JP4156823B2 - Human drive mechanism - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に自転車、車椅子、ボート、人力飛行機およびトレーニング機器等人力で駆動される乗物もしくは乗物を模した機器等の人力駆動機構に関する。
【0002】
【従来の技術】
自転車およびレジャー用足漕ぎボートの人力駆動機構は原理的に同一であり、いずれも回転軸に直角に固定された左右二本のクランクから構成され、この二つのクランクは180°位相がずらされており、このクランクの他方の端部にクランクの回転面に直角に軸が植え込まれ、この軸に回転自在にペダルが設けられている。 このペダルを踏むことによってトルクを発生させ、これにより車輪、プロペラ等の推進輪を回転させて当該乗物を動かしている。 近年、欧米では自転車以外に3輪自転車および4輪自転車も出現し、それらを用いた競技も行われているようであるが、人力駆動機構の原理は全く変わっていない。
自転車はリクリエーションや通勤・通学および競技の手段として高度の普及率をもって用いられており産業上大きな分野である。 以下には簡単のため自転車を中心に説明を進める。
自転車は用途に応じて多様な種類の構造・デザインのものが出現している。 本発明の目的である人力駆動機構との関連で言えば、速度能力および登坂能力を向上させるため変速機構が採用され、後輪に設けられたチェーンの従動軸(以下単に従動軸という)だけに数段のスプロケット(以下従動軸スプロケットという)があるものからさらにチェーンの駆動軸(以下単に駆動軸という)にもスプロケット(以下チェーンリングという)が数段設けられたものもある。
チェーンの従動軸に遊星歯車機構が設けられたものも普及している。 なお、本願において、人力駆動機構とは、人力を人力乗物の変速機構もしくは車輪、プロペラ等の推進手段に伝達する駆動機構のことをいう。
【0003】
変速機構は形式に関わらず、基本的にはエネルギー効率を向上させるものではなく、推進手段(自転車では後輪、ボートではプロペラ等)に伝達される動力を増大させたり、運転者の時間当たり消費エネルギを低減させるものではない。
【0004】
自転車で急な坂を登坂する場合、平坦地と同じ増速比では大きな力が必要となり、運転者の脚力の限界が運転続行の可否を決定付ける。 変速機構は運転者にとって、いわば、筋肉を動かす速度と筋力のトレードオフ装置もしくは最適化装置であって、登坂時、筋力が不足気味になると増速比をシフトダウンして、筋肉を早く動かすことによりその分小さい力で同じ動力を発生させることができる。 しかし、増速比をある程度以上小さくしても意味がない。すなわち、増速比を小さくしてゆくと走行を維持してゆくために逆比例的にペダルを早く回転させる必要が生じ、筋肉を早く動かすことによる運動能力限界、軸受やチェーンの摩擦による動力損失増大、振動による走行不安定化等により走行を維持することができなくなる。
【0005】
変速機構を設けても入力動力を大きくできるわけではないので、登坂能力の改善に自ずから限界があるのは当然である。 入力動力を大きくすることが望まれることである。 ここで、入力動力とは運転者から人力駆動機構を通して当該乗物に伝達された動力(単位時間当たり仕事量)のことをいう。
変速機構によれば、変速機構出力軸回転数とトルクは逆比例関係に保たれたまま(動力一定)、状況に応じ、運転者の運動能力に合わせて、運転者が楽と感ずる方向に増速比を変えることにより速度と力のバランスポイントを移動させることができるが、基本的に入力動力、したがって出力を増大させるものではない。
【0006】
クランク長さを変えることも運転者にとって筋肉を動かす速度と筋力のトレードオフ手段であって、最適化の結果出力がわずかに増大することはあるが、入力動力が増大するわけではない。
【0007】
また、クランクを伸縮自在とし、遊星歯車機構もしくはカム機構を用いて自転車の回転とクランクの伸縮を同期させ、クランクが前方水平位置にくるとき最も伸びるよう構成して、最大入力トルクの増大を計る形態の発明も特許出願されている(米国特許番号4125239、4706516,4807491等)。
【0008】
この形態の人力駆動機構では、ペダルが水平位置を過ぎてクランクの縮小過程に入るとペダルに作用する力の半径方向分力が急激に増大してクランクの縮小に抵抗し、自転車の回転を阻害するように働く。
【0009】
この形態の人力駆動機構において、もしペダルを踏む力がクランクの回転円に対して常に接線方向に作用すれば、この力が回転を阻害することはない。 しかし、現実には、踝、膝および大腿骨の関節の動きに制限があり、その結果、ペダルを踏む力は全ての回転角度において殆ど鉛直方向下向きに働く。 したがって、クランクがほぼ前方水平位置にあるとき回転の方向と力の方向が殆ど一致するためペダルを回転させる“回転力”が最大となる。
しかし、この位置を過ぎると、回転力(厳密には重力、慣性力、筋肉による力の合力のクランク回転方向成分)が減少し、回転方向に直角な分力(重力、慣性力および筋力の合力のクランク回転半径方向成分)が増大し、これらが、クランク縮小に抗してクランクを伸ばそうとするため、機構的にブレーキと等価な作用をもたらす。 この結果1サイクルで考えると殆ど動力の増大にはならない。
【0010】
クランクを伸縮自在とする上記形態の人力駆動機構に類似した発明に米国特許番号4872695がある。 この発明では、後輪用フォークに首振り自由に軸受が設けられ、該軸受に滑動自在にロッドが嵌合され、該ロッドの中間部先端寄りにクランク先端部が回転自在に連結され、該ロッドの先端部にペダルが設けられている。 運転者がペダルを踏み込むと、該ロッドは前記軸受を支点とするてこを構成し、クランクに伝達される力はペダルを踏み込む力よりも増幅されるというものである。
【0011】
この発明では、クランクの全ての回転角度で力が増幅されるため、クランクがペダル最高位置(いわゆる上死点)からペダル最低位置(いわゆる下死点)に至る期間(以下往行程という)では確かに回転力が増大するが、クランクが下死点を過ぎて上死点に至る期間(以下復行程という)では負の回転力が増幅される。 後者の期間は、前者に比して“てこ比”が大きいため負の回転力の増幅率が正の回転力の増幅率より大きくなり、1サイクル通して考えるとこの発明の構成でも動力の増加は期待できない。
【0012】
図13はHIGH-TECH CYCLING(出版HUMAN
KINETICS, P.O. Box 5076, Champaign, IL, USA ) Figure 7.3を引用して本願説明用に書き直したもので、米国の競輪選手が350W(上記文献には明確な記述がないがクランクになされている単位時間当たり仕事量―ワットを示しているものと思われる)、90rpmでペダルを踏んでいるときのクランク回転力の変化を横軸にクランク角度θ(上死点からの時計回りの角度)をとって示したものである。本図によれば、θが90°をわずかに過ぎる点で回転力は最大となり、θ=120°あたりから急速に減少する。
下肢の重量および筋力が十分ペダルに作用している120°<θ<180°の期間に回転力が減少している事実は、この期間下肢の重量および筋力がクランクを回転させる方向ではなく、クランクを伸ばす方向に支配的に作用していることを示している。 すなわち、結果的に、伸びないクランクを伸ばそうとすることに運転者のエネルギーが消費されている。 クランクを伸ばそうとしていくら大きな力を作用させても力学的にはなした仕事は0であるが、運転者の身体の中では血液が激しく循環し、化学反応が激しく進行して、エネルギー消費はなされている。一方217°<θ<345°の期間では負となっているが、これは180°<θ<360°の期間で、クランクを正回転させようとする筋力とクランクを逆回転させようとする下肢の重さがθ=200°あたりから拮抗し、ついには後者が勝る結果である。
【0013】
特開昭58−133986,特開昭58−221783および特開平8−113180に開示される人力駆動機構では、ロープ・滑車機構、往復動チェーン・スプロケット機構もしくはラック・ピニオン機構が左右2系列用いられ、一方が往行程の時、他方は復行程にあるよう機構的に連結されている(なお、ここで使用している機構名称は本願発明者が説明の便宜上名付けたもので、必ずしも原明細書とは一致していない)。 例えば、左系列の往行程において、ペダルが踏み込まれると力がロープ、チェーンもしくはラックを介して滑車、スプロケットもしくはピニオンに伝えられ接続されている車輪が回転する。 復行程においては右系列の動力によりペダルが上昇し、この間、左系列の滑車、スプロケットもしくはピニオンは軸部に設けたラチェットもしくは一方向クラッチ等のフリーホイール機構により出力軸に対して空転する。
【0014】
いずれの発明においても、往行程において人力は滑車、スプロケットもしくはピニオンに対して接線方向に作用し、加えられた力は全て回転力となるが、往行程終了時、正方向に動いていた下肢が突然停止させられることにより、下肢、チェーン、ラック、スプロケット、ピニオン等の運動質量の運動エネルギーは強制的に0にされるので1サイクル全体で考えると、入力動力の有効な増加分は期待できない。
【0015】
往復動チェーン・スプロケット機構を採用し、踏み込み時エネルギーの一部をスプリングに吸収させておいて、スプリングに蓄えたエネルギーでペダルを踏み込み前の位置まで戻すという発明が特開昭58−199279に記載されている。 この発明については、スプリングの戻る速度に踏み込みタイミングを合わせないと出力が出ない(ペダルが十分戻らない内に踏み込むと、ペダルの加速距離がとれないーこの発明の方法でもペダルの踏み込み初速度は常に0m/sと考えられるから)、したがって速度もあまりでないという問題がある。
【0016】
また、筋肉を低速で収縮させれば高速で収縮させる場合に比して大きな力を発生することのできる点に着目し、チェーンリングを真円でなく、楕円等にして、クランクとの位相差を工夫することによりクランクの回転数変動を小さくして運転者がより大きい筋力をペダルに作用できるようにする研究もなされてきた。 しかし、この方法では、位相差を固定すると、限られた目的にしか能力を発揮しえないという問題があるようである。例えば、或位相差は定常耐久走行には適しても、登坂や短時間全力走行に適さない等である。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、前述の従来技術の問題点を解決し、自転車、3輪自転車、4輪自転車、車椅子、ボート、人力飛行機およびトレーニング機器等人力で駆動される乗物もしくは乗物を模した機器に好適な、人力を効果的に動力に変換することができる人力駆動機構を提供することにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の発明は、回転体と、支持体と、前記回転体および前記支持体に巻回された無端駆動部材と、前記無端駆動部材に取付けられた人力駆動受け部と、前記無端駆動部材が移動する面に含まれる直線まわりの、前記駆動受け部の回転を抑制する抑制手段を有 し、前記抑制手段が、一端を前記駆動受け部に回転可能に取付けられたアームと、一端がフレームに回転可能に取付けられ、他端が前記アームの他端に回転可能に取付けられたフリークランクとを有し、前記人力駆動受け部は前記面に実質的に垂直な方向に変位可能であることを特徴とする人力駆動機構である。
【0019】
本発明の第2の発明は、回転体と、支持体と、前記回転体および前記支持体に巻回された無端駆動部材と、前記無端駆動部材に取付けられた人力駆動受け部と、前記無端駆動部材が移動する面に含まれる直線まわりの、前記駆動受け部の回転を抑制する抑制手段を有し、前記抑制手段が、一端を前記駆動受け部に回転可能に取付けられたアームと、一端がフレームに回転可能に取付けられ、他端が前記アームの他端に回転可能に取付けられたフリークランクとを有し、前記無端駆動部材が移動する無端経路は人力による駆動が行われる往経路部と往経路部に戻る復経路部とを有し、前記フリークランクの前記一端が前記往経路部の外側の位置で前記フレームに回転可能に取り付けられていることを特徴とする人力駆動機構である。
【0020】
本発明の第3の発明は、上記の人力駆動機構において、前記回転体と前記支持体に巻回された無端駆動部材を緊張させる緊張部材を有することを特徴とする人力駆動機構である。
【0021】
本発明の第4の発明は、上記の人力駆動機構において、前記無端駆動部材の張力を制御する、緊張調整ボルトと緊張ボルトとの組合わせを有することを特徴とする人力駆動機構である。
【0022】
本発明の第5の発明は、上記の人力駆動機構において、第二回転体と、第二支持体と、該第二回転体および第二支持体に巻回された第二無端部材と、前記第二無端駆動部材に取付けられた第二の人力駆動受け部とをさらに有し、前記第一回転体と第二回転体が共軸であり、軸部材により互いに固定され、前記第一の支持体と第二の支持体が互いに独立して回転可能にフレームに取付けられていることを特徴とする人力駆動機構である。
【0023】
本発明の第6の発明は、上記の人力駆動機構において、前記回転体は駆動スプロケットであり、前記支持体は遊動スプロケットであり、前記駆動スプロケットと前記遊動スプロケットに巻回された前記無端駆動部材はチェーンであり、前記駆動スプロケットと前記遊動スプロケットのうち相対的に高い位置に配置されるスプロケットのピッチ円半径が52〜116mmであり、相対的に低い位置に配置されるスプロケットのピッチ円半径が64〜116mmであることを特徴とする人力駆動機構である。
【0024】
本発明の第7の発明は、上記の人力駆動機構において、前記回転体を支持する駆動軸ボス、前記支持体を支持する遊動軸ボスおよび前記フリークランクの一端を支持するクランク軸ボスが実質的に三角形状の構造体からなるブラケットに配設されたことを特徴とする人力駆動機構である。
【0025】
本発明の第8の発明は、上記の人力駆動機構において、前記支持体が曲面状の案内レールであることを特徴とする人力駆動機構である。
【0026】
本発明の第9の発明は、上記の人力駆動機構において、推進輪が前記回転体と同軸上に設けられていることを特徴とする人力駆動機構である。
【0027】
本発明の第10の発明は、上記の人力駆動機構により駆動される従動輪を有することを特徴とする自転車である。
【0028】
本発明で、回転体とは巻き掛けられた無端駆動部材によって回転させられることにより負荷を駆動するスプロケットもしくは滑車のこと云い、支持体とは無端駆動部材が巻き掛けられて周回する円弧状案内レールもしくは基本的に空転する回転体のことを云う。
【0029】
本発明で、無端駆動部材とは、ベルト、タイミングベルト、チェーン、ビードチェーン、ピンドチェーン、ロープなどの圧縮や曲げに対して抵抗がなく、引張力だけに耐えて回転力を伝達する可撓性部材を云い、人力駆動受け部とは、ペダル、ハンドル等直接人力が作用する部材を云う。 また、フレームとは当該乗物の重量を支え、構造を形成する部材もしくはこれに直接、間接に固定されたパイプ、型材、板等の構造部材を云う。
【0030】
大曲率半径部は曲率が無限大である直線軌道であってもよいし、案内レール、遊動スプロケット等により緩やかな曲線軌道としてもよい。
【0031】
本発明の人力駆動機構によれば、運転者が人力駆動受け部を介して無端駆動部材の大曲率半径部に沿って力を加えやすい角度、位置に回転体と支持体の対を配置でき、大曲率半径部において人力がほぼ100%トルクに変換され、回転力の最大値が一定期間持続し、かつ大曲率半径部の端部では、運動質量の有する運動エネルギは小曲率半径部の回転運動のエネルギに変換されて有効に保存される。
その結果、大幅な入力動力の増大が期待される。
【0032】
入力動力の増大により速度能力、登坂能力が大幅に向上するので、通常の道路を走行する限り必ずしも変速機構は用いなくてもよい。
【0033】
本発明の好ましい人力駆動機構では、ペダルもしくはハンドルを有するチェーンと該チェーンが巻き掛けられている回転体および支持体とから構成され、前記ペダルもしくはハンドルが前記抑制手段によって該チェーンの移動面に対してほぼ直角にその姿勢を保持されている。 より好ましくは、支持体として回転体が用いられる。
【0034】
この場合ペダルもしくはハンドルに力が加えられてもチェーンが曲げられたり、ねじられたりすることがないので、チェーンが変形・損傷することがなく、力の作用点の位置も定まるので力も入れやすく、運転者の筋肉、関節も疲労が少ない。
【0035】
この場合、好ましくは前記抑制手段がフレームに一端を回転自在に取り付けられたフリークランクと該フリークランクの他端が回転自在に連結されているアームとで構成され、該アームは前記駆動受け部に回転自在に取付けられている。 該アームが該駆動受け部に回転自在に取付けられているため、アームの回転がチェーンの移動を阻害したり、チェーンに無理な力を加えることはない。
この方式の抑制手段の利点は、これらフリークランクやアームの支持、連結部の軸受に摩擦損失が極めて小さく、軽量、小型でダストシールがしやすい玉軸受、円筒ころ軸受もしくは針状ころ軸受等を使用できることである。
【0036】
より好ましくは、アームとチェーンとの連結部において、アーム端部には円筒ころ軸受もしくは針状ころ軸受の少なくとも外輪が取付けられ、チェーン側には駆動力受けリンクが設けられて、該駆動力受けリンクはころを介して前記外輪に挿入されている。
チェーンは多数のチェーンリンクを連続的に回転可能に接続したものであるが、駆動力受けリンクはこのチェーンリンクの一個に駆動力受け機能を持たせたものであることが好ましい。
【0037】
アームとチェーンとの連結部において、アーム端部に取付けられた軸受外輪とこれに挿入された駆動力受けリンクとの間で軸方向相対変位が許容されることは、アーム、クランクおよびフレームの軽量化を行う上で好ましい。
すなわち、アーム、クランクおよびフレームの軽量化を進めると剛性が低下傾向となり、チェーンに無理を掛けないという抑制手段としての目的機能は維持されても、剛性低下の結果チェーンが移動する面に含まれる直線まわりのペダルの回転が相対的に大きくなるため、ペダルがスプロケットに近づくとチェーンの内側リンクプレートがスプロケット側面に強く当たる傾向となる。
この場合に、この軸受が円筒ころ軸受、針状ころ軸受もしくはリニアブッシュ等の直動軸受等のように、軸を回転自在とし、軸とハウジングの軸方向の相対変位を許容する形式とすることによって、ペダルだけが軸方向に変位するだけで、駆動力受けリンクはチェーンの移動面に対して殆ど直角に保たれるため、チェーンがスプロケット側面に強く当たることはない。
勿論、アーム、クランクおよびクランクを保持するフレームに十分な剛性が期待できる場合は、アームとチェーンの連結部に深溝玉軸受等を使用して、駆動力受けリンクとアームの軸方向相対変位をなくしてもよい。
【0038】
抑制手段としては、上記のようにフリークランクとアームの組合せ以外に摩擦損失が小さいリニアブッシュ型直動軸受やボールスプライン型直動軸受とフリークランクの組合せを使用してもよい。ただし、この方式が成り立つのは、対をなす回転体と支持体の半径が等しい場合に限られる。
すなわち、リニアブッシュ型直動軸受とフリークランクとの組合せではチェーンで形成される長円軌道の内部に移動面と平行に、長手方向に一定区間配設された2本のロッドと該ロッド各々に支承されて往復動するリニアブッシュ型直動軸受を少なくとも各1個有するスライダーと該スライダーに一端を移動面に垂直な軸まわりに回転自在に保持され、他端でペダルもしくはハンドルの軸を回転自在に保持するフリークランクとから構成される方式である。ボールスプライン型直動軸受とフリークランクの組合せでは、フレーム上の固定点で首振りするボールスプライン型直動軸受と該直動軸受に支承されて回転することなく滑動し先端部でペダルもしくはハンドルの軸を回転自在に保持するスプライン溝を有するロッドとから構成される方式である。
【0039】
本発明の一形態では、前記フリークランクの回転中心がチェーンで形成される長円軌道の内部に位置するようにされている。この場合、さらに好ましくはフリークランクの回転中心を対を成す回転体と支持体の中心を結ぶ線分の中心に配置する。このようにすると、フリークランク回転半径とアーム回転半径の和が最小となるのでフリークランクとアームの曲げおよびねじり変形が小さく、これらの部材の軽量化を図ることができる。
【0040】
他の形態では、フリークランクの回転中心の配置態様としては、フリークランクの回転中心がチェーンで形成される長円軌道の外部に位置するようにされている。この場合、対を成す回転体のピッチ円半径と支持体の曲率半径(支持体が回転体の場合にはピッチ円半径)が同一である場合には、フリークランクの回転軸を該対を成す回転体と支持体の中心を結ぶ線分の垂直2等分線上に配置する。このようにすると、フリークランクの回転半径とアームの回転半径の和が小さく抑えられ、フリークランクとアームの曲げ、ねじり変形が小さくなり、これらの部材の軽量化を図ることができる。また、フリークランクを該フリークランクの搖動可能範囲が前記無端駆動部材の移動範囲内と重複しないような長さにすれば、フリークランクをアームより自転車等の中心線よりに配置でき、該人力駆動機構のよりコンパクトな配置が可能となる。
自転車においては、フリークランクの回転中心をペダル後方に配置すると、悪路走行中に障害物に当たることがなく、悪路走行を目的とするBMX車などに好ましく使用できる。また、自転車において、フリークランクの回転軸をペダル前方に配置すると、ペダル前方の大きな空間が利用できるため、アームおよびクランクの配置に自由度が生ずる。さらに、自転車の重心が前方に移動するので、後輪を前方に配置することが可能となり、前輪中心と後輪中心間の距離であるホイールベースを小さくできるので、自転車の回転性能、加速性能が向上する。ホイールベースを小さくすると、回転性能、加速性能が顕著に向上することは知られているが、重心が相対的に後方となるため登坂時等に前輪が浮きやすくなるという問題があるため、従来はホイールベースを現状以下にすることは困難であった。
【0041】
片腕で操縦ハンドル(本発明の構成で使用される“人力駆動受け部”としてのハンドルと区別するため、方向舵取り操作のためのハンドルを以下操縦ハンドルと云う)が操作され、もう一方の腕によってハンドルによって駆動力の伝達が行われる3輪自転車、4輪自転車、車椅子等においては、好ましくは人力駆動機構を運転者の脇の下方外側(運転者の横側)で若干前方に配設し、対を成す回転体と支持体の中心を結ぶ直線が鉛直線に対して前方を低く傾斜させられている。このようにすると運転者の腕の動きに無理がないため体重を腕にのせやすく、その割に疲労が少ない。
【0042】
さらに別の形態では、前記チェーンを常時緊張させる緊張手段が設けられている。 アームとフリークランクからなる抑制手段はチェーンが移動面外に飛び出したり、変形したりすることを防止するが、チェーンが移動面内を長円軌道からはみ出すことについては何ら拘束しない。 本発明の構成においては、チェーンリンクに直接力が加えられてチェーンが牽引されるため、チェーンが弛んでいれば、牽引時、長円軌道の直線部ではチェーンが蛇行し、スプロケット部ではチェーンのローラがスプロケットの歯から離れたり衝突したりする可能性がある。 このようなことが起これば、動力損失が大きくなり、チェーンのローラや、ピンの損耗が短期に発生する可能性がある。 チェーンの緊張手段は、好ましくは対を成す回転体と支持体が取り付けられているパイプ等からなる円柱が上下に分割されて互いに滑動自在にはめ合わされ、二つの円柱の中にそれぞれ設けた底板の間にスプリングが圧縮挿入されている。 単に植え込みボルトもしくはボルト、あるいはその組み合わせ等を用いて前記上下の円柱を離隔する方向に押してチェーンを緊張させてもよい。
勿論、別途設けた遊動スプロケット、遊動ローラ等によってスプリング等の力でチェーンを緊張する手段も可能である。
【0043】
一般にチェーン伝達機構での損傷はチェーンがスプロケット上を移動している時、チェーンのローラやリンクプレートがスプロケットに衝突を繰り返すことにより発生することが多い。したがって、チェーンとペダルもしくはハンドルとの接続部近傍、好ましくはペダルもしくはハンドルの軸と中心線を同一にする軸を有する案内ローラを設け、少なくとも下方に位置している回転体もしくは支持体の少なくとも一部を覆うように該案内ローラが転動する転動レールを設けて、チェーンのローラがスプロケットの歯面を離れないようにしてもよい。
【0044】
本発明の好ましい人力駆動機構では、左右にペダルもしくはハンドルを有するチェーンを配置し、右側のチェーンは第一回転体および第一支持体に巻きかけられ、左側のチェーンは第二回転体および第二支持体に巻きかけられ、第一と第二回転体は同一軸に固定され、該軸には第一と第二回転体の間に第三回転体であるチェーンリングが固定され、左右のペダルもしくはハンドルに加えられた動力が左右のチェーンから第一もしくは第二回転体を介してチェーンリングに伝達され、さらにチェーンリングに連結されたチェーン、歯車等を介して動力が推進輪(自転車の場合には後輪、ボートの場合には水車、プロペラ等)に伝達される。
ここで、支持体をチェーンの内側リンクプレートの内幅より若干狭い巾の案内レールにして該レール上でチェーンのローラを転動させれば構造が簡単で配置に自由度がある。支持体を回転体にすれば、摩擦損失がより少なくなる。
【0045】
より好ましくは、左右のペダルもしくはハンドルは略1/2周期位相をずらされている。このような構成においては両脚もしくは両腕を交互に連続的に使えるため、回転軸の回転変動が少なく、力も平均的に安定して加えることができ、運転者にとって疲労が少ない。
【0046】
ここで、説明を容易にするためチェーンと当該チェーンが巻きかけられている対を成す回転体と支持体をまとめて人力駆動ユニットと呼ぶと、運転席と略平行に配設された上記人力駆動機構ユニットの配置については、運転席を二つの人力駆動機構ユニットの中間、中間後方、中間前方(ボート等の場合等で運転者が後ろ向きに座ってペダルを踏むかハンドルを引くような配置)、中間上方(自転車では一般的な配置)、中間下方いずれに位置してもよいが、人力駆動機構ユニットの傾斜角を含めて運転者が両足もしくは両手を使ってペダルもしくはハンドル等の人力駆動受け部に力を加えやすい配置が選ばれる。
【0047】
本発明の一形態の自転車においては、略平行に配設された人力駆動ユニットが運転席の下方で、踏み込み側チェーンの直線軌道部分が鉛直線に対して後側を低く傾斜させられている。 この構成では、運転者は手で操縦ハンドルを押さえ、足でペダルを斜め後方に蹴る態勢となるため、腰から臀部へかけての筋肉を使ってのペダル踏みが可能となり、楽に大きな力を発生できる。
【0048】
本発明の別形態の自転車においては、略平行に配設された人力駆動ユニットが運転席の下方で、若干前方に配置され、踏み込み側チェーンの直線軌道部分が鉛直線に対して前側を低く傾斜させられている。
この構成では、運転者は手で操縦ハンドルを引き、足でペダルを斜め前方に蹴る態勢となるため、腰から臀部へかけての筋肉を使ってのペダル踏みが可能となり、楽に大きな力を発生できる。
【0049】
本発明のさらに別形態の自転車においては、略平行に配設された人力駆動ユニットが運転席の下方で、ほぼ両側方に配置され、踏み込み側チェーンの直線軌道部分が鉛直に配置されている。
この構成では、運転者は全体重をペダルに掛けやすく、長い坂を登る場合には好適な配置となる。
【0050】
本発明の好ましい人力駆動機構では、左右にペダルもしくはハンドルを有するチェーンを配置し、右側のチェーンは第一回転体および第一支持体に巻きかけられ、左側のチェーンは第二回転体および第二支持体に巻きかけられ、第一回転体と第二回転体は推進輪(自転車の場合には前輪もしくは後輪、ボートの場合には水車やプロペラ等)と同一軸中心を有している。
例えば、自転車の場合、第一回転体と第二回転体は前輪もしくは後輪と共軸もしくは遊星歯車変速機を介して軸中心を共有するようにされる。
【0051】
本発明の好ましい人力駆動機構では、対を成す回転体と支持体に巻回された無端駆動部材の大曲率半径部の地平面に対する傾斜角が可変となっている。
この構成では、自転車においては、登坂時には当該人力駆動機構の大曲率半径部を鉛直線に近く立てた鉛直配置として体重を掛けやすくし、長距離平坦道走行時には傾斜配置として運転者はサドルに座って前方もしくは後方にペダルを蹴ることができ、体重、腰、下肢の筋肉を有効に利用できる。
【0052】
本発明の好ましい人力駆動機構では、前記無端駆動部材は複数のリンクをピンで接続したチェーンであり、該複数のリンクのうち一つが駆動力受けリンクを構成し、該駆動力受けリンクは、前記チェーンの移動面と垂直方向に突出した軸を有し、前記駆動力受けリンクは該軸を介して前記抑制手段に回転可能に取付けられている。
この場合、該駆動力受けリンクはU字溝を有し、該U字溝内で前記チェーンの隣接するリンクと回転可能に接続されている。 タイミングベルトを適用する場合には、隣接する二つの歯と谷に挟まれた単位をリンクと呼べば、駆動力受けリンクのU字溝に、隣接すべきリンクの歯を両側から挿入し、U字溝を貫通するピンにより夫々を回転可能に接続すればよい。
ビードベルトやピンドベルトの場合にも相隣接するビードやピンからなる単位をリンクと呼べば、これらの場合にも同様に本発明が適用可能である。
【0053】
以上の説明は本発明を自転車に適用する場合を中心に行ったが、3輪自転車、4輪自転車、車椅子、ボート、人力飛行機およびトレーニング機器等人力で駆動されるその他の乗物もしくは乗物を模した機器等等にも適用可能である。 本発明によれば、入力動力が増大するので、速度、トルクともに増大させることが可能となり、人力乗物の推進が快適となる。
本発明をトレーニング機器に適用すれば、自転車、ボートを模した体力増強装置の提供が可能となる。 また、人力駆動機構の大曲率半径部を鉛直配置とし、対を成す回転体と支持体の中心間距離を小さくしてペダルのストロークを短くすれば足、腰の動きが人の歩行とよく似た動きとなり、歩行練習器として歩行困難者のリハビリに好適に用いることができる。
【0054】
人力駆動受け部は、足で操作するペダルであっても、手で操作するハンドルであってもよい。 3輪自転車、4輪自転車、ボート等のように運転者が座席に深く座って運転できるような乗物では対を成す回転体と支持体に巻回された無端駆動部材の大曲率半径部を前方に低くなるよう構成して、運転席を人力駆動機構の後方で対を成す回転体と支持体の高い方とほぼ同じ高さに配置し、運転席に運転者の後部を支持する背もたれ、腰受け等を設ければ、脚に力が入りやすく、この構成もまた本発明の好ましい適用態様である。また、本発明による人力駆動機構は、人力駆動機構ユニットを左右に配設する場合、左右の人力駆動受け部の位相を以上例示したように1/2周期ずらして左右の足もしくは手で人力駆動受け部に力を加えることだけに限定されるものではない。例えば、3輪自転車、4輪自転車、ボート等においては、本発明による人力駆動機構を座席に座った運転者の両側にほぼ水平に、高さをおよそ運転者の腰から肩と同じく配設し、左右位相を併せてハンドルに力を作用させる構成も本発明の好ましい適用態様である。
【0055】
本発明の人力駆動機構は、自転車、3輪自転車、4輪自転車、車椅子、ボート、人力飛行機およびトレーニング機器等人力で駆動される乗物もしくは乗物を模した機器等に好ましく適用でき、人力を効果的にトルクに変換できるので大きな出力向上が可能となり、非力な運転者でも長距離運転が可能となり、自転車や車椅子等に適用した場合には、登坂能力、危険の回避等の面で効果が顕著である。
【0056】
【実施例】
以下、本発明の人力駆動機構を実施例によって具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
【0057】
図1は、本発明の人力駆動機構を自転車に適用した場合の第1実施例を示す配置図で左右の人力駆動機構ユニットが平行に、それぞれ対を成す回転体と回転体からなる支持体の中心を結ぶ直線が鉛直方向を向くように配置されている。図1において、紙面手前側、すなわち自転車に乗車した状態で右側に位置する人力駆動機構ユニットを右ユニット、左側を左ユニットと呼ぶことにし、右ユニットの部品には一桁もしくは二桁の符号が当てられ、左側ユニットの部品には対応する右ユニットの部品の符号に二桁の0がつけられるものとする。
軸受、ナット、軸受等特に区別を要さない機械要素については左右とも同じ符号とする。
図2〜図9は本実施例における人力駆動機構の実施態様の詳細を説明するもので、図2は自転車全体を示す側面図、図3は図2のY−Y矢視図、図4は図2のX−X矢視図、図5は図3のA−A断面図、図6は図3のB−B断面図、図7は図3のC−C断面図、図8は図4のD−D矢視図、図9は図3のE−E断面図、図10は図3の別態様図である。各部品の説明において、右ユニットについては全ての符号について説明するが、左ユニットについては輻輳を避けるため、必要な場合を除いて説明を省略する。
【0058】
図1〜図9において、1および2は鉛直に配設された円柱32に回転自在に取り付けられたそれぞれ第一回転体(スプロケット)および第一支持体(スプロケット)、100および200はそれぞれ第二回転体(スプロケット)および第二支持体(スプロケット)、3および300はそれぞれ第一回転体1と第一支持体2、第二回転体100と第二支持体200に巻き掛けられた長円軌道を形成する無端駆動部材であるチェーン、4および400はそれぞれ駆動力受けリンク12、1200、ペダル軸17、1700を介してチェーンを牽引するペダルである。ペダル4、400は互いに位相を1/2周期ずらされている。
10,1000および11、1100はペダル軸17、1700をチェーンの移動面に対して常に垂直に保つそれぞれフリークランクおよびアーム、6はナット26およびスペーサ24,25によって第一回転体1、第二回転体とともに駆動軸15に固定された第三回転体であるチェーンリング、7は伝達チェーン8を介してチェーンリング6によって回転させられる後輪の従動軸スプロケットである。図7において、駆動軸15は軸受27を介して、円柱32に貫通固定されたボス34によって回転自在に保持されている。円柱32は自転車のフレームであるダウンチューブ30とシートチューブ31の連結部中間で両者と溶接付けされている。
図1において、伝達チェーン8,従動軸スプロケット7,ダウンチューブ30とシートチューブ31等は従来技術によるものである。
【0059】
図5において、フリークランク10、1000は夫々クランク軸13、1300の2面幅部分13a、1300aに圧入固定され、軸受28を介して円柱32に貫通固定されたボス33によって回転自在に保持されている。 クランク軸13、1300はクランクの動きによって空転する。
図6において、アーム11はフリークランク10に焼きばめ等で固定された連結軸14に複列アンギュラー玉軸受28を介して回転自在に取り付けられている。 左ユニットについても同様である。
フリークランクとアームの対は抑制手段を構成し、ペダルに力が加えられる時、ペダル軸をチェーンの移動面に対して常に垂直に保つ。 これにより、ペダルに運転者の足から確実に力が伝えられ、かつチェーン3、300のリンクに曲げモーメントやねじりが作用しないため、チェーンそのものはその移動面に含まれる直線まわりのモーメントに対して高強度を必要としない。
したがって、軽量、薄肉のリンクを有するチェーン、例えば通常の自転車に用いられている多段変速用のものを用いることができる。
【0060】
図4、図8において、ペダル4は図示されていない軸受(自転車のペダルに通常使用されている軸受でよい)によって回転自在にペダル軸17に取付けられ、該ペダル軸はアーム11の端部ボス11aの側面にねじ込まれることによって固定され、該ボス11aには針状ころ軸受29が設けられ、駆動力受けリンク12の軸部12aが挿入されている。
駆動力受けリンク12のU字溝12bにはチェーン3の一方の端部リンク3aと他方の端部リンク3bが外リンクプレート20を取り外してはめ合わされ、両端部リンク3aと3bは夫々ブッシュ23の内側を貫通するノックピン18によって駆動力受けリンク12のU字溝に回転自在に取付けられている。 ノックピン18はピン19と同一径で、ピン19と同様に、ブッシュ23に隙間を設けてはめ合わされ、ブッシュ23の外周にはローラ22が隙間をもってはめ合わされている。
【0061】
したがって、チェーン3は前記U字溝12bと2本のピン18により無端駆動部材を構成している。針状ころ軸受29と駆動力受けリンクの軸部12aは軸方向の相対変位を許容されるので、ペダル4に大きな踏込み力が作用しクランクやアームに多少の撓み、捩じりを生じても、ペダルが多少外側に変位するだけで、アームボス部11aの角度変化が小さいためチェーンには問題となるような曲げや捩じりは生じない。
また、ピン18は両端をU字溝で支持されているため、チェーン3に働く牽引力(引張り力)によってピン18に大きな応力が発生することはない。 軸受29には針状ころ軸受の代わりに円筒ころ軸受やリニアブッシュ等の直動軸受を使用することもできる。
一般に針状ころ軸受や円筒ころ軸受では曲げモーメントが作用すると、ころの端部に大きな接触面圧が生じ、この部分から損耗しやすいことを考慮して、ころ端部に丸みをつけてもよい。
それにより、応力勾配が緩和され耐久性がさらに向上する。 また、前記軸部12aに肌焼き材を用い、薄い表層は高硬度で、その内部は柔らかい二層構造とすることも応力緩和上好ましい。
前記チェーン3については駆動力受けリンク12とその取り付け方法を除いて、従来技術が使用可能である。
【0062】
図9において、第一支持体2、第二支持体200はナット26およびスペーサ25によって夫々遊動軸16、1600に固定され、軸受27を介して、円柱32に貫通固定されたボス35によって回転自在に保持されている。
遊動軸16、1600はチェーン3,300の動きに伴い空転する。
図10に示されるように円柱32を軸方向(上下方向)に2分割し、下部円柱32bの上部小径部を上部円柱32a内周部に滑動自在にはめ合せ、スプリング42は下部円柱32bに設けられたスプリング受け41と上部円柱32aに設けられたスプリング押さえ40とによって圧縮保持し、チェーン3をセットすることにより強く圧縮してもよい。 逆にチェーンはスプリングによって強く緊張させられている。
【0063】
図1において、フリークランク10の回転軸中心Ocは第一回転体の中心O1と遊動軸の中心O2の中間に位置し、フリークランク10の回転半径Lcとアーム11の回転半径Laの和がペダル中心の最上位置もしくは最下位置とフリークランクの回転中心Ocとの距離Hよりも若干大きくされている。
このようにすると、幾何学的に最下位置や最上位置が思案点や死点になることはない。
【0064】
図1では、右ユニットが往行程にあり、ペダル4は運転者の足から下向きの力を加えられてチェーン3を矢印の向きに牽引している。 往行程の大曲率半径部(本実施例の場合は直線部分)においては、ペダル4に作用された力は100%トルクに変換される。 したがって、この部分では図13の最大回転力が維持される。
左のペダル400には運転者の足もしくは下肢の重さが作用しているが、左のペダルが往行程終了時有していた左のペダルに付随する運動質量の運動エネルギーと右足の踏み込みによる動力の一部を消費することにより上昇することは、従来の自転車の場合と同様である。
また、前述した“往復動直線運動型人力駆動機構”とは違って、往行程の踏み込み開始時期においてペダルの移動速度は低下していないので、加速距離は必要でなく、全ての往行程で人力は回転力として伝達される。
この結果、本実施例の構成によれば、対を成す回転体と支持体の中心間距離、夫々のピッチ円半径によって変化するが、力学的には従来の自転車に比して1.2倍〜1.8倍の入力動力が得られる。
【0065】
本実施例では対を成す回転体と回転体から構成される支持体のピッチ円半径が同一とされているが、夫々のピッチ円半径が相違していても本発明を好ましく適用できる。
本実施例では、無端駆動部材としてチェーンを用いて説明を進めたが、回転力を伝えうるものであればベルト、タイミングベルト、特殊チェーン、ロープ等どのようなものであっても本発明の構成に適用可能である。
【0066】
本実施例では、変速機を設けていないが、従動軸スプロケットを多段、例えば9段とすることも、チェーンリングを1段でなく3段とすることも、本発明の趣旨を減ずることなく可能である。
【0067】
本願発明者の多段変速機と組合わせた本実施例の試作試験結果によると、速度性能、登坂性能の上限を決定する主要因子は対を成す回転体と支持体(何れもスプロケット)の角速度であることが判明している。
また、立ち漕ぎの円滑さには、下側に配置されているスプロケットの角速度の大きさが関係する。 すなわち、ペダルがスプロケットを周回するとき、踝が大きい角速度に追随できないため方向転換に遅れが生じやすい、特に上に位置するスプロケットをペダルが周回する場合遠心力で足がペダルを離れやすい。
後者についてはペダルにバンド等で足を固定したり、意識して足をペダルに押し付けたりすることによって大きな角速度まで追随可能である。 また、慣れることによって解消する。
【0068】
自転車の場合、目的、運転者層に応じてスプロケットのピッチ円半径が選定される。
上に配置されるスプロケットのピッチ円半径は、好ましくは52mm(通常の自転車用チェーンを用いる場合には歯数26)以上116mm(同歯数57)以下、より好ましくは64mm以上(同歯数32以上)106mm(同歯数52)以下、下に配置されるスプロケットのピッチ円半径は、好ましくは64mm以上(同歯数32)以上116mm(同歯数57)以下)、より好ましくは76mm以上(同歯数38以上)106mm(同歯数52)以下が選定される。
【0069】
図11は本発明を自転車に適用した場合の第2実施例を示す側面図で、フリークランクの回転中心がチェーンで構成される長円軌道外で、ペダルの後方のシートステー60に位置している。その他の第1実施例との相違は、チェーンリング6の配置が下になっていること、左右の人力駆動機構ユニットが鉛直線から26゜傾斜して自転車に配設されていること等である。
このように、フリークランクの回転中心を後輪側に配置すれば、悪路走行中にクランクやアームが障害物に当たることがなく、悪路走行を目的とするBMX車などに好ましく使用できる。 この実施例のように、チェーンリング6が下方に配置されると、伝達チェーン8が短くなるという利点がある。また、ペダルの最高、最低位置を従来の自転車と同一に保ったまま人力駆動機構を鉛直線から26゜傾斜させているためペダルのストロークが大きくとれ、鉛直配置の場合に比して入力動力増が大きくなる。なお、ここで26゜の傾斜は一例を示したに過ぎず、使用目的、対象者層によってこの角度は変化する。人力駆動機構を本実施例のように傾斜配置にすれば、運転者は手で操縦ハンドルを押さえ足でペダルを斜め後方に蹴る態勢になるため腰から臀部へかけての筋肉を使ってのペダル踏みが可能となり、容易に大きな力を発生できる。本実施例では、人力駆動機構の傾斜角度を選べば、運転者にとってランニングの姿勢に近い姿勢が可能となり、ペダルが下降するにつれ膝が伸びるため、膝関節への負担は大幅に軽減される。
【0070】
図12は本発明の人力駆動機構の第3実施例を説明する概念図である。回転体1のピッチ円半径と等しい半径Rを有する半円弧状の支持体である案内レール2と回転体1の間に無端駆動部材3が巻き掛けられている。回転体1と案内レール2との間の無端駆動部材の直線部長さは0.5πRとされている。 該無端駆動部材3には、ペダル4が設けられ、運転者はほぼ鉛直下向きにペダル4を矢印の方向に踏み込むことにより該無端駆動部材3を長円軌道に沿って移動させることにより回転体1を回転させ、駆動軸15を回転させる。自転車の場合には、実施例1と同じく駆動軸15にチェーンリングを固定し、さらに別の同一ユニットをペダルの位相を1/2周期ずらして配設する。車椅子の場合には、駆動軸15が推進輪と共軸とされる。
ボート等では、駆動軸は船腹を貫いて船外に突出し、先端部に水車、プロペラ等の推進輪が設けられる。
無端駆動部材としては、チェーン、ロープ、タイミングギア等が用いられるが、チェーンを用いればチェーンのローラを案内レール2上で転動させることができるので、摩擦損失が小さい。
【0071】
第3実施例を自転車に応用した場合に、従来型の自転車のクランク半径がR, ペダルの平均移動速度が従来型自転車と本実施例とで同一、無端駆動部材の直線域おいては往行程では図13のクランク角度90°、復行程では270°での回転力が維持され円周域では対応するクランク角度での図13の回転力と等しい場合、本実施例では従来型の自転車に比して約1.18倍の入力動力増となる。
【0072】
物理的な意味での仕事は力と作用点の移動距離の積を云い、移動距離が0であればいかに力が大であっても物理的にはなした仕事は0である。一方、人体では、力を発生させるには筋肉を収縮させる必要があり、力の発生にはエネルギーの消費を伴う。 発生する力の時間積分がその力を維持するために消費されるエネルギーに大略比例すると考えることにする。そうすると人力はその人がそのとき消費している動力(仕事率)に大略比例することになる。運転者の片足が往行程においては方向にかかわらず一定力Fをペダルに作用させ、復行程では休んでいる(F=0)とするならば、時間平均消費動力は両人力駆動機構で等しいことになる。 すなわち、エネルギー効率も約1.18倍になるものと考えられる。
本実施例では、無端駆動部材の直線部長さは0.5πRとしたが、これを長くすると入力動力はさらに増大する。
【0073】
図14は本発明の人力駆動機構を自転車に適用した場合の第4実施例を示す側面図で、前記フリークランクの回転中心(クランク軸13)がチェーンで構成される長円軌道外でペダル前方に位置し、左右の人力駆動機構ユニットは鉛直線から15゜前方に傾斜して配置されている。
本実施例では、多段変速スプロケット7がディレイラー9とともに後輪に設けられ、人力駆動機構ユニットを支持するブラケットは、実施例1の円柱32のように自転車のフレームに溶接付けではなく、別体となっており、下方で二股となっているダウンチューブ、シートチューブおよびチェーンステーの集合部である左右のボトムブラケットに挟まれて回転自在に保持されている。
該ブラケットは、走行状態に合わせて運転者が姿勢調整をできるようになっている。 また、第一、第二回転体とチェーンリングを有する駆動軸15は第一実施例と違って下方に位置している。
第一実施例と同じく、遊動軸は図9と同様に、クランク軸は図5と同様に左右別体である。 第4実施例について以下に詳細に説明する。
【0074】
図14〜図23は本実施例における人力駆動機構の実施態様の詳細を説明するもので、図15は左右の人力駆動機構が取り外された状態での側面図を示し、チェーンリング6と多段変速スプロケット7の関係を示す図、図16はさらにチェーンリング6と伝達チェーン8が取り外された状態での側面図、図17は図16において前記ブラケットおよびダウンチューブ、シートチューブの一部が自転車中心線を含む鉛直面で切断された部分断面図、図18は図17のH部詳細、図19は図16のG-G断面図、図20は図17のI部詳細、図21は図18のL部拡大図、図22は図18のJ矢視図、図23は図16のM矢視図である。
【0075】
図14〜図19において、ダウンチューブ30およびシートチューブ31は、下方で二股になっており、夫々30a(右側部材)、30b(左側部材)および31a(右側部材)、31b(左側部材)に枝分かれし、三つの右側部材30a、31aおよびチェーンステー45の右部材45aはともに右側ボトムブラケット37に集合させられてお互いに溶接接合されている。
同様に、ダウンチューブ、シートチューブ、チェーンステーの左側部材30b、31b、45bは左側ボトムブラケット38に集合させられてお互いに溶接接合されている。 図23に示すように、ダウンチューブは一本の円形チューブから二本の略楕円チューブに枝分かれしている。
シートチューブについても同様である。
図19において、右側ボトムブラケット37および左側ボトムブラケット38は、接続軸39とナット81により、ブラケット固定ボス70g内に設けられたディスタンスリング83、2個の深溝玉軸受の内輪とともに堅く締付けて固定され、フレームの剛性を十分保ちつつブラケット本体70の回転を許容している。
82は左右のボトムブラケットが相互に回転することがないように位置決めするスプリングピンである。
【0076】
図18において、70はブラケット本体、71はブラケット本体70の縦チューブ70cに挿入されたブラケット伸縮部、70a、70b、70c、70dはブラケット本体を構成する夫々トップチューブ、ダウンチューブ、縦チューブ、縦短チューブで、クランク軸ボス70e(実施例1の33に相当)、駆動軸ボス70f(同34に相当)、ブラケット固定ボス70gとともに溶接付けされている。
このようにブラケット本体70は円形チューブからなる三角形のラーメン構造とされているため、曲げ、捩じり剛性が大きく、ペダルに大きな力が加わり、アームおよびフリークランクを介してボス70gを支点とする捩じりがボス70eに作用しても、変形は極めて微小で、アームおよびフリークランクの抑制手段としての機能を確実なものとする。71a、71bはブラケット伸縮部を構成する夫々スライドチューブ、遊動軸ボス(実施例1の35に相当)でお互いに溶接付けされている。
スライドチューブの下端にはガイドピン75が打ち込まれたリング71aaが設けられ、該ガイドピンがブラケット70の縦チューブ70cに設けられた溝70ca(図22参照)に案内されて動くよう構成され、クランク軸ボス、駆動軸ボス、遊動軸ボス、ブラケット固定ボス70gの中心線の平行度が保持される。
【0077】
ブラケット本体の縦チューブ70cの内周とブラケット伸縮部のスライドチューブ71aの外周は対を成すスプロケットの中心間距離、すなわち駆動軸ボス70fの中心と遊動軸ボス71bの中心との距離を調節できるようにわずかに隙間が設けてあるが、縦チューブ70c上端に設けた1対の締付金具79を六角穴付きボルト78(ボルトの頭は締付金具の中に入っていて見えていない)で締付けることによって堅く固定されている(図22参照)。図22において、70cbはこの締付けを容易にするための縦チューブ70cに設けられたスリットである。ここで、締付けによるスライドチューブの倒れが遊動軸ボス中心線と他のボスの中心線との平行度に影響しないように、締付けの方向は図18、図22に図示されるように各ボスの中心線に平行であることが好ましい。
【0078】
図18、図21において、71cは遊動軸ボス71bに挿入されて溶接付けされた内面にネジを有する緊張ボルト座、72は該緊張ボルト座71cにねじ込まれ、内部にネジ72aを有する緊張調整ボルト、73は上部のネジ73aを緊張ボルトの内部にねじ込まれ、下端はブラケット固定ボスにネジで固定された緊張ボルトである。74は緩み防止のロックナットである。
上記緊張調整ボルトと緊張ボルトとの組合わせは一般に作動ネジ機構として知られている。 緊張調整ボルトの内外ネジピッチおよびネジの巻き方向の設定により微調整可能とすることも、短時間で緊張可能とすることもできる。
【0079】
図18、図20において、90はブラケット姿勢調整機構、90aは調整ハンドル、90bは調整ハンドルに固定されトップチューブ36に設けられたボス36aにネジ結合されたハンドル棒、90dは球面ジョイント90cにより上端を該ハンドル棒90b、下端をブラケット本体のクランク軸ボス70eに設けた突起70eaに夫々回転自在に連結された調整ロッドである。
調整ハンドル90aを回転させることにより、ハンドル棒が上下して、ブラケットの姿勢が調整される。
【0080】
本実施例では、ブラケット70は軸受を介して、左右のボトムブラケットに回転自在に保持されているが、勿論ボルトとナットによって直接締付けて固定することも好ましい。
【0081】
図24は本発明の人力駆動機構を自転車に適用した場合の第5実施例を示す側面図で、左右に設けられた同一構成の人力駆動機構ユニットの回転体が後輪と同一軸中心を有している。図25は図24のK矢視図(チェーンは図示していない)である。図24において、これらの人力駆動機構ユニットは、右ユニットで説明すると、下側に設けられた回転体1と上側に設けられた案内レール2、チェーン3とから構成されている。右側ユニットの回転体1は図示されていない左側ユニットの回転体100とともに夫々駆動軸15の両端部に取付けられ、夫々の回転体の自転車中心線よりの内側にはシートステー60とチェーンステー45の集合部に設けられた軸受(図示されていない)があり、さらにこれらの軸受の自転車中心線よりの内側には駆動軸15に直接もしくは遊星歯車機構等の変速機やラチェット機構を介して、後輪が取付けられている。変速機やラチェット機構の構成により、駆動軸15は軸中心を同一にして、左右別体としてもよい。
図25において、案内レール2および200の厚さはチェーン3および300(図示されていない)の内側リンクプレート内幅よりわずかに小さく、これらの案内プレートは円柱ステー66、左右のリブ65を介して右側シートステー60a、左側シートステー60bに固定されている。
ここで、案内レールを可動として、チェーン3および300を緊張できるようにしてもよい。
【0082】
本実施例では、人力駆動機構の回転体の駆動軸15が後輪と軸中心を共有しているため、伝達チェーンおよびチェーンリングが使用されていない。また、本実施例では人力駆動機構が自転車本体のフレームによって直接支持され、特にフリークランクの回転中心が剛性の大きいボトムブラケットに設けられているので、高剛性の割に軽量である。したがって、本実施例は特にポータブルな折りたたみ自転車等に好ましく適用できる。
後輪のサイズは運転者の足が無理なくペダルを回転させることができる大きさとされ、好ましくは14インチ以上26インチ以下、より好ましくは17インチ以上22インチ以下とされる。
【0083】
以上の説明では、回転体と支持体は一人力駆動機構ユニット当たりそれぞれ1個、対で使用されているが、チェーンをペダル等で直接牽引して最大回転力の持続期間を増大させるという本発明の趣旨が生かされる限り、複数個付けても本発明の範囲である。
【0084】
【発明の効果】
本発明による人力駆動機構によれば入力動力が増大し、 例えば、自転車に適用した場合、速度、登坂性能ともに向上させることができる。さらに、本発明を3輪自転車、4輪自転車、車椅子、ボートおよび人力飛行機に適用した場合も同様に入力動力が増大し、速度、トルクともに増大させることが可能となる。
本発明をトレーニング機器に適用すれば、自転車、ボートを模した体力増強装置の提供が可能となる。また、人力駆動機構の大曲率半径部を鉛直配置とし、対を成す回転体と支持体の中心間距離を小さくしてペダルのストロークを短くすれば足、腰の動きが人の歩行とよく似た動きとなり、歩行練習器として歩行困難者のリハビリに好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の人力駆動機構を自転車に適用した場合の第1実施例を示す人力駆動機構の配置図。
【図2】自転車全体を示す側面図。
【図3】図2のY−Y矢視図。
【図4】図2のX−X矢視図。
【図5】図3のA−A断面図。
【図6】図3のB−B断面図。
【図7】図3のC−C断面図。
【図8】図4のD−D矢視図。
【図9】図3のE−E断面図。
【図10】図3の別態様図。
【図11】本発明の人力駆動機構を自転車に適用した場合の第2実施例を示す側面図。
【図12】本発明の人力駆動機構の第3実施例を示す概念図。
【図13】従来の自転車におけるクランク回転力とクランク角度の関係を示すグラフ。
【図14】本発明の人力駆動機構を自転車に適用した場合の第4実施例を示す側面図。
【図15】図14において、左右の人力駆動機構が取り外された状態での側面図。
【図16】図15において、チェーンリング6と伝達チェーン8が取り外された状態での側面図。
【図17】図16において、ブラケットおよびダウンチューブ、シートチューブの一部が自転車中心線を含む鉛直面で切断された部分断面図。
【図18】図17のH部詳細図。
【図19】図16のG-G断面図。
【図20】図17のI部詳細図。
【図21】図18のL部拡大図。
【図22】図18のJ矢視図。
【図23】図16のM矢視図。
【図24】本発明の人力駆動機構を自転車に適用した場合の第5実施例を示す側面図。
【図25】図24のK矢視図。
【符号の説明】
1:第一回転体
100:第二回転体
2:第一支持体(案内レール、回転体)
200:第二支持体(案内レール、回転体)
3、300:チェーン
4、400:ペダル
6:チェーンリング
7:従動軸スプロケット
8:伝達チェーン
10、1000:フリークランク
11、1100:アーム
12、1200:駆動力受けリンク
12b:U字溝
13、1300:クランク軸
13a、1300a:クランク軸の2面幅部分
14:連結軸
15:駆動軸
16、1600:遊動軸
17、1700:ペダル軸
18:ノックピン
19:ピン
20:外リンクプレート
21:内リンクプレート
22:ローラ
23:ブッシュ
27、28,29:軸受
30:ダウンチューブ
30a、30b:ダウンチューブ下部の二股部分
31:シートチューブ
31a、31b:シートチューブ下部の二股部分
32:円柱
33、34,35:ボス
37:右側ボトムブラケット
38:左側ボトムブラケット
39:接続軸
42:スプリング
45:チェーンステー
60:シートステー
70:ブラケット本体
70a、70b、70c、70d:ブラケット本体を構成するチューブ
70e、70f、70g:ブラケット本体に設けられたボス
71:ブラケット伸縮部
71a:スライドチューブ
71b:ボス
71c:緊張ボルト座
72:緊張調整ボルト
73:緊張ボルト
80:軸受
90:ブラケット姿勢調整機構
90a:姿勢調整ハンドル
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention mainly relates to a human-powered drive mechanism such as a bicycle, a wheelchair, a boat, a human-powered airplane, a training device, or a vehicle driven by human power, or a device that simulates a vehicle.
[0002]
[Prior art]
  The human-powered driving mechanism for bicycles and leisure rowing boats is the same in principle, and each consists of two left and right cranks fixed at right angles to the rotation axis, and these two cranks are 180 ° out of phase. A shaft is implanted at the other end of the crank at a right angle to the rotation surface of the crank, and a pedal is rotatably provided on the shaft. By depressing this pedal, torque is generated, thereby propelling wheels such as wheels and propellers are rotated to move the vehicle. In recent years, in addition to bicycles, three-wheeled bicycles and four-wheeled bicycles have appeared in the US and Europe, and it seems that competitions using these bicycles are also being performed, but the principle of the human-powered drive mechanism has not changed at all.
  Bicycles are an industrially large field that is used at a high level of penetration as a means of recreation, commuting, attending school and competition. In the following, for the sake of simplicity, the explanation will be focused on bicycles.
  Bicycles of various types and structures are appearing depending on the application. In relation to the human drive mechanism that is the object of the present invention, a speed change mechanism is adopted to improve speed capability and climbing capability, and only to the driven shaft of the chain provided on the rear wheel (hereinafter referred to as a single driven shaft). Some sprockets (hereinafter referred to as driven shaft sprockets) are provided with several sprockets (hereinafter referred to as chain rings) on the chain drive shaft (hereinafter simply referred to as drive shaft).
One in which a planetary gear mechanism is provided on the driven shaft of the chain is also widespread. In addition, in this application, a manpower drive mechanism means the drive mechanism which transmits manpower to propulsion means, such as a speed change mechanism of a manpower vehicle, or a wheel, a propeller.
[0003]
  Regardless of type, the speed change mechanism does not basically improve energy efficiency, but increases the power transmitted to the propulsion means (rear wheels for bicycles, propellers for boats, etc.) It does not reduce energy.
[0004]
  When climbing a steep hill with a bicycle, a large force is required at the same speed increase ratio as that on a flat ground, and the limit of the driver's leg strength determines whether or not to continue driving. The speed change mechanism is a so-called trade-off device or optimization device for muscle speed and strength for the driver, and when moving uphill, if the muscle strength is insufficient, the speed increase ratio is shifted down to move the muscle faster. Thus, the same power can be generated with a smaller force. However, there is no point in reducing the speed increasing ratio to a certain extent. In other words, if the speed increase ratio is decreased, it is necessary to rotate the pedal in an inversely proportional manner in order to maintain running, and the motor capacity limit due to faster muscle movement, power loss due to friction of bearings and chains Driving cannot be maintained due to increase, unstable driving caused by vibration, and the like.
[0005]
  Since the input power cannot be increased even if the speed change mechanism is provided, it is natural that there is a limit in improving the climbing ability. It is desirable to increase the input power. Here, the input power refers to the power (work per unit time) transmitted from the driver to the vehicle through the human drive mechanism.
According to the speed change mechanism, the speed change mechanism output shaft rotation speed and the torque are maintained in an inversely proportional relationship (constant power), and according to the situation, the speed increases in a direction that the driver feels comfortable according to the motor ability of the driver. Changing the speed ratio can move the balance point between speed and force, but basically does not increase the input power and hence the output.
[0006]
  Changing the crank length is also a trade-off between the speed and strength of the muscles for the driver and may result in a slight increase in output as a result of optimization, but not an increase in input power.
[0007]
  In addition, the crank can be extended and retracted, the rotation of the bicycle and the expansion and contraction of the crank are synchronized using a planetary gear mechanism or a cam mechanism, and the maximum input torque is increased by configuring the crank to extend most when it reaches the front horizontal position. The invention of the form has also been filed (US Pat. Nos. 4,125,239, 4,706,516, 4,807,491, etc.).
[0008]
  In this type of human-powered drive mechanism, when the pedal passes the horizontal position and enters the process of reducing the crank, the radial component of the force acting on the pedal increases rapidly, resisting the reduction of the crank, and inhibiting the rotation of the bicycle. To work.
[0009]
  In this type of human-powered drive mechanism, if the force of stepping on the pedal always acts in a tangential direction with respect to the rotation circle of the crank, this force does not hinder the rotation. However, in reality, there are limitations on the movement of the joints of the heel, knee and femur, so that the pedaling force works almost vertically downward at all rotation angles. Accordingly, when the crank is substantially in the front horizontal position, the direction of rotation and the direction of the force almost coincide with each other, so the “rotational force” for rotating the pedal is maximized.
  However, after this position, the rotational force (strictly speaking, the component of the force in the direction of the crank rotation of gravity, inertial force, and muscle force) decreases, and the component force that is perpendicular to the direction of rotation (the resultant force of gravity, inertial force, and muscle force). (The crank rotation radial direction component) of the crankshaft increases and these tend to extend the crank against the reduction of the crank. As a result, the power is hardly increased when considered in one cycle.
[0010]
  US Pat. No. 4,872,695 is an invention similar to the above-described human-powered drive mechanism in which the crank is extendable and retractable. According to the present invention, a rear wheel fork is provided with a freely swinging bearing, a rod is slidably fitted to the bearing, and a crank front end is rotatably connected to the middle end of the rod. A pedal is provided at the tip of the. When the driver depresses the pedal, the rod forms a lever with the bearing as a fulcrum, and the force transmitted to the crank is amplified more than the force depressing the pedal.
[0011]
  In the present invention, since the force is amplified at all rotation angles of the crank, the crank is surely in a period (hereinafter referred to as the forward stroke) from the highest pedal position (so-called top dead center) to the lowest pedal position (so-called bottom dead center). However, the negative torque is amplified during the period from the bottom dead center to the top dead center (hereinafter referred to as the reverse stroke). In the latter period, the “leverage ratio” is larger than that of the former, so that the amplification factor of the negative rotational force is larger than the amplification factor of the positive rotational force. Cannot be expected.
[0012]
  Figure 13 shows HIGH-TECH CYCLING (published by HUMAN
KINETICS, PO Box 5076, Champaign, IL, USA) Rewritten for explanation of this application with reference to Figure 7.3, 350W for US bicycle racers (the unit that is used as a crank although there is no clear description in the above document) The amount of work per hour--it seems to indicate watts), and the crank angle θ (clockwise angle from top dead center) is plotted on the horizontal axis of the change in crank rotational force when the pedal is depressed at 90 rpm. It is shown. According to this figure, the rotational force becomes maximum when θ slightly exceeds 90 °, and rapidly decreases from around θ = 120 °.
  The fact that the rotational force is reduced during the period of 120 ° <θ <180 ° where the weight and muscle strength of the lower limb are sufficiently acting on the pedal is not the direction in which the weight and strength of the lower limb rotate the crank during this period. It shows that it acts dominantly in the direction of stretching. That is, as a result, the driver's energy is consumed in trying to extend the crank that does not extend. No matter how much force is applied to extend the crank, the work done mechanically is zero, but the blood circulates violently in the driver's body, the chemical reaction proceeds violently, the energy consumption is Has been made. On the other hand, it is negative in the period of 217 ° <θ <345 °, but this is a period of 180 ° <θ <360 °, which is the muscle strength that tries to rotate the crank forward and the lower limb that tries to reverse the crank. The weight of antagonizes from around θ = 200 °, and the latter finally wins.
[0013]
  In the human-powered drive mechanism disclosed in Japanese Patent Laid-Open Nos. 58-133986, 58-22183 and 8-113180, a rope / pulley mechanism, a reciprocating chain / sprocket mechanism, or a rack / pinion mechanism is used in two right and left series. , When one is in the forward stroke, the other is mechanically connected so that it is in the reverse stroke (note that the mechanism name used here is named for convenience of explanation by the inventor of the present application, and is not necessarily the original specification. Does not match). For example, when the pedal is depressed in the left-line travel, the force is transmitted to the pulley, sprocket, or pinion via a rope, chain, or rack, and the connected wheels rotate. In the reverse stroke, the pedal is lifted by the power of the right series, and during this time, the pulley, sprocket or pinion of the left series idles with respect to the output shaft by a free wheel mechanism such as a ratchet or a one-way clutch provided in the shaft portion.
[0014]
  In any of the inventions, human power acts in a tangential direction on the pulley, sprocket or pinion in the forward stroke, and all applied force becomes rotational force, but at the end of the forward stroke, the lower limbs that have moved in the positive direction are When suddenly stopped, the kinetic energy of the kinetic mass of the lower limbs, chains, racks, sprockets, pinions, etc. is forcibly set to 0. Therefore, considering the entire cycle, an effective increase in input power cannot be expected.
[0015]
  Japanese Patent Laid-Open No. 58-199279 discloses an invention in which a reciprocating chain / sprocket mechanism is employed, and a part of the energy when depressed is absorbed by the spring, and the pedal is returned to the position before depressing with the energy stored in the spring. Has been. For this invention, the output will not be output unless the depression timing is matched to the spring return speed. (If the pedal is depressed before it fully returns, the acceleration distance of the pedal cannot be obtained. Therefore, there is a problem in that the speed is not so high.
[0016]
  In addition, paying attention to the fact that if the muscles are contracted at a low speed, a greater force can be generated than when the muscles are contracted at a high speed, the chain ring is not a perfect circle but an ellipse, etc., and the phase difference from the crank Research has also been made to reduce the fluctuation of the crank rotation speed so that the driver can apply greater muscle strength to the pedal. However, with this method, there appears to be a problem that if the phase difference is fixed, the ability can be exhibited only for a limited purpose. For example, a certain phase difference is suitable for steady durability traveling, but not suitable for climbing or short-time full power traveling.
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
  The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art and to be a vehicle driven by human power or a vehicle imitating a vehicle such as a bicycle, a three-wheeled bicycle, a four-wheeled bicycle, a wheelchair, a boat, a human-powered airplane and a training device. An object of the present invention is to provide a suitable human-powered drive mechanism that can effectively convert human power into power.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
  The first invention of the present invention is:Rotating body, supporting body, endless driving member wound around rotating body and supporting body, human-powered driving receiving portion attached to endless driving member, and surface on which endless driving member moves There is a suppression means for suppressing the rotation of the drive receiving portion around a straight line. The restraining means includes an arm having one end rotatably attached to the drive receiving portion, and a free crank having one end rotatably attached to the frame and the other end rotatably attached to the other end of the arm. And the human power drive receiving portion is displaceable in a direction substantially perpendicular to the surface.
[0019]
  The second invention of the present invention is:Rotating body, supporting body, endless driving member wound around rotating body and supporting body, human-powered driving receiving portion attached to endless driving member, and surface on which endless driving member moves A restraining means for restraining the rotation of the drive receiving portion around a straight line, the restraining means having an arm rotatably attached at one end to the drive receiving portion and an end rotatably attached to the frame; The other end has a free crank that is rotatably attached to the other end of the arm, and the endless path along which the endless drive member moves is a forward path section that is driven by human power, and a return path section that returns to the forward path section. And the one end of the free crank is rotatably attached to the frame at a position outside the forward path portion.
[0020]
  The third invention of the present invention is:Said human power drive mechanism WHEREIN: It has a tension | tensile_strength member which tensions the endless drive member wound by the said rotary body and the said support body, It is a human power drive mechanism characterized by the above-mentioned.
[0021]
  The fourth invention of the present invention is:In the above-described human power driving mechanism, the human power driving mechanism includes a combination of a tension adjusting bolt and a tension bolt for controlling the tension of the endless driving member.
[0022]
  The fifth invention of the present invention is:In the above-described human-powered driving mechanism, the second rotating body, the second support, the second endless member wound around the second rotating body and the second supporting body, and the second endless driving member are attached. A second manpower drive receiving portion, wherein the first rotating body and the second rotating body are coaxial and are fixed to each other by a shaft member, and the first supporting body and the second supporting body are mutually A human-powered drive mechanism characterized in that it is attached to a frame so as to be independently rotatable.
[0023]
  The sixth invention of the present invention is:In the above-described human-powered drive mechanism, the rotating body is a drive sprocket, the support is a floating sprocket, the endless driving member wound around the driving sprocket and the floating sprocket is a chain, and the driving sprocket A pitch circle radius of a sprocket arranged at a relatively high position among the floating sprockets is 52 to 116 mm, and a pitch circle radius of a sprocket arranged at a relatively low position is 64 to 116 mm. It is a human-powered drive mechanism.
[0024]
  The seventh invention of the present invention isIn the above-described human power drive mechanism, a bracket in which the drive shaft boss that supports the rotating body, the floating shaft boss that supports the support body, and the crankshaft boss that supports one end of the free crank are substantially triangular structures. It is a human-powered drive mechanism characterized by being arranged in.
[0025]
The eighth invention of the present invention is:In the above-described human power drive mechanism, the support body is a curved guide rail.
[0026]
  The ninth invention of the present invention is:In the above-described human drive mechanism, the propulsion wheel is provided coaxially with the rotating body.
[0027]
  The tenth aspect of the present invention is:A bicycle having a driven wheel driven by the human power drive mechanism.
[0028]
In the present invention, a rotating body is a sprocket or pulley that drives a load by being rotated by a wound endless driving member, and a support is an arcuate guide rail that is wound around an endless driving member. Or it basically refers to a rotating body that idles.
[0029]
In the present invention, an endless drive member is a flexible material that is resistant to compression and bending of belts, timing belts, chains, bead chains, pinned chains, ropes, etc., and that can withstand only tensile force and transmit rotational force. As used herein, the term “human power drive receiving portion” refers to a member such as a pedal or a handle on which direct human power acts. The frame refers to a member that supports the weight of the vehicle and forms a structure, or a structural member such as a pipe, a mold, or a plate that is directly or indirectly fixed to the member.
[0030]
  The large radius of curvature may be a straight track with an infinite curvature, or may be a gently curved track with a guide rail, idle sprocket, or the like.
[0031]
  According to the human power drive mechanism of the present invention, the driver can arrange a pair of a rotating body and a support body at an angle and position at which the driver can easily apply a force along the large radius of curvature of the endless drive member via the human power drive receiving portion. The human force is converted to almost 100% torque at the large radius of curvature, the maximum value of the rotational force is maintained for a certain period, and the kinetic energy of the kinetic mass is the rotational motion of the small radius of curvature at the end of the large radius of curvature. It is converted into energy and effectively stored.
As a result, a significant increase in input power is expected.
[0032]
  Since the speed capability and the climbing ability are greatly improved by increasing the input power, the speed change mechanism does not necessarily have to be used as long as the vehicle travels on a normal road.
[0033]
  In a preferred human-powered drive mechanism of the present invention, a chain having a pedal or a handle, and a rotating body and a support around which the chain is wound, the pedal or the handle is moved against the moving surface of the chain by the restraining means. The posture is held almost at right angles. More preferably, a rotating body is used as the support.
[0034]
In this case, even if force is applied to the pedal or handle, the chain will not be bent or twisted, so the chain will not be deformed or damaged, and the position of the force application point will be fixed, so it will be easy to apply force. The driver's muscles and joints are also less fatigued.
[0035]
In this case, preferably, the restraining means includes a free crank having one end rotatably attached to the frame and an arm having the other end of the free crank rotatably connected, and the arm is connected to the drive receiving portion. It is rotatably mounted. Since the arm is rotatably attached to the drive receiving portion, the rotation of the arm does not hinder the movement of the chain or apply an excessive force to the chain.
The advantage of this type of suppression means is that these free cranks and arms are supported, and ball bearings, cylindrical roller bearings, needle roller bearings, etc. that have extremely low friction loss, light weight, small size, and easy dust seal are used. It can be done.
[0036]
More preferably, in the connecting portion between the arm and the chain, at least an outer ring of a cylindrical roller bearing or a needle roller bearing is attached to the end of the arm, and a driving force receiving link is provided on the chain side. The link is inserted into the outer ring via a roller.
The chain is formed by connecting a large number of chain links so as to be continuously rotatable, and the driving force receiving link is preferably one in which one of the chain links has a driving force receiving function.
[0037]
  The relative displacement in the axial direction between the bearing outer ring attached to the end of the arm and the driving force receiving link inserted into the connecting portion between the arm and the chain is the light weight of the arm, crank and frame. This is preferable for the conversion.
That is, as the weight of the arm, crank, and frame is reduced, the rigidity tends to decrease, and even though the objective function as a restraining means that does not overload the chain is maintained, it is included in the surface on which the chain moves as a result of the decrease in rigidity. Since the rotation of the pedal around the straight line becomes relatively large, when the pedal approaches the sprocket, the inner link plate of the chain tends to hit the side of the sprocket strongly.
  In this case, the bearing should be of a type that allows the shaft to rotate freely and allow relative displacement in the axial direction of the shaft and housing, such as a cylindrical roller bearing, a needle roller bearing, or a linear motion bearing such as a linear bush. Thus, only the pedal is displaced in the axial direction, and the driving force receiving link is kept almost perpendicular to the moving surface of the chain, so that the chain does not hit the side of the sprocket strongly.
  Of course, if sufficient rigidity can be expected for the arm, the crank, and the frame that holds the crank, deep groove ball bearings, etc., are used at the connecting part of the arm and chain to eliminate relative displacement in the axial direction between the driving force receiving link and the arm. May be.
[0038]
  As the suppression means, in addition to the combination of the free crank and the arm as described above, a linear bush type linear motion bearing with a small friction loss or a combination of a ball spline type linear motion bearing and a free crank may be used. However, this method is valid only when the radii of the pair of rotating bodies and the supporting body are equal.
That is, in the combination of a linear bush type linear motion bearing and a free crank, two rods arranged in a certain section in the longitudinal direction parallel to the moving surface inside an elliptical raceway formed by a chain, and each of the rods A slider having at least one linear bush type linear motion bearing that is supported and reciprocated, and one end of which is rotatably held around an axis perpendicular to the moving surface, and the other end of the pedal or handle is freely rotatable. It is a system comprised from the free crank hold | maintained in. In the combination of a ball spline type linear motion bearing and a free crank, the ball spline type linear motion bearing swings at a fixed point on the frame and is supported by the linear motion bearing and slides without rotating. This is a system composed of a rod having a spline groove that rotatably holds the shaft.
[0039]
  In an embodiment of the present invention, the center of rotation of the free crank is positioned inside an elliptical track formed of a chain. In this case, the center of the free crank is more preferably arranged at the center of the line segment connecting the center of the rotating body and the supporting body. In this way, since the sum of the free crank rotation radius and the arm rotation radius is minimized, the bending and torsional deformation of the free crank and the arm are small, and the weight of these members can be reduced.
[0040]
  In another form, as a mode of arrangement of the rotation center of the free crank, the rotation center of the free crank is positioned outside the elliptical track formed by the chain. In this case, in the case where the pitch circle radius of the pair of rotating bodies and the curvature radius of the support body are the same (the pitch circle radius when the support body is a rotating body) are the same, the rotational axes of the free cranks form the pair. It arrange | positions on the perpendicular bisector of the line segment which connects the center of a rotary body and a support body. If it does in this way, the sum of the rotation radius of a free crank and the rotation radius of an arm will be restrained small, bending and torsional deformation of a free crank and an arm will become small, and weight reduction of these members can be attained. Further, if the free crank has a length that allows the free crank to swing within the moving range of the endless drive member, the free crank can be arranged from the center line of a bicycle or the like from the arm. A more compact arrangement of the mechanism is possible.
  In a bicycle, if the center of rotation of the free crank is arranged behind the pedal, the bicycle does not hit an obstacle during rough road travel, and can be preferably used for a BMX vehicle intended for rough road travel. Further, in a bicycle, when the rotation axis of the free crank is arranged in front of the pedal, a large space in front of the pedal can be used, so that the degree of freedom in arrangement of the arm and the crank is generated. Furthermore, since the center of gravity of the bicycle moves forward, the rear wheels can be arranged forward, and the wheelbase, which is the distance between the front wheel center and the rear wheel center, can be reduced, so that the bicycle's rotational performance and acceleration performance are improved. improves. Although it is known that rotating and accelerating performance will be significantly improved if the wheelbase is made smaller, there is a problem that the front wheel tends to float when climbing up because the center of gravity is relatively behind, It was difficult to keep the wheelbase below the current level.
[0041]
  The steering handle is operated with one arm (in order to distinguish it from the handle as the “human-powered receiving part” used in the configuration of the present invention, the steering wheel for the steering operation) is operated by the other arm. In three-wheeled bicycles, four-wheeled bicycles, wheelchairs, etc., in which driving force is transmitted by a handle, preferably a human-powered driving mechanism is arranged slightly forward on the lower outer side (side of the driver) next to the driver. A straight line connecting the rotating body and the center of the support body is inclined forward with respect to the vertical line. This makes it easy to put the weight on the arm because the driver's arm does not move, and there is little fatigue.
[0042]
  In still another embodiment, tension means for constantly tensioning the chain is provided. The restraining means comprising the arm and the free crank prevents the chain from jumping out of the moving surface or deforming, but does not constrain the chain from protruding from the elliptical track in the moving surface. In the configuration of the present invention, a force is directly applied to the chain link and the chain is pulled. Therefore, if the chain is slack, the chain meanders at the straight part of the elliptical track during towing and the chain at the sprocket part. There is a possibility that the roller may come off or collide with the sprocket teeth. If this happens, power loss increases, and chain rollers and pins may be worn out in a short period of time. The chain tensioning means preferably comprises a pair of rotating bodies and a pipe to which a support is attached. The cylinder is divided vertically and is slidably fitted to each other. A spring is inserted in between. The chain may be tensioned by simply pushing the upper and lower cylinders away from each other using an implanted bolt or bolt, or a combination thereof.
Of course, means for tensioning the chain with a force of a spring or the like by a separately provided idler sprocket, idler roller or the like is also possible.
[0043]
  In general, damage to the chain transmission mechanism is often caused by repeated collision of the chain roller and link plate with the sprocket when the chain is moving on the sprocket. Therefore, a guide roller having a shaft in the vicinity of the connecting portion between the chain and the pedal or the handle, preferably having the same center line as the shaft of the pedal or the handle is provided, and at least one of the rotating body or the supporting body positioned at least below is provided. A rolling rail on which the guide roller rolls may be provided so as to cover the portion so that the roller of the chain does not leave the tooth surface of the sprocket.
[0044]
  In a preferred human-powered drive mechanism of the present invention, a chain having a pedal or a handle is arranged on the left and right, the right chain is wound around the first rotating body and the first support, and the left chain is wound around the second rotating body and the second rotating body. Wrapped around the support, the first and second rotating bodies are fixed to the same shaft, and a chain ring as a third rotating body is fixed between the first and second rotating bodies on the shaft, and the left and right pedals Alternatively, the power applied to the steering wheel is transmitted from the left and right chains to the chain ring via the first or second rotating body, and the power is further propelled through the chain, gears, etc. connected to the chain ring (in the case of a bicycle). Is transmitted to the rear wheel, and in the case of a boat, a water wheel, a propeller, etc.).
Here, if the support body is a guide rail having a width slightly narrower than the inner width of the inner link plate of the chain, and the roller of the chain rolls on the rail, the structure is simple and the arrangement is flexible. If the support is a rotating body, the friction loss is reduced.
[0045]
  More preferably, the left and right pedals or handles are shifted by approximately ½ cycle phase. In such a configuration, both legs or both arms can be used alternately and continuously, so that the rotational fluctuation of the rotating shaft is small, the force can be applied stably on average, and the driver is less fatigued.
[0046]
  Here, for ease of explanation, when the chain, the rotating body around which the chain is wound, and the support are collectively referred to as a human-powered drive unit, the above-described human-powered drive disposed substantially parallel to the driver's seat Regarding the arrangement of the mechanism unit, the driver's seat is located in the middle, middle rear, middle front of the two human-powered mechanism units (placement where the driver sits backward and steps on the pedal or pulls the handle in the case of a boat, etc.), It may be located either in the middle upper part (generally arranged on bicycles) or in the middle lower part, but the driver uses both feet or both hands, including the inclination angle of the manpower drive mechanism unit, and the manpower drive receiving part such as a pedal or handle Arrangement that makes it easy to apply force to is selected.
[0047]
  In the bicycle according to one aspect of the present invention, the human-powered drive unit arranged substantially in parallel is below the driver's seat, and the linear track portion of the stepping-side chain is inclined lower on the rear side with respect to the vertical line. In this configuration, the driver is ready to hold the steering wheel with his hand and kick the pedal diagonally backward with his foot, so he can step on the pedal using his muscles from his hips to his buttocks, and easily generates great force. it can.
[0048]
  In the bicycle according to another embodiment of the present invention, the human-powered drive unit disposed substantially in parallel is disposed slightly below the driver's seat and slightly forward, and the straight track portion of the stepping-side chain is inclined with the front side lower than the vertical line. It has been made.
In this configuration, the driver pulls the steering handle with his hand and kicks the pedal diagonally forward with his foot, making it possible to step on the pedal using the muscles from the hips to the buttocks, generating large force easily it can.
[0049]
  In a bicycle according to still another embodiment of the present invention, the human-powered drive units arranged substantially in parallel are arranged on both sides under the driver's seat, and the linear track portion of the stepping-side chain is arranged vertically.
In this configuration, the driver can easily put the total weight on the pedal, and is suitable for climbing a long hill.
[0050]
  In a preferred human-powered drive mechanism of the present invention, a chain having a pedal or a handle is arranged on the left and right, the right chain is wound around the first rotating body and the first support, and the left chain is wound around the second rotating body and the second rotating body. Wrapped around the support, the first and second rotors have the same axial center as the propulsion wheels (front or rear wheels in the case of bicycles, water wheels or propellers in the case of boats).
For example, in the case of a bicycle, the first rotator and the second rotator are made to share the center of the shaft with a front wheel or a rear wheel through a coaxial or planetary gear transmission.
[0051]
  In the preferable human-powered drive mechanism of the present invention, the inclination angle of the large curvature radius portion of the endless drive member wound around the pair of rotating bodies and the support body with respect to the ground plane is variable.
  In this configuration, on a bicycle, when climbing a slope, the large radius of curvature of the human-powered drive mechanism is placed in a vertical position close to the vertical line to make it easier to put weight, and when riding on a long distance flat road, the driver sits on a saddle as an inclined position. You can kick the pedal forward or backward, and you can use your weight, waist, and lower limb muscles effectively.
[0052]
  In a preferred human power drive mechanism of the present invention, the endless drive member is a chain in which a plurality of links are connected by pins, and one of the plurality of links constitutes a drive force receiving link, and the drive force receiving link is The driving force receiving link is rotatably attached to the restraining means via the shaft. The shaft projects in a direction perpendicular to the moving surface of the chain.
In this case, the driving force receiving link has a U-shaped groove and is rotatably connected to an adjacent link of the chain in the U-shaped groove. When applying the timing belt, if the unit sandwiched between two adjacent teeth and valleys is called a link, the teeth of the link to be adjacent are inserted into the U-shaped groove of the driving force receiving link from both sides, and U What is necessary is just to connect each rotatably with the pin which penetrates a character groove.
Even in the case of a bead belt or a pinned belt, if a unit consisting of adjacent beads or pins is called a link, the present invention can be similarly applied to these cases.
[0053]
  The above description has been made mainly on the case where the present invention is applied to a bicycle, but imitates other vehicles or vehicles driven by human power such as three-wheeled bicycles, four-wheeled bicycles, wheelchairs, boats, human-powered airplanes and training equipment. It can be applied to devices and the like. According to the present invention, since the input power increases, both speed and torque can be increased, and the propulsion of the human-powered vehicle becomes comfortable.
When the present invention is applied to a training device, it is possible to provide a physical strength enhancing device that simulates a bicycle or a boat. In addition, if the large radius of curvature of the human drive mechanism is placed vertically and the distance between the center of the rotating body and the support that make the pair is reduced to shorten the pedal stroke, the movements of the feet and hips are very similar to human walking. Therefore, it can be suitably used as a walking exercise device for rehabilitation of people with difficulty walking.
[0054]
  The human-powered drive receiving portion may be a pedal operated with a foot or a handle operated with a hand. For vehicles such as three-wheeled bicycles, four-wheeled bicycles, boats, etc. where the driver can sit and drive deeply in the seat, the rotary body that makes a pair and the endless drive member wound around the support are moved forward with a large radius of curvature. The driver's seat is placed at the same height as the higher of the rotating body and support that make a pair behind the human-powered drive mechanism. If a support or the like is provided, a force is easily applied to the leg, and this configuration is also a preferable application mode of the present invention. Further, the human power drive mechanism according to the present invention, when the human power drive mechanism units are arranged on the left and right, is manually driven with the left or right foot or hand shifted by 1/2 cycle as illustrated above. It is not limited to applying force to the receiving part. For example, in a three-wheeled bicycle, a four-wheeled bicycle, a boat, and the like, the human-powered drive mechanism according to the present invention is arranged almost horizontally on both sides of the driver sitting on the seat, and the height is approximately the same as the driver's waist to shoulder. In addition, a configuration in which a force is applied to the handle in combination with the left and right phases is also a preferable application mode of the present invention.
[0055]
  The human-powered driving mechanism of the present invention can be preferably applied to a vehicle driven by human power such as a bicycle, a three-wheeled bicycle, a four-wheeled bicycle, a wheelchair, a boat, a human-powered airplane, a training device, or the like, and the human power is effectively used. It can be converted into torque, which makes it possible to greatly improve the output, and even a less powerful driver can drive long distances, and when applied to bicycles and wheelchairs, it has remarkable effects in terms of climbing ability and avoiding danger. is there.
[0056]
【Example】
  Hereinafter, although the human-powered drive mechanism of the present invention will be specifically described with reference to examples, the present invention is not limited to these examples.
[0057]
  FIG. 1 is a layout view showing a first embodiment when the human power driving mechanism of the present invention is applied to a bicycle. The left and right human power driving mechanism units are parallel to each other, and a support body composed of a rotating body and a rotating body that form a pair, respectively. The straight line connecting the centers is arranged in the vertical direction. In FIG. 1, the human-powered drive mechanism unit located on the front side of the page, that is, on the right side in a state of riding a bicycle, is referred to as a right unit, and the left side is referred to as a left unit. It is assumed that the left unit part is given a two-digit zero for the corresponding right unit part code.
Mechanical elements such as bearings, nuts, and bearings that do not need to be distinguished from each other have the same reference numerals on the left and right.
  2 to 9 illustrate details of the embodiment of the human-powered driving mechanism in this embodiment, FIG. 2 is a side view showing the whole bicycle, FIG. 3 is a view taken along the arrow YY in FIG. 2, and FIG. 2 is a sectional view taken along the line A-A in FIG. 3, FIG. 6 is a sectional view taken along the line BB in FIG. 3, FIG. 7 is a sectional view taken along the line C-C in FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line DD of FIG. 4, FIG. 9 is a cross-sectional view taken along line EE of FIG. 3, and FIG. In the description of each part, all symbols are described for the right unit, but the left unit is not described unless necessary to avoid congestion.
[0058]
  1 to 9, reference numerals 1 and 2 denote a first rotating body (sprocket) and a first support body (sprocket), which are rotatably attached to a vertically arranged cylinder 32, respectively, and 100 and 200 are second parts, respectively. A rotating body (sprocket) and a second support body (sprocket), 3 and 300 are elliptical tracks wound around the first rotating body 1 and the first supporting body 2, and the second rotating body 100 and the second supporting body 200, respectively. Chains 4 and 400, which are endless drive members that form a shaft, are pedals that pull the chain via drive force receiving links 12, 1200 and pedal shafts 17 and 1700, respectively. The pedals 4 and 400 are mutually shifted in phase by 1/2 period.
10, 1000 and 11, 1100 are free cranks and arms, respectively, which keep the pedal shafts 17, 1700 perpendicular to the moving surface of the chain, and 6 is a first rotating body 1 and a second rotation by means of nuts 26 and spacers 24, 25. A chain ring 7, which is a third rotating body fixed to the drive shaft 15 together with the body, is a rear wheel driven shaft sprocket that is rotated by the chain ring 6 via the transmission chain 8. In FIG. 7, the drive shaft 15 is rotatably held by a boss 34 that is fixed to the cylinder 32 through a bearing 27. The column 32 is welded to both of the intermediate portion of the connecting portion between the down tube 30 and the seat tube 31 which are a bicycle frame.
  In FIG. 1, the transmission chain 8, the driven shaft sprocket 7, the down tube 30 and the seat tube 31 are according to the prior art.
[0059]
  In FIG. 5, free cranks 10 and 1000 are press-fitted and fixed to the two-surface width portions 13 a and 1300 a of the crankshafts 13 and 1300, respectively, and are rotatably held by bosses 33 that are fixed to the cylinder 32 through bearings 28. Yes. The crankshafts 13 and 1300 are idled by the movement of the crank.
In FIG. 6, the arm 11 is rotatably attached to a connecting shaft 14 fixed to the free crank 10 by shrink fitting or the like via a double-row angular ball bearing 28. The same applies to the left unit.
The free crank / arm pair constitutes a restraining means that keeps the pedal shaft perpendicular to the chain travel surface when force is applied to the pedal. As a result, the force is reliably transmitted from the driver's foot to the pedal, and no bending moment or torsion acts on the link of the chain 3, 300, so the chain itself is not subjected to a moment around a straight line included in the moving surface. Does not require high strength.
Therefore, a chain having a light and thin link, for example, a multi-speed gear used for a normal bicycle can be used.
[0060]
  4 and 8, the pedal 4 is rotatably attached to the pedal shaft 17 by a bearing (not shown) which may be a bearing normally used for a bicycle pedal, and the pedal shaft is an end boss of the arm 11. The boss 11a is fixed with a needle roller bearing 29, and the shaft portion 12a of the driving force receiving link 12 is inserted into the boss 11a.
One end link 3a and the other end link 3b of the chain 3 are fitted to the U-shaped groove 12b of the driving force receiving link 12 by removing the outer link plate 20, and the end link 3a and 3b are respectively connected to the bush 23. It is rotatably attached to the U-shaped groove of the driving force receiving link 12 by a knock pin 18 penetrating inside. The knock pin 18 has the same diameter as the pin 19, and is fitted with a gap in the bush 23 like the pin 19, and the roller 22 is fitted in the outer periphery of the bush 23 with a gap.
[0061]
  Therefore, the chain 3 constitutes an endless drive member by the U-shaped groove 12b and the two pins 18. Since the needle roller bearing 29 and the shaft portion 12a of the driving force receiving link are allowed to be displaced relative to each other in the axial direction, even if a large stepping force acts on the pedal 4 and the crank or arm is slightly bent or twisted, Since the change in the angle of the arm boss portion 11a is small, the chain is not bent or twisted as a problem because the pedal is only slightly displaced outward.
In addition, since both ends of the pin 18 are supported by U-shaped grooves, a large stress is not generated on the pin 18 due to a traction force (tensile force) acting on the chain 3. As the bearing 29, a linear motion bearing such as a cylindrical roller bearing or a linear bush may be used instead of the needle roller bearing.
In general, when a bending moment is applied to a needle roller bearing or a cylindrical roller bearing, a large contact surface pressure is generated at the end of the roller. .
Thereby, the stress gradient is relaxed and the durability is further improved. Moreover, it is also preferable for stress relaxation that a skin baking material is used for the shaft portion 12a, the thin surface layer has a high hardness, and the inside thereof has a soft two-layer structure.
With respect to the chain 3, a conventional technique can be used except for the driving force receiving link 12 and its mounting method.
[0062]
  In FIG. 9, the first support 2 and the second support 200 are fixed to the floating shafts 16 and 1600 by nuts 26 and spacers 25, respectively, and can be freely rotated by a boss 35 that is fixed to a cylinder 32 through a bearing 27. Is held in.
The idle shafts 16 and 1600 run idle as the chain 3 and 300 move.
As shown in FIG. 10, the cylinder 32 is divided into two in the axial direction (vertical direction), the upper small diameter part of the lower cylinder 32b is slidably fitted to the inner periphery of the upper cylinder 32a, and the spring 42 is provided on the lower cylinder 32b. It is also possible to compress and hold by the spring receiver 41 and the spring retainer 40 provided on the upper cylinder 32a, and to compress strongly by setting the chain 3. Conversely, the chain is strongly tensioned by a spring.
[0063]
  In FIG. 1, the rotational axis center Oc of the free crank 10 is located between the center O1 of the first rotating body and the center O2 of the idle shaft, and the sum of the rotational radius Lc of the free crank 10 and the rotational radius La of the arm 11 is the pedal. It is slightly larger than the distance H between the uppermost position or the lowermost position of the center and the rotation center Oc of the free crank.
In this way, the lowest position or the highest position geometrically does not become a thought point or a dead point.
[0064]
  In FIG. 1, the right unit is in the forward stroke, and the pedal 4 is pulled downward from the driver's foot to pull the chain 3 in the direction of the arrow. In the large radius of curvature portion (in the case of the present embodiment, the straight portion) of the forward stroke, the force applied to the pedal 4 is converted to 100% torque. Therefore, the maximum rotational force of FIG. 13 is maintained in this portion.
The weight of the driver's foot or lower limb acts on the left pedal 400, but the left pedal has a kinetic energy associated with the left pedal that the left pedal had at the end of the forward stroke and the depression of the right foot. Ascending by consuming part of the power is the same as in a conventional bicycle.
Also, unlike the “reciprocating linear motion type human-powered drive mechanism” described above, the pedal moving speed does not decrease at the start of the forward stroke, so no acceleration distance is required. Is transmitted as rotational force.
As a result, according to the configuration of this embodiment, the distance between the centers of the pair of rotating bodies and the support body and the pitch circle radius of each pair change, but mechanically 1.2 times that of a conventional bicycle. An input power of up to 1.8 times can be obtained.
[0065]
  In this embodiment, the pitch circle radii of the pair of rotating bodies and the support composed of the rotating bodies are the same, but the present invention can be preferably applied even if the pitch circle radii are different.
  In this embodiment, the description has been made using a chain as the endless drive member. However, any belt, timing belt, special chain, rope, etc. can be used as long as it can transmit the rotational force. It is applicable to.
[0066]
  In this embodiment, no transmission is provided, but the driven shaft sprocket can have multiple stages, for example, 9 stages, and the chainring can have 3 stages instead of 1 stage without reducing the spirit of the present invention. It is.
[0067]
  According to the results of the prototype test of this embodiment in combination with the inventor's multi-stage transmission, the main factor that determines the upper limit of speed performance and climbing performance is the angular speed of the rotating body and the support body (both sprockets) that make a pair. It turns out that there is.
Further, the smoothness of standing is related to the magnitude of the angular velocity of the sprocket arranged on the lower side. That is, when the pedal orbits the sprocket, it is difficult to follow the angular velocity with a large heel, so that the direction change is likely to be delayed. In particular, when the pedal orbits the sprocket located above, the foot is likely to leave the pedal due to centrifugal force.
For the latter, it is possible to follow up to a large angular velocity by fixing the foot to the pedal with a band or by consciously pressing the foot against the pedal. Moreover, it will be solved by getting used to it.
[0068]
  In the case of a bicycle, the pitch circle radius of the sprocket is selected according to the purpose and the driver class.
The pitch circle radius of the sprocket arranged on the upper side is preferably 52 mm (26 teeth when using a normal bicycle chain) or more and 116 mm (57 teeth) or less, more preferably 64 mm or more (32 teeth). The pitch circle radius of the sprocket disposed below 106 mm (the same number of teeth 52) or less is preferably 64 mm or more (the same number of teeth 32) to 116 mm (the same number of teeth 57) or less, more preferably 76 mm or more ( The same number of teeth 38 or more) 106 mm (the same number of teeth 52) or less is selected.
[0069]
  FIG. 11 is a side view showing a second embodiment when the present invention is applied to a bicycle. The center of rotation of the free crank is located outside the elliptical track formed of a chain and is positioned on the seat stay 60 behind the pedal. Yes. The difference from the other first embodiment is that the arrangement of the chain ring 6 is at the bottom, the left and right human power drive mechanism units are arranged on the bicycle inclined by 26 ° from the vertical line, and the like. .
  Thus, if the center of rotation of the free crank is arranged on the rear wheel side, the crank and arm do not hit an obstacle during rough road travel, and can be preferably used for a BMX vehicle intended for rough road travel. If the chain ring 6 is arranged below as in this embodiment, there is an advantage that the transmission chain 8 is shortened. In addition, since the manual drive mechanism is tilted 26 ° from the vertical line while keeping the highest and lowest positions of the pedals the same as the conventional bicycle, the stroke of the pedal can be increased and the input power can be increased compared to the case of the vertical arrangement. Becomes larger. Here, the inclination of 26 ° is merely an example, and this angle changes depending on the purpose of use and the target audience. If the human-powered drive mechanism is inclined as in this embodiment, the driver will be ready to kick the pedal diagonally backward with the foot while holding the steering handle with his hand, so the pedal using the muscles from the waist to the buttocks It can be stepped on and can easily generate a large force. In this embodiment, if the inclination angle of the human-powered drive mechanism is selected, a posture close to the running posture is possible for the driver, and the knee is extended as the pedal is lowered, so the burden on the knee joint is greatly reduced.
[0070]
  FIG. 12 is a conceptual diagram for explaining a third embodiment of the human power drive mechanism of the present invention. An endless drive member 3 is wound between the guide rail 2, which is a semicircular arc support having a radius R equal to the pitch circle radius of the rotator 1, and the rotator 1. The length of the linear portion of the endless drive member between the rotating body 1 and the guide rail 2 is 0.5πR. The endless drive member 3 is provided with a pedal 4, and the driver depresses the pedal 4 substantially vertically downward in the direction of the arrow to move the endless drive member 3 along the elliptical orbit to rotate the rotating body 1. And the drive shaft 15 is rotated. In the case of a bicycle, a chain ring is fixed to the drive shaft 15 as in the first embodiment, and another identical unit is arranged with the pedal phase shifted by 1/2 cycle. In the case of a wheelchair, the drive shaft 15 is coaxial with the propulsion wheel.
In a boat or the like, the drive shaft penetrates the hull and protrudes out of the ship, and a propulsion wheel such as a water wheel or a propeller is provided at the tip.
  As the endless drive member, a chain, a rope, a timing gear, or the like is used. If a chain is used, the roller of the chain can be rolled on the guide rail 2, so that the friction loss is small.
[0071]
  When the third embodiment is applied to a bicycle, the crank radius of the conventional bicycle is R, the average movement speed of the pedal is the same as that of the conventional bicycle, and in the linear region of the endless drive member, Then, when the rotational force at a crank angle of 90 ° in FIG. 13 and 270 ° in the reverse stroke is maintained and is equal to the rotational force of FIG. 13 at the corresponding crank angle in the circumferential region, this embodiment is compared with a conventional bicycle. As a result, the input power increases about 1.18 times.
[0072]
  The work in the physical sense means the product of the force and the moving distance of the action point. If the moving distance is 0, the work done physically is 0 no matter how large the force is. On the other hand, in the human body, it is necessary to contract muscles in order to generate force, and the generation of force involves energy consumption. Let us consider that the time integral of the generated force is roughly proportional to the energy consumed to maintain the force. Then, human power is roughly proportional to the power (work rate) consumed by the person at that time. If the driver's one foot applies a constant force F to the pedal in the forward stroke regardless of the direction and rests in the backward stroke (F = 0), the time average power consumption is equal for both human power drive mechanisms. become. That is, the energy efficiency is considered to be about 1.18 times.
  In this embodiment, the length of the linear portion of the endless drive member is 0.5πR. However, when this length is increased, the input power further increases.
[0073]
  FIG. 14 is a side view showing a fourth embodiment when the human-powered drive mechanism of the present invention is applied to a bicycle, and the center of rotation of the free crank (crankshaft 13) is located outside the elliptical track formed of a chain and forward of the pedal. The left and right human power drive mechanism units are arranged to be inclined 15 ° forward from the vertical line.
In the present embodiment, the multi-speed sprocket 7 is provided on the rear wheel together with the derailleur 9, and the bracket for supporting the human drive mechanism unit is not welded to the bicycle frame like the cylinder 32 of the first embodiment, but is separated from the separate body. It is sandwiched between left and right bottom brackets, which are gathered portions of a down tube, a seat tube, and a chain stay that are bifurcated at the bottom, and is held rotatably.
The bracket can be adjusted by the driver in accordance with the traveling state. Unlike the first embodiment, the drive shaft 15 having the first and second rotating bodies and the chain ring is positioned below.
As in the first embodiment, the idle shaft is separate from the left and right as in FIG. 9, and the crankshaft is separate from the left and right as in FIG. The fourth embodiment will be described in detail below.
[0074]
  FIGS. 14 to 23 illustrate the details of the embodiment of the human power drive mechanism in this embodiment. FIG. 15 is a side view showing the state in which the left and right human power drive mechanisms are removed. FIG. 16 is a side view of the sprocket 7 with the chain ring 6 and the transmission chain 8 removed. FIG. 17 shows the bracket, down tube, and part of the seat tube in FIG. FIG. 18 is a detail of H section of FIG. 17, FIG. 19 is a GG sectional view of FIG. 16, FIG. 20 is a detail of I section of FIG. 17, and FIG. 21 is a L section of FIG. FIG. 22 is an enlarged view, FIG. 22 is a view taken in the direction of arrow J in FIG. 18, and FIG. 23 is a view taken in the direction of arrow M in FIG.
[0075]
  14 to 19, the down tube 30 and the seat tube 31 are bifurcated downward, and branch into 30 a (right side member), 30 b (left side member) and 31 a (right side member), 31 b (left side member), respectively. The three right members 30a and 31a and the right member 45a of the chain stay 45 are assembled together on the right bottom bracket 37 and welded together.
Similarly, the left members 30b, 31b, and 45b of the down tube, the seat tube, and the chain stay are assembled to the left bottom bracket 38 and welded to each other. As shown in FIG. 23, the down tube branches from one circular tube into two substantially elliptical tubes.
The same applies to the seat tube.
  In FIG. 19, the right bottom bracket 37 and the left bottom bracket 38 are firmly fixed by a connecting shaft 39 and a nut 81 together with a distance ring 83 provided in a bracket fixing boss 70 g and two inner rings of two deep groove ball bearings. The bracket body 70 is allowed to rotate while maintaining sufficient rigidity.
A spring pin 82 is positioned so that the left and right bottom brackets do not rotate with respect to each other.
[0076]
  In FIG. 18, 70 is a bracket body, 71 is a bracket telescopic portion inserted into a vertical tube 70c of the bracket body 70, 70a, 70b, 70c, and 70d are a top tube, a down tube, a vertical tube, and a vertical tube, respectively. A short tube is welded together with a crankshaft boss 70e (corresponding to 33 in Example 1), a drive shaft boss 70f (corresponding to 34), and a bracket fixing boss 70g.
Thus, since the bracket body 70 has a triangular ramen structure made of a circular tube, the bending and torsional rigidity is large, a large force is applied to the pedal, and the boss 70g is used as a fulcrum via the arm and the free crank. Even if the torsion acts on the boss 70e, the deformation is extremely small, and the function as a restraining means for the arm and the free crank is ensured. 71a and 71b are welded to each other by a slide tube and a floating shaft boss (corresponding to 35 in the first embodiment) that constitute the bracket expansion / contraction part, respectively.
A ring 71aa into which a guide pin 75 is driven is provided at the lower end of the slide tube, and the guide pin is configured to move by being guided by a groove 70ca (see FIG. 22) provided in the vertical tube 70c of the bracket 70. The parallelism of the center lines of the shaft boss, drive shaft boss, idle shaft boss, and bracket fixing boss 70g is maintained.
[0077]
  The inner circumference of the vertical tube 70c of the bracket body and the outer circumference of the slide tube 71a of the bracket extension / contraction portion can adjust the distance between the centers of the paired sprockets, that is, the distance between the center of the drive shaft boss 70f and the center of the idle shaft boss 71b. A pair of tightening brackets 79 provided at the upper end of the vertical tube 70c are tightened with hexagon socket bolts 78 (the bolt heads are in the tightening bracket and are not visible). (See FIG. 22). In FIG. 22, 70cb is a slit provided in the vertical tube 70c for facilitating the tightening. Here, the direction of tightening of each boss is as shown in FIGS. 18 and 22 so that the tilting of the slide tube due to the tightening does not affect the parallelism between the center line of the floating shaft boss and the center line of the other boss. It is preferably parallel to the center line.
[0078]
  18 and 21, 71c is a tension bolt seat having a screw on the inner surface which is inserted and welded to the floating shaft boss 71b, and 72 is a tension adjusting bolt which is screwed into the tension bolt seat 71c and has a screw 72a inside. 73 is a tension bolt in which the upper screw 73a is screwed into the tension bolt, and the lower end is a tension bolt fixed to the bracket fixing boss with a screw. Reference numeral 74 denotes a lock nut for preventing loosening.
A combination of the tension adjusting bolt and the tension bolt is generally known as an operating screw mechanism. Fine adjustment can be made by setting the inner and outer screw pitches of the tension adjusting bolt and the winding direction of the screw, or tension can be made in a short time.
[0079]
  18 and 20, 90 is a bracket posture adjustment mechanism, 90a is an adjustment handle, 90b is a handle bar fixed to the adjustment handle and screwed to a boss 36a provided on the top tube 36, and 90d is an upper end by a spherical joint 90c. The handle rod 90b, and the lower end thereof is an adjustment rod rotatably connected to a protrusion 70ea provided on the crankshaft boss 70e of the bracket body.
  By rotating the adjustment handle 90a, the handle bar moves up and down to adjust the posture of the bracket.
[0080]
  In this embodiment, the bracket 70 is rotatably held by the left and right bottom brackets via bearings, but it is also preferable that the bracket 70 is directly tightened and fixed with bolts and nuts.
[0081]
  FIG. 24 is a side view showing a fifth embodiment when the human power driving mechanism of the present invention is applied to a bicycle. The rotating bodies of the human power driving mechanism units of the same configuration provided on the left and right have the same axis center as the rear wheel. is doing. 25 is a view as viewed in the direction of the arrow K in FIG. 24 (the chain is not shown). In FIG. 24, these human-powered drive mechanism units are composed of a rotating body 1 provided on the lower side, a guide rail 2 provided on the upper side, and a chain 3 in the right unit. The rotator 1 of the right unit is attached to both ends of the drive shaft 15 together with the rotator 100 of the left unit (not shown), and the seat stay 60 and the chain stay 45 are located inside the bicycle center line of each rotator. There are bearings (not shown) provided in the collecting portion, and further, these bearings are arranged on the inner side of the bicycle center line directly on the drive shaft 15 or via a transmission such as a planetary gear mechanism or a ratchet mechanism. A wheel is installed. Depending on the configuration of the transmission and the ratchet mechanism, the drive shaft 15 may have the same shaft center and be separated from the left and right.
  In FIG. 25, the thickness of the guide rails 2 and 200 is slightly smaller than the inner link plate inner width of the chains 3 and 300 (not shown), and these guide plates are connected via the cylindrical stay 66 and the left and right ribs 65. The right seat stay 60a and the left seat stay 60b are fixed.
Here, the guide rail may be movable so that the chains 3 and 300 can be tensioned.
[0082]
  In this embodiment, since the drive shaft 15 of the rotating body of the human-powered drive mechanism shares the shaft center with the rear wheel, no transmission chain and chain ring are used. Further, in this embodiment, the human-powered drive mechanism is directly supported by the frame of the bicycle body, and in particular, the rotation center of the free crank is provided on the rigid bottom bracket. Therefore, this embodiment can be preferably applied particularly to a portable folding bicycle or the like.
  The size of the rear wheel is such that the driver's feet can rotate the pedal without difficulty, and is preferably 14 inches or more and 26 inches or less, more preferably 17 inches or more and 22 inches or less.
[0083]
  In the above description, the rotating body and the supporting body are each used as a pair for each single-power drive mechanism unit, but the present invention in which the chain is directly pulled by a pedal or the like to increase the duration of the maximum rotational force. As long as the gist of the present invention is utilized, the addition of a plurality is within the scope of the present invention.
[0084]
【The invention's effect】
  According to the human-powered drive mechanism of the present invention, the input power increases. For example, when applied to a bicycle, both speed and climbing performance can be improved. Further, when the present invention is applied to a three-wheeled bicycle, a four-wheeled bicycle, a wheelchair, a boat, and a human-powered airplane, the input power is similarly increased, and both the speed and the torque can be increased.
When the present invention is applied to a training device, it is possible to provide a physical strength enhancing device that simulates a bicycle or a boat. In addition, if the large radius of curvature of the human drive mechanism is placed vertically and the distance between the center of the rotating body and the support that make the pair is reduced to shorten the pedal stroke, the movements of the feet and hips are very similar to human walking. Therefore, it can be suitably used as a walking exercise device for rehabilitation of people with difficulty walking.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a layout diagram of a human power drive mechanism showing a first embodiment when the human power drive mechanism of the present invention is applied to a bicycle.
FIG. 2 is a side view showing the entire bicycle.
3 is a view taken in the direction of arrows YY in FIG.
4 is an XX arrow view of FIG. 2;
5 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
6 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
7 is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG. 3;
8 is a view taken along the line DD in FIG. 4;
9 is a cross-sectional view taken along line EE in FIG.
10 is another aspect diagram of FIG. 3. FIG.
FIG. 11 is a side view showing a second embodiment when the human-powered drive mechanism of the present invention is applied to a bicycle.
FIG. 12 is a conceptual diagram showing a third embodiment of the human power drive mechanism of the present invention.
FIG. 13 is a graph showing the relationship between crank rotational force and crank angle in a conventional bicycle.
FIG. 14 is a side view showing a fourth embodiment when the human-powered drive mechanism of the present invention is applied to a bicycle.
15 is a side view showing a state in which the left and right human power drive mechanisms are removed in FIG. 14;
16 is a side view showing a state in which the chain ring 6 and the transmission chain 8 are removed in FIG. 15;
17 is a partial cross-sectional view in which a part of the bracket, the down tube, and the seat tube are cut along a vertical plane including a bicycle center line in FIG. 16;
18 is a detailed view of a portion H in FIG.
19 is a cross-sectional view taken along the line GG in FIG.
20 is a detailed view of a portion I in FIG.
FIG. 21 is an enlarged view of a portion L in FIG.
22 is a view on arrow J in FIG. 18;
FIG. 23 is a view on arrow M in FIG. 16;
FIG. 24 is a side view showing a fifth embodiment when the human-powered drive mechanism of the present invention is applied to a bicycle.
25 is a view as seen from the direction of the arrow K in FIG. 24. FIG.
[Explanation of symbols]
1: First rotating body
100: Second rotating body
2: First support (guide rail, rotating body)
200: Second support (guide rail, rotating body)
3, 300: Chain
4, 400: Pedal
6: Chainring
7: Driven shaft sprocket
8: Transmission chain
10, 1000: Free crank
11, 1100: Arm
12, 1200: Driving force receiving link
12b: U-shaped groove
13, 1300: Crankshaft
13a, 1300a: The width of the two sides of the crankshaft
14: Connecting shaft
15: Drive shaft
16, 1600: idle shaft
17, 1700: Pedal shaft
18: Knock pin
19: Pin
20: Outer link plate
21: Inner link plate
22: Roller
23: Bush
27, 28, 29: Bearing
30: Down tube
30a, 30b: bifurcated portion under the down tube
31: Seat tube
31a, 31b: bifurcated portion under the seat tube
32: Cylinder
33, 34, 35: Boss
37: Right bottom bracket
38: Left bottom bracket
39: Connection shaft
42: Spring
45: Chain stay
60: Seat stay
70: Bracket body
70a, 70b, 70c, 70d: tubes constituting the bracket body
70e, 70f, 70g: Boss provided on the bracket body
71: Bracket stretchable part
71a: slide tube
71b: Boss
71c: Tension bolt seat
72: Tension adjustment bolt
73: Tension bolt
80: Bearing
90: Bracket posture adjustment mechanism
90a: Posture adjustment handle

Claims (1)

回転体と、支持体と、前記回転体および前記支持体に巻回された無端駆動部材と、前記無端駆動部材に取付けられた人力駆動受け部と、前記無端駆動部材が移動する面に含まれる直線まわりの、前記駆動受け部の回転を抑制する抑制手段を有し、前記抑制手段が、一端を前記駆動受け部に回転可能に取付けられたアームと、一端がフレームに回転可能に取付けられ、他端が前記アームの他端に回転可能に取付けられたフリークランクとを有し、前記人力駆動受け部は前記面に実質的に垂直な方向に変位可能であることを特徴とする人力駆動機構。  Rotating body, support body, endless driving member wound around the rotating body and the supporting body, a human-powered drive receiving portion attached to the endless driving member, and a surface on which the endless driving member moves A restraining means for restraining rotation of the drive receiving portion around a straight line, the restraining means having an arm rotatably attached at one end to the drive receiving portion, and an end rotatably attached to the frame; A human-powered drive mechanism characterized in that the other end has a free crank rotatably attached to the other end of the arm, and the human-powered drive receiving portion is displaceable in a direction substantially perpendicular to the surface. .
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