JP3137942U - 自転車用構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量かつ剛性に優れ、走行時の空気抵抗が少ない自転車用構造体を提供すること。
【解決手段】自転車のメインフレームを構成する自転車用構造体１であって、ハニカムコア部１１とその両主面に設けられる表面部１２とから構成されるハニカムコアサンドイッチ構造を有し、かつ板状であるもの。
【選択図】図１

Description

本考案は、自転車の製造に用いられる自転車用構造体に係り、特に自転車のメインフレームを構成する自転車用構造体に関する。

従来、自転車の主要部品においては、走行時の空気抵抗の低減や軽量化の観点から様々な検討がなされている。例えば、走行時の空気抵抗を下げるため、スポークとして細い金属線の代わりにアルミ製の円板状ディスクホイールの使用が検討されている。一方、軽量化のため、フレーム素材として軽量金属材料等の使用が検討されており、例えば強度に優れ、薄肉化による軽量化が可能なクロームモリブデン鋼等の使用が検討されている。このような薄肉クロームモリブデン鋼の使用や、溶接技術の進歩によって、現在、競技用自転車のフレームについては２２００ｇ以下といった軽量化が達成されている。

上記したように、自転車の主要部品においては走行時の空気抵抗の低減や軽量化の観点から様々な工夫がなされている。しかしながら、従来のパイプ構造を採用したフレームについては、走行時の空気渦流による空気抵抗が大きく、またそれ以上の軽量化も難しいという問題がある。

本考案は、上記課題を解決するためになされたものであって、自転車のメインフレームを構成する自転車用構造体であって、軽量かつ剛性に優れ、走行時の空気抵抗が低減されたものを提供することを目的としている。

本考案の自転車用構造体は、自転車のメインフレームを構成するものであって、前記ハニカムコア部とその両主面に設けられる表面部とから構成されるハニカムコアサンドイッチ構造を有し、かつ板状であることを特徴としている。

前記ハニカムコア部は、アラミド製ハニカムおよびアルミニウム製ハニカムの中から選ばれる少なくとも一種からなり、前記表面部は、炭素繊維からなる基材に熱硬化性樹脂が含浸、硬化されてなるものであることが好ましい。また、前記炭素繊維の引張弾性率は、２５０ＧＰａ以上９５０ＧＰａ以下であることが好ましい。

前記自転車用構造体の厚みは４ｍｍ以上２５ｍｍ以下であることが好ましく、また前記自転車用構造体は軽量化のための板厚方向に貫通する貫通孔を有することが好ましい。

本考案によれば、自転車のメインフレームを構成する自転車用構造体をハニカムコア部とその両主面に設けられる表面部とから構成されるハニカムコアサンドイッチ構造を有するものとし、かつ板状とすることで、軽量かつ剛性に優れ、走行時の空気抵抗も低減されたものとすることができる。

以下、本考案について説明する。
図１は、本考案の自転車用構造体１の一例を示すものであり、自転車のメインフレームとなる自転車用構造体１を示したものである。ここで、図（ａ）は自転車用構造体１の一部切り欠き平面図であり、図（ｂ）は図（ａ）に示される自転車用構造体１のＡ−Ａ断面図である。

本考案の自転車用構造体１は、例えば図（ａ）に示されるように五角形状の外形形状を有し、前方側にヘッド部２を有し、後端側上部にシート部３を有し、略中間下部にクランク部４を有している。ヘッド部２には、例えば図示しないハンドルポストや前輪ホークを回転可能に支持する斜め上下方向に貫通する貫通孔であるヘッド支持部５が設けられており、シート部３には、例えば図示しないシートポストを支持する上部側に開口する孔部であるシート支持部６が設けられている。また、クランク部４には、例えば図示しないペダルに繋がるクランク軸を回転可能に支持する厚み方向に貫通する貫通孔であるクランク支持部７が設けられている。

本考案の自転車用構造体１は、図１（ｂ）に示されるようにハニカムコア部１１の両主面にそれぞれ表面部１２が設けられたハニカムコアサンドイッチ構造を有し、板状のものである。ここで、ハニカムコア部１１および２つの表面部１２のいずれも板状のものである。２つの表面部１２はそれぞれ自転車用構造体１の左右両側面を形成するように配置され、ハニカムコア部１１は自転車用構造体１の左右方向の中心、すなわち２つの表面部１２の間に配置されている。

ハニカムコア部１１は、例えば図１（ａ）に示されるような平面形状が六角形状とされたセルの集合体であり、セルの両端の開口部が自転車用構造体１の左右両側面側となるように配置されている。そして、表面部１２は、このハニカムコア部１１のセルの両端の開口部を塞ぐように配置されている。

ハニカムコア部１１におけるセル形状は、例えば図１（ａ）に示されるような平面形状が六角形状のものが好適なものとして挙げられるが、例えば三角形状、四角形状、円形状等であってもよく、必ずしも限定されるものではない。セルサイズは２ｍｍ以上１２ｍｍ以下であることが好ましい。セルサイズが２ｍｍ未満であると、ハニカムコア部１１の重量が増加するために自転車用構造体１の軽量化が難しく、１２ｍｍを超えると、自転車用構造体１の強度や剛性を確保することが難しくなる。なお、セルサイズとは、セルの内径のうち最大となる内径とする。

さらに、ハニカムコア部１１の厚みは２ｍｍ以上２４ｍｍ以下であることが好ましい。ハニカムコア部１１の厚みが２ｍｍ未満であると自転車用構造体１の剛性を確保することが難しく、２４ｍｍを超えると、自転車用構造体１の剛性は確保しやすくなるが、走行時の空気抵抗が多くなるため好ましくない。

ハニカムコア部１１は、例えば紙製ハニカム、アルミニウム製ハニカム、アラミド製ハニカム等からなるものであり、これらの中でも特に軽量かつ剛性に優れるものとする観点からアルミニウム製ハニカムまたはアラミド製ハニカムが好ましい。このようなアルミニウム製ハニカム、アラミド製ハニカムとしては、公知の製造方法によって製造されたものを用いることができ、また一般にアルミニウム製ハニカム、アラミド製ハニカムとして市販されているものを使用することもできる。

例えば、アラミド製ハニカムとしては、以下のようにして製造されたものを用いることができる。すなわち、主成分たる細かく切断されたパラ系アラミド繊維と、つなぎ・バインダーとして機能する細かく切断されたメタ系アラミドパルプとを抄紙すると共に、カレンダー加工してパラ系のアラミドシートを製造する。そして、このアラミドシートに対し一定幅とピッチで条線状に接着剤を塗布した後、一定長さ毎に切断し、このように切断された多数枚のアラミドシートを、条線状に塗布された各接着剤が半ピッチずつずれた位置関係で重積する。さらに、重積されたアラミドシートを加熱加圧して相互間を条線状の接着剤にて接着した後、重積方向に引張力を加えて展張する。これにより各アラミドシートが条線状の各接着剤による接着箇所の縁に沿って折曲されると共に、接着箇所以外の箇所が分離、離隔され、アラミドシートからなるセル壁によって区画形成されたパラ系のアラミド製ハニカムが製造される。

このようにして製造されたアラミド製ハニカムには、事後処理として補強用の樹脂がセル壁に付着、含浸されていてもよい。すなわち、アラミド製ハニカムは、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ビニールエステル樹脂、ＭＭＡ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂が適宜選択、貯溜された浴槽中に浸漬された後、取り出されて乾燥され、これによりセル壁に補強用の樹脂が付着、含浸されてもよい。

なお、アラミド製ハニカムの製造に用いられるアラミドシートとしては上記したものに限られず、例えばパラ系アラミド繊維とパラ系アラミドパルプとの組み合わせ、メタ系アラミド繊維とパラ系アラミドパルプとの組み合わせ、メタ系アラミド繊維とメタ系アラミドパルプとの組み合わせを有するものであってもよい。また、アラミドシートとしては、アラミド繊維とアラミドパルプとの他に、つなぎ・バインダーとして機能する樹脂を含むものであってもよい。このような樹脂としては、例えばフェノール樹脂、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）樹脂等のビニル系樹脂、その他の水溶性の熱硬化性樹脂が好適に用いられるが、エポキシ樹脂、ナイロン樹脂、その他の非水溶性の熱硬化性樹脂を用いることもできる。

さらに、アラミドシートからのアラミド製ハニカムの製造についても上記したような展張法に限られず、例えばコルゲート法によるものであってもよい。コルゲート法によるアラミド製ハニカムの製造は、例えば以下のようにして行われる。まず、アラミドシートをコルゲート成形装置の１対のギヤやラック間に供給して加熱加圧することにより、波形の凹凸が連続的に折曲形成されたアラミド波板を成形する。その後、成形、切断された複数枚のアラミド波板を、上下相互間で、波の半ピッチ分ずつずらせつつ重積し、接着剤によって接着する。これにより、条線状に接着されたアラミドシート製のアラミド波板をセル壁とし、このセル壁にて区画形成された多数のセルの平面的集合体よりなるハニカムコア、つまりアラミド製ハニカムが製造される。なお、このコルゲート法によるアラミド製ハニカムについても、展張法と同様に、事後処理として補強用の樹脂がセル壁に付着、含浸されてもよい。

このようなアラミド製ハニカムについては、補強用の樹脂がセル壁に付着、含浸される前のハニカム状態での密度（素材密度）が０．０１６ｇ／ｃｍ^３以上０．１６０ｇ／ｃｍ^３以下（１ポンド／ｆｔ^３以上１０ポンド／ｆｔ^３以下）であることが好ましい。素材密度が０．０１６ｇ／ｃｍ^３未満であると、自転車用構造体１の剛性を確保することが難しく、一方０．１６０ｇ／ｃｍ^３を超えると、自転車用構造体１の剛性は確保しやすくなるが、軽量化が難しくなる。

一方、表面部１２は単なる樹脂板等であってもよいが、好ましくは繊維基材に熱硬化性樹脂を含浸、硬化してなるものが好ましい。このような繊維基材を構成する繊維としては、例えばガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール）繊維等が挙げられるが、これらの中でも剛性を確保しつつ、製造コストを低減させる観点から炭素繊維が好ましく、特に剛性を確保する観点から引張弾性率が２５０ＧＰａ以上９５０ＧＰａ以下の炭素繊維が好ましい。なお、炭素繊維の引張弾性率はＪＩＳ Ｒ ７６０１−１９８０によって測定されるものである。

繊維基材としては、例えば一方向に引き揃えられたＵＤ形状、２軸に織られた平織りもしくは朱子織り形状、または３軸に織られた３軸織り形状が挙げられ、これらは単独で用いてもよいし、複数種を併用してもよい。

また、繊維基材に含浸、硬化させる熱硬化性樹脂としては、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ビニールエステル樹脂、ＭＭＡ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられ、これらは適宜選択して用いることができる。

各表面部１２の厚みは必ずしも限定されるものではないものの、それぞれ０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であることが好ましい。表面部１２の厚みが０．１ｍｍ未満であると自転車用構造体１の剛性を確保することが難しく、２．０ｍｍを超えると、自転車用構造体１の剛性は確保しやすくなるものの、重量が増加することにより軽量化が難しくなるため好ましくない。

自転車用構造体１は、特にハニカムコア部１１がアルミニウム製ハニカムまたはアラミド製ハニカムからなり、その両主面に設けられる表面部１２が炭素繊維からなる基材に熱硬化性樹脂を含浸、硬化させてなるものが好ましい。このようなものとすることで、軽量かつ剛性に優れ、製造コストも低減されたものとすることができる。

また、自転車用構造体１の厚みは４ｍｍ以上２５ｍｍ以下であることが好ましい。自転車用構造体１の厚みが４ｍｍ未満であると強度や剛性を確保することが難しく、走行時の安定性等が低下するおそれがあるため好ましくない。また、自転車用構造体１の厚みが２５ｍｍを超えると重量が増加しやすく、また走行時の空気抵抗も大きくなるため好ましくない。

次に、本考案の自転車用構造体１の他の例について説明する。本考案の自転車用構造体１は必ずしも図１（ａ）に示されるような外形形状のものに限定されず、例えば図２〜４に示されるような外形形状であってもよい。すなわち、図２に示されるように、ヘッド部２とシート部３とを繋ぐ上部フレーム２１、ヘッド部２とクランク部４とを繋ぐ下部フレーム２２、およびシート部３とクランク部４とを繋ぐシートフレーム２３を有し、それらによって囲まれた部分が軽量化のために板厚方向に貫通する貫通孔２４とされたものであってもよい。

貫通孔２４としては、例えば自転車用構造体１（メインフレーム部分）の外形形状に合わせた五角形状のものの他、例えば図３に示されるような長方形状のものであってもよく、また例えば図４に示されるような複数の円形状のものであってもよい。さらに、図示しないが、貫通孔２４を設ける代わりに、自転車用構造体１の外形部分を一部切り欠いて切り欠き部を設けてもよい。いずれにしても、自転車用構造体１の強度、剛性、走行時の空気抵抗、デザイン性等を考慮して、貫通孔２４または切り欠き部の形状、大きさ、個数等を適宜決定することが好ましい。

以上、本考案の自転車用構造体１について説明したが、本考案の自転車用構造体１については図１〜４に示されるようにヘッド支持部５、シート支持部６およびクランク支持部７を有していることが好ましいが、本考案の自転車用構造体１には必ずしもこれらのものの一部または全部が設けられていなくてもよい。また、本考案の自転車用構造体１については必ずしも図１〜４に示されるような五角形状の外形形状を有している必要はなく、例えば図２に示されるような上部フレーム２１、下部フレーム２２およびシートフレーム２３のうち、上部フレーム２１または下部フレーム２２の一方を有しないような外形形状、すなわち略Ｌ字形状等の外形形状であっても構わない。

さらに、本考案の自転車用構造体１については必ずしも全ての部分がハニカムコアサンドイッチ構造になっている必要はなく、所定の部分についてはハニカムコア部１１の代わりに強度や剛性を高める補強材等として他の部材が挿入、配置されていてもよい。例えば、ヘッド支持部５、シート支持部６、クランク支持部７等の周辺部分については、強度や剛性を確保するため、ハニカムコア部１１の代わりに例えば繊維基材に熱硬化性樹脂を含浸、硬化してなる四角状、円形状、ドーナツ形状等の繊維強化複合材が挿入、配置されていてもよい。

また、本考案の自転車用構造体１についてはメインフレーム部分のみからなるものに限られず、例えばメインフレーム部分の後端部にシートステーやチェーンステーを有するものであってもよい。なお、このようなシートステーやチェーンステーを有するものについては、少なくともメインフレーム部分がハニカムコアサンドイッチ構造を有する板状のものであればよく、シートステーやチェーンステーについては必ずしもハニカムコアサンドイッチ構造を有する板状のものである必要はなく、従来のパイプ構造を有するものであってもよい。

次に、本考案の自転車用構造体１の製造方法について説明する。まず、ハニカムコア部１１となるものとして例えば紙製ハニカム、アルミニウム製ハニカム、アラミド製ハニカム等のハニカムを用意すると共に、表面部１２となるものとして繊維基材に熱硬化性樹脂を含浸してなる樹脂含浸シートあるいは繊維基材に熱硬化性樹脂を含浸、半硬化してなるプリプレグを用意する。そして、ハニカムコア部１１となるハニカムの両主面にそれぞれ表面部１２となる樹脂含浸シートあるいはプリプレグを重ね合わせて熱圧成形し、それらを一体に接着してハニカムコアサンドイッチ構造体を得る。その後、得られたハニカムコアサンドイッチ構造体をルーター切削等の機械加工によって所定の外形形状に加工し、また必要に応じて軽量化のための貫通孔２４を設けると共に、ヘッド支持部５、シート支持部６、クランク支持部７等となる貫通孔あるいは孔部を設けることで自転車用構造体１を得ることができる。

このような自転車用構造体１の製造においては、表面部１２を形成するものとして樹脂含浸シートあるいはプリプレグを用いる代わりに、予め繊維基材に熱硬化性樹脂を含浸、完全硬化させてなる繊維強化複合板等を用いることもできる。この場合、ハニカムコア部１１となるハニカムの両主面に表面部１２となる繊維強化複合板等を接着剤、プリプレグ等によって貼り合わせることで、それらを一体に接着してハニカムコアサンドイッチ構造体を得ることができる。その後は、上記したようにルーター切削等の機械加工によって所定の外形形状に加工することで自転車用構造体１を得ることができる。

なお、自転車用構造体１の製造については、上記したようにハニカムコアサンドイッチ構造体を製造した後、不要部分を切断して自転車用構造体１とする代わりに、予め不要部分が切断されて所定の形状に加工されたハニカム、およびプリプレグまたは繊維強化複合板等を用い、ハニカムコアサンドイッチ構造体の製造と同時に自転車用構造体１を得るようにしてもよい。

次に、実際に本考案の自転車用構造体１として図２に示される自転車用構造体１を製造したため説明する。

まず、ハニカムコア部１１となるハニカムとして、パラ型アラミド繊維であるテクノーラ（帝人株式会社製）を用いたアラミドペーパーからなり、セルサイズが３．２ｍｍ（１／８インチ）、素材密度が０．０２９ｇ／ｃｍ^３（１．８ポンド／ｆｔ^３）であるものにフェノール樹脂を含浸させたコア厚みが２０ｍｍのもの用意した。

また、表面部１２となるものとして、ＰＡＮ系炭素繊維であるテナックス（東邦テナックス株式会社製、引張弾性率：４００ＧＰａ）からなる目付け２００ｇ／ｍ^２、厚み０．２ｍｍの織布に、エポキシ樹脂としてＴＶＢ２６２５（京セラケミカル株式会社製）を含浸、半硬化させた樹脂量３３重量％の樹脂含浸シートを５枚重ね、１７０℃、圧力４．０ＭＰａで成形し、１．０ｍｍの積層板を作製した。

そして、ハニカムの両主面にそれぞれプリプレグＴＬＰ−５５１ＨＴ（京セラケミカル株式会社製）を介在させて上記積層板を重ね合わせた後、成形温度１７０℃、圧力１．０ＭＰａで熱圧成形することで、ハニカムに積層板を接合し、ハニカムコア部１１の両主面に表面部１２が設けられた板状のハニカムコアサンドイッチ構造体を得た。その後、ハニカムコアサンドイッチ構造体の外側部分および内側部分をルーター切削し、図２に示される軽量化のための貫通孔２４が形成された自転車用構造体１を製造した。

このようにして得られた自転車用構造体１の厚みは２２ｍｍであり、重量は１３００ｇであった。なお、自転車用構造体１は、上部フレーム２１の長さ（ａ）を６５０ｍｍ、下部フレーム２２の長さ（ｂ）を５５０ｍｍ、シートフレーム２３の長さ（ｃ）を５５０ｍｍ、貫通孔２４を除いた実質的な面積（側面の面積）を３５００ｃｍ^２とした。

次に、本考案の自転車用構造体１を用いた自転車について説明する。図５は、本考案の自転車用構造体１を用いた自転車３０を示したものである。自転車用構造体１は、例えば図２に示されるものと同様であり、上部フレーム２１、下部フレーム２２およびシートフレーム２３を有し、ハニカムコアサンドイッチ構造を有する板状のものである。

自転車用構造体１のヘッド部２に設けられたヘッド支持部５（図示せず）には、上端の開口部よりハンドル３１を支持するハンドルポスト３２が挿入されて回転可能に支持されると共に、下端の開口部より前輪３３を回転可能に支持する前輪ホーク３４が挿入されて回転可能に支持されている。

シート部３に設けられたシート支持部６（図示せず）には、上部側からシート３５を支持するシートポスト３６が挿入されて固定されている。さらに、クランク部４に設けられたクランク支持部７（図示せず）にはクランク軸３７が挿入され回転可能に支持されている。このクランク軸３７にはクランク３８の一端が固定され、このクランク３８の他端にはペダル３９が回転可能に取り付けられている。

シート部３の後端側には左右一対のシートステー４１が取り付けられると共に、クランク部４の後端側には左右一対のチェーンステー４２が取り付けられている。左右の各側におけるシートステー４１とチェーンステー４２とはそれぞれリヤエンド４３で接続されている。そして、このリヤエンド４３によって後輪４４が回転可能に支持されている。

このような自転車３０によれば、メインフレーム部分が本考案の自転車用構造体１であるハニカムコアサンドイッチ構造を有する板状のものとされているため、軽量かつ剛性に優れると共に、走行時の空気抵抗も低減される。特に、自転車用構造体１のハニカムコア部１１をアラミド製ハニカムおよびアルミニウム製ハニカムの中から選ばれる少なくとも一方からなるものとし、表面部１２を炭素繊維からなる基材に熱硬化性樹脂を含浸、硬化してなるものとすることで、より一層軽量かつ剛性に優れたものとすることができる。

本考案の自転車用構造体の一例を示す平面図と断面図。 本考案の自転車用構造体の他の例を示す平面図。 本考案の自転車用構造体の異なる例を示す平面図。 本考案の自転車用構造体のさらに異なる例を示す平面図。 本考案の自転車用構造体を用いた自転車の一例を示す平面図。

符号の説明

１…自転車用構造体、２…ヘッド部、３…シート部、４…クランク部、５…ヘッド支持部、６…シート支持部、７…クランク支持部、１１…ハニカムコア部、１２…表面部、２１…上部フレーム、２２…下部フレーム、２３…シートフレーム、２４…貫通孔、３０…自転車、３１…ハンドル、３２…ハンドルポスト、３３…前輪、３４…前輪ホーク、３５…シート、３６…シートポスト、３７…クランク軸、３８…クランク、３９…ペダル、４１…シートステー、４２…チェーンステー、４３…リヤエンド、４４…後輪

Claims (5)

1. 自転車のメインフレームを構成する自転車用構造体であって、
   ハニカムコア部とその両主面に設けられる表面部とから構成されるハニカムコアサンドイッチ構造を有し、かつ板状であることを特徴とする自転車用構造体。
2. 前記ハニカムコア部は、アラミド製ハニカムおよびアルミニウム製ハニカムの中から選ばれる少なくとも一種からなり、前記表面部は、炭素繊維からなる基材に熱硬化性樹脂が含浸、硬化されてなるものであることを特徴とする請求項１記載の自転車用構造体
3. 前記炭素繊維の引張弾性率は２５０ＧＰａ以上９５０ＧＰａ以下であることを特徴とする請求項２記載の自転車用構造体。
4. 前記自転車用構造体の厚みが４ｍｍ以上２５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の自転車用構造体。
5. 前記自転車用構造体は、軽量化のための板厚方向に貫通する貫通孔を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の自転車用構造体。

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