JP5374474B2

JP5374474B2 - 回転慣性力補助部材及びこれを備えた自転車の駆動輪

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Publication number: JP5374474B2
Application number: JP2010239582A
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Inventors: 芳明河北
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Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2030-10-26
Also published as: JP2012091632A

Description

本発明は、自転車のフリーホイールに設けられ、走行中におけるギアクランクの回転慣性力を補助するための回転慣性力補助部材及びこれを備えた自転車の駆動輪に関する。

初期のチェーン駆動式自転車のギアクランクは、チェーンを介してではあるが後輪のハブと直接繋がっていた。これによれば、後輪の回転慣性力をギアクランクに直接付与することができるという利点がある一方で、ギアクランクに取り付けられたペダルが後輪の回転に連動して回転するので、後輪が回転している間は、乗員が常にペダルを漕ぎ続けなければならないという不便があった。
その後、フリーホイールが発明されたことで、このような不便は解消された。すなわち、フリーホイールは、駆動方向に限ってペダルの回転に連動して回転し、ペダルの回転力をハブに伝える一方で、ハブから伝えられた車輪回転力に対しては空転するので、惰性走行のときには、乗員はペダルを漕がなくてすむようになった。しかし、その一方で、ギアクランクは、それまでチェーンを介してではあるが後輪から直接付与されていた回転慣性力を得られなくなったため、ギアクランクの回転慣性力（ギアクランクが、自身を回転させ続けようとするエネルギー）の低下を招いてしまった。

ギアクランクは、本来、回転バランスが悪く回転慣性力を受けにくい形状である。このため、フリーホイールが後輪に組み込まれるようになり、後輪からの回転慣性力を得られなくなったことで、特に登坂時のようなゆっくりとした回転時に、ギアクランクの回転慣性力が不足してしまい、クランクアームが、ペダルの踏力が有効に働く位置まで到達しづらくなるという新たな弱点が生じた。そこで、ギアクランクの回転慣性力の低下を解消するための方法が種々検討された。

例えば、後輪に多段階変速ギアを導入することにより、ギアクランクの回転慣性力を増加させる手法が考え出された。これによれば、後輪のギアの歯数を増やすと、ギア比が相対的に下がるので、その結果、ギアクランクの回転速度が上がり、ギアクランク自体の回転慣性力を増加させることができる。しかし、ギア比を下げたことで、ペダルを漕ぐ回数を増やさなければならなくなったため、乗員にとって負担が大きかった。また、多段階変速ギアの導入に併せて、チェーンの長さをシングルギア用のチェーンよりも長くしたり、ディレーラ等の部品を用いたりする必要があるため、結果として、ギアクランクの回転慣性力を低下させる要素を増やしてしまうことになった。

また、前記したように、ギア比を下げるとペダリングの負担が増加するため、ギア比を下げずにスムーズなペダリングを実現する手法として、自転車を構成する全ての部品を軽量化されるようになった。これにより、ギア比を下げずにスムーズなペダリングが可能となったが、その一方で、ギアクランクの質量を軽くしたことで、ギアクランクの回転慣性力の低下を招いてしまった。そして、これを解消すべく、ペダルを重くすることによってギアクランク自体の回転慣性力を増加させるという軽量化の流れに相反した対策を講じていた。

このように、従来、ギアクランク自体の回転慣性力を増加させることで、フリーホイールが導入されたことにより生じたギアクランクの回転慣性力の低下を解消することが試みられてきたが、根本的な解決には至っていないのが現状である。
そこで本発明は、ギアクランクの回転慣性力を間接的に補助することが可能な回転慣性力補助部材およびこれを備えた自転車の駆動輪を提供することで、フリーホイールが導入されたことにより生じたギアクランクの回転慣性力の不足分を補助することを目的とする。

前記課題を解決した請求項１に係る発明は、ペダルがそれぞれ取り付けられ、前記ペダルに入力された踏力によって駆動方向に回転する一対のクランクアームと、この一対のクランクアームと連動するスプロケットと、を有するギアクランクと、自転車の駆動輪のハブと直結し、駆動方向の回転力のみを前記ハブに伝えるフリーホイールと、前記フリーホイールのスプロケットと前記ギアクランクの前記スプロケットとの間に掛け回され、前記ギアクランクで発生した前記駆動方向の回転力を前記フリーホイールに伝える無端のチェーンと、を少なくとも有する前記駆動輪の駆動機構における前記フリーホイールの周面に突出して設けられ、前記駆動方向の回転力により前記フリーホイールと共に駆動方向に回転して、前記フリーホイールの回転慣性力を増加させることにより、当該フリーホイールと前記チェーンを介して連結された前記ギアクランクの回転慣性力を間接的に補助することを特徴とする回転慣性力補助部材である。

これによれば、乗員によってギアクランクに取り付けられたペダルに踏力が入力されると、この踏力が、ギアクランクによって駆動方向の回転力に変換される。そして、この駆動方向の回転力が、チェーンを介してフリーホイール及びフリーホイールに設けた回転慣性力補助部材に伝えられて、フリーホイール及びフリーホイールに設けた回転慣性力補助部材が駆動方向に回転する。このように、フリーホイールが駆動方向に回転するのに伴って、フリーホイールに設けた回転慣性力補助部材が駆動方向に回転することで、フリーホイールの駆動方向の回転慣性力を増加させることができる。そして、回転慣性力補助部材によって増加したフリーホイールの回転慣性力によって、チェーンが駆動方向に引っ張られるため、ギアクランクが駆動方向に回転しやすくなる。このようにして、回転慣性力補助部材によってフリーホイールの回転慣性力が増加され、このフリーホイールの回転慣性力が、チェーンを介してギアクランクに伝えられることで、ギアクランクの回転慣性力を補助することができる。つまり、回転慣性力補助部材がギアクランクの回転慣性力を間接的に補助することができる。

これにより、乗員の踏力を補助することができ、乗員が自転車を漕ぎやすくなる。また、ギアクランクの駆動方向の回転慣性力を間接的に補助することができるので、ギアクランクが駆動輪のタイヤと同じペースで回転しやすくなり、回転慣性力補助機構を設けない場合よりも長い時間、ギアクランクが駆動輪のタイヤの回転に遅れないようにすることができる。これにより、乗員が自転車を漕ぎやすくなる。
さらに、回転慣性力補助部材は、フリーホイールの周面に突出して設けられるという簡素な構成であるため、導入費用が安価となる。

またさらに、回転慣性力補助部材によって、フリーホイールの回転慣性力が増加されることで、フリーホイールに直結されたハブを駆動方向に回転させやすくなる。つまり、駆動輪の回転慣性力を増加することができる。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の回転慣性力補助部材の設けられる位置が前記駆動輪の半径方向における重心位置よりもハブ寄りであることを特徴とする。

これによれば、駆動輪の半径方向の重心位置よりも内側に回転慣性力補助部材を設けることで、駆動輪の質量が回転慣性力補助部材の質量の分だけ大きくなると共に、駆動輪の重心位置が、回転慣性力補助部材を設けていない場合と比べてハブ寄りの位置に移動する、つまり、駆動輪の半径方向の重心位置から回転中心までの距離が小さくなるため、回転慣性力補助部材の分だけ駆動輪の質量が増えたとしても、駆動輪の始動トルクの大幅な増加を抑制することができる。

また、請求項３に係る発明は、請求項１に記載の回転慣性力補助部材は、リング状部材として構成され、前記フリーホイールに嵌合固定されていることを特徴とする

これによれば、回転慣性力補助部材をフリーホイールと別体のリング状部材とし、フリーホイールに嵌合固定することによってフリーホイールに設けたことで、構成が簡素となり、また、既存の自転車の構成要素を変更することなく、既存の自転車に回転慣性力補助部材を後から追加することができる。これにより、回転慣性力補助機構の導入費用を抑えることができる。さらに、フリーホイールは、駆動輪においてスポークの外側に設けられる部材であるため、駆動輪に装着された状態のフリーホイールに、回転慣性力補助部材を後から取り付け及び取り外す際の作業が行いやすいことから、回転慣性力補助部材の導入が容易となる。

また、請求項４に係る発明は、請求項１に記載の回転慣性力補助部材が、前記フリーホイールと一体成形され、当該フリーホイールの周面から突出して設けられる円板状部材であることを特徴とする。

これによれば、回転慣性力補助部材を、回転慣性力を受けやすい円板状部材としたことにより、フリーホイールの駆動方向の回転慣性力を効果的に増大させることができ、これによって、ギアクランクの駆動方向の回転慣性力を効果的に補助することができる。また、フリーホイールと回転慣性力補助部材を一体成形したことにより、回転慣性力補助部材をフリーホイールの製造工程で同時に製造することができるので、製造工程が簡素化され、回転慣性力補助部材の導入費用を抑えることができる。さらに、部品点数を増やさずに回転慣性力補助部材を導入することができる。またさらに、フリーホイールは、スポークの外側に設けられる部材であるため、既存の自転車のフリーホイールを、回転慣性力補助部材を備えたフリーホイールに、容易に交換することができる。このように、既存の自転車に回転慣性力補助部材を容易に導入することができる。

また、請求項５に係る発明は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の回転慣性力補助部材を備えたことを特徴とする自転車の駆動輪である。

これによれば、駆動輪のフリーホイールに設けた回転慣性力補助部材によって、フリーホイールの駆動方向への回転慣性力が増加し、この回転慣性力がチェーンを介してギアクランクに伝えられることで、ギアクランクに駆動方向への回転慣性力が補助されるので、踏力の比較的小さい利用者であっても、乗りやすい自転車となる。

本発明によれば、フリーホイールに回転慣性力補助部材を設けることによって、ギアクランクに駆動方向への回転慣性力を間接的に補助することができるので、ギアクランクに取り付けられたペダルを漕ぎやすくすることができ、自転車を乗りやすくすることができる。特に、上り坂の走行や、長距離を走行した場合の、利用者の足への負担を軽減することができる。このようにして、フリーホイールが導入されたことにより生じたギアクランクの回転慣性力の低下を解消することができる。また、構成が簡素であるため、導入費用を抑えることができる。

本発明の本実施形態に係る回転慣性力補助部材を備える駆動輪を含む自転車の全体構成を示す概念図である。本発明の本実施形態に係る回転慣性力補助部材を備える駆動輪の全体構成を示す斜視図である。（ａ）は、駆動輪に取り付けられた状態の本発明の本実施形態に係る回転慣性力補助部材を含むフリーホイールを、自転車の側面から見た図であり、（ｂ）は、駆動輪に取り付けられた状態の本発明の本実施形態に係る回転慣性力補助部材を含むフリーホイールを、自転車の正面から見た図である。

以下、本発明の本実施形態に係る回転慣性力補助部材について説明する。本発明の本実施形態に係る回転慣性力補助部材は、駆動輪のフリーホイールに設けられ、ギアクランクの駆動方向の回転慣性力を間接的に補助するものである。

ここでは、本発明の本実施形態に係る回転慣性力補助部材の詳細な説明に先立ち、駆動輪、フリーホイールおよびギアクランクの構成について図１及び図２を参照して説明する。なお、「駆動輪」とは、自転車を駆動させるための車輪のことをいい、一般的なタウン用自転車では主に後輪である。

図１及び図２に示すように、駆動輪１０は、車軸１６が挿通される軸部１１ａと、この軸部１１ａの両側に設けられ、スポーク１４の一端側を取り付けるフランジ部１１ｂとを備え、駆動輪１０の中心部を構成するハブ１１と、駆動輪１０の外枠部分を構成するリム１２と、リム１２の外周に取り付けられるタイヤ１３と、一端側がハブ１１のフランジ部１１ｂに取り付けられ、他端側がリム１２に取り付けられてハブ１１とリム１２とを連結する細棒状部材であるスポーク１４と、スポーク１４の外側に設けられ、ハブ１１に直結すると共にチェーン３０を介してギアクランク２０と連結されるフリーホイール１５と、を主に備えて構成されている。この駆動輪１０は、一般的なタウン用自転車の車輪を想定している。

フリーホイール１５は、図３に示すように、ギアクランク２０から伝えられた駆動方向の回転力をハブ１１に伝えるものであり、ハブ１１の一方のフランジ部１１ｂの外側に直結する円筒状の本体部１５ａと、この本体部１５ａの一方側、つまり、駆動輪１０に対して外側となる側の端部の周面に延設され、チェーン３０が掛け渡されるスプロケット１５ｂと、を有して構成されている。
本体部１５ａは、内径が、車軸１６の外径よりも若干大きく形成されており、円筒状の空間内に、ハブ１１を貫通した車軸１６が挿通されるようになっている。また、本体部１５ａの内部には、動力を一方向のみ伝え、もう一方向への回転は空転する、いわゆるラチェット機構（図示せず）が設けられている。
なお、図３に二点鎖線で示すのは、回転慣性力補助部材１を設けたフリーホイール１５の重心位置である。

図１に示すように、ギアクランク２０は、自転車Ｂ本体を挟んで左右に配置されるクランクアーム２１，２１と、連結部材（図示せず）を介して一方のクランクアーム２１と連結されるスプロケット２２と、を主に備えている。

クランクアーム２１は、略棒状部材であり、基端部に、自転車Ｂ本体に取り付けられる本体取付部２１ａを有し、先端部に、ペダル２３を取り付けるペダル取付部２１ｂを有している。また、一方のクランクアーム２１は、連結部材（図示せず）を介してスプロケット２２と連結されるようになっている。
このようなクランクアーム２１，２１は、互いに１８０度周期の同位相で自転車Ｂ本体の駆動軸（図示せず）に一体的に軸着されるようになっている。

スプロケット２２は、チェーン３０を介してペダル２３，２３の駆動方向の回転力をフリーホイール１５に伝えるためのものである。スプロケット２２は、リング状部材であって、周面が鋸刃状となっており、この周面にチェーン３０が掛け渡されるようになっている。このスプロケット２２は、連結部材（図示せず）を取り付けるための取付部（図示せず）を有しており、連結部材（図示せず）を介して一方のクランクアーム２１と連結されている。このようなギアクランク２０は、公知のものを適宜用いることができる。

以上説明したフリーホイール１５と、ギアクランク２０と、フリーホイール１５のスプロケット１５ｂとギアクランク２０のスプロケット２２に掛け回されたチェーン３０と、により駆動輪１０の駆動機構が構成されている。
この駆動機構は、乗員がクランクアーム２１，２１に取り付けられたペダル２３，２３に踏力を入力すると、クランクアーム２１，２１によって、駆動方向（自転車Ｂを前進させる方向）の回転力に変換され、この駆動方向の回転力がスプロケット２２からチェーン３０を介してフリーホイール１５のスプロケット１５ｂに伝えられて、フリーホイール１５が駆動方向に回転する。さらに、この駆動方向の回転力が、フリーホイール１５から車軸１６を介してハブ１１に伝えられて、駆動輪１０全体が駆動方向に回転するようになっている。

次に、本発明の本実施形態に係る回転慣性力補助部材１について説明する。
図２及び図３に示すように、回転慣性力補助部材１は、前記したフリーホイール１５の周面から突出して設けられる円板状部材である。回転慣性力補助部材１は、ここでは、図３（ｂ）に示すように、フリーホイール１５の周面の一部を突出させてフリーホイール１５と一体的に形成されている。また、回転慣性力補助部材１は、外周縁部が円弧状に形成されている。このようにすると、空気抵抗を少なくすることができる。

次に、回転慣性力補助部材１の寸法について説明する。
ここで、回転慣性力補助部材１は、フリーホイール１５に設けられ、チェーン３０を介してフリーホイール１５に伝えられた駆動方向の回転力によって、フリーホイール１５と共に回転してフリーホイール１５の回転慣性力を増加させることによって、ギアクランク２０の回転慣性力を間接的に補助するものである。このため、ギアクランク２０自体の回転慣性力、フリーホイール１５自体の回転慣性力、及び、ギアクランク２０とフリーホイール１５との関係に応じて、ギアクランク２０の回転慣性力を補助するのに必要な回転慣性力が決定される。そして、その回転慣性力を得るために必要な回転慣性力補助部材１の寸法が求められる。

そこで、回転慣性力補助部材１の寸法の詳細な説明に先立ち、一般的な２６インチのタウン用自転車に適用されるギアクランクとフリーホイールとを例にとって、それぞれの回転慣性力及び両者の関係について説明する。ここでは、フリーホイールに回転慣性力補助部材１が設けられていないものとする。

まず、ギアクランクのモーメントと、フリーホイールのモーメントをそれぞれ求める。なお、モーメントは、対象物自身の質量と、対象物の回転中心から重心位置までの距離とを乗算することによって求めることができる。以下の寸法及び質量は、一般的な２６インチのタウン用自転車に適用する場合を想定して設定している。

ギアクランクのモーメント（回転を生じさせる力）は、一組のクランクアームとスプロケットと一組のペダルのモーメントを合計することで求めることができる。
ここで、対象物αのモーメントＭｏ_αは、次の式（１）により求めることができる。

式（１）において、Ｗは、対象物αの質量であり、Ｌは、対象物αの回転中心から重心位置までの距離である。

まず、一般的な２６インチのタウン用自転車では、クランクアームの質量はおよそ３５０ｇである。また、クランクアームの本体取付部の中心からペダル取付部の中心までの距離は、およそ１６．５ｃｍである。クランクアームは、先端側（ペダル取付部側）から回転中心側（本体取付部側）に向かうにつれて幅広形状となっており、重心位置が若干回転中心寄りとなることから、クランクアーム２１の回転中心から重心位置までの距離は、およそ８ｃｍであると想定される。以上から、片方のクランクアームのモーメントは、３５０（ｇ）×８（ｃｍ）＝２８００（ｇ・ｃｍ）となる。また、一組のクランクアームのモーメントＭｏ_Ａは、２８００×２＝５６００（ｇ・ｃｍ）となる。

次に、一般的な２６インチのタウン用自転車では、スプロケットの質量はおよそ２００ｇであり、スプロケットの半径はおよそ５ｃｍである。また、スプロケットの回転中心から重心位置までの距離はおよそ３ｃｍと想定される。以上から、スプロケットのモーメントＭｏ_Ｓは、２００（ｇ）×３（ｃｍ）＝６００（ｇ・ｃｍ）となる。

さらに、一般的な２６インチのタウン用自転車では、ペダルの質量はおよそ１６０ｇであり、回転中心からペダルまでの距離、すなわち、クランクアームの本体取付部の中心からペダル取付部の中心までの距離は、およそ１６．５ｃｍである。以上から、片方のペダルのモーメントＭｏ_ｐは、１６０（ｇ）×１６．５（ｃｍ）＝２６４０（ｇ・ｃｍ）となり、一組のペダルのモーメントＭｏ_ｐは、２６４０（ｇ・ｃｍ）×２＝５２８０（ｇ・ｃｍ）となる。

そして、一組のクランクアームのモーメントＭｏ_Ａと、スプロケットのモーメントＭｏ_Ｓと、一組のペダルのモーメントＭｏ_ｐとを合計した結果、ギアクランクのモーメントＭｏ_Ｇは、１１４８０（ｇ・ｃｍ）となる。

一方、一般的な２６インチのタウン用自転車では、フリーホイールの質量はおよそ１５０ｇであり、回転中心から重心位置までの距離はおよそ１．５ｃｍである。以上から、フリーホイールのモーメントＭｏ_Ｆは、１５０（ｇ）×１．５（ｃｍ）＝２２５（ｇ・ｃｍ）となる。

以上に基づいて、一般的な２６インチ自転車に適用されるフリーホイールとギアクランクとを比較すると、フリーホイールは、ギアクランクに対し、質量は１／１０強程度であり、モーメントは、約１／５０程度であることがわかる。したがって、一般的な２６インチ自転車に適用されるフリーホイールの回転慣性力は、ギアクランクの回転慣性力よりも非常に小さいといえる。しかし、その一方で、フリーホイールは、ギアクランクよりも回転バランスが良く回転慣性力を得やすい形状であるため、フリーホイール自身の回転慣性力を増やすことができれば、フリーホイールとチェーンを介して直結するギアクランクの回転慣性力を補助することが可能である。本発明は、このような着眼点から、フリーホイール１５に回転慣性力補助部材１を設けてフリーホイールの回転慣性力を増加し、これによって、ギアクランクの回転慣性力を間接的に補助することを図っている。

次に、回転慣性力補助部材１をフリーホイール１５に設けることによって、停止する直前のギアクランク２０の回転慣性力を補助するために必要な、回転慣性力補助部材１の回転慣性力について説明する。
ここでは、乗員がペダル２３を漕ぐのを止めたことにより、駆動方向への回転が停止する直前のギアクランク２０に対し、駆動方向の回転慣性力を補助する場合を想定する。
なお、ギアクランク２０の回転慣性力Ｅ_Ｇは、次の式（２）により求めることができる。

式（２）において、ωは、単位時間当たりのギアクランク２０の回転数である。
ギアクランク２０の単位時間当たりの回転数ωを１と仮定すると、回転が停止する寸前のギアクランク２０の回転数ωは、およそ１／３程度か、１／４程度まで減少すると考えられる。このように回転数ωの値が小さくなると、ω^２の値はさらに小さくなる。従って、前記式（２）により、回転が停止する寸前のギアクランク２０の回転慣性力Ｅ_Ｇは、走行時に得られるギアクランク２０の回転慣性力Ｅ_Ｇの１／９〜１／１６程度にまで低下することになる。

このようにギアクランク２０自体の回転慣性力Ｅ_Ｇが低下すると、チェーン３０の長さや質量、また、フリーホイール１５のラチェット機構（図示せず）の摩擦等、ギアクランク２０の回転慣性力Ｅ_Ｇに対して抵抗となる要素の影響が相対的に大きくなり、ギアクランク２０の回転慣性力Ｅ_Ｇがより低下しやすくなる。
そして、チェーン３０を介して直結するギアクランク２０と回転慣性力補助部材１を設けたフリーホイール１５との回転バランスを良好に保ちつつ、停止する直前のギアクランク２０に、回転慣性力補助部材１を設けたフリーホイール１５から駆動方向への回転慣性力を補助し、さらに、駆動輪１０の回転慣性力を増加させるという副次的な効果を得るためには、回転慣性力補助部材１を設けたフリーホイールの回転慣性力Ｅ_Ｆが、ギアクランク２０の回転慣性力Ｅ_Ｇと少なくとも同等程度あれば足りると考えられる。

次に、図３を参照して、回転慣性力補助部材１の寸法の具体例を説明する。ここでは、回転慣性力補助部材１と、フリーホイール１５と、ギアクランク２０とをいずれも鉄製とする。
図３（ａ）および（ｂ）では、回転慣性力補助部材１における重心位置Ｇよりも内側の部分（以下、「内側部」という）に符号１ａを付し、回転慣性力補助部材１を設けたフリーホイール１５における重心位置Ｇよりも外側の部分（以下、「外側部」という）に符号１ｂを付している。

またここでは、図３（ａ）に示すように、フリーホイール１５の半径ｒ_Ｆを２．５ｃｍと仮定した。また、回転慣性力補助部材１をフリーホイール１５に設けたときのデザイン性を考慮し、回転慣性力補助部材１を設けたフリーホイール１５の回転中心から重心位置Ｇまでの距離Ｌ_Ｆを５ｃｍと仮定した。さらに、回転慣性力補助部材１の回転中心から外周までの距離をｘｃｍとした。またさらに、図３（ｂ）に示すように、回転慣性力補助部材１の厚さをｔとした。

また、回転慣性力補助部材１を効果的に機能させるためには、自転車Ｂのギアクランク２０側とフリーホイール１５側の回転バランスを考慮することが望ましい。自転車Ｂのギアクランク２０側とフリーホイール１５側の回転バランスを最も良好にするには、ギアクランク２０側の回転部分の質量とフリーホイール１５側の回転部分との質量とが、より近い値であると好ましい。ここでは、回転慣性力補助部材１の質量Ｗ_Ｃを、ギアクランク２０の質量Ｗ_Ｇに最も近づけることとし、回転慣性力補助部材１の質量Ｗ_Ｃを、ギアクランク２０の質量Ｗ_Ｇと同等の１２００ｇと仮定した。ここで、ギアクランク２０の質量と、回転慣性力補助部材１の質量とを略同等とすると、ギアクランク２０側よりもフリーホイール１５側の方が、フリーホイール１５の質量の分だけ重くなる。しかし、例えば、２６インチ自転車の鉄製のフリーホイール１５の質量は、わずか１５０ｇ程度で、回転中心から重心位置までの距離Ｌ_Ｆも１．５ｃｍ程度であり、モーメントＭｏ_Ｆも２２５（ｇ・ｃｍ）と非常に小さいため、ギアクランク２０側とフリーホイール１５側の質量差がこの程度であれば、回転バランスにほとんど影響を与えることがない。
以上の前提に基づくと、図４に示す内側部１ａについて次の式（３）の関係が成立する。

式（３）において、左辺と右辺は共に、内側部１ａの質量を表している。前記したように、ここでは、回転慣性力補助部材１の質量Ｗ_Ｃを１２００ｇと仮定している。また、回転慣性力補助部材１は、重心位置の内側と外側とで質量が同等となる。従って、内側部１ａの質量は、１２００ｇの半分の６００ｇとなる。
前記式（３）により、回転慣性力補助部材１の厚さｔの値を求めると、厚さｔは、およそ１．３ｃｍとなる。

次に、フリーホイール１５に回転慣性力補助部材１を設けたときの、回転中心から回転慣性力補助部材１の外周までの距離ｘの値を求める。ここで、図４に示す外側部１ｂについて、次の式（４）の関係が成立する。なお、ここでは、フリーホイール１５と回転慣性力補助部材１（内側部１ａ及び外側部１ｂ）とが、同じ比重ｎ（ｎ＝７．９）であると仮定した。

式（４）において、左辺と右辺は共に、外側部１ｂの質量を表している。前記式（３）において説明したように、外側部１ｂの質量は、１２００ｇの半分の６００ｇとなる。
そして、式（４）により、回転慣性力補助部材１の回転中心から外周までの距離ｘの値を求めると、ｘは、約６．６ｃｍとなる。また、回転慣性力補助部材１の直径Ｒは、約１３．２ｃｍとなる。

以上のように、回転慣性力補助部材１を、厚さｔが約１．３ｃｍ、直径Ｒが約１３．２ｃｍのリング状部材とすると、フリーホイール１５のスプロケット１５ｂと比較して、過度に目立ちすぎることがなく、フリーホイール１５に自然に組み込まれた印象を与えることができる。このため、フリーホイール１５の外観を良好に維持することができる。

次に、回転慣性力補助部材１の寸法をこのように設定した場合に得られる回転慣性力Ｅ_Ｃを求める。ここでは、フリーホイール１５のスプロケット１５ｂの歯数を１４Ｔと仮定し、ギアクランク２０のスプロケット２２の歯数を３２Ｔと仮定すると、回転慣性力補助部材１の回転慣性力Ｅ_Ｃは、次の式（５）によって求めることができる。

前記したように、回転慣性力補助部材１の質量Ｗ_Ｃを１２００ｇ、回転慣性力補助部材１を設けたフリーホイール１５の回転中心から重心位置までの距離Ｌ_Ｆを５ｃｍと仮定したので、前記式（１）により、回転慣性力補助部材１のモーメントＭｏ_Ｃは、６０００（ｇ・ｃｍ）となる。そして、前記式（５）により、回転慣性力補助部材１の回転慣性力Ｅ_Ｃは、３１３４６．９ω^２（ｇ・ｃｍ）となる。

以上から、回転慣性力補助部材１の寸法をこのように設定すると、ギアクランク２０の回転慣性力Ｅ_Ｇの３倍近い回転慣性力Ｅ_Ｃを得ることができることがわかる。
前記したように、停止する直前のギアクランク２０に、フリーホイール１５に設けた回転慣性力補助部材１から駆動方向への回転慣性力を補助するためには、回転慣性力補助部材１の回転慣性力Ｅ_Ｃが、ギアクランク２０の回転慣性力Ｅ_Ｇと同等以上あればよい。したがって、回転慣性力補助部材１をこのような寸法とすると、回転慣性力補助部材１から、ギアクランク２０に、十分な回転慣性力を補助することができるといえる。

次に、このような寸法の回転慣性力補助部材１をフリーホイール１５に設けた場合に、ペダリングの負荷がどれだけ増加するのかを、ペダル２３，２３の質量の増加分に置き換えて説明する。ここでは、２６インチの自転車のフリーホイール１５に回転慣性力補助部材１を設けた場合を例にとって説明する。
ペダリングに直接影響を与えるのは、回転慣性力補助部材１のモーメントＭｏ_Ｃである。前記式（１）により、ここでの回転慣性力補助部材１のモーメントＭｏ_Ｃは、６０００（ｇ・ｃｍ）である。また、ペダル２３の重心位置は、前記したように、クランクアーム２１の本体取付部２１ａからペダル取付部２１ｂまでの距離である１６．５ｃｍとなる。なお、ここでは、回転慣性力補助部材１のモーメントＭｏ_Ｃを、ペダル２３，２３が静止している状態から、乗員がペダル２３，２３を漕ぎ出すときのペダリングの負荷の増加分に置き換えるため、単位時間当たりの回転数ωは考慮しない。また、片側のペダル２３の質量の増加分をＷ_ＰＰとする。以上に基づき、回転慣性力補助部材１のモーメントＭｏ_Ｃを、左右両側のペダル２３，２３の質量の増加分に置き換えると、次の式（６）のように表すことができる。

式（６）によれば、フリーホイール１５に回転慣性力補助部材１を設けたことによるペダリングの負荷は、ペダル２３，２３をそれぞれ１８０ｇ増加させたときのペダリングの負荷と同等となることがわかる。ここで、一般的な２６インチの自転車に取り付けられるペダル１つ分の質量は、前記したように１６０ｇであるので、これに、増加分の１８０ｇを足すと、ペダル１つ分の質量は３４０ｇとなる。ペダル１つ分の質量が３４０ｇ程度の自転車は、実際に市場に出回っており、平均的な体力を有する成人であれば乗りこなすことが可能な範囲である。以上から、回転慣性力補助部材１をフリーホイール１５に設けたことによるペダリングの負荷の増加は、乗員にとって過度な負担とならない程度であるといえる。

なお、ここでは、回転慣性力補助部材１のモーメントＭｏ_Ｃを、６０００（ｇ・ｃｍ）と仮定したが、これは、回転慣性力補助部材１によって、ギアクランク２０の回転慣性力の３倍近い回転慣性力を得るために必要な値である。前記したように、回転慣性力補助部材１の回転慣性力が、最低限、ギアクランク２０の回転慣性力と同等であれば、停止する直前のギアクランク２０の回転慣性力を間接的に補助することができるので、その範囲内で、回転慣性力補助部材１の寸法を適宜調整することができる。例えば、回転慣性力補助部材１によって、ギアクランク２０の回転慣性力と同等の回転慣性力を得られるように寸法を調整した場合には、モーメントＭｏ_Ｃの値は、６０００（ｇ・ｃｍ）よりも小さくなるので、これに伴い、回転慣性力補助部材１を設けたことによるペダリングの負荷の増加を少なくすることができる。このように、乗員の体力等も考慮して、回転慣性力補助部材１の寸法を適宜調整することができる。

以上説明した回転慣性力補助部材１は、駆動輪１０の半径方向の重心位置よりもハブ１１寄りの位置に設けられており、半径が、駆動輪１０の半径方向における重心位置から回転中心までの距離よりも小さい。これにより、回転慣性力補助部材１の分だけ駆動輪１０の質量が増加したとしても、駆動輪１０の始動トルクＮの大幅な増加を抑制することができる。

ここで、駆動輪１０の始動トルクＮは、次の式（７）により表される。

式（７）において、Ｌは、クランクアーム２１の長さ（クランクアーム２１の本体取付部２１ａの中心と、ペダル取付部２１ｂの中心とを直線で結んだ距離）である。また、Ｆは、乗員の踏力であり、次の式（８）により表される。

式（８）において、ｌは、駆動輪１０の半径方向における重心位置から回転中心までの距離であり、ｍは、駆動輪の質量であり、ωは、駆動輪１０の単位時間当たりの回転数である。

ここで、駆動輪１０の重心位置よりも外側に回転慣性力補助部材１を設けると、回転慣性力補助部材１を設けていない場合に比べて、回転慣性力補助部材１の分だけ駆動輪１０の質量ｍが増えると共に、駆動輪１０の半径方向における重心位置が外側に移動する。このため、駆動輪１０の半径方向の重心位置から回転中心までの距離ｌが大きくなり、その分、始動トルクＮが増えることになる。一方、駆動輪１０の半径方向における重心位置よりもハブ１１寄りに回転慣性力補助部材１を設けると、回転慣性力補助部材１を設けていない場合に比べて、回転慣性力補助部材１の分だけ駆動輪１０の質量ｍが増えるが、その一方で、駆動輪１０の半径方向における重心位置がハブ１１側に移動する。このため、重心位置から回転中心までの距離ｌが小さくなる。従って、駆動輪１０の質量ｍが回転慣性力補助部材１の分だけ増えたとしても、駆動輪１０の始動トルクＮの大幅な増加を抑制することができる。

以上説明したような回転慣性力補助部材１は、フリーホイール１５の製造工程で、鉄板加工により、フリーホイール１５と一体的に成形することができる。

このように構成された本実施形態に係る回転慣性力補助部材１および回転慣性力補助部材１を備える自転車Ｂの駆動輪１０によれば、次のような作用効果を得ることができる。
乗員によってギアクランク２０のクランクアーム２１，２１に取り付けられたペダル２３，２３に踏力が入力されると、この踏力が、ギアクランク２０によって駆動方向の回転力に変換される。そして、この駆動方向の回転力が、チェーン３０を介してフリーホイール１５及びフリーホイール１５に設けた回転慣性力補助部材１に伝えられて、フリーホイール１５及びフリーホイール１５に設けた回転慣性力補助部材１が駆動方向に回転する。このようにして、回転慣性力補助部材１は、フリーホイールの駆動方向の回転慣性力を増加させることができる。そして、回転慣性力補助部材１によって増加したフリーホイール１５の回転慣性力によって、チェーン３０が駆動方向に引っ張られるため、ギアクランク２０が駆動方向に回転しやすくなる。このようにして、回転慣性力補助部材１が増加させたフリーホイール１５の回転慣性力を、チェーン３０を介してギアクランク２０に伝えることで、ギアクランク２０に駆動方向の回転力を間接的に補助することができる。

これによれば、回転慣性力補助部材１からクランクアーム２１，２１に付与された駆動方向への回転慣性力によって、乗員がペダル２３，２３に踏力を入力しにくい位置を通過させることができるので、乗員の踏力を補助することができる。これにより、乗員がペダル２３，２３を漕ぎやすくなる。

また、回転慣性力補助部材１によってフリーホイール１５の回転慣性力を増加させることができるので、ペダル２３，２３がタイヤ１３と同じペースで回転しやすくなる。つまり、回転慣性力補助部材１で増加した回転慣性力がクランクアーム２１，２１に伝えられることで、クランクアーム２１，２１に駆動方向への回転慣性力を付与することができるので、フリーホイール１５に回転慣性力補助部材１を設けない場合と比べて長い時間、クランクアーム２１，２１の回転速度がタイヤ１３の回転速度に遅れないようにすることができる。これにより、乗員がペダル２３，２３を漕ぎやすくなる。

さらに、フリーホイール１５は、駆動輪１０のスポーク１４の外側に設けられる部材であるため、駆動輪１０への取り付け及び取り外しが容易である。これにより、回転慣性力補助部材１をフリーホイール１５に設けることで、既存の自転車のフリーホイールとフリーホイール１５とを交換するだけで、回転慣性力補助部材１を既存の自転車に容易に導入することができる。
またさらに、回転慣性力補助部材１を、ここでは、フリーホイール１５の周面の一部を突出させて設けているので、フリーホイール１５の製造工程で、回転慣性力補助部材１をフリーホイール１５に一体成形することができる。このため、製造工程が簡素化され、回転慣性力補助部材１の導入費用が安価となる。

さらに加えて、回転慣性力補助部材１を、駆動輪１０の半径方向の重心位置よりもハブ１１寄りに設けたので、回転慣性力補助部材１の分だけ駆動輪１０の質量が増えたとしても、駆動輪１０の始動トルク量の大幅な増加を抑制することができるので、踏力の比較的小さい乗員であっても、自転車Ｂを乗りやすくすることができる。

次に、本実施形態に係る回転慣性力補助部材１および回転慣性力補助部材１を備える自転車Ｂの駆動輪１０によって得られる副次的な効果について説明する。フリーホイール１５に回転慣性力補助部材１を設けることで、駆動輪１０の回転慣性力を増加させることができるという副次的な効果が得られる。
以下、２６インチの自転車のフリーホイール１５に回転慣性力補助部材１を設けた場合に、駆動輪１０の回転慣性力がどの程度増加するかについて、具体的に説明する。
まず、フリーホイール１５に回転慣性力補助部材１を設けない場合における、駆動輪１０の回転慣性力は、次の式（９）により求めることができる。

ここでは、駆動輪１０の質量Ｗを２．３Ｋｇと仮定する。また、駆動輪１０の半径ｒは、１３（インチ）となる。そして、駆動輪１０の半径方向の重心位置は、おおよそ回転中心から外周までの距離（半径ｒ）の半分程度の位置となるので、ここでは、ｒ／２とする。以上から、前記式（９）より、２６インチ自転車のフリーホイール１５に回転慣性力補助部材１を設けない場合における、駆動輪１０の回転慣性力Ｅ_２６は、３７．９７（Ｋｇ・ｃｍ・ω^２）となる。

次に、回転慣性力補助部材１のモーメントＭｏ_Ｃを６０００（ｇ・ｃｍ）、つまり、６(ｋｇ・ｃｍ)としたときの、回転慣性力補助部材１の回転慣性力Ｅ_Ｃは、次の式（１０）により求めることができる。

なお、回転慣性力補助部材１と駆動輪１０は連動して回転するので、単位時間当たりの回転数ωの割合は同じである。そして、前記式（１０）により、回転慣性力補助部材１の回転慣性力Ｅ_Ｃは、６（ｋｇ・ｃｍ・ω^２）となる。
そして、駆動輪の回転慣性力Ｅ_２６に占める回転慣性力補助部材１の回転慣性力Ｅ_Ｃの割合は、次の式（１１）により求めることができる。

式（１１）により、駆動輪の回転慣性力Ｅ_２６に占める回転慣性力補助部材１の回転慣性力Ｅ_Ｃの割合は、約１６パーセントとなる。従って、フリーホイール１５に回転慣性力補助部材１を設けたことにより、駆動輪１０の回転慣性力Ｅ_２６が、約１６パーセント増加することがわかる。

このように、フリーホイール１５に回転慣性力補助部材１を設けることで、駆動輪１０の回転慣性力を増加させることができるので、自転車の乗りやすさを向上させることができ、脚力が比較的小さい利用者であっても快適に利用することが可能となるという副次的な作用効果も得ることができる。特に、上り坂の走行や長距離を走行した場合の、利用者の足への負担を軽減することができる。

なお、フリーホイール１５は、一方向（駆動方向）に限ってペダル２３，２３の駆動力を駆動輪１０に伝えるものである。従って、乗員がペダル２３，２３を漕ぐのをやめた場合には、フリーホイール１５及びフリーホイール１５に設けた回転慣性力補助部材１の回転も停止し、フリーホイール１５及びフリーホイール１５から駆動輪１０に回転慣性力が付与されなくなる。つまり、ブレーキ時には、フリーホイール１５及びフリーホイール１５から駆動輪１０に回転慣性力が付与されなくなるので、制動力に影響を与えることがない。このように、フリーホイール１５に回転慣性力補助部材１を設けると、走行時には、ギアクランク２０に駆動方向への回転慣性力を間接的に補助することができ、一方、ブレーキ時には、フリーホイール１５に回転慣性力補助部材１を設けていない一般的な自転車と同様のスムーズな制動が可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、前記した実施形態では、回転慣性力補助部材１を、フリーホイール１５の周面に一体成形することとしたが、これに限られず、フリーホイール１５と別体としてもよい。この場合、回転慣性力補助部材１を、内径が、フリーホイール１５の外径と略同等か若干大きく、外径が、本実施形態と同様の寸法のリング状部材とするとよい。またこの場合、その他の寸法（厚さや質量等）は、本実施形態で説明した回転慣性力補助部材１と同様に設定することができる。これによれば、既存の自転車のフリーホイールに、回転慣性力補助部材１を後から嵌め込むだけで、既存の自転車のギアクランクの回転慣性力を補助することができる。また、既存の自転車の構成要素を変更すること必要がないため、回転慣性力補助部材１を、既存の自転車により導入しやすくなる。

また、前記した実施形態では、鉄製のギアクランク２０を備える自転車のフリーホイール１５に回転慣性力補助部材１を設ける場合を例にとって説明したが、これに限られず、アルミ等の軽量な素材で形成されたギアクランクを備える自転車のフリーホイールに回転慣性力補助部材１を設けてもよいことはもちろんである。

さらに、前記した実施形態では、シングルギアのフリーホイール１５に、回転慣性力補助部材１を設ける場合を例にとって説明したが、これに限られるものではなく、多段階変速ギアのフリーホイールに回転慣性力補助部材１を設けてもよいことはもちろんである。

またさらに、前記した実施形態では、２６インチの自転車に回転慣性力補助部材１を設ける場合を例にとって説明したが、これに限られるものではなく、２０〜２７インチの自転車に適用することができる。

１回転慣性力補助部材
１０駆動輪
１１ハブ
１２リム
１３タイヤ
１４スポーク
１５フリーホイール
１５ａ本体部
１５ｂスプロケット
１６車軸
２０ギアクランク
２１クランクアーム
２１ａ本体取付部
２１ｂペダル取付部
２２スプロケット
２３ペダル
３０チェーン

Claims

ペダルがそれぞれ取り付けられ、前記ペダルに入力された踏力によって駆動方向に回転する一対のクランクアームと、この一対のクランクアームと連動するスプロケットと、を有するギアクランクと、自転車の駆動輪のハブと直結し、駆動方向の回転力のみを前記ハブに伝えるフリーホイールと、前記フリーホイールのスプロケットと前記ギアクランクの前記スプロケットとの間に掛け回され、前記ギアクランクで発生した前記駆動方向の回転力を前記フリーホイールに伝える無端のチェーンと、を少なくとも有する前記駆動輪の駆動機構における前記フリーホイールの周面に突出して設けられ、前記駆動方向の回転力により前記フリーホイールと共に駆動方向に回転して、前記フリーホイールの回転慣性力を増加させることにより、当該フリーホイールと前記チェーンを介して連結された前記ギアクランクの回転慣性力を間接的に補助することを特徴とする回転慣性力補助部材。
前記回転慣性力補助部材は、
その設けられる位置が前記駆動輪の半径方向における重心位置よりもハブ寄りであることを特徴とする請求項１に記載の回転慣性力補助部材。
前記回転慣性力補助部材は、
リング状部材として構成され、前記フリーホイールに嵌合固定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転慣性力補助部材。
前記回転慣性力補助部材は、
前記フリーホイールと一体成形され、当該フリーホイールの周面から突出して設けられる円板状部材であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転慣性力補助部材。
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の回転慣性力補助部材を備えたことを特徴とする自転車の駆動輪。