本发明是关于一种自行车车架的接头结构及其制造方法，特别是关于一种可大幅简化制程并缩短工时的自行车车架的接头结构及其制造方法。
背景技术：
目前自行车车架已广泛运用碳纤维材料，而一般碳纤维车架需具有一定的强度与刚性，但受限于碳纤维具有方向性的特性，在叠层规划方面需要非常注重碳纤维的方向性，透过多层且不同方向的堆叠，达到各不同方向需求刚性或强度。
虽然管件部分层数及方向规划较为单纯，但接头如车首部位、座接部位、五通部位因受力非常复杂且具多方向性，故接头对于整体车架性能(刚性及强度)具有关键性影响。请参阅图1a与图1b，图1a是绘示一已知实施例的自行车车架的接头结构100的立体示意图，图1b是绘示一已知实施例的自行车车架的接头结构100的分解图。如图所示，此种自行车车架的接头结构100由多个方向各异的主基层110所叠接而成。而依据充份叠层规划经验或模拟分析，一个碳纤车架接头往往需要数十张形状及方向各异的裁剪碳纤布(即主基层110)贴合于不同位置而组成，也因此从叠层规划、裁布到叠层预型，均需要耗费大量的人力与工时，制程非常繁复且漫长，进而导致碳纤车架制造成本居高不下。
另外，已知自行车车架也有以射出接头为基础的结构，仅在特定部分加上碳纤布做补强。然而，这样的作法除了一体成型所需射出模具的价格昂贵外，短维纤射出强度还是明显低于连续纤维复合材料。此外，此作法仍需要非常大量的额外补强材料及工序，才可能得到预期性能的产品，最终无法有效低减成本。
由此可知，目前市场上缺乏一种具多方向性、价格低廉、可简化制程、缩短工时而且可以增加强度与刚性的复材自行车车架的接头结构及其制造方法，故相关业者均在寻求其解决之道。
技术实现要素：
因此，本发明的目的在于提供一种自行车车架的接头结构及其制造方法，其利用纤维方向随机分布的主基层结合单一方向纤维的补强叠层而形成均向性高的接头结构，可大幅简化制程并缩短工时，以解决已知技术透过传统层层不同单一方向对贴，以致需各方向占比及一定厚度的问题。此外，本发明的自行车车架的接头结构层数少，且主基层材料具较佳流动性，可减少层间空隙，而且所成形的接头结构的厚度呈平顺变化，有助整体强度提升。
依据本发明的结构态样的一实施方式提供一种自行车车架的接头结构，其包含一主基层与至少一补强叠层。主基层主要由掺有多条第一纤维的一第一高分子材料所制成，第一纤维的方向为随机分布，且主基层具有一主基层厚度。此外，补强叠层连接主基层，补强叠层主要由掺有多条第二纤维的一第二高分子材料所制成。第二纤维方向为单一方向，补强叠层具有一补强叠层厚度，补强叠层厚度小于主基层厚度。
借此，本发明的自行车车架的接头结构透过纤维方向随机分布的主基层结合单一方向纤维的补强叠层，形成均向性高的接头结构，不但可大幅简化制程缩短工时，还能兼具各方向上所需的刚性及强度，有助于整体强度的提升。
前述实施方式的其他实施例如下：前述第一纤维以及第二纤维可均为碳纤维。前述补强叠层可包含至少二分支区域，此二分支区域贴附于主基层，主基层的面积大于各分支区域的面积。此外，前述补强叠层可包含一主区域，此主区域贴附于主基层。再者，前述主基层厚度可为补强叠层厚度的两倍以上。前述主基层厚度可大于等于0.25mm且小于等于3.5mm。前述主基层厚度可大于等于0.5mm且小于等于3.0mm。前述主基层厚度可大于等于1.0mm且小于等于3.0mm。前述主基层厚度可大于等于2.0mm且小于等于3.0mm。此外，前述各第一纤维具有一纤维长度与一纤维宽度，纤维长度大于等于3mm且小于等于100mm，且纤维长度大于纤维宽度。而且前述纤维长度可等于25.4mm(1inch)。前述第一高分子材料可由第一纤维与树脂压合组成。第一纤维包含碳纤维、无机纤维、人造高韧性纤维、天然纤维或上述纤维的组合。另外，前述主基层与补强叠层可设于自行车车架的至少一接头部位与至少一管件部位，接头部位衔接管件部位。
依据本发明的方法态样的一实施方式提供一种自行车车架的接头结构的制造方法，其包含一主基层成形步骤、一补强叠层成形步骤以及一接头成形步骤。其中主基层成形步骤是将多条第一纤维以树脂混合后预先压合而形成一主基层，这些第一纤维的方向为随机分布。另外，补强叠层成形步骤是将掺有多条第二纤维的一第二高分子材料制成一补强叠层，然后贴附补强叠层于主基层而形成一多层复合材，这些第二纤维方向为单一方向。至于接头成形步骤则是将多层复合材放置于一模具内后热压成形为自行车车架的接头结构。
借此，本发明的制造方法可简化积层程序，以较少积层数完成多层复合材料的自行车车架接头结构，不但可减少层间空隙，还可让所成形的接头结构的厚度呈平顺变化，有助整体强度提升。
前述实施方式的其他实施例如下：前述主基层成形步骤是将多条原始纤维切断而形成第一纤维，各原始纤维的长度大于100mm。各第一纤维具有一纤维长度与一纤维宽度，纤维长度大于等于3mm且小于等于100mm，且纤维长度大于纤维宽度。此外，在前述制造方法中，当执行完主基层成形步骤与补强叠层成形步骤之后，主基层具有一主基层厚度，补强叠层具有一补强叠层厚度，主基层厚度大于补强叠层厚度。再者，前述主基层厚度可为补强叠层厚度的两倍以上。
附图说明
图1a是绘示一已知实施例的自行车车架的接头结构的立体示意图；
图1b是绘示一已知实施例的自行车车架的接头结构的分解图；
图2a是绘示本发明第一实施例的自行车车架的接头结构的立体示意图；
图2b是绘示图2a的自行车车架的接头结构的展开示意图；
图2c是绘示不同碳纤维等级的材料特性分布图；
图3a是绘示图2a的自行车车架的接头结构的分解示意图；
图3b是绘示图3a的自行车车架的接头结构的主基层的剖视图；
图3c是绘示图3a的自行车车架的接头结构的补强叠层的剖视图；
图4是绘示图3a的自行车车架的接头结构应用于自行车车架各部位的示意图；
图5是绘示图4的第二实施例的自行车车架的接头结构的展开示意图；
图6是绘示图4的第三实施例的自行车车架的接头结构的展开示意图；
图7是绘示本发明一实施例的自行车车架的接头结构的制造方法的流程示意图；
图8是绘示图3a的接头结构应用于自行车车架的接头结构及管件的示意图。
具体实施方式
以下将参照附图说明本发明的多个实施例。为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明部分实施例中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化附图起见，一些已知惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式绘示；并且重复的元件将可能使用相同的编号表示。
请一并参阅图2a、图2b、图2c、图3a、图3b及图3c，图2a是绘示本发明第一实施例的自行车车架的接头结构100a的立体示意图。图2b是绘示图2a的自行车车架的接头结构100a的展开示意图。图2c是绘示不同碳纤维等级的材料特性分布图。图3a是绘示图2a的自行车车架的接头结构100a的分解示意图。图3b是绘示图3a的自行车车架的接头结构100a的主基层110a的剖视图。图3c是绘示图3a的自行车车架的接头结构100a的补强叠层120a的剖视图。如图所示，自行车车架的接头结构100a包含主基层110a与补强叠层120a。
主基层110a主要由掺有多条第一纤维112的第一高分子材料所制成，第一纤维112的方向为随机分布，且主基层110a具有一个主基层厚度t1。详细地说，主基层110a的第一高分子材料由多条第一纤维112与胶合树脂114压合组成，其中第一纤维112包含碳纤维、无机纤维(如玻璃纤维)、人造高韧性纤维(如克维拉纤维(kevlar))、天然纤维(如亚麻纤维)或上述纤维的组合。而本发明的各第一纤维112为短切碳纤维，各第一纤维112具有一纤维长度与一纤维宽度，其中纤维长度大于等于3mm且小于等于100mm，且纤维长度大于纤维宽度，借以令各第一纤维112呈长条状。较佳的短切纤维长度为12.7mm(0.5inch)、25.4mm(1inch)以及50.8mm(2inch)。越短的纤维长度所产生的均向性越好，但结构的刚性强度越低；反之，越长的纤维长度所产生的刚性强度越好，但方向性就会明显失去均向的优点。而为了兼顾强度与均向性，本发明的最佳实施例的纤维长度等于25.4mm(1inch)。
另外，主基层厚度t1大于等于0.25mm且小于等于3.5mm，主基层厚度t1可进一步大于等于0.5mm且小于等于3.0mm。主基层厚度t1也可大于等于1.0mm且小于等于3.0mm。主基层厚度t1亦可大于等于2.0mm且小于等于3.0mm。本实施例的主基层厚度t1是以大于等于0.5mm且小于等于1.0mm为较佳范围，主基层厚度t1等于0.5mm为最佳值，其是因自行车车架的接头结构100a在实务上的积层总厚度约为1～3mm，若主基层厚度t1的数值越大，则多层贴合的程序可越简化。但相对地，若主基层厚度t1的数值越大，则主基层110a中多条第一纤维112与胶合树脂114压合的制造难度也将越高，且容易包含更多空气而导致强度下降。因此，在贴合程序简化以及压合制造难度的综合考量下，主基层厚度t1相对于积层总厚度须要大过一定的数值，才能在合理的压合制造难度的条件下有效地简化贴合程序。
补强叠层120a连接主基层110a，补强叠层120a主要由掺有多条第二纤维122的第二高分子材料所制成，第二纤维122方向为单一方向。补强叠层120a具有补强叠层厚度t2，补强叠层厚度t2小于主基层厚度t1。详细地说，补强叠层120a的第二高分子材料由多条第二纤维122与胶合树脂124压合组成，其中第二纤维122包含碳纤维、无机纤维(如玻璃纤维)、人造高韧性纤维(如克维拉纤维(kevlar))、天然纤维(如亚麻纤维)或上述纤维的组合。而本发明的各第二纤维122为碳纤维，且第二纤维122的碳纤维等级与第一纤维112的碳纤维等级相异。请参阅图2c，一般碳纤维等级以刚性(modulus)以及强度(strength)分级，而就日本东丽(toray)公司的碳纤维产品来说，其最低等级为碳纤维t300。而在自行车车架的领域上，最常用的等级为碳纤维t700或t800，而本实施例是选用碳纤维t300或t700作为主基层110a的第一纤维112。至于补强叠层120a则是用以补强结构的局部刚性或强度，可选用高刚性碳纤维(例如：碳纤维m40)或高强度碳纤维(例如：碳纤维t1000)。也就是说，第二纤维122的刚性或强度大于第一纤维112的刚性或强度。再者，请参阅图2b，补强叠层120a包含一个主区域124a与四个分支区域126a，主区域124a与分支区域126a均贴附于主基层110a且可彼此交叠，借以强化特定单一方向的纤维强度。
此外，主基层厚度t1为补强叠层厚度t2的两倍以上。举例来说，一般积层总厚度若为3mm，而已知单向纤维预浸布(已含预浸树脂的碳纤维布)的厚度约为0.1mm，因此需要30层的叠接贴合。由于每一层均为单向纤维而无法顾及各方向，故在传统的制作实务上，其作法是以0度、45度以及90度三种方向各自数层对贴而成。而本发明不同于已知作法在于主基层110a的主基层厚度t1为0.5～3.0mm，且补强叠层120a的补强叠层厚度t2为0.1～0.2mm，故整体结构仅需3至5层的主基层110a加上少数层单向的补强叠层120a即可实现。当然，整体结构可以只有主基层110a，而不需要补强叠层120a，例如：叠接6层的主基层110a，且每层的主基层厚度t1为0.5mm。另外值得一提的是，当主基层厚度t1小于补强叠层厚度t2的两倍时(例如：主基层厚度t1为0.15mm，补强叠层厚度t2为0.1mm，即t1＝0.15mm<2×t2＝0.2mm)，其制作过程对于简化程序及提升均向性而言发挥不了太大的作用。换句话说，当主基层厚度t1为补强叠层厚度t2的两倍以上时，简化程序及提升均向性的效果才会较为显著。
借此，本发明透过纤维方向随机分布的主基层110a结合单一方向纤维的补强叠层120a，形成均向性高的接头结构100a，不但可大幅减少叠层数量、简化制程及缩短工时，还能兼具各方向上所需的刚性与强度，有助于整体强度的提升。也就是说，本发明使用较厚的软性碳纤布材料，使接头结构100a(如车首部位、座接部位、五通部位等)具有等方向机械性质的特性，且能够兼具各方向上所需的刚性及强度。此外，由于碳纤布材料的厚度较厚，因此在贴附时能够以较短的工时完成制造。
请一并参阅图3a及图4～图6，图4是绘示图3a的自行车车架的接头结构100a应用于自行车车架各部位的示意图。图5是绘示图4的第二实施例的自行车车架的接头结构200a的展开示意图。图6是绘示图4的第三实施例的自行车车架的接头结构300a的展开示意图。如图所示，此自行车车架包含三种接头结构100a、200a、300a，其中接头结构100a为头管接头(headlug)，接头结构200a为座管接头(seatlug)，而接头结构300a为五通接头(bottombracket)，其分别位于自行车车架的不同部位。接头结构100a即为图3a的结构，不再赘述。而座管接头结构200a包含主基层210a与补强叠层220a，且主基层210a与补强叠层220a相互连接。五通接头结构300a包含主基层310a与补强叠层320a，且主基层310a与补强叠层320a相互连接。主基层210a、310a与图3a的主基层110a的结构相同，且补强叠层220a、320a与图3a的补强叠层120a的结构相同。由于接头结构100a、200a、300a所在位置与连接形式均不相同，因此主基层110a、210a、310a与补强叠层120a、220a、320a的叠接贴合形状与构造均有差异。由上述可知，本发明可应用于各种自行车车架的接头结构100a、200a、300a上，而且相当适合用于大量制造以达到所需刚性与强度并缩短制造时间，进而降低制造成本。
请一并参阅图2a、图2b、图3a及图4～图7，图7是绘示本发明一实施例的自行车车架的接头结构100a、200a、300a的制造方法400的流程示意图。如图所示，制造方法400包含主基层成形步骤s2、补强叠层成形步骤s4以及接头成形步骤s6。其中主基层成形步骤s2是将多条第一纤维112以树脂混合后预先压合而形成主基层110a、210a、310a，这些第一纤维112的方向为随机分布。再者，补强叠层成形步骤s4是将掺有多条第二纤维122的第二高分子材料制成补强叠层120a、220a、320a，然后贴附补强叠层120a、220a、320a于主基层110a、210a、310a而形成多层复合材，这些第二纤维122的方向为单一方向。在补强叠层成形步骤s4的中，接头所需的多层复合材(即碳布)以暂时性预型模塑型，此时补强叠层120a、220a、320a仍柔软，可靠自身黏性服贴地与主基层110a、210a、310a贴合。暂时性预型模对应自行车车架的接头结构100a、200a、300a的形状。此外，接头成形步骤s6是将多层复合材放置于一模具内后热压成形为自行车车架的接头结构100a、200a、300a。此模具由金属制成，而经热压后的多层复合材会固化变硬而形成车架结构。
借此，本发明的制造方法400可以较少积层数完成多层复合材料的自行车车架接头结构100a、200a、300a，且相较于原单向纤维材料拘束性，主基层110a、210a、310a的均向性短切纤维具良好的流动性，不但可减少层间空隙，更可让所成形的接头结构100a、200a、300a的厚度呈平顺变化，有助整体强度提升。
请一并参阅图3a、图4及图8，图8是绘示图3a的接头结构100a应用于自行车车架的接头及管件的示意图。如图所示，接头结构100a与接头结构100b的构造相同；接头结构200a与接头结构200b的构造相同；接头结构300a与接头结构300b的构造相同。其中接头结构100a的主基层110a与补强叠层120a可设于自行车车架的接头部位与管件部位，接头部位衔接管件部位。管件部位是由接头部位的分支向外延伸一段的部件或管件，而此管件部位亦可采用本发明图3a的叠层接头结构100a来成形。换句话说，接头结构100b、200b、300b是接头结构100a、200a、300a的接头部位结合向外延伸一段的管件部位，因此无论是接头部位或者是管件部位，均可透过本发明图3a的叠层接头结构100a来实现，以进一步简化制程缩短工时并提升自行车车架的整体强度。
由上述实施方式可知，本发明具有下列优点：其一，本发明的自行车车架的接头结构透过纤维方向随机分布的主基层结合单一方向纤维的补强叠层，形成均向性高的接头结构，不但可大幅简化制程缩短工时，还能兼具各方向上所需的刚性及强度，有助于整体强度的提升，以解决已知技术透过传统层层不同单一方向对贴至所需各方向占比及一定厚度的问题。其二，利用本发明的制造方法可以简化较少积层数完成自行车车架的接头结构，因此利用本发明的制造方法所形成的多层复合材，可大幅地简化自行车车架的接头结构的制造程序，不但可减少层间空隙，还可让所成形的接头结构的厚度呈平顺变化，有助整体强度提升。其三，本发明可应用于各种自行车车架的接头结构上，而且相当适合用于大量制造以达到所需刚性与强度并缩短制造时间，进而降低制造成本。其四，本发明的叠层结构可应用于自行车车架的接头部位及管件部位，以进一步简化制程缩短工时并提升自行车车架的整体强度。
虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。