JPS58211985A - 自転車用ギヤクランク装置 - 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】 本発明は自転車用ギヤクランク装置、詳しくは、クラン
ク軸と１対のクランクアーム及Ｃチェンギャとから成る
ギヤクランク装置に関するもので、目的は、ペダリング
において、最高の仕事率が得られ、運転者に与える成体
的な負担を（滅でき、かつ、ぎくしゃく感のない円ｆｋ
なペダリンクを可能にする点にある。

一般に、此種ギヤクランク装置は、自転車のボトムブラ
ケットに装着すると共に後輪ハブに設けるリャチェンギ
ャとの而に駆動チェノを張設して、前記クランクアーム
に設けるペダルの踏込みで、そのトルクを前記チェノギ
ャから駆動チェノを介してリャチェンギャに伝え、後輪
を駆動して自転車を進行させるべく成している。

そして、ペダルの踏込時、即ちペダリング時、運転者は
ペダルを前記クランク軸の軸中心の周言すると振子運動
と同様支点と重心点との長さを基にして固有の周期及び
、速度のパターンをもっている。

又一方、運転者がシートに座ってペダル駆動する場合、
運転者の足から出力される足のトルクは、第６図のこと
くペダリング周期におけるペダル位置により１、即ち、
クランクアームが、その上下死点近くに位置する場合と
、上下死点間の領域に位ｔする場合とで変化し、前記ク
ランクアームが、前記上下死点間の領域で、上死点から
クランクアームの駆動回転方向前方に約７ｏ°土５°回
転したとき最大となり、上下死点近くで最小となるので
ある。

これは、ペダリングにおける足の動きと、足の動きに関
連するペダル位置とによるもので、自転車の大きさ、形
式が変化しても、また、筋出カの異なる運転者であって
も同じような傾向で現出するのである。

所で、楕円形のチェノギャにおいては、該チェノギャの
各歯ごとのピッチ径を変更でき、従ってリャチェンギャ
を一定とした場合にそのギヤ比を変更できることから、
前記チェノギャをフロントチエンギヤとして用いる場合
ペダリングにおいて最大トルクが得られる領域では、こ
のトルクを利用してより多くの仕事が行なえるようにす
るため最大ギヤ比とし、最小トルクしか得らｄない上下
死点では、最小ギヤ比とすることが考えられるしかしな
から、以上の如＜Ｗ、成すると、前記領域では、最大ギ
ヤ比とするから、ペダリングの周速が遅くなり、仕事率
が悪くなるし、上下死点では、最少ギヤ比とするからペ
ダリングの周速が早くなるのであるから、却って運転者
に肉体的な負担を与えることになるのである。

即ち、ペダリングにおける足の動きから、前記上下死点
間の領域では、足を動かすに必要な消費エネルギーをづ
〉なくでき、しかも筋出力を最大に出せるのであるから
、ペダリングの周速が早くなるごとくすれば、仕事率−
トルク×速度の関係から、仕事率を向上できるにも拘わ
す、この領域で遅くするのであるから仕事率は逆に悪く
なるのであり、また、上下死点近くでは、足を動ずに必
要なエネルギーが前記上下死点間の領域より増大するか
ら、この上下−７）点近くでペダリングの周速を遅くな
るごとくすれば、もともと筋出力が出せない上下死点近
くにおいては、筋肉への負担を少なくできるのであるが
、上死点では早くするのであるから、筋肉への負相を更
に増大することになるのである。

本発明は、以上の如くペダリングに＄いて、足の動きに
は、所定の周期と速度パターンがありこれらパターンに
マツチしない動作を与えることにより、筋出力のピーク
か増大し、同じ仕事においても運転者に余分な肉体的負
担を与えることを見出して発明したのである。

即ち、本発明は、ペダリングに際し、足のトルクが最大
のとき、ベリングの周速を早くすれば仕事率を向上でき
、また、前記トルクが最少のとき、ペダリングの周速を
遅くすれば筋肉への負担を小さくできることに着目しチ
ェノギャを、異なるギヤ径をもつ楕円形に近い非円形と
し、ペダリング時くとなり、最小トルクしか得られない
上下死点では、前記ギヤ径が最大又は最大近くとなるよ
うに、前記チェノギャとクランクアームとを組合わせた
ことを基本思想とするものである。

即ち、最大トルクが得られる上下死点間の領域では、ギ
ヤ径を小さくしてペダリングの周速を増大し、前記領域
における足の動きがもつ速度パターンにマツチさせると
共に、最小トルクしか得られない上下死点では、ギヤ径
を大きくしてペダリングの周速を遅くシ、前記上下死点
における足の動きがもつ速度パターンにマツチさせ、ペ
ダリング１周期における仕事率を向上し、仕事澱に対す
る筋出力ｊ１（エネルギー消費量）を減少し、運転者に
与える肉体的な負荷を軽くしながらぎくしゃく感のない
ペダリングを可能にしたことを基本思想とするものであ
る。

尚本発明において、足のトルクとは、筋肉の収縮、伸長
による関節の動きで出力する関節トルクのことである。

次に本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

図示したギヤクランク装置は、両端に匿合部（１１−）
、（１１ｂ）をもったり゛ランク軸（１１）と、該クラ
ンク軸（１１）の両端嵌合部（１１ＪＩ）、（１１ｂ）
に装着する１対のクランクアーム（１２）、（１３）と
から成るクランク（１）における前記一方便クランクア
ーム（１２）のボス、部（１２−）に、放射方向に延び
るステー（１４）を介して最小歯数の第１チエンギヤ（
２）と、最大歯数の第２チエンギヤ（３）とを装着し、
これらチェノギャ（２）、（３）の何れか一つにチェノ
を選択的に掛設するごとく成したものである。尚、前記
チェノギャ（２）、（３）は、軸方向に一定間隔を置い
て複数個の止め具（４）により連結されている。

しかして前記チェノギャ（２）、（３）のうち、少なく
とも１方、図面に示したものは最少歯数の第１チエンギ
ヤ（２）を、例えば互に直交する長軸（Ｘ）と短軸（り
とをもつほぼ楕円形に形成すると共に、前記クランクア
ーム（１２）・（１３）を、前記第１チエンギヤ（２）
における長軸（Ｘ）の駆動回転方向（第２図矢印２方向
）後方側に偏位させて、前記クランクアーム（１２）、
（１３）が上死点を過ぎて最大トルクの得られる領域に
位置するとき、前記チェノギャ（２）のギヤ径か最小と
なるごとくしてフロントチエンギヤとりャチェンギャと
のギヤ比を小さくシ、ペダルの角速度を速くできるよう
にし、また小さなトルクしか得られない上下死点（０，
）、（０，）近くに位置するとき、前記チェノギャ（２
）のギヤ径が最大となるごとくしてフロントチエンギヤ
とりャチェンギャとのギヤ比を大きくシ、ペダルの角速
度が遅くなるようにしたのである。

この構成について、更に詳記すると、クランクアーム（
１２）、（１３）が一回転する間に即ち、ペダリング時
における足のトルクは第３図のごとく変化する。

そして前記第１チエンギヤ（２）の長軸（Ｘ）部分では
、リャチェンギャ（Ｇ）とのギヤ比が大きくなって、ペ
ダルの角速度が遅（なると共に前記第１チエンギヤ（２
）の短軸（Ｙ）部分ではりャチェンギャ（Ｇ）とのギヤ
比が小さくなってペダルの角速度が速くできるのである
。

しかして、以上のことを基に、ペダリングにおいて最大
トルクの得られる領域、即ちクランクアーム（１２）、
（１３）が上死点（０，）から駆動回転方向前方側に３
０〜１２０°回転した位置に猛いては、前記第１チエン
ギヤ（２）のギヤ径即ち、チェノに力を伝達する歯にお
けるピッチ径を小さくシ、該第１チエンギヤ（２）とり
ャチェンギャ（Ｇ）とのギヤ比が小さくなるごとくして
、ペダルの角速度を速クシ、もともと、大きなトルクが
得られ領域での仕事率を向上し、かつ、足の動きがもつ
速度パターンにマツチするごとくしたのであり、又、小
さなトルクしか得られない領域、即ちクランクアーム（
１２）、（１３）が上下死点（０，）、（０，）近くに
位置す゛るときにおいては、前記第１チエンギヤ（２）
のギヤ径即ちチェノに力を伝達する歯におけるピッチ径
が小さくなり、該第１チエンギヤ（２）とりャチェンギ
ャ（Ｇ）とのギヤ比が大きくなるごとくしてペダルの角
速度を遅＜シ、小さなトルクしか得られない領域では、
もともと出力か出なし・のに、速度を早□　くすること
による筋肉への負担を少なくシ、かつ足の動きにおける
速度パターンにマツチさせ、運転者に与える肉体的な負
担を少なくしたのである以上の如く、大きなトルクが得
られる上下死点間の領域では、ギヤ径が最小となり、ペ
ダルの角速度を大きくできるので、最高の仕事率にでき
るのである。

このことは、仕事率−トルクＸ角速度であるので単位仕
事に奢いてはトルクは少なくてすむことでもある。しか
も、前記領域においては、足の動きを早くできるから、
振子運動に類似した足の動きがもつ速度パターンにマツ
チすることになるのである。

才た、大きなトルクが得られない領域、即ち上下死点近
くではギヤ径が最大となり、ペダルの角速度を小さくで
きるので、仕事率は良（ないがもともと、この領域では
大きなトルクが出せないのであるから、全体の仕事量に
与える影響は少ないのであり、従って仕事率、を悪くし
た方が、却って運転者に肉体的な負担を与えることがな
いのである。しかも前記領域においては足の動きを遅く
できるから、足の動きがもつ速度パターンにマツチさせ
られるのである。

以上のように大きなトルクが得られる領域での仕事率を
向上できるから、全体として高い仕事率が得られるし、
しかも足の動きがもつ速度パターンにマツチしたペダリ
ングが行なえるから、ペダリングにおけるエネルギー消
費を減少させられるのであって、運転者に与える肉体的
な負担を軽減し、かつ、ぎくしゃく感もなく円滑なペダ
リングが可能となるのである。

因み。に前記チェンギャ（２）の長軸と短軸との比を１
．１：１とし、円形のチェンギャを用いた場合で、最大
トルクが５０に？＝、最小トルクが５＃園とすると、円
形のチェンギャに対しペダルの角速度の比は、長軸側で
０．９５、短軸側で１．０５となり、また、前記チェン
ギャ（２）では長軸側が最小トルクしか出せない領域に
、筐た短軸側が最大、トルクの出せる領域に対応してい
るから、仕事率−トルク×速度より、前記チェンギャ（
２）を用いた場合の最大トルクは２８゜５＃閣となり、
最小トルクは５．２５＃■となる。

従って、長軸側ではトルクが０．２５＃−増加するが短
軸側では１．５＃ｍ減少することになり、減少の割合が
大きいのである。′このように実測値において、最大ト
ルクは、５％〜８％減少できるから、最小トルクが増加
してもペダリング１周期におけるトルクの積分値は２〜
６％減少でき、しかもペダリングにふける足の運動を、
この運動がもつ固有の周期で、その速度パターンにマツ
チさせられるから、足を動かすためのエネルギーも減少
できるのであって、同時に測定した！ｆ１１１図の積分
値も２〜３チ減少させ得たのである。

尚、本発明は、標準タイプ及びミニサイクルタイプその
他あらゆるタイプの自転車にも適用できるのであるが、
標準タイプの自転車に適用する場合においては、前記ク
ランクアーム（１２）を、１前記チエンギヤ（２）にお
ける長軸の駆動回転方向後方に偏位させ、この優位角を
１００士５°とするのである。。

又、以上説明したのは、トルクが最大のときギヤ径か最
小となり、トルクが最小のときギヤ径が最大となるごと
く前記チェンギャ（２）をクランクアーム（１２）に組
合わせたが、上死点直後における足の運動は、足のもつ
質量を加速するため、実際は筋肉が出力しているけれど
も、ペダルに作用しないトルクがあり、また、下死点の
直前では、足のも・つ質量を減速するため、実際は筋肉
が働いていないにも拘わらず、ペダル上に発生するトル
クがあることから、前記チェンギャ（２）における最小
ギヤ径部分及び最大ギヤ片部分は、足のトルクが最大と
なる位置及び最小となる位置に対し前記クランクアーム
（１２）の駆ＪＩ１１１回転方向前方に１０″程偏位さ
せるのが好ましい。

尚以上の構成に右いて、前記第１チエンギヤ（２）は、
その長軸（Ｘ）と短軸（Ｙ）との比は、１．０７〜１゜
２ｏとするのであり、又、この第１チエンギヤ（２）の
長軸（Ｘ）は、前記第２チエンギヤ（３）の外径より小
さくするのである。

以上説明した実施例では、前記第２チエンギヤ（６）は
、円形にしており、使用に際しては第１図の如く前記ク
ランク（１）のクランク軸（１１）をボール（５）、（
５）を介して自転車用フレームのハンガラッグ（６）に
回転自由に支持し、第６図の如く前記クランク（１）に
装着したチェノギャ（２）、（３）の何れか一つとりャ
チェンギャ（Ｇ）とにチェノ（Ｃ）を掛設し、前記クラ
ンクアーム（１２）、（１３）の先端に装着スるペダル
によるトルクを、前記クランク（１）を介して前記チェ
ノギャ（２）、（３）に伝え、このチェノギャ（２）、
（３）の出力により、前記チェノ（Ｃ）を介してリャチ
ェンギャ（Ｇ）を駆動し、後輪を駆動するごとく成すと
共に、前記チェノ（Ｃ）のフロントチエンギヤへの進入
路近くに配設するフロントディレーラ−（Ｄ）により前
記チェノ（Ｃ）を、前記チェノギャ（２）、ｉ）の何れ
か一つに選択的に掛換えるごとく成すのである。

尚、以上の説明では、最小歯数の第１チエンギヤ（２）
と、最大歯数の第２チエンギヤ（３）とを用いたものに
ついて説明したが、その他前記第２チェンギャ（６）を
なくして、はぼ楕円形に形成するチェノギャのみを用い
てもよい。又、歯数の異なる複数のチェノギャを用いる
場合、これらチェノギャのうちの１つのチェノギャまた
は全部のチェノギャをほぼ楕円形に形成してもよい。

又、以上の説明では、第１チエンギヤ（２）を、互に直
交する長軸（Ｘ）と短軸（Ｙ）とをもつほぼ楕円形とし
たが、その他前記長軸（Ｘ）と短軸（Ｙ）とが互に直交
しない楕円形、例えば第５図に示す如く点対称となる楕
円形であってもよいのであって、要は楕円形に近い非円
形とするのである。

以上の如く本発明は、チェノギャを楕円形に近い非円形
に形成すると共に、大きなトルクの得られる領域では前
記角速度を速くし、又、小さなトルクしか得られない領
域では、前記角速度を遅くしたから、ペダリングに際し
、仕事率を向上でき、最大トルクを減少できる。と共に
・、ペダリングにおける足の動きがもつ速度パターンに
マツチしたペダリングが可能となり、従って、運転者に
与える肉体的な負担を軽減でき、軽快で、かつ・ぎくじ
ゃく感なく円滑なペダリングが可能となるのである。

即ち、大きなトルクが得られる領域では、ペダリングの
周速を増大できるから、仕事率が増大すると共に、足の
動きにマツチ′したスピードでペダリングが可能となる
ため、足を動かすのに必要な消費エネルギーも周速を減
少した場合に比較して軽減できるのであり、更に、大き
なトルクが得られない領域では、ペダリングの周速を、
減少できるから、仕事率は多少減退するが足の動きにマ
ツチしたスピードでペダリングができるため、周速を増
大した場合に比較してエネルギー消費を少なくでき、従
って肉体的な負担を少なくでき、軽快なペダリングが可
能となるし、ぎくしゃく感も少なくできるのである。

また、大きなトルクが得られない領域での仕事率は減退
するも、大きなトルクが得られる領域での仕事効率を増
大できるから、外−タル的には円形チェノギャ又は楕円
チェノギャにおいて、大きな）’４男へ１ｖ必悩浅渋ぞ
ζ）〜１Ｈ円ｔζ京＜スル場合に比較して、同一仕事で
の周体的な負担の軽減・が可能となるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明ギヤクランク装置の一実施例を示す一部
切欠正面図、第２図は縮尺側面図、第３図はクラン・フ
ァームの回転角と足のトルクとの関係を示す説明図、第
４図はチェノギャの回転角と半径との関係を示す説明図
、第５図はチェノギャの他の実施例を示す概略説明図、
第６図は使用状態を示す説明図である。 （１１）・・・クランク軸 （１２）、（１３）・・・クランクアーム（２）・・・
チェノギャ （Ｘ）・・・長軸 （Ｙ）・・・短軸 代理人　弁理士　津　１）直　久

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　クランク軸と１対のクランクアーム及びチェ
   ンギャとから成るギヤクランク装置であって、前記チェ
   ンギャを、異なるギヤ径をもった楕円形に近い非円形に
   すると共に、前記クランクアームの回転操作において、
   足のトルクが最大のとき、前記チェンギャのギヤ径がほ
   ぼ最小となり、前記トルクが最小のときギヤ径がほぼ最
   大となるごとく前記チェンギャを前記クランクアームに
   対応させたことを特徴とする自転車用ギヤクランク装置
   。 ■　チェンギャにおける最小ギヤ径部分を、足のトルク
   が最大となる位置に対し、前記クランクアームの駆動回
   転方向前方に偏位させた特許請求の範囲第１項記載の自
   転車用ギヤクランク装置。 （６）　　チェンギャにおける最大ギヤ径部分を、足の
   トルクが最小となる位置に対し、前記クランク求の範囲
   第１項記載の自転車用ギヤクランク装置。 （４）最小及び最大ギヤ径部分の、足のトルクカタ最犬
   及び最小となる位置に対し偏位する角度を４ｉぼ１０度
   とした特許請求の範囲第２項又は第３〜１゜２０とした
   特許請求の範囲第１項乃至第４項の何れか１項記載の自
   転用ギヤクランク装置