JPH08282570A

JPH08282570A - 自転車用ｆｒｐ製フォークステム

Info

Publication number: JPH08282570A
Application number: JP7117991A
Authority: JP
Inventors: Teruyuki Sugita; 輝之杉田; Yoshifumi Miyata; 美文宮田; Hironori Ashida; 浩規芦田; Katsuharu Akaike; 克治赤池
Original assignee: Mizuno Corp
Current assignee: Mizuno Corp
Priority date: 1995-04-18
Filing date: 1995-04-18
Publication date: 1996-10-29

Abstract

(57)【要約】【目的】種々の外力による衝撃や負荷に耐え、軽量
で、かつ振動減衰性に優れた前輪系とするためのフォー
クステムを提供する。【構成】ハンドルステム２に結合され、かつ、前フォ
ーク３の支軸３ａに接合されるフォークステム１を繊維
強化樹脂製とすると共に、該フォークステム１の曲げ剛
性分布を、前記フォークステム１に負荷が加わった時の
曲げモーメントの分布と略同一の形状となるように設定
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自転車用繊維強化樹脂
（以下ＦＲＰと称する。）製フォークステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】自転車の前輪系の構造としては、図６に
示すように、前輪４とハンドルバー７は、前記前輪４が
前フォーク３の脚部３ｂに結合され、前記前フォーク３
に接合されるフォークステム１にハンドルのハンドルス
テム２が結合されることで連結され、舵取りを行ってい
る。前記フォークステム１は、フレーム６と結合してい
るヘッドパイプ５を貫通し、前記フォークステム１とネ
ジ１０により結合されている前記ハンドルステム２は、
前記フォークステム１の上部に挿入嵌合されているヘッ
ド調整プラグ８により押さえられ、ヘッドパイプ５の上
下に配置されたベアリングユニット９を介してヘッドパ
イプ５を押さえ、ハンドルのがたつきを防止している。

【０００３】従って、フォークステム１には、前記した
押圧力に耐え得る強度が必要であり、且つ衝突や急なブ
レーキング時の前フォークの支軸や、その周辺にかかる
衝撃、負荷に耐えうる強度が必要であり、又、ヘッドパ
イプ５とフォークステム１とは、フォークステム１の上
方部の外面に、ネジ溝を形成して結合する方法がとられ
ており、そのような必要強度を満たすという目的から、
従来よりフォークステムにはクロム・モリブデン鋼製の
ものが一般的である。更に、前記の必要強度を満たし、
且つ自転車の車体重量を軽量化するという目的から、従
来よりフォークステムには、軽合金製のものが見られ、
その他には、実開昭６２−７１０９１号公報に開示され
ているように、円筒状ステムの外壁周囲に炭素繊維布片
を接着剤を用い、巻き付けて固着させ、該ステムを補強
してなる軽合金製補強ステムが見られる。前記前フォー
クとしては、金属製と同等又は、それ以上の強度及び曲
げ剛性、ねじれ剛性を有し、金属製のものに比べて、軽
量で振動特性、振動減衰性に優れ、衝撃強度が高い等の
ことから、ＦＲＰ製の前フォークが見られるようになっ
た。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前輪系に求められる性
能の主なものは、軽量で、ある程度の強度と剛性を有
し、且つ余計な振動を乗員にあまり伝えないことであ
る。従来は、前輪系の各部材であるヘッドパイプ、前フ
ォーク、フォークステム、ハンドルステムを結合する方
法として、フォークステムの上方部の外周面にネジ溝を
形成する事で結合させる方法をとっていることにより、
必要強度と剛性を満足させるために、前記各部材を金属
製としたものが主流であった。従って、前フォーク、フ
ォークステム、ハンドルステムの重量は、８００ｇ〜１
０００ｇ程度と重いものであったため、ハンドリングが
軽く、操作性の良い前輪系を実現するために軽量で、剛
性感のあるものにすることが望まれていた。前記金属製
のものは、路面からの衝撃を減衰するために金属製の前
フォークの脚部のパイプ径を変化させたり、全体を円弧
状に湾曲させたりして、減衰性能を高めるよう設計され
ているが、路面の凹凸により生じる衝撃は余り減衰する
ことなくハンドル部に伝播するため、ハンドリングに影
響を及ぼす。

【０００５】一つの方法として、前記前フォークをＦＲ
Ｐ製化し、補強繊維の配向角度、種類を設計することに
より剛性、強度、振動減衰性等を向上させたものがみら
れる。しかし、フォークステムは、衝突や、急なブレー
キング時のフォーク首部やその周辺にかかる衝撃、負荷
に対して、それに耐え得る構造とするために金属製であ
り、従って、路面からの衝撃による振動は、ＦＲＰ製の
前フォークとすることによりある程度抑制されるように
設計されるが、依然としてフォークステムは金属製であ
るために、その振動減衰性は前フォーク自身の特性によ
るものが大きく、あまり効果がなかった。そこで本発明
は、種々の外力による衝撃や、負荷に耐え得る構成のＦ
ＲＰ製フォークステムを形成し、前記ＦＲＰ製のフォー
クステムをＦＲＰ製の前フォークと一体として、軽量
で、ある程度の剛性を有し、かつ振動減衰性に優れたＦ
ＲＰ本来の性能を発揮させることが出来る前輪系とする
ためのフォークステムを提供しようとするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明のフォークステムは以下の構成を有する。即
ち、フォークステムはハンドルステムと結合され、且つ
ヘッドパイプを貫通し、前フォークの支軸に接合されて
前輪系を構成するものであり、本発明の自転車用フォー
クステムは、ＦＲＰにより形成されたフォークステムで
ある。前記ＦＲＰは、連続繊維又は長繊維を補強繊維と
して強化された繊維強化樹脂層が積層されたものであ
り、フォークステムの全長にわたり、適度の曲げ剛性と
ねじれ剛性を付与する剛性付与層として、補強繊維の配
向角度がフォークステムの長さ方向に対して０゜〜±３
０゜層と、補強繊維の配向角度がフォークステムの長さ
方向に対して±３０゜〜±６０゜層を、フォークステム
の肉厚に対し、約５０％以上とし、下記の補強層を差し
引いた肉厚に対して、各々の割合は略同程度とし、且つ
ハンドルステムを結合することにより、フォ−クステム
は円周方向に縮もうとする力が作用するため、フォーク
ステム全長において、耐円管圧縮強度層として、補強繊
維の配向角度が±６０゜〜９０゜の層を、フォークステ
ムの肉厚に対して、好ましくは１０〜４０％程度設ける
のが効果的である。

【０００７】前記補強繊維としては、カーボン繊維、ガ
ラス繊維、ボロン繊維などの無機繊維、アラミド繊維、
ポリエチレン繊維などの有機繊維、チタン繊維、アモル
ファス繊維、ステンレス繊維などの金属繊維など通常の
ＦＲＰ成形用に使用される補強繊維を用いることが出来
る。使用されるマトリックス樹脂としては、熱硬化性の
エポキシ樹脂、ポリエステルアミド樹脂、ポリアミノア
ミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などがあげられる。
又、前記全長にわたって配置する層に加えて、部分的に
積層する構成としては、フォークステムの上部に表面保
護層、及び、下部には、曲げ剛性調整層を有する。フォ
ークステムの上部には、ハンドルステムが外嵌されて結
合される。従って、フォークステムは、ハンドルステム
との結合部を補強し、耐久性の向上を図るために、前記
結合部の表面部を破断歪み２％以上となるように構成
し、表面保護層とした。前記構成とするためには、例え
ば、破断歪み１０〜５０％の金属箔や金属繊維、破断歪
み２．０〜４．４％のガラス繊維、アラミド繊維等を織
布、引き揃え、不織布などの任意の形態で用いる。又、
例えば、炭素繊維のように、補強繊維自体の破断歪みの
値が小さくても、繊維の配向角度や、使用する形態を考
慮することで、表面保護層の破断歪みが２％以上となる
材料を用いることができる。

【０００８】又、フォークステムの下部には、前フォー
クの支軸が嵌入されて結合される。前フォークの脚部や
支軸、フォークステムには、路面の凹凸により上下方向
をはじめ前後方向、左右方向にさまざまな負荷がかか
り、且つ振動が発生する。更に、衝突時、あるいは、急
なブレーキング時には、前フォークの支軸付近に大きな
衝撃が加わる。例えば、前フォークの下端に、その前後
方向に負荷が加わった時の曲げモーメントの分布は、図
３に示すようになり、前フォークの首部付近が最も大き
くなる。そのため、本発明のフォークステムの曲げ剛性
分布を、前記フォークステムに負荷が加わった時の曲げ
モーメントの分布と略同一の形状となる構成とした。具
体的には、フォークステムを長さ方向に、ハンドルステ
ムと結合する部分近傍である上部と、前フォークの支軸
と接合される部分近傍である下部及び両者の中間部の３
つの部分として見たとき、前記上部の曲げ剛性を１０〜
１８×１０⁷kgf・mm²に設定し、前記下部の曲げ剛性を１
４〜２５×１０⁷kgf・mm²に設定し、更に、前記上部と下
部との中間の部分の曲げ剛性を前記上部の曲げ剛性と同
等か、あるいは６〜１５×１０⁷kgf・mm²程度に設定し
た。

【０００９】即ち、前記構成とするためにフォークステ
ムの下部は、引張弾性率が３００００kgf ／mm² 以上の
高弾性繊維の曲げ剛性調整層を、該補強繊維の配向角度
がフォークステムの長さ方向に対して０゜〜±３０゜と
なるように配置した。前記０゜〜±３０゜の曲げ剛性調
整層は、前記フォークステムの肉厚に対して、１０％未
満であって、長さはフォークステムの下端より上部にむ
けて約１００mm程度の範囲に配置することが好ましい。
又、前記フォークステムの前記下部には、補強繊維の配
向角度が±６０゜〜９０゜となる円周方向の広がりを防
止する層を配置し、路面からの振動に対してフォークス
テムの支軸との接合部が、円周方向に広がろうとするこ
とを防止するものである。前記配向角度が±６０゜〜９
０゜となる円周方向の広がりを防止する層は、前記フォ
ークステムの肉厚に対して、１０〜３０％程度であっ
て、長さは、下端より上部に向けて約２０〜５０mm程度
の範囲とするのが好ましい。又、接合部の境界部分を補
強するために、別に円周方向の広がりを防止するチュー
ブを作製し、長さは前記フォークステムの下端より上部
に向けて約２０〜５０ｍｍ程度の範囲とし、肉厚を０．
２〜０．７ｍｍのものを設けた。なお、構成としては、
配向角度が０゜、９０゜のクロス材等を使用することが
できる。

【００１０】

【作用】以上説明したように、本発明は、自転車のハン
ドルステムに結合され、且つ前フォークの支軸に接合さ
れるフォークステムをＦＲＰ製とすることにより、軽量
化を図ることができる。又、ＦＲＰ製化するにあたって
その構成のうち、曲げ剛性について、前輪系に負荷され
る曲げモーメントの形に対応した剛性分布とすることに
より、路面の凹凸等の状況の把握が容易になり、ハンド
リング性能を向上させるとともに、フォークステムの各
部分に負荷される力に対応する構成をとることにより、
軽量で、振動減衰性及び、耐久性を向上させたフォーク
ステムとすることができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の具体的実施例を図面に基づ
き、より詳細に説明する。図１〜３は、本実施例の説明
図。図４〜５は、試験方法及びその結果を表す。図６
は、一般的な自転車の前輪系の構成を説明する図であ
る。本実施例のフォークステム１は、図１に示すように
その上部１Ａでハンドルステム２が外嵌されることによ
り、該ハンドルステム２と結合され、下部１Ｂで前フォ
ーク３の支軸３ａが嵌入されることにより、該前フォー
ク３と接合されている。フォークステム１は、図２に示
すように複数のＦＲＰ層が積層されて形成されている。
前記複数のＦＲＰ層は、フォークステム１の長さ方向全
長にわたり、剛性付与層ａ、耐円管圧縮強度層ｂを含
む。前記剛性付与層ａとしては、炭素繊維をフォークス
テム１の長さ方向に対して０゜と±４５゜となるように
配置し、前記耐円管圧縮強度層ｂは、炭素繊維を前記フ
ォークステムの長さ方向に対して９０゜となるように、
肉厚の２０％程度配置した。

【００１２】又、部分的には以下の層を含む。即ち、前
記フォークステム１の上部１Ａのハンドルステム２との
結合部の表面部には、表面保護層ｃとして、０．１〜
０．３mmの厚みの金属材料であって、錆びにくいステン
レス箔を巻きつけ、ハンドルステムを結合するときの傷
つきを防止する。この場合、ステンレス箔の金属材料を
使用したが、表面部の材料としては、その表面保護層ｃ
の破断歪みが２％以上となる構成であれば良く、アラミ
ド繊維やガラス繊維等の材料自体に破断歪み２％以上の
特性を有するものを用いるほか、例えば、炭素繊維のよ
うに材料自体にはそのような特性はないが、構成方法に
よって条件を満たすことができるものであれば良い。
又、曲げ剛性調整層ｄとして、フォークステム下部１Ｂ
の下端から約８０mmの部分に、引張弾性率が４００００
kgf ／mm² の高弾性炭素繊維層を繊維の配向角度がフォ
ークステム１の長さ方向に対して０゜となるように、肉
厚全体に対して８％程度配置して、フォークステム１の
曲げ剛性分布を前記下部１Ｂにおいて最大となるように
し、且つフォークステム１の下部１Ｂの円周方向の広が
りを防止する層ｅ１として、炭素繊維の配向角度が９０
°の層を肉厚全体に対して１０％程度配置し、且つ円周
方向の広がりを防止するチューブｅ２として、炭素繊維
の配向角度が９０゜の層と０゜の層を、肉厚が０．２〜
０．７ｍｍ程度に配置し、路面からの振動により、フォ
ークステム１の下部１Ｂが円周方向に広がろうとするの
を防止する。本発明のフォークステムを用いて自転車を
組み立てる場合には、フォークステム１を単独で成形し
て、あらかじめ成形された前フォーク３等の各部材と接
着により接合するほか、前フォーク３がＦＲＰ製である
場合には、前記前フォーク３を成形する際に、あらかじ
め成形された本発明のフォークステム１をインサートし
ておき、前記前フォーク３の成形と同時に接着一体化す
る方法とすることもできる。

【００１３】本発明のフォークステム１は、ＦＲＰ製と
することで、前輪系について従来にない軽量化が達成で
きた。又、本発明のフォークステムは、ＦＲＰ製の前フ
ォークとの組み合わせにより、振動減衰性が向上した。
すなわち、本発明のフォークステムを、ＦＲＰ製の前フ
ォーク３に結合させたものの振動減衰性能について従来
品と比較した。試験方法は、図４に示すように、前フォ
ーク３とフォークステム１を接着結合させたものをゴム
紐でつるし、インパルスハンマーで、前フォーク３の左
脚下端を打撃し、フォークステム１の上端に取りつけた
加速度計で前後方向の加速度を測定した。結果を図５に
示す。図５の（あ）は、本発明のフォークステムをＦＲ
Ｐ製の前フォークに結合したものであり、（い）は、Ｆ
ＲＰ製の前フォークにスチール製のフォークステムを結
合させたものであり、（う）は、クロム−モリブデン鋼
製の前フォークとフォークステムを結合したものであ
る。結果から分かるように、本発明のフォークステム１
を結合したものは、振動の減衰が極めて速いことが分か
る。又、前記３種類についての対数減衰率を表１に示
す。

【００１４】

【表１】

【００１５】表１からも分かるように、本発明のフォー
クステムとＦＲＰ製の前フォークを結合したものの振動
減衰性が良好であることが分かる。

【００１６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のフォーク
ステムは、ＦＲＰ製化することにより、金属製のフォー
クステムに比べ約１００〜２００ｇの軽量化が可能であ
り、且つ路面からの衝撃による振動を、ある程度前フォ
ークで抑制し、更に、フォークステムにより振動減衰性
を向上させることが可能となり、振動が手に伝わりにく
く、自転車の操作性が向上する。又、本発明のフォーク
ステムは、その剛性分布を前フォークに負荷のかかった
ときの曲げモーメントの分布に合わせることにより、路
面の凹凸等の状況の把握が容易になり、又、そうするこ
とにより乗車姿勢がダンシング時（立ちこぎ時）の曲げ
モーメント分布にもほぼ相似するため、ハンドリング性
能が向上する。更に、フォークステムの前フォークの支
軸部との接合部の補強を図ったことにより、路面からの
上下左右の振動や衝突時に接合部にかかる衝撃、ハード
ブレーキングによる接合部に負荷される応力集中、剪断
力、振動を抑制することができる。本発明のフォークス
テムをＦＲＰ製の前フォークに結合すれば、本発明の目
的を達成するために効果的であり、軽量化で、操作性の
良い前輪系を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】前輪系の組み立て説明図。

【図２】実施例のフォークステムの構成を説明する説明
図。

【図３】前輪系に負荷される力を説明する摸式図。

【図４】測定方法の説明図。

【図５】測定結果を表す図。

【図６】前輪系の概略説明図。

【符号の説明】１フォークステム１Ａ上部１Ｂ下部２ハンドルステム３前フォーク３ａ支軸３ｂ脚部３ｃ下端４前輪５ヘッドパイプ６フレーム７ハンドルバー８ヘッド調整プラグ９ベアリングユニット１０ネジａ剛性付与層ｂ耐円管圧縮強度層ｃ表面保護層ｄ曲げ剛性調整層ｅ１円周方向の広がりを防止する層ｅ２円周方向の広がりを防止する層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者赤池克治大阪府大阪市住之江区南港北１丁目12番35 号美津濃株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ハンドルステムに結合され、かつ、前フ
ォークの支軸に接合されるフォークステムを繊維強化樹
脂製としたことを特徴とする自転車用ＦＲＰ製フォーク
ステム。
【請求項２】前記フォークステムは、該フォークステ
ムのハンドルステムが外嵌されて結合される結合部の表
面部が、破断歪み２％以上となる構成としたことを特徴
とする請求項１記載の自転車用ＦＲＰ製フォークステ
ム。
【請求項３】前記フォークステムは、該フォークステ
ムにハンドルステムが外嵌されて結合される結合部の表
面部が、主として金属材料で構成されていることを特徴
とする請求項１又は、２記載の自転車用ＦＲＰ製フォー
クステム。
【請求項４】前記フォークステムは、該フォークステ
ムの曲げ剛性分布をフォークステムの長さ方向の上部が
１０〜１８×１０⁷ kgf・mm² に設定し、且つ下部が１４
〜２５×１０⁷ kgf・mm² に設定し、前記上部と下部の中
間部を前記上部と同等もしくは６〜１５×１０⁷ kgf・mm
² に設定したことを特徴とする請求項１、２又は、３記
載の自転車用ＦＲＰ製フォークステム。
【請求項５】前記フォークステムは、該フォークステ
ムの前フォークとの接合部近傍に引張弾性率が３０００
０kgf/mm² 以上の補強繊維からなる曲げ剛性調整層を前
記接合部近傍の肉厚の１０％未満であって、且つ円周方
向の広がりを防止する層を前記接合部近傍の肉厚の１０
〜３０％程度配置したことを特徴とする請求項１、２、
３又は、４記載の自転車用ＦＲＰ製フォークステム。