TWI580606B - 自行車曲柄臂總成 - Google Patents

Description

自行車曲柄臂總成

本發明係關於自行車及自行車曲柄臂。特定言之，本發明係關於複合物自行車曲柄臂總成。

曲柄臂係用於將踏板連接至自行車之曲柄軸且用於將踏板力自踏板傳輸至鏈條的組件。曲柄臂應具有高強度，以便防止由來自踏板之重複負荷引起的故障。另一方面，曲柄臂不應過於重，以便保持自行車盡可能輕。一般稱為纖維強化塑膠「FRP」之複合材料(例如，基於碳之複合物及基於其他纖維之複合物)在此方面係有利的，該等複合材料為現代自行車曲柄之製造提供了強度高且重量輕的構造。然而，複合物構造通常成本高。

本發明在一個態樣中提供一種混合式曲柄臂，其利用一全長支撐部件及一複合物包覆件(overwrap)來達成足夠的強度。使該支撐部件在該曲柄臂之兩端之間形成凹穴，且該或該等凹穴由相對低密度之嵌件填充。此支撐部件及嵌件子總成隨後由複合材料包覆且經固化來形成在結構上結合的總成。

本發明之一個態樣係一種包括一支撐部件之自行車曲柄臂。該支撐部件包括：一第一端，其大小及形狀經設計來接納一踏板；以及一與該第一端相對的第二端。該第二端之大小及形狀經設計來接納一心軸且一中間部分在該第一端與該第二端之間延伸，其中該中間部分包括至少一個凹部。一嵌件安置於該凹部及一外部殼體中，該外部殼體覆蓋該支撐部件及該嵌件，其中該外部殼體由諸如纖維強化塑膠之纖維強化複合物製成。

本發明之其他態樣提供一種自行車曲柄臂，其中該支撐部件為整體式構造。該中間部分可包括一第一凸緣及一與該第一凸緣隔開之第二凸緣以及一在該第一凸緣與該第二凸緣之間延伸之連接部分。該連接部分可定位於該曲柄臂之一內側與該曲柄臂之一外側之間。該連接部分可大致相等地定位於該曲柄臂之該內側與該曲柄臂之該外側之間。該連接部分可定位成更靠近該曲柄臂之一外側而不是該曲柄臂之一內側。該外部殼體在該曲柄臂之該外側上可能更薄。該外部殼體相比在該第一端與該第二端之間而言在該第一端及該第二端處可能更薄。該支撐部件可為金屬的。該支撐部件可包括鋁材料。該支撐部件可包括非金屬材料。該嵌件之密度可比該支撐部件低。該嵌件可具有約為該凹部之體積的體積。該嵌件可具有大於該凹部之體積的體積。該嵌件可為諸如聚胺酯發泡體之發泡聚合物材料。該嵌件可為蠟材料。該嵌件可具有約0.1g/cm³至約0.9g/cm³之密度。該嵌件可具有約0.3g/cm³之密度。

自以下對本發明之一或多個實施例的描述，結合隨附圖式來看，可更全面地理解本發明之此等及其他特徵及優點。

10‧‧‧曲柄臂

12‧‧‧第一端

14‧‧‧第二端

16‧‧‧支撐部件

18‧‧‧凹穴或凹部

18A‧‧‧內側凹部

18B‧‧‧外側凹部

20‧‧‧嵌件

20A‧‧‧嵌件

20B‧‧‧嵌件

22‧‧‧內側

23‧‧‧外側

24‧‧‧外部殼體

28‧‧‧螺紋開口

32‧‧‧栓槽

34‧‧‧中間部分

36‧‧‧第一凸緣；上凸緣

38‧‧‧第二凸緣；下凸緣

40‧‧‧連接部分

44‧‧‧內側殼體層

46‧‧‧外側殼體層

50‧‧‧空隙或凹穴

在圖式中：圖1係根據本發明之曲柄臂之外側視圖；圖2係根據本發明之曲柄臂之俯視圖；圖3係根據本發明之一實施例之圖1的曲柄臂之部分之分解透視圖；圖4係圖1的曲柄臂沿著線4-4之縱向剖面圖；圖5A至圖5C係沿著線5A-5A、5B-5B及5C-5C穿過如圖1中所指示之橫向剖面圖的曲柄臂之各種實施例；圖6係圖1的曲柄臂沿著圖1之線6-6之橫向剖面圖，其展示出外部殼體之各層的定向；圖7係圖1的曲柄臂之遠端之部分剖面圖；圖8係根據本發明之第二實施例之曲柄臂沿著與圖1中展示為8-8之線類似的線之縱向剖面圖；圖9係圖8的曲柄臂沿著線9-9之橫向剖面圖；以及圖10係具有嵌件之另一實施例之曲柄臂的實施例。

本文中將參照圖式來描述本發明之實施例。此外，除非另外指出，否則本文中所使用之用語指代習知地 安裝至自行車之自行車組件並且自行車係以標準方式加以定向及使用。

圖1至圖4及圖5展示出根據本發明之一實施例之曲柄臂10。雖然將曲柄臂10例示為非驅動側曲柄臂，但是藉由例如提供額外且熟知的結構來將鏈環載體及/或鏈環附接至曲柄臂，可在自行車之驅動側上使用相同構造。

曲柄臂10包括：位於遠端之第一端12，踏板可貼附至該第一端；位於近端之第二端14，其用來將曲柄臂以習知方式附接至心軸或類似物(圖中未示)。心軸一詞在本申請案中應理解為底部托架之任何類型之軸或軸桿狀元件，曲柄臂安裝至該元件。

圖3展示出曲柄臂10之主要組件中之兩個。曲柄臂10包括全長支撐部件16，該支撐部件係剛性的、基本上內部的元件，並且該支撐部件中形成有凹穴或凹部18。可為相對較低密度元件之嵌件20可安置於凹部內。在此實施例中，凹部18形成於曲柄臂10之支撐部件16之內側22中，亦即，其中內側係曲柄臂在安裝於心軸上時面向自行車車架的一側。本發明亦設想了相反構形，亦即，其中凹部18形成於外側23上。

圖4、圖5A至圖5C及圖10展示出本發明之一實施例之曲柄臂10的剖面(分別為縱向及橫向剖面)。三個主要組件形成曲柄臂10之結構。此等組件係支撐部件16、嵌件20及外部殼體24。

支撐部件16具有三個主要部分。第一端12包括螺 紋開口28。螺紋開口28之大小及形狀經設計來接納踏板(圖中未示)之螺紋。與第一端12相對的第二端14之大小及形狀經設計來接納心軸(圖中未示)。例如，第二端14可包括具備栓槽32或類似物之開口，該栓槽用於將曲柄臂10固定至心軸。栓槽32之確切構形取決於心軸之構形，心軸係熟知的組件。

可呈肋或梁形式之中間部分34在第一端12與第二端14之間延伸。中間部分34包括第一凸緣36及第二凸緣38以及可呈腹板形式之連接部分40，該連接部分在第一凸緣與第二凸緣之間延伸。

中間部分34可大體呈「C」形式。連接部分40可向曲柄臂10在安裝至自行車之心軸時的外側23定向，亦即背對自行車車架。若連接部分40向曲柄臂10之外側定向，則凹部18形成於中間部分34之內側22中且向該內側敞開。

或者，連接部分40可向曲柄臂之內側22定向。若連接部分40向曲柄臂10之內側22定向，則凹部18形成於中間部分34之外側23中且向該外側敞開。

在圖8及圖9中所例示的另一實施例中，連接部分40可大體定位於中央，亦即，在內側22與外側23之間大致相等地間隔，且界定內側凹部18A及外側凹部18B。內側凹部18A及外側凹部18B中之每一者可包括安置於其中的個別嵌件20A、20B。在此實施例中，外部殼體24之厚度在曲柄臂10之內側22及外側23上可相同。

許多材料可用於支撐部件16。支撐部件16可由金 屬材料形成且使用諸如鍛造或鑄造之方法來製造。由於重量小且強度高，鋁及其合金係尤其好的選擇。在支撐部件16係由例如鋁合金形成的實施例中，第一端12、第二端14及中間部分34可形成為單件，亦即，形成為整體式構造。支撐部件16之其他適合材料包括鋼、鈦、鈧、鈹、鎂及其他類似的適合材料、合金及其組合。

支撐部件16之中間部分34可由諸如塊狀模塑料(BMC)或片狀模塑料(SMC)之塊狀短纖維強化複合物藉由適合於所需材料之任何製程製成。在此實施例中，第一端12及第二端14可為單獨的金屬嵌件，如此項技術中已知，該等金屬嵌件結合至複合物中間部分34且/或與複合物中間部分34機械地聯鎖或係由纖維強化複合物或塑膠材料製成。

支撐部件16可經設計以使得其本身不能在結構上承受施加至典型曲柄臂之負荷，以便使支撐部件之重量最小化。相比更傳統的複合物曲柄構造而言，支撐部件16允許在外部殼體24中使用更少的複合材料，從而減少製造本發明之曲柄臂10之總成本。

支撐部件16在第一端12與第二端14之間(亦即中間部分34)在一個實施例中可形成為「C」形狀，且其壁厚度可小於約三(3)毫米以使重量最小化。「C」形支撐部件16展示於圖5A至圖5C中。

中間部分34之連接部分40之壁厚度可為約1.5-2毫米且上凸緣36及下凸緣38可大於約1.5毫米至例如約3毫 米。應瞭解，各部分之確切厚度將至少部分取決於該部分中所使用的材料及製程。在一個實例中，支撐部件16可經鍛造且進一步加工至當前鍛造製程所容許的更小壁厚度。支撐部件16與所結合的複合物外部殼體24之組合之大小及形狀經設計來產生將承受使用中所經歷的負荷之封閉式區段。

嵌件20在圖5A中所展示之以上所例示的實施例中為「D」形，且可為預製元件。換言之，嵌件20可製造成其最終形式且隨後定位於支撐部件16之凹部18內。在此實施例中，嵌件20之形狀及大小可經設計來填充或略為過度填充凹部18。嵌件20之形狀及大小可經設計來幾乎填充凹部18。嵌件20主要用來用低密度材料填充曲柄臂之由凹部18界定之中央中間部分以減少總體曲柄臂重量。嵌件20亦可經構形來提供在固化製程期間使形成外部殼體24之相鄰外部複合材料固結所需的必要支撐。以此方式，曲柄臂10之確切最終形狀可受到控制，且嵌件20在製造期間支撐外部殼體24的功能係可預期的。

圖5B及圖5C及圖10展示出具有一或多個空隙或凹穴50之嵌件20。凹穴50可向凹部18敞開，以使得殼體24受到支撐。凹穴50可為圓形或非圓形，且可具有橫向對準或非橫向對準的縱軸線。

嵌件20之材料可包括許多材料，但聚胺酯發泡體係一種較佳的材料，因為其可易於鑄造成網形且密度低。可使用其他類型之發泡體，諸如Rohacell®，其係一種聚甲 基丙烯醯亞胺。另一實例為基於聚合物之蜂巢材料。嵌件20亦可由例如蠟之更堅硬材料或低熔點金屬合金製成。在一些實施例中，在圍繞嵌件20包覆外部殼體24且使外部殼體24固化之後可移除嵌件20，從而留下呈凹部18的形式之中空空隙。聚胺酯發泡體作為嵌件材料係有益的，因為可將其製作成比凹部18略大來為外部殼體24提供支撐且將按需要壓縮。蠟嵌件在受熱時將略為擴展來以相同方式提供支撐。

當前，約0.1g/cm³至0.9g/cm³(其中「g」為克且「cm」為公分)的密度係嵌件20所需的。約0.3g/cm³的密度為較佳的。發泡體密度可低至0.03g/cm³。若嵌件20如在蠟實例中一樣可移除，則密度可更高而不會由於重量更高而造成不利影響。類似於蜂巢結構，本發明設想了在面向外部殼體之一側上具有表皮之肋狀結構。

支撐部件/嵌件子總成16、20由諸如FRP之纖維強化複合材料覆蓋，以形成很大程度上覆蓋該子總成之複合物外部殼體24。在所描繪之實施例中，殼體24覆蓋曲柄臂10之外側的大部分。在其他實施例中，殼體24可覆蓋曲柄臂10之全部外側表面或曲柄臂之小部分。總成16、20、24隨後被一起固化來形成在結構上結合的曲柄臂10。所得的係製造成本不高的重量更輕的複合物曲柄。

纖維強化樹脂之不同形式或組合可用來構成複合物外部殼體24。本發明設想了單向或編織「預浸體」(「預先浸漬的」複合纖維)，以利用控制纖維方向及樹脂含量的 能力，但亦可利用諸如片狀模塑料(SMC)或塊狀模塑料(BMC)之材料。複合物中所使用的纖維材料可包括碳纖維、玻璃纖維、醯胺纖維及其他適合的纖維中之一或多者。

如圖5A至圖5C中可看出，複合物殼體在與支撐部件「C」部分之連接部分40鄰接的區域中可較薄，因為支撐部件自身在局部提供顯著結構。如圖7中所展示，複合材料之厚度在端部12、14上可減少，因為端部12、14之結構提供大量支撐。在結構上，曲柄臂10之端部12、14處的負荷量較少，因此複合物殼體之厚度可在局部減少以節省額外材料。較少的複合材料亦減少了手動疊層時間，從而進一步減少製造成本。

複合物外部殼體24最初由多個未固化纖維強化樹脂層構成。此等層可戰略性地彼此重疊且與支撐部件16之「C」區段幾何結構重疊，以達成更大的結構互連性。支撐部件16與複合物外部殼體24之間的大接觸區域使纖維強化樹脂之結合區域最大化，以提供與支撐部件之優秀結構性連接。

參照圖6，外部殼體24可由兩個主要層形成，即：內側殼體層44，其抵靠嵌件20以及上凸緣36及下凸緣38來覆蓋且跨越內側22；及外側殼體層46，其抵靠中間部分34及內側殼體層之覆蓋且跨越上凸緣36及下凸緣38的部分來覆蓋外側23。內側殼體層44及外側殼體層46各自可由多個FRP材料層製成。在一個實施例中，外側殼體層46具有比內側殼體層44少的FRP材料層。

雖然已參照特定實施例來描述本發明，但是應理解，在所描述之發明概念之精神及範疇內可做出眾多改變。因此，意欲本發明不限於所揭示之實施例，而是具有以下申請專利範圍之語言所容許的完整範疇。

12‧‧‧第一端

14‧‧‧第二端

16‧‧‧支撐部件

20‧‧‧嵌件

24‧‧‧外部殼體

40‧‧‧連接部分

50‧‧‧空隙或凹穴

Claims (22)

1. 一種自行車曲柄臂，其包含：一支撐部件，其包括：一第一端，其大小及形狀經設計來接納一踏板，一與該第一端相對的第二端，該第二端之大小及形狀經設計來接納一心軸，及一中間部分，其在該第一端與該第二端之間延伸，該中間部分包括至少一個凹部、一第一凸緣、一第二凸緣及一連接部分，該第一凸緣在該第一端及該第二端之間延伸，該第二凸緣與該第一凸緣隔開且在該第一端及該第二端之間延伸，該連接部分在該第一凸緣與該第二凸緣之間、且在該第一端及該第二端之間延伸，該第一凸緣、該第二凸緣及該連接部分形成該至少一個凹部之數個側邊；一嵌件，其安置於該凹部中；及一外部殼體，其包覆該中間部分，該外部殼體由纖維強化複合物製成。
2. 如請求項1之自行車曲柄臂，其中該支撐部件為一整體式構造。
3. 如請求項1之自行車曲柄臂，其中該外部殼體包括一纖維強化塑膠材料，該纖維強化塑膠材料包括碳纖維、玻璃纖維及醯胺纖維(aramid fiber)中之一或多者。
4. 如請求項1之自行車曲柄臂，其中該連接部分之一橫向剖面係大體「C」形及大體「I」形中之一者。
5. 如請求項1之自行車曲柄臂，其中該連接部分定位於該曲柄臂之一內側(inboard side)與該曲柄臂之一外側(outboard side)之間。
6. 如請求項5之自行車曲柄臂，其中該連接部分相等地定位於該曲柄臂之內側與該曲柄臂之外側之間。
7. 如請求項1之自行車曲柄臂，其中該連接部分定位成更靠近該曲柄臂之一外側而不是該曲柄臂之一內側。
8. 如請求項7之自行車曲柄臂，其中該外部殼體在該曲柄臂之外側上更薄。
9. 如請求項1之自行車曲柄臂，其中該連接部分定位成更靠近該曲柄臂之一內側而不是該曲柄臂之一外側。
10. 如請求項9之自行車曲柄臂，其中該外部殼體在該曲柄臂之內側上更薄。
11. 如請求項1之自行車曲柄臂，其中相較於與該中間部分相鄰的該外部殼體而言，該外部殼體在該第一端及該第二端處更薄。
12. 如請求項1之自行車曲柄臂，其中該支撐部件為金屬的。
13. 如請求項12之自行車曲柄臂，其中該支撐部件包括一鋁材料。
14. 如請求項1之自行車曲柄臂，其中該支撐部件包括一非金屬材料。
15. 如請求項1之自行車曲柄臂，其中該嵌件之密度比該支 撐部件低。
16. 如請求項1之自行車曲柄臂，其中該嵌件之一體積大致上與該凹部之一體積相等。
17. 如請求項1之自行車曲柄臂，其中該嵌件之一體積大於該凹部之一體積。
18. 如請求項1之自行車曲柄臂，其中該嵌件係一發泡聚合物材料。
19. 如請求項18之自行車曲柄臂，其中該嵌件係一聚胺酯發泡體。
20. 如請求項1之自行車曲柄臂，其中該嵌件係一蠟或金屬材料。
21. 如請求項15之自行車曲柄臂，其中該嵌件具有0.03g/cm³至0.9g/cm³之一密度。
22. 如請求項21之自行車曲柄臂，其中該嵌件具有0.3g/cm³之一密度。