JP2005289166A - 自転車用クランクとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 軽量、高強度、高剛性で複雑形状の意匠性の高い自転車用クランクとそれを容易に製造する方法とを提供する。
【解決手段】 クランク本体を、ハイドロフォームにより成形された管体から構成し、 さらに、前記クランク本体に、クランクとペダルおよびクランク軸とを接続するための締結部材を設ける。
組立に際しては、前記締結部材の外径が、ペダル軸およびクランク軸を通すためにクランク本体に開けられた孔より大きくし、クランク本体端部からクランク本体の中空部に挿入して組立てる。
【選択図】図３

Description

本発明は、自転車用クランクとその製造方法に関する。

自転車においては、より大きな走行スピードを追求するためあらゆる部品に軽量化が望まれている。その中でも人間の脚力を回転運動に伝達するクランクは、自転車の最重要部品の一つであり、軽量化だけでなく、脚力を効率よく伝達するため剛性も要求され、さらには自転車のシンボルとしての意匠性も要求されている。

図１は、一般的な自転車用クランクの構造を示す略式斜視図である。
図示のように、クランクを構成するクランク本体10の片方の端部には、クランク軸と接続するためのスプライン溝12、さらに取り外し時に工具を入れるネジ12(図示例はスプライン溝の場合を示す)が、そして、もう片方にはペダルと接続するためのネジ穴16が設けられている。これらを本明細書では「締結部材」と総称する。

従来、このような自転車用クランクの軽量化を実現するため、アルミ合金を用いた鍛造による中空のクランク本体が製造されてきている。
ここで、図２を用いて従来の中空のクランク本体の製造方法を説明すると次の通りである。

まず、第１工程として、図２（ａ）に示すように条鋼を切断し中実の円柱状の素材20を作る。図２（ｂ）に示すように第２工程として、鍛造にて前述の円柱状の素材20から、一端に開口部25を設け、多端が閉じたコップ状の素管22を製作する。次いで、第３工程では、図２（ｃ）に示すように複数回の鍛造工程にてクランク状に成型してクランク素材24とし、このとき前述の第２工程で開けた開口部25も鍛造によって圧着する。

図２（ｄ）に示すように、第４工程として、さらに鍛造によってニアネットシェイプに成形された素クランク本体26は、図２(e)に示すように第５工程として、機械加工により製品形状に削られ、ペダル側およびギア側にそれぞれネジ穴28、スプライン溝穴30の加工を施す。第６工程では、必要によりネジ穴28およびスプライン溝穴30のそれぞれにネジ32および溝34の締結手段を設ける。このようにして構成されたクランク40は、最後に、表面を研磨し、製品に至る。

このように、従来のクランクの製造には、軽量化を目指してクランクを中空化するためには多大な工程が必要であり、それが製品コストに跳ね返る。
また、条鋼から鍛造によって成形するため、中空部の肉厚を最薄肉部でも4ミリ程度が限界であり、すべての部位の薄肉化が難しく、更なる軽量化は困難である。

素材についても、中空のままで鍛造により複雑形状を成形する必要があるため、アルミ合金等に限定されてしまう。

本発明の課題は、軽量、高強度、高剛性で複雑形状の意匠性の高い自転車用クランクとそれを容易に製造する方法とを提供することである。

ここに、本発明は次の通りである。
(1)クランク本体が、ハイドロフォーム法により一体成形された管体から構成されることを特徴とする自転車用クランク。

(2)さらに、前記クランク本体に、クランクとペダルおよびクランク軸とを接続するための締結部材を設けたことを特徴とする上記(1) 記載の自転車用クランク。
(3)前記締結部材の外径が、ペダル軸およびクランクを通すためにクランク本体に開けられた孔よりも大きく、クランク本体端部からクランク本体の中空部に挿入されて組立てられていることを特徴とする上記(2) 記載の自転車用クランク。

(4)中空の前記クランク本体の両端部をクロージングせず、開口ままとしたことを特徴とする上記(1) ないし(3)のいずれかに記載の自転車用クランク。

このように、本発明にあっては、材質についても高剛性、高強度材が適用可能で、肉厚の選定の容易な管材を素材としたハイドロフォーム法により全体が薄肉化したクランクを一体に成形し、強度の必要としない端部はハイドロフォームによる成形後の開口のまま、あるいは、プラスチック等の軽部材にてそのような開口をキャップすることで、軽量化を図り、強度・剛性の増大を可能とする。

更には、両管端を開口ままとすることで、クラウン本体が中空部品であることをアピールすることができ、極めて高い意匠性を実現することが可能である。
従来の冷間鍛造では、すでに述べたように、クランクのような複雑形状を成形するためには非常に多い工程を要するが、ハイドロフォーム法では基本的に1工程で最終形状にまで一体成形が可能であり、コスト低減がはかれる。

かくして、本発明により、軽量化、剛性・強度アップ、意匠性の向上を実現した自転車用クランクを少ない工程で製作可能となる。

図３(a)〜(d)は、本発明にかかるハイドロフォームによる自転車用クランクの製造方法の模式的説明図である。
ここに、ハイドロフォームとは、素材としての管材を金型内にセットして管内に注水し、必要に応じて管端からの軸押しを付与しながら、管内の圧力を上昇させ、金型形状に成形する方法である。従って、基本的に１工程での一体成形が可能であるという特徴を有する。加工の一つとしてのハイドロフォームそれ自体はすでに公知であり、本発明にあってもそれをそのまま利用すればよく、特に制限されない。本発明はそのように公知の成形方法であるが、従来、両端が閉じた一体構造であるというクランク本体の常識をうち破り、端部が開口してもいても機能を損なわい点に着目して、管材からのハイドロフォームによる成形を初めて利用するのである。

本発明によれば、まず、図３(a)に示すように、素材となる管材３０を用意する。このときの管材の製造方法には何ら制限されない。溶接管であっても継目無管であってもよい。

素材としては、軽量化のため比重が低く、剛性を上げるためにはヤング率が大きく、強度を上げるためには降伏点、引張強度が大きいものが望ましい。
しかしながら、素材の強度が高すぎると、成形が困難となるため、加工時には柔らかく、製品時には強度が高いことが望ましい。

これらの作用効果を実現するためには、次の２つの方法が考えられる。
第一の方法は、ｎ値が大きくて加工硬化しやすい素材を用い、ハイドロフォーム成形時の加工硬化を利用して製品の強度を上げるもので、例えばSUS304の様な素材である。

第二の方法は、素材の強度は比較的低くて加工しやすいが、成形後の熱処理で製品の強度を上げる方法であり、例えばβ型チタン合金を用いての時効熱処理や、炭素鋼を用いての焼き入れ等である。

次に、成形を行うのであるが、自転車のクランクは形状の意匠性が要求されるため、素材の成形限界に合わせて形状を変更することは適切でない。
ハイドロフォームで成形する際、断面周長の最大値と最小値の差が大きい場合は、最小周長に合わせた管を用いたのでは成形時の拡管率が大きくなりすぎて、成形できない場合がある。そのような場合は断面周長の最大値に相当する管を用意し、図３（ｂ）に示すように製品形状の周長分布に併せて、予めスエージングやダイス絞りによって素管の径を部分的に変更した予備成形素管３２を用いればよい。

次に、ハイドロフォーム法による成形を行うわけであるが、通常のハイドロフォーム法と同様に、図３（ｃ）に示すように、管材がハイドロフォーム金型内に収まるように、プレスにてプリフォームを行い、プレフォーム素管３４とする。その後、図３（ｄ） に示すように、プリフォーム素管３４をハイドロフォーム金型内にセットして内部に注水し、必要に応じて軸押しを付与しつつ内圧を上昇させ金型形状に成形する。記述を簡潔にするために、金型等の説明を省略する。

次いで、ペダルおよびギアの軸を取り付けるためのネジ・スプライン穴を設ける。
ハイドロフォームされた素材３６は、図３（ｅ）に示すように、端部の予長部を切断し、ギア軸及びペダル取付軸のためねじ穴３８、スプライン溝穴４０の孔開け加工を行う。このときの孔開けは適宜機械加工によって行えばよい。

その後、クランク軸、ペダルを取り付けるためのネジ・スプライン接合部材４２、４４をクランク本体に接合する。
ここで、接合部材は本体に図３（ｅ）で開けた各穴から挿入して取り付けるのではなく、図３（ｆ）に示すように、ネジ・スプライン接合部材等の締結部材は端部の開口部から挿入する構造であることが望ましい。

これはハイドロ成形品に開けた穴に差し込む形で取り付けられる構造になっていると、万一接合部が破断した場合、クランク本体やペダルが脱落することになり、極めて危険であり。万が一、接合がはずれても、仮に接合部が破損してもクランクが脱落しないようにするためである。

接合方法は溶接、接着等、特に限定しないが溶接部のHAZ軟化を防ぐため、レーザ溶接による溶接が望ましい。
このようにして、最終製品が図３（ｇ）に示すように完成する。

本発明品の自転車用クランク５０の形態を図４(a) 〜(c) に示す。
図４（ａ）はクランク５０端部の開口部はそのままとクロージングせずに製品としたものである。

図４（ｂ）は、図３の工程を経て成形されたクランク５０の端部の開口部にキャップ５２を取付たものである。このキャップ５２は端部には荷重がかからないため、軽量なプラスチック等で十分である。
薄肉中空品であることが、一目瞭然でわかるため、軽量部品であることを強くアピールでき、意匠性が高くなる。

図４（ｃ）は内部を軽量な充填材５４で埋めたものである。高強度材を用いて薄肉化を進めると、剛性の低下が生じ問題となる場合がある。その場合は中空な内部に、軽量な発泡樹脂等から成る充填材５４を充填することで剛性の低下を押さえることができる。

かくして、本発明では、素材として一体化した管を用いるため、最終製品も全体を薄肉中空とすることが可能である。
クランクの形状は断面周長が大きい部位が管端以外に位置し、管端部は比較的細い形状であり、ハイドロフォーム法による成形に適している。

ペダル、クランク軸と接続するためのネジ・スプライン等の締結部材は別に製作した部品を接合すればよい。

実施例を下記に説明する。
本発明にかかる自転車用クランクを図3示す以下の手順で製作した。
本クランクの断面周長は管端で最小値79.8mm最大値113mm全長は200mmであった。

本例では、素材として、直径27.1mm、肉厚1.5mmからなるSUS304溶接管を用意し、両管端を直径25.4mmにダイス絞りし、管端の周長を79.8mmとした素管を、プリフォームプレスでハイドロフォーム金型に入るように成形し、ハイドロフォームにより成形した。
次いで、余長部である両管端を切断し、ペダル側孔、ギア側の孔を打ち抜いた。ネジ・スプラインの締結部材は別部品を中空部の端部より挿入して嵌合させ、レーザ溶接によって溶接した。

両管端の開口部はそのままで製品としたものと、プラスチック製のキャップを接着した製品を製作した。
両端が開口したクランクは、意匠性が良好なだけでなく、自転車を走行時に開口部が空を切り、独特な趣を醸し出した。

本例では、直径34.0mm、肉厚1.5mmからなるβ型チタン合金管を用意し、多段ダイス絞りにより、各部位の拡管率が５％以内に収まる用に絞り、実施例１と同様にハイドロフォームにより成形した。継いで、時効熱処理を施し、強度、剛性を増加させた。その後、実施例１と同様に後加工を施した。

このようにして製造された製品はチタンの独特な表面を有し、極めて意匠性の高いものとなった。
次に、表１に先に説明した従来方法と前述した本発明に係る方法の優位性を示す。

ここで、剛性、静強度、疲労強度は、従来方法のクランクを１としたときの比である。
剛性、強度、疲労強度の試験条件は自転車にくみ上げた状態で、ペダルが上下の中間位置になる位置でギア側の軸を固定し、荷重を付与した。剛性は、定荷重をかけたときの変位で、強度は塑性変形するまでの荷重で、疲労強度は10⁷回以上繰り返し荷重をかけて破断しない荷重で評価した。

いずれの項目でも、従来方法のクランクよりも本発明のクランクの性能が良好であった。工程も大幅に低減し、ランニングコストは半減した。

一般的な自転車用クランクを説明する略式斜視図である。 図２(a)〜(e)は、従来の中空クランクの製造工程を説明する模式図である。 図３(a)〜(g)は、本発明の自転車用クランクの製造方法を説明する模式図である。 図４(a)〜(c)は、本発明にかかる自転車用クランクを示す略式斜視図である。

Claims (4)

1. クランク本体が、ハイドロフォーム法により一体成形された管体から構成されることを特徴とする自転車用クランク。
2. さらに、前記クランク本体に、クランクとペダルおよびクランク軸とを接続するための締結部材を設けたことを特徴とする請求項１記載の自転車用クランク。
3. 前記締結部材の外径が、ペダル軸およびクランク軸を通すためにクランク本体に開けられた孔よりも大きく、クランク本体端部からクランク本体の中空部に挿入されて組立てられていることを特徴とする請求項２記載の自転車用クランク。
4. 中空の前記クランク本体の両端部をクロージングせず、開口ままとしたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の自転車用クランク。

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