WO2021064983A1

WO2021064983A1 - センターハブステアリング方式における前輪操舵機構

Info

Publication number: WO2021064983A1
Application number: PCT/JP2019/039302
Authority: WO
Inventors: 村尾　剛
Original assignee: 合同会社ムラオデザインワークス
Priority date: 2019-10-04
Filing date: 2019-10-04
Publication date: 2021-04-08
Also published as: TWI747530B; JP6780193B1; US20230192226A1; TW202114901A; JPWO2021064983A1

Abstract

【課題】　センターハブステアリング方式における前輪操舵機構に関するものであって、特に、オフセットを充分に取って、最適なジオメトリー設定をし、希望する操舵性能等を確保しても、前輪を好適に且つ実現可能に取り付けることができ、さらには、ハブベアリングの外径が大きくならず、軸受け摩擦を増加させることなく、転がり性能や燃費を飛躍的に向上させることができる前輪操舵機構を提供すること等を目的とする。【解決手段】　前輪操舵機構１は、内輪ハブ２、左外輪ハブ３ａ、右外輪ハブ３ｂ、内輪ハブ２と左外輪ハブ３ａとの間、及び、内輪ハブ２と右外輪ハブ３ｂとの間にそれぞれ配置された一対の転がり軸受け４，４、フロントシャフト５を備えており、左外輪ハブ３ａと右外輪ハブ３ｂとは、回転軸方向に沿って左右に分離可能なようになっており、かつ、これら左右外輪ハブが剛性結合していることを特徴としている。

Description

センターハブステアリング方式における前輪操舵機構

　本発明は、センターハブステアリング方式における前輪操舵機構に関するものである。

　自転車やオートバイといった二輪車の操舵機構と衝撃吸収機構として、テレスコピックフォーク方式と呼ばれるものが知られている。当該方式は、伸縮する２本のシャフトによってフロントシャフトを両側から保持し前車輪上部のステアリングシャフトにより操舵を行うものであって、簡便な構造からなり、安価に製造できることから、二輪車の操舵機構として、最も一般的に採用されている。

　しかしながら、テレスコピックフォーク方式には、以下のような欠点が存在している。まず、制動時に、フロントフォークが収縮（ノーズダイブ）した場合において、キャスター角が増加してトレールが小さくなり、ステアリング特性が変化してしまうという問題が有る。また、フロントフォークが、本体フレームと前輪との間にあるため、前後輪軸間の接続距離が長く、横方向の外力に弱くなってしまい、これにより二輪車全体の剛性を低下させてしまうという問題も有る。

　以上のような、テレスコピックフォーク方式の欠点を解消する前輪操舵機構として、以前より、種々の方式が検討・考案されてきた。そのうちの一つとして、従来より、センターハブステアリング方式と呼ばれるものが知られている。例えば、特許文献１（特開平３－２０８７８５号公報）には、当該方式の基本的な技術内容が開示されている。

　センターハブステアリング方式によれば、制動時においてトレールが小さくならず、ステアリング特性が変化しないという利点を享受できる。また、前後輪軸間の接続距離を、テレスコピックフォーク方式を採用した二輪車に比べて短くできるため、二輪車全体の剛性を高めることも可能である。センターハブステアリング方式は、このような利点を有することから、テレスコピックフォーク方式よりも構造が多少複雑となり、製造コストが若干増えてしまうという点があっても、現在も変わらず採用され続けている。

　しかしながら、センターハブステアリング方式にも、解決すべき課題は存在している。当該方式においては、ハブステアリングシャフト（操舵軸）が、内輪ハブの内側に配置されていることから、操舵性能等を考慮して、オフセット（フロントシャフトとハブステアリングシャフトとの間の距離）を充分に確保しようとすると、ハブベアリングの外径が大きくなってしまい、これにより、軸受け摩擦が増加して、転がり性能や燃費が悪化し、最悪の場合には、ベアリングの焼き付けを引き起こしてしまうという問題がある。逆に、この問題を回避しようとすると、ハブベアリングの外径を小さくする必要があり、希望する操舵性能やオフセットを確保できないという問題も生じさせてしまう。

　そして、以上のような問題を解消するための技術もすでに考案されている。例えば、特許文献２（特表２００２－５００１３３号公報）には、センターハブステアリング方式に関する技術が開示されており、ここでは、オフセットを確保するため、ハブステアリングシャフトが、フロントシャフトの後方であって、フロントシャフトから所定の距離をおいた位置となる構成となっている。当該構成によれば、オフセットを充分に取って、希望する操舵性能等を確保しても、ハブベアリングの外径が大きくならない。そのため、軸受け摩擦も増えず、ベアリングの焼き付けの問題も生じないという利点を享受できる。

　しかしながら、特許文献２に開示された技術は、発想自体は優れているものの、ハブ本体（特許文献２の符号３）を、剛性体である前輪ホイールの中心空間部内に収納する構成とする必要があるところ、当該中心空間部の開口部が、ハブ本体よりも小さいため、当該中心空間部内にハブ本体を収納することは、製造上不可能となってしまっている。さらに、特許文献２においては、これを解決させられるような製造方法等が、開示も示唆もされていない。

　本願発明者は、このような実情のもと、以上の問題を解決することができる方法や手段について鋭意検討を重ねた。その結果、本願発明者は、外輪ハブを、左右に独立した二つのハブによって構成することによって、以上のような問題を解決することができるという知見を得、本発明を創作するに至った。

　なお、本発明を出願するにあたって、本願発明者及び出願人において過去の特許文献等を調査したところ、センターハブステアリング方式における前輪操舵機構に関し、下記の文献を発見することができたが、本発明に係る技術的思想等を詳述した特許文献については発見することができなかった。

特開平３－２０８７８５号公報特表２００２－５００１３３号公報

　本発明は、センターハブステアリング方式における前輪操舵機構に関するものであって、特に、オフセットを充分に取って、最適なジオメトリー設定をし、希望する操舵性能等を確保しても、前輪を好適に且つ実現可能に取り付けることができる前輪操舵機構を提供することを目的とする。また、ハブベアリングの外径が大きくならず、軸受け摩擦を増加させることなく、転がり性能や燃費を飛躍的に向上させることができる前輪操舵機構を提供することも目的とする。さらに、本発明では、前輪をワイヤースポークホイールでも構成することによって、軽量で、自転車にも適用可能なセンターハブステアリング方式における前輪操舵機構を提供することも目的とする。

　そのための手段として、本発明に係る前輪操舵機構は、内輪ハブ、外輪ハブ、それら内外輪ハブの間に配置された一対の転がり軸受け、フロントシャフト、当該フロントシャフトの外側に取り付けられたハブステアリングブラケット、及び、ハブステアリングシャフトとを備えており、前記内輪ハブには、前記フロントシャフトの後方であって、かつ、前記フロントシャフトから所定の距離をおいた位置において、前記ハブステアリングシャフトを挿通させるための第一のハブステアリングシャフト用孔が設けられており、前記ハブステアリングブラケットにも、前記ハブステアリングシャフトを挿通させるための第二のハブステアリングシャフト用孔が設けられており、前記ハブステアリングシャフトは、前記第一及び前記第二のハブステアリングシャフト用孔を貫通しており、前記内輪ハブは、前記ハブステアリングシャフトを軸中心として自在に回動するように前記ハブステアリングブラケットに取り付けられており、前記外輪ハブは、回転軸方向に沿って左右に分離可能なようになっている左外輪ハブと右外輪ハブとから構成され、これら左右外輪ハブが剛性結合していることを特徴としている。

　また、本発明に係る前輪操舵機構は、内輪ハブ、外輪ハブ、それら内外輪ハブの間に配置された一対の転がり軸受け、フロントシャフト、当該フロントシャフトの外側に取り付けられたハブステアリングブラケット、及び、ハブステアリングシャフトとを備えており、前記内輪ハブには、前記フロントシャフトの後方であって、かつ、前記フロントシャフトから所定の距離をおいた位置において、前記ハブステアリングシャフトを挿通させるための第一のハブステアリングシャフト用孔が設けられており、前記ハブステアリングブラケットにも、前記ハブステアリングシャフトを挿通させるための第二のハブステアリングシャフト用孔が設けられており、前記ハブステアリングシャフトは、前記第一及び前記第二のハブステアリングシャフト用孔を貫通しており、前記内輪ハブは、前記ハブステアリングシャフトを軸中心として自在に回動するように前記ハブステアリングブラケットに取り付けられており、前記外輪ハブは、各個独立した左外輪ハブと右外輪ハブとから構成され、これら左右外輪ハブが、複数のワイヤースポークを介してリムと結合していることを特徴としている。

　さらに、本発明に係る前輪操舵機構は、前記一対の転がり軸受けにおいて、それらの構成部材である玉、又は、円すいころが単列配置されていることも特徴としている。

　本発明によれば、オフセットを充分に取って、最適なジオメトリー設定をし、希望する操舵性能等を確保しても、前輪を好適に且つ実現可能に取り付けることができる前輪操舵機構を提供することができる。また、ハブベアリングの外径が大きくならず、軸受け摩擦を増加させることなく、転がり性能や燃費を飛躍的に向上させることができる前輪操舵機構を提供することもできる。さらに、本発明では、前輪をワイヤースポークホイールで構成することによって、軽量で、自転車にも適用可能なセンターハブステアリング方式における前輪操舵機構を提供することもできる。

本発明の第一の実施形態に係る前輪操舵機構１を示す図本発明の第一の実施形態に係る前輪操舵機構１を示す図本発明の第一の実施形態に係る前輪操舵機構１を示す図本発明の第一の実施形態に係る前輪操舵機構１を示す図本発明の第一の実施形態に係る前輪操舵機構１を示す図本発明の第一の実施形態に係る前輪操舵機構１を示す図本発明の第二の実施形態に係る前輪操舵機構１を示す図本発明の第二の実施形態に係る前輪操舵機構１を示す図本発明の第二の実施形態に係る前輪操舵機構１を示す図本発明の第二の実施形態に係る前輪操舵機構１を示す図本発明の第二の実施形態に係る前輪操舵機構１を示す図本発明の第二の実施形態に係る前輪操舵機構１を示す図４点接触ボールベアリングの概略図

　以下、本発明に係るセンターハブステアリング方式における前輪操舵機構を実施するための形態について説明する。なお、本発明において、前後左右の各方向は、本発明に係る前輪操舵機構を有する乗物の進行方向を基準として説明する。また、各図面における欧文字符号の内容は、以下の通りである。

　α：キャスター角
　β：舵角
　Ａ：回転軸
　Ｂ：操舵軸
　Ｃ：車体中心軸
　Ｄ：トレール
　Ｅ：オフセット
　Ｈ１：ハブベアリング径
　Ｈ２：ハブベアリング間隔
　Ｓ１：ステアベアリング径
　Ｓ２：ステアベアリング間隔

　図１～図３は、本実施形態（第一の実施形態）に係る前輪操舵機構１の基本的構成を示したものである。これらの図では、オートバイに適用された前輪操舵機構１を示しており、図１及び図２では左側、また、図３では下側が、オートバイの進行方向（前方向）となっている。

　これらの図において、２は内輪ハブ、３（３ａ，３ｂ）は外輪ハブ、４，４は内輪ハブ２と外輪ハブ３との間に配置された一対の転がり軸受け、５はフロントシャフトを示している。また、図３において、６はフロントシャフト５の外側に取り付けられたハブステアリングブラケット、１０はハブステアリングシャフトを示している。

　さらに、図１～図３において、７はフロントスイングアーム、８はアッパーロッド、９はリンクアーム、１６はタイヤ、１７はステアリングロッド、１８はステアリングアーム、１９はディスクブレーキ、２０はオイルシールを示している。なお、符号７～９、及び、符号１６～２０に係る部材の機能や構造は、従来のセンターハブステアリング方式において採用されているものと同様であるので、以下において特に説明はしない。

　内輪ハブ２には、図４に示したように、フロントシャフト５の後方であって、かつ、フロントシャフト５から所定の距離をおいた位置（オフセットされた位置）において、ハブステアリングシャフト１０を挿通させるための第一のハブステアリングシャフト用孔１１ａが二つ設けられている。

　また、ハブステアリングブラケット６にも、ハブステアリングシャフト１０を挿通させるための第二のハブステアリングシャフト用孔１１ｂが設けられている。そして、図示されているように、ハブステアリングシャフト１０は、二つの第一のハブステアリングシャフト用孔１１ａ、及び、これら二つの第一のハブステアリングシャフト用孔１１ａの間に位置する第二のハブステアリングシャフト用孔１１ｂを貫くように挿通され、ナット１０ａによって固定されている。これにより、内輪ハブ２は、ハブステアリングシャフト１０を軸中心として自在に回動するようにハブステアリングブラケット６に取り付けられている。

　なお、この際、内輪ハブ２が滑らかに回動できるように、内輪ハブ２とハブステアリングシャフト１０のフランジ部との間、及び、内輪ハブ２とナット１０ａのフランジ部との間において、二つのステアベアリング２１，２１をぞれぞれ配置することが好ましい。この場合、ステアベアリング２１の径Ｓ１（図６参照）が小さい程、軸受摩擦を低減させられるという効果を得られる。また、二つのステアベアリング２１の間隔Ｓ２（図６参照）が大きい程、車体の加減速時における前輪からハブステアリングシャフト１０に加わるモーメントが小さくなるため、ステアベアリング２１へのラジアル（径方向）荷重を軽減させられるという効果も得られる。

　さらに、ハブステアリングブラケット６には、図４に示したように、カバー６ａがボルト１２によって固定されるようになっている。これらハブステアリングブラケット６とカバー６ａとの間をフロントシャフト５が挿通される構成となることによって、ハブステアリングブラケット６が、フロントシャフト５の外側において取り付けられるようになっている。

　外輪ハブ３は、図２及び図３に示したように、左外輪ハブ３ａと、右外輪ハブ３ｂとから構成され、前輪の回転軸方向に沿って左右に分離可能なようになっている。そして、これら左外輪ハブ３ａ、及び、右外輪ハブ３ｂは、ボルト１２によって剛性結合されている。なお、ここでの剛性結合は、ボルト以外の締結手段によって行っても構わない。

　本実施形態に係るセンターハブステアリング方式における前輪操舵機構１は、以上のような構成となっているので、ハブステアリングシャフト１０が、フロントシャフト５の後方であって、かつ、フロントシャフト５から所定の距離をおいた位置（オフセットされた位置）に有る場合であっても、オートバイ等の前輪を、好適に且つ実現可能に取り付けることができる。また、これにより、ハブベアリングの外径が大きくならず、軸受け摩擦を増加させることなく、転がり性能や燃費を飛躍的に向上させることができる前輪操舵機構を提供することができる。

　次に、本発明の第二の実施形態について説明する。この第二の実施形態における前輪操舵機構１が、上述した第一の実施形態のものと大きく異なるところは、前輪がワイヤースポークホイールによって構成されている点である。

　図７～図９は、本実施形態に係る前輪操舵機構１の基本的構成を示したものである。これらの図では、自転車に適用された前輪操舵機構１を示しており、図７及び図８では左側、また、図９では下側が、自転車の進行方向（前方向）となっている。

　これらの図においても、２は内輪ハブ、３ａは左外輪ハブ、３ｂは右外輪ハブ、４，４は内輪ハブ２と左外輪ハブ３ａとの間、及び、内輪ハブ２と右外輪ハブ３ｂとの間にそれぞれ配置された一対の転がり軸受け、５はフロントシャフト、６はフロントシャフト５の外側に取り付けられたハブステアリングブラケット、１０はハブステアリングシャフトを示している。また、これら図において、１３はフロントホリゾンタルフォークを示している。さらに、第一の実施形態における説明と同様に、１６はタイヤ、１７はステアリングロッド、１８はステアリングアーム、１９はディスクブレーキ、２０はオイルシールを示している。

　内輪ハブ２には、図１０に示したように、フロントシャフト５の後方であって、かつ、フロントシャフト５から所定の距離をおいた位置（オフセットされた位置）において、ハブステアリングシャフト１０を挿通させるための第一のハブステアリングシャフト用孔１１ａが二つ設けられている。

　なお、この際、内輪ハブ２が滑らかに回動できるように、第二のハブステアリングシャフト用孔１１ｂの上下端において、二つのステアベアリング２１，２１をそれぞれ配置することが好ましい。この場合、ステアベアリング２１の径Ｓ１（図１２参照）が小さい程、軸受摩擦を低減させられるという効果を得られる。また、二つのステアベアリング２１の間隔Ｓ２（図１２参照）が大きい程、車体の加減速時における前輪からハブステアリングシャフト１０に加わるモーメントが小さくなるため、ステアベアリング２１へのラジアル（径方向）荷重を軽減させられるという効果も得られる。

　さらに、ハブステアリングブラケット６は、図１０に示したように、第二のハブステアリングシャフト用孔１１ｂよりも前の位置において、フロントシャフト５が挿通される構成となっている。これにより、ハブステアリングブラケット６は、フロントシャフト５の外側において取り付けられるようになっている。

　外輪ハブ３は、図８に示したように、各個独立してなる左外輪ハブ３ａと右外輪ハブ３ｂとから構成されており、これら左外輪ハブ３ａ、及び、右外輪ハブ３ｂが、図７～図９で示したように、複数のワイヤースポーク１４を介して、リム１５と結合している。

　本実施形態に係るセンターハブステアリング方式における前輪操舵機構１は、以上のような構成となっているので、ハブステアリングシャフト１０が、フロントシャフト５の後方であって、かつ、フロントシャフト５から所定の距離をおいた位置（オフセットされた位置）に有る場合であっても、自転車等の前輪を、好適に且つ実現可能に取り付けることができる。また、これにより、ハブベアリングの外径が大きくならず、軸受け摩擦を増加させることなく、転がり性能や燃費（オートバイ等に採用した場合）を飛躍的に向上させることができる前輪操舵機構を提供することができる。

　さらに、本実施形態によれば、二輪車の前輪構造を、ワイヤースポークホイールによって構成することができるので、ホイール自体においても衝撃吸収が可能で、かつ、軽量な前輪構造を提供することが可能である。

　なお、以上に説明した各実施形態においては、転がり軸受け４の構成部材として玉を採用しているが、これを円すいころとしても構わない。そして、これら玉、又は、円すいころについては、単列配置とすることが好ましい。単列配置とすることで、省スペース化及び軸受け摩擦の更なる軽減が図れるからである。また、この場合、転がり軸受け４について、図１３に示したような、４点接触ボールベアリングを採用すれば、アキシャル方向への負荷にも強いものとすることもでき、さらには、ワイヤースポークを張る前であっても、内輪ハブ２と左外輪ハブ３ａ、及び、内輪ハブ２と右外輪ハブ３ｂのそれぞれを固定でき、これらの組み立てを簡便にすることも可能となる。

　なお、当然ながら、本発明に係る前輪操舵機構は、センターハブステアリング方式が採用可能な乗物であれば、自転車やオートバイといった二輪車だけでなく、三つ以上の車輪を有する乗物にも適用可能である。

　以上に説明したように、本発明によれば、センターハブステアリング方式を採用した乗物において、オフセットを充分に取って、最適なジオメトリー設定をし、希望する操舵性能等を確保しても、前輪を好適に且つ実現可能に取り付けることができる前輪操舵機構を提供することができる。また、ハブベアリングの外径が大きくならず、軸受け摩擦を増加させることなく、転がり性能や燃費を飛躍的に向上させることができる前輪操舵機構を提供することもできる。さらに、本発明では、前輪をワイヤースポークホイールで構成することによって、軽量で、自転車にも適用可能なセンターハブステアリング方式における前輪操舵機構を提供することもできる。

　なお、本発明に係る前輪操舵機構は、センターハブステアリング方式に採用されるものであるので、本発明に係る前輪操舵機構によれば、センターハブステアリング方式が備えている利点のすべてを、当然に享受できる。

１　：前輪操舵機構、
２　：内輪ハブ、
３　：外輪ハブ、
３ａ：左外輪ハブ、
３ｂ：右外輪ハブ、
４　：転がり軸受け、
５　：フロントシャフト、
６　：ハブステアリングブラケット、
６ａ：カバー、
７　：フロントスイングアーム、
８　：アッパーロッド、
９　：リンクアーム、
１０：ハブステアリングシャフト、
１０ａ：ナット、
１１ａ：第一のハブステアリングシャフト用孔、
１１ｂ：第二のハブステアリングシャフト用孔、
１２：ボルト、
１３：フロントホリゾンタルフォーク、
１４：ワイヤースポーク、
１５：リム、
１６：タイヤ、
１７：ステアリングロッド、
１８：ステアリングアーム、
１９：ディスクブレーキ、
２０：オイルシール、
２１：ステアベアリング、
α：キャスター角、
β：舵角、
Ａ：回転軸、
Ｂ：操舵軸、
Ｃ：車体中心軸、
Ｄ：トレール、
Ｅ：オフセット、
Ｈ１：ハブベアリング径、
Ｈ２：ハブベアリング間隔、
Ｓ１：ステアベアリング径、
Ｓ２：ステアベアリング間隔

Claims

　センターハブステアリング方式における前輪操舵機構において、内輪ハブ、外輪ハブ、それら内外輪ハブの間に配置された一対の転がり軸受け、フロントシャフト、当該フロントシャフトの外側に取り付けられたハブステアリングブラケット、及び、ハブステアリングシャフトとを備えており、
　前記内輪ハブには、前記フロントシャフトの後方であって、かつ、前記フロントシャフトから所定の距離をおいた位置において、前記ハブステアリングシャフトを挿通させるための第一のハブステアリングシャフト用孔が設けられており、
　前記ハブステアリングブラケットにも、前記ハブステアリングシャフトを挿通させるための第二のハブステアリングシャフト用孔が設けられており、
　前記ハブステアリングシャフトは、前記第一及び前記第二のハブステアリングシャフト用孔を貫通しており、
　前記内輪ハブは、前記ハブステアリングシャフトを軸中心として自在に回動するように前記ハブステアリングブラケットに取り付けられており、
　前記外輪ハブは、回転軸方向に沿って左右に分離可能なようになっている左外輪ハブと右外輪ハブとから構成され、これら左右外輪ハブが剛性結合していることを特徴とする前輪操舵機構。
　前記一対の転がり軸受けにおいて、それらの構成部材である玉、又は、円すいころが単列配置されていることを特徴とする請求項１に記載の前輪操舵機構。
　センターハブステアリング方式における前輪操舵機構において、内輪ハブ、外輪ハブ、それら内外輪ハブの間に配置された一対の転がり軸受け、フロントシャフト、当該フロントシャフトの外側に取り付けられたハブステアリングブラケット、及び、ハブステアリングシャフトとを備えており、
　前記内輪ハブには、前記フロントシャフトの後方であって、かつ、前記フロントシャフトから所定の距離をおいた位置において、前記ハブステアリングシャフトを挿通させるための第一のハブステアリングシャフト用孔が設けられており、
　前記ハブステアリングブラケットにも、前記ハブステアリングシャフトを挿通させるための第二のハブステアリングシャフト用孔が設けられており、
　前記ハブステアリングシャフトは、前記第一及び前記第二のハブステアリングシャフト用孔を貫通しており、
　前記内輪ハブは、前記ハブステアリングシャフトを軸中心として自在に回動するように前記ハブステアリングブラケットに取り付けられており、
　前記外輪ハブは、各個独立した左外輪ハブと右外輪ハブとから構成され、これら左右外輪ハブが、複数のワイヤースポークを介してリムと結合していることを特徴とする前輪操舵機構。
　前記一対の転がり軸受けにおいて、それらの構成部材である玉、又は、円すいころが単列配置されていることを特徴とする請求項３に記載の前輪操舵機構。