JP2006123699A - 樹脂製自転車フレーム又はその部品、及びそれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量で低コスト、かつ高精度の高強度樹脂製自転車フレーム又はその部品を提供する。
【解決手段】 主材樹脂に対し、平均長さ：９〜１４ｍｍのフィラーを４０〜７５重量％の範囲内で添加混合させてなる樹脂製自転車フレーム又はその部品とする。これにより、軽量で低コスト、かつ耐衝撃性や引張り強度、ヤング率や可とう性、振動吸収性など機械的特性に優れ、自由造形が可能でしかも寸法公差にバラツキのない高精度かつ高強度の自転車フレーム又はその部品を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、樹脂製の自転車フレーム又はその部品に関し、軽量で低コスト、かつ耐衝撃性や引張り強度、ヤング率や可とう性、振動吸収性など機械的特性に優れ、自由造形が可能でしかも寸法公差にバラツキのない高精度かつ高強度の自転車フレーム又はその部品を提供することを目的とする。

自転車用のフレームは、主に所定の径と強度を有する鉄製金属パイプを、例えば上パイプ、下パイプ、あるいはメーンパイプ、立パイプ、シートステー等のほか、チェーンステー用などとしてそれぞれ一定の長さに切断し、これらを溶接等により接合して構成する。

しかし、最近では軽量化や耐食性の要請から鉄製金属パイプに代えてアルミやステンレス、あるいはカーボンロッド等が用いられるようになった。 また靭性や耐衝撃特性を向上させる目的で繊維強化プリプレグを用いることも提案されている（特開平５−２５５５２３・特開平５−６９８７４）。 さらに可とう性をより一層向上させて乗り心地性を向上させる目的で、近時樹脂材を用いる試みも散見される。

樹脂材を用いる提案としては、例えば自転車のフレームをＦＲＰ製のモノコック構造とし、さらにその中空コアの外面にガラス繊維プリプレグを複数枚重ね合わせるとともに、その外周面に熱収縮性フィルムを巻き付けて一定温度に加熱することにより、上記ＦＲＰ製薄肉の中空コアとガラス繊維プリプレグとを一体化させるようにしたものが知られている（特開平１１−１９２９９１号公報参照）。

また自転車フレームを炭素繊維を含んだ繊維強化型の樹脂を用いて左右の樹脂製シェルにより形成するようにし、シート部とヘッド部とを直線的に結ぶ部材の突き合わせ部と、ヘッド部とペダル部とを直線的に結ぶ部材の突き合わせ部に、予め成形してあるシェルを重ね合わせて接合一体化するようにしたフレームの製造方法も知られている（特開平７−１１７７７０号公報参照）。

さらに、これに関連して繊維強化樹脂材料として、炭素繊維クロスに熱硬化型ビニルエステル系樹脂を３０％含浸させたＳＭＣシートを用いてシート部とヘッド部とを直線的に結ぶ部材と、ヘッド部とペダル部とを直線的に結ぶ部材とを、それぞれ左右のシェルにより構成し、さらにこれらシェルの突き合わせ部に予め成形してあるシェルを重ね合わせて接合一体化するようにした樹脂製のフレームも知られている（特開平７−１１２６８８号公報参照）。
特開平５−２５５５２３ 特開平５−６９８７４ 特開平１１−１９２９９１ 特開平７−１１７７７０ 特開平７−１１２６８８

しかしながら、アルミ材は化学的侵食に弱く、また疵もうけやすいのみならず、ヤング率が低く振動吸収性に劣り、また強度的に十分ではないために自転車用フレームとして用いる場合には厚めの肉厚のものを用いる必要があり、その結果あまり大きな軽量化をはかることはできない。 またアルミやステンレスの使用は接合のための十分な溶接強度が得がたく、しかもコスト高となるために一般的ではない。

またシート状の炭素繊維にエポキシ等の熱硬化型樹脂を染み込ませた中間素材を多層に積層して用いるプリプレグや一般的なモノコック構造とする場合には構造が煩雑で生産性が悪く、しかも高コストとなるところから低コスト化を目指す自転車用のフレーム材としては現実性がない。 さらに炭素繊維を含んだ繊維強化型の樹脂を用いて左右の樹脂製シェルによりフレームを形成（特開平７−１１７７７０）し、あるいはフレーム材として炭素繊維クロスに熱硬化型ビニルエステル系樹脂を３０％含浸させたＳＭＣシートを用いる（特開平７−１１２６８８）ものも、結局はモノコック構造であるために前記したのと同様に構造が煩雑で生産性が悪く、しかも高コストとなるのを免れない。

また一般的に自転車フレームやそれらの部品を樹脂材により成型する場合には樹脂組成物をインジェクションにより金型内に充填する方法が現在のところ、成形性や表面性状、あるいは低コストの面などからみて最も有利であるが、反面において成型時の熱収縮による影響が大きく、そのために寸法精度にバラツキを生じやすいといった問題がある。 上記した現状により、また高度の安全性が要求される自転車フレーム又はその部品について、これを安価でかつ生産性のよい樹脂成型物により構成したものは現在のところ実用化に至っていない。

そこで本発明にあっては、成型性が容易で寸法公差が小さく、しかも精度にバラツキがなく、伸びや弾性率など機械的特性に優れた高強度の樹脂製自転車フレームやそれらの部品を得るようにしたものであって、具体的には請求項１の発明は、主材樹脂に対し、平均長さ：９〜１４ｍｍのフィラーを４０〜７５重量％の範囲内で添加混合させてなる樹脂製自転車フレーム又はその部品に関する。

また請求項２の発明は、主材樹脂が熱可塑性樹脂であるところの請求項１に記載の樹脂製自転車フレーム又はその部品に関する。 さらに請求項３の発明は、主材樹脂がポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ウレタン系樹脂、ポリエチレン系樹脂、高密度あるいは超高密度ポリエチレン系樹脂であるところの請求項１に記載の樹脂製自転車フレーム又はその部品に関する。 さらに請求項４の発明は、主材樹脂がスチレン系樹脂であるところの請求項１に記載の樹脂製自転車フレーム又はその部品に関する。

さらに請求項５の発明は、主材樹脂中に添加混合されるフィラーが、ガラス繊維、炭素繊維、マグネシウムオキシサルフェートウイスカー、アラミド繊維、ステンレススチール繊維、セラミックス繊維、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンズオキサゾール）繊維のうち、少なくとも１種または２種以上の混合であるところの請求項１に記載の樹脂製自転車フレーム又はその部品に関する。 さらに請求項６の発明は、自転車フレーム用樹脂成形部品が、立パイプ、上パイプ、下パイプ、メインパイプ、前ホーク、バックホーク、チェーンステー、シートステー、ヘッドラグ、ハンガーラグ、シートラグのいずれかであるところの請求項１に記載の樹脂製自転車フレームの部品に関する。

さらに請求項７の発明は、自転車フレーム用樹脂成形部品の接続部が、内・外部応力分散型構造であるところの請求項１に記載の樹脂製自転車フレームの部品に関する。 さらに請求項８の発明は、主材である熱可塑性樹脂に対し、平均長さ：９〜１４ｍｍのフィラーを少なくとも４０〜７５重量部添加混合し、これをインジェクション加工により部品成型するようにした樹脂製自転車フレーム又はその部品の製造方法に関する。

さらに請求項９の発明は、主材樹脂中に添加混合されるフィラーが、ガラス繊維、炭素繊維、マグネシウムオキシサルフェートウイスカー、アラミド繊維、ステンレススチール繊維、セラミックス繊維、ＰＢＯ繊維（ポリパラフェニレンベンズオキサゾール）の少なくとも１種、または２種以上の混合であるところの請求項８に記載の樹脂製自転車フレーム又はその部品の製造方法に関する。

本発明は上記したように、主材樹脂に対し、平均長さ：９〜１４ｍｍのフィラーを４０〜７５重量％の割合の範囲内で添加混合させた自転車フレーム又はその部品成型用樹脂組成物を用いて成型された自転車フレーム又はその部品であるために、成型が簡単でしかも低コストでありながら伸びや弾性率、耐衝撃性や引張り強度、振動吸収性などの機械的特性にきわめて優れ、また走行時の振動吸収性に優れて衝撃緩和効果が大きく乗り心地性が格段に向上するとともに、自由造形が可能であり、さらに成型時の熱収縮による影響が大幅に減少されて寸法公差がきわめて小さく、しかも精度にバラツキのない自転車フレーム又はその部品製品の量産が可能となる。

また自転車フレームを樹脂成型するために、フレーム中にブレーキや変速器の操作ワイヤー、あるいは前照灯や後尾灯の電気配線を埋設した状態で成型することができるために自転車としての外観性がきわめて良好となる。 さらに自転車フレーム用樹脂成形部品の接続部が、内・外部応力分散型構造である場合においては、ラグとパイプ等の各接続部分において、局所的な応力負荷がなく自転車フレーム全体としての強度バランスが良好となりフレームの全体強度が著しく向上する。

以下において本発明の具体的な内容を説明すると、図１には本発明の第１実施例があらわされている。 すなわち第１実施例では、特殊な樹脂組成物を用いて各部を一体成型した本発明に係る自転車のフレームがあらわされている。 同図において１はヘッドラグ部、２はハンガーラグ部、３はシートラグ部、４は上パイプ部、５は下パイプ部、６は立パイプ部、７はチェーンステー部、８はシートステー部の各部をあらわし、これらの各部分は樹脂組成物により自転車のフレームとして相互に一体成型されている。

また図２には本発明の第２実施例があらわされている。 すなわち第２実施例では、ヘッドラグ１１、ハンガーラグ１２、シートラグ１３、上パイプ１４、下パイプ１５、立パイプ１６、チェーンステー１７、シートステー１８の各部分が、自転車フレームの構成部品として特殊な樹脂組成物を用いてそれぞれ独立して成型された部品を組み合わせて構成された自転車のフレームがあらわされている。 これら各部分はそれぞれの継ぎ手ａ〜ｈを用いて接着等により相互に一体化して自転車のフレームを構成する。

なお、本発明に係る特殊な樹脂組成物により成型される自転車フレームの部品としては、上記したもののほかに、ハンドル、ハンドルポスト、シートポスト、メインパイプ、前ホーク、およびダイナモハブ、キャリヤ、泥除け、ドレスガード、サドルの舟線、ホイール、スポーク、クランク、ベル、カゴ、ブレーキシュー、ディスクブレーキ、電動アシスト車のコンピュータボックスなども含まれる。

また本発明の自転車フレーム又はそれらの部品を成型するための組成物として用いられる主材樹脂としては、リサイクル性に優れ、また低温で加工機械の耐久性が保てるという点で主に熱可塑性樹脂が用いられる。 なかでもポリオレフィン系樹脂が好ましく、さらにポリアミド系樹脂、ウレタン系樹脂、ポリエチレン系樹脂、高密度あるいは超高密度ポリエチレン系樹脂であってもよく、さらにはスチレン系樹脂であってもよい。

ポリオレフイン系樹脂は大別すると、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂あるいはポリエチレン系樹脂とポリプロピレン系樹脂の混合物からなるもの等に分類することができる。 ポリエチレン系樹脂としては、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、直鎖状低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）、アクリル系ビニルモノマーとエチレンとの共重合体（ＥＥＡ、ＥＭＭＡ等）あるいは酢酸ビニルモノマーとエチレンとの共重合体（ＥＶＡ）等を挙げることができる。

これらのうち高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）及び直鎖状低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）は、耐熱性が高く且つ安価に入手できる為、特に好ましい。 これらのポリエチレン系樹脂は、単独で用いても良いし、また２種以上を組み合わせて用いることもできる。

またポリプロピレン系樹脂としては、ホモのポリプロピレン、プロピレンとエチレン、ブテン−１、ペンテン−１、ヘキセン−１等の他のα−オレフィンとの共重合樹脂（ブロック、ランダムを含む）等を挙げることができる。

また主材樹脂中に添加混合されるフィラーについては、ガラス繊維、炭素繊維、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）繊維、ピッチ系、ＳＵＳ等の無機繊維状フィラーが用いられる。 またマグネシウムオキシサルフェートウイスカー等の針状フイラー、その他ステンレススチール繊維、セラミックス繊維、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンズオキサゾール）繊維を用いることもできる。 実際にはこれらのうち１種または２種以上の混合とすることもできる。 なお上記主材樹脂には、流動性付与剤、あるいは芳香族ビニル単量体／共役ジエン単量体の水素添加ブロック共重合体に加えて他のゴム状重合体を併用するなど他の添加剤を適宜添加混合することを妨げない。

また針状のフィラーとしては、チタン酸カリウム、マグネシウムオキシサルフェート、硼酸アルミニウム、ウォラストナイト、セビオライト、ゾノトライト、ホスフェートファイバー、ドーソナイト、石膏繊維、ＭＯＳ、針状炭酸カルシウム、テトラポット型酸化亜鉛、炭化珪素あるいは窒化珪素よりなるウイスカー等を挙げることができる。 上記したもののうち、特にガラス繊維、炭素繊維、マグネシウムオキシサルフェートウイスカーは高い剛性を有するので本発明で用いるフィラーとしては最も好適である。

繊維状若しくは針状のフィラーは、平均の直径が０．０１μｍ未満では、補強効果が小さく、機械的強度改良の効果が充分ではない。 また反対に１０００μｍを越えると分散性が低下し、同様に機械的強度改良の効果が充分ではない。 したがって平均の直径が０．０１〜１０００μｍ程度のものが用いられるが、好ましくは０．１〜５００μｍ、更に好ましくは１〜１００μｍ、最も好ましくは５〜５０μｍ程度のものが用いられる。

また平均のアスペクト比（長さ／直径）については、５未満では、異方性が不足し補強効果が小さい。 また反対に２５００を越えると成形加工時流動性が充分でなく成形加工上において問題がある。 したがって５〜２５００程度の範囲のものが用いられるが、より好ましくは１０〜１５００の範囲のものがよい。

さらに上記フィラーの長さについては本発明の最も重要な要素であり、平均長さが９ｍｍ未満では樹脂の補強効果が十分ではなく、また１５ｍｍ以上のものを用いると成型しずらく、しかも表面に露出しやすくなるなるなど、かえって不具合を生ずる。 したがって良好なフィラーの平均長さについては９〜１４ｍｍの範囲、好ましくは１０〜１２ｍｍの範囲のものがよい。

また主材樹脂に対するフィラーの添加割合については、３５重量％以下では主材樹脂の補強効果が少なく、また７８重量％を超えると主材樹脂の接着力が弱まるばかりかフィラーの一部が表面上に突出して成型品の表面性状がかえって悪化するので３８〜７５重量％、好ましくは４０〜７０重量％、さらに好ましくは４５〜６５重量％の範囲がよい。

上記したフィラーのうちガラス繊維や炭素繊維は、単独で使用することもできるし、また混合して使用することも可能である。 とくに炭素繊維は本発明における熱可塑性樹脂組成物から成形される成形品の剛性をアップする効果がガラス繊維よりも高価であるので、ガラス繊維と炭素繊維を混合して使用することにより、比較的安価で且つ高強度・高剛性の成形品である熱可塑性樹脂組成物製の自転車フレーム又はその部品類を成型することができる。

この場合、ガラス繊維あるいは炭素繊維等のフィラーは市販のものを利用することもできる。 このフィラーは事前に無水マレイン酸またはシランカップリング剤、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂等で処理したものが補強効果が高くより好ましい。

なお、上記したフィラーを主材樹脂に混合してなる本発明の樹脂組成物を用いて自転車フレーム又はその部品を成型する場合の具体的な手法については、環境温度に左右されることなく、またフィラーの偏析が起こり難く、しかも品質にバラツキのない成型品の量産が可能であり、自由な形状形成が可能であるとともに成型品の表面性状が良好であり、しかも成型時間が短く作業性にすぐれる点でインジェクション成型法が好ましい。

なお、本発明の樹脂組成物製自転車フレームを成型する場合に、各ラグを本発明の樹脂組成物により成型するとともに、これらのラグと上パイプ等のパイプとを接合する場合には、パイプは必ずしも樹脂製のものに限らず、アルミ材その他の金属製のものであってもよい。

さらに本発明の樹脂組成物製成型物について説明すると、ヘッドラグ部、ハンガーラグ部、立パイプ部、シートラグ部、上・下パイプ部あるいはメインパイプ部、立パイプ部の各部を自転車のフレームとして相互に一体成型した自転車フレームがある。 また自転車フレームを構成するための部品としてヘッドラグ、ハンガーラグ、シートラグ、上・下パイプあるいはメインパイプ、立パイプ、あるいは前ホーク、チェーンステー、シートステーなどがある。

さらには上記以外の自転車用部品としてダイナモハブ、キャリヤ、泥除け、ドレスガード、サドルの舟線、ホイール、スポーク、クランク、カゴ、ブレーキシュー、ディスクブレーキ、電動アシスト自転車のコンピュータボックスなども含まれる。

また本発明の樹脂組成物を用いた自転車フレーム用樹脂成型部品に関し、それらの接続部分を内・外部応力分散型構造とすると、ラグとパイプ等の各接続部分において、局所的な応力負荷がなく自転車フレーム全体としての強度バランスが良好となりフレームの全体強度を著しく向上させることができる。

すなわち図３（Ａ）にも例示したように、例えばラグ２１の接続部２１ａの内周側を先端方向にかけて次第に肉薄となるようテーパー２２を付すとともに、外周側にパイプ２４の端部内周側を接着剤を介して嵌合一体化するようにすると、両部材２１・２４の接続部区間Ｘにおいて局所的な極端な応力負荷がかかることなく、接続部のバランス強度が著しく良好となる。

また図３（Ｂ）にも例示したように、例えばパイプ２４の接続端部内周側を先端方向にかけて次第に肉薄となるようにテーパー２５を付すとともに、これに対応するラグの接続部２１の外周側を、同じく先端方向にかけて肉薄となるようテーパー２３を付して両部材を接着剤を介して接合した場合においても両部材２１・２４の接続部区間Ｘにおいて局所的な極端な応力集中がなく、前記した（Ａ）の場合と同様に接続部の先端にかかった応力負荷を次第に基部方向に移動させることができるため、接続部のバランス強度が著しく良好となる。

〔サンプル１〕 主材樹脂として高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）を用意し、これに平均の直径：０．１μｍ、平均長さ：１０ｍｍの炭素フィラーを４５重量％添加混合して得た樹脂組成物を用いて成型した自転車フレーム用パイプ
〔サンプル２〕 主材樹脂として直鎖状低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）を用意し、これに平均直径：０．０５μｍ、平均長さ：９ｍｍのガラス繊維フィラーを４０重量％添加混合して得た樹脂組成物を用いて成型した自転車フレーム用パイプ
〔サンプル３〕 主材樹脂として直鎖状低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）を用意し、これに平均直径：０．０２μｍ、平均長さ：６ｍｍのガラス繊維フィラーを４８重量％添加混合して得た樹脂組成物を用いて成型した自転車フレーム用パイプ
〔サンプル４〕 主材樹脂として直鎖状低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）を用意し、これに平均直径：０．０２μｍ、平均長さ：１０ｍｍのガラス繊維フィラーを８０重量％添加混合して得た樹脂組成物を用いて成型した自転車フレーム用パイプ

上記の各サンプルをインジェクション成型法により樹脂成型して自転車のフレームを成型し、これをＡＳＴＭ試験法により引っ張り強さ、曲げ強さ、曲げ弾性率、アイゾット衝撃強さについての機械的強度の試験をおこなった結果、これらの総合的評価として以下に示す結果を得た。

サンプル１ ◎
サンプル２ ○
サンプル３ △ （フィラーの平均長さが短い）
サンプル４ × （フラーの混合割合が過剰で樹脂の接着強度が劣る）
〔評価 ： ◎＝十分な強度 ○＝実用に耐える
△＝実用には耐えない ×＝強度不足〕

本発明により樹脂成型された自転車フレームの一例をあらわしたフレームの側面図。 本発明により樹脂成型された自転車フレームの部品を組み合わせて接合させた状態の自転車フレームの側面図。 本発明により樹脂成型された自転車フレーム部品の接続部に内・外部応力分散型構造を適用した場合の一例をあらわした要部断面図。

符号の説明

１ ヘッドラグ部
２ ハンガーラグ部
３ シートラグ部
４ 上パイプ部
５ 下パイプ部
６ 立パイプ部
７ チェーンステー部
８ シートステー部
１１ ヘッドラグ
１２ ハンガーラグ
１３ シートラグ
１４ 上パイプ
１５ 下パイプ
１６ 立パイプ
１７ チェーンステー
１８ シートステー
２１ ラグ
２１ａ 接続部
２２ テーパー
２３ テーパー
２４ パイプ
２５ テーパー
ａ〜ｈ 継ぎ手
Ｘ 接続部区間

Claims (9)

1. 主材樹脂に対し、平均長さ：９〜１４ｍｍのフィラーを４０〜７５重量％の範囲内で添加混合させてなる樹脂製自転車フレーム又はその部品。
2. 主材樹脂が熱可塑性樹脂であるところの請求項１に記載の樹脂製自転車フレーム又はその部品。
3. 主材樹脂がポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ウレタン系樹脂、ポリエチレン系樹脂、高密度ポリエチレン系樹脂のいずれかであるところの請求項１に記載の樹脂製自転車フレーム又はその部品。
4. 主材樹脂がスチレン系樹脂であるところの請求項１に記載の樹脂製自転車フレーム又はその部品。
5. 主材樹脂中に添加混合されるフィラーが、ガラス繊維、炭素繊維、マグネシウムオキシサルフェートウイスカー、アラミド繊維、ステンレススチール繊維、セラミック繊維、ＰＢＯ繊維のうち、少なくとも１種または２種以上の混合であるところの請求項１に記載の樹脂製自転車フレーム又はその部品。
6. 自転車フレーム用樹脂成形部品が、立パイプ、上パイプ、下パイプ、メインパイプ、前ホーク、バックホーク、ヘッドラグ、ハンガーラグ、シートラグ、チェーンステー、シートステーのいずれかであるところの請求項１に記載の樹脂製自転車フレームの部品。
7. 自転車フレーム用樹脂成形部品の接続部が、内・外部応力分散型構造であるところの請求項１に記載の樹脂製自転車フレームの部品。
8. 主材である熱可塑性樹脂に対し、平均長さ：９〜１４ｍｍのフィラーを少なくとも４０〜７５重量部添加混合し、これをインジェクション加工により部品成型するようにした樹脂製自転車フレーム又はその部品の製造方法。
9. 主材樹脂中に添加混合されるフィラーが、ガラス繊維、炭素繊維、マグネシウムオキシサルフェートウイスカー、アラミド繊維、ステンレススチール繊維、セラミック繊維、ＰＢＯ繊維のうち少なくとも１種、または２種以上の混合であるところの請求項８に記載の樹脂製自転車フレーム又はその部品の製造方法。

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