CN1978274A - 具有多管车架结构的自行车 - Google Patents

Abstract

本发明介绍了自行车架系统的结构，即将多根复合管彼此结合在一起，其中在两根管子之间浇铸出若干孔或者"孔口"，从而改善自行车架元件的刚度、强度、气动性能和舒适性。

Description

具有多管车架结构的自行车

技术领域

本发明涉及自行车的复合结构，更特别的是，这里的结构一般为管状结构，且传统的单管被多根连管代替，优选被一对沿它们的衬面被熔合在一起的管子代替，从而在两根管子之间提供一个加强内壁以及若干孔(apertures)或者“孔口(ports)”，从而提供特殊的性能优点。

本发明涉及自行车架的改进结构，包括上管、下管、座撑、链拉条以及前轮支架(叉)、车把、以及座位支柱。特别是，设计的原则是用双管设计方案代替单管部分，但外部的几何形状保持与原来的单管设计方案相同或相似。这在两根管子之间提供了一个内壁的结构，它具有强度和刚度方面的优点。另外，两根管子可以在各个位置处分离，从而在两根管子之间形成若干孔或孔口，这些孔或孔口的作用相当于相对的拱，它们提供了额外的强度、刚度和气动性方面的优点。

背景技术

特性自行车的重量是决定其性能的关键特征。重量越轻，自行车加速就越快，维持高速度就越容易，爬坡就越容易，机动也就越容易，因此，用最轻的材料和设计方案来实现这些性能目标。现代的自行车设计中，最普及的高性能材料是碳纤维加强的环氧树脂(CFE)，因为在所有的实际上用得起的材料中，它的强度重量比最高。因此，CFE可以生产重量非常轻、刚度极佳且外形富有美感的自行车架。

然而，自行车结构所用的碳纤维基材料具有潜在的问题和挑战。由碳纤维复合材料制成的自行车架会因过度的压缩力而导致薄壁管纵向弯曲，因此易于出现灾难性的故障。自行车架中的管状复合部件受到许多应力条件的支配：在许多方向上都有弯曲负载，有扭转负载，有冲击负载和振动负载，在复杂的应力条件下也可能导致这些负载的任意组合。

除了重量轻、强度好之外，这种自行车架特有的刚度是其最大的优点。这是因为它不总是首选的、刚性最好的车架，而是调谐的车架，在这里，一些不同的部分是刚性的，而其他部分更有弹性，允许有更多的挠曲。例如，有时自行车架可以是非常刚性的，且对骑车者来说具有“死气沉沉”的感觉。其他车架可以是非常有挠性的，具有“有弹性”的感觉。有许多因素对理想的车架有贡献，其中有，例如，重量、刚度、弹性、抗扭曲刚度和减震性能。迄今为止，对传统的自行车复合车架的这些特性的改进一直局限在改变管状部件的横截面尺寸，或者选择不同的材料或纤维角。

例如，如果希望一个方向上的抗弯曲刚度比另一个方向上的大，可以通过管状部件的横截面设计来提供这一刚度。例如，卵形横截面在一个方向比在另一个方向上具有大得多的刚度。这具有非常理想的效果，例如，在自行车架的下管中或者在前叉中。然而，卵形横截面的主要缺点在于沿着横截面的宽部薄壁段易于纵向弯曲，由于在这个方向上弯曲或者由于扭转负载，也可能使这一宽的薄壁区域起皱(wrinkle)或者纵向弯曲(buckle)。

自行车的另一个所希望的特征是气动性能。流线型自行车架沿行进方向正面面积减小，它可以使用复合材料，但需要折衷。复合碳纤维在车架形状方面为设计者提供了更多的选择，以减小气动阻力。例如，车架管或者前叉或者车把可以做得更细，以使正面更小，从而使气动阻力更小。然而，这都需要代价，因为梁越细，刚度越小，也越不结实，因为横截面小了。因此，为了改善气动性能，就必须姑息刚度和强度的下降。

自行车的另一个所希望的特征是舒适性。舒适性可以分成两种：大挠曲和小挠曲。大挠曲在不是在路上而是在崎岖不平的地方骑车时发生。目前，自行车上有许多主动悬挂系统，它们用到各种机械装置，例如弹簧和减震器，但这些东西很重。小挠曲要么可以归因于来自表面条件的振动传递，要么归因于因踩踏、爬坡或者由起车者引起的其他负载而导致的自行车挠曲。在崎岖不平的路上骑行可以将不希望有的振动(被称为“路颤(road buzz)”)传递给骑车者，这会导致不舒服。许多有经验的骑车者将自行车的最佳感觉描述为自行车结构零件(例如，车架、车叉、车把和座撑)的刚度和弹性以及它们的减震能力的结合。

在过去的二十年里，现代自行车的发展主要集中在减轻重量上。为此，有许多设计方案为自行车架和零件加入了复合碳纤维。一些最初的设计方案仍采用传统的双三角形车架，但用复合管来代替金属管，例如Foret的美国专利NO.4657795中所示的方案。关于这一设计方案，只有管状部件(例如上管或下管)用重量较轻的复合管来代替。金属接头(也称为接头(lugs))保持不变，因此复合材料的好处有限。

通过将复合单管与轻质的复合接头结合起来，改进了自行车架的设计方案，例如可见Calfee的美国专利NO.5116071。关于这一设计方案，接头以无缝的方式被更牢固地连到管子上，从而提高车架的刚度和强度。

另一种自行车复合车架设计方案是将预先熟化的复合管和接头接合在一起，这见于Nelson等人的美国专利NO.5624519和NO.6270104。这些专利介绍了分开制造复合单管和接头，然后在结合操作中将它们接合在一起。

另一种自行车架的设计方案被称为单壳式设计方案，见于Trimble的美国专利NO.4850607。这里，整个车架被作为单件装置浇铸，试图通过消除使用管子和接头造成的材料的富裕重叠而减轻重量。它还提供了引人入胜的流线外形。然而，关于采用单根大管的这一设计方案，薄壁区域更大，因此更易于纵向弯曲。

希望自行车结构的其他零件具有与自行车架相同的特征和优点，即重量轻、刚度、强度和气动性能好、更舒适。前叉是自行车结构的主要元件，因为它们控制着自行车并且与前轮相连。因此，刚度和强度很关键。前叉对气动阻力也有相当大的贡献，因为有大的正面区域暴露于行驶方向。

早先的现有技术介绍了由单管构成的复合自行车叉，主要目的在于重量轻，且强度更高。Foret的美国专利NO.4828285介绍了一种复合叉，带有作为单件装置而浇铸的内部泡沫芯。这种压缩浇铸技术使用泡沫芯来凝固各层，限制了超轻重量的实现。

Klein的美国专利NO.5692764和NO.5944932介绍了一种复合自行车叉，它的刚度重量比以及强度都得到了提高。该工艺生产了更有效的自行车叉，因为它没有芯材料，因此重量更轻。然而，没有提及气动性能或舒适性的改善。

美国专利NO.6655707介绍了一种用细丝卷绕方法生产的复合叉。这项技术用到了自动化生产工艺，并且使用连续纤维，试图提高产品质量。与上述的其他复合叉专利一样，它公开了每根叉腿都有一根单管。

Sinyard等人的美国专利NO.6669218介绍了一种复合前叉，其中每根叉腿上有一个中间部分，这限定了一个腔，一种弹性减震材料被定位在该腔内。另外，这是单管叉的设计方案，它有一个加强的剖面区域，弹性减震材料被放在该区域内。这一设计方案的主要目的在于减轻振动以增强舒适性。

Cobb的美国专利申请No.10/366760介绍了一种自行车叉，每根叉腿部分由两条大体相互平行的腿组成，并且两者之间有一定的距离。每根叉腿有一个气翼形横截面，它们是分开的腿，但又在各个位置处用连接器相互固定在一起。尽管用到了两条腿，但它们没有集成在一起。Cobb的主要目的在于引导气流远离车轮。

关键在于自行车叉要非常坚固，以便支撑骑车者的重量，还要抵抗由骑车条件施加的负荷的组合。会出现灾难性故障的自行车叉可能对骑车者造成严重的伤害。尽管上述的许多设计方案都声称有更大的强度，但在相同的基础上这不可能总是正确的，因为复合管状部件的浇铸程序是劳动密集型的，如果有导致薄壁的部分，可能会出现纵向弯曲故障。

车把是自行车结构的另一个部件，它暴露于行驶方向，因此应该留心设计成流线型。除了车叉之外，与车叉相似，车把必须承受大量的负荷且不出故障。Klein的美国专利NO.5557982介绍了一种轻质复合自行车把，它提高了刚度与重量以及强度与重量之比。但没有提及气动性或舒适性特征，并且车把是用复合单管生产的。

另一个实施例是Whiting和Hulick的美国专利申请No.10/261531，它介绍了一种由单管制成的单件复合车把。

两个上述的复合车把设计方案也易于出现薄壁纵向弯曲的故障，因为它们是用复合单管设计的。

座位支柱是自行车架系统的另一个关键部件，因为它承载着骑车者的重量以及夹到车架上的环境应力。Filice等人的美国专利NO.6213488介绍了一种轻质高强度的自行车座位支柱，它由金属管及复合内管组成。然而，在这个例子中，两根管是共轴的，因此提供了较厚且较坚固的壁方案。

Sinyard等人的美国专利NO.6848701介绍了一种复合座位支柱，它有一个腔，弹性材料被插到该腔内以减轻振动。与美国专利NO.6669218相似，这项技术首先是为了舒适，并且这是用单管设计方案生产的。

发明内容

自行车架的设计方案需要继续改进。关于这一点，本发明基本满足了这一需要。本发明被设计用来提供特有的刚度、改进的弹性、改进的强度、改进的抗疲劳强度、改进的气动性、较小的振动、改进的舒适度以及改进的外观。

为了达到上述目的，本发明的自行车架基本上脱离了现有技术中传统的概念和设计从而被设计用来提供特有的刚度、改进的弹性、改进的强度、改进的气动性以及改进的外观。各种优点的组合以及调节这些组分的能力在以前的自行车架设计中一直没有实现。

考虑到现有技术中的已知类型自行车架的已知的设计和构造的固有的上述共性，本发明提供了一种改进的自行车架系统。

因此概括地但不是广泛地列出本发明的较重要的特征，以便可以更好地理解下面对它的详细说明，并且可以更好地理解它对现有技术的贡献。当然，下面也将介绍发明的其他特征，这些将形成所附的权利要求的主题。

关于这一点，在详细解释发明的至少一个实施方式之前，要理解发明并不局限于下面的说明书中所阐述的或者附图中所展示的它的构造细节和零件排列。发明可以有其他的实施方式，并且用各种方式进行实施。另外也要理解，这里所用的措辞和术语都是为了说明，不应被看作限制。

因此，本领域熟练技术人员会理解本发明所基于的概念也可以用作其他结构、方法和系统的设计基础，从而执行本发明的几个目的。因此重要的是权利要求书被认为包含了这些等价的构造，只要它们不背离本发明的思想和范围。

本发明提供了一种新的改进的自行车架系统，它可以轻松而高效率地制造。

本发明提供了一种新的改进的自行车架系统，它具有耐用而且可靠的构造。

本发明提供了一种新的改进的自行车架系统，它的材料成本和劳动成本都很低。

本发明还提供了一种自行车架系统，它可以在车架的各个位置处提供特别的刚度和弹性组合。

本发明提供了一种改进的自行车架系统，它具有超强的强度和抗疲劳性。

本发明提供了一种改进的自行车架系统，它具有改进的气动性。

本发明提供了一种改进的自行车架系统，它可以改进车架的减震性能。

本发明提供了一种改进的自行车架系统，它具有独特的外观和改进的外观性。

最后，本发明提供了一种新的改进的自行车架系统，它用多管设计方案制成，在这里，沿着它们的大部分长度被熔合在一起的管在所选择的位置处相互分开，从而形成孔，充当相对的双拱，提供改进刚度、弹性、强度和气动性的调节手段。

附图说明

为了更好地理解发明，应该参照附图和说明性材料，这展示发明的优选实施方式，其中：

图1是根据本发明的一个实施方式构造的自行车的侧视图；

图2是另一种自行车架的前视图；

图3是自行车的另一个实施方式的侧视图；

图4是根据本发明的一个实施方式构造的后座的前视图；

图5是图1中的上管的一部分的等轴剖视图；

图6是下管的一部分的等轴剖视图；

图7是下管的另一个实施方式的一部分的等轴剖视图；

图8是沿图1中的线8-8得到的上管的横截面图；

图9是沿图1中的线9-9得到的上管的横截面图；

图10是沿图4中的线10-10得到的下管的横截面图；

图11是沿图4中的线11-11得到的下管的横截面图；

图12是沿图4中的线12-12得到的下管的横截面图；

图13展示了如何将多个孔口定向在四管车架构造上的一个例子；

图14是沿图13中的线14-14得到的横截面图；

图15展示了孔口的各种形状；

图16是沿图1中的箭头16-16的方向得到的上管的一部分的纵截面图；

图17-18是透视图，展示了形成两种不同材料的车架元件的流程。

具体实施方式

在所有的附图中，相同的附图标记表示相同的部件。

图1展示了自行车，其总的由附图标记10表示。自行车10包括车架12，后者由上管14、下管16、座管18、后叉20和链拉条22组成。

自行车架还包括前叉24、车把26和座位支柱28。

图1展示了一个优选的实施方式，其中每个管状部件上都有若干与行驶方向成90度角的开口或“孔口”30，车把26例外，车把上的孔口与行驶方向取向一致，但在图1中看不到。然而，另一种车把设计方案，例如公路自行车所用的弯把，就受益于如此定向的孔口。

如下所述，每个管状部件都由两根或多根管形成，这些管被一体浇铸，从而形成一个共用的管壁(在多于两根管的情况下，形成多个共用的管壁)。然而，在选择的位置处，各管的衬面在浇铸过程保持分开，从而形成若干开口。在各开口的另一侧上，各管被接合在一起。如此形成的开口在这里被称为“孔口”。

图1展示了各孔口30，其定向主要出于被动的悬挂目的，各孔口的轴线一般是水平的，与行进方向成90度。如此定向的各孔口在每个管状元件提供更大灵活性。这样，前叉24具有孔口30，其定向主要出于被动的悬挂目的，各孔口的轴线一般是水平的，与行进方向成90度。各孔口30的尺寸和间隔可以根据叉杆的尺寸变化。

图2展示了另一个实施方式，其中，孔口32的定向主要出于气动目的，各孔口的轴线一般是水平的，且平行于行进方向。车把26、前叉24和下管16是自行车的结构零件，具有最大的正面，由于孔口如此定向，因此会最大程度地降低气动阻力。通常叉杆24的宽度会因气动目的而被减小。关于具有孔口的双管构造，叉杆的宽度可以更大，但仍保持流线型，同时超过刚度和强度的需要。

在图4中，具有座位支柱28的座位支柱组件的孔口的定向是出于气动目的。具有孔口的双管设计方案还可以提供一些被动的悬挂，由于座位支柱因孔口可以稍微灵活些。另外，内壁有助于抵抗将座位支柱紧固到自行车架上的夹应力。这是多管构造会更好地抵抗环境应力的绝佳应用，例如用4根管，从而形成4个内壁(见下面将要描述的图10-12)。在图2中，车把26的孔口32的定向是出于气动目的。这是用在自行车上的许多不同类型的车把的唯一的一个例子。这个特殊的例子是通用的车把，但有许多不同的设计方案和形状，所有的设计方案和形状都得益于具有孔口的双管或其他的多管车架元件。

图3是自行车10的侧视图，它既有定向与行驶方向水平且垂直的孔口30，也有定向与行驶方向平行的孔口32。

图5是隔出一个孔口的上管14的等轴视图，该图展示了两根内管36和内壁38。还展示了孔口40和圆柱壁42。在这个特别的实施例中，孔口的轴线与管的轴线成90度。

图6是隔出一个孔口的下管16的等轴视图。在这个实施例中，孔口44的轴线与下管成锐角，因此平行于行驶方向。这造成内壁46延长。

图7是图3中的下管40的剖面部分的等轴视图。在这个实施例中，该结构由4根管形成。正如下面结合图10-12所述，通过使两根管与其他两根管隔开可以形成若干孔口。图7的实施方式包括与自行车轴线垂直定向的孔口30和沿着自行车轴线定向的孔口32。

参照图8，沿图1中的上管14的线8-8得到的该横截面图显示内壁的优选位置在管状部件的中轴线附近。两根内管36的尺寸应该近似相等，并且在浇铸时，形成“D”型。两根内管36在特定的位置相互分开，从而形成如图9所示的孔口30。建议在该孔口内引入一条半径(即圆缘39)，以便减小应力集中，并方便浇铸过程。

图10是图3中的下管40的横截面图。在这个实施例中，用4根管42、43、44、45来制造管状部件，并形成“X”形的内壁46。

图11是图3中的下管40在孔口32的区域内的横截面图，其中孔口32的定向平行于行驶方向。在这个实施例中，内管42和45保持在一起，而内管43和44保持在一起。

图12是图3中的下管40在孔口30的区域内的横截面图，其中孔口30的定向垂直于行驶方向。在这个实施例中，内管42和43保持在一起，而内管44和45保持在一起。

图13是四管结构52的等轴视图，所有管的孔口位于相同的位置。在这个实施例中，内管47、48、49和50都在同一位置分开，从而在它们之间形成四个孔口51。

图14是沿线L-L得到的图23中的管结构52的横截面图。这里可以看出所有的内管都是分开的，因此形成一个在四面都敞开的敞开式孔口52。

在多管设计方案中，根据所用的内管的数目以及为形成这些孔口有多少内管是分开的，可以有任意数目的孔口。

图15展示了各种孔口形状的一些实施例。根据特定位置处的结构所需的性能，可以使用更有装饰性的孔口形状。

本发明的优选实施方式使用多根复合连管，这些管分开，从而在自行车架、车叉、车把和/或座撑上的各个位置处形成相对双拱形式的孔。设计和构造的基本思想可以应用于上述的每一个部件，因为尽管每个部件存在特殊性，但它提供相同的优点，下面再分开详细讨论各部件。为便于讨论，上述的所有部件(车架、车叉、车把、座撑)都将被称为“管状部件”，除非具体提及它们的名称。

中空单管部件一直是设计和制造复合自行车架的传统方法。这是因为车架零件原来是用中空的金属单管生产的，因此自然就用中空的复合单管来代替这些金属管。

从效率的观点来看，也很清楚，中空单管的抗弯性能和抗扭曲性能最好，由于材料被移离管的中轴线，从而使惯性最大。传统的自行车结构一直是这样。

当中空单管的壁足够厚时，例如，当重量不关键时，该设计方案完全可以提供合适的精度和强度。然而，如上所述，当相对管的直径壁厚变薄时，管状部件在压应力下易于发生壁面弯曲，而自行车架中总是存在压应力。

根据本发明，形成自行车架的常规的中空单管用中间具有内壁且由内壁结合在一起的多根管代替。内壁可抵抗负载状态下横截面的变形，从而可抵抗压应力下的弯曲。

如图16所示，若干管子，例如，形成上管14的管子14a、14b，沿它们的大部分长度熔合在一起，从而形成公共壁50。在所选择的位置，例如，在将要形成孔口30的位置处，管子14a、14b的衬面15a、15b在浇铸的过程中是分开的，从而形成相对的双拱形的孔30，这些孔起几何加强的作用，从而抵抗变形和纵向弯曲故障。

除了改变各车架元件自身的尺寸和形状外，通过改变各种车架元件上的孔的尺寸、数目、定向和间隔，本发明允许车架在刚度和弹性方面定制调整。

复合材料的浇铸工艺便于在一个结构中使用多根管子。生产复合管的最常用的方法是用称为“预浸渍材料”的薄板形原材料开始，预浸渍材料是浸渍有环氧树脂之类的热固性树脂的加强纤维。该树脂是处于“缩合状态(B-stage)”的液体形式，它易于用加热和加压来熟化。纤维可以像织物一样编织，或者是单向的，并且是高性能加强纤维的变体，例如碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等。预浸渍材料通常到达一个连辊，或者可以被鼓形缠绕，从而生成长度较短的薄板段。预浸渍材料被以各种角度切割，从而实现正确的纤维定向，并且这些条带通常被叠在一起，并且被定位在叠层位置(lay-up)处，该叠层允许它们被卷成管子。一个聚合物囊被插到预浸渍材料管中，并被用于产生内压，从而一加热即使各叠层固化。由预浸渍材料管和聚合物囊组成的预浇铸组件被定位在一个模腔内，并且一个充气装置被连到囊上。模具在热压下被压合，且空气压力被施加到囊内。随着模具内温度的升高，环氧树脂的黏度随囊的膨胀而下降，从而迫使过量的树脂流出，形成固化的部件。

为了用多根预浸渍材料管生产一个管状部件，需要更多的劳力，并且每根管需要一个空气压力装置。例如，当用两根预浸渍材料管浇铸相同的管状部件时，每根管的尺寸应该约为单管尺寸的一半，并且每根管应该有自己的内囊、空气装置和空气压力。除了两根管被封装到模具内，且连上两台空气装置之外，封装(packing)模具的过程非常相似。应该注意每根管的位置，以便形成在管子之间的内壁被适当地定向。每根管子的空气压力应该被同时施加，以保持每根管子的尺寸和位置，和两者之间的形成。在环氧树脂流动和管子膨胀时，它们会相互挤压，从而形成会良好固化的内壁。由于有此加强内壁，因此所得到的部件极其坚固。

所浇铸的管状部件的内壁大大改善了管状部件的结构性能。在有抗弯应力或抗扭曲应力的过程中，管状部件的形状被保持得更好，从而消除了横截面的变形。为了了解薄壁与轻质复合自行车架在一起的情况，用手挤压车架通常能让一些轻质复合自行车架的管子变形。有了内壁，管状部件的完整性得以保持，因为当管子受到弯曲和扭曲时，发生的变形最小，结果形成刚度更高且更坚固的结构。

该壁的定向可以如此确定，以利用它所提供的各向异性。如果需要更好的弯曲柔韧性，该壁可以沿着弯曲中轴线定位。如果需要更高的刚度，那么该壁可以像“工”字梁一样定位成与该中轴线成90度，从而大幅度提高弯曲刚度。

用多根管子浇铸管状部件允许有更多的设计方案。为了在管子之间浇铸大的卵形开口，在所选择的沿着管子的轴线位置处使管子分开，允许管子的特性根据需要变化。

利用特殊的浇铸工艺在管状部件上形成孔。如上所述，预浸渍材料管被封装到模腔内，并且像生产多管部件一样被定位。若干销被插到管子之间，这在加压过程中会形成孔。这些销被紧固到模具部分上，并且被轻松除去。空气装置被连到每根预浸渍材料管上，并且模具被合上，并被放在热压机中。空气压力被施加到各管子内，并且它们膨胀，并且直到膨胀结束，形成在销的周围，且环氧树脂发生交联并熟化。然后模具被打开，销被除去，然后从模具中取出该部件。

在所选择的位置处浇铸孔或孔口导致形成相对的双拱结构。对该结构有贡献的是各孔口的“双拱效应”，这些孔口是卵形的，从而形成相对的两个拱，这允许管状部件挠曲(deflect)，同时保持管子的横截面形状不变，因为该孔口提供了三维的壁结构。例如，具有孔口的双管结构具有结合在一起的外壁和孔壁，其中，外壁是连续的，并且形成该结构的主体，而孔壁与外壁定向成一定的角度，这为管状结构提供了类似加强结构的支柱。各孔口的圆柱形壁可防止管的横截面被压扁，这大大提高了该结构的强度。

具有孔口的双管结构的刚度和弹性可以调节至大于或小于标准的中空单管。这是因为管子之间的内壁的定向以及各孔口的尺寸、形状、角度和位置可以选择。根据需要，各孔口可以是刚性的或弹性的，从而允许更大的挠曲和恢复，或者可以用不同的材料或者不同纤维角度的叠层来设计，从而得到该结构的所需性能。

该结构可以用多于两根的管子进一步改进。例如，使用三根管子允许各个孔发生120度的偏移，从而沿着这些方向提供特殊的刚度适应性。使用四根管子可以以彼此成90度的角度配置各个孔，并有选择地沿该管状部件的长度定位各个孔，从而实现统一的性能和美感。另一种选择是将多个孔口定位在相同的位置，从而实现多个敞开式构架设计方案。

另一种选择是将一根复合单管与一个多管复合设计方案结合起来。在这个实施例中，复合单管可以是管状部件的一部分，并且可以与多根预浸渍材料管一起浇铸，从而生产另一种成本较低的100％的碳复合结构。特别的是，一根或多根额外的长度较短的管子被连到主单管的局部区域上，并在两者之间形成孔口。这样，额外的管子只需要足够在它和主管之间形成孔口的长度即可。

另一种选择是将复合部分与金属部分结合起来。在这个实施例中，金属管可以是管状部件的一部分，并且与多根预浸渍材料管熔在一起或者一起浇铸，从而生产出另一种成本较低的100％的碳复合结构。这可以生产出不太昂贵的结构，但它仍可以实现该产品的性能和美学需求。

参照图17-18，为了制造该构造，一对预浸渍材料管60a、60b的前端62被插到金属管66的一端65内，每根预浸渍材料管都有一个可以膨胀的囊64。该单元被放在与金属管66的形状相同的模具内，至少在预浸渍材料管60a、60b和金属管66的接合处70。一个销或模具元件(未示)被放在预浸渍材料管60a、60b之间，孔口30即将在这里形成。模具然后被合上并被加热，同时囊64膨胀，因此预浸渍材料管呈现出模具的形状，而模具元件使衬壁71a、71b保持分离，从而形成孔口30。如图所示，管60a、60b会在接缝72处形成一个公共壁。在预浸渍材料管熟化之后，车架元件74被从模具中取出，并且模具元件或销被除去，留下孔口30。在这个实施方式中，车架元件74的石墨部分60a、60b和金属管部分66之间的接缝70应该平齐。

再一种选择是用100％的金属材料构造相对的双拱结构。生产该结构的优选方法是用具有“D”形横截面的金属管开始的。然后，该管可以沿着它的一部分长度形成一个半拱弯曲。可以对另一根金属管进行相似的操作。然后将D形横截面的平面侧固定在一起，从而可以将这两根金属管连在一起，因此这两半个金属拱彼此相对。这两根管子可以焊接或结合在一起，结果形成具有加强内壁和相对的双拱形孔的结构。

用金属生产多管结构的另一种方法是用铝、钛、钢或镁之类的金属管开始，让管的局部区域变形，从而在管的相对的表面上形成微凹(dimples)或孔洞(craters)。这些微凹的中心可以被除去，从而留下穿过管子的圆孔。然后，一个管段可以穿过这些圆孔，并且用焊接工艺将其固定到主管的这一微凹区域的边缘上，从而形成三维结构。结果得到如下结构，即主管是中空单管，而其他中空单管被横向连接到主管的内部。

由这些孔口提供的气动性能好处取决于孔口相对管状部件的尺寸。与受到气动力的梁或管的正面相比，例如下管、车叉或车把，正面减小可达25％。对自行车结构而言，这是巨大的成绩，尤其是考虑到刚度和强度没有损失，事实上还有提高。具有孔口的双管构造还可以让骑车者更舒适。如上所述，管状部件的刚度可以优化，从而在需要时提供更大的灵活性。例如在自行车架上，上管可以具有与行驶方向成90度定向的孔口，从而提供更灵活的管子，以增加骑车者的舒适性。下管、座位支柱、链拉条或座撑同样可以这么做。当今所用的所有悬挂技术都已证明，前叉是决定骑车者舒适性的关键部件。孔口与行驶方向成90度定向的前叉具有更大的灵活性，因此使骑车者更舒适。

与之相似，车把也可以这么做。

采用沿水平轴线定向的孔口，从而改进垂直位移，以吸收震动和振动，座位支柱和座管之类的垂直管状部件也可以为骑车者提供更大的舒适性。

本发明的另一个优点在于减震性能。振动被相对的双拱构造更有效地减轻。这是因为拱的运动和位移吸收了减轻振动的能量。当管状部件挠曲时，孔口的形状可以变化，从而允许管口两侧的管部分之间相对运动。这一运动吸收了减轻振动的能量。

最后，根据本发明制造的自行车结构具有非常卓越的外观。各孔口非常醒目，并且给予管状部件非常轻的重量和流线型外观，这在自行车交易时非常重要。各孔口也可以漆上不同的颜色，或者进一步增强该技术的外观特征。

当考虑相对的双拱结构时，有无数的选项组合。各孔口的形状、尺寸、位置、定向和数量都可以改变。各孔口可以用于增强刚度、弹性、强度、气动性、舒适性和美感。例如，在低应力区域，孔口的尺寸可以非常大，以便使气动性和外观最大。如果需要更大的挠曲或弹性，孔的形状可以非常长而窄，从而允许更灵活。各孔口也可以用设计者的形状，以给予产品更强的吸引力。

如果希望振动衰减得更多，那么各孔口可以以特定的角度定向和成形，并且用芳纶或液晶聚合物之类的纤维来构造。当孔口因车架挠曲而变形时，可以用这些粘弹性材料来控制它的形状复原，这会增加减震性能。增加减震性能的另一种方法是在孔口内插入弹性材料。

根据本发明的自行车架结构可以用许多方法制成。一种选择是分开制造各管状部件，然后将各管状的结构部件结合到接头上。可以用外接头来这么做，或者生产无缝的完整部件。可以用外接头来这么做，且管状部件被插到接头内，或者用被插到管状部件内部的内接头来生产无缝的完整部件。另一个选择是用一步工艺来浇铸整个车架结构，从而生产出单壳式图案。

前叉可以用与所述的相对的双拱车架相似的方式来生产。各孔口的尺寸可以根据叉腿的尺寸而改变。另外，各孔口之间的定向和间隔可以根据所需的性能而改变。

车把也可以用与车架相似的方式来生产。各孔口的尺寸可以根据车把的尺寸而改变。另外，各孔口的定向也可以根据所需的性能而改变。在某些情况下，可以优选增加各孔口的纵横比，从而形成长卵形，以使气动性能方面的优势最大化。

最后，座位支柱也可以用与车架相似的方式来生产。各孔口的尺寸、间隔和定向可以根据支柱的尺寸而改变。

关于上述说明书，不难认识到发明的各部件的最佳尺寸关系，包括尺寸、材料、形状、形式、功能和操作方式、组装和使用的改变，对本领域熟练技术人员来说是显而易见的，并且与附图中所展示的和申请文件中所说明的关系等价的所有关系都将被包括在本发明内。

因此，认为上述内容仅仅是对发明思想的解释。此外，由于对本领域熟练技术人员来说易于作出各种改进和改变，因此不需要将发明限制到所示和所述的确切的构造和操作，相应地，可以寻求落在发明的范围内的所有合适的改进和等价物。

Claims (25)

1.一种自行车架(12)，包括许多管状元件(14，16，18，20，22，24，26，28)，其特征在于至少一个所述的管状元件由至少两根具有衬面的管子形成，所述管子由复合材料形成，其中所述的衬面至少沿着它们的大部分长度被相互结合到一起，从而形成加强内壁。

2.如权利要求1所述的自行车架(12)，其特征在于所述的至少一个的管状元件由双管构造形成。

3.如权利要求1所述的自行车架(12)，其特征在于所述衬面在所选择的位置处被相互分开，从而形成孔口(30)。

4.如权利要求2所述的自行车架(12)，其特征在于所述衬面在所选择的位置处被相互分开，从而形成具有相对的双拱结构的孔口(30)。

5.一种自行车架(12)，包括上管(14)、下管(16)、座管(18)、后叉(20)、链拉条(22)、前叉(24)、座位支柱(28)和车把(26)，其特征在于至少一部分车架(12)包括至少两根具有衬面的管子，其中所述的衬面至少沿着它们的大部分长度被相互结合到一起，从而形成加强内壁。

6.如权利要求5所述的自行车架(12)，其特征在于所述部分包括至少一个由所述衬面形成的孔口(30)。

7.如权利要求5所述的自行车架(12)，其特征在于所述部分包括所述前叉(24)的一条腿。

8.如权利要求7所述的自行车架(12)，其特征在于所述的前叉腿包括至少一个由所述管子的衬面形成的孔口(30)。

9.如权利要求5所述的自行车架，其特征在于所述部分包括所述车把(26)。

10.如权利要求9所述的自行车架(12)，其特征在于所述车把(26)包括至少一个由所述管子的衬面形成的孔口(30)。

11.如权利要求5所述的自行车架(12)，其特征在于所述部分包括所述座位支柱(28)。

12.如权利要求11所述的自行车架(12)，其特征在于所述座位支柱(28)包括至少一个由所述管子的衬面形成的孔口(30)。

13.如权利要求5所述的自行车架(12)，其特征在于所述部分包括所述后叉(20)。

14.如权利要求13所述的自行车架(12)，其特征在于所述后叉(20)包括至少一个由所述管子的衬面形成的孔口(30)，所述管子上有至少一个孔。

15.如权利要求5所述的自行车架(12)，其特征在于所述部分包括所述链拉条(22)。

16.如权利要求15所述的自行车架(12)，其特征在于所述链拉条(22)包括至少一个由所述管子的衬面形成的孔口(30)。

17.如权利要求1所述的自行车架(12)，其特征在于具有所述部分的管状元件的一部分长度包括金属管。

18.如权利要求1所述的自行车架(12)，其特征在于所述衬面在所选择的位置处被相互分开，从而形成孔口(30)，其中所述孔口(30)相对管状元件的中轴线以至少一个所选择的角度定向。

19.如权利要求18所述的自行车架(12)，其特征在于所述孔口(30)的尺寸改变。

20.如权利要求1所述的自行车架(12)，其特征在于孔口(30)具有贯穿的轴线，并且所述孔口的轴线由至少两个距离相互分开。

21.如权利要求1所述的自行车架(12)，其特征在于所述一根或多根管子被加到单管结构的局部区域。

22.一种自行车架(12)元件，其特征在于它是金属，并且用多管构造制成，在此多管构造中，各管子具有衬面，这些衬面沿着至少它们的大部分长度被彼此结合在一起。

23.如权利要求22所述的自行车架，其特征在于所述衬面在所选择的位置处被相互分开，从而形成孔口(30)。

24.如权利要求3所述的自行车架(12)，其特征在于所述孔口(30)具有贯穿的轴线，并且至少两个所述的孔口(30)具有不同的水平轴线定向。

25.如权利要求1所述的自行车架(12)，其特征在于至少一个车架元件包括被接合到一个多管元件上的一个金属单管，其中所述多管元件包含一个孔口(30)。

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