JP7455378B2 - 自転車用チェーン、これを備えた自転車、及び自転車用チェーンの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高摺動性を確保しながら、各部材間の嵌合力の低下を抑制し、嵌合力の低下に起因した屈曲不良や分解といった問題を解消した、すなわち低い駆動抵抗と高い構造強度を兼備した自転車用チェーンの提供を目的とする。
ここで、「母材表面からなる」とは、全面が母材表面からなるものに限らず、その一部
が母材表面でないようなものも含むものとする。
また、ブシュ外周面のブシュ嵌合孔に嵌合する部分を母材表面とすることで、内プレートに対するブシュの嵌合力を高めることができる。
また、ブシュの内周面、および両端面に高摺動層を設けるとともに、ピン表面に研磨した硬化処理層を設けたことで、ピン表面に高摺動性を有するめっき層を設けなくても、ブシュのピンに対する摺動性と、ブシュの外プレートに対する摺動性を高めることができる。
なお、嵌合部が母材表面ではなく、高摺動性の表面処理層が存在したままで、組立後にブシュ端面を締鋲することによって嵌合力を確保する方法もあるが、本発明は、そのような工程を採用することなく、高い嵌合力を保持できる。
このように、硬質めっき層の形成を無電解で行うことで、めっきのつきまわり性を向上できる。
また、潤滑性を有する固体粒子を、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、または窒化ホウ素(BN)とすることで、高摺動層の耐久性と摺動性を高めることができる。
かかる高摺動層により、チェーンの摺動性をより効果的に高めることができる。
図1、図2は、本発明の一の実施形態に係る自転車用チェーン100を示している。自転車用チェーン100は、炭素鋼やステンレス鋼等の金属から形成され、内リンク10と外リンク20を交互に多数連結したのち、連結リンク30で輪状に連結されている。自転車用チェーン100は、例えば、JISD9417に基づいて製作される。
尚、本明細書において、チェーンの連結方向を前後方向というものとする。
ブシュ2は、図4に示すように、一旦全面に高摺動性の無電解Ni-P分散めっき層(分散粒子例:ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、または窒化ホウ素(BN))からなる高摺動層2aを施したのち、内周面21、及び両端面22,22の高摺動層は残すようにして、外周面23のみ高摺動層2aがセンタレス研磨により研磨して取り除かれた場合の例を示している。この例では、母材まで研磨がなされている。
ブシュ2の外周面は、中心線平均粗さRaが0.15μm未満であることが好ましい。中心線平均粗さRaが0.15μm以上であると、ブシュ2と内プレート1の嵌合力が十分に得られないことがあり推奨されない。
硬化処理層4aは、母材表面の硬度を高めるものであれば特に限定されず、浸炭処理層、バナジウム処理層、またはクロマイジング処理層等が挙げられ、クロマイジング処理層が、研磨後に表面粗度を小さくできるため好ましい。
<外プレートの試験例>
(比較例1)
外プレート、及び内プレートをS45C相当の機械構造用の炭素鋼から、ピンをSUJ2相当の高炭素クロム合金鋼から、ブシュをSCM415相当のCr-Mo合金鋼から、ローラを引張強度270N/mm2以上の冷間圧延鋼板から形成し、これら各部品には表面処理を行わずにチェーンを組み立てた。このチェーンをグリス等の潤滑油を塗らずに自転車の動きを模す様にその位置を再現したリングとコグに装着し、加わるトルクにより電流・電圧を制御するよう構成されたサーボモータ(Keyence製)により回転させ、回転開始初期5分間についての回転中の電力(W)を測定し、これを動摩擦抵抗値の基準値(=10)とした。
リングの歯車数は一例として54、コグの歯車数は一例として14とした。
サーボモータは、実際の自転車駆動の状態を模擬するため、150~500Wが印加されるように電流・電圧を制御した。
比較例1と同様に形成した外プレート、内プレート、ピン、ブシュ、及びローラの各部品のうち、外プレートの全表面に無電解Ni―P/PTFE複合めっきを0.1μmの厚さで施し、他の部品には表面処理を行わず、これらを用いて組み立てたチェーンについて、グラス等を塗らず、比較例1同様に電力(W)を測定し、比較例1の電力(W)を10とした場合の比を試験例1の動摩擦抵抗値とした。
外プレートの表面処理方法、およびめっき厚を表1に示したように変更したほかは、試験例1と同様にして動摩擦抵抗値を算出した。 表1に比較例1、及び試験例1乃至13の結果を示す。尚、以下の表において、PTFE、PFA、BNは、それぞれ、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、パーフルオロアルコキシアルカン(PFA)、窒化ホウ素(BN)を分散粒子とする無電解Ni―P複合めっきのことを示す。
また、PFAや球状黒鉛を分散粒子としたNi-P複合めっき、DLCコーティングは、使用環境を模擬した摺動条件においては十分な強度や低い動摩擦抵抗が得られないことがわかった。
(試験例14)
比較例1と同様に形成した各部品のうち、内プレートを共磨き(白磨き)し、他の部品は表面処理を行わず、試験用チェーンを組み立てた。これを用いて試験例1と同様に動摩擦抵抗値を算出した。また、内プレートの表面の複数個所について中心線平均粗さRaを測定した。その結果を表2に示す。
内プレートの表面処理を一般的な電解研磨液を用いて電解研磨を行った他は、試験例14と同様にして組み立てた試験用チェーンの動摩擦係数を測定し、内プレート表面の複数個所について中心線平均粗さRaを測定した。
表1の実施例に相当する表面処理(無電解Ni-P分散めっき)を行った内プレート表面を研磨した後にエアーブラスト処理した他は、試験例14と同様にして組み立てた試験用チェーンの動摩擦係数を測定し、内プレート表面の複数個所について中心線平均粗さRaを測定した。
表1の比較例1の内プレートを用い、表面の複数個所について中心線粗さRaを測定した。
結果を表2に示す。
(試験例17)
比較例1のピンと同じロットで形成したピンの表面にガス浸炭法で浸炭処理を行ったのち油焼き入れを行い、センタレス研磨を行ったピンを試験例17として示す。表面の複数個所で、ビッカース硬度と、中心線平均粗さRaを、ピン表面の複数個所で計測した。
表面処理の方法をバナジウム処理、クロマイジング処理とした他は、試験例17と同様にして試験を行った。
(比較例3)
比較例1と同様に形成したブシュと内プレートを用い、ブシュを内プレートの嵌合孔へはめ込んだ後に引き抜く際に必要な力(嵌合力)を、東京衝機試験機製圧縮強さ試験機を用いて測定した。
ブシュとして、全面に無電解Ni―P/PTFE複合めっき(表4:全面PTFEと表記、以下同じ)を施したものを用いたほかは、比較例3と同様にして嵌合力を測定した。めっきの厚さが3から5μmの範囲の複数のブシュを用いて測定を行った。
ブシュとして、全面に無電解Ni―P/PTFE複合めっきを施したのち、ブシュ外面のめっき層表面をセンタレス研磨したほかは、比較例3と同様にして嵌合力を測定した。
ブシュとして、外周面以外の全面に無電解Ni―P/PTFE複合めっきを施した。外周面は研磨した。比較例3と同様にして嵌合力を測定した。
ブシュとして、全面に無電解Ni―P/BN複合めっきを施したのち(表4:BNと表記)、ブシュ外面のめっき層表面をセンタレス研磨したほかは、比較例3と同様にして嵌合力を測定した。
これにより、チェーンの構造強度を向上させ屈曲不良を抑制できる。
(比較例5)
成型後、熱処理してアルカリ洗浄を行う従来品の標準処理を行った各部品を用いて組み立てたチェーンにグリス(JXTGエネルギー FBKオイルR032)を塗布し、比較例1と同様にして動摩擦抵抗値を測定した。また、比較例3と同様にしてブシュの嵌合力を測定した。
ローラ、外プレート、内プレート、及びブシュに二硫化モリブデンを固体潤滑剤として塗布し、ピン表面にはクロマイジング処理を施して、比較例3と同様にして、ブシュ嵌合力を測定し、比較例1と同様にして、動摩擦抵抗値を測定した。
(比較例7)
チェーン各部品の内、ローラ、外プレート、内プレート、及びブシュの全面に厚さ平均で約2μmで無電解Ni-P/PTFE複合めっき(表5:PTFEと表記、以下同じ)を施し、ピン表面に試験例13と同様のクロマイジング処理と研磨処理を施したほかは、比較例6と同様にして、動摩擦抵抗値とブシュ嵌合力を測定した。
内プレートは全面バレル研磨(白磨き)を行い、ブシュは、全面に無電解Ni-P/PTFE複合めっきを施したのち、外周面のみを研磨処理した(H処理)ものを用いた。その他は、比較例6と同様にして、ブシュ嵌合力と動摩擦抵抗値を測定した。
外周面を含む全面に無電解Ni-P/PTFE複合めっきを行った後、外周面のみめっきが剥離するまで研磨処理を施したものを用いた。
その他は、実施例1と同様にして、ブシュ嵌合力と動摩擦抵抗値を測定した。
内プレートは全面バレル研磨(白磨き)を行い、ブシュは、全面に無電解Ni-P/BN複合めっきを施したのち、外周面のみを研磨処理した(H処理)ものを用いた。その他は、実施例1と同様にして、ブシュ嵌合力と動摩擦抵抗値を測定した。
(比較例8)
ブシュを強度270N/mm2以上を有する冷延鋼板を巻回して形成した他は、各部品を比較例1と同様の構成として組み立てた従来品のチェーンを、比較例1と同様のリングとコグに装着した。これを、モータに500Wの電力を印加して20分間回転させ、1秒ごとの電力を測定した。測定は、同様に形成したチェーン5本について行った。5本のチェーンで測定された1秒ごとの測定結果を、まとめて図8(a)のヒストグラムに示す。
5本のチェーンとして、試験例17と同じチェーンを用いた他は、比較例5と同様にしてチェーン回転時の電力を測定した。5本のチェーンで測定された1秒ごとの測定結果を、まとめて図8(b)のヒストグラムに示す。
また、表5および図8に示す本発明実施例によるチェーンは、電動バイクまたは電動アシストバイクなど電動モータによる駆動または駆動アシスト機能を有する機器に採用した場合、電力消費量を大きく削減することができ、電動による航続距離や電動アシスト可能距離を長く保つことに貢献する。また、低電力消費となるため、搭載する電池の小型化にも寄与できる。
ブシュ内周面の高摺動層の厚さは、0.5μm未満であってもよいし10μmを超えてもよい。内プレート表面の中心線平均粗さRaは、0.15μm以上であってもよい。ピンは、表面のビッカース硬度が1000Hv未満であってもよいし、中心線平均粗さRaが0.1μm以上であってもよい。
20 外リンク
1a ブシュ嵌合孔
1 内プレート
2 ブシュ
2a 内周面
2b 両端面
2c 高摺動層
2d 外周面
3 ローラ
4 ピン
4a 硬化処理層
4b 硬化処理後研磨面
5 外プレート
5a ピン嵌合孔
Claims (8)
- 内リンクと外リンクを交互に連結して構成され、
前記内リンクは、前後にブシュ嵌合孔を有する一対の内プレートと、前記ブシュ嵌合孔に両端を嵌合されて前記一対の内プレートを連結する一対の円筒状のブシュと、前記一対のブシュにそれぞれ外嵌される一対の円筒状のローラとを備え、
前記外リンクは、前後にピン嵌合孔を有する一対の外プレートと、前記ブシュに挿通された状態で前記ピン嵌合孔に両端を嵌合されて前記一対の外プレートを連結する前後一対の丸棒状のピンとを備えた自転車用チェーンであって、
前記ピンは、表面が硬化処理層を有し、
前記ブシュの内周面及び両端面は、表面に固体潤滑剤を含む高摺動層を有し、前記ブシュの外周面は、前記ブシュ嵌合孔に嵌合する部分が母材表面からなり、
前記ピンの硬化処理層の前記ピン嵌合孔に嵌合する部分、及び前記ブシュの前記母材表面が研磨されており、
前記ピンの表面の硬化処理層が浸炭処理層、バナジウム処理層、又はクロマイジング処理層であることを特徴とする自転車用チェーン。 - 前記ブシュの高摺動層は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、または窒化ホウ素(BN)の粒子を分散させた無電解Ni‐P複合めっき層からなり、厚さ0.5μm以上10μm以下である請求項1に記載の自転車用チェーン。
- 前記内プレートの表面は、中心線平均粗さRaが0.2μm未満にまで母材が研磨されている請求項1、又は請求項2に記載の自転車用チェーン。
- 前記ピンは、表面のビッカース硬度が900Hv以上で、かつ中心線平均粗さRaが0.1μm未満である請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の自転車用チェーン。
- 前記外プレート、及び/または前記ローラの全表面に、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、または窒化ホウ素(BN)の粒子を分散させた無電解Ni‐P複合めっき層、またはダイアモンドライクカーボン層からなる高摺動層を有し、
当該高摺動層の厚さは、0.2μm以上10μm以下である請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の自転車用チェーン。 - 前記ブシュの前記内プレートに対する嵌合力が、440N以上である請求項1に記載の自転車用チェーン。
- 請求項1から請求項6のいずれか1項に記載された自転車用チェーンを備えた自転車。
- 請求項1に記載の自転車チェーンの製造方法であって、前記ブシュの全面に高摺動層を設けたのち、前記ブシュの外周面を母材が露出するまで研磨する自転車チェーンの製造方法。
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