JP3682608B1 - ペダル踏込み形駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の自転車等よりもさらに増力、増速等の効果を高めることのできる高効率のペダル踏込み型駆動装置を提供する。
【解決手段】 クランク軸１４と同心に設けられ、クランク軸１４に対して回転自在な第一の歯車１６と、この第一の歯車１６と噛合する第二の歯車２２と、この第二の歯車２２に一体に取り付けられたペダル２１と、このペダル２１とクランク軸１４とを連結するクランクアーム１９と、第一の歯車１６の回転を駆動輪２に伝達する駆動力伝達機構とを有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、自転車等に用いられるペダル踏込み形の駆動装置に関し、特に、増力，増速効果を得ることのできる高効率のペダル踏込み形駆動装置に関する。

従来より、ペダルを踏み込むことで動力を得るペダル踏込み形の駆動装置が、自転車や人力飛行機、足漕ぎボート、人力発電機等（以下、これらを総称して「自転車等」と記載することがある）に利用されている。このような自転車等においては、小さな踏込み力で大きな力や速度を得ようとする提案が種々なされている（例えば、特許文献１，２参照）。
特開平６−１７１５７４号公報 特開平７−３３３５６４号公報

特許文献１に記載の自転車の駆動装置では、クランクアーム及び延長アームを介して内歯歯車に噛合する遊星歯車が自転しながら公転し、これによって、その遊星歯車に噛合する太陽歯車が回転される。太陽歯車と遊星歯車とは同径であるので、ペダルを一回転させると、太陽歯車が四回転し、ギヤ比が４対１となり、従来に比べて１．５〜２倍増速させることができるというものである。また、延長アームによってクランクアームの見かけ上の長さが長くなるので、その長い分だけてこ作用が大きく発揮され、ペダルを軽く回すことができるというものである。

特許文献２に記載の自転車の駆動装置では、クランクアームの先端に内歯車を設け、この内歯車に噛み合って回転する外歯車を設け、この外歯車にペダルを固定している。この自転車の駆動装置によれば、ペダルの踏込み力のモーメントアームが、クランクアームの回転軸から内歯車の中心までの距離に、内歯車の中心から外歯車の中心迄の距離を加えた大きな値となるため、少ない踏込み力で大きな回転駆動力が得られるというものである。

これら特許文献による増力、増速のための提案は、注目に値すべきものであるが、さらに増力、増速効果を高めた高効率のペダル踏込み形駆動装置が要望されている。
本発明は、このような要望に応えるべくなされたもので、上記の特許文献等に記載された駆動装置よりもより増力、増速等の効果を高めることのできる高効率のペダル踏込み形駆動装置を提供しようとするものである。

本発明の目的を達成するために、本発明のペダル踏込み形駆動装置は、請求項１に記載するように、クランク軸と同心に設けられ、前記クランク軸に対して回転自在な第一の歯車と、この第一の歯車の外歯と噛合する第二の歯車と、この第二の歯車に取り付けられたペダルと、このペダルの回転を前記第二の歯車に伝達する回転伝達手段と、前記ペダルと前記クランク軸とを連結するクランクアームと、前記第一の歯車の回転を駆動部に伝達する駆動力伝達機構とを有する構成としてある。

この構成によれば、利用者がペダルを踏み込むと、この踏み込み動作は、クランク軸を中心とする反時計回り方向のクランクアームの回転動作に変換される。第二の歯車は、クランクアームの回転にともなって、クランク軸を中心とする軌道上を移動するが、第一の歯車と第二の歯車とはその外周で互いに噛合しているため、第二の歯車が前記軌道上を移動することによって、第一の歯車はクランク軸を中心とする反時計回り方向に回転させられる。第一の歯車の回転は回転伝達機構によって駆動輪や回転軸等の駆動部に伝達される。
また、このとき、第二の歯車は第一の歯車との噛合によって反時計回り方向に回転しようとするため、これにともなってペダルも、第二の歯車の回転とともに徐々に角度を変えようとする。しかし、ペダルは利用者の足によって回転しないように拘束されているので、第二の歯車自体に回転力が生じ、この回転力が第一の歯車を回転させる動力として利用されることになる。そのため、自転車等の効率を高めることができる。

さらに、ペダルの回転を規制することで、第一の歯車と第二の歯車との間で相対的な転動が生じるので、クランクアームを一回転させて元の位置に復帰させたときに、第一の歯車は第二の歯車の外周長分だけ余計に回転することになる。すなわち、クランクアームを一回転させるごとに、第二の歯車の円周長分だけ自転車の走行距離等を延ばすことができるわけである。

本発明においては、ペダルと第二の歯車とは一体的に設けてもよいが、自転車等の運転をしやすくするために、請求項２に記載するように、ペダルと第二の歯車との間に遊びを設けてもよい。遊びを設けるための機構としては種々のものを採用することができるが、例えば、請求項３に記載するように、前記ペダルに形成した所定形状の孔と、前記第二の歯車と前記ペダルとを連結する連結部材に設けられ、前記孔内に挿入される駒とを有し、前記駒が前記孔の内壁に当接するまでの範囲内で、前記ペダルを前記第二の歯車に対して揺動自在とした構成としてもよい。
また、請求項４に記載するように、前記第一の歯車と前記第二の歯車との間に中間歯車を介在させてもよい。
このようにすることで、クランクアームを自転車等の運転に適した長さのものに選択しつつ、第一の歯車及び第二の歯車を適切な大きさにすることができる。

本発明によれば、ペダルを常時水平に保ちながら踏み込むだけで、大きな増力、増速効果を得ることができる。また、クランク軸を一回転させたときに、第二の歯車の円周長分だけ第一の歯車を進角させることができ、その分、自転車の走行距離等を延ばすことができる。また、ペダルを水平に保つ行為は、通常の運転状態において利用者が無意識に行っている行為であり、女性や子供、高齢者のように、脚力の弱い人でも、容易に増力、増速効果を得ることができるという効果がある。

以下、本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、以下の説明においては、ペダル踏込み形の駆動装置を備えた乗り物の一例として、自転車を例に挙げて説明する。また、以下の説明において、「前」というときは、自転車の前方、つまり図面の左方を指し、「後」というときは、自転車の後方、つまり図面の右方を指すものとする。
図１は、本発明のペダル踏込み形の駆動装置を備えた自転車の一実施形態にかかり、その主要部の一部を破断した平面図、図２は自転車における図１の主要部の配置位置を示す側面図である。

図１及び図２に示すように、前輪１と駆動輪２とを連結する自転車のフレーム５には、駆動輪２の車軸３と同方向（左右方向）に、貫通孔６が形成されている。この貫通孔６には、筒状の回転軸１２が挿通して設けられ、軸受１３によって貫通孔６内で回転自在に支持されている。
クランク軸１４は、回転軸１２の貫通孔１２ａを挿通して設けられ、貫通孔１２ａ内で軸受１５により回転自在に支持されている。
回転軸１２の左右両端には、一対の外歯歯車１６，１６が回転軸１２と一体に取り付けられ、一方の外歯歯車１６とフレーム５との間には、スプロケット１８が回転軸１２に一体に設けられている。そして、このスプロケット１８と駆動輪２の車軸３に取り付けられたスプロケット４との間にチェーン７が巻き掛けられて、駆動力を駆動輪２に伝達できるようになっている。

一方、回転軸１２から突出するクランク軸１４の両端には、１８０°の位相角で一対のクランクアーム１９，１９が取り付けられている。このクランクアーム１９，１９の先端には、軸２０，２０が回転自在に支持されている。そして、クランクアーム１９，１９から見て外側に位置する軸２０，２０の一端には、ペダル２１，２１が軸２０，２０と一体に取り付けられている。軸２０，２０はペダル２１，２１の中心に設けてもよいが、本発明のペダル踏込み形の駆動装置を備えた自転車においては、軸２０，２０よりも後方側の長さ（後述する図４の長さＬに相当する長さ）が前方側の長さよりも長くなるように、ペダル２１，２１の中心から前方側に偏心した位置に設けるのが好ましい。

また、クランクアーム１９，１９から見て内側に位置する軸２０，２０の他端には、外歯歯車１６，１６と噛合する小歯車２２，２２が、軸２０，２０と一体に取り付けられている。すなわち、小歯車２２，２２とペダル２１，２１とは、軸２０，２０を介して一体に連結されていて、ペダル２１，２１の回転を小歯車２２，２２に伝達することができるようになっているわけである。この実施形態では、軸２０，２０が、ペダル２１，２１の回転を第二の歯車である小歯車２２，２２に伝達する回転伝達手段を構成する。
なお、ペダル２１，２１は、軸２０，２０又は小歯車２２，２２に対して固定的に取り付けてもよいが、自転車を運転する際の利便性を考慮すれば、両者の間に若干の遊びを設けるのが好ましい。ペダル２１，２１と軸２０，２０又は小歯車２２，２２との間に若干の遊びを設けるための機構としては種々のものを採用することができる。

図３は、軸２０に対してペダル２１，２１に若干の遊びを設けるための構成の一例を示したペダル部分の拡大側面図である。
ペダル２１の前端には、矩形状の孔２１ａが軸２０と同方向に貫通形成されている。また、この孔２１ａの内周面の対向位置には、軸２０と係合できる円弧状の溝２１ｂが形成されている。一方、軸２０の一端には、孔２１ａとほぼ同一の幅で前後方向に張り出す略三角状の駒２０ａが形成されている。

そして、軸２０の一端が溝２１ｂに挿入されることで、ペダル２１を軸２０に対して回動自在にするとともに、孔２１ａに挿入された駒２０ａの作用により、ペダル２１の揺動（遊び）が規制される。すなわち、孔２１ａの内周面に駒２０ａが当接するまでの範囲内で、ペダル２１の揺動が可能になるわけである。図３に、ペダル２１の揺動（遊び）の範囲を仮想線で示すが、この揺動（遊び）の範囲は、例えば、孔２１ａと駒２０ａとの相対的な大きさや形状を変更することで、自在に調整することが可能である。

図４は、上記構成のペダル踏込み形駆動装置の作用を説明する図（原理図）で、大径の外歯歯車１６と小歯車２２、クランクアーム１９及びペダル２１の関係を概略的に図示したものである。
なお、以下の説明では、説明の便宜のため、利用者はペダル２１を常に水平に保ちながら自転車を運転するものとする。
ペダル２１が初期位置にあるとき、すなわち、クランクアーム１９が回転角θ＝０の位置（図４中符号（ｉ）で示す位置）にあるときには、ペダル２１は水平方向を指し向くように小歯車２２に取り付けられている。
ペダル２１の力点には鉛直下方に向かう踏込み力Ｐ１が作用する。この場合、クランクアーム１９のモーメントアーム長は、外歯歯車１６の半径をＲ、小歯車２２の半径をｒとしたとき（Ｒ＋ｒ）で表すことができるから、回転軸１２の中心に作用する回転モーメントＭは、Ｍ＝Ｐ１・（Ｒ＋ｒ）である。

クランクアーム１９を初期位置（ｉ）から反時計回り方向に回転させると、ペダル２１と一体に取り付けられた小歯車２２もクランクアーム１９の回転にともなってその位置を変え、小歯車２２と噛合している外歯歯車１６を反時計回り方向に回転させる。これにより、回転軸１２を介して外歯歯車１６と一体に設けられたスプロケット１８が回転し、この回転が、チェーン７を介してスプロケット４に伝達されて駆動輪２を回転させる。

一方、小歯車２２と外歯歯車１６とは常時噛合しているため、小歯車２２がクランクアーム１９の回転とともにその位置を変えると、小歯車２２も回転軸１２に対して反時計回り方向に回転しようとする。このときの回転軸１２に対する小歯車２２の回転角は、クランクアーム１９の回転角θに等しい。
例えば、クランクアーム１９が角度θ（＝４５°）だけ回転して、ペダル２１が位置（ｉ）から位置(ii)まで移動すると、図４中仮想線で示すように、小歯車２２及びペダル２１も、回転軸１２に対して角度θ（＝４５°）だけ反時計回り方向に回転しようとするわけである。

ところが、ペダル２１は自転車を運転する利用者の足によって、軸２０を中心とする回転が規制されているため、外歯歯車１６に回転力が作用することになる。
この回転力は、ペダル２１が軸２０を中心として回転しようとするのを抑制する際に、利用者の足に作用する反力Ｐ２に起因する。この反力Ｐ２は、ペダル２１が（ｉ）の水平状態から軸２０を中心として回転しようとするときに生じるので、クランクアーム１９の回転角θが０°以外のところ、つまり、０＜θ＜３６０°の全範囲で作用することになる。

すなわち、本発明のペダル踏込み形駆動装置を備えた自転車においては、クランクアーム１９の回転角が０°＜θ＜３６０°の範囲内で、小歯車２２から外歯歯車１６に回転モーメントＭ′が作用するわけである。
この回転モーメントＭ′は、ペダル２１を水平に維持したときに利用者の足に作用する反力をＰ２、小歯車２２の回転中心から反力Ｐ２の作用点までの距離をＬとして、Ｍ′＝Ｐ２・Ｌで求めることができる。

この回転モーメントＭ′を加味したときに回転軸１２に作用する回転モーメントＭの大きさは、
Ｍ＝Ｐ１・（Ｒ＋ｒ）cosθ＋Ｍ′・Ｒ／ｒ・・・（１）
で表すことができる。
この式（１）の右辺の第二項は、外歯歯車１６に噛合させた小歯車２２によって、Ｍ′・Ｒ／ｒだけ回転軸１２にモーメントの増大効果が生じることを示している。

また、θ＝９０°〜２７０°の範囲内では、左右のペダル２１の間で踏込みの交代が行われる。そのため、例えば左方のペダル２１に踏込み力Ｐ１を作用させているときには、右方はペダル２１には踏込み力Ｐ１は作用させない。
一方、θ＝９０°〜２７０°の範囲内においても、ペダル２１は水平状態から回転しないように利用者の足で抑制されているので、小歯車２２には回転モーメントＭ′が常時作用しており、かつ、この回転モーメントＭ′は常に外歯歯車１６を反時計回り方向に進角させる方向に作用する。

つまり、例えば左方のペダル２１を踏み込んでいるときにも、右方のペダル２１の利用者の足には反力Ｐ２が作用していて、かつ、この右方の反力Ｐ２は、自転車を前進させようとする力に変換されるわけである。したがって、θ＝９０°〜２７０°の範囲内にあるときの他方のペダル２１に作用する反力Ｐ２を考慮すると、上記の式（１）は、
Ｍ＝Ｐ１・（Ｒ＋ｒ）cosθ＋２・Ｍ′・Ｒ／ｒ・・・（２）
と書き換えることができる。

なお、上記した反力Ｐ２は、自転車の運転時に利用者の足を持ち上げようとする力であるが、通常の自転車運転時において、利用者が普通に利用する脚力の範囲内で十分に吸収できるのものである。したがって、無意識に自転車を運転するだけで、モーメントＭ′分の増力、増速効果を得ることができ、特に、女性や子供、老人のように脚力の弱い人であっても、通常の自転車の運転動作で、増力，増速効果を得ることができる。

さらに、小歯車２２の転動が規制されている分だけ、外歯歯車１６は進角することになる。その進角量は、クランクアーム１９が一回転する間では、小歯車２２の円周長分に相当する。
つまり、上記の例では、α＝｛（Ｒ+ｒ）π／（Ｒ・π）−１｝・θだけ、外歯歯車１６が進角することになる。このことは、クランクアーム１９の回転角θが同じでも、従来の自転車に比べて、余計に自転車の走行距離を延長させることができることを示している。

本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態により何ら限定されるものではない。
例えば、上記の説明では、小歯車２２と外歯歯車１６とを噛合させて小歯車２２の回転力（回転モーメント）を外歯歯車１６に直接伝達するようにしているが、小歯車２２と外歯歯車１６との間に別の歯車を介在させて、小歯車２２の回転力を外歯歯車１６に伝達するようにしてもよい。

例えば、図５に示すように、小歯車２２と外歯歯車１６との間に二つの中間歯車２４，２５を配置し、この中間歯車２４，２５を軸２４ａ，２５ａによってクランクアーム１９に回転自在に設け、小歯車２２，中間歯車２４，２５及び外歯歯車１６を噛合させる。このようにすることで、クランクアーム１９を自転車等の運転に適した長さのものに選択しつつ、外歯歯車１６及び小歯車２２の径を適切な大きさにすることができる。
また、チェーンやベルト等の回転伝達部材を用いて、小歯車２２の回転力を外歯歯車１６に伝達するように構成することも可能である。この場合は、チェーンやベルトを途中部位で捩じって、小歯車２２の回転を外歯歯車１６と逆方向にする。

本発明は、ペダル踏込み形であれば、二輪自転車に限らず、三輪や四輪の自転車にも適用が可能である。また、ペダル踏込み形の駆動装置を備えるものであれば、自転車に限らず、例えば、人力飛行機や足漕ぎ式のボート、人力発電機等あらゆる乗り物やその他のものにも適用が可能である。

本発明のペダル踏込み形の駆動装置を自転車に適用した一実施形態にかかり、その主要部の一部を破断した平面図である。 図１の主要部の自転車における位置関係を示す側面図である。 ペダルに遊びを設ける機構の一例を示すペダル部分の拡大側面図である この実施形態のペダル踏込み形駆動装置の作用を説明する図（原理図）である。 本発明の他の実施形態を示す主要部の側面図である。

符号の説明

２ 駆動輪（駆動部）
３ 車軸
４ スプロケット
５ フレーム
６ 貫通孔
７ チェーン
１２ 回転軸
１２ａ 貫通孔
１３ 軸受
１４ クランク軸
１５ 軸受
１６ 外歯歯車（第一の歯車）
１８ スプロケット
１９ クランクアーム
２０ 軸
２１ ペダル
２２ 小歯車（第二の歯車）

Claims (4)

1. クランク軸と同心に設けられ、前記クランク軸に対して回転自在な第一の歯車と、
   この第一の歯車の外歯と噛合する第二の歯車と、
   この第二の歯車に取り付けられたペダルと、
   このペダルの回転を前記第二の歯車に伝達する回転伝達手段と、
   前記ペダルと前記クランク軸とを連結するクランクアームと、
   前記第一の歯車の回転を駆動部に伝達する駆動力伝達機構と、
   を有することを特徴とするペダル踏込み形駆動装置。
2. 前記ペダルと前記第二の歯車との間に遊びを設けたことを特徴とする請求項１に記載のペダル踏込み形駆動装置。
3. 前記ペダルに形成した所定形状の孔と、前記第二の歯車と前記ペダルとを連結する連結部材に設けられ、前記孔内に挿入される駒とを有し、前記駒が前記孔の内壁に当接するまでの範囲内で、前記ペダルを前記第二の歯車に対して揺動自在としたことを特徴とする請求項２に記載のペダル踏込み形駆動装置。
4. 前記第一の歯車と前記第二の歯車との間に中間歯車を介在させたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のペダル踏込み形駆動装置。

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