JP5676393B2 - 自転車試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動補助自転車などの自転車の試験に用いられる自転車試験装置に関するものである。

電動補助自転車などの自転車の試験に用いられる自転車試験装置としては、自転車の後輪に当接し当該後輪の回転に対する負荷を与えるローラと、自転車のペダルを回転駆動する駆動装置とを備えた自転車試験装置が知られている（特許文献１）。

特開２０００-７４７９２号公報

上述した特許文献１に係る自転車試験装置によれば、自転車の荷重について、これを任意に制御することができない。そして、このため、体重や運転姿勢といった利用者の特性や、平坦路や山坂路といった走行路の特性などの、自転車の荷重に関わる特性を多様に模擬した試験を行うことが困難であった。
そこで、本発明は、自転車の荷重に関わる特性を多様に模擬した試験を行うことのできる自転車試験装置を提供することを課題とする。

前記課題達成のために、本発明は、自転車の試験に用いられる自転車試験装置に、前記自転車の後輪に負荷を与える負荷装置と、荷重装置とを設けたものである。ここで、前記負荷装置は、頂上に前記自転車の後輪が載置されるローラと、前記ローラに連結したモータと、前記ローラに作用するトルクを計測するトルク計とを備え、前記荷重装置は、後輪が前記ローラ上に載置された前記自転車の後輪軸に連結する連結部と、前記連結部を介して前記後輪軸に荷重を加える、当該荷重を可変なアクチュエータとを備えたものである。

ここで、このような自転車試験装置には、前記自転車に対して模擬する走行路の傾斜角に応じて、前記アクチュエータと前記モータとを駆動し、前記荷重装置で前記自転車の後輪軸に加える荷重の大きさと、前記負荷装置で前記自転車の後輪に与える負荷の大きさとを、前記自転車の前記傾斜角の走行路走行時相当の荷重の大きさと負荷の大きさとに制御する制御装置を、さらに備えることも好ましい。
また、このような自転車試験装置は、前記荷重装置に、さらに、前記アクチュエータの位置と姿勢を変化させることにより、当該アクチュエータが前記連結部を介して前記後輪軸に荷重を加える方向を、前記自転車の後輪軸廻りに変化させる荷重方向可変機構を備えるように構成してもよい。
また、この場合には、制御装置として、前記自転車に対して模擬する走行路の傾斜角に応じて、前記アクチュエータと前記荷重方向可変機構とを駆動して、前記荷重装置で前記自転車の後輪軸に加える荷重の大きさと方向とを、前記自転車の前記傾斜角の走行路走行時相当の荷重の大きさと方向に制御すると共に、前記傾斜角に応じて、前記モータを駆動し、前記負荷装置で前記自転車の後輪に与える負荷の大きさとを、前記自転車の前記傾斜角の走行路走行時相当の負荷の大きさに制御する制御装置を備えることが好ましい。
また、以上の自転車試験装置には、前記自転車のクランク軸を回転駆動する駆動装置を設けるようにしてもよい。ここで、駆動装置は、たとえば、後輪が前記ローラ上に載置された前記自転車のクランクまたはクランク軸を駆動する駆動シャフトと、当該駆動シャフトを回転する自転車駆動用モータとを備えたものである。
これらのような自転車試験装置によれば、自転車の後輪に加える荷重の大きさ、もしくは、荷重の大きさ及び方向を任意に変更することができるので、体重や運転姿勢といった利用者の特性や、平坦路や山坂路といった走行路の特性などの、自転車の荷重の荷重に関わる特性を多様に模擬した試験を行うことが可能となる。

以上のように、本発明によれば自転車の荷重に関わる特性を多様に模擬した試験を行うことのできる自転車試験装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る自転車用試験装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る自転車試験装置のダイナモメータの構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る自転車試験装置の自転車駆動装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る自転車試験装置の荷重装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る制御装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１ａ、ｂに、本実施形態に係る自転車試験装置の構成を示す。
ここで、図中に示したように上下左右前後方向を定めるものとして、図１ａは自転車試験装置の上面模式図を、図１ｂは自転車試験装置の後面模式図を示している。

図示するように自転車試験装置は、ピット１、ピット１の上面によって構成された床の床下に配置されたダイナモメータ２、自転車のクランク軸を回転駆動する自転車駆動装置３、ピット１の床面上に配置された、自転車の前輪軸またはフロントフォークを固定する自転車前部固定装置４、制御装置５、自転車の後輪に荷重を加える荷重装置６とを備えている。

次に、図２ａ、ｂにダイナモメータ２の構成を示す。
ここで、図２ａはダイナモメータ２の上面模式図を、図２ｂはダイナモメータ２の後面模式図を示している。
図示するように、ダイナモメータ２は、モータ２１、軸トルク計２２、ローラ２３、機械慣性装置２４とを備えている。
ローラ２３の中心軸の一端は、軸トルク計２２を介在して、モータ２１のシャフトに連結しており、ローラ２３の中心軸の他端は機械慣性装置２４に連結している。

ローラ２３は、その周面によって、図１ｂに示すように、自転車の後輪に対して走行路を模擬するものであり、当該ローラ２３の頂上部は、ピット１の床面と同じ高さで、ピット１の床に設けられた開口に露出している。そして、ローラ２３の頂上部に自転車の後輪が載置される。
そして、軸トルク計２２は、自転車の後輪とローラ２３との間で作用する力によって、モータ２１のシャフトとローラ２３の中心軸との間に働く軸トルクを検出し、制御装置５に出力する。
また、モータ２１は回転計を内蔵しており、回転計で検出したモータ２１の回転速度を制御装置５に出力する。
また、機械慣性装置２４は、複数の回転慣性質量の異なる複数のフライホイールを備えており、制御装置５の制御に応じて、任意数の任意のフライホイールとローラ２３の中心軸との連結/連結断を行うことにより、連結したフライホイールの組み合わせによって定まる回転慣性質量をローラ２３に追加することにより、自転車の走行慣性相当の回転慣性力をローラ２３に付与する。

このようなダイナモメータ２を用いることにより、制御装置５は、モータ２１の回転計で計測されたモータ２１の回転速度、軸トルク計２２で検出された軸トルクを参照しながら、モータ２１の発生トルクや回転速度を制御し、自転車の後輪とローラ２３の周面が模擬する走行路との間で作用させる負荷（走行抵抗）や、ローラ２３の周面が模擬する走行路で模擬する自転車の走行速度を任意に制御することができるようになる。

また、モータ２１の回転計で計測されたモータ２１の回転速度の変化より求まる回転角加速度に応じて、機械慣性装置２４を制御することにより、自転車の走行慣性を模擬することができる。なお、自転車の走行慣性は、モータ２１の発生トルクで模擬することもでき、このようにする場合には、機械慣性装置２４は不要である。

次に、図３に自転車駆動装置３の構成を示す。
ここで、図３ａは自転車駆動装置３の上面模式図を、図３ｂは自転車駆動装置３の後面模式図を示している。
図示するように、自転車駆動装置３は、上下移動可能なＺステージ３１、Ｚステージ３１に支持された左右方向に移動可能なＸステージ３２、Ｘステージ３２に支持された前後方向に移動可能なＹステージ３３、Ｙステージ３３に支持された駆動モータ３４、駆動軸トルク計３５、駆動モータ３４のシャフトに駆動軸トルク計３５を介して連結された駆動シャフト３６とを備えている。

Ｚステージ３１は、電動シリンダ３１１によって上下に移動するように構成されており、Ｘステージ３２は電動シリンダ３２１によってＺステージ３１に対して左右方向に移動するように構成されており、Ｙステージ３３は電動シリンダ３３１によってＸステージ３２に対し前後方向に移動するように構成されている。

次に、駆動シャフト３６は、駆動軸トルク計３５に連結する軸３５１連結されたフランジ３６１と、駆動シャフト３６の先端の連結ソケット３６２とを、両者に各々トリボールジョイントによって継がる鋼管３６３で連結したものである。
ここで、図１ａ、ｂに示すように、自転車駆動装置３は、およそダイナモメータ２のローラ２３の頂上に後輪が載せ置かれた自転車のクランク軸の左側先端の平均的な位置付近に、駆動シャフト３６の先端が位置するように、ピット１の床下に一部埋設された形態でピット１に対して固定されている。

そして、図１ａ、ｂに示すように、自転車からクランクを取り外した上で、駆動シャフト３６の先端の連結ソケット３６２を、クランクを取り外すことによって露出する自転車のクランク軸の先端のテーパーに嵌合させることにより、駆動シャフト３６は自転車のクランク軸に連結される。

次に、駆動軸トルク計３５は、駆動シャフト３６を介して、駆動モータ３４のシャフトから自転車のクランク軸に働く軸トルクを検出し、制御装置５に出力する。
また、駆動モータ３４は回転計を内蔵しており、回転計で検出したモータ２１の回転速度を制御装置５に出力する
このような自転車駆動置を用いることにより、制御装置５は、駆動モータ３４の回転計で計測された駆動モータ３４の回転速度、駆動軸トルク計３５で検出された軸トルクを参照しながら、駆動モータ３４の発生トルクや回転速度を制御し、自転車のクランク軸の回転速度や、自転車のクランク軸に加えるトルクを、任意に制御することができるようになる。

また、制御装置５は、電動シリンダ３１１、３２１、３３１の駆動を制御して、駆動シャフト３６の先端の連結ソケット３６２を前後方向、上下方向、左右方向に任意量移動することができる。
ここで、Ｚステージ３１、Ｘステージ３２、Ｙステージ３３は、自転車の型式によらずに、駆動シャフト３６の位置を自転車のクランク軸位置に位置づけられるように設けている。
次に、図４ａ、ｂに荷重装置６の構成を示す。
ここで、図４ａは荷重装置６の上面模式図を、図４ｂは荷重装置６の後面模式図を、図４ｃは荷重装置６の右面模式図を示している。
図示するように、荷重装置６は、間にローラ２３の頂上部が位置するように前後方向に離間して、ピット１の床面上に固定された二つベース６１、間にローラ２３に載置された自転車の後輪が位置するように左右方向に離間して、二つのベース６１に前後方向に架設された二つの固定ステージ６２を備えている。また、各固定ステージ６２に対して、移動ステージ６３とボールネジ機構６４とエアシリンダ６５と連結部６６のセットが設けられている。

ここで、移動ステージ６３は、固定ステージ６２に前後方向に滑動可能に支持されており、ボールネジ機構６４は、移動ステージ６３を固定ステージ６２に対して前後方向に移動する。また、エアシリンダ６５は、移動ステージ６３に下部が軸支されており、連結部６６はエアシリンダ６５の先端に軸支されている。そして、連結部６６は、自転車の後輪の車軸に、車軸端の雄ネジと螺合、または、車軸端と嵌合することにより連結される部材である。

そして、このような構成において、ボールネジ機構６４を駆動することにより、図４ｄに示すように、移動ステージ６３をベース６１に対して前後方向に任意量移動することができる。また、エアシリンダ６５を駆動することにより、連結部６６を介して、後輪軸に任意の荷重を加えることができる。

したがって、制御装置５は、エアシリンダ６５の駆動を制御することにより、図４ｅに示すように、ローラ２３の頂上に載置された後輪に任意量の荷重を加えることができる。また、制御装置５は、ボールネジ機構６４を用いて移動ステージ６３を移動することにより、自転車の後輪に加える荷重の方向を、左右方向を軸とする回転方向に変更することもできる。

なお、このような荷重装置６は、エアシリンダ６５に代えて、油圧シリンダなどの任意のアクチュエータを用いて構成するようにしてもよい。
次に、制御装置５の構成を図５に示す。
図示するように制御装置５は、自転車のクランク軸に加える駆動トルクの目標値である目標駆動トルクや、模擬する走行路の傾斜角の目標値である目標走行路傾斜角などの試験条件のスケジュールを規定するテストマップ５０１を備えている。
また、制御装置５は、テストマップ５０１の目標駆動トルクに従って、自転車のクランク軸に現在加えるべき軸トルクを算出するクランク軸トルク算出部５０２、クランク軸トルク算出部５０２の算出した軸トルクと、自転車駆動装置３のクランク軸トルク計が計測した軸トルクの差分に応じて、当該差分を無くす方向に、自転車駆動装置３の駆動モータ３４の発生トルクを制御する駆動トルク制御部５０３を備えている。

また、制御装置５は、ダイナモメータ２のモータ２１の回転計が計測しているローラ２３の回転速度より求まる自転車の走行速度によって自転車に加わる走行抵抗による負荷と、テストマップ５０１の目標走行路傾斜角が表す現在の走行路の傾斜によって自転車に重力によって加わる負荷とを加算した負荷を目標負荷として算出する目標負荷算出部５０４、目標負荷算出部５０４の算出した目標負荷と、ダイナモメータ２の軸トルク計２２が計測した軸トルクの差分に応じて、当該差分を無くす方向に、ダイナモメータ２のモータ２１の発生トルクを制御する負荷トルク制御部５０５を備えている。

また、制御装置５は、テストマップ５０１の目標走行路傾斜角が表す現在の走行路の傾斜に応じて、自転車の後輪に加わる荷重の大きさと当該荷重の方向を算出する後輪荷重算出部５０６と、荷重装置６のボールネジ機構６４とエアシリンダ６５とを制御して、後輪荷重算出部５０６が算出した方向の、後輪荷重算出部５０６が算出した大きさの荷重を自転車後輪に加える荷重制御部５０７とを備えている。

また、制御装置５は、ダイナモメータ２のモータ２１の回転計が計測したモータ２１の回転速度より求まる回転角加速度より、現在の自転車の加速度相当の走行慣性を算出する慣性トルク算出部５０８、慣性トルク算出部５０８が算出した走行慣性相当の回転慣性力をローラ２３に付与するよう機械慣性装置２４を制御する機械慣性制御部５０９とを備えている。

以上、本発明の実施形態について説明した。
以上のように、本実施形態によれば、自転車の後輪に加える荷重の大きさと方向とを任意に変更することができるので、体重や運転姿勢といった利用者の特性や、平坦路や山坂路といった走行路の特性などの、自転車の荷重に関わる特性を多様に模擬した試験を行うことが可能となる。
なお、以上の実施形態において用いた電動シリンダやボールネジ機構６４は、これに代えて油圧シリンダやエアシリンダ６５や、その他の任意の移動機構を用いるようにしてもかまわない。

また、自転車駆動装置３は、直接自転車のクランク軸を回転せずに、自転車のクランクをクランク軸廻りに回転することにより、自転車のクランクを介して自転車のクランク軸を回転するものとしてもよい。
また、簡易的には、荷重装置６に移動ステージ６３とボールネジ機構６４を設けずに、荷重装置６を、エアシリンダ６５によって常に下方の荷重を自転車の後輪軸に加えるものとしてもよい。

１…ピット、２…ダイナモメータ、３…自転車駆動装置、４…自転車前部固定装置、５…制御装置、６…荷重装置、２１…モータ、２２…軸トルク計、２３…ローラ、２４…機械慣性装置、３１…Ｚステージ、３２…Ｘステージ、３３…Ｙステージ、３４…駆動モータ、３５…駆動軸トルク計、３６…駆動シャフト、６１…ベース、６２…固定ステージ、６３…移動ステージ、６４…ボールネジ機構、６５…エアシリンダ、６６…連結部、５０１…テストマップ、５０２…クランク軸トルク算出部、５０３…駆動トルク制御部、５０４…目標負荷算出部、５０５…負荷トルク制御部、５０６…後輪荷重算出部、５０７…荷重制御部、５０８…慣性トルク算出部、５０９…機械慣性制御部。

Claims (3)

1. 自転車の試験に用いられる自転車試験装置であって、
   前記自転車の後輪に負荷を与える負荷装置と、
   荷重装置とを有し、
   前記負荷装置は、
   頂上に前記自転車の後輪が載置されるローラと、前記ローラに連結したモータと、前記ローラに作用するトルクを計測するトルク計とを備え、
   前記荷重装置は、
   後輪が前記ローラ上に載置された前記自転車の後輪軸に連結する連結部と、前記連結部を介して前記後輪軸に荷重を加える、当該荷重を可変なアクチュエータと、
   前記アクチュエータの位置と姿勢を変化させることにより、当該アクチュエータが前記連結部を介して前記後輪軸に荷重を加える方向を、前記自転車の後輪軸廻りに変化させる荷重方向可変機構とを備えていることを特徴とする自転車試験装置。
2. 請求項１記載の自転車試験装置であって、
   前記自転車に対して模擬する走行路の傾斜角に応じて、前記アクチュエータと前記荷重方向可変機構とを駆動して、前記荷重装置で前記自転車の後輪軸に加える荷重の大きさと方向とを、前記自転車の前記傾斜角の走行路走行時相当の荷重の大きさと方向に制御すると共に、前記傾斜角に応じて、前記モータを駆動し、前記負荷装置で前記自転車の後輪に与える負荷の大きさとを、前記自転車の前記傾斜角の走行路走行時相当の負荷の大きさに制御する制御装置を有することを特徴とする自転車試験装置。
3. 請求項１または２記載の自転車試験装置であって、
   前記自転車のクランク軸を回転駆動する駆動装置を有し、
   当該駆動装置は、後輪が前記ローラ上に載置された前記自転車のクランクまたはクランク軸を駆動する駆動シャフトと、当該駆動シャフトを回転する自転車駆動用モータとを備えていることを特徴とする自転車試験装置。