JPS6243906B2

JPS6243906B2 -

Info

Publication number: JPS6243906B2
Application number: JP57094396A
Authority: JP
Inventors: Masashi Nagano
Original assignee: Shimano Industrial Co Ltd
Current assignee: Shimano Inc
Priority date: 1982-06-01
Filing date: 1982-06-01
Publication date: 1987-09-17
Also published as: JPS58211985A

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びチエ
ンギヤ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、運転者に与える肉体的な負担を軽減で
き、かつ、ぎくしやく感のない円滑なペダリング
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
トムブラケツトに装着すると共に後輪ハブに設け
るリヤチエンギヤとの間に駆動チエンを張設し
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エンギヤから駆動チエン
を介してリヤチエンギヤに伝え、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り
を回転させるのであるが、足の運動をみれば、歩
行時と同様振子運動に類似した動きをしている。
換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
つている。

又一方、運転者がシートに座つてペダル駆動す
る場合、運転者の足から出力される足のトルク
は、第３図のごとくペダリング周期におけるペダ
ル位置により、即ち、クランクアームや、その上
下死点近くに位置する場合と、上下死点間の領域
に位置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70゜±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、筋出力の
異なる運転者であつても同じような傾向で現出す
るのである。

所で、楕円形のチエンギヤにおいては、該チエ
ンギヤの各歯ごとのピツチ径を変更でき、従つて
リヤチエンギヤを一定とした場合にそのギヤ比を
変更できることから、前記チエンギヤをフロント
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れない上下
死点では、最小ギヤ比とすることが考えられる。

しかしながら、以上の如く構成すると、前記最
大トルクが得られる領域、即ち、上下死点から駆
動回転方向前方に約70゜±５゜偏位した領域で
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、却つ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
エネルギーを少なくでき、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ず、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、足を動すに必要
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、この上下死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、筋肉への負担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おいて、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、筋出力のピークが増大し、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、ペ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エンギヤを、異な
るギヤ径をもつ楕円形に近い非円形とし、該チエ
ンギヤを前記クランクアームに、前記チエンギヤ
の最大ギヤ径部分と該最大ギヤ径部分に対し駆動
回転方向後方の最小ギヤ径部分との２等分線より
前記クランクアームの駆動回転方向前方で、か
つ、前記最大ギヤ径部分より前記クランクアーム
の駆動回転方向後方に前記クランクアームを位置
させて結合したことを特徴とするものである。

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
ングの周速を遅くし、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、仕事量に対す
る筋出力量（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や
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、両端に嵌合部１
１ａ，１１ｂをもつたクランク軸１１と、該クラ
ンク軸１１の両端嵌合部１１ａ，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における前記一方側クランクアーム１２
のボス部１２ａ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、これらチエン
ギヤ２，３の何れか一つにチエンを選択的に掛設
するごとく成したものである。尚、前記チエンギ
ヤ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。

しかして前記チエンギヤ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
Ｙとをもつ楕円形又は楕円形に近い非円形に形成
すると共に、前記第１チエンギヤ２を前記クラン
クアーム１２，１３に、前記第１チエンギヤ２の
最大ギヤ径部分即ち長軸Ｘと最小ギヤ径部分即ち
短軸Ｙとの２等分線より前記クランクアーム１
２，１３の駆動回転方向前方で、かつ、前記最大
ギヤ径部分より前記クランクアーム１２，１３の
駆動回転方向後方に前記クランクアーム１２，１
３を位置させて結合し、前記クランクアーム１
２，１３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、前記チエンギヤ２のギヤ径
が最小となるごとくしてフロントチエンギヤとリ
ヤチエンギヤとのギヤ比を小さくし、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O₁，O₂近くに位置すると
き、前記チエンギヤ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リヤチエンギヤとの
ギヤ比を大きくし、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、リヤチエンギヤＧとのギヤ比が大きくなつ
て、ペダルの角速度が遅くなると共に前記第１チ
エンギヤ２の短軸Ｙ部分ではリヤチエンギヤＧと
のギヤ比が小さくなつ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O₁から駆動回転方向前
方側に30〜120゜回転した位置においては、前記
第１チエンギヤ２のギヤ径即ち、チエンに力を伝
達する歯におけるピツチ径を小さくし、該第１チ
エンギヤ２とリヤチエンギヤ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くし、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O₁，O₂近くに位置するときにお
いては、前記第１チエンギヤ２のギヤ径即ちチエ
ンに力を伝達する歯におけるピツチ径が大きくな
り、該第１チエンギヤ２とリヤチエンギヤ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
遅くし、小さなトルクしか得られない領域では、
もともと出力が出ないのに、速度を早くすること
による筋肉への負担を少なくし、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×角速度であるの
で単位仕事にお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。

また、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、仕事率は良くないがも
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、従つて仕事率を悪くした方が、却つて
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
のであつて、運転者に与える肉体的な負担を軽減
し、かつ、ぎくしやく感もなく円滑なペダリング
が可能となるのである。

因みに前記チエンギヤ２の長軸と短軸との比を
1.1：１とし、前記チエンギヤ２の歯数（例えば
42歯）と同数の歯数をもつ円形のチエンギヤを用
い、かつ、同じ長さのクランクアームと結合した
場合で、最大トルクが30Kgｍ、最小トルクが５Kg
ｍとすると、円形のチエンギヤに対しペダルの角
速度の比は、長軸側で0.95、短軸側で1.05とな
り、また、前記チエンギヤ２では長軸側が最小ト
ルクしか出せない領域に、ま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、前記チエンギヤ２を用いた場合
の最大トルクは28.5Kgｍとなり、最小トルクは
5.25Kgｍとなる。

従つて、長軸側ではトルクが0.25Kgｍ増加する
が短軸側では1.5Kgｍ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２〜３％減少でき、しか
もペダリングにおける足の運動を、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
できるのであつて、同時に測定した筋電図の積分
値も２〜３％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、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、この偏位角を15゜±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
ヤ径が最小となり、トルクが最小のときギヤ径が
最大となるごとく前記チエンギヤ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、前記チエンギヤ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の駆動回転方向前方に10゜程偏位
させるのが好ましい。

尚以上の構成において、前記第１チエンギヤ２
は、その長軸Ｘと短軸Ｙとの比は、1.07〜1.20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
３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を介し自転車用フレームのハンガラツグ６
に回転自由に支持し、第６図の如く前記クランク
１に装着したチエンギヤ２，３の何れか一つとリ
ヤチエンギヤＧとにチエンＣを掛設し、前記クラ
ンクアーム１２，１３の先端に装着するペダルに
よるトルクを、前記クランク１を介して前記チエ
ンギヤ２，３に伝え、このチエンギヤ２，３の出
力により、前記チエンＣを介してリヤチエンギヤ
Ｇを駆動し、後輪を駆動するごとく成すと共に、
前記チエンギヤ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イレーラーＤにより
前記チエンＣを、前記チエンギヤ２，３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チエン
ギヤ３をなくして、ほぼ楕円形に形成するチエン
ギヤのみを用いてもよい。又、歯数の異なる複数
のチエンギヤを用いる場合、これらチエンギヤの
うちの１つのチエンギヤまたは全部のチエンギヤ
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
なる楕円形であつてもよいのであつて、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、チエンギヤを楕円形に近
い非円形に形成し、該チエンギヤを前記クランク
アームに、前記チエンギヤの最大ギヤ径部分と該
最大ギヤ径部分に対し駆動回転方向後方の最小ギ
ヤ径部分との２等分線より前記クランクアームの
駆動回転方向前方で、かつ、前記最大ギヤ径部分
より前記クランクアームの駆動回転方向後方に前
記クランクアームを位置させて結合して、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、従つて、
運転者に与える肉体的な負担を軽減でき、軽快
で、かつ、ぎくしや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、従つ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、ぎくしやく感も少
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、トータル的には円
形チエンギヤ又は楕円チエンギヤにおいて、大き
なトルクが得られる領域での周速を遅く、大きな
トルクが得られない領域での周速を早くする場合
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
図はクランクアームの回転角と足のトルクとの関
係を示す説明図、第４図はチエンギヤの回転角と
半径との関係を示す説明図、第５図はチエンギヤ
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…チエンギヤ、Ｘ…長軸、Ｙ…短軸。

Claims

【特許請求の範囲】

１クランク軸と一対のクランクアーム及びチエ
ンギヤとから成るギヤクランク装置であつて、前
記チエンギヤを、異なるギヤ径をもつた楕円形又
は楕円形に近い非円形として、該チエンギヤを前
記クランクアームに、前記チエンギヤの最大ギヤ
径部分と該最大ギヤ径部分に対し駆動回転方向後
方の最小ギヤ径部分との２等分線より前記クラン
クアームの駆動回転方向前方で、かつ、前記最大
ギヤ径部分より前記クランクアームの駆動回転方
向後方に前記クランクアームを位置させて結合し
たことを特徴とする自転車用ギヤクランク装置。