TW201742763A - 具有高穩定性之一體射出成型車輪 - Google Patents

Abstract

本發明係有關一種重量輕且具有高穩定性之車輪，此種車輪特別適用於系統重量較高之自行車，例如電動自行車及載重自行車，此外本發明還包括一種製造該車輪的方法。 　　本發明的車輪具有一個輪殼、至少三個對輪軸旋轉對稱設置的實心體輻條、以及一個輪圈，其中該車輪是以適當的玻璃纖維強化熱塑性塑膠為材料，以一體射出成型的方式製成。該等輻條具有S形斷面，且其張開角朝向該輪圈的方向逐漸變大，該等輻條從該輪圈到該輪殼逐漸縮小至該車輪中心，以及該等輻條延伸在一平面上，且該平面係由至少一個輻條從該輪殼到該輪圈界定而成。

Description

具有高穩定性之一體射出成型車輪

本發明係有關一種重量輕且具有高穩定性之車輪，此種車輪特別適用於系統重量較高之自行車，例如電動自行車及載重自行車，此外本發明還包括一種製造這種車輪的方法。

長久以來即有各種不同式樣及以不同材料製成的用於不同種類之自行車(例如登山車、日用自行車、躺臥式自行車)的車輪。從輻條結構來看，有金屬製且輻條數很多的典型輻條輪，但是也有輻條數很少的車輪，這種車輪的每一根輻條都是以較多的材料製成，以確保車輪具有必要的穩定性。輻條數很少的車輪若還需具備重量輕及高穩定性的優點，則通當是以碳纖維製成。但是碳纖維車輪的成本較高且製作費事，因此主要是用於運動類的自行車。此外，除非另外採取特別措施，碳纖維車輪對於側向撞擊的穩定性通常不足。

近年來載重自行車、輕便自行車、以及電動自行車(例如Pedelecs及E-Bikes)日益流行，其中載重自行車及輕便自行車亦可配備電動驅動裝置)。由於電動自行車的速度較快，且載重自行車的重量較大，因此車輪要能夠承受較高的機械荷載。前面提及的碳纖維車輪雖然具有重量輕及穩定性高的優點，但缺點是成本高及製作費事，同時其承受比賽用車輪之非典型負荷(例如側向撞擊)的能力還有改善的空間。

德國專利公開第DE 3536308 A1號專利案揭示一種特別適於輪椅用的車輪，其具有很高的抗彎強度，對於扭轉負荷的承受力也很好。這種具有輪殼、輻條及輪圈的車輪是一種一體射出成型的塑膠車輪，其輻條是中空輻條，同時輻條具有特定的斷面尺寸及一特定的斷面形狀。但是從穩定性的角度來看，塑膠射出車輪的穩定性還需有改善的空間。

美國國專利公告第US 4930844號專利案揭示一種以玻璃纖維強化的聚醯胺為材料且具有輪殼、輻條及輪圈的一體射出成型車輪，為了提高穩定性，這種車輪的輪圈具有一金屬圈。但是這種以玻璃纖維強化的塑膠材料製成的車輪的穩定性明顯不足。

歐洲專利公開第EP 1083063 A2號專利案揭示一種一體射出成型車輪，其具有能夠以玻璃纖維強化的S形輻條斷面。這種車輪加大朝向輪殼的輻條的斷面，以及擴大朝向輪殼的S形面積。此外，輪殼區的輻條是以正弦形狀彼此以法蘭連接。

世界財產權組織公開第WO 2014/099197 A1號專利案揭示一種減低車輪(例如自行車車輪)的風阻的方法。這個專利揭示一種條剖面為橢圓形的自行車車輪。

本發明的目的在於提供一種具有高穩定性的車輪，該車輪必須能夠承受較高的機械荷載，尤其是可能出現在電動自行車及/或載重自行車的荷載，同時具有一可接受的盡可能輕的重量，以及製造成本低且能夠以步驟較少的製程即可大量製造等優點。此外，該車輪還要具有盡可能長的使用壽命及易於維修等優點。

採用具有申請專利範圍第1項所述特徵的車輪即可達到上述目的，該車輪特別適用於自行車、電動自行車及載重自行車，該車輪具有一個輪殼、至少三個對輪軸旋轉對稱設置的實心輻條、以及一個輪圈，這種具有該輪殼、該等輻條及該輪圈的一體射出成型車輪是以玻璃纖維強化熱塑性塑膠製成，其特徵為：

各該輻條具有S形斷面，且其張開角朝向該輪圈的方向逐漸變大，該等輻條從該輪圈到該輪殼逐漸縮小至該車輪中心(在俯視圖上是該車輪的該輪軸方向)，以及

該等輻條延伸在一平面上，且該平面係由至少一個輻條從該輪殼到該輪圈界定而成。

此外，本發明還提出一種製造車輪的方法。

發明人進行了廣泛的研究並確認，採用上述特殊輻條結構並以適當的玻璃纖維強化熱塑性塑膠作為材料，可以製造出具有高度穩定性且重量很輕的車輪。特別是就穩定性來看，不但能夠承受很高的垂直撞擊荷載，例如當自行車行碰到路面凹坑時(可能還會結合很高的系統重量)產生的垂直撞擊荷載。此外，車輪的輪殼區對變形力具有很高的穩定性，尤其是使用碟式煞車在煞車時產生的變形力，同時還具有很高的側向穩定性，也就是說，對於在輪圈附近作用在車輪上的側向力具有很高的穩定性，例如在彎道上行駛或意外事故時可能產生的側向力。令人驚訝的是，該等輻條只需具有相當小的壁厚就可以達到這樣的穩定性。因此本發明的車輪符合很高的安全要求，尤其是載重自行車及電動自行車(例如Pedelecs及E-Bikes)所要求或必須有的高安全性。本發明的另一個優點是只需一個製程步驟即可大量生產本發明的車輪。

本發明的車輪具有一個輪殼、至少三個對輪軸旋轉對稱設置的實心輻條、以及一個輪圈，且該輪殼、該等輻條及該輪圈都是以一體射出成型的方式製成。由於本發明的車輪是整個以一體射出成型的方式，因此不需要金屬強化，例如輪圈區不需要金屬予以強化。該等輻條的配置方式較佳是所有的輻條都與相鄰輻條間隔相等的距離。所謂實心輻條是指本發明的輻條沒有一個是空心輻條。但有一種可能性是，為了減輕重量，本發明的輻條可以去除部分材料，因而具有缺口或孔洞。本發明的車輪的該輪圈可搭配鋼絲輪胎或軟管輪胎。在射出成型時，可以利用滑塊或帶有下陷的可折疊核心的模具形成鋼絲輪胎所需的帶有後切口的輪圈邊緣。

本發明的車輪的一個重要特徵是，各該輻條帶有一個具有S形斷面且朝向該輪圈方向逐漸變大的張開角(參閱圖2)。由於具有該S形斷面的關係，可以設計出重量較輕的輻條，以及提高車輪的穩定性。本發明所述之「S形斷面」亦包括頂點略帶有稜邊的S形形狀，如圖2b所示。

此外，根據本發明，該等輻條從該輪圈到該輪殼逐漸縮小至該車輪中心。在本發明中，所謂「車輪中心」是指在該車輪中央通過整個車輪的一個斷面。從一垂直側視圖亦可看出該等輻條在該輪軸方向上逐漸縮小的情況(參閱圖3a)。

此外，該等輻條被該車輪斷面穿過，且從該輪殼到該輪圈逐漸縮小。說得更精確一些，此處所謂的該車輪斷面是指一個通過該輪軸並垂直於該車輪之主平面的斷面，其中該車輪斷面穿過該至少一個輻條。換句話說，根據本發明，該等輻條從該輪圈到該輪殼在輪殼外側終端的方向上逐漸變寬。從圖3b可以看出，該車輪斷面從該輪殼到該輪圈逐漸縮小，其中圖3b顯示的是沿著圖3a的線A-A的一個斷面。

透過這些輻條構造特徵的組合可以製造出重量輕且具有高穩定性之一體射出成型車輪，無需使用費事的碳纖維構造。

本發明的車輪具有三至八、較佳是五或六、或最佳是正好六個上述的輻條。尤其是在輻條數量等於六的情況下，可以製造出穩定性非常好，且重量保持在可接受的範圍內的車輪。

本發明的車輪的各該輻條的壁厚介於1.5至5mm之間、較佳是2.5至3.5mm之間。另一種有利的方式是，各該輻條的壁厚在整個輻條上保持不變，或近乎保持不變。但是根據本發明，在過渡到該輪圈及/或該輪殼的區域，可以加大該輻條的壁厚。

另一個提高車輪穩定性的方法是，將該輻條及該輪圈之間的過渡區及/或相鄰輻條之間的過渡區連續設置在該輪殼區(參見圖3a中的虛線)，因而產生該輻條朝向該輪圈流暢的過渡區也可以將連續設置在該輪殼區的稱為相鄰輪輻之間的橋樑。

本發明的車輪是以玻璃纖維強化熱塑性塑膠製成。該玻璃纖維強化熱塑性塑膠的玻璃纖維含量是35-65%重量百分比、較佳是40-60%重量百分比、或最佳是45-55%重量百分比。所使用的玻璃纖維較佳是長度1mm以上的玻璃纖維。使用上述含量的玻璃纖維，一方面可以使車輪具有良好的力學特性，另一方面可以透過射出方法製造出更精細的形狀，例如輪圈的造形。本發明的一種有利的方式是，在射出成型後，成品中的纖維不是朝同一個方向，而是雜亂無章的。

本發明使用的熱塑性塑膠主要是聚醯胺、共聚醯胺、以及此二者的混合物。較佳是使用以部分結晶聚醯胺及部分芳香聚醯胺為主要成份的塑膠材料。例如聚醯胺6、聚醯胺66、聚醯胺6l、聚醯胺6X、聚醯胺6l/X、以及這些聚醯胺的混合物(例如聚醯胺66及聚醯胺6l/X的混合物)等都是適當的聚醯胺及共聚醯胺。

根據本發明，該玻璃纖維強化熱塑性塑膠的斷裂應力(DIN EN ISO 527)較佳是100MPa至300MPa、或最佳是150MPa至250MPa，彈性模數(DIN EN ISO 527)較佳是6GPa至30GPa、或最佳是15GPa至25GPa。

在市場上即可取得適當的玻璃纖維強化熱塑性塑膠，例如商標名稱為Crivory^® 的玻璃纖維強化熱塑性塑膠(製造商：EMS-Grivory, EMS Chemie AG, Schweiz)。

根據本發明的一種有利的實施方式，可以將反光顏料加到玻璃纖維強化熱塑性塑膠中，以改善其可見度，這樣在擠壓及射出後就可以製造出反光車輪。

根據本發明的一種有利的實施方式，本發明的車輪在輪殼內有一個金屬或塑膠接頭，以容納輪軸、電動馬達(輪殼馬達)、輪殼發電機、及/或輪殼線路，或是在輪殼內設有一個車輪軸承，例如將車輪軸承直接壓入車輪的塑膠體內。由於本發明的車輪是以射出成型，因此能夠以簡單的方式將上述接頭或車輪軸承設置在輪殼內。例如，可以將上述接頭或車輪軸承放到模具中，然後擠壓包封，或是在射出成型後將上述接頭或車輪軸承與車輪結合或壓製在一起，而且最好是利用射出成型之車輪的餘熱來做這件事。

從減輕重量的角度來看，本發明的車輪的輪圈在徑向方向較佳是具有一向外且至少是部分張開的空心型材(參閱圖5b)。這個空心型材可以是V形、U形、梯形、或箱形型材。型材深度為1-80mm、較佳是15-50mm、或最佳是25-35mm。

空心型材可以是整個張開的，或是為了提高穩定性，也可以也可以在空心型材內設置將其隔成多個小區的橫肋(圖6)。在射出成型時，可以透過從形成空腔的模具部分徑向拉出的方式形成空心型材及被橫肋隔斷的空心型材。

在橫肋外緣測量，該橫肋中央部分的厚度是1-6mm、較佳是1.5-4mm、或最佳是2-3mm。另一種有利的方式是，該橫肋具有進入該輪圈側壁的一連續過渡區。

本發明的車輪(尤其是鋼絲輪胎)可以具有一輪圈墊帶。該輪圈墊帶較佳是位於該空心型材上，或是位於被該橫肋隔斷的該空心型材上，並支撐內胎承受胎壓。

該輪圈墊帶較佳是以熱塑性纖維強化帶材(具有熱塑性底材的織物強化半成品)製成，且其斷裂應力(DIN EN ISO 527)較佳是200MPa至600MPa、或最佳是300MPa至400MPa，彈性模數(DIN EN ISO 527)較佳是6GPa至30GPa、或最佳是15GPa至25GPa。該輪圈墊帶的厚度為0.25-5mm、較佳是0.3-1mm、或最佳是0.4-0.6mm。

根據一種有利的實施方式，其中將該輪圈型材隔成小區的該等橫肋分佈在數個段落，其中在同一段落內的橫肋具有相同的徑向方向，也就是彼此平行，在相鄰段落內的橫肋則具有不同的徑向方向，但是在同一段落內的橫肋仍然是彼此平行(圖6)。另人驚訝的是，這種使不同段落內的橫肋具有不同徑向方向的設計方式可以使車輪達到比所有橫肋均具有相同徑向方式的設計方式更好的穩定性。根據另一種有利的方式，本發明的車輪具有六到十二個這樣的段落，或最好是具有八個這樣的段落。特別有利的實施方式，本發明的車輪具有六個輻條及八個段落，這種配置方式可以達到最佳的穩定性及重量組合。

本發明的車輪可以被製作成用於自行車及載重自行車的任何常見的尺寸及輪圈尺寸，例如ETRTO(歐洲輪胎及輪圈技術組織)規範的尺寸。根據ETRTO規範，用於輪胎尺寸的最佳車輪額定直徑是16-28英寸、18-26英寸、20-26英寸、或最好是24英寸。輪圈寬度(開口寬度)是14-35mm、或最佳是25-30mm。如果是鋼絲輪胎，輪圈邊緣高度是5-10mm、或最佳是6-8mm。

如果是24英寸輪胎，視所需要的穩定性而定，本發明的車輪的重量是1-2公斤、較佳是1-1.5公斤、或最佳是1-1.2公斤。此處所稱的重量是指射出成型後的車輪重量，但不包括前面提及的位於該輪殼區的該接頭。

本發明的車輪不只可應用於雙輪自行車，亦可應用於三輪或四輪的自行車。本發明的車輪尤其適用於電動自行車、載重自行車、滑步車、電動助力自行車、登山車、躺臥式自行車、輪椅、以及不需人力驅動的車輛，例如摩托車(Scooter)。由於重量及穩定性的完美組合，本發明的車輪特別適用於兩輪或三輪載重自行車，以及動力驅動的自行車，例如電動自行車或電動助力自行車。本發明的車輪的應用領域亦包括中級發動機驅動的車輛及全輪驅動車輛(每一個車輪輪殼都設有一個輪殼馬達)。

本發明的車輪具有一個輪殼、至少三個與輪軸旋轉對稱的配置的實心體輻條、以及一個輪圈，該車輪是以適當的玻璃纖維強化熱塑性塑膠為材料，以一體射出成型的方式製成。通常是將該玻璃纖維強化熱塑性塑膠放到一擠壓機中處理，並加熱到一適當的溫度，然後再射出成型。最後將該輪軸方向上的主模具構件移除。由於S形斷面的輻條的是實心體，因此能夠以簡單且沒有側凹的方式成型。如果需要的話，可以利用適當的模具構件及/或滑塊製造出輪圈的空心型材形狀及橫肋，並在射出成型後將該模具構件及/或滑塊拉出。

如果要在該輪殼開口設置一車輪軸承或容納軸承及/或電動馬達用的金屬或塑膠接頭，可以在射出成型時將上述構件放到模具中，然後擠壓包封，或是在射出成型後，利用射出成型的餘熱將上述構件壓入該輪殼開口。

以下配合圖式對本發明的車輪的實施例作進一步的說明。

如圖1所示，以一體射出成型方式製成的車輪1具有六個S形的輻條2、一個輪殼3、以及一個輪圈4，該車輪1是以適當的玻璃纖維強化熱塑性塑膠製成，此種材料之玻璃纖維含量為50%(例如Grivory^® GVN-5H 9915)，製造時是將材料放入一適當的射出成型模具，並沿著輪軸的方向脫模。該車輪可以配備用於具有內胎的鋼絲輪胎用的一輪圈，亦可配備一內胎輪圈。在第1圖的實施方式中，為了減輕重量，輻條具有五個孔洞。

各該輻條2具有一S形斷面，且其張開角朝向該輪圈的方向逐漸變大(參見圖2，尤其是圖2b)。在這個實施方式中，該輻條的壁厚約為3mm，而且從該輪殼到該輪圈，各該輻條的壁厚均保持不變。該等輻條2從該輪圈4到該輪殼3逐漸縮小至該車輪中心(圖3a所示)，同時該等輻條2延伸在一平面上，且該平面係由至少一個輻條從該輪殼3到該輪圈4界定而成(圖3b所示)。在輪殼區3的輻條2之間，以及在從輻條2到輪圈4的過渡區的輻條2之間，輻條2是連續的。圖3a中的虛線顯示這些過渡區。

圖4b顯示本發明的車輪的輪殼3的一種可能的實施方式，其具有一個容納輪軸用的接頭。該輪殼區3帶有固定孔或鑽孔6，以固定煞車片。在沿著線B-B的斷面上可以看出該接頭，該接頭是由帶有滾珠軸承11的一支架7構成。該接頭被固定在該輪殼3上，其作用是容納穿過開口10的輪軸。射出成型車輪的側壁9將空腔8環繞住，設置該空腔8的目的是減輕車輪的重量。在本實施例中，與該接頭接觸的側壁9為階梯形，以便將該接頭更好的固定在該輪殼內。

根據本發明，也可以將該輪殼區3及該接頭設計其他任意形式。尤其是可以將電動馬達設置在該輪殼區。

圖5顯示本發明的車輪的輪圈型材的一種可能的形式。圖5b顯示沿著圖5a中的線D-D的一個斷面。該輪圈4帶有一連續的空腔13。輪圈邊緣12被顯示在該輪圈4的上半部。這個實施方式還具有一個輪圈墊帶14，以限制內胎的壓力。

如圖6所示，複數個橫肋15可以分隔該輪圈型材的該空腔13，也就是將該空腔13分隔成若干小區。在第6圖的實施方式中，該輪圈區4被該等橫肋15分隔成具有八個段落16的該空心型材。在同一段落16內的橫肋具有一相同方向，但是相鄰段落內的橫肋15的方向是不同的。在製造車輪時，可以透過放置及拉出八個徑向設置的滑塊製作出該等段落16。

1‧‧‧車輪 2‧‧‧輻條 3‧‧‧輪殼、輪殼區 4‧‧‧輪圈 5‧‧‧孔洞 6‧‧‧固定孔、鑽孔 7‧‧‧支架 8‧‧‧空腔 9‧‧‧側壁 10‧‧‧容納輪軸用的開口 11‧‧‧滾珠軸承 12‧‧‧輪圈邊緣 13‧‧‧輪圈的空腔 14‧‧‧輪圈墊帶 15‧‧‧橫肋 16‧‧‧段落

以下將配合圖式對本發明作進一步的說明。 圖1顯示一具有六個輻條之本發明的車輪的側向俯視圖。 圖2顯示輻條的S形斷面，圖2a顯示本發明的車輪的一部分，圖2b顯示具有突出斷面之輻條的細部圖，其中突出斷面對應於圖2a中虛線的位置。 圖3a顯示本發明的車輪在軸向上的俯視圖，從該圖可看出輻條從輪圈到輪殼逐漸縮小；圖3b顯示輻條在車輪斷面從輪殼到輪圈逐漸縮小。 圖4a顯示本發明的車輪在軸向上的俯視圖；圖4b顯示本發明在輪殼區設有容納軸承用的接頭的例子，其中圖4b的底部顯示輪殼區的沿著線B-B的一個斷面。 圖5a顯示本發明的車輪在軸向上的俯視圖；圖5b顯示一個可能的輪圈型材形狀，也就是沿著圖5a的線D-D的斷面。 第6圖顯示本發明的車輪的輪圈區，這個實施例具有由橫肋構成的空心小區，其中橫肋分佈在八個段落，而且在同一段落內的橫肋彼此平行。

1‧‧‧車輪

2‧‧‧輻條

3‧‧‧輪殼、輪殼區

4‧‧‧輪圈

5‧‧‧孔洞

Claims (15)

1. 一種車輪(1)，尤其適用於電動自行車及載重自行車，其具有一個輪殼(3)、至少三個對輪軸旋轉對稱設置的實心輻條(2)、以及一個輪圈(4)，具有該輪殼(3)、該等輻條(2)及該輪圈(4)的一體射出成型的該車輪是以玻璃纖維強化熱塑性塑膠製成，其特徵在於： 該等輻條(2)具有S形斷面，且其張開角朝向該輪圈(4)的方向逐漸變大， 該等輻條(2)從該輪圈(4)到該輪殼(3)逐漸縮小至該車輪中心，以及 該等輻條(2)延伸在一平面上，且該平面係由至少一個輻條從該輪殼(3)到該輪圈(4)界定而成。
2. 如申請專利範圍第1項所述之車輪，其中該車輪(1)具有三至八個、較佳是五或六個輻條(2)。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述之車輪，其中各該輻條(2)的壁厚介於1.5至5mm之間、較佳是2.5至3.5mm之間。
4. 如申請專利範圍前述任一項所述之車輪，其中各該輻條(2)及該輪圈(4)之間的過渡區及/或相鄰的該輻條(2)之間的過渡區在該輪殼(3)區內是連續的。
5. 如申請專利範圍前述任一項所述之車輪，其中該輪殼(3)內設有一個金屬或塑膠接頭，以容納輪軸、電動馬達(輪殼馬達)、輪殼發電機、及/或輪殼線路，或是在該輪殼內設有被直接壓入該車輪之塑膠體的一個車輪軸承。
6. 如申請專利範圍前述任一項所述之車輪，其中該輪圈(4)在徑向方向具有向外且至少是部分張開的一個空心型材(13)。
7. 如申請專利範圍第6項所述之車輪，其中該輪圈(4)的該空心型材(13)帶有將該空心型材(13)隔成多個小區的複數個橫肋(15)。
8. 如申請專利範圍第7項所述之車輪，其中該等橫肋分佈在六至十二個段落(16)，在同一段落(16)內的該等橫肋(15)具有相同的徑向方向，在相鄰段落(16)內的該等橫肋(15)則具有不同的徑向方向。
9. 如申請專利範圍前述任一項所述之車輪，其中該玻璃纖維強化熱塑性塑膠的玻璃纖維含量是35-65%重量百分比、較佳是40-60%重量百分比、或最佳是45-55%重量百分比。
10. 如申請專利範圍前述任一項所述之車輪，其中該玻璃纖維強化熱塑性塑膠的斷裂應力(DIN EN ISO 527)較佳是100MPa至300MPa、或最佳是150MPa至250MPa，彈性模數(DIN EN ISO 527)較佳是6GPa至30GPa、或最佳是15GPa至25GPa。
11. 如申請專利範圍前述任一項所述之車輪，其中該玻璃纖維強化熱塑性塑膠是由部分結晶聚醯胺及部分芳香聚醯胺構成。
12. 如申請專利範圍前述任一項所述之車輪，其中該車輪材料含有至少一種反光顏料。
13. 一種製造車輪(1)的方法，其中該車輪(1)具有如前述申請專利範圍中任一項所述之一個輪殼(3)、至少三個與輪軸旋轉對稱的配置的實心體輻條(2)、以及一個輪圈(4)，其中該車輪(1)是以適當的玻璃纖維強化熱塑性塑膠為材料，以一體射出成型的方式製成。
14. 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中在該輪殼開口設置一個車輪軸承或容納軸承及/或電動馬達用的一個金屬或塑膠接頭。
15. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中將該車輪軸承或該接頭擠壓包封，使其進入該輪殼開口，或是利用射出成型之該車輪(1)的餘熱使該車輪軸承或該接頭與該車輪(1)結合。