TWI566963B - Bicycle brake device and method thereof - Google Patents

Description

自行車煞車裝置及其方法

本發明為一種自行車煞車裝置及其方法，尤指一種自行車後車輪承受煞車熱應力更均勻的煞車裝置及其方法。

自行車的興起取代步行作為交通工具，能迅速易普及世界各地的原因在於由幼兒至老人皆可使用的廣泛年齡層。近年來，民眾除了跑步運動以外，更有騎乘自行車作為運動的選項，對於利用腳踏雙輪代步行走各地，減少能源的消耗及環境的污染，也能減緩跑步運動所帶來膝蓋的負荷傷害。

一般自行車的一後車輪1，請配合參閱第1圖所示，包含有一輪圈11、一設在該輪圈11軸心的花轂12以及由該輪圈11分別連接該花轂12的一第一固定部121及一第二固定部122的複數幅絲條(spokes)13。該輪圈11在行進中將承受每一該幅絲條13的Fa3、Fa4張力作用，並該後車輪1為了對應前車輪，該輪圈11的一中心C1需對準該花轂12的一中心C2(即該花轂12左端間距X1及右端間距X2至該輪圈11的該中心C1相等，X1=X2；Fa1、Fa4的反向張力分別為Fa3、Fa4)：

∴分力Fb1=分力Fb2

∵Fb1=Fa1sinθ 1 Fb2=Fa2 sinθ 2

∴Fa1sinθ 1=Fa2 sinθ 2

又該後車輪1的結構設計，每一該幅絲條13連接在該輪圈11的該 中心C1相對該第一固定部121形成一傾斜角度θ 1，相對該第二固定部122形成一傾斜角度θ 2，

∵θ 1>θ 2 sinθ 1>sinθ 2

∴Fa1<Fa2

∵Fa1=Fa3 Fa2=Fa4

∴Fa3<Fa4

藉由改變Fa3、θ 1、Fa4、θ 2的大小，俾使該輪圈11的該中心C1對準該花轂12的該中心C2位置。此時，當自行車行進中，該輪圈11的剛性將設為能承受每一該幅絲條13的Fa3、Fa4張力範圍內。故，每一該幅絲條13的Fa3、Fa4張力在煞車前對該輪圈11並不會造成太大的影響。

接續請參閱第2圖所示，該輪圈11包含有一與該花轂12的該第一固定部121同一側設置的第一煞車邊111以及一與該花轂12的該第二固定部122同一側又與該第一煞車邊111相對設置的第二煞車邊112。當自行車在煞車過程中，利用手按壓煞車桿(圖中未示)帶動煞車裝置(圖中未示)的二煞車皮2分別相對該輪圈11的該第一煞車邊111及該第二煞車邊112夾固，利用每一該煞車皮2的摩擦力進而使該後車輪1的轉速減慢而停止。此時，該輪圈11受到摩擦力的作用而升溫產生熱膨脹，並該輪圈11的剛性受每一該幅絲條13的Fa3、Fa4張力作用發生位移的變化。假設該輪圈11左側位移為S1、右側位移為S2，當位移S1、S2達到極限值Smax時，該輪圈11即受到變形破壞。

假設該第一煞車邊111及該第二煞車邊112使用相同的耐熱、耐磨材質，即摩擦係數u1、u2與熱膨脹係數α 1、α 2相同，且每一該煞車皮2相對該第一煞車邊111及該第二煞車邊112所施加的壓力F1、F2大小相等：

∴每一該煞車皮2相對該第一煞車邊111及該第二煞車邊112的接觸面積A1、A2及壓強P1、P2為相等；

∴F1=F2=P1A1=P2A2

∴摩擦力f1=f2=F1．u1=F2．u2=P1A1．u1=P2A2．u2；熱應力Fh=α△T，該第一煞車邊111及該第二煞車邊112所產生的溫度差為△T1、△T2，此時：

∴△T=△T1=△T2，所以該第一煞車邊111及該第二煞車邊112承受的熱應力Fh也是相同的，相對該輪圈11的剛性也受同程度的影響；而為了該輪圈11保持居中：分力Fa3x=分力Fa4x，又於上述推導Fa3<Fa4，Fa3=√(Fa3x²+Fa3y²) Fa4=√(Fa4x²+Fa4y²)

所以分力Fa4y>分力Fa3y，該輪圈11的剛性：E=F/S(S為變形量)，在無任何作用力下該輪圈11兩側的剛性相同，此時：該輪圈11左側受力為F左=Fa4y+Fh、右側受力為F右=Fa3y+Fh，

∵Fa4y>Fa3y

∴F左>F右

∴S1>S2

至此說明，當該第一煞車邊111及該第二煞車邊112使用相同的耐熱、耐磨材質在該後車輪1煞車的狀態下，該輪圈11兩側隨著每一該煞車皮2相對該第一煞車邊111及該第二煞車邊112所施加的壓力F1、F2及熱應力Fh產生變化，造成該輪圈11左側承受的變形量大於右側。並該輪圈11在煞車造成升溫的過程中，該第一煞車邊111及該第二煞車邊112的內部分子不能完全的自由膨脹，從而產生更大的熱應力集中。當熱應力超過該第一煞車邊111及該第二煞車邊112材質的承受範圍，且S1>S2又S1>Smax時， 該輪圈11的左側相對右側將先破壞變形的缺失。

本發明主要在於利用該輪圈兩側的該第一煞車邊及該第二煞車邊採用不同耐熱、耐磨係數的材質對應煞車時產生的熱應力，達到該輪圈承受煞車的熱應力更均勻。

本發明所運用的目的及解決其技術問題是採用以下的技術方案來實現的。依據本發明提出一種自行車煞車裝置，該自行車的一後車輪包含有一輪圈及一設在該輪圈軸心的花轂，該輪圈的一內緣利用複數幅絲條分別連接在該花轂的一第一固定部及一遠離該第一固定部的第二固定部，該輪圈的一中心相對該花轂的一中心與該第一固定部之間形成一較大偏移的距離，該輪圈的該中心相對該花轂的該中心與該第二固定部之間形成一較小偏移的距離，其特徵在於，該輪圈在相對該第一固定部的一側表面包含有一第一煞車邊以及一遠離該側表面且相對該第二固定部的另一側表面並與該第一煞車邊形成對稱設置的第二煞車邊，且該第一煞車邊的材質耐熱、耐磨係數大於該第二煞車邊的材質。

於一實施例中，該輪圈與該第一煞車邊及該第二煞車邊為一體成型或二次加工成型。

於一實施例中，該輪圈形成供一開口式外胎(Clincher)或一管狀胎(Tubular)裝設的結構設置。

為解決習知其技術問題以及利用上述所運用的自行車煞車裝置，本發明提出一種自行車煞車方法，於該自行車的後車輪的花轂較大距離相對於輪圈邊上提供煞車的第一煞車邊材質的耐熱、耐磨係數，比該自行車的後車輪的花轂較小距離相對於輪圈邊上的第二煞車邊大，使該自行車的 後車輪的輪圈承受煞車的熱應力更均勻，獲得更佳煞車效率。

藉本發明自行車煞車裝置及其方法，主要令該輪圈兩側的該第一煞車邊及該第二煞車邊採用不同耐熱、耐磨係數的材質，減低該輪圈因承受煞車時產生的熱應力不平均造成變形及起泡的現象，相對的減少該後車輪爆胎或造成煞車皮的加速磨耗。

(習知)

1‧‧‧後車輪

11‧‧‧輪圈

111‧‧‧第一煞車邊

112‧‧‧第二煞車邊

12‧‧‧花轂

121‧‧‧第一固定部

122‧‧‧第二固定部

13‧‧‧幅絲條

2‧‧‧煞車皮

C1、C2‧‧‧中心

F1、F2‧‧‧壓力

Fa1、Fa2‧‧‧反向張力

Fa3、Fa4‧‧‧張力

Fa3x、Fa3y、Fa4x、Fa4y、Fb1、Fb2‧‧‧分力

S1、S2‧‧‧變形量

X1、X2‧‧‧間距

θ 1、θ 2‧‧‧傾斜角度

(本發明)

3‧‧‧後車輪

31‧‧‧輪圈

310‧‧‧內緣

311‧‧‧側表面

312‧‧‧另一側表面

32‧‧‧花轂

321‧‧‧第一固定部

322‧‧‧第二固定部

33‧‧‧幅絲條

41‧‧‧第一煞車邊

42‧‧‧第二煞車邊

5‧‧‧煞車皮

C3、C4‧‧‧中心

F1、F2‧‧‧壓力

Fa3、Fa4‧‧‧張力

Fa3x、Fa3y、Fa4x、Fa4y‧‧‧分力

H1、H2‧‧‧距離

S1、S2‧‧‧變形量

θ 1、θ 2‧‧‧傾斜角度

第1圖：為習知後車輪在進行中的關係示意圖。

第2圖：為習知後車輪在煞車時的關係示意圖。

第3圖：為本發明後車輪在煞車時的關係示意圖。

第4圖：為本發明輪圈形成供開口式外胎裝設之結構示意圖。

第5圖：為本發明輪圈形成供管狀胎裝設之結構示意圖。

以下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

本發明為一種自行車煞車裝置，請配合第3圖所示，該自行車的一後車輪3包含有一輪圈31及一設在該輪圈31軸心的花轂32，該輪圈31的一內緣310利用複數幅絲條33分別連接在該花轂32的一第一固定部321及一遠離該第一固定部321的第二固定部322，該輪圈31的一中心C3相對該花轂32的一中心C4與該第一固定部321之間形成一較大偏移的距離H1，該輪圈31的該中心C3相對該花轂32的該中心C4與該第二固定部322之間形成一較小偏移的距離H2。該輪圈31在相對該第一固定部321的一側表面311包含有一第一煞 車邊41以及一遠離該側表面311且相對該第二固定部322的另一側表面312並與該第一煞車邊41形成對稱設置的第二煞車邊42，且該第一煞車邊41的材質係採耐熱、耐磨係數大於該第二煞車邊42的材質。

本發明藉由上述的結構設置，當自行車在煞車時，按壓自行車的煞車桿(圖未示出)帶動後方的煞車裝置(圖未示出)合上，使該煞車裝置的二煞車皮5分別相對該輪圈31的該第一煞車邊41及該第二煞車邊42夾固，利用每一該煞車皮5分別相對該第一煞車邊41及該第二煞車邊42產生摩擦阻力，使該後車輪3的轉速減慢至停止。於本實施例中，自行車在煞車時，該後車輪3的每一該幅絲條33連接該輪圈31而產生不同的張力，使該第一煞車邊41相較該第二煞車邊42承受較大的摩擦阻力，並相對產生較大的熱應力且溫度上升較快。因此，本發明該後車輪3係將利用該第一煞車邊41的材質耐熱、耐磨係數大於該第二煞車邊42的材質，藉以平衡該輪圈31所承受煞車的熱應力，消除煞車時該第一煞車邊41與該第二煞車邊42因熱應力不平均，導致該後車輪3易變形及起泡的現象，相對的減少該後車輪3爆胎或造成每一該煞車皮5加速的磨耗。

利用前述的自行車煞車裝置，解決習知該第一煞車邊111與該第二煞車邊112為相同耐熱、耐磨材質在煞車的狀態下，該輪圈11的左側相對右側更易受破壞變形的缺失。本發明提供一種自行車煞車方法，請同時參閱第3圖所示，包含提供一自行車的一後車輪3，該後車輪3包含有一輪圈31及一設在該輪圈31軸心的花轂32；提供複數幅絲條33，於該輪圈31的一內緣將該些幅絲條33分別連接在該花轂32的一第一固定部321及一遠離該第一固定部321的第二固定部322；將以該輪圈31的一中心C3相對該花轂32的一中心C4與該第一固定部321之間形成一較大偏移的距離H1，而該輪圈31的該中心C3相對該花轂32的該中心C4與該第二固定部322之間形成一較小偏移的距離 H2；其特徵在於，提供該自行車使用該輪圈31的兩側包含有相對設置的一第一煞車邊41與一第二煞車邊42，且其中該第一煞車邊41的材質採用耐熱、耐磨係數大於該第二煞車邊42的材質而使該輪圈31承受煞車的熱應力更均勻。

本發明藉由該第一煞車邊41與該第二煞車邊42使用不同的耐熱、耐磨材質，即摩擦係數u1、u2與熱膨脹係數α 1、α 2不相同，但每一該煞車皮5分別對該第一煞車邊41與該第二煞車邊42所施加的壓力F1、F2大小相等：

∴每一該煞車皮5分別相對該第一煞車邊41與該第二煞車邊42的接觸面積A1、A2與壓強P1、P2為相等；

∴F1=F2=P1A1=P2A2

∴f1=F1．u1=P1A1．u1 f2=F2．u2=P1A2．u2

∴摩擦力f1、f2因應摩擦係數u1、u2而不相等，又熱應力Fh1=α 1△T1 Fh2=α 2△T2

∴該第一煞車邊41與該第二煞車邊42所產生的溫度差△T1、△T2不相同，相對承受的熱應力Fh也不相同，故，該輪圈31兩側承受破壞程度也不相同，此時(Fa3x、Fa3y為Fa3的分力，Fa4x、Fa4y為Fa4的分力)：該輪圈31的左側受力為F左=Fa4y+Fh1=Fa4y+α 1△T1，該輪圈31的右側受力為F右=Fa3y+Fh2=Fa3y+α 2△T2，該輪圈31的剛性：E=F/S，S(變形量)=F/E

∴S1=(Fa4y+α 1△T1)/E S2=(Fa3y+α 2△T2)/E

為了達到該輪圈31的壽命延長，需令S1<Smax，S2<Smax，且S1=S2，又於習知推導F左>F右，S1>S2：

∵Fa4y>Fa3y，俾使S1=S2，(Fa4y+α 1△T1)/E=(Fa3y+α 2△T2)/E

∴α 1△T1<α 2△T2

△T是由摩擦產生，既由摩擦係數u決定，所以△T可以通過改變熱膨脹係數α及摩擦係數u，本發明為達到S1=S2，需令α 1△T1<α 2△T2。當自行車在煞車時為保持該後車輪3的居中，該輪圈31將需承受每一該幅絲條33的張力Fa3、Fa4及相對每一該煞車皮5煞車產生的摩擦力f1、f2及熱應力Fh1、Fh2。故，該輪圈31的該第一煞車邊41承受熱應力需小於該第二煞車邊42，才能達到該輪圈31受力的平衡，本發明人提出該第一煞車邊41相較於該第二煞車邊42使用承受較高的耐熱、耐磨係數的材質設計，進而平衡該輪圈31承受煞車熱應力，達到延長該輪圈31的使用壽命，減少該後車輪3變形、起泡及爆胎等現象，以及每一該煞車皮5的磨耗。

此外，本發明該輪圈31與該第一煞車邊41及該第二煞車邊42為一體成型，或為該第一煞車邊41及該第二煞車邊42先成型後連接該輪圈31固定的二次加工成型。接續請依序參閱第4圖所示，本發明該輪圈31形成供例如一開口式外胎(Clincher)或如第5圖所示為一管狀胎(Tubular)裝設的結構設置，但不依此實施態樣為限。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，其目的在使熟習該項技藝者能夠瞭解本發明之內容而據以實施，並非用來限定本發明實施之範圍；故舉凡依本發明申請範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

3‧‧‧後車輪

31‧‧‧輪圈

310‧‧‧內緣

311‧‧‧側表面

312‧‧‧另一側表面

32‧‧‧花轂

321‧‧‧第一固定部

322‧‧‧第二固定部

33‧‧‧幅絲條

41‧‧‧第一煞車邊

42‧‧‧第二煞車邊

5‧‧‧煞車皮

C3、C4‧‧‧中心

F1、F2‧‧‧壓力

Fa3、Fa4‧‧‧張力

Fa3x、Fa3y、Fa4x、Fa4y‧‧‧分力

H1、H2‧‧‧距離

S1、S2‧‧‧變形量

θ 1、θ 2‧‧‧傾斜角度

Claims (4)

1. 一種自行車煞車裝置，該自行車的一後車輪包含有一輪圈及一設在該輪圈軸心的花轂，該輪圈的一內緣利用複數幅絲條分別連接在該花轂的一第一固定部及一遠離該第一固定部的第二固定部，該輪圈的一中心相對該花轂的一中心與該第一固定部之間形成一較大偏移的距離，該輪圈的該中心相對該花轂的該中心與該第二固定部之間形成一較小偏移的距離，其特徵在於：該輪圈在相對該第一固定部的一側表面包含有一第一煞車邊以及一遠離該側表面且相對該第二固定部的另一側表面並與該第一煞車邊形成對稱設置的第二煞車邊，且該第一煞車邊的材質耐熱、耐磨係數大於該第二煞車邊的材質。
2. 如申請專利範圍第1項所述之自行車煞車裝置，其中，該輪圈與該第一煞車邊及該第二煞車邊為一體成型或二次加工成型。
3. 如申請專利範圍第1項所述之自行車煞車裝置，其中，該輪圈形成供一開口式外胎(Clincher)或一管狀胎(Tubular)裝設的結構設置。
4. 一種自行車煞車方法，於該自行車的後車輪的花轂較大距離相對於輪圈邊上提供煞車的第一煞車邊材質的耐熱、耐磨係數，比該自行車的後車輪的花轂較小距離相對於輪圈邊上的第二煞車邊大，使該自行車的後車輪的輪圈承受煞車的熱應力更均勻，獲得更佳煞車效率。