JP5734305B2 - 特に自転車に適したコンポジット車輪及び車輪の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、スポーツ用途の、より詳細にはサイクリング用途の高性能の複合材料でできた器具の設計及び製造の分野に関する。

本発明は特に、複合材料、とりわけ炭素繊維が基材である材料でできた、リム、スポーク及びハブ体を備えた新規な自転車の車輪に関する。

サイクリングの分野において、プロ又はアマチュアの競技者の成績向上は、用いられている材料の技術改良に本質的に関連する。この材料の技術的な改良は、自転車の各構成部品の質量、それらの剛性及びそれらの空気力学特性について達成された成果に主に依存する。

自転車の車輪に関していえば、主要な性能基準は、高剛性、軽量及び低い回転慣性である。

剛性及び質量のパラメーターは、炭素繊維が基材である複合材料を、特に、リム又は車輪のハブの製造に使用することによって、長年改良されてきた。

最近まで、車輪の一部である車輪のスポークは常に金属で製造されていた。そのようなスポークを備えた車輪の剛性を増加させるために、最近のスポークはかなりの頻度で予め引っ張り応力が与えられており、この予め与えられた張力は１８００Ｎ（ニュートン）に達しうる。しかしながら、スポークにそのような引っ張り応力の付与を適用することは、スポークが取り付けられる程度にリム縁の材料の厚みを強化することを要し、このことは、リム、つまり車輪の重量を減らすという目的を妨げる。

かなり最近では、一定数のサイクリング器具の製造者が、複合材料できたリムに、より低い引っ張り応力が付与され同じく複合材料でできたスポークが取り付けられた車輪を開発し、かなり剛性の高い車輪を得ることを可能にしている。

スポークに付与される引っ張り応力の低減は、リム及びハブの寸法に関して有利であり、特に材料の厚みを減少させることができ、これにより、車輪の重量を減らすことができ、かつ、回転慣性の大幅な改善を実現できる。

現在のところ、複合材料でできたスポークを、複合材料又は金属材料の単一の材料で同様に構成されたリム及びハブに組み合わせるための２つの主な方法が存在する。一つの方法は、オーバーモールド成形（over molding）、共射出成形（co-molding）又はスポークのリム及びハブへの接着である。もう一つの方法は、別々に製造されたスポークをリム及びハブに金属製の機械部品（スポークヘッド、ねじエレメント）を用いた固定である。

オーバーモールド成形（over molding）、共射出成形（co-molding）又は接着を行う技術は、車輪のリム及びハブに対するスポークの、軽量で、堅固で、耐久性のある、機械的な接合を得ることができるので、有利である。

複合材料でできたスポークを金属製の機械部品を用いて取り付ける技術は、着脱可能かつ調整可能な装着を実現できるが、得られる車輪の全体重量はより大きくなる。加えて、疲労又は体膨張率差という機械的問題が、金属／複合材料の接続部分において徐々に起こり得る。

また、重合による結合を用いて自転車の車輪のスポークを実現するための技術の一つのバリエーションが文献ＦＲ２９３３０３０に提案されている。しかしながら、この技術は、作業が複雑であり、かつ、得られた車輪の信頼性に疑問が残るということが判明した。

本発明は、その重量、剛性及び回転慣性が最適化されており、その製造が簡単で早く、かつ信頼性があり、特に炭素繊維が基材である複合材料でできたリム、ハブ及びスポークで構成された新規なタイプの自転車の車輪を提供することを目的とする。

本発明の別の目的は、複合材料、特に炭素繊維が基材である複合材料でできた部品のみで構成された自転車の車輪の製造方法であって、作業が簡単で信頼性のある製造方法を提供することである。

それゆえ、第１の目的に従って、本発明は、車輪、特に自転車用の車輪であって、環状のリムと、前記リムの中心に位置するハブと、前記ハブを前記リムに接続しているスポークとを備え、前記スポークが複合材料で構成されており、前記スポークは、前記車輪の中央面（メディアンプレン）の両側で２つずつ対になっており、かつ、引っ張り応力がかからずに、前記ハブ及び前記リムにおいて、その端部によって固定されている車輪を提供する。

本発明の車輪は、その端部でリム及びハブを連結する複合材料でできたスポークを提供し、かつ、引っ張り応力がかかっていないという利点を示す。このような車輪は、従来のコンポジット車輪と比較して、低い回転慣性をもたらす非常に軽い質量とともに非常に高い剛性を示す。加えて、車輪の中央面（メディアンプレン）に関して２つずつ対にしたスポークの構造は、車輪が十分な剛性を得るために必要なスポークの数を相当に減らすことができる。実際には、スポークの数はそれゆえ１２本に減らしてもよく、車輪におけるそれぞれの傘状の構造に対してスポークの数は６本であり、これにより車輪の全体質量を相当に減らすことができ、全体質量が１ｋｇ程度である前輪及び後輪の１組の車輪を得ることができる。

本発明の第１の好ましい特徴に従うと、前記車輪の前記リム及び前記ハブは、下記複合材料のみから構成されている必要はないが、例えばエポキシ樹脂である熱硬化性バインダーが染み込んだ炭素繊維を含む複合材料で構成されている。このような材料は、圧縮及び引っ張りに対する非常に大きな抵抗、非常に高い剛性及び非常に軽い質量をもたらすという利点を示す。

一の有利な特徴に従うと、前記スポークは、前記ハブと前記リムとの間の長さの全体に対して厚みの変化を示す。特に、前記スポークは、前記ハブから前記リムに向かって材料の厚みが減少するとともに、前記ハブと前記リムとの間の長さの全体に対して実質的に円錐状又は実質的に円錐台状である縦断面を示す。

好ましくは、良好な形状安定性と圧縮及び引っ張りに対する良好な抵抗を保持するために、前記スポークは、その端部において、接合の目的で設けられた溝の中で、前記ハブ及び前記リムに対して熱硬化性樹脂によって接合されている。

上記の発明になお従いつつ、前記一対のスポークの圧縮及び引っ張りに対する抵抗を強化する目的で、前記リムは、溝の端（後端）近傍のスポークが挿入される領域において、厚みが補強された補強部を含む。

本発明の車輪の特別な実施態様において、前記スポークは、前記リムの内部へ挿入されるための曲がった端部を有する。そのような曲がった端部は、前記車輪の前記リムが成形リムであるときに特に有利であることが分かっている。

さらに好ましい態様にあっては、本発明によって提供される車輪は、前記リムの内部に挿入された前記スポークの端部で、前記スポークを固定するための止め具を備えている。この止め具は、好ましくは前記リムの内側及び外側で固定する止め具であり、前記リムの内部での前記スポークの効果的な固定を実現するように、前記リムの前記溝の端（後端）の両側に位置している。

加えて、前記止め具は好ましくは複合材料で構成されている。

さらに好ましい態様にあっては、２つずつ対になったスポークが、リムの内部に挿入されたスポークの端部において、熱硬化性樹脂によって連結されている。

上記の発明に従いつつ、前記スポークは、前記ハブに連結されたフラスコに固定され、かつ、ハブの傍で、前記ハブの軸に垂直な方向に、前記車輪の半径方向に配向されている。

そのような構造は、車輪に対する平衡及び剛性を付与し、良好な車輪の回転慣性に寄与する。

さらに、前記車輪が後輪であるとすると、前記スポークが前記ハブのトルクを伝達してもよく、かつ、前記スポークが一定数よりも少ない場合に、好ましくは前記車輪の同一の傘状の集合体の前記スポークが、前記ハブの前記フラスコにおいて、前記ハブの前記フラスコの接線方向に沿って配向されて固定されていることが推奨される。

第２の目的に従うと、本発明はまた上述した車輪の製造方法を提供し、本質的に次の工程を備える。
ａ）ポリマーである複合材料で構成された車輪のリム及びハブを治具に取り付ける工程
ｂ）前記ハブ及び前記リムに接続のために設けられた溝の内部に、２つずつ対にした前記スポークの端部を挿入する工程
ｃ）前記スポークの前記端部が挿入された前記溝に熱硬化性バインダーを注入する工程
ｄ）乾燥炉における重合反応によって、前記スポークを前記リム及び前記ハブに接続する工程

様々な他の特徴は、限定しない方法で、本発明の目的の実施態様を示し、添付の図面を参照してなされる以下の説明から明らかになる。

本発明に係る後部の車輪の斜視図 ハブの軸を含む横断面に沿って図１の車輪を切断した断面図 ハブの軸に垂直なリムの接合面に沿って図１の車輪を切断した断面図 図３に示したリムの内部での２つのスポークの接合の詳細を示す図 車輪のリムの内側及び外側におけるスポークの挿入及び固定を示す図２の詳細図

図１は、一の好ましい実施形態において本発明に合致する自転車の車輪１を表している。この車輪は、インナーチューブ又はロードタイヤ（図示省略）の周囲を支えるように形作られたリム２と、リム２と同心に配置され、自転車のフレームにおいて装着可能、かつ、車輪１が回転可能となるように設計されたハブ３と、リム２の内部とハブ３とを接続しているスポーク４とを、従来通り備えている。

図２及び図５に示されているように、リム２は、これ自体は良く知られた態様ではあるが、エポキシ樹脂を染み込ませた炭素繊維の層でできた複合材料のカバー２₂が取り付けられたフォーム構造のコア２₁で好ましくは構成されている。

ハブ３に関して言えば、図２に示されているように、ハブ３は、中心車軸３１であって、伝統的にアルミで構成され、車軸３１に対して移動が阻止された２つの端部フラスコ５、６の間に固定された２つのボールベアリング３２、３３が両端に組み付けられた中心車軸３１と、車軸３１と同軸であり車軸３１の端部近傍に位置する取り付けナット３４とを備える。ハブ３は、自転車の推進を可能にするチェーンスプロケットを支持するために、ハブの車軸３１と同軸であるカセット体３５を、例えば備えている。カセット体３５は、フラスコ６にはめ込まれており、ボールベアリング３６、及び、例えば歯止め／爪車を用いたフリーホイルシステム３７によって、車軸３１上で、及び、フラスコ６に対して、回転可能である。車軸３１の一端において、カセット体３５は、取り付けナット３４によって移動が制限されている。エポキシ樹脂を染み込ませた炭素繊維の層でできたカバー３７によって、フラスコ５、６の間にハブ３の主要部が形成されており、これによりハブ３に高い剛性及び高い強度、特にねじれ、座屈及びせん断に対する高い強度が付与される。

図１〜図３に示された車輪１は、自転車の後部車輪である。しかしながら、前輪はハブ３を除いて完全に同一の形態であり、前輪のハブは車軸３１と同軸であるカセット体を有しないと言及しておくのが適切である。

本発明に従うと、車輪１は、リム２とハブ３との間で引っ張り応力がかかっておらず、エポキシ樹脂を染み込ませた炭素繊維の一種で構成されたスポーク４を含む。斬新な形態であるが、例えば好ましくはガラス繊維で強化されたエポキシ樹脂又はエポキシ接着剤などの熱硬化性バインダーを用いた接合によって、スポーク４は、引っ張り応力が付与されずに、ハブ３及びリム２に単純に連結されている。

好ましくは、スポーク４は円錐状又は円錐台状に形成されてその厚みが変化しており、好ましくはハブ３に固定される第１端部４₁からリム２の内部に挿入されて固定される第２端部４₂までスポーク４の厚みが減少する。そのような円錐状の形状は、車輪１の剛性が良好であること、及び、スポーク４の座屈に対する抵抗が良好となることに寄与している。それぞれの円錐状のスポーク４は、炭素繊維の層から単一のユニットとして作製されている。

スポークの強度を確保するために、スポーク４を形成するために用いられる繊維は、そのすべてがスポーク４の軸に沿って並んでおらず、スポーク４の軸に対して交差している。そのため、スポーク４にねじれ又はせん断の荷重がかかった場合に、炭素繊維の層を結合させているエポキシ樹脂にもっぱらその荷重がかかることを避けることができる。

さらに、本発明の好ましい特徴に従うと、それぞれのスポーク４は合成材料のコア７の周囲に作製されており、これにより炭素繊維の配置が容易になっており、かつ、スポーク４の集合体の結合が確保されるように構成されている。この目的のために、合成材料のコア７には好ましくはポリアミドが選択される。実際に、この材料は、炭素繊維のコンポジットスキン４₃にき裂が生じるような荷重がスポーク４にかかったときに、スポークが破断することを防止でき、かつ、コンポジットスキン４₃のフラグメントに対するコア７の接合によってこの結合を維持できるような、衝撃耐久性を有する。

スポーク４は好ましくは、それぞれの車輪１おいて、１２本であり、それらの細い端部４₂が２つずつ対になってリム２の内部で連結されている。

前輪について、２つずつ対になったスポークは、車輪の中心軸に沿って車輪の中央面（メディアンプレン）と交差する点Ａと、対になったそれぞれのスポークから等しい距離にある溝の端（後端）である点Ｂとを通る直線に対して対称である。このように対になっていると、本発明の車輪１のスポーク４の組は、極めて高い剛性を確保された車輪のスポークと同等のものを構成する。

本発明の車輪のリム２は、リムの周辺の円周状の帯領域２₃からリムの溝の端（後端）の領域９に位置する補強部１０までの高さでリムに穿孔された開口又は溝８に、２つずつ対になったスポーク４を固定できるように、構成されている。この補強部１０は、圧縮及び引っ張りによってリム２が強化されるように、例えば過剰な厚みの炭素繊維によって形成されている。溝８は、スポーク４の細い端４₂がリム２の内部に製造中に挿入することができるように、上述のリムの中央面（メディアンプレン）に対して少し傾いた状態でリム２に形成されており、一方でスポークの他方の端４₁のハブ３への固定のために相応しい傘の角度（リムとハブとの間のスポークの開き角度）であることが望まれる。

実際には、溝８の穿孔角度は、車輪のハブ３の中心軸に対するスポーク４の中心軸の角度に実質的に等しい。最終的に、対になったスポーク４の端４₂がリムに挿入でき、この様にスポークが配置された後に、リム２の内部及びリム自身の上述の端においてスポーク４の端部４₂同士が連結するように設計された２つの樹脂プラグ１１、１２を注入できるように溝８の穿孔の径が選択され、プラグ１１は、スポーク４をリム２内部で固定する内側止め具を形成しており、一方で、プラグ１２は、リム２の円周状の帯領域２₃においてスポークの端４₂を固定するように構成されている。

本発明の車輪１のリム２は、例えば、従来のリム、又は、図１から図５に示された形状のリムである。そのような形状のリムは、従来から、既存のリムを上回るリム高さを示し、実際にはその高さは一般に４〜８ｃｍ程度である。そのようなリム高さは車輪の空気力学特性の改善をねらいとする。しかしながら、本発明の観点において、そのようなリムの高さは問題を有することが分かる。実際には、「高い形状」のタイプのリムであると、スポーク４とリムの中央面（メディアンプレン）との間に形成される角度がリム２に形成された溝８の中心軸とリムの中央面（メディアンプレン）との間のなす最大角度を上回る。そうすると、直線状のスポーク４はリム２を完全に貫くことができない。

この問題を解決するために、本発明は、特に図２及び図５に示すような非直線状の、具体的には肘形に曲がった形状の端部４₂を備えるスポーク４を有する好ましい実施形態を提供し、直線状の主要部におけるスポーク４の中心軸とリム内部に形成された溝８の穿孔の中心軸との間の傾き角度の差を埋め合わせている。スポークの肘形に曲がった形状の部分は、リムの内部でスポークが組み付けられる溝８の中央に実質的に偏るように位置し、スポーク４に応力がかかったときにスポーク／リムを推移する応力集中が生じないようになっている。

このスポーク４の肘形に曲がった端部４₂は、リム２とハブ３との間のスポークの主軸上にもはや位置しないので、リム２に接合されたスポークにかかる荷重を緩和することもできる。

最後に、リム２のタイプに関わらず、本発明の車輪１はスポーク４の端部をリム２に固定する外側止め具１３も備えている。この止め具１３は、複合材料でできており、好ましくはスポーク４上にオーバーモールドされており、リムの補強部１０を支持するようにリムの溝の端（後端）で接合されている。この外側止め具１３は、特に、スポークに圧縮荷重がかかるように支持してリム２に対するスポークの固定を強化している。一方、内側止め具１１は、リム２上でスポーク４に引っ張り荷重がかかるように支持してリム／スポークの連結を強化している。

本発明の車輪１の完全な製造品質を実現しやすいとともに、本発明の車輪が極めて修理しやすいものであるように、上述の車輪１のそれぞれの部品（リム２、ハブ３、スポーク４）は、個別に製造される。一度製造されると、その後上述の部品は車輪１を製造するように組み立てられる。この組み立ては、好ましくは、取り付けに適合した治具において、リム２及びハブ３にスポーク４を接着することにより手作業で行われる。この組み立て方法は、作業の数及び作業の容易性の観点からできるだけ単純となるように考えられた。金属部品の使用が最大限に避けられている。

上記の方法は以下の手順で実行される。
ａ）複合材料で構成されたリム２及び車輪のハブ３を治具に取り付ける。
ｂ）複合材料で構成され、２つずつ対にしたスポーク４の端部を、ハブ及びリムに接続のために設けた溝８に挿入して、２つのスポークの傘状の集合体を形成する。
ｃ）スポークの端部のための挿入溝に熱硬化性バインダーを注入する。
ｄ）乾燥炉における重合反応によって、スポークをリム及びハブと接続する。

本発明の車輪の製造方法により、全体質量が１０００ｇ程度で、リム２の高さが４５ｍｍである、１組の車輪１を得ることができる。この車輪の組は、同一のリムを備えステンレス鋼でできたスポークが放射状に配置された車輪の組と比較して、平均して２５０ｇの減量（ゲイン）を示す。

加えて、同一のリム及びハブを備えるものの金属のスポークが放射状に配置された車輪と比較して、本発明の車輪１から得られる横剛性のゲインは少なくとも２５％であり、本発明の車輪１から得られる回転慣性のゲインは少なくとも８％である。

Claims (14)

1. 自転車のための車輪（１）であって、
   環状のリム（２）と、
   リムの中心に位置するハブ（３）と、
   前記ハブ（３）と前記リム（２）とを接続しているスポーク（４）と、を備え、
   前記スポークがポリマーである複合材料で構成されており、
   前記スポーク（４）が、前記車輪の中央面（メディアンプレン）の両側で２つずつ対になっており、かつ、引っ張り応力がかからずに前記ハブ（３）及び前記リム（２）の端部に固定されており、
   前記スポークの互いの端部がリムの内部で連結されていることを特徴とする、車輪。
2. 前記スポーク（４）は、前記ハブと前記リムとの間の長さの全体に対して厚みの変化を示すことを特徴とする請求項１に記載の車輪。
3. 前記スポークは、前記ハブと前記リムとの間の長さの全体に対して実質的に円錐状又は実質的に円錐台状である縦断面を示すことを特徴とする、請求項１又は２に記載の車輪。
4. 前記スポークは、その端部（４₁、４₂）において、接合の目的で形成された溝の中で熱硬化性樹脂によって前記ハブ及び前記リムと接合されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の車輪。
5. 前記リムに挿入された前記スポークを固定する止め具を備えたことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の車輪。
6. 前記リムの内側及び外側に位置し、前記リムに前記スポークを固定する止め具（１１、１３）を備えたことを特徴とする、請求項５に記載の車輪。
7. 前記止め具が複合材料で構成されたことを特徴とする、請求項５又は６に記載の車輪。
8. 前記リムは、前記スポークが挿入される領域（９）において、厚みが補強された補強部（１０）を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の車輪。
9. 前記スポークは、前記リムの内部に挿入される曲がった端部（４₂）を有する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の車輪。
10. 対になった前記スポーク（４）は、それらの端部（４₂）において、前記リム（２）の内部で熱硬化性樹脂によって２つずつ接合されたことを特徴する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の車輪。
11. 前記スポーク（４）は、前記ハブに連結されたフラスコ（５、６）に固定され、かつ、前記車輪の半径方向に配向されている、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の車輪。
12. 前記車輪の同一の傘状の集合体において配置された前記スポーク（４）が、前記フラスコ（６）において、前記ハブの前記フラスコの接線方向に沿って配向されて固定されている、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の車輪。
13. 前記車輪の前記スポーク、前記リム及び前記ハブが、熱硬化性バインダーが染み込んだ炭素繊維を含んでいる複合材料で構成されたことを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の車輪。
14. 請求項１〜１３のいずれか１つの車輪（１）であって、それぞれ独立して製造された前記リム、前記ハブ及び前記スポークで構成された車輪の製造方法であって、
    ａ）複合材料で構成された前記車輪の前記リム（２）及び前記ハブ（３）を治具に取り付ける工程と、
    ｂ）前記複合材料で構成され、２つずつ対にした前記スポーク（４）の端部を、前記ハブ及び前記リムに接続のために設けた溝に挿入して、前記スポークの２つの傘状の集合体を形成する工程と、
    ｃ）前記スポークの前記端部の挿入のための前記溝に熱硬化性バインダーを注入する工程と、
    ｄ）乾燥炉における重合反応によって、前記スポークを前記リム及び前記ハブと接続する工程と、を備える車輪の製造方法。

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