TWI641511B - 碳纖維輪圈之製造方法及其結構 - Google Patents

Abstract

本發明係有關於一種碳纖維輪圈之製造方法及其結構，係先將基材加熱到可塑溫度再經擠壓成型以得所需形狀的長條體，該長條體包括二側壁、一連接於該等側壁相向端面間之連接壁，及一連接於該等側壁徑向內側邊緣間之內環壁，使二側壁、連接壁、內環壁之間框圍出一空間；接著將長條體的二端接合成圓圈形狀以形成輪圈初胚，並進行銑削，使輪圈初胚的二側壁或二側壁及內環壁上具有眾多透孔，之後對輪圈初胚表面施以粗糙化工序，再於輪圈初胚粗糙表面披覆經裁切為預設形狀之碳纖維布材，並予以加熱定型，最後進行表面處理後即得一重量輕且結構強度佳之碳纖維輪圈。

Description

碳纖維輪圈之製造方法及其結構

本發明係有關於一種碳纖維輪圈之製造方法及其結構，尤其是指一種在銑削有多個透孔的輪圈初胚表面披覆碳纖維布材，俾以藉此得到一結構強度佳但重量輕盈之輪圈者。

按，自行車的使用除了作為基本的代步交通工具之外，更兼具有休閒、運動等複合功能。加上研發能力的提升與科技的進步，自行車的外觀、騎乘舒適感、車身強度、重量、速度等皆成為開發重點；尤其對於專業級競技比賽用的自行車而言，騎乘舒適感、車身強度、重量、速度絕對是車手追求的目標。

為了讓自行車朝向輕量化結構的方向發展，近年來已發展出以碳纖維所製成的輪圈來取代傳統的金屬輪圈，以有效減輕自行車整體重量。

傳統的碳纖維輪圈的成型技術，係先設置一環狀囊袋，並對囊袋內部充氣使囊袋鼓起，再於囊袋外表面依序貼覆多層的碳纖維布材，其中碳纖維布材貼覆的層數是依據輪圈所需要的結構強度而改變，通常供輻條組設的面需要較高的結構強度，因此貼覆的碳纖維布材的層數約為7層，而輪圈其他部位的結構強度需求略低，故貼覆的碳纖維布材的層數約為5層；然而，由於該傳統的碳纖維輪圈必須透過多層的碳纖維布材層層依序貼覆，因此在製作施工上相當費時、費工；此外貼覆時必須注意相鄰的上、下層碳纖維布材間是否有殘留空氣，若殘留空氣將使相鄰的上、下層碳纖維布材之間無法完全平整貼覆，產生局部突出之瑕疵品，所以傳統的製作方式令碳纖維輪圈的不良率無法有效降低；而且碳纖維布材本身之售價高昂，貼覆多層之所需的材料成本也相對增加；而上述這些原因都是造成碳纖維輪圈售價不親民的重要因素。

另，如我國TW I308527 B「自行車輪圈的製造方法」，該製造方法是先將多數層碳纖維預浸材進行疊置以成型出一輪圈初胚。將該輪圈初胚放置入一模具中，並依三階段程序對該輪圈初胚進行充氣，迫使該輪圈初胚外表面完全緊密貼合該模具內模面，同時配合加熱程序，以成型出一輪圈成胚；最後，使該輪圈成胚依序進行熱烘定型與表面加工，以製得一碳纖維自行車輪圈成品。此一製造方法，同樣仍然存在著傳統碳纖維輪圈製作時的缺失，即需要5~7層的碳纖維預浸材製作費時、費工、材料成本高、貼覆時須注意相鄰兩層之間是否產生氣泡、無法降低不良率。

再者，單純以碳纖維所製成的輪圈雖在重量上達到輕量化的優良效果，但是卻沒有辦法確實滿足結構強度的需求，而容易變形。

因此，後來便有自行車相關業者進一步開發自行車輪圈結構，如我國TW 200950990 A號「自行車輪圈之製造方法及其結構」，該自行車輪圈之製造方法係包括：A、成型，係將金屬材料成型為一管體；B、接合，係將成型後之管體之兩端接合；C、整圓，係將接合後之管體予以整型成一輪圈；D、鑽孔，係於該輪圈鑽設數輻條結合孔；E、鑽設減重孔，係於該輪圈鑽設數減重孔；F、表面處理，係進行該輪圈之毛邊修整及拋光處理；G、披覆碳纖維，係於該等減重孔與該輪圈之表面披覆碳纖維，以將該等減重孔之開口密封，藉此，即成一輪圈結構。

然而，就該TW 200950990 A號之輪圈僅是在對應減重孔處對應填覆遮蔽減重孔之碳纖維，且碳纖維僅以周緣與減重孔周緣銜接，因此，提升該輪圈的整體強度的效果上並不明顯。

本創作之主要目的，係提供一種碳纖維輪圈之製造方法及其 結構，主要係在輪圈輕量化的前提下，能同時兼具有良好的結構強度，並且具有製造省時、省工、降低成本之碳纖維輪圈的製造方法及其結構。

上述本創作之主要目的與功效，是由以下之具體技術手段所達成：一種碳纖維輪圈之製造方法，其步驟包括：A、成型金屬材質長條體，係將金屬基材加熱到可塑溫度再經擠壓成型以得所需形狀的長條體，該長條體包括二側壁、一連接於該等側壁相向端面間之連接壁，及一連接於該等側壁徑向內側邊緣間之內環壁，使二側壁、連接壁、內環壁之間框圍出一空間；B、接合長條體之兩端，係將成型後之長條體兩端接合成圓圈形狀以形成輪圈骨架胚體；C、銑削透孔與輻條結合孔，於輪圈骨架胚體上銑削多數個透孔與多數個輻條結合孔以形成輪圈骨架；該些所述輻條結合孔係銑削成型於所述內環壁上，每一所述輻條結合孔不與任一所述透孔對應設置，且是位於兩兩所述透孔之間的所述內環壁上，每一所述輻條結合孔中設輻條結合件；D、表面粗糙處理，係對完成銑削所述透孔與所述輻條結合孔之所述輪圈骨架進行表面粗糙處理，以增加所述輪圈骨架之表面粗糙度； E、披覆碳纖維布材，將所述碳纖維布材裁切為預設型狀後，再披覆於所述輪圈骨架表面，且披覆同時一併覆蓋所述透孔；F、加熱定型，將表面已披覆所述碳纖維布材之所述輪圈骨架置於一模具內，並予以加熱定型以在所述輪圈骨架表面形成一碳纖維層，並據此成為碳纖維輪圈半成品；G、表面處理，係將完成表面披覆所述碳纖維布材之所述碳纖維輪圈半成品進行表面處理，以製得一自行車碳纖維輪圈成品。

如上所述之碳纖維輪圈之製造方法，其中，所述金屬基材係採用鋁合金或鎂合金其中之一。

如上所述之碳纖維輪圈之製造方法，其中，所述表面處理包括對所述碳纖維輪圈半成品進行表面拋光工序與噴塗保護層工序。

如上所述之碳纖維輪圈之製造方法，其中，所述碳纖維布材披覆於所述輪圈骨架的層數為1~2層。

如上所述之碳纖維輪圈之製造方法，其中，位於每一所述輻條結合孔之間的所述內環壁呈往所述連接壁方向弧形凹設，或是位於每一所述輻條結合孔之間的所述內環壁呈往遠離所述連接壁方向弧形凸設。

如上所述之碳纖維輪圈之製造方法，其中，所述輪圈骨架上另外銑削多個貫穿槽，該些所述貫穿槽位於所述連接壁上方的所述側壁上，並且與每一所述透孔位置對應。

如上所述之碳纖維輪圈之製造方法，其中，所述透孔係沿著所述輪圈骨架胚體的二側壁以預設間隔銑削設置，或是所述透孔係沿著所述輪圈骨架的二側壁及所述內環壁以預設間隔銑設，使每一個所述透孔範圍含括二所述側壁及所述內環壁。

一種碳纖維輪圈之結構，係由上述方法所製得，所述碳纖維輪圈包括：一輪圈骨架與一披覆於所述輪圈骨架表面之碳纖維層；所述輪圈骨架包括二側壁、一連接於該等側壁相向端面間之連接壁、一連接於該等側壁徑向內側邊緣間之內環壁，使二側壁、連接壁、內環壁之間框圍出一空間，以及多數個透孔與多數個輻條結合孔；該些所述輻條結合孔係銑削成型於所述內環壁上，每一所述輻條結合孔不與任一所述透孔對應設置，且是位於兩兩所述透孔之間的所述內環壁上，每一所述輻條結合孔中設輻條結合件；所述碳纖維層披覆於所述輪圈骨架表面之外也同時一併覆蓋所述透孔，並穿過所述輻條結合件固定所述碳纖維層披覆位置。

本發明之優點為：

1、銑削之透孔係沿著輪圈骨架的二側壁或含括二側壁與連接壁以預設間隔設置，故能透過該些透孔於將輻條結合件安裝於輻條結合孔時更為容易、便利。

2、該輻條結合件係在輪圈骨架表面披覆成型碳纖維層之前即已安置完成，因此在披覆成型碳纖維層時，可先在碳纖維布材上鑽設孔洞，以供對應套設凸出輪圈骨架之輻條結合件，方便碳纖維布材的披覆定位。

3、本發明之金屬材質輪圈骨架透過該些透孔的銑削，能將輪圈骨架之重量減至最輕，另外透過在輪圈骨架的表面披覆成型碳纖維層，能提升成型後之輪圈成品的結構強度，使該碳纖維輪圈兼具重量輕、結構強度佳之優點。

4、本發明之碳纖維輪圈係先以金屬材為輪圈骨架，再於輪圈骨架表面貼覆碳纖維布材，因此，可大幅減少貼設碳纖維布材的層數，縮減碳纖維布材的使用量，而達降低製造成本之效果。

5、本發明之碳纖維輪圈因能大幅減少貼設碳纖維布材的層數，因此在製作所需花費的工時及工序也能縮短，使製作流程加快，提高產能。

6、又因為本發明之碳纖維輪圈大幅減少貼設碳纖維布材的層數，因此因減少在貼覆碳纖維布材時氣泡的產生機率，進而相對提高產品良率。

(1)‧‧‧側壁

(2)‧‧‧連接壁

(3)‧‧‧內環壁

(4)‧‧‧透孔

(5)‧‧‧輻條結合孔

(6)‧‧‧輻條結合件

(7)‧‧‧貫穿槽

(10)‧‧‧輪圈骨架

(20)‧‧‧碳纖維布材

(30)‧‧‧碳纖維層

第一圖：揭示本發明之碳纖維輪圈的製作流程示意圖

第二圖：揭示本發明之輪圈骨架胚體的徑向剖面示意圖

第三圖：揭示本發明之輪圈骨架其中一段的立體示意圖

第四圖：揭示本發明之輪圈骨架其中一段並於輻條結合孔中設輻條結合件的立體示意圖

第五圖：揭示本發明之輪圈骨架其中一段與碳纖維布材的立體分解示意圖

第六圖：揭示本發明之碳纖維輪圈成品其中一段的立體示意圖

第七圖：係第六圖之A-A處剖視圖

第八圖：係第六圖之B-B處剖視圖

第九圖：揭示本發明之輪圈骨架其二實施例之其中一段的立體示意圖

第十圖：揭示本發明之輪圈骨架其三實施例之其中一段的立體示意圖

為令本發明所運用之技術內容、發明目的及其達成之功效有更完整且清楚的揭露，茲於下詳細說明之，並請一併參閱所揭之圖式及圖號： 請參看第一圖，其係本發明之碳纖維輪圈之製造方法的較佳實施例的製造流程示意圖。本發明之碳纖維輪圈之製造方法，其步驟包括： A、成型金屬材質長條體，係將金屬基材加熱到可塑溫度再經擠壓成型以得所需形狀的長條體(以下請一併參看第二圖)，該長條體包括二側壁(1)、一連接於該等側壁(1)相向端面間之連接壁(2)，及一連接於該等側壁(1)徑向內側邊緣間之內環壁(3)，使二側壁(1)、連接壁(2)、內環壁(3)之間框圍出一空間； B、接合長條體之兩端，係將成型後之長條體兩端接合成圓圈形狀以形成輪圈骨架胚體； C、銑削透孔(4)與輻條結合孔(5)(請參看第三圖)，於輪圈骨架胚體上銑削多數個透孔(4)與多數個輻條結合孔(5)以形成輪圈骨架(10)，該些透孔(4)可以如第三圖~第五圖所示係沿著輪圈骨架胚體的二側壁(1)及內環壁(3)以預設間隔銑削成型，使每一個透孔(4)範圍含括二側壁(1)及內環壁(3)；該些輻條結合孔(5)係銑削成型於內環壁(3)上，且輻條結合孔(5)與透孔(4)交錯設置，使每一輻條結合孔(5)的兩旁皆與透孔(4)相鄰，每一輻條結合孔(5)中設輻條結合件(6)(如第四圖)； D、表面粗糙處理，係對完成銑削透孔(4)與輻條結合孔(5)之輪圈骨架(10)進行表面粗糙處理，以增加輪圈骨架(10)之表面粗糙度； E、披覆碳纖維布材(參看第五圖)，將碳纖維布材(20)裁切為預設型狀後，再披覆於輪圈骨架(10)表面，且披覆同時一併覆蓋透孔(4)，並穿過輻條結合件(6)以固定碳纖維布材(20)披覆位置； F、加熱定型，將表面已披覆碳纖維布材(20)之輪圈骨架(10)置於一模具內，並予以加熱定型以在輪圈骨架(10)表面形成一碳纖維層(30)，並據此成為碳纖維輪圈半成品； G、表面處理，係將完成表面披覆碳纖維布材(20)之碳纖維輪圈半成品進行如噴塗保護層及拋光等工序之表面處理，即能製得一碳纖維輪圈成品(參看第六~八圖)。

另，本發明之碳纖維輪圈之製造方法的其二較佳實施例係進一步在步驟C增加銑削多個貫穿槽(7)，該些貫穿槽(7)位於連接壁(2)上方的側壁(1)上，並且與每一透孔(4)位置對應(請參看第九圖)。

又，本發明之碳纖維輪圈之製造方法的其三較佳實施例係改變在步驟C銑削透孔(4)之位置，即本實施例係沿著輪圈骨架胚體的二側壁(1)以預設間隔銑削成型透孔(4)(請參看第十圖)；該些輻條結合孔(5)係銑削成型於內環壁(3)上，每一 輻條結合孔(5)不與任一透孔(4)對應設置，且是位於兩兩透孔(4)之間的內環壁(3)上，同時位於每一輻條結合孔(5)之間的內環壁(3)呈往連接壁(2)方向弧形凹設；當然，位於每一輻條結合孔(5)之間的內環壁(3)也可以被設計為呈往遠離連接壁(2)方向弧形凸設。

如本發明之碳纖維輪圈之製造方法的其一、其二及其三較佳實施例中，所述金屬基材係採用鋁合金或鎂合金其中之一。其中，鎂合金為活潑性高的金屬，容易氧化，因此無法長期暴露在大氣中，於其表面披覆碳纖維布材使之形成碳纖維層，可防止鎂合金氧化，更增產品的耐用性。

而由上述本發明之碳纖維輪圈之製造方法所製成之碳纖維輪圈之結構，其包括：一輪圈骨架(10)與一披覆於輪圈骨架(10)表面之碳纖維層(30)；輪圈骨架(10)包括二側壁(1)、一連接於該等側壁(1)相向端面間之連接壁(2)、一連接於該等側壁(1)徑向內側邊緣間之內環壁(3)，使二側壁(1)、連接壁(2)、內環壁(3)之間框圍出一空間，以及多數個透孔(4)與多數個輻條結合孔(5)，該些透孔(4)係沿著輪圈骨架(10)的二側壁(1)以預設間隔銑削設置；該些輻條結合孔(5)係銑削成型於內環壁(3)上，每一輻條結合孔(5)不與任一透孔(4)對應設置，且是位於兩兩透孔(4)之間的內環壁(3)上；碳纖維層(30)披覆於輪圈骨架(10)表面之外也 同時一併覆蓋透孔(4)。再者，位於每一輻條結合孔(5)之間的內環壁(3)呈往連接壁(2)方向弧形凹設；當然，位於每一輻條結合孔(5)之間的內環壁(3)也可以被設計為呈往遠離連接壁(2)方向弧形凸設。

而由上述本發明之碳纖維輪圈之製造方法所製成之另一碳纖維輪圈之結構，其與上述碳纖維輪圈之結構的差異係在：該些透孔(4)係沿著二側壁(1)及內環壁(3)以預設間隔銑設，使每一個透孔(4)範圍含括二側壁(1)及內環壁(3)；該些輻條結合孔(5)係銑削成型於內環壁(3)上，且輻條結合孔(5)與透孔(4)交錯設置，使每一輻條結合孔(5)的兩旁皆與透孔(4)相鄰。

又，在輪圈骨架(10)上另外銑削多個貫穿槽(7)，該些貫穿槽(7)位於連接壁(2)上方的側壁(1)上，並且與每一透孔(4)位置對應(請參看第九圖)。

而且，本發明之輪圈骨架(10)係採用鋁合金或鎂合金其中之一。

<實施例>

取一鋁合金基材加熱到可塑溫度再經擠壓成型得到寬25mm、高29mm的長條體，該長條體包括二側壁(1)、一連接於該等側壁(1)相向端面間之連接壁(2)，及一連接於該等側壁(1)徑向內側邊緣間之內環壁(3)，使二側壁(1)、連接壁(2)、 內環壁(3)之間框圍出一空間；上述所稱之「寬」係指二側壁(1)之間的距離，所稱之「高」係指側壁(1)的底端至頂端的距離。 接著將長條體兩端接合成圓圈形狀以形成輪圈骨架胚體，於輪圈骨架胚體上銑削多數個含括二側壁(1)及內環壁(3)的透孔(4)與多數個銑削成型於內環壁(3)上之輻條結合孔(5)，且輻條結合孔(5)與透孔(4)交錯設置，藉此形成輪圈骨架(10)，每一輻條結合孔(5)中設輻條結合件(6)；接著對輪圈骨架(10)進行表面粗糙處理，並將裁切為預設形狀之碳纖維布材(20)以一併覆蓋透孔(4)的方式披覆於輪圈骨架(10)表面，碳纖維布材(20)披覆的層數為1層，最後將之置於一模具內並加熱定型成為碳纖維輪圈半成品，待經表面處理後即得碳纖維輪圈成品。

將上述實施例所完成之碳纖維輪圈與傳統貼附有7層碳纖維布材所形成之碳纖維輪圈經製作工時、重量、EN路跑測試、EN耐用度測試等項目進行測試，結果如表1所示：

由表1可知，以本發明之方法所製作完成之內具有輪圈骨架的碳纖維輪圈與傳統由碳纖維布材逐層披覆貼設之碳纖維輪圈相 較，本發明在製作工時上縮短很多，而且整體重量又輕於傳統碳纖維輪圈，在EN路跑測試中，本發明之碳纖維輪圈比傳統碳纖維輪圈多出2100公里，整體上本發明之碳纖維輪圈在EN耐用度測試上比傳統碳纖維輪圈增加30%。

以上所舉者僅係本發明之部份實施例，並非用以限制本發明，致依本發明之創意精神及特徵，稍加變化修飾而成者，亦應包括在本專利範圍之內。

綜上所述，本發明實施例確能達到所預期之使用功效，又其所揭露之具體技術手段，不僅未曾見諸於同類產品中，亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求，爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

Claims (10)

1. 一種碳纖維輪圈之製造方法，其步驟包括：A、成型金屬材質長條體，係將金屬基材加熱到可塑溫度再經擠壓成型以得所需形狀的長條體，該長條體包括二側壁、一連接於該等側壁相向端面間之連接壁，及一連接於該等側壁徑向內側邊緣間之內環壁，使二側壁、連接壁、內環壁之間框圍出一空間；B、接合長條體之兩端，係將成型後之長條體兩端接合成圓圈形狀以形成輪圈骨架胚體；C、銑削透孔與輻條結合孔，於輪圈骨架胚體上銑削多數個透孔與多數個輻條結合孔以形成輪圈骨架；該些所述輻條結合孔係銑削成型於所述內環壁上，每一所述輻條結合孔不與任一所述透孔對應設置，且是位於兩兩所述透孔之間的所述內環壁上，每一所述輻條結合孔中設輻條結合件；D、表面粗糙處理，係對完成銑削所述透孔與所述輻條結合孔之所述輪圈骨架進行表面粗糙處理，以增加所述輪圈骨架之表面粗糙度；E、披覆碳纖維布材，將所述碳纖維布材裁切為預設型狀後，再披覆於所述輪圈骨架表面，且披覆同時一併覆蓋所述透孔； F、加熱定型，將表面已披覆所述碳纖維布材之所述輪圈骨架置於一模具內，並予以加熱定型以在所述輪圈骨架表面形成一碳纖維層，並據此成為碳纖維輪圈半成品；G、表面處理，係將完成表面披覆所述碳纖維布材之所述碳纖維輪圈半成品進行表面處理，以製得一自行車碳纖維輪圈成品。
2. 如申請專利範圍第1項所述之碳纖維輪圈之製造方法，其中，該些所述透孔係沿著所述輪圈骨架胚體的二側壁以預設間隔銑削成型；或是，該些透孔係沿著所述輪圈骨架胚體的二側壁及內環壁以預設間隔銑削成型，使每一個所述透孔範圍含括二所述側壁及所述內環壁。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述之碳纖維輪圈之製造方法，其中，所述金屬基材係採用鋁合金或鎂合金其中之一。
4. 如申請專利範圍第1或2項所述之碳纖維輪圈之製造方法，其中，所述表面處理包括對所述碳纖維輪圈半成品進行表面拋光工序與噴塗保護層工序。
5. 如申請專利範圍第1或2項所述之碳纖維輪圈之製造方法，其中，所述碳纖維布材披覆於所述連接壁的層數為1~2層。
6. 如申請專利範圍第1或2項所述之碳纖維輪圈之製造方法，其中，位於每一所述輻條結合孔之間的所述內環壁呈往所述連接 壁方向弧形凹設；或是，位於每一所述輻條結合孔之間的所述內環壁呈往遠離所述連接壁方向弧形凸設。
7. 如申請專利範圍第6項所述之碳纖維輪圈之製造方法，其中，所述輪圈骨架上另外銑削多個貫穿槽，該些所述貫穿槽位於所述連接壁上方的所述側壁上，並且與每一所述透孔位置對應。
8. 如申請專利範圍第5項所述之碳纖維輪圈之製造方法，其中，所述輪圈骨架上另外銑削多個貫穿槽，該些所述貫穿槽位於所述連接壁上方的所述側壁上，並且與每一所述透孔位置對應。
9. 如申請專利範圍第1或2項所述之碳纖維輪圈之製造方法，其中，所述輪圈骨架上另外銑削多個貫穿槽，該些所述貫穿槽位於所述連接壁上方的所述側壁上，並且與每一所述透孔位置對應。
10. 一種碳纖維輪圈之結構，係由如申請專利範圍第1至9項任一項之方法所製得，所述碳纖維輪圈包括：一輪圈骨架與一披覆於所述輪圈骨架表面之碳纖維層；所述輪圈骨架包括二側壁、一連接於該等側壁相向端面間之連接壁、一連接於該等側壁徑向內側邊緣間之內環壁，使二側壁、連接壁、內環壁之間框圍出一空間，以及多數個透孔與多數個輻條結合孔；該些所述輻條結合孔係銑削成型於所述內環壁上，每一所述輻條結合孔不與任一所述透孔對應設置，且是位於兩兩所述透孔之間的所述內環壁上，每一所述輻條結合孔中設輻條結合件；所述碳纖維 層披覆於所述輪圈骨架表面之外也同時一併覆蓋所述透孔，並穿過所述輻條結合件固定所述碳纖維層披覆位置。