JP2009083589A

JP2009083589A - 自転車の走行駆動装置

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Publication number: JP2009083589A
Application number: JP2007253913A
Authority: JP
Inventors: Nobuyoshi Iwamoto; 信義岩元; Hiroshi Iwamoto; 博岩元
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2009-04-23
Anticipated expiration: 2027-09-28
Also published as: JP4080525B1

Abstract

【課題】左右のペダルを踏み込むだけで、従来の自転車の踏み込む力よりも２〜１０倍くらいの駆動力を後輪へ伝達する。
【解決手段】自転車１のフレーム２に軸支され、ペダルアームにより回転される第１回転部材７と、巻掛け部材９を介して回転するようにフレーム２に軸支される第２回転部材８と、該第２回転部材８と一体回転するクランクアームに上端を軸支される第１リンク１１、後端を該第１リンク１１の下端に軸支され前端をフレーム２に軸支した第２リンク１２、および前端を第１リンク１１の下端に第２リンク１２と共軸に軸支され後端を後輪４の後車軸４ａに設けた一方向クラッチ１４に軸支した第３リンク１３を具備すると共に、第１リンク１１、第２リンク１２、および第３リンク１３とで形成されるトグル機構をフレーム２の両側に一対設け、両側の共軸点Ｐ２を交互に上下動させることにより、ペダルアームの駆動力が後輪４へ伝達される。
【選択図】図１

Description

本発明は、自転車の走行駆動装置に関する。

従来、通常の自転車の駆動装置は、図１１に示すように、ペダル１００を踏み込んでクランク１０１に直結した大スプロケット１０２を駆動する。大スプロケット１０２と、後輪１０３に設けた小スプロケット１０４との間に巻掛けたチェーン１０５を介して小スプロケット１０４に動力を伝達し、後輪１０３を回転することで自転車を走行駆動するようになっているが、大スプロケット１０２から小スプロケット１０４に至る間にペダル１００を踏み込む力を機械的に増大させる機構を有しないので、後輪１０３を駆動する力は小さい。かといって、電動機付きの自転車にあっては、バッテリーを搭載するので車重が大きく、高価格であり、電気系統の故障時には、誤作動を生じるおそれがあり、また、バッテリーの電源がなくなった場合には、車重が大きいので自転車の走行に多大の労力を必要とする。

ところで、自転車の登坂性能を向上する自転車として、特許文献１に記載のものがある。この特許文献１に記載の技術は、大スプロケット、小スプロケット、およびチェーンをラック・ピニオン機構に置換して自転車を前進走行するようにしたものである。換言すると、特許文献１に記載の技術は、ペダルアームに位相差をなして結合される対向配置した一対のクランクアームの自由端に、ラックの前端を回転可能に結合し、ラックの後端を後輪のワンウェイクラッチに設けたピニオンに噛合する構成のものである。ペダルを踏み込んでクランクアームを回転することで、各ラックをペダル軸の回りに揺動運動させる。この揺動運動で惹起されるラックの前後方向における移動成分によりピニオンを自転車が前進する方向にのみ回転させることで後輪が駆動し、自転車が前進走行できるようにしている。
特開２００２−２４０７７０号公報

しかしながら、上記の特許文献１に記載の技術にあっては、ペダルアームが上死点付近において重たかったペダル操作を軽くするものではあるが、踏み込み力が小さくても、後輪の駆動力を増大させて登坂性能を高める構成を有しない。

本発明は上記の技術的課題に鑑みてなされたものであり、左右のペダルを踏み込むだけで、従来の自転車の踏み込む力よりも２〜１０倍くらいの駆動力を後輪へ効率良く伝達し、登坂走行性能を向上できる自転車の走行駆動装置を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するために、本発明は次のような構成を採用することとした。すなわち、本発明は自転車の走行駆動装置であって、自転車のフレームに軸支され、ペダルアームにより回転される第１回転部材と、該第１回転部材との間に巻掛け部材を介して回転するように前記フレームに軸支される第２回転部材と、該第２回転部材と一体回転するクランクアームに上端が軸支される第１リンクと、後端が該第１リンクの下端に軸支され、前端が前記フレームに軸支される第２リンクと、前端が前記第１リンクの下端に前記第２リンクと共軸に軸支され、後端が後輪の車軸に設けた一方向クラッチに軸支される第３リンクと、を具備すると共に、前記第１リンク、第２リンク、および第３リンクとで形成されるトグル機構を前記フレームの両側に一対設け、前記両側の第１リンク、第２リンクおよび第３リンクの共軸点を交互に上下動させることにより、前記ペダルアームの駆動力が後輪へ伝達されることを特徴とする。

係る構成によれば、フレームの両側に設けた一対のトグル機構を形成する第１リンク、第２リンク、および第３リンクにより、ペダルの踏込み力は一方向クラッチを介して後輪へ伝達される。すなわち、第１リンク、第２リンク、および第３リンクの共軸点が交互に上下動することで、ペダルアームの駆動力が後輪へ伝達され、自転車を前進走行させることができるようになる。

（２）本発明はまた、前記トグル機構は、前記ペダルアームの回転に応動する前記第１リンクを介して、前記第２リンクおよび前記第３リンクが前記共軸点を屈曲点とする、くの字状に屈曲する屈曲状態と、前記第２リンクおよび前記第３リンクが略一直線状に伸びる伸張状態との間に亘って屈伸運動を繰り返すと共に、前記屈曲状態から前記伸張状態へと変位するときに、前記第２リンクおよび第３リンクが、前記一方向クラッチを介して前記後輪へ駆動力が伝達されるように形成したことを特徴とする前記（１）記載の自転車の走行駆動装置である。

係る構成によれば、第２リンクおよび第３リンクは共軸点を中心にしてくの字状の屈曲した状態から、両リンクが略一直線状に伸張する状態へ変位するに応じて、後輪を駆動する力が増大するので、小さな力で効率良く自転車を走行させることができ、上り坂の走行を楽に行うことができるようになる。

（３）本発明はまた、前記第３リンクの後端に、屈曲部を形成する一方で、該第３リンクの後端を、前記一方向クラッチの路面側に面する側で軸支したことを特徴とする前記（１）または（２）記載の自転車の走行駆動装置である。

係る構成によれば、第３リンクに屈曲部を形成したことで、第３リンクが一方向クラッチに干渉するのを防止でき、円滑な動力伝達を行うことができる。

（４）本発明はまた、前記第１回転部材および前記第２回転部材が、プーリで形成され、前記巻掛け部材が、タイミングベルトで形成されることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の自転車の走行駆動装置である。

係る構成によれば、プーリの溝にタイミングベルトを巻掛けているので、確実に駆動力を伝達することができると共に、静粛性に優れた走行駆動装置を得ることができるようになる。

（５）本発明はまた、前記第１回転部材および前記第２回転部材が、スプロケットで形成され、前記巻掛け部材が、チェーンで形成されることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の自転車の走行駆動装置である。

係る構成によれば、スプロケットとチェーンとの組み合わせで駆動力の伝達をするので、駆動力伝達ロスを低減することができる。

本発明によれば、従来の自転車に比べて小さな力で効率よく自転車を走行させることができ、また、上り坂等においては回転駆動力を増大することで良好に走行性能を発揮でき、さらに、自転車の軽量化を図り、コスト安価な自転車の走行駆動装置を得ることができる。

以下、本発明に係る自転車の走行駆動装置の一実施形態を、図を参照して詳述する。図１は本一実施の形態における自転車の側面図、図２は図１の要部拡大側面図、図３は図２のＡ−Ａ線における矢視断面図、図４は図２のＢ−Ｂ線における矢視断面図、図５は図２のＣ−Ｃ線における矢視断面図、図６は図２のＤ−Ｄ線における矢視断面図である。

自転車１の概要構成は、図１、図２に示すように、前車軸３ａおよび後車軸４ａを介してフレーム２に軸支される前輪３および後輪４、左右一対のペダル５、同じく左右一対のペダルアーム６、ペダルアーム６に駆動される第１回転部材としての第１プーリ７，第１プーリ７の後方であって、前輪３と後輪４の間に配置される第２回転部材としての第２プーリ８、第１プーリ７と第２プーリ８との間に巻掛けられた巻掛け部材としてのタイミングベルト９，第２プーリ８と一体回転するようにクランク状に左右に対称配置した一対のクランクアーム１０、左右の各クランクアーム１０に軸支される左右一対の第１リンク１１、各第１リンク１１の下端に共軸関係で軸支される左右に対称配置した一対の第２リンク１２と第３リンク１３、および第３リンク１３の後端を軸支する一方向クラッチ１４から構成される。以下、上記構成要素をより具体的に説明していくこととする。

フレーム２の左右両側には、図１１に示す自体公知の自転車と同様に、ペダル５を軸支する一対のペダルアーム６が、図４に示すように、フレーム２の左右両側にクランク状に対称配置され、そのペダルアーム軸６ａに、第１プーリ７がキー６ｂを介して一体に回転するように設けられる。ペダルアーム軸６ａがフレーム２に軸支されることで、第１プーリ７はフレーム２によって回転可能に軸支される。

第１プーリ７のすぐ後方には、図３に示すように、第２プーリ８が軸支される。また、フレーム２の左右両側にクランク状に一対のクランクアーム１０が対称配置される。そして、一対のクランクアーム１０を結合するクランクアーム軸１０ａがフレーム２に軸支され、このクランクアーム軸１０ａにキー１０ｂを介して第２プーリ８が一体に回転するように設けられる。こうして、クランクアーム１０がフレーム２に軸支されることで、第２プーリ８はフレーム２によって回転可能に軸支される。

第１プーリ７と第２プーリ８との間には、巻掛け部材としてのタイミングベルト９か巻掛けられる。したがって、ペダル５を図１において時計回りの方向に踏み込むことで、第１プーリ７、タイミングベルト９、第２プーリ８を介してクランクアーム１０がクランクアーム軸１０ａを中心として時計方向回りに第２プーリ８と一体に回転するようになっている。

一対の第１リンク１１は、各上端を各クランクアーム１０にピンＰ１を介して軸支する一方で、各第１リンク１１の各下端に、第２リンク１２の後端と、第３リンク１３の前端とを共軸状態にしてピンＰ２により軸支している。すなわち、ピンＰ２は第１リンク１１、第２リンク１２、および第３リンク１３の共軸点として機能する。そして、第２リンク１２の前端はフレーム２に設けたブラケット１５にピンＰ３を介して回動可能に軸支され、第３リンク１３の後端は、屈曲部１３ａを形成し、その端部を後車軸４ａに設けた一方向クラッチ１４にピンＰ４を介して軸支している。第３リンク１３に屈曲部１３ａが形成されることにより、第３リンク１３が一方向クラッチ１４に緩衝しないようにしている。こうして、図２によく示されるように、フレーム２の左右両側にはクランクアーム１０にピンＰ１で軸支された第１リンク１１、第２リンク１２、および第３リンク１３により形成される後述のトグル機構が、フレーム２の左右両側にそれぞれ対称に配置される。なお、図２において、ハッチングを付した部材がフレーム２の向こう側（紙面の裏側）に配置されるトグル機構で、ハッチングを付していない部材リンクがフレーム２の手前側に存するトグル機構を示すものとする。

上記の一方向クラッチ１４は、自体公知の機構で、第３リンク１３から自転車１が前進走行する方向への駆動力が作用したときのみ、後輪４を時計回りの方向へ回転するようにトルクを伝達し、それ以外の場合には第３リンク１３からの駆動力を後輪４へ伝達するのを遮断する構成のものである。

なお、本一実施形態における自転車を構成する各部材は、例えば、次のような寸法に設定されるのが好ましい。すなわち、前輪３および後輪４は半径寸法が３３０ｍｍ、前輪３と後輪４との車軸３ａ、４ａ間距離は１１００ｍｍ、ペダルアーム６の腕の長さは１３０ｍｍ、ペダルアーム軸６ａの路面Ｒからの高さ寸法は２８５ｍｍ、クランクアーム軸１０ａのそれは３１５ｍｍ、ペダルアーム軸６ａとクランクアーム軸１０ａとの間の軸間距離の水平寸法は１００ｍｍ、上下高さの距離寸法は３０ｍｍ、第１プーリ６の外径は１３０φ、第２プーリ８のそれは６０φ、クランクアーム１０の長さ（回転半径）は６６ｍｍ、第１リンク１１の長さは１３２ｍｍ（ピンＰ１とピンＰ２との間の距離）、クランクアーム軸１０ａと後車軸４ａとの水平距離の寸法は３９０ｍｍにそれぞれ設定される。勿論、上記以外の適宜の寸法に設定してもよいことは言うまでもない。

次に、本発明の特徴的な構成要素であるトグル機構を説明する。フレーム２の左右両側のいずれか一側に設けられるトグル機構は、クランクアーム１０でピンＰ１を介して駆動される第１リンク１１、第２リンク１２、および第３リンク１３で形成される。このトグル機構において、図７の模式図に示すように、第１リンク１１を介してピン２に作用する力をＷ、ピンＰ３とピンＰ４とを結んだ線Ｌの方向に作用する第３リンク１３から作用する力（後輪４を駆動する力）をＰとする。第３リンク１３と線Ｌとの成す角をθとするとき、Ｐ＝Ｗ／ｔａｎθの関係式が成立する。この関係式において、角度θが小さくなると、これに応じて関係式の分母ｔａｎθが小さくなるので、Ｗを一定とするとき、後輪４を駆動する力Ｐは大きくなっていく。換言すると、第２リンク１２と第３リンク１３との成す角度が鈍角から１８０°、すなわち、限りなく水平に近づいていくと、後輪４は大きな駆動力で回転されるようになる。

係るトグル機構を利用して構成したのが本一実施形態における走行駆動装置であるが、その作動を図８〜図１０に基づいて説明すると、ペダルアーム６が鉛直線に対して３０°の前傾位置に踏み込まれた場合には、クランクアーム１０のピンＰ１は下死点にあり、第２リンク１２および第３リンク１３は下側へ、くの字状の鈍角に屈曲している。すなわち、ピンＰ２は最下位置にある。このとき、第３リンク１３の後端におけるピンＰ４は、図８に示すように、一方向クラッチ１４に対して最前方の位置に変位している。また、第２リンク１２および第３リンク１３の共軸であるピン２を基準として、鉛直上方向に大きな駆動力が発生し、この駆動力が第１リンク１１を介してクランクアーム１０および第２プーリ８に伝達されるため、鉛直方向の駆動力が作用しない場合に比べてクランクアーム１０および第２プーリ８の回転力を１０倍〜１２倍位に高めることができる。

次に、ペダルアーム６が鉛直線に対して６０°の前傾位置に踏み込まれた場合には、トグル機構を構成する各リンク１１〜１３は、図９に示すように、二点鎖線に示す位置から実線で示す状態に変位し、ピンＰ４は後方へ移動する。また、このときも、上述の鉛直方向の駆動力が作用するため、この駆動力によってクランクアーム１０および第２プーリ８の回転力が高められる。

さらに、図１０に示すように、ペダルアーム６が鉛直線に対して９０°の位置まで踏み込まれると、トグル機構を構成する各リンク１１〜１３は二点鎖線に示す最下位置の状態に対して実線で示す状態へ上方変位し、ピンＰ４はさらに後方へ移動する。この状態から、クランクアーム１０は軌跡円Ｃ１に沿って上死点に向かって回転していき、第２リンク１２および第３リンク１３はほぼ１８０°、すなわち、一直線を成す状態に伸張変位する。このとき、反対側に存するもう一方のトグル機構をなす各リンク１１〜１３は、上記とは反対に動作する、すなわち、もう一方のトグル機構のピンＰ２は下方へ変位していくようになっている。なお、このときは、上述の鉛直方向の駆動力は低下するが、第２リンク１２および第３リンク１３が略一直線の状態に伸張変位し、鉛直方向の駆動力に代わって水平方向の駆動力が増大するため、後輪４の駆動力が弱まることが無い。

このように、本一実施形態によれば、ペダルアーム６が矢印で示す時計回りの方向へ回転すると、第１プーリ７の回転によりタイミングベルト９を介して第２プーリ８が回転し、クランクアーム１０が同期して回転する。これにより、ピンＰ１は軌跡円Ｃ１上を時計回りに回転し、これに応動して、第２リンク１２および第３リンク１３の共軸点であるピンＰ２は、軌跡曲線Ｃ２に沿って上下往復する。こうして、第１リンク１１により、第２リンク１２と第３リンク１３とは、互いにピンＰ２で鈍角をなして屈曲する状態と、この状態から伸張する状態との間を往復運動することとなる。また、これと反対側にあるもう一方のトグル機構も上記とは逆位相の関係で作動していく。

この結果、共軸点としてのピンＰ２が上方へ変位していくときに、ピンＰ４に軸支される一方向クラッチ１４により後輪４に駆動力が伝達される。このような駆動力が、フレーム２の左右両側に設けたトグル機構を介して交互に伝達されるとともに、第２リンク１２および第３リンク１３が略一直線の状態に伸張変位して近づくに応じて、一方向クラッチ１４への駆動力が従来の自転車に比べて２倍〜１０倍位の力を後輪に伝達できる。

したがって、従来の自転車に比べて、小さな力で効率良く自転車を走行させることができ、上がり坂等の走行を円滑に行うことができる。また、電動型自転車に比べても低廉な価格の自転車を提供でき、さらには、電動モータを備える必要がないので、軽量な自転車を得ることができる。

また、第３リンク１３の後端に屈曲部１３ａを形成して一方向クラッチ１４にピンＰ４結合したので、第３リンク１３は一方向クラッチ１４に干渉することがないので、円滑な作動を得ることができる。

また、上記一実施形態では、巻掛け部材としてタイミングベルト９を使用しているので、ペダル５の踏込み力をロスすることなく確実に後輪４の駆動に利用できるのでエネルギー効率が低下することがなく、しかも、静粛性を確保できる。

以上、本発明を一実施形態により詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も本発明の範囲に含まれるものである。

例えば、第１プーリ７と、第２プーリ８と、各プーリ間に介装されたタイミングベルト９とで駆動力を伝達する構成としたが、この代わりに、第１プーリおよび第２プーリをスプロケットで形成し、これらスプロケット間にチェーンを巻掛けした変形例としてもよい。係る変形例の構成とすることで、上記一実施形態の場合と同様に、ペダル５の踏込み力をロスすることなく確実に後輪４を駆動する力として伝達することができる。

また、上記では第１回転部材７および第２回転部材８を設けたが、第１回転部材７と第２回転部材８との間に、第３の回転部材を介装するような態様とすることも可能である。

また、上記一実施形態では、その図示はしなかったが、走行駆動装置に適宜のカバー部材で被覆し、外部から露呈しない構成とすることもできる。これによれば、走行駆動装置に足や着衣が触れることを防止でき、一層の安全走行を実現できる。

また、上記では第３リンク１３の後端に屈曲部１３ａを形成したが、一方向クラッチ１４に対して第３リンク１３が揺動運動するときに、一方向クラッチ１４と干渉しないようにピン結合するような場合には、第３リンク１３を直線形状に形成してもよい。

本発明は、自転車の走行駆動装置に利用可能である。

本発明の一実施形態に係る自転車の走行駆動装置の側面図である。図１の要部拡大側面図である。図２のＡ−Ａ線における矢視拡大断面図である。図２のＢ−Ｂ線における矢視拡大断面図である。図２のＣ−Ｃ線における矢視拡大断面図である。図２のＤ−Ｄ線における矢視拡大断面図である。上記一実施形態に適用されるトグル機構の説明図である。上記一実施形態の作用を説明する側面図である。同じく、作用を説明する側面図である。同じく、作用を説明する側面図である。従来装置における側面図である。

符号の説明

１自転車
２フレーム
３前輪
４後輪
５ペダル
６ペダルアーム
７第１プーリ
８第２プーリ
９タイミングベルト
１０クランクアーム
１１第１リンク
１２第２リンク
１３第３リンク
１３ａ屈曲部
１４一方向クラッチ
Ｃ１軌跡円
Ｃ２軌跡曲線
ＬピンＰ３とピンＰ４とを結ぶ線
Ｐ１ピン
Ｐ２ピン（共軸点）
Ｐ３，Ｐ４ピン
Ｒ路面

Claims

自転車のフレームに軸支され、ペダルアームにより回転される第１回転部材と、
該第１回転部材との間に巻掛け部材を介して回転するように前記フレームに軸支される第２回転部材と、
該第２回転部材と一体回転するクランクアームに上端が軸支される第１リンクと、
後端が該第１リンクの下端に軸支され、前端が前記フレームに軸支される第２リンクと、
前端が前記第１リンクの下端に前記第２リンクと共軸に軸支され、後端が後輪の車軸に設けた一方向クラッチに軸支される第３リンクと、を具備すると共に、
前記第１リンク、第２リンク、および第３リンクとで形成されるトグル機構を前記フレームの両側に一対設け、前記両側の第１リンク、第２リンクおよび第３リンクの共軸点を交互に上下動させることにより、前記ペダルアームの駆動力が後輪へ伝達されることを特徴とする、
自転車の走行駆動装置。
前記トグル機構は、
前記ペダルアームの回転に応動する前記第１リンクを介して、前記第２リンクおよび前記第３リンクが前記共軸点を屈曲点とする、くの字状に屈曲する屈曲状態と、前記第２リンクおよび前記第３リンクが略一直線状に伸びる伸張状態との間に亘って屈伸運動を繰り返すと共に、
前記屈曲状態から前記伸張状態へと変位するときに、前記第２リンクおよび第３リンクが、前記一方向クラッチを介して前記後輪へ駆動力が伝達されるように形成されたことを特徴とする、
請求項１記載の自転車の走行駆動装置。
前記第３リンクの後端に、屈曲部を形成する一方で、
該第３リンクの後端を、前記一方向クラッチの路面側に面する側で軸支したことを特徴とする、
請求項１または２記載の自転車の走行駆動装置。
前記第１回転部材および前記第２回転部材が、プーリで形成され、
前記巻掛け部材が、タイミングベルトで形成されることを特徴とする、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の自転車の走行駆動装置。
前記第１回転部材および前記第２回転部材が、スプロケットで形成され、
前記巻掛け部材が、チェーンで形成されることを特徴とする、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の自転車の走行駆動装置。