(57)【要約】      （修正有）【課題】高い構造強度を有し、より軽量であり、かつ、製造するのに費用対効果が高い、自転車用クランク・アームを提供する。【解決手段】長手軸Ｘ‐Ｘに沿って延びる細長い本体２が不図示のボトム・ブラケット・アセンブリとのカップリングのための第１の着座部３８を有する第１の端部５、不図示のペダルとのカップリングのための第２の着座部３９を有する第２の端部１０、および第１の端部と第２の端部との間を延びる、実質的に構造強度を備えない内側部と第１の補強構造部とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手軸Ｘ‐Ｘに沿って延びる細長い本体を有しており、前記本体が、
自転車のボトム・ブラケット・アセンブリとのカップリングのための第１の着座部を有する第１の端部、
ペダルとのカップリングのための第２の着座部を有する第２の端部、および
前記第１の端部と前記第２の端部との間を延び、実質的に構造強度を備えない内側部と第１の補強構造部とを有する中間部
を備える自転車用クランク・アームにおいて、
前記第１の補強構造部が、前記内側部の周囲に配置され、かつ、前記中間部の長さよりも長くない部分にわたって、長手方向に延びている筒状構造部を具備していることを特徴とする自転車のクランク・アーム。
【請求項２】
請求項１において、前記筒状構造部が、前記長手軸Ｘ‐Ｘの周囲に巻き付けられた、少なくとも１つの複合材料シートを含んでいるクランク・アーム。
【請求項３】
請求項２において、少なくとも１つの前記複合材料シートが、ポリマー材料中に組み込まれ、選択的な伸長方向を有している、一方向の連続的な構造繊維の、少なくとも１つの層を含んでいるクランク・アーム。
【請求項４】
請求項３において、前記選択的伸長方向が、前記長手軸Ｘ‐Ｘに対して所定の第１の角度だけ傾けられているクランク・アーム。
【請求項５】
請求項４において、前記所定の第１の角度が約４５°に相当するクランク・アーム。
【請求項６】
請求項２〜５の何れか一項において、前記複合材料シートが少なくとも２つの層を含んでおり、前記少なくとも２つの層のそれぞれが、一方向の連続的な構造繊維を含み、前記構造繊維は、ポリマー材料中に組み込まれ、それぞれの選択的伸長方向を有しているクランク・アーム。
【請求項７】
請求項６において、１つの層の構造繊維の選択的伸長方向が、少なくとも１つの他の層の構造繊維の選択的伸長方向に対して所定の第２の角度だけ傾けられているクランク・アーム。
【請求項８】
請求項７において、前記所定の第２の角度が約９０°に相当するクランク・アーム。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか一項において、前記内側部が、第１の空洞部を有するクランク・アーム。
【請求項１０】
請求項１〜９の何れか一項において、前記第１および第２の端部が、ランダムに配列して、ポリマー材料中に組み込まれた構造繊維を含有する複合材料を具備するクランク・アーム。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れか一項において、前記細長い本体中で、長手方向に延びる一方向の連続的な構造繊維の少なくとも１つの束を有する第２の補強構造部を具備するクランク・アーム。
【請求項１２】
請求項１１において、前記第２の補強構造部が、前記中間部において、前記内側部と前記第１の補強構造部との間に配置されているクランク・アーム。
【請求項１３】
請求項１１または１２において、前記第２の補強構造部が、ループにて前記第１・第２の端部および前記中間部の周囲に巻き付いているクランク・アーム。
【請求項１４】
請求項３〜１３の何れか一項において、前記構造繊維が、カーボン繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、セラミック繊維、およびこれらの組み合わせで構成されるグループから選択されるクランク・アーム。
【請求項１５】
請求項３〜１４の何れか一項において、前記ポリマー材料が、熱硬化性の材料であるクランク・アーム。
【請求項１６】
請求項１１〜１５の何れか一項において、前記中間部は、前記長手軸Ｘ‐Ｘに直交する断面において、前記内側部が、第１の面の広がりを有する第１の領域と第２の面の広がりを有する第２の領域からなる空間を占め、前記第２の補強構造部が、前記第１の領域と第２の領域の差に等しい面の広がりを有する空間を占めている断面形状を有するクランク・アーム。
【請求項１７】
請求項１１〜１５の何れか一項において、前記第２の補強構造部の繊維が、前記中間部において、前記長手軸Ｘ‐Ｘにほぼ平行に伸びている一方向の連続的な構造繊維であるクランク・アーム。
【請求項１８】
請求項１〜１７の何れか一項において、前記第１および第２の端部の少なくとも一方が、前記着座部の周囲に広がる第２の空洞部を有しているクランク・アーム。
【請求項１９】
請求項１８において、前記着座部において前記第１および第２の端部の少なくとも一方に収容されたインサートをさらに有しているクランク・アーム。
【請求項２０】
請求項１８または１９において、前記第２の空洞部が、少なくとも一部において前記第１の空洞部の高さよりも小さい高さを有しているクランク・アーム。
【請求項２１】
請求項１８〜２０の何れか一項において、前記第１および第２の端部の両方が、それぞれの着座部の周囲に広がる第２の空洞部をそれぞれ有しているクランク・アーム。
【請求項２２】
請求項１１〜２１の何れか一項において、左側のクランク・アームであるクランク・アーム。
【請求項２３】
請求項２２において、前記細長い本体が、自転車のフレームに面する第１の面、および前記第１の面と反対の第２の面を有しており、
前記第２の補強構造部が、当該クランク・アームの前記第１の端部において前記第２の面よりも前記第１の面に近くなるように、前記細長い本体に配置されているクランク・アーム。
【請求項２４】
請求項１１〜２３の何れか一項において、前記細長い本体が、前記端部のうちの少なくとも一方に、前記第２の補強構造部の一部分のための少なくとも１つの保持部材をさらに有しているクランク・アーム。
【請求項２５】
請求項２４において、前記少なくとも１つの保持部材が、リング・ナットであるクランク・アーム。
【請求項２６】
請求項１１〜２１の何れか一項において、前記クランク・アームは、右側のクランク・アームであって、前記第１の端部に複数のスポークを有しているクランク・アーム。
【請求項２７】
請求項２６において、前記細長い本体が、自転車のフレームに面する第１の面、および前記第１の面と反対の第２の面を有しており、
前記第２の補強構造部が、前記第１の面よりも前記第２の面に近くなるように、前記細長い本体に配置されているクランク・アーム。
【請求項２８】
長手軸Ｘ‐Ｘに沿って延びる細長い本体を有しているコア、および
前記コアおよび前記長手軸Ｘ‐Ｘの周囲に巻き付けられた、構造繊維の少なくとも１つの層を含む、複合材料シートを具備しており、
前記シートが、前記コアの長さよりも長くない部分にわたって、長手方向に延びている、自転車のクランク・アームを製造するための中間製品。
【請求項２９】
請求項２８において、前記複合材料シートが、ポリマー材料に組み込まれた一方向の連続的な構造繊維を有している中間製品。
【請求項３０】
請求項２８または２９において、前記コアと前記シートとの間に配置された、一方向の連続的な構造繊維の少なくとも１つの束を含んでいる中間製品。
【請求項３１】
請求項２８〜３０の何れか一項において、前記コアと前記シートとの間に配置され、加圧下で流動することができる充填材料の少なくとも１つの第１の層を有している中間製品。
【請求項３２】
長手軸Ｘ‐Ｘに沿って延びる細長い本体を有し、内側部は、クランク・アームの構造強度を実質的に保有しないコアを用意する工程、
前記クランク・アームの両端部の２つの形成用部材を用意する工程、
一方向の連続的な構造繊維の少なくとも１つの層を有する第１の補強構造部を、前記コアの周りに軸方向に巻くことによって中間製品を用意する工程、
前記中間製品を、前記２つの形成用部材と、ポリマー材料を含んで、加圧下で流動可能な充填材料の少なくとも１つの塊と一緒に、加圧部材が備えられている金型の前記クランク・アームの形状を有するキャビテイに導入する工程、
前記加圧部材に所定の圧力を加え、前記充填材料を前記キャビテイへと流動させる工程、
前記金型を、前記ポリマー材料の架橋温度に相当する温度まで加熱する工程、および
前記金型を開いて、形成されたクランク・アームを取り出す工程、
を具備する自転車のクランク・アームの製造方法。
【請求項３３】
請求項３２において、前記中間製品を用意する工程が、一方向の連続的な構造繊維の少なくとも１つの束を、前記２つの形成用部材および前記コアの周囲にループ状に巻き付ける工程を含んでいる方法。
【請求項３４】
請求項３２または３３において、前記コアが、低い融点を有する金属材料で構成されており、前記金型を加熱する工程の後に、前記クランク・アームの表面に少なくとも１つの孔を形成し、前記クランク・アームを前記低い融点を有する金属材料の融点まで加熱し、前記低い融点を有する金属材料を流出させる工程をさらに含んでいる方法。
【請求項３５】
請求項３４において、前記融点が、前記ポリマー材料の架橋温度よりも、約１℃と約２５℃との間の値ΔＴだけ高い方法。
【請求項３６】
請求項３５において、前記融点が、前記ポリマー材料の架橋温度よりも約５℃に相当する値ΔＴだけ高い方法。
【請求項３７】
請求項３２〜３６の何れか一項において、前記架橋温度が約６０℃〜約１８０℃である方法。
【請求項３８】
請求項３２〜３７の何れか一項において、前記中間製品と前記充填材料の少なくとも１つの塊を金型のキャビテイに導入する工程の前に、または前記中間製品と前記充填材料の少なくとも１つの塊を金型のキャビテイに導入する工程の後かつ前記所定の圧力を加える工程の前に、
前記中間製品および前記充填材料の少なくとも１つの塊を予熱して、所定の予熱時間の間、所定の予熱温度にする工程を含んでいる方法。
【請求項３９】
請求項３８において、前記予熱温度が、約６０℃〜約１００℃である方法。
【請求項４０】
請求項３８または３９において、前記所定の予熱時間が、約５〜約７０分である方法。
【請求項４１】
請求項３２〜４０の何れか一項において、前記所定の圧力が、５〜４００ｂａｒである方法。
【請求項４２】
請求項３３〜４１の何れか一項において、前記繊維の束が、前記コアの対向する長手側に形成された一対の収容座に収容される方法。
【請求項４３】
請求項４２において、それぞれの収容座は、前記コアの側面および前記側面から側面に沿って突き出す突出面によって形成されており、
前記中間製品が前記金型の前記キャビテイに導入され、前記加圧部材が前記突出面を介して前記繊維の束の第１の部分に作用する方法。
【請求項４４】
請求項４３において、前記繊維の束の第２の部分のための保持部材が、前記コアの前記突出面とは反対側において、前記繊維の束に作用するように、前記形成用部材の少なくとも一方に、保持部材を設ける工程をさらに含んでいる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自転車のクランク・アームに関する。
【０００２】
さらに本発明は、そのようなクランク・アームの製造に使用される中間製品、およびクランク・アームの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
とりわけ競争用自転車についてであるが、自転車および／または自転車部品の製造者にとって、常に要求されることは、自転車全体の重量を軽くすることであり、すなわち自転車の種々の構成部品の重量を、それら構成部品の構造強度特性を確保し、可能であれば向上させつつ、可能な限り軽くすることである。
【０００４】
この要求を満足するため、ポリマー材料中に組み入れられた、一方向の連続的な構造繊維、あるいは小片または小シート状でランダムに配置された繊維を含む複合材料から作られた自転車部品、とくにクランク・アームが、開発されてきている。構造繊維は、実際に、クランク・アームの構造強度に大きく貢献している。
【０００５】
本出願人による特許文献１が、クランク・アームおよびその製造方法を記載している。この方法によれば、周囲に一方向の構造繊維の層が巻き付けられた２つのインサートを有している中間製品が、金型へと導入され、２つのインサートの間には、クランク・アームの中央空洞を形成するように構成されたコアが配置される。次いで、一方向の連続的な構造繊維およびランダムに配向した繊維小片を含んでいる複合材料の塊が、金型へと導入される。次いで金型が閉じられ、上述の中間製品からクランク・アームを得るべく圧力が加えられる。
【特許文献１】米国特許出願公開第2005/0012298A1号公報                    （特開2005−1662号公報）
【０００６】
上述の特許文献１に記載の製造方法によれば、インサートおよびコアを取り囲む構造繊維の存在により軽量化され、とくに牽引下で良好な構造強度を有するクランク・アームを得ることができる。さらに、このような方法は、作業者の手を煩わせることをあまり必要としないため、費用対効果の観点からきわめて優秀である。
【０００７】
しかしながら、本出願人は、上述の方法において、成型時に加えられる大きな圧力ゆえにコアが移動し、出来上がりのクランク・アームに形成される空洞の壁に、具体的には、薄い領域が生じがちであることに気が付いた。そのような薄い領域は、クランク・アームの構造を弱体化させるので望ましくない。
【０００８】
特許文献２が、２つのインサートの間に配置された軽量発泡ポリウレタンで作られたコアを具備するクランク・アームを開示している。コアおよびインサートが、一方向の構造繊維の多数の層によって囲まれる。インサートの周りに巻かれた一方向の繊維とは異なる配向を有する織成構造繊維の他の層が、クランク・アームの本体全体を囲んでいる。
【特許文献２】仏国特許第2 636 386号公報
【０００９】
本出願人は、このようなクランク・アームの製造が、上述の特許文献１に記載の方法に比べ、いくつかの欠点を有していることに気が付いた。そのような欠点は、クランク・アームの本体周囲への織成構造繊維層の巻き付けを、手作業で行わなければならず、結果として多大な時間を消費するという事実に関係している。さらに、繊維を手作業で巻き付けるということは、そのようにして得られるクランク・アームの品質が、互いに異なることになるということでもある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、本出願人は、上述の従来技術のクランク・アームにおいて直面する欠点を克服するため、高い構造強度を有し、より軽量で、製造するのに費用対効果が高いクランク・アームを製造するという課題を検討し、本発明に到達した。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の構成は、長手軸Ｘ‐Ｘに沿って延びる細長い本体を有しており、前記本体が、自転車のボトム・ブラケット・アセンブリとのカップリングのための第１の着座部を有する第１の端部、
ペダルとのカップリングのための第２の着座部を有する第２の端部、および
前記第１の端部と前記第２の端部との間を延び、実質的に構造強度を備えない内側部と第１の補強構造部とを有する中間部
を備える自転車クランク・アームにおいて、
前記第１の補強構造部が、前記内側部の周囲に配置されて、前記中間部の長さよりも長くない部分にわたって、長手方向に延びている筒状構造部を具備していることを特徴とするクランク・アームである。
【００１２】
本発明のクランク・アームにおいては、筒状構造部が、一方では、構造的機能を実質的に持たない部位の周囲に均一な構造的機能を与え、他方では、クランク・アームの中間部のみに延在して、両端部およびそれぞれの着座部に関係しないことで、クランク・アームを簡単かつ迅速なやり方で製造できるようにして、特許文献２における上述の欠点を克服しているので好都合である。実際に、例えば高い圧力下で成型される充填材料によって、完全に自動化された方法で端部を製作することができる。
【００１３】
さらに、上述の筒状構造の使用は、前記構造的機能を持たない内側部の形成に使用されるコアを、クランク・アームの加圧成型の際に動かないように固定することに貢献し、成型作業の際にコアが不都合にも動きうることによって生じる最終製品の欠陥の発生を回避している。
【００１４】
筒状構造部は、前記長手軸Ｘ‐Ｘの周囲に巻き付けられた少なくとも１つの複合材料シートを含んでいるのが好ましい。このシートが、ポリマー材料に組み入れられた選択的な伸長方向を有している一方向の連続的な構造繊維の少なくとも１つの層を含んでいるのがさらに好ましい。連続的な構造繊維が、高い構造強度を都合よく確かなものにしている。
【００１５】
上述の選択的な伸長方向が、前記長手軸Ｘ‐Ｘに対して所定の第１の角度だけ傾けられているのが好ましい。さらに好ましくは、このような所定の第１の角度は、約４５°に相当する。本出願人は、引張り、曲げ、およびねじりの応力に対する抵抗という特徴をクランク・アームに与えるために、この傾きが最適であることを実際に見出している。
【００１６】
本発明のクランク・アームのとくに好ましい実施形態においては、軽さと製造の容易さという上述の特徴に悪い影響をもたらすことなく構造強度をさらに向上させるため、筒状構造部が、少なくとも２つの複合材料の層を有しており、これらの層のそれぞれが、それぞれの選択的な伸長方向を有している一方向の連続的な構造繊維を含んでいる。
【００１７】
この実施形態においては、複合材料からなる1つの層における選択的な伸長方向が、複合材料からなる少なくとも１つの他の層における選択的伸長方向に対して、所定の第２の角度だけ傾けられているのが好ましい。さらに好ましくは、そのような所定の第２の角度は、約９０°に相当する。
【００１８】
クランク・アームの中間部の内側部には、空洞が形成されているのが好ましい。好ましさは劣るが他の実施形態においては、内側部を、例えば発泡ポリウレタンなどといった構造的機能を持たない材料から製作することができる。
【００１９】
クランク・アームの第１および第２の端部は、構造繊維をランダムに配置してポリマー材料に組み入れている複合材料を含んでいるのが好ましい。例えば小シート状の繊維組織または小片状の繊維の形態でランダムに配置された構造繊維は、金型内で圧力にさらされたときに流動でき、金型のキャビテイにおける端部領域を最適に満たして、クランク・アームの端部を得ることができるので好都合である。いずれの場合も構造繊維を含んでいる材料から作られるこのような端部は、所望の構造強度特性を有している。
【００２０】
本発明のクランク・アームは、さらに第２の補強構造部を有しているのが好ましく、そのような第２の補強構造部は、前記細長い本体を長手方向に延びる一方向の連続的な構造繊維の少なくとも１つの束によって形成されている。この第２の補強構造部は、前記第１および第２の端部ならびに前記中間部の周囲にループ状に巻き付いているのが好ましい。さらに好ましくは、この第２の補強構造部は、前記中間部において、前記内側部と前記第１の補強構造部との間に配置されている。長手方向の連続的な構造繊維の束が、クランク・アームに引張荷重への高い耐性をもたらしているので好都合である。
【００２１】
複合材料内の構造繊維は、連続的であっても、ランダムに配置された小片であっても、カーボン繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、セラミック繊維、およびこれらの組み合わせで構成されるグループから選択されるのが好ましく、カーボン繊維が最も好ましい。
【００２２】
複合材料のポリマー材料は、熱硬化性の材料であるのが好ましい。熱硬化性の材料がエポキシ樹脂であるのがさらに好ましい。しかしながら、熱可塑性の材料の使用の可能性を排除するわけではない。
【００２３】
本発明のクランク・アームのとくに好ましい実施形態においては、クランク・アームの中間部が、前記長手軸Ｘ‐Ｘに直交する断面において、前記内側部が、第１の面の広がりを有する第１の領域と第２の面の広がりを有する第２の領域とによって形成される空間を占め、前記第２の補強構造部が、前記第１の領域と第２の領域の差に等しい面の広がりを有する空間を占めている断面形状を有している。このようなクランク・アームは、軽量さと構造強度との間の最適なバランスを取っているので好都合である。実際、第２の補強構造部が、動作時に最も応力にさらされるクランク・アーム領域にのみに配置されており、他の領域は中空であるか、あるいは構造的機能を持たない材料から作られている。
【００２４】
とくに、クランク・アームの中間部において、第２の補強構造部のうちの前記第１の補強構造部に面している各表面部分が、該第２の補強構造部のうちのクランク・アームの内側部に面している各表面部分の反対側であるよう第２の補強構造部が配置されているのが好ましい。このやり方により、応力が第１の補強構造部から第２の補強構造部へと、これらの相互の接触面を介して伝達されるとき、第２の補強構造部が、クランク・アームの内側部分に面する自身の表面で自由に変形できる。実際、クランク・アームの内側部が構造的機能を有していないため、第２の補強構造部と内側部との間の境界面において、第２の補強構造部の変形応力とは対照的に作用して、第１の補強構造部から第２の補強構造部の分離を生じさせる張力が強制的に生じることがない。好都合なことに、内側部が空洞によって形成されている場合には、この強制的な張力は完全にゼロである。
【００２５】
第２の補強構造部の繊維は、クランク・アームの中間部において、前記長手軸Ｘ‐Ｘにほぼ平行に伸びている一方向の連続的な構造繊維であることが好ましい。
【００２６】
本発明のクランク・アームのとくに好都合な実施形態においては、クランク・アームの２つの端部のうちの少なくとも一方が、それぞれの着座部の周囲に広がる第２の空洞部を有している。クランク・アームの端部にも空洞が存在することで、クランク・アームの全重量を少なくすることができるので好都合である。
【００２７】
クランク・アームを自転車のボトム・ブラケット・アセンブリまたはペダルにカップリングするように構成されたインサートが、着座部に挿入されるのが好ましい。
【００２８】
前記第２の空洞部は、クランク・アームの中間部の内側部に形成された第１の空洞部の延長であるのが好ましい。しかしながら、クランク・アームの端部に形成される空洞とクランク・アームの中間部に形成される空洞とが、別個であり、かつ隔てられていてもよいことを、排除するものではない。
【００２９】
前記第２の空洞部の高さは、クランク・アームがボトム・ブラケット・アセンブリおよびペダルとのカップリング領域において、所望の構造強度の確保に適した、より大きな厚さ領域を有するよう、少なくとも一部分において、前記第１の空洞部の高さよりも小さいことが好ましい。
【００３０】
しかしながら、第２の空洞部が第１の空洞部と同じ高さを有する、あるいはクランク・アームの端部に形成されるそれぞれの着座部に挿入されるインサートと等しい高さを有している他の実施形態を、排除するものではない。
【００３１】
本発明のクランク・アームの特定の実施形態においては、第１および第２の端部の両方が、それぞれの着座部の周囲に広がる第２の空洞部をそれぞれ有している。
【００３２】
本発明のクランク・アームは、左側のクランク・アームであっても、右側のクランク・アームであってもよい。
【００３３】
左側のクランク・アームの場合には、クランク・アームの細長い本体が、自転車のフレームに面する第１の面と、この第１の面と反対の第２の面とを有しており、第２の補強構造部が、クランク・アームの前記第１の端部において、前記第２の面よりも前記第１の面に近くなるように配置されているのが好ましい。このようにして、本発明のクランク・アームは、中空の、すなわち軽いクランク・アームであり、自転車のフレームに向いている面において、第２の補強構造部が、動作時に最も応力にさらされるクランク・アームの部位（実際に、ボトム・ブラケット・アセンブリとのカップリング領域に位置する）に配置されているので好都合である。
【００３４】
左側のクランク・アームの場合に、クランク・アームの細長い本体が、少なくとも一方の端部に、上述の第２の補強構造部の一部分のための少なくとも１つの保持部材をさらに有しているのが好ましい。このような保持部材は、クランク・アームの成型プロセスの際に、クランク・アームの端部において、第２の補強構造部の繊維を伸張状態にして所定の位置に保つことに貢献するので好都合である。したがって、ペダル漕ぎの際に、最も応力にさらされるクランク・アーム中の領域（とくに、その領域の中には、自転車のボトム・ブラケット・アセンブリとのカップリングのためのクランク・アーム端部が存在している）に、確実に構造繊維が存在するようになる。さらになお好都合なことに、保持部材が、成型の際に、充填材料の流れによって繊維がクランク・アームの端部において曲がらないようにしている。実際、本出願人は、構造繊維が過剰に曲げられた場合に破損しうることに気が付いた。したがって、曲がりが生じうると、クランク・アームの本体の構造に弱点を生むことになる。
【００３５】
前記少なくとも１つの保持部材の厚さが、当該保持部材のうちのクランク・アームの中間部の内側部に面している外表面部分において、薄くされているのが好ましい。これにより、クランク・アームの軽量化された内側部を形成するためのコアを、クランク・アームの端部に向かってより近付けることができ、軽量化された内側部がより長いクランク・アームを得ることができるので好都合である。
【００３６】
例えば、上記保持部材を、クランク・アームの端部の形成用部材に形成された雄ねじにねじ込まれるリング・ナットによって形成されることができるが、他のカップリング形式を排除するものではない。
【００３７】
保持部材は、仕上がりのクランク・アームに閉じ込められたままになる点に鑑み、複合材料または金属合金などといった軽量な材料から作られるのが好ましい。このようにして、クランク・アームの重量が小さく保たれる。
【００３８】
保持部材は、ガラス繊維が入れられているフェノール樹脂から作られるのがさらに好ましく、このガラス繊維の好ましい含有量は、４０〜５０％に相当する。本出願人は、このようにして製作された保持部材が、優秀な性能結果ときわめて低いコストとを、兼ね備えてもたらすことを見出した。
【００３９】
一方、右側のクランク・アームの場合には、クランク・アームが、自転車のボトム・ブラケット・アセンブリとのカップリングのための端部に、複数のスポークを有しているのが好ましい。そのようなスポークは、クランク・アームの端部に設けられた着座部の周囲に形成された前記第２の空洞部から分岐するそれぞれの空洞部を有しているのが好ましい。このようにして、きわめて軽い右側クランク・アームが得られる。
【００４０】
右側クランク・アームの場合に、クランク・アームの細長い本体が、自転車のフレームに面する第１の面と、この第１の面と反対の第２の面とを有しており、前記第２の補強構造部が、上記第２の面により近くなるように細長い本体に配置されているのが好ましい。したがって、本発明の右側クランク・アームは、補強構造部がクランク・アームのうちの動作時に最も応力にさらされる領域（実際に、クランク・アームのうちの外側を向いている面である）に配置されている中空のクランク・アームであり、したがって軽量である。
【００４１】
クランク・アームの中間部の第２の補強構造部を構成している一方向の繊維の束が、スポークのプロファイルに従って、スポークに沿って延びているのが好ましく、これによりクランク・アームがこれらスポークにおいても構造強度を有することが確保されている。
【００４２】
スポークの空洞の高さが、クランク・アームの端部に形成された着座部周囲の空洞の高さよりも大きいのが好ましい。これにより、クランク・アームにおいて、ボトム・ブラケット・アセンブリとのカップリングのための着座部の周囲に厚みの大きい領域が得られる。この大きな厚みが、ペダル漕ぎの際にとくに応力にさらされるクランク・アームの領域に、望ましい構造強度特性を確保する。とくに、そのような領域は、外方向に面する側のボトム・ブラケット・アセンブリとのカップリングのための領域である。
【００４３】
本発明のクランク・アームは、前記着座部の周囲に螺旋状に巻き付けられた連続的な構造繊維層を含んでいるのが好ましい。これは、ボトム・ブラケット・アセンブリとのカップリングのための上述の領域において、応力に対するクランク・アームの耐性を向上させるためである。
【００４４】
本発明の第２の構成は、長手軸Ｘ‐Ｘに沿って延びる細長い本体を有しているコアと、前記コアおよび前記長手軸Ｘ‐Ｘの周囲に巻き付けられている、構造繊維の少なくとも１つの層を含む複合材料シートとを有し、このシートが、前記コアの長さよりも長くない部分にわたって長手方向に延びている、自転車用のクランク・アームを製造するための中間製品である。
【００４５】
上述の中間製品は、本発明のクランク・アームを製造するために使用することができるので好都合であり、したがって、クランク・アームに関して、上述した利点を達成させるものである。
【００４６】
本発明の中間製品は、クランク・アームに関して上述した構造的特徴であって、複合材料に、場合により充填材料に、組み入れられた一方向の構造繊維の存在、組成、および配置に関係しているすべての好ましい構造的特徴を、単独および／または組み合わせて、有しているのが好ましい。
【００４７】
本発明のクランク・アームに関してすでに述べたように、複合材料シートは、ポリマー材料に組み入れられた一方向の連続的な構造繊維の少なくとも１つの層を含んでいるのが好ましい。そのような複合材料シートが、本発明のクランク・アームに関して上述した第１の補強構造部を構成する。
【００４８】
上述の中間製品が、コアと上述の複合材料のシートとの間に配置された一方向の連続的な構造繊維の少なくとも１つの束を有しているのがさらに好ましい。そのような一方向の連続的な構造繊維束が、本発明のクランク・アームに関して上述した第２の補強構造部を構成する。
【００４９】
上述の中間製品がさらに、コアと複合材料のシートとの間に配置され、加圧下で流動することができる充填材料の少なくとも１つの第１の層を有しているのがさらに好ましい。より好ましくは、充填材料の少なくとも１つの第２の層が、前記シートの外側端において前記シートに組み合わせられている。そのような充填材料により、このように構成された中間製品の加圧成型作業により、クランク・アームの端部が形成される。
【００５０】
好ましい実施形態では、本発明の中間製品において、複合材料シートの繊維が、少なくとも部分的に第１の配向を有し、繊維束の繊維が、少なくとも部分的に前記第１の配向と異なる第２の配向を有し、当該繊維束のうちの前記複合材料のシートに面している表面部分のそれぞれが、当該繊維束のうちの前記コアに面しているそれぞれの表面部分の反対側であるように、繊維束が配置される。
【００５１】
繊維束の繊維は、前記長手軸Ｘ‐Ｘにほぼ平行に延びている一方向の連続的な構造繊維であり、複合材料シートの繊維が、前記長手軸Ｘ‐Ｘに対して好ましくは約４５°だけ傾けられた少なくとも１つの方向にほぼ添って延びる一方向の連続的な構造繊維であるのが好ましい。
【００５２】
コアの細長い本体が、対向する長手面に、前記繊維束の繊維のそれぞれの部分のためのそれぞれの収容座を備えているのが好ましい。
【００５３】
それぞれの収容座は、コアの細長い本体の側面と、そのような側面から側面に沿って突き出している突出面とによって形成されているのが好ましい。クランク・アームを製造すべく、中間製品が金型のキャビテイに導入されたときに、金型の加圧部材と、上述の繊維束によって形成される補強構造部の一部位との間に、そのような突出面が配置されるように構成されるのが好都合であり、加圧部材が駆動されたとき、補強構造部のそのような部位に均一な圧力を加えて、当該構造部の繊維を伸張状態に保ち、充填材料の流動の影響による繊維の曲がりを防止する。
【００５４】
これは、繊維束がクランク・アームの端部の２つの形成用部材（典型的には、雄ねじを有する金属製のインサートで構成されている）を囲んでいる場合にとくに好都合である。実際、上述のコアの突出面に押されて生み出される引張りが、上述の形成用部材の２つの対向する側の充填材料の流動に起因する形成用部材における前記補強構造の繊維の曲がり（このような曲がりが、仕上がりのクランク・アームに弱点を生む）を、生じることがないようにする。
【００５５】
上述の繊維束によって形成される補強構造部のそれぞれの部位のための保持部材が、上述の２つの形成用部材のうちの少なくとも一方に配置されるのが好ましい。より好ましくは、保持部材が、繊維束に関してコアの突出面と反対の側に配置され、したがってコアの突出面が繊維束のそれぞれの部位に押しを加えるとき、保持部材がそのような繊維束の第２の部位を押しの方向とは反対の方向に保持する。
【００５６】
コアは、クランク・アームが製作されるときに溶融させて取り除くことができるよう、低い融点を有する金属材料から作られているのが好ましい。この低い融点を有する材料は、とくに、複合材料の架橋温度よりもわずかに高い温度で溶融できる材料である。このようにして、コアには、複合材料および充填材料を最適にコンパクトにする、強力なガス抜きをも生じさせる、きわめて高い圧力が印加できるようになっている。
【００５７】
ボトム・ブラケット・アセンブリおよび／またはペダルとのカップリングのための着座部の周囲に空洞部を有するクランク・アームを製造したい場合には、コアが、中央の本体部と、この中央の本体部の両端において前記細長い本体に一体に組み合わせられた２つのリングとを含むのが好ましい。２つのリングが、クランク・アームの端部に空洞を生み出す一方で、コアの中央の本体部は、クランク・アームの中間部の空洞を生み出す。
【００５８】
前記１対のリングの中の１つのリングが、少なくとも部分的に前記中央の本体部の高さよりも小さい高さを有しているのが好ましい。そのような高さの小さいリングは、自転車のボトム・ブラケット・アセンブリとのカップリングのための端部に空洞を生成する。そのようなリングが、コアの中央の本体部の高さよりも小さい高さを有しているという事実が、クランク・アームの成型の際に保持部材によって支持されている構造繊維束の部位に圧力が加わらないようにすることができ、繊維に適正に引張りを与えることができるので好都合である。
【００５９】
前記リングの少なくとも一部が、コアの中央の本体部の突出面の高さよりも小さい高さを有しているのが好ましい。さらにリングが、残りの本体部よりも大きな高さを有する少なくとも１つの本体部を有することができる。
【００６０】
前記１対のリングのうちの他方のリングは、前記突出面の高さにほぼ等しい高さ、または他方のリングの高さにほぼ等しい高さを有することができる。
【００６１】
上述のリングが、当該リングの内側に向かって延びるそれぞれの位置決め要素を有するのが好ましい。そのような位置決め要素は、成型工程においてクランク・アームの端部の形成用インサートに当接し、コアの移動を防止するので、好都合である。
【００６２】
好ましい実施形態において、コアは、前記２つのリングの一方に、中央の孔およびこの中央の孔から半径方向外向きに延びる複数のスポークを有している。このようなコアは、右側クランク・アームの製造に好都合に使用され、クランク・アームのスポークが、自転車の前側の歯車を支持するために使用される。
【００６３】
コアのスポークは、前記中央の孔のリングの高さよりも大きい高さを有しているのが好ましい。したがって、このようなコアを使用して得られるクランク・アームは、自転車のボトム・ブラケット・アセンブリとのカップリングのための着座部の周囲において、張力の強い集中が存在することでよく知られた領域に、高い構造強度を確保する厚さの大きい領域を有することになるので、好都合である。
【００６４】
連続的な構造繊維層が、前記中央の孔の周囲に螺旋に巻き付けられるのが好ましい。上述の構造繊維束が、前記スポークのプロファイルに従って、前記スポークに沿って延びるのがさらに好ましい。このようにして、仕上がりのクランク・アームの構造強度が、前記スポークで高められる。
【００６５】
右側クランク・アームを製造しようと望む場合には、コアの細長い本体の側面に形成される突出面が、コアの中央の本体部の全長よりも短い長さを有する部位にわたって、前記軸Ｘ‐Ｘと平行に延在するのが好ましい。これは、中間部と自転車のボトム・ブラケット・アセンブリとのカップリングのための端部との間の接合領域（すなわち、張力が強く集中することでよく知られた領域）において、クランク・アームの本体を厚くすることにつながる。
【００６６】
本発明の第３の構成は、
クランク・アームの実質的に構造強度を持たない内側部を形成するように構成され、長手軸Ｘ‐Ｘに沿って延びる細長い本体を有しているコアを用意する工程、
前記クランク・アームの両端部の２つの形成用部材を用意する工程、
一方向の連続的な構造繊維からなる少なくとも１つの層を有している第１の補強構造部を前記コアの周りに軸方向に巻くことによって中間製品を用意する工程、
前記中間製品を、前記２つの形成用部材と、ポリマー材料を含んで、加圧下で流動することができる充填材料の少なくとも１つの塊と一緒に、加圧部材が備えられている金型の前記クランク・アームの形状を有するキャビテイに導入する工程、
前記加圧部材に所定の圧力を加え、前記充填材料を前記キャビテイへと流動させる工程、
前記金型を、前記ポリマー材料の架橋温度に相当する温度まで加熱する工程、および
前記金型を開いて形成されたクランク・アームを取り出す工程、
を具備する、自転車のクランク・アームの製造方法である。
【００６７】
この方法によれば、本発明のクランク・アームを簡単かつ費用対効果に優れたやり方で製作することができるので好都合である。実際、作業者の介在の必要性が抑えられ、上述の方法の多くの工程は完全に自動化される。さらに、加圧成型時のコア移動の可能性が、コアの周囲に巻き付けられた複合材料の層（本発明のクランク・アームに関して上述した筒状構造を形成する）の存在によってほぼ防止される。
【００６８】
中間製品を用意する工程が、一方向の連続的な構造繊維の少なくとも１つの束を、前記２つの形成用部材および前記コアの周囲にループ状に巻き付ける工程を含んでいるのが好ましい。
【００６９】
コアが、低い融点を有する金属材料で構成され、本発明の方法が、金型を加熱する工程の後に、
前記クランク・アームの表面に少なくとも１つの孔を形成し、クランク・アームを前記低い融点を有する金属材料の融点まで加熱し、前記低い融点を有する金属材料を流出させることができるようにする工程をさらに含んでいるのが好ましい。
【００７０】
このやり方で、コアによって占められていた空間に空洞が得られ、所望の軽さの特性を有するクランク・アームが得られるので好都合である。
【００７１】
前記低い融点を有する材料の融点が、複合材料のポリマー材料の架橋温度よりも、好ましくは約１℃〜約２５℃の間の値、さらに好ましくは約５℃である値ΔＴだけ高いことである。
【００７２】
前記第１の補強構造部の一方向の連続的な構造繊維が、選択的な伸長方向に添って伸びており、前記中間製品を用意する工程は、前記選択的な伸長方向が前記長手軸Ｘ‐Ｘに対して好ましくは約４５°に相当する所定の角度だけ傾くように、前記構造繊維の少なくとも１つの層を配置する工程を含んでいるのが好ましい。
【００７３】
さらにこの方法が、中間製品と充填材料の塊とを金型のキャビテイに導入する工程の前、または前記導入工程の後かつ前記所定の圧力を加える工程の前に、前記中間製品および前記少なくとも１つの充填材料の塊を予熱して、所定の予熱時間にわたって所定の予熱温度にする工程を含んでいるのが好ましい。この予熱の工程は、第１の補強構造部の複合材料、ならびに場合によってはコアおよび上述の形成用部材の周りをループ状に巻く構造繊維層の複合材料を、成型の際により加工しやすいものにし、充填材料を加圧下でより容易に流動できるようにするために使用される。
【００７４】
予熱工程の各パラメータは、ポリマー成分を過度にエイジングさせることなく、均一な加熱を達成するように選択される。第１の好ましい値の範囲は、約６０℃〜約１００℃の温度によって与えられ、約５〜約７０分の時間にわたってこの温度に保たれる。さらに好ましい値の範囲は、約８０℃〜約１００℃の温度によって与えられ、約５〜約６０分の時間にわたってこの温度に保たれる。きわめて好ましい値の範囲は、約８５℃〜約９０℃の温度によって与えられ、約３５〜約５５分の時間にわたってこの温度に保たれる。このようにして、限られた数の予熱オーブンで、成型を行うことができる。
【００７５】
中間製品を少なくとも１つの充填材料の塊と一緒に金型のキャビテイに導入する工程が、充填材料からなる少なくとも１つの第１の層を、コアの周囲に軸方向に巻き付けられた複合材料層とコアとの間に設ける工程を含んでいるのが好ましい。
【００７６】
充填材料からなる少なくとも１つの第２の層が、前記コアの周囲に軸方向に巻き付けられた前記複合材料の層の外側に挿入されるのがさらに好ましい。
【００７７】
このようにして、金型のキャビテイ中で充填材料の最適な分布を得ることができ、したがって構造および外観の両方の点で高品質な最終製品を得ることができる。
【００７８】
上述の充填材料は、構造繊維部分を含む、好ましくはランダムに配置されてポリマー材料に組み込まれた繊維の小片または小シートを含んでいる複合材料であるのが好ましい。
【００７９】
クランク・アームの成型時に加圧部材によって加えられる所定の圧力は、約５ｂａｒ〜４００ｂａｒであるのが好ましく、より好ましくは４０〜３００ｂａｒであり、さらに好ましくは２００〜３００ｂａｒである。
【００８０】
本発明のクランク・アームに関して、複合材料の構造繊維（連続的でも、小片であっても）およびポリマー材料は、上述したように選択される。
【００８１】
上述の繊維束は、前記コアの向かい合う長手面に形成された１対の収容座に収容されるのが好ましいが、各収容座は、前記コアの側面と、該コアの側面から側面に沿って突き出している突出面とによって形成されている。
【００８２】
中間製品が金型のキャビテイに導入され、加圧部材が上述の突出面を介して上述の繊維束の第１の部分に作用するのがより好ましい。
【００８３】
さらに好ましくは、本発明の方法は、前記形成用部材の少なくとも一方に、上述の繊維束の第２の部分のための保持部材を設けて、そのような保持部材が上述の突出面とは反対側で前記繊維束に作用する工程をさらに含んでいる。
【００８４】
以下、添付の図面を参照しつつ行われる本発明のいくつかの好ましい実施形態についての説明（本発明を例示するためのものであって、本発明を限定しようとするものではない）から、本発明のクランク・アームのさらなる特徴および利点がさらに明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００８５】
図１を参照すると、本発明による自転車のクランク・アーム、とくには左側のクランク・アームの全体が、参照番号１で示されている。
【００８６】
クランク・アーム１は、長手軸Ｘ‐Ｘに沿って延びる細長い本体２を有しており、本体２は、自転車のボトム・ブラケット・アセンブリ（図示されていない）とのカップリングのための第１の着座部３８を有している第１の端部５、ペダル（図示されていない）とのカップリングのための第２の着座部３９を有している第２の端部１０、およびこのような端部５、１０の間を延びる中間部１５を有している。クランク・アーム１について、自転車に組み立てられた状態で、外側を向く前面９１と、自転車に組み立てられた状態で、当該自転車のフレームに向く後面９３とがある。
【００８７】
細長い本体２は、ポリマー材料に組み込まれた構造繊維を含む複合材料の単一部品として製作されている。典型的には、構造繊維は、カーボン繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、セラミック繊維、ボロン繊維、およびこれらの組み合わせで構成されるグループから選択されるが、なかでもカーボン繊維が好ましい。ポリマー材料は、典型的には熱硬化性の材料であるが、なかでもエポキシ樹脂を含む材料が好ましい。しかしながら、熱可塑性材料の使用の可能性を排除するものではない。
【００８８】
構造繊維は、異なる種類の応力に対応して異なる構造を形成するよう、細長い本体２の内に適切に配置される。
【００８９】
とくに、中間部１５は、実質的に構造強度を持たない内側部と、外側の補強構造部とを有している。図示されている好ましい実施形態では、内側部が空洞部２０で構成されている。
【００９０】
本発明によれば、外側の補強構造部は、空洞部２０の周囲に配置され、中間部１５の長さ（図１において２つの破線で大まかに定められている）を超えず、好ましくはそのような長さと等しい部分にわたって、長手方向に延びる筒状構造部３５を有している。どのような場合でも、筒状構造部３５がカップリングのための着座部３８、３９に達することはない。
【００９１】
筒状構造部３５の役割は、基本的には、曲げおよびねじりの応力に対して十分な耐性をもたらすことにある。
【００９２】
筒状構造部３５は、クランク・アーム１の製造方法に関する以下の説明でさらに明らかになるように、長手軸Ｘ‐Ｘの周囲に多数回巻き付けられる少なくとも１つの複合材料シート３６で構成されている。ここに示した好ましい実施形態においては、シート３６が、一方向の連続的な構造繊維からなる２つの層３３、３４を有しており、これらの層の構造繊維の選択的伸長方向は、それぞれ長手軸Ｘ‐Ｘに対して傾けられている（図３）。ねじりおよび曲げ応力に対する最適な耐性を確保するために、一方の層の構造繊維の選択的伸長方向が、他方の層の構造繊維の選択的伸長方向に対して約９０°傾けられ、かつそのような選択的伸長方向が、どちらも長手軸Ｘ‐Ｘに対して約４５°傾けられると好ましいことが、観察されている。
【００９３】
さらに、細長い本体２は、中間補強構造部を有している。ここに記載した好ましい実施形態においては、そのような中間補強構造部は、細長い本体２内を長手方向に延び、端部５、１０および中間部１５の周りをループ状に巻きつけている一方向の連続的な構造繊維の束２５で構成されている。このように、束２５は、基本的には引張荷重に耐えるという機能を有している。
【００９４】
中間部１５において、束２５は空洞部２０を２回横切り、空洞部２０と筒状構造部３５との間に配置されている。
【００９５】
上記に説明したことは、図６に示した中間部１５の断面に、詳細に見ることができる。内側から外側に向かうと、まずは空洞部２０および中間補強構造部があるが、中間補強構造部は、この断面においては、束２５の２つのブランチを有しており、空洞部２０に対してクランク・アーム１の前面９１により近く配置されている。
【００９６】
束２５の２つのブランチは、好ましくは空洞部２０の高さの約半分に相当する高さのほぼ矩形の断面を有している。とくに、空洞部２０は、ある面の広がりを有する第１の底部領域２０ａと、それより小さい面の広がりを有する第２の上部領域２０ｂ（これらの領域は、図４において、破線の分離線によって区分けされている）とによって形成される空間を占め、束２５の２つのブランチは、両領域、２０ａと２０ｂの差に相当する面の広がりを有する空間を占めている。
【００９７】
一般に、束２５の２つのブランチの断面は任意であるが、各ブランチのうちの外側補強構造部に面する面２６の各部が、たとえどのように構成されていようとも、空洞部２０、正確に言えば、一般に、中間部１５のうちの実質的に構造強度を持たない内側部に面するそれぞれの面部分２７の向かい側にあることが重要である。
【００９８】
中間部１５は、ほぼ矩形の断面を有しており、筒状構造部３５を形成すべく巻き付けられるシート３６の始まりおよび終わりが、図示とは異なり、断面の各辺のうちの１つの辺の中央領域に配置されているのが好ましい。実際に、本出願人は、断面の角部が応力集中点であることを見出し、破損の始点となる可能性を回避するため、シート３６の始まりおよび終わりをこれら角部から離して配置することを考えた。
【００９９】
外側に向かって進むと、空洞部２０と筒状構造部３５との境界に、充填材料の外側層３０および３０’がある。充填材料層は、空洞部２０と中間補強構造部２５との間および中間補強構造部と筒状構造部３５との間にも設けられるのが好ましく、したがって束２５が充填材料と接触し、筒状構造部とは接触しない。最も外側へと向かうと、最終的には、クランク・アーム１の外表面の一様性を確保する充填材料層４０が存在している。
【０１００】
上述の充填材料は、本出願人に係る特許文献１に記載（ここでの言及によって本明細書に取り入れられたものとする）されているように、例えば小片状の繊維または小シート状の繊維組織形態で、ポリマー材料に取り入れられている、ランダム分布の構造繊維を有する複合材料であるのが好ましい。充填材料は、詳しく後述するように、成型による製造の際にクランク・アーム１の所望箇所すべてに到達できるよう、いずれの場合も、加圧下での流動性を有していなければならない。
【０１０１】
同じ充填材料が、端部５、１０をも形成するのが好ましい。
【０１０２】
上述の代案として、束２５を筒状構造部３５の外側に配置することができ、あるいは筒状構造部３５のスパイラル間に組み入れてもよい。
【０１０３】
好ましい実施形態の他の代案（図示されていない）では、空洞部２０が、カップリング用の着座部３８、３９を囲んでいる端部５、１０の一方または両方にも延びている。端部５、１０における空洞部２０の高さは、中間部１５における空洞部２０の高さと同じか、それ以下であってよい。高さの相違は、端部５、１０の一部分に関係することでよい。高さが小さい場合には、端部５、１０において、空洞部２０はクランク・アーム１の後面９３により近く形成される。
【０１０４】
他の実施形態において、端部５、１０の一方または両方で、空洞部２０と連通していない空洞をそれぞれ配置することが考えられる。
【０１０５】
図４、５は、クランク・アーム１の製造に使用することができる中間製品６０の好ましい実施形態を示している。
【０１０６】
中間製品６０は、コア４５、コア４５の周りを長手方向に延びる一方向の連続的な繊維からなる束２５、複合材料の少なくとも１つのシート３６をコア４５と束２５の周囲に軸方向に多数回巻き付けて構成されている筒状構造部３５、コア４５と筒状構造部３５との各面間に配置された充填材料の２つの層３０、３０’（図４では、一方のみを見て取ることができる）、および筒状構造部３５の外側に適用された充填材料の他の２つの層５５、５５’（図４では、一方のみを見て取ることができる）を有している。束２５が形成用部材５０、５１およびコア４５の周囲にループ状に巻き付くように、クランク・アームの両端の２つの形成用部材５０、５１が、コア４５の長手方向の両側に配置されている。
【０１０７】
コア４５（図２）は、細長い本体４７で構成されており、この細長い本体４７の長手軸が、仕上がったクランク・アーム１の長手軸Ｘ‐Ｘとなるように構成されている。細長い本体４７は、２つの対向する長手面４７ａ、４７ｂに、束２５の２つのブランチを収容するように構成されたそれぞれの収容座４６を有している。収容座４６は、細長い本体４７の側面４８ａと、そのような側面４８ａから側面に沿って突き出している突出面４８ｂとによって形成されている。突出面４８ｂは、細長い本体４７の高さの約半分に等しい高さを有しているのが好ましい。
【０１０８】
図７および７ａは、空洞部２０が端部５、１０にも延びているクランク・アーム１の製造にとくに適している、コア４５の他の実施形態を示している。これらの実施形態においては、コア４５は、中央の細長い本体１４５と、本体１４５の長手方向の両端に接続された２つのリング１４６および１４７とを有している。このようなリングは、形成用部材５０、５１を囲んで、仕上がりのクランク・アームにおいて、カップリング用の着座部３８、３９の周囲に空洞部を形成するように構成されている。
【０１０９】
細長い本体１４５は、上述の実施形態の細長い本体４７と同様、２つの対向する長手面に、それぞれ側面方向に突き出す突出面１４８を有している。
【０１１０】
リング１４６、１４７の高さは、形成用部材５０、５１の周囲に巻き付けられる束２５を成型作業の際に圧縮することがないよう、少なくとも一部分において中央の本体１４５の高さよりも小さいのが好ましい。
【０１１１】
リング１４６、１４７の高さは、突出面１４８の高さと同じであっても、異なっていてもよい。図７の実施形態においては、詳細には、ペダルとのカップリングのための着座部３９の周囲に空洞部を形成するように構成されているリング１４６が、突出面１４８と同じ長手平面に位置する一方で、ボトム・ブラケット・アセンブリとのカップリングのための着座部３８の周囲に空洞部を形成するように構成されているリング１４７は、突出面１４８の平面と平行であるが距離Ｄだけずらされている平面に位置している。
【０１１２】
一方、図７ａは、リング１４７が、厚さの異なる部位を有している実施形態（詳しくは、リング１４７の残りの部位に比べてより厚さが大きい）を示している。同様の構成が、リング１４６に存在してもよい。
【０１１３】
リング１４６、１４７の一方または両方は、成型工程において形成用部材５０、５１を押して、コア４５が動かないようにする位置決め要素を有することができる。ここに示されている実施形態においては、位置決め要素は、リング１４６、１４７の内側に向かって半径方向に延びる一対の小さな歯１５０で構成されている。
【０１１４】
コア４５の実施形態がいずれであっても、クランク・アーム１が形成されたときに溶融によってクランク・アーム１から取り除くことができるよう、コア１は、低い融点を有する（共晶の）金属合金、好ましくはスズ、アンチモン、および鉛から作られている。この合金は、クランク・アーム１の本体を製作するために使用される種々の複合材料中のポリマー材料の架橋温度Ｔｃにくらべ、わずかに高い融点Ｔｆを有するような組成を有している。詳しくは、以下の関係を遵守することが好ましい。
Ｔｆ＝Ｔｃ＋ΔＴ
ここで、Ｔｆは、約６５℃〜約１８５℃であり、複合材料を傷めることがないよう、いずれの場合も約２００℃を超えず、Ｔｃは、約６０℃〜約１８０℃であり、ΔＴは、約１℃〜約２５℃であるのが好ましく、約５℃が好ましい値である。
【０１１５】
形成用部材５０、５１は、クランク・アームが形成されるときに取り除かれて、それぞれボトム・ブラケット・アセンブリおよびペダルとカップリングするためのカップリング用インサート７８および８０に置き換えられるプロファイル形成用インサートであってよく、あるいはカップリング用インサート７８、８０そのもので構成されてもよい。この後者の場合には、カップリング用インサート７８、８０は、本出願人に係る特許文献３に記載（ここでの言及によって本明細書に取り入れられたものとする）されているように、クランク・アームと一緒に成型される。
【特許文献３】欧州特許出願第05425576.5号                    （特開2007−76638号公報）
【０１１６】
形成用部材５０、５１の一方または両方が、保持部材６３に組み合わせられ、結果として保持部材６３が、クランク・アームの成型の際に、コア４５の突出面４８ｂ（または、１４８）に対する反対側で、束２５に作用する。保持部材６３として、例えば形成用部材５０、５１に形成された外側のねじ山６５にねじ込まれるリング・ナットまたはワッシャを使用することができるが、他の種類のカップリングの可能性を排除するものではない。図４の実施形態においては、保持部材６３が、厚さの薄い外側表面部６４を有して、コア４５に面している。このような構成の利点は、コア４５をよりインサート５０の方に近づけることができる点にある。
【０１１７】
図１に示したクランク・アームのように、左側のクランク・アームの場合には、クランク・アームの最大応力の領域は、フレームに向かって面する側のボトム・ブラケット・アセンブリとのカップリングのための領域である。この理由のため、保持部材６３がこの領域において束２５を保持する一方で、中間部１５においては、コアの突出面４８ｂ（または、１４８）に押されて束２５は反対側に配置される。実際に、本発明によって製造される左側クランク・アームにおいては、クランク・アームの中間部１５から自転車のボトム・ブラケット・アセンブリとのカップリングのための端部５へと進む束２５が、ほぼＳ字形の配置構成を有している。
【０１１８】
保持部材６３は、仕上がったクランク・アーム内に残存したままになるのが好ましく、このため、軽量であることが望ましく、したがって、クランク・アームの他の部分の製造のための複合材料から選択されるタイプの複合材料から作られるか、あるいはアルミニウム合金などの金属合金から作られるのが好ましい。４０〜５０％のガラス繊維が入れられたフェノール樹脂から作られたリング・ナットが、顕著な低コストを伴って、優秀な性能結果をもたらすことが、見出されている。
【０１１９】
図８は、図１０において参照番号２００で示されている右側クランク・アームの製造にとくに適している、第１の端部５に歯車の支持スポーク２７０を有しているコア４５の実施形態を示している。
【０１２０】
この実施形態において、コア４５は細長い本体２４５を有しており、本体２４５の一端は、仕上がったクランク・アームの支持スポークにそれぞれ空洞部を形成するように構成された４本のスポーク２７０を備える星形状２６０をしている。
【０１２１】
細長い本体２４５は、２つの対向する長手側面から側面に沿って突き出す突出面２４８を有している。しかしながら、すでに説明した左側クランク・アーム１の製造のためのコア４５の実施形態と異なり、突出面２４８は、細長い本体２４５の全長にわたっては延在しておらず、星状の部位２６０と接合するよりも前に中断されている。これにより、仕上がったクランク・アームの複合材料製の本体を、応力の集中が存在することでよく知られた接合部において厚くすることができる。
【０１２２】
スポーク２７０は、形成用部材５０（図９）の通過を可能にするような直径の孔２６６を中心として、放射状に突き出している。孔２６６の周囲２６５の高さは、スポーク２７０および細長い本体２４５の高さよりも小さい。詳しくは、孔２６６の周囲２６５の前面２６８が、細長い本体２４５およびスポーク２７０の前面２６９、２６９’それぞれに対して、ずらされた平面に位置して、凹部２６５を形成している。凹部２６５は、仕上がったクランク・アーム２００の前面２９１において、ボトム・ブラケット・アセンブリとのカップリング用インサート７８の挿入のための着座部２９２の周囲に厚い領域２９０を作り出すという目的を有している。したがって、仕上がったクランク・アームのスポークは、着座部２９２の周囲の空洞の高さよりも大きな高さの空洞をそれぞれ有するであろう。
【０１２３】
図８ａは、図８のコア４５の好ましい実施形態を示している。このコアは、中央の孔２６６の周囲２６５に結合されて、中央の孔２６６の内側に向かって半径方向に延びる４つの心出し要素２７１を有しているというただ１つの点で、図８に示したコアとは相違している。詳しくは、心出し要素２７１は、中央の孔２６６の内側に向かって半径方向に延びる、それぞれ厚くされた周囲領域２７２において、中央の孔２６６の周囲２６５に結合されている。
【０１２４】
このような心出し要素２７１は、クランク・アームの他の部分の製造について記載したような複合材料から選択されるタイプの複合材料から作られるので好都合である。例えば、４０〜５０％のガラス繊維が入れられたフェノール樹脂、またはアルミニウム合金などの金属合金から製作することができる。心出し要素２７１は、仕上がったクランク・アームでは、その一部を構成するという意味で、その機能は消えてなくなる。心出し要素２７１の機能は、クランク・アームの成型時に形成用部材を中央の孔２６６の内側の中心位置に保つと同時に、コアがそのような形成用部材に当接することがないようにすることにある（右側クランク・アームでは、類似の機能が保持要素６３によって実行される）。実際、典型的には、クランク・アームの端部の形成用インサートは、自転車のボトム・ブラケット・アセンブリとカップリングするように構成されるクランク・アームの端部に製作されるカップリング用の着座部の孔に雌ねじを作成するために、対応する雄ねじを有している。このようなねじ山にコアが当接することがあると、仕上がったクランク・アームに形成されるねじ山に不連続な領域が生まれることにつながる。一方で、心出し要素２７１がクランク・アームと同じ材料から製作されるという事実は、成型時に、心出し要素２７１が仕上がりのクランク・アームを構成する他の材料と同様に挙動することを確保し、自転車のボトム・ブラケット・アセンブリとのカップリングのための着座部の連続的かつ一様なプロファイルの形成に寄与する。
【０１２５】
図８ｂによりよく示されているように、それぞれの心出し要素２７１は、ほぼ円柱形の本体部２７３およびほぼ円錐台形の本体部２７４を有している。心出し要素２７１は、中央の孔２６６の周囲２６５のそれぞれの厚くされた領域２７２に、それぞれの円柱形の本体部２７３を介して結合され、円錐台形の本体部２７４は、中央の孔２６６の内側に片持ち梁のように延びている。円錐台形の本体部２７４を介して周囲２６５と結合することで、そのような結合領域における微細な割れまたは微細な欠けゆえに、心出し要素２７１がそれぞれの着座部２７２から滑り出る可能性をなくすことができるので、好都合である。このような滑りは、クランク・アーム内に自由に動く固形物が存在することにつながり、結果としてペダル漕ぎの際に雑音を発することになる。
【０１２６】
図８ａに示した実施形態においては、４つの心出し要素２７１が、互いに９０°離れて配置されて使用されている。他の実施形態においては、３つの中心出し要素が１２０°離れて使用され、あるいは２つの心出し要素が、長手軸Ｘ‐Ｘに対して対称に配置され、コア４５の細長い本体２４５に最も近い半円に位置している。
【０１２７】
図９は、特に、仕上がりのクランク・アームにおいて中間補強構造部を形成するように構成された一方向の連続的な構造繊維束が、右側クランク・アーム２００の製造用の中間製品を形成するために、どのようにコア４５に取り付けられるのが好ましいかを示している。詳しくは、第１の束２２５が、形成用部材５１の周囲を巡り、突出面２４８によって支持され、スポーク２７０の形状に従うようにコア４５を巡って巻き付けられ、第２の束２８５が、孔２６６の周囲に螺旋状に巻かれて凹部２６５に収容されている。あるいは、螺旋を束２２５の一部から構成してもよい。
【０１２８】
右側クランク・アームの場合には、形成用部材５０に組み合わせられる保持部材６３は余分であり、省略することができる。実際、星状の構成のため、成型時に充填材料が形成用部材５０の周囲を放射状に流れるため、左側クランク・アーム１の成型時に典型的に生じうる束２２５および２８５の曲がりを生じることがないことが、明らかになっている。
【０１２９】
右側クランク・アームの端部に保持部材が存在しないことで、クランク・アームの成型時にコア４５の突出面１４８、２４８に押されて、束２５が、まさに右側クランク・アームの最大応力の領域（実際に、ボトム・ブラケット・アセンブリとのカップリングのための領域の外側向きの面に位置する）において、クランク・アームの細長い本体の全長にわたって外側向きの面に配置される。図１０に示されている、スパイラル状に巻かれた束２８５も、こちら側に配置されるので好都合である。
【０１３０】
次に、とくに図３、４、および１０を参照して、本発明によるクランク・アームの製造方法の好ましい実施形態を説明する。この方法の各工程を、とくに左側クランク・アーム１に関して例示するが、説明される内容は、実質的な変更を必要とせずに右側クランク・アーム２００の製造にも適用可能である。
【０１３１】
この方法の第１工程において、仕上がりのクランク・アームにおいて得たい空洞部２０に対応する形状のコア４５が用意される。
【０１３２】
次いで、仕上がりのクランク・アームの端部５、１０に、カップリング用の着座部３８、３９を形成するための２つの形成用部材５０、５１が用意される。
【０１３３】
次いで、中間製品６０が形成される（図３および４）。
【０１３４】
一方向の連続的な構造繊維の束２５が、収容座４６中で、コア４５を巡り、コア４５の長手方向の両端に配置された形成用部材５０、５１を巡ってループ状に巻き付けられる。充填材料層３０、３０’がコア４５に載せられ、この上にシート３６が、層３３、３４の一方向の連続的な構造繊維の選択的伸長方向がコア４５の長手軸Ｘ‐Ｘに対して約４５°の角度を形成するように巻き付けられる（図３）。次いで、充填材料層５０、５５’が、巻き付けられたシート３６の外側に適用される。
【０１３５】
当業者であれば、どのような配置構成を取っても、充填材料層３０、３０’、５５、５５’は、圧力にさらされたときに、金型７０中のクランク・アーム１の端部５および１０が形成される領域に向かって流れる目的を有していることに気付くであろう。また、種々の可能性の中でもとりわけ、必要とされる充填材料を、前記領域に層として配置するのではなく、塊として設けることもできる。
【０１３６】
この方法の次の工程において、複合材料中のポリマー材料を加圧下で流動できるようにするに充分なように、このようにして得られた中間製品６０が予熱され、所定の予熱時間にわたって所定の予熱温度とされる。中間製品を均一に加熱するための充分な時間にわたって、約８０℃〜約１００℃の予熱温度に中間製品６０を保つのが好ましい。最も外側の複合材料の層が過剰にエイジングされるよりも前に、コアがそのような温度に達することができるよう、約８５℃〜約９０℃の値に、約３５〜約５５分の時間にわたって保たれるのがさらに好ましい。
【０１３７】
中間製品６０が、充分に高温であるときに、得ようとするクランク・アーム１の形状を有し、所定の加圧方向Ｐの加圧部材７２を有している金型７０（図１１）のキャビテイに導入される。詳しくは、束２５が仕上がりのクランク・アームの後面９３よりも前面９１に近くなり、コア４５の突出面４８が加圧方向Ｐにおいて束２５と加圧部材７２との間に配置されるやり方で、中間製品６０が導入される。保持部材６３（存在する場合）は、方向Ｐの加圧に対抗して束２５を保持するようなやり方で配置される。２つの形成用部材５０、５１は、孔７５に適用されるねじによって金型７０の底部に固定されるのが好ましい。
【０１３８】
上述の代案として、中間製品６０を金型７０内で直接予熱してもよい。
【０１３９】
この方法の続く工程において、約５〜約３５０ｂａｒの圧力が、加圧部材７２によって加えられる。好ましくは、加えられる圧力は、材料のコンパクト化およびガス抜きを促進するため、上記範囲の上方の領域にあるように選択される。詳しくは、好ましい圧力の値が、約５ｂａｒ〜約４００ｂａｒであり、より好ましくは約４０ｂａｒ〜約３００ｂａｒであり、さらに好ましくは約２００ｂａｒ〜約３００ｂａｒである。加えられる圧力により、充填材料は、クランク・アーム１の端部領域５、１０に相当する領域を満たすまで流動する。充填材料の流動の際、束２５は、コア４５の突出面４８によって加えられる圧力により、保持部材６３によって支えられて引張り下に保たれ、このようにして曲げが防止される。
【０１４０】
成型工程が終了したとき、金型７０は充分な時間にわたって、クランク・アーム１を形成している複合材料中に存在するポリマー材料の架橋温度Ｔｃに相当する温度に保持される。
【０１４１】
この方法の次の工程において、仕上がったクランク・アーム１が金型７０から取り出される。
【０１４２】
続く冷却工程の後、自転車のフレームの方を向く後面９１において、束２５を横切ることがないように注意を払いつつ、クランク・アーム１に１つ以上の孔６１を形成するのが好ましい。孔６１が後面９３に位置し、前面９１に位置しているわけではないことを厳密に強調するために、図１において孔６１は破線で描かれている。次いで、クランク・アームがコア４５の融点Ｔｆまで加熱され、したがってコア４５が溶融して孔６１から流れ出て、空の空洞部２０が残される。
【０１４３】
オプションではあるが、所定の温度の油による空洞部２０の洗浄が、内壁に付着して残る可能性がある溶融残留物を除去して、それらがクランク・アームの使用時に脱離して望ましくない雑音を生じることがないようにするために行われる。
【０１４４】
次いで、フェノール樹脂のキャップを適用することによって、孔６１が閉じられるのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【０１４５】
【図１】本発明による左側クランク・アームの部分断面斜視図である。
【図２】図１のクランク・アームを製造するためのコアの斜視図である。
【図３】図１のクランク・アームを製造するための中間製品の好ましい実施形態の準備工程を説明する斜視図である。
【図４】図１のクランク・アームを製造するための中間製品の好ましい実施形態の斜視図である。
【図５】図４の中間製品の線Ｖ‐Ｖに沿った断面図である。
【図６】図１のクランク・アームの線ＶＩ‐ＶＩに沿った断面図である。
【図７】図２のコアの他の実施形態の斜視図である。
【図７ａ】図２のコアの他の実施形態の斜視図である。
【図８】本発明による右側クランク・アームを製造するためのコアの斜視図である。
【図８ａ】図８のコアの好ましい実施形態の平面図である。
【図８ｂ】図８ａのコアの細部を示す説明図である。
【図９】本発明による右側クランク・アームを製造するための中間製品の好ましい実施形態の準備工程を説明する斜視図である。
【図１０】図８のコアにて製作された右側クランク・アームの縦断面図である。
【図１１】空洞内に図４の中間製品を有している、図１のクランク・アームを製造するための金型の断面図である。
【符号の説明】
【０１４６】
１    クランク・アーム
２    細長い本体
５    第１の端部
１０    第２の端部
１５    中間部
２０    空洞
２５    連続的構造繊維束
３５    筒状構造
３６    複合材料シート
３８    第１着座部
３９    第２着座部
４５    コア
５０    形成用部材
５１    形成用部材
６０    中間製品
７０    金型
７２    加圧部材
【図１】
2007216950.tif 000003
【図２】
2007216950.tif 000004
【図３】
2007216950.tif 000005
【図４】
2007216950.tif 000006
【図５】
2007216950.tif 000007
【図６】
2007216950.tif 000008
【図７】
2007216950.tif 000009
【図７ａ】
2007216950.tif 000010
【図８】
2007216950.tif 000011
【図８ａ】
2007216950.tif 000012
【図８ｂ】
2007216950.tif 000013
【図９】
2007216950.tif 000014
【図１０】
2007216950.tif 000015
【図１１】
2007216950.tif 000016
【外国語明細書】
Bicycle crank arm, intermediate product and method for manufacturing such a crank arm
The present invention relates to a bicycle crank arm.
The invention also relates to an intermediate product used to manufacture such a crank arm and a method for manufacturing said crank arm.
A constant requirement of manufacturers of bicycles and/or of bicycle components, above all of racing bicycles, is to reduce the overall weight of the bicycle and, therefore, of the various components of the bicycle to as low as possible, at the same time ensuring, if not even improving, the characteristics of structural strength of such components.
In order to satisfy this requirement bicycle components have been developed, and in particular crank arms, made from composite materials comprising unidirectional continuous structural fibres, or else fibres in the form of pieces or small sheets arranged randomly and incorporated in a polymeric material. Structural fibres, indeed, substantially contribute to the structural strength of the crank arm.
Patent application US 2005/0012298 A1 to the same Applicant describes a crank arm and a method for manufacturing thereof. In accordance with this method, an intermediate product comprising two inserts about which a layer of unidirectional structural fibres is wound is inserted into a mould; between the two inserts a core adapted to form a central cavity of the crank arm is arranged. A mass of composite material comprising unidirectional continuous structural fibres and pieces of fibres orientated randomly is then inserted into the mould. The mould is then closed and pressure is applied to obtain a crank arm from the aforementioned intermediate product.
The manufacturing method described in the aforementioned patent application allows a crank arm to be obtained that is lightened and has good structural strength, in particular under traction, thanks to the presence of the structural fibres that embrace the inserts and the core. Such a method, moreover, is very good from the point of view of cost-effectiveness, since it requires limited manual intervention from an operator.
The Applicant, however, has found that, in the method described above, due to the high pressure applied during moulding, the core tends to move generating, in particular, thinner areas in the walls of the cavity that it forms in the finished crank arm. Such thinner areas undesirably weaken the structure of the crank arm.
French patent FR 2 636 386 discloses a crank arm with a core made of light expanded polyurethane arranged between two inserts. The core and the inserts are enveloped by numerous layers of unidirectional structural fibres. Other layers of woven structural fibres with different orientation to that of the unidirectional fibres wound around the inserts envelop the entire body of the crank arm.
The Applicant has found that the manufacture of such a crank arm has some drawbacks with respect to the method described in the USpatent application mentioned above. Such drawbacks are correlated to the fact that the winding of the layers of woven structural fibres around the body of the crank arm must be carried out by hand, with a consequent great wasting of time. Moreover, the manual winding of the fibres implies that the crank arms thus obtained are of a different quality from each other.
The Applicant has therefore considered the problem of manufacturing a lighter crank arm that has high structural strength and that is cost-effective to manufacture, so as to overcome the drawbacks encountered in the crank arms of the prior art discussed above.
The present invention therefore relates, in a first aspect thereof, to a bicycle crank arm, comprising an elongated body extending along a longitudinal axis X-X and having:
-   a first end portion comprising a first seat for coupling with a bottom bracket assembly of the bicycle;
-  a second end portion comprising a second seat for coupling with a pedal;   
-   an intermediate portion extending between said first end portion and said second end portion and comprising an inner portion substantially without structural strength and a first reinforcement structure;   
characterised in that said first reinforcement structure comprises a tubular structure arranged around said inner portion and extending longitudinally for a part not longer than the longitudinal extension of said intermediate portion.
In the crank arm of the invention the tubular structure, advantageously, on the one hand ensures uniform structural capabilities around the portion substantially without structural capability and on the other hand, extending only to the intermediate portion of the crank arm, and therefore not involving the end portions and the respective coupling seats, allows the crank arm to be manufactured in simple and quick way, overcoming the drawbacks discussed above with reference to French patent FR 2 636 386. The end portions can indeed be made in a completely automated manner, for example, through a filling material moulded at high pressure.
Moreover, the use of the aforementioned tubular structure contributes, during the pressure-moulding of the crank arm, to immobilise the core used to form the aforementioned inner part without structural capability, avoiding the generation, in the end product, of defects caused by possible undesired movements of the core during the moulding operations.
Preferably, the tubular structure comprises at least one sheet of composite material wound around said longitudinal axis X-X. More preferably, said sheet comprises at least one layer of unidirectional continuous structural fibres incorporated in a polymeric material and having a preferential direction of extension. The continuous structural fibres advantageously ensure high structural strength.
Preferably, the aforementioned preferential direction of extension is inclined with respect to said longitudinal axis X-X by a predetermined first angle. More preferably, such a predetermined first angle is equal to about 45°. The Applicant has indeed found that this inclination is optimal to give the crank arm characteristics of resistance to traction, bending and torsion stresses.
In a particularly preferred embodiment of the crank arm of the present invention, in order to further increase its structural strength without negatively influencing the characteristics of lightness and easiness of manufacture discussed above, the tubular structure comprises at least two layers of composite material each comprising unidirectional continuous structural fibres having a respective preferential direction of extension.
Preferably, in this embodiment, the preferential direction of extension of a layer of composite material is inclined with respect to the preferential direction of extension of at least one other layer of composite material by a predetermined second angle. More preferably, such a predetermined second angle is equal to about 90°.
Preferably, the inner portion of the intermediate portion of the crank arm is defined by a cavity. In alternative and less preferred embodiments, the inner portion can be made from materials without structural capability, like for example expanded polyurethane.
Preferably, the first and the second end portions of the crank arm comprise a composite material comprising structural fibres arranged randomly and incorporated in a polymeric material. Advantageously, the structural fibres arranged randomly, for example in the form of small sheets of fabric or pieces of fibre, are able to flow when subjected to pressure in a mould and therefore to optimally fill the end areas of the cavity of the mould so as to obtain the end portions of the crank arm. Such end portions, in any case being made from a material comprising structural fibres, have the desired characteristics of structural strength.
Preferably, the crank arm of the present invention further comprises a second reinforcement structure defined by at least one bundle of unidirectional continuous structural fibres that extends longitudinally in said elongated body. Preferably, said second reinforcement structure winds in a loop around said first and second end portions and said intermediate portion. More preferably, said second reinforcement structure is arranged, at said intermediate portion, between said inner portion and said first reinforcement structure. Advantageously, the bundle of longitudinal continuous structural fibres gives the crank arm a high resistance to traction loads.
Preferably, the structural fibres in the composite material, be they continuous or in pieces arranged randomly, are selected from the group comprising: carbon fibres, glass fibres, aramidic fibres, boron fibres, ceramic fibres and combinations thereof, carbon fibres being most preferred.
Preferably, the polymeric material in the composite material is a thermosetting material. More preferably the thermosetting material comprises an epoxy resin. However, this the possibility of using a thermoplastic material is not excluded.
In a particularly preferred embodiment of the crank arm of the present invention, the intermediate portion of the crank arm has a section perpendicular to said longitudinal axis X-X in which the aforementioned inner portion occupies a space defined by a first area having a first surface extension and by a second area having a second surface extension and in which the second reinforcement structure occupies a space having a surface extension equal to the difference between said first and second areas. Advantageously, such a crank arm has an optimal compromise between lightness and structural strength. Indeed, the second reinforcement structure is arranged only at the areas of the crank arm most stressed in operation, the other areas being hollow or made from material without structural capability.
In particular, preferably, the second reinforcement structure is arranged, in the intermediate portion of the crank arm, in such a way that each surface portion thereof that faces the first reinforcement structure is opposite a respective surface portion of said second reinforcement structure that faces the inner portion of the crank arm. In this way, when a stress is transmitted from the first reinforcement structure to the second reinforcement structure through their mutual contact surfaces, the second reinforcement structure is free to deform at its surface facing the inner portion of the crank arm. Indeed, since the inner portion of the crank arm does not have structural capability, at the interface surface between second reinforcement structure and inner portion no constraint tension is generated that, acting in contrast to the deformation stress of the second reinforcement structure, would cause the detachment of the second reinforcement structure from the first reinforcement structure. Advantageously, in the case in which the inner portion is defined by a cavity, the constraint tensions are completely zero.
Preferably, the fibres of the second reinforcement structure are unidirectional continuous structural fibres extending, at the intermediate portion of the crank arm, substantially parallel to said longitudinal axis X-X.
In a particularly preferred embodiment of the crank arm of the present invention, at least one of the two end portions of the crank arm comprises a second cavity extending around the respective coupling seat. Advantageously, the presence of cavities also at the end portions of the crank arm allows the overall weight of the crank arm to be decreased.
Preferably, an insert adapted to allow the coupling of the crank arm with the bottom bracket assembly of the bicycle or with a pedal is inserted into the coupling seat.
Preferably, the second cavity is a prolongation of the first cavity formed at the inner portion of the intermediate portion of the crank arm. Nevertheless, it is not excluded that the cavity formed in the end portion of the crank arm and the cavity formed in the intermediate portion of the crank arm can be distinct and separate.
Preferably, the second cavity has a height at least in part shorter than the height of the first cavity, so that the crank arm, at the coupling areas with the bottom bracket assembly and with the pedal, has areas of increased thickness suitable for ensuring the desired structural strength.
Nevertheless, alternative embodiments are not excluded in which the second cavity has a height equal to that of the first cavity, or to that of the insert inserted into the respective coupling seat formed in the end portion of the crank arm.
In a specific embodiment of the crank arm of the present invention, the first and the second end portions both comprise a respective second cavity extending around the respective coupling seat.
The crank arm of the present invention can be either a left crank arm or a right crank arm.
Preferably, in the case of a left crank arm, the elongated body of the crank arm has a first face intended to face a bicycle frame and a second face opposite said first face and the second reinforcement structure is arranged in such a way that, at said first end portion of the crank arm, it is closer to said first face than to said second face. Advantageously, the crank arm of the present invention is thus a hollow crank arm, i.e. light, in which the second reinforcement structure is arranged at the part of the crank arm most stressed in operation, which indeed is that located at the coupling area with the bottom bracket assembly, at the side facing towards the bicycle frame.
Preferably, in the case of a left crank arm, the elongated body of the crank arm also comprises, at at least one of its end portions, at least one holding element of a portion of the aforementioned second reinforcement structure. Advantageously, such a holding element, during the moulding process of the crank arm, contributes to keep tensioned and in position the fibres of the second reinforcement structure at the end portions of the crank arm. Therefore, it is ensured that there are structural fibres present at the areas of the crank arm most stressed during pedalling, between which there is in particular the end portion of the crank arm for coupling with the bottom bracket assembly of the bicycle. Even more advantageously, the holding element ensures that, during moulding, due to the flowing of the filling material the fibres do not shrivel in the end portions of the crank arm. The Applicant has indeed found that the structural fibres, if bent excessively, can break. A possible shrivelling would thus generate weakening points in the structure of the body of the crank arm.
Preferably, said at least one holding element has a lower thickness at an outer surface portion thereof facing the inner portion of the intermediate portion of the crank arm. Advantageously, this allows the core intended to form the lightened inner portion of the crank arm to be brought closer towards the end area of the crank arm itself and therefore allows a crank arm to be obtained in which the lightened inner portion has greater longitudinal extension.
For example, the holding element can be defined by a ring nut adapted to be screwed into an outer threading formed on a forming element of the end portion of the crank arm, but any other type of coupling is not excluded.
Preferably, the holding element, given that it is intended to remain imprisoned in the finished crank arm, is made from a light material, like a composite material or a metal alloy. The weight of the crank arm thus remains low.
More preferably, the holding element is made from phenolic resin loaded with glass fibre, the content of said glass fibres preferably being equal to 40-50%. The Applicant has found that a holding element thus made gives excellent performance results combined with a particularly low cost.
On the other hand, in the case of a right crank arm, it preferably comprises, at the end portion for coupling with the bottom bracket assembly of the bicycle, a plurality of spokes. Such spokes, preferably, comprise respective cavities that branch from the second cavity formed around the coupling seat provided in the end portion of the crank arm. A particularly light right crank arm is thus obtained.
Preferably, in the case of a right crank arm the elongated body of the crank arm has a first face intended to face the bicycle frame and a second face opposite said first face and the second reinforcement structure is arranged in the elongated body so as to be closer to the second face. The right crank arm of the present invention is therefore a hollow crank arm, and therefore light, in which the reinforcement structure is arranged in the area of the crank arm most stressed in operation, which is indeed the face of the crank arm facing outwards.
Preferably, the bundle of unidirectional fibres that constitutes the second reinforcement structure of the intermediate portion of the crank arm extends along said spokes and follows the profile thereof, so as to ensure that the crank arm has structural strength also at said spokes.
Preferably, the height of the cavities of the spokes is greater than that of the cavity around the coupling seat formed in the end portion of the crank arm. A thickened area around the seat for coupling with the bottom bracket assembly is thus obtained in the crank arm; such thickening ensures the desired characteristics of structural strength in this area of the crank arm that is particularly stressed during pedalling. Such an area, in particular, is the area for coupling with the bottom bracket assembly, on the side facing outwards.
Preferably, the crank arm of the present invention comprises a layer of continuous structural fibres wound in a spiral around said coupling seat. This is to enhance the characteristics of resistance to stress of the crank arm at the aforementioned area for coupling with the bottom bracket assembly.
In a second aspect thereof, the present invention relates to an intermediate product for manufacturing a bicycle crank arm, such an intermediate product comprising a core having an elongated body extending along a longitudinal axis X-X and a sheet of composite material wound around the core and said longitudinal axis X-X and comprising at least one layer of structural fibres, said sheet extending longitudinally for a part not longer than the longitudinal extension of said core. 
Advantageously, the intermediate product described above can be used to manufacture the crank arm of the present invention, and thus allows the aforementioned advantages with reference to such a crank arm to be achieved.
Preferably, the intermediate product of the present invention comprises singularly and/or in combination all of the preferred structural characteristics described above with reference to the crank arm and correlated to the presence, composition and arrangement of unidirectional structural fibres incorporated in a composite material, possibly a filling material.
Preferably, as already stated with reference to the crank arm of the present invention, the sheet of composite material comprises at least one layer of unidirectional continuous structural fibres incorporated in a polymeric material. Such a sheet of composite material constitutes the aforementioned first reinforcement structure with reference to the crank arm of the present invention.
More preferably, the aforementioned intermediate product also comprises at least one bundle of unidirectional continuous structural fibres arranged between the core and the aforementioned sheet of composite material. Such a bundle of unidirectional continuous structural fibres constitutes the second reinforcement structure mentioned above with reference to the crank arm of the present invention.
Even more preferably, the aforementioned intermediate product also comprises at least one first layer of filling material capable of flowing under pressure and arranged between the core and the sheet of composite material. More preferably, at least one second layer of filling material is associated with said sheet at the outer end thereof. Such a filling material is adapted to form the end portions of the crank arm following a pressure moulding operation of the intermediate product thus arranged.
In the preferred embodiment thereof, in the intermediate product of the present invention the fibres of the sheet of composite material have at least in part a first orientation and the fibres of the bundle of fibres have at least in part a second orientation different to the first orientation and the bundle of fibres is arranged in such a way that each surface portion of such a bundle of fibres that faces the sheet of composite material is opposite a respective surface portion of the bundle of fibres that faces the core.
Preferably, the fibres of the bundle of fibres are unidirectional continuous structural fibres extending substantially parallel to said longitudinal axis X-X and the fibres of the sheet of composite material are unidirectional continuous structural fibres extending substantially along at least one direction inclined, preferably by about 45°, with respect to said longitudinal axis X-X.
Preferably, the elongated body of the core comprises opposite longitudinal sides provided with respective housing seats of respective portions of the fibres of said bundle of fibres.
Preferably, each housing seat is defined by a side surface of the elongated body of the core and by a projecting surface that projects laterally from said side surface. Advantageously, such a projecting surface, when the intermediate product is inserted in the cavity of the mould to manufacture the crank arm, is arranged so as to be arranged between the pressure element of the mould and a portion of the reinforcement structure defined by the aforementioned bundle of fibres so that, when the pressure element is actuated, the projecting surface exerts a uniform pressure on such a portion of reinforcement structure keeping tensioned the fibres of said structure and thus avoiding that they shrivel due to the effect of the flowing of the filling material.
This is particularly advantageous if the bundle of fibres also embraces two forming elements (typically consisting of metallic inserts having an outer threading) of the end portions of the crank arm. The tension generated by the thrust of the aforementioned projecting surface of the core indeed prevents the flowing of the filling material on two opposite sides of the aforementioned forming elements from causing a shrivelling of the fibres of said reinforcement structure at said forming elements, such shrivelling generating weakening points in the finished crank arm.
Preferably, a holding element of a respective portion of the reinforcement structure defined by the aforementioned bundle of fibres is arranged on at least one of the aforementioned two forming elements. More preferably, the holding element is arranged on the opposite side to the projecting surface of the core with respect to the bundle of fibres, so that, when the projecting surface of the core exerts the thrust on the respective portion of the bundle of fibres the holding element supports a second portion of such a bundle of fibres in the opposite direction to that of the thrust.
Preferably, the core is made from a metallic material having a low melting point to allow it to be removed by melting when the crank arm has been made. The material having a low melting point is in particular a material capable of melting at a temperature slightly greater than the cross-linking temperature of the composite material. In this way the core allows very high pressures to be applied that optimally compact the composite material and the filling material, inducing an intense degasification.
Preferably, in the case in which one wishes to manufacture a crank arm having a cavity around the seats for coupling with the bottom bracket assembly and/or with the pedal, the core comprises a central body portion and two rings integrally associated with said elongated body at opposite ends of said central body portion. The two rings create the cavities in the end portions of the crank arm whereas the central body portion of the core creates the cavity at the intermediate body portion of the crank arm.
Preferably, a ring of said pair of rings has a height at least in part shorter than the height of said central body portion. Such a ring of lesser height is adapted to create the cavity at the end portion for coupling with the bottom bracket assembly of the bicycle. Advantageously, the fact that such a ring has a height shorter than that of the central body portion of the core makes it possible to not exert a pressure on the portion of the bundle of structural fibres supported by the holding element during the moulding of the crank arm, thus ensuring a correct tensioning of such fibres.
Preferably, at least part of said ring has a height shorter than the height of the projecting surface of the central body portion of the core. The ring can also have at least one body portion having a height greater than the remaining body portion.
The other ring of said pair of rings can have a height substantially equal to the height of said projecting surface or equal to that of the other ring.
Preferably, the aforementioned rings comprise respective positioning elements extending towards the inside of said rings. Advantageously, such positioning elements, pressing against the forming inserts of the end portions of the crank arm in the moulding step, prevent the core from moving.
In a preferred embodiment thereof, the core comprises, at one of said two rings, a central hole and a plurality of spokes that extend radially outwards from said central hole. Such a core is advantageously used in the manufacture of a right crank arm, where the spokes of the crank arm are used to support the front gear wheels of the bicycle.
Preferably, the spokes of the core have a height greater than the height of the ring at said central hole. Advantageously, the crank arm obtained using such a core therefore comprises, around the seat for coupling with the bottom bracket assembly of the bicycle, a thickened area that ensures a high structural strength in an area where there is notoriously a high concentration of tensions.
Preferably, a layer of continuous structural fibres is wound in a spiral around said central hole. More preferably, the aforementioned bundle of structural fibres extends along said spokes, following the profile thereof. The structural strength of the finished crank arm is thus increased at said spokes.
Preferably, in the case in which one wishes to manufacture a right crank arm, the projecting surface defined on the sides of the elongated body of the core extends parallel to said axis X-X for a part having a length shorter than the length of the central body portion of the core. This promotes a thickening of the body of the crank arm at the joining area between the intermediate portion and the end portion for coupling with the bottom bracket assembly of the bicycle, i.e. where there is notoriously a high concentration of tensions.
In a third aspect thereof, the present invention relates a method for manufacturing a bicycle crank arm, comprising the steps of:  
-   providing a core adapted to define an inner portion substantially without structural strength of a crank arm, said core comprising an elongated body extending along a longitudinal axis X-X;
-   providing two forming elements of opposite end portions of said crank arm;
-   providing an intermediate product by axially winding a first reinforcement structure comprising at least one layer of unidirectional continuous structural fibres around said core;
-   inserting said intermediate product into a cavity of a mould together with said two forming elements and with at least one mass of filling material comprising a polymeric material and capable of flowing under pressure, said mould being equipped with a pressure element and said cavity having the shape of said crank arm;
-     applying a predetermined pressure to said pressure element to make said filling material flow into said cavity;   
-   heating said mould to a temperature corresponding to the cross-linking temperature of said polymeric material;    
-   opening said mould and removing the formed crank arm.
Through this method it is advantageously possible to manufacture the crank arm of the invention in a simple and cost-effective manner. The need for intervention of an operator is indeed limited and many steps of the aforementioned method are completely automated. Moreover, possible movements of the core during pressure moulding are substantially prevented by the presence of the layer of composite material wound around the core, which is intended to form the tubular structure described above with reference to the crank arm of the present invention.
Preferably, the step of providing an intermediate product comprises the step of winding at least one bundle of unidirectional continuous structural fibres in a loop around said two forming elements and said core.
Preferably, the core consists of a metallic material having a low melting point and the method of the present invention also comprises, after the heating step of the mould, the steps of:    
-   forming at least one hole on a surface of said crank arm;
-   heating the crank arm up to the melting point of said metallic material having a low melting point to allow it to flow out.
In this way, advantageously, a cavity is obtained at the space occupied by the core thus obtaining a crank arm having the desired characteristics of lightness.
Preferably, the melting point of the material having a low melting point is higher than the cross-linking temperature of the polymeric material in the composite material by a value DT of between about 1°C and about 25°C, more preferably about 5°C.
Preferably, the unidirectional continuous structural fibres of said first reinforcement structure extend along a preferential direction of extension and the step of providing said intermediate product comprises the step of arranging said at least one layer of structural fibres so that said preferential direction of extension is inclined with respect to said longitudinal axis X-X by a predetermined angle, preferably equal to about 45°.
Preferably, the method further comprises, before the step of insertion of the intermediate product and of the mass of filling material in the cavity of the mould or after the aforementioned insertion step and before the step of application of the predetermined pressure, the step of preheating the intermediate product and said at least one mass of filling material bringing it to a predetermined preheating temperature for a predetermined preheating time. This preheating step is used to make the composite material of the first reinforcement structure and possibly of the layer of structural fibres that wind in a loop around the core and the aforementioned forming elements more easily malleable during moulding and the filling material more easily capable of flowing under pressure.
The parameters of the preheating step are selected so as to achieve homogeneous heating without the polymeric components aging excessively. A first preferred range of values is given by a temperature of between about 60°C and about 100°C, which is maintained for a time of between about 5 and about 70 minutes. An even more preferred range of values is given by a temperature of between about 80°C and about 100°C which is maintained for a time of between about 5 and about 60 minutes. A particularly preferred range of values is given by a temperature of between about 85°C and about 90°C maintained for a time of between about 35 and about 55 minutes. In this way it is possible to serve a mould with a limited number of preheating ovens.
Preferably, the step of inserting the intermediate product into the cavity of the mould together with the at least one mass of filling material comprises the step of providing at least one first layer of filling material between the core and the layer of composite material axially wound around the core.
More preferably, at least one second layer of filling material is also inserted outside of said layer of composite material wound axially around said core.
In this way it is possible to obtain an optimal distribution of the filling material in the cavity of the mould and therefore a high-quality end product both in terms of structure and appearance.
Preferably, the aforementioned filling material is a composite material comprising portions of structural fibres, preferably pieces or small sheets of fibres arranged randomly and incorporated in a polymeric material.
Preferably, the predetermined pressure exerted by the pressure element during the moulding of the crank arm is between about 5 bar and 400 bar, more preferably between 40 and 300 bar and even more preferably between 200 and 300 bar.
The structural fibres, continuous or in pieces, and the polymeric material of the composite material are selected as described above with reference to the crank arm of the present invention.
Preferably, the aforementioned bundle of fibres is housed in a pair of housing seats formed on opposite longitudinal sides of said core, in which each housing seat is defined by a side surface of said core and by a projecting surface that projects laterally from said side surface.
More preferably, the intermediate product is inserted into the cavity of the mould so that the pressure element acts upon a first portion of the aforementioned bundle of fibres through the aforementioned projecting surface.
Even more preferably, the method of the present invention further comprises the step of providing a holding element of a second portion of the aforementioned bundle of fibres on at least one of said forming elements so that such a holding element acts upon said bundle of fibres on the opposite side to the aforementioned projecting surface.
Further characteristics and advantages of the crank arm of the present invention shall become clearer from the following description of some preferred embodiments thereof, made hereafter, for indicating and not limiting purposes, with reference to the attached drawings. In such drawings:    
-   figure 1 is a perspective view partially in section of a left crank arm according to the present invention; 
-   figure 2 is a perspective view of a core for manufacturing the crank arm of figure 1;  
-   figure 3 is a perspective view that illustrates a preparation step of a preferred embodiment of an intermediate product for manufacturing the crank arm of figure 1;   
-   figure 4 is a perspective view of a preferred embodiment of an intermediate product for manufacturing the crank arm of figure 1;   
-   figure 5 is a cross section view along the line V-V of the intermediate product of figure 4; 
-   figure 6 is a cross section view along the line VI-VI of the crank arm of figure 1;   
-   figures 7 and 7a are perspective views of alternative embodiments of the core of figure 2;  
-   figure 8 is a perspective view of a core for manufacturing a right crank arm according to the invention;
-   figure 8a is a top view of a preferred embodiment of the core of figure 8; 
-   figure 8b is a view of a detail of the core of figure 8a;
-   figure 9 is a perspective view that illustrates a preparation step of a preferred embodiment of an intermediate product for manufacturing a right crank arm according to the invention;
-   figure 10 is a longitudinal section view of a right crank arm manufactured with the core of figure 8;   
-   figure 11 is a section view of a mould for manufacturing the crank arm of figure 1, having the intermediate product of figure 4 in its cavity.
With reference to figure 1, a bicycle crank arm, in particular a left crank arm, in accordance with the invention is wholly indicated with 1.
The crank arm 1 comprises an elongated body 2 extending along a longitudinal axis X-X and having a first end portion 5 comprising a first seat 38 for coupling with a bottom bracket assembly (not shown) of the bicycle, a second end portion 10 comprising a second seat 39 for coupling with a pedal (not shown), and an intermediate portion 15 extending between such end portions 5, 10. On the crank arm 1 a front face 91, which, in conditions of assembly onto the bicycle, faces outwards, and a rear face 93, which, in conditions of assembly onto the bicycle, faces towards the frame of the bicycle are identified.
The elongated body 2 is made in a single piece of composite material, comprising structural fibres incorporated in a polymeric material. Typically, the structural fibres are selected from the group consisting of carbon fibres, glass fibres, aramidic fibres, ceramic fibres, boron fibres and combinations thereof, carbon fibres being preferred. The polymeric material is typically a thermosetting material, preferably comprising an epoxy resin. However, the possibility of using a thermoplastic material is not excluded.
The structural fibres are suitably arranged inside the elongated body 2, so as to form different structures that react to different types of stresses.
In particular, the intermediate portion 15 comprises an inner portion substantially without structural strength and an outer or first reinforcement structure. In the illustrated preferred embodiment, the inner portion consists of a cavity 20.
In accordance with the invention, the outer reinforcement structure comprises a tubular structure 35, arranged around the cavity 20 and extending longitudinally for a part not longer than the longitudinal extension of the intermediate portion 15 (approximately defined in figure 1 by the two broken lines), and preferably equal to such an extension. In no case does the tubular structure 35 reach the coupling seats 38, 39.
The function of the tubular structure 35 is essentially to provide adequate resistance to bending and torsion stresses.
The tubular structure 35 consists of at least one sheet 36 of composite material wound many times around the longitudinal axis X-X, as made clearer hereafter with reference to the method for manufacturing the crank arm 1. In the preferred embodiment illustrated here, the sheet 36 comprises two layers 33, 34 of unidirectional continuous structural fibres having a respective preferential direction of extension inclined with respect to the longitudinal axis X-X (figure 3). It has been observed that, to ensure optimal resistance to torsion and bending stresses, it is preferable that the preferential direction of extension of the structural fibres of one layer be inclined with respect to the preferential direction of extension of the structural fibres of the other layer by about 90° and that such preferential directions of extension be both inclined by about 45° with respect to the longitudinal axis X-X.
The elongated body 2 preferably also comprises a second or intermediate reinforcement structure. In the preferred embodiments described here, such an intermediate reinforcement structure consists of a bundle 25 of unidirectional continuous structural fibres that extends longitudinally in the elongated body 2, winding in a loop around the end portions 5, 10 and the intermediate portion 15. The bundle 25 thus arranged essentially has the function of resisting the traction loads.
At the intermediate portion 15, the bundle 25 crosses the cavity 20 twice and is arranged between it and the tubular structure 35.
What has been described can be seen in detail in the cross section of the intermediate portion 15 shown in figure 6. Going from the inside towards the outside, the cavity 20 and the intermediate reinforcement structure, which in this cross section comprises two branches of the bundle 25 and is arranged, with respect to the cavity 20, closer to the front face 91 of the crank arm 1 are encountered first.
The two branches of the bundle 25 have a substantially rectangular section with a height preferably equal to about half the height of the cavity 20. In particular, the cavity 20 occupies a space defined by a first bottom area 20a having a certain surface extension and by a second top area 20b having a smaller surface extension (in figure 4 such areas are separated by a broken separation line) and the two branches of the bundle 25 occupy a space having a surface extension equal to the difference of the areas 20a, 20b.
In general, the section of the two branches of the bundle 25 can be whatever; nevertheless, it is important that each portion of the surfaces 26 of each branch that faces the outer reinforcement structure, however it is configured, is opposite a respective surface portion 27 facing the cavity 20, or rather, in general, facing the inner portion substantially without structural strength of the intermediate portion 15.
Preferably, the intermediate portion 15 has a substantially rectangular section and the start and end of the sheet 36 wound to form the tubular structure 35 are arranged at a central area of one of the sides of the section, unlike what is illustrated. The Applicant has indeed found that the corners of the section are points of concentration of the tensions and has thought to position the start and the end of the sheet 36 far from these corners to avoid possible starts of fractures.
Going towards the outside layers 30 and 30’ of filling material at the interface between cavity 20 and tubular structure 35 are encountered. Preferably, a layer of filling material is also provided at the interface between cavity 20 and intermediate reinforcement structure 25 and between intermediate reinforcement structure and tubular structure 35, so that the bundle 25 is in contact with the filling material and not with the tubular structure. Furthest towards the outside there is finally a layer 40 of filling material, which ensures uniformity of the outer surface of the crank arm 1.
The aforementioned filling material is preferably a composite material comprising structural fibres with random distribution, for example in the form of pieces of fibre or small sheets of fabric, incorporated in polymeric material, as described in patent application US 2005/0012298 to the same Applicant, incorporated herein by reference. The filling material must in any case have the characteristic of flowing under pressure, so as to be able to reach all of the desired points of the crank arm 1 during its manufacture through moulding, as shall be described in detail hereafter.
The same filling material preferably also forms the end portions 5, 10.
As an alternative to what has been stated above, the bundle 25 can be arranged outside the tubular structure 35, or incorporated between its spirals.
In an alternative preferred embodiment (not illustrated) the cavity 20 also extends at one or both of the end portions 5, 10, embracing the coupling seats 38, 39. The height of the cavity 20 at the end portions 5, 10 can be equal to or less than its height at the intermediate portion 15. The difference in height can also involve just a sector of the end portions 5, 10. In the case in which the height is less, at the end portions 5, 10 the cavity 20 is defined closer to the rear face 93 of the crank arm 1.
In alternative embodiments it is also possible to foresee respective cavities not communicating with the cavity 20 at one or both of the end portions 5, 10.
Figures 4, 5 show a preferred embodiment of an intermediate product 60 that can be used to manufacture the crank arm 1.
The intermediate product 60 comprises a core 45, the bundle 25 of unidirectional continuous structural fibres that extends longitudinally around the core 45, the tubular structure 35 consisting of the at least one sheet 36 of composite material wound axially many times around the core 45 and the bundle 25, the two layers of filling material 30, 30’ (only one of which can be seen in figure 4) arranged between each face of the core 45 and the tubular structure 35 and other two layers of filling material 55 and 55’ applied to the outside of the tubular structure 35 (only one of which can be seen in figure 4). Two forming elements 50 and 51 of the opposite ends of the crank arm are arranged on longitudinally opposite sides of the core 45 in such a way that the bundle 25 winds in a loop around the forming elements 50, 51 and the core 45.
The core 45 (figure 2) consists of an elongated body 47 having a longitudinal axis adapted to define the longitudinal axis X-X in the finished crank arm 1. The elongated body 47, at two opposite longitudinal sides 47a, 47b, comprises respective housing seats 46 adapted to receive the two branches of the bundle 25. The housing seats 46 are defined by a side surface 48a of the elongated body 47 and by a projecting surface 48b that projects laterally from such a side surface 48a. The projecting surface 48b preferably has a height equal to about half the height of the elongated body 47.
Figures 7 and 7a illustrate alternative embodiments of the core 45, particularly suitable for manufacturing a crank arm 1 in which the cavity 20 also extends at the end portions 5, 10. In these embodiments the core 45 comprises a central elongated body 145 and two rings 146 and 147 connected thereto at the opposite longitudinal ends thereof. Such rings are adapted to surround the forming elements 50, 51 and thus to form cavities around the coupling seats 38, 39 in the finished crank arm.
The elongated body 145, like the elongated body 47 in the embodiment described above, comprises, at the two opposite longitudinal sides thereof, respective projecting surfaces 148 that project laterally.
The rings 146, 147 preferably have at least in part a height shorter than the height of the central body 145, so as not to compress the bundle 25 wound around the forming elements 50, 51 during the moulding operations.
The height of the rings 146, 147 can be the same as the height of the projecting surfaces 148 or different. In the embodiment of figure 7, in particular, the ring 146, adapted to form a cavity around the seat 39 for coupling with the pedal lies on the same longitudinal plane as the projecting surface 148, whereas the ring 147 adapted to form a cavity around the seat 38 for coupling with the bottom bracket assembly, lies on a plane parallel to that of the projecting surface 148, but offset by a distance D.
Figure 7a, on the other hand, shows an embodiment in which the ring 147 has a portion of different thickness, and in particular greater thickness, with respect to that of the remaining portion of the ring 147. A similar configuration could also be present in the ring 146.
One or both of the rings 146, 147 can comprise positioning elements, which, pressing against the forming elements 50, 51 in the moulding step, prevent the core 45 from moving. In the embodiments illustrated here the positioning elements consist of a pair of small teeth 150 extending radially towards the inside of the ring 146, 147.
Irrespective of the embodiment of the core 45, to allow the removal by melting of the crank arm 1 when this has been formed, the core 1 is made from a metal alloy having a low melting point (eutectic), preferably tin, antimony and lead. The alloy has a composition such as to have a melting point slightly higher Tf than the cross-linking temperature Tc of the polymeric material in the various composite materials used to make the body of the crank arm 1. In particular it is preferable to respect the following relationship: 
Tf = Tc+ DT
where Tf is between about 65°C and about 185°C and in any case is not more than about 200°C so as not to damage the composite material; Tc is between about 60°C and about 180°C; DT is preferably between about 1°C and about 25°C, about 5°C being the preferred value.
The forming elements 50, 51 can either be profile-creating inserts, which, when the crank arm is formed, are removed and replaced with respective coupling inserts 78 and 80, respectively, for coupling with the bottom bracket assembly and with the pedal, or else they can consist of the coupling inserts 78, 80 themselves. In this last case the coupling inserts 78, 80 are co-moulded with the crank arm as described in European patent application no. 05425576.5 to the same Applicant, incorporated herein by reference.
One or both of the forming elements 50, 51 are associated with a holding element 63, so that, during the moulding of the crank arm, it acts on the bundle 25 on the opposite side with respect to the projecting surface 48b (or 148) of the core 45. As holding element 63 it is possible for example to use a ring nut or a washer screwed onto an external threading 65 formed on the forming elements 50, 51, but the possibility of any other type of coupling is not excluded. In the embodiment of figure 4 the holding element 63 has an outer surface portion 64 of lesser thickness, which is intended to face towards the core 45. The advantage of such a configuration is that the core 45 can be moved more towards the insert 50.
In the case of a left crank arm, like the one illustrated in figure 1, the area of maximum stress of the crank arm is the area for coupling with the bottom bracket assembly, on the side facing towards the frame. For this reason the holding element 63 holds the bundle 25 in this area, whereas in the intermediate portion 15 the bundle 25 is located on the opposite side due to the thrust of the projecting surface 48b (or 148) of the core. In practice, in a left crank arm manufactured in accordance with the present invention, the bundle 25, going from the intermediate portion 15 of the crank arm to the end portion 5 for coupling with the bottom bracket assembly of the bicycle, has a substantially S-shaped arrangement.
Since, preferably, the holding element 63 remains trapped in the finished crank arm, it is desirable for it to be of low weight, therefore it is preferably made from a composite material, of a type selected from those described for manufacturing the rest of the crank arm, or from a metal alloy, like an aluminium alloy. It has been found that a ring nut made from phenolic resin loaded with 40-50% glass fibre gives excellent performance results combined with a particularly low cost.
Figure 8 illustrates a further embodiment of the core 45, particularly suitable for manufacturing a right crank arm, indicated with reference numeral 200 in figure 10, which has support spokes 270 of the gear wheels at the first end portion 5.
In this embodiment the core 45 comprises an elongated body 245 having an end defining a star 260 with four spokes 270, adapted to form respective cavities in the support spokes of the finished crank arm.
The elongated body 245 has projecting surfaces 248 that project laterally from the two opposite longitudinal sides thereof. However, differently from what has been described for the embodiments of the core 45 adapted to the manufacture of the left crank arm 1, the projecting surfaces 248 do not extend for the entire length of the elongated body 245, but rather they are interrupted before they join with the star-shaped portion 260. This promotes the thickening of the body made from composite material of the finished crank arm at such a join, where there is notoriously a concentration of tensions.
The spokes 270 project radially around a hole 266 having a diameter such as to allow the passage of the forming element 50 (figure 9). The periphery 265 of the hole 266 has a height shorter than the height of the spokes 270 and of the elongated body 245. In particular, the front face 268 of the periphery 265 of the hole 266 lies on a plane that is offset with respect to the front faces 269 and 269’ of the elongated body 245 and of the spokes 270 respectively, so as to form a recess 265. The recess 265 has the purpose of making, at a front face 291 in the finished crank arm 200, a thickened area 290 around a seat 292 for the insertion of the coupling insert 78 with the bottom bracket assembly. The spokes of the finished crank arm shall thus have respective cavities having a height greater than that of the cavity about the seat 292.
Figure 8a shows a preferred embodiment of the core 45 of figure 8. Such a core differs from the one illustrated in figure 8 for the sole reason that it comprises four centring elements 271 associated with the periphery 265 of the central hole 266 and extending radially towards the inside of the central hole 266. In particular, the centring elements 271 are associated with the periphery 265 of the central hole 266 at respective thickened areas 272 of such a periphery extending radially towards the inside of the central hole 266.
Such centring elements 271, advantageously, are made from a composite material, of a type selected from those described for manufacturing the rest of the crank arm. For example, they can be made from phenolic resin loaded with 40-50% glass fibre, or a metal alloy, like an aluminium alloy. The centring elements 271 are to be lost, in the sense that they shall constitute part of the finished crank arm. Their function is that of keeping the forming element in centred position inside the central hole 266 during the moulding of the crank arm, at the same time avoiding the core from being able to go into abutment against such a forming element (a similar function is carried out by the holding element 63 in a right crank arm). Typically, indeed, the forming insert of the end portion of the crank arm has an outer threading for making a corresponding internal threading in the hole of the coupling seat made in the end portion of the crank arm adapted to couple with the bottom bracket assembly of the bicycle. A possible abutment of the core against such a threading would indeed lead to the generation of areas of discontinuity in the thread formed on the finished crank arm. On the other hand, the fact that the centring elements 271 are made from the same material as the crank arm ensures that, during moulding, they behave like the rest of the material that shall constitute the finished crank arm, contributing to the generation of a continuous and uniform profile in the seat for coupling with the bottom bracket assembly of the bicycle.
As better illustrated in figure 8b, each centring element 271 comprises a substantially cylindrical body portion 273 and a substantially frusto-conical body portion 274. The centring element 271 is coupled with the respective thickened area 272 of the periphery 265 of the central hole 266 through the respective cylindrical body portion 273, so that its frusto-conical body portion 274 extends canti-levered inside the central hole 266. Advantageously, the coupling with the periphery 265 through the frusto-conical body portion 274 prevents a possible slipping of the centring elements 271 from the respective seats 272 due to micro-breaks or micro-fractures at such a coupling area; such slipping would lead to the presence of solid bodies free to move inside the crank arm, with the consequent generation of noise during pedalling.
In the embodiment illustrated in figure 8a four centring elements 271 arranged at 90° from each other are used. In alternative embodiments, three centring elements are used arranged at 120° apart, or two centring elements arranged symmetrically with respect to the longitudinal axis X-X and positioned in the semi-circle closest to the elongated body 245 of the core 45.
Figure 9 shows in particular how bundles of unidirectional continuous structural fibres, adapted to define an intermediate reinforcement structure in the finished crank arm, are preferably associated with the core 45 to form an intermediate product for manufacturing the right crank arm 200. In particular, a first bundle 225 is wound around the forming element 51 and around the core 45 so as to be supported by the projecting surfaces 248 and so as to follow the profile of the spokes 270; a second bundle 285 is housed in the recess 265 wound in a spiral around the hole 266. Alternatively, the spiral can be formed from a portion of the bundle 225.
In the case of the right crank arm, the holding element 63 associated with the forming element 50 is superfluous and can be omitted. Indeed, it has been noted that, due to the star-shaped configuration, during moulding the filling material flows radially around the forming element 50 and therefore does not generate the shrivelling of the bundles 225 and 285, which can however typically occur during moulding of the left crank arm 1.
The absence of holding elements at the end portions of the right crank arm ensures that, due to the thrusting of the projecting surface 148, 248 of the core 45 during the moulding of the crank arm, the bundle 25 is arranged along the entire elongated body of the crank arm on the side facing outwards, right at the area of maximum stress of the right crank arm, which is indeed located at the area for coupling with the bottom bracket assembly, on the side facing outwards. Advantageously, also the bundle 285 wound in a spiral illustrated in figure 10 is arranged on this side.
With particular reference to figures 3, 4 and 10, a preferred embodiment of a method for manufacturing a crank arm in accordance with the present invention shall now be described. The steps of the method shall be illustrated with particular reference to the left crank arm 1, but what is described can also be applied without substantial modifications to the manufacture of the right crank arm 200.
In a first step of the method a core 45 is provided having a shape corresponding to the cavity 20 that is intended to be obtained in the finished crank arm.
Then the two forming elements 50, 51 adapted to form the coupling seats 38, 39 at the end portions 5, 10 of the finished crank arm are provided.
Then the intermediate product 60 is formed (figures 3 and 4).
The bundle 25 of unidirectional continuous structural fibres is wound in a loop around the core 45, in the housing seats 46, and around the forming elements 50, 51, arranged at the opposite longitudinal ends of the core 45. The layers of filling material 30, 30’ are rested on the core 45 on which the sheet 36 is wound so that the preferential directions of extension of the unidirectional continuous structural fibres of the layers 33, 34 form an angle of about 45° with respect to the longitudinal axis X-X of the core 45 (figure 3). The layers of filling material 55, 55’ are then applied outside the wound sheet 36.
The man skilled in the art will note that the layers of filling material 30, 30’, 55, 55’ can have whatever arrangement, their purpose being to flow when subjected to pressure towards the areas of a mould 70 at which the end portions 5 and 10 of the crank arm 1 will be formed. Amongst the various possibilities it is also possible to provide the necessary filling material, instead of in layers, in masses positioned in the aforementioned areas.
In a subsequent step of the method, the intermediate product 60 thus obtained is preheated bringing it to a predetermined preheating temperature for a predetermined preheating time which are sufficient to make the polymeric material of the composite material capable of flowing under pressure. Preferably, the intermediate product 60 is kept at a preheating temperature of between about 80°C and about 100°C for a sufficient time to heat it homogeneously. More preferably it is kept at a value of between about 85°C and about 90°C for a time of between about 35 and about 55 min, so that the core has the time to reach such a temperature before the most outer layer of composite material ages excessively.
When the intermediate product 60 is sufficiently hot it is inserted into the cavity of a mould 70 (figure 11) having the shape of the crank arm 1 that it is wished to obtain and comprising a pressure element 72 with a predetermined thrusting direction P. In particular, the intermediate product 60 is inserted in such a way that the bundle 25 is closer to the front face 91 of the finished crank arm than to the rear face 93, and in such a way that the projecting surfaces 48 of the core 45 are arranged between the bundle 25 and the pressure element 72 along the thrusting direction P. The holding elements 63, if present, are arranged in such a way as to hold the bundle 25 counteracting the thrust in the direction P. The two forming elements 50, 51 are preferably fixed to the bottom of the mould 70 through screws applied through holes 75.
As an alternative to what has been described, the intermediate element 60 can be preheated directly inside the mould 70.
In a subsequent step of the method a pressure of between about 5 and about 350 bar is applied through the pressure element 72. Preferably, the pressure applied is selected in the upper area of the aforementioned range, to promote compacting of the material and degasification. In particular, the preferred pressure value is between about 5 bar and about 400 bar, more preferably between about 40 and about 300 bar and even more preferably between about 200 and about 300 bar. The pressure exerted makes the filling material flow until it fills the areas corresponding to the end portions 5, 10 of the crank arm 1. During the flowing of the filling material, the bundle 25 is kept under tension by the pressure exerted by the projecting surfaces 48 of the core 45, counteracted by the holding elements 63, in this way preventing shrivelling.
When the moulding step has ended the mould 70 is brought to a temperature corresponding to the cross-linking temperature Tc of the polymeric material present in the composite material forming the crank arm 1 for a sufficient time.
In a subsequent step of the method the finished crank arm 1 is removed from the mould 70.
After a subsequent cooling step, one or more holes 61 are formed in the crank arm 1, preferably on the rear face 91 intended to face towards the frame of the bicycle, and taking care not to cross the bundle 25. The hole 61 is illustrated with a broken line in figure 1 precisely to highlight that it is on the rear face 93 and not on the front face 91. Then the crank arm is heated up to the melting point Tf of the core 45, which therefore melts and flows out from the hole 61, leaving the cavity 20 free.
Optionally, a washing of the cavity 20 with oil at a predetermined temperature is carried out to remove the melting residues, possibly left stuck to the inner walls, and to avoid them generating undesired noises by detaching during use of the crank arm.
The hole 61 is then closed preferably by applying a cap of phenolic resin.
1.   Bicycle crank arm, comprising an elongated body extending along a longitudinal axis X-X and having:
- a first end portion comprising a first seat for coupling with a bottom bracket assembly of the bicycle;     
-   a second end portion comprising a second seat for coupling with a pedal;  
-   an intermediate portion extending between said first end portion and said second end portion and comprising an inner portion substantially without structural strength and a first reinforcement structure;    
characterised in that said first reinforcement structure comprises a tubular structure arranged around said inner portion and extending longitudinally for a part no longer than the longitudinal extension of said intermediate portion.
2.   Crank arm according to claim 1, wherein said tubular structure comprises at least one sheet of composite material wound around said longitudinal axis X-X.
3.   Crank arm according to claim 2, wherein said at least one sheet of composite material comprises at least one layer of unidirectional continuous structural fibres incorporated in a polymeric material and having a preferential direction of extension.
4.   Crank arm according to claim 3, wherein said preferential direction of extension is inclined with respect to said longitudinal axis X-X by a predetermined first angle.
5.   Crank arm according to claim 4, wherein said predetermined first angle is equal to about 45°.
6.   Crank arm according to any one of claims 2 to 5, wherein said sheet of composite material comprises at least two layers each comprising unidirectional continuous structural fibres incorporated in a polymeric material and having a respective preferential direction of extension.
7.   Crank arm according to claim 6, wherein the preferential direction of extension of the structural fibres of a layer is inclined with respect to the preferential direction of extension of the structural fibres of at least one other layer of a predetermined second angle.
8.   Crank arm according to claim 7, wherein said predetermined second angle is equal to about 90°.
9.   Crank arm according to any one of the previous claims, wherein said inner portion is defined by a first cavity.
10.  Crank arm according to any one of the previous claims, wherein said first and second end portions comprise a composite material comprising structural fibres arranged randomly and incorporated in a polymeric material.
11.  Crank arm according to any one of the previous claims, comprising a second reinforcement structure defined by at least one bundle of unidirectional continuous structural fibres that extends longitudinally in said elongated body.
12.  Crank arm according to claim 11, wherein said second reinforcement structure is arranged, at said intermediate portion, between said inner portion and said first reinforcement structure.
13.  Crank arm according to claim 11 or 12, wherein said second reinforcement structure winds in a loop around said first and second end portions and said intermediate portion.
14.  Crank arm according to any one of claims 3 to 13, wherein said structural fibres are selected from the group comprising: carbon fibres, glass fibres, aramidic fibres, boron fibres, ceramic fibres and combinations thereof.
15.  Crank arm according to any one of claims 3 to 14, wherein said polymeric material is a thermosetting material.
16.  Crank arm according to any one of claims 11 to 15, wherein said intermediate portion has a section perpendicular to said longitudinal axis X-X in which said inner portion occupies a space defined by a first area having a first surface extension and by a second area having a second surface extension and wherein said second reinforcement structure occupies a space having a surface extension equal to the difference between said first and second areas.
17.  Crank arm according to any one of claims 11 to 15, wherein the fibres of said second reinforcement structure are unidirectional continuous structural fibres extending, at said intermediate portion, substantially parallel to said longitudinal axis X-X.
18.  Crank arm according to any one of the previous claims, wherein at least one of said first and second end portions comprises a second cavity extending around said coupling seat.
19.  Crank arm according to claim 18, further comprising an insert housed in at least one of said first and second end portions in said coupling seat.
20.  Crank arm according to claim 18 or 19, wherein said second cavity has a height at least in part shorter than the height of said first cavity.
21.  Crank arm according to any one of claims 18 to 20, wherein said first and second end portions both comprise a respective second cavity extending around the respective coupling seat.
22.  Crank arm according to any one of claims 11 to 21, wherein said crank arm is a left crank arm.
23.  Crank arm according to claim 22, wherein said elongated body has a first face intended to face a bicycle frame and a second face opposite said first face and wherein said second reinforcement structure is arranged in said elongated body so that, at said first end portion of the crank arm, it is closer to said first face than to said second face.
24.  Crank arm according to any one of claims 11 to 23, wherein said elongated body further comprises, at at least one of said end portions, at least one holding element of a portion of said second reinforcement structure.
25.  Crank arm according to claim 24, wherein said at least one holding element is defined by a ring nut.
26.  Crank arm according to any one of claims 11 to 21, wherein said crank arm is a right crank arm and comprises, at said first end portion, a plurality of spokes.
27.  Crank arm according to claim 26, wherein said elongated body has a first face intended to face a bicycle frame and a second face opposite said first face, wherein said second reinforcement structure is arranged in said elongated body so as to be closer to said second face than to said first face.
28.  Intermediate product for manufacturing a bicycle crank arm, comprising a core having an elongated body extending along a longitudinal axis X-X and a sheet of composite material wound around said core and around said longitudinal axis X-X and comprising at least one layer of structural fibres, said sheet extending longitudinally for a part not longer than the longitudinal extension of said core.
29.  Intermediate product according to claim 28, wherein said sheet of composite material comprises unidirectional continuous structural fibres incorporated in a polymeric material.
30.  Intermediate product according to claim 28 or 29, comprising at least one bundle of unidirectional continuous structural fibres arranged between said core and said sheet.
31.  Intermediate product according to any one of claims 28 to 30, comprising at least one first layer of filling material capable of flowing under pressure and arranged between said core and said sheet.
32.  Method for manufacturing a bicycle crank arm, comprising the steps of:     
-   providing a core adapted to define an inner portion substantially without structural strength of a crank arm, said core comprising an elongated body extending along a longitudinal axis X-X;
-   providing two forming elements of opposite end portions of said crank arm;
-   providing an intermediate product by axially winding a first reinforcement structure comprising at least one layer of unidirectional continuous structural fibres around said core;
-   inserting said intermediate product into a cavity of a mould together with said two forming elements and with at least one mass of filling material comprising a polymeric material and capable of flowing under pressure, said mould being equipped with a pressure element and said cavity having the shape of said crank arm;  
-   applying a predetermined pressure to said pressure element to make said filling material flow into said cavity;   
-   heating said mould to a temperature corresponding to the cross-linking temperature of said polymeric material;    
-   opening said mould and removing the formed crank arm.
33.  Method according to claim 32, wherein said step of providing an intermediate product comprises the step of winding at least one bundle of unidirectional continuous structural fibres in a loop around said two forming elements and around said core.
34.  Method according to any one of claims 32 or 33, wherein said core consists of a metallic material having a low melting point, said method further comprising, after said step of heating said mould, the steps of:   
-   forming at least one hole on a surface of said crank arm;
-  heating said crank arm up to the melting point of said metallic material having a low melting point to allow it to flow out.
35.  Method according to claim 34, wherein said melting point is higher than the cross-linking temperature of said polymeric material by a value DT of between about 1°C and about 25°C.
36.  Method according to claim 35, wherein said melting point is higher than the cross-linking temperature of said polymeric material by a value DT equal to about 5°C.
37.  Method according to any one of claims 32 to 36, wherein said cross-linking temperature is between about 60°C and about 180°C.
38.  Method according to any one of claims 32 to 37, comprising, before said step of inserting said intermediate product and said at least one mass of filling material into the cavity of the mould or after said step of inserting said intermediate product and said at least one mass of filling material into the cavity of the mould and before said step of applying a predetermined pressure, the step of preheating said intermediate product and said at least one mass of filling material bringing it to a predetermined preheating temperature for a predetermined preheating time.
39.  Method according to claim 38, wherein said preheating temperature is between about 60°C and about 100°C.
40.  Method according to claim 38 or 39, wherein said predetermined preheating time is between about 5 and about 70 minutes.
41.  Method according to any one of claims 32 to 40, wherein said predetermined pressure is between 5 and 400 bar.
42.  Method according to any one of claims 33 to 41, wherein said bundle of fibres is housed in a pair of housing seats formed on opposite longitudinal sides of said core.
43.  Method according to claim 42, wherein each housing seat is defined by a side surface of said core and by a projecting surface that projects laterally from said side surface and said intermediate product is inserted into said cavity of said mould so that said pressure element acts upon a first portion of said bundle of fibres through said projecting surface.
44.  Method according to claim 43, further comprising the step of providing a holding element of a second portion of said bundle of fibres on at least one of said forming elements in such a way that said holding element acts upon said bundle of fibres on the opposite side to said projecting surface of said core.
A bicycle crank arm is described, comprising an elongated body extending along a longitudinal axis X-X and having a first end portion comprising a first seat for coupling with a bottom bracket assembly of the bicycle, a second end portion comprising a second seat for coupling with a pedal and an intermediate portion extending between said first end portion and said second end portion and comprising an inner portion substantially without structural strength and a first reinforcement structure. In accordance with the invention, the first reinforcement structure comprises a tubular structure arranged around said inner portion and extending longitudinally for a part not longer than the longitudinal extension of said intermediate portion. Such a tubular structure, advantageously, ensures uniform structural capabilities around the portion substantially without structural capability. The extension of the tubular element is limited to just the intermediate portion of the crank arm, that is without involving the end portions and the respective coupling seats, allows the crank arm to be manufactured in a simple and quick way in a completely automated manner, for example, using a filling material moulded under high pressure. An intermediate product and a method for manufacturing the aforementioned crank arm are also described.
(Fig. 1)
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図７ａ】
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【図８】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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