TWI571393B - 具刹車軌的自行車輪緣 - Google Patents

Description

具剎車軌的自行車輪緣 發明領域

本發明有關於自行車輪緣，且尤係有關於一種具有一剎車軌的自行車輪緣。

發明背景

自行車輪子和輪緣已被使用遠超過一個世紀。歷史上，大部份的自行車輪緣係由鋼或鋁所製成。但是，在過去數十年間，有些自行車輪緣製造者已開始由其它材料來製造自行車輪緣，譬如重量輕的纖維強化塑膠(FRP)，包含碳纖維、玻璃纖維及尼龍纖維等，其係混合於一樹脂中，譬如環氧基樹脂、酚基樹脂及/或酯基樹脂等。在此等複合輪緣中，有些係完全由FRP複合材料製成(“全複合物輪”)，而其它者除了FRP複合物外尚被混加不同材料的成分(“多成分輪緣”)。

碳纖維輪緣剎車表面係難以設計。早期的碳輪緣使用該輪緣的成型表面作為一剎車軌或軌車表面。其通常會有些麻煩，因為該成型的輪緣典型具有一薄層釋模劑埋存於該表面中，其存在不適合於一剎車表面，因為釋模材料會產生一低摩擦係數。該釋模層係用來在製造時由該模 移除該輪緣。在一短時間的剎車使用之後，該釋模劑和該輪緣的外層環氧基物會磨耗掉，而曝露出底下容易受損的碳纖維。碳表面在耐抗磨損和加強摩擦性能係相對較弱。故，碳纖維表面一般係不適合作為FRP輪緣的剎車軌。

稍後的輪緣使用玻璃纖維、石英纖維、或Kevlar纖維於該剎車軌中。所有這些材料皆有比碳更佳的耐磨特性，並會提供不同改良程度的剎車性能。作為一摩擦材料，Kevlar係相當優良，但易受水分滲濕，其會導致與該輪緣分層。Kevlar在如下場域中僅具有平均耐磨特性，即當曝露於潮濕狀況或磨蝕性道路砂礫時，其會含有混凝土或瀝青粒子，以及污物和砂時，其會埋存於剎車墊中而造成極端且快速的輪緣磨損。玻璃纖維和石英在摩擦性能和耐磨性能係為平均值，且亦較不昂貴，但此等材料會較重，而不能對製品提供額外的強度或韌性。

一種用以提供一良好剎車軌的方法包括由該剎車軌區域移除該環氧基物和釋模劑。此係藉該輪緣表面之一機械研磨來達成，其會移除該釋模劑並改良該等剎車軌的平行度或對準。較後世代的輪緣曾使用矽纖維與玻璃混合的網罩。該等矽纖維係比玻璃更硬，並會提供顯著改良的耐磨性能以及剎車“感覺”，但是非常昂貴且難以加工，因為有高纖維硬度，並會增加可觀的製造成本。而現代的飛機和賽車剎車器目前係由碳化矽纖維製成，此等材料目前相當昂貴，難以處理且不易形成較小的半徑，尤其在一製造環境中時，此缺乏易曲性會限制它們在輪緣設計的應 用，並潛在地阻止其供某些複雜輪緣形狀的使用。

有些輪緣製造者曾以後塗敷的“陶瓷”剎車軌塗層來實驗。此等範圍由熱固化的上漆塗料到電漿噴灑的塗層等。全部的該等塗層皆會提供積極的摩擦表面，但受制於非常易碎、較重，且通常需要高溫塗敷程序，其會損壞該成型的輪緣。此等塗層亦會受制於整體形狀塗敷問題，因係為後塗敷的，而由於缺乏形狀控制，該等剎車表面本來就是不完美且不平行的。

因此，乃有一需求希能提供一種自行車輪緣，其具有一耐用且具成本效益的剎車軌並有優異的剎車特性。本發明會以對輪緣重量和輪胎安裝工作有最小的影響來滿足該需求。

發明概要

本發明包括對一FRP輪緣施加一軌帶的碳化矽或類似物之微粒，其係完全或部份地懸浮在一層高溫、高韌性的環氧樹脂中。碳化矽(SiC)係為商業上可得的最硬材料之一。呈纖維形式時，碳化矽的高硬度會使其用途限制在具有概呈平面或簡單形狀的物體，因該等纖維一般是不可撓曲的。碳化矽纖維的硬度會令此材料在一製造環境中難以加工，且不易形成於一自行車輪緣剎車機中。但已發現，以一非纖維形式來使用碳化矽或類似物會較容易順應不同的輪緣形狀，且係更容易以一有效率的方式來操作和製備，而不會在施加於一FRP輪緣時損及剎車性能。

在一實施例中，本發明包含一剎車軌，包含一環氧樹脂的外層含有一百分比的碳化矽(SiC)或一類似材料，呈一粒子形式譬如一微球，塗敷於一輪緣的剎車軌區域中。該載有SiC的環氧樹脂膜之特性係會使處理SiC纖維的困難被避免，例如，SiC纖維係幾乎不能使用傳統工具譬如剃刀或電動剪來切成形狀或形式，因該SiC纖維係比一傳統的剎車剃刀更硬30~50%。

在該環氧基質中使用掩埋的SiC微粒來完成的成型剎車表面會提供超越先前設計的顯著利益。該剎車表面係可順應於任何形狀；於此設計沒有最小曲率半徑或工具限制。該SiC剎車表面可藉改變許多變數，譬如粒子尺寸，該樹脂中的粒子百分比，該等粒子和其它物的形貌，來被“調整”以得最佳的剎車性能和“感覺”。所造成的剎車表面已被發現能以一最低成本成為幾乎像SiC纖維一樣耐用。針對一工廠環境中的處理和操作目的，本發明亦思及一種薄玻璃纖維網幕材料其係與該嵌埋SiC的環氧基物重疊，此會趨向於容易操作和處理該SiC環氧基物，因其係較不脆弱且甚至更易於切割和處理。

最後的輪緣顯示一新穎的結構載面。而一典型的輪緣包含碳纖維層等包覆於玻璃中或Kevlar^®塗層於環氧樹脂中，或者一輪緣具有該環氧基物被蝕掉的表面(露出碳而非玻璃，或Kevlar^®作為該外表面)，本發明的輪緣會顯示一場或SiC微粒的基質被該環氧基層完全地濕化。一變化實施例包括磨掉或蝕掉該環氧基質的外部來曝露該外剎車表 面上的微粒。在一變化實施例中，其亦可能控制該SiC粒子的密度，以及添加更多層的SiC粒子，俾得改良的耐用性或產品壽命。

本發明之這些及其它的特徵和優點等，將可由以下本發明之一或多個實施例的說明，配合所附圖式來更完全地瞭解。

20，120‧‧‧輪緣

28，128‧‧‧輪胎銜接部

30，130‧‧‧輪輻銜接部

32，132‧‧‧第一側壁

34，134‧‧‧第二側壁

40‧‧‧疊層

58，158‧‧‧橫越構件

60‧‧‧剎車軌

62‧‧‧微粒子

64‧‧‧環氧基物

66‧‧‧簾幕

160‧‧‧剎車軌

H₁，H₃‧‧‧高度

H₂，H₄‧‧‧剎車軌高度

在該等圖式中：圖1為一依據本發明之一實施例之具有一剎車軌的自行車輪緣之部份立體圖；圖2為一段剎車軌與一簡化的底下碳結構之截面立體圖；圖3為圖2的結構之一截面圖；圖5為一段剎車軌與一簡化的底下碳結構有一些樹脂被移除來曝露該剎車軌材料的截面立體圖；圖4為圖5的結構之一截面圖；圖6為一依據本發明之一實施例的扣鉗式輪緣之截面圖；及圖7為一依據本發明之另一實施例的管式輪緣之截面圖。

較佳實施例之詳細說明

本發明的較佳實施例將參照圖式被說明於後。應請瞭解該等圖式和揭陳於後的描述係僅被提供作為舉例說 明，而非要限制如所附申請專利範圍界定的本發明，及其任何全部的等同物。

圖1示出一輪緣20具有一依據本發明的剎車軌60。該輪緣20概包含一徑向靠外的輪胎銜接部28，一徑向靠內的輪輻銜接部30，一第一側壁32及一第二側壁34與該第一側壁相隔分開。該第一和第二側壁32、34會概呈徑向地延伸於該輪胎銜接部28與輪輻銜接部30之間來形成該輪緣20或其之一部份的形狀。應請瞭解任何形狀的FRP輪緣其包含一部份能夠功能如一剎車軌者皆係被本發明所含括。

該剎車軌60係置設在該第一和第二側壁32、34上之一傳統的位置。一扣鉗式輪緣20係被示出，但本發明包含非扣鉗式輪緣，例如管式或縫合式輪緣(未示出)。該輪胎銜接部28和輪輻銜接部30及第一和第二側壁32、34可形成一環狀物。在所示實施例中，該輪緣20將會被視為由FRP，即纖維強化塑膠，所製成，在一實施例為碳纖維，惟請瞭解有甚多種材料和材料的組合亦可被用來形成該纖維強化輪緣。

圖2和圖3包含一纖維織物/環氧樹脂預浸漬疊層40，如所公知者，被極簡化地示出，但大致描述一FRP輪緣的一小段側壁。該疊層40可被視為形成該剎車軌60的材料或層之一基材。該剎車軌層60包含一微粒子62和環氧基物64的組合物，設在該輪緣的外表面上，於該處其可被一剎車墊材料接觸。該剎車軌層60會重疊如所示以交替方向鋪設的多層纖維強化塑膠層40。當然，該纖維/樹脂疊層40可 為任何適當排列的FRP材料，其會形成該輪緣並支撐該剎車軌60。在圖2和圖3所示的實施例中，該等微粒子62係被示出整個被該環氧樹脂64含納於該剎車軌60內。

該剎車軌60中的微粒子62可為任何種類的高硬度材料，譬如陶瓷材料，碳化矽，氮化矽，氧化鋁，碳化硼，氧化鈦，金剛砂，或其它具有一適當硬度的材料，且呈一顆粒形式而能夠被調變或成形為該輪緣20的形狀者。高硬度金屬粒子亦可被替代使用，雖它們可能沒有如同上述材料族群一般的壽命。該等微粒子的形狀可為概為精小的、圓曲、球形、有角形、無定形、板片，或任何其它適當的非纖維形狀而可順應於不同的輪緣形狀者，尤其是在一製造環境中。

因此，吾人能輕易地微調該輪緣的剎車性能，因該剎車軌60能被以任何適當重量百分比之不同或變化的材料組合來調修。改變該顆粒形貌亦具有改變該剎車軌60之表面摩擦係數的可能，而容許該剎車軌表面能針對止動能力及/或調制來被調整。某些上述的剎車軌粒子材料亦具有高導熱性及/或高抗熱性，其各皆可被用來以一所需的方式較佳地管理該環氧基質中的熱。

請轉至圖4和圖5，該剎車軌60能在使用之前被調修，即藉由該剎車軌60中移除某一量的環氧基物64來微調該剎車軌的摩擦係數以及該表面地形。以此方法，該FRP能被最佳化以供潮濕天氣剎車使用。

特別是，圖4和圖5示出一纖維織物/環氧樹脂預 浸漬疊層40，如圖2和圖3所示者。除了是該輪緣20的結構成分外，該疊層40可被視為該剎車軌60之一基材。該剎車軌60包含一微粒子62與環氧基物64的組合，其置設在該輪緣20的外表面上，於該處其能被一剎車墊材料接觸。該層的剎車軌材料60會重疊以所需的交替方向鋪設之多層纖維強化塑膠層40。該纖維/樹脂疊層40可被由任何適當排列的FRP材料來形成。在圖4和圖5的實施例中，該等微粒子62係被示為藉部份移除含納該等微粒子的環氧樹脂基質64而被曝露。

要製造一依據本發明的輪緣20之實施例時，該剎車軌60的材料係藉結合某一量的微粒子62與環氧基物64來造成。此剎車軌材料60可以簡單如環氧基物64，其已被與一適當百分比的微粒子62混合並形成一薄膜，且在一實施例中鋪設於一碳、石英、聚酯、玻璃纖維、Kevlar^®或其它適當材料的細網罩或簾幕66上。此環氧基膜或簾幕層66嗣可被切成長條或弧片，其能被直接層合於一未固化的纖維強化環氧基物輪緣上。有些成型方法亦可容許該載有微粒的薄膜在工具承接該未固化的材料之前被直接施加於該工具表面上。該工具嗣會被關閉並加熱，且壓力會被施加來固化該纖維強化的環氧基物結構及該載有微粒的環氧基物剎車表面60。在一足夠量的時間之後，例如一般係由三十分至二小時的固化時間，該固化的輪緣20將被由該模移除，過多的樹脂會被移除，且該輪緣將會準備來使該剎車軌60之最外部份的環氧基物移除以曝露該等微粒子62。此 步驟可能不需要，但一個新的碳纖維輪緣之潮濕天氣剎車性能係典型不佳，且若剎車墊緩慢地磨掉該環氧基物64則該表面可能要費數週至數月來“破入”以曝露埋於其內的微粒子62。因此，在一實施例中，覆蓋該等微粒子62的環氧基物64會在一磨料吹噴操作中被輕微地磨除。此吹噴可被使用一介質譬如石榴石來微調，其係比該環氧基樹脂更硬，但比成型於該剎車表面中的磨料顆粒較不硬。其它材料亦可被用來移除該環氧基覆層，譬如核桃殼，一種可比石榴石移除較少環氧基物之較不激烈的研磨劑，而可造成一較不強烈的剎車軌表面。

該等微粒子62對環氧樹脂64的比例範圍較好為大約5~60重量百分比的磨料微粒。在大約5%以下的濃度時，對該輪緣的性能或耐用性係幾無甚至沒有可測得的效果。在較高濃度時，其會有戲劇性改良的剎車性能和耐用性，但將會有表面變脆或過度強烈的代價。雖可有效作為剎車表面，但一太高的微粒62濃度將會傾向於在剎車時產生過多的熱，且可能迅速地磨耗被用於自行車上的標準剎車墊。該等微粒62的粒子尺寸係小於約0.1mm。較佳地，該等微粒62的粒子尺寸係小於約0.05mm。

圖6係為一依據本發明的扣鉗式輪緣20，具有一剎車軌60。該輪緣20概包含一徑向靠外的輪胎銜接部28，一徑向在內輪輻銜接部30，一第一側壁32及一第二側壁34與該第一側壁相隔分開。該第一和第二側壁32、34概呈徑向地延伸於該輪胎銜接部28和輪輻銜接部30之間來形成該 輪緣20的形狀。該剎車軌60具有一高度H₂為大約9~11mm，較好為約10.5mm，且係位在離該外輪胎銜接部28的最外範圍大約1~3mm處，其係為一以H₁所示的高度。在所示實施例中，該剎車軌60係被設成靠近或延伸於該輪胎銜接部28的跨越或橫越構件58的上方和下方，該橫越構件係延伸於該第一側壁32與第二側壁34之間。在一實施例中，該剎車軌60大致交叉該FRP橫越構件58。該剎車軌60的厚度係未依比例。該輪緣20在該剎車軌60起始處由該第一側壁21至第二側壁34的寬度係大約19~24mm。因此，該剎車軌60的高度對輪緣20的寬度之比係大約1：2。

圖7為一依據本發明之另一實施例的管式輪緣120，具有一剎車軌160。該輪緣120概包含一徑露靠外的輪胎銜接部128，一徑向靠內的輪輻銜接部130，一第一側壁132及一第二側壁134與該第一側壁相隔分開。該第一和第二側壁132、134概呈徑向地延伸於該輪胎銜接部128與該輪輻銜接部130之間來形成該輪緣120的形狀。該剎車軌160具有一高度H₄為大約9~11mm，較好為約105mm，且係位於離該外輪胎銜接部128的最外範圍大約1~3mm處，其為一以H₃所示的高度。在一實施例中，該剎車軌160係靠近或開台於並延伸於該輪胎銜接部128的跨越或橫越構件158下方(徑向朝內)，該橫越構件延伸於該第一側壁132與第二側壁134之間。在一實施例中，該剎車軌160概會交叉該FRP橫越構件158。該剎車軌160的厚度並未依比例。該輪緣120在該剎車軌160起始處由該第一側壁132至第二側壁134的寬度的寬度之比係約為1：2。

雖本發明已被參照一特定實施例來描述，但請瞭解許多變化可以在所述之發明概念的精神和範圍內被作成。緣是，乃欲期本發明不受限於所揭的實施例，而使其具有被以下申請專利範圍之用語所允許的全部範圍。

40‧‧‧疊層

60‧‧‧剎車軌

62‧‧‧微粒子

64‧‧‧環氧基物

66‧‧‧簾幕

Claims (20)

1. 一種用於自行車的纖維強化塑膠(FRP)輪緣，包含：一徑向靠外的輪胎銜接部；一徑向靠內的輪輻銜接部；一第一側壁；與該第一側壁相隔分開之一第二側壁，該等第一和第二側壁係由該徑向靠外的輪胎銜接部朝內延伸；及設置在該第一和第二側壁上之一剎車軌，該煞車軌包含由部分嵌埋於一環氧樹脂基質且部分暴露的一最外微粒層，該煞車軌包括設置在該微粒層下方之一非金屬網幕。
2. 如申請專利範圍第1項之輪緣，其中該等第一和第二側壁延伸於該徑向靠外的輪胎銜接部與該徑向靠內的輪輻銜接部之間。
3. 如申請專利範圍第1項之輪緣，其中該等微粒是微球。
4. 如申請專利範圍第1項之輪緣，其中該等微粒是高硬度粒子。
5. 如申請專利範圍第4項之輪緣，其中該等高硬度粒子係由碳化矽、氮化矽、氧化鋁、碳化硼、二氧化鈦、金剛砂、及陶瓷之一或多者所製成。
6. 如申請專利範圍第4項之輪緣，其中該等高硬度粒子係為金屬粒子。
7. 如申請專利範圍第1項之輪緣，其中該等微粒的形狀係 為密實精小、圓曲、球形、有角形、無定形、及板片之一或多者。
8. 如申請專利範圍第1項之輪緣，其中該剎車軌的微粒包含該環氧樹脂基質的大約5~60重量百分比。
9. 如申請專利範圍第1項之輪緣，其中該等微粒具有一小於約0.05mm的粒子尺寸。
10. 如申請專利範圍第1項之輪緣，其中該網幕包含玻璃纖維、碳、石英、克維拉(Kevlar)、及聚酯之一或多者。
11. 如申請專利範圍第10項之輪緣，其中該網幕係與一環氧樹脂基質及一有效量的該等微粒結合。
12. 如申請專利範圍第1項之輪緣，其中該等微粒具有高導熱性和高抗熱性之一或二者。
13. 如申請專利範圍第1項之輪緣，其中該等微粒具有一可順應於該輪緣之形狀的形狀和尺寸。
14. 如申請專利範圍第1項之輪緣，其中該輪緣為一扣鉗輪緣。
15. 如申請專利範圍第1項之輪緣，其中該輪緣為一管式輪緣。
16. 如申請專利範圍第1項之輪緣，其中該輪緣包含一碳纖維強化材料。
17. 如申請專利範圍第1項之輪緣，其中該剎車軌之一高度對該輪緣在該剎車軌處之一寬度的比係約為1：2。
18. 如申請專利範圍第1項之輪緣，其中該剎車軌係設在該第一和第二側壁上靠近一FRP橫越構件。
19. 如申請專利範圍第18項之輪緣，其中該剎車軌概會交叉該FRP橫越構件之一平面。
20. 如申請專利範圍第19項之輪緣，其中該剎車軌概會交叉該FRP橫越構件之一平面。