JPH0920281A - 電動補助動力付き自転車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 人力による入力トルクのピークを押さえるこ
とによって電池を有効に使うようにして電動補助動力付
き自転車の走行距離を伸ばすこと。 【構成】 人力による入力トルクに応じて電動補助動力
を制御する自転車において、長径と短径の比が１．１〜
１．３の楕円形のギヤを前ギヤ１１とする。この楕円形
の前ギヤ１１の長径軸Ｌ₁ に対して±３０゜の角度範囲
内にクランクアーム９を固定して電動補助動力付き自転
車を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人力による入力ト
ルクに応じて電動補助動力を制御する電動補助動力付き
自転車に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の電動補助動力付き自転車のクラン
ク軸に設けた前ギヤ（フロントスプロケット）は真円で
あった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の電動補助動力付
き自転車は、搭載できる電池がある程度の容量に限られ
ているので走行可能距離も限られ、１回の充電で走行で
きる距離が短いという問題点がある。

【０００４】また電動補助動力付き自転車に使用する電
池は、放電電流の大きさによって実質的な容量が変化し
てしまう。換言すれば、小さい電流を流した時よりも、
大きい電流を流したときの方が容量が小さくなってしま
う。このことから、電池の使用中には大きな電流をなる
べく流さないことが電池を効率よく使う重要ポイントで
ある。

【０００５】上述のように、電動補助動力付き自転車で
は、人力による入力トルクに応じてモータを駆動してい
るので、人力による入力トルクのピークを下げることが
放電電流のピークを下げることにつながる。従って、人
力による入力トルクを下げることによって放電時のピー
ク電流を押さえることが走行可能距離を伸ばすのに有効
であることがわかる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め本発明においては、人力による入力トルクに応じて電
動補助動力を制御する自転車において、長径と短径の比
が１．１〜１．３の楕円形のギヤを前ギヤとし、この楕
円形の前ギヤの長径軸に対して±３０°の角度範囲内に
クランクアームを固定して電動補助動力付き自転車を構
成する。

【０００７】上述のように構成すると、前ギヤの長径軸
に対してクランクアームが略直交する位置に固定され
る。通常自転車の人力による入力トルクはクランクアー
ムが水平付近に位置する時に最大となるが、本発明によ
れば、このクランクアームが水平付近にある時に前ギヤ
がチェーンに対して張力を与える個所の半径が真円のス
プロケットの場合に比べて小さいから、チェーンに与え
る張力を一定とすれば、本発明装置における人力による
トルクは真円のスプロケットの場合より小さくなる。

【０００８】また電動補助動力用のモータのトルクと消
費電流は比例しており、このモーク駆動用の電池の容量
は、放電電流のピーク値が低い程大きくなる特性がある
から、本発明によって人力による入力トルクのピークが
低くなれば、その分電池の容量が大きくなって自転車の
走行距離を伸ばすことができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面について本発明の実施
例を説明する。図中１（図１参照）は自転車の前輪、２
は後輪、３は車体（フレーム）、４（図１〜５参照）は
ハンガー部に設けたハウジング、４ａはハウジング４の
サイドカバー、５はハウジング４の中心部に軸受６，
７，８（図３参照）を介して回転自在に設けたクランク
軸、９はクランクアーム、１０はペダルである。

【００１０】また１１は軸受７を介してクランク軸５に
回転自在に設けた前ギヤ（フロントスプロケット）、１
２は後車軸１３に設けた後ギヤ（リヤスプロケット）、
１４は前ギヤ１１と後ギヤ１２とにかけ渡したチェーン
である。また１５は電動補助動力用のモータ、１６はそ
の電源となるバッテリー、１７はバッテリー１６の電力
を制御してモータ１５へ送給するコントローラである。

【００１１】図３はクランクアーム９およびモータ１５
より前ギヤ１１を駆動するための伝動系の一例を示すも
ので、５ａはクランク軸５に設けたスプライン軸部、１
８はこのスプライン軸部５ａに嵌合した駆動円板、１９
はこの駆動円板１８と、Ｕ時状のスプリングプレート２
０を挟むようにクランク軸５に前記軸受７を介して回転
自在に設けた従動円板で、２１はこの従動円板１９に突
設したスプリングプレート２０の一端部の止めピンであ
る。

【００１２】また１９ａは従動円板１９と一体に形成し
た出力歯車で、このボス部１９ｂに前ギヤ１１のボス部
を嵌着してある。また２２は駆動円板１８を外包すると
共に、クランク軸５に対して軸方向に摺動自在に設けた
スライドカップで、２２ａは駆動円板１８との摺動係合
部であり、２２ｂは従動円板１９に設けたカム部１９ｃ
と係合してスライドカップ２２を図３の右側へ押すため
のカム部である。

【００１３】また２３はスライドカップ２２と前記軸受
８との間のクランク軸５に嵌合したコイルばねであり、
２４は接触子２４ａがスライドカップ２２の壁面と係合
するようにハウジング４に固定して設けたポテンション
メータであり、このポテンションメータ２４の出力信号
を前記コントローラ１７へ導入してモータ１５を制御す
るようになっている。

【００１４】また１５ａはモータ１５の出力軸で、２５
はこの軸１５ａに固着した歯車、２６は歯車２５と噛合
する歯車、２７は軸、２８は歯車２６と噛合する歯車
で、一方クラッチ２９を介して軸３０に設けてある。３
１は軸３０の軸受である。３２は軸３１に固着した歯
車、３３は歯車３２と噛合する歯車で、軸３４（図３の
点線図参照）固着してある。３５は軸３４の両端部に設
けた軸受、３６は前記出力歯車１９ａと噛合するように
軸３４に固着して設けた歯車である。

【００１５】本発明においては、前記した前ギヤ１４を
長径Ｄ（図５参照）と、短径ｄの比が１．１〜１．３の
楕円形のギヤ（スプロケット）にすると共に、この楕円
形の前ギヤ１４の長径軸線Ｌ₁ に対する交角θが±３０
゜の角度範囲内にクランクアーム９軸線Ｌ₂ が位置する
ようにクランクアーム９をセットする。

【００１６】つぎに上述のように構成した本発明装置の
作用を説明する。クランクアーム９のペダル１０を踏ん
でクランク軸５が回転すると、スプライン軸部５ａとス
プライン嵌合している駆動円板１８に回転が伝えられ、
さらにこの駆動円板１８からスプリングプレート２０、
ピン２１、従動円板１９を介して前ギヤ１１に回転が伝
えられる。前ギヤ１１が回転すればチエーン１４を介し
て後ギヤ１２が回転するから、それと共に後輪２が回転
して自転車が走行する。なお図１にはチエーン１４のゆ
るみ防止装置は省略してある。

【００１７】また自転車の走行中にクランク軸５にかか
るトルクが増大すると、駆動円板１８と従動円板１９と
の間のＵ字状のスプリングプレート２０が撓んで、カム
部１９ｃと２２ｂとが摺動す結果、スライドカップ２２
が図３の右方へ移動してポテンションメータ２４の接触
子２４ａを押すことによって、ポテンションメータ２４
が信号を出力してコントローラ１７を介してモータ１５
を駆動する。

【００１８】モータ１５が回転すれば、歯車２５，２
６，２８、一方向クラッチ２９、軸３０、歯車３２，３
３、軸３４、歯車３６，１９ａを介して前ギヤ１１がモ
ータ１５によって補助駆動される。

【００１９】図６は、モータ１５の特性図の一例を示す
もので、Ａは電流とトルクの関係を示すものであり、Ｂ
は回転数とトルクの関係を示すものであり、Ｃは効率と
トルクの関係を示すものである。これよりモータ１５の
トルクは電流に比例して増減することがわかる。

【００２０】また図７は、実際に使用されるバッテリー
１６と、理想の電池の放電電流と、放電時間との関係を
示すもので、Ｅが理想の電池の特性で、Ｆが実際に使用
されるバッテリーの特性である。すなわち、ａ点の電流
をＩ₁ とし、放電時間をｔ₁とし、ｂ点の電流をＩ₂ と
し、放電時間をｔ₂ とすると、理想の電池は、Ｉ₁ ｔ ₁
＝Ｉ₂ ｔ₂ である。すなわち電流と放電時間との積が一
定であるのが理想である。

【００２１】これ対して実際に使用されバッテリーの場
合は、ｃ点の電流をＩ₃ とし、放電時間をｔ₃ とし、ｄ
点の電流をＩ₄ とし、放電時間をｔ₄ とすると、Ｉ₃ ｔ
₃ ＞Ｉ₄ ｔ₄ である。すなわち電流が大きくなると、放
電時間が短くなって、バッテリーの容量は小さくなる。
したがってバッテリーを有効に使用するには、使用電流
のピークをできるだけ低くすることが望ましい。

【００２２】また図８の（ａ）〜（ｅ）は、クランクア
ーム９のペダル１０に一定の踏力Ｐを作用させた場合
の、クランクアーム９の回転角度とクランク軸５に作用
するトクルＴを示すもので、ｌ＝クランクアーム９の長
さ、θはクランクアーム９と前ギヤ１１の長軸とのなす
角度、αはクランクアーム９の上死点に対する回転角度
である。

【００２３】図８の（ａ）は、α＝０の場合で、この時
クランクペダル１０は上死点にある。この場合のトルク
Ｔは次の通りである。 Ｔ＝Ｐｌsin ０°＝０ ----- （１） また図８の（ｂ）は、α＝９０゜−θの場合で、この場
合前ギヤ１１の長径軸線Ｌ₁ は水平であり、トクルＴは
次の通りである。 Ｔ＝Ｐｌsin （９０゜−θ）＝Ｐｌcos θ -----（２） また図８の（ｃ）は、α＝９０゜で、この場合クランク
アーム９は水平であり、トルクＴは次の通りである。 Ｔ＝Ｐｌsin ９０°＝Ｐｌ ----- （３）

【００２４】図８の（ｄ）は、α＝１８０゜−θの場合
で、この場合前ギヤ１１の長径軸線Ｌ₁ は垂直であり、
トルクT は次の通りである。 Ｔ＝Ｐｌsin （１８０゜−θ）＝Ｐｌsin θ -----（４） また図８の（ｅ）は、α＝１８０゜で、この場合クラン
クアーム９は垂直で、ペダル１０は下死点にある。トル
クＴは次の通りである。 Ｔ＝Ｐｌsin １８０°＝０ ----- （５） なおクランクアーム９の１８０゜〜３６０゜のトルクＴ
は、反対側のクランクアーム９が、前記した０゜〜１８
０゜と同様の作用をするから、説明は省略する。

【００２５】上記した（１）〜（５）式をみて分かるよ
うに、ペダル１０に作用す踏力Ｐを一定とすれば、クラ
ンク軸５に作用するトルクＴは、図８の（ｃ）、すなわ
ちクランクーム９が水平の場合に最大であることがわか
る。したがってトルクＴのピークを抑えるには、クラン
クアーム９の水平に近い位置において、ペダル１０に作
用する力Ｐをできるだけ小さくすればよい。

【００２６】図８において、チエーン１４に作用する張
力Ｆを一定にすると、前ギヤ１１のチエーン１４に対す
る作用半径ｒ（図８の（ｃ）参照）がほぼ最小の場合
に、トルクＴもほぼ最小になることがわかる。すなわち
この場合、踏力Ｐもほぼ最小になる。

【００２７】図９は楕円率（長径／短径）が１．２の前
ギヤ１１の回転角度αとトルクＴの関係を示す特性図で
あり、図中Ｇは前ギヤを真円とした場合であり、Ｈはθ
＝０゜、Ｉはθ＝２０゜，Ｊはθ＝３０゜，Ｋはθ＝４
０゜，Ｌはθ＝６０゜，Ｍはθ＝８０゜の場合である。
したがって、θが３０゜より小さければ、トルクＴは真
円の場合より小さいことがわかる。このため本発明おい
ては、θを±３０゜の角度範囲内に設定した。

【００２８】図１０は、前ギヤ１１の楕円率（楕円の長
径／短径の比）を１．０〜１．４までにした場合の、回
転角度と、回転速度（回転数／分）との関係を示すグラ
フで、図中直線Ｎは真円の場合であり、曲線Ｏは楕円率
１．１の場合、曲線Ｐは楕円率１．２の場合、曲線Ｑは
楕円率１．３の場合、曲線Ｒは楕円率１．４の場合であ
る。この図をみてわかるように、楕円率１．１以下で
は、効果が不充分であり、楕円率１．３以上では回転速
度の変動が大きすぎるため、本発明においては、前ギヤ
の楕円率を１．１〜１．３の範囲に限定した。

【００２９】

【発明の効果】上述のように本発明おいては、人力によ
る入力トルクに応じて伝導補助動力を制御する自転車に
おいて、長径と短径の比が１．１〜１．３の楕円形のギ
ヤを前ギヤ１１とし、この楕円形の前ギヤ１１の長径軸
Ｌ₁ に対して±３０゜の角度範囲内にクランクアーム９
を固定して電動補助動力付き自転車を構成したから、前
ギヤ１１の長径軸Ｌ₁ に対してクランクアーム９が略直
交する位置に固定される。

【００３０】通常自転車の人力による入力トクルはクラ
ンクアーム９が水平付近に位置する時に最大となるが、
本発明によれば、このクランクアーム９が水平付近にあ
る時に前ギヤ１１がチェーン１４に対して張力を与える
個所の半径が真円のスプロケットの場合に較べて小さい
から、チェーン１４に与える張力を一定とすれば、本発
明装置における人力による入力トルクは真円のスプロケ
ットの場合より小さくなる。

【００３１】また電動補助動力用のモータ１５のトルク
と消費電流は図６に示すように比例しており、このモー
タ駆動用の電池の容量は、図７に示すように放電電流の
ピーク値が低い程大きくなる特性があるから、本発明に
よって人力による入力トルクのピークが低くなれば、そ
の分電池の容量が大きくなって、自転車の走行距離を伸
ばすことができるというすぐれた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明自転車の側面図である。

【図２】図１の要部の側面図である。

【図３】図２の縦断正面図である。

【図４】クランクアームが水平状態にある場合のクラン
クアームと前ギヤとの関係を示す側面図である。

【図５】前ギヤの長径軸線が垂直状態にある場合のクラ
ンクアームとの関係を示す側面図である。

【図６】モータの特性を示す線図である。

【図７】使用電池と理想の電池との比較線図である。

【図８】（ａ）〜（ｅ）は、楕円形状の前ギヤとクラン
クアームの各状態におけるトルクの変化を示す説明図で
ある。

【図９】楕円形状の前ギヤの回転角度とトルクの関係を
示す線図である。

【図１０】真円の前ギヤと各種楕円率の前ギヤの回転角
度と回転速度との関係を示す線図である。

【符号の説明】

１ 前輪 ２ 後輪 ３ 車体（フレーム） ４ ハウジング ４ａ サイドカバー ６，７，８ 軸受 ９ クランクアーム １０ ペダル １１ 前ギヤ（フロントスプロケット） １２ 後ギヤ（リヤスプロケット） １３ 後車軸 １４ チェーン １５ モータ １６ バッテリー １７ コントローラ １８ 駆動円板 １９ 従動円板 １９ａ 出力歯車 １９ｂ ボス部 １９ｃ カム部 ２０ スプリングプレート ２１ 止めピン ２２ スライドカップ ２２ａ 摺動係合部 ２２ｂ カム部 ２３ コイルばね ２４ ポテンションメータ ２４ａ 接触子 ２５，２６ 歯車 ２７ 軸 ２８ 歯車 ２９ 一方向クラッチ ３０ 軸 ３１ 軸受 ３２，３３ 歯車 ３４ 軸 ３５ 軸受 ３６ 歯車

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 古川 俊晴 埼玉県上尾市中妻３−１−１ ブリヂスト ンサイクル株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 人力による入力トルクに応じて電動補助
   動力を制御する自転車において、長径と短径の比が１．
   １〜１．３の楕円形のギヤを前ギヤとし、この楕円形の
   前ギヤの長径軸に対して±３０°の角度範囲内にクラン
   クアームを固定したことを特徴とする電動補助動力付き
   自転車。