TWI656059B - 自行車車架之接頭結構及其製造方法 - Google Patents

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賴宏杰
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Abstract

本發明提供一種自行車車架之接頭結構，其包含主基層與至少一補強疊層。主基層主要由摻有複數條第一纖維之第一高分子材料所製成，第一纖維之方向為隨機分佈，且主基層具有主基層厚度。此外，補強疊層與主基層貼附，補強疊層主要由摻有複數條第二纖維之第二高分子材料所製成。第二纖維方向為單一方向，補強疊層具有補強疊層厚度，補強疊層厚度小於主基層厚度。藉此，透過纖維方向隨機分佈之主基層結合單一方向纖維之補強疊層，形成均向性高的接頭結構，不但可大幅簡化製程縮短工時，還能兼具各方向上所需的剛性強度，有助整體強度提升。

Description

自行車車架之接頭結構及其製造方法
本發明是關於一種自行車車架之接頭結構及其製造方法，特別是關於一種可大幅簡化製程並縮短工時的自行車車架之接頭結構及其製造方法。
目前自行車車架已廣泛運用碳纖維材料，而一般碳纖維車架需具有一定的強度與剛性，但受限於碳纖維具有方向性的特性，在疊層規劃方面需要非常注重碳纖維的方向性，透過多層且不同方向的堆疊，達到各不同方向需求剛性或強度。
雖然管件部份層數及方向規劃較為單純，但接頭如車首部位、座接部位、五通部位因受力非常複雜且具多方向性，故接頭對於整體車架性能(剛性及強度)具有關鍵性影響。請參閱第1A圖與第1B圖，第1A圖係繪示一習知實施例之自行車車架之接頭結構100的立體示意圖，第1B圖係繪示一習知實施例之自行車車架之接頭結構 100的分解圖。如圖所示，此種自行車車架之接頭結構100由複數個方向各異之主基層110所疊接而成。而依據充份疊層規劃經驗或模擬分析，一個碳纖車架接頭往往需要數十張形狀及方向各異之裁剪碳纖布(即主基層110)貼合於不同位置而組成，也因此從疊層規劃、裁布到疊層預型，均需要耗費大量的人力與工時，製程非常繁複且漫長，進而導致碳纖車架製造成本居高不下。
另外，習知自行車車架也有以射出接頭為基礎的結構，僅在特定部分加上碳纖布做補強。然而，這樣的作法除了一體成型所需射出模具之價格昂貴外，短維纖射出強度還是明顯低於連續纖維複合材料。此外，此作法仍需要非常大量的額外補強材料及工序，才可能得到預期性能的產品，最終無法有效低減成本。
由此可知，目前市場上缺乏一種具多方向性、價格低廉、可簡化製程、縮短工時而且可以增加強度與剛性的複材自行車車架之接頭結構及其製造方法，故相關業者均在尋求其解決之道。
因此，本發明之目的在於提供一種自行車車架之接頭結構及其製造方法，其利用纖維方向隨機分佈之主基層結合單一方向纖維之補強疊層而形成均向性高的接頭結構，可大幅簡化製程並縮短工時，以解決習知技術透過傳統層層不同單一方向對貼，以致需各方向佔比及一定厚 度的問題。此外，本發明的自行車車架之接頭結構層數少，且主基層材料具較佳流動性，可減少層間空隙，而且所成形之接頭結構的厚度呈平順變化，有助整體強度提升。
依據本發明的結構態樣之一實施方式提供一種自行車車架之接頭結構，其包含一主基層與至少一補強疊層。主基層主要由摻有複數條第一纖維之一第一高分子材料所製成，第一纖維之方向為隨機分佈，且主基層具有一主基層厚度。此外，補強疊層連接主基層，補強疊層主要由摻有複數條第二纖維之一第二高分子材料所製成。第二纖維方向為單一方向，補強疊層具有一補強疊層厚度，補強疊層厚度小於主基層厚度。
藉此，本發明的自行車車架之接頭結構透過纖維方向隨機分佈之主基層結合單一方向纖維之補強疊層，形成均向性高的接頭結構，不但可大幅簡化製程縮短工時，還能兼具各方向上所需的剛性及強度，有助於整體強度之提升。
前述實施方式之其他實施例如下：前述第一纖維以及第二纖維可均為碳纖維。前述補強疊層可包含至少二分支區域，此二分支區域貼附於主基層，主基層的面積大於各分支區域的面積。此外，前述補強疊層可包含一主區域，此主區域貼附於主基層。再者，前述主基層厚度可為補強疊層厚度的兩倍以上。前述主基層厚度可大於等於0.25mm且小於等於3.5mm。前述主基層厚度可大於等 於0.5mm且小於等於3.0mm。前述主基層厚度可大於等於1.0mm且小於等於3.0mm。前述主基層厚度可大於等於2.0mm且小於等於3.0mm。此外，前述各第一纖維具有一纖維長度與一纖維寬度，纖維長度大於等於3mm且小於等於100mm，且纖維長度大於纖維寬度。而且前述纖維長度可等於25.4mm(1inch)。前述第一高分子材料可由第一纖維與樹脂壓合組成。第一纖維包含碳纖維、無機纖維、人造高韌性纖維、天然纖維或上述纖維的組合。另外，前述主基層與補強疊層可設於自行車車架之至少一接頭部位與至少一管件部位，接頭部位銜接管件部位。
依據本發明的方法態樣之一實施方式提供一種自行車車架之接頭結構的製造方法，其包含一主基層成形步驟、一補強疊層成形步驟以及一接頭成形步驟。其中主基層成形步驟係將複數條第一纖維以樹脂混合後預先壓合而形成一主基層，這些第一纖維之方向為隨機分佈。另外，補強疊層成形步驟係將摻有複數條第二纖維之一第二高分子材料製成一補強疊層，然後貼附補強疊層於主基層而形成一多層複合材，這些第二纖維方向為單一方向。至於接頭成形步驟則係將多層複合材放置於一模具內後熱壓成形為自行車車架之接頭結構。
藉此，本發明之製造方法可簡化積層程序，以較少積層數完成多層複合材料之自行車車架接頭結構，不但可減少層間空隙，還可讓所成形之接頭結構的厚度呈平順變化，有助整體強度提升。
前述實施方式之其他實施例如下：前述主基層成形步驟係將複數條原始纖維切斷而形成第一纖維，各原始纖維的長度大於100mm。各第一纖維具有一纖維長度與一纖維寬度，纖維長度大於等於3mm且小於等於100mm，且纖維長度大於纖維寬度。此外，在前述製造方法中，當執行完主基層成形步驟與補強疊層成形步驟之後，主基層具有一主基層厚度，補強疊層具有一補強疊層厚度，主基層厚度大於補強疊層厚度。再者，前述主基層厚度可為補強疊層厚度的兩倍以上。
100、100a、200a、300a、100b、200b、300b‧‧‧接頭結構
110、110a、210a、310a‧‧‧主基層
120a、220a、320a‧‧‧補強疊層
112‧‧‧第一纖維
114‧‧‧膠合樹脂
122‧‧‧第二纖維
124‧‧‧膠合樹脂
124a‧‧‧主區域
126a‧‧‧分支區域
T1‧‧‧主基層厚度
T2‧‧‧補強疊層厚度
400‧‧‧製造方法
S2‧‧‧主基層成形步驟
S4‧‧‧補強疊層成形步驟
S6‧‧‧接頭成形步驟
第1A圖係繪示一習知實施例之自行車車架之接頭結構的立體示意圖。
第1B圖係繪示一習知實施例之自行車車架之接頭結構的分解圖。
第2A圖係繪示本發明第一實施例之自行車車架之接頭結構的立體示意圖。
第2B圖係繪示第2A圖之自行車車架之接頭結構的展開示意圖。
第2C圖係繪示不同碳纖維等級之材料特性分佈圖。
第3A圖係繪示第2A圖之自行車車架之接頭結構的分解示意圖。
第3B圖係繪示第3A圖之自行車車架之接頭結構的主基層之剖視圖。
第3C圖係繪示第3A圖之自行車車架之接頭結構的補強疊層之剖視圖。
第4圖係繪示第3A圖之自行車車架之接頭結構應用於自行車車架各部位的示意圖。
第5圖係繪示第4圖之第二實施例的自行車車架之接頭結構的展開示意圖。
第6圖係繪示第4圖之第三實施例的自行車車架之接頭結構的展開示意圖。
第7圖係繪示本發明一實施例的自行車車架之接頭結構的製造方法之流程示意圖。
第8圖係繪示第3A圖之接頭結構應用於自行車車架之接頭結構及管件的示意圖。
以下將參照圖式說明本發明之複數個實施例。為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施例中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之；並且重複之元件將可能使用相同的編號表示之。
請一併參閱第2A、2B、2C、3A、3B及3C圖，第2A圖係繪示本發明第一實施例之自行車車架之接頭結構100a的立體示意圖。第2B圖係繪示第2A圖之自行車車架之接頭結構100a的展開示意圖。第2C圖係繪示不同碳纖維等級之材料特性分佈圖。第3A圖係繪示第2A圖之自行車車架之接頭結構100a的分解示意圖。第3B圖係繪示第3A圖之自行車車架之接頭結構100a的主基層110a之剖視圖。第3C圖係繪示第3A圖之自行車車架之接頭結構100a的補強疊層120a之剖視圖。如圖所示，自行車車架之接頭結構100a包含主基層110a與補強疊層120a。
主基層110a主要由摻有複數條第一纖維112之第一高分子材料所製成，第一纖維112之方向為隨機分佈，且主基層110a具有一個主基層厚度T1。詳細地說，主基層110a之第一高分子材料由多條第一纖維112與膠合樹脂114壓合組成，其中第一纖維112包含碳纖維、無機纖維(如玻璃纖維)、人造高韌性纖維(如克維拉纖維(Kevlar))、天然纖維(如亞麻纖維)或上述纖維的組合。而本發明的各第一纖維112為短切碳纖維，各第一纖維112具有一纖維長度與一纖維寬度，其中纖維長度大於等於3mm且小於等於100mm，且纖維長度大於纖維寬度，藉以令各第一纖維112呈長條狀。較佳的短切纖維長度為12.7mm(0.5inch)、25.4mm(1inch)以及50.8mm(2inch)。越短的纖維長度所產生之均向性越好，但結構之剛 性強度越低；反之，越長的纖維長度所產生之剛性強度越好，但方向性就會明顯失去均向的優點。而為了兼顧強度與均向性，本發明之最佳實施例的纖維長度等於25.4mm(1inch)。
另外，主基層厚度T1大於等於0.25mm且小於等於3.5mm，主基層厚度T1可進一步大於等於0.5mm且小於等於3.0mm。主基層厚度T1也可大於等於1.0mm且小於等於3.0mm。主基層厚度T1亦可大於等於2.0mm且小於等於3.0mm。本實施例的主基層厚度T1係以大於等於0.5mm且小於等於1.0mm為較佳範圍，主基層厚度T1等於0.5mm為最佳值，其係因自行車車架之接頭結構100a在實務上的積層總厚度約為1~3mm，若主基層厚度T1的數值越大，則多層貼合的程序可越簡化。但相對地，若主基層厚度T1的數值越大，則主基層110a中多條第一纖維112與膠合樹脂114壓合之製造難度也將越高，且容易包含更多空氣而導致強度下降。因此，在貼合程序簡化以及壓合製造難度的綜合考量下，主基層厚度T1相對於積層總厚度須要大過一定的數值，才能在合理之壓合製造難度的條件下有效地簡化貼合程序。
補強疊層120a連接主基層110a，補強疊層120a主要由摻有複數條第二纖維122之第二高分子材料所製成，第二纖維122方向為單一方向。補強疊層120a具有補強疊層厚度T2，補強疊層厚度T2小於主基層厚度T1。詳細地說，補強疊層120a之第二高分子材料由多條 第二纖維122與膠合樹脂124壓合組成，其中第二纖維122包含碳纖維、無機纖維(如玻璃纖維)、人造高韌性纖維(如克維拉纖維(Kevlar))、天然纖維(如亞麻纖維)或上述纖維的組合。而本發明的各第二纖維122為碳纖維，且第二纖維122之碳纖維等級與第一纖維112之碳纖維等級相異。請參閱第2C圖，一般碳纖維等級以剛性(Modulus)以及強度(Strength)分級，而就日本東麗(TORAY)公司的碳纖維產品來說，其最低等級為碳纖維T300。而在自行車車架的領域上，最常用的等級為碳纖維T700或T800，而本實施例是選用碳纖維T300或T700作為主基層110a的第一纖維112。至於補強疊層120a則是用以補強結構的局部剛性或強度，可選用高剛性碳纖維(例如：碳纖維M40)或高強度碳纖維(例如：碳纖維T1000)。也就是說，第二纖維122之剛性或強度大於第一纖維112之剛性或強度。再者，請參閱第2B圖，補強疊層120a包含一個主區域124a與四個分支區域126a，主區域124a與分支區域126a均貼附於主基層110a且可彼此交疊，藉以強化特定單一方向的纖維強度。
此外，主基層厚度T1為補強疊層厚度T2的兩倍以上。舉例來說，一般積層總厚度若為3mm，而習知單向纖維預浸布(已含預浸樹脂之碳纖維布)的厚度約為0.1mm，因此需要30層的疊接貼合。由於每一層均為單向纖維而無法顧及各方向，故在傳統的製作實務上，其作法係以0度、45度以及90度三種方向各自數層對貼而 成。而本發明不同於習知作法在於主基層110a的主基層厚度T1為0.5~3.0mm，且補強疊層120a的補強疊層厚度T2為0.1~0.2mm，故整體結構僅需3至5層的主基層110a加上少數層單向的補強疊層120a即可實現。當然，整體結構可以只有主基層110a，而不需要補強疊層120a，例如：疊接6層之主基層110a，且每層的主基層厚度T1為0.5mm。另外值得一提的是，當主基層厚度T1小於補強疊層厚度T2的兩倍時(例如：主基層厚度T1為0.15mm，補強疊層厚度T2為0.1mm，即T1=0.15mm<2×T2=0.2mm)，其製作過程對於簡化程序及提升均向性而言發揮不了太大的作用。換句話說，當主基層厚度T1為補強疊層厚度T2的兩倍以上時，簡化程序及提升均向性的效果才會較為顯著。
藉此，本發明透過纖維方向隨機分佈之主基層110a結合單一方向纖維之補強疊層120a，形成均向性高的接頭結構100a，不但可大幅減少疊層數量、簡化製程及縮短工時，還能兼具各方向上所需的剛性與強度，有助於整體強度的提升。也就是說，本發明使用較厚的軟性碳纖布材料，使接頭結構100a(如車首部位、座接部位、五通部位等)具有等方向機械性質之特性，且能夠兼具各方向上所需的剛性及強度。此外，由於碳纖布材料的厚度較厚，因此在貼附時能夠以較短的工時完成製造。
請一併參閱第3A及4~6圖，第4圖係繪示第3A圖之自行車車架之接頭結構100a應用於自行車車架各 部位的示意圖。第5圖係繪示第4圖之第二實施例的自行車車架之接頭結構200a的展開示意圖。第6圖係繪示第4圖之第三實施例的自行車車架之接頭結構300a的展開示意圖。如圖所示，此自行車車架包含三種接頭結構100a、200a、300a，其中接頭結構100a為頭管接頭(head lug)，接頭結構200a為座管接頭(seat lug)，而接頭結構300a為五通接頭(bottom bracket)，其分別位於自行車車架之不同部位。接頭結構100a即為第3A圖的結構，不再贅述。而座管接頭結構200a包含主基層210a與補強疊層220a，且主基層210a與補強疊層220a相互連接。五通接頭結構300a包含主基層310a與補強疊層320a，且主基層310a與補強疊層320a相互連接。主基層210a、310a與第3A圖的主基層110a之結構相同，且補強疊層220a、320a與第3A圖的補強疊層120a之結構相同。由於接頭結構100a、200a、300a所在位置與連接形式均不相同，因此主基層110a、210a、310a與補強疊層120a、220a、320a的疊接貼合形狀與構造均有差異。由上述可知，本發明可應用於各種自行車車架之接頭結構100a、200a、300a上，而且相當適合用於大量製造以達到所需剛性與強度並縮短製造時間，進而降低製造成本。
請一併參閱第2A、2B、3A及4~7圖，第7圖係繪示本發明一實施例的自行車車架之接頭結構100a、200a、300a的製造方法400之流程示意圖。如圖所示，製造方法400包含主基層成形步驟S2、補強疊層成形步 驟S4以及接頭成形步驟S6。其中主基層成形步驟S2係將複數條第一纖維112以樹脂混合後預先壓合而形成主基層110a、210a、310a，這些第一纖維112之方向為隨機分佈。再者，補強疊層成形步驟S4係將摻有複數條第二纖維122之第二高分子材料製成補強疊層120a、220a、320a，然後貼附補強疊層120a、220a、320a於主基層110a、210a、310a而形成多層複合材，這些第二纖維122之方向為單一方向。在補強疊層成形步驟S4之中，接頭所需之多層複合材(即碳布)以暫時性預型模塑型，此時補強疊層120a、220a、320a仍柔軟，可靠自身黏性服貼地與主基層110a、210a、310a貼合。暫時性預型模對應自行車車架之接頭結構100a、200a、300a的形狀。此外，接頭成形步驟S6係將多層複合材放置於一模具內後熱壓成形為自行車車架之接頭結構100a、200a、300a。此模具由金屬製成，而經熱壓後之多層複合材會固化變硬而形成車架結構。
藉此，本發明之製造方法400可以較少積層數完成多層複合材料之自行車車架接頭結構100a、200a、300a，且相較於原單向纖維材料拘束性，主基層110a、210a、310a之均向性短切纖維具良好的流動性，不但可減少層間空隙，更可讓所成形之接頭結構100a、200a、300a的厚度呈平順變化，有助整體強度提升。
請一併參閱第3A、4及8圖，第8圖係繪示第3A圖之接頭結構100a應用於自行車車架之接頭及管件 的示意圖。如圖所示，接頭結構100a與接頭結構100b的構造相同；接頭結構200a與接頭結構200b的構造相同；接頭結構300a與接頭結構300b的構造相同。其中接頭結構100a的主基層110a與補強疊層120a可設於自行車車架之接頭部位與管件部位，接頭部位銜接管件部位。管件部位係由接頭部位之分支向外延伸一段的部件或管件，而此管件部位亦可採用本發明第3A圖之疊層接頭結構100a來成形。換句話說，接頭結構100b、200b、300b係接頭結構100a、200a、300a之接頭部位結合向外延伸一段的管件部位，因此無論是接頭部位或者是管件部位，均可透過本發明第3A圖之疊層接頭結構100a來實現，以進一步簡化製程縮短工時並提升自行車車架的整體強度。
由上述實施方式可知，本發明具有下列優點：其一，本發明的自行車車架之接頭結構透過纖維方向隨機分佈之主基層結合單一方向纖維之補強疊層，形成均向性高的接頭結構，不但可大幅簡化製程縮短工時，還能兼具各方向上所需的剛性及強度，有助於整體強度之提升，以解決習知技術透過傳統層層不同單一方向對貼至所需各方向佔比及一定厚度的問題。其二，利用本發明之製造方法可以簡化較少積層數完成自行車車架之接頭結構，因此利用本發明之製造方法所形成的多層複合材，可大幅地簡化自行車車架之接頭結構的製造程序，不但可減少層間空隙，還可讓所成形之接頭結構的厚度呈平順變化，有助整體強度提升。其三，本發明可應用於各種自行車車架之接 頭結構上，而且相當適合用於大量製造以達到所需剛性與強度並縮短製造時間，進而降低製造成本。其四，本發明的疊層結構可應用於自行車車架之接頭部位及管件部位，以進一步簡化製程縮短工時並提升自行車車架的整體強度。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (15)

  1. 一種自行車車架之接頭結構，包含：一主基層，主要由摻有複數條第一纖維之一第一高分子材料所製成，該些第一纖維之方向為隨機分佈，且該主基層具有一主基層厚度；以及至少一補強疊層，與該主基層貼附，該補強疊層主要由摻有複數條第二纖維之一第二高分子材料所製成，該些第二纖維方向為單一方向，該補強疊層具有一補強疊層厚度，該補強疊層厚度小於該主基層厚度；其中，該主基層厚度為該補強疊層厚度的兩倍以上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之自行車車架之接頭結構，其中該些第一纖維及該些第二纖維均為碳纖維。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之自行車車架之接頭結構，其中該補強疊層包含：至少二分支區域，貼附於該主基層，該主基層的面積大於各該分支區域的面積。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之自行車車架之接頭結構，其中該補強疊層更包含：一主區域，貼附於該主基層。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之自行車車架之接頭結構，其中該主基層厚度大於等於0.25mm且小於等於3.5mm。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之自行車車架之接頭結構，其中該主基層厚度大於等於0.5mm且小於等於3.0mm。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之自行車車架之接頭結構，其中該主基層厚度大於等於1.0mm且小於等於3.0mm。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之自行車車架之接頭結構，其中該主基層厚度大於等於2.0mm且小於等於3.0mm。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之自行車車架之接頭結構，其中各該第一纖維具有一纖維長度與一纖維寬度，該纖維長度大於等於3mm且小於等於100mm，且該纖維長度大於該纖維寬度。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之自行車車架之接頭結構，其中該纖維長度等於25.4mm。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之自行車車架之接頭結構，其中該第一高分子材料由該些第一纖維與一樹脂壓合組成，該些第一纖維包含碳纖維、無機纖維、人造高韌性纖維、天然纖維或上述纖維的組合。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之自行車車架之接頭結構，其中該主基層與該補強疊層設於該自行車車架之至少一接頭部位與至少一管件部位，該接頭部位銜接該管件部位。
  13. 一種自行車車架之接頭結構的製造方法，包含以下步驟：一主基層成形步驟，係將複數條第一纖維以樹脂混合後預先壓合而形成一主基層，該些第一纖維之方向為隨機分佈；一補強疊層成形步驟，係將摻有複數條第二纖維之一第二高分子材料製成一補強疊層，然後貼附該補強疊層於該主基層而形成一多層複合材，該些第二纖維方向為單一方向；以及一接頭成形步驟，係將該多層複合材放置於一模具內後熱壓成形為該自行車車架之接頭結構；其中，當執行完該主基層成形步驟與該補強疊層成形步驟之後，該主基層具有一主基層厚度，該補強疊層具有一補強疊層厚度，該主基層厚度大於該補強疊層厚度。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之自行車車架之接頭結構的製造方法，其中，該主基層成形步驟係將複數條原始纖維切斷而形成該些第一纖維，各該原始纖維的長度大於100mm，各該第一纖維具有一纖維長度與一纖維寬度，該纖維長度大於等於3mm且小於等於100mm，且該纖維長度大於該纖維寬度。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之自行車車架之接頭結構的製造方法，其中該主基層厚度為該補強疊層厚度的兩倍以上。
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