JP3645962B2 - アシストモータ付き自転車 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、クランク軸のトルクとパワーユニットのトルクとをチェーンを介して後輪に伝達するアシストモータ付き自転車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
かかるアシストモータ付き自転車は、例えば、特開昭５８−８９４８３号公報により公知である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記特開昭５８−８９４８３号公報に記載されたアシストモータ付き自転車はパワーユニットがリヤフォーク脚に支持されているため、リヤフォーク脚に沿って配置されたチェーンとパワーユニットとの干渉を回避するためにリヤフォーク脚の構造が複雑化するだけでなく、パワーユニットの重量を支持するためにリヤフォーク脚が大型化して重量が増加する問題がある。
【０００４】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、構造が簡単で軽量であり、しかもパワーユニット及びチェーンとの干渉を容易に回避することが可能なリヤフォーク脚を備えたアシストモータ付き自転車を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１の発明は、クランクペダルにより回転するクランク軸を側面視で略Ｖ字状の車体フレームの下端近傍に支持し、車体フレームに前端を結合した左右一対のリヤフォーク脚の後端に支持した後輪に前記クランク軸のトルクを車体の左右一側に配置したチェーンを介して伝達するとともに、車体フレームの下端近傍に支持したパワーユニットのトルクを前記チェーンを介して後輪に伝達するアシストモータ付き自転車であって、車体の左右一側に配置した一方のリヤフォーク脚が中間の屈曲部において一体に連なる前半部及び後半部からなり、前半部は、車体フレームの下端に結合されたガセットの後上部に前端を固定されてパワーユニットの本体部の上方を通って車体後下方に延び、また後半部はチェーンの回転面を車体内側から外側に通過して車体後方に延びることを特徴とする。
【０００６】
また請求項２の発明は、請求項１の前記特徴に加えて、パワーユニットの一部であるアシストモータを、クランク軸よりも後側で且つリヤフォーク脚よりも下側に配置したことを特徴とし、また請求項３の発明は、請求項１の前記特徴に加えて、パワーユニットの一部であるアシストモータを、クランク軸よりも後側で且つリヤフォーク脚よりも上側に配置したことを特徴とし、また請求項４の発明は、請求項１の前記特徴に加えて、車体フレームの後方上部に制御装置を配置したことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。 図１〜図９は本発明の第１実施例を示すもので、図１はアシストモータ付き自転車の全体側面図、図２は図１の要部拡大図、図３は図２の３方向矢視図、図４は図２の要部拡大図、図５は図４の５−５線断面図、図６は図５の要部拡大図、図７は図６の７−７線断面図、図８は図６の８−８線断面図、図９は図６の９−９線断面図である。
【０００８】
図１に示すように、自転車Ｂは側面視でＶ字状をなす車体フレーム１を備えており、この車体フレーム１の前端に設けたヘッドパイプ２に回動自在に枢支されたフロントフォーク３の上端及び下端に、それぞれハンドル４及び前輪Ｗｆが支持される。車体フレーム１の下端近傍から後方に延びてステー５，５によって補強された左右一対のリヤフォーク脚６_L ，６_R に後輪Ｗｒが支持される。車体フレーム１の下端に回転自在に支持されたクランク軸７は左右一対のクランクアーム８_L ，８_R を備えており、これらクランクアーム８_L ，８_R の先端にそれぞれクランクペダル９_L ，９_R が設けられる。クランク軸７によって回転するクランク軸スプロケット１０と後輪Ｗｒの車軸に設けた後輪スプロケット１１とがチェーン１２で接続されており、クランクペダル９_L ，９_R の踏力によりクランク軸７が回転すると、その回転がクランク軸スプロケット１０、チェーン１２及び後輪スプロケット１１を介して後輪Ｗｒに伝達される。
【０００９】
車体フレーム１の下部に設けられてクランク軸スプロケット１０に接続されたアシストモータ１３は、クランクペダル９_L ，９_R の踏力をアシストする駆動力を発生する。車体フレーム１の前部に設けられたバッテリボックス１４にはアシストモータ１３を駆動する複数のＮｉ−Ｃｄ電池よりなる走行用バッテリ１５が収納され、バッテリボックス１４の前端にメインスイッチ１６が設けられる。車体フレーム１の後部にはアシストモータ１３の駆動を制御する電子制御ユニットやモータドライバー等の制御装置１７が設けられる。 図２及び図３から明らかなように、Ｖ字状をなす車体フレームの下端に左右一対のガセット１８_L ，１８_R が溶接されており、これらガセット１８_L ，１８_R 間に前記アシストモータ１３を含むパワーユニットＰの前上部が挟持されて２本のボルト１９，２０で固定される。
【００１０】
左右のリヤフォーク脚６_L ，６_R は、その前端に形成した偏平部６₁ ，６₁ において前記ガセット１８_L ，１８_R の後上部に結合されるとともに、その後端の偏平部６₂ ，６₂ が車軸支持部材２１，２１を介して後輪Ｗｒの車軸２２及び前記ステー５，５に結合される。リヤフォーク脚６_L ，６_R は長手方向中間の屈曲部６₃ ，６₃ を境にして前側の前半部６₄ ，６₄ と後側の後半部６₅ ，６₅ とを備えており、前半部６₄ ，６₄ はガセット１８_L ，１８_R から側面視で車体後下方に延びるとともに平面視で車体外側に延びており、また後半部６₅ ，６₅ は側面視及び平面視で車体後方に延びている。尚、図２において、手前側にある左側のリヤフォーク脚６_L を一部破断し、向こう側にある右側のリヤフォーク脚６_R を見せている。
【００１１】
クランク軸スプロケット１０と後輪スプロケット１１とを接続するチェーン１２は車体中心線の右側に配置されて鉛直な回転面を持っており、そのチェーン１２の右側面がチェーンカバー２３によって覆われる。チェーンカバー２３の後部には前後方向に延びる開口部２３₁ （図２参照）が形成されており、右側のリヤフォーク脚６_R の後半部６₅ はチェーン１２の回転面及びチェーンカバー２３の開口部２３₁ を車体内側から外側に通過する。
【００１２】
次に、図４〜図９に基づいてパワーユニットＰの構造を詳述する。
【００１３】
パワーユニットＰのハウジング３１は、複数本のボルト３２…で相互に結合された右ハウジング３３及び左ハウジング３４と、左ハウジング３４の開口部を着脱自在に覆う左カバー３５とを備える。アシストモータ１３は左ハウジング３４の後部右側面に出力軸３６を車体左側に向けて搭載されており、その搭載状態で車体右側に配置されたチェーン１２の回転面の左側に位置している。アシストモータ１３の出力軸３６の前下方に配置された第１中間軸３７は、その両端部を右ハウジング３３及び左ハウジング３４にそれぞれボールベアリング３８，３９を介して支持される。また第１中間軸３７の前方且つクランク軸７の後下方に配置された第２中間軸４０は、その両端部を右ハウジング３３及び左ハウジング３４にそれぞれボールベアリング４１，４２を介して支持される。
【００１４】
アシストモータ１３の出力軸３６に固着したプライマリギヤ４３は第１中間軸３７に固着した第１中間ギヤ４４に噛合し、第１中間軸３７に一体に形成した第２中間ギヤ４５は、第２中間軸４０に第１一方向クラッチ４６（図５参照）を介して支持した第３中間ギヤ４７に噛合し、第２中間軸４０に一体に形成した第４中間ギヤ４８はクランク軸７の右端に相対回転自在に支持したファイナルギヤ４９に噛合する。プライマリギヤ４３及び第１中間ギヤ４４の左側面は左ハウジング３４に着脱自在に設けた左カバー３５に臨んでいる。
【００１５】
前記プライマリギヤ４３、第１中間ギヤ４４、第２中間ギヤ４５、第３中間ギヤ４７、第４中間ギヤ４８及びファイナルギヤ４９は、動力伝達機構Ｄを構成する。図５から明らかなように、動力伝達機構Ｄは車体右側に配置されたチェーン１２の回転面の左側に配置されている。
【００１６】
ファイナルギヤ４９は右ハウジング３３にボールベアリング５０を介して支持されており、そのファイナルギヤ４９の中心にクランク軸７の右端がローラベアリング５１を介して支持される。右ハウジング３３から車体右側に延出するファイナルギヤ４９の筒軸部４９₁ に、クランク軸スプロケット１０がナット５２で結合される。またクランク軸７の左端は左ハウジング３４にボールベアリング５３を介して支持される。
【００１７】
従って、アシストモータ１３が回転すると、その出力軸４３のトルクはプライマリギヤ４３、第１中間ギヤ４４、第１中間軸３７、第２中間ギヤ４５、第３中間ギヤ４７、第１一方向クラッチ４６、第２中間軸４０、第４中間ギヤ４８及びファイナルギヤ４９を介してクランク軸スプロケット１０に伝達される。また、走行用バッテリ１５の放電等によりアシストモータ１３の駆動が停止したとき、クランクペダル９_L ，９_R の踏力によるクランク軸スプロケット１０の回転を妨げないように第１一方向クラッチ４６が空転する。
【００１８】
図６〜図８から明らかなように、クランク軸７の軸線に沿って形成されたスリット７₁ に装着されるトーションバー６１は、スリット７₁ の左右の内壁面７₂ ，７₂ 間に回転自在に嵌合する円柱状の軸部６１₁ と、軸部６１₁ の左右両端から半径方向に突出する一対の腕部６１₂ ，６１₃ とを備えている。トーションバー６１の左側の腕部６１₂ はスリット７₁ の左右の内壁面７₂ ，７₂ に密に嵌合してクランク軸７に対して一体に結合されており、その腕部６１₂ 及びクランク軸７の外周に回転数検出用ギヤ６２が圧入される（図７参照）。これにより、クランク軸７の左端に、トーションバー６１の左端と回転数検出用のギヤ６２とが一体に結合される。またスリット７₁ の左右の内壁面７₂ ，７₂ に遊嵌するトーションバー６１の右側の腕部６１₃ は、前記内壁面７₂ ，７₂ との間に隙間α，αを有しており、従って前記隙間α，αの範囲内でトーションバー６１の右端は左端に対して捩じれ変形することができる（図８参照）。尚、回転数検出用ギヤ６２の外周には、左ハウジング３４に支持されたクランク軸回転数センサ７３（図５参照）が対向する。
【００１９】
図６及び図８から明らかなように、クランク軸７の右端外周に第２一方向クラッチ６３が配置される。第２一方向クラッチ６３は、ファイナルギヤ４９と一体に形成されたアウターリング４９₂ と、クランク軸７の外周に相対回転自在に嵌合するインナーリング６４との間に複数のクラッチ爪６５…を備えており、インナーリング６４の内周に形成された凹部６４₁ にトーションバー６１の右端の腕部６１₃ が係止される。
【００２０】
而して、クランクペダル９_L ，９_R を踏んでクランク軸７を正転させると、クランク軸７のトルクはトーションバー６１、第２一方向クラッチ６３及びファイナルギヤ４９を介してクランク軸スプロケット１０に伝達される。またクランクペダル９_L ，９_R を踏んでクランク軸７を逆転させると、第２一方向クラッチ６３がスリップすることにより、前記クランク軸７の逆転が許容される。
【００２１】
クランクペダル９_L ，９_R からクランク軸７に図８の矢印ａ方向のトルクが入力されたとき、後輪Ｗｒの負荷がファイナルギヤ４９の筒軸部４９₁ 及びクラッチ爪６５…を介して伝達されるインナーリング６４は前記矢印ａ方向のトルクに抵抗するため、トーションバー６１の右端の腕部６１₃ がクランク軸７に対して矢印ｂ方向に捩じれて相対回転する。その結果、クランク軸７とインナーリング６４との間に、クランク軸７に入力されるトルクに応じた相対回転が発生することになる。
【００２２】
図６から明らかなように、クランクー軸７の外周にスライダインナー６６が相対回転不能且つ軸方向摺動自在に支持されており、このスライダインナー６６の外周に複数のボール６７を介してスライダアウター６８が相対回転自在に支持される。左ハウジング３４に支点ピン６９を介して一端を枢支された検出レバー７０は、その長手方向中間の入力部７０₁ が前記スライダアウター６８に当接するとともに、その他端が左ハウジング３４に設けたストロークセンサ７１の検出子７１₁ に当接する。検出レバー７０は左ハウジング３４との間に縮設したスプリング７２により付勢され、前記入力部７０₁ がスライダアウター６８に弾発的に当接する。
【００２３】
図６及び図９から明らかなように、第２一方向クラッチ６３インナーリング６４の端面には凹状のカム面６４₂ が形成されるとともに、スライダインナー６６の端面には前記カム面６４₂ に係合する凸状のカム面６６₁ が形成される。
【００２４】
次に、前述の構成を備えた本発明の実施例の作用について説明する。
【００２５】
自転車を走行させるべく乗員がクランクペダル９_L ，９_R を踏むと、クランクアーム８_L ，８_R を介してクランク軸７が回転し、そのクランク軸７のトルクはトーションバー６１から第２一方向クラッチ６３、ファイナルギヤ４９、クランク軸スプロケット１０、チェーン１２及び後輪スプロケット１１を介して後輪Ｗｒに伝達される。このとき、クランクペダル９_L ，９_R の踏力の大きさがストロークセンサ７１により検出される。
【００２６】
即ち、クランクペダル９_L ９_R の踏力に応じたトルクがトーションバー６１に作用すると、トーションバー６１の捩じれ角に応じた相対回転が第２一方向クラッチ６３のインナーリング６４とスライダインナー６６との間に発生する。トーションバー６１の腕部６１₃ がクランク軸７に対して捩じれると、図９に示すようにクランク軸７に相対回転不能且つ軸方向摺動可能に支持されたスライダインナー６６が、トーションバー６１の腕部６１₃ に結合された第２一方向クラッチ６３のインナーリング６４に対して矢印ｃ方向に相対回転する。
【００２７】
その結果、スライダインナー６６のカム面６６₁ がインナーリング６４のカム面６４₂ に押圧されることにより、スライダインナー６６がスプリング７２の弾発力に抗してクランク軸７上を矢印ｄ方向に摺動し、スライダインナー６６と一体に摺動するスライダアウター６８に入力部７０₁ を押圧された検出レバー７０が支点ピン６９回りに揺動してストロークセンサ７１の検出子７１₁ を押圧する。このとき、ストロークセンサ７１の検出子７１₁ のストロークはトーションバー６１の捩じれ量、即ちクランクペダル９_L ，９_R の踏力に比例するため、ストロークセンサ７１の出力に基づいて踏力を検出することができる。
【００２８】
而して、制御装置１７は、クランクペダル９_L ，９_R の踏力を検出するストロークセンサ７１の出力と、クランク軸７の回転数を検出するクランク軸回転数センサ７３の出力とに基づいてアシストモータ１３の駆動をデューティ制御する。前記デューティ制御のデューティ比は、アシストモータ１３の回転数（即ち、クランク軸回転数センサ７３の出力）の増加に応じてリニアに増加するように設定されるとともに、クランクペダル９_L ，９_R の踏力（即ち、ストロークセンサ７１の出力）の増加に応じてリニアに増加するように設定される。
【００２９】
図４及び図５から明らかなように、アシストモータ１３はその出力軸３６をクランク軸７と平行な車体左右方向に配置しているので、前記出力軸３６からクランク軸スプロケット１０に至る動力伝達機構Ｄを全てスパーギヤ或いはヘリカルギヤで構成することが可能となり、動力伝達効率の向上とコストの削減とが可能となる。また車体右側に配置されたチェーン１２の回転面よりも車体左側に動力伝達機構Ｄを配置したので、チェーン１２と干渉することなく動力伝達機構Ｄを合理的にレイアウトしてスペース効率を増加させることができるばかりか、動力伝達機構Ｄの構造を大きく変更することなくアシストモータ１３の位置をクランク軸７の周囲の任意の位置に移動することができるので、設計自由度を大幅に増加させることができる。
【００３０】
また、右側のリヤフォーク脚６_R の前半部６₄ はパワーユニットＰの上方において車体フレーム１の下端屈曲部近傍に結合され、そこから車体後下方に延びてパワーユニットＰの上方を通って後方に達しており、更に前半部６₄ の後部に連なる後半部６₅ は車体後方に延びてチェーン１２の回転面を車体内側から外側に通過するので、前半部６₄ と後半部６₅ とを中間の屈曲部６₃ で屈曲させただけの簡単の形状のリヤフォーク脚６_R であっても、パワーユニットＰ及びチェーン１２との干渉を合理的に回避することができる。これにより、強度に優れ且つ製造コストの低廉なリヤフォーク脚６_R を得ることが可能となるばかりか、パワーユニットＰのレイアウトの設計自由度も増加する。
【００３１】
図１０及び図１１は本発明の第２実施例を示すもので、図１０は前記図２に対応する図、図１１は図１０の１１−１１線拡大断面図である。
【００３２】
第２実施例は、アシストモータ１３からクランク軸スプロケット１０に至る動力伝達機構Ｄの構造が第１実施例と一部異なるもので、その他の構造及び作用効果は第１実施例と同一である。
【００３３】
第２実施例はアシストモータ１３の位置が側面視でチェーン１２の上端よりも更に上方にあるため、その出力軸３６と第１中間軸３７との距離が第１実施例よりも増加している。そのため、アシストモータ１３の出力軸３６から第１中間軸３７への動力伝達を、出力軸３６に設けたプライマリスプロケット４３′と第１中間軸３７に設けた第１中間スプロケット４４′とに無端チェーン７４を巻き掛けることにより行っている。無端チェーン７４の中間部には、その張力を調節するためのテンションスプロケット７５が当接する（図１０参照）。
【００３４】
尚、第２実施例ではパワーユニットＰの一部であるアシストモータ１３が側面視でリヤフォーク脚６_L ，６_R から上方に突出しているが、パワーユニットＰの本体部（パワーユニットＰのアシストモータ１３を除く部分）はリヤフォーク脚６_L ，６_R の下方に位置しているため、該本体部がリヤフォーク脚６_L ，６_R と干渉する虞はない。
【００３５】
次に、図１２に基づいて本発明の第３実施例を説明する。
【００３６】
第３実施例は第２実施例の変形であって、動力伝達機構Ｄのレイアウトが異なっている。即ち、アシストモータ１３がクランク軸７の前方位置に配置され、第１中間軸３７がアシストモータ１３の後下方に配置されるとともに、第２中間軸３８が第１中間軸３７の後方且つクランク軸７の下方に配置されている。
【００３７】
而して、この第３実施例によっても、前記第１、第２実施例と同様の作用効果を奏することができる。
【００３８】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、パワーユニットを車体フレームに支持したので、リヤフォーク脚に加わる荷重を減少させて該リヤフォーク脚を小型軽量化することができる。またチェーンと同じ側のリヤフォーク脚を中間の屈曲部において屈曲させ、その前半部は前端を車体フレームの下端近傍に結合されてパワーユニットの本体部の上方を通って車体後下方に延び、またその後半部はチェーンの回転面を車体内側から外側に通過して車体後方に延びるように配置したので、簡単な形状のリヤフォーク脚でありながらパワーユニット及びチェーンとの干渉を合理的に回避することができる。
【００４０】
また前記リヤフォーク脚の前半部はその前端が、車体フレームの下端に結合されたガセットの後上部に固定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 アシストモータ付き自転車の全体側面図
【図２】 図１の要部拡大図
【図３】 図２の３方向矢視図
【図４】 図２の要部拡大図
【図５】 図４の５−５線断面図
【図６】 図５の要部拡大図
【図７】 図６の７−７線断面図
【図８】 図６の８−８線断面図
【図９】 図６の９−９線断面図
【図１０】 本発明の第２実施例に係る、前記図２に対応する図
【図１１】 図１０の１１−１１線拡大断面図
【図１２】 本発明の第３実施例に係る、前記図２に対応する図
【符号の説明】
１ 車体フレーム
６_L リヤフォーク脚
６_R リヤフォーク脚
６₃ 屈曲部
６₄ 前半部
６₅ 後半部
７ クランク軸
９_L クランクペダル
９_R クランクペダル
１２ チェーン
１３ アシストモータ
１７ 制御装置
１８ _R ガセット
Ｐ パワーユニット
Ｗｒ 後輪

Claims (4)

1. クランクペダル（９_L ，９_R ）により回転するクランク軸（７）を側面視で略Ｖ字状をなす車体フレーム（１）の下端近傍に支持し、車体フレーム（１）に前端を結合した左右一対のリヤフォーク脚（６_L ，６_R ）の後端に支持した後輪（Ｗｒ）に前記クランク軸（７）のトルクを車体の左右一側に配置したチェーン（１２）を介して伝達するとともに、車体フレーム（１）の下端近傍に支持したパワーユニット（Ｐ）のトルクを前記チェーン（１２）を介して後輪（Ｗｒ）に伝達するアシストモータ付き自転車であって、
   車体の左右一側に配置した一方のリヤフォーク脚（６_R ）が中間の屈曲部（６₃ ）において一体に連なる前半部（６₄ ）及び後半部（６₅ ）からなり、前半部（６₄ ）は、車体フレーム（１）の下端に結合されたガセット（１８ _R ）の後上部に前端を固定されてパワーユニット（Ｐ）の本体部の上方を通って車体後下方に延び、また後半部（６₄ ）はチェーン（１２）の回転面を車体内側から外側に通過して車体後方に延びることを特徴とするアシストモータ付き自転車。
2. パワーユニット（Ｐ）の一部であるアシストモータ（１３）を、クランク軸（７）よりも後側で且つリヤフォーク脚（６ _L ，６ _R ）よりも下側に配置したことを特徴とする、請求項１に記載のアシストモータ付き自転車。
3. パワーユニット（Ｐ）の一部であるアシストモータ（１３）を、クランク軸（７）よりも後側で且つリヤフォーク脚（６ _L ，６ _R ）よりも上側に配置したことを特徴とする、請求項１に記載のアシストモータ付き自転車。
4. 車体フレーム（１）の後方上部に制御装置（１７）を配置したことを特徴とする、請求項１に記載のアシストモータ付き自転車。

Images