WO2005068284A1 - 自転車用クランクおよびその製造方法 - Google Patents

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WO2005068284A1
WO2005068284A1 PCT/JP2005/000096 JP2005000096W WO2005068284A1 WO 2005068284 A1 WO2005068284 A1 WO 2005068284A1 JP 2005000096 W JP2005000096 W JP 2005000096W WO 2005068284 A1 WO2005068284 A1 WO 2005068284A1
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WO
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fiber
reinforced plastic
members
crank
outer shell
Prior art date
Application number
PCT/JP2005/000096
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Yasuhisa Masuda
Kenichi Yoshioka
Tetsu Nonoshita
Takuji Kishita
Original Assignee
Toray Industries, Inc.
Shimano, Inc.
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Filing date
Publication date
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Priority to US10/585,814 priority patent/US20080224440A1/en
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62K—CYCLES; CYCLE FRAMES; CYCLE STEERING DEVICES; RIDER-OPERATED TERMINAL CONTROLS SPECIALLY ADAPTED FOR CYCLES; CYCLE AXLE SUSPENSIONS; CYCLE SIDE-CARS, FORECARS, OR THE LIKE
    • B62K19/00—Cycle frames
    • B62K19/02—Cycle frames characterised by material or cross-section of frame members
    • B62K19/16—Cycle frames characterised by material or cross-section of frame members the material being wholly or mainly of plastics
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62M—RIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
    • B62M3/00—Construction of cranks operated by hand or foot

Definitions

  • the present invention relates to a bicycle crank and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a bicycle crank having an outer shell having a fiber-reinforced plastic force and a method of manufacturing the same.
  • a bicycle crank is a component that connects a pedal and a bracket spindle, and is a power transmission member that transmits pedaling force from the pedal.
  • the characteristics required for this crank include damage and deformation even when the pedal is repeatedly subjected to a load with a great amount of fatigue. Emphasis is placed on rigidity to avoid contact with the chain.
  • the crank since there is a demand for a reduction in the weight of the entire vehicle body, the crank itself rotates and the crank itself rotates. These requirements are particularly severe for racing bicycles such as so-called road racers.
  • Patent Literature 1 discloses a bicycle crank in which the outside of an insert and a core made of a foam material is covered with a fiber-reinforced plastic outer shell. It is shown. Patent Document 1 employs a method of forming a core by injecting a foam material into an outer shell of a fiber-reinforced plastic partly open. However, in this method, the number of operations in the mold increases, and it is difficult to increase the molding efficiency.
  • the fiber reinforced plastic material of the outer shell is pressed against the outer mold by the pressure of the foam material and molded, but this pressure is lower than the pressure applied by ordinary press molding or autoclave molding. Voids. Defects such as fiber undulations occur, and the strength and rigidity of the crank immediately decrease. Further, the opening for injecting the foam material also becomes a defect.
  • foams that can be pressurized generally have a high specific gravity, which limits the weight reduction of the crank.
  • Patent Literature 2 also discloses a bicycle crank in which an insert and a core are covered with a fiber-reinforced plastic outer shell.
  • a procedure is adopted in which a tape of a reinforcing fiber mixed with a plastic material base material is wound around a core and an insert to form a mold, and this method also reduces the meandering of the fiber and the occurrence of voids.
  • the disadvantage is that it is difficult to avoid.
  • it is necessary to include a step of taking out a core after molding, which is disadvantageous for easily making the crank.
  • Patent Document 1 US Patent No. 6,202,506
  • Patent Document 2 JP-A-2003-72666
  • an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and to provide a bicycle crank and a method for manufacturing the same, which is capable of obtaining a desired quality stably with good manufacturing efficiency and having a light force. To provide.
  • a bicycle crank according to the present invention includes a shell made of fiber-reinforced plastic, a first insert member capable of introducing a pedal axial load, and a bracket.
  • a bicycle insert having a second insert member connected to the spindle and capable of transmitting a load to the sprocket, wherein the outer shell also comprises at least two, at least partially preformed, fiber reinforced plastic members. Characterized by the following.
  • a bicycle crank connects a bicycle pedal and a bracket spindle, and usually has a pair of left and right forces.
  • the crank of the present invention may be either left or right or both. Of course it is good.
  • the bicycle crank of the present invention has an outer shell that also has a fiber-reinforced plastic force.
  • the reinforcing fiber carbon fiber, glass fiber, aramide fiber, boron fiber and the like can be applied, but carbon fiber is preferable because of its excellent mechanical properties.
  • the carbon fibers include pitch-based and PAN-based carbon fibers and graphite fibers, and among them, PAN-based carbon fibers having excellent strength and elastic modulus are preferable. Due to the balance between the stiffness and strength of the crank, the tensile modulus of the carbon fiber is preferably in the range of 200GPa-700GPa, more preferably in the range of 200GPa-500GPa, and more preferably in the range of 250GPa-350GPa. Is particularly preferred.
  • thermosetting resins such as epoxy resin, phenol resin and unsaturated polyester resin, and thermoplastic resins such as polyamide resin and polycarbonate resin can be applied.
  • Epoxy resin has excellent mechanical properties, high adhesiveness to carbon fiber, and epoxy resin.
  • 50% or more of the reinforcing fibers (particularly, carbon fibers) constituting the at least two fiber-reinforced plastic members have an elastic modulus in the range of 290 to 700 GPa and a fiber volume content (Vf). Is preferably in the range of 40-70%.
  • Vf fiber volume content
  • a bicycle crank having such a high elastic modulus design is lightweight, has high rigidity, and does not become tired even when used for a long time.
  • the form of the reinforcing fiber of 50% or more constituting the fiber reinforced plastic member is a unidirectionally aligned form or a woven cloth which is a continuous fiber because the penetration impact resistance is improved even if it is hollow. .
  • the outer shell of the bicycle crank of the present invention is a shell-like member that substantially forms the outer surface of the crank, and bears a large load because fibers having a high elastic modulus are used. Therefore, it is required for the characteristics of the crank that the undulations and voids of the reinforcing fibers are small. Reinforced fiber In order to suppress waviness, it is preferable to have a smooth surface that is embossed by the inner and outer surfaces of the outer shell by press molding, that is, the inner surface of the outer shell that does not require smoothness in appearance should be smooth. Is preferred.
  • the center line average roughness Ra measured at a measured length of 7.5 mm and a cutoff value of 2.5 mm according to JIS B0601-1982 in at least one direction of the inner surface of the outer shell is 100 ⁇ m or less. It is preferably 20 ⁇ m or less.
  • the thickness of the outer shell is preferably in the range of 0.1 mm to 4. Omm. If the thickness of the outer shell is smaller than this range, molding becomes difficult, and if the thickness is larger, the weight increases, and the light weight dagger effect of the present invention decreases. It is also possible to form ribs, protrusions, irregularities on the inner surface of the outer shell to increase its strength and rigidity, or to obtain a structure to obtain desired characteristics by combining with a metal or other materials.
  • the entire outer shell is not integrally formed, but is formed by integrally bonding a plurality of (at least two) fiber-reinforced plastic members by adhesive bonding or mechanical bonding. This simplifies the shape of the individual member to be molded, and allows the member to be a member with less voids and fiber undulations.
  • the number of members is an arbitrary number of two or more and varies depending on the shape of the crank. Two members that substantially form the upper surface of the crank (the side away from the bicycle body) and the lower surface (the side closer to the vehicle body). Most preferred,.
  • the fiber-reinforced plastic members are preferably overlapped with each other (for example, shown in Fig. 5 described later).
  • the rigidity can be increased and the allowable dimensional accuracy of the members can be absorbed. That is, if the fiber reinforced plastic members are configured to abut each other, a gap is formed at the abutting portion, and water enters through the gap to reduce durability, or conversely, the members interfere with each other to form a predetermined shape.
  • the process of additional processing of the member without being assembled can be eliminated by using the overlapping structure. Further, it is preferable that the two members are bonded or mechanically bonded at a portion where the members overlap each other.
  • crank structure By joining all or part of the overlapping parts with adhesive, the rigidity is improved more than the overlapping parts, resulting in a more reliable and lightweight crank structure.
  • members may be fixed to each other with bolts, screws, fasteners, or the like, for example, by providing holes in overlapping portions.
  • mechanical joining since the members can be disassembled, repair becomes easy.
  • the combined use of mechanical joining and joining is one of the preferred modes for cranks, which require high durability and reliability.
  • a joining line formed by overlapping portions of the members extends in the longitudinal direction of the crank.
  • a force to extend the crank acts on the pedal portion of the crank, but the partial force at which the members overlap each other S If the direction is perpendicular to the longitudinal direction of the crank, the area of the overlapping portion becomes extremely large This is necessary because the weight is high.
  • the two members that substantially form the upper surface of the crank (side away from the bicycle body) and the lower surface (closer to and closer to the vehicle body), respectively, have both light weight and both members.
  • the crank acting on the crank can be transmitted directly from both the upper and lower members to the bracket spindle, thereby providing a highly reliable crank.
  • the joint portion becomes a design surface (a surface when the bicycle is viewed from the side), it is the most preferable from the appearance.
  • a fiber-reinforced plastic layer may be further provided on the outside of the outer shell in an adjoining manner.
  • the joint of the outer shell is covered, and the durability of the crank can be further increased. That is, it has a structure in which at least a part of the outer shell is covered with a fiber-reinforced plastic layer.
  • the at least two fiber-reinforced plastic members are joined to each other so as to extend in the longitudinal direction of their joining line force S appearing on the outside, and the joining line Is a structure in which at least a part of is covered with a fiber-reinforced plastic layer. In this case, it is preferable that 50 to 100% of the entire length of the joining line is covered with the fiber reinforced plastic layer.
  • the additional fiber-reinforced plastic layer for example, a tape (tow preda, etc.) or a sheet ( A method of winding a base material such as a prepredder and curing the resin in an oven, a press, a mold, or an autoclave can be employed.
  • the winding is the whole shell
  • it is preferable that the winding amount is increased in a portion important in strength.
  • the durability is remarkably improved. If it is less than half, the reinforcing effect of the additional fiber-reinforced plastic is sufficiently exhibited, but it is difficult, or there is a possibility of a case.
  • the thickness of the additional fiber-reinforced plastic layer is smaller than the gap between the two fiber-reinforced plastic members forming the joint line, and the two fiber-reinforced plastic members are more preferable.
  • U preferably covering more than 50% of the surface of the U. Additional fiber reinforced plastic layer thickness force If it is thicker than the two fiber reinforced plastic members forming the joint line, the fiber reinforced plastic member will be deformed during layer formation and will not be finished to the prescribed shape and dimensions, This is because the durability of the crank may be eventually reduced.
  • the preferred thickness of the fiber-reinforced plastic layer is approximately 0.1 to 2 mm. Further, it is preferable that the caloric fiber-reinforced plastic layer covers more than half (50%) of the surface of the two fiber-reinforced plastic members.
  • the reinforcing fibers in the fiber-reinforced plastic layer like a curd are 45-135 degrees to the joining line that goes out (the direction of the joining line that goes out is 0 degree direction) And the angle is measured clockwise).
  • the caloric fiber-reinforced plastic layer can more effectively suppress the opening of the joint, and can more efficiently improve the durability of the crank.
  • the most effective orientation to suppress aperture displacement is 90 degrees.
  • the fiber-reinforced plastic layer can be formed by an autoclave, a die press, a rubber mold, or the like. Since the fiber-reinforced plastic layer is almost the final appearance of the crank, it is preferable to wind it under tension so that wrinkles and irregularities do not occur. In particular, in order to reduce unevenness, it is preferable to form by applying a pressure of 0.1-0.5 MPa with a rubber mold.
  • the fiber reinforced plastic layer is the outermost layer.
  • the form of the reinforcing fibers constituting the fiber-reinforced plastic layer is preferably a woven fabric in order to impart good design properties. It is also preferable to use a tape pre-preder for work efficiency in a part having a complicated shape such as a curved part.
  • the two members to be bonded may overlap with a width of 5 mm or more, more preferably 15 mm or more, from the viewpoint of increasing the bonding area. preferable.
  • the angle of the bonding surface is devised so that a compressive stress is applied to the bonding surface when a force is applied in the direction in which the bonded member is to be divided. This is particularly preferable because the strength of the crank increases.
  • the adhesive can be selected from various types of adhesives such as epoxy-based and urethane-based adhesives that can be cured by heating or at room temperature.However, in view of workability and adhesion durability, etc. Especially preferred.
  • the Barcol hardness of the adhesive is preferably smaller than that of the matrix resin constituting the fiber reinforced plastic member. In the manufacturing process, when removing the adhesive that has adhered and hardened to the fiber-reinforced plastic member due to the protrusion of the adhesive, if the adhesive is too hard, the fiber-reinforced plastic member may be scraped off. is there.
  • the bicycle crank according to the present invention can be easily made to have a hollow structure by bonding a member whose outer shell is preformed. By adopting a hollow structure, it is easy to reduce the weight of the crank.
  • the bicycle crank according to the present invention has at least two insert members in the outer shell.
  • the first insert member has a structure connectable to the pedal shaft, for example, a through-hole having a screw thread.
  • the second insert has a structure connectable to the bracket spindle, for example, a through hole having a ratchet groove or the like.
  • the second insert member is provided with a structure for effectively transmitting torque to the sprocket, for example, a through hole or the like that can be bolted to each end of a forty-five arm-shaped portion is provided.
  • the through hole may be formed with respect to an integral structure with an outer shell forming member (1 or 2 described later).
  • These two insert members are preferably arranged at both ends of the crank, respectively. If the transmission of the force between the two is mainly performed by the outer shell, the inside can be made hollow or a very lightweight foam material, so that the light weight can be applied. However, It is also possible to connect the two with a wire-like material for manufacturing reasons, for example, positioning the insert members.
  • the introduction of the pedaling force from the pedal force and the transmission of the torque to the bracket spindle and the sprocket are mainly performed through the insert member.
  • the gear mounting through hole is formed integrally with the outer shell forming member, torque is transmitted to the through hole through the insert member.
  • the transmission of force between the insert members is mainly performed by the outer shell. Therefore, the transmission of force between the insert member and the outer shell is very important for the strength and rigidity of the crank. For this reason, it is preferable that the bonding area between the insert member and the outer shell is large, and it is preferable that 50% or more of the outer surface area of the insert member is bonded to the outer shell.
  • a film-shaped bonding layer is provided on the bonding surface.
  • the burden on the bonded portion between the fiber-reinforced plastic members can be reduced, and the durability and durability of the crank can be improved.
  • Very high rigidity is very preferable.
  • the adhesiveness may be improved and the weight may be reduced.
  • Various materials can be used as the material of the insert member, but it is preferable to use a force selected from various metals, resins, and fiber-reinforced plastics, or a combination thereof.
  • a force selected from various metals, resins, and fiber-reinforced plastics, or a combination thereof.
  • an aluminum alloy or a composite of an aluminum alloy and a carbon fiber reinforced plastic is particularly preferred.
  • the fatigue strength is LOkgfZmm 2 or more, and more preferably at 15 kgf / mm 2 or more heat treatment aluminum alloys.
  • the rigidity changes rapidly at the boundary, so that a large stress acts locally and aluminum may cause fatigue failure. is there.
  • Fiber-reinforced plastics have high fatigue strength.
  • the durability of the crank can be improved.
  • the heat treatment can improve the durability of the crank used outdoors, where the change with time is small.
  • an aluminum alloy is coated with an oxide film having a thickness of 3 to 30 m by, for example, anodizing treatment. It is preferable from the viewpoint of durability that it is formed in such a manner. Above all, in the case of combination with carbon fiber reinforced plastic, there is a possibility of electric corrosion. By forming an oxide film of 3 to 30 m, electric corrosion can be suppressed.
  • the formation of the oxide film can be performed by a sulfuric acid alumite treatment or a phosphate alumite treatment. Above all, the phosphoric acid alumite treatment is the most preferable because a strong acid oxide film can be formed.
  • the inside of the outer shell is preferably made of a hollow or lightweight foam material, but is preferably hollow from the viewpoint of reducing the weight of the crank.
  • the method for manufacturing a bicycle crank according to the present invention includes a step of preforming a plurality of members made of fiber-reinforced plastic by a single-sided or double-sided die, and a step of integrating the plurality of members. And a method characterized by including: In particular, a plurality of fiber-reinforced plastic members formed by the preforming step are formed by combining a first insert member capable of introducing a pedal axial load and a second insert member connected to a bracket spindle and capable of transmitting a load to a sprocket. It is a method of making one as an outer shell.
  • the bicycle crank according to the present invention for example, as shown in a conceptual diagram in FIG. Then, they are formed by a single-sided mold or a double-sided mold, and then they are integrally formed to form an outer shell. It is preferable to arrange the insert member in the outer shell in the process of the integral shading and simultaneously perform the shading by bonding or the like.
  • the outer shell is formed by devising the shape of the mold and cooling the part by means such as cooling a part.
  • a part can be left unformed and formed at the time of assembly to also serve as a joint.
  • a lightweight bicycle crank having desired quality can be obtained with high production efficiency and stability.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing components of a bicycle crank according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a partial cross section of a bicycle crank according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic process flow diagram showing a method of manufacturing a bicycle crank according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic process flow chart showing a method for manufacturing a bicycle crank according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing components of a bicycle crank according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic process flow chart showing a method of forming the components of FIG. 5.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing components of a bicycle crank according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a bicycle crank according to one embodiment of the present invention in which each component is assembled as a crank. It is the perspective view which showed the partial cross section of the crank.
  • reference numeral 2 denotes a fiber-reinforced plastic member forming an outer shell, and can be formed into a crank shape by assembling.
  • Reference numeral 3 denotes an insert member connected to the pedal shaft, and reference numeral 4 denotes an insert member connected to the bracket spindle.
  • Each of these insert members 3, 4 is shown inside the outer shell. The assembly of the outer shell forming members 1 and 2 and the insert members 3 and 4 is performed by bonding or mechanical joining.
  • these insert members 3, 4 are made of metal, resin, fiber reinforced plastic, or a combination thereof. More preferably, the insert member is formed by a combination of an aluminum alloy and a carbon fiber reinforced plastic.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing an example of a method for manufacturing a bicycle crank according to the present invention, and is a schematic diagram viewed from a cross-sectional direction when forming force is assembled.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram of a further devised manufacturing method.
  • reference numeral 8 denotes a female mold for molding the outer shell forming member 1
  • reference numeral 9 corresponds to the molding die 8, so that the cavities necessary for molding the outer shell forming member 1 are provided.
  • 1 shows a male mold having a shape that produces a shape.
  • Reference numeral 5 denotes a base material made of a reinforcing fiber or a pre-predder for forming the outer shell forming member 1.
  • the outer shell forming member 1 can be obtained by pressurizing and heating the base material 5 using the molds 8 and 9.
  • Reference numeral 10 denotes a molding die for molding the outer shell forming member 2
  • reference numeral 11 denotes a molding core for pressing the inner surface of the outer shell forming member 2
  • reference numeral 13 denotes the outer shell 2.
  • Reference numeral 12 denotes a female mold for molding, which is a mold structure for molding by applying pressure to the wall surface of the outer shell 2.
  • Reference numeral 6 denotes a base material made of a reinforcing fiber or a pre-preda for forming the outer shell forming member 2.
  • the outer shell forming member 2 can be obtained by pressurizing and heating the base material 6 with the mold structure 10-13.
  • Reference numeral 14 denotes an assembling die for assembling the outer shell member
  • reference numeral 15 denotes an assembling die having a shape corresponding to the assembling die 14 to create a cavity corresponding to the outer shape of the crank 7.
  • the outer shell forming members 1 and 2 coated with adhesive are put into the assembling dies 14 and 15, and the outer shell forming members are joined together by pressing and, if necessary, heating to obtain the crank 7.
  • Monkey
  • FIG. 4 shows a manufacturing method in which some of the outer shell forming members 1 and 2 are not cured during molding.
  • Reference numeral 16 denotes a structure for cooling a part of the mold 9.
  • Reference numeral 17 is also a structure for cooling a part of the molding die.
  • the outer shell forming member 2 is formed by this structure 17, it is possible to obtain the outer shell forming member 2 in which the region corresponding to the bonding portion is uncured.
  • the outer shell forming members 1 and 2 having the uncured regions obtained in this manner are assembled and heated by applying pressure by the assembling dies 14 and 15 to cure the uncured portions while joining them. Therefore, bonding can be performed by using the resin itself contained in the base materials 5 and 6 as an adhesive.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a portion corresponding to a portion taken along line XX ′ of FIG. 1, showing components of a bicycle crank according to another embodiment of the present invention.
  • An example is shown in which at least a portion is covered with the fiber-reinforced plastic layer (over the entire outer surface of the outer shell in this example).
  • FIG. 6 is a schematic process flow chart showing a method of forming the components of FIG.
  • the outer surface of the outer shell constituted by the outer shell forming members 1 and 2 is covered with a fiber-reinforced plastic layer 20 over the entire periphery.
  • This fiber-reinforced plastic layer 20 covers, in particular, at least a portion 18 where the outer shell-forming members 1 and 2 overlap with each other, in particular, a joining line 19 that appears outside and extends along the longitudinal direction of the crank. Is provided.
  • the fiber-reinforced plastic layer 20 is additionally provided outside the outer shell, and forms the outermost surface of the crank, and since good design is required, the fiber-reinforced plastic layer 20 is formed. It is preferable to use a woven fabric for the reinforcing fiber.
  • the additional fiber-reinforced plastic layer 20 is formed by winding a base material 21 forming the fiber-reinforced plastic layer 20 as shown in Fig. 6. That is, the base material 21 is sequentially wound around the outer shell formed by the outer shell forming members 1 and 2 with a predetermined winding length, and an additional fiber-reinforced plastic covering the outer shell, particularly the joining line 19. A layer 20 is formed. Thereafter, the additional layer is cured.
  • a prepreg A (resin weight content of 30%) impregnated with epoxy resin in a cloth material (C06343, manufactured by Toray Industries, Inc.) having a carbon fiber strength of 230 GPa, and a carbon fiber force of 280 GPa What B (Toray Co., Ltd. C06142) impregnated with epoxy resin and prepreg B (resin weight content 30%), and prepreg C (carbon resin-impregnated epoxy resin impregnated with epoxy resin impregnated in one direction) Toray Industries, Inc., P2053-20, fiber weight 200 g / m 2 , resin weight content 30%) was used.
  • the right crank with a crank length of 170 mm was used.
  • the front side of the crank is laminated with one layer of Pre-Preda A and six layers of Pre-Preda C
  • the rear side is laminated with one layer of Pre-Preda A and 16 layers of Pre-Preda C.
  • the surface roughness Ra of the inner surface of this outer shell was 2.8 ⁇ m.
  • Insert members having shapes corresponding to the two positions of the pedal shaft side and the bracket spindle side were formed by cutting.
  • the bracket spindle side insert member was an insert member obtained by integrally integrating a carbon fiber reinforced plastic portion on an aluminum alloy main structure.
  • a room temperature curing high toughness epoxy adhesive (TE2220 manufactured by Toray Industries, Inc.) was applied, assembled, and assembled together. Thereafter, it was left to cure at room temperature for 12 hours. After that, the peripheral burr was removed by mechanical calorie to obtain a bicycle crank having the structure shown in Fig. 1.
  • an epoxy adhesive (TE2220 manufactured by Toray Industries, Inc.) was applied thereto and allowed to cure at room temperature for 12 hours. After that, the peripheral glue is removed with a mechanical filter, and three layers of Pre-Preda B are wrapped around the crank to cover the front side force, wrapped in a nylon film, and the inside is decompressed. Bag molding was performed for 2 hours to obtain a bicycle crank having a structure as shown in FIG.
  • Example 1 In Example 1 and Example 2, it is shown in Japanese Industrial Standards JIS bicycle gear crank D9415. The test performed confirms that it has sufficient strength compared to the conventional product. Industrial applicability
  • the present invention relates to a bicycle crank, but is not limited thereto.
  • the present invention can be applied to a bicycle having a complicated shape and a hollow structure such as a bicycle frame and a suspension arm.

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Abstract

　製造効率が良く、疲労耐久性や剛性に優れかつ軽量な自転車用クランクを得るために、繊維強化プラスチックからなる外殻と、ペダル軸から荷重を導入しうる第１のインサート部材と、ブラケットスピンドルに接続されスプロケットに荷重を伝達しうる第２のインサート部材とを有する自転車用クランクにおいて、外殻を、少なくとも２つの、少なくとも一部があらかじめ成形された繊維強化プラスチック部材から構成する。

Description

自転車用クランクおよびその製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、自転車用クランクおよびその製造方法に関し、とくに、繊維強化プラスチ ック力 なる外殻を有する自転車用クランクおよびその製造方法に関する。
背景技術
[0002] 周知のように、自転車用クランクは、ペダルとブラケットスピンドルとを繋ぐ部品であり 、ペダルからの踏力を伝える動力伝達部材である。このクランクへの要求特性として は、ペダル力もの荷重を繰り返し受けても損傷や変形を生じな 、ための耐疲労性や 、ペダルを踏んだ際のフィーリングを良好としたりクランクが変形によってフレームや チェーンと接触しないための剛性が重視される。さらに、車体全体の軽量化要求があ ることにカ卩えてクランク自体が回転運動するため、できるだけ軽量であることが望まれ る。こうした要求は、いわゆるロードレーサーなどの競技用自転車において特に厳し い。
[0003] これらの要求に対して、従来クランクの材料としては主にアルミニウム合金が使用さ れてきた。具体的には 7075合金のような高強度の合金が使用され、更に軽量ィ匕のた めに中空構造としたクランクも上巿されている。しかしながら、アルミニウム合金では軽 量ィ匕に限界があり、さらなる軽量ィ匕要求に対しては材料の置き換えが必要となる。
[0004] このような観点から、軽量、高強度、高剛性の材料として繊維強化プラスチックが注 目され、クランクへの適用が検討されており、一部で市販されているものもある。しか しながら、繊維強化プラスチックを使用しても、上記の要求特性を全て満たすことは 困難であるか、たとえ可能であってもクランクの製造工程が複雑になり、コスト高となる ことが多力 た。すなわち、従来の繊維強化プラスチック製クランクにおいて、耐疲労 性、剛性、軽量ィ匕を全て満足するものを低コストで提供することは困難であった。
[0005] この問題に対し、クランク外殻を繊維強化プラスチック製とし、内部を軽量なコアあ るいは中空とした構造が提案されている。たとえば特許文献 1には、インサートと発泡 材によるコアの外側が繊維強化プラスチックの外殻で覆われた自転車用クランクが開 示されている。この特許文献 1では、一部が開放した繊維強化プラスチックの外殻内 に発泡材を注入してコアを形成する方法を採っている。しかし、この方法では、型内 での作業が多くなり成形効率を上げることが難しぐコスト高となる。また、外殻の繊維 強化プラスチック材料は、発泡材の圧力によって外型に押しつけられて成形されるが 、この圧力は通常のプレス成形やオートクレープ成形等で加わる圧力よりも低ぐ外 殻中にボイドゃ繊維のうねりのような欠陥を生じやすぐクランクの強度や剛性が低下 しゃすい。また、発泡材を注入するための開口部も欠陥となってしまう。さらに、圧力 を加えることができるような発泡材は概して比重が高いため、クランクの軽量化にも限 界がある。
[0006] また、特許文献 2にも、インサートとコアの周りを繊維強化プラスチックの外殻で覆つ た自転車用クランクが開示されている。この特許文献 2では、コア及びインサートの周 りにプラスチック材料母材に混合された強化繊維のテープを巻き付け型成形すると ヽ う手順を採っており、この方法にも繊維の蛇行ゃボイドの発生を避けるのが難しいと いう欠点がある。また、中空なクランクを得るためには、成形後にコアを取り出すという 工程を入れる必要があり、クランクを簡便に作るには不利である。
[0007] 以上のように、従来の繊維強化プラスチック製クランクにおいて、外殻を繊維うねり ゃボイドが少ない繊維強化プラスチックとし、かつ内部を中空あるいは非常に軽量な 発泡体として、軽量かつ高強度、高剛性を安価に実現することは困難であった。 特許文献 1：米国特許第 6,202,506号公報
特許文献 2：特開 2003-72666号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0008] そこで本発明の課題は、上記のような問題点を解決し、製造効率がよく安定して所 望の品質を得ることが可能でし力も軽量な自転車用クランクおよびその製造方法を提 供することにある。
課題を解決するための手段
[0009] 上記課題を解決するために、本発明に係る自転車用クランクは、繊維強化プラスチ ックからなる外殻と、ペダル軸力 荷重を導入しうる第 1のインサート部材と、ブラケット スピンドルに接続されスプロケットに荷重を伝達しうる第 2のインサート部材とを有する 自転車用クランクにおいて、前記外殻が、少なくとも 2つの、少なくとも一部があらかじ め成形された繊維強化プラスチック部材カもなることを特徴とするものからなる。
[0010] 自転車用クランクは、自転車のペダルとブラケットスピンドルとを接続しており、通常 は左右 1対となっている力 本発明のクランクは左右どちらであってもよぐまた両方で あってももちろんよい。
[0011] 本発明の自転車用クランクは、繊維強化プラスチック力もなる外殻を有する。その強 化繊維としては炭素繊維、ガラス繊維、ァラミド繊維、ボロン繊維等が適用できるが、 力学的特性に優れている点力も炭素繊維であることが好ましい。炭素繊維にはピッ チ系、 PAN系等の炭素繊維や黒鉛繊維があり、なかでも強度や弾性率に優れる PA N系炭素繊維が好ましい。クランクの剛性と強度とのバランスから、炭素繊維の引張 弾性率は 200GPa— 700GPaの範囲内であることが好ましぐ 200GPa— 500GPa の範囲内であることがより好ましぐ 250GPa— 350GPaの範囲内であることが特に 好ましい。形態は連続繊維の一方向引き揃え形態、織物形態、不連続繊維の分散 形態等が使用できる。マトリクス榭脂としては、エポキシ榭脂、フエノール榭脂、不飽 和ポリエステル榭脂等の熱硬化性榭脂や、ポリアミド榭脂、ポリカーボネート榭脂等 の熱可塑性榭脂が適用できるが、なかでも力学的特性に優れ、炭素繊維との接着性 の高 、エポキシ榭脂が好適に使用できる。
[0012] また、上記少なくとも 2つの繊維強化プラスチック部材を構成する強化繊維 (特に、 炭素繊維）の 50%以上が、弾性率が 290— 700GPaの範囲内にあり、繊維体積含 有率 (Vf)が 40— 70%の範囲内にあることが好ましい。このような高弾性率設計の自 転車用クランクは、軽量、高剛性であり、長時間使用しても疲れないクランクとなる。ま た、繊維強化プラスチック部材を構成する 50%以上の強化繊維の形態が連続繊維 である一方向引き揃え形態または織布であると、中空であっても耐貫通衝撃性が向 上して好ましい。
[0013] 本発明の自転車用クランクの外殻は、クランクの外表面を実質的に形成するシェル 状の部材であり、弾性率の高い繊維が使用されるため荷重を多く負担する。そのた め強化繊維のうねりゃボイドが少ないことがクランクの特性上求められる。強化繊維の うねりを抑制するには、プレス成形等によって外殻の内外両面力 型押しされてなる 平滑な面を有することが好ましぐすなわち外観上は平滑性を要求されない外殻内 面も平滑であることが好ましい。本発明においては外殻内面のうち少なくとも一箇所 の一方向において、 JIS B0601— 1982に従い測定長さ 7. 5mm、カットオフ値 2. 5 mmで測定した中心線平均粗さ Raが 100 μ m以下、好ましくは 20 μ m以下であるこ とが好ましい。
[0014] 外殻の厚さは 0. 1mm— 4. Ommの範囲内であることが好ましい。外殻の厚さがこ の範囲より小さ 、と成形が困難となり、逆に大き 、と重量が増し本発明による軽量ィ匕 効果が減少する。外殻の内面に、その強度や剛性を増すためにリブ、突起、凹凸を 形成したり、金属その他の材料と組み合わせて所望の特性を得る構造とすることも可 能である。
[0015] 上記外殻は全体が一体成形されてはおらず、複数の (少なくとも 2つの)繊維強化 プラスチック部材が接着結合または機械的結合によって一体ィ匕されてなる。これによ り成形される個別部材の形状が単純となり、ボイドゃ繊維うねりの少な ヽ部材とするこ とができる。部材数は 2以上の任意の数でクランクの形状により異なる力 クランク上 面（自転車の車体から離れた側）と下面 (車体に近 ヽ側）をそれぞれ実質的に形成す る 2部材であることが最も好ま 、。
[0016] また、繊維強化プラスチック部材同士は、重なり合わせることが好ま 、 (例えば、 後述の図 5に図示)。重なり合つていることで、剛性を大きくできるととともに、許容され る部材の寸法精度を吸収することができる。すなわち、繊維強化プラスチック部材同 士を突き合わせる構造とすると、突き合わせ部で隙間が生じて、この隙間から水分が 進入して耐久性を低下させたり、逆に部材同士が干渉して所定の形状に組み立てら れず、部材を追加加工する工程が発生したりすることが、重ね合わせ構造とすること で解消することが可能となる。さらに、両部材は、部材同士が重なり合った部分で、接 着あるいは、機械接合にて接合させることが好ましい。重なり合った部分の全部また は一部を接着剤で接合することで、重なり合つている以上に剛性を向上させて、より 信頼性の高い軽量なクランクの構造となる。機械接合の場合は、重なり合つている部 分に、孔を設ける等して部材同士をボルト、ネジ、ファスナー等で固定すればよい。 機械接合の場合、部材の分解が可能であるため、修理が容易となる。機械接合と接 着接合を併用することも、クランクという高い耐久性、信頼が要求される部材には好ま しい態様の一つである。
[0017] また、部材同士の重なる部分により形成される接合線 (部材同士の境界線、特に外 部側に現れる接合線）は、クランクの長手方向に延在していることが好ましい。クラン クのペダル部分には、ライダーの体重により、クランクを引き伸ばそうとする力が作用 するが、部材同士が重なる部分力 Sクランクの長手方向と垂直であると、重なる部分の 面積を極めて大きくする必要があり、高重量となるからである。上記したように、クラン ク上面（自転車の車体から離れた側）と下面 (車体に近 、側）をそれぞれ実質的に形 成する 2部材であると、軽量であることに加えて、両部材の重なる部分で大きな接着 面積が得られるので、高い信頼性を有する接合が可能となる。かつ、クランクに作用 するクランクを引き伸ばす力に対しても、上面、下面部材両方から直接ブラケットスピ ンドル部へ力を伝達することができて、信頼性の高いクランクとなる。さらに、この構造 では、接合部が意匠面（自転車を側面から見た時の面）にな 、ため、外観上からも最 も好ましい。
[0018] また、本発明に係る自転車用クランクにおいては、外殻の外側に、さらに付カ卩的に 繊維強化プラスチック層が配されて 、てもよ 、。この層の強化繊維がクランク周囲に わたり連続したものとすることにより、前記外殻の接合部をカバーし、クランクの耐久 性をさらに高めることができる。すなわち、前記外殻の少なくとも一部が繊維強化ブラ スチック層で覆われている構造である。より具体的には、例えば、上記少なくとも 2つ の繊維強化プラスチック部材が、外部側に現れるそれらの接合線力 Sクランクの長手方 向に延在するように、互いに接合されており、該接合線の少なくとも一部が繊維強化 プラスチック層で覆われている構造である。この場合、上記接合線の全長の 50— 10 0%が繊維強化プラスチック層で覆われて 、ることが好ま 、。
[0019] 上記付加的な繊維強化プラスチック層を形成する具体的な方法としては、例えば、 外殻の外側に、未硬化の榭脂と強化繊維力もなるテープ状（トウプレダ等)あるいは、 シート状（プリプレダなど）の基材を巻き付け、オーブン、プレス、モールドあるいはォ 一トクレーブ中で榭脂を硬化させる方法を採用できる。巻き付けは外殻全体であって も、一部であっても差し支えないが、強度上で重要な箇所には、巻き付け量を増やす ことが好ましい。好ましくは、上述の如く接合線の全長の半分（50%)以上を覆って形 成すると耐久性が著しく向上する。半分未満では、付加的な繊維強化プラスチックに よる補強効果が十二分に発現して 、るとは言 、難 、ケースの可能性があるからであ る。
[0020] 尚、好ま 、付加的な繊維強化プラスチック層の厚さは、接合線を形成する 2つの 繊維強化プラスチック部材の 、ずれよりも薄 、ことが好ましぐかつ 2つの繊維強化プ ラスチック部材の表面の 50%以上を覆って 、ることが好ま U、。付加的な繊維強化 プラスチック層の厚さ力 接合線を形成する 2つの繊維強化プラスチック部材よりも厚 いと、層形成時に、繊維強化プラスチック部材が変形して、所定の形状'寸法に仕上 がらず、最終的にクランクの耐久性を低下させる可能性があるためである。好ましい 付カ卩的な繊維強化プラスチック層の厚さは、 0. 1— 2mm程度である。さらに、付カロ的 な繊維強化プラスチック層は、 2つの繊維強化プラスチック部材の表面の半分（50% )以上を覆って 、ることが好ま 、。
[0021] また、付カ卩的な繊維強化プラスチック層における強化繊維の 30%以上は、外に出 てくる接合線に対し 45— 135度 (外に出てくる接合線の方向が 0度方向、角度は時 計回りに計測する、と定義する）に配向していることが好ましい。こうすることで、付カロ 的な繊維強化プラスチック層は、接合部の開口をより効果的に抑制することができて 、クランクの耐久性をより効率よく向上させることが可能となる。開口変位を抑制する 最も効果的な配向は、 90度である。尚、開口変位抑制以外に、ねじり剛性や、曲げ 剛性を向上させる効果も併せ持たせることが可能である。ねじり剛性の向上には、 45 度方向に、曲げ剛性の向上には、 0度方向に近い配向の繊維の量を増やして調整 することが好ましい。
[0022] 付カ卩的な繊維強化プラスチック層は、オートクレーブ、金型プレス、ラバーモールド などで形成が可能である。付カ卩的な繊維強化プラスチック層は、クランクのほぼ最終 外観となるため、皺や凹凸が生じないように張力をかけた状態で巻き付けることが好 ましい。特に、凹凸を少なくするためには、ラバーモールドで 0. 1-0. 5MPaの圧力 を作用させて形成することが好ましい。また、繊維強化プラスチック層は、最外層を構 成し、意匠面を形成するので、良好な意匠性をもたせるために、この繊維強化プラス チック層を構成する強化繊維の形態は織布であることが好ましい。湾曲部など複雑な 形状の部分には作業効率上力 テーププリプレダを用いることも好ましい。
[0023] 繊維強化プラスチック部材同士が接着結合されて ヽる場合、接着面積を広くする観 点から、接着される 2部材が 5mm以上、より好ましくは 15mm以上の幅で重なり合つ ていることが好ましい。また、接着を強固なものとするため、接着面の角度等を工夫す ることにより、接着後の部材を分断しょうとする方向に力が加わる際に接着面に圧縮 応力が力かるような構造とすると、クランクの強度が高くなり特に好ましい。接着剤とし ては加熱硬化、室温硬化のいずれでもよぐエポキシ系、ウレタン系等各種の接着剤 の中から適宜選択できるが、作業性と接着耐久性等の観点力 室温硬化エポキシ系 接着剤であることが特に好ま 、。
[0024] また、接着剤のバーコール硬度は、繊維強化プラスチック部材を構成するマトリック ス榭脂のそれよりも小さいことが好ましい。製造工程において、接着剤がはみ出したり して繊維強化プラスチック部材に付着硬化した接着剤を除去する際に、接着剤の硬 度が高いと繊維強化プラスチック部材も削り込んでしまう可能性がある力 である。
[0025] 本発明に係る自転車用クランクは、外殻が予備成形された部材が接着されてなるこ とにより、容易に中空構造とすることができる。中空構造とすることにより、クランクの軽 量ィ匕が容易となる。
[0026] 本発明に係る自転車用クランクは、外殻内に少なくとも 2つのインサート部材を有す る。第 1のインサート部材は、ペダル軸と結合可能な構造、たとえばネジ山を有する 貫通穴等を有して 、る。一方第 2のインサートはブラケットスピンドルに接続可能な構 造、たとえばラチエツト溝を有する貫通穴等を有している。第 2のインサート部材には、 他にスプロケットに有効にトルクを伝達するための構造、たとえば 4一 5本の腕状に延 びた部分の先端に各々ボルト接続可能な貫通穴等が付されて 、ることが好ま 、。 また、その貫通穴は、外殻形成用部材 (後述の 1または 2)との一体構造に対して形 成してもょ 、。これら 2つのインサート部材はクランクの両端にそれぞれ配されて 、る ことが好ましい。両者の間の力の伝達は主に外殻によってなされる構造とすると、内 部を中空あるいは非常に軽量な発泡材として軽量ィ匕をは力ることができる。ただし、 製造上の理由、たとえばインサート部材相互の位置決めなどを目的として、両者の間 を線材のようなもので接続しておくことも可能である。
[0027] 本発明に係る自転車用クランクにお!/、て、ペダル力ゝらの踏力の導入およびブラケッ トスピンドルゃスプロケットへのトルクの伝達は、主にインサート部材を介して行われる 。ギヤ取り付け貫通穴を外殻形成用部材と一体で形成した場合は、インサート部材ょ り貫通穴にトルクが伝達される。一方、インサート部材間の力の伝達は主に外殻が受 け持つ。従ってインサート部材と外殻との間の力の伝達は、クランクの強度や剛性上 非常に重要である。そのため、インサート部材と外殻との間の接着面積は大きい方が 好ましぐインサート部材の外表面積の 50%以上が外殻に接着していることが好まし い。また、この接着の強さを増すために、接着面にフィルム状の接着層が配されてい ることが好ましい。また、それぞれのインサート部材が、外殻をなす複数の繊維強化 プラスチック製部材の全てと直接接着して ヽると、繊維強化プラスチック部材間相互 の接着部の負担を軽減でき、クランクの耐久性や剛性を極めて高くすることができ非 常に好ましい。また、インサート部材に貫通孔、空洞部、あるいは開口部を設けること によって接着性向上や、軽量ィ匕を図ってもよい。
[0028] インサート部材の材料としては各種のものが使用可能であるが、各種金属、榭脂、 繊維強化プラスチックのうちから選択される力、これらの組み合わせであることが好ま しい。なかでもアルミニウム合金、アルミニウム合金と炭素繊維強化プラスチックとの 複合体であることが特に好ま 、。
[0029] 中でも、疲れ強さが lOkgfZmm2以上、より好ましくは 15kgf/mm2以上の熱処理 アルミニウム合金であることが好ましい。なぜなら、繊維強化プラスチックとアルミニゥ ムという異種材料のハイブリッド構造では、境界部で剛性が急激に変化するため、局 所的に大きな応力が作用し、アルミニウムが疲労破壊を来す可能性があるためであ る。繊維強化プラスチックは高い疲労強さを有する力 インサート部材にこれに見合 つた高い疲れ強さを持たせることで、クランクの耐久性を向上させることができる。さら に、熱処理をしていることで、経時変化が小さぐ屋外で使用するクランクの耐久性を 向上させることができる。
[0030] さらに、アルミニウム合金には、厚さ 3— 30 mの酸化皮膜を例えば陽極酸化処理 等で形成しておくことが耐久性上好ましい。中でも、炭素繊維強化プラスチックとの組 み合わせでは、電気腐食の可能性があり、 3— 30 mの酸ィ匕皮膜を形成しておくこと で、電気腐食を抑制することが可能となる。酸化被膜の形成は、硫酸アルマイト処理 、燐酸アルマイト処理により可能である。中でも、燐酸アルマイト処理は、強固な酸ィ匕 皮膜が形成できて、最も好ましい。
[0031] 外殻の内部は中空あるいは軽量の発泡材であることが好ましいが、クランクを軽量 化する観点から、中空であることが特に好ま 、。
[0032] 本発明に係る自転車用クランクの製造方法は、繊維強化プラスチックカゝらなる複数 の部材を片面型または両面型により予備成形する工程と、次にその複数の部材をー 体化する工程を含むことを特徴とする方法からなる。とくに、前記予備成形工程により 成形された複数の繊維強化プラスチック部材を、ペダル軸力 荷重を導入しうる第 1 のインサート部材と、ブラケットスピンドルに接続されスプロケットに荷重を伝達しうる 第 2のインサート部材の外殻として一体ィ匕する方法である。
[0033] すなわち、本発明に係る自転車用クランクを製造するには、たとえば詳細について は後述する図 3に概念図を示すように、繊維強化プラスチックからなる複数の部材を 予めプレス成形やオートクレープ中で片面型または両面型により成形し、しかる後に それらを一体ィ匕することによって外殻をなす。この一体ィ匕の過程でインサート部材を 外殻内に配して同時に接着等により一体ィ匕することが好ましい。
[0034] また、本発明に係る自転車用クランクを製造する際に、後述する図 4に示すように外 殻を成形するとき型形状を工夫して、一部を冷却する等の手段によって、その一部を 成形されないまま残し、組立時に成形することにより接合を兼ねることもできる。
発明の効果
[0035] 本発明に係る自転車用クランクおよびその製造方法によれば、製造効率よくかつ安 定して、所望の品質を有する軽量な自転車用クランクを得ることができる。
図面の簡単な説明
[0036] [図 1]本発明の一実施態様に係る自転車用クランクの構成要素を示す分解斜視図で ある。
[図 2]本発明の一実施態様に係る自転車用クランクの一部断面表示した斜視図であ る。
[図 3]本発明の一実施態様に係る自転車用クランクの製造方法を示す概略工程フロ 一図である。
[図 4]本発明の別の実施態様に係る自転車用クランクの製造方法を示す概略工程フ ロー図である。
[図 5]本発明の別の実施態様に係る自転車用クランクの構成要素を示す、図 1の X—
X'線に沿う部分に相当する部分の横断面図である。
[図 6]図 5の構成要素を形成する方法を示す概略工程フロー図である。
符号の説明
[0037] 1、 2 外殻形成用部材
3、 4 インサート部材
5、 6 外殻形成用部材
7 クランク
8、 9、 10、 11、 12、 13 外殻成形用型
14、 15 組立用型
16、 17 外殻の一部を成形しないための装置
18 外殻形成用部材が重なり合つている部分
19 外側に現れる接合線
20 繊維強化プラスチック層
21 繊維強化プラスチック層を形成する基材
発明を実施するための最良の形態
[0038] 以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図 1は、本発明の一実施態様に係る自転車用クランクの構成要素を分解した状態 で示す斜視図、図 2は、各構成要素をクランクとして組み立てた本発明の一実施態 様に係る自転車用クランクの一部断面表示した斜視図である。
[0039] 図 1において、符号 2は外殻をなす繊維強化プラスチック部材を示しており、組 み立てることによりクランクとしての形状とすることが出来る。符号 3はペダル軸に結合 されるインサート部材、符号 4はブラケットスピンドルに結合されるインサート部材をそ れぞれ示しており、これらインサート部材 3、 4が外殻の内部に配置される。これらの 外殻形成用部材 1、 2およびインサート部材 3、 4の組立は、接着または機械的接合 によってなされる。
[0040] 好ましくは、これらインサート部材 3、 4は、金属、榭脂、繊維強化プラスチック、もしく はこれらの組み合わせで作られる。より好ましくはインサート部材がアルミ合金と炭素 繊維強化プラスチックの組み合わせによって形成される。
[0041] 次に図 3、図 4を参照して、本発明の一実施態様に係る自転車用クランクの製造方 法について説明する。
図 3は、本発明に係る自転車用クランクの製造方法の一例を示した概念図であり、 成形力 組立にかけて断面方向からみた模式的な図である。図 4は、さらに工夫され た製造方法の概念図である。図 3において、符号 8は外殻形成用部材 1を成形する ための雌型の成形型、符号 9は成形型 8に対応することで、外殻形成用部材 1を成形 するのに必要なキヤビティを作り出す形状の雄型の成形型を示す。符号 5は外殻形 成用部材 1を成形するための強化繊維やプリプレダによる基材を表して 、る。成形型 8、 9を用いて基材 5を加圧加熱することにより外殻形成用部材 1を得ることができる。
[0042] 符号 10は、外殻形成用部材 2を成形するための成形型、符号 11は外殻形成用部 材 2の内面を加圧するための成型用中子、符号 13は外殻 2を成形するための雌型の 成形型、符号 12は外殻 2の壁面に圧力をかけ成形するための型構造を示す。また、 符号 6は外殻形成用部材 2を成形するための強化繊維やプリプレダによる基材を表 す。成形型構造 10— 13により基材 6を加圧加熱することにより外殻形成用部材 2を 得ることができる。
[0043] 符号 14は外殻部材を組み立てるための組立用型であり、符号 15は組立用型 14と 対応することでクランク 7の外形に対応するキヤビティを作り出す形状の組立用型で ある。組立用型 14、 15に外殻形成用部材 1、 2に接着剤を塗布したものを入れ加圧 および必要なら加熱することにより外殻形成用部材同士が結合されてクランク 7を得 ることがでさる。
[0044] 図 4には、外殻形成用部材 1、 2の一部を、成形時には硬化させない製造法を示す 。符号 16は成形型 9の一部を冷却する構造を表す。外殻形成用部材 1を成形すると き、外殻の接着部分に当たる領域を冷却して成形時の熱が伝わらないようにすること により、この部分を未硬化なまま外殻形成用部材 1を得ることができる。符号 17も成 形型の一部を冷却するための構造である。この構造 17により外殻形成用部材 2を成 形するとき、接着部分に当たる領域が未硬化な外殻形成用部材 2を得ることができる
[0045] このようにして得られた未硬化な領域を持つ外殻形成用部材 1、 2を組み立て、組 立用型 14、 15により加圧加熱すると未硬化だった部分が接合しながら硬化するため 、基材 5、 6に含まれた榭脂自体を接着剤とすることにより接合することができる。
[0046] 図 5は、本発明の別の実施態様に係る自転車用クランクの構成要素を示す、図 1の X— X'線に沿う部分に相当する部分の横断面図であり、外殻の少なくとも一部が（本 例の場合、外殻の外面全周にわたつて)繊維強化プラスチック層で覆われて ヽる場 合の例を示している。図 6は、図 5の構成要素を形成する方法を示す概略工程フロー 図である。
[0047] 図 5においては、外殻形成用部材 1、 2により構成される外殻の外面全周にわたつ て、繊維強化プラスチック層 20で覆われている。この繊維強化プラスチック層 20は、 特に、外殻形成用部材 1、 2が重なり合つている部分 18、中でも、外側に現れ、クラン ク長手方向に沿って延びる接合線 19の少なくとも一部を覆うように設けられる。また、 この繊維強化プラスチック層 20は外殻の外側に付加的に設けられるものであり、クラ ンクの最外面を形成し、良好な意匠性が求められることから、繊維強化プラスチック 層 20を構成する強化繊維には織布を用いることが好ま 、。
[0048] 本実施態様では、上記付加的な繊維強化プラスチック層 20は、図 6に示すように繊 維強化プラスチック層 20を形成する基材 21が巻き付けられることにより形成される。 つまり、外殻形成用部材 1、 2により構成される外殻に対し、所定巻き付け長にて、基 材 21を順次巻き付けていき、外殻、特に接合線 19を覆う付加的な繊維強化プラスチ ック層 20を形成する。この後、付加層の硬化を行う。
実施例
[0049] 弾性率 230GPaの炭素繊維力 なるクロス材 (東レ (株)製 C06343)にエポキシ榭脂 を含浸したプリプレダ A (榭脂重量含有率 30%)と、弾性率 280GPaの炭素繊維力ゝらな るクロス材 (東レ (株)製 C06142)にエポキシ榭脂を含浸したプリプレダ B (榭脂重量 含有率 30%)と、炭素繊維を一方向に引きそろえてエポキシ榭脂を含浸したプリプレ グ C (東レ (株)製 P2053-20、繊維目付 200g/m2、榭脂重量含有率 30%)を用いた。測 定には右クランクのクランク長さ 170mmのものを用いた。
[0050] 実施例 1
外殻部材として、クランクの表側形状となる部材はプリプレダ Aを 1層、プリプレダ C を 6層積層し、裏側形状となる部材はプリプレダ Aを 1層、プリプレダ Cを 16層積層し、 それぞれ金型内に入れ 130°Cで 1時間プレス成形した。この外殻の内面の表面粗さ Raは 2.8 μ mであった。
[0051] インサート部材として、ペダル軸側とブラケットスピンドル側との 2箇所の形状に合わ せたものを切削加工により作成した。このうちブラケットスピンドル側インサート部材は アルミ合金製の主構造上に炭素繊維強化プラスチック部分を一体ィ匕してインサート 部材とした。
[0052] これら 2つの外殻部材およびインサート（2024AL)の接着面をサンデイングし粗面 化した後、室温硬化高靱性エポキシ接着剤 (東レ (株)製 TE2220)を塗布し組み立て て一体ィ匕した後、室温で 12時間放置し硬化させた。その後、周辺部のバリを機械カロ ェにより取り除き、図 1に示す如き構造の自転車用クランクを得た。
[0053] 実施例 2
外殻部材として、クランクの表側形状となる部材はプリプレダ Cを 10層積層し、裏側 形状となる部材はプリプレダ Cを 8層積層し、金型内に入れ 130°Cで 1時間プレス成 形した。この外殻の内面の表面粗さ Raは 2.7 /z mであった。実施例 1と同様にしてイン サート部材を作製した。
[0054] これらの外殻部材およびインサートの接着面をサンデイングし粗面化した後、ここに エポキシ接着剤 (東レ (株)製 TE2220)を塗布し室温で 12時間放置し硬化させた。そ の後、周辺部のノ リを機械カ卩ェにより取り除き、クランクの表側力も包み込むようにプ リプレダ Bを 3層巻き付け、ナイロンフィルムで包み、内部を減圧した後 130°Cの硬化 炉内で 2時間バッグ成形し、図 2に示す如き構造の自転車用クランクを得た。
[0055] 実施例 1および実施例 2では、 日本工業規格 JIS自転車用ギアクランク D9415に示 されるテストにより、従来品と比較され、十分な強度があることが確認されている。 産業上の利用可能性
本発明は、自転車用クランクに関するものであるが、これに限定されず、例えば自 転車フレーム、サスペンションアームなど複雑形状で中空構造としたいものにも適用 することができる。

Claims

請求の範囲
[1] 繊維強化プラスチックからなる外殻と、ペダル軸力 荷重を導入しうる第 1のインサ 一ト部材と、ブラケットスピンドルに接続されスプロケットに荷重を伝達しうる第 2のイン サート部材とを有する自転車用クランクにおいて、前記外殻が、少なくとも 2つの、少 なくとも一部があらかじめ成形された繊維強化プラスチック部材カもなることを特徴と する自転車用クランク。
[2] 前記外殻が、前記少なくとも 2つの繊維強化プラスチック部材を接着することにより 形成されている、請求項 1に記載の自転車用クランク。
[3] 前記外殻が、前記少なくとも 2つの繊維強化プラスチック部材を機械的に接合する ことにより形成されている、請求項 1に記載の自転車用クランク。
[4] 前記少なくとも 2つの繊維強化プラスチック部材を構成する強化繊維の 50%以上 力 弾性率が 290— 700GPaの範囲内にあり、繊維体積含有率 (Vf)力 0— 70%の 範囲内にある、請求項 1一 3の 、ずれかに記載の自転車用クランク。
[5] 前記少なくとも 2つの繊維強化プラスチック部材を構成する強化繊維の形態が連続 繊維である一方向弓 Iき揃え形態または織布である、請求項 1一 4の 、ずれかに記載 の自転車用クランク。
[6] 前記外殻の少なくとも一部が繊維強化プラスチック層で覆われている、請求項 1一
5の 、ずれかに記載の自転車用クランク。
[7] 前記少なくとも 2つの繊維強化プラスチック部材が、外部側に現れるそれらの接合 線がクランクの長手方向に延在するように、互いに接合されており、該接合線の少な くとも一部が繊維強化プラスチック層で覆われている、請求項 6に記載の自転車用ク ランク。
[8] 前記接合線の全長の 50— 100%が繊維強化プラスチック層で覆われている、請求 項 7に記載の自転車用クランク。
[9] 前記接合線上の繊維強化プラスチック層の厚さは、前記少なくとも 2つの繊維強化 プラスチック部材のいずれよりも小さい、請求項 7または 8に記載の自転車用クランク
[10] 前記接合線上における前記繊維強化プラスチック層の強化繊維の 30%以上は、 前記接合線に対し 45— 135度に配向している、請求項 7— 9のいずれかに記載の自 転車用クランク。
[11] 前記繊維強化プラスチック層を構成する強化繊維の形態が織布である、請求項 6 一 10のいずれかに記載の自転車用クランク。
[12] 前記インサート部材のうち少なくとも一つが、金属、榭脂、繊維強化プラスチック、も しくはこれらの組み合わせ力 なる、請求項 1一 11の 、ずれかに記載の自転車用ク ランク。
[13] 前記インサート部材のうち少なくとも一つ力 アルミ合金と繊維強化プラスチックとの 組み合わせ力もなる、請求項 12に記載の自転車用クランク。
[14] 前記インサート部材のうち少なくとも一つ力 疲れ強さが lOkgfZmm2以上の熱処 理アルミニウム合金力もなる、請求項 12に記載の自転車用クランク。
[15] 前記インサート部材のうち少なくとも一つが、厚さ 3— 30 mの酸化皮膜が形成さ れたアルミニウム合金力もなる、請求項 12に記載の自転車用クランク。
[16] 前記インサート部材のうち少なくとも一つが、前記繊維強化プラスチック部材の全て と直接接着されている、請求項 1一 15のいずれかに記載の自転車用クランク。
[17] 前記接着に使用されている接着剤のバーコール硬さが、前記繊維強化プラスチッ ク部材を構成するマトリックス榭脂より小さい、請求項 2、 4一 16のいずれかに記載の 自転車用クランク。
[18] 繊維強化プラスチックからなる複数の部材を片面型または両面型により予備成形す る工程と、次にその複数の部材を一体化する工程を含むことを特徴とする自転車用 クランクの製造方法。
[19] 前記予備成形工程により成形された複数の繊維強化プラスチック部材を、ペダル 軸力 荷重を導入しうる第 1のインサート部材と、ブラケットスピンドルに接続されスプ ロケットに荷重を伝達しうる第 2のインサート部材の外殻として一体ィ匕する、請求項 18 に記載の自転車用クランクの製造方法。
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