TW201348026A - 自行車輪框 - Google Patents

Abstract

本發明自行車輪框，其包括一個摩擦框體，其為合金材質，該摩擦框體具有一個外圍面、一個內圍面與兩個摩擦面；一個內環中空框體，其為碳纖維材質，該內環中空框體相接於該摩擦框體之內圍面；以及一個外環實心框體，其為碳纖維材質，該外環實心框體貼合於該摩擦框體之外圍面。

Description

自行車輪框

本發明主要係揭示一種自行車輪框，尤指一種不需利用焊接接合摩擦框體之合金框對接面且為一碳纖維-鋁-碳纖維之三明治複合式一體結構的複合材料自行車輪框之結構。

按，傳統自行車之輪框係由長桿狀之合金材料，例如：鋁合金材質，經專用機具滾壓彎曲成型而令整體外觀呈圓環狀，由於受到合金材質物理性質的限制，使得合金材質彎曲成型時無法製作具有較高輪高(profile height)之輪框(一般而言，30mm之成型即相當困難)。傳統輪框的重量受到其材料較重的影響，整體重量也跟著提高，且在最後加工程序時，更需焊接或鎖接合金材料兩端部之合金框對接面使其形成環狀體，並於兩側面研磨焊接凸點而形成平整的煞車面，而造成製作程序的繁瑣且不便的問題，無形之中大幅提高其製作成本。再者該合金材料輪框之合金框對接面易形成應力集中處，容易由此斷裂，而縮短使用壽命。同時合金材料製成之輪框常因合金材料具有一定的延展性，因此在受力碰撞時，容易產生彎曲變形的現象，影響行車的安全性。

而習知合金材料輪框截面，其結構體的剛性(stiffness)滿足下列關係式： 剛性=E值(合金材料的彈性模數，Modulus)×I值(造型的轉動慣量，Inertia)

因此已有業者開發利用複合材料所製成之輪框，以適應路況及車手的騎乘性與輕量化需求。請參照美國專利號第6,991,298號「Composite bicycle rim with seamless braking surface」專利案，其係一種纖維樹脂塑膠製成之輪框，其包括一合金輪箍(metal tire receiving ring)及一位於合金輪箍內緣之纖維樹脂塑膠環體(FRP body)，纖維樹脂塑膠環體頂端形成兩側向外放射狀擴張之帽冠部(crown portion)，以供合金輪箍形成對應接合部(extending leg portion)嵌合，且纖維樹脂塑膠環體之內緣設有複數用於連接、支撐纖維樹脂塑膠環體與輪軸花轂之輪條(spoke)，並利用合金輪箍兩側之表面(brake surface)做為煞車面。

又如美國專利號第5,975,645號「Carbon bodied bicycle rim」專利案，其為一種碳纖維複合材料之輪框，其包括一碳纖維本體部(carbon body portion)與一個鋁合金輪箍部(aluminum tire engaging rim portion)，該碳纖維本體部具有一個環狀卡合部(circumferential rim engaging portion)與該鋁合金輪箍部之內表面(radially inner surface)互相卡合。

上述專利案均揭露了一種由鋁合金-碳纖維複合式自行車輪框，請參照圖七，其為一般中空結構體之截面圖。中空結構體之轉動慣量I滿足下列關係式：

由於碳纖維本體部採用吹氣成型，不受先前合金材質物理性質難以彎曲呈圓環狀的限制，使得鋁合金-碳纖維複合式自行車輪框能夠製作具有較高輪高(profile height)的輪框，藉由改變外高度h1、內高度h2、外寬度b1與內寬度b2來改變I值(造型的轉動慣量，Inertia)。

而其結構體的E值滿足下列關係式：E值=E₁(合金材料的彈性模數)+E₂(碳纖維材料的彈性模數)

由上述可得知鋁合金-碳纖維複合式自行車輪框能夠改變其結構體的E值與I值來增加結構體之剛性(stiffness)。

然而此種鋁合金-碳纖維複合式之自行車輪框結構雖然具有高強度與高剛性的優點，但仍然具有許多缺失：

1.習知的鋁合金-碳纖維複合式自行車輪框，其鋁合金部份仍由長桿狀之合金材料，經專用機具滾壓彎曲成型而令整體外觀呈圓環狀，且需焊接該合金材料兩端部之合金框對接面而形成環狀體，並且為了焊接需要增加焊接點，必須於加工後再行研磨，而造成製作程序的繁瑣且不便的問題，提高其製作成本，且焊接之合金框對接面易形成應力集中處，容易由此斷裂，而縮短使用壽命。

2.習知的鋁合金-碳纖維複合式自行車輪框，其鋁合金部份在外圍需用焊接固定，內圍使用碳纖維中空結構體吹 氣熱壓成型，使得鋁合金-碳纖維複合式自行車輪框用於長下坡路段或是需要經常煞車的路段時，由於煞車的頻率高以致持續使煞車片與輪框摩擦生熱，其熱度可高達80度C，然而常用之聚丙烯腈基碳纖維(Polyacrylonitrile carbon fiber，縮寫為PAN-CF)之熱膨脹係數為(-0.5~-1.6)x10-6/k @20℃，而鋁材之熱膨脹係數為24 x10-6/k @20℃，兩者之熱膨脹係數有著極大的差距，PAN-CF之熱膨脹係數甚至為負值，因此在煞車的頻率高的情形下，極度地熱脹冷縮，使得外圍的鋁合金部份因為熱膨脹與內圍的碳纖維結構體脫層分離，若焊接不牢固，更會造成輪框瞬間解體的風險，對自行車手生命安全造成極大的威脅。

3.習知的鋁合金-碳纖維複合式自行車輪框，其為兩異質材料所結合製造而成，鋁與碳纖維之氧化電位差距極大，產生電鍍鏽蝕腐蝕(Galvanic Corrosion)或稱相異金屬鏽蝕腐蝕(Galvanic or Dissimilar Metal Corrosion)現象，使得活性較大之鋁材加速腐蝕。在習知的鋁合金-碳纖維複合式自行車輪框，此現象為脫層分離的另一主要原因。

請參照美國專利號第5,061,013號「Bicycle rim and wheel」專利案，其揭露了一種全碳纖維之自行車輪框，全碳纖維之輪框雖然具有重量輕、造型不受限制，不會因為造型改變會增加很多重量，也不會輕量化後犧牲太多的強度，所以全碳纖維框擁有絕對的優勢。但是，煞車皮對碳 纖維輪框的影響遠比鋁合金輪圈大，碳纖維框受到的影響不光是熱，還有壓力，碳纖維輪框專用的煞車皮設計重點在不傷輪框及盡量不產生熱，這就代表著摩擦係數很低，而當騎乘時速度降不下來必定是再更用力去煞車，但其實這樣的煞車壓力已經比鋁合金輪圈同樣的減速效率大很多，並且全碳纖維的輪框相當容易受熱影響變形，對於騎乘者來說，危險性馬上大幅提高。再者，全碳纖維的自行車輪框相當昂貴，導致一般選手練習時都採用便宜的鋁合金-碳纖維複合式自行車輪框，而在比賽時才使用全碳纖維的自行車輪框，價格的影響使一般大眾無法享受到碳纖維輪框所帶來的自行車騎乘樂趣。

有鑑於上述先前技術的問題無法有效的解決與克服，因此本申請人提出本專利申請，以解決前述問題點。

本發明的目的是提供一種自行車輪框。

為此，本發明所提供的一種自行車輪框，其包括有：一個摩擦框體，其為合金材質，該摩擦框體具有一個外圍面、一個內圍面與兩個摩擦面；一個內環中空框體，其為碳纖維材質，該內環中空框體為中空結構體且相接於該摩擦框體之內圍面；以及一個外環實心框體，其為碳纖維材質，該外環實心框體貼合於該摩擦框體之外圍面。

本發明自行車輪框之主要特徵在於：本發明自行車輪框形成一碳纖維-鋁-碳纖維之三明治複合式一體結構，當 該輪框因路況或撞擊使該輪框受力時，均由碳纖維材料之內環中空框體與外環實心框體承受，使該輪框保有碳纖維複合材料之高剛性與高強度。

本發明自行車輪框之次要特徵在於：本發明自行車輪框之摩擦框體位於內環中空框體與外環實心框體之間，該摩擦框體為鋁材質並提供煞車效果，且該摩擦框體與該內環中空框體及外環實心框體之間分別設有一絕緣膠膜，令煞車時因摩擦產生之高溫而熱膨脹的摩擦框體不影響內環中空框體與外環實心框體，並且避免因鋁材質與碳纖維的氧化電位差而產生的腐蝕現象。

本發明自行車輪框之另一特徵在於：本發明自行車輪框之外環實心框體為緊繞一圈以上的0度連續纖維碳纖維預浸材料(unidirectional prepreg)熱壓成型而形成於該摩擦框體之外圍面，使得碳纖維材料之外環實心框體能夠限制該摩擦框體因煞車摩擦之熱膨脹或腐蝕脫層。

本發明自行車輪框之又一特徵在於：本發明自行車輪框之外環實心框體為緊繞一圈以上的0度連續纖維碳纖維預浸材料(unidirectional prepreg)熱壓成型而形成於該摩擦框體之外圍面，令該摩擦框體不需焊接合金框對接面即可形成環狀體，不僅簡化製作程序，更大幅降低製作成本。

其他目的、優點和本發明的新穎特性將從以下詳細的描述與相關的附圖更加顯明。

有關本發明所採用之技術、手段及其功效，茲舉一較佳實施例並配合圖式詳述如後，此僅供說明之用，在專利申請上並不受此種結構之限制。

參照圖一至圖六，為本發明自行車輪框之立體外觀圖、立體分解圖、剖視圖以及部份放大圖。本發明自行車輪框包括有一個摩擦框體1、一個內環中空框體2與一個外環實心框體3；其中： 該摩擦框體1由合金材料製成並為一耐磨實心體，於本實施例中，該摩擦框體1為一般已預型之鋁材質輪框框體，其具有一個外圍面11與一個內圍面12，該外圍面11與該內圍面12呈弧狀並具有相同曲率，該內圍面12與該內環中空框體2連接，該摩擦框體1兩側分別徑向延伸形成一個卡合部13，且該兩卡合部13與該外圍面11之間形成一個凹槽14，該凹槽14能夠承載輪胎(圖中未示)，令該自行車輪框形成夾鉗型(Clincher Type)結構。該兩卡合部13外側面分別形成一個摩擦面15，該兩摩擦面15分別相接該外圍面11與該內圍面12，且該摩擦面15呈平整面且能夠與煞車片接觸以提供煞車效果。該摩擦框體1置入一圓形輪框治具，該摩擦框體1之外圍面11緊繞貼合一圈以上的0度連續纖維碳纖維預浸材料(unidirectional prepreg)供熱壓成型而形成該外環實心框體3，藉此暫時貼合固定鋁材質框體，使該摩擦框體1相異兩端的兩個合金框對接面16彼此互相抵靠，令該摩擦框體1呈一圓環狀。

該內環中空框體2能夠由不同角度之碳纖維材料分層貼疊且圍繞經熱壓形成一中空管狀結構體，並於碳纖維材料分層貼疊同時預置一尼龍(Nylon)風袋於該中空結構體內，並留一尼龍風袋吹氣管(blowpipe)外露於該中空結構體，藉此更能夠形成具有較高輪高(profile height)之內環中空框體2，進而控制該內環中空框體2的轉動慣量，使本發明自行車輪框具有高剛性(stiffness)的優點。

該摩擦框體1與該外環實心框體3預鑽形成一風嘴孔(圖中未示)，並將該尼龍風袋吹氣管穿過該風嘴孔，將該摩擦框體1、該內環中空框體2與該外環實心框體3密合置放入成型模具中，且該摩擦框體1與該內環中空框體2及該外環實心框體3之間分別設有一絕緣膠膜，該尼龍風袋吹氣管穿過模具側邊以提供熱壓吹氣成型需求。

熱壓吹氣成型後，本發明自行車輪框之摩擦框體1、該內環中空框體2與該外環實心框體3形成一體結構，該摩擦框體1位於該內環中空框體2與該外環實心框體3之間，亦即本發明自行車輪框整體形成一碳纖維-鋁-碳纖維之三明治複合式一體結構

就以上所述可以歸納出本發明自行車輪框具有以下之優點：

1.本發明自行車輪框形成一碳纖維-鋁-碳纖維之三明治複合式一體結構，當該輪框因路況或撞擊使該輪框受力時，均由碳纖維材料之內環中空框體與外環實心框體承受，使該輪框保有碳纖維複合材料之高剛性與高強度。

2.本發明自行車輪框之摩擦框體位於內環中空框體與外環實心框體之間，該摩擦框體為鋁材質並提供煞車效果，且該摩擦框體與該內環中空框體及該外環實心框體之間分別設有一絕緣膠膜，令煞車時因摩擦產生之高溫而熱膨脹的摩擦框體不影響內環中空框體與外環實心框體，並且避免因鋁材質與碳纖維的氧化電位差而產生的腐蝕現象。

3.本發明自行車輪框之外環實心框體為緊繞一圈以上的0度連續纖維碳纖維預浸材料(unidirectional prepreg)熱壓成型而形成於該摩擦框體之外圍面，使得碳纖維材料之外環實心框體能夠限制該摩擦框體因煞車摩擦之熱膨脹或腐蝕脫層。

4.本發明自行車輪框之外環實心框體為緊繞一圈以上的0度連續纖維碳纖維預浸材料(unidirectional prepreg)熱壓成型而形成於該摩擦框體之外圍面，令該摩擦框體不需焊接合金框對接面即可形成環狀體，不僅簡化製作程序，更大幅降低製作成本。

綜上所述，本發明自行車輪框，並未見於先前被公開技術，故具有專利之新穎性與進步性，及對產業的利用價值；申請人爰依專利法之規定，向 鈞局提起發明專利之申請。

1‧‧‧摩擦框體

11‧‧‧外圍面

12‧‧‧內圍面

13‧‧‧卡合部

14‧‧‧凹槽

15‧‧‧摩擦面

16‧‧‧合金框對接面

2‧‧‧內環中空框體

3‧‧‧外環實心框體

b1‧‧‧外寬度

b2‧‧‧內寬度

h1‧‧‧外高度

h2‧‧‧內高度

圖一：為本發明自行車輪框之立體外觀圖。

圖二：為本發明自行車輪框之立體分解圖。

圖三：為本發明自行車輪框之剖視圖。

圖四：為圖三之局部放大圖。

圖五：為本發明自行車輪框另一角度之剖視圖。

圖六：為圖五之局部放大圖。

圖七：為一般中空結構體之截面圖。

1‧‧‧摩擦框體

11‧‧‧外圍面

12‧‧‧內圍面

13‧‧‧卡合部

14‧‧‧凹槽

16‧‧‧合金框對接面

2‧‧‧內環中空框體

3‧‧‧外環實心框體

Claims (10)

1. 一種自行車輪框，其包括有：一個摩擦框體，其為合金材質並能夠承載輪胎，該摩擦框體具有一個外圍面、一個內圍面與兩個摩擦面，該摩擦面能夠與煞車片接觸以提供煞車效果；一個內環中空框體，其為碳纖維材質，該內環中空框體相接於該摩擦框體之內圍面；以及一個外環實心框體，其為碳纖維材質，該外環實心框體貼合於該摩擦框體之外圍面。
2. 如請求項1所述之自行車輪框，其中該摩擦框體兩側分別徑向延伸形成一個卡合部，且該兩卡合部與該外圍面之間形成一個凹槽，該凹槽能夠承載輪胎。
3. 如請求項2所述之自行車輪框，其中該兩卡合部外側面分別形成該兩摩擦面，該兩摩擦面分別相接該外圍面與該內圍面。
4. 如請求項1至3中任一項所述之自行車輪框，其中該摩擦面呈平整面。
5. 如請求項1所述之自行車輪框，其中該摩擦框體為鋁合金材質。
6. 如請求項1所述之自行車輪框，其中該外環實心框體為0度連續纖維碳纖維預浸材料緊繞貼合該摩擦框體之外圍面並經熱壓而成型。
7. 如請求項1所述之自行車輪框，其中該摩擦框體與該內環中空框體及外環實心框體之間分別設有一絕緣膠 膜。
8. 如請求項1所述之自行車輪框，其中該自行車輪框為夾鉗型(Clincher Type)。
9. 如請求項1至8中任一項所述之自行車輪框，其中該摩擦框體相異兩端的兩個合金框對接面彼此互相抵靠，不需利用焊接接合即可令該摩擦框體呈一圓環狀。
10. 如請求項1至9中任一項所述之自行車輪框，其中該外圍面與該內圍面呈弧狀並具有相同曲率。