JP6752899B2 - 電気モータ駆動の自転車のための駆動装置 - Google Patents

電気モータ駆動の自転車のための駆動装置 Download PDF

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Description

本発明は、電気モータにより駆動される自転車のための、請求項１の特徴を包含する駆動装置に、電気モータにより駆動される自転車でのこのような駆動装置の、請求項１２に記載の使用に、このような駆動装置を包含する、請求項１３に記載の電気モータにより駆動される自転車に、そしてこのような駆動装置を包含する請求項１４に記載の自転車フレームに関する。
今日、自転車は輸送および移動の手段として頻繁に使用される。自転車には異なるタイプがある。例えばフルサスペンション自転車が知られている。これらは短縮してフリーバイクとも呼ばれる。
フルサスペンションバイクは、後方連結要素が揺動状態で支持されるメインフレームを包含する。たいていは鋼製バネまたはエアダンパであるダンパ要素が、後方連結要素とメインフレームとの間に設けられる。
フルサスペンション自転車を設計する時には、後方連結要素のいわゆるロッキングといわゆるペダルキックバックとの間に目的の衝突が生まれる。ある種の運転力学状況では、その効果はメインフレームに対する後方連結要素の圧縮および伸張に左右される。
特に、駆動部を使用して、つまりペダルクランクを使用して、運転者が高いトルクを加える際には、運転力学状況が考慮されなければならない。特に始動、登坂、または加速時には高いトルクが加えられる。ペダル操作時に加えられる力は、自転車チェーンによりペダルクランクから後輪へ誘導される。
始動時、登坂時、加速時等に発生する動的な自転車荷重分布のため、後方連結要素は圧縮する傾向がある。しかしながら、この後方連結要素の圧縮作用は、駆動転エネルギーの大部分がこれにより損なわれるので、望ましくない。
こういうわけで、今日、後方連結要素は、始動、加速時等に伸張する傾向を有するように設計される。この伸張作用は、メインフレームに対する揺動アームベアリングの配置に応じて、またチェーン引張り方向に応じた影響を受けうる。
しかしながら、あまりに強い伸張作用は、後方連結要素の伸張のため、結果的にチェーンの引き戻しを生じ、クランク動作を妨害する。その結果、いわゆるペダルキックバックが起きるが、これは運転者が一方向にペダルに力を加えている間に後方連結要素が反対方向にペダルを引っ張ることを意味する。
この圧縮とペダルキックバックとの間の目的の衝突は、電気モータにより駆動される自転車、つまりいわゆるＥバイクにおいてより顕著になりうる。Ｅバイクで使用される電気モータは、個別のＥバイクの設定に応じて、唯一の駆動手段として、または運転者によるペダル動作を補助する補助的駆動手段としても使用されうる。ゆえに、ペダルクランクによって運転者により提供可能なトルクを超える高いトルクを、電気モータが発生させうる。
対応して、最新のＥバイクでは強い圧縮および／またはペダルキックバックの増加が通常は発生する。
上述した効果を例示するため、図１３は従来のフルサスペンションマウンテンバイク１０００を示している。マウンテンバイク１０００は、メインフレーム１０１０と後方連結要素１０２０とを包含する。メインフレーム１０１０は、トップチューブ１０１１とサドルチューブ１０１２とダウンチューブ１０１３とヘッドチューブ１０１４とを包含する。
後方連結要素１０２０は、シートステイ１０２１とチェーンステイ１０２２とを包含する。後方連結要素１０２０は、ヒンジ結合方式でメインフレーム１０１０に接続される。チェーンステイ１０２２は、メインフレーム１０１０に配置される揺動アームベアリング１０２３に接続される。シートステイ１０２１は、ヒンジ結合方式でダンパ１０９０に接続される。運転方向において、後方部分における後方連結要素１０２０は、後輪１０５１の軸１０５０を受けるドロップアウト端部１０２４を包含する。
カセットまたはコグセットとも呼ばれるピニオンパケット１０６０は、後輪１０５１のホイールハブに配置される。ピニオン１０６０は、直径の異なる幾つかのピニオンを包含する。
メインフレーム１０１０は付加的に、底部ブラケット１０４０を包含する。ペダルクランク１０４１の軸またはシャフトは、底部ブラケット１０４０を貫通する。ペダルクランク１０４１は、大型チェーンリング１０４２と小型チェーンリング１０４３とを包含する。
駆動チェーン１０３０は、前方チェーンリング１０４２，１０４３とピニオンパケット１０６０の後方ピニオンとの間に延在する。チェーン１０３０は、チェーンの上側あるいは緊張または荷重側１０３１と、チェーンの底側あるいは弛緩側１０３２とを包含する。
ペダルクランク１０４１を（図１３の反時計方向に）回転させると、チェーン１０３０が緊張側１０３１で張り状態となり、チェーン１０３０に係合しているピニオンパケット１０６０のピニオンに力を伝達する。この力はチェーン引張り力ＦＣとも呼ばれ、張り状態のチェーン１０３０または緊張側１０３１の延在方向に延在する。緊張側１０３１の延在方向は結果的に、チェーン引張り力ＦＣの力作用線１０７０を規定する。
後輪１０５１は軸１０５０に懸架されて回転可能であるので、その結果、軸力ＦＡが軸１０５０に作用し、その力作用線１０８０はチェーン引張り力ＦＣの力作用線１０７０に平行である。
図１４は、同じ従来のマウンテンバイク１０００を再び示している。フルサスペンションマウンテンバイク１０００は、後方連結要素１０２０とメインフレーム２との間に配置されるダンパ１０９０を包含する。図１４は、運転者のいない非荷重状態のマウンテンバイク１０００を示している。マウンテンバイク１０００は、例えば運転者の体重により荷重が加えられるとすぐに、圧縮される。その際に後輪１０５１は車輪軌道１０５２に沿って上向きに揺動する。いわゆるシングルピボットでは、車輪軌道１０５２は揺動アームベアリング１０２３と後軸１０５０との間の距離から生じる。
概して、マウンテンバイク１０００の後方連結要素１０２０は、圧縮と伸張の両方が可能である。圧縮時に、後輪１０５１は車輪軌道１０５２に沿って上向きに揺動する。伸張時に、後輪１０５１は車輪軌道１０５２に沿って下向きに揺動する。
従来のマウンテンバイク１０００では、マウンテンバイク１０００に静かに座っているか立っている運転者の運転者体重による静荷重により、総バネたわみまたはバネ行程長の約１０％から３０％だけ圧縮されるように、ダンパ１０９０が通常は調節される。この領域は、負のバネ行程長またはＳＡＧとも呼ばれる。
すでに述べたように、圧縮時に、後輪１０５１は車輪軌道１０５２に沿って上向きに揺動する。今日、従来のマウンテンバイク１０００は、後輪１０５１がＳＡＧで、指示された構造点１０５５に後軸１０５０がほぼ位置するような点まで揺動するような構造を持つ。その結果、たわんだ後軸１０５５と揺動アームベアリング１０２３との間の想像線１０８１が得られる。ＳＡＧでは、この線１０８１は路面１０８２に平行である。
後方連結要素１０２０の圧縮または伸張の場合には、路面１０８２に対するこの線１０８１の角度位置が変化する。この線１０８１と路面１０８２との間に形成される角度は、サスペンション（またはバネ）斜角（またはバイアス角）と呼ばれる。ＳＡＧ状態において、図１４に示された従来のマウンテンバイク１０００では、結果的に０°のサスペンション斜角が生じる。
始動または加速時に、運転者は、ペダルクランク１０４１を使用することにより、チェーン１０３０とカセット１０６０とハブとを介して後輪１０５１へ伝達されるトルクを発生させる。特に、始動、加速、または登坂のような運転状況では、運転者は比較的高いトルクを発生させる。
加えて、自転車１０００に座っているか立っている運転者は、後輪１０５１の方向に付加的に水平シフトする高い重心を発生させる。始動、加速、または登坂時に、運転者と自転車１０００とのシステム全体の慣性が動的な車輪荷重分布を生じさせる、つまり重心がさらに後方へ、つまり後輪１０５１への方向に移動する。未調整自転車では、この動的な車輪荷重分布が後方連結要素１０２０を圧縮させる。この作用は、始動トルクピッチまたはスクワットとも呼ばれる。
すでに述べたように、最新のアプローチは、チェーン引張りによって始動トルクピッチを補助することである。その際にチェーン引張りは後方連結要素１０２０の伸張を起こす。構造技術によってここで試されるのは、そうでない場合に後方連結要素が慣性により圧縮されるのと同程度に、チェーン引張りによって生じる伸張を実現することである。これは、動的車輪荷重分布によって引き起こされる後方連結要素の圧縮をチェーン引張りと大きさの等しい力を有する伸張により補おうとすることを意味する。図１４に示された従来のマウンテンバイク１０００を使用してこれを例示する。
上述したように、軸１０５０に作用する力ＦＡの方向は、力ＦＣについての力作用線１０７０（図１３）に沿ったチェーン引張り方向やその他に左右される。非荷重状態において、後軸１０５０は最初に、力作用線１０７１に沿った軸１０５０に力ＦＡ１が作用する、図１４に示された底位置に所在する。圧縮状態では、そして特にＳＡＧ状態では、後軸１０５０はたわんだ上部位置１０５５に所在し、ここで力ＦＡ２が後軸１０５０に作用する。
力ＦＡ２は力作用線１０７２に沿って作用する。図１４から認知できるように、力作用線１０７２は揺動アームベアリング１０２３の間に位置する。
運転者がＳＡＧ位置から始まってペダル操作を行って駆動トルクを発生させると、チェーン引張り方向の力ＦＡ２が構造点１０５５で後軸１０５０に作用する。上述したように力作用線１０７２は揺動アームベアリング１０２３より下に位置するので、力ＦＡ２は後方連結要素１０２０の伸張を起こす。これは、後輪１０５１が車輪軌道１０５２に沿って下向きに移動するように力ＦＡ２が後軸１０５０を揺動アームベアリング１０２３より下に引っ張ろうとすることを意味する。圧縮動作（始動トルクピッチ）とは反対に作用するこの伸張動作は、始動トルクピッチ補助またはアンチスクワットとも呼ばれる。
チェーン引張り力の大きさおよび方向が伸張を引き起こし、これが始動時その他に、圧縮とは反対に作用し、好ましくは完全に抑制するように、軸１０５０に作用する力ＦＡ２の力作用線１０７２に対して揺動アームベアリング１０２３を配置することが意図されると、構造上、好ましい。チェーン引張り力により生じる伸張が始動トルクピッチ（圧縮）を完全に補う時に、これはニュートラルバイクシャシまたは１００％アンチスクワットと呼ばれる。
アンチスクワット作用のため従来のフルサスペンションマウンテンバイクでの重要な構成要素であるチェーン引張りの機能モードは、車輪軌道法線に対するチェーン引張り力の大きさに関連してチェーン引張り方向の角偏差を説明すると、容易に例示されうる。
車輪軌道法線は、圧縮方向に対して９０°の角度に配置される直線である。つまり、シングルピボットの場合に、法線は揺動アーム回転点１０２３と常に交差する。
車輪軌道法線（圧縮方向に垂直な線）は同時に、サスペンション斜角（車輪軌道法線と路面との間の角度）を描く。
チェーン引張り方向が軌道法線から逸脱した場合に、圧縮または伸張効果の力が後輪サスペンションへ誘導される。チェーン引張り力が強くなり軌道法線に対する角偏差が大きくなるほど、後方連結要素の反応が大きくなる。ゆえに、従来の自転車では、各ギヤについてチェーン引張力の方向および大きさが異なるので、アンチスクワット作用がギヤセットに応じて大きく異なる。
運転者により提供される２００ワットの駆動力を含む計算が、ここで例として扱われる。これは６０ＲＰＭでの１４０Ｎのクランク力に対応する。
ケース１：前方の２２本の歯と後方の３４本の歯のギヤ組み合わせ（典型的な登坂ギヤ装置）
・７２２Ｎのチェーン引張り力と１４９Ｎの駆動力が結果的に生じ、こうして１２０％のアンチスクワット効果が生じる（過剰なアンチスクワットまたは過圧縮）。
ケース２：前方の３６本の歯と後方の１１本の歯のギヤ組み合わせ（典型的な速度ギヤ装置）
・５４３Ｎのチェーン引張り力と３４Ｎの駆動力が結果的に生じ、こうして５７％のアンチスクワット効果が生じる（過少のアンチスクワットまたは圧縮不足）。
結論を述べると、チェーン引張り力はギヤセットに応じて大きく変化する。同時に、地面へ誘導される静止摩擦力（駆動力）も、異なるギヤ比により大きく変化する。
従来のマウンテンバイクでは両方の効果を加えると、ギヤセットに応じてアンチスクワット効果が比較的大きく変化する。従来のＭＴＢでのアンチスクワット効果の帯域幅は、０と２００％の間である。
通常、登坂ギヤ（例えば前方の２２本の歯と後方の３４本の歯のピニオン組み合わせ）では、車輪軌道法線に対して下向き方向の角度を持つ強いチェーン引張りが生じる。その結果、後輪サスペンションは、伸張状態で、つまり１００％を超えるアンチスクワットで反応する。速度ギヤ（例えば前方の３６本と後方の１１本のピニオン組み合わせ）では、チェーン引張りは弱く、車輪軌道法線に対するチェーン引張り力効果の方向は上向きである。これは、ペダル操作時の後方連結要素の不要な圧縮を発生させる。
従来のフルサスペンションバイクでは、これらの相関関係のため、単一の特定ギヤ組み合わせのみについて望ましい最も正確な１００％アンチスクワットが存在する。
図１３および１４を参照して前に述べたように、努力傾注対象となるのは、チェーン引張りの結果として伸張動作が生じてその大きさが始動トルクピッチ（圧縮）の大きさに対応するような配向を力作用線１０７２と揺動アームベアリング１０２３とが互いに対して持つようにマウンテンバイク１０００の構造を決めることである。
これを実現するため、従来のマウンテンバイク１０００は、ＳＡＧにおいて、０°のサスペンション斜角を呈する、つまり揺動アームベアリング１０２３と後軸１０５０との間の想像上の接続線１０８１が路面１０８２に平行であるような構造を持つ。こうして、高い始動トルクピッチ補助が達成されうるように、揺動アームベアリング１０２３に対する力作用線１０７２の方向を具現するための良好な開始点が得られる。
さらに０°のサスペンション斜角を設けることは、始動トルクピッチ補助つまり伸張の大きさが好ましくはチェーン引張り（大きさおよび方向）のみにより決定されうるように後方連結要素の運動により生じる駆動影響がほとんど無視されうるという点で有利である。
しかしながら、前に述べたように、チェーン引張りにより生じる始動トルクピッチ補助といわゆるペダルキックバックとの間には常に目的の衝突が見られる。チェーン引張りによって故意に生じる伸張のため、後輪１０５１は車輪軌道１０５２に沿って下向きに移動する。その結果、後輪軸１０５０と底部ブラケットとの間の水平長の変化が生じる。伸張時には、後輪軸１０５０と底部ブラケット１０４０との間のこの水平距離が増加する。これはまた、チェーン１０３０の緊張側１０３１にそれと対応した増加を引き起こす。しかしながら、チェーン１０３０は比較的剛性であるので、チェーン１０３０は、実際のペダル操作方向と反対の後向きにクランク１０４０を引っ張る。
従来のマウンテンバイク１０００は、ＳＡＧにおいて、通常は０°のサスペンション斜角（車輪軌道法線）を包含し、これは、車輪軌道法線が路面に平行であることを意味する。従来のフルサスペンションマウンテンバイク１０００では、専らチェーンの引張りによりアンチスクワットが発生する、つまりチェーン引張りが下向きの方向である場合には、その結果としてアンチスクワット効果が生じるのである。チェーン引張りが上向きの方向である場合には、スクワット効果が結果的に生じる。ゆえに、チェーン引張り方向は、選択されるギヤ組み合わせに左右されるのである。
軌道法線からのチェーン引張り方向の逸脱はまた、不要な作用をクランクに常に発生させる。軌道法線に関連するチェーン引張りベクトルが下向きの方向である場合には、結果的に、圧縮時のクランクの後方回転、つまりペダルキックバックが生じる。軌道法線に関連するチェーン引張りベクトルが上向きの方向である場合には、その結果、圧縮時のクランクの前方回転、つまりいわゆるペダルフロントキックが生じる。これは、今日ではアンチスクワットとペダルバックラッシュとの間に目的の矛盾があることを意味する。
図１３および１４は、後輪１０５１を受けるためのドロップアウト端部１０２４がチェーンステイ１０２２の一端部に配置されてメインフレーム１０１０でのヒンジ支持のための揺動アームベアリング１０２３がチェーンステイ１０２２の反対端部に設けられる、いわゆるシングルピボットに関するものである。
図１５に例示的に示されているさらなる周知のコンセプトは、例えばチェーンステイ１０２２の領域にあるドロップアウト端部１０２４より下に追加ヒンジ１０５６が設けられるマルチピボットを説明している。これは結果的に、前に説明したシングルピボットと比較すると異なる車輪軌道１０５２を生じる。その際に、車輪軌道１０５２は揺動アームベアリング１０２３の周りの揺動支持部１０２３とチェーンステイベアリング１０５０との間の距離から生じる半径を有する単純な円形経路をもはや辿らない。代わりに、可能な最良の程度まで垂直方向上向きの方向を持つ車輪軌道を設けようとして、顕著な湾曲を持たない車輪軌道１０５２が瞬間中心により決定される。
瞬間中心Ｍ１は、２本の直線または２本のいわゆる連結部１０８３，１０８４の交点である。第１連結部１０８３は、追加ベアリング１０５６とともに揺動アームベアリングを通る直線である。第２連結部１０８４は、後方連結要素（シートステイ１０２１）とロッカ１０２４との間のヒンジとともに、メインフレーム１０１０でのロッカ１０２４のピボット点１０２６を通る直線である。
直線１０８１を設定するため、後軸ベアリング１０５０と瞬間中心Ｍ１との間の結線が描かれている。図１５に示されたマルチピボットでは、自転車がＳＡＧである時に、線１０８１が路面１０８２に平行であるようにフレームも設定される。言い換えると、０°のサスペンション斜角が結果的に得られるようにマルチピボットが設定され、これはチェーン引張りによりアンチスクワットが制御されることを意味する。
従来の自転車では、今説明したマウンテンバイク１０００のように、運転者により提供されるペダル操作力と、後輪へ誘導される駆動トルクとがエンジニアにとっては充分に予測可能であるので、チェーン引張りによって始動トルクピッチ補助を設けることは容易に実現可能である。
今日、電気モータにより駆動または補助される自転車はまた、始動トルクピッチ補助がチェーン引張りにより実現するような構造を持つ。しかしながら、始動、加速、または登坂時のように高い駆動トルクが作用する運転状況では特に、電気モータの追加トルクは従来の自転車の後方連結要素を過度に伸張させる。一方で、この結果、不慣れで部分的に不安定な自転車の運転行動と、他方では強いペダルバックラッシュが生じる。
結果的に、始動トルクピッチ補助が筋力による駆動によりうまく作用するように従来の自転車の構造を決め、電気モータを始動する場合には後方連結要素があまりに大きく伸張する。しかしながら、従来の自転車の後方連結要素が電気モータのトルクのための始動トルクピッチ補助に最適化される場合には、ペダル操作時の後方連結要素の伸張は大きすぎるだろう。このような理由から、今日、両方の状況を少なくともある程度まで満足させるには妥協案が受け入れられなければならない。
結果的に、努力傾注対象となるのは、上述した先行技術の短所が対処されて既存の概念が改良されるようにＥバイクの駆動概念を設計することである。
請求項１の特徴を包含する駆動装置により、この目的が本発明で達成される。
進歩性のある駆動装置は、Ｅバイク、特にフルサスペンションＥバイクに使用されるために用意される。進歩性は、一部にはチェーン引張りによって、また一部には特定の後方連結要素の運動によって、このようなＥバイクに適した始動トルクピッチ補助を提供することを包含する。本発明は、ペダル操作時と電気モータ接続時の両方で、できる限りニュートラルである後方連結要素作用を実現するためのものである。本発明によれば、トランスミッション出力は、駆動部、つまりペダルクランクに対してオフセットするように配置される。加えて、揺動アームベアリングは出力に近接するように配置される。出力への近接は、揺動アームベアリングが駆動部より出力に近接して配置されることを意味する。言い換えると、揺動アームベアリングの中心軸と出力シャフトの中心軸との間の径方向距離は、揺動アームベアリングの中心軸と第１駆動シャフトの中心軸との間の径方向距離より小さい。駆動部に対してオフセットする出力と出力の直近での揺動アームベアリングの配置とのこの組み合わせのため、結果的に得られるのは、チェーン引張りによって、また後方連結要素の運動によって、つまりメインフレームに対する後方連結要素の旋回によって、始動トルクピッチ補助を実現する手法である。これはシングルピボットとマルチピボットの両方に当てはまる。径方向にオフセットされた出力のため、比較的急角度のチェーンステイが結果的に得られ、これは後方連結要素のより大きな伸張を結果的に招く。これらの運動手段のため、電気モータの追加トルクにより生じるピッチが補助されうる。同時に、揺動アームベアリングに近接して出力要素を配置すると、ペダル操作時に必要とされる始動トルクピッチ補助がチェーン引張りによる影響をやはり受けやすく、影響を受けやすい状態が維持される。
一実施形態によれば、総バネたわみの１０％と３５％の間の負のバネたわみ範囲を結果的に生じる静荷重を自転車が受ける場合に、５°から３０°、好ましくは１０°から２０°、より好ましくは約１５°のサスペンション斜角を自転車が包含するように揺動アームベアリングがメインフレームに位置決めされうる。言い換えると、自転車は、ＳＡＧである時に、指示された領域にサスペンション斜角を包含する。指示された領域にサスペンション斜角を設けると、トルクが増加したシャシ運動の調整による始動トルクピッチ補助が結果的に得られ、シングルピボットでは特に有利である。
別の実施形態は、瞬間中心が瞬間回転中心となるマルチピボットについて特に有利である。瞬間回転中心としての瞬間中心を有するマルチピボットであるように後方連結要素が構成されるこのような実施形態によれば、総バネたわみの１０％と３５％の間の負のバネたわみとなる静荷重を自転車が受ける場合には、５°から３０°、好ましくは１０°から２０°、より好ましくは約１５°のサスペンション斜角を自転車が包含するように後方連結要素がメインフレームに配置されうる。言い換えると、自転車は、ＳＡＧである時に、指示された領域にサスペンション斜角を包含する。指示された領域にサスペンション斜角を設けると、トルクが増加したシャシ運動の調整による始動トルクピッチ補助が結果的に得られ、マルチピボットでは特に有利である。
一実施形態によれば、第１駆動シャフトの中心軸と出力シャフトの中心軸との間の径方向距離は２００ｍｍから３０ｍｍ、好ましくは１００ｍｍと２００ｍｍの間である。別の表現をすると、ペダルクランクシャフトと出力との間の距離は２００ｍｍから３００ｍｍ、好ましくは１００ｍｍから２００ｍｍである。このような駆動部と出力との間のオフセットは、適当な始動トルクピッチ補助を提供するのに特に有利であることが証明されている。
別の実施形態によれば、揺動アームベアリングの中心軸と出力シャフトの中心軸との間の径方向距離は２００ｍｍ未満、好ましくは１００ｍｍ未満、より好ましくは５０ｍｍ未満である。言い換えると、揺動アームベアリングと出力との間のオフセットまたは距離は２００ｍｍ未満、好ましくは１００ｍｍ未満、より好ましくは５０ｍｍ未満である。揺動アームベアリングは結果的に、出力に近くなるように配置される。揺動アームベアリングの中心軸と出力シャフトの中心軸との間の径方向距離が揺動アームベアリングの中心軸と第１駆動シャフトの中心軸との間の径方向距離より小さいことに関連する進歩性を維持しながらこの実施形態が当てはまることは言うまでもない。この実施形態によれば、揺動アームベアリングは、２００ｍｍ未満、好ましくは１００ｍｍ未満、より好ましくは５０ｍｍ未満の半径で出力の周りに配置されうる。これは、後方連結要素、つまり駆動トルクピッチ補助の圧縮または伸張の程度についてのある種の微調節または微調整を可能にする。
別の実施形態によれば、路面に平行な平面に対する揺動アームベアリングの中心軸は、出力の中心軸より上に配置されうる。揺動アームベアリングは結果的に、出力上方の半円上に配置されうる。チェーン引張り方向を考慮すると、後方連結要素の伸張の程度は上の半円で微調節されうる。
別の実施形態によれば、路面に平行な平面に対する揺動アームベアリングの中心軸は、出力の中心軸より下に配置されうる。揺動アームベアリングは結果的に、出力下方の半円上に配置されうる。チェーン引張り方向を考慮すると、後方連結要素の圧縮の程度は下方の半円で微調節されうる。
一実施形態によれば、出力シャフトの中心軸と揺動アームベアリングの中心軸とが同心に配置されるように、出力シャフトの中心軸と揺動アームベアリングの中心軸との間の径方向距離はゼロに等しくても良い。言い換えると、第１駆動部（ペダルクランク）と出力との間と、揺動アームベアリングと出力との間にはオフセットまたは径方向距離が設けられる。しかしながら、この実施形態による出力と揺動アームベアリングとの間のオフセットまたは径方向距離はゼロに等しい、つまり揺動アームベアリングと出力とは同心または同軸になるように配置される。それにもかかわらず、出力と揺動アームベアリングとの間のオフセットまたは径方向距離は第１駆動部（ペダルクランク）と揺動アームベアリングとの間のオフセットまたは径方向距離より小さいので、請求項１による条件は満たされる。これは、揺動アームベアリングは、駆動部よりも出力近くに（同軸に）配置されることを意味する。出力と揺動アームベアリングとのこの同軸配置により、不要なペダルキックバックを引き起こす可能性があるチェーンの伸びは圧縮でも伸張でも発生しないので、駆動影響をできる限り小さくすることができる。
別の実施形態によれば、出力の中心軸と中央電気モータの出力シャフトの中心軸とが同心に配置されるように、出力と中央電気モータとが互いに対して配置されうる。言い換えると、中央電気モータと出力とは、共通軸または出力シャフトを包含する。これは、出力が中央電気モータに直接配置されることを意味する。ゆえに、駆動装置において、また特に駆動装置の筐体において、出力と電気モータとが省スペース方式で配置されうる。
別の実施形態によれば、力伝達手段によって、特にチェーンまたはコグベルトまたはＶベルトによって、駆動される自転車車輪へ出力要素が駆動力を伝達することが可能であり、力伝達手段の緊張側へ引張り力を加えることによって、力が後軸に加わり、その力作用線が、総バネたわみの１０％と３５％との間の負のバネたわみを結果的に生じる静荷重を自転車が受けた場合に揺動アームベアリングの中心軸より下または瞬間中心より下を通過するように、出力要素と車輪との間に力伝達手段が配置されうる。自転車がＳＡＧである時に、力伝達手段の引張り方向が後輪軸に力を生じて、その力作用線が揺動アームベアリングより下を通るように、力伝達手段が後輪とクランクとの間を通過する。この力は結果的に後方連結要素の伸張を生じる。例示的に、チェーン駆動部により、異なるサイズの９から１１個のピニオンを通常は含むピニオンパケットが後輪ハブに配置される。１から３個のチェーンリングはクランクに配置される。チェーン引張り方向が揺動アームベアリングに対して大きな角度を呈する場合、つまり最小のチェーンリングと最大のピニオンをチェーンが通る場合に、後方連結要素は最も大きく伸張する、つまり最大のアンチスクワット作用が達成される。上述した実施形態は、前方の最小のチェーンリングと後方の５個の最大ピニオンのうち一つをチェーンが移動するチェーン引張り方向に関する。
一実施形態によれば、駆動装置はメインフレームで静止しているか不動であるように配置されうる。提案される中央電気モータでは、駆動装置は固定状態で配置される、つまりダウンチューブ、底部ブラケット筐体、そして該当する場合にはサドルチューブの間で不動である。駆動装置は結果的にメインフレームで支持される。これは、電気モータ駆動装置が車輪ハブに配置される駆動概念や、駆動ユニット揺動アームを包含する駆動概念とは区別されなければならない。後者の場合、電気モータ駆動装置はメインフレームの中または上ではなく揺動アームに配置される。その際に電気モータ駆動ユニットは、フレームに配置される揺動アームに支持されて移動可能である。ゆえに、電気モータ駆動ユニットは、メインフレームに配置されて揺動アームを介して移動可能である。進歩性のあるメインフレームにおいて後方揺動アームが取り除かれる場合に、電気モータ駆動ユニットはそれでもメインフレームに配置される。対照的に、駆動ユニット揺動アームで後方揺動アームをメインフレームから取り除く場合には、揺動アームに一体化されるので、メインフレームは電気モータ駆動ユニットをもはや包含しない。
本発明の第二の態様は、電気モータにより駆動される自転車での、上述した実施形態のいずれかによる駆動装置の使用に関する。
本発明の第三の態様は、上述した実施形態のいずれかによる駆動装置を包含する電気モータ駆動の自転車に関する。
第三の態様の第一実施形態によれば、揺動アームベアリングと揺動アームベアリングに配置される後方連結要素とを有するメインフレームと、電気モータにより駆動されるこのような自転車のための駆動装置とを包含する電気モータ駆動の自転車が提案され、駆動装置は、第１駆動部が、第１駆動シャフトを包含する第１駆動力を提供するための第１駆動部としてのペダルクランクと、第２駆動力を提供するための第２駆動部としての中央電気モータと、出力シャフトを包含する出力要素とを包含し、出力要素は、第１および／または第２駆動力を受け取って、駆動される自転車車輪へこれを出力するように構成され、揺動アームベアリングの中心軸と出力シャフトの中心軸との間の径方向距離が揺動アームベアリングの中心軸と第１駆動シャフトの中心軸との間の径方向距離より小さくなるように、出力シャフトの中心軸は第１駆動シャフトの中心軸から径方向距離を持ち、出力シャフトは揺動アームベアリングに対して配置される。
第二実施形態によれば、第一実施形態による駆動装置を包含する電気モータ駆動の自転車が提案され、総バネたわみの１０％と３５％の間の負のバネたわみを結果的に生じる静荷重を自転車が受けた場合に、５°から３０°、好ましくは１０°から２０°、より好ましくは約１５°のサスペンション斜角を自転車が包含するように、揺動アームベアリングがメインフレームに配置される。
第三実施形態によれば、第一または第二実施形態による駆動装置を包含する電気モータ駆動の自転車が提案され、瞬間回転点としての瞬間中心を有するマルチピボットであるように後方連結要素が具現され、総バネたわみの１０％と３５％の間の負のバネたわみを結果的に生じる静荷重を自転車が受けた場合に５°から３０°、好ましくは１０°から２０°、より好ましくは約１５°のサスペンション斜角を自転車が包含するように、後方連結要素がメインフレームに配置される。
第四実施形態によれば、前出の実施形態のいずれかによる駆動装置を包含して電気モータにより駆動される自転車が提案され、第１駆動シャフトの中心軸と出力シャフトの中心軸との間の径方向距離は２００ｍｍから３００ｍｍ、好ましくは１００ｍｍから２００ｍｍである。
第五実施形態によれば、前出の実施形態のいずれかによる駆動装置を包含する電気モータ駆動の自転車が提案され、揺動アームベアリングの中心軸と出力シャフトの中心軸との間の径方向距離は、２００ｍｍ未満、好ましくは１００ｍｍ未満、より好ましくは５０ｍｍ未満である。
第六実施形態によれば、前出の実施形態のいずれかによる駆動装置を包含する電気モータ駆動の自転車が提案され、路面に平行な平面に対する揺動アームベアリングの中心軸は、出力要素の中心軸より上に配置される。
第七実施形態によれば、第一から第五実施形態のいずれかによる駆動装置を包含する電気モータ駆動の自転車が提案され、路面に平行な平面に対する揺動アームベアリングの中心軸は、出力要素の中心軸より下に配置される。
第八実施形態によれば、第一から第五実施形態のいずれかによる駆動装置を包含する電気モータ駆動の自転車が提案され、出力シャフトの中心軸と揺動アームベアリングの中心軸とが同心状態で配置されるように、出力シャフトの中心軸と揺動アームベアリングの中心軸との間の径方向距離はゼロに等しい。
第九実施形態によれば、前出の実施形態のいずれかによる駆動装置を包含する電気モータ駆動の自転車が提案され、出力要素の中心軸と中央電気モータの出力シャフトの中心軸とが同心状態で配置されるように、出力要素と中央電気モータとが互いに対して配置される。
第十実施形態によれば、前出の実施形態のいずれかによる駆動装置を包含する電気モータ駆動の自転車が提案され、力伝達手段によって、特にチェーンまたはコグベルトまたはＶベルトによって、駆動される自転車車輪へ出力要素が駆動力を伝達し、総バネたわみの１０％と３５％の間の負のバネたわみを結果的に生じる静荷重を自転車が受けた場合に揺動アームベアリングの中心軸より下か瞬間中心より下を通る力作用線を持つ力伝達手段の緊張側に加えられる引張り力によって後軸へ力が加わるように、出力シャフトと車輪との間に力伝達手段が配置される。
第十一実施形態によれば、前出の実施形態のいずれかに記載の駆動装置を包含する電気モータ駆動の自転車が提案され、駆動装置は不動であるようにメインフレームに配置される。
本発明の別の態様は、揺動アームベアリングを有するメインフレームと、揺動アームベアリングに配置される後方連結要素と、前出の実施形態のいずれかによる駆動装置とを包含する自転車フレームに関する。
本発明の実施形態が図面に図示され、以下で述べられる。
マルチピボットとして具現される後方連結要素を包含するフルサスペンション自転車の概略図を示す。 進歩性のある駆動装置を包含する電気モータ駆動の自転車の側面図を示す。 進歩性のある駆動装置の側面図を示す。 シングルピボットとして具現される後方連結要素と進歩性のある駆動装置とを包含する、電気モータ駆動の自転車の側面図を示す。 マルチピボットとして具現される後方連結要素と進歩性のある駆動装置とを包含する、電気モータ駆動の自転車の側面図を示す。 進歩性のある駆動装置を包含する電気モータ駆動の自転車の拡大部分を側面図で示す。 進歩性のある駆動装置の側面図を示す。 進歩性のある駆動装置を包含する電気モータ駆動の自転車の前方斜視図を示し、前輪とサスペンションフォークとは図示していない。 チェーン駆動部を有する進歩性のある駆動装置を包含する、電気モータ駆動の自転車の側面図を示す。 コグベルト駆動部を有する進歩性のある駆動装置を包含する、電気モータ駆動の自転車の側面図を示す。 進歩性のある駆動装置の側面図を示す。 進歩性のある駆動装置の概略図を側面図で示す。 従来の先行技術によるフルサスペンション自転車の側面図を示す。 従来の先行技術によるフルサスペンション自転車の別の側面図を示す。 瞬間中心の決定について述べるためのフルサスペンション自転車の概略図面を示す。
いわゆるＥバイクは概して、電気モータにより駆動される自転車という語を意味する。本開示を規定するために、電気モータにより駆動される自転車という語に含まれるこれらのタイプのＥバイクの中には、電気モータの駆動力により専ら駆動される電気モータ駆動の自転車と、ペダル操作力の補助として電気モータの駆動力を切り替える電気モータ補助の自転車の両方が含まれる。
第１駆動部のシャフトと出力要素のシャフトと電気モータの出力シャフトとは、長手軸に沿った延在方向を包含する。本開示の意味での径方向距離は常に、各シャフトの延在方向を通る長手軸に関するものであり、これは、「径」が、長手軸から始めた場合に径方向を意味することを意味する。長手軸の延在方向は、後輪と前輪との間に延在する自転車の垂直中心面に通常はほぼ直交する。
本発明は特に、始動トルクピッチ補助が後方連結要素の運動を変化させることによって実現されうるとの認知に基づく。図１を参照して、以下で技術的背景を簡潔に述べる。
図１は、人１０１が乗っているフルサスペンションマウンテンバイク１００を示す。マウンテンバイク１００は、メインフレーム１０２と、メインフレーム１０２に揺動状態で配置される後方連結要素とを包含する。後方揺動要素１０３は、追加の回転点１０４をチェーンステイ１０５の領域に有するマルチピボット要素であるように設計される。
時点ｔ１での瞬間回転点と考えられる瞬間中心Ｍ１が、このマルチピボット要素のために設計されうる。瞬間中心Ｍ１は、第１直線１０７と第２直線１０８との交点である。第１直線１０７は、チェーンステイ１０５の領域にある追加の回転点１０４と、揺動アームベアリング１０６とを通る。第２直線１０８は、シートステイ１１０とロッカ１１１との間の旋回点１０９と、シートチューブ１１４とロッカ１１１との間の旋回点１１３とを通る。
瞬間中心Ｍ１と後軸１１５とを通る別の直線１１２が規定されうる。この直線１１２は、自転車１００のサスペンション斜角αを規定する。上述したように、従来の自転車はα＝０°のサスペンション斜角を包含するように設計される。しかしながら、本発明は特に、サスペンション斜角αを適当に選択することにより始動トルクピッチ補助が実現されうるという現実を利用している。
サスペンション斜角αは、ある種の高トルクの運転状況、例えば加速、始動、登坂運転時に、動的車輪荷重シフトにより後輪サスペンションが圧縮されるのを防止するという補助効果を発揮する。特にＥバイクでは、大きな駆動力と高い加速能力のため、効果的な始動トルクピッチ補助が望ましい。
電気駆動式マウンテンバイクでは、例えば、静的圧縮状態での約１５°のサスペンション斜角が非常に良好である。この静的圧縮状態はＳＡＧとも呼ばれる。総バネたわみの１０％と３５％の間の負のバネたわみを結果的に生じる静荷重を自転車が受けた場合に、結果的にＳＡＧが生じる。これは、運転者１０１が自転車１００に乗るか立っていて動いていない場合に、自分の体重のみにより自転車１００に静荷重を加えて、この荷重が重力Ｇを有することを意味する。その際には、前方に配置されるサスペンションフォーク１１６と後方に配置されるダンパ１１７とが圧縮される。
理想的には、当該の総バネたわみの約１０％から３５％だけフォーク１１６とダンパ１１７とが圧縮される。この範囲は、ＳＡＧまたは負のバネたわみとも呼ばれる。ゆえに、自転車を運転している間に圧縮と伸張の両方が行われるために、バネ要素１１６，１１７は充分な範囲を包含する。図１に図示された自転車１００はＳＡＧで示されている、つまり総バネたわみの１０％と３５％の間の負のバネたわみを結果的に生じる静荷重を自転車が受ける。
シャシ運動実現可能な始動トルクピッチ補助の裏付けとなる理論は、前輪軸１１８から始めて、重心１２１の水平線１２０に対する垂直線１１９（自転車１００と運転者１０１とは道路１２２の上に重心１２１を形成する）が作成されるということである。これらの２本の線の間の交点は、構造点Ｓ１を形成する。
この交点Ｓ１と後輪接点１２３との間には斜め上の直線１２４が引かれる。この直線１２４はいわゆる「スクワット線」である。
サスペンション斜角αとスクワット線１２４とが互いに平行である場合に、これは１００％アンチスクワットバイクシャシと呼ばれる。この場合に、バイクシャシは加速に反応せず、これは圧縮も伸張もしないことを意味する。サスペンション斜角αがスクワット線１２４より下にある場合に、後方連結要素は、加速や始動時等に圧縮する。サスペンション斜角αがスクワット線１２４より上にある場合に、後方連結要素は加速や始動時等に伸張する。
例えば、ホイールベースが増加するか道路１２２より上での重心１２１の高さが減少した場合には、始動トルクピッチ補助を同程度に保つため、必要とされるサスペンション斜角αは結果的に小さくなる。
図１３を参照してすでに述べたように、後輪軸に加わる力ＦＡの方向は、特に、チェーン引張り方向ＦＣに左右される。この態様で図１の自転車１００を細かく見ると、後輪軸１１５に加えられる力ＦＡは、揺動アームベアリング１０６よりも相当下に位置する力作用線１２５上にあることが分かる。その結果、加速、始動、登坂時等に、後方連結要素の過剰な伸張が生じる。
筋力により駆動される自転車と比較して、Ｅバイクはより大きなトルクを提供し、つまりチェーン引張り力ＦＣ及び後輪軸１１５に加わる力ＦＡはかなり大きくなる。これは、Ｅバイクの後方連結要素の大きな伸張を招く。結局、上記から得られるのは、Ｅバイクでのα＞０°のサスペンション斜角は、トルクの増加のため、後方連結要素の不要で強すぎる伸張を招くということである。
これが、従来の自転車、またＥバイクが今日、α＝０°のＳＡＧでのサスペンション斜角を包含して、始動トルクピッチ補助がチェーン引張りを介して調整される理由である。しかしながら、本発明は、チェーン引張りとバイクシャシ運動の両方による始動トルクピッチ補助を実現する。
図２は、進歩的な駆動装置１を包含する電気モータ駆動の自転車１０を示す。電気モータにより駆動される自転車１０はＥバイクとも呼ばれる。これは、ツイストハンドルその他によってモータ動力が調整される典型的なＥバイクであり、このＥバイクは電気モータのみにより駆動されうる。しかしながら、荷重に調整される手法で電気モータを切り替えることによりペダル操作時に運転者が補助されるいわゆる電動アシスト自転車でもある。
電気モータにより駆動される自転車１０は、メインフレーム３を包含する。通常、メインフレーム１０は、トップチューブ２１とヘッドチューブ２２とダウンチューブ２３とシートチューブ２４とから成る。電気モータにより駆動される自転車１０はフルサスペンション自転車、いわゆるフリーバイクである。
メインフレーム２は加えて、揺動アームベアリング３と、揺動アームベアリング３に配置される後方連結要素４とを包含する。後方連結要素４は揺動アームベアリング３に配置され、ゆえにメインフレーム２にヒンジ結合方式で接続される。後方連結要素４は通常、チェーンステイ２６とシートステイ２５とを包含する。図２で認知されうるように、チェーンステイ２６は例示的に揺動アームベアリング３に配置されうる。後方連結要素はシングルピボットまたはマルチピボットとして具現されうる。
駆動装置１はペダルクランク５を包含する。ペダルクランク５は、第１駆動力を提供するための第１駆動部として機能する。ペダルクランク５または第１駆動部は第１駆動シャフト６を包含する。駆動シャフト６は、クランクアームに接続されるペダルクランク５の軸またはシャフトでありうる。
加えて、駆動装置１は中央電気モータ７を包含する。中央電気モータ７は、第２駆動力を提供するための第２駆動部として機能する。図２から認知できるように、中央電気モータ７は中央周辺に、つまり自転車１０の前輪と後輪との間に配置される。より正確には、中央モータ７はダウンチューブ３４とシートチューブ２４との間に配置される。この中央モータ７の実施形態は、ホイールハブモータのような他の駆動概念と区別されるものである。
加えて、駆動装置１は、出力シャフト９を有する出力要素８を包含する。出力要素８は第１および／または第２駆動力を受け取って、駆動される自転車１０の車輪１１へこれを伝達するように構成される。
図３は、駆動装置１の拡大図を示す。第１駆動シャフト６と電気モータ７とが認知されうる。加えて、出力要素８が認知されうる。出力要素８は、例示的に、ギヤ１２が配置された出力シャフト９として図示されている。出力シャフト９の中心軸１３は、第１駆動シャフト６の中心軸１４からの径方向距離（Ｒ１）を持つ。
加えて、図３は、メインフレーム２に配置される揺動アームベアリング３を示す。揺動アームベアリング３は、図示されたシートチューブ２４に配置される。揺動アームまたは後方連結要素４は、揺動アームベアリング３に配置され、ゆえにメインフレーム２に接続される。しかしながら、後方連結要素４は簡略化を理由に図３には図示されていない。
本発明によれば、揺動アームベアリング３の中心軸１６と出力シャフト９の中心軸１３との間の径方向距離Ｒ２が揺動アームベアリング３の中心軸１６と第１駆動シャフト６の中心軸１４との間の径方向距離Ｒ３より小さくなるように、出力シャフト９が揺動アームベアリング３に対して配置される。
一実施形態によれば、第１駆動シャフト６の中心軸１４と出力シャフト９の中心軸１３との間の径方向距離Ｒ１は、約２００ｍｍから３００ｍｍ、好ましくは約１００ｍｍから２００ｍｍである。
一実施形態によれば、揺動アームベアリング３の中心軸１６と出力シャフト９の中心軸１３との間の径方向距離Ｒ２は、２００ｍｍ未満、好ましくは１００ｍｍ未満、より好ましくは５０ｍｍ未満である。
揺動アームベアリング３の位置は、図３では例示的のみに図示されている。揺動アームベアリング３は、駆動装置１に直接のように異なる箇所に配置されてもよい。図３では、揺動アームベアリング３は出力シャフト９より上に配置される。しかしながら、揺動アームベアリング３が出力シャフト９より下に配置されることも考えられる。
本発明によれば、揺動アームベアリング３は出力シャフト９の近くに配置される。より正確には、揺動アームベアリング３は第１駆動シャフト６よりも出力シャフト９の近くに配置される。これは、本発明によれば、出力シャフト９と揺動アームベアリング３との間の径方向距離Ｒ２が出力シャフト９と第１駆動シャフト６との間の径方向距離Ｒ３より小さいことを意味する。
図４は、進歩性のある駆動装置１を包含する自転車１０を示し、総バネたわみの１５％と３５％の間の負のバネたわみを結果的に生じる静荷重を自転車１０が受けた場合に自転車１０が５°から３０°のサスペンション斜角αを包含するように、揺動アームベアリング３がメインフレーム２に位置決めされている。
言い換えると、図４に図示された状態では、自転車１０はＳＡＧであり、これは、バネ要素１１６，１１７と、特に後方に配置されるダンパ１１７とがその総バネたわみの約１５％から３５％だけ圧縮されることを意味する。
図示された自転車１０または自転車１０の後方連結要素４は、シングルピボットとして設計されている。結果的に、後軸１１５と揺動アームベアリング３とを通る直線３０は、路面１２２に対するサスペンション斜角αを規定する。
メインフレーム２に揺動アームベアリング３を適当に位置決めすることにより、サスペンション斜角αが影響を受けることが、図４から認知されうる。本発明によれば、総バネたわみの１０％と３５％の間の負のバネたわみを結果的に生じる静荷重を自転車１０が受けた場合に５°から３０°、好ましくは１０°から２０°、より好ましくは約１５°のサスペンション斜角αを自転車１０が包含するように、揺動アームベアリング３がメインフレーム２に配置される。
図５は、進歩性のある駆動装置１を包含する自転車１０の別の実施形態を示す。図４を参照して述べた実施形態とは対照的に、この場合に後方連結要素４はマルチピボットとして設計される、つまり後方リンク要素４は追加ヒンジ１０４を包含する。追加ヒンジ１０４はチェーンステイ１０５の領域に配置される。しかしながら、追加ヒンジ１０４がシートステイ１１０の領域に配置されることも考えられる。
図５に図示されている自転車１０はＳＡＧである、つまりダンパ１１７の総バネたわみの１０％と３５％の間の負のバネたわみを結果的に生じる静荷重を受ける。
図５に示されたマルチピボットでは、瞬間中心Ｍ１は図示の状態について設計される。第１直線１０７は、追加ヒンジ１０４および揺動アームベアリング３と交差する。第２直線１０８は、シートステイ１１０とロッカ１１１との間のヒンジ１０９と、ロッカ１１１とメインフレーム２またはシートチューブ２４との間のヒンジ１１３を通る。２本の直線１０７，１０８の交点は結果的に瞬間中心Ｍ１となる。
直線３１は、この瞬間中心Ｍ１と後軸１１５とを通る。図５に例示的に図示されているように、この直線３１はマルチピボットにおいて路面１２２に対するサスペンション斜角αを規定する。
設計による瞬間中心Ｍ１は図示された自転車１０の状態にのみ当てはまることに言及すべきである。自転車１０が圧縮または伸張を受けるとすぐに、互いに対する直線１０７，１０８の位置は変化し、瞬間中心は異なる位置にシフトする。瞬間中心は、図示された状態で後軸１１５が旋回する際の後方連結要素４の状態依存の瞬間回転点である。
図５に図示されている後方連結要素４は結果的に、瞬間回転中心としての瞬間中心Ｍ１を有するマルチピボットとして設計される。本発明によれば、総バネたわみの１０％と３５％の間の負のバネたわみを結果的に生じる静荷重を自転車１０が受けた場合に５°から３０°、好ましくは１０°から２０°、より好ましくは約１５°のサスペンション斜角αを自転車１０が包含するように、後方連結要素４がメインフレーム２に位置決めされる。
図６は、進歩性のある駆動装置１を包含する自転車１０の拡大部分を示す。路面１２２とこれに平行な平面６０とが認知されうる。路面に平行な平面６０は、出力要素８の中心軸１３を通る。揺動アームベアリング３の中心軸がこの平面６０より上に配置されるように、揺動アームベアリング３がメインフレーム２に配置されうる。この場合、チェーン引張りによって後輪軸１１５に加わる力ＦＡは結果的に、後方連結要素４の伸張を生じる。
代替的実施形態では、揺動アームベアリング３の中心軸が平面６０より下に配置されるように、揺動アームベアリング３がメインフレーム２に配置されうる。この場合に、チェーン引張りによって後輪軸１１５に作用する力ＦＡは結果的に後方連結要素４の圧縮を招く。
図７は、図３ですでに示したように、進歩性のある駆動装置１の拡大図を再び示す。出力要素８の中心軸１３が認知されうる。加えて、路面１２２に平行な平面６０が示されている。
後方連結要素のどの作用（圧縮または伸張）が望ましいかに応じて、揺動アームベアリング３の中心軸が平面６０より上または下に配置されるように、揺動アームベアリング３はこうして出力要素８の中心軸１３に対して配置されうる。
例示的に、出力要素８の中心軸１３の周りの半径Ｒ２の円が示されている。半径Ｒ２は例示的に、揺動アームベアリング３の中心軸が配置される領域を指している。揺動アームベアリング３の中心軸が出力要素８の中心軸１３から値Ｒ２などの半径方向の距離を持つように、出力要素８の中心軸１３の周りに揺動アームベアリング３が例示的に配置されうる。
図７では、このような潜在的な装着点７０が純粋に例示的に示されている。本発明によれば、揺動アームベアリング３の中心軸が出力要素８の中心軸１３までの径方向距離を包含するが、揺動アームベアリング３の中心軸と出力シャフト９の中心軸１３との間の径方向距離Ｒ２が揺動アームベアリング３の中心軸と第１駆動シャフト６の中心軸１４との間の径方向距離Ｒ３より短いという進歩性のある条件を維持するように、揺動アームベアリング３が出力要素８の周りに配置されうる。
揺動アームベアリング３は結果的に、出力要素８の近くに、好ましくは駆動シャフト６よりも出力要素８の近くに配置されることになる。
本発明の有利な具現例では、出力シャフト９の中心軸１３と揺動アームベアリング３の中心軸との間の径方向距離Ｒ２がゼロ（Ｒ２＝０）に等しい。これは、出力シャフト９の中心軸１３と揺動アームベアリング３の中心軸とが同心または同軸であることを意味する。
これは図８ではっきりと認知されうる。図８は、進歩性のある駆動装置１を包含する自転車１０の正面斜視図を示す。明瞭性向上のため、サスペンションフォークと前輪とは図示されていない。
揺動アームベアリング３と出力要素８とが互いに同軸になるように配置されることがここで認知できる。ゆえに出力要素８の中心軸１３と揺動アームベアリング３の中心軸１６とは、共通の軸８１に位置している。これは、軸８１が出力要素８と揺動アームベアリング３との共通中心軸であることを意味する。
加えて、第１駆動部つまりペダルクランク５の中心軸１４が示されている。第１駆動部５の中心軸１４は、揺動アームベアリング３と出力要素８との共通中心軸８１に平行である。加えて、出力要素８と揺動アームベアリング３とが第１駆動部５から径方向に距離を置くように配置されることが認知されうる。より正確には、第１駆動部５の中心軸１４と出力要素８の中心軸１３との間の径方向距離Ｒ１が見られる。出力要素８と揺動アームベアリング３とは同軸に配置されるので、第１駆動部５の中心軸と揺動アームベアリング３の中心軸１６との間の径方向距離Ｒ３は、第１駆動部５の中心軸１４と出力要素８の中心軸１３との間の径方向距離Ｒ１に等しい（Ｒ１＝Ｒ３）。
図９は、進歩性のある駆動装置１を包含する自転車１０の側面図を示す。やはり、自転車１０はＳＡＧで、つまり静的力が自転車１０に作用してダンパ１１７の総バネたわみの１０％から３５％だけダンパ１１７の圧縮を引き起す静荷重状態で示されている。
すでに上述したように、後軸１１５に加えられる力ＦＡの方向は、出力要素８と後輪９６との間の力伝達手段の引張り方向により決定される。
図９に示された実施形態では、従来の自転車チェーン９０は力伝達手段として図示されている。自転車チェーン９０は弛緩側９１と緊張側９２とを包含する。出力要素８は、自転車チェーン９が周りに巻かれるピニオン９３を包含する。
自転車チェーン９０の緊張側９２に引張り力を加えると、その結果、チェーン引張り力ＦＣが力作用線９４に沿って作用する。その結果として後輪軸１１５に作用する力ＦＡは、チェーン引張り力ＦＣに平行な方向を持つ。後輪軸１１５に作用する力ＦＡは、力作用線９５に沿って作用する。
出力要素８は、自転車チェーン９０によって駆動される自転車１０の後輪９６へ駆動力ＦＣを伝達する。ゆえに、自転車チェーン９０に引張り力を加えることによって後軸１１５に力ＦＡが加わるように、自転車チェーン９０が出力要素８と後輪９６との間に配置され、力ＦＡの力作用線９５は、揺動アームベアリング３の中心軸１６より下に位置する。これは特に、シングルピボットとして設計された後方連結要素４に当てはまる。その結果、加速、始動、登坂時等に後方連結要素４の伸張を生じる。
後方連結要素４がマルチピボットである時に、本発明によれば、総バネたわみの１０％と３５％の間の負のバネたわみを結果的に生じる静荷重を自転車が受ける場合に後輪軸１１５に作用する力ＦＡの力作用線９５が瞬間中心より下に位置するように、この要素が設計される。
図１０は、進歩性のある駆動装置１を包含する自転車１０の別の実施形態を示す。ここで、力伝達手段はコグベルト９９として具現される。これに対応して、出力要素８は、コグベルト９９が巻かれるギヤ９８を包含する。コグベルト９９は、緊張側９２と弛緩側９１とを包含する。
コグベルト９９の緊張側９２に引張り力を加えると、その結果、力作用線９４に沿って作用する引張り力ＦＣが生じる。結果的に後輪軸１１５に作用する力ＦＡは、引張り力ＦＣに平行な方向を持つ。後輪軸１１５に作用する力ＦＡは、力作用線９５に沿って作用する。
これは、コグベルト９９によって駆動される自転車１０の後輪９６へ出力要素８が駆動力ＦＣを伝達することを意味する。ゆえに、コグベルト９９に引張力を加えることにより力ＦＡが後軸１１５に加えられるように、コグベルト９９は出力要素８と後輪９６との間に配置され、力ＦＡの力作用線９５は揺動アームベアリング３の中心軸１６より下に位置する。これは特に、シングルピボットとして設計される後方連結要素４に当てはまる。その結果、加速、始動、登坂時等に後方連結要素４の伸張が生じる。
後方連結要素４がマルチピボットである時に、本発明によれば、総バネたわみの１０％と３５％の間の負のバネたわみを結果的に生じる静荷重を自転車が受ける場合に、後輪軸１１５に作用する力ＦＡの力作用線９５が瞬間中心より下に位置するように設計される。
これは、後方連結要素４の運動と各力伝達手段９０，９９へ引張り力を加えることの両方によって実現されうる始動トルクピッチ補助を本発明が提供することを意味する。
図１１は、進歩性のある駆動装置１の拡大側面図を再度示す。駆動装置１は、ギヤ比の異なる他の駆動および出力要素のうち、幾つかの構成要素を包含する。
第１駆動部５は第１駆動シャフト６を包含する。駆動シャフト６は、好ましくはペダルクランクの底部ブラケットシャフトでありうる。第１駆動シャフト６にギヤ４１が配置される。
出力要素８は出力シャフト９を包含する。出力シャフト９にはギヤ１２が配置される。出力シャフト９に配置されるギヤ１２は、コグベルト４６によって、第１駆動部５の駆動シャフト６に配置されるギヤ４１に結合される。
出力シャフト９に配置されるギヤ１２は、第１駆動部５の駆動シャフト６に配置されるギヤ４１より少ない歯と小さい直径とを包含する。これは、第１駆動部５から出力要素８への加速ギヤ比が結果的に生じて、ギヤ比が３：１または好ましくは２：１であることを意味する。
出力シャフト９には別のギヤ４２が配置される。第２ギヤ４２は、コグベルト４５によって、電気モータ７の出力シャフト４４に配置されるギヤ４３に結合される。
出力シャフト９に配置されるギヤ４２は、電気モータ７の出力シャフト４３に配置されるギヤ４３より多い歯または大きい直径を包含する。ゆえに、駆動部（電気モータ７）から出力要素８へ減速するためのギヤ比が生じ、ギヤ比は１：２または好ましくは１：３である。
図示されているコグベルト４５，４６は駆動チェーンに置き換えられうる。この場合に、ギヤ１２，４１，４２，４３は好ましくはピニオンとして具現される。しかしながら図示されたコグベルト４５，４６は、Ｖベルトによっても置き換えられうる。この場合に、ギヤ１２，４１，４２，４３は好ましくはプロフィールロールであるように具現される。電気モータ７と出力要素８との間および／または第１駆動部５と出力要素８との間での少なくとも一対のギヤの直接係合も考えられるだろう。
駆動装置１は、第１駆動部５と電気モータ７と出力要素８とが配置される筐体４７を包含しうる。電気モータ７は筐体４７に取り付けられ、モータ７を冷却するため筐体４７の取り付け箇所には冷却フィンが設けられうる。電気モータ７は外部ロータモータ、好ましくはトルクモータであるように具現されうる。
図１１において、第１駆動部５の中心軸１４を通る直線４８が認知されうる。この直線４８は、路面１２２（ここでは不図示）に垂直である。出力要素８の中心軸１３と電気モータ７の出力シャフト４４の中心軸４９とは、垂線４８の前で、ゆえに第１駆動部５の中心軸１４の前で、前方運転方向に配置される。
しかしながら、中心軸１３が前方運転方向において垂線４８の後に、ゆえに第１駆動部５の中心軸１４の後に配置されるように、出力要素８が配置されることも考えられる。ゆえに、出力要素８の中心軸１３が揺動アームベアリング３と同軸に配置される場合に、後方連結要素のチェーンステイは短いままでありうる。
（ここでは詳細に図示されていない）実施形態によれば、出力要素８の中心軸１３が電気７の出力シャフト４４の中心軸４９と同軸であるように、電気モータ７が出力要素８に対して配置されうる。ゆえに、電気モータ７の出力シャフト４４に直接、出力要素８が結合される。言い換えると、電気モータ７と出力要素８とは共通シャフトを共有する。この場合に、図１１に図示された接続コグベルト４５と、出力シャフト４４に配置されるギヤ４３と、出力側ギヤ４２とが結果的に省略されうる。
前述したように、駆動装置１内の個々の構成要素についての現在説明している配置は、ある種のギヤ比を包含する。出力シャフト８の中心軸１３がモータ出力シャフト４４の中心軸４９に同軸であるように配置される上述のケースでは、所望のギヤ比を実現するための、つまり出力シャフト４０で直接、所望の回転速度または所望のトルクを出力するための内部トランスミッションを電気モータ７が包含しうる。
この場合に、進歩性のある駆動装置１は２本のシャフトを包含し、つまり第１駆動部５のシャフト６と電気モータ７と出力要素８とで共有される出力シャフト４４とを包含し、その中心軸４９は出力要素８の中心軸１３と同軸に配置される。このような２本シャフト動作のケースでは、第１駆動部５が１：３または好ましくは１：２のギヤ比で共通出力シャフト４４に結合されることも可能である。
電気モータ７は、２：１または好ましくは３：１のギヤ比を持つ内部トランスミッションを包含する。出力シャフト４４を介して、電気モータ７は所望のトルクまたは所望の回転速度を、出力シャフト４４に配置されるチェーンリング、ピニオン、ギヤ５５（図６）その他に伝達する。ギヤ５５は、チェーン９０またはコグベルトその他のように、駆動に使用される力伝達手段に結合される。ピニオン５５は駆動装置１の筐体４７の外側に配置されうる（図６）。ピニオン５５は筐体４７の中に配置されてもよい。その際に、力伝達手段９０を実施するための筐体４７の対応の凹部が必要とされる。
今述べた２本シャフト動作の他に、進歩性のある駆動装置１を使用する３本シャフト動作も可能である。これは図１２に概略的に図示されている。
図１２は、ペダルクランクが配置される第１駆動部５の駆動シャフト６を示す。この概略図示による駆動装置１は、第１追加シャフト１２０１と第２追加シャフト１２０２とを付加的に包含する。シャフト６，１２０１，１２０２は、下の表１から３に示されている以下の三つの構成で互いの間で接続されうる。
Figure 0006752899
Figure 0006752899
Figure 0006752899
駆動装置１の確実な機能を保証するため、少なくとも二つのフリーホイールが設けられる。フリーホイールは概してあらゆるシャフトに、つまり第１駆動シャフト６と出力シャフト９とモータ出力シャフト４４と後軸シャフト１１５の両方に設けられる。有利な具現例では、一つのフリーホイールが後軸シャフト１１５に、一つのフリーホイールがペダルクランクシャフト（第１駆動シャフト）６に設けられる。
１ 駆動装置
２ メインフレーム
３ 揺動アームベアリング
４ 後方連結要素
５ ペダルクランク
６ 第１駆動シャフト
７ 中央電気モータ
８ 出力要素
９ 出力シャフト
１０ 自転車
１１ 車輪
１２ ギヤ
１３ 出力シャフトの中心軸
１４ 第１駆動シャフトの中心軸
１６ 揺動アームベアリングの中心軸
２１ トップチューブ
２２ ヘッドチューブ
２３ ダウンチューブ
２４ シートチューブ
２５ シートステイ
２６ チェーンステイ
３０ 直線
３１ 直線
４１ ギヤ
４２ 第２ギヤ
４３ ギヤ
４４ モータ出力シャフト
４５，４６ コグベルト
４７ 筐体
４８ 垂直線
４９ モータ出力シャフトの中心軸
５５ ピニオン
６０ 平面
７０ 装着点
８１ 中心軸
９０ 自転車チェーン
９１ 弛緩側
９２ 緊張側
９３ ピニオン
９４ 力作用線
９５ 力作用線
９６ 後輪
９８ ギヤ
９９ コグベルト
１００ フルサスペンションマウンテンバイク
１０１ 人
１０２ メインフレーム
１０３ 後方揺動要素
１０４ 追加回転点
１０５ チェーンステイ
１０６ 揺動アームベアリング
１０７ 第１直線
１０８ 第２直線
１０９ 旋回点
１１０ シートステイ
１１１ ロッカ
１１２ 直線
１１３ 旋回点
１１４ シートチューブ
１１５ 後軸
１１６ サスペンションフォーク
１１７ ダンパ
１１８ 前輪軸
１１９ 垂直線
１２０ 水平線
１２１ 重心
１２２ 道路
１２３ 後輪接点
１２４ 斜め上直線
１２５ 力作用線
１２０１ シャフト
１２０２ 第２追加シャフト
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ 径方向距離

Claims (13)

  1. 揺動アームベアリング（３）と前記揺動アームベアリング（３）に配置される後方連結要素（４）と有するメインフレーム（２）を包含する、電気モータ駆動の自転車（１０）のための駆動装置（１）であって、
    第１駆動力を提供するための第１駆動部としてのペダルクランク（５）であって、第１駆動シャフト（６）を包含する前記第１駆動部（５）であるペダルクランク（５）と、
    第２駆動力を提供するための第２駆動部としての中央電気モータ（７）と、
    出力シャフト（９）を包含する出力要素（８）であって、前記第１および／または第２駆動力を受け取って、駆動される前記自転車（１０）の車輪（１１）へ前記駆動力を伝達するように構成される前記出力要素（８）と、
    を包含する駆動装置（１）であり、
    前記揺動アームベアリング（３）の中心軸と前記出力シャフト（９）の中心軸（１３）との間の径方向距離（Ｒ２）が前記揺動アームベアリング（３）の前記中心軸（１６）と前記第１駆動シャフト（６）の中心軸（１４）との間の径方向距離（Ｒ３）より小さくなるように、前記出力シャフト（９）の前記中心軸（１３）が前記第１駆動シャフト（６）の前記中心軸（１４）から径方向距離（Ｒ１）にあって前記出力シャフト（９）が前記揺動アームベアリング（３）に対して配置され、総バネたわみの１０％と３５％の間の負のバネたわみを結果的に生じる静荷重を前記自転車（１０）が受けた場合に、５°から３０°のサスペンション斜角αを前記自転車（１０）が包含するように、前記揺動アームベアリング（３）が前記メインフレーム（２）に配置される、
    駆動装置（１）。
  2. 瞬間回転中心としての瞬間中心（Ｍ１）を包含するマルチピボットとして前記後方連結要素（４）が具現され、総バネたわみの１０％と３５％の間の負のバネたわみを結果的に生じる静荷重を前記自転車（１０）が受けた場合に、５°から３０°のサスペンション斜角αを前記自転車（１０）が包含するように、前記後方連結要素（４）が前記メインフレーム（２）に配置される、請求項１に記載の駆動装置（１）。
  3. 前記第１駆動シャフト（６）の前記中心軸（１４）と前記出力シャフト（９）の前記中心軸（１３）との間の前記径方向距離（Ｒ１）が２００ｍｍから３００ｍｍである、請求項１または２に記載の駆動装置（１）。
  4. 前記揺動アームベアリング（３）の前記中心軸（１６）と前記出力シャフト（９）の前記中心軸（１３）との間の前記径方向距離（Ｒ２）が２００ｍｍ未満である、請求項１から３のいずれかに記載の駆動装置（１）。
  5. 前記路面（１２２）に平行な平面（６０）に対する前記揺動アームベアリング（３）の前記中心軸（１６）が、前記出力要素（８）の前記中心軸（１３）より上に配置される、請求項１から４のいずれかに記載の駆動装置（１）。
  6. 前記路面（１２２）に平行な平面（６０）に対する前記揺動アームベアリング（３）の前記中心軸（１６）が、前記出力要素（８）の前記中心軸（１３）より下に配置される、請求項１から４のいずれかに記載の駆動装置（１）。
  7. 前記出力シャフト（９）の前記中心軸（１３）と前記揺動アームベアリング（３）の前記中心軸（１６）とが同心に配置されるように、前記出力シャフト（９）の前記中心軸（１３）と前記揺動アームベアリング（３）の前記中心軸（１６）との間の前記径方向距離（Ｒ２）がゼロに等しい、請求項１から４のいずれかに記載の駆動装置（１）。
  8. 前記出力要素（８）の前記中心軸（１３）と前記中央電気モータ（７）の出力シャフト（４４）の中心軸（４９）とが同心に配置されるように、前記出力要素（８）と前記中央電気モータ（７）とが互いに対して配置される、請求項１から７のいずれかに記載の駆動装置（１）。
  9. 力伝達手段（９０，９９）により、特にチェーン（９０）またはコグベルト（９９）またはＶベルトにより、駆動される前記自転車（１０）の車輪（９６）へ前記出力要素（８）が駆動力（Ｆｃ）を伝達し、前記力伝達手段（９０，９９）の緊張側（９２）へ引張り力を加えることによって後軸（１１５）へ力（ＦＡ）が加わるように、前記出力要素（８）と前記車輪（９６）との間に前記力伝達手段（９０，９９）が配置され、総バネたわみの１０％と３５％の間の負のバネたわみを結果的に生じる静荷重を前記自転車（１０）が受けた場合に前記力（ＦＡ）の力作用線（９５）が前記揺動アームベアリング（２）の前記中心軸（１６）より下か前記瞬間中心より下に位置する、請求項１から８のいずれかに記載の駆動装置（１）。
  10. 前記メインフレーム（２）に配置される前記駆動装置（１）が不動である、請求項１から９のいずれかに記載の駆動装置（１）。
  11. 電気モータにより駆動される自転車（１０）における、請求項１から１０のいずれかに記載の駆動装置（１）の使用。
  12. 請求項１から１０のいずれかに記載の駆動装置（１）を包含する、電気モータ駆動の自転車（１０）。
  13. 請求項１から１０のいずれかに記載の、揺動アームベアリング（３）と、前記揺動アームベアリング（３）に配置される後方連結部品（４）と、駆動装置（１）とを有するメインフレーム（２）を包含する自転車フレーム。
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