本发明涉及一种自行车架,特别是一种聚合物复合材料的自行车架及其制造方法。 通常,一个自行车架是用钎焊,电焊或铆接将连接件固定在管子上而制成,此连接过程通常是高温工艺过程。在此高温装配工艺过程中,常会产生应力集中和不希望有的变形。这种情况影响了自行车架的质量。此质量问题只能靠有经验的工人来解决。因此,要求有一种不如此费时间和依靠经验操作的新工艺来克服这个问题。
为克服这个问题,提出了一系列制造自行车架的工艺。在这些工艺中,美国专利4986949,4982975,4941674,4889355,4850607,4513986和美国专利申请7923203都公开了一种热固性塑料材料制成的单片的自行车架,同时也已公开了一种由热固性塑料、予浸过的碳纤维管或碳纤维增强的金属管制成的自行车架。这些管子用金属套管连接在一起,金属套管与管子则以粘结剂相粘合。这种形式的自行车架已由美国专利4437679,4657795,和4047731所公开。此外,美国专利4900050,4900048和4493749公开的是用半固化的带子缠绕在碳纤维管和在其上的套管之外,然后加温使半固化的带子固化而形成自行车架的连接。
在美国专利4548422和4230332中,公开了一种由夹心结构制成的自行车架。夹心结构是在两块平行的板之间的空隙填入发泡材料而形成。美国专利4856800则公开了一种以薄的金属管做成的套管把玻璃纤维增强的塑料管相互连接而制成的自行车架。一模制复合物薄片用来把套管与玻璃纤维增强塑料管之间的连接部分完全地复盖起来而提供一个坚强的结构。
美国专利3833242公开了一种具有结构式发泡内部地单片塑料模制自行车架。这种自行车架没有管子之间的连接件。美国专利4541649公开了一种自行车架,其中第一管件具有一个喇叭形口的端部,该端部与第二管件的外表面相接,并用一个注射塑模成型的塑料壳完全包住该连接部分。
虽然这些已有技术的方法在一定程度上能够克服前述的问题,但仍然需要很长的生产周期。例如,把纤维管粘接在金属套管上所要求的时间通常是十分长的,而且用来把管子和套管粘起来的粘接剂有时会漏出来,还要用许多时间去清理。此外,这些方法在制造过程中往往需要特殊的夹具。因此,这些已有技术的方法仍然是费时和费工的。
本发明的主要目的是提供一种自行车架及其制造方法,该自行车架及其制造方法克服了已有技术中产生的质量、费时和费工的问题。
本发明的另一目的是提供一种自行车架的制造方法,该方法能克服粘接剂漏出和污斑问题,因此不需要特殊的工艺和时间使粘接剂固化。
本发明进一步的目的是提供一种自行车架的制造方法,该方法在制造过程中不需要特殊目的的夹具。
按照本发明的一种方案,自行车架所用的连接件由高强度复合材料制成。第一步,用注射塑模成型工艺将复合材料制成一个三支管的转向连接件、一个四支管的座子连接件和一个五支管的架底连接件。然后,这些连接件用来连接管子而形成一个自行车架。连接件以任何已知的方法固定在管子上如紧配合、粘接、螺纹连接或铆接;然后,第二步,用注射塑模成型的外壳将连接件完全包住以消除尖角及避免应力集中,同时也使其外观美化。
制造连接件的适当的复合材料包括(不仅只限于此):高刚度和高冲击强度的工程塑料,这些工程塑料由下列材料制成、如聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲醛(POM)、聚亚苯基硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚醚酮醚(PEEK)、聚苯醚(PPO)、聚砜(PSU)、聚醚砜(PES)及类似的用无机纤维,如玻璃纤维、硼纤维和须晶,或有机纤维,如碳或石墨纤维及聚芳基酰胺纤维和合成纤维增强的材料,纤维的长度较好是长于3mm,最好是在约6mm至约8mm之间,这种复合材料还可包括液晶聚合物(LCP),如维克特拉(Vectra)、依克尔(econol)、罗德伦(rodran)、纳瓦克锐特(novacauate)、爱克斯德(xydar)、维克特奈克斯(victrex)以及类似的例如由液晶聚合物(LCP)和聚酰胺(PA)制成的聚酯或高聚物混体或聚合物合金,以便具有自增强和低比重的性能。因此,这种复合材料既具有高的刚度和轻的重量,并且在尺寸上基本不会变形。
按照本发明的另外的方案,三支管转向连接件,四支管座子连接件和五支管架底连接件也作为向内防漏设备使用,它防止为了形成包住连接件的壳体的在第二次注射塑模时所用的熔化塑料流入连接件之间的管状转向套管中。
按照本发明,每一个三支管转向连接件,四支管座子连接件和五支管架底连接件具有管形延伸部以便连接管件。连接可以是在管件和连接件的管形延伸部之间采用紧配合,即将管形延伸部强有力的插入管件使它们互相靠摩擦力结合,也可以是在连接件的管形延伸部和管件之间涂上粘接剂以将它所粘合在一起,也可以是用铆钉,也可以是用这些办法的组合。然后进行第二次注射塑模成型以得到一个完全被壳体包住的连接件。按照本发明,第二次注射塑模成型在稍高于或等于用来制造连接件的注射塑模成型的温度下进行,以使连接件和壳体稍微地熔化在一起。这样做了以后,用来连接连接件的管形延伸部和管件的铆钉或粘接剂涂层被注射塑模成型的壳体完全盖住,因此使得自行车架具有美观和光滑的外表面。
按照本发明进一步的方案,制造用来把连接件连接在一起的管件的适合的材料包括(并不限于这些)金属材料,如铝合金,铬一钼钢,钛合金及类似材料,或纤维增强塑料复合材料,如玻璃纤维增强塑料,碳纤维增强材料及类似材料。
按照本发明的更进一步的方案,用来形成包住连接件(该连接件是由第一次注射塑模成型工艺制成的)的壳体的第二次注射塑模成型工艺所用的模具同时作为一个用于自行车架的校正设备,这样就不需要校正自行车架中心轴线的其它工序了。
本发明的特征是在制造自行车架时两次使用注射塑模成型工艺,以减少制造过程中能量、时间和劳动力的消耗和减少成本,而同时仍然能提供一种有足够刚性,不易变形并能直接制出颜色的车架。
本发明其它的目的和优点将由以下结合附图对最佳实施例的详述体现出来,附图为:
图1是按照本发明制造的自行车架侧面的正视图;
图2是图1中自行车架的转向连接部分的局部剖视图;
图3是用铆钉将转向连接件连接于管件上的局部剖视图;
图4是用键式保持块将转向连接件连接于管件上的局部剖视图;
图4A是图4中所示的键式保持块的结构剖视图,其中保持块由弹簧偏置;
图4B是与图4A类似的剖视图,但其中保持块未由弹簧偏置;
图5是用螺纹将转向连接件连接于管件上的局部剖视图;
图5C是图5中的零件之间的螺纹连接的详细剖视图;
图6是转向连接件以其管形延伸部的喇叭口端部连接于管件的局部剖视图;
图6D是图6中喇叭口端部连接的详细剖视图;
图7是图1中自行车架的座子连接件的局部剖视图;
图8是用铆钉将座子连接件连接于管件上的局部剖视图;
图9是在不同的连接点用不同的方法如一个喇叭口端连接,一个螺纹连接和一个键式连接将座子连接件连接于管件上的局部剖面图;
图10是图1中自行车架的架底连接件的局部剖视图;
图11是用铆钉将架底连接件连接于管件上的局部剖视图;
图12是在不同的连接点用不同的方法如一个喇叭口端连接,一个螺纹连接和一个键式连接将架底连接件连接于管件上的局部剖视图。
现参见附图特别是图1,图中示出了一个自行车架,图1所示的自行车架包括一个三支管转向连接件2,它具有两根管形延伸部和一个前部接管;一个四支管座子连接件11,它具有三根管形延伸部和一个管状的座子支撑管;和一个架底连接件17,它具有三根管形延伸部和一个脚蹬曲柄支撑管。一根顶部管件1连接在转向连接件2的一个管形延伸部和座子连接件11的一个管形延伸部之间;一根下部管件15连接在转向连接件的一个管形延伸部和架底连接件17的一个管形延伸部之间;一根座子管件13连接于座子连接件11的一个管形延伸部和架底连接件17的一个管形延伸部之间,这样通常形成了一个三角形。一根座子支撑14之一端连接于座子连接件11的一个管形延伸部和一根链条支撑16之一端连接于架底连接件17的一根管形延伸部。座子支撑14和链条支撑16的另端则互相连接形成了自行车架的后叉。如上所述的自行车架的外形与已有技术的自行车架是相同的,在此无须进行描述。
按照本发明,上述所示实施例的连接件首先用注射塑模法成型工艺以高分子复合材料或液晶聚合物分别制造。管件1、13和15和链条支撑16和座子支撑14则用例如金属如铝合金、铬-钼钢和钛合金或纤维增强塑料复合材料如玻璃纤维增强塑料和碳纤维材料制造。由于座子支撑14和链条支撑16至少其一部分须是圆形的,故在下文中它们也被看作是管件。
制造连接件的复合材料的最适当的基体材料包括(但并不只限于此)高分子塑料。高分子橡胶、高分子合金、液晶聚合物或分子复合材料,如聚酰胺(PA)、聚碳酸脂(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲醛(POM)、聚亚苯基硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚对苯二甲酸丁二醇(PBT)、聚醚酮醚(PEEK)、聚苯醚(PPO)、聚砜(PSU)、聚醚砜(PES)、混合以用无机纤维制成的增强材料如玻璃纤维,硼纤维和须晶,或混合以用有机纤维制成的增强材料如碳或石墨纤维,聚芳基酰胺纤维和合成纤维,或者它们的组合。增强纤维的长度较好是长于3mm,最好是在约6mm至约8mm之间。增强材料的重量较好是在用来制造连接件的高分子复合材料的重量的30%~70%之间,最好是在30%~50%之间。
这些管件和连接件之间的连接可用任何已知的方法完成,例如,图3-6、8、9、11和12所示。在图3、8和11所示例子中,连接由铆钉5完成。在这些例子中,管件(包括座子支撑14和链条支撑16)的内径大于与之相配的连接件的管形延伸部的外径,以将管形延伸部容纳在管件中,然后通常是用沿着管件的半径方向的铆钉将它们固定在一起。
在图4中,管件和连接件(在此例中示出转向连接件2)是用键式件7(见图4A和4B)连接在一起的、键式件7被配置在在管件内表面上做出的凹槽和在连接件的管形延伸部的外表面上做出的凹槽中。键式件7可以是用弹簧顶住偏置(图4A)或不用弹簧顶住偏置(图4B)。在前一种情况,弹簧6置于管件(如顶部管件1)或连接件(如转向连接件2)的凹槽中而使键式件7部分地插入在相配合件上形成的凹槽中。
图5所示例子中,在连接件和管件之间的接触面做有螺纹8以使它们相互螺纹结合。熟悉本领域的技术人员都应知道一根管件的两端做出的螺纹的方向应是不同旋向的。图5C以放大图示出在一连接件和一管件之间的螺纹结合的详情。
在图6所示例子中,连接件(转向连接件)的每个管形延伸部具有一个有回弹力的喇叭口端部,该端部是由一在其端部,沿其长度方向的切口向外涨开而做成的,利用所说端部具有的回弹力将其紧紧固定在管件(顶部管件1和下部管件15)内。插入这种有喇叭口端部的管件的端部须具有一切槽部分以便于操作。
连接件和管件的接合面之间可有粘接涂层,以形成结合力把这些件连接在一起。粘结剂可单独使用或与前述的其它连接形式相结合使用。例如,粘结剂涂层9也用于图6所示的喇叭口端连接。由图6D可清楚的看到这种连接方式。
前述连接方法可单独的或相结合的用于管件和连接件之间的连接,如图6所示。一自行车架的连接可全部用这些方法中的一种来完成,但也可在一自行车架的不同连接处使用不同的连接方法,如图9和12所示。
图9和12分别示出座子连接件11和与之相连的管件之间的连接和架底连接件17和与之相连的管件之间的连接。在这些例子中,一喇叭口端连接,一键式连接和螺纹连接被分别用来连接管件1、13或14(图9)或者15、13或16(图12)至座子连接件11或架底连接件17。
虽然前面已经提到了几种管件和连接件之间形成连接的方法,但一些未在此提及的其他方法是同样可用的。
如前所述,连接件用第一注射塑模法成型工艺分别制造,然后用管件把它们连接在一起,这些管件是为制造自行车架准备好的。按照本发明,然后利用第二次注射塑模法成型工艺制成分别完全包住连接件的壳体。
在进行第二次注射塑模法成型工艺时,首先将连接件放入模具,然后各自用相似的高分子复合材料或液晶聚合物壳体覆盖,如壳体4覆盖转向连接件3,壳体12覆盖座子连接件11和壳体18复盖架底连接件17。注射按下列要求进行,即能使连接件完全被第二次注射的材料所覆盖并在第二次注射的材料(壳体)和管件之间形成一光滑的交界面,因而使自行车架具有一个连续、光滑和漂亮的外表面。第二次注射塑模法成型工艺的温度最好是在稍高于第一次注射塑模法成型工艺所用的温度下进行,以使第二次注射的材料与连接件相熔化而使它们更加牢固的粘结在一起。
用两个试验,以及两个对比试验来研究按照本发明制造的自行车架的优良特性。这些试验的条件及结果分别列于表1和表2,详述如下:
例1
由尼龙66制成并用长度最少要大于6mm的碳纤维增强的塑料微粒被用来制造连接件,碳纤维的含量是50%,这种复合物在此表示为尼龙66+50%碳纤,其工艺条件是:
原料干燥条件:在90℃两小时
原料容器温度:280、290和300℃
注嘴温度:310℃
模具温度:100℃
注射压力:40kg/cm2
连接件的管形延伸部的外表面涂有粘接层,以连接一直径为26.65mm的碳纤维增强环氧树脂管。然后进行第二次注射塑模法成型,所用注射材料与第一次相同。
例2
本试验与例1相类似,但用有30%碳纤维的液晶聚合物(以后表示为液晶聚合物+30%碳纤)代替尼龙66+50%碳纤,其工艺条件是:
原料干燥条件:在100℃两小时
原料容器温度:310,330和350℃
注嘴温度:350℃
模具温度:100℃
注射压力:500kg/cm2
对比例1
本试验与例1相类似,只是用纯尼龙66材料代替尼龙66+50%碳纤,其工艺条件是:
原料干燥条件:在80℃两小时
原料容器温度:270,270和280℃
注嘴温度:280℃
模具温度:60℃
注射压力:70kg/cm2
对比例2
本试验与对比例1相类似,但其中注射材料是用碳纤维增强的环氧树脂。
在下表中,表1是在前述试验中所用注射材料的性能和某些金属材料如铝、镁、黄铜的材料性能,表2列出的是按照这些实例制造的自行车架的某些机械性能。
上表中,S.G.比重
T.S.抗拉强度
W 指示重量
C.E.弹性系数
RG.刚度
T.S./W 抗拉强度与重量之比
RG./W 刚度与重量之比
表2:机械性能
由上表中得出结论:
(1)按例1和例2制成的连接件其强度非常接近于用金属制成的相似之物,而且具有较好的刚度一重量比,并比那些按对比例1和2制成的连接件更坚固。
(2)按例1和例2制成的连接件的抗弯强度比按两种对比例中任一种都好。例1和例2的制造周期均较对比例2短。因此,按照本发明制成的连接件具有价格低,耗能低,高的刚度一重量比的优异性能,并能以比已有技术更有效的方式大量生产。
显然,虽然本发明已经结合实施例在前文进行了描述,那些熟悉本领域的技术人员在不脱离本发明权利要求所限定的范围的情况下可以对实施例中的某些性能进行修改。