CN1380173A - 车架中接合处连接架部件用的连接件生产方法及其连接件 - Google Patents

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Abstract

一种用于在自行车架中的结合位置处连接支架部件的连接元件由结构纤维材料，特别是碳纤维材料的单个部件制造,在模中进行网状化而使缠绕有纤维织物材料的芯膨胀后就得到作用在纤维材料层上的均匀径向压力。在一个实施例中,连接元件限定了一个自行车底架及从其上延伸的管状延伸部以与自行车架的元件相连。

Description

车架中接合处连接架部件用 的连接件生产方法及其连接件
技术领域
本发明涉及一种用于生产连接元件的方法及其利用该方法所得到的一种连接元件，该连接元件用于在自行车支架中的结合位置处连接支架部件。本发明还特别涉及一种利用这种方法得到的自行车底架。
背景技术
本申请人已进行了不同的研究和试验来制造自行车部件，例如，利用结构纤维基质材料，特别是碳纤维材料来生产轮毂或用于包装自行车曲柄轴的底架。采用这类材料的优点是相对于过去所用的金属材料来说，同等结构特征下其重量较轻。但是，由于这种部件的结构复杂，迄今为止，利用单独部分的碳纤维材料基质来生产上述类型的部件被证明是很困难的。
发明内容
本发明的目的即为克服上述技术难题。
为达到该目的，本发明提供了一种在自行车架的结合位置处连接支架部件所用的连接元件的生产方法，
该方法的特征在于，它包括如下步骤：
布置一个可膨胀的芯；
在芯的周围施加多个配合在塑性材料基质中的结构纤维织物层以形成具有预定形状和厚度的叠层体；
将具有叠层体的芯布置在一个模的腔中；
将模(21)的温度增大至一个足可引起塑性材料基质网状化的温度值；
使芯膨胀而对模中的叠层体施加一个压力的作用；
从模中取出叠层体且从叠层体中除去芯，这样就可得到由结构纤维材料形成的单件中空体。
在权利要求2-31中对本发明方法的其他特征进行了限定。
在塑性材料基质中采用结构纤维织物已为公知并已应用了一段时间。它们是利用从结构纤维如碳纤维得到的丝制造的。然后，这些纤维经压制处理而成为塑性材料基质特别是热固性塑料材料。
在根据由权利要求9-19所限定的本发明方法的优选实施例中，这种类型的多个纤维层包敷在由金属体形成的芯上，所述金属体具有由可膨胀塑性材料制成的套壳，套壳的结构与所得到的中空体的结构相对应。在这种方式中，当模被加热而使包敷在芯上的叠层管状体的热固性基质网状化时，形成为套壳的材料就膨胀而对中空体的壁施加一个径向的力，这样有助于得到具有所需结构特征的产品。热膨胀套壳的主要优点是，尽管预形成体的结构可能较为复杂，但可均匀施加所述压力。
在本发明的优选实施例中，所述结构纤维为碳纤维而塑性材料基质为热固性塑性材料基质。为完成工艺过程而必须对模施加的温度优选在80℃-200℃的范围内。最好将模在该范围内的一个温度值上保持10分钟至3个小时，优选为30分钟至3个小时。
本发明还涉及一种利用本发明的方法所得到的连接元件，该连接元件在自行车架中的结合位置处连接支架部件。在优选的实施例中，利用本发明的方法得到一种自行车底架，该底架是用于包装车曲轴的自行车架的部件，所述底架具有整体形成的管状延伸部以连接汇聚在底架中的自行车架的下管和座管。
但是，本发明也可被用于得到一种可在自行车架的任何其他不同位置所用的连接元件，在所述的位置处，两个或多个支架部件相互汇聚在一起，如汇聚在支架端管与顶管和下管的交会处或汇聚在座管与顶管或自行车上后部叉元件的交会处。
根据本发明的另一方面，本发明还涉及一种用于在自行车架中的结合位置处连接支架部件的连接元件，其特征在于该连接元件由结构纤维材料优选碳纤维材料制造的单件构成，该连接元件将一个主管状部分和从主部分延伸出的一个或多个管状分支结合在一起，所述管状分支与自行车架的管状元件相连。
如上所述，本发明的连接元件在此处是以自行车底架的形式显示出的，但它也可被制成适用于自行车架其他结合位置的连接元件的形式。
当然，一旦完成本发明的方法，就可对这样所得到的基体进行另外的加工以得到适用的最终产品。
附图说明
参考作为本发明的非限制性例子的附图，通过下面的详细描述而可对本发明进行更好的解释，其中
图1所示为可利用本发明的方法制造的自行车底架的透视图，图中显示了底架在自行车架中处于其安装状态；
图2显示了为得到图1中的底架所用的模在闭合状态下的透视图；
图3所示为在根据本发明方法的最后阶段时图2中的模处于开启状态的透视图；
图4所示为在本发明方法实现时所得到的底架本身的透视图；
图5所示为在本发明的方法中应用的弹性材料套壳的透视图；
图6所示为在本发明的方法中应用的金属体的透视图；和
图7、8、9所示为沿图2中的VII-VII、VIII-VIII、IX-IX线所做的剖视图。
具体实施方式
附图中的图4显示了根据本发明自行车底架的透视图。在该图中，通常以参考符号1来指示底架。可利用本发明的方法得到的底架包括由结构纤维材料特别是碳纤维材料制造的单个整体式结构体，但结构纤维材料可从碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维或上述纤维的组合中选择。底架1包括一个主圆筒部分2和四个延伸部或管状分支3、4、5，主圆筒部分2用于接收自行车的曲轴，所述四个延伸部从主部分2沿径向延伸出来。如图1所示，图中显示了组装在自行车架上的部件1，辅助分支3、4、5与朝着底架汇聚的自行车架的其他管状元件相连(例如：粘结)，特别是与支架下管6、座管7和自行车的两个后叉分支8相连。
在优选实施例中，为利用根据本发明的方法得到基体1而布置与图6中的透视图所示的形状相应的金属体。通常以参考数字9指示的金属体9包括一个主圆筒形部分10和多个辅助分支11、12、13，主圆筒形部分10用于形成底架1的主部分2，辅助分支11、12、13也均为圆筒形，它们在径向上从主部分10处延伸。主部分2和/或一个或多个辅助分支11、12、13也可为椭圆形或其他形状。此外，辅助分支11、12、13也可在非径向上与主部分2相连。形成金属体9的不同元件通过螺栓14连接在一起(参见图7-9)且可相互分离。每个螺栓14均穿过金属体9的各个辅助分支11、12、13的一个轴向孔而配合在金属体主部分10中的一个截止螺纹孔16中。每个紧固螺栓14的端部17被容纳在金属体的各个辅助分支11、12或13的端表面中制作的腔18中。在这种方式中，每个螺栓端部17的上表面与各个芯分支的外表面19处于相同的水平上。每个端部17均具有六角形的凹槽以与工具相配合。由于以上布置，就如下文中另外所描述的那样而可较容易地组装和拆卸金属体9。
为达到制作基体1的目的，金属体9覆盖有一个弹性材料套壳20(参见图5)，弹性材料套壳20的形状与所要得到的产品的内表面的形状基本相一致，从而就可以非常少的干涉而将其配合到金属体的不同元件上，这样，形成所述套壳的材料的弹性回复可保证其与金属体9的连接。当然，由于金属体9可被分拆，遂有助于利用所述套壳对金属体进行覆盖，这是因为形成金属体9的每个元件均可单独地被置入所述套壳的各个腔中，然后与金属体的其他部件结合在一起。参考图5，套壳20具有用于包敷金属体主部分10的一个主管状部分10a和用于包敷金属体的分支11、12、13的辅助管状分支11a、12a、13a。
在由金属体9形成的芯上布置有一个与热固性塑性材料基质相配合的结构纤维基织物(特别是碳纤维织物)层，套壳就施加到该织物层上。在实际应用中，所述织物层可通过将一条织物连续包敷到套壳的主部分上及不同的辅助分支上来形成，就象缠绕在人类肢体上的矫形绷带一样。所述层最好配置有多个网层，每个网层具有一个中间开口，所述网层围绕包敷有套壳的的芯的不同辅助分支，在所述分支从芯的主部分延伸的区域中，每个分支穿过各个网层的孔。使用所述的层以得到所需尺寸和比例的叠层中空体。该中空体在图7-9中，总体以数字1来标示。
由芯9、20及在芯上形成的叠层中空体1所构成的组件布置在由三个壳体21a、21b、21c形成的模的筒形腔21中，在图2、3中可清楚地看到三个壳体21a、21b、21c。模的形状与将要得到的产品的形状相对应，这样就限定了一个主圆筒部分，四个辅助分支从主圆筒部分径向延伸出来。为简化的目的，附图中没有显示模21的三个壳体之间的连接装置。显然，这些连接装置可通过任何已知的方式来制造。
在将由芯9、20和在芯上形成的叠层中空体1定位在模中之后，将模置入一个足可使叠层中空体1的热固性塑性材料基质网状化的温度中，例如，将其放置入80℃-200℃范围内的温度中。将该温度保持一段时间，该时间在10分钟至3小时的范围内，优选在30分钟至3小时的范围内。在这种方式中，形成套壳20的材料膨胀。所述的膨胀主要是径向向外施加的，通过所述的膨胀就对叠层中空体1的所有管状部件的壁均施加了一个径向向对外力而作用在筒形腔21的壁上。在这种方式中，尽管图中所示的中空体的结构较为复杂，但在中空体1的所有部分上均施加了均匀的力。同时，也对塑性材料基质进行网状化。
在冷却阶段之后，将所述模开启，而将包括芯9、20和模制中空体1的组件在网状化阶段的最后取出来。此时，在通过将工具结合到螺栓端部17的凹槽中而除去紧固螺栓之后，将形成金属体9的元件11、12、13和10从组件中取出来。在除去金属体后，弹性套壳20仍保留在碳纤维中空体中。此时，由于套壳具有弹性而可较容易地将其从中空体的内部除去。这样就得到了如图4所示形状的中空体1。如图所示，为得到适用的最终产品，自然需要对中空体1进行另外的加工，所述最终产品与图1所示的自行车架的管状元件相连接。
如上所述，形成套壳20的弹性材料最好是其热膨胀系数大于15×10-5mm/℃且其最大连续耐热温度超过100℃的材料。例如，形成套壳20的材料可以是由在美国加利福尼亚州亨汀顿比茨的国际航空技术有限公司生产的、商标为AIRCAST 3700的合成橡胶(Airtech International Inc.，Huntington Beach，Califormia，USA)。就如上文中详细描述的那样，优选这种材料是因为它具有较高的热膨胀系数和其较高的连续耐热性、其良好的热传导性能及其良好的极限抗拉应力。
当然，在本发明的原理保持不变的同时，在不脱离本发明的范围的情况下可对本发明的实施例和构造的细节进行较大的变化。
例如，将一个或多个附加条带缠绕到一个或多个可膨胀芯部分的端部上来完成纤维织物的缠绕，从而提供增大的直径及在所选择位置处的增大的厚度。
在另一个实施例中，可膨胀的芯可以权利要求24-28所限定的形式来布置。这样，利用由可膨胀材料，特别是聚四氟乙烯(PTFE)制造的一个基体来取代具有相应套壳20的金属体9。这种基体可由可拆卸方式相互连接在一起的可分离件制成而可从最终产品中抽取出来。
再一个实施例中，可膨胀的芯包括一个金属材料体，该金属材料体包括多个独立的部分，通过这些部分的径向向外运动就可实现芯的膨胀。
就如在该描述内容的开始部分所指出的那样，本发明的连接元件在此处显示为自行车底架的形式，但也可将其制作为适用于自行车架的任何结合位置的连接元件的形式，例如，适用于支架端管与顶管和下管的交会处或座管与顶管或自行车上后部叉元件的交会处。
再次说明，不脱离上述原理而对本发明的结构或实施例所做的任何改变均在本发明的范围之内。

Claims (40)

1、一种在自行车架中的结合位置处连接支架部件所用的连接元件的生产方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
布置一个可膨胀的芯(9，20)；
在芯(9，20)的周围施加多个配合在塑性材料基质中的结构纤维织物层以形成具有预定形状和厚度的叠层体(1)；
将具有叠层体(1)的芯(9，20)布置在一个模(21)的腔(22)中；
将模(21)的温度增大至一个足可引起塑性材料基质网状化的温度值；
使芯(1)膨胀而对模(21)中的叠层体(1)施加一个压力的作用；
从模(21)中除去叠层体(1)且从叠层体(1)中除去芯(9，20)，这样就可得到以结构纤维材料形成的单件中空体。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：模(21)的温度的升高与芯(1)的膨胀基本上是同时发生的。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于；在将管形体从模中除去之前布置有一个冷却阶段。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述结构纤维可从碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维或上述纤维的组合中选择。
5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述塑性材料基质是一种热固性材料基质。
6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述温度在80℃至200℃的范围内。
7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于：将所述温度保持一段时间，该时间在10分钟至3小时的范围内。
8、根据权利要求7所述的方法，其特征在于：将所述温度保持一段时间，该时间在30分钟至3小时的范围内。
9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：可膨胀的芯包括覆盖有由弹性材料制成的可变形套壳(20)的一个金属材料体，在增大模的温度时，通过形成套壳(20)的材料的膨胀就可实现芯的膨胀。
10、根据权利要求9所述的方法，其特征在于：形成上述套壳(20)的弹性材料的热膨胀系数大于15×10-5mm/℃且其最大连续耐热温度超过100℃。
11、根据权利要求10所述的方法，其特征在于：形成芯的材料是由在美国加利福尼亚州亨汀顿比茨的国际航空技术有限公司生产的、商标为AIRCAST3700的合成橡胶。
12、根据权利要求9所述的方法，其特征在于：金属体(9)包括一个主圆筒形部分(10)和一个或多个辅助圆筒状分支(11-13)，辅助圆筒状分支(11-13)从主部分(10)处延伸并以可拆卸方式连接到所述主部分上。
13、根据权利要求12所述的方法，其特征在于：分支(11-13)通过螺栓(14)以可拆卸方式地连接到金属体(9)的主部分(10)上。
14、根据权利要求13所述的方法，其特征在于：金属体(9)的每个辅助分支(11-13)通过螺栓紧固到芯(9)的主部分(10)上，所述螺栓沿着辅助分支的轴线进入所述分支中的孔并配合在主部分(10)的一个螺纹孔(16)中。
15、根据权利要求14所述的方法，其特征在于：每个紧固螺栓(14)的端部(17)被容纳在金属体的各个辅助分支(11-13)的端表面(19)中制作的腔(18)中，这样，所述端部(17)就不从所述端表面(19)凸伸出。
16、根据权利要求15所述的方法，其特征在于：每个螺栓(14)的端部(17)均具有六角形的凹槽以与工具相配合。
17、根据权利要求12所述的方法，其特征在于：所述套壳(20)的中空形状与金属体(9)的形状相对应，套壳(20)包括一个主管状部分(10a)和一个或多个从主部分(10a)延伸的辅助管状分支(11a-13a)。
18、根据权利要求17所述的方法，其特征在于：套壳(20)的尺寸优选确定，这样就可通过将其稍微拉伸而施加到芯上，并通过套壳的弹性作用而使其附加到芯上。
19、根据权利要求17所述的方法，其特征在于：在从模(21)中除去叠层中空体(1)之后，将金属材料芯(9)与叠层中空体(1)相分离而将套壳(20)留在叠层中空体中，然后将套壳(20)从叠层中空体(1)中除去。
20、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：可膨胀芯(9，20)上的织物层是通过将至少一条织物一次或多次缠绕到芯(9，20)上而确定的。
21、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：可膨胀芯(9，20)包括一个主圆筒部分(10，10a)和一个或多个从主圆筒部分(10，10a)延伸的辅助圆筒状分支(11，11a-13，13a)，其中，织物的层是通过将至少一条织物连续缠绕到芯(9，20)上而确定的，从而完全覆盖芯的主部分和分支。
22、根据权利要求21所述的方法，其特征在于：所述织物层还包括一个或多个附加的网层，每个网层均具有一个孔，所述孔布置在辅助分支(11，11a-13，13a)从主部分(10，10a)处延伸的区域中，所述分支穿过各个网层的孔。
23、根据权利要求21所述的方法，其特征在于：织物层还包括缠绕到一个或多个可膨胀芯部分的端部上的一个或多个附加条带以在所选择的位置处提供增大的直径和增大的厚度。
24、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：由合成材料制成的可膨胀芯(1)的热膨胀系数超过5×10-15mm/℃且其最大连续耐热温度至少为80℃，当模的温度增加时，通过形成芯(1)的材料的膨胀而实现芯的膨胀。
25、根据权利要求24所述的方法，其特征在于：芯的热膨胀系数超过9×10-5mm/℃且其最大连续耐热温度超过100℃。
26、根据权利要求25所述的方法，其特征在于：形成芯材料为聚四氟乙烯(PTFE)或聚三氟氯乙烯(PCTFE)或聚偏氟乙烯(PVDF)或高密度聚乙烯(PE-HD)。
27、根据权利要求26所述的方法，其特征在于：形成芯的材料为聚四氟乙烯(PTFE)。
28、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在从模(14)中抽取出之后为将芯(1)从中空体(1)中分离出来，所述芯(1)由多个独立元件构成。
29、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：可膨胀的芯包括一个金属材料体，该金属材料体包括多个独立的部分，通过这些部分的径向向外运动就可实现芯的膨胀。
30、根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于：为生产一种连接元件而将所述模和所述芯定形和布置，所述连接部件利用相应的管状延伸部(3，4，5)来限定自行车底架，所述管状延伸部(3，4，5)与朝着底架(2)汇聚的自行车架管(6，7，8)相连。
31、根据上述权利要求1-29之一所述的方法，其特征在于：为生产一种连接元件而将所述模和所述芯定形和布置，所述连接元件在自行车架的任何结合位置与自行车架的管相连，在所述结合位置处，所述车架管相互交会。
32、用于在自行车架中的结合位置处连接架部件的一种连接元件，其特征在于：利用上述任一权利要求所述的方法来得到该连接元件。
33、根据权利要求32所述的连接元件，其特征在于：连接元件利用相应的管状延伸部(3，4，5)来确定自行车底架(1)，所述管状延伸部(3，4，5)与朝着底架(2)汇聚的自行车架管(6，7，8)相连。
34、根据权利要求32所述的连接元件，其特征在于：所设计的连接元件用于在自行车架的结合位置处连接自行车架管，在所述的结合位置处，架管相互交会。
35、根据权利要求33所述的连接元件，其特征在于：其主体(1)具有一个用于限定自行车底架的主圆筒部分(12)和多个管状分支(3-5)，所述管状分支从主部分(2)处延伸且与朝着底架(2)交会的自行车架的管状元件(6-8)相连。
36、根据权利要求34所述的连接元件，其特征在于：其主体(1)具有一个主圆筒部分和一个或多个从主部分处延伸的管状分支，所述管状分支与自行车架的管状元件相连，所述主部分和每个分支具有任何预定的直径和厚度。
37、根据权利要求36所述的连接元件，其特征在于：至少所述主部分和所述分支之一具有沿着长度变化的直径和/或厚度。
38、自行车底架，其特征在于：它由结构纤维材料，最好是碳纤维材料制成的一个单件构成，所述底架上结合有从底架(2)延伸出的多个管状分支(3-5)，所述管状分支(3-5)与朝着底架(2)交会的自行车架的管状元件(6-8)相连接。
39、用于在自行车架中的一个结合位置处连接支架部件的连接元件，其特征在于：它由结构纤维材料，最好是碳纤维材料制成的一个单件构成，它将一个主圆筒部分和从主圆筒部分延伸出的一个或多个管状分支结合在一起，所述管状分支与自行车架的管状元件相连。
40、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：由所述膨胀步骤所产生的作用在管状体(9，20)上的压力基本上是径向的。
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