JP2007015522A - クランク機構 - Google Patents

Abstract

【課題】ペダル踏み込み時に脚力を効率よく自転車に伝え、また、右足と左足が同時に上死点、下死点に位置することがなく、低速で漕ぐ時にも漕ぎ易くする。
【解決手段】主動クランク９と従動クランク１２とクランク９，１２の遊離端間に連結レバー１５を備え、ペダル１６は連結レバー１５を主動クランクの遊支点軸側に延長した延長端１７に取り付けられ、主動クランクの定支点軸と遊支点軸の距離Ｒ１と従動クランクの定支点軸と遊支点軸の距離Ｒ2が等しく、主動クランクの定支点軸と従動クランクの定支点軸の距離Ｌ１と、連結レバー１５の遊支点軸間の距離Ｌ2が等しく、主動クランク９と従動クランク１２が互いに逆向きに回転運動し、ペダル１６は縦長の非円形軌跡Ｔを以って回転するクランク機構。
【選択図】 図１

Description

本発明は自転車等におけるクランク機構に関するものである。

従来の自転車は、スプロケットの軸の両側に固定されたクランク状のペダルを両足で漕ぎ、ペダルはスプロケットの軸の回りを円形運動するものであった。

しかし近年、人間の脚力を効率よく自転車に伝達し、疲労を軽減するための自転車が提案されている。

特許文献１や２において開示されているペダルクランク機構では、４節リンクの一種である、てこクランク機構が用いられ、ペダルは非円形軌跡を描いて回転している。また特許文献３において開示されている人力駆動機構では、チェーンリングを用いてペダルは非円形軌跡を描いて回転している。
特開平１１−２６３２７５号公報 特開２００４−１９６０６２号公報 特開２００１−１３８９８０号公報

上記特許文献１に示す自転車におけるペダルクランク機構は、その図４等に示すように、主動クランク24が上死点から時計回りに９０度回転するときのペダル位置Aからペダル位置Bに移動する軌跡Tの区間の長さと、主動クランク24が水平位置から下死点に90度回転してペダル位置Bからペダル位置Ｃに移動する軌跡Tの区間との長さは大きく異なっている。

すなわち、主動クランクに同じトルクを与えようとした場合、ペダル位置AからBの区間とBからＣの区間とにおいてペダルに与えるべき力が大きく変化させる必要があることになる。逆に、ペダル位置AからＣの区間でほぼ一定の脚力で押すと、AからBの区間とBからＣの区間で主動クランクに与えるトルクが大きく異なるため自転車の速度が脈動することになり、いずれにしても漕ぎにくいものであった。

また、上記特許文献2に示す自転車におけるペダルクランク機構はその図１等に示すように、ペダルの軌跡Tは円形に近く、ペダルを上から下に押す力が有効に使われる期間が短く脚力が主動クランクに伝わる効率が悪いという問題点があった。

また、上記特許文献３に示す自転車における人力駆動機構は、ペダルの軌跡が長円形に近い形になっており、ペダルを上から下に押す力が有効に使われる期間が長く、一様な力で押し続けることができるため、好ましい特性を有しているが、機構的に複雑であるという問題点があった。

また、従来のペダルにおいては、脚力をペダルの回転軸を通してクランクに伝達するため、足首にかなりの緊張が必要になり、疲労の原因となった。

そこで、この発明では、ペダルを上から下に押す力が有効に使われる期間が長く、その期間の間、ほぼ一様な力で漕ぐことが可能であり、かつ、簡便な構成で実現したクランク機構を提供し、また、それに適したペダルを提供することを目的とする。

ここでは、足でこぐ場合を例にとり、駆動受け部としてペダルを用いた例を示す。
本発明のクランク機構は図１に示すように出力軸である第１定支点軸８を以って支持された主動クランク９を備え、上記出力軸付近のフレームに第２定支点軸１１を以って支持された従動クランク１２を備え、上記主動クランク９の遊離端に第１遊支点軸１３を以って連結され且つ従動クランク１２の遊離端に第２遊支点軸１４を以って連結された連結レバー１５を備える。

又上記連結レバー１５の上記第２遊支点軸１４とは反対側の端部であって第１遊支点軸１３から離間する延長端１７に取り付けられたペダル１６を備える。

主動クランク９の第１定支点軸８と従動クランク１２の定支点軸１１は水平線Ｈ１に対して角αをなして配置される。連結レバー１５の延長端１７上のペダル１６と第１遊支点軸１３と第２遊支点軸１４とは角βをなして配置される。

そして上記ペダル１６に与えた踏み込み力によって上記主動クランク９を上記第１定支点軸８を中心として回転せしめ、該主動クランク９の回転運動を上記連結レバー１５を介して従動クランク１２に伝達し、該従動クランク１２を上記第２定支点軸１１を中心として回転せしめることにより、上記ペダル１６を非円形軌跡を以って回転させるようにした自転車におけるクランク機構である。

第１定支点軸８と第１遊支点軸１３との距離Ｒ１、第２定支点軸１１と第２遊支点軸１４との距離Ｒ２、第１定支点軸８と第２定支点軸１１との距離Ｌ１、第１遊支点軸１３と第２遊支点軸１４との距離Ｌ２は、
Ｒ１=Ｒ２
Ｌ１=Ｌ２
となるように設定する。これらの長さの関係は、平行クランクとして知られている４節リンクと同じであるが、以下に示すようにその動作は異なっており全く別のものである。

平行クランクでは主動クランクと従動クランクとは同一の回転方向に回転（同相モード回転）するが、本発明における動作は、主動クランクと従動クランクとの回転方向は互いに逆方向に回転（逆相モード回転）している。

主動クランク９が３０度づつ回転したときの各部の軌跡を図３、図４に半周期づつ分割して示す。主動クランク９の軌跡がＭ，従動クランクの軌跡がＳ、ペダルの軌跡がＴである。

図面の左側を進行方向とすると、ペダル１６を反時計回りにＡ，Ｂ，Ｃ、Ｄの順に漕ぐと、主動クランク９も反時計方向に回り、従動クランク１２は時計回りに回転する。ペダルと主動クランクが一回転すると、従動クランクも一回転する。

ペダルの軌跡Tは上下に対称図形になるため、ペダル位置AからBとペダル位置BからＣの長さは等しく、AからＣまでほぼ均一な脚力で踏むことにより主動クランクにほぼ一様なトルクを与え続けることが可能になる。

また、ペダルの軌跡Tは、縦方向に長い非円形軌道であるため、ペダルを上から下に押す力が有効に使われる期間が長く効率のよいクランク機構である。

図５に、長さＲ1，長さＬ1を固定して、Ｌ３の長さを変えた場合のペダルの軌跡の例を示す。Ｌ３を小さくすると円形軌道に近づき、Ｌ３を大きくするほど縦長の軌道になる。Ｒ１、Ｌ１、Ｌ３の値により軌道の形状を設計することが可能である。

主動クランク９が図面上で真上（９０度）、または真下（２７０度）にあるときの力関係をみてみる。図６に示すように主動クランク９が真上を向いているときに、ペダル１６を力Ｆｐで真下に踏むと、主動クランク９からは真上の方向に反力Ｆ１を、従動クランク１２からは反力Ｆ２が生じる。

上下方向（図面の上下方向）の力同志は相殺しあい、残るのはＦ２の水平方向成分（図面の水平方向）であるF2ｘのみである。この成分は、主動クランク９を左方向に押すため主動クランク９を反時計方向に回転させる力になる。ペダル１６における上死点Ｅはすこし手前のＤ側（図３）に存在する。

一方、図７に示すように主動クランク９が真下に向いているとき、ペダル１６を真下に力Fpで踏むと、主動クランク９からは真上の方向に反力Ｆ１が生じ、従動クランク１２からはＦ２の反力が生ずる。

上下方向の力同志は相殺しあい、残るのはＦ２の水平方向成分F2xのみである。この成分は主動クランク９を右向きに引く力となるため主動クランク９を反時計方向に回転させる力になる。ペダルにおける下死点Ｆはこのすこし後のＤ側（図３）に存在する。

従って、引き足（ペダルを上方に引き上げる）を使わずに押し足（ペダルを下方に押す）だけでペダルを漕ぐ場合でも、左右の足で１８０度づつ主動クランクの位置がずれているため、少なくともどちらか一方は第１定支点軸を反時計回りに回転させる力が働いており、左右の足が同時に上死点と下死点に位置することが無い。その結果、自転車をよどみなく漕ぐことが可能になる。

次に駆動受け部のペダルについて説明する。ペダルが取り付けられるのは、結合レバーの延長端１７である。延長端１７の傾きは、図３，図４に示されるように、ある有限の範囲で変化しているに過ぎない。そのため、ペダルの踏み板を延長端１７と一体化、もしくは、一部の期間において一体化して動作させることが可能になる。これにより、足の裏の大部分を用いて踏み板に力を与えることが可能になり、足首の緊張を低減し、疲労を減らすことが可能になる。
足を用いずに手で漕ぐ場合には、駆動受け部は手で握るためのグリップで構成されることになる。

本発明により、漕ぎやすく、疲れの少ないクランク機構を提供でき、従って、漕ぎやすく、疲れの少ない自転車を提供することが可能になる。

以下に本発明の実施の形態を図１から図１６を用いて説明する。図３から図７では、同相モード回転禁止機構は図から省略して見やすくし、また角α＝０、角β＝０にして、回転動作をわかりやすく説明する。

図２において前輪１は軸３を中心に回転し、後輪２は軸４を中心に回転し、前輪１と後輪２間に配置された駆動ホイール５と後輪２の従動ホイール６間に無端チェーン７等の無端伝動体が懸装され、駆動ホイール５の回転駆動力を無端チェーン７を介して後輪２に伝え走行する。

この駆動ホイール５の軸８、即ち第１定支点軸８を以って支持された主動クランク９を備え、上記駆動ホイール５付近の車体フレーム１０に第２定支点軸１１を以って支持された従動クランク１２を備える。

更に上記主動クランク９の遊離端に第１遊支点軸１３を以って連結され、且つ従動クランク１２の遊離端に第２遊支点軸１４を以って連結された連結レバー１５を備える。

即ち連結レバー１５の一端を主動クランク９の遊離端に第１遊支点軸１３を以って連結し、他端を従動クランク１２の遊離端に第２遊支点軸１４を以って連結し、両クランク９，１２の遊離端間を連結する。

上記連結レバー１５の上記第２遊支点軸１４側の端部とは反対側の端部であって第１遊支点軸１３から離間する延長端１７に駆動受け部としてのペダル１６を取り付ける。

ここで、主動クランク９の第１定支点軸８と第１遊支点軸１３の距離Ｒ１と従動クランク１２の第２定支点軸１１と第２遊支点軸１４の距離Ｒ２は等しく、また、第１定支点軸８と第２定支点軸１１の距離Ｌ１と第１遊支点軸１３と第２遊支点軸１４の距離Ｌ２を等しく設定しておく。

そこで上記ペダル１６に与えた踏み込み力によって上記主動クランク９を上記第１定支点軸８を中心として駆動ホイール５と一体に回転せしめ、該主動クランク９の回転運動を上記連結レバー１５を介して従動クランク１２に伝達し、該従動クランク１２を上記第２定支点軸１１を中心として回転せしめることにより、上記ペダル１６を非円形軌跡Ｔを以って回転せしめる。

ここで図２は左足用のクランク部分を主体に描かれており、右足用のクランク部分は図示されていないが、左足用と同様に構成されている。左足用の主動クランクと右足用の主動クランクは互いに１８０度の位相差があり、定支点軸が共通でありそれが出力軸となる。一方、左足用の従動クランクと右足用の従動クランクの定支点軸はそれぞれ独立しており、互いに独立に回転運動をする

次に、請求項２に関する同相モード回転禁止機構について説明する。

本発明のようにＲ１＝Ｒ２，Ｌ１＝Ｌ２の構成における４節リンクの思案点は２カ所ある。ペダル１６がＤの位置にあり主動クランクが角度０度（後部思案点）の位置にあるときと、ペダル１６がＢの位置にあり主動クランクが１８０度（前部思案点）の位置にあるときである。図１に示した、基本構成のままでは、思案点で、同相モード回転と逆相モード回転が切り替わることがありうるため、必ずしも所望の逆相モード回転でペダルを操作できない場合がありうる。

そこで思案点を解消し、従動クランクが逆相モード回転のみをするために、従動クランク１２の回転方向を一方向のみに制限するための同相モード回転禁止機構を付加する。

その同相モード回転禁止機構の第１の実施例を図８に示す。爪車２２と爪２３を具備し、該爪車２２は従動クランク１２と一体化して第２定支点軸を中心に回転し、その付近のフレームに爪２３を取り付け、該爪２３は爪車２２に接触して、爪車２２、すなわち従動クランク１２が逆相モード回転の向きのみの回転を許容し同相モード回転の向きの回転を禁止するものである。

同相モード回転禁止機構の第２の実施例を図９に示す。同図には上段、中段、下段に類似の３種類の実施例が描かれている。いずれも動作、働きは同じである。

主動クランク９の第１遊支点軸１３のある側に延ばした第１延長端１８と第１定支点軸８のある側に延ばした第２延長端１９を設け、従動クランク１２の第２遊支点軸１４のある側を延ばした第３延長端２０と第２定支点軸１１の側を延ばした第３の延長端２１を設ける。

第１定支点軸８と第１延長端１８との距離をＳ１、第１定支点軸８と第２延長端１９との距離をＳ２，第２定支点軸１１と第３延長端２０との距離をＳ３，第２定支点軸１１と第４延長端２１との距離をＳ４とすると、Ｓ２＋Ｓ３＞Ｌ１、 Ｓ１＋Ｓ４＞Ｌ１となるようにＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の値を選ぶ。また、第２延長端１９と第３延長端２０は互いに衝突しないように、わずかに第３延長端が第２延長端より早く通り過ぎるようにしてあり、同様に第１延長端１８と第４延長端２１は互いに衝突しないように、わずかに第４延長端が第１延長端より早く通り過ぎるように屈曲、または、斜めに傾斜した延長端の形状になっている。

図１０に図９下段の同相モード回転禁止機構を用いたときの前部思案点付近の動作を示す。見やすさのために、主動クランクと従動クランクのみを示し連結レバーその他は図示していない。同図の下段、中段、上段の順で時刻が経過していく。主動クランク９が反時計回りに回ると、第２延長端１９ａが第３延長端２０ａを下から押し上げるように動作する。そのため、従動クランクは時計回りに強制され、反時計回りは抑制される。

図１１に図９下段の同相モード回転禁止機構を用いたときの後部思案点付近での動作を示す。同図の下段、中段、上段の順で時刻が経過していく。主動クランク９が反時計回りに回ると、第１延長端１８ａが第４延長端２１ａを下から押し上げるように動作する。そのため、従動クランク１２は時計回りに強制され、反時計回りは抑制される。

次に駆動受け部のペダルについて図１２から図１６を用いて説明する。それらの図において下段には側面図を、上段には平面図を示す。

ペダルの実施例を図１２に示す。これは、従来の自転車に用いられているものと同じであり、ペダル１６は踏み板２４と回転軸２５を具備し、踏み板２４の中央部で回転軸２５をもって連結レバー１５の延長端１７に支持され、踏み板２４は該回転軸の回りを３６０度自由に回転可能なものである。

ペダルの別の実施例を図１３に示す。ペダルは踏み板２４ａを具備し、踏み板２４ａの回転を全く許さないものであるため、回転軸は省略されて存在せず、延長端１７と踏み板２４ａを一体化したものである。足の裏全体で自転車を漕ぐことが可能である。ただし、延長端１７の傾斜に足の裏の傾斜を合わせる必要があるのでやや窮屈である。それを改善したのが以下の図１４から図１６のペダルである。

請求項３に関わるペダルの第１の実施例を図１４に示す。ペダル１６は踏み板２４ｂと回転軸２５ｂとバネ２６ｂを具備し、踏み板２４ｂのかかと側を回転軸２５ｂをもって延長端１７に支持し、踏み板２４ｂの先端付近でバネ２６ｂを介して延長端１７と結合されている。このような構造のため、踏み板は３６０度回転することはできず、制限されたものになる。

踏みこみ時には、足の裏全体で踏み板を押すため、バネ２６ｂは圧縮され、踏み板は延長端１７と一体になって踏み込むことができ、延長端１７の角度と足裏の角度がうまく折り合わないときに、回転軸２５ｂにより踏み板２４ｂのつま先側が延長端１７から離れることができるため、快適に足を操作できる。

請求項３に関わるペダルの第２の実施例を図１５に示す。ペダル１６は踏み板２４ｃと回転軸２５ｃとバネ２６ｃを具備し、踏み板２４ｃのつま先側を回転軸２５ｃをもって延長端１７に支持し、踏み板２４ｃのかかと付近でバネ２６ｃを介して延長端１７と結合されている。

踏みこみ時の大部分の期間は延長端１７と一体になって踏み込むことができ、その他の期間に延長端の角度と足裏の角度がうまく折り合わないときに、回転軸２５ｃにより踏み板２４ｃのかかと側が延長端１７から離れて、快適に足を操作できる。

請求項３に関わるペダルの第３の実施例を図１６に示す。ペダル１６は踏み板２４ｄと回転軸２５ｄとバネ２６ｄとバネ２７ｄを具備し、踏み板２４ｄの中央付近で回転軸２５ｄをもって延長端１７に支持し、踏み板２４ｄの先端付近でバネ２６ｄを介して延長端１７と結合され、踏み板２４ｄのかかと付近でバネ２７ｄを介して延長端１７と結合されている。

かかと、またはつま先で踏みこんだとき、踏み板２４ｄの前部または後部が延長端１７に当たるために、足裏のかなりの部分で強く踏み込むことが可能になる。他の期間に延長端１７の角度と足裏の角度がうまく折り合わないときに、回転軸２５ｄにより踏み板２４ｄは適当な角度になり、快適に足を操作できる。

また、上記の実施例では、踏み板の上に直接に靴をのせる例で示したが、ビンディングペダルような踏み板と靴を緊結させるものを踏み板と靴に付加しても何ら差し支えない。その際にはバネ２６やバネ２７ｄ等は省略してもよい。

上記の実施例は、駆動受け部としてペダルを用い、足でペダルを漕ぐクランクを例を中心に示したが、駆動の原動力として足に限定するものではなく、駆動受け部を手で握ることのできるグリップに置換すれば、手で漕ぐクランクでも実施可能である。また、人力にかぎらず、エンジン等においても往復運動する出力を駆動受け部に入力すれば回転運動に変換することも可能である。

また、上記の実施例は、後輪に動力を伝えるのに、チェーン駆動方式を用いたものを図示したが、それに限定するものではなく、シャフトドライブやベルトドライブを用いたもの、直接車輪を回転させるものなどにも適用可能である。

自転車を始めとして往復運動を回転運動に変換する機構に本発明は利用可能である。

本発明を適用することにより、往復運動を効率よく回転運動に変換できることから省エネルギーに役立ち、自転車においては乗り手の疲労を軽減し快適な自転車を提供することが可能になる。

本発明に係る自転車におけるクランク機構における各要素の位置や寸法を線図を以って示す説明図。 上記クランク機構を具備する自転車の側面図。 主動クランクが９０度から２７０度の位置にあるときのクランクとペダルの軌跡を示す図。 主動クランクが２７０度から９０度の位置にあるときのクランクとペダルの軌跡を示す図。 Ｌ３の長さを変えたときのペダルの軌跡Tを示す図。 ペダルが上部に存するときの力の分布を示す図。 ペダルが下部に存するときの力の分布を示す図。 従動クランクが同相モード回転するのを抑止する実施例（その1）を示す図。 従動クランクが同相モード回転するのを抑止する実施例（その２）を示す図。 図９で示した構成で主動クランクが180度付近での動作を示す図。 図９で示した構成で主動クランクが０度付近での動作を示す図。 ペダル部分の実施例（その１）を示す図 ペダル部分の実施例（その２）を示す図 ペダル部分の実施例（その３）を示す図 ペダル部分の実施例（その４）を示す図 ペダル部分の実施例（その５）を示す図

符号の説明

１…前輪、２…後輪、３…前輪の軸、４…後輪の軸、５…駆動ホイール、６…従動ホイール、７…無端チェーン、８…第１定支点軸、９…主動クランク、１０…車体フレーム、１１…第２定支点軸、１２…従動クランク、１３…第１遊支点軸、１４…第２遊支点軸、１５…連結レバー、１６…駆動受け部としてのペダル、１７…連結レバーの延長端、１８，１８ａ，１８ｂ…主動クランクの遊支点軸側の第１延長端、１９，１９ａ、１９ｂ…主動クランクの定支点軸側の第２延長端、２０，２０ａ，２０ｂ…従動クランクの遊支点軸側の第３延長端、２１，２１ａ，２１ｂ…従動クランクの定支点軸側の第４延長端、２２…爪車、２３…爪、２４，２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ…踏み板、２５，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ…回転軸、２６，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ…バネ、２７ｄ…バネ、
A…主動クランクが９０度の位置にあるときのペダルの位置、B…主動クランクが１８０度の位置にあるときのペダルの位置、Ｃ…主動クランクが２７０度の位置にあるときのペダルの位置、D…主動クランクが０度の位置にあるときのペダルの位置、Ｅ…ペダルの上死点の位置、Ｆ…ペダルの下死点の位置、Ｆp…ペダルに加えた力、Ｆ１…主動クランクから結合レバーに及ぼされた反力、Ｆ２…従動クランクから結合レバーに及ぼされた反力、Ｆ2ｘ…反力Ｆ２の水平成分の力、Ｆ2ｙ…反力Ｆ２の垂直成分の力、Ｈ１…主動クランクの第１定支点軸を通る水平線、Ｈ２…第１定支点軸と第２定支点軸を結ぶ線、Ｒ１…主動クランクの第１定支点軸と第１遊支点軸間の距離、Ｒ２…従動クランクの第２定支点軸と第２遊支点軸間の距離、Ｌ１…第１定支点軸と第２定支点軸間の距離、Ｌ２…連結レバーの第１遊支点軸と第２遊支点軸間の距離、Ｌ３…第２遊支点軸とペダルとの距離、Ｓ１…第１定支点軸８と第１延長端１８との距離、Ｓ２…第１定支点軸８と第２延長端１９との距離，Ｓ３…第２定支点軸１１と第３延長端２０との距離，Ｓ４…第２定支点軸１１と第４延長端２１との距離、
M…主動クランクの回動軌跡、S…従動クランクの回動軌跡、Ｔ…ペダル軌跡である非円形軌跡、α…Ｈ１とＨ２のなす角、β…ペダル１６と第１遊支点軸、第２遊支点軸とのなす角

Claims (3)

1. 出力軸である第１定支点軸を以って支持された主動クランクを備え、上記出力軸付近のフレームに第２定支点軸を以って支持された従動クランクを備え、上記主動クランクの遊離端に第１遊支点軸を以って連結され且つ従動クランクの遊離端に第２遊支点軸を以って連結された連結レバーを備え、該連結レバーの上記第２遊支点軸側の端部とは反対側の端部であって第１遊支点軸から離間する端部に取り付けられた駆動受け部を備え、第１定支点軸と第１遊支点軸との距離R1と第２定支点軸と第２遊支点軸との距離R2とは等しく、第１定支点軸と第２定支点軸との距離L1と、第１遊支点軸と第２遊支点軸との距離L2とは等しく設定され、上記駆動受け部に与えた力によって上記主動クランクを上記第１定支点軸を中心として出力軸と一体に回転せしめ、該主動クランクの回転運動を上記連結レバーを介して従動クランクに伝達し、該従動クランクを上記第２定支点軸を中心として回転せしめ、上記駆動受け部を回転させるようにしたクランク機構。
2. 請求項1の構成において、さらに、該従動クランクが、上記第２定支点軸の回りを１方向にのみ回転を許容する機構を具備したクランク機構。
3. 請求項1の構成に含まれる駆動受け部において、踏み板と回転軸を具備し、踏み板は回転軸を介して上記連結レバーに支持され、さらに、該踏み板は該連結レバーに対して３６０度より狭い範囲で回転を許容する回転制限機構を具備したことを特徴とする駆動受け部を備えたクランク機構。