JP4587319B2 - 人力駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、自転車等の足踏みペダルへの踏みつけ力で代表される人力を、より効率よく回転や推進などの駆動力に変換する人力駆動装置に関する。

従来、自転車等の人力駆動装置は、足踏みペダル等が取り付けられたクランクアームと、その車体側へ配置された駆動スプロケットからなり、クランクアームの長さと、駆動スプロケットの径（歯数）から、例えば自転車の場合はペダルへの脚力による踏み付け力に対する出力、すなわち前進力が決まってしまう。

そこで、大小複数のスプロケットを組み合わせたギア機構を用い、入力に対する出力を調整することは周知の技術である。
しかし、スプロケットの径はギア機構により変化させることが可能であっても、クランクアームの長さが一定、すなわちスプロケットの中心から足踏みペダルまでの距離が一定のため、人力のように常に一定のトルクを掛けられない場合、クランクアームの回転位置により、足で踏み込む力が減少する部分が発生し、回転力を大きくロスすると共に、自転車の推進力を効率よくあげることができない。

そこで、クランクアームの長さを回転途中で変化させる機構は、例えば特許文献１〜特許文献３に開示されている。
特開平０５−１８５９８０号公報 特開平１０−３５５７３号公報 特開平０８−１０４２８１号公報

本発明の目的は、人力を効率良くかつ滑らかな駆動力に変換させると共に、組立性を向上させた人力駆動装置を提供することにある。

上記の目的を解決するために、本発明は装置フレームの軸受部に装着された回転可能な主クランクアーム軸に、互いの自由端を１８０度ずらして一対の主クランクアームの基端部が固定され、該主クランクアームを人力で回転動作させて駆動スプロケットに駆動力を生じさせる人力駆動装置であって、軸受部の同軸上で、且つ軸受部両端のそれぞれに固定された非回転のフレーム側スプロケットと、主クランクアームの自由端の外側に位置させて該自由端に装着された回転可能なアーム軸に基部が固定され、他端側に足踏みペダルを備えた副クランクアームと、主クランクアームの自由端の内側に位置させてアーム軸に固定され、フレーム側スプロケットと同じギヤ数の副クランプアームスプロケットと、主クランクアームの全長のほぼ中央に固定された中間軸上に２個配置され、かつ一体的に同時回転可能に取り付けられ、フレーム側スプロケットと同じギヤ数の第１および第２の中間スプロケットと、副クランクアームが自転車の走行面と水平になるようフレーム側スプロケットと第１の中間スプロケット、および第２の中間スプロケットと副クランプアーム側スプロケットのそれぞれを連結する動力伝達チェーンと、から成り、駆動スプロケットには中間スプロケットの外径より大きい内径のスプロケット挿通開口を有し、一方の中間スプロケットをスプロケット挿通開口を通して配置したことを特徴とする。
これにより、クランクアームを主クランクアームと副クランクアームを連結した構成にすることにより、操縦者が人力を加える際、最も力がかけられる頂点から前方に徐々に駆動スプロケットの中心である作用点から、足踏みペダルである力点までの距離が長くなり、効率よく大きい駆動力を発生させることができる。

本発明によれば、第１および第２の中間スプロケットが一体的に同時回転可能に主クランクアームの全長のほぼ中央に固定された中間軸上に２個配置された機構を採用したことにより、人力を滑らかな駆動力に変換させることができる。
また、駆動スプロケットのスプロケット挿通開口を通した車体フレーム側の中間スプロケットとフレーム側スプロケット、および該スプロケット挿通開口を通さない主クランクアーム側の中間スプロケットと副クランクアーム側スプロケットを動力伝達チェーンにより連結する機構を採用したことにより、駆動スプロケットが平らな構成となり、加工性が良く、安価に製作ができると共に、主クランクアームに２個の中間スプロケットを取り付けた状態で、駆動スプロケットのスプロケット挿通開口を通すことができるから、その後スプロケット間の動力伝達チェーンの連結ができるため、組み付け易く、生産性に優れている。

本発明は人力により駆動スプロケットを回転させる一対のクランクアームのそれぞれを主クランクアームと、この主クランクアームの自由端に副クランクアーム軸によって回転可能に連結された副クランクアームで構成すると共に、主クランクアームの全長のほぼ中央には駆動スプロケットを間にして第１および第２の中間スプロケットを配置し、この中間スプロケットを介して主クランクアーム軸と同心に配置した非回転のフレーム側スプロケットと副クランクアーム軸上の副クランクアーム側スプロケットとを動力伝達チェーンにより連結し、クランクアームが頂点から前方へ差掛るときに駆動スプロケットの中心から足踏みペダルまでの距離を最大にすることで実現した。

本装置は、人の踏力で自転車を動かす自転車駆動装置に適用したもので、自転車本体であるフレームの左右一対に設けられた足踏みペダルを有するクランク機構である。
本実施例では、自転車の後輪へ動力を伝えるチェーンを進行方向に対しフレームの右側へ配した機構で説明するが、フレームに対し左側も同様に適用される。ここで、チェーンとは、スプロケット間を連結し、動力を一方から他方へ伝える動力伝達機能実現手段であって、ベルトも含まれる。

図１は本発明を実施した自転車駆動装置の分解斜視図で、後輪に動力を伝える駆動スプロケットを配した側のみを示す。反対側には駆動スプロケットの無い機構が適用される。

自転車駆動装置１は、車体フレーム２に直交する左右方向に回転中心を持つ軸受部２１に装着された回転可能な主クランクアーム軸２２に、互いの自由端を１８０度ずらして車体フレーム２の左右両方のそれぞれに主クランクアーム３と副クランクアーム４とが連係された一対のクランクアームが配置されている。一方の主クランクアーム３の基端部３１には大径の駆動スプロケット５が装備され、チェーン６を介し、後輪（図示省略）へ動力を伝えるよう構成されている。

主クランクアーム軸受部２１の両端部分には主クランクアーム軸２２に対して同心で、且つ主および副クランクアーム４に対して非回転にフレーム側スプロケット８が設けられている。

主クランクアーム３の基端部３１には、主クランクアーム軸２２が嵌合する取付孔３２が設けられ、この孔３２の孔心に駆動スプロケット５の回転中心を一致させて駆動スプロケット５が固定されている。主クランクアーム３と駆動スプロケット５を一体化した組立部品を主クランクアーム軸２２に嵌合し、ボルト３３を主クランクアーム軸２２の軸端にねじ込むことによって取着される。この作業の前に、フレーム側スプロケット８にチェーン９を架けて置くことで、第１の中間スプロケット１０へチェーン９を容易に架けることができる。

主クランクアーム３のほぼ中央に穿設された軸孔３４に中間軸３５がボルト３６によって固定されている。中間軸３５には第２の中間スプロケット１１、間隔部材３７、第１の中間スプロケット１０を回転可能に支持し、中間軸３５の他端に円形の止め部材３８をボルト３９で止めて組み付けられる。間隔部材３７の一方側と第１の中間スプロケット１０は、中間軸３５が貫通する管部材４０で結合され、一体化されている。間隔部材３７の他方側には外周に凹凸を形成した噛み合い部４１が突設されている。第２の中間スプロケット１１は、噛み合い部４１に合致する形状の中抜き部４２が形成されている。中間軸３５上で間隔部材３７の噛み合い部４１に第２の中間スプロケット１１の中抜き部４２を嵌め込むことで、両部材は一体化される。第１の中間スプロケット１０と第２の中間スプロケット１１は、間隔部材３７を介在させて中間軸上に回転可能に配置することにより、同時に回転する。ここで、フレーム側スプロケット８、第１および第２の中間スプロケット１０、１１、副クランクアーム側スプロケット９は同じギア比で構成されている。

駆動スプロケット５は、図２に示すように中間軸３５が貫通する側部に、中間スプロケット１０、１１が通過できる大きさのスプロケット挿通開口５１が形成されている。間隔部材３７をスプロケット挿通開口５１に位置させ、この間隔部材３７を介在させて車体フレーム２側に第１の中間スプロケット１０、および主クランクアーム３側に第２の中間スプロケット１１が配置される。

主クランクアーム３の自由端には軸孔４４が設けられ、この軸孔４４に副クランクアーム軸４３を回転可能に挿入し、主クランクアーム３の外側に位置させた副クランクアーム４の基端部の軸孔４５に嵌合させ、ナット４６を副クランクアーム軸４３の軸端のネジ４３２にねじ込み、固定する。主クランクアーム３から車体フレーム３側に突出した副クランクアーム軸４３には、副クランクアーム側スプロケット９と第２の中間スプロケット１１を定位置に配する位置決めのためのフランジ４３１が設けられ、このフランジ４３１の車体フレーム２側に副クランクアーム側スプロケット９を当接させて固定し、外側から止め部材４８を当ててボルト４９を副クランクアーム軸端にねじ込み固定する。これにより、副クランクアームの動きに従って副クランクアーム軸４３を回転させ、副クランクアーム側スプロケット９を回転させる。副クランクアーム４の自由端側には足踏みペダル７が取り付けられている。

動力伝達チェーンは、フレーム側スプロケット８と第１の中間スプロケット１０に架ける第１のチェーン６０と、副クランクアーム側スプロケット９と第２の中間スプロケット１１間に架ける第２のチェーン６１により構成されている。動力伝達チェーンを架けた後、主クランクアーム３の内側にカバー６２を差込み（破線位置）、その前部をネジ６３で主クランクアームの先端にねじ止めされる。

本実施例によれば、フレームに対し左側の構成で見られるように、フレーム側スプロケット８と副クランクアーム側スプロケット９との間に２個の中間スプロケット１０、１１を配置する為、ペダルへの踏込み力を滑らかに駆動スプロケットに伝えることができる。また中間スプロケットを駆動スプロケットを貫通させて一組（第１および第２の中間スプロケット）を配置するので、予め中間スプロケットを主クランクアームに組付けて部品化できるため、組み立て易く、精度も出しやすく、生産性に優れている。

次に自転車駆動装置の作用を説明する。図３は主クランクアームと副クランクアームの動作の遷移を示し、（ａ）は左側のクランクアーム、（ｂ）は右側のクランクアームの回転位置における状態図である。

左側の主クランクアーム３の動作位置を主クランクアーム３の基端部３１より後方水平としたとき、副クランクアーム４は主クランクアーム３に一致した水平かつペダル位置が主クランクアーム３の基端部３１に最も近い状態となる。この時、右側の主クランクアーム３はその基端部３１より前方水平となり、副クランクアーム４は主クランクアーム３の基端部３１より前方水平となり、ペダル位置が主クランクアーム３の基端部３１に最も遠い状態となる。（図３（１）参照）

続いて、左側の主クランクアーム３が図中左回転し、垂直真上になり、同時に右側の主クランクアーム３が垂直真下になる。この過程で副クランプアーム４の回転が第２の中間スプロケット１１、第１の中間スプロケット１０を回転させるが、フレーム側スプロケット８が非回転の為、第１の中間スプロケット１０の回転は副クランクアーム４を主クランプアーム３の回転位置に関係なく、常に水平を保つように作用する。このとき、左側の副クランクアーム４は前方水平となり、一方右側の副クランクアーム４は前方水平となる。（図３（２）参照）
このような副クランクアーム４の動きを実現する為、各スプロケットのギア数が決定されている。

更に踏み込むと、左側の主クランクアーム３が前方水平となり、副クランクアーム４は主クランクアーム３に一致した前方水平となって、ペダル位置が主クランクアーム３の基端部３１から最も遠い状態となる。この過程で踏み込む力が駆動力に変換される。この時、右側の主クランクアーム３はその基端部３１より前方水平となり、副クランクアーム４は主クランクアーム３の基端部３１より前方水平となり、ペダル位置が主クランクアーム３の基端部３１に最も近い状態となる。（図３（３）参照）
この過程では踏み込む力が大きな駆動力に変換される。

続いて、左側の主クランクアーム３が図中左回転し、垂直真下になり、同時に右側の主クランクアーム３が垂直真上になる。（図３（４）参照）
この過程は、図３（２）と同様になる。ただし、主クランクアームと副クランクアームの位置が左右で１８０度異なる。
全ての回転位置において、副クランクアーム４は水平位置をとる。

本発明に係る人力駆動装置は、自転車駆動装置以外にも湖沼などに浮べて使用されるボート、遊園地などの遊戯施設内のコースで使用される走行車などにも適用できる。

本発明に係る人力駆動装置の実施例として、自転車駆動装置の分解斜視図である。 駆動スプロケットと中間スプロケットの関係を説明する図である。 図３は主クランクアームと副クランクアームの動作の遷移を示し、（ａ）は左側のクランクアーム、（ｂ）は右側のクランクアームの回転位置における状態図である。

符号の説明

１ 自転車駆動装置
２ 車体フレーム
２１ 軸受部
２２ 主クランクアーム軸
３ 主クランクアーム
４ 副クランクアーム
５ 駆動スプロケット
６ 動力伝達チェーン
７ 足踏みペダル
８ フレーム側スプロケット
９ 副クランクアーム側スプロケット
１０ 第１の中間スプロケット
１１ 第２の中間スプロケット

Claims (1)

1. 装置フレームの軸受部に装着された回転可能な主クランクアーム軸に、互いの自由端を１８０度ずらして一対の主クランクアームの基端部が固定され、該主クランクアームを人力で回転動作させて駆動スプロケットに駆動力を生じさせる人力駆動装置であって、
   前記軸受部の同軸上で、且つ軸受部両端のそれぞれに固定された非回転のフレーム側スプロケットと、
   前記主クランクアームの自由端の外側に位置させて該自由端に装着された回転可能なアーム軸に基部が固定され、他端側に足踏みペダルを備えた副クランクアームと、
   前記主クランクアームの自由端の内側に位置させて前記アーム軸に固定され、前記フレーム側スプロケットと同じギヤ数の副クランプアームスプロケットと、
   前記主クランクアームの全長のほぼ中央に固定された中間軸上に２個配置され、かつ一体的に同時回転可能に取り付けられ、前記フレーム側スプロケットと同じギヤ数の第１および第２の中間スプロケットと、
   前記副クランクアームが自転車の走行面と水平になるよう前記フレーム側スプロケットと第１の中間スプロケット、および第２の中間スプロケットと副クランプアーム側スプロケットのそれぞれを連結する動力伝達チェーンと、から成り、
   前記駆動スプロケットには中間スプロケットの外径より大きい内径のスプロケット挿通開口を有し、前記一方の中間スプロケットを前記スプロケット挿通開口を通して配置したことを特徴とする人力駆動装置。