方法及其结构。

上述本发明的主要目的与功效，是由以下具体技术手段所达成：

一种碳纤维轮圈的制造方法，其步骤包括：

A、成型金属材质长条体，是将金属基材加热到可塑温度再经挤压成型以得到所需形状的长条体，该长条体包括两侧壁、一连接于两所述侧壁相对端面间的连接壁，及一连接于两所述侧壁径向内侧边缘间的内环壁，使两侧壁、连接壁、以及内环壁之间框围出一空间；

B、接合长条体的两端，将成型后的长条体两端接合成圆圈形状以形成轮圈骨架胚体；

C、铣削透孔与辐条结合孔，于轮圈骨架胚体上铣削多个透孔与多个辐条结合孔以形成轮圈骨架；所述辐条结合孔铣削成型于所述内环壁上，每一所述辐条结合孔不与任一所述透孔对应设置，且是位于两两所述透孔之间的所述内环壁上，每一所述辐条结合孔中设有辐条结合件；

D、表面粗糙处理，对完成铣削所述透孔与所述辐条结合孔的所述轮圈骨架进行表面粗糙处理，以增加所述轮圈骨架的表面粗糙度；

E、披覆碳纤维布材，将所述碳纤维布材裁切为预设形状后，再披覆于所述轮圈骨架表面，且披覆同时一并覆盖所述透孔；

H、加热定型，将表面已披覆所述碳纤维布材的所述轮圈骨架置于一模具内，并予以加热定型以在所述轮圈骨架表面形成一碳纤维层，并据此成为碳纤维轮圈半成品；

F、表面处理，对完成表面披覆所述碳纤维布材的所述碳纤维轮圈半成品进行表面处理，以制得一自行车碳纤维轮圈成品。

如上所述的碳纤维轮圈的制造方法，其中，所述金属基材采用铝合金或镁合金制成。

如上所述的碳纤维轮圈的制造方法，其中，所述表面处理包括对所述碳纤维轮圈半成品进行表面抛光工序与喷涂保护层工序。

如上所述的碳纤维轮圈的制造方法，其中，披覆于所述轮圈骨架的所述碳纤维布材的层数为1～2层。

如上所述的碳纤维轮圈的制造方法，其中，位于相邻的两所述辐条结合孔之间的所述内环壁呈往所述连接壁方向弧形凹设，或是位于相邻的两所述辐条结合孔之间的所述内环壁呈往远离所述连接壁方向弧形凸设。

如上所述的碳纤维轮圈的制造方法，其中，所述轮圈骨架上另外铣削多个贯穿槽，所述贯穿槽位于所述连接壁上方的所述侧壁上，并且与每一所述透孔位置对应。

如上所述的碳纤维轮圈的制造方法，其中，所述透孔沿着所述轮圈骨架胚体的两侧壁以预设间隔铣削设置，或是所述透孔沿着所述轮圈骨架的两侧壁及所述内环壁以预设间隔铣设，使每一个所述透孔范围包括两所述侧壁及所述内环壁。

一种碳纤维轮圈的结构，由上述方法所制得，所述碳纤维轮圈包括：一轮圈骨架与一披覆于所述轮圈骨架表面的碳纤维层；所述轮圈骨架包括两侧壁、一连接于两所述侧壁相对端面间的连接壁、一连接于两所述侧壁径向内侧边缘间的内环壁、以及多个透孔与多个辐条结合孔，使两侧壁、连接壁、以及内环壁之间框围出一空间；所述辐条结合孔铣削成型于所述内环壁上，每一所述辐条结合孔不与任一所述透孔对应设置，且是位于两两所述透孔之间的所述内环壁上，每一所述辐条结合孔中设有辐条结合件；所述碳纤维层披覆于所述轮圈骨架表面之外也同时一并覆盖所述透孔，并穿过所述辐条结合件固定所述碳纤维层披覆位置。

本发明的优点为：

1、铣削的透孔沿着轮圈骨架的两侧壁或包括两侧壁与连接壁以预设间隔设置，故能通过该些透孔于将辐条结合件安装于辐条结合孔时更为容易、便利。

2、该辐条结合件是在轮圈骨架表面披覆成型碳纤维层之前即已安置完成，因此在披覆成型碳纤维层时，可先在碳纤维布材上钻设孔洞，以供对应套设凸出轮圈骨架的辐条结合件，方便碳纤维布材的披覆定位。

3、本发明的金属材质轮圈骨架通过该些透孔的铣削，能将轮圈骨架的重量减至最轻，另外通过在轮圈骨架的表面披覆成型碳纤维层，能提升成型后的轮圈成品的结构强度，使该碳纤维轮圈兼具重量轻、结构强度佳的优点。

4、本发明的碳纤维轮圈先以金属材为轮圈骨架，再于轮圈骨架表面贴覆碳纤维布材，因此，可大幅减少贴设碳纤维布材的层数，缩减碳纤维布材的使用量，而达到降低制造成本的效果。

5、本发明的碳纤维轮圈因能大幅减少贴设碳纤维布材的层数，因此在制作所需花费的工时及工序也能缩短，使制作流程加快，提高产能。

6、又因为本发明的碳纤维轮圈大幅减少贴设碳纤维布材的层数，因此因减少在贴覆碳纤维布材时气泡的产生几率，进而相对提高产品合格率。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1揭示本发明的碳纤维轮圈的制作流程示意图；

图2揭示本发明的轮圈骨架胚体的径向剖面示意图；

图3揭示本发明的轮圈骨架其中一段的立体示意图；

图4揭示本发明的轮圈骨架其中一段并于辐条结合孔中设辐条结合件的立体示意图；

图5揭示本发明的轮圈骨架其中一段与碳纤维布材的立体分解示意图；

图6揭示本发明的碳纤维轮圈成品其中一段的立体示意图；

图7是图6的A-A处剖视图；

图8图6的B-B处剖视图；

图9揭示本发明的轮圈骨架第二实施例的其中一段的立体示意图；

图10揭示本发明的轮圈骨架第三实施例的其中一段的立体示意图。

主要元件标号说明：

1 侧壁 2 连接壁

3 内环壁 4 透孔

5 辐条结合孔 6 辐条结合件

7 贯穿槽 10 轮圈骨架

20 碳纤维布材 30 碳纤维层

具体实施方式

为使本发明所运用的技术内容、发明目的及其达成的功效有更完整且清楚的揭露，现于下详细说明之，并请一并参阅所揭的附图及图号：

请参看图1，其是本发明的碳纤维轮圈的制造方法的较佳实施例的制造流程示意图。本发明的碳纤维轮圈的制造方法，其步骤包括：

A、成型金属材质长条体，将金属基材加热到可塑温度再经挤压成型以得到所需形状的长条体(以下请一并参看图2)，该长条体包括两侧壁1、一连接于两所述侧壁1相对端面间的连接壁2，及一连接于两所述侧壁1径向内侧边缘间的内环壁3，使两侧壁1、连接壁2、以及内环壁3之间框围出一空间；

B、接合长条体的两端，将成型后的长条体两端接合成圆圈形状以形成轮圈骨架胚体；

C、铣削透孔4与辐条结合孔5(请参看图3)，于轮圈骨架胚体上铣削多个透孔4与多个辐条结合孔5以形成轮圈骨架10，该些透孔4可以如图3～图5所示沿着轮圈骨架胚体的两侧壁1及内环壁3以预设间隔铣削成型，使每一个透孔4范围包括两侧壁1及内环壁3，或者说透孔4与铣削后的内环壁3交错设置；该些辐条结合孔5铣削成型于内环壁3上，且辐条结合孔5与透孔4交错设置，使每一辐条结合孔5的两旁皆与透孔4相邻，每一辐条结合孔5中设有辐条结合件6(如图4所示)；

D、表面粗糙处理，对完成铣削透孔4与辐条结合孔5的轮圈骨架10进行表面粗糙处理，以增加轮圈骨架10的表面粗糙度；

E、披覆碳纤维布材(参看图5)，将碳纤维布材20裁切为预设形状后，再披覆于轮圈骨架10表面，且披覆同时一并覆盖透孔4，并穿过辐条结合件6以固定碳纤维布材20的披覆位置，例如披覆于轮圈骨架10的碳纤维布材20的层数为1～2层，碳纤维布材20的形状为能包覆轮圈骨架10的任何形状，对其具体形状本发明不加以限制；

F、加热定型，将表面已披覆碳纤维布材20的轮圈骨架10置于一模具内，并予以加热定型以在轮圈骨架10表面形成一碳纤维层30，并据此成为碳纤维轮圈半成品；

G、表面处理，将完成表面披覆碳纤维布材20的碳纤维轮圈半成品进行如喷涂保护层及抛光等工序的表面处理，即能制得一碳纤维轮圈成品(参看图6～图8)。

另外，本发明的碳纤维轮圈的制造方法的第二较佳实施例进一步在步骤C增加铣削多个贯穿槽7，该些贯穿槽7位于连接壁2上方的侧壁1上，并且与每一透孔4位置对应(请参看图9)。

又，本发明的碳纤维轮圈的制造方法的第三较佳实施例是改变在步骤C铣削透孔4的位置，即本实施例沿着轮圈骨架胚体的两侧壁1以预设间隔铣削成型透孔4(请参看图10)，或者说透孔4贯穿两侧壁1，内环壁3和连接壁2分别位于透孔4的相对两侧；该些辐条结合孔5铣削成型于内环壁3上，每一辐条结合孔5不与任一透孔4对应设置，且是位于两两(或相邻两)透孔4之间的内环壁3上，同时位于每一(或相邻的两)辐条结合孔5之间的内环壁3呈往连接壁2方向弧形凹设；当然，位于每一(或相邻的两)辐条结合孔5之间的内环壁3也可以被设计为呈往远离连接壁2方向弧形凸设。

如本发明的碳纤维轮圈的制造方法的第一、第二及第三较佳实施例中，所述金属基材是采用铝合金或镁合金制成。其中，镁合金为活泼性高的金属，容易氧化，因此无法长期暴露在大气中，于其表面披覆碳纤维布材使之形成碳纤维层，可防止镁合金氧化，更增加产品的耐用性。

而由上述本发明的碳纤维轮圈的制造方法所制成的碳纤维轮圈的结构，其包括：一轮圈骨架10与一披覆于轮圈骨架10表面的碳纤维层30；轮圈骨架10包括两侧壁1、一连接于两所述侧壁1相向端面间的连接壁2、以及一连接于两所述侧壁1径向内侧边缘间的内环壁3，使两侧壁1、连接壁2、以及内环壁3之间框围出一空间，以及多个透孔4与多个辐条结合孔5，该些透孔4沿着轮圈骨架10的两侧壁1以预设间隔铣削设置；该些辐条结合孔5铣削成型于内环壁3上，每一辐条结合孔5不与任一透孔4对应设置，且是位于两两(或相邻两)透孔4之间的内环壁3上；碳纤维层30披覆于轮圈骨架10表面之外也同时一并覆盖透孔4。再者，位于每一辐条结合孔5之间的内环壁3呈往连接壁2方向弧形凹设；当然，位于每一辐条结合孔5之间的内环壁3也可以被设计为呈往远离连接壁2方向弧形凸设。

而由上述本发明的碳纤维轮圈的制造方法所制成的另一碳纤维轮圈的结构，其与上述碳纤维轮圈的结构的差异在于：该些透孔4是沿着两侧壁1及内环壁3以预设间隔铣设，使每一个透孔4范围包括两侧壁1及内环壁3；该些辐条结合孔5铣削成型于内环壁3上，且辐条结合孔5与透孔4交错设置，使每一辐条结合孔5的两旁皆与透孔4相邻。

又，在轮圈骨架10上另外铣削多个贯穿槽7，该些贯穿槽7位于连接壁2上方的侧壁1上，并且与每一透孔4位置对应(请参看图9)。

而且，本发明的轮圈骨架10采用铝合金或镁合金制成。

<实施例>

取一铝合金基材加热到可塑温度再经挤压成型得到宽25mm、高29mm的长条体，该长条体包括两侧壁1、一连接于两所述侧壁1相对端面间的连接壁2，及一连接于两所述侧壁1径向内侧边缘间的内环壁3，使两侧壁1、连接壁2、以及内环壁3之间框围出一空间；上述所称的“宽”是指两侧壁1之间的距离，所称的“高”是指侧壁1的底端至顶端的距离。接着将长条体两端接合成圆圈形状以形成轮圈骨架胚体，于轮圈骨架胚体上铣削多个包括两侧壁1及内环壁3的透孔4与多个铣削成型于内环壁3上的辐条结合孔5，且辐条结合孔5与透孔4交错设置，借此形成轮圈骨架10，每一辐条结合孔5中设有辐条结合件6；接着对轮圈骨架10进行表面粗糙处理，并将裁切为预设形状的碳纤维布材20以一并覆盖透孔4的方式披覆于轮圈骨架10表面，碳纤维布材20披覆的层数为1层，最后将之置于一模具内并加热定型成为碳纤维轮圈半成品，待经表面处理后即得碳纤维轮圈成品。

将上述实施例所完成的碳纤维轮圈与传统贴附有7层碳纤维布材所形成的碳纤维轮圈经制作工时、重量、EN路跑测试、EN耐用度测试等项目进行测试，结果如表1所示：

表1

	本发明	传统
			制作工时	20分	70分
重量	360g	380g
			EN路跑测试	约8100公里	约6000公里

由表1可知，以本发明的方法所制作完成的内具有轮圈骨架的碳纤维轮圈与传统由碳纤维布材逐层披覆贴设的碳纤维轮圈相比，本发明在制作工时上缩短很多，而且整体重量又轻于传统碳纤维轮圈，在EN路跑测试中，本发明的碳纤维轮圈比传统碳纤维轮圈多出2100公里，整体上本发明的碳纤维轮圈在EN耐用度测试上比传统碳纤维轮圈增加30％。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。而且需要说明的是，本发明的各组成部分并不仅限于上述整体应用，本发明的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合起来使用，因此，本发明理所当然地涵盖了与本案发明点有关的其它组合及具体应用。

Claims (10)

1.一种碳纤维轮圈的制造方法，其特征在于，所述碳纤维轮圈的制造方法的步骤包括：

A、成型金属材质长条体，将金属基材加热到可塑温度再经挤压成型以得到所需形状的长条体，所述长条体包括两侧壁、一连接于两所述侧壁相对端面间的连接壁，及一连接于两所述侧壁径向内侧边缘间的内环壁，使两所述侧壁、所述连接壁、以及所述内环壁之间框围出一空间；

B、接合长条体的两端，将成型后的所述长条体两端接合成圆圈形状以形成轮圈骨架胚体；

C、铣削透孔与辐条结合孔，于所述轮圈骨架胚体上铣削多个透孔与多个辐条结合孔以形成轮圈骨架；所述辐条结合孔铣削成型于所述内环壁上，每一所述辐条结合孔不与任一所述透孔对应设置，且是位于两两所述透孔之间的所述内环壁上，每一所述辐条结合孔中设有辐条结合件；

D、表面粗糙处理，对完成铣削所述透孔与所述辐条结合孔的所述轮圈骨架进行表面粗糙处理，以增加所述轮圈骨架的表面粗糙度；

E、披覆碳纤维布材，将所述碳纤维布材裁切为预设形状后，再披覆于所述轮圈骨架表面，且披覆同时一并覆盖所述透孔；

H、加热定型，将表面已披覆所述碳纤维布材的所述轮圈骨架置于一模具内，并予以加热定型以在所述轮圈骨架表面形成一碳纤维层，并据此成为碳纤维轮圈半成品；

F、表面处理，对完成表面披覆所述碳纤维布材的所述碳纤维轮圈半成品进行表面处理，以制得一自行车碳纤维轮圈成品。

2.如权利要求1所述的碳纤维轮圈的制造方法，其特征在于，所述透孔沿着所述轮圈骨架胚体的两所述侧壁以预设间隔铣削成型；或是，所述透孔沿着所述轮圈骨架胚体的两所述侧壁及所述内环壁以预设间隔铣削成型，使每一个所述透孔范围包括两所述侧壁及所述内环壁。

3.如权利要求1或2所述的碳纤维轮圈的制造方法，其特征在于，所述金属基材采用铝合金或镁合金制成。

4.如权利要求1或2所述的碳纤维轮圈的制造方法，其特征在于，所述表面处理包括对所述碳纤维轮圈半成品进行表面抛光工序与喷涂保护层工序。

5.如权利要求1或2所述的碳纤维轮圈的制造方法，其特征在于，披覆于所述轮圈骨架的所述碳纤维布材的层数为1～2层。

6.如权利要求1或2所述的碳纤维轮圈的制造方法，其特征在于，位于相邻的两所述辐条结合孔之间的所述内环壁呈往所述连接壁方向弧形凹设；或是，位于相邻的两所述辐条结合孔之间的所述内环壁呈往远离所述连接壁方向弧形凸设。

7.如权利要求6所述的碳纤维轮圈的制造方法，其特征在于，所述轮圈骨架上另外铣削多个贯穿槽，所述贯穿槽位于所述连接壁上方的所述侧壁上，并且与每一所述透孔位置对应。

8.如权利要求5所述的碳纤维轮圈的制造方法，其特征在于，所述轮圈骨架上另外铣削多个贯穿槽，所述贯穿槽位于所述连接壁上方的所述侧壁上，并且与每一所述透孔位置对应。

9.如权利要求1或2所述的碳纤维轮圈的制造方法，其特征在于，所述轮圈骨架上另外铣削多个贯穿槽，所述贯穿槽位于所述连接壁上方的所述侧壁上，并且与每一所述透孔位置对应。

10.一种碳纤维轮圈的结构，其特征在于，所述碳纤维轮圈的结构由如权利要求1至9任一项所述的方法所制得，所述碳纤维轮圈包括：一轮圈骨架与一披覆于所述轮圈骨架表面的碳纤维层；所述轮圈骨架包括两侧壁、一连接于两所述侧壁相对端面间的连接壁、一连接于两所述侧壁径向内侧边缘间的内环壁、以及多个透孔与多个辐条结合孔，使两所述侧壁、所述连接壁、以及所述内环壁之间框围出一空间；所述辐条结合孔铣削成型于所述内环壁上，每一所述辐条结合孔不与任一所述透孔对应设置，且是位于两两所述透孔之间的所述内环壁上，每一所述辐条结合孔中设有辐条结合件；所述碳纤维层披覆于所述轮圈骨架表面之外也同时一并覆盖所述透孔，并穿过所述辐条结合件固定所述碳纤维层披覆位置。