JP6046845B1 - 姿勢補助機構および姿勢補助機構一体型フレーム - Google Patents

Abstract

【課題】 空気抵抗の少ない姿勢と高出力な走行を同時に可能とする機構およびフレームを提供する。【解決手段】 エアロバーまたはＤＨバーまたはTTバー等と呼称される機材ををハンドルに備えた自転車のフレーム５に土台１を固定し、土台１に支持パーツ２を固定し、支持パーツ２に風防機能を備えた構造体１４を固定する。風防機能を備えた構造体１４に胸当て１５を固定し、支持パーツ２に腕当て３を固定することで姿勢補助機構を構成する。【選択図】 図４

Description

本発明は、軽快車の乗車姿勢を補助する機構に関する。

近年の自転車、特に軽快車と呼ばれる種類の自転車においてエアロダイナミクスを考慮
した設計を用いることが知られている、例えば、特許文献１にはエアロダイナミクス形状のパイプを用いたフレームが開示されている。

軽快車の設計において、最も需要な課題となるのが走行抵抗である。走行抵抗は空気抵抗、摩擦抵抗、機械抵抗の３要素からなる。自転車の走行中に発生する抵抗を分析する実験では時速３０ｋｍを超えると、走行抵抗の８０％以上が空気抵抗となることが分かっている。さらに走行時の前面投影面積の割合が車両３０％、身体７０％であることから空気抵抗の少ない姿勢に対応した車両が研究されている。

同時に、車両そのものではなく補助機構を車両に追加することで空気抵抗を低減することも研究されている。たとえばハンドル上に追加されるエアロバーを使用することで、両腕が揃って前方に突き出す深い前傾姿勢を容易にし、前面投影面積が通常姿勢より２５％減少される。

さらに、エアロバーの効果実験によると時速４０ｋｍで走行する場合、通常姿勢での動力は４００Ｗ以上必要なのに対し、エアロバーを用いた姿勢では３００Ｗ程度と大幅に減少する事が分かっている。このように、近年の軽快車は高速走行をより容易に可能とするために、車体形状の改良に加え乗車姿勢を改善する設計が増えている。

特開平５−２１３２５４号公報

しかしながら、これまでの殆どの自転車は上半身を車体で支持する事を考慮されていない。たとえば、着座姿勢では下半身の運動エネルギーが動力の要であり上半身の運動は重要視されていない。上半身はハンドルを持つ手で支えられるが、両腕はハンドル操作の為に自由度が確保される必要がある、そのため状況によって上半身の大半は背筋等に支えられる。つまり、着座姿勢では上半身を推進力として積極利用した走法は難しい。

着座姿勢の上半身は主にバランス維持と操舵を行っておりぺダリングで揺れる体は背筋等の筋力で中央に維持している。そして、空気抵抗を少なくするために前傾姿勢をとる場合は肘は曲げられるため腕は十分に上半身の重量を支えられない。そのため、上半身の重量も背筋等の筋力で支えられることとなる。このため、前傾姿勢では上半身を筋力で支える負担が増える。その上、姿勢が窮屈になるためぺダリング時の身体負担が増加する。以上の事から、長時間前傾姿勢を維持する走行は難しい。

高速走行に特化したタイムトライアル車ではハンドルに追加するエアロバーを使用し、上半身の重量を分散支持することで前傾姿勢での高速走行を両立している。エアロバーを掴むと同時に肘を支えられる事で上半身はハンドル上で支えられる、このため身体はサドル、両肘、両手の５か所で車両により支えられ身体負担は減少する。このように、姿勢を補助する事で高速走行を容易にする方法が日々研究されている。

軽快車の設計で大切な事は、フレーム形状の改善により車両の空気抵抗を低減する事、空気抵抗の少ない姿勢が可能な車両形状とする事、走法の切り替えを容易にし加減速のコントロールが自在な構造とする事、などがある。そして、最も大切な事はこれら複数の要素それぞれの長所を生かしつつ破綻の無いバランスの取れた車両設計を行うことある。

本発明の目的は、乗車姿勢を補助することで着座走法において安定姿勢と高出力を両立し、同時に、空気抵抗の少ない前傾姿勢を可能とする事である。

トップチューブまたはそれに類する構造を有する自転車のフレームにおいてトップチューブまたはそれに類する構造に土台を固定し、土台または土台に固定した支持パーツに腕当てを固定して姿勢補助機構を構成する。さらに、土台または土台に固定した支持パーツに風防機能を有する構造体を固定し、土台、支持パーツ、風防機能を有する構造体のいずれかに腕当てを固定することで姿勢補助機構を構成する。
また、土台が一体成形された自転車のフレームにおいて、土台または土台に固定した支持パーツに腕当てを固定して姿勢補助機構を構成する。さらに、土台または土台に固定した支持パーツに風防機能を有する構造体を固定し、土台、支持パーツ、風防機能を有する構造体のいずれかに腕当てを固定することで姿勢補助機構を構成する。

本発明は、土台部が車両のフレームに一体または追加固定する構造であるため、姿勢補助機構全体は車両と一体となり走行中は不動または一部可変固定可能である。エアロバーと本発明を使用すると上半身が車両に支えられ重心移動が無い。そして、上半身は両手、両肘、両前腕内側、場合により胸で車両によって支えられる。このため上半身は下半身の運動を通常よりも強固に支える事が出来る。つまり、姿勢補助機構を使用すると上半身を支えとした力強いぺダリングが可能である。

本発明を使用すると重心移動が起こらないため車両を左右に傾ける必要が無く、上半身を車体が支えるため少ないエネルギーで姿勢の維持が可能となる。また、空気抵抗は速度の２乗に比例して上昇するため速度が上がると必要なエネルギーも急激に増加するが、本発明を使用すると前面投影面積の少ない姿勢を維持可能なためエネルギーの消費は低く抑えることができる。つまり、姿勢補助機構を使用すると省エネルギーな走行が可能なため速度が上がる程エネルギー効率が良くなる。

本発明を用いると、上半身が車両に固定されるので上半身から下半身までの筋肉が生み出す運動エネルギーは逃ることなくクランクに伝達される。つまり、姿勢補助機構を使用すると重いギアでもぺダリングを高回転で維持可能となる。さらに、上半身が車体に支えられることで身体負担が激減するため、通常よりも少ないエネルギーでスプリント並みの高速走行が長時間維持可能となる。

ハンドルと姿勢補助機構が干渉することは無く走行に必要な角度までハンドルの角度を切ることが可能である。そして、姿勢補助機構を利用した前傾姿勢と通常乗車姿勢の切り替えは任意のタイミングで容易に可能なため、上り坂や下り坂、急カーブ等の状況に合わせて姿勢を切り替えることが瞬時に可能であり、走行に緩急がつけられるため効率の良いぺダリングが維持可能である。以上のことから、姿勢補助機構を利用すると、高速域での走行が安定するのに加えバランスの取れた柔軟な走行が可能となるため車両と自身のポテンシャルを最大限引き出すことが可能である。

姿勢補助機構の全体図である。 姿勢補助機構を用いた自転車の横図である。 姿勢補助機構一体型フレームを用いた自転車の横図である。 風防機能を備えた構造体装備の姿勢補助機構全体図である。 風防機能を備えた構造体装備の姿勢補助機構を用いた自転車の横図である。 風防機能を備えた構造体装備の姿勢補助機構一体型フレームを用いた自転車の横図である。 風防機能を備えた構造体装備の姿勢補助機構を用いた自転車の乗車姿勢横図である。

以下、本発明について図１〜７を用いて説明する。図１は姿勢補助機構の全体を示している。フレーム５に土台１を固定する。土台１の固定はバンドやボルトその他、強固に固定されるものならば制限はない。土台１または土台１に固定した支持パーツ２に腕当て３を固定すると姿勢補助機構が構成される。

エアロバーを併用する場合を説明するためにエアロバーを構成する標準的な部品を図に表記している。エアロバー１０と肘受け１１は固定具９によりハンドル１２に固定されたものとする。前記姿勢補助機構において高さ調整や角度調整のため土台１と支持パーツ２の間にスペーサーを利用してもよい。支持パーツ２を複数パーツで構成してもよい。エアロバー１０を使用した時に前腕内側に腕当て３が当たる様に腕当て３の固定位置は前後左右に移動可能であり、腕の当たる角度に合わせて斜めに任意の角度で固定可能である。腕当て３を両腕で挟み保持することにより上体を安定させるので支持パーツ２と腕当て３は十分な強度を確保した素材でお互いが強固に固定されるものとする。土台１、支持パーツ２、腕当て３ は車両に合わせエアロ形状やウイング形状等、様々なバリエーションの形状としてもよい。緩衝材４のような素材で腕当て３と腕との接触面を保護してもよい。

支持パーツ２は一体型のほかに左右独立型など土台の形状に合わせた形を構成可能としてもよい。支持パーツ２が左右独立型の場合、土台１の左右側面に固定可能としてもよい。腕当て３を使用すると前腕の移動は制限されるが、手首の動きでハンドルの角度を切ることは可能であり急なカーブでなければ姿勢補助機構を利用した姿勢のままカーブを曲がることは可能である。また、姿勢補助機構とハンドルは干渉せず、通常のハンドルを利用した姿勢に移行する事は容易であるため安全である。また、ハンドルに固定したブレーキレレバーに加え、エアロバーにブレーキレバーを装着し同時に利用可能とする事で安全性が向上する。エアロバーに装着したブレーキレバー使用時に姿勢補助機構が上体の前方移動を抑えるため前傾姿勢におけるブレーキの危険性が減少する。

図２は自転車のフレーム５上に姿勢補助機構が装着された自転車の横図である。土台１を自転車のフレーム５に固定し、土台１または土台１に固定した支持パーツ２に腕当て３を固定することで姿勢補助機構が自転車に装着される。エアロバー１０と肘受け１１は固定具９によりハンドル１２に固定されたものとする。エアロバーを使用した場合でも肘受け１１と姿勢補助機構は接触しない為走行に必要な角度までハンドルを切る事は可能である。

図３は土台が一体成形されたフレーム１３に姿勢補助機構を装備した車両横図である。フレーム１３または前記フレーム１３に固定した支持パーツ２に腕当て３を固定することで姿勢補助機構が構成される。エアロバー１０と肘受け１１は固定具９によりハンドル１２に固定されたものとする。エアロバーを使用した場合でも肘受け１１と姿勢補助機構は接触しない為走行に必要な角度までハンドルを切る事は可能である。土台がフレームに一体となる事で姿勢補助機構全体の強度が増し、車両による上体支持の一体感が向上している事がわかる。フレーム１３はフレーム自体で胸部、または胸部から腹部にかけて、または腹部を支持する形状としてもよい。フレームで直接上半身を支える場合、利用者の多様性に合わせフレーム１３に固定可能な様々な形状や大きさのパッドまたは緩衝材または支持台座などを使用してもよい。腕当て３は、土台以外のフレーム上に直接固定可能としてもよい。

図４は胸当て１５装備の風防機能を備えた構造体１４を、図１で説明した姿勢補助機構に固定した全体図である。前記構造体１４は前後に位置移動可能としてもよい。前記構造体１４は角度調整可能としてもよい。前記構造体と台座１または支持パーツ２の間にスペーサを用いてもよい。前記構造体１４は胸部から腹部にかけて支持可能な形状としてもよい。前記構造体１４自身で胸または胸および腹部の支持を可能としてもよい。胸当て１５は前記構造体１４に追加するオプションとしてもよい。胸当て１５は胸から腹部まで支持可能な形状としてもよい。胸当て１５は固定型や位置移動可能型、または複数のパーツで構成される複合型など胸または胸および腹部が前記構造体１４の上部で支持されやすい形状と素材としてもよい。前記構造体１４は飲料水を入れるボトル、工具入れ、荷物入れ、風防に特化したフードなど走行に合わせた様々な機能を単体、又は複合する構造としても良い。構造体１４はエアロ形状や抱きかかえるような体にフィットする形状、または複数のボトルを連結する型など車両や用途に合わせた形としてもよい。構造体１４は電動による位置変更可能としてもよい。構造体１４はエアバッグ機能を付加してもよい。

腕当て３は前記構造体１４に固定可能としてもよい。前記構造体１４は土台１または支持パーツ２のどちらに固定されてもよい。前記構造体１４はフレーム５に直接またはスペーサー等を挟んで固定してもよい。前記構造体１４をフレーム５に固定する場合バンドやボルトおよび専用のパーツ等で固定してもよい。前記構造体１４の固定角度は走行中変更可能としてもよい、そのとき、任意の角度に固定可能としてもよい。前記構造体１４は走行中、前方または手前に倒して固定する事が可能としてもよい、その場合レバー等で直立固定との切り替えは容易としてもよい。前記構造体１４は走行中脱着可能な構造としてもよい。前記構造体１４に対し風防機能を備えた構造体用腕当て１８のような専用部品を利用してもよい。

図５は軽快車に図４で説明した姿勢補助機構を装備した車両横図である。風防機能を備えた構造体１４に胸当て１５が装備されことにより上半身を前記構造体１４で支える事が可能となり姿勢補助機構全体の効果が補強される。

図６は土台が一体成形されたフレーム１３に図４で説明した姿勢補助機構を装備した車両横図である。

図７は図５に乗車した姿勢横図である。図７(a)を見ると上半身が両手の握り、両肘、左右前腕内側、胸部、の７か所で支えられている事がわかる。図７（a）の姿勢は前面投影面積が少ないため通常姿勢より空気抵抗が低減されている。さらに、上半身が姿勢補助機構を通して車両により支えられる事で身体負担は激減する。そして、姿勢補助機構に上半身が支えられるため重いギアでもぺダリングは容易となり安定した高速走行が可能である。

図７（b）を見ると両前腕に挟まれた前記構造体１４が胸部空間を塞ぐことで風よけのカウルの役割を果たしていることが分かる。これにより正面からの空気の流れが整流され空気抵抗が減少される。図７（a）図７（b）を見ると、本発明を使用する事により空気抵抗の少ない前傾姿勢が容易となり、上半身が支えられる事で必要な筋力や運動量が減少するためエネルギー効率の良い走行が可能となり、上半身が支えられるので全身が生み出すエネルギーが効率よくペダルに伝達可能なため、重いギアでの高速巡行が容易となる事が分かる。つまり、本発明を利用すると身体負担が軽減されるため高速で安定した走行が長時間維持可能である。

１：土台
２：支持パーツ
３：腕当て
４：緩衝材
５：フレーム
６：ヘッドチューブ
７：フォーク
８：ステム
９：固定具
１０：エアロバー
１１：肘受け
１２：ハンドル
１３：土台が一体成形されたフレーム
１４：風防機能を備えた構造体
１５：胸当て
１６：キャップ
１７：ストロー
１８：風防機能を備えた構造体用腕当て

Claims (8)

1. 自転車のフレームに固定可能な土台と、前記土台または前記土台に固定する支持パーツに、ハンドル中央に設けられるエアロバー等の補助機構を使用した前傾姿勢時に両腕を支える腕当てを備えることを特徴とした姿勢補助機構。
2. 自転車のフレームに固定可能な土台と、前記土台または前記土台に固定する支持パーツに、ハンドル中央に設けられるエアロバー等の補助機構を使用した前傾姿勢時に両前腕に挟まれて胸部空間を塞ぐ構造体または、さらに胸当てを備える前記構造体を装備し、前記土台または前記支持パーツまたは前記構造体に腕当てを備えることを特徴とする姿勢補助機構。
3. 自転車のフレームに一体成型した土台と、前記土台または前記土台に固定する支持パーツに、ハンドル中央に設けられるエアロバー等の補助機構を使用した前傾姿勢時に両腕を支える腕当てを備えることを特徴とした姿勢補助機構一体型フレーム。
4. 自転車のフレームに一体成型した土台と、前記土台または前記土台に固定する支持パーツに、ハンドル中央に設けられるエアロバー等の補助機構を使用した前傾姿勢時に両前腕に挟まれて胸部空間を塞ぐ構造体または、さらに胸当てを備える前記構造体を装備し、前記土台または前記支持パーツまたは前記構造体に腕当てを備えることを特徴とする姿勢補助機構一体型フレーム。
5. 自転車のフレームに直接またはスペーサを介し、ハンドル中央に設けられるエアロバー等の補助機構を使用した前傾姿勢時に両前腕に挟まれて胸部空間を塞ぐ構造体または、さらに胸当てを備える前記構造体を装備し、前記構造体に腕当てを備える事を特徴とした姿勢補助機構。
6. 自転車のフレーム自体もしくは自転車のフレームにパッドまたは緩衝材または支持台座を固定することで、胸部または腹部または胸部から腹部を支持し、前記フレームに腕当てを備える事を特徴とする姿勢補助機構一体型フレーム。
7. 前記構造体は飲料ボトルまたは工具入れまたは荷物入れまたはエアバッグを単体または複合で備え、前記構造体で胸部から腹部を支持可能、または胸部もしくは腹部を支持可能とすることを特徴とする請求項２または請求項５記載の姿勢補助機構。
8. 前記構造体は飲料ボトルまたは工具入れまたは荷物入れまたはエアバッグを単体または複合で備え、前記構造体で胸部から腹部を支持可能、または胸部もしくは腹部を支持可能とすることを特徴とする請求項４記載の姿勢補助機構 一体型フレーム。