專利名稱：具有多管車架結(jié)構(gòu)的自行車的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自行車的復(fù)合結(jié)構(gòu)，更特別的是，這里的結(jié)構(gòu)一般為管狀結(jié)構(gòu)，且傳統(tǒng)的單管被多根連管代替，優(yōu)選被一對(duì)沿它們的襯面被熔合在一起的管子代替，從而在兩根管子之間提供一個(gè)加強(qiáng)內(nèi)壁以及若干孔(apertures)或者“孔口(ports)”，從而提供特殊的性能優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明涉及自行車架的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，包括上管、下管、座撐、鏈拉條以及前輪支架(叉)、車把、以及座位支柱。特別是，設(shè)計(jì)的原則是用雙管設(shè)計(jì)方案代替單管部分，但外部的幾何形狀保持與原來(lái)的單管設(shè)計(jì)方案相同或相似。這在兩根管子之間提供了一個(gè)內(nèi)壁的結(jié)構(gòu)，它具有強(qiáng)度和剛度方面的優(yōu)點(diǎn)。另外，兩根管子可以在各個(gè)位置處分離，從而在兩根管子之間形成若干孔或孔口，這些孔或孔口的作用相當(dāng)于相對(duì)的拱，它們提供了額外的強(qiáng)度、剛度和氣動(dòng)性方面的優(yōu)點(diǎn)。
背景技術(shù)：
特性自行車的重量是決定其性能的關(guān)鍵特征。重量越輕，自行車加速就越快，維持高速度就越容易，爬坡就越容易，機(jī)動(dòng)也就越容易，因此，用最輕的材料和設(shè)計(jì)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)這些性能目標(biāo)?，F(xiàn)代的自行車設(shè)計(jì)中，最普及的高性能材料是碳纖維加強(qiáng)的環(huán)氧樹脂(CFE)，因?yàn)樵谒械膶?shí)際上用得起的材料中，它的強(qiáng)度重量比最高。因此，CFE可以生產(chǎn)重量非常輕、剛度極佳且外形富有美感的自行車架。
然而，自行車結(jié)構(gòu)所用的碳纖維基材料具有潛在的問題和挑戰(zhàn)。由碳纖維復(fù)合材料制成的自行車架會(huì)因過度的壓縮力而導(dǎo)致薄壁管縱向彎曲，因此易于出現(xiàn)災(zāi)難性的故障。自行車架中的管狀復(fù)合部件受到許多應(yīng)力條件的支配在許多方向上都有彎曲負(fù)載，有扭轉(zhuǎn)負(fù)載，有沖擊負(fù)載和振動(dòng)負(fù)載，在復(fù)雜的應(yīng)力條件下也可能導(dǎo)致這些負(fù)載的任意組合。
除了重量輕、強(qiáng)度好之外，這種自行車架特有的剛度是其最大的優(yōu)點(diǎn)。這是因?yàn)樗豢偸鞘走x的、剛性最好的車架，而是調(diào)諧的車架，在這里，一些不同的部分是剛性的，而其他部分更有彈性，允許有更多的撓曲。例如，有時(shí)自行車架可以是非常剛性的，且對(duì)騎車者來(lái)說(shuō)具有“死氣沉沉”的感覺。其他車架可以是非常有撓性的，具有“有彈性”的感覺。有許多因素對(duì)理想的車架有貢獻(xiàn)，其中有，例如，重量、剛度、彈性、抗扭曲剛度和減震性能。迄今為止，對(duì)傳統(tǒng)的自行車復(fù)合車架的這些特性的改進(jìn)一直局限在改變管狀部件的橫截面尺寸，或者選擇不同的材料或纖維角。
例如，如果希望一個(gè)方向上的抗彎曲剛度比另一個(gè)方向上的大，可以通過管狀部件的橫截面設(shè)計(jì)來(lái)提供這一剛度。例如，卵形橫截面在一個(gè)方向比在另一個(gè)方向上具有大得多的剛度。這具有非常理想的效果，例如，在自行車架的下管中或者在前叉中。然而，卵形橫截面的主要缺點(diǎn)在于沿著橫截面的寬部薄壁段易于縱向彎曲，由于在這個(gè)方向上彎曲或者由于扭轉(zhuǎn)負(fù)載，也可能使這一寬的薄壁區(qū)域起皺(wrinkle)或者縱向彎曲(buckle)。
自行車的另一個(gè)所希望的特征是氣動(dòng)性能。流線型自行車架沿行進(jìn)方向正面面積減小，它可以使用復(fù)合材料，但需要折衷。復(fù)合碳纖維在車架形狀方面為設(shè)計(jì)者提供了更多的選擇，以減小氣動(dòng)阻力。例如，車架管或者前叉或者車把可以做得更細(xì)，以使正面更小，從而使氣動(dòng)阻力更小。然而，這都需要代價(jià)，因?yàn)榱涸郊?xì)，剛度越小，也越不結(jié)實(shí)，因?yàn)闄M截面小了。因此，為了改善氣動(dòng)性能，就必須姑息剛度和強(qiáng)度的下降。
自行車的另一個(gè)所希望的特征是舒適性。舒適性可以分成兩種大撓曲和小撓曲。大撓曲在不是在路上而是在崎嶇不平的地方騎車時(shí)發(fā)生。目前，自行車上有許多主動(dòng)懸掛系統(tǒng)，它們用到各種機(jī)械裝置，例如彈簧和減震器，但這些東西很重。小撓曲要么可以歸因于來(lái)自表面條件的振動(dòng)傳遞，要么歸因于因踩踏、爬坡或者由起車者引起的其他負(fù)載而導(dǎo)致的自行車撓曲。在崎嶇不平的路上騎行可以將不希望有的振動(dòng)(被稱為“路顫(road buzz)”)傳遞給騎車者，這會(huì)導(dǎo)致不舒服。許多有經(jīng)驗(yàn)的騎車者將自行車的最佳感覺描述為自行車結(jié)構(gòu)零件(例如，車架、車叉、車把和座撐)的剛度和彈性以及它們的減震能力的結(jié)合。
在過去的二十年里，現(xiàn)代自行車的發(fā)展主要集中在減輕重量上。為此，有許多設(shè)計(jì)方案為自行車架和零件加入了復(fù)合碳纖維。一些最初的設(shè)計(jì)方案仍采用傳統(tǒng)的雙三角形車架，但用復(fù)合管來(lái)代替金屬管，例如Foret的美國(guó)專利NO.4657795中所示的方案。關(guān)于這一設(shè)計(jì)方案，只有管狀部件(例如上管或下管)用重量較輕的復(fù)合管來(lái)代替。金屬接頭(也稱為接頭(lugs))保持不變，因此復(fù)合材料的好處有限。
通過將復(fù)合單管與輕質(zhì)的復(fù)合接頭結(jié)合起來(lái)，改進(jìn)了自行車架的設(shè)計(jì)方案，例如可見Calfee的美國(guó)專利NO.5116071。關(guān)于這一設(shè)計(jì)方案，接頭以無(wú)縫的方式被更牢固地連到管子上，從而提高車架的剛度和強(qiáng)度。
另一種自行車復(fù)合車架設(shè)計(jì)方案是將預(yù)先熟化的復(fù)合管和接頭接合在一起，這見于Nelson等人的美國(guó)專利NO.5624519和NO.6270104。這些專利介紹了分開制造復(fù)合單管和接頭，然后在結(jié)合操作中將它們接合在一起。
另一種自行車架的設(shè)計(jì)方案被稱為單殼式設(shè)計(jì)方案，見于Trimble的美國(guó)專利NO.4850607。這里，整個(gè)車架被作為單件裝置澆鑄，試圖通過消除使用管子和接頭造成的材料的富裕重疊而減輕重量。它還提供了引人入勝的流線外形。然而，關(guān)于采用單根大管的這一設(shè)計(jì)方案，薄壁區(qū)域更大，因此更易于縱向彎曲。
希望自行車結(jié)構(gòu)的其他零件具有與自行車架相同的特征和優(yōu)點(diǎn)，即重量輕、剛度、強(qiáng)度和氣動(dòng)性能好、更舒適。前叉是自行車結(jié)構(gòu)的主要元件，因?yàn)樗鼈兛刂浦孕熊嚥⑶遗c前輪相連。因此，剛度和強(qiáng)度很關(guān)鍵。前叉對(duì)氣動(dòng)阻力也有相當(dāng)大的貢獻(xiàn)，因?yàn)橛写蟮恼鎱^(qū)域暴露于行駛方向。
早先的現(xiàn)有技術(shù)介紹了由單管構(gòu)成的復(fù)合自行車叉，主要目的在于重量輕，且強(qiáng)度更高。Foret的美國(guó)專利NO.4828285介紹了一種復(fù)合叉，帶有作為單件裝置而澆鑄的內(nèi)部泡沫芯。這種壓縮澆鑄技術(shù)使用泡沫芯來(lái)凝固各層，限制了超輕重量的實(shí)現(xiàn)。
Klein的美國(guó)專利NO.5692764和NO.5944932介紹了一種復(fù)合自行車叉，它的剛度重量比以及強(qiáng)度都得到了提高。該工藝生產(chǎn)了更有效的自行車叉，因?yàn)樗鼪]有芯材料，因此重量更輕。然而，沒有提及氣動(dòng)性能或舒適性的改善。
美國(guó)專利NO.6655707介紹了一種用細(xì)絲卷繞方法生產(chǎn)的復(fù)合叉。這項(xiàng)技術(shù)用到了自動(dòng)化生產(chǎn)工藝，并且使用連續(xù)纖維，試圖提高產(chǎn)品質(zhì)量。與上述的其他復(fù)合叉專利一樣，它公開了每根叉腿都有一根單管。
Sinyard等人的美國(guó)專利NO.6669218介紹了一種復(fù)合前叉，其中每根叉腿上有一個(gè)中間部分，這限定了一個(gè)腔，一種彈性減震材料被定位在該腔內(nèi)。另外，這是單管叉的設(shè)計(jì)方案，它有一個(gè)加強(qiáng)的剖面區(qū)域，彈性減震材料被放在該區(qū)域內(nèi)。這一設(shè)計(jì)方案的主要目的在于減輕振動(dòng)以增強(qiáng)舒適性。
Cobb的美國(guó)專利申請(qǐng)No.10/366760介紹了一種自行車叉，每根叉腿部分由兩條大體相互平行的腿組成，并且兩者之間有一定的距離。每根叉腿有一個(gè)氣翼形橫截面，它們是分開的腿，但又在各個(gè)位置處用連接器相互固定在一起。盡管用到了兩條腿，但它們沒有集成在一起。Cobb的主要目的在于引導(dǎo)氣流遠(yuǎn)離車輪。
關(guān)鍵在于自行車叉要非常堅(jiān)固，以便支撐騎車者的重量，還要抵抗由騎車條件施加的負(fù)荷的組合。會(huì)出現(xiàn)災(zāi)難性故障的自行車叉可能對(duì)騎車者造成嚴(yán)重的傷害。盡管上述的許多設(shè)計(jì)方案都聲稱有更大的強(qiáng)度，但在相同的基礎(chǔ)上這不可能總是正確的，因?yàn)閺?fù)合管狀部件的澆鑄程序是勞動(dòng)密集型的，如果有導(dǎo)致薄壁的部分，可能會(huì)出現(xiàn)縱向彎曲故障。
車把是自行車結(jié)構(gòu)的另一個(gè)部件，它暴露于行駛方向，因此應(yīng)該留心設(shè)計(jì)成流線型。除了車叉之外，與車叉相似，車把必須承受大量的負(fù)荷且不出故障。Klein的美國(guó)專利NO.5557982介紹了一種輕質(zhì)復(fù)合自行車把，它提高了剛度與重量以及強(qiáng)度與重量之比。但沒有提及氣動(dòng)性或舒適性特征，并且車把是用復(fù)合單管生產(chǎn)的。
另一個(gè)實(shí)施例是Whiting和Hulick的美國(guó)專利申請(qǐng)No.10/261531，它介紹了一種由單管制成的單件復(fù)合車把。
兩個(gè)上述的復(fù)合車把設(shè)計(jì)方案也易于出現(xiàn)薄壁縱向彎曲的故障，因?yàn)樗鼈兪怯脧?fù)合單管設(shè)計(jì)的。
座位支柱是自行車架系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵部件，因?yàn)樗休d著騎車者的重量以及夾到車架上的環(huán)境應(yīng)力。Filice等人的美國(guó)專利NO.6213488介紹了一種輕質(zhì)高強(qiáng)度的自行車座位支柱，它由金屬管及復(fù)合內(nèi)管組成。然而，在這個(gè)例子中，兩根管是共軸的，因此提供了較厚且較堅(jiān)固的壁方案。
Sinyard等人的美國(guó)專利NO.6848701介紹了一種復(fù)合座位支柱，它有一個(gè)腔，彈性材料被插到該腔內(nèi)以減輕振動(dòng)。與美國(guó)專利NO.6669218相似，這項(xiàng)技術(shù)首先是為了舒適，并且這是用單管設(shè)計(jì)方案生產(chǎn)的。

發(fā)明內(nèi)容
自行車架的設(shè)計(jì)方案需要繼續(xù)改進(jìn)。關(guān)于這一點(diǎn)，本發(fā)明基本滿足了這一需要。本發(fā)明被設(shè)計(jì)用來(lái)提供特有的剛度、改進(jìn)的彈性、改進(jìn)的強(qiáng)度、改進(jìn)的抗疲勞強(qiáng)度、改進(jìn)的氣動(dòng)性、較小的振動(dòng)、改進(jìn)的舒適度以及改進(jìn)的外觀。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的自行車架基本上脫離了現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)的概念和設(shè)計(jì)從而被設(shè)計(jì)用來(lái)提供特有的剛度、改進(jìn)的彈性、改進(jìn)的強(qiáng)度、改進(jìn)的氣動(dòng)性以及改進(jìn)的外觀。各種優(yōu)點(diǎn)的組合以及調(diào)節(jié)這些組分的能力在以前的自行車架設(shè)計(jì)中一直沒有實(shí)現(xiàn)。
考慮到現(xiàn)有技術(shù)中的已知類型自行車架的已知的設(shè)計(jì)和構(gòu)造的固有的上述共性，本發(fā)明提供了一種改進(jìn)的自行車架系統(tǒng)。
因此概括地但不是廣泛地列出本發(fā)明的較重要的特征，以便可以更好地理解下面對(duì)它的詳細(xì)說(shuō)明，并且可以更好地理解它對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的貢獻(xiàn)。當(dāng)然，下面也將介紹發(fā)明的其他特征，這些將形成所附的權(quán)利要求的主題。
關(guān)于這一點(diǎn)，在詳細(xì)解釋發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方式之前，要理解發(fā)明并不局限于下面的說(shuō)明書中所闡述的或者附圖中所展示的它的構(gòu)造細(xì)節(jié)和零件排列。發(fā)明可以有其他的實(shí)施方式，并且用各種方式進(jìn)行實(shí)施。另外也要理解，這里所用的措辭和術(shù)語(yǔ)都是為了說(shuō)明，不應(yīng)被看作限制。
因此，本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員會(huì)理解本發(fā)明所基于的概念也可以用作其他結(jié)構(gòu)、方法和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，從而執(zhí)行本發(fā)明的幾個(gè)目的。因此重要的是權(quán)利要求書被認(rèn)為包含了這些等價(jià)的構(gòu)造，只要它們不背離本發(fā)明的思想和范圍。
本發(fā)明提供了一種新的改進(jìn)的自行車架系統(tǒng)，它可以輕松而高效率地制造。
本發(fā)明提供了一種新的改進(jìn)的自行車架系統(tǒng)，它具有耐用而且可靠的構(gòu)造。
本發(fā)明提供了一種新的改進(jìn)的自行車架系統(tǒng)，它的材料成本和勞動(dòng)成本都很低。
本發(fā)明還提供了一種自行車架系統(tǒng)，它可以在車架的各個(gè)位置處提供特別的剛度和彈性組合。
本發(fā)明提供了一種改進(jìn)的自行車架系統(tǒng)，它具有超強(qiáng)的強(qiáng)度和抗疲勞性。
本發(fā)明提供了一種改進(jìn)的自行車架系統(tǒng)，它具有改進(jìn)的氣動(dòng)性。
本發(fā)明提供了一種改進(jìn)的自行車架系統(tǒng)，它可以改進(jìn)車架的減震性能。
本發(fā)明提供了一種改進(jìn)的自行車架系統(tǒng)，它具有獨(dú)特的外觀和改進(jìn)的外觀性。
最后，本發(fā)明提供了一種新的改進(jìn)的自行車架系統(tǒng)，它用多管設(shè)計(jì)方案制成，在這里，沿著它們的大部分長(zhǎng)度被熔合在一起的管在所選擇的位置處相互分開，從而形成孔，充當(dāng)相對(duì)的雙拱，提供改進(jìn)剛度、彈性、強(qiáng)度和氣動(dòng)性的調(diào)節(jié)手段。


為了更好地理解發(fā)明，應(yīng)該參照附圖和說(shuō)明性材料，這展示發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式構(gòu)造的自行車的側(cè)視圖；圖2是另一種自行車架的前視圖；圖3是自行車的另一個(gè)實(shí)施方式的側(cè)視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式構(gòu)造的后座的前視圖；圖5是圖1中的上管的一部分的等軸剖視圖；圖6是下管的一部分的等軸剖視圖；圖7是下管的另一個(gè)實(shí)施方式的一部分的等軸剖視圖；圖8是沿圖1中的線8-8得到的上管的橫截面圖；圖9是沿圖1中的線9-9得到的上管的橫截面圖；圖10是沿圖4中的線10-10得到的下管的橫截面圖；圖11是沿圖4中的線11-11得到的下管的橫截面圖；圖12是沿圖4中的線12-12得到的下管的橫截面圖；圖13展示了如何將多個(gè)孔口定向在四管車架構(gòu)造上的一個(gè)例子；圖14是沿圖13中的線14-14得到的橫截面圖；圖15展示了孔口的各種形狀；圖16是沿圖1中的箭頭16-16的方向得到的上管的一部分的縱截面圖；圖17-18是透視圖，展示了形成兩種不同材料的車架元件的流程。
具體實(shí)施例方式
在所有的附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的部件。
圖1展示了自行車，其總的由附圖標(biāo)記10表示。自行車10包括車架12，后者由上管14、下管16、座管18、后叉20和鏈拉條22組成。
自行車架還包括前叉24、車把26和座位支柱28。
圖1展示了一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，其中每個(gè)管狀部件上都有若干與行駛方向成90度角的開口或“孔口”30，車把26例外，車把上的孔口與行駛方向取向一致，但在圖1中看不到。然而，另一種車把設(shè)計(jì)方案，例如公路自行車所用的彎把，就受益于如此定向的孔口。
如下所述，每個(gè)管狀部件都由兩根或多根管形成，這些管被一體澆鑄，從而形成一個(gè)共用的管壁(在多于兩根管的情況下，形成多個(gè)共用的管壁)。然而，在選擇的位置處，各管的襯面在澆鑄過程保持分開，從而形成若干開口。在各開口的另一側(cè)上，各管被接合在一起。如此形成的開口在這里被稱為“孔口”。
圖1展示了各孔口30，其定向主要出于被動(dòng)的懸掛目的，各孔口的軸線一般是水平的，與行進(jìn)方向成90度。如此定向的各孔口在每個(gè)管狀元件提供更大靈活性。這樣，前叉24具有孔口30，其定向主要出于被動(dòng)的懸掛目的，各孔口的軸線一般是水平的，與行進(jìn)方向成90度。各孔口30的尺寸和間隔可以根據(jù)叉桿的尺寸變化。
圖2展示了另一個(gè)實(shí)施方式，其中，孔口32的定向主要出于氣動(dòng)目的，各孔口的軸線一般是水平的，且平行于行進(jìn)方向。車把26、前叉24和下管16是自行車的結(jié)構(gòu)零件，具有最大的正面，由于孔口如此定向，因此會(huì)最大程度地降低氣動(dòng)阻力。通常叉桿24的寬度會(huì)因氣動(dòng)目的而被減小。關(guān)于具有孔口的雙管構(gòu)造，叉桿的寬度可以更大，但仍保持流線型，同時(shí)超過剛度和強(qiáng)度的需要。
在圖4中，具有座位支柱28的座位支柱組件的孔口的定向是出于氣動(dòng)目的。具有孔口的雙管設(shè)計(jì)方案還可以提供一些被動(dòng)的懸掛，由于座位支柱因孔口可以稍微靈活些。另外，內(nèi)壁有助于抵抗將座位支柱緊固到自行車架上的夾應(yīng)力。這是多管構(gòu)造會(huì)更好地抵抗環(huán)境應(yīng)力的絕佳應(yīng)用，例如用4根管，從而形成4個(gè)內(nèi)壁(見下面將要描述的圖10-12)。在圖2中，車把26的孔口32的定向是出于氣動(dòng)目的。這是用在自行車上的許多不同類型的車把的唯一的一個(gè)例子。這個(gè)特殊的例子是通用的車把，但有許多不同的設(shè)計(jì)方案和形狀，所有的設(shè)計(jì)方案和形狀都得益于具有孔口的雙管或其他的多管車架元件。
圖3是自行車10的側(cè)視圖，它既有定向與行駛方向水平且垂直的孔口30，也有定向與行駛方向平行的孔口32。
圖5是隔出一個(gè)孔口的上管14的等軸視圖，該圖展示了兩根內(nèi)管36和內(nèi)壁38。還展示了孔口40和圓柱壁42。在這個(gè)特別的實(shí)施例中，孔口的軸線與管的軸線成90度。
圖6是隔出一個(gè)孔口的下管16的等軸視圖。在這個(gè)實(shí)施例中，孔口44的軸線與下管成銳角，因此平行于行駛方向。這造成內(nèi)壁46延長(zhǎng)。
圖7是圖3中的下管40的剖面部分的等軸視圖。在這個(gè)實(shí)施例中，該結(jié)構(gòu)由4根管形成。正如下面結(jié)合圖10-12所述，通過使兩根管與其他兩根管隔開可以形成若干孔口。圖7的實(shí)施方式包括與自行車軸線垂直定向的孔口30和沿著自行車軸線定向的孔口32。
參照?qǐng)D8，沿圖1中的上管14的線8-8得到的該橫截面圖顯示內(nèi)壁的優(yōu)選位置在管狀部件的中軸線附近。兩根內(nèi)管36的尺寸應(yīng)該近似相等，并且在澆鑄時(shí)，形成“D”型。兩根內(nèi)管36在特定的位置相互分開，從而形成如圖9所示的孔口30。建議在該孔口內(nèi)引入一條半徑(即圓緣39)，以便減小應(yīng)力集中，并方便澆鑄過程。
圖10是圖3中的下管40的橫截面圖。在這個(gè)實(shí)施例中，用4根管42、43、44、45來(lái)制造管狀部件，并形成“X”形的內(nèi)壁46。
圖11是圖3中的下管40在孔口32的區(qū)域內(nèi)的橫截面圖，其中孔口32的定向平行于行駛方向。在這個(gè)實(shí)施例中，內(nèi)管42和45保持在一起，而內(nèi)管43和44保持在一起。
圖12是圖3中的下管40在孔口30的區(qū)域內(nèi)的橫截面圖，其中孔口30的定向垂直于行駛方向。在這個(gè)實(shí)施例中，內(nèi)管42和43保持在一起，而內(nèi)管44和45保持在一起。
圖13是四管結(jié)構(gòu)52的等軸視圖，所有管的孔口位于相同的位置。在這個(gè)實(shí)施例中，內(nèi)管47、48、49和50都在同一位置分開，從而在它們之間形成四個(gè)孔口51。
圖14是沿線L-L得到的圖23中的管結(jié)構(gòu)52的橫截面圖。這里可以看出所有的內(nèi)管都是分開的，因此形成一個(gè)在四面都敞開的敞開式孔口52。
在多管設(shè)計(jì)方案中，根據(jù)所用的內(nèi)管的數(shù)目以及為形成這些孔口有多少內(nèi)管是分開的，可以有任意數(shù)目的孔口。
圖15展示了各種孔口形狀的一些實(shí)施例。根據(jù)特定位置處的結(jié)構(gòu)所需的性能，可以使用更有裝飾性的孔口形狀。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式使用多根復(fù)合連管，這些管分開，從而在自行車架、車叉、車把和/或座撐上的各個(gè)位置處形成相對(duì)雙拱形式的孔。設(shè)計(jì)和構(gòu)造的基本思想可以應(yīng)用于上述的每一個(gè)部件，因?yàn)楸M管每個(gè)部件存在特殊性，但它提供相同的優(yōu)點(diǎn)，下面再分開詳細(xì)討論各部件。為便于討論，上述的所有部件(車架、車叉、車把、座撐)都將被稱為“管狀部件”，除非具體提及它們的名稱。
中空單管部件一直是設(shè)計(jì)和制造復(fù)合自行車架的傳統(tǒng)方法。這是因?yàn)檐嚰芰慵瓉?lái)是用中空的金屬單管生產(chǎn)的，因此自然就用中空的復(fù)合單管來(lái)代替這些金屬管。
從效率的觀點(diǎn)來(lái)看，也很清楚，中空單管的抗彎性能和抗扭曲性能最好，由于材料被移離管的中軸線，從而使慣性最大。傳統(tǒng)的自行車結(jié)構(gòu)一直是這樣。
當(dāng)中空單管的壁足夠厚時(shí)，例如，當(dāng)重量不關(guān)鍵時(shí)，該設(shè)計(jì)方案完全可以提供合適的精度和強(qiáng)度。然而，如上所述，當(dāng)相對(duì)管的直徑壁厚變薄時(shí)，管狀部件在壓應(yīng)力下易于發(fā)生壁面彎曲，而自行車架中總是存在壓應(yīng)力。
根據(jù)本發(fā)明，形成自行車架的常規(guī)的中空單管用中間具有內(nèi)壁且由內(nèi)壁結(jié)合在一起的多根管代替。內(nèi)壁可抵抗負(fù)載狀態(tài)下橫截面的變形，從而可抵抗壓應(yīng)力下的彎曲。
如圖16所示，若干管子，例如，形成上管14的管子14a、14b，沿它們的大部分長(zhǎng)度熔合在一起，從而形成公共壁50。在所選擇的位置，例如，在將要形成孔口30的位置處，管子14a、14b的襯面15a、15b在澆鑄的過程中是分開的，從而形成相對(duì)的雙拱形的孔30，這些孔起幾何加強(qiáng)的作用，從而抵抗變形和縱向彎曲故障。
除了改變各車架元件自身的尺寸和形狀外，通過改變各種車架元件上的孔的尺寸、數(shù)目、定向和間隔，本發(fā)明允許車架在剛度和彈性方面定制調(diào)整。
復(fù)合材料的澆鑄工藝便于在一個(gè)結(jié)構(gòu)中使用多根管子。生產(chǎn)復(fù)合管的最常用的方法是用稱為“預(yù)浸漬材料”的薄板形原材料開始，預(yù)浸漬材料是浸漬有環(huán)氧樹脂之類的熱固性樹脂的加強(qiáng)纖維。該樹脂是處于“縮合狀態(tài)(B-stage)”的液體形式，它易于用加熱和加壓來(lái)熟化。纖維可以像織物一樣編織，或者是單向的，并且是高性能加強(qiáng)纖維的變體，例如碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維等。預(yù)浸漬材料通常到達(dá)一個(gè)連輥，或者可以被鼓形纏繞，從而生成長(zhǎng)度較短的薄板段。預(yù)浸漬材料被以各種角度切割，從而實(shí)現(xiàn)正確的纖維定向，并且這些條帶通常被疊在一起，并且被定位在疊層位置(lay-up)處，該疊層允許它們被卷成管子。一個(gè)聚合物囊被插到預(yù)浸漬材料管中，并被用于產(chǎn)生內(nèi)壓，從而一加熱即使各疊層固化。由預(yù)浸漬材料管和聚合物囊組成的預(yù)澆鑄組件被定位在一個(gè)模腔內(nèi)，并且一個(gè)充氣裝置被連到囊上。模具在熱壓下被壓合，且空氣壓力被施加到囊內(nèi)。隨著模具內(nèi)溫度的升高，環(huán)氧樹脂的黏度隨囊的膨脹而下降，從而迫使過量的樹脂流出，形成固化的部件。
為了用多根預(yù)浸漬材料管生產(chǎn)一個(gè)管狀部件，需要更多的勞力，并且每根管需要一個(gè)空氣壓力裝置。例如，當(dāng)用兩根預(yù)浸漬材料管澆鑄相同的管狀部件時(shí)，每根管的尺寸應(yīng)該約為單管尺寸的一半，并且每根管應(yīng)該有自己的內(nèi)囊、空氣裝置和空氣壓力。除了兩根管被封裝到模具內(nèi)，且連上兩臺(tái)空氣裝置之外，封裝(packing)模具的過程非常相似。應(yīng)該注意每根管的位置，以便形成在管子之間的內(nèi)壁被適當(dāng)?shù)囟ㄏ?。每根管子的空氣壓力?yīng)該被同時(shí)施加，以保持每根管子的尺寸和位置，和兩者之間的形成。在環(huán)氧樹脂流動(dòng)和管子膨脹時(shí)，它們會(huì)相互擠壓，從而形成會(huì)良好固化的內(nèi)壁。由于有此加強(qiáng)內(nèi)壁，因此所得到的部件極其堅(jiān)固。
所澆鑄的管狀部件的內(nèi)壁大大改善了管狀部件的結(jié)構(gòu)性能。在有抗彎應(yīng)力或抗扭曲應(yīng)力的過程中，管狀部件的形狀被保持得更好，從而消除了橫截面的變形。為了了解薄壁與輕質(zhì)復(fù)合自行車架在一起的情況，用手?jǐn)D壓車架通常能讓一些輕質(zhì)復(fù)合自行車架的管子變形。有了內(nèi)壁，管狀部件的完整性得以保持，因?yàn)楫?dāng)管子受到彎曲和扭曲時(shí)，發(fā)生的變形最小，結(jié)果形成剛度更高且更堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)。
該壁的定向可以如此確定，以利用它所提供的各向異性。如果需要更好的彎曲柔韌性，該壁可以沿著彎曲中軸線定位。如果需要更高的剛度，那么該壁可以像“工”字梁一樣定位成與該中軸線成90度，從而大幅度提高彎曲剛度。
用多根管子澆鑄管狀部件允許有更多的設(shè)計(jì)方案。為了在管子之間澆鑄大的卵形開口，在所選擇的沿著管子的軸線位置處使管子分開，允許管子的特性根據(jù)需要變化。
利用特殊的澆鑄工藝在管狀部件上形成孔。如上所述，預(yù)浸漬材料管被封裝到模腔內(nèi)，并且像生產(chǎn)多管部件一樣被定位。若干銷被插到管子之間，這在加壓過程中會(huì)形成孔。這些銷被緊固到模具部分上，并且被輕松除去。空氣裝置被連到每根預(yù)浸漬材料管上，并且模具被合上，并被放在熱壓機(jī)中?？諝鈮毫Ρ皇┘拥礁鞴茏觾?nèi)，并且它們膨脹，并且直到膨脹結(jié)束，形成在銷的周圍，且環(huán)氧樹脂發(fā)生交聯(lián)并熟化。然后模具被打開，銷被除去，然后從模具中取出該部件。
在所選擇的位置處澆鑄孔或孔口導(dǎo)致形成相對(duì)的雙拱結(jié)構(gòu)。對(duì)該結(jié)構(gòu)有貢獻(xiàn)的是各孔口的“雙拱效應(yīng)”，這些孔口是卵形的，從而形成相對(duì)的兩個(gè)拱，這允許管狀部件撓曲(deflect)，同時(shí)保持管子的橫截面形狀不變，因?yàn)樵摽卓谔峁┝巳S的壁結(jié)構(gòu)。例如，具有孔口的雙管結(jié)構(gòu)具有結(jié)合在一起的外壁和孔壁，其中，外壁是連續(xù)的，并且形成該結(jié)構(gòu)的主體，而孔壁與外壁定向成一定的角度，這為管狀結(jié)構(gòu)提供了類似加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的支柱。各孔口的圓柱形壁可防止管的橫截面被壓扁，這大大提高了該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。
具有孔口的雙管結(jié)構(gòu)的剛度和彈性可以調(diào)節(jié)至大于或小于標(biāo)準(zhǔn)的中空單管。這是因?yàn)楣茏又g的內(nèi)壁的定向以及各孔口的尺寸、形狀、角度和位置可以選擇。根據(jù)需要，各孔口可以是剛性的或彈性的，從而允許更大的撓曲和恢復(fù)，或者可以用不同的材料或者不同纖維角度的疊層來(lái)設(shè)計(jì)，從而得到該結(jié)構(gòu)的所需性能。
該結(jié)構(gòu)可以用多于兩根的管子進(jìn)一步改進(jìn)。例如，使用三根管子允許各個(gè)孔發(fā)生120度的偏移，從而沿著這些方向提供特殊的剛度適應(yīng)性。使用四根管子可以以彼此成90度的角度配置各個(gè)孔，并有選擇地沿該管狀部件的長(zhǎng)度定位各個(gè)孔，從而實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的性能和美感。另一種選擇是將多個(gè)孔口定位在相同的位置，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)敞開式構(gòu)架設(shè)計(jì)方案。
另一種選擇是將一根復(fù)合單管與一個(gè)多管復(fù)合設(shè)計(jì)方案結(jié)合起來(lái)。在這個(gè)實(shí)施例中，復(fù)合單管可以是管狀部件的一部分，并且可以與多根預(yù)浸漬材料管一起澆鑄，從而生產(chǎn)另一種成本較低的100％的碳復(fù)合結(jié)構(gòu)。特別的是，一根或多根額外的長(zhǎng)度較短的管子被連到主單管的局部區(qū)域上，并在兩者之間形成孔口。這樣，額外的管子只需要足夠在它和主管之間形成孔口的長(zhǎng)度即可。
另一種選擇是將復(fù)合部分與金屬部分結(jié)合起來(lái)。在這個(gè)實(shí)施例中，金屬管可以是管狀部件的一部分，并且與多根預(yù)浸漬材料管熔在一起或者一起澆鑄，從而生產(chǎn)出另一種成本較低的100％的碳復(fù)合結(jié)構(gòu)。這可以生產(chǎn)出不太昂貴的結(jié)構(gòu)，但它仍可以實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品的性能和美學(xué)需求。
參照?qǐng)D17-18，為了制造該構(gòu)造，一對(duì)預(yù)浸漬材料管60a、60b的前端62被插到金屬管66的一端65內(nèi)，每根預(yù)浸漬材料管都有一個(gè)可以膨脹的囊64。該單元被放在與金屬管66的形狀相同的模具內(nèi)，至少在預(yù)浸漬材料管60a、60b和金屬管66的接合處70。一個(gè)銷或模具元件(未示)被放在預(yù)浸漬材料管60a、60b之間，孔口30即將在這里形成。模具然后被合上并被加熱，同時(shí)囊64膨脹，因此預(yù)浸漬材料管呈現(xiàn)出模具的形狀，而模具元件使襯壁71a、71b保持分離，從而形成孔口30。如圖所示，管60a、60b會(huì)在接縫72處形成一個(gè)公共壁。在預(yù)浸漬材料管熟化之后，車架元件74被從模具中取出，并且模具元件或銷被除去，留下孔口30。在這個(gè)實(shí)施方式中，車架元件74的石墨部分60a、60b和金屬管部分66之間的接縫70應(yīng)該平齊。
再一種選擇是用100％的金屬材料構(gòu)造相對(duì)的雙拱結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)該結(jié)構(gòu)的優(yōu)選方法是用具有“D”形橫截面的金屬管開始的。然后，該管可以沿著它的一部分長(zhǎng)度形成一個(gè)半拱彎曲?？梢詫?duì)另一根金屬管進(jìn)行相似的操作。然后將D形橫截面的平面?zhèn)裙潭ㄔ谝黄?，從而可以將這兩根金屬管連在一起，因此這兩半個(gè)金屬拱彼此相對(duì)。這兩根管子可以焊接或結(jié)合在一起，結(jié)果形成具有加強(qiáng)內(nèi)壁和相對(duì)的雙拱形孔的結(jié)構(gòu)。
用金屬生產(chǎn)多管結(jié)構(gòu)的另一種方法是用鋁、鈦、鋼或鎂之類的金屬管開始，讓管的局部區(qū)域變形，從而在管的相對(duì)的表面上形成微凹(dimples)或孔洞(craters)。這些微凹的中心可以被除去，從而留下穿過管子的圓孔。然后，一個(gè)管段可以穿過這些圓孔，并且用焊接工藝將其固定到主管的這一微凹區(qū)域的邊緣上，從而形成三維結(jié)構(gòu)。結(jié)果得到如下結(jié)構(gòu)，即主管是中空單管，而其他中空單管被橫向連接到主管的內(nèi)部。
由這些孔口提供的氣動(dòng)性能好處取決于孔口相對(duì)管狀部件的尺寸。與受到氣動(dòng)力的梁或管的正面相比，例如下管、車叉或車把，正面減小可達(dá)25％。對(duì)自行車結(jié)構(gòu)而言，這是巨大的成績(jī)，尤其是考慮到剛度和強(qiáng)度沒有損失，事實(shí)上還有提高。具有孔口的雙管構(gòu)造還可以讓騎車者更舒適。如上所述，管狀部件的剛度可以優(yōu)化，從而在需要時(shí)提供更大的靈活性。例如在自行車架上，上管可以具有與行駛方向成90度定向的孔口，從而提供更靈活的管子，以增加騎車者的舒適性。下管、座位支柱、鏈拉條或座撐同樣可以這么做。當(dāng)今所用的所有懸掛技術(shù)都已證明，前叉是決定騎車者舒適性的關(guān)鍵部件?？卓谂c行駛方向成90度定向的前叉具有更大的靈活性，因此使騎車者更舒適。
與之相似，車把也可以這么做。
采用沿水平軸線定向的孔口，從而改進(jìn)垂直位移，以吸收震動(dòng)和振動(dòng)，座位支柱和座管之類的垂直管狀部件也可以為騎車者提供更大的舒適性。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于減震性能。振動(dòng)被相對(duì)的雙拱構(gòu)造更有效地減輕。這是因?yàn)楣暗倪\(yùn)動(dòng)和位移吸收了減輕振動(dòng)的能量。當(dāng)管狀部件撓曲時(shí)，孔口的形狀可以變化，從而允許管口兩側(cè)的管部分之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這一運(yùn)動(dòng)吸收了減輕振動(dòng)的能量。
最后，根據(jù)本發(fā)明制造的自行車結(jié)構(gòu)具有非常卓越的外觀。各孔口非常醒目，并且給予管狀部件非常輕的重量和流線型外觀，這在自行車交易時(shí)非常重要。各孔口也可以漆上不同的顏色，或者進(jìn)一步增強(qiáng)該技術(shù)的外觀特征。
當(dāng)考慮相對(duì)的雙拱結(jié)構(gòu)時(shí)，有無(wú)數(shù)的選項(xiàng)組合。各孔口的形狀、尺寸、位置、定向和數(shù)量都可以改變。各孔口可以用于增強(qiáng)剛度、彈性、強(qiáng)度、氣動(dòng)性、舒適性和美感。例如，在低應(yīng)力區(qū)域，孔口的尺寸可以非常大，以便使氣動(dòng)性和外觀最大。如果需要更大的撓曲或彈性，孔的形狀可以非常長(zhǎng)而窄，從而允許更靈活。各孔口也可以用設(shè)計(jì)者的形狀，以給予產(chǎn)品更強(qiáng)的吸引力。
如果希望振動(dòng)衰減得更多，那么各孔口可以以特定的角度定向和成形，并且用芳綸或液晶聚合物之類的纖維來(lái)構(gòu)造。當(dāng)孔口因車架撓曲而變形時(shí)，可以用這些粘彈性材料來(lái)控制它的形狀復(fù)原，這會(huì)增加減震性能。增加減震性能的另一種方法是在孔口內(nèi)插入彈性材料。
根據(jù)本發(fā)明的自行車架結(jié)構(gòu)可以用許多方法制成。一種選擇是分開制造各管狀部件，然后將各管狀的結(jié)構(gòu)部件結(jié)合到接頭上。可以用外接頭來(lái)這么做，或者生產(chǎn)無(wú)縫的完整部件?？梢杂猛饨宇^來(lái)這么做，且管狀部件被插到接頭內(nèi)，或者用被插到管狀部件內(nèi)部的內(nèi)接頭來(lái)生產(chǎn)無(wú)縫的完整部件。另一個(gè)選擇是用一步工藝來(lái)澆鑄整個(gè)車架結(jié)構(gòu)，從而生產(chǎn)出單殼式圖案。
前叉可以用與所述的相對(duì)的雙拱車架相似的方式來(lái)生產(chǎn)。各孔口的尺寸可以根據(jù)叉腿的尺寸而改變。另外，各孔口之間的定向和間隔可以根據(jù)所需的性能而改變。
車把也可以用與車架相似的方式來(lái)生產(chǎn)。各孔口的尺寸可以根據(jù)車把的尺寸而改變。另外，各孔口的定向也可以根據(jù)所需的性能而改變。在某些情況下，可以優(yōu)選增加各孔口的縱橫比，從而形成長(zhǎng)卵形，以使氣動(dòng)性能方面的優(yōu)勢(shì)最大化。
最后，座位支柱也可以用與車架相似的方式來(lái)生產(chǎn)。各孔口的尺寸、間隔和定向可以根據(jù)支柱的尺寸而改變。
關(guān)于上述說(shuō)明書，不難認(rèn)識(shí)到發(fā)明的各部件的最佳尺寸關(guān)系，包括尺寸、材料、形狀、形式、功能和操作方式、組裝和使用的改變，對(duì)本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見的，并且與附圖中所展示的和申請(qǐng)文件中所說(shuō)明的關(guān)系等價(jià)的所有關(guān)系都將被包括在本發(fā)明內(nèi)。
因此，認(rèn)為上述內(nèi)容僅僅是對(duì)發(fā)明思想的解釋。此外，由于對(duì)本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員來(lái)說(shuō)易于作出各種改進(jìn)和改變，因此不需要將發(fā)明限制到所示和所述的確切的構(gòu)造和操作，相應(yīng)地，可以尋求落在發(fā)明的范圍內(nèi)的所有合適的改進(jìn)和等價(jià)物。
權(quán)利要求
1.一種自行車架(12)，包括許多管狀元件(14，16，18，20，22，24，26，28)，其特征在于至少一個(gè)所述的管狀元件由至少兩根具有襯面的管子形成，所述管子由復(fù)合材料形成，其中所述的襯面至少沿著它們的大部分長(zhǎng)度被相互結(jié)合到一起，從而形成加強(qiáng)內(nèi)壁。
2.如權(quán)利要求1所述的自行車架(12)，其特征在于所述的至少一個(gè)的管狀元件由雙管構(gòu)造形成。
3.如權(quán)利要求1所述的自行車架(12)，其特征在于所述襯面在所選擇的位置處被相互分開，從而形成孔口(30)。
4.如權(quán)利要求2所述的自行車架(12)，其特征在于所述襯面在所選擇的位置處被相互分開，從而形成具有相對(duì)的雙拱結(jié)構(gòu)的孔口(30)。
5.一種自行車架(12)，包括上管(14)、下管(16)、座管(18)、后叉(20)、鏈拉條(22)、前叉(24)、座位支柱(28)和車把(26)，其特征在于至少一部分車架(12)包括至少兩根具有襯面的管子，其中所述的襯面至少沿著它們的大部分長(zhǎng)度被相互結(jié)合到一起，從而形成加強(qiáng)內(nèi)壁。
6.如權(quán)利要求5所述的自行車架(12)，其特征在于所述部分包括至少一個(gè)由所述襯面形成的孔口(30)。
7.如權(quán)利要求5所述的自行車架(12)，其特征在于所述部分包括所述前叉(24)的一條腿。
8.如權(quán)利要求7所述的自行車架(12)，其特征在于所述的前叉腿包括至少一個(gè)由所述管子的襯面形成的孔口(30)。
9.如權(quán)利要求5所述的自行車架，其特征在于所述部分包括所述車把(26)。
10.如權(quán)利要求9所述的自行車架(12)，其特征在于所述車把(26)包括至少一個(gè)由所述管子的襯面形成的孔口(30)。
11.如權(quán)利要求5所述的自行車架(12)，其特征在于所述部分包括所述座位支柱(28)。
12.如權(quán)利要求11所述的自行車架(12)，其特征在于所述座位支柱(28)包括至少一個(gè)由所述管子的襯面形成的孔口(30)。
13.如權(quán)利要求5所述的自行車架(12)，其特征在于所述部分包括所述后叉(20)。
14.如權(quán)利要求13所述的自行車架(12)，其特征在于所述后叉(20)包括至少一個(gè)由所述管子的襯面形成的孔口(30)，所述管子上有至少一個(gè)孔。
15.如權(quán)利要求5所述的自行車架(12)，其特征在于所述部分包括所述鏈拉條(22)。
16.如權(quán)利要求15所述的自行車架(12)，其特征在于所述鏈拉條(22)包括至少一個(gè)由所述管子的襯面形成的孔口(30)。
17.如權(quán)利要求1所述的自行車架(12)，其特征在于具有所述部分的管狀元件的一部分長(zhǎng)度包括金屬管。
18.如權(quán)利要求1所述的自行車架(12)，其特征在于所述襯面在所選擇的位置處被相互分開，從而形成孔口(30)，其中所述孔口(30)相對(duì)管狀元件的中軸線以至少一個(gè)所選擇的角度定向。
19.如權(quán)利要求18所述的自行車架(12)，其特征在于所述孔口(30)的尺寸改變。
20.如權(quán)利要求1所述的自行車架(12)，其特征在于孔口(30)具有貫穿的軸線，并且所述孔口的軸線由至少兩個(gè)距離相互分開。
21.如權(quán)利要求1所述的自行車架(12)，其特征在于所述一根或多根管子被加到單管結(jié)構(gòu)的局部區(qū)域。
22.一種自行車架(12)元件，其特征在于它是金屬，并且用多管構(gòu)造制成，在此多管構(gòu)造中，各管子具有襯面，這些襯面沿著至少它們的大部分長(zhǎng)度被彼此結(jié)合在一起。
23.如權(quán)利要求22所述的自行車架，其特征在于所述襯面在所選擇的位置處被相互分開，從而形成孔口(30)。
24.如權(quán)利要求3所述的自行車架(12)，其特征在于所述孔口(30)具有貫穿的軸線，并且至少兩個(gè)所述的孔口(30)具有不同的水平軸線定向。
25.如權(quán)利要求1所述的自行車架(12)，其特征在于至少一個(gè)車架元件包括被接合到一個(gè)多管元件上的一個(gè)金屬單管，其中所述多管元件包含一個(gè)孔口(30)。
全文摘要
本發(fā)明介紹了自行車架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，即將多根復(fù)合管彼此結(jié)合在一起，其中在兩根管子之間澆鑄出若干孔或者"孔口"，從而改善自行車架元件的剛度、強(qiáng)度、氣動(dòng)性能和舒適性。
文檔編號(hào)B62J1/08GK1978274SQ20061016417
公開日2007年6月13日 申請(qǐng)日期2006年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月9日
發(fā)明者斯蒂芬·J·戴維斯, 羅伯托·加扎拉 申請(qǐng)人:王子運(yùn)動(dòng)集團(tuán)公司