CN1143010A - 复合材料自行车架制造方法 - Google Patents

Abstract

一种复合材料自行车架的制造方法，包括：(a)以热硬化纤维合成树脂的预浸材料于一心模上叠层以个别形成后叉的左、右叉，再将已叠层完成的左、右叉个别入模加热硬化成型；(b)以热硬化纤维合成树脂的预浸材料叠层形成各中空的前车架部分；(c)将已硬化成型的后叉的左、右叉以预浸材料搭接缠绕在前述沿未硬化的前车架部分，再入模加热共硬化形成一体的车架。

Description

复合材料自行车架制造方法

本发明系有关复合材料自行车架制造方法，尤其系有关单壳薄片型复合材料自行车架的制造方法。

传统钻石型自行车架，不论是金属车架碳纤维接头式车架或一体成型碳纤维车架其造型不外乎由八支独立圆管利用焊接、胶合硬化等方法结合成前三角及后三角的结构。其中“头管”为连接车手把及前轮机构，“座管”则连接座垫垂直至脚踏板轴，“上管”连接头管及座管下缘，这些则形成车架前三角部分。“后上叉”则连接座管上缘及后轮轴勾爪，“后下叉”则连接座管下缘及后轮轴勾爪，形成车架后三角部分。不论是金属车架，碳纤维接头式车架或一体成型碳纤维车架，如此多接点的钻石型车架，需要繁复焊接或胶合手续，例如：不同尺寸车管的接合技术、接合品质控制、复杂加工程序等，因此在接合多个结构元件时，不仅在制造上耗时，在成本上也偏高。

为了解决上述钻石型自行车架因造型而产生的加工制程与成本的困扰，乃有所谓薄片单壳造型(Legal type)之自行车架，又因其造型流线新潮，打破传统车架造型模式，如前三角造型由三角形改为Y字型、T字型、V字型、Z字型等，后三角由原来的后上叉、后下叉改为仅有后上叉或后下叉，亦有整车架具有“X”造型、“十”字型、“Z”字型、“山”字型等。其由于“连接管件”的变少，相对地使尺寸也必须变粗。

一九八九年七月二十五日颁给Brent J.Trimble之美国专利第4850607号(USP No.4850607)揭示有复合材料自行车架及其制造方法，其车架虽以复合材料制造而成，但其造型仍未脱离已知钻石型车架具有前三角与后三角的造型，而且其制造方法是使整个车架一次一体形成。该种将自行车架以复合材料一次一体成型的制造方法虽具有不需焊接、接著剂接合成毗邻的接合点，且较传统金属车架更轻的优点；但其制造上所用的模具乃因而相当复杂、厚重庞大且加工成型周期长、量产性低。而且其接头管件、搭接位置多，叠层较费时，量产性低。再者其造型与传统钻石型车架相同，风阻系数大；且因是成钻石型车架造型使垂直刚性太大，而使骑乘者感受到座管所传来的震动，舒适性较差。再者，其下叉为避开链条的传动路径，设计空间较小。

一九九0年二月二十日亦颁给Brent J.Trimble的美国专利第4902458号所揭示的“复合自行车架的模造方法”为前述美国专利第4850607号的部分接续案；其揭露一种以例如结构纤维强化热硬化合成树脂的复合材料模造大致中空的自行车架零件或总成的方法。其整个车架可以连结成一整体。其虽建议在以复合材料所卷绕尚未硬化的壳体中空内部置入吹气袋(inflatable bladder)以便于该尚未硬化的壳体入模加热硬化时，得藉外部吹胀该气袋以提高复合材料车架的制造精度与品质；但其车架形状仍为传统钻石型车架，其模具庞大复杂且加工困难。此外，其车架因传统钻石型车架的垂直刚性过大，而使骑乘舒适性不佳。

一九八九年十二月二十六日颁予Brent J.Trimble的美国专利第4888355号系为前述美国第4902458号的部分接续案，其揭示一种复合材料自行车架及其制造方法；其以内浸有单向结构纤维的热硬化合成树脂的复合材料入模成型一体单件式的整体自行车架，其中复合材料层可先予成型为未硬化的车架壳体，再以气袋(inflatablebladder)置入其中空内部，再入模吹气加压加热硬化。该专利虽建议在尚未硬化的车架壳体内部设气袋，并提供加压膨胀硬化的步骤以提高入模成型的精确度，惟其构造仍为传统钻石型车架由前三角与后三角所组成，且为一次一体成型，致使模具仍庞大复杂且加工困难。而所制成的车架仍因垂直刚性过大而舒适性差。

一九九一年六月二十二日亦颁给Brent J.Trimble的美国专利第4986949号的“复合自行车架的制造方法”则为前述美国专利第4889335号的分案；其揭露的模造自行车架中空零件与总成的方法，是以诸如内浸有单向结构纤维热硬化合成树脂的复合材料形成中空的零件或总成，并在至少二相邻壁段的相对部分予以搭接形成一壳体，并使搭接部分被压挤在外模与内压力构件(例如吹气袋)之间，致使该车架的壳体可在加压状态下予以硬化，以提供一与壁段连成一体的加压模造接头，并形成一中空的自行车架构件。该案虽提供搭接连接壁段成一体以加压加热硬化的技术，但其车架仍属传统钻石型车架的形状，故模具仍复杂庞大且加工困难；再者因垂直刚性大而使骑乘舒适性差。

一九九一年六月八日颁给Brent J.Trimble的美国专利第4982975号是前述美国专利第4850607号的分案，其揭露一种“具有加压模造接头的复合自行车架”。该案虽提供以内浸纤维材料的搭接层搭接至少二相邻壁段以形成接头再予以加压加热一体硬化成型的技术；但其车架仍为传统钻石型车架的形状，且为一次一体成型，故而仍存在有前述的缺点(诸如模具复杂庞大、加工困难、骑乘舒适性差)。

前述诸已知技艺虽均涉及复合材料的自行车架；但其造型仍为前三角与后三角所组成的钻石型车架；其在构造上虽可提高车架的扭转刚性与侧向弯曲刚性，但也同时增加了垂直刚性，因此使车架减低吸震能力，而令骑乘者感到不舒服。

本发明的主要目的是提供一种复合材料自行车架的制造方法，用以制造一具有前车架部分及一对后叉的车架，其步骤是先以纤维强化合成树脂的复合材料层个别硬化形成后叉的左、右叉；再以前述的复合材料卷绕成若干管件并藉复合材料层搭接该管件连结成具有“Y”、“V”或“T”字形造型的前车架部分，或整车架具有X字型、十字型、Z字型或山字型造型。再将已个别先予硬化成型的后叉的左、右叉与该尚未硬化的前车架部分一起入模共硬化。藉此，以简化模具，使加工更为简便可行。

本发明的另一目的为提供一种复合材料自行车架，其包含有由复合材料管件组成“Y”、“V”、“T”字形的前车架部分以及仅有一对后叉或整车架具有X字型、十字型、Z字型或山字型造型。该后叉包含有对称的左、右叉，其可一体连接在前车架的适当处以形成车架的一部分；藉此，不但可提高车架的扭转刚性与侧向弯曲刚性，同时亦不致提高垂直刚性，故使车架具有良好吸震能力，而提升骑乘舒适性。

图1-13为本发明所谓的薄片单壳造型车架类举；其中

图1为“V”字型前车架部分，而后叉仅一支，位于五通与座管之间，可避开链条；

图2为“7”字型前车架部分，而后叉仅一支，位于五通及座管之间，可避开链条；

图3为“Y”字型前车架部分，而仅有后下叉；

图4为“T”字型前车架部分，而后叉仅有一支，整车架成一“X”型；

图5为“V”字型前车架部分，而仅有后上叉；

图6为“T”字型前车架部分，而仅有后上叉；

图7为“T”字型前车架部分，而仅有后上叉；

图8为“T”字型前车架部分，而仅有后下叉；

图9为“7”字型前车架部分，且仅有后上叉，整车架成一“Z”字型；

图10为“7”字型前车架部分，且仅有后上叉；

图11为“T”字型前车架部分，且仅有后上叉；

图12为“T”字型前车架部分，且仅有后上叉；

图13为“V”字型前车架部分，且仅有后下叉，整车架成一“山”字型。

由上第1-13图均可经美学修饰断面造型使更具流线形，并考虑空气动力学减低风阻系统。

图14所称“Y”字造型前车架部分，且仅有后下叉的单壳薄片造型车架；

图15、15A、15B是图14车架的后下叉的右叉及其模具；

图16为后下叉的左、右叉接著面互补凹凸的“十”字形咬合机构；

图17搭接后之后下叉与五通；

图18为全车架搭接硬化成型模具图；

图18A为自图18中的18A-18A剖面线所取之剖面图；

图18B为自图18中的18B-18B剖面线所取之剖面图；

图18C为自图18中的18C-18C剖面线所取之剖面图；

图18D为自图18中的18D-18D剖面线所取之剖面图；

图18E为自图18中的18E-18E剖面线所取之剖面图；

图18F为自图18中的18F-18F剖面线所取之剖面图；

图18G为自图18中的18G-18G剖面线所取之剖面图；

图18H为自图18中的18H-18H剖面线所取之剖面图；

图19显示前车架部分的中空内部穿有一吹气袋，其中该吹气袋的吹气嘴由前车架部分的头管穿出；

图20显示前车架部分的中空内部穿有一吹气袋，其中该吹气袋的吹气嘴由前车架部分的座管穿出；

图21显示前车架部分的中空内部穿有二吹气袋，其中该吹气袋的吹气嘴由前车架部分的头管与座管穿出。

本发明的复合材料自行车架，其基本造型是将传统钻石型车架造型之上、下及座管由原来的独立支撑结构结合成一“Y”、“V”、“T”字形(如图1至14中所示)的前车架部分1，并将传统钻石造型车架的后三角由原有的后上叉与后下叉改为仅有单一后叉2：该后叉2包含大致成对称的左右叉21、22(如图14所示)。

在制造上，本发明是先以5-30层(以8-16层为最佳)的复合材料预浸材料逐层叠于一心模(未示)而此心模的造型尺寸加上复合材料层数厚度，即为成品外型尺寸(亦即模穴尺寸扣除复合材料的层数厚度即为心模的尺寸)。此心模的材质可为木头、橡胶或塑胶等价廉、加工方便且抽取离型容易的轻量材质。将复合材料逐层叠层于心模后，将心模抽出，并将吹气袋(可为尼龙材质的气袋)穿入其中，或以热膨胀型发泡材料灌制填充于其中。然后将该穿有气袋或填充有热膨胀发泡材料上的尚未硬化的后叉的左或右叉21、22置于模具31、32中加压加热成型。(如图15所示)

在本发明的一较佳具体实施例中，后叉的左、右叉21、22在其相对的接著面23分别设计有互补的凹凸十字型接合构造24、25(如图15，16所示)。如图16所示，其凹凸深度或高度D以5-10毫米为宜，而十字字体粗为5-25毫米为宜。而十字字体大小以接著面23可容许面积内愈大愈好。该后叉的左、右叉21、22(如图14，15所示)在各别入模加压加热硬化成型后，是以接著剂在其接著面23予以相互粘固，并使该凹凸互补的十字型构造互相卡合结合强化结合强度，以预制成一后叉2。该左、右叉21、22的末端一体设有后轮勾爪26，以利于后轮(未示)的装设。如图17所示，当左、右叉21、22接著成一体时，左、右叉21、22的底部圆弧处预先设计有底2毫米高的小角形沟槽G(如图17所示)，以利于接著剂的溢胶，并有利于避免应力集中的设计。

如图18，18A～18H所示，前车架部分1是以头管内埋件11、座管内埋件12、五通金属内埋件13配合叠层心模(未示)将复合材料的预浸材料逐层叠层于心模(未示)上，其中复合材料的层数一般约5-30层，而以8-16层最佳；再将心模抽出，以形成未硬化的前车架部分1。再将前述已预先硬化成型的后叉2，以复合材料层缠绕搭接于该尚未加热硬化的前车架部分1的座管12与五通管13之间的适当处(例如如图14是将后叉2搭接在五通管13的部位)；该搭接的长度则最少应有4-8公分，且最好采渐层设计，以避免应力集中(渐层长度以5-10毫米为宜)。搭接部分最好再配合薄膜态的接著剂以增加接著的强度。五通内埋件13附近与后叉2的搭接层数外最好再施以1-2层的复合材料预浸材包体薄膜状的环氧系发泡材料于搭接的最外层，以便于成型时施以外压而增加结构的密合一体化。

如图19，20，21所示，再将吹气袋41、42、43穿入尚未硬化的前车架部分1的中空内部；其中吹气袋41的吹气嘴44可由头管11或座管12进入(如图19、20、21所示)。

如图18所示，当后叉2已搭接于尚未硬化的前车架部分1且该尚未硬化的前车架部分1的中空内部穿有吹气袋或填充有热膨胀发泡材料后，可一体置入一模具5之内加热共硬化成型。若前车架部分1的内部穿有吹气袋41、42或43(如图19，20，21所示)，则可在加热硬化时，由头管11或座管12穿出的吹气嘴44吹气加压该前车架部分，使其制造精度提高，若该前车架部分1的内部填充以热膨胀发泡材料，则在入模具5加热共硬化时，该发泡材料即受热膨胀，以提供内部膨胀压力而使前车架部分1在热硬时，紧贴模具5的内壁。进而一体形成复合材料的自行车架。

有关预浸材料所选用的型式及种类，则依车架所要求的特性而有所不同，如在多向挠曲性，刚性，压缩强度，拉伸强度，吸震能力及重量等等的要求下，所选用的纤维包括玻璃纤维、碳纤维、克夫拉(Kevlar)纤维、或史佩特拉(Spectra)纤维。而各纤维型式又可分低、中、高模数者。若有特别性质要求，可混合不同纤维，如使用25、50或75重量比碳纤维，相对于使用75、50、25重量比玻璃纤维。

在本发明的另一具体实施例，前述的已个别预先硬化成型的后左、右叉21、22分别以预浸材料缠绕搭接于尚未硬化的前车架部分1，再一起置入模具5中加热共硬化一体成型。

本发明的制造方法，由于是使车架仅具有一对后叉2；即左、右叉21、22，且该左、右叉21、22是分别先予预制硬化成型；故而，其制造左、右叉21、22的模具31、32(如图15)以及制造整体车架的模具(如图18所示)，均可予以简化缩小而非常便利于自行车架的制造。此外，因后叉2是先予硬化成型，而且仅有一对后叉2的设计，故而后叉2可搭接在前车架部分1的座管12与五通管13之间的任何位置，以提高其造型设计的可变化空间，进而亦可依流体力学方式设计出低风阻系数的流线造型。尤其，因该后叉2可有许多位置搭接于前车架部分1，其乃可避开与驱动链条(未示)的不良设置位置，而提高自行车的设计空间。

依本发明的制造方法所制成的复合材料自行车架，其具有一前车架部分1与一对后叉2；其中该前车架部分1是以大张纤维合成树脂的预浸材料裁成连续片或补片再卷绕成管件，再将若干管件配合头管内埋件11、座管内埋件12，五通内埋件13一体形成为“Y”、“V”、“T”、“7”字型的前车架部分1，再将后叉2搭接于前车架部分1的座管12与五通管13之间的适当处，再一起入模加热共硬化而成。该头管11形成为一前叉支撑器，用以安装前叉总成(未示)，座管12形成一座垫支撑器，用以安装座热总成(未示)；五通管13则形成为一锁板支撑器，用以安装锁板总成(未示)。该自行车架由于仅具有一对后叉2，可避开传动链条(未示)的路径，而有利于自行车造形的设计。而且其构造可在负载的直立方向上提供适当弹性减振特性，以减少骑乘自行车的直立方向振动传至骑乘者，因而提供较佳的骑乘舒适性。

Claims (15)

1.一种复合材料自行车架制造方法，用以制造一包含有一前车架部分与一对具有左右叉之后叉的车架；该制造方法包含如下的步骤：

(a)以热硬化纤维合成树脂之预浸材料(prepreg)于一心模上叠层以个别形成后叉之左、右叉，再将已叠层完成的左、右叉个别入模加热硬化成型；

(b)以热硬化纤维合成树脂的预浸材料叠层形成各中空的前车架部分；

(c)将已硬化成型之后叉的左、右叉以预浸材料搭接缠绕在前述尚未硬化的前车架部分，再入模加热共硬化一体成型为整体车架。

2.根据权利要求1的制造方法，其中后叉的左、右叉是个别以预浸材料缠绕搭接于尚未硬化的前车架部分，再入模加热共硬化。

3.根据权利要求1的制造方法，其中已个别硬化成型的左、右叉是藉胶合先予以互相结合成为完整一体的后叉，再与前车架部分藉预浸材料缠绕搭接而入模加热共硬化。

4.根据权利要求3的制造方法，其中已硬化成型之后叉的左、右叉在其相互结合的接著面形成互补凹凸形状的结合强化构造。

5.根据权利要求1的制造方法，其中前车架部分由若干管件以纤维合成树脂的预浸材料裁剪成长条连续片或补片再缠卷而成。

6.根据权利要求5的制造方法，其中前车架部分由若干管件以预浸材料搭接连结形成“Y”、“V”、“T”或“7”字形造型，或整车架成“X”、  “十”、  “Z”或“山”字形造型。

7.根据权利要求1的制造方法，其中后叉的左、右叉的个别成型是藉尼龙充气袋(Nylon inflatable bladder)置入其中空内部吹气成型，或以热膨胀发泡材料置于其中空内部发泡膨胀成型。

8.根据权利要求1的制造方法，其中前车架部分一体连接形成一操纵支撑器以制设前叉总成，一座垫支撑器以装设一座垫总成，一踏板支撑器以装设一踏板总成；后叉的末端则连接形成一后轮支撑器以装设后轮总成。

9.根据权利要求1的制造方法，其中前叉支撑器由纤维合成树脂预浸材料包裹缠绕一头管内埋件而成；座垫支撑器是以纤维合成树脂预浸材料包覆缠绕一个座管内埋件而成；踏板支撑器由纤维合成树脂预浸材料包覆缠绕一个五通内埋件而成，此三部分再藉由纤维叠层搭接补充而形成一体的前车架部分。

10.根据权利要求1的制造方法，其中已成型的后叉与已叠层完成但尚未硬化的前车架部分的搭接处，于后叉外型截面设计有2-4毫米之内缩，以作为搭接厚度的预留。

11.根据权利要求7的制造方法，其中已叠层好的前车架部分与已成型的后叉搭接后，当进行尼龙气袋吹气成型时，吹气嘴可由头管接头或座管头进入模壳中。

12.根据权利要求1的制造方法，其中左、右叉的互相结合的接著面预留有0.1至1毫米的接著剂厚度。

13.根据权利要求1的制造方法，其中已成型的后叉与已叠层完成的前车架部分的搭接长度为4-8公分，且每渐层长度为5-10毫米。

14.一种根据权利要求1、2、5、6、7、8、9、10、11、12或13所述的制造方法所制成的复合材料自行车架。

15.一种根据权利要求1、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或13所述的制造方法所制成的复合材料自行车架。

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