JP2006347534A - 自転車の駆動クランクペダル角進装置。 - Google Patents

Abstract

【課題】 自転車走行時のペダル上死点近傍の無効労力の軽減をはかり、効率のよい快適なサイクリングを楽しめる機能を持たせる。
【解決手段】クランク軸を左右５，６に分割し連結軸８上の偏芯歯車７Ｂ，７Ｃ，クランク軸５Ａ，５Ｂ，上の偏芯歯車７Ａ，７Ｄとの連結によりペダル上死点を角進させる事を特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、自転車の人力による駆動走行される時、下側のペダルが下死点時、上側ペダルが上死点を通過し、前方に角進させる機能を搭載した自転車に係わる、技術分野に属する。

本発明は、自転車走行時の、人力エネルギーの効率を改善に寄与する駆動装置、連結装置、等に関する。

従来 自転車の人力エネルギーの効率改善は、主に変速装置、チエンの架けかえ変速機構、後輪ハブ内装変速装置、軽量化程度のものであった。

上述の如く、従来の運行に関する技術は、変速機能の改善、車体重量の軽減等に、重きを置き、加える力の無効分の軽減、または除去等に無関心な処があった。
故に、お年寄りの方、お子様、ご婦人の方々には、無駄な労力を掛けさせてきました。従来の自転車は、ペダルを踏んで漕ぐ、走行する時、上側になるペダルは、下側のペダルが、下死点の時、必ず上死点にある。
ここから踏み始めるのであるが、下押し直線運動を、回転運動に変える場合、上、下死点近傍は、エネルギー使用効率が悪く、ロスが多くなる。
自転車の通常の走行は、クランク〜ペダルが惰力で回転しているところもあり無意識の内に漕いでいるのが現状で、向かい風、上り坂、等で上死点が顔を出してくる。
お年より、女性たちは前に進めなくなり、子供は、立ち上がって走行している状態である。
電動アシスト自転車も普及してきたが、バッテリーの充電等の不便さと、走行距離等に問題がある。

なお、本発明に関連する公知、公開技術として、次の特許文献１、２等を挙げることができる。
特開平１１−０７０８８９号公報 特開平０６−２６３０７９号公報

上述の如く、従来の自転車走行に関する技術は、変速機能の改善、車体重量の軽減等に重きを置き、普通に街中を走っている方々も、何気無くペダルを漕いでいる。
また、ペダルの上死点付近では無意識の内に労力を、熱に変換して、エネルギーのロスを生じているのが現状である。

本発明は、このような点に鑑みて発明されたものであり、上述の目的を達成する本発明は、自転車の駆動クランクペダル角進装置で、上ペダルの上死点近傍の労力伝達効率を、改善する為の機構構造で、容易に力率改善を実現できるようにすることにある。
少しでも、楽に省エネをしながら、自転車を漕ぎ街中を走りまわり、ひいては、地球温暖化の遅延に、少しでもお役に立てるペダル角進装置にすることを特徴とする。

前述の課題を解決するため、本発明に係る自転車の駆動クランクペダル角進装置は、次のような手段を、用い解決する。

即ち、請求項１及び、請求項２に記載のように、目的を達成する、本発明の自転車の駆動クランクペダル角進装置は、クランク軸を、左右に二分すると共に、左右の軸の回転駆動に、角速度を可変にする、軸芯をずらせた偏芯歯車、機構を組み合わせた構造体で、連結したことを特徴とする、ペダル角進装置である。
また請求項３に記載の目的を達する装置は、
軸芯をずらせた、偏芯歯車を組み合わせた機構の連結軸を出力軸とし、逆回転の同軸を、歯車を介して、片側クランク軸上に配した中空チエンスプロケット軸を、駆動回転し回転出力を得ることを特徴とする、同軸入出力装置である。

以上説明したように本発明は、自転車のペダルの片側が下死点の時、反対側のペダルが上死点を通過、角進させることにより、上死点近傍の無効エネルギーの消費を無くし、また、運行周回中のベダル位置による、負荷変動を少なくなることにより、快適な走行ができる。
また発車時も滑らかにスタートできる。
このことによって、無駄な労力の低減に、極めて有効である。

以下、本発明に係る、自転車の駆動クランクペダル角進装置、及び自転車の実施形態を、図面を用いて説明する。

図１〜図１０は、本発明の実施形態に係り、図１は、自転車の概観図、図２は、ペダル水平位置斜視図、図３は、角進状態のペダル上下位置斜視図、図４は、偏芯歯車角進装置平面断面図、図５は、偏芯歯車角進装置平面抜粋略図，図６は、偏芯歯車角進装置歯車連結軸図、図７は、偏芯歯車主要詳細図，図８は、チエンスプロケット中空軸、図９は２分割クランク

この実施の形態は、図２に示すように、分割クランク軸５Ａ，５Ｂ、連結軸８、中空軸９、以上４本の軸と、クランクアーム４Ａ，４Ｂ、ペダル３Ａ，３Ｂ，偏芯歯車６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄ、偏芯平歯車（又は偏芯歯車に用いた時、同等の機能を有する歯車）、歯車７Ａ，７Ｂ、チエンスプロケット１０を、主な部品にして構成されている。

図７は偏芯歯車６（Ａ〜Ｄ）の主要詳細図で、歯車本来の，センター点Ｐ，偏芯回転軸センター点ｏ、偏芯量Ｗ、歯車基準半径Ｒ、偏芯回転最高点Ｈ，偏芯回転最低点Ｌ、を示す。

連結軸８には、図６に示すように、偏芯歯車６Ｂ，６Ｃ，の偏芯方向を１８０度位相をずらして芯を合わせ軸に固定し、偏芯歯車６Ｂ，の外側に歯車７Ｂ，を同軸に取り付け、一体化している。

分割クランク軸５Ａ，５Ｂには、図９に示すように各軸端に偏芯歯車６Ａ，６Ｄ，反対軸端には、クランクアーム４Ａ，４Ｂを、図７の最低点Ｌが軸心から見て、クランクアームと同一方向になるように取り付け、一体化している。

チエンスプロケットの一部断面図の図８は、中空軸９の片端に歯車７Ａを、反対端に、チエンスプロケット１０を、固定取り付けした図である。

一体化された各軸，クランク軸、連結軸、及び、中空軸は、図２のように配置する。
分割クランク軸５Ａ，５Ｂの軸芯は、同一線上に配し、クランクアームは、水平で前方後方に、位相を、１８０度向きを変えた状態に配置する。
連結軸８の偏芯歯車６Ｂ，６Ｃと、クランク軸５Ａ，５Ｂの偏芯歯車６Ａ，６Ｄ，との位相関係は、図５のように、各偏芯歯車の偏芯回転最高点Ｈと、偏芯回転最低点Ｌを、噛み合うように、配置する。
連結軸８の歯車７Ｂと、中空軸９の歯車７Ａは、噛み合わせると共に、中空軸内を、クランク軸５Ａが通っている。

各軸は、図４を例として、クランク軸５Ａ，５Ｂ，連結軸８，及び中空軸９は、ベアリング等の軸受けで、各軸独立保持される。

以上をケースに収め、図１の自転車のクランク軸ケース２、とする。

図７、図１０を用いて角進装置の、符号と簡単な動作機能を説明する。

符号の定義

Ａ 偏芯歯車６Ａの偏芯回転歯角換算角度
Ｂ 偏芯歯車６Ｂの偏芯回転歯角換算角度
Ｃ 偏芯歯車６Ｃの偏芯回転歯角換算角度
Ｄ 偏芯歯車６Ｄの偏芯回転歯角換算角度
Ｈ 偏芯歯車の偏芯回転最高点
Ｌ 偏芯歯車の偏芯回転最低点
Ｋ 偏芯歯車回転方向
Ｐ 歯車基準半径中心点
ｏ 偏芯歯車の偏芯回転中心点
Ｒ 歯車基準半径
Ｗ 偏芯歯車の量（偏芯距離）
Ｓ＝クランクペダルが水平時、２歯車が基準半径点で噛み合っている交点。
Ｓ＋（添え字Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ、）＝クランク軸５Ａが下死点まで回転した時、各偏芯歯車のＳ点の回転位置。

図１０は、ペダル水平位置からペダル３Ａが、下死点まで９０度回転する想定図である。
即ち、偏芯歯車６Ａは、回転中心軸の中心点ｏを中心に、歯車初期噛み合い点ＳがＳＡまで∠Ｓ ｏ ＳＡ度回転する。

この回転角を偏芯歯車の基準半径中心点Ｐの開角に換算すると
∠Ａ度＝∠Ｓ Ｐ ＳＡ度となる。
６ＡのＳは、偏芯回転最高点Ｈ側のため、距離Ｓｏ＞ＳＰであり、∠Ａ度 ＞ ∠Ｓｏ ＳＡ度となる。
偏芯歯車の基準半径中心点Ｐから見ると、元の回転角 ９０度分と ∠Ａの差分が角進角の要素となる。

偏芯歯車６Ｂは、６Ａと歯車噛み合い回転のため、偏芯歯車の基準半径中心点Ｐを中心に見た場合、∠Ａ度分回転する。
その回転した点を、ＳＢと仮定する。
実際は、偏芯歯車の回転中心点ｏを、軸に回転するため、歯車初期噛み合い点Ｓが、回転した点をＳＢに達するには、∠Ｂ＝∠Ｓ ｏ ＳＢ＝度分回転しなければならない。
６ＢのＳは，偏芯回転最低点Ｌ側のため，距離Ｓｏ＜ＳＰとなっている。
故に∠Ａ度 ＜ ∠Ｂ度となり、その差分は、角進角の１要素となる。

偏芯歯車６Ｃは、偏芯歯車６Ｂと、連結軸８で直結しており、偏芯歯車の回転中心点を軸に、∠Ｂ度分回転する。
以降、偏芯歯車６Ｃ、６Ｄも、同様に、偏芯歯車の回転中心点ｏと，軸偏芯歯車の基準半径中心点Ｐと、交互に少しずつ角進を繰り返し、対向ベダル３Ｂは３Ｂ’に達する、その角進角度は、各段の角進要素の累計である。
即ち、対向ペダル３Ｂの、回転角∠Ｄ度＝∠Ｓ ｏ ＳＤ度と、初期回転角９０度との差分∠Ｄ度−９０度となる。

各歯車に数値を代入した計算例を示す。
各歯車基準半径 Ｒ ＝ １５．７５ｍｍ。
上記の歯車６個用いて内２個を７Ａ，７Ｂ，に対応。
残４個を 偏芯量 Ｗ ＝ １．５ｍｍ、の偏芯歯車にして、
６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄ，に対応。
図２のペダル位置から、ペダル３Ａを図３のように下死点まで下押し回転した場合の、角進角１８の計算結果
角進角１８ ≒ ２１．５度。
上記の設定でペダルを回転させたときの、
噛み合い偏芯歯車の基準半径、中心点間距離変動量≒０．１５ｍｍ。

以上のように設定して、
偏芯歯車の偏芯量Ｗは、４段の歯車で少しずつ角進を繰り返すため歯車基準半径Ｒに対し小さくしてもよく、回転軸間ピッチに対し、基準半径中心点間、距離変動量を、実用上、差し支えの無いものに抑えることができる。

また、副次的な効用として、下記をあげることができる。
偏芯歯車主動側と従動側噛み合い点における半径の差により、変速率が変る。
図１０の、角進位置ペダル３Ｂ’から、回転水平位置までの、偏芯歯車半径比率，（二つの偏芯歯車噛み合い点Ｓと、偏芯歯車主動側ｏ間。噛み合い点Ｓと、従動側ｏ間の比率）が、
１：１ から １７．２５：１４．２５ ≒１．２ まで変化し、その割合の逆数で、変速比も変化する。
また角進位置ペダル３Ｂ’から、回転水平位置までの、有効負荷変動率を、（有効値／（有効値＋無効値））＊１００とすると、２６％から１００％まで変化する。
有効率の２６％と低いペダル３Ｂ’の処では、偏芯歯車の変速比が≒１：１で、労力を伝達する。
また有効率が１：１と高い水平位置では，偏芯歯車変速比率により≒１．２倍に増速する。
故に、力の伝達変化係数を、
水平ペダル時の伝達係数＝１／１．２≒０．８３
角進位置ペダル３Ｂ’時の伝達係数＝０．２６／１＝０．２６
とすると，
伝達変化係数＝（水平ペダル時の伝達係数／角進位置ペダル３Ｂ’時の伝達係数）＝０．８３／０．２６≒３．２となる。
故に、力の加え具合が平均化して、スムースな走行となる。
また水平位置から下死点までは、上記と逆動作をするが、力に対する作用は、平均化、スムース化は、同様に働く。

従来の自転車は、有効率０％の上死点から、１００％の水平位置までの変化があり、また、ペダルとチエンホイールが直結している為、伝達変化係数は、１００／０＝無限大（ペダルが上死点では単純な下向きの力に対しては回転しない）となり、力の掛け具合は、滑らかと言えず、また無駄なエネルギーを消費していた。

自転車の概観図 ペダル水平位置斜視図 角進状態のペダル上下位置斜視図 偏芯歯車角進装置平面断面図 偏芯歯車角進装置平面抜粋略図 偏芯歯車角進装置歯車連結軸 偏芯歯車主要詳細図 チエンスプロケット中空軸 ２分割クランク軸 偏芯歯車角進装置演算図

主な部分番号の定義

１ 自転車本体
２ クランク軸ケース
３ （添え字付） ペダル
４ （添え字付） クランクアーム
５ （添え字付） クランク軸
６ （添え字付） 偏芯歯車
７ （添え字付） 歯車
８ 歯車連結軸
９ 中空軸
１０ チエンホイール
１１〜１７ 軸受け
１８ 角進角度

Claims (3)

1. 自転車の駆動クランク軸を左右に分割し、分離した軸に周速を可変にした機構、構造体を介して、力の伝達をすることを特徴とする、自転車の駆動クランク軸機構である。
2. 請求項１の周速を可変にした機構、構造体に、軸芯をずらせた偏芯歯車を組み合わせた機構で、連結したことを特徴とする、ペダル角進装置である。
3. 請求項２の、軸芯をずらせた偏芯歯車を組み合わせた機構の連結軸を、出力軸とし、中空軸を経て、クランク軸と同一軸上に、チエンスプロケット出力を得ることを特徴とする、同一軸入出力装置である。

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