JP3805340B2 - 自転車用クランクおよびクランク軸 - Google Patents

Description

本発明は、自転車用クランクおよびクランク軸に関し、特に取付精度および取付強度が高く軽量化に寄与する自転車用クランクおよびクランク軸に関するものである。

自転車におけるクランクとクランク軸との取付構造は、クランク軸の両端部をほぼ四角柱状に形成し、クランクに四角柱状の穴を設け、両者を嵌合して固定していた。

従来のクランクとクランク軸の嵌合構造では、芯出し精度が十分でなく、また、回転方向の結合強度も十分ではなかった。特に、軽量化のためにクランク軸をアルミ合金の中空パイプ構造のものにしたり、クランクをアルミ合金の中空構造のものを採用した場合に、結合強度が不足するという欠点があった。

そこで、本発明は、取付精度および取付強度を向上させるとともに軽量化に寄与する自転車用クランクおよびクランク軸を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の自転車用クランクは、アルミ合金からなる中空パイプ状のクランク軸に取り付けるためのクランク軸取付穴が設けられたアルミ合金からなる自転車用クランクであって、前記クランク軸取付穴の内面には、前記クランク軸の端部の雄セレーションと互いに係合して、前記クランク軸とクランクとを回転方向に結合するための、歯数が８の雌セレーションと、前記雌セレーションに対して前記クランク軸軸方向中央側に位置し、前記クランク軸と前記クランクとを内周方向全周で芯出しするための内周芯出し部とが形成されているものである。

また、上記の自転車用クランクにおいて、前記雌セレーションおよび前記内周芯出し部は、前記クランク軸軸方向中央側の内径が大きくなるテーパ形状であることが好ましい。

また、上記の自転車用クランクにおいて、前記クランクの長手方向両端部は前記クランク本体と同一部材による中実構造とし、前記クランクの長手方向中央部は中空構造としたものであることが好ましい。

また、上記の自転車用クランクにおいて、前記中空構造は、前記クランクの裏面に長手方向に延びる凹溝を形成し、該凹溝の開放面に蓋部材を固着した構造であり、前記凹溝は、その両端部付近における溝の深さを前記凹溝の両端部に向かって小さくし、かつ前記凹溝の底面の形状を船底型としたものであることが好ましい。

また、本発明の自転車用クランク軸は、上記の自転車用クランクを取り付けるためのアルミ合金からなる中空パイプ状の自転車用クランク軸であって、前記クランク軸の端部外周に位置し、前記クランクの前記雌セレーションと互いに係合して前記クランクを回転方向に結合するための、歯数が８の雄セレーションと、前記クランク軸の前記雄セレーションに対して前記クランク軸軸方向中央側の外周に位置し、前記クランクを前記クランク軸の外周方向全周で芯出しするための外周芯出し部と、前記クランク軸を中心軸線方向に貫通する中空部と、前記クランク軸の両端部内周面に形成された雌ねじとを有するものである。

また、上記の自転車用クランク軸において、前記雄セレーションおよび前記外周芯出し部は、端部側の直径が小さくなるテーパ形状であることが好ましい。

本発明は、以上に説明したように構成されているので、以下のような効果を奏する。

クランクとクランク軸との芯出し精度が高精度となり、回転方向の結合強度も強くなる。特に、軽量化のためにクランク軸をアルミ合金の中空パイプ構造のものにしたり、クランクをアルミ合金の中空構造のものを採用した場合にも、取付精度および結合強度が十分なものとなる。

回転結合部と芯出し部が分離しているので、セレーションの嵌合部の長さが短くて済み、加工コストが安くなる。

セレーションの歯は、角形歯であるので、使用しているうちにガタが出てくるということが少ない。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１に本発明のクランク１の正面図を示す。クランク１はアルミ合金で作られており、図１のように、ペダル取付側クランク端部４側が細く、クランク軸取付側クランク端部２側が太く形成されている。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、クランクに加わる応力をどの点においてもほぼ一定にすることができる。クランク１の表側表面にはレーザーマーキング等により、製造メーカーのロゴマークや製品名を表す商標等を刻印することができる。また、クランク１の表側角部には面取部１１が形成され、その面取りの大きさは、クランク軸取付側クランク端部２付近では大きく、ペダル取付側クランク端部４に向かって連続的に小さくなっている。

クランク１のクランク軸取付側クランク端部２には、クランク１をクランク軸５に取り付けるためのクランク軸取付穴２１が形成されている。図７に示すように、このクランク軸取付穴２１によって、クランク軸５にクランク１が取り付けられる。また、クランク１のペダル取付側クランク端部４には、ペダル取付穴４１が形成されている。このペダル取付穴４１に図示しないペダルが取り付けられる。

図２は、クランク１の側面図である。図３は、クランク１を側面から見た断面図である。クランク中央部３の裏面側には、長手方向に延びる凹溝３１が形成されている。凹溝３１の形状は、凹溝３１の両端部付近では、溝の深さが両端部に向かって連続的に小さくなり、両端部では溝の深さが最小になっている。すなわち、凹溝３１の底面形状はいわゆる船底型と言われるものである。凹溝３１の中央部の底面は、クランク中央部３の表側表面とほぼ平行である。

この凹溝３１の開放面側は段部３２が形成され、この段部３２に蓋部材３３をはめ込み、蓋部材３３の周囲とクランク１本体をアルゴンガスを使用したイナートガスアーク溶接により固着している。クランク１本体の裏側表面と、蓋部材３３の表面は面一となるように配置されている。また、溶接による肉盛り部も切削加工等により削り取り、面一とすることが好ましい。

クランク軸取付側クランク端部２には、クランク軸取付穴２１が設けられている。クランク軸取付穴２１の内面にはフランジ２２が内面側に突出して設けられ、そのフランジ２２の裏面側に連接して、雌のセレーション２３が設けられている。クランク軸取付穴２１のセレーション２３より裏面側の部分は、芯出し部２４として構成されている。芯出し部２４は、内径が変化しないストレート形状であってもよいが、通常は内径が裏面側に広がるテーパ穴形状であり、テーパ角は２〜３°である。

クランク軸取付側クランク端部２の裏面突出部の外周根元部には、ギヤ板６回り止め用の雄のセレーション２５が形成されており、裏面突出部の外周部には、ギヤ板６固定用の雄ネジ２６が形成されている。

図４は、クランク１を裏面から見た図である。セレーション２３、２５は、図４のように８歯のものが適当である。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、また、回転方向の割り出し位置決め作業もミスが出易くなる。

図５は、図１におけるＡ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃ切断線での矢視断面図である。（Ａ）はＡ−Ａ矢視断面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ矢視断面図、（Ｃ）はＣ−Ｃ矢視断面図である。クランク中央部３の断面内部は、ほとんどの部分がこのように凹溝３１として形成され、軽量化が図られている。

図６は、クランク軸５の外観を示す図である。クランク軸５の両端部には、芯出し部５２が形成されている。芯出し部５２は、直径が変化しないストレート形状でもよいが、通常は端部側が細くなるテーパ形状であり、テーパ角は２〜３°である。芯出し部５２よりさらに端部側には、雄のセレーション５１が設けられている。セレーション５１は８歯構成であり、歯の外周面は芯出し部５２の外周面と連続した表面となっている。セレーション５１の歯の形状は、両側面がほぼ平行平面の角形歯である。回転方向の結合力を、力とほぼ直交する平面で受けるため、ガタが出にくくなる。

クランク軸５の端面には、クランク１固定用の雌ネジ５３が設けられている。クランク軸５は中空パイプ形状であり、図７に示すように中央部では両端部よりもさらに肉厚が薄くなるように形成されている。クランク軸５の材質はアルミ合金であり、中空であることと相まって軽量化に貢献している。

図７は、クランク軸５とクランク１とギヤ板６とを組み立てた組立体を表す。一方のクランク１にはギヤ板６が取り付けられ、セレーション２５により回り止めされてナット６１により固定されている。そのギヤ板６が固定されたクランク１がクランク軸５の一方の端部に取り付けられ、ボルト５４により固定されている。クランク軸５の他端には、ギヤ板の無いクランク１が取り付け固定されている。クランク１の芯出し部２４とクランク軸５の芯出し部５２は密嵌合し、両者の芯出しを高精度に行う。また、クランク１の雌セレーション２３とクランク軸５の雄セレーション５１は互いに噛み合い、回転方向の高強度の結合を行う。

［他の実施の形態］
前記したクランク軸５の芯出し部５２とクランク１の芯出し部２４とはテーパ接合されているので強力に両テーパ面は密着している。このためクランク１をクランク軸５から取り外すときは、取り外し治具を用いる必要がある。図８に示す他の実施の形態は、クランク軸５とクランク１とを固定するボルト５４を用いて前記密着を離脱させる構造を有するものである。

ボルト５４の頭部にフランジ５５が一体に形成されている。クランク軸５とクランク１とを一体に固定するときは、ワッシャ５６を介してボルト５４を締め付ける。クランク軸取付穴２１の内周溝５７には、Ｅリング５８が挿入固定されている。クランク軸５とクランク１とを取り外すときは、ボルト５４の６角穴５９に６角のアレンキーを挿入して逆方向に回す。ボルト５４のフランジ５５は、Ｅリング５８の側面を押すことになる。

このため、フランジ５５は、クランク１を軸線方向に駆動してクランク軸５の芯出し部５２とクランク１の芯出し部２４とのテーパ結合による密着を簡単に外すことができる。この構造によると抜き工具等の特殊な工具を必要としない。

なお、本実施の形態では、Ｅリング５８を配置したが、Ｅリング５８ではなくクランク１を一体にＥリング５８に相当するものを形成しても良いし、他の部材を溶接して形成しても良い。

図９は、別の形態のボルト５４の構造を示す断面図であり、図１０がボルト５４の斜視図である。図８のボルト５４ではネジ部の直径と頭部の直径とが同程度であったが、図９および図１０のボルト５４は、ネジ部５４２の直径が頭部５４１の直径より大きく、フランジ５５の直径がネジ部５４２の直径よりも大きく形成されている。このようにネジ部５４２の直径を大きくすることにより、ボルト５４をアルミ合金等の軽合金で製造してもネジ部の強度が十分に確保でき、ボルト５４による締付力も十分な値に設定することができる。

また、６角穴５９が頭部５４１の端面中央からボルトの軸方向に形成されており、その６角穴５９の底面部は、ほぼボルト５４の先端側の端面付近まで到達している。６角穴５９の長さが長いほど、締め付け工具（アレンキー）と６角穴５９との当たり面積が大きくなり、軽合金製のボルトでも十分な締め付けを行うことができる。６角穴５９の長さは、必要な締付力に応じて設定することができるが、少なくとも６角穴５９の底面部がネジ部５４２の内面に達する程度の長さが必要である。ネジ部５４２の直径が太いので、内部に６角穴５９を設けることが可能であり、内部に６角穴５９を設けても十分な強度を有している。このボルト５４をアルミ合金によって製造することによって、軽量でしかも十分な強度を有するものとなる。

図１１に、本発明のクランク軸５を自転車のフレーム１０に組み付ける状態を示す。ただし、この実施の形態のクランク軸５には、ベアリングを係止する係止部５０が中央部外面に突出して設けられている。クランク軸５をフレーム１０に組み付けるには、フレーム１０とクランク軸５との間に左取付アダプタ１０１と右取付アダプタ１０２をねじ込み、ベアリングを係止部５０に係止させる。左取付アダプタ１０１と右取付アダプタ１０２の外側端部には雄セレーションが設けられており、その雄セレーションと係合する雌セレーションを有する組立工具７により、各取付アダプタをねじ込む。

図１３に、組立工具７の構造を示す。手前側の端部には、ほぼ正６角柱状のスパナかけ部７１が設けられている。このスパナかけ部７１にスパナ等の工具をかけ、組立工具７全体を軸線回りに回転させる。スパナかけ部７１に隣接して中間部７２が設けられている。中間部７２の外周は円柱の対向する面を削り取って平面とした形状となっており、この中間部７２の平面部にも異なったサイズのスパナ等の工具をかけることができる。組立工具７の他端部には、大径部７３が設けられている。

図１４は、組立工具７を大径部７３側の端面から見た図である。大径部７３の内側は端面が開放された空洞になっており、図１４のように内部にセレーション歯が設けられて雌セレーション７４を構成している。この雌セレーション７４が、左取付アダプタ１０１および右取付アダプタ１０２の各雄セレーションと係合する。組立工具７の中心部には軸線方向の貫通孔７５が設けられており、貫通孔７５の直径はクランク軸５の端部が挿通できる大きさとなっている。左右の取り付けアダプタをねじ込む際に、この貫通孔７５にクランク軸５の端部が挿通され、クランク軸５が組立工具７を回転させるためのガイドとなって作業が行いやすくなる。

図１２は、クランク１にギヤ板６を取り付ける状態を示す図である。クランク１のクランク軸取付側クランク端部２には、図１２のようにギヤ板６を取り付け、ナット６１により固定する。ナット６１の外周には、図１１の左取付アダプタ１０１および右取付アダプタ１０２の雄セレーションと同一のピッチの雄セレーションが形成されている。そのため、図１１に示したものと同じ組立工具７によってナット６１の締め付け作業を行うことができる。この締め付け作業には、締め付け中に組立工具７が外れないように、補助組立工具８を用いる。

図１５に補助組立工具８の構造を示す。略円柱状の補助組立工具８の一端には、外周面に滑り止めのためのローレット加工を施したつまみ部８１が設けられている。つまみ部８１の直径は組立工具７の貫通孔７５の直径より大きく、組立工具７を係止できるように構成されている。つまみ部８１に隣接して内面支持部８２が設けられている。内面支持部８２の直径はクランク軸５の端部の直径とほぼ同じであり、内面支持部８２により組立工具７の貫通孔７５の内面を回転自在に支持する。補助組立工具８の他端側には、端面からボルト５４と螺合する雌ネジ部８３が設けられている。

補助組立工具８をボルト５４によりクランク１に固定したときに、つまみ部８１と組立工具７との間に僅かな隙間（０．５ｍｍ程度）が生じるように、補助組立工具８の長さが設定されている。したがって、組立工具７は、回転可能かつナット６１から外れないように、補助組立工具８により支持される。このように、補助組立工具８により組立工具７を支持しつつ、スパナ等の工具をスパナかけ部７１にかけて、ナット６１を締め付けてギヤ板６をクランク１に固定する。組立工具７がナット６１から外れることが無いので、作業が容易かつ能率的に行える。

本発明の第１の実施の形態のクランク１の正面図である。 クランク１の側面図である。 クランク１の側面から見た断面図である。 クランク１を裏面から見た図である。 図１のＡ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃ切断線での断面図である。 本発明のクランク軸５の外観を表す図である。 クランク１をクランク軸５に取り付けた、本発明のクランク組立体を表す図である。 クランク軸５とクランク１との結合の他の実施の形態を示す断面図である。 クランク軸５とクランク１を結合するためのボルト５４の断面図である。 クランク軸５とクランク１を結合するためのボルト５４の斜視図である。 クランク軸５を自転車のフレーム１０に組み付ける状態を示す図である。 ギヤ板６をクランク１に取り付ける状態を示す図である。 組立工具７の斜視図である。 組立工具７の他端側から見た図である。 補助組立工具８の構造を示す図である。

符号の説明

１ クランク
２ クランク軸取付側クランク端部
３ クランク中央部
４ ペダル取付側クランク端部
５ クランク軸
６ ギヤ板
７ 組立工具
８ 補助組立工具

Claims (6)

1. アルミ合金からなる中空パイプ状のクランク軸（５）に取り付けるためのクランク軸取付穴（２１）が設けられたアルミ合金からなる自転車用クランクであって、
   前記クランク軸取付穴（２１）の内面には、
   前記クランク軸（５）の端部の雄セレーション（５１）と互いに係合して、前記クランク軸（５）とクランク（１）とを回転方向に結合するための、歯数が８の雌セレーション（２３）と、
   前記雌セレーション（２３）に対して前記クランク軸（５）軸方向中央側に位置し、前記クランク軸（５）と前記クランク（１）とを内周方向全周で芯出しするための内周芯出し部（２４）とが形成されている自転車用クランク。
2. 請求項１に記載した自転車用クランクであって、
   前記雌セレーション（２３）および前記内周芯出し部（２４）は、前記クランク軸（５）軸方向中央側の内径が大きくなるテーパ形状である自転車用クランク。
3. 請求項１，２のいずれか１項に記載した自転車用クランクであって、
   前記クランク（１）の長手方向両端部（２，４）は前記クランク（１）本体と同一部材による中実構造とし、
   前記クランク（１）の長手方向中央部（３）は中空構造としたものである自転車用クランク。
4. 請求項３に記載した自転車用クランクであって、
   前記中空構造は、前記クランク（１）の裏面に長手方向に延びる凹溝（３１）を形成し、該凹溝の開放面に蓋部材（３３）を固着した構造であり、
   前記凹溝（３１）は、その両端部付近における溝の深さを前記凹溝（３１）の両端部に向かって小さくし、かつ前記凹溝（３１）の底面の形状を船底型としたものである自転車用クランク。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載した自転車用クランクを取り付けるためのアルミ合金からなる中空パイプ状の自転車用クランク軸であって、
   前記クランク軸（５）の端部外周に位置し、前記クランク（１）の前記雌セレーション（２３）と互いに係合して前記クランク（１）を回転方向に結合するための、歯数が８の雄セレーション（５１）と、
   前記クランク軸（５）の前記雄セレーション（５１）に対して前記クランク軸（５）軸方向中央側の外周に位置し、前記クランク（１）を前記クランク軸（５）の外周方向全周で芯出しするための外周芯出し部（５２）と、
   前記クランク軸（５）を中心軸線方向に貫通する中空部と、
   前記クランク軸（５）の両端部内周面に形成された雌ねじ（５３）とを有する自転車用クランク軸。
6. 請求項５に記載した自転車用クランク軸であって、
   前記雄セレーション（５１）および前記外周芯出し部（５２）は、端部側の直径が小さくなるテーパ形状である自転車用クランク軸。

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