JP7072262B2 - シングルトラック二輪車用ジャイロスタビライザー - Google Patents

Description

本願発明は、輸送機械工業分野、特に、主にモーターサイクルであるジャイロ安定化二輪車に関する。

既知のジャイロスコープ安定化車両のジャイロスタビライザー（米国特許第８９１８２３９（Ｂ２）号明細書）は、単一フレームで長さ方向に取り付けられた少なくとも２つの非フリー（２自由度を有する）ジャイロスコープを含む。各ジャイロスコープはローターを有し、ローターの軸はリングに回転自在に連結され、リングはフレームに回転自在に連結されている。この二輪車の安定性は、フレームでのこれら２つの非フリージャイロスコープの回転により発生したジャイロ効果によって確保される。車両速度、ジャイロスコープローターの速度及び前輪の傾斜角度は、電子センサーにより制御される。このジャイロカーの欠点は、フレームをコーナーの内側に傾けるために、電子装置が（複数の）ジャイロスコープの回転速度を減少させ、即ち、高速コーナリングでの車両の安定性を低下させることである。

また、初期位置でのスイベル軸が互いに平行である２つのジャイロスコープを備えた別の車両がある（独国特許出願公開第１０２０１３２０００２０（Ａ１）号明細書）。この場合、車両の長軸に対して垂直である軸まわりの強制回転の供給のもとで各ジャイロスコープは車両フレームに回転自在に取り付けられる。ジャイロスコープは異なる方向で回転し、ジャイロ効果は正常な状況で同等になる。専用電気モーター(サーボモータ)は、特殊アルゴリズムに従ってマイクロコントローラの信号によって回転し、その後、ジャイロ効果により、横滑り（ヨー）の場合、即ち、垂直軸まわりの車両回転が制御できない場合には、車両を安定した位置に戻し始める。この技術的解決手段は、ただ一つの課題、即ち、シングルトラック（single-track）二輪車（モーターサイクル）の十分な高速での横滑りの防止を解決することを目的とする。その他のあり得る場合、例えば、車両の傾いた状態でのカーブ曲がりや低速走行は想定されていない。

ジンバルのジャイロスコープの形態であるシングルトラック二輪車用ジャイロスタビライザー（露国特許第２５４６０３６（Ｃ１）号明細書,国際特許分類Ｂ６０Ｐ１／３６,公開日２００３年２月１０日）がプロトタイプとして選択された。ジンバルの外側リングは、車両フレームと連結する２方向軸スイベル継手（two-way axial swivel connection）を有し、この継手の軸は車両の長軸に沿って向けられ、ジンバルの内側リングは、外側リングと連結する２方向軸スイベル継手を有し、ジャイロスコープのローターシャフトは、ジンバルの内側リングと連結する２方向軸スイベル継手を有し、３つ全てのスイベル継手の軸は相互に垂直であり、シンバルの外側リングは運転者用支持体として機能し、ジャイロスタビライザーは、車両フレームと連結するスイベル継手の軸まわりの外側リングの回転をロックする。高速での二輪車のコーナリングは、ステアリングせずに曲がる方向に傾けることにより行われる。ジャイロスタビライザーは運転者のフットレストと足の横方向の向きを維持し、足及び体の反応を使って車両の安定性を運転者が制御することを可能にする。外側リングがフレームに対して垂直に固定されるとき、運転者の関与なしで車両全体の安定性が確保される。本願発明の説明に記載したように、ステアリングと速度は運転者のスキルにのみ依存するが、多くの面で必要なスキル、例えば、ジャイロ安定化プラットフォームに立ちながらコーナリングの時に高速で車両を傾けることは特殊であることを考慮しなければならない。また、運転者の反応は電子装置の速度に対して明らかに劣っている。

米国特許第８９１８２３９号明細書 独国特許出願公開第１０２０１３２０００２０号明細書 露国特許第２５４６０３６号明細書 メルキンＤ．Ｒ． 走行安定性論入門：大学向け教材 第３版・改訂増補版 モスクワ：出版会社ナウカ・物理学数学書籍中央編集部１９８７

本願発明の目的は、最も多い走行モードに適用可能であり、事故に繋がるかもしれない運転者の行動を調整又は制限するシングルトラック二輪車用ジャイロスタビライザーの創造である。また、発明者らは、ジャイロスタビライザーを設計変更と改良を最小限に抑えながら既存モーターサイクルのモデル及び新しく開発されたモデルの両方に取り付けることができるようにするとの課題も設定した。

上記の課題は、シングルトラック二輪車、好ましくは、モーターサイクル用ジンバルのジャイロスコープの形態であるジャイロスタビライザーにより解決され、そのジンバルの外側リングは車両フレームと連結する２方向軸スイベル継手を有し、この継手の軸は車両の長軸に沿って向けられ、ジンバルの内側リングは外側リングと連結する２方向軸スイベル継手を有し、ジャイロスコープのローターシャフトはジンバルの内側リングと連結する２方向軸スイベル継手を有し、更に、３つ全てのスイベル継手の軸は相互に垂直であり、一方、ジャイロスタビライザーは車両フレームと連結するスイベル継手の軸まわりの外側リングの回転に対するロック手段を有する。

本提案によれば、ジャイロスタビライザーは、後輪の振り子（pendulum）に位置し、外側リングとのスイベル継手の軸まわりの内側リングの回転のロック手段を有し、各ロック手段は、速度と許容車両傾斜角度を制御するマイクロコントローラのコマンドによって、対応するリングの強制回転を可能にするサーボモータの形態であり、追加負荷はローターシャフトと連結するスイベル継手の軸上の内側リングに取り付けられる。

本願発明は、図面により説明される。

ジャイロスタビライザー装置の断面図である。 ジャイロスタビライザーを備えた車両（モーターサイクル）の振り子の組立図である。 ジャイロスタビライザーの取り付け前（Ａ）と取り付け後（Ｂ）の車両の概略図である。 上がり勾配時の本願発明のジャイロスタビライザー（Ａ）とジャイロスタビライザーのプロトタイプ（Ｂ）の比較図である。 コーナリングでの本願発明のジャイロスタビライザー（Ａ）とジャイロスタビライザーのプロトタイプ（Ｂ）の比較図である。

ジャイロスタビライザー１はジンバルのジャイロスコープ２によって表され、ジンバルの外側リング３は車両５のフレーム（振り子)４と連結する２方向軸スイベル継手を有し、この継手の軸は車両５の長軸に沿って向けられ、ジンバルの内側リング６は外側リング３と連結する２方向軸スイベル継手を有し、ジャイロスコープ２のローターシャフトはジンバルの内側リング６と連結する２方向軸スイベル継手を有し、３つ全てのスイベル継手の軸は相互に垂直である。各リング３及び６は、例えばタッチセンサ制御装置１０を備えたマイクロコントローラ９に接続されたサーボモータ７及び８に接続される。追加負荷１１は、ローターシャフトと連結する２方向軸スイベル継手の軸上の内側リング６に取り付けられる。ジャイロスコープ２の駆動装置は電気モーター１２を組み込む。

ジャイロスタビライザーは、以下のように作動する。
ジャイロスコープ２はイグニッションキーを回した後にのみ始動される。フライホイール（ジャイロスコープ）２はその直径と重量によって約６～１０秒間回転し、フライホールの回転は車両（モーターサイクル）５の大きさと重量に依存する。この段階ではジンバルのリング３及び６はロックされていない。次いで、運転手（操縦士）はモーターサイクル５のフットレスト（footpeg）を除去して、それを直立位置にする。同時に、サーボモータ７はリング３を水平位置に設定し、この位置に固定（ロックする。従って、ジャイロスタビライザー１は一つの不安定な座標（長さ方向垂直面のモーターサイクルの位置)がある（２自由度を有する）非フリー状態に入る。トムソン・テツ・チェタエフの第一定理によると、ジャイロ安定化は不安定な座標数が偶数ではなければ行えないため、システムの第２座標（リング６の回転角度）も不安定ではなければならない（例えば、メルキンＤ．Ｒ． 走行安定性論入門：大学向け教材 第３版・改訂増補版 モスクワ：出版会社ナウカ・物理学数学書籍中央編集部１９８７, １８０～１８２頁（Merkin D.R. Introduction to road holding theory: Textbook for higher schools. - 3rd ed., revised and amended - M.: Science. Editor-in-charge of phys.- math. lit., 1987, pp.180-182））。従って、サーボモータ８は負荷１１が頂部に位置されるようにリング６を回して、リング６はこの位置に保持される。ジャイロスコープ２が設計値まで回される時に、長さ方向の位置に車両５のジャイロ安定化が発生する。このモードでは車両５の速度範囲は０から約１０ｋｍ／ｈまで変化することができる。

他の動作モードでは（プロトタイプと違って）リング３のロックが完全に解消されない。坂道を上ったり下ったりする際、あるいは、凸凹や泥の多い路面を走る際、マイクロコントローラ９からの信号により各リング３及び６の継続的な位置調整が行われる。例えば、坂道を上る時（図４Ａ）、サーボモータはリング３の水平の位置及びリング６の対応する位置を維持する。プロトタイプスキームオペレーションでは（図４Ｂ）ジャイロ効果が低下している。ジャイロスコープのリングは必要に応じて、類似の解決手段（独国特許出願公開第１０２０１３２０００２０（Ａ１）号明細書）と同様であるジャイロ安定化によって横滑り（ヨー）を防止できるように設定することができる。また、マイクロコントローラ９からのコマンドにより（異なるセンサーから受信されたデータに従って）ジャイロスタビライザー１は、車両５の性能、道路や天気の状態等に応じてコーナリングの時の車両５の傾斜角度の最大限の可能性を固定（制限）できる。マイクロコントローラ９の個々のパラメータのプレセットや追加機能の有効化／無効化は、タッチセンサ制御ユニット１０を用いて行うことができる。

ジャイロスタビライザーの後輪の振り子４への配置は、主に、チーフデザイナーやメーカーマネジメントによって認可されるデザインジオメトリー、既存の車両（モーターサイクル）５のフレームを変更せずにスタビライザーが取り付けられる唯一の場所であるという要因によるものである。予備的な概算によれば、モーターサイクル５のベースは、ジャイロスタビライザー１のグレードアップされた振り子４への取り付け後に、２０ｃｍ延長されるだろう（図３）。ステアリングに影響を与えるもう一つの要因は、ジャイロスタビライザー１が中心に位置してなく、モーターサイクル５の後軸にかなり近くに位置していることである。ジャイロスタビライザー１は、フレーム又はエンジンに取り付けられた振り子４に影響を与えるが、前輪が曲がりや方向を決めるので、前輪への安定化程度を軽減すべきだが、これはジャイロスタビライザーの軸間中心から後輪への移動により実現可能で、かつジャイロスタビライザー１による長軸又は指定の旋回の維持に障壁を設けない。この要素を実現した場合、車両５は低速でも安定化すると同時に、それまで実現できなかった操作性も得る（図５）。

（産業上の利用可能性）
本願発明の実現は、当該技術分野における当業者にとって明確な課題である。

Claims (1)

1. シングルトラック二輪車用ジンバルにおけるジャイロスコープの形態であるジャイロスタビライザーであって、
   車両フレームと連結する２方向軸スイベル継手を有し、この継手の軸が車両の長軸に沿って向けられている前記ジンバルの外側リングと、
   前記外側リングと連結する２方向軸スイベル継手を有する前記ジンバルの内側リングと、
   前記ジンバルの内側リングと連結する２方向軸スイベル継手を有する前記ジャイロスコープのローターシャフトと、を有し、
   更に、３つのスイベル継手の全ての軸は相互に垂直であり、前記ジャイロスタビライザーは、車両フレームと連結するスイベル継手の軸まわりの前記外側リングの回転に対するロック手段を有し、
   前記ジャイロスタビライザーは、後輪の振り子に位置され、前記外側リングと連結するスイベル継手の軸まわりの前記内側リングの回転に対するロック手段を有し、
   各ロック手段は、サーボモータの形態からなり、少なくとも速度と許容車両傾斜角度を制御するマイクロコントローラからのコマンドによって、対応するリングの強制回転を可能にし、
   追加負荷が前記ローターシャフトと連結するスイベル継手の軸上の前記内側リングに取り付けられることを特徴とする、ジャイロスタビライザー。

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