JP4430657B2 - 自転車の走行駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、自転車のチェン歯車に作用する回転トルクの増大を図る走行駆動装置に関するものである。

自転車のクランクアームに設けたペダルの踏込み力を軽減する自転車の走行駆動装置として、本出願人は特許文献１に記載の発明を創案し、公知となっている。この特許文献１に記載の技術は、フレーム部材に固定した偏心盤の外周にボールベアリングを介してチェン歯車を回転自在に取付ける一方、上記偏心盤に偏心盤の中心点からオフセットした位置にクランクの回転軸を嵌挿し、この回転軸に作動盤を固定し、該作動盤をリンク部材を介して上記チェン歯車に結合した構成を有する。これにより、ペダルを踏込み、クランクアームを回転させ、その回転軸が駆動するとき、作動盤が連動して回転する。この作動盤の回転力が上記リンク部材に伝達されると、チェンホールは偏心盤の中心点に配したステー部材を中心として回転する。こうして、ペダルを踏み込まれて回転するクランクの回転トルクが、リンク部材を経由して偏心盤の外周に回転自在に設けたチェン歯車を駆動するとき、チェン歯車には回転トルクを増大して作用させることができる。その結果、クランクアームの長さを長くすることなく、自転車を回転トルクを増大させた態様で走行することができる。
特開平７−２２３５７８号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術にあっては、作動盤とチェンホールとの間にピン結合で形成した屈折可能なリンク部材を、円周に沿って複数個設けて、クランクの回転軸の回転をチェン歯車へ伝達する構成としているので、回転トルクを増大させる機構が多岐に渡る構成要素から成るため、構造が複雑化、かつ、自転車の総重量が増大し、走行に労力を要するといった問題がある。

本発明は、上記技術的課題に着目してなされたものであり、自転車の走行駆動装置に、回転スライダ機構を用いることで、自転車走行に際して回転トルクの増大化を図れ、かつ、構造がシンプルで、重量の軽量化を図ることのできる自転車の走行駆動装置を提供することを目的とするものである。

また、請求項１の発明は、
自転車フレームに回転自在に設けたチェン歯車と、ペダルの踏込みによる回転するクランクアームとの間に、回転トルク増大機構を設けた自転車の駆動装置において、
前記回転トルク増大機構は、固定盤、回転リング、切り溝及び連結ボスを有し、
前記固定盤は、前記フレームと前記チェン歯車との間に、前記固定盤の面を前記チェン歯車の回転面と並列に取付けられ、かつ、前記チェン歯車の回転軸からオフセットした位置を中心点に持つ円状の固定盤であり、
前記回転リングは、前記固定盤の外周にベアリングを介して設けられ、前記チェン歯車の回転軸を内包する形態で前記固定盤の中心点の回りに回転する回転リングであり、
前記切り溝は、前記チェン歯車の半径方向に形成されるとともに、前記切り溝が前記チェン歯車の回転軸から自転車の前方位置に存在する作動領域では、前記連結ボスを切り溝の前方側に係合させて形成され、
前記連結ボスは、前記切り溝にスライド可能に設けられ、該切り溝を貫通して前記回転リングおよび前記クランクアームを結合する連結ボスであることを特徴とする。
請求項１の発明にあっては、切り溝がチェン歯車の回転軸の前方側に存在する作動領域において、連結ボスがその前方側に係合するようにしたので、ペダルを踏み込んでクランクアームを回転すると、切り溝に連結ボスからチェン歯車を下に押し回す回転力が作用し、これにより、自転車は前進走行することが可能となる。
また、請求項２の発明は、請求項１記載の自転車の走行駆動装置に係り、前記回転トルク増大機構が、前記フレームの両側の対称な位置にそれぞれ独立して設けられ、かつ、前記両側のクランクアームを互いに１８０度の位相をずらして回転可能に取付けたことを特徴とする。

また、請求項２の発明では、回転トルク増大機構が自転車フレームの左右両側に設けているので、左右にバランスのとれた自転車の走行駆動装置を得ることができ、その結果、安定した走行性能を実現できるようになる。
また、請求項３の発明は、請求項１記載の自転車の走行駆動装置に係り、前記回転トルク増大機構が、前記自転車フレームのいずれか一方側にだけ設け、前記自転車フレームのいずれか他方側には、ペダルの踏込みによるクランクアームの回転軸を回転可能に設け、かつ、該いずれか他方側のクランクアームの回転軸を、前記いずれか一方側の回転トルク増大機構における前記固定盤の中心点にほぼ一致するように軸支するとともに、前記いずれか他方側のクランクアームの回転軸と前記チェン歯車の回転軸との間に設けられ、前記いずれか他方側のクランクアームから前記チェン歯車へペダル踏込み力を伝達する駆動力伝達手段が設けられたことを特徴とする。

この請求項３の発明では、回転トルク増大機構を自転車のフレームのいずれか一方側に配置し、いずれか他方側にはペダルを有するクランクアームを備えた構成としている。回転トルク増大機構を設けたいずれか一方側のペダルをこぐことで、回転トルク増大機構を介してチェン歯車を回転駆動することができる。ずなわち、チェン歯車は、回転トルク増大機構を備えた側にチェン歯車を備えた構成であり、したがって、いずれか他方側のペダルを踏み込むことで、クランクアームに伝達される回転トルクは、駆動力伝達手段を介してチェン歯車の回転軸へ伝達される。係る自転車の走行駆動装置によっても、自転車を走行させることが可能となる。
また、請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の自転車の走行駆動装置に係り、前記チェン歯車の回転軸は、前記フレームに固定された前記固定盤に設けたことを特徴とする。

この請求項４の発明では、チェン歯車の回転軸を固定盤自体に設け、換言すると、固定盤を介してフレームに設けたので、チェン歯車は固定盤に回転可能に軸支される。これにより、固定盤に軸支されたチェン歯車が回転することで、自転車を走行することができるようになる。

また、請求項１の発明によれば、連結ボスが切り溝の前方側に係合する構成としているので、ペダルを踏み込んでクランクアームを回転する踏込み力が、連結ボスを介して切り溝に有効に作用させることができ、自転車の前進走行時における安全走行の確保、労力低減、踏込み操作性の向上などにおいて優れた効果を発揮できる。

また、請求項２の発明によれば、回転トルク増大機構を自転車フレームの左右両側に設けているので、自転車全体として左右の重量配分においてバランスのとれた自転車を実現でき、安全走行を良好に得ることができる効果を奏する。

また、請求項３の発明によれば、回転トルク増大機構を自転車のフレームのいずれか一方側にだけ配置し、いずれか他方側にはペダルを有するクランクアームを備えた構成としても、回転トルク増大機構によりチェン歯車の回転トルクを増大できる自転車の走行駆動装置を実現できる効果を奏する。

また、請求項４の発明によれば、チェン歯車はその回転軸を固定盤に取付けた、すなわち、固定盤を介して間接的にフレームに設ける構成としたので、連結ボスを介してチェン歯車が回転駆動されると、チェン歯車は固定盤に設けた回転軸の回りに回転し、自転車を走行できる。この結果、請求項１乃至３のいずれかの発明とほぼ同じ効果を発揮することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図１〜図５に示す一実施例に基づいて詳述する。
図１は自転車の走行駆動装置に係る実施例における概略構成をスケルトンで示した側面図、図２は自転車フレームに組み込まれる構成要素を分解して示した外観組み立て分解斜視図、図３は実施例の要部を示した平面図、図４は実施例の動作を説明する動作説明図である。

本実施例における自転車の走行駆動装置の概要構成を説明する。図１、図２において、自転車の走行駆動装置の回転トルク増大機構１は、クランクアーム２と、チェン歯車３との間に設けられる。この回転トルク増大機構１は、フレーム４に固定した円形状の固定盤５と、固定盤５の外周にベアリング６を介して設けた中空おむすび状の外径を有する回転リング７と、回転リング７の中心点、すなわち、固定盤５の中心点Ｐ１から偏心した位置を貫通してフレーム４に設けた回転軸Ｐ２と、この回転軸Ｐ２の回りに回転自在に取付けたチェン歯車３と、チェン歯車３に形成した切り溝８と、切り溝８をフレーム４の車幅方向に貫通するように延びて、クランクアーム２と回転リング７とを結合する連結ボス９とにより構成される。

回転トルク増大機構１をさらに詳細に説明すると、チェン歯車３はフレーム４に取付けた回転軸Ｐ２に設けられ、回転軸Ｐ２の回りに自在に回転する。チェン歯車３には、例えば、図示しない自転車の後輪、あるいは前輪の車軸に取付けたチェン歯車にチェンを巻き掛けして回転トルクを伝達する。また、チェン歯車３の側面に、半径方向に延びる直線状の切り溝８が形成される。クランクアーム２にはその自由端に回転可能にペダル１０が設けられ、自由端と反対側の端部にはクランクアーム２の回転面にほぼ直交する方向（フレーム４の幅方向）に伸び、かつ、上記の切り溝８を貫通する連結ボス９が結合される。
フレーム４とチェン歯車３との間のフレーム４に、ステー１１を介して固定盤５が固定される。固定盤５は、円板状の形状を有し、その側面がチェン歯車３の回転面と並列な状態をなしてフレーム４に取付けられる。固定盤５には固定盤５の中心点Ｐ１からオフセットした位置に回転軸Ｐ２が貫通する。換言すると、チェン歯車３の回転軸Ｐ２を基準にみると、固定盤５の中心点Ｐ１はチェン歯車３の回転軸Ｐ２からオフセットした位置にある。いずれにしても、固定盤５の外方に突出する回転軸Ｐ２にチェン歯車３が回転可能に軸支されることとなる。

また、固定盤５の外周には、ベアリング６を介しておむすび状の突起部７ａを有するリング状の回転リング７が設けられる。回転リング７は固定盤５の中心点Ｐ１を中心に固定盤５の外周に沿って回転するが、このとき、チェン歯車３の回転軸Ｐ２は常に回転リング７に内包される領域に存在する相対位置関係に設定される。
上記切り溝８を貫通する連結ボス９の内方端は、回転リング７の突起部７ａに結合される。連結ボス９は切り溝８を貫通する部位においては、スライダとして機能するスライダ部９ａが形成され、スライダ部９ａが切り溝８に案内されながらスライドする。また、連結ボス９はクランクアーム２と回転リング７とを一体に結合するが、クランクアーム２および回転リング７は、スライダ部９ａに対して相対回動が許容される。これにより、クランクアーム２は固定盤５の中心点Ｐ１の回りに回転リング７と連動して回転できる。
こうして、自転車の走行駆動装置における回転トルク増大機構１に、いわゆる回転スライダ機構の原理が応用されることとなる。すなわち、図１に示すように、回転軸Ｐ２の回りを回転するリンクＬ１がチェン歯車３に、リンクＬ１にすべるように設けたスライダＬ２は連結ボス９のスライダ部９ａに、中心点Ｐ１の回りを回転するとともにスライダＬ２にピン結合されたリンクＬ３が固定盤５上を回転する回転リング７にそれぞれ対応する。また、スライダＬ２がリンクＬ１に沿ってすべる構成は、スライダ部９ａが切り溝８にガイドされながらすべる構成に対応する。すなわち、リンクＬ３が中心点Ｐ１の回りに回転すると、その回転力はスライダＬ２に伝わり、リンクＬ１が回転軸Ｐ１の回りを、例えば時計回りに回転する。これにより、回転トルク増大機構１に、回転スライダ機構が応用されることとなる。

本実施例では、回転トルク増大機構を有する自転車の走行駆動装置が、フレーム４の左右両側の対称な位置に設けられる。左右両側のクランクアーム２は、互いに１８０度の位相をずらして回転可能に取付けられる。
本実施例の動作を図３，図４に基づいて説明する。自転車を前進走行させる場合、図示しないサドルに着座したユーザがその右足を、図４のＡ位置にあるペダル１０に載せる。このＡ位置においては、連結ボス９は切り溝８の右方側に位置し、かつ、クランクアーム２の延長線上に、連結ボス９，切り溝８、回転中心Ｐ１、および回転軸Ｐ２がほぼ一直線上に並んだ状態にある。ペダル１０を踏み込むと、クランクアーム２の回転トルクは連結ボス９を介して回転リング７に伝わる。回転リング７は中心点Ｐ１を中心にして固定盤５の外周を回転する。これと同時に、連結ボス９のスライダ部９ａは切り溝８を回転軸Ｐ２方向へすべりながらチェン歯車３に時計回りの回転トルクが伝達されてＢ位置へ回転していく。こうして、クランクアーム２は、回転スライダ機構の原理により、回転リング７と一体となって中心点Ｐ１の回りを時計回りに回転する。このとき、切り溝８に係合するスライダ部９ａからチェン歯車３にペダル１０に回転トルクが伝達され、チェン歯車３が時計回りに回転し、図示しないチェンを介して自転車の車輪が駆動されて前進走行しはじめ、ペダル１０は位置Ｃ、位置Ｄへと回転していく。この過程で、フレーム４の反対側（左側）に設けた他方側の自転車の走行駆動装置におけるペダル１０を同様にして踏み込み、上記反対側のチェン歯車3を回転駆動させていく。こうして、ユーザは左右のペダル１０を交互に踏み込んでクランクアーム２を回転していくことで、自転車を前進走行できることとなる。

図５は、上記回転トルク増大機構１が回転トルクを増大する説明図である。図５において、２はクランクアーム、３は偏心状態で回転するチェン歯車、３ａは偏心しない状態で回転するチェン歯車、１０はペダルを示す。ここで、Ｆはペダル１０に作用する踏込み力、ｒ１は偏心していないチェン歯車３ａの回転有効半径、ｆ１はチェン歯車３ａの回転トルク、ｒ２は偏心状態にあるチェン歯車３の回転有効半径、ｆ２はそれに作用する回転トルクである。

そこで、Ｆ＝５０ｋｇ、ｒ１＝８９ｍｍ、ｒ２＝６５ｍｍ、Ｌ＝１６５ｍｍと設定した場合において、ｆ１＝Ｆ・１６５／８９＝５０×１６５÷８９＝９２，７ｋｇとなる。また、ｆ２＝Ｆ・１６５／６５＝５０×１６５÷６５＝１２６，９ｋｇとなる。これらより、ｆ１／ｆ２＝１２６，９／９２，７＝１，３６９を得る。

上記の各式で示すように、本実施例の自転車の走行駆動装置によれば、チェン歯車３の回転トルクを約１，４倍に増大でき、回転軸受等の機械摩擦損失を考慮しても、通常の自転車に比べて３割近くの回転トルク増大を図ることが可能となる。
このように、本実施例によれば、自転車の走行駆動装置に回転スライダ機構の原理を利用した回転トルク増大機構１を用いたので、クランクアーム２の長さをことさらに長くすることなく、チェン歯車3を駆動するトルクの増大化、構成部品点数の低減による構成のシンプル化、自転車重量の軽減化、安定した走行性能の確保、踏込み力の軽減による疲労感の軽減化などを図ることができる利点がある。
以上、本発明を一実施例により詳述してきたが、具体的な構成はこの一実施例に限られるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明の範囲に含まれるものである。

上記の一実施例では、自転車の走行駆動装置の回転トルク増大機構１をフレーム４の左右両側に対称配置した場合を例に挙げて説明したが、この代わりに、図６に示すように、フレームの右方側にだけ回転トルク増大機構１を設けた構成を有する第１変形例であってもよい。すなわち、この変形例において、フレーム４の左方側には、ペダル１３の踏込みによるクランクアーム１４の回転軸１５をフレーム４に回転可能に設け、かつ、回転軸１５を右方側の回転トルク増大機構１における固定盤５の中心点Ｐ１にほぼ一致させて軸支する。また、左方側のクランクアーム１４の回転軸１５とチェン歯車の回転軸Ｐ２との間に駆動力伝達手段１６が設けられる。該駆動力伝達手段１６は、例えば、歯車機構あるいは巻き掛け伝動機構などの態様のものが用いられる。また、左方側におけるペダル１３から回転軸１５に至るクランクアーム１４の腕の長さは、右方側のペダル１０から中心点Ｐ１に至るクランクアーム２の腕の長さと等しく設定される。さらに、チェン歯車３は回転軸Ｐ２と一体回転可能となるようにフレーム４に軸支される。

係る第１変形例によれば、左方側のクランクアーム１４を回転することで、駆動力伝達手段１６を介して回転軸Ｐ２に自転車を前進走行させる駆動力が伝達される。この結果、左右のペダル１０、１３を交互に踏込み操作することで、ユーザは自転車を走行させることができ、上記実施例とほぼ同様の効果を得ることができる。また、この第１変形例をリハビリ用の自転車として利用すれば、運動機能の低下した脚を効果的に鍛錬できる。
また、上記実施例および第１変形例では、チェン歯車３の回転軸Ｐ２を固定盤５を貫通し、直接にフレーム４に取付ける構成にしたが、図７に示す第２変形例のように、固定盤５に回転軸Ｐ３を取付けて、間接的にフレーム４に設ける構成としてもよい。係る第２変形例の構成により、クランクアーム２の連結ボス９に伝えられた回転トルクは、切り溝８からチェン歯車３に伝達され、その結果、チェン歯車３は固定盤５上の回転軸Ｐ３を中心として回転し、自転車を走行させることができる。

また、図８に示す第３変形例のように、フレーム４の左右に固定した固定盤５を貫通するように回転軸Ｐ３を設け、この回転軸Ｐ３に連結リンク２０を一体回転するように結合する。なお、この回転軸Ｐ３はチェン歯車３と一体結合されている。そして、連結リンク２０に切り溝２１を形成し、該切り溝２１を貫通する連結ボス２２を介して左側のクランクアーム２と回転リング７とを連結する。係る構成としたことにより、クランクアーム２が回転すると、連結ボス２２は切り溝２１に案内されながら回転リング７と共に固定盤５の回りを回転リング７と共に一体に回転する。すなわち、ペダル１０は、回転軸Ｐ１の回りに回転する。この結果、連結リンク２０は回転するが、この回転トルクは、回転軸Ｐ３を介して右側のチェン歯車３を回転駆動する回転トルクとして伝わるので、自転車は、左右両側のクランクアーム２の回転トルクによりチェン歯車３を駆動し、走行することができる。

本発明の一実施例における概略構成をスケルトンで示した側面図である。 上記実施例に係り、自転車フレームに組み込まれる構成要素を分解して示した外観組み立て分解斜視図である。 上記実施例の要部を拡大して示した要部拡大平面図である。 上記実施例の動作を説明する動作説明図である。 チェン歯車の回転トルク増大を説明する説明図である。 上記実施例の第１変形例における図３と同様の要部拡大平面図である。 上記実施例の第２変形例における図３と同様の要部拡大平面図である。 本実施例の第３変形例における図３と同様の要部拡大平面図である。

符号の説明

１ 回転トルク増大機構
２ クランクアーム
３ チェン歯車
４ フレーム
５ 固定盤
６ ベアリング
７ 回転リング
８ 切り溝
９ 連結ボス
９ａ スライダ部
１０ ペダル
１１ ステー
１３ ペダル
１４ クランクアーム
１５ 回転軸
１６ 駆動力伝達手段
２０ 連結リンク
２１ 切り溝
２２ 連結ボス
Ｌ１ リンク
Ｌ２ スライダ
Ｌ３ リンク
Ｐ１ 中心点
Ｐ２ 回転軸
Ｐ３ 回転軸

Claims (4)

1. 自転車フレームに回転自在に設けたチェン歯車と、ペダルの踏込みによる回転するクランクアームとの間に、回転トルク増大機構を設けた自転車の駆動装置において、
   前記回転トルク増大機構は、固定盤、回転リング、切り溝及び連結ボスを有し、
   前記固定盤は、前記フレームと前記チェン歯車との間に、前記固定盤の面を前記チェン歯車の回転面と並列に取付けられ、かつ、前記チェン歯車の回転軸からオフセットした位置を中心点に持つ円状の固定盤であり、
   前記回転リングは、前記固定盤の外周にベアリングを介して設けられ、前記チェン歯車の回転軸を内包する形態で前記固定盤の中心点の回りに回転する回転リングであり、
   前記切り溝は、前記チェン歯車の半径方向に形成されるとともに、前記切り溝が前記チェン歯車の回転軸から自転車の前方位置に存在する作動領域では、前記連結ボスを切り溝の前方側に係合させて形成され、
   前記連結ボスは、前記切り溝にスライド可能に設けられ、該切り溝を貫通して前記回転リングおよび前記クランクアームを結合する連結ボスであることを特徴とする自転車の走行駆動装置。
2. 前記回転トルク増大機構が、前記フレームの両側の対称な位置にそれぞれ独立して設けられ、かつ、前記両側のクランクアームを互いに１８０度の位相をずらして回転可能に取付けたことを特徴とする請求項１記載の自転車の走行駆動装置。
3. 前記回転トルク増大機構が、前記自転車フレームのいずれか一方側にだけ設け、前記自転車フレームのいずれか他方側には、ペダルの踏込みによるクランクアームの回転軸を回転可能に設け、かつ、該いずれか他方側のクランクアームの回転軸を、前記いずれか一方側の回転トルク増大機構における前記固定盤の中心点にほぼ一致するように軸支するとともに、前記いずれか他方側のクランクアームの回転軸と前記チェン歯車の回転軸との間に設けられ、前記いずれか他方側のクランクアームから前記チェン歯車へペダル踏込み力を伝達する駆動力伝達手段が設けられたことを特徴とする請求項１または２記載の自転車の走行駆動装置。
4. 前記チェン歯車の回転軸は、前記フレームに固定された前記固定盤に設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の自転車の走行駆動装置。
   

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