JP2017047875A

JP2017047875A - 左右脚別にギヤ倍数を設けた非円形形状の自転車ギヤ

Info

Publication number: JP2017047875A
Application number: JP2015187397A
Authority: JP
Inventors: 昌義矢口; Masayoshi Yaguchi
Original assignee: SMITH KK
Current assignee: SMITH KK
Priority date: 2015-09-03
Filing date: 2015-09-03
Publication date: 2017-03-09
Anticipated expiration: 2035-09-03
Also published as: JP6757903B2

Abstract

【課題】個人の個別性により適合した非円形ギヤを提供する。ペダルをこぐ選手本人の左右脚の脚力の差に対応することで、より効率よく自転車を走らせることが出来る。【解決手段】クランクが左右それぞれ前側の水平位置に来た際のチェーンと接する箇所までのギヤ半径を左右独立したものとする事で左右脚ごとに必要トルクを設定することが可能となり弱い脚側のクランク角速度を上昇させ、また逆には強い脚側のクランク角速度を低下させ、その角速度の差を小さくすることで車体速度の加減速を小さくする。この事によって同じ速度で走行する際に必要とされる出力を抑えることが可能になる。【選択図】図８

Description

本発明は、人間が自転車ペダルをこぐ際の効率を高め、また左右脚の力の違い、またはクランク角度により適したギヤ倍率に変化させることで走行効率を高めより素早く効率よく自転車を走らせる自転車ギヤを発明するものである。

従来、自転車のフロントギヤは真円形であるか楕円形、非円形のものが存在した（特許文献１）。楕円形、非円形のものはそれらが意図した外輪郭形状をしていたが自転車をこぐ個人の体格や脚力といった個人の個別性に合わせたものではなく、市販品として提案された外輪郭形状がその個人の特性に適合しているとは言えなかった。
またペダルをこぐ人の脚力には左右の差があるが従来品ではこの脚力の左右の差には対応できていないという問題点があった。従来は個人が自転車のペダルをこぐ際のベクトルについて知り得る手段は無かったが近年市販されたパイオニア社の車載型ペダリングモニターの登場によって選手個人が自身がペダリングしている際のベクトルについて図２のように簡単に観察、記録できるようになった。
これにより各個人のベクトル方向や力の大きさへの関心や認知が高まり非円形ギヤの外輪郭形状を個別に吟味することが可能になった。

従来は真円形のギヤが主流でクランク角度によってペダル踏力の大きな変化が発生していてもそれに対応できず人体が運動によって発生させるエネルギーを無駄に損失させていた。
その状況を改善すべく様々な楕円ギヤ、非円形ギヤが登場したがその外輪郭形状を決定する根拠は画一的なもので自転車のペダルをこぐ選手個人の個別性に対応するものではなかった。
よって真円形ギヤ以外を使用してもその効果や恩恵に預かることは希有であった。
外輪郭形状が量産のため画一的で個別性に対応できなかった最大の原因は、チェーンを駆動するギヤの歯先形状をインボリュート曲線等にする必要があり、その一歯一歯を楕円なり非円形をした輪郭線に沿わせて作図することが大変に困難だったためである。
また例え作図できたとしても製造工程において例えばギヤの歯先専用の加工機は真円に対応した機構を有しており楕円、まして非円形に対応することが出来ない。またはプレス加工によって製造されるため金型を個別性に合わせて変えることはコストの制約上できない。またＣＡＤＣＡＭを用いていても都度、形状を変更させることは工数がかかり過ぎ製品価格が高価になる。
以上の３大要因によって真円形ギヤや画一的な輪郭形状のギヤ形状以外では多様な外輪郭形状のものを多品種少量生産することは極めて困難であった。

特開平０９−０２０２８１号公報

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、個人の個別性により適合した非円形ギヤを提供することを目的とするものである。

各個人がペダリングモニタ等のベクトル測定装置で測定した結果を分析し３Ｄ−ＣＡＤで非円形ギヤの外輪郭形状を設計する際に反映し個別、または少量多品種でマシニングセンタ等のＮＣ工作機械によって非円形ギヤを製造し販売提供することを特徴とする。
こうして、本発明に係るギヤは、各個人がペダリングモニタ等のベクトル測定装置で測定した結果を分析し３Ｄ−ＣＡＤで非円形ギヤの外輪郭形状を設計する際に反映し個別、または少量多品種でマシニングセンタ等のＮＣ工作機械によって非円形ギヤを製造し販売提供することを特徴とする。
本発明において、円盤状の外輪郭が真円ではなく意図した非円形の輪郭形状なることを特徴とする自転車駆動装置の自転車中央のクランク軸に装着されるギヤであることが好ましい。
また、右脚がペダル踏力を発揮するクランク角度で作用するギヤ倍数と左脚がペダル踏力を発揮するクランク角度で作用するギヤ倍数が左右で異なるよう非円形の輪郭形状が設計されたことが好ましい。
また、脚がペダルを踏む際、クランク角度に応じてギヤ倍数が変化する外輪郭形状を有することが好ましい。

本発明によれば、ペダルをこぐ選手本人の左右脚の脚力の差に対応することでより効率よく自転車を走らせることが出来る。

ペダル踏力のベクトル図である。各クランク位相でのベクトル合力図である。グラフは、各クランク位相での両選手個別のクランク軸のトルク曲線である。水平位相でのクランク長とギヤ半径とのテコ比を示す図である。下死点でのクランク長とギヤ半径とのテコ比を示す図である。グラフは、各クランク位相での左右脚別のクランク軸のトルク曲線である。グラフは、各クランク位相での角速度を示した曲線である。クランク水平位置で右脚が水平位置にある際のギヤ半径と左脚のそれに差をつけた作用原理を解説した図である。本実施形態の原理を適応した結果、右脚と左脚の角速度がほぼ等しく調節されたことを示す概念図である。非円形ギヤを選手個人の測定結果から個別の最適形状を算出し製造するフローチャートである。

以下、ペダリングモニタ装置を用いた非円形ギヤの外輪郭形状の実施例について、図１〜図１０を参照して説明する。

図１には、自転車の操作者が、クランクのアーム２０を踏むときのペダル踏力をベクトル図として示したものである。自転車ギヤ板１０は、軸の中心００を中心として、所定の方向に回転する。自転車ギヤ板１０には、左右一対のクランクのアーム２０が、中心００から互いに反対方向に延設されている。アーム２０の先端付近には、ペダル軸中心３０が設けられており、ここには図示しないペダルが回転可能に取り付けられている。符号４０は、仮想的な真円ギア板の輪郭を示す仮想線である。本実施形態では、ギア板１０は真円ではなく、所定の非円形の輪郭形状とされている。
操作者がペダルを踏むと、ペダル踏力は、合力５２として作用する。この合力５２は、クランクの回転方向に対して、垂直方向（アーム２０の延長方向）に作用する法線分力５０と、クランクの回転方向（アーム２０の延長方向に対して垂直な方向）に作用する接線分力５１とに分解して示すことができる。

理想的には、ベクトル合力５２はギヤ板１０を回転させる接線分力５１と同じ方向、つまり法線分力５０は働いていない事が最高の効率を示す。しかしながら、自転車の競技選手であっても、相当なロスを示すことが分かった。図２には、自転車競技選手がペダルを踏むときのベクトル合力を測定システム（例えば、パイオニア製ペダリングモニターセンサー）を用いて実験計測した結果を示す。測定システムは、ペダル踏力の合力を左右別々に測定できる。図２中の矢印に示すように、ベクトル合力５２は、回転方向（接線方向）に対して、相当な傾きを示している。各クランク位相において、理想的な効率の良いベクトル合力５２を示す（すなわち、回転方向に沿った方向を示す）のは、クランク一回転３６０°の中で図２右側のクランク水平付近の僅か６０°程度の角度範囲に限られる。

図３は、Ａ選手とＢ選手の二名について、各クランク位相においてクランク軸に作用するトルク（のうち右側脚のみ）を測定したものである。クランクが上端を向いている位置を０°とすると、最も踏力が強いのは、クランクが９０°付近にあるところであり、後側（１８０°〜３６０°（再び０°となる位置））にあるときには、負の踏力となっている（このとき、逆側の脚の踏力によって、クランクの回転が維持される）。大きな傾向は同様であるものの、Ａ選手、Ｂ選手の比較からも判るように人間がペダルを漕ぐ際に発生させるトルク曲線には大きな個別差があることが判る。

また、図６には、同一人物において、左右両脚の踏力を測定した結果を示した。通常、個人には利き足があり、利き足側の踏力が、より強くなっている（図６の者では、右脚が利き足）。自転車を速く走らせるためには、この左右両脚の踏力の差が少なく、できるだけ左右均等に踏力を作用させることが好ましい。
非円形ギヤでどうやって図６にあるような左右脚の踏力の差を解消するのかを図４と図５を用いて解説する。チェーン６０は常に図４の１２時付近でギヤ板１０と待遇する。ペダルを踏んでクランクがどの位相に動いてもチェーン６０がギヤ板１０と待遇する接点の位置は不変である。本発明では、このクランク位相とチェーン６０とギヤ板１０が待遇する箇所の独立性を利用する。
つまりクランク軸芯００からチェーン６０と待遇する接点までの半径を各クランク位相別に調節することでギヤ比を任意に可変させることが出来るわけである。

図６の者にあっては、クランク角度９０°付近で右脚に比べ左足の踏力が弱いことが測定結果より解る。
そこで図８にあるようにクランク右側がクランク角度９０°にあるときギヤ半径実線Ｂを点線Ｂ´に偏芯７０させる（Ｂ＜Ｂ’及びＣ＞Ｃ’となる位置）ことで
右脚Ａ÷Ｂ＞Ａ÷Ｂ´
左足Ａ÷Ｃ＜Ａ÷Ｃ´
というように踏力の弱い左脚の負荷トルクを軽減させることが出来る。
これは逆に踏む力の強い右脚の負荷トルクを増加させることにもなる。このようなギヤ半径の調節手段によって、踏力の弱い左脚側のクランク角速度を増大させ自転車が走行する際の加速度の加減速を抑制することが出来るので、より効率的に自転車を走らせることが出来る。具体的には、上記偏芯７０の結果として、図９に示すように、左右脚における踏み込み時の角速度を、左右で差違が認めにくい程度まで修正できた。その結果、競技時のタイムも短縮された。

本発明の非円形ギヤを加工するためには、ローラー間隔を整数倍した距離をもつ非円形軌道上に連続して加工する必要がある。
これは従来のギヤ加工機には出来ない加工である。
そこで、図１０に示すように３次元ＣＡＤを用いて数学的な形状モデルを演算し、そこから派生した３次元モデルデータを３次元ＣＡＭを用いて数値制御工作機械を指令する工具経路を演算させる。具体的には、まず各自転車操作者において、図６に示すような左右脚の踏力を含むデータをペダリングモニターを用いて測定し（Ｓｔｅｐ１０）、このデータを解析することにより、踏力ベクトル、トルク曲線、角速度などの選手の個別性を解析する（Ｓｔｅｐ２０）。現在、携帯型の測定装置（例えば、パイオニア社の車載型ペダリングモニター）が普及しているので、これを用いて測定・解析を行える。
次に、各選手の特性に応じて、非円形ギヤの輪郭を設計する。このとき、特に左右脚の踏力の差を低減又は解消できる程度に偏芯７０を加える。このデータに基づき、３Ｄ−ＣＡＤにてスプロケット歯先の形状を非円形とし、ギヤの輪郭形状に沿わせる演算処理を行う（Ｓｔｅｐ３０）。次いで、この演算処理に基づき、三次元データを出力し（Ｓｔｅｐ４０）、３Ｄ−ＣＡＭで加工機械用の工具経路を演算後（Ｓｔｅｐ５０）、マシニングセンタで材料を切削加工する（Ｓｔｅｐ６０）。このように、３Ｄ−ＣＡＭＣＡＤと、高度な演算能力を備えた工作機械を用いて、従来は製造できなかった複雑な形状の自転車ギヤを製造できた。
これによって選手個人が必要とする非円形形状をしたギヤ板を１枚でも大量生産でもほぼ変わらない加工時間で加工することが可能になる。
このように、本実施形態によれば、個人の個別性により適合した非円形ギヤを提供することが可能となった。これにより、ペダルをこぐ選手本人の左右脚の脚力の差に対応することでより効率よく自転車を走らせることが出来た。

００…自転車クランク軸の中心ペダルやギヤはここを中心に回転する。
１０…自転車ギヤ板これの形状を真円、楕円、非円形などとしている。
２０…自転車クランクのアーム
３０…自転車ペダル軸中心選手はこの軸芯のペダルを踏みつけてこぐ。
４０…真円ギヤ板の輪郭線
５０…ペダルを踏んだ力のクランク軸回転の法線方向の力単位はｋｇｆ
５１…ペダルを踏んだ力のクランク軸回転の接線方向の力単位はｋｇｆ
５２…５０と５１の合力ペダルを踏んだ力の方向と大きさを示している。
６０…駆動用チェーンの線分 ⇒方向に運動する。
７０…脚力の左右差を改善するためにギヤ板中心を００から偏芯させる。
Ａ…クランク長さ
Ｂ…右脚クランクが水平位置の時に作用するギヤ半径
Ｂ’…右脚クランクが水平位置の時のギヤ倍率を上げたギヤ半径
Ｃ…左脚クランクが水平位置の時に作用するギヤ半径
Ｃ’…左脚クランクが水平位置の時のギヤ倍率を下げたギヤ半径
Ｄ…右脚クランクが下死点位置の時に作用するギヤ半径

Claims

円盤状の外輪郭が真円ではなく意図した非円形の輪郭形状なることを特徴とする自転車駆動装置の自転車中央のクランク軸に装着されるギヤ。
右脚がペダル踏力を発揮するクランク角度で作用するギヤ倍数と左脚がペダル踏力を発揮するクランク角度で作用するギヤ倍数が左右で異なるよう非円形の輪郭形状が設計された請求項１の特徴を有するギヤ。
脚がペダルを踏む際、クランク角度に応じてギヤ倍数が変化する外輪郭形状を有する請求項１の特徴を有するギヤ。