JPH04146882A - 水平アームを有する高出力ペダル機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野Ｊ 本発明は、自転車のペダル機構に装備し、従来のペダル
による出力の力学的限界を超える高出力化、高機能化を
実現し、関連する技術分野に新機軸を拓（ペダル機構に
関する。 【従来の技術］ 一世紀半に及ぶ自転車技術史を通じて最重要課題は、限
られた駆動力を如何に維持するかという点にあった。新
素材の応用などによる車体の軽量化、変速ギヤの開発な
どにより、自転車は省力化多様化に向けて大いに進歩を
遂げてきた。 しかし、こと駆動力の獲得に関していえば、１９世紀に
ペダルつき自転車の登場をみて以来、自転車史を書き換
える画期的発明はまだない。 自転車は今日もなお、非力な乗物である。 例えば、自転車で登り坂を行く時、荷物がある時、向い
風の時、発電灯使用の時など自転車の前進力を阻む環境
条件は多々あり、これら条件の重なる中で汗まみれの大
奮闘を味わった経験は誰にもあることであろう。これが
生活上なくてはならぬ自転車のもつ駆動力の限界であっ
た。 クルマ社会の今日、時代の便利さに慣れた人々にとって
、日常生活の中における自転車が便利で頼もしい乗り物
という実感が失われつつある。 自転車の新たな駆動力の獲得は、自然力への回帰を促し
、社会に新しい価値を与え、人々の行動力を喚起する原
動力となるだろう。 いま、世界は地球環境の問題で揺れ、クリーンなエネル
ギーの開発、生活基盤の見直しが１）（２）世紀にむけ
ての大きなテーマとなっている。 時間とエネルギーの節約、効率と怪速さを同時に追い求
める現代にあって、従来の自転車を超えた高性能自転車
の開発は、時代の要請の感がある。 本発明は、次世代型高出力自転車の開発実用化と人力駆
動装置への応用に端緒を拓くものである〔発明が解決し
ようとする問題点〕 自転車は、自然法則と人間工学との接点のバランス上に
創りだされた微妙な人力装置であって、それ故に未解決
の難点も多く残している。即ち、■　駆動力不足の問題
。これは最大の問題であるー駆動力の源は、現状では（
大ギヤの半径：ギヤークランクの長さ）＝（１：２）に
相当するテコの原理によるものであるが、より大きな駆
動力を得るためにギヤクランクを長（すると左右のペダ
ル上下幅が大きくなり、ペダルを踏む動作に著しい無理
が生じて持続的な駆動力を得られない。大ギヤの径を小
さくすると出力が得られるかわりに速度を失うことにな
り、結局、費消したエネルギーの総和は変らない。即ち
、自転車の駆動力は人体構造から自然決定されるペダル
の回転半径そのものに縛られざるを得ないということ。 従来の自転車の仕事量の限界はここにあった。 ■　有効踏力の問題。駆動力に繋るのはペダルを踏み込
も時即ち、クランクが垂直上方位置より前方にある場合
のみであって、有効踏力はクランクが前方水平位置より
上方に５０°下方に３０°の範囲内にある時にほぼ集中
する。この有効踏力により得られるトルクを最大限に活
用し、増幅し駆動力に結びつけるシステムが必要である
。 ■　左右の足のバランス関係。ペダルに両足を載せただ
けの状態のとき、左右の足は互いにシーソーのバランス
関係にあって、前記は常に後ろ足の重みを支えている。 従って前足の踏み込みにより得られる駆動力の何％かは
後ろ足の負荷によりロスしている訳である。後ろ足の負
荷は身体を支える必要が増すと共に大きくなる。踏み足
に強い力を要する時、即ち坂道、重い荷、向い風などの
条件で、また疲労している時などに大きくなり、これは
無視できない大きな負荷となっている。 【問題点を解決するための手段Ｊ 本発明は、上記諸点の改良を行なうために次の点に着目
した。即ち、ペダルを踏み込んで駆動力を得る時だけギ
ヤクランクが長（なり、また後ろ足になる時にはギヤク
ランクが短（なるような機構である。まず、ギヤクラン
ク末端部にスプロケットを固定したアームを揺動させ、
クランク軸受部に同大のスプロケットを固定し、両スプ
ロケットにチェーンを掛けた。これにより水平を維持す
るアームが上記■〜■の問題を解決するかに見える。し
かし、ペダルを踏むとチェーンを駆動してアームの水平
性を保つ力の方向と踏力の方向が逆になるため力の破綻
を生じ、問題解決に至らないｊアームの水平性を保つこ
と、ペダルを踏む際の力の方向性とを一致させること、
この２条件を充たすことが必要であり、このためには２
系統の力を必要となる。２系統の力とは即ち、 ■　前記クランク軸受部に大スプロケットを固定し、ク
ランク末端部に小スプロケットを遊動させ、両者間にチ
ェーンを掛けること。 ■　その外側のクランク軸受部に■と同じ大スプロケッ
トを固定、また、クランク末端部に中スプロケットを遊
動させ、同様にチェーンを掛ける。 この状態でギヤクランクを前方へ回転させてみると、ク
ランク末端部の２個の中、小スプロケットはクランク軸
受は部の各対応する大スプロケットにより、チェーンを
介し、共に後ろ方向に回転させられる形となる。このと
き、■の小スプロケットの進角は、■の中スプロケット
の進角より常に大きくなる。■の中スプロケットは内部
に仲介傘歯車を擁しており、この仲介傘歯車は小スプロ
ケットに固定した傘歯車およびアームに固定した傘歯車
と噛み合い、差動歯車を形成する。これらの連携作用に
より■の小スプロケットの進角、■の中スプロケットの
進角の差により差動歯車が機能し、■が■よりも角度に
して多（進んだ分だけアーム側の傘歯車を逆回転、即ち
、前向きに回転させることによりアームを回転前と同様
に水平を保たせることができる。 このシステムの作用は、力のモーメントの逆転を果たし
てアームを水平に保ちながらアーム及び２本のチェーン
にかかるトルクの方向性を一致させることである。依っ
てアームの水平性と力の方向性の前記２条件を充足した
訳で、矛盾点は解決できる。 アームを取付けたことによりギヤクランクの回転途上で
発生するトルクは、ギヤクランクが垂直位置より前方に
あるときのそれぞれの位置における力点と支点との軸間
距離の長さ、即ちペダルとギヤクランク軸との直線距離
に比例するので、トルクはアームの長さにより決まる。 また、ギヤクランクの回転と共に後ろ足の軸間距離が短
縮し、一方、前足の軸間距離は長くなるので後ろ足の負
荷は長さの比に応じて減少する。以上により高駆動力の
獲得、及び有効踏力の効率化と後ろ足の負荷の排除を実
現し、前段■〜■の諸問題をほぼ解決することとなり、
本発明の目的は達せられる。 残るは特定数値の問題である。 【作用１ いま、２個のスプロケットがあり、チェーンにより一方
の回転を他方へ伝える場合、スプロケットの大小（径、
歯数比）と進角比との関係は、■一方：他方＝１＋１の
とき進角比＝１：１■ｉｔ　＝　２：　１のとき進角比
＝１：２■／／＝３＋２のとき進角比：２＝３ ２個のスプロケットが同じ大きさの場合、一方が１回転
すると他方も１回転する。大きさが２：１のときは前者
が１回転すると他者は２回転、同じく３：２のとき、前
者の１回転に対し他者は１．５回転、即ち同一の駆動系
に於ては歯数比と進角比は反比例の関係が成り立ってい
る。該システムは前述のとおり、２系統の駆動系を有す
る。この２′つの駆動系として、上記■と■の連携作用
を選び説明する必要がある。■駆動系には、クランク軸
受部の車体に固定するスプロケットとクランク末端部の
スプロケットの径比（歯数比）は２：１、■駆動系には
同様に３：２の径比（歯数比）を設定した場合である。 【第１図参照】該システムの系統図はギヤクランクの前
方水平位置を起点（ＰＯ）として、前方下方へ４５′　
ごとに（Ｐｌ）まで８段階の各ギヤの進角の状態を表わ
している。ギヤクランクが（ＰＯ）から（Ｐｌ）に４５
′回転するとき、クランク軸受部の固定スプロケットに
撃留された２本のチェーンは同末端部の■、■の各スプ
ロケットに対しクランクの回転方向と逆向きの相異なる
回転角を与えることにより、各スプロケットの進む角度
に位相が生じる。■の小スプロケットは４５°×　２＝
９０°進角し、■の中スプロケットは４５°×１．５・
６７．５°進角する。■、■の進角差２２．５°は差動
歯車の作用により　２２．５　＠逆進角されてアームは
水平位置に落ちつく６作用は仲介傘歯車を擁する主系統
を中心に連携し展開している。（ＰＯ）から−９０′回
転した垂直下位（Ｐ２）に於ては、■、■はそれぞれ元
の位置から　１８０９．１３５°進角しており、この進
角差４５°は同様に逆進角される結果アームは水平性を
保つ。更に回転して（Ｐ３）〜（Ｐｌ）に於ても（ｐＨ
（Ｐ２）と同様にアームは水平性を保つ。 尚、■駆動系に３＝２、■駆動系には５：４の径比（歯
数比）を設定した場合にもこれと同様の作用、効果を有
する。この場合（ＰＯ）より４５′回転した（ＰＩ）で
は■は６７．５°■は４５°×５／４・５６．２５°そ
れぞれ進角し、その差１１．２５°は逆進角される。（
Ｐ２）以下に於ても同様である。この場合の形態上の特
長として、クランク軸受は側の固定スプロケットを前記
の例よりも小型化できるというメリットがある。 各位置で得られるトルクの大きさは、力点（ペダル軸）
と支点（クランク軸）間の直線距離の長さにより決まる
。即ち、ギヤクランクが前方水平位置にある（ＰＯ）で
はアームとギヤクランクが前方で一直線になり、長さが
最大の１＋１’　となり゛ぐ −ｙ後方水平位置の（Ｐ４）に於て１−１’の長さで最
小となる。ギヤクランクが垂直上方位置（Ｐ６）から（
Ｐ７）へと進むに従いアームとギヤクランクの角度が広
がることにより軸間距離が長くなって従来型のペダルに
比較し次第に大きなトルク比を発生する。そして前方水
平位置（ＰＯ）で最大トルク比（ｌ＋　１　’）／１を
発揮したあと（Ｐｌｌ、（Ｐ２）と進むに従ってアーム
とギヤクランクの角度が挟まり、軸間距離が短くなって
トルク比は減少する。ギヤクランクが垂直下方位置（Ｐ
２）を過ぎると従来型のペダルと同じくトルクは発生し
ないが、軸間距離がギヤクランクよりも短くなるので後
ろ足の負荷はギヤクランクより短い分だけ小さくなり、
後方水平位置（Ｐ４）で負荷は最小となる。このとき前
足では（ＰＯ）で最大トルクを発生させている。このよ
うに前足と後ろ足の軸間距離比に応じて後ろ足の負荷は
数分の１に減少するのである。このようにしてペダルか
らの踏力は、常に水平を維持するアームを経て、ギれる
。−見この働きはペダルを踏む力に逆らってアームを持
ち上げているかのように見えるが、実はそうではなく、
前述のとおりアームは前倒しのかたちを取るため、踏む
力との軌線はない。故に、踏力をロスすることなく支点
、力点間の長さに応じた高トルクが得られる訳である。 本発明は、人間工学上の最適クランク半径を少しも変え
ることなく、高駆動力を実現するものであるが、そのメ
カニズムであるところの水平アームはそれ自体が新たな
りランクシャフトであって、従来の駆動力に対して付加
される新しいトルクの源泉である、このアームはギヤク
ランクの回転半径を変えないため、通常のギヤクランク
のような人体工学上の制約を脱したともいえる。任意の
長さのアームが実施可能であるならば、自転車はその目
的用途に応じて従来の形態からは大いに変化もあり得る
こととなろう。 は図中（１０，１１，１２，１３，１４，Ｉｓ）で示す
部分であり、本発明のペダル機構はこれに　（１，２，
３，４，５，６、７，８，９）、（１６，１７，１８１
及び　（ｌｅａ、　ｌＯｂ、　１６ａ）を加えた構造と
なっている。 スプロケット　（１）（１）（２）は一体構造として車
体軸受部　（１５）に固定し、ギヤクランク　（１１）
末端部はペダル　（ｌＯ）を支持した駆動アーム　（１
６）に固定した駆動アーム軸（１７）を嵌込み揺動させ
る。 駆動アーム軸は■駆動系の小スプロケット　（３）及び
それと固定して一体構造をなす傘歯車　（８）と■駆動
系の中スプロケット　（４）を貫通し、軸端は軸受は板
　（１８）により支持され、それぞれ軸受ベアリングを
介する。中スプロケット　（４）は内部に仲介傘歯車（
７）を数個擁し、傘歯車　（８）及び駆動アーム軸　（
１７）に固定した傘歯車　（９）と噛み合い差動歯車を
形成する。固定スプロケット　（１）と小スプロケット
　（３）は駆動系（チェーン５）により連結され、両者
の歯数比は２：ｌ、固定スプロケット　（２）及び中ス
プロケット　（４）は二とする。固定スプロケット　（
１１（２＋は便宜上、同形同大のものとすれば　［１）
［１）（２）：［３）：（４１の歯数例として、２４　
／　１２　／　１６、ｏｒ　１８　／　９　／　１２等
の組み合せがある。また、傘歯車　（７）　（８）　［
９）は回転が滑らかで騒音が少ない、Ｌ茫工厘傘歯車が
適している。

【第４図参照】駆動力を後輪に伝える大ギヤ（１３）の
ある車体右側の外観図である。固定スプロケット［１１
ｆ１）（２）を車体右側へ固定して取付ける方法が問題
であるが、そｊには２つの方法がある。 土」ｑ」２．大ギヤを直接クランク軸に固定した従来型
の構造ではスプロケット　（ｌＮ２＋を大ギヤの外側に
固定するには長い支持板を用いて大ギヤをまたぐ形でチ
ェーンステー等に固定する方法。 ｉ立ユ、大ギヤ　（１３）をクランク軸に取り付けずに
、その周辺部だけを元の位置に残し、車体との間に障害
物の無くなったクランク軸上の車体にスプロケット　［
１）（２＋　を直接固定し、（１）（２）を包み込む形
でクランク軸の周囲から大ギヤの周辺部を数本の橋脚で
支持固定する方法。当面は第２転車を出入りさせる時、
自転車を押して歩（時、ペダルがひっかかったり足にあ
たって不便を感じたことがある筈である。水平アームに
可倒式ペダルを装備することによりこの難点を解決でき
、便利さが向上する。水平アームの場合、折りたたみペ
ダルの設置は従来よりはるかに簡易になり、低コストで
ある。本提案の可倒式ペダルの構造は、アーム末端部　
（１６ａｌが支持軸　［１６ｂ）とストッパー［１６ｃ
ｌよりなり、支持軸にはペダル　（ｌｅａ）を固定した
ペダル支持板　（１０ｂｌを嵌込む。ストッパー上部に
は小鋼球とバネを擁し、ペダルの開閉の際、ペダル支持
板　（１０ｂｌの上死点、下死点で穿った凹点に小鋼球
が陥入することによりペダルを軽く固定する止め金の作
用をさせている。 【第６図・第７図参照］ （６−１図）現代の、−船釣な自転車である。 ：、１６−２図）本発明のペダルを装備した一般型の自
転車である。本図の場合、構造上の特徴を明確に示すた
めに、水平アームの長さはギヤクランクの長さに近い長
さ：　（約１５ｃｍ）と仮定した。この場合、トルクは
従来型の約２倍となる。ここで両車を人間工学的な比較
対比を試みる。 ■　車体の軸受ハウジングをできるだけ　（約７ｃｍ１
後車輪に近づける。何故なら、そのままであれば従来型
と比べ車体が約１ｓｃ−長くなってしまうのを小幅にと
どめたい為である。この結果、ペダルは従来型よりも約
８ｃＩＩ前に出る。 ■　上記■により前輪およびハンドルは従来型よりも約
８ＣＩ１１前方に、即ち車体は約８ｃｍ長くなる。 ■　サドル位置を約８ｃｍ前方に移動させて構造調整す
る。以上のようにトルク２倍型自転車では従来の自転車
よりも車体の長さが８ｃ＋ｍ−１０ｃ＋ｎ程度長くなる
。また同様の観点より、水平アームの長さが約８ｃｎ＋
のトルク１．５倍型自転車では、同様に軸受はハウジン
グを後車輪に近づければ車体を長くする必要はないであ
ろう。 ■（第７図）スポーツ車である。変速装置との相乗１効
果により高トルクとスピード性を兼備したものとなる。 〔発明の効果〕 以上説明のとおり、本発明を実施することにより自転車
の高出力化が実現できる。ペダルの回転半径を変えるこ
となく、また従来の技術や構造に大きな変更を伴わない
点が特色である。トルク２倍型の当ペダル装置の採用に
よる自転車の駆動力の違いについて、実際にどのような
効果が認められるのであろうか。 （トルク比）従来：新ペダル＝１：２のとき、■　無風
、無荷物で舗装の平地を走る場合。 仕事量＝１：２で、一定距離に要する労力はその逆数の
２：ｌ、しかし当ペダルでは力の効率化を実現できるた
め実際には２分の１以下の労力となろう。 ■　向い風、荷物、上り坂等の条件が加わる場合。各要
素の程度問題があり複雑であるが、各条件のトルクに及
ぼす減衰比を一律に０．２として単純新ご（ヱ」ヒ車・
・・　２−０．２　−０．２　−０．２　　＝１．４従
来車では負荷の負担力が小さいため、出力が大幅に低下
し余力は少ない。運転者は苦痛を感じ、持続力に困難を
感する。新ペダル車の場合、負荷の負担力が大きいので
、同じ条件のもとて充分な余力を残している。その余力
とは、前記■の場合の、従来車で風も荷もない条件のも
とての平地走行するよりも楽だ、と感じる程の余力であ
る。 このように新ペダル車と従来車との駆動力には格段の差
があり、そこから来る機能性、快適性能の違いは大きい
。駆動力を最も必要とする貨物専用自転車は、近年減少
傾向を辿っているが、当ペダルの装備により充分な駆動
力を獲得できる。当ペダルは変速装置との併用により高
トルクとスピード性を併せもち、登板力豊かな高性能ス
ポーツ車が可能となる。そして重要な点は、最も普及し
、我々の日常生活にもっとも密接な関係のある実用車に
装備されて、はじめて本当の価値があることを主張した
い。

【図面の簡単な説明】

（第１図）は自装置のギヤクランクの回転に伴い変化す
る２個のスプロケットの進角の変化を示した系統図、（
第２図）は装置の断面図、（第３図）は分解図、（第４
図）は実施例を示す右側のペダル外観図、（第５図）は
可倒式ペダルの外観および断面図、（第６図）は従来の
自転車　（６−１１と実用車への実施例　［６−１）（
２）、（第７図）はスポーツ車への実施例を示している
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、クランク軸（１２）上の車体に２個のスプロケット
   （１）（２）を固定し、クランク（１１）末端部には固
   定スプロケット（１）（２）に対応して一定の歯数比を
   有する小スプロケット（３）、中スプロケット（４）を
   クランク上に遊動させ、各対応するスプロケット（１と
   ３）、（２と４）は２本の伝動系（５）（６）で連結す
   る、中スプロケット（４）は内部に複数個の仲介傘歯車
   （７）を擁し、（７）は小スプロケット（３）に固定し
   た傘歯車（８）及び同じくクランク末端部に嵌込み遊動
   させた駆動アーム（１６）に固定した傘歯車（９）と噛
   み合って差動歯車を形成し、駆動アームの末端に取り付
   けたペダル（１０）を踏むことにより駆動アーム（１６
   ）は回転軸の前方で常に水平姿勢を保つことを特色とす
   る一対のペダル機構。 ２、水平姿勢を維持する駆動アーム（１６ａ）に可倒式
   ペダル（１０ａ、１０ｂ）を装着した請求項１、記載の
   ペダル機構。