JP3248676B2 - 自転車用クランクとその製造方法 - Google Patents

自転車用クランクとその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、自転車用クランク
及びその製造方法に関する。特に内部に芯を有した自転
車用クランクを鋳造により製造して軽量化した自転車用
クランク及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】自転車はできるだけ軽量化することが望
まれているが、そのためにすべての自転車用部品につい
ても可能な限り軽量化することが好ましい。そこで、自
転車用クランクについても、例えば、特公平２−１８６
５２号公報のように管を成形して製造し、クランク内部
を中空構造として軽量化したものが知られている。
【０００３】中実ブランクから押出し鍛造により内部に
空洞を形成する方法も提案されている（特開平５−１１
６６７０号公報）。この中空クランクは、パイプ又はク
ランク素材を溶接又は塑性変形により行うものであった
ので、クランク形状の設計の自由度が少ない。更に材料
力学上必要のない部分があっても成形ができない等の理
由から形状が制約される。更に、デザイン上からの要請
があっても、加工の制約から外見に高級感等を出しにく
い問題があった。
【０００４】一方、自転車のクランクを軽合金で鋳造法
により製造する製造方法は知られている（例えば、特開
昭５８−９３５５４号公報）。鋳造法によれば、前記形
状の制約からは解放されるが内部を空洞化することは小
部品であるクランクでは困難であり、かつ機械的強度も
劣る。このため、内部にパイプ等を一体に鋳込んだもの
も提案されている（実開昭４８−７９４８号公報、実開
昭６１−１３１３９１号公報等）。また、鋳造したクラ
ンクは、一般に機械的強度が弱いといわれている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上のよう
な技術的背景で発明されたものであり、次の目的を達成
することにある。
【０００６】本発明の目的は、鋳造により製造したので
設計の自由度の多い自転車用クランク及びその製造方法
を提供することにある。
【０００７】本発明の他の目的は、鋳造したクランク素
材を型鍛造したので、軽量化した上で十分な強度を得る
ことができる自転車用クランク及びその製造方法を提供
することにある。
【０００８】
【０００９】
【００１０】
【課題を解決するための手段】第１の発明は、自転車用
のクランクであって、前記クランクの内部の内周面に、
前記クランク材料とは異なる金属で被覆された空洞部
と、前記空洞部は、鋳造時に前記空洞部に予め充填され
た充填材を取り出すために外部と連通し開放された開口
部を備えた構造であることを特徴とする。
【００１１】第２の発明は、第１の発明の自転車用の中
空クランクであって、前記開口部は、前記クランクのベ
ダル取付孔に配置されていることを特徴とする。
【００１２】第３の発明は、自転車用クランクの製造方
法であって、前記クランクを鋳造する鋳型に、内部に前
記クランクを構成する金属より比重の軽い充填材料が詰
められ外皮を備えた芯をはめ込み、前記鋳型に前記クラ
ンクを構成する金属を溶解して注入して、前記芯を一体
に鋳込んで凝固させる鋳造法により前記クランクを製造
したことを特徴とする。
【００１３】第４の発明は、第３の発明の自転車用クラ
ンクの製造方法であって、前記鋳造法によりクランク素
材を鋳造した後、前記クランク素材を型鍛造により加圧
して成形したことを特徴とする。
【００１４】第５の発明は、第３の発明又は第４の発明
の自転車用クランクの製造法において、前記鋳造法は前
記溶融金属を重力により金型に加圧する重力金型鋳造法
であることを特徴とする。
【００１５】第６の発明は、第３，４，５の発明から選
択される一つの発明のクランクの製造方法において、前
記芯の外皮は、金属製であることを特徴とする。
【００１６】第７の発明は、第３，４，５，６の発明か
ら選択される一つの発明のクランクの製造方法におい
て、前記外皮に開口部を形成するために機械加工して前
記充填材を取り出して前記クランクに空洞部を形成した
ことを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態１について図
面を参照して説明する。図１に本発明の左クランク１の
背面図を示す。左クランク１はアルミ合金で作られてお
り、図１に示すように、ペダルを取り付けるペダル軸端
部４側が細く、クランク軸（図示せず。）に取り付ける
クランク軸端部２側が断面が太くなるように形成されて
いる。左クランク１の太さをこのように、位置により変
化させることによって、断面積の大きさを変えることに
より左クランクに加わる応力をどの断面においてもほぼ
一定にするように強度設計されている。
【００１８】また、左クランク１の裏側両角部には面取
部１１が形成されている（図２参照）。左クランク１の
クランク軸端部２には、左クランク１をクランク軸に取
り付けるためのクランク軸取付穴５が形成されている。
このクランク軸取付穴５は、クランクを挿入することに
よって、クランク軸に左クランク１が取り付けられる。
また、左クランク１のペダル取付側のペダル軸端部４に
は、ペダル取付穴６が形成されている。このペダル取付
穴６にペダルのペダル軸（図示せず）の一端が取り付け
られる。
【００１９】図２は、左クランク１の平面図である。図
３は、左クランク１を図１のIII−III線で切断したとき
の断面図である。クランク中央部３を中心にペダル軸端
部４側と、クランク軸端部２側に純アルミニュウム製の
パイプ芯７が内蔵している。パイプ芯７の金属は、左ク
ランク１を構成する金属と同一でも良いが可能な限り比
重が軽く、耐熱性があり、かつ後記するよに鍛造の圧力
に耐えうるようなものが望ましい。
【００２０】図４は、左クランク１の正面図である。パ
イプ芯７の断面構造は、図５に示す。図５は、図４にお
けるａ−ａ，ｂ−ｂ，ｃ−ｃ，ｄ−ｄ切断線での各矢視
断面図である。図５（ａ）はａ−ａ矢視断面図、図５
（ｂ）はｂ−ｂ矢視断面図、図５（ｃ）はｃ−ｃ矢視断
面図、図５（ｄ）はｄ−ｄ矢視断面図である。クランク
中央部３の内部のパイプ芯７により、軽量化が図られて
いる。更に、パイプ芯７は、曲げ等の機械的応力に対し
ても一定の役割を果たす。
【００２１】パイプ芯７の断面構造は、クランク軸端部
２側では円を切断した半円形の形を成している。パイプ
芯７のペダル軸端部４側は開口部１５を有している。開
口部１５は、後記するようにパイプ芯７の内部空洞１４
と連通されている。内部空洞１４には、砂等の充填材が
一時的に詰め込まれる。パイプ芯７に詰め込まれた充填
材は、熱間鍛造の加圧によってパイプ芯７が潰れを防
ぐ。
【００２２】なお、充填材は、後記するように取り出す
ことなくそのまま充填された状態で製品を構成しても良
い。ペダル軸端部４側では長方形の変形した扁平であ
る。パイプ芯７の断面積は連続的に小さくなり、両端部
では高さが最小になっている。すなわち、パイプ芯７の
形状は、概略いわゆる船底型の形状を成している。クラ
ンク中央部３の内部のパイプ芯７により、軽量化が図ら
れている。
【００２３】クランク軸端部２には、クランク軸取付穴
５が設けられている。クランク軸取付穴５の内面にはフ
ランジ８が内面側に突出して設けられ、そのフランジ８
の裏面側に連接して、雌のセレーション９が設けられて
いる。セレーション９は、図１に示すように本例は８歯
である。歯の数が少ないと、回転結合の結合強度が不足
し、歯の数が多すぎると、加工が困難でコスト上昇につ
ながり、組立時に回転方向の割り出し位置決め作業もミ
スが出易くなる。
【００２４】クランク軸取付穴５のセレーション９より
裏面側の部分は、テーパー孔である芯出し部（ガイド部
ともいう。）１０として構成されている。芯出し部１０
は、裏面側に広がる円筒のテーパ穴形状であり、本例で
はテーパ角は２〜３°に形成されている。芯出し部１０
のテーパ面は、クランク軸（図示せず。）の芯出し部１
０のテーパ面に密着させて両者の芯を正確に一致させる
と共に両者を一体に強力に連結する。
【００２５】［左クランク１の製造方法１］前記した左
クランク１は、次の製造方法により製造される。図６は
左クランク１の鋳造状態を示す断面図である。金型２０
と金型２１との間に、溶融金属を流し込む溶融空間２２
が区画されている。溶融空間２２は、左クランク１とほ
ぼ対応した形をして区画された空間であるが、溶融金属
の収縮を考慮して若干大きい。溶融空間２２には、パイ
プ芯７が挿入配置されている。
【００２６】パイプ芯７は、発泡性の火山ガラスを焼い
て作ったものである。図７は、パイプ芯７の外観と内部
を示す斜軸投影図である。パイプ芯７の内孔３０に火山
ガラス等の砂状の充填材３２を投入する。充填材３２
は、溶融金属への耐熱性、後記する鍛造による圧縮荷重
に耐えうるものであればいかなるものでも良い。
【００２７】パイプ芯７は充填材３２を充填した後、加
圧して両端は平坦部３３、３４を設けて封印されてい
る。一方の平坦部３３は、一体に鋳込まれて溶融金属と
融着して左クランク１のクランク軸端部４を構成する。
【００２８】図６に示すように、芯７を溶融空間２２に
位置決めする。溶融空間２２に芯７を正確に位置決めす
るために、発砲スチロール等で作られたスペーサ２６で
芯７は位置決めされる。溶融空間２２は、湯道２７を介
して注湯口２８に連通されている。
【００２９】溶融されたアルミ合金が注湯口２８から注
湯されて、湯道２７を通り溶融空間２２入る。また、溶
融された金属は重力により溶融空間２２に圧力をかけ
る。この鋳造法は、溶融金属に特別な圧力を加えずに重
力のみの圧力で普通の鋳込みを行う金型鋳造法、いわゆ
る重力金型鋳造と呼ばれている鋳造方法である。しかし
ながら、鋳造のみでは内部の金属組織に巣等が発生する
ことがある。この鋳造後に、パイプ芯７をクランク素材
２９内に入れた状態のまま型鍛造を行う。型鍛造は、半
密閉型鍛造用の半密閉金型３５に載置して熱間鍛造す
る。
【００３０】図８は、下金型３６にクランク素材２９を
入れた状態を示す断面図である。下金型３６にクランク
素材２９に載置する。このクランク素材２９を所要温度
に加熱して下金型３６に載置した後、上金型３７により
加圧して鍛造加工を行う。この熱間鍛造により、鋳造さ
れたクランク素材２９は、長さ、厚さ、肉厚、表面が精
度良く加工され、クランク素材２９の材質が鍛錬され均
質化され機械強度も強化される。
【００３１】この熱間鍛造によるパイプ芯７は、クラン
ク素材２９内に入れられた状態で鍛造されるのでパイプ
芯７は潰されることはなく芯形状は確保される。クラン
ク素材２９は、パイプ芯７内に充填材３２が詰められた
状態であるので、これを取り出す必要がある。
【００３２】図９に示すように、ドリル３９によりクラ
ンク素材２９のペダル取付穴６の下穴を開けて開口部１
５から、充填材３２を取り出す。また、余分な平坦部３
３の部分も切断する。この後、図１から図５に示す左ク
ランク１の形状に、切削、研削、研磨等の機械加工をし
て完成させる。
【００３３】
【実施例】充填材３２は次のものを用いた。
【００３４】商品名：「テラバルーン」、株式会社カル
シード（千葉県市原市五井南海岸８番２号）製 成分（重量％）：ＳiＯ2 （７７．３）、Ａｌ2 Ｏ3
（１２．８）、Ｆｅ2 Ｏ3（１．７）、ＣａＯ（１．
０）、ＭｇＯ（０．１）、Ｎａ2 Ｏ（３．２）、Ｋ2Ｏ
（２．９）、ＴｉＯ2 （０．２）、残成分（０．９） 粒度（μm）：９．４１（１０％）、２７．７１（５０
％）、７１．３２（９０％） 密度：軽装密度０．３０、重装密度（０．４６）、粒子
密度（１．１４） 耐熱温度（度Ｃ）：１,１００ ［その他の実施の形態］前記実施の形態では、パイプ芯
７内の充填材３２を鍛造後取り出しているが、図１０に
示すように取り出さずにそのままパイプ芯７の内部に充
填したままでも良い。また、充填材に火山ガラスを用い
ていたが、天然の軽石、発砲石膏等のように母材の金属
より比重が軽く、溶融金属に対する耐熱性があり、かつ
鍛造の圧力に耐えう圧縮強度があるものであれば他の充
填材料でも良い。
【００３５】
【発明の効果】本発明のクランクとその製造方法は、ク
ランクの内部に芯を有しているので、クランクが軽量で
しかも剛性を備えることができた。また、鋳造によりク
ランクを製造するので、形状をどのようにでもデザイン
でき、設計の自由度が増えるので、外見に高級感を出し
やすい。
【００３６】また、鋳造したブランクを型鍛造したの
で、軽量化した上で十分な強度を得ることができる。更
に、内部に充填材を内蔵した芯を配置したので、型鍛造
でも芯の形状が潰れることはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の左クランク１の背面図であ
る。
【図２】図２は、本発明の左クランク１の平面図であ
る。
【図３】図３は、左クランク１の側面から見た断面図で
ある。
【図４】図４は、左クランク１の正面図である。
【図５】図５は、図４におけるａ−ａ，ｂ−ｂ，ｃ−
ｃ，ｄ−ｄ切断線での各矢視断面図である。図５（ａ）
はａ−ａ矢視断面図、図５（ｂ）はｂ−ｂ矢視断面図、
図５（ｃ）はｃ−ｃ矢視断面図、図５（ｄ）はｄ−ｄ矢
視断面図である。
【図６】図６は、左クランク１の鋳造状態を示す断面図
である。
【図７】図７は、芯型を示す斜軸投影図である。
【図８】図８は、半密閉金型３０にクランク素材２９を
入れた状態を示す断面図である。
【図９】図９は、鍛造加工後パイプ芯７から充填材を取
り出す方法を示す図である。
【図１０】図１０は、クランク素材の他の実施の形態を
示す断面図である。
【符号の説明】
１…左クランク ２…クランク軸端部 ３…クランク中央部 ４…ペダル軸端部 ５…クランク軸取付穴 ７…パイプ芯 ２９，４０…クランク素材 ３０…芯型 ３５…半密閉金型

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】自転車用のクランクであって、 前記クランクの内部の内周面に、前記クランク材料とは
    異なる金属で被覆された空洞部と、 前記空洞部は、鋳造時に前記空洞部に予め充填された充
    填材を取り出すために外部と連通し開放された開口部を
    備えた構造であることを特徴とする自転車用クランク。
  2. 【請求項２】請求項１に記載された自転車用の中空クラ
    ンクであって、 前記開口部は、前記クランクのベダル取付孔に配置され
    ていることを特徴とする自転車用クランク。
  3. 【請求項３】自転車用クランクの製造方法であって、 前記クランクを鋳造する鋳型に、内部に前記クランクを
    構成する金属より比重の軽い充填材料が詰められ外皮を
    備えた芯をはめ込み、 前記鋳型に前記クランクを構成する金属を溶解して注入
    して、前記芯を一体に鋳込んで凝固させる鋳造法により
    前記クランクを製造したことを特徴とする自転車用クラ
    ンク。
  4. 【請求項４】請求項３に記載された自転車用クランクの
    製造方法であって、 前記鋳造法によりクランク素材を鋳造した後、 前記クランク素材を型鍛造により加圧して成形したこと
    を特徴とする自転車用クランクの製造方法。
  5. 【請求項５】請求項３又は４に記載の自転車用クランク
    の製造方法において、 前記鋳造法は前記溶融金属を重力により金型に加圧する
    重力金型鋳造法であることを特徴とする自転車用クラン
    クの製造方法。
  6. 【請求項６】請求項３，４，５から選択される１項に記
    載のクランクの製造方法において、 前記芯の外皮は、金属製であることを特徴とする自転車
    用クランクの製造方法。
  7. 【請求項７】請求項３，４，５，６から選択される１項
    に記載のクランクの製造方法において、 前記外皮に開口部を形成するために機械加工して前記充
    填材を取り出して前記クランクに空洞部を形成したこと
    を特徴とする自転車用クランクの製造方法。
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