JP2005503286A

JP2005503286A - 自転車のクランクセット

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Publication number: JP2005503286A
Application number: JP2002535952A
Authority: JP
Inventors: ブルーノ、モンブリニー
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-10-19
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2005-02-03
Also published as: EP1350147A2; WO2002032751B1; AU2002231230A1; WO2002032751A9; US6829965B1; WO2002032751A2; WO2002032751A3; EP1350147A4

Abstract

【解決手段】２個の一体構造の薄壁で連続する管状部材からなる２部材の自転車のクランクセットで、各管状部材はクランクアームとクランク軸の半体部を具備し、クランクアームとクランク軸部が連続する薄壁管状形を形成し、２個の管状部材が、自転車のブラケットシェル内部の２個の軸受セットの中央で連結され、２個の管状部材を接続する継手は、外スリーブと、内スリーブと、２個の外面がテーパ状で内面がねじ切りされたブッシュと、ねじ切りしたスタッドとを具備し、ねじ切りしたスタッドを回転すると、ブッシュが内スリーブを膨張させる位置をとり、それによって２個の管状部材のクランク軸部が、内スリーブの膨張によって内スリーブと外スリーブの間に固定される。代わりに、締まりばめ継手が２個の管状部材を接続し、ほぞ孔部材とほぞ部材を具備し、ほぞ部材はほぞ孔部材に嵌合して連動し、第１管状を第２管状部材に固定し、締まりばめ継手は、さらに取付ボルトと離脱ボルトを具備して、組み立てと分解を容易にする。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的には自転車のクランクセット組立体に係り、特に、高強度で軽量な２部材の、連続する管状のテーパ状クランクセットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自転車レースにおいては、自転車コンポーネントの重量、強度および剛性が自転車競技者にとって最終的に重要である。強度と剛性の優れた軽量のコンポーネント（特に回転部品）が非常に求められている。
【０００３】
これらコンポーネントの特徴を扱う試みに関する情報は、エドワーズの米国特許第５，４９３，９３７号、デュラムの第４，７０４，９１９号、リチャードソンの第５，９２４，３３６号に見られる。しかし、これら参考文献のいずれに開示されている構造も、以下に述べるように少なくとも１つの欠点があり、重量を最小化しながら、最大の耐荷重を効果的に兼ね備えていない。
【０００４】
既存の自転車のクランクセットの多くは、クランクアームを連結した２部材のクランク軸からなる。クランクアームはクランク軸の部分に機械的に装着される個別の部材であることが多く、ガセット板により補強されることもある。機械的な装着点と補強用のガセット板は、不必要に装着部分の重量を増やすことになる。エドワーズの米国特許第５，４９３，９３７号は、クランクアームを連結した典型的な２部材のクランク軸を開示している。クランクアームはクランク軸に装着される個別部材で、ガセット板により補強されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
クランクアームとクランク軸（これを「クランクセット」と定義する）は著しい曲げモーメントとねじれ荷重を受けるため、これらの部材の強度と剛性は信頼性のある機能にとって重要である。クランクセットの重量を最小化することも望まれる。しかしながら、個々の部材を連結してクランクセットを形成するには、ガセット板により継手を補強する必要があり、その結果、望まないにもかかわらず重量が増す。このように重量が加わることに加え、エドワーズのクランク軸側のガセット板は最大の応力点にない。そのため、ガセット板は限定的な価値しか有していないといえる。
【０００６】
強度、剛性および重量に影響する２番目の設計要素は、クランクアームとクランク軸の形状である。現在の多くのクランクセットは、クランクアームの長さに沿って一定の断面積を有するクランクアームを具備する。クランクアームが支える応力はクランクアームの長長手方向に沿って一定ではないため、一定の断面積を有するクランクアームは重量に対して優れた耐荷重を具備しないことになり、このため最大の強度・剛性対重量の関係を達成するのに不利に働く。エドワーズの特許のクランクアームならびにクランク軸もその長手方向に沿って一定の断面積を有する。このことが、最軽量で最大の強度と剛性を達成するのを著しく制限している。部材の長手方向に沿って一定の断面積を維持すると、部材が追加荷重に耐えられなくなる。このため、寸法と重量を増大したからといって、構造的な強度はそれほど増加されない。
【０００７】
現在のクランクセットのなかには、ブラケットシェルの中にある２つのクランク軸部をスプライン継手により連結するものがある。エドワーズは、さらに２個の２部材の軸をスプライン継手により連結することを開示している。クランク軸に巨大な周期的な荷重が作用するのは周知の事実である。クランク軸で最も弱い部分は外径が最小のところであり、これは典型的には応力集中点である。スプライン継手は別の径の大きなクランク軸部内に径の小さなクランク軸部を連結するので、クランク軸の全体の支持力は径の小さな部分に制限される。エドワーズの設計の場合、これがスプライン継手で生じるので、クランク軸の径を大きくする必要がある。径が大きいと重量が増え、さらにより大型でより重い軸受が必要である。さらに、クランク軸の端部は構造的に閉成されないので、クランク軸は座屈荷重を受けやすいままである。自転車のブラケットをシェルに入れるという寸法の制限を考えると、スプライン継手はクランク軸全体の直径に対して最大の耐荷重を提供しない。
【０００８】
今の補強された重量の重い継手を備える大径のクランク軸のクランクセットには、大型で重い軸受セットが必要であるか、または軸受の場所をブラケットシェルの外側にする必要がある（リチャードソンのように）。ブラケットシェルの境界の条件は決まっているので、軸受セットが大きいと大径のクランク軸を収容するための空間が少なくなる。
【０００９】
より小型の軸受セットがクランク軸の荷重に耐えることができるような、高強度の材料で作られる軸受セットが望まれている。このように軸受セットが小さくなると大径のクランク軸のために、一般的にはブラケットシェル内部の空間が増え、そのためクランクセット組立体の幅が広がるという欠点のある軸受セットの位置をブラケットシェルの外側にしなくても、クランク軸の支持力が増すことになる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以上の問題を、半体のクランク軸部とクランクアームを組み合わせた一体構造設計の連続する管状部材を提供することにより解決するものである。これでジョイントとジョイントの補強部の重量がかさむのをおさえ、重量を最小化しながら優れた強度と剛性を効果的に提供する。
【００１１】
本発明は、クランクアームに沿った耐荷重に合わせて最適化されたテーパ状のクランクアームを提供する。これはクランクアームの長手方向に沿った荷重に耐えるためにクランクアームの長さに沿った各点に必要な最小の断面を効果的に提供する。一体構造で連続する設計が、クランクセットの各部材に均一かつ均等に応力を分配する。
【００１２】
本発明は、さらにクランク軸の径に対して効果的に耐荷重を最大化した、管状設計の均一なクランク軸の外径を提供する。
【００１３】
本発明は、さらに現在のクランクセットのものよりも実質的に小さい外径の高強度の軸受セットを提供し、そのため決められたブラケットシェルの外径の中により大きな外径のクランク軸を収容し、優れた耐荷重を有するクランクセットを提供する。
【００１４】
本発明は、軽量で優れた強度と剛性を備える２部材の自転車のクランクセットを提供することを目的としている。クランクセットは、好ましくは２個の薄壁管状部材からなる。管状部材は、比較的大径のクランク軸部と軽量でテーパ形のクランクアームを具備し、クランクアームの長手方向における各地点の管の断面積の大きさをねじれ、曲げおよびせん断の荷重によって決定し、クランクアームの遠位端にある補強インサートが様々なペダル軸、つまり連続する一体構造のクランク軸とクランクアームの管状部材の内部に組み込まれる管状ペダル軸を収容する。
【００１５】
本発明のクランクセットは現在のクランクセット組立体より著しく軽量で、優れた耐荷重を備えている。クランクセットは、好ましくはねじれ、曲げおよびせん断荷重が管状クランク軸とテーパ状のクランクアームの断面の寸法を決定するように設計される。管状部材は、好ましくは連続する管状部材全体に実質的に均一かつ均等に応力を分配するように設計され、成形される。
【００１６】
本発明のある態様において、クランクセットは、好ましくは現在のクランクセット組立体にあるものよりも小さな軸受セットを可能にし、大径のクランク軸のためにブランケットシェル内部に余分な空間を提供する、超高強度のボールベアリングのある軸受セットを具備する。
【００１７】
本発明の別の態様において、クランクセットは好ましくは、クランクセットの部材がクランク軸全長の半分となるように、クランク軸の中央で分かれている。２個の半体のクランク軸部は好ましくは２個の軸受セットの中央にあるブランケットシェルの中で連結されて、せん断荷重を効果的に取除く。
【００１８】
本発明の別の態様において、自転車のクランクセットは、好ましくは第１管状部材と、第２管状部材と、第２管状部材に接続されるスパイダと、第１管状部材と第２管状部材とをブラケットシェル内で固定する継手とを具備している。第１および第２管状部材は、好ましくは連続する一体構造の薄壁管状形を形成するクランクアームとクランク軸部とを具備している。
【００１９】
本発明のさらに別の態様において、第１管状部材および第２管状部材は、好ましくはさらにペダル軸を具備し、そこでクランクアームとクランク軸部とペダル軸が合わさって連続する一体構造の薄壁管状構造を形成する。別の態様において、スパイダが、好ましくはさらに第２管状部材の連続する薄壁管状形に組み込まれる。
【００２０】
本発明のさらに別の態様において、第１管状部材および第２管状部材は好ましくは射出成形によりアラミド繊維複合材料から形成される。代わりに、第１管状部材および第２管状部材は射出成形により炭素およびガラス繊維複合材料から形成されてもよい。さらに、第１管状部材および第２管状部材は、クラムシェル設計のスチール型打ち部品で、一緒に電子ビームまたはレーザにより溶接して、連続した一体構造の薄壁管状構造を形成してもよい。
【００２１】
本発明の別の態様において、クランクセットの継手は、好ましくは外スリーブと、内スリーブと、２個の外面がテーパ状で内面をねじ切りしたブッシュと、ねじ切りしたスタッドとを具備する。スタッドを回転してブッシュを内スリーブが膨らむように位置付け、第１管状部材および第２管状部材のクランク軸部を継手の内スリーブと外スリーブの間に固定する。
【００２２】
その態様のさらに別の面において、本発明は、クランクセットが１対の中空Ｌ字形の管状部材を具備し、Ｌ字形の管状部材の各々が、一体構造で単一部材の連続する壁を有し、Ｌ字形の管状部材の各々が、それぞれ第１閉端部および第２閉端部を備えた第１脚部と、第１脚部の中間点と第１脚部の第２端部との間の位置において第１脚部を連結する第２脚部とからなり、第２脚部が第１脚部との接合箇所の位置から離れた開端部を有する自転車のクランクセットを提供する。各管状部材の脚部の内部には仕切りがなく、互いに連通している。Ｌ字形の管状部材の第１閉端部は望ましくは丸みをつけられる。
【００２３】
管状部材の２番目のものは、好ましくは単一部材の連続する壁の一部として、それに一体的に形成されるスパイダを有する。スパイダは望ましくは第２管状部材の第２脚部と同軸上で、管状部材の第２閉端部付近にあり、スパイダが従来の自転車の駆動チェーンと駆動係合するのに適する。管状部材は好ましくは、第２脚部の共通軸に対して一体的に回転するために、その各第２脚部の複雑な開端部で同軸上に嵌合して結合するのに適している。
【００２４】
クランクセットは、さらに好ましくは複雑な開端部が嵌合する際に、一体的に回転するために第２脚部を締め付け固定するための解放自在の締め付け手段を具備する。解放自在の締め付け手段は、望ましくは嵌合した第２脚部を取り囲む外スリーブと、嵌合した第２脚部内部に配置され、第２脚部の開端部付近の第２脚部の内側環状面に対して外側に膨張するのに適した軸方向にテーパ状の内面を有する放射状に膨張可能な内スリーブとを具備し、それによって外方に圧迫して第２脚部を外スリーブに密着させる。解放自在の締め付け手段はさらに好ましくは、内スリーブ内に同軸上に配置されるねじ切りしたスタッドと、スタッドと螺合して、内スリーブの内側と軸方向に摺動可能に接触する外面が軸方向においてテーパ状のブッシュ手段とからなる。スタッドが回転すると、ブッシュはそれに沿って軸方向に動き、それによって内スリーブは第２脚部の環状面に対して放射状に外方に圧迫され、さらに第２脚部が外スリーブと密着するように外方に圧迫されて、それによって一緒に一体的な回転をするために第２脚部がその間に挟みこまれる。
【００２５】
本発明のさらに別の態様において、継手は、好ましくはほぞ孔部材とほぞ部材とからなる。ほぞは、好ましくはほぞ孔に差し込まれて、第１管状部材のクランク軸部を第２管状部材に固定する。この継手は、さらに管状部材の一方のボルト孔を貫通し、他方の管状部材の取付孔を螺合する取付ボルトを具備してもよい。取付ボルトを取付孔にねじ込むことによって、ほぞ部材をほぞ孔部材にしっかりと固定する。ほぞ孔とほぞ部材はテーパ状であってもテーパ状でなくともよい。この継手はさらに離脱ボルトを具備してもよく、そこで取付ボルトをはずして、離脱ボルトをボルト孔にねじ込んで貫通すると、ほぞ部材がほぞ孔部材から離間するようになる。
【００２６】
本発明のさらに別の態様において、ボルト孔は好ましくは１０ｍｍの外径を有し、取付孔は好ましくは８ｍｍの内径を有する。取付ボルトの外径を８ｍｍにすることができ、離脱ボルトの外径を１０ｍｍにすることができる。
【００２７】
本発明のさらに別の態様において、ほぞとほぞ孔部材は、好ましくはボロン複合材料である。代わりに、ほぞとほぞ孔部材は、高強度の金属材料とすることができる。
【００２８】
本発明の別の態様において、クランクセットは、好ましくはさらに２個の軸受セットの間の中央に位置するブラケットシェル内に継手を備えた２個の軸受セットを具備している。軸受セットは、外カップと、内カップと、シールと、セラミックボールとを具備してもよい。セラミックボールは、外カップ、内カップ、およびシールの内部に収容してもよく、保持器で互いに分離してもよい。外カップは好ましくはブラケットシェルと連通し、内カップは好ましくは管状部材の一方のクランク軸部と連通している。セラミックボールは窒化シリコンでもよい。外カップと内カップは５２１００スチールでもよく、硬化されて窒化チタンアルミニウムによりスパッタ被覆して、全体の硬度がロックウェル硬度９０を超えるようにしてもよい。シールはばね式のテフロン製ガータでもよい。保持器は、マイラー、ナイロン、デルリンまたは他のエンジニアリングプラスチックから作ることができる。
【００２９】
本発明の別の態様において、クランクアームは、好ましくはさらに様々なペダルを考慮するために内面をねじ切りしたチタン製インサートからなる。クランクアームはチタン製インサートを収容するために、チタン製インサート付近に、圧縮成形した中実の炭素繊維およびガラス複合材料部分を備えることができる。業界で知られているものよりも著しく軽量な本発明のクランクセットは、比較的外径の大きい管状薄壁セクションから構成されている。重量を減らすために強度と剛性を犠牲にしてはいない。
【００３０】
いくつかのエンジニアリング原理が強度と剛性と重量の関係を決めている。管状構造では、慣性モーメントが外径の４番目の力として挙げられるが、重量は外径の２乗で増えるだけである。さらに、閉じた管状構造は、開いた構造のものと比べ、巨大な回転モーメントを有している。これが強度と剛性が構造、つまりは重量に結びつく重要な変数である。
【００３１】
境界条件がさらに、部材の最大サイズと最小サイズを制限する。この境界条件には、ボトムブラケットシェルの外径、チェーンのための最低限の空間、そしてペダル間の所望の最大幅がある。境界条件を最も制限する２つの要素とは、クランクセットが様々な規格のペダルを収容することと、クランクセットを取付け易いように分離していることである。クランクセットの形状は境界条件に制限されるが、そうでなければ荷重に決定される。本発明のアプローチは、曲げ荷重をクランク軸端部の寸法の決定因子とし、ねじれ荷重をペダルのクランク軸付近の最小断面積の決定因子とすることである。クランクセットはこれら制約要因について設計されている。その態様の別の面では、本発明は連続する管状部材を提供する。荷重は、自転車を使う人、自転車におけるクランクの位置、および様々な外部条件によって、方向と大きさが変わる。クランクアームにおける主な荷重は曲げモーメントであり、クランク軸においてはねじれ荷重である。管状形はクランクセットの応力を実質的に均一かつ均等に全体に分配している。
【００３２】
その態様の別の面において、本発明は２個のクランクセットの部材を連結する方法を提供する。取付け易く、構造的な一体性を維持するために、クランクセットをクランク軸の中央で正確に分離している。継手がこの２個の部材を一緒に保持する。
【００３３】
【発明の実施の形態】
図面全部に、特に図１に８の符号を付した２部材の自転車のクランクセットが図示されている。このクランクセットはそれぞれ１０の符号を付した２個の連続する薄壁管状部材を具備している。各管状部材１０は、連続するクランクアーム４０と半体のクランク軸５０とを有している。補強ペダル軸インサート８０は、半体の軸５０から離れたアーム４０の端部に位置付けてもよい。クランクアーム４０はテーパ状である。補強インサート８０（図７に詳細に図示される）は、好ましくは各クランクアーム４０の遠位端にある。インサート８０は好ましくは中実で、好ましくは図示していない様々なペダルの装着ができるように、ペダル軸用の孔３０の内部に標準的な内ねじを具備する。駆動側の連続する管状部材１０はさらに１０Ｓの符号を付され、さらに望ましくはチェーンギアを取り付けることができるスパイダ６０を具備する。図１にはチェーンギアは図示していない。
【００３４】
２個の連続する管状部材１０は、それぞれ好ましくはクランク軸部５０を具備し、好ましくはクランクセット８のクランク軸の全長の半分と全く等しい軸方向の長さを有している。これにより、管状部材１０がブラケットシェル１４の内部において２個の軸受セット１６の中央に位置するように接続される。他の実施形態においては、クランク軸の軸方向の長手方向長さの半分以外の寸法にしたクランク軸部を有する管状部材１０でもよい。このように構成すると、管状部材１０の間の接続は、ブラケットシェル１４の内部の２個の軸受セット１６の中央に位置しない。
【００３５】
さらに、図１を参照すると、本発明の自転車のクランクセットの好適な実施形態においては、自転車のクランクセットには一般的に８の符号が付され、このクランクセット８は、１対の中空のＬ字形の管状部材１０、１０Ｓを具備し、Ｌ字形の管状部材１０、１０Ｓはそれぞれ一体的な構造で、３００の符号を付される単一部材の連続する壁を有している。Ｓは、従来の自転車のチェーンを駆動係合するためのスパイダ６０を備えた管状部材１０の一方を指す。
【００３６】
Ｌ字形の各管状部材１０は、それぞれ第１閉端部３０２および第２閉端部３０４を有する第１脚部４０を具備している。各管状部材１０は、さらに好ましくは、第１脚部４０の長手方向の中間点と第１脚部４０の第２端部３０４の間の位置において好ましくは第１脚部４０を連結する第２脚部５０を具備している。第２脚部５０は一端が接合箇所３１０の位置において第１脚部４０と連結して終わり、第２脚部５０と第１脚部４０の接合箇所３１０の位置から仕切りなく離れた第２端部１２を有している。
【００３７】
第１脚部４０は仕切りのない内部３０６を有しており、一方、第２脚部５０は仕切りのない内部３０８を有している。各管状部材１０、１０Ｓの脚部４０、５０の仕切りのない内部３０６、３０８は、好ましくは互いに連通している。
【００３８】
Ｌ字形の管状部材１０、１０Ｓの第１脚部４０の第１閉端部３０２は丸みをつけられている。
【００３９】
管状部材１０の２番目のものと称される管状部材１０Ｓは、好ましくは単一部材の連続する壁３００の一部として、好ましくはそれに一体的に形成されるスパイダ６０を有している。管状部材１０Ｓの第１脚部４０の仕切りのない内部３０６は、図１に示すようにスパイダ６０の内部まで延在している。
【００４０】
スパイダ６０は好ましくは管状部材１０Ｓの第１脚部４０の第２閉端部３０４付近に形成され、従来の自転車の駆動チェーンとの駆動係合に適するようになっている。
【００４１】
１対のＬ字形の管状部材１０、１０Ｓは、好ましくは各第２脚部５０の複雑な開端部１２において同軸上に嵌合して連結するのに適している。これによって自転車のクランクセット、特に連結したＬ字形の管状部材１０、１０Ｓの、第２脚部５０の共通軸を中心とした一体的な回転が容易になる。
【００４２】
クランクセット８は、好ましくはさらに各Ｌ字形の管状部材１０、１０Ｓの第２脚部５０を締め付けて固定するために、一般的には３１４の符号を付した解放自在の固定手段を具備している。これによって、複雑な開端部３１２が嵌合するとき、Ｌ字形の管状部材１０、１０Ｓの一体的な回転が容易になる。解放自在の固定手段３１４は、好ましくはさらに嵌合した第２脚部５０を取り囲む外スリーブ１２０と、嵌合した第２脚部５０の中に配置される放射状に膨張可能な内スリーブ１１０とを具備している。内スリーブ１１０は、好ましくは第２脚部５０の開端部１２に近い第２脚部５０の内側環状面に対して外側に膨張するのに適した軸方向にテーパ状の内面１３０を具備している。この外側への膨張が第２脚部５０を外方に圧迫して、外スリーブ１２０と密着させる。
【００４３】
解放自在な固定手段３１４は、好ましくはさらに内スリーブ１１０の中に好ましくは同軸上に配置されるねじ切りしたスタッド１５０を具備し、好ましくはさらにスタッド１５０を螺合する外面が軸方向にテーパ状のブッシュ手段１４０と、内スリーブ１１０の軸方向に摺動可能な接触内材１３０とを具備している。スタッド１５０が回転すると、ブッシュ１４０がそれに沿って軸方向に動き、内スリーブ１１０を第２脚部５０の内側環状面に対して放射状に外方に圧迫する。これにより第２脚部５０を外方に圧迫して外スリーブ１２と密着させ、それによって第２脚部５０は互いに一体的に回転するために内スリーブ１１０と外スリーブ１２０の間に挟持される。
【００４４】
図２を参照すると、各連続する管状部材１０は複雑に割れたまたは開いた端部１２を有している。２個の連続する管状部材１０がともに合わさる位置になると、クランクアーム４０が互いに１８０°の位置になる。このように、一方のクランクアーム４０のトルクが他方のクランクアーム４０に伝達される。
【００４５】
スリーブ付き継手１００は、好ましくは連続する管状部材１０をともに固定する。２個の半体のクランク軸５０を装着する複雑に割れた端部１２は、好ましくは図２および図５に示すように、スリーブ付き継手１００の内スリーブ１１０と外スリーブ１２０の間に挟持される。内スリーブ１１０の内面１３０は好ましくは、その中央部の厚い部分からその外側の縁の薄い部分まで円錐状をなすように先細に形成されている。
【００４６】
内スリーブ１１０の円錐状に先細になった内径１３０を接合して受けて収容するように外面が先細になった外径１６０を有する２個の突合せブッシュ１４０が、内スリーブ１１０の各端部にある。図６に示すようにブッシュ１４０が一緒に引かれるとき、外スリーブ１２０に対して半体のクランク軸５０を圧搾しながら、内スリーブ１１０を膨張させることになる。ブッシュ１４０は、好ましくはその内径１７０でねじ切りされ、ねじ切りしたスタッド１５０で一緒に引っ張られる。一方のブッシュ１４０が右ねじを螺設され、他方のブッシュ１４０が左ねじを螺設されている。ねじ切りしたスタッド１５０は各端部で逆方向にねじ切りされて、各ブッシュ１４０と合致して螺合し、スタッド１５０を回転することによって両ブッシュ１４０を一緒にスタッド１５０上に移動させることができる。スタッド１５０をある方向に回転と、半体のクランク軸５０を外スリーブ１２０に固定しながら、ブッシュ１４０を一緒に押動させることになる。スタッド１５０を反対方向に回転するとブッシュ１４０は離間して、半体のクランク軸５０は外スリーブ１２０に強固に装着された状態から解放される。
【００４７】
スタッド１５０は、図８に示すように、その長さ方向が軸方向に延びる六角形の孔１８０を有している。スタッド１５０は、好ましくは孔１８０に挿入される対応する六角形のキーレンチ（図示せず）により回転される。
【００４８】
本発明は、周知の自転車のクランクセット組立体より優れた点をいくつか提供する。
【００４９】
図１を参照すると、円形に近い楕円形の断面を備えた連続する管状部材１０は、クランクセットの応力を本質的には均一かつ均等に全体に分配するような形状に形成されている。この設計は、構造的な応力をペダル軸インサート８０からクランクアーム４０を通りクランク軸５０を横切って、図示しないチェーンギアを嵌合するスパイダ６０まで、連続する管状部材１０の薄壁２０に沿って本質的には均一に分配することになる。スパイダ６０は、その一体的な部分であるため、駆動側の連続する管状部材１０Ｓを補強している。管状部材１０の一部としてスパイダ６０を製造することで、重量が最小化される。
【００５０】
別の利点として、標準ねじを使用して、中実の補強インサート８０を使うことにより、ほとんど重量が加わることなく様々な高性能のペダルに対応できることになる。２個の連続する管状部材１０は、また自転車への取付けが実用的で簡単にできるように設計されている。クランクセットを分離することにより、つまりクランク軸に沿って部材１０、１０Ｓを正確に中央で分離することにより、構造的な一体性を保ちながら簡単な取付けが実現される。連続する管状部材１０、１０Ｓの複雑な割れ目１２により、中央のジョイントに応力が著しく集中することなく、クランクセットの片側から反対側にトルクを伝達することができる。
【００５１】
クランクセット、具体的には管状部材１０は多数の材料から製造できるが、クランクセットは、好ましくは極限強さを十分に活用できるように管状部材１０、１０Ｓ優先の材料から製造される。ある好適な実施形態においては、この材料はアラミド繊維複合材料である。別の実施形態においては、材料は炭素およびガラス繊維複合材料である。さらに別の実施形態においては、連続する管状部材１０はクラムシェル構造として、一緒に電子ビームまたはレーザ溶接されるスチール型打ち材である
連続するクランクアーム４０のテーパ状の設計によれば、テーパ状ではないクランクアームの約２／３しか材料が要らない。また、テーパ状のクランクアーム４０は真っ直ぐなクランクアームと同じ荷重に耐えることができる。そのため、重量を著しく減らしながら、構造的な性能を維持することができる。
【００５２】
単一部材で一体構造の連続する管状部材１０の別の実施形態が図９に示されているが、図３に示すものの代替案である一体構造の連続する薄壁管状部材４０であり、望ましくはクランク軸５４と、クランクアーム４０と、ペダル軸補強インサート用の孔８２とを具備している。管状部材１０は、アラミド繊維複合材料や炭素およびガラス繊維複合材料などの薄壁２０の構造を有する複合材料から製造することができる。代わりに、管状部材１０はクラムシェル構造で一緒に電子ビームまたはレーザ溶接するスチール型打ち部品とすることができる。複合材料の実施形態は望ましくは射出成形され、好ましくは単一部材の連続する一体構造の管状部材である。スチールにより製造する場合、一緒に型打ちして溶接するが、管状部材１０には形状に不連続点がなく、機械的な接合箇所もなく、しかも接続点や補強ガセット板がないので、依然として部材１０は連続する一体構造となっている。複合材料とスチールの両実施形態の連続する一体構造の設計は、強度と剛性を犠牲にすることなく重量を最小化することを可能にする。
【００５３】
図１０は、図４に示すものの代替案の駆動側の連続する管状部材１０Ｓの別の実施形態の側面図であり、スパイダ６０と、クランクアーム４０と、ペダル軸補強インサート用の孔８２とを具備している。
【００５４】
図１１は、図１０に示されるような駆動側の管状部材１０の別の実施形態の平面図であり、クランク軸５４と、スパイダ６０と、クランクアーム４０と、ペダル軸３２とを示している。図１０および１１に示される駆動側の管状部材１０も、薄壁２０の構造を有する複合材料、またはスチール型打ち溶接部品から製造することができ、どちらの場合にも望ましくはペダル軸３２を連続する単一部材の一体式の構造に組み込むことになる。
【００５５】
スパイダ６０はスプロケットタング６１を具備しており、図示していないチェーンを噛合させる。駆動側の管状部材１０の複合材料の実施形態では、各スプロケットタング６１の近くのスパイダ６０の領域は中実として、チェーンから作用する荷重に耐え得るようにする。駆動側の管状部材１０のスチール型打ち材の実施形態では、スプロケットタング６１を中空として、クラムシェルの不可欠な部分として形成される。
【００５６】
図１２には、ほぞ孔部材２０２とほぞ部材２０４を有する締まりばめ継手２００が示されている。ほぞ孔部材２０２とほぞ部材２０４は、それぞれ好ましくは図１４に示す末広がりの先端２１６で終わる円筒形の管状壁２０７を具備している。ほぞ孔部材２０２とほぞ部材２０４は、好ましくは管状部材１０のクランク軸部５４に円筒形のスリーブを装着するように被着され、好ましくはクランクセット８の各管状部材１０からクランクセット８のクランク軸の全長の半分の距離まで延びるクランク軸を形成している。図９および図１１のそれぞれに示す線５２は、ほぞ孔部材２０２またはほぞ部材２０４の末広がりの先端２１６の構造が延びて、実際に各管状部材１０のクランク軸５４の部分にスリーブを装着するように被着する範囲を示している。３ＭＤＰ−４２０などの高強度エポキシ構造接着剤を望ましくは０．２２８６ｍｍ（０．００９インチ）から０．２７９４ｍｍ（０．０１１インチ）の厚さの層として使用して、ほぞ孔部材２０２またはほぞ部材２０４を管状部材１０のクランク軸５４に装着する。
【００５７】
図１８および図２０に示す管状部材１０の半体のクランク軸部５０は、管状部材１０のクランク軸５０の部分をスリーブを装着するように被着するほぞ孔部材２０２またはほぞ部材２０４を具備し、好ましくはテーパ状ではなく、互いに１８０°の位置で相対するクランクアーム４０と整列される。図１８および図２０は、また半体のクランク軸部５０にプレス嵌めされる外カップ２２０と内側シール２２９を示している。締まりばめ継手２２０が継手２００全体にトルクと曲げモーメントを効果的に伝達する。
【００５８】
図１４に示すように、ブラケットシェル１４の中で継手２００が２個の軸受セット１６の中央に位置付けられることにより本質的にせん断荷重が除去される。締まりばめ継手２００を使用して、クランクセット８の不要な背隙や遊びをなくすことができる。
【００５９】
図１３は、テーパ状の４面雄部材２１２とテーパ状の４面雌部材２１４を有するテーパ状の４面継手２１０を示している。雄部材２１２と雌部材２１４は、それぞれテーパ状の４面を有しており、各部材の４面がそれぞれ同じ表面積である。テーパ状の４面継手２１０は好ましくはスチール製である。各部材２１２、２１４は、好ましくは末広がりの先端２１６で終わる円筒形の管状壁２０７を具備している。締まりばめ継手２００と同様に、雄部材２１２と雌部材２１４は管状部材のクランク軸部５４に円筒形のスリーブを装着するように被着して固定され、クランクセット８の各管状部材１０からクランクセット８のクランク軸の全長の半分の距離まで延びるクランク軸を形成している。図９および図１１のそれぞれにある線５２は、雄および雌のテーパ状の４つの部材２１２、２１４の末広がりの先端２１６の構造が延びて、具体的に各管状部材１０のクランク軸部５４にスリーブを装着するように被着する範囲を示している。
【００６０】
テーパ状の４面継手２１０も相対するクランクアーム４０と互いに相対して整列され、継手２１０の全体に本質的にはすべてのトルクと曲げモーメントを効果的に伝達するようになっている。２つの軸受セット１６の間に継手２１０を中央に配置したことにより、本質的にはせん断荷重を除去することができる。
【００６１】
締まりばめ継手２００とテーパ状の４面継手２１０が、半体のクランク軸部５０の装着点全体に実質的に均一に荷重を分配している。末広がりの先端２１６により不均一な応力の分配を最小化することができる。スリーブ付き継手２００は広い面積に軸受の荷重を分配し易くし、管状部材１０に荷重が集中するのを最小化することができる。管状部材１０が複合材料から作られる場合、管状部材１０への集中荷重は最小化しなければならない。
【００６２】
締まりばめ継手２００は、より経済的で製造工程が簡単なため、スプライン付き継手や、あるいはテーパ状の４面継手２１０よりも優れている。テーパ状の４面継手２１０は、好ましくは鋳造、鍛造または型打ちされるので、使用前にかなりの加工を要する。締まりばめ継手２００は標準的なフライス盤で加工でき、すぐに使用可能である。他の継手は、まず製造した後に磨き上げたりというより高いレベルの加工が必要である。締まりばめ継手２００は極めて丈夫で、組み立て中に継手２００を締付けすぎてもほとんどあるいは全く損傷しない。
【００６３】
組立ておよび分解のために、締まりばめ継手２００とテーパ状の４面継手２１０は、それぞれ一方のクランク軸部５０にボルト孔２０６と、他方のクランク軸部５０の部分に取付孔２０８を具備している。孔２０６にあるボルト孔は孔２０８にある取付孔よりも内径が大きい。ボルト孔と取付孔は内面がねじ切りされている。
【００６４】
締まりばめ継手２００またはテーパ状の４面継手２１０を組立てるために、取付孔または孔２０８のものと外径の等しいねじ切りした取付ボルトをボルト孔２０６に通して、取付孔２０８に入れる。取付ボルト２０９を取付孔２０８にねじ込むと（図１７に図示）、取付ボルト２０９のテーパ状の頭がボルト孔２０６の内径よりも大きいため、ほぞ孔２０２とほぞ２０４の部材（またはテーパ状の４面継手２１０の雄部材２１２と雌部材２１４）が引張られて嵌合する。取付ボルト２０９は、望ましくは４．９ｇのチタン製のアレンヘッドボルトとする。
【００６５】
取付ボルト２０９を使用することにより継手の組立てを簡単にできるので、つまり、締まりばめ継手２００のほぞ孔部材２０２およびほぞ部材２０４か、またはテーパ状の４面継手２１０の雄のテーパ状の部材２１２および雌のテーパ状の部材２１４のいずれかを一緒に引張ることができるので、取付ボルト２０９は締まりばめ継手２００またはテーパ状の４面継手２１０の各部材をクランクセット８の使用中に一緒に保持する必要はない。取付ボルト２０９は継手の組立ての後に取外してもよい。
【００６６】
つまみ４２（図１〜図４、図１８および１９に図示）を取外すと、継手の組立ておよび分解のために、つまりねじ切りしたスタッド１５０の操作のため、または取付ボルト２０９あるいは離脱ボルトの取付け／取外しのために、ブラケットシェル１４の中の継手（スリーブ付き継手１００、締まりばめ継手２００またはテーパ状の４面継手２１０のいずれか）に手を届かせることができる。つまみ４２はチタン製であり、クランクアーム４０の溝の中にプレス嵌めされて、異物を封じ出すために２重Ｏリングを有している。
【００６７】
締まりばめ継手２００またはテーパ状の４面継手２１０を分解するには、取付ボルト２０９を取外す。ボルト孔２０６の内径と外径の等しいねじ切りした離脱ボルト（図示せず）を、ボルト孔２０６にねじ込んで、離脱ボルトの末端がほぞ２０４をほぞ孔２０２との係合から離脱するまで、または雄のテーパ状の４面部材２１２が雌のテーパ状の４面部材２１４との係合から離脱するまで挿入する。代わりに、取付ボルト２０９を取付孔２０８にねじ込みながら、離脱ボルトをボルト孔２０６にねじ込んで、各ボルトの末端が継手２００、２１０の中で対峙させることもできる。一方の（または両方の）ボルトを残りのボルトの末端に当てて回転させると、ほぞ孔２０２がほぞ部材２０４から外れるか、または雄のテーパ状の４面部材２１２が雌のテーパ状の４面部材２１４から外れる。分解に取付ボルト２０９と離脱ボルトの両方を使用することにより、締まりばめ継手２００またはテーパ状の４面継手２１０の連動部材は絶対に損傷することがない。
【００６８】
締まりばめ継手２００とテーパ状の４面継手２１０は、好ましくは優れた疲労特性と高靭性を有する超高強度の耐食性の金属から製造する。ある好適な実施形態では、１７−４ＰＨの時効硬化したステンレススチールが使用される。１７−４ＰＨスチールは、２００，０００ｐｓｉ以上の強度になるように硬化できる（標準スチールは６０，０００ｐｓｉの降伏強さを有している）。１７−４ＰＨスチールは靭性、耐食性および疲労強さが優れている。
【００６９】
図１４は、ブラケットシェル１４の中の２個の軸受セット１６の中央に配置した締まりばめ継手２００の上断面詳細図である。各軸受セット１６は、外カップ２２０と、内カップ２２２と、セラミックボール２２４と、保持リング２２６と、外側シール２２８と、内側シール２２９とを具備している。
【００７０】
ある実施形態では、セラミックボール２２４は直径３．２ｍｍの窒化シリコンである。外カップ２２０および内カップ２２２（外カップ２２０が図１６に示されている）は約ロックウェル硬度６０まで硬化した５２１００スチールである。カップ２２０、２２２をさらに窒化チタンアルミニウムによりスパッタ被覆すると、カップ２２０、２２２の硬度はロックウェル硬度９０を超える。硬度を与えることに加え、スパッタ被覆はカップ２２０、２２２の潤滑性を高め、耐食性を与えることになる。
【００７１】
保持リング（図１５に示される）は、マイラー、ナイロン、デルリンなどの材料、あるいセラミックボール２２４を分離でき、ボール同士のすり合わせを防ぐことができれば、どのようなエンジニアリングプラスチックでもよい。シール２２８、２２９（図１６に外カップ２２０の不可欠な部分として内側シール２２９を示している）は好ましくはばね式テフロン製ガータシールであり、制動トルクをあまり与えないようにしながら、ゴム製のリップシールよりもクランク軸に２５から５０倍の力を与えることができる。同様に、外側シール２２８は好ましくは内カップ２２２の不可欠な部分として形成される。
【００７２】
図２０を参照して、ブラケットシェル１４の中のクランクセット８の組立てについて説明する。一体的な内側シール２２９を備える外カップ２２０と、ハウジング保持リング２２６と、セラミックボール２２４をブラケットシェル１４にねじ込む。管状部材１０の半体のクランク軸部５０（内カップ２２２と一体的な外側シール２２８を備える）を、ブラケットシェル１４の各末端に挿入する（外カップ２２０と保持リング２２６の中で）。つぎに、締まりばめ継手２００を合わせる（要すれば取付ボルト２０９を使って）。最後に軸受セット１６の外カップ２２０と内カップ２２２を少し分離して、軸受セット１６に予荷重を加える（クランクセット８から遊びをとる）。外カップ２２０または内カップ２２２のいずれかをねじ戻せば、ブラケットシェル１４の中を調整するためにクランクセット８は約２〜３ｍｍ横に動く。組立てにはシムやスペーサは必要ない。外カップ２２０はロックタイトで適宜な場所に固定される。
【００７３】
標準的なペダルを収容するために、複合材料の実施形態のクランクセット８の補強インサート８０を好ましくは内面にねじ切りして、好ましくはチタニウム製とする。補強ペダル軸インサート８０は、好ましくは、クランクアーム４０の補強インサート用の孔８２の中の適所に成形またはエポキシ樹脂により接着する。複合材料のクランクアーム４０の領域（孔８２の近く）は好ましくは中実の炭素繊維およびガラス複合材料とし、圧縮成形される。クランクアーム４０の中空のセクションは、発泡スチロールプラグの周りを圧縮成形されるか、または形状に合わせてナイロンゴムあるいは真直ぐなラテックスゴムによりゴム成形される。スチール製のクランクセット８の場合、補強インサート８０は好ましくは別に加工し、好ましくはクランクアーム４０の末端またはクランクアーム４０を貫通して適宜な場所に溶接される。１以上のガセット板など他の材料により補強インサート８０を囲む必要はない。
【００７４】
本発明のこれら利点は、以上の明細書から当業者には明らかである。本発明の広範な発明の概念を逸脱することなく、前述した実施形態に変更や変型を行なえることは当業者に理解できる。そのため、本発明はこれに記載のある実施形態に制限されるものではなく、請求項に定義されるように、発明の範囲と精神の範囲内にあるすべての変更と変型を含もうとしていることは理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施形態によるブラケットシェル内に連結した２部材のクランクセットの上断面図
【図２】図１に示すクランクセットのハウジングを詳述する一部切断した上断面分解図
【図３】図１に示すクランクセットのハウジングを詳述する一部切断した上断面分解図
【図４】スパイダを有する管状クランクアームを示した図１のクランクセットハウジングの左側面図
【図５】ブッシュが操作位置にはない図１に示すクランクセットの継手部分の上断面分解図
【図６】ブッシュが操作位置にある図５に示す継手の上断面分解図
【図７】ペダル軸を支えるために使用する補強インサートの横断面図
【図８】ブッシュを省略した図５に示す継手の端面図
【図９】本発明によるクランクアームとクランク軸部と補強インサート用の孔とを具備する図３に示す管状部材の別の実施形態の平面図
【図１０】本発明による図４に示すスパイダを有する管状部材の別の実施形態の側面図
【図１１】すべて本発明によるクランクアームとクランク軸部とスパイダとペダル軸とを具備する図４に示すスパイダに接続される管状部材の別の実施形態の平面図
【図１２】本発明に従ってほぞ孔部材とほぞ部材とを具備する締まりばめ継手の分解斜視図
【図１３】本発明による雄部材と雌部材からなるテーパ状の４面継手の分解斜視図
【図１４】本発明によるブラケットシェル内部の２個の軸受セットの中央に配置した締まりばめ継手の破断上面詳細図
【図１５】本発明による軸受セットの玉軸受を備える保持リングの斜視図
【図１６】本発明による軸受セットの一体型内側シールを備える外カップの斜視図
【図１７】本発明による締まりばめ継手用またはテーパ状の４面継手用の取付ボルトの斜視図
【図１８】本発明による図９に示す管状部材の斜視図であり、締まりばめ継手のほぞ部材が管状部材に装着されて、一体型外側シールをもつ内カップをほぞ部材にプレス嵌合している状態を示す図
【図１９】本発明による図１０に示すスパイダを有する管状部材の側面図であり、さらに継手の組立てと分解のためのアクセスホールをカバーするつまみを示す図
【図２０】本発明による締まりばめ継手を有するクランクセット組立体の分解斜視図

Claims

自転車のクランクセットにおいて、
ａ．第１管状部材と、
ｂ．第２管状部材と、
ｃ．第２管状部材に接続されるスパイダと、
ｄ．第１管状部材と前記第２管状部材とを固定する継手と
を有し、
前記第１管状部材および前記第２管状部材のそれぞれが、
ａ．クランクアームと、
ｂ．前記クランクアームを備えたクランク軸部であって、連続する一体構造の薄壁管状構造とされたクランク軸部と
を具備することを特徴とする自転車のクランクセット。
前記クランク軸部がクランクセットの半分の軸の長さであることを特徴とする請求項１に記載のクランクセット。
テーパ状の前記クランクアームが、クランクアームの長さ全体に応力を均一かつ均等に分配する楕円形の断面を有していることを特徴とする請求項１に記載のクランクセット。
前記第１管状部材および前記第２管状部材がアラミド繊維複合材料製で、射出成形されていることを特徴とする請求項３に記載のクランクセット。
クランクセットを自転車のブラケットシェルの中で組立てる組立方法において、
ａ．軸受セットの外カップを前記ブラケットシェルの両端のそれぞれにねじ込み、
ｂ．前記軸受セットの内カップを、２個の前記クランクセットの部材のクランク軸部のそれぞれに挿入し、
ｃ．２個の前記クランクセットの部材の一方の前記クランク軸部を、前記各軸受セットの外カップと保持リング内の前記ブラケットシェルの各端部に挿入し、
ｄ．２個の前記クランクセットの部材の前記クランク軸部を連動させ、
ｅ．２個の前記軸受セットに予荷重を加え、
ｆ．前記外カップを前記ブラケットシェルに固定する
ことを特徴とする組立方法。
前記クランクセットの部材の２個の前記クランク軸部を、一方のクランク軸部にあるほぞ部材をもう一方のクランク軸部の末端にあるほぞ孔部材に嵌合させることによって連動させることを特徴とする請求項５に記載の組立方法。
取付ボルトを一方の前記クランク軸部の末端にあるボルト孔に貫通させ、他方の前記クランク軸部の末端にある取付孔に螺合して、前記ほぞ部材を取付ボルトによりほぞ孔部材に嵌合させることを特徴とする請求項６に記載の組立方法。
自転車のクランクセットにおいて、
ａ．それぞれ一体的な構造で、単一部材の連続する壁を有する１対の中空のＬ字形の管状部材を具備し、前記各管状部材が、
ｉ．それぞれ第１閉端部および第２閉端部を有する第１脚部と、
ｉｉ．前記第１脚部の軸方向の中点と前記第１脚部の第２端部の間の位置に前記第１脚部を連結し、前記第１脚部との接合部位置から離れた開端部を有する第２脚部と、
ｉｉｉ．互いに連通する、前記各管状部材の前記脚部の内部と、
ｉｖ．丸みをつけられている、前記Ｌ字形の管状部材の第１閉端部と
を備えており、
ｖ．２番目の前記管状部材は、前記第２閉端部の近傍において、前記第２管状部材の前記第２脚部と同軸上に、前記単一部材の連続する壁の一部としてそれに一体的に形成され従来の自転車の駆動チェーンと駆動係合するのに適しているスパイダを備えており、
ｖｉ．前記管状部材は、前記第２脚部の共通軸を中心に一体的に回転するために、各第２脚部の複雑な開端部で同軸上において嵌合して結合するのに適しており、
さらに、
ｂ．前記複雑な開端部が嵌合するとき、前記一体的な回転をするために前記第２脚部を締め付けて固定するための解放自在な締め付け手段を具備し、前記締め付け手段が、
ｉ．嵌合する前記第２脚部を取り囲む外スリーブと、
ｉｉ．嵌合する前記第２脚部の内部に配置され、軸方向にテーパ状の内面を有し、前記第２脚部の内側環状面に対して外側に膨張するのに適し、前記第２脚部を外方に圧迫して前記外スリーブと密着させる放射状に膨張可能な内スリーブと、
ｉｉｉ．前記内スリーブ内に同軸上に配置されるねじ切りしたスタッドと、
ｉｖ．前記スタッドに螺合し、前記スタッドに沿ってブッシュが軸方向に回転する動きにより前記内スリーブの内面に軸方向に摺動可能に接触する外面が軸方向にテーパ状のブッシュ手段と
を備えており、
前記スタッドの回転により、このスタッドに沿ったブッシュの軸方向の動きが前記内スリーブを前記第２脚部の環状の内面に対して放射状に外側に動かし、前記第２脚部を外方に圧迫して、前記外スリーブに密着させ、前記第２脚部を互いに一体的に回転させるためにその間に挟みこむことを特徴とする自転車のクランクセット。