TWI486265B - 特別是用於腳踏車之輪輻、輪子及製造輪輻之方法 - Google Patents

Description

特別是用於腳踏車之輪輻、輪子及製造輪輻之方法

本發明係關於特別是用於腳踏車之輪輻、輪子及製造輪輻之方法。雖然本發明將參考應用於腳踏車的情形而敘述，但是本發明也可以應用於其他單輪腳踏車或多輪腳踏車上，特別是腳踏車拖車、二輪式機車或輪椅上。

發明背景

對於高品質腳踏車零件來說，重量扮演很重要的角色。為了降低腳踏車輪子、輪輞與輪輻的重量，所以已知有纖維強化塑膠所製成的腳踏車零件，其總重量降低，同時其能達到的穩定性可比得上具有金屬輪輞的輪子所能達成的穩定性。

WO 00/35683 A1揭示一種腳踏車輪子，其中，根據第6圖的實施例之輪輻是由纖維強化塑膠所組成。每個輪輻包含一束細絲，這些細絲係從輪輻尾端突出且可以成扇形展開，以便允許在輪輞與輪轂中獲得牢固的座部。

特別不僅是在腳踏車的後輪上，輪輻大部分是以十字架的圖案安裝。如此能允許轉移高驅動力矩，且例如允許使用碟煞。除了徑向力量之外，也可以吸收圓周方向上的力量。交叉式輪輻的一項缺點在於：雖然這些輪輻在交叉點受到彎曲，但是由於負荷改變的緣故，他們可能會在操作時彼此磨擦。因此，整個狀況並不總是如意料中的一般精確，且可能會暫時改變。

以此技術為背景，本發明之目的是要提供一種重量輕的輪子與輪輞，其可以展現出很高的強度。而且，必須能夠轉移徑向及圓周方向上的力量。

上述目的可以藉由具有申請專利範圍第1項的特色之輪輻以及具有申請專利範圍第10項的特色之輪子而達成。本發明的方法是申請專利範圍第16項之標的。本發明的其他較佳結構與特定實施例是申請專利範圍依附項中之標的。

本發明的輪輻特別係被設置成可應用於腳踏車上，其包含至少兩輪輻本體。各輪輻本體包含多個輪輻尾端，這些輪輻尾端係被設置成可裝配至一輪輞或輪轂本體上。根據本發明，輪輻本體是由至少實質上纖維複合材質所組成，且包含多數纖維。根據本發明，此兩個輪輻本體係整體地連接在一起，且在一平面上互相交叉。

本發明的輪輻具有顯著的優點。沿著輪輻本體對齊的多數纖維能使本發明的輪輻達到很高的強度。

具有兩個彼此在一平面中交叉的輪輻本體之輪輻，能有利地允許在徑向方向以及圓周方向上轉移力量。由於兩個輪輻本體的交叉點係位於一個平面上，所以不需要彎曲任何輪輻，因此能有效地防止這些接觸點受到摩擦及彎曲。一般來說，不僅兩個交叉的輪輻交叉點位於一平面上，而且含有兩個輪輻本體的整個輪輻也是位於一個平面上。

因此，本發明可提供一種質量非常輕的輪輻，以用於 交叉式輪輻上，且可以與一個重量輕的輪輞組合起來。

在本發明的一較佳實施例中，輪輻本體包含多數纖維，這些纖維在輪輻本體的長度上係被徑向朝外封包於至少一外蓋層內。由於輪輻內部的纖維係被覆蓋於此外蓋層中，所以這樣的一個外蓋層能產生很高的光學輪輻表面品質。

外蓋層特別被形成為一個纖維排列，其包含多條平行對齊且藉由黏接劑等緊密相連且相鄰鋪設的細絲。另一替代方式是運用一織物層或編結織物。使用織物排列會產生特別高的表面品質，這是因為這些在單層中緊密相鄰的細絲能允許產生光學上特別吸引人注意的表面。

較佳地，暴露於至少一端的這些纖維並未連接起來，這是為了簡化將輪輻合併到輪輞與輪轂內。

在所有實施例中，至少一纖維取自含合成纖維、碳纖維、克維拉纖維(Kevlar fiber)、醯胺纖維、玻璃纖維與硼纖維所構成的纖維群組。當然，也可以構思出其他的纖維材質。例如，也可以使用金屬纖維與其他有機或無機纖維材質。特別較佳地可使用碳纖維、玻璃纖維、及/或克維拉纖維。

在特別較佳的實施例中，可以使用具有兩個不同纖維材質的纖維。較佳地，此纖維的一顯著且特別是主要部分例如是由具有高拉伸強度的碳纖維所組成，而此纖維的一較小但仍舊顯著的部位例如則是由可以在斷裂時展現出較高延伸性的克維拉纖維所組成。如此一來，假如輪輻萬一 斷裂的話，它不會突然地斷裂成二半，而會因著克維拉纖維的緣故而持續連接。也可以運用具有三種或更多不同纖維材質的纖維。

較佳地，輪輻本體的剖面被建構成具有對稱性，且特別符合空氣動力學。較佳地，剖面被建構成橢圓形，以便提供很低的空氣動力阻力。

在一特別較佳的實施例中，輪輻包含三個彼此交叉且相連的輪輻本體。交叉的輪輻本體特別是配置於同一平面內，致使，不管交叉的輪輻本體如何，三個輪輻本體稍後都會在輪子中呈現出一直線且沒有彎曲，藉此增加穩定性。

所有上述的結構使暴露的纖維從至少一輪輻尾端突出，如此一來，這些纖維就可以如扇形一般散開。在輪輻尾端突出且實質上並未互相連接的纖維，能允許簡單地合併到輪輞或輪轂本體內。在輪輞或輪轂本體中的扇形展開或扇形合併能允許達到零件的高強度與高合併。並不需要在輪輻裝配至零件的裝配點上設置特殊強化件，這是因為由於刷子狀的輪輻尾端之扇形展開纖維，而使得發生的負荷能夠被引進於一個很大的表面上。

這一點很有利，因為由於習知的輪輞螺帽要求必須設有一個穩定的支架，所以很難將輪輻裝附至纖維強化塑膠的輪輞上。

對於輪輻來說，特別有利地是由在一平面中相交叉的至少兩個輪輻本體所一體成形，以便在每個輪輻本體內包含多條纖維，這些纖維係在輪輻本體的縱向方向上延伸且 成為暴露的纖維，這些纖維是從他們能夠成扇形散開的至少一輪輻尾端突出。

在所有實施例中，對於纖維來說，較佳地能夠被建構成單絲。較佳地，藉由運用具有單方向性纖維或單絲的粗紗而製造輪輻，如此能使輪輻具有很高的穩定性。

本發明的輪子特別被設置成與腳踏車一起使用，且包含一輪輞、一輪轂本體、及連接輪輞與輪轂本體的輪輻。至少一輪輻係由在一平面中相交叉的至少兩個輪輻本體及後續的輪輻尾端而一體成形。本發明的輪子之輪輻至少是由纖維複合材質所組成。較佳地，輪輞及/或輪轂本體至少局部是由纖維複合材質所組成。

本發明的輪子中之輪輻本體各特別包含多數纖維，這些纖維係至少在一輪輻尾端突出而超過輪輻本體，且以扇形展開的狀態下植入於輪輞及/或輪轂本體內。

本發明輪子係具有一些顯著的優點。在輪輻本體的尾端處如刷子狀突出且以扇形展開狀態植入於輪輞及輪轂本體內之纖維，能產生高耐應力性，且輪輻與輪轂本體或輪輞之間的連接強度很強。在輪輞或輪轂本體上輪輻裝配點並不需要複雜的強化件，這是因為扇形展開的合併方式能夠對輪輻與輪輞之間，或者輪輻與輪轂本體之間的連接提供很高的耐應力性。

所使用的纖維特別是彼此相鄰成單方向對齊的單絲。在本發明輪子或輪輻的特定實施例中，較佳地也可以運用特定比例的扭絞纖維或類似物。

在此情形中，輪輻尾端係被植入於輪輞及/或輪轂本體內，不僅產生摩擦力而且還很合適地裝配起來。

有利地，輪輞及輪轂本體亦由纖維複合材質所製成，以便獲得重量特別輕的輪子。

為了增強表面品質，輪輻纖維係沿著輪輻本體而被封包於一外蓋層內，此外蓋層可以被建構成一纖維排列、織物層、或編結物等。

本發明的輪子除了交叉輪輻之外，還可以包含被定向成徑向方向的輪輻。在交叉輪輻的情形中，兩個輪輻本體以一交叉角度彼此相交。由於交叉的輪輻本體係位於一平面內，所以交叉的輪輻不需要任何彎曲。

有利地，本發明的輪子係被建構成統一化且較佳地為一體成形，致使輪輞、輪輻與輪轂本體一起形成一個均勻的連接元件。

在本發明用於製造輪輻的方法中，覆蓋層被定位於第一模具半體的兩個交叉中空部位內，且位於第二模具半體的兩個對應交叉中空部位內，在其上將單方向對齊的多數纖維以交叉方式定位，致使這些中空部位被填滿起來。纖維在模具半體內被樹脂所充滿，或者纖維被實施成預浸漬物。之後，兩個模具半體係彼此相連，致使個別中空部位可以互相抵靠。在硬化之後，可以獲得具有兩個交叉輪輻本體的輪輻，其中交叉點與交叉輪輻本體係位於一個平面上。

細絲特別地係從輪輻本體的軸向尾端突出，這些纖維 係暴露出來且可以扇形散佈開來。

較佳地，暴露且尚未連接的纖維尾端係突出超過模具半體。

在所有上述結構中，較佳地模具半體首先被塗上脫模劑，以防止纖維複合材質黏接到模具半體。

所運用的外蓋層較佳地是一纖維排列或纖維織物，且這些所使用的纖維特別是例如具有粗紗形式的單絲。

從以下伴隨附圖所作之範例性實施例，可以看出本發明的其他優點與可能應用。

第1圖是具有交叉輪輻的輪子之剖面細節的側視圖。

第2圖是本發明的輪子之剖面圖

第3圖是第2圖的製造模具及輪輞的剖面圖。

第4圖是織物軟管的示意圖。

第5圖是一個折疊回去的織物條狀物之示意圖。

第6圖是織物區段的頂視圖。

第7圖是用於製造輪輻的模具半體之示意圖。

較佳實施例之詳細說明

以下，將參考附圖說明本發明的範例性實施例。

為了製造輪子1，首先要製造輪輻4，此輪輻根據第1圖包含兩個交叉輪輻本體9。

第1圖所示的輪子1之範例性實施例顯示出交叉輪輻4，其中每個輪輻4包含兩個位於一平面上且彼此整體相連 的交叉輪輻本體9。藉由一模具而進行製造，在此模具中放置有交叉纖維股與纖維排列，以便整體地製造交叉輪輻。在輪輻本體9的四個尾端，細線42從輪輻本體9突伸出來，以便被整合到輪輞或輪轂本體內而合適地裝配起來。

為了製造如第1圖所示的輪輻4，一外蓋層41在本實施例中被建構成單層式結構，而且，在模具半體46被塗上脫模劑以避免黏住最終完成的輪輻4之後，此外蓋層係被放置於第一模具半體46的第一中空部位內。一外蓋層41亦被放置在第一模具半體46的第二中空部位內。此第二中空部位以一交叉角而交叉第一中空部位。整體來說，兩個中空部位係位於一平面內，致使含有交叉點的輪輻4之整體連接的輪輻本體9係被配置於一平面內。

之後，多數平行單方向的纖維42係被放置於第一模具半體46的兩個中空部位內之各外蓋層41上，用以吸收輪輻張力。被放置於兩個中空部位內的平行單方向纖維42在交叉點彼此相交。另一方面，兩個中空部位內的纖維可以單獨地或成股地放置於兩個中空部位內，或者成股地插入兩個中空部位內。

須小心使得模具半體46的中空部位47整個被填滿，或者設置於內部的纖維稍微超過所能獲得的剖面積。

對應的外蓋層41及纖維42係被放置在第二模具半體內。

在模具半體46中的中空部位之長度係對應於輪轂本體2與輪輞3之間的輪輻長度。位於模具半體46內的纖維長度 是比模具半體46的長度更長，致使細線41突出超過模具半體46的尾端，較佳地在一公分與三公分之間，較佳地大約是二公分。

因此，當製造輪輻或者當輪輻被合併到輪輞3或輪轂本體2內時，這些突出的纖維42可以成扇形展開。藉由輪輻4，因此可以保證在輪輞或輪轂本體內產生牢固的座部，而不需要將複雜的強化層合併到結構元件內，以確保所需要的固定。

輪輻4係被分開地預先製造且分開硬化，以便儲存起來用於製造輪子。

為了製造輪輻且為了製造輪輞3或整個輪子1，一般可以使用預先浸漬好的纖維織物，但是也可以較佳地使用在製造期間後續被樹脂所充滿的乾纖維或者纖維織物。

為了製造輪子1，此輪子的剖面係顯示於第1圖中，可使用一個含有模具部件21與22的模具20(第3圖)。

平整地放置在一支架上的模具部件21被塗上脫模劑，模具部件22也是如此。之後，織物區段11係沿著欲製造的輪輞3之周圍而被放置在模具部件21上的圓圈內，致使此織物區段11在輪輞3中可形成輪輞凸緣7。類似地，形成輪輞凸緣8的一織物區段12係被放入製造模具20的模具部件22內。

所使用的織物區段11與12可以是第4圖與第5圖所示的織物區段。較佳地，使用第4圖所示的織物區段，其被建構成織物軟管26。此織物軟管26包含如第6圖所示的纖維31與 32，所有的纖維均相對於織物區段的縱向方向大約被定向成45度的角度。

藉由使用含有以角度排列的纖維31與32之織物軟管26，可以達到具有較佳皺褶特性的織物區段11，致使，此織物區段11可以被極佳地放置於模具21內，同時在圓周及橫跨輪輞凸緣7的徑向方向上的織物品質也能夠維持成一致均勻的品質。

以此方式，可以達成製造輪輞與輪子時的高品質。在先前技術中，相較於此，放置在頂部的條狀物在輪輞的徑向朝內或徑向朝外處傾向產生皺褶。同時，網狀物的距離與寬度會改變，因而無法達成具有均勻特性的輪輞與輪子。

在放置織物區段11之後，被分派到輪輞凸緣8的輪輻4之尾端14係被放置於織物區段11上，其中突出的纖維42係成扇形展開，以便確保在輪輞中盡可能產生越大的固定越好。也可以在製造輪輻4時纖維42就已經成扇形展開，且在扇形展開的情形下硬化，致使成扇形展開且硬化的輪輻係被放置於織物區段11上，而此織物區段係被放置於模具部件21上。

而且，在此情形中，製造出一輪輻4，其具有在一平面中相互交叉的輪輻本體9。

在徑向朝內的區域中，相對於模具部件21來說，在其中心處設有一輪轂本體固持器35，在其上可使第一外輪轂蓋36、第一內輪轂蓋37、及之後的第二內輪轂蓋39與第二外輪轂蓋38被推動。在第二外輪轂蓋38與第二內輪轂蓋39 之間的徑向朝內區域中，在朝內輪輻尾端15處突出的纖維42係成扇形突出，且被放置在外蓋38與39之間。在添加例如為樹脂的黏接劑之後，外蓋38與39彼此擠壓於其上，且經黏接後形成第二輪轂蓋34。第一外輪轂與內輪轂蓋36與37稍後以類似方式進行加工。

芯材17係被放置於輪輻尾端14上，這些輪輻尾端係被放置於織物區段11上，大約具有三角形的剖面，且被設置成用以放置在輪輞底部的區域內。

其徑向朝內表面24配合想要的輪輞井輪廓之模具環23，係至少在此朝內表面24上被一織物條狀物所覆蓋。作為另一替代方式，一織物軟管可以被放置於模具環23的朝內表面24上。之後，模具環23係被放置於模具部件21內，致使在芯材17與模具環23之間仍保有一徑向距離或間隙。

被封包於織物區段16內的充氣式管子19係被插入剩餘的間隙內。用以封包充氣式管子的織物區段16例如可以被建構成一個安裝於此充氣式管子19上的織物軟管25。另一方面，在充氣式管子19被放置於此間隙內之前，充氣式管子可以被封包或包裹於一織物條狀物或類似物內。

織物區段16在徑向朝外區域內強化了輪輞井，而且在側邊上強化了亦包含剎車接觸表面47的輪輞凸緣7與8。在徑向朝內區域中，織物區段16藉由一橫向網狀物30而強化輪輞3，致使輪輞3較適用於吸收剎車時所產生的負荷。

在放入充氣式管子19之後，模具部件22係被放置於此模具部件21上，且關閉整個模具20。在充氣式管子19內的 壓力升高之後，製造模具20被帶至一個更高的溫度以加速硬化過程。

同時或者在此之前，充氣式管子19係被加壓而實施個別織物區段的壓力黏接。

在硬化與冷卻製造模具20之後，打開製造模具20，且移除輪子。

輪子1具有一項很顯著的優點，就是它均勻地由同樣或至少類似材質所組成，致使輪輞、輪輻、及輪轂本體展現出相同的熱膨脹係數。在習知含有纖維複合材質的輪轂及金屬輪輻所製成的輪子中，當輪子受熱時，輪輻張力可能會鬆弛，這是因為金屬輪輻與纖維複合材質的性能有所不同。纖維複合材質可能展現出負的熱膨脹係數，如此一來會進一步增加輪輻張力的減少。輪子1並未展現出這些缺點。

相較於纖維複合材質所製成的習知三輪輻式輪子，能夠以減輕的重量達到具有更高側向硬度的顯著優點。

藉由將一輪轂套筒40插入輪轂蓋33與34之間，可以繃緊輪輻。輪轂套筒40係與輪轂蓋33與34黏接在一起，致使整體來說產生出一體成形且由纖維複合材質所組成的輪子1。

輪子的另一項顯著優點在於：輪輻4的輪輻本體9從輪輞內的起點開始以直線延伸，直到進入輪轂蓋或輪轂凸緣內為止。這一點的達成是由於輪輞實質上具有三角形剖面，且其傾斜角被設定成能夠獲得直線的形式。

第1圖亦顯示輪輻本體9的剖面圖，在此範例性實施例中，輪輻本體大約是橢圓形，以達到低摩擦力。

1‧‧‧輪子

2‧‧‧輪轂本體

3‧‧‧輪輞

4‧‧‧輪輻

7‧‧‧輪輞凸緣

8‧‧‧輪輞凸緣

9‧‧‧輪輻本體

11‧‧‧織物區段

12‧‧‧織物區段

14‧‧‧尾端

15‧‧‧尾端

16‧‧‧織物軟管

17‧‧‧芯材

19‧‧‧充氣式管子

20‧‧‧製造模具

21、22‧‧‧模具部件

23‧‧‧模具環

24‧‧‧表面

25‧‧‧織物軟管

26‧‧‧織物軟管

30‧‧‧橫向網狀物

31、32‧‧‧纖維

33、34‧‧‧輪轂蓋

35‧‧‧輪轂本體固持器

36‧‧‧第一外輪轂蓋

37‧‧‧第一內輪轂蓋

38‧‧‧第二外輪轂蓋

39‧‧‧第二內輪轂蓋

40‧‧‧輪轂套筒

41‧‧‧外蓋層

42‧‧‧纖維

43‧‧‧輪輻本體的剖面

46‧‧‧模具半體

47‧‧‧中空部位

第1圖是具有交叉輪輻的輪子之剖面細節的側視圖。

第2圖是本發明的輪子之剖面圖。

第3圖是第2圖的製造模具及輪輞的剖面圖。

第4圖是織物軟管的示意圖。

第5圖是一個折疊回去的織物條狀物之示意圖。

第6圖是織物區段的頂視圖。

第7圖是用於製造輪輻的模具半體之示意圖。

1‧‧‧輪子

3‧‧‧輪輞

4‧‧‧輪輻

7‧‧‧輪輞凸緣

9‧‧‧輪輻本體

11‧‧‧織物區段

14‧‧‧尾端

15‧‧‧尾端

33‧‧‧輪轂蓋

35‧‧‧輪轂本體固持器

41‧‧‧外蓋層

42‧‧‧纖維

43‧‧‧輪輻本體的剖面

Claims (15)

1. 一種用於腳踏車車輪的輪輻，包含至少兩個輪輻本體，且在各輪輻本體上設有多個輪輻尾端，該等輪輻尾端係被設置成可分別裝配至一輪輞及輪轂本體上，其中各輪輻本體是由纖維複合材質所組成，且包括多數纖維在一輪輻尾端成扇形展開成為暴露纖維，以便以該扇形在一輪輻尾端與輪輞直接連接而在另一輪輻尾端與輪轂本體直接連接，在輪轂本體成扇形展開之該等暴露纖維的至少一部份係在相鄰的輪輻尾端處彼此重疊該兩個輪輻本體係一體地連接在一起，且在一平面上互相交叉，而且沒有彎曲。
2. 如申請專利範圍第1項之輪輻，其中，各輪輻本體包含多數纖維，該等纖維在輪輻本體的長度上係被朝外封包於一外蓋層內，該外蓋層是由一個纖維排列所組成。
3. 如申請專利範圍第1項之輪輻，其中，暴露的纖維並未連接起來。
4. 如申請專利範圍第1項之輪輻，其中，至少一纖維取自含碳纖維、碳化纖維(carbonic fiber)、克維拉纖維(Kevlar fiber)、醯胺纖維(aramidic fiber)、玻璃纖維與硼纖維之纖維群組。
5. 如申請專利範圍第4項之輪輻，其中，該纖維包含至少兩個不同纖維材質的纖維。
6. 如申請專利範圍第1項之輪輻，其中，輪輻本體的橫截面是對稱的且是橢圓形。
7. 如申請專利範圍第1項之輪輻，其中，纖維係在輪輻本體的縱向方向上延伸。
8. 如申請專利範圍第1項之輪輻，其中，纖維係被建構成單絲。
9. 一種用於腳踏車的輪子，包含一輪輞、一輪轂本體及輪輻，該輪輻具有輪輻尾端連接輪輞與輪轂本體，其中至少該等輪輻是由纖維複合材質所組成，其特徵在於：至少一輪輻係由至少兩個輪輻本體一體地形成，該等輪輻本體在一平面中相交叉且沒有彎曲，各輪輻本體包含多數纖維在至少一輪輻尾端成扇形展開，以便以該扇形在一輪輻尾端與輪輞直接連接而在另一輪輻尾端與輪轂本體直接連接，在輪轂本體成扇形展開之該等纖維的至少一部份係在相鄰的輪輻尾端處彼此重疊。
10. 如申請專利範圍第9項之輪子，其中，輪輞及輪轂本體至少其中之一是由纖維複合材質所組成，而且其中在輪輻尾端以扇形展開的纖維係被植入於輪輞及輪轂本體內。
11. 如申請專利範圍第9項之輪子，其中，輪輻在在輪輻本體的縱向邊上於其整個長度上係被封包於一外蓋層內。
12. 如申請專利範圍第9項之輪子，其中，該等纖維係在輪輻本體的縱向方向上延伸。
13. 如申請專利範圍第9項之輪子，其中，該輪子係被建構成單件式。
14. 一種製造輪輻的方法，其中，各覆蓋層係被置入於第一 模具半體的兩個彼此交叉的對應中空部位內及位於第二模具半體的兩個彼此交叉的中空部位內，在其上放置如此數量的纖維，致使該等中空部位實質上被填滿起來，其中纖維被樹脂所浸漬，且兩個模具半體彼此相連，且輪輻與在一個平面上彼此相交的兩個輪輻本體一起固化，使得相交的輪輻無需任何彎曲，其中該纖維係暴露纖維而可在一輪輻尾端成扇形展開。
15. 如申請專利範圍第14項之方法，其中，模具半體首先被塗上脫模劑。