JP5283594B2 - 補助動力装置付き二輪車 - Google Patents

Description

本発明は、補助動力装置付き二輪車に係り、特に、人力によるペダル踏力の変化に対応して補助動力源の出力を制御する補助動力装置付き二輪車に関する。

従来から、人力動力系と電気動力系を並列に設けると共に、人力によるペダル踏力の変化に対応して電気動力系の電動モータの出力を制御するようにした補助動力装置付きの二輪車が知られている。

特許文献１には、ペダルに印加された踏力がワンウェイクラッチおよび動力伝達手段を介して後輪に伝達されると共に、ペダル踏力の大きさに応じて、電動モータの補助動力が動力伝達手段に印加されるようにした補助動力装置付き自転車、いわゆるアシスト自転車が開示されている。

特開平７−３２３８８０号公報

ところで、一般的なアシスト自転車は、車速が所定値（例えば、２４ｋｍ／ｈ）を超えると補助動力が印加されないように構成されており、また、自転車そのものが前記した所定値を超えるような速度で走行することが想定されていないため、このような高速走行時においては、人力によるペダル踏力を検知する必要性が低い。

これに対し、車速が前記所定値を超えるような高速走行時においてもペダル踏力に応じた補助動力を印加するアシスト自転車の需要があった場合には、高速走行時においてもペダル踏力を検知する必要が生じることとなる。しかしながら、ペダル踏力は、人力による動力が後輪に伝達されてペダルに負荷が生じない限り、これを検知することができない。換言すれば、ペダル踏力を検知するためには、現在車速を超える速度でペダルを漕ぐ必要があるため、前記したような高速走行時においては、事実上、乗員がペダルを漕いでも空転するのみで、ペダル踏力の検知もできないこととなる。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、高速走行時においても乗員にペダルの空転感を感じさせず、かつペダル踏力を検知できる補助動力装置付き二輪車を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、ペダル踏力が入力されるクランク軸（２１）と、前記クランク軸（２１）に入力されたペダル踏力を後輪（ＷＲ）に伝達する動力伝達機構（Ｋ）と、前記動力伝達機構（Ｋ）に含まれ、前記ペダル（２２ａ）の正転方向の駆動力のみを伝達するワンウェイクラッチ（１０５）と、前記ペダル踏力の大きさを検知する踏力検知機構（７０）と、前記後輪（ＷＲ）に補助動力を印加する駆動モータ（２４）と、前記二輪車（１）の車速を検知する車速センサ（３７）と、前記ペダル踏力の大きさに基づいて、前記駆動モータ（２４）の出力を算出する制御部（４６）とを有する補助動力装置付き二輪車において、前記ワンウェイクラッチ（１０５）の上流側で動力伝達機構（Ｋ）に連結された負荷印加手段（６０）を具備し、前記負荷印加手段（６０）は、前記制御部（４６）によって駆動され、前記制御部（４６）は、前記車速センサ（３７）で検知された車速に応じて、前記クランク軸（２１）の正転回転に抗する負荷が印加されるように前記負荷印加手段（６０）を駆動する点に第１の特徴がある。

また、前記負荷印加手段（６０）は、前記駆動モータ（２４）と別個独立した負荷印加用モータ（６０）であり、前記制御部（４６）は、前記負荷印加用モータ（６０）の通電状態を切り換えることにより、前記二輪車（１）の車速が所定値未満の場合は前記負荷印加用モータ（６０）による負荷の印加を行わない無負荷運転状態とし、一方、前記車速が所定値以上になると前記負荷印加用モータ（６０）によって負荷を与える負荷運転状態とする点に第２の特徴がある。

また、前記制御部（４６）は、前記クランク軸（２１）の逆転方向に前記負荷印加用モータ（６０）が駆動するように通電することで前記負荷運転を行う点に第３の特徴がある。

また、前記制御部（４６）は、前記負荷印加用モータ（６０）を発電機として駆動することで前記負荷運転を行うと共に、前記負荷印加用モータ（６０）の回生発電による発電電力で車載バッテリ（Ｂ１，Ｂ２）を充電する点に第４の特徴がある。

また、前記制御部（４６）は、前記負荷印加用モータ（６０）によって負荷が印加されている間に二輪車（１）の車速が増加すると、この増加に応じて負荷を増加させる点に第５の特徴がある。

また、前記制御部（４６）は、検知されたペダル踏力のピーク値に対応する補助動力が維持または漸減されるように、前記駆動モータ（６０）を駆動する点に第６の特徴がある。

また、前記制御部（４６）は、今回検知されたペダル踏力のピーク値に対応する補助動力が、次にペダル踏力のピーク値が検知されるまで維持または漸減されるように、前記駆動モータ（６０）を駆動する点に第７の特徴がある。

また、前記制御部（４６）は、前記二輪車（１）の車速が維持または漸減されるように駆動モータ（２４）が駆動されている間にペダル踏力が入力されると、該ペダル踏力の分だけ前記駆動モータ（２４）の出力を低減する点に第８の特徴がある。

また、前記動力伝達機構（Ｋ）は、前記クランク軸（２１）に入力された踏力を、前記クランク軸（２１）から第１ワンウェイクラッチ（１０５）を介して後輪（ＷＲ）伝達する第１動力伝達機構（Ｋ１）と、前記駆動モータ（２４）の回転駆動力を、第２ワンウェイクラッチ（１０６）を介して前記後輪（ＷＲ）に伝達する第２動力伝達機構（Ｋ２）とを含み、前記負荷印加手段（６０）は、前記第１ワンウェイクラッチ（１０５）の上流側で前記第１動力伝達機構（Ｋ１）に負荷を与えるように構成されている点に第９の特徴がある。

さらに、前記負荷印加手段（６０）は、第１動力伝達機構（Ｋ１）に含まれるドライブチェーン（２３）に噛合する負荷印加用スプロケット（６１）を介して負荷を印加するように構成されている点に第１０の特徴がある。

第１の特徴によれば、ワンウェイクラッチの上流側で動力伝達機構に連結された負荷印加手段を具備し、負荷印加手段は制御部によって駆動され、制御部は、車速センサで検知された車速に応じてクランク軸の正転回転に抗する負荷が印加されるように負荷印加手段を駆動するので、負荷印加手段によって、ペダルの正転方向の回転に対する負荷を発生させることが可能となる。これにより、車速が所定値を超える高速走行時に乗員がペダルを正転させた際でも、クランク軸に逆転方向の負荷を与えることでペダルに抵抗感が生じることとなり、乗員にペダルの空回り感を生じさせないと共に、ペダル踏力検知機構によるペダル踏力の検知も可能となる。

第２の特徴によれば、負荷印加手段は、駆動モータと別個独立した負荷印加用モータであり、制御部は、負荷印加用モータの通電状態を切り換えることにより、二輪車の車速が所定値未満の場合は負荷印加用モータによる負荷の印加を行わない無負荷運転状態とし、一方、車速が所定値以上になると負荷印加用モータによって負荷を与える負荷運転状態とするので、負荷の印加が必要となる速度域でのみ負荷を生じさせることが可能となる。また、負荷が不要な速度域において、負荷印加用モータが連れ回されることによる回転抵抗を最小限に抑えることができる。

第３の特徴によれば、制御部は、クランク軸の逆転方向に負荷印加用モータが駆動するように通電することで負荷運転を行うので、負荷の大きさを容易に調整することが可能となる。

第４の特徴によれば、制御部は、負荷印加用モータを発電機として駆動することで負荷運転を行うと共に、負荷印加用モータの回生発電による発電電力で車載バッテリを充電するので、ペダルに負荷を生じさせるために生じた発電電力によってバッテリの充電が可能となり、エネルギー効率を向上させることが可能となる。

第５の特徴によれば、また、制御部は、負荷印加用モータによって負荷が印加されている間に二輪車の車速が増加すると、この増加に応じて負荷を増加させるので、負荷が印加されている間に車速が変化しても、常に同じような踏力感覚を乗員に感じさせることが可能となる。

第６の特徴によれば、制御部は、検知されたペダル踏力のピーク値に対応する補助動力が維持または漸減されるように、駆動モータを駆動するので、ペダル踏力に応じた補助動力によるクルーズ走行が可能となる。

第７の特徴によれば、制御部は、今回検知されたペダル踏力のピーク値に対応する補助動力が、次にペダル踏力のピーク値が検知されるまで維持または漸減されるように、駆動モータを駆動するので、連続的なペダル操作に応じた補助動力によるクルーズ走行が可能となる。

第８の特徴によれば、制御部は、二輪車の車速が維持または漸減されるように駆動モータが駆動されている間にペダル踏力が入力されると、該ペダル踏力の分だけ駆動モータの出力を低減するので、クルーズ走行中に踏力が入力された際に、後輪に伝達される駆動力が踏力のぶんだけ大きくなることを防止することができる。これにより、スムーズなクルーズ走行を可能とし、かつ電力消費量を低減することが可能となる。

第９の特徴によれば、動力伝達機構は、クランク軸に入力された踏力を、前記クランク軸から第１ワンウェイクラッチを介して後輪伝達する第１動力伝達機構と、駆動モータの回転駆動力を、第２ワンウェイクラッチを介して後輪に伝達する第２動力伝達機構とを含み、負荷印加手段は、第１ワンウェイクラッチの上流側で第１動力伝達機構に負荷を与えるように構成されているので、人力動力系と電動動力系からなる独立した２つの動力伝達機構を有する補助動力装置付き二輪車において、高速走行時のペダル空回り感の解消およびペダル負荷検知が可能となる。

第１０の特徴によれば、負荷印加手段は、第１動力伝達機構に含まれるドライブチェーンに噛合する負荷印加用スプロケットを介して負荷を印加するように構成されているので、負荷印加手段を簡単な構成で得ることができる。

本発明の一実施形態に係る負荷印加装置を備えた補助動力装置付き二輪車の側面図である。 二輪車の車体フレームの拡大側面図である。 パワーユニットの拡大側面図である。 後輪の車軸の周囲の構成を示す斜視図である。 動力伝達機構の全体構成を示す上面断面図である。 動力伝達機構のクランク軸側の構成を示す拡大断面図である。 動力伝達機構の車軸側の構成を示す拡大断面図である。 ペダル踏力検知機構の構成を示す拡大断面図である。 本実施形態に係る二輪車の制御システムの構成を示すブロック図である。 本実施形態に係る二輪車の動力伝達機構の全体構成の模式図である。 ペダル踏力と補助動力との関係を示すグラフである。 アシストを開始する踏力と車速との関係を示すグラフである。 負荷トルクとペダル回転数との関係を示すグラフである。 駆動モータのアシスト制御方法を示すグラフである。 ペダル踏力と駆動モータ出力との関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る補助動力装置付き二輪車の動力伝達機構の構成を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る負荷印加装置を適用した補助動力装置付き二輪車１の側面図である。また、図２は、補助動力装置付き二輪車1（以下、単に二輪車と示すこともある）の車体フレーム２の側面図である。二輪車１は、自転車と同様のペダルを有し、人力によるペダル踏力に応じて、駆動モータ２４による補助動力を後輪ＷＲに印加するようにした、いわゆる電動アシスト機能付きの二輪車である。

二輪車１の車体フレーム２は、ヘッドパイプ５と、該ヘッドパイプ５から後方下方に延在するメインフレーム３と、該メインフレーム３の後部に接合されて上方に延在するシートチューブ４と、メインフレーム３の後部に配設される左右一対のチェーンステー１９と、シートチューブ４の上部に接合されて後方下方に延在すると共にチェーンステー１９の後端と接合される左右一対のシートステー１８とからなる。

ヘッドパイプ５には、左右一対のフロントフォーク９を支持するステムシャフト（不図示）が回動自在に軸支されており、該ステムシャフトの上部には、左右一対のハンドルバー６が取り付けられている。ハンドルバー６の車幅方向の両端部には、ハンドルグリップ７およびブレーキレバー８がそれぞれ取り付けられており、フロントフォーク９の下端部には、車軸１０を介して前輪ＷＦが回転自在に軸支されている。前輪ＷＦのドラム式ブレーキ１１は、揺動アーム１２の作動に伴って制動力を生じる。この揺動アーム１２は、車幅方向右側のブレーキレバー８に連結された不図示のワイヤによって駆動される。

ヘッドパイプ５の前方には、ライトステー１４を介してヘッドライト１５が取り付けられている。フロントフォーク９の上部には、フロントフェンダ１３が取り付けられている。メインフレーム３は中空構造とされており、その内部には、補助動力源および制御システムに電力を供給する第１バッテリＢ１および第２バッテリＢ２が収納されている。

メインフレーム３の後部で車体中央には、人力駆動系の機構と電力駆動系の機構とを一体に構成したパワーユニットＰが取り付けられている。クランク軸２１の車幅方向両端部には、乗員が踏む足乗せ部分を回転自在に軸支するクランクアーム２２が固定されている。クランク軸２１には、第１駆動側スプロケット２０が固定されており、該第１駆動側スプロケット２０に第１ドライブチェーン２３が巻き掛けられて、人力動力伝達機構が構成されている。また、補助動力源としての駆動モータ２４の出力軸には、第２駆動側スプロケット２５が固定されており、該第２駆動側スプロケット２５に第２ドライブチェーン２８が巻き掛けられて電気動力伝達機構が構成されている。

チェーンステー１９の後端部には、車軸３０を介して後輪ＷＲが回転自在に軸支されている。車軸３０には、第１ドライブチェーン２３を介して後輪ＷＲに人力駆動力を伝達する第１従動側スプロケット１０１と、第２ドライブチェーン２８を介して後輪ＷＲに電気駆動力を伝達する第２従動側スプロケット１０２とが軸支されている。チェーンステー１９の後端部には、第１ドライブチェーン２３のテンショナ２９が取り付けられている。

パワーユニットＰとシートステー１８との間には、駆動モータ２４の出力を制御するモータドライバとしてのＰＤＵ（パワードライブユニット）３９が配設されている。パワーユニットＰの下部には、サイドスタンド４０が取り付けられている。

円筒状のシートチューブ４には、その上方から、シート１７を支持するシートピラー１６が挿入固定されている。シートステー１８には、左右一対のウインカ装置３８が取り付けられており、後輪ＷＲの上方を覆うリヤフェンダ３４には、尾灯装置３５が取り付けられている。リヤフェンダ３４には、左右一対の支持ステー３３が設けられている。

シートステー１８の車軸３０寄りの位置には、車体後方側に伸びる取付ステー４１が設けられている。この取付ステー４１には、後輪ＷＲの回転速度を検知する車速センサ３７を保持するホルダ３６が固定されている。後輪ＷＲのドラム式ブレーキ９５（図５参照）を作動させる揺動アーム３２は、車幅方向左側のブレーキレバー８に連動するワイヤ（不図示）に連結されている。

駆動モータ２４の後方下方には、負荷印加装置としての負荷印加用モータ６０が配設されている。本実施形態では、負荷印加用モータ６０の出力軸６２（図３参照）に固定された負荷印加用スプロケット６１が、前記第１ドライブチェーン２３の下側かつ内周側に噛合するように構成されている。

図２は、車体フレーム２の側面図である。また、図３は、パワーユニットＰの拡大側面図である。前記と同一符号は、同一または同等部分を示す。ヘッドパイプ５の前面部には、ライトステー１４を取り付けるためのボス５ａが設けられている。メインフレーム３は、第１バッテリＢ１および第２バッテリＢ２（図１参照）の収納を可能とする中空の箱形構造とされている。メインフレーム３の後端部には、シートパイプ４を結合するための延出部３ａが設けられている。

シートパイプ４の下部とチェーンステー１９の前端部との間には、パワーユニットＰの輪郭に沿った形状を有するユニットケース４２が結合されている。パワーユニットＰは、ユニットケース４２の前後に形成された取付部４４およびメインフレーム３の後端に形成された取付部４８を用いて、車体フレーム２に吊り下げられるように固定される。

ユニットケース４２の上面側には、ＰＤＵ３９の後部を支持するための取付ステー４３が設けられている。この取付ステー４３の配置および形状により、ＰＤＵ３９は、車体前方側が直接ユニットケース４２に接触する一方、車体後方側は宙に浮いた状態で固定される。これにより、ＰＤＵ３９の駆動時の発熱は、走行風およびユニットケース４２への熱伝導によって効率よく冷却されることとなる。

左右一対のシートステー１８およびチェーンステー１９の後端部は、それぞれ、車軸３０の貫通孔４７が形成された板状のリヤエンド４６に接合されている。チェーンステー１９の後端近傍には、第１ドライブチェーン２３のテンショナ２９を取り付ける台座４５が形成されており、シートステー１８には、ウインカ装置３８（図１参照）を取り付けるためのウインカステー１８ａが設けられている。

図３を参照して、ＰＤＵ３９の外枠には、取付ステー４３の後方側で下方に延出するサブステー４５が設けられている。サブステー４５には、車速やペダル踏力等に基づいて駆動モータ２４の出力の算出等を行う制御部としてのＭＣＵ４６が取り付けられている。このようなＭＣＵ４６の配置構造によれば、ユニットケース４２とＰＤＵ３９との間の隙間にＭＣＵ４６を効率よく配置し、かつＭＣＵ４６の周囲の風通しをよくして冷却効果を高めることが可能となる。

車体フレーム２へのユニットケースＰの懸架作業は、前記取付部４４，４８（図２参照）にマウントシャフト４４ａ，４８ａを貫通させることで実行される。また、駆動モータ２４の出力軸２５ａは、パワーユニットＰを車体フレーム２に懸架した状態において、クランク軸２１とほぼ同じ高さで車体後方側に位置するように構成されている。

図４は、後輪ＷＲの車軸３０の周囲の構成を示す斜視図である。前記と同一符号は、同一または同等部分を示す。車軸３０は、車幅方向左側にナット頭を有すると共に車体右側に向けて貫通するアクスルシャフトである。車軸３０のナット頭とリヤエンド４６との間には、車体右側と同様に、チェーン引き金具５０および支持ステー３３の下端部が挟まれている。テンショナ２９は、２つのローラを支持する支持板４９を台座４５に取り付けることでチェーンステー１９に固定されている。チェーンステー１９の上部には、第１，第２ドライブチェーン２３，２８を覆うチェーンカバー５４が設けられている。

車速センサ３７は、２本のネジ３７ａによってホルダ３６に固定されている。ホルダ３６は、２本のネジ４１ａによって取付ステー４１に固定されており、取付ステー４１は、シートステー１８に溶着されている。車速センサ３７は、後輪ＷＲと一体に回転するパルスリング５１に形成された貫通孔５２の通過を検知することによって、二輪車１の車速を検知するように構成されている。パルスリング５１は、後輪ＷＲのスポーク（不図示）を取り付けるハブフランジ５３の車幅方向左側に取り付けられている。

図５は、動力伝達機構Ｋの全体構成を示す上面断面図である。また、図６はクランク軸２１側の構成を示す拡大断面図であり、図７は車軸３０側の構成を示す拡大断面図である。前記と同一符号は、同一または同等部分を示す。動力伝達機構Ｋは、乗員によるペダル踏力を後輪ＷＲに伝える第１動力伝達機構Ｋ１と、駆動モータ２４の回転駆動力を後輪ＷＲに伝達する第２動力伝達機構Ｋ２とからなる。

クランク軸２１には、第１駆動側スプロケット２０が固定された支持部７１が支持されており、乗員がペダルを漕ぐと、第１駆動側スプロケット２０に巻き掛けられた第１ドライブチェーン２３を介して、その踏力が第１従動側スプロケット１０１に伝達される。支持部７１の車幅方向内側でパワーユニットＰのケース内部には、ペダル踏力の大きさを検知するペダル踏力検知機構７０が設けられている。

負荷印加用モータ６０の出力軸６２に固定された負荷印加用スプロケット６１は、第１ドライブチェーン２３の内周側に噛合している。負荷印加用モータ６０は、第１動力伝達機構Ｋにおいて、第１ワンウェイクラッチ１０５の上流側に配設されており、必要に応じて、第１ドライブチェーン２３の正転方向の回転を妨げる方向の負荷動力を与えるように構成されている。

一方、クランク軸２１の車体後方に配設された駆動モータ２４の出力軸２５ａに固定された第２駆動側スプロケット２５は、第２ドライブチェーン２８に噛合しており、必要に応じて、駆動モータ２４による電気駆動力を第２従動側スプロケット１０２に伝達するように構成されている。

第２駆動側スプロケット１０１，１０２と後輪ハブ９４との間には、ワンウェイクラッチ機構１００が設けられている。本実施形態に係るワンウェイクラッチ機構１００は、第１駆動側スプロケット１０１と車軸３０との間に配設される第１ワンウェイクラッチ１０５（図７参照）と、第２従動側スプロケット１０２と車軸３０との間に配設される第２ワンウェイクラッチ１０６（図７参照）とからなり、いずれも、二輪車１を前進させる方向の回転駆動力のみを後輪ハブ９４に伝達するように構成されている。なお、後輪ハブ９４の内部には、ドラム式ブレーキ９５（図７参照）が内蔵されている。

図６を参照して、まずペダル踏力検知機構７０の構造を説明する。本実施形態に係るペダル踏力検知機構７０は、クランク軸２１と第１駆動側スプロケット２０との間に生じる相対力を検知するものである。より具体的には、クランク軸２１と第１駆動スプロケット２０との間に生じる相対力（ねじり力）を、カム機構によってクランク軸２１の軸方向の押圧力に変換し、この押圧力によって油圧ピストンを押して生じた油圧を油圧センサで検知することにより、ペダル踏力の検知を行う。

ペダル踏力検知機構７０において、ねじり力を軸方向の押圧力に変換する機構は、主に、第１駆動側スプロケット２０の支持部７１と一体回転するハブ２１７と、クランク軸２１に回転不能かつ摺動可能に支持されたカムリング７５と、ハブ２１７とカムリング７５との間に配設される複数の鋼球７３，７４とからなる。クランク軸２１の回転駆動力は、カムリング７５から鋼球７３，７４を介してハブ２１７に伝達される。

ハブ２１７とカムリング７５の対向面には、それぞれ、鋼球７３，７４が嵌る略半球状の凹部が形成されている。この凹部は、その底部近傍では鋼球７３，７４と同形状の部分球面である一方、縁の近傍では部分球面から接線方向に離れて広がる面を有している。これにより、ハブ２１７とカムリング７５との間に相対力が作用すると、ハブ２１７とカムリング７５との回転方向の位置がずれると共に、凹部の縁の面が鋼球７３，７４に乗り上げようとする。その結果、ハブ２１７に対してカムリング７５を図示右方向に離間させる力、すなわち、カムリング７５を図示右方向に押圧する力が生じる。

カムリング７５の図示右方向には、本体７７に収められて軸方向に摺動可能な円環状の油圧ピストン７６が配置されている。ペダル踏力は、この油圧ピストン７６が図示右方向に押されることで生じる油圧に基づいて検知される。

パワーユニットＰは、右ケース８０ａ、中ケース８０ｂ、左ケース８０ｃからなるケース８０を有する。ケース８０の内部には、主に、ペダル踏力検知機構７０、クランク軸２１、駆動モータ２４、回転軸８３、出力軸２５ａが収納されている。クランク軸２１は、右ケース８０Ｃに嵌合された軸受７９と、左ケース８０Ｃに嵌合されてハブ２１７と接する軸受７２とによって軸支されている。図示右側の軸受２１の車幅方向内側には、クランク軸２１の回転速度を検知するためのマグネット７８が配設されている。

駆動モータ２４は、中ケース８０ｂに固定されたインナステータ８７と、複数の磁石８８が取り付けられたアウタロータ８６と、該アウタロータ８６に固定される回転軸８３とからなる。回転軸８３は、右ケース８０ａに嵌合された軸受８２と、左ケース８０ｃに嵌合された軸受８５とによって軸支されている。回転軸８３には第１減速ギヤ８４が形成されており、該第１減速ギヤ８４には、出力軸２５ａに固定された第２減速ギヤ９２が噛合している。出力軸２５ａは、中ケース８０ｂに嵌合された軸受８９と左ケースに嵌合された軸受９１とによって軸支されている。第２駆動側スプロケット２５は、ロックナット９３を用いて回転軸２５ａに固定されている。

図７を参照して、後輪ハブ９４は、車軸３０に対して軸受１１１，１１２によって回転自在に軸支されている。後輪ハブ９４は、ワンウェイクラッチ機構１００のインナリング１０９にスプライン嵌合されている。インナリング１０９は、車軸３０に対して２つのニードルローラベアリング１０７，１０８によって回転自在に軸支されている。

第１ワンウェイクラッチ１０５の外周側には、第１従動側スプロケット１０１が取り付けられたアウタ１０１ａが係合し、一方、第２ワンウェイクラッチ１０６の外周側には、アウタ部材が一体形成された第２従動側スプロケット１０２が係合している。本実施形態では、第１ワンウェイクラッチ１０５にラチェット式が適用され、一方、第２ワンウェイクラッチ１０６には「ころ」式（アウタリングとインナリングとの間に形成されたテーパ溝にころが嵌ることで両者を結合する方式）が適用されている。アウタ１０１ａと車軸３０との間には、ダストシール１０３および円筒状のカラー１０４が配設されている。

上記したワンウェイクラッチ機構１００によれば、乗員がペダルを漕ぐことによる人力駆動力は、第１従動側スプロケット２０から第１ワンウェイクラッチ１０５を介して、インナリング１０９および後輪ハブ９４に伝達され、他方、駆動モータ２４による電気駆動力は、第２従動側スプロケット１０２から第２ワンウェイクラッチ１０６を介してインナリング１０９および後輪ハブ９４に伝達され、複雑な断接機構を用いることなく、人力による後輪ＷＲの駆動、電力による後輪ＷＲの駆動、人力および電力の合力による後輪ＷＲの駆動が可能になる。また、駆動モータ２４の作動状態に関わらず、クランク軸２１が停止した状態での惰性走行ができるようになる。

図８は、ペダル踏力検知機構７０の構成を示す拡大断面図である。この図では、図６に示した断面とは異なる断面を示している。クランク軸２１の左方には、スリーブ２１６が固定されている。カムリング７５は、スリーブ２１６の外周部にスプライン嵌合されることで、クランク軸２１に対して回転不能かつ軸方向に摺動可能に支持されている。支持部７１と一体回転するハブ２１７は、スリーブ２１６と相対回転可能に支持されている。

本体７７は、共に円環状とされるカムリング７５および抑えリング２０９の間に挟まれるように配設されている。スリーブ２１６は、本体７７の中央に形成された貫通孔に対し、所定の隙間を有して相互回転可能に貫通している。抑えリング２０９は、抑えプレート２０７および留めピン２０８を用いてスリーブ２１６に固定されている。本体７７と抑えリング２０９との間には、円環状のスラストニードルベアリング２１０が配設されている。これと同様に、カムリング７５と油圧ピストン７６との間には、円環状のスラストニードルベアリング２１４が配設されている。

油圧ピストン７６の内周側および外周側には、オイルシール２１１，２１３がそれぞれ取り付けられている。油圧ピストン７６は、クランク軸２１と同心の環状シリンダ２１２に挿入されている。環状シリンダ２１２の底部には、油圧ピストン７６を常に図示左方向に付勢する環状の皿ばね２０６が配設されている。環状シリンダ２１２の底部は、本体７７に設けられたオイル溜め２０２および圧力センサ２１８によって閉塞される圧力検知空間２１９と連通している。これにより、乗員がペダルを漕ぐことでクランク軸２１と第１駆動側スプロケット２０との間に相対力が生じると、油圧ピストン６７が図示右方に押圧されて圧力検知空間２１９に満たされたオイルの圧力が高まることとなる。この圧力上昇は、油圧センサ２１８によって検知される。

環状シリンダ２１２とオイル溜め２０２との間には、チェックボール２０５を有する逆止弁２０３が配設されている。オイル溜め２０２の上部には、パッキン２０１を介して蓋２００が取り付けられている。本体７７は、オイル通路に混入した空気が抜けやすいように、オイル溜め２０２を車体上側に向けて配設されている。右ケース８０ａの内部には、ホールＩＣ等によってマグネット７８の通過状態に基づくクランク軸２１の回転速度を検知するクランク軸回転速度センサ２６が配設されている。

図９は、本実施形態に係る二輪車の制御システムの構成を示すブロック図である。前記と同一符号は、同一または同等部分を示す。制御部としてのＭＣＵ４６は、各種センサ出力に基づいて駆動モータ２４の出力の算出を実行するほか、第１，第２バッテリＢ１，Ｂ２の状態の検知、各種センサの状態の検知等を行う。ＭＣＵ４６には、シート１７への乗員の着座を検知するシートスイッチ１５８、サイドスタンド４０の格納状態を検知するサイドスタンドスイッチ１５７、前後ブレーキレバー８の揺動に連動する前後ブレーキスイッチ１５５，１５６、クランク軸回転速度センサ２６、ペダル踏力を検知する油圧センサ２１８、車速センサ３７、バッテリ温度センサ１６８からの情報が入力される。また、ＭＣＵ４６には、乗員に各種警告を発する警告灯１５９が接続されている。

ＭＣＵ４６は、例えば、乗員がシート１７に着座し、かつサイドスタンド４０が格納されているときに所定のペダル踏力が入力されると、ペダル踏力および車速に応じた補助動力を算出し、ＣＡＮ通信線１６７を介してＰＤＵ３９に駆動モータ２４の駆動指令を発する。また、ＭＣＵ４６は、走行中の車速やペダル踏力の変化に応じて駆動モータ２４の出力を調整したり、補助動力の供給中にブレーキスイッチ１５５，１５６の作動が検知されると、駆動モータ２４への電力供給を停止する制御等も可能とする。

ＰＤＵ３９には、ブレーカ１６９を介して直列接続された第１，第２バッテリＢ１，Ｂ２（例えば、２６Ｖ／６Ａｈ×２）から供給される主電源（例えば、４８Ｖ）が入力されると共に、リレー１６５およびヒューズ１６６を介して、車載バッテリＢ１，Ｂ２の出力をＤＣ／ＤＣコンバータ１６４で降圧されたＰＤＵ用の制御電源（例えば、２４Ｖ／１．２Ａｈ）が入力されている。ＰＤＵ３９は、ＭＣＵ４６からの駆動指令に基づいて駆動モータ２４に駆動電流を供給する。駆動モータ２４には、その回転角度を検知する回転角度センサ１５２が近接配置されている。また、ＰＤＵ３９には、負荷印加手段としての負荷印加用モータ６０が接続されている。

第１，第２バッテリＢ１，Ｂ２には、前記したバッテリ温度センサ１６８およびブレーカ１６９が設けられている。車載バッテリＢ１，Ｂ２の出力は、ＰＤＵ３９への供給経路とは異なる経路において、制御システムの主電源（例えば、１２Ｖ／１６．７Ａｈ）を得るためにＤＣ／ＤＣコンバータ１６０で降圧される。この主電源は、メインスイッチ１６１、メインリレー１６２およびヒューズ１６３を介して、ＭＣＵ４６のほか、ヘッドライト１５、各種スイッチ類、尾灯装置３５、ウインカ装置等の補機類１５３に供給される。

図１０は、本実施形態に係る二輪車の動力伝達機構の全体構成の模式図である。前記と同一符号は、同一または同等部分を示す。前記したように、ペダル２２ａに加えられた踏力は、クランクアーム２２→クランク軸２１→第１駆動側スプロケット２０→第１ドライブチェーン２３→第１従動側スプロケット１０１→第１ワンウェイクラッチ１０５→後輪ＷＲの順で伝達される。この一連の伝達機構が第１動力伝達機構Ｋ１となる。

一方、駆動モータ２４の回転駆動力は、回転軸８３→第１減速ギヤ８４→第２減速ギヤ９２→出力軸２５ａ→第２駆動側スプロケット２５→第２ドライブチェーン２８→第２従動側スプロケット１０２→第２ワンウェイクラッチ１０６→後輪ＷＲの順で伝達される。この一連の伝達機構が第２動力伝達機構Ｋ２となる。

本実施形態では、検知されたペダル踏力が所定値を超えると、駆動モータ２４によって後輪ＷＲに補助動力を供給するように構成されている。具体的には、図１１に示すように、ペダル踏力がアシスト開始閾値ＰＴ１を超えると、アシスト最大値ＡＴ１を上限として、ペダル踏力に比例して増加する補助動力を印加する。また、本実施形態において、アシスト開始閾値ＰＴ１は、車速に応じて変化するように設定されている。

図１２は、アシストを開始する踏力と車速との関係を示すグラフである。本実施形態ででは、アシスト開始のトリガとなるペダル踏力のアシスト開始閾値ＰＴが、速度上昇に伴って徐々に減少し、所定速度（例えば、約１２ｋｍ／ｈ）を超えると一定値（例えば、約２．５ｋｇｆ）となるように設定されている。この設定によれば、発進時にごくわずかな踏力でアシストが開始されてしまったり、また、速度が上昇しても大きなペダル踏力を入力しないとアシストが行われないといった現象が発生することがなく、通常の自転車と同様な自然な乗車フィーリングを得ることが可能となる。

ところで、本実施形態に係る二輪車１において、乗員が通常の速度でペダルを漕いでも後輪ＷＲに回転駆動力が伝達されない（第１ワンウェイクラッチ１０５が接続されない）ほどの高い速度で走行している間は、乗員がペダルを踏んでもクランク軸２１と第１駆動側スプロケット２０との間に相対力が発生せず、ペダル踏力を検知できないという現象が発生する。このとき、乗員に対しては、ペダルの空回り感を与えることとなる。

前記した負荷印加装置としての負荷印加用モータ６０は、上記したような状態に対処するために設けられている。本実施形態に係る負荷印加用モータ６０によれば、通常であればペダルの空回りが生じる高速走行時においても、第１ドライブチェーン２３に逆転方向の負荷を与えることで、ペダル操作に対する負荷を発生させることが可能となる。負荷印加用モータ６０は、負荷を与える必要が生じた時だけ、励磁状態を切り換えて負荷運転制御を行い、通常時には負荷が生じない無負荷運転とすることが可能に構成されている。

図１３は、負荷印加用モータ６０によって与える負荷トルクとペダル回転数との関係を示すグラフである。本実施形態では、車速が所定値を超えた状態で、ペダル回転速度がペダル空回り閾値ＰＮ１を超えると、負荷最大値ＨＴ１を上限として、ペダル回転数の大きさに比例して増加する負荷を印加するように構成されている。これにより、高速走行時においてもペダルの空回り感が生じることがなく、かつペダル踏力の検知が可能となる。なお、負荷を印加するタイミングやその大きさは種々の変更が可能であり、例えば、上限値を設けずに車速の増加に伴って増加させるようにしてもよい。

そして、ペダル踏力に対する負荷印加制御は、第１ドライブチェーン２３を逆転させる方向に負荷印加用モータ６０を回転させるように電力を供給するほか、負荷印加用モータ６０を発電機として駆動して回生発電に伴う負荷を生じさせることで行ってもよい。この構成によれば、人力によって発電された電力で第１，第２バッテリＢ１，Ｂ２を充電することができ、高速走行時における消費電力を抑えることが可能となる。

図１４は、本実施形態に係る駆動モータ２４のアシスト制御方法を示すグラフである。本実施形態に係る二輪車１では、通常のアシスト自転車のように、所定値を超えたペダル踏力が入力されている間のみ補助動力を供給するのではなく、ペダル踏力の山と山とをつなぐように補助動力を供給する「踏力保持制御」が可能に構成されている。

クランク軸２１は、ペダルが左右交互に踏まれることで回転するため、ペダル踏力検知機構７０によって検知されるペダル踏力の波形は、図示するように、山と谷とが周期的に繰り返される形状となる。本実施形態では、先に入力されたペダル踏力のピーク値を、次にペダル踏力のピーク値が検知されるまで保持するように補助動力を供給することで、ペダル踏力波形の山と山とをつなぐような制御が行われる。

図１４において、時刻ｔ１では、先に入力されたペダル踏力（波形Ａ）がピーク値を越えて下がり始めたことが検知され、この波形Ａのピーク値を保つための補助動力Ｆ１の供給が開始される。次に、時刻ｔ２では、次に入力されたペダル踏力（波形Ｂ）がピーク値を越えて下がり始めたことが検知され、この波形Ｂのピーク値を保つための補助動力Ｆ２の供給が開始される。

本実施形態において、この踏力保持制御は、ペダル踏力（例えば、２１ｋｇｆ）が所定値を超えるような登坂路および平地での加速時に実行される。また、踏力保持制御は、乗員によるブレーキ操作等が行われるまで同じ大きさの補助動力を供給する「クルーズ走行」制御と同時適用するほか、補助動力の大きさを一定とせずに、供給開始時の大きさから漸減させる「準クルーズ走行」制御と同時適用することが可能である。さらに、ペダル踏力が所定値（例えば、１．５ｋｇｆ）以下の状態でクランク軸２１が所定回数回転（例えば、４回転）すると、補助動力の供給を停止するように構成することもできる。

図１５は、ペダル踏力と駆動モータ出力との関係を示すグラフである。図１４を用いて説明したようなクルーズ制御および準クルーズ制御によれば、駆動モータ２４から供給される補助動力によって二輪車１が自走する状況も想定される。そして、このような自走中においては、乗員によるペダル踏力が入力された際に、駆動モータ出力とペダル踏力とが合成されて後輪ＷＲに伝達されることで、ペダル踏力が加わった部分だけ余分な加速感が生じてしまう可能性がある。このような現象を回避するため、本実施形態では、加えられたペダル踏力のぶんだけ補助動力を低減するように構成されている。

図１５に示す例では、駆動モータ出力ＭＰ１による補助動力の供給中に、時刻ｔ１０で最初のペダル踏力の入力が開始され、時刻ｔ３０に次のペダル踏力が入力された場合を示している。最初のペダル踏力は時刻ｔ２０でゼロに戻り、次のペダル踏力は時刻ｔ４０でゼロに戻るもので、いずれもピーク値ＰＴ１０の大きさを有する波形が検知された場合、本実施形態では、この波形を打ち消すように駆動モータ２４を駆動モータ出力ＭＰ２まで下げるように構成されている。このような補助動力低減制御によれば、駆動モータ２４から一定の補助動力が供給されている間にペダル踏力が入力されても、両者の合成駆動力には大きな変化が生じることがなく、スムーズな走行フィーリングを得ることができる。

図１６は、本発明の第２実施形態に係る補助動力装置付き二輪車の動力伝達機構の構成を示す模式図である。本実施形態では、人力動力伝達機構と電気動力伝達機構とを直列的に配置すると共に、駆動モータ３０８の補助動力で走行する際には、ペダル３０５と後輪ＷＲとの間の伝達経路を切り離す点に特徴がある。図中（ａ）は、両者の伝達経路が切り離された状態であり、同（ｂ）は両者が接続された状態を示している。

クランク軸３０１の両端部には、クランクアーム３０４および乗員が踏むペダル３０５が取り付けられている。また、クランク軸３０１には、負荷印加用モータ３００およびワンウェイクラッチ３０３を介して駆動側ギヤ３０２が取り付けられている。本実施形態では、ペダル３０５から駆動側ギヤ３０２までが人力動力伝達機構に相当する。

一方、電気動力伝達機構は、駆動モータ３０８と後輪ＷＲとの間に構成されている。駆動モータ３０８の回転軸３０９には、駆動側スプロケット３１０および従動側ギヤ３１４が固定されている。後輪ＷＲの回転軸３１２には従動側スプロケット３１３が固定されており、駆動側スプロケット３１０と従動側スプロケット３１３との間には、ドライブチェーン３１１が巻き掛けられている。

そして、人力動力伝達機構の駆動側ギヤ３０２と電気動力伝達機構の従動側ギヤ３１４との間には、回転軸３１７の軸方向に摺動可能な切替用ギヤ３０６が配設されている。この構成によれば、（ａ）に示す切り離し状態においては、駆動モータ３０８で後輪ＷＲを駆動すると共に、負荷印加用モータ３００によって乗員のペダル操作に対する負荷を与えることが可能となる。なお、この負荷は、負荷印加用モータ３００を回生発電させることで得るようにしてもよい。

一方、（ｂ）に示すように切替用ギヤ３０６を図示右方向に摺動させて駆動側ギヤ３０２および従動側ギヤ３１４に噛合させれば、乗員のペダル踏力を後輪ＷＲに伝達することが可能である。本実施形態に係る動力伝達機構の構成によれば、後輪ＷＲに対する動力伝達経路を並列してふたつ設ける必要がなく、また、ワンウェイクラッチも人力動力伝達機構にひとつ設ければよく、簡易な構造の補助動力装置付き二輪車を得ることができる。なお、動力を任意に断接するための機構は種々の変形が可能である。

上記したように、本発明に係る補助動力装置付き二輪車によれば、高速走行時にペダルの空回りが生じる可能性のある動力伝達機構を有する場合でも、負荷印加手段によって、ペダルの正転方向の回転に対する負荷を発生させることが可能となる。これにより、高速走行時に乗員がペダルを正転させた際でも、ペダルの空回り感を生じさせないと共に、ペダル踏力検知機構によるペダル踏力の検知を行うことが可能となる。

なお、二輪車の各部構造、クランク回転速度センサおよび車速センサの構造や配置、ペダル踏力検知機構の構造、人力動力伝達機構および電気動力伝達機構の構造、負荷印加用モータの構造や配置、負荷印加用モータの制御方法等は、上記実施形態に限られず、種々の変更が可能である。例えば、負荷印加手段は、摩擦等により動力伝達機構の正転駆動に抗する負荷を与えるローラやブレーキシュー等で構成してもよい。

１…補助動力装置付き二輪車、２…車体フレーム、３…メインフレーム、２１…クランク軸、２２…クランクアーム、２２ａ…ペダル、２４…駆動モータ、２３…第１ドライブチェーン、２６…クランク軸回転速度センサ、２８…第２ドライブチェーン、３０…車軸、３７…車速センサ、３９…ＰＤＵ（モータドライバ）、４６…ＭＣＵ（制御部）、６０…負荷印加用モータ（負荷印加手段）、７０…ペダル踏力検知機構、１００…ワンウェイクラッチ機構、１０５…第１ワンウェイクラッチ、１０６…第２ワンウェイクラッチ、２１８…油圧センサ（ペダル踏力センサ）、Ｂ１，Ｂ２…第１，第２バッテリ、Ｋ…動力伝達機構、Ｋ１…第１動力伝達機構、Ｋ２…第２動力伝達機構、ＷＲ…後輪

Claims (10)

1. ペダル踏力が入力されるクランク軸（２１）と、
   前記クランク軸（２１）に入力されたペダル踏力を後輪（ＷＲ）に伝達する動力伝達機構（Ｋ）と、
   前記動力伝達機構（Ｋ）に含まれ、前記ペダル（２２ａ）の正転方向の駆動力のみを伝達するワンウェイクラッチ（１０５）と、
   前記ペダル踏力の大きさを検知するペダル踏力検知機構（７０）と、
   前記後輪（ＷＲ）に補助動力を印加する駆動モータ（２４）と、
   前記二輪車（１）の車速を検知する車速センサ（３７）と、
   前記ペダル踏力の大きさに基づいて、前記駆動モータ（２４）の出力を算出する制御部（４６）とを有する補助動力装置付き二輪車において、
   前記ワンウェイクラッチ（１０５）の上流側で動力伝達機構（Ｋ）に連結された負荷印加手段（６０）を具備し、
   前記負荷印加手段（６０）は、前記制御部（４６）によって駆動され、
   前記制御部（４６）は、前記車速センサ（３７）で検知された車速に応じて、前記クランク軸（２１）の正転回転に抗する負荷が印加されるように前記負荷印加手段（６０）を駆動することを特徴とする補助動力装置付き二輪車。
2. 前記負荷印加手段は、前記駆動モータ（２４）と別個独立した負荷印加用モータ（６０）であり、
   前記制御部（４６）は、前記負荷印加用モータ（６０）の通電状態を切り換えることにより、前記二輪車（１）の車速が所定値未満の場合は前記負荷印加用モータ（６０）による負荷の印加を行わない無負荷運転状態とし、一方、前記車速が所定値以上になると前記負荷印加用モータ（６０）によって負荷を与える負荷運転状態とすることを特徴とする請求項１に記載の補助動力装置付き二輪車。
3. 前記制御部（４６）は、前記クランク軸（２１）の逆転方向に前記負荷印加用モータ（６０）が駆動するように通電することで前記負荷運転を行うことを特徴とする請求項２に記載の補助動力装置付き二輪車。
4. 前記制御部（４６）は、前記負荷印加用モータ（６０）を発電機として駆動することで前記負荷運転を行うと共に、前記負荷印加用モータ（６０）の回生発電による発電電力で車載バッテリ（Ｂ１，Ｂ２）を充電することを特徴とする請求項２に記載の補助動力装置付き二輪車。
5. 前記制御部（４６）は、前記負荷印加用モータ（６０）によって負荷が印加されている間に二輪車（１）の車速が増加すると、この増加に応じて負荷を増加させることを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の補助動力装置付き二輪車。
6. 前記制御部（４６）は、検知されたペダル踏力のピーク値に対応する補助動力が維持または漸減されるように、前記駆動モータ（２４）を駆動することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の補助動力装置付き二輪車。
7. 前記制御部（４６）は、今回検知されたペダル踏力のピーク値に対応する補助動力が、次にペダル踏力のピーク値が検知されるまで維持または漸減されるように、前記駆動モータ（２４）を駆動することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の補助動力装置付き二輪車。
8. 前記制御部（４６）は、前記二輪車（１）の車速が維持または漸減されるように駆動モータ（２４）が駆動されている間にペダル踏力が入力されると、該ペダル踏力の分だけ前記駆動モータ（２４）の出力を低減することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の補助動力装置付き二輪車。
9. 前記動力伝達機構（Ｋ）は、前記クランク軸（２１）に入力された踏力を、前記クランク軸（２１）から第１ワンウェイクラッチ（１０５）を介して後輪（ＷＲ）伝達する第１動力伝達機構（Ｋ１）と、前記駆動モータ（２４）の回転駆動力を、第２ワンウェイクラッチ（１０６）を介して前記後輪（ＷＲ）に伝達する第２動力伝達機構（Ｋ２）とを含み、
   前記負荷印加手段（６０）は、前記第１ワンウェイクラッチ（１０５）の上流側で前記第１動力伝達機構（Ｋ１）に負荷を与えるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の補助動力装置付き二輪車。
10. 前記負荷印加手段（６０）は、第１動力伝達機構（Ｋ１）に含まれるドライブチェーン（２３）に噛合する負荷印加用スプロケット（６１）を介して負荷を印加するように構成されていることを特徴とする請求項９に記載の補助動力装置付き二輪車。

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