JP2004082881A - 回転力変換機構 - Google Patents

Abstract

【課題】直線的な運動を効果的にスプロケット軸の回転力に変換し、ペダルを踏み込む力等の操作力が軽減できる回転力変換機構を提供する。
【解決手段】一対のクランクアーム１０を支持しているクランク軸９から離れて回転力を取り出すスプロケット軸１８を形成し、一端側をクランクアーム１０の荷重作用点１２に連結した伸縮アーム２２の他端側をスライドガイド２０によってスライド可能に支持させ、スライドガイド２０をスプロケット軸１８の端に一方向クラッチ１９を介して連結させて構成し、クランクアーム１０の回転駆動により揺動運動される伸縮クランク２２を介してスライドガイド２０を反復回動させ、スライドガイド２０の回動力を一方向クラッチ１９を介してスプロケット軸１８に伝達させる。
【選択図】　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自転車等において用いられているペダル踏み力等による直線方向の一方側に向けて作用される運動を回転力に変換する回転力変換機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自転車等においてはペダルに作用する垂直方向の踏み力をクランク機構により回転力に変換させて、その回転力をチェーン、ベルト、ドライブシャフト等を介して駆動輪に伝え、その駆動輪の回転力により走行する。従来の自転車等に利用されているクランク機構による回転力の変換機構は、自転車フレームの中心付近に設けられたクランク軸と一体に大スプロケットギヤを固定して設け、一端側にペダルを取り付けたクランクアームを前記クランク軸の両端に放射状に１８０度対称に取り付け、該ペダルを交互に脚で踏むことによって大スプロケットを回転駆動させ、この大スプロケットと後輪に取り付けた小スプロケット間をチェーンを介して連結させて、後輪に回転力を伝達させるように構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の機構は、垂直方向の下方へ向けてのペダルの踏み力によりクランク機構を介して大スプロケットを回転させるが、このときのペダルの踏み力はクランクアームの長さとペダル踏み力の積が回転トルクとして大スプロケットに伝達される。即ちクランクアームの長さを大きくすれば大きな回転トルクを伝達できることになるが、クランク機構では地面との接触を避けるためや人間の足の運動範囲が限られるのでクランクアームの長さに制限があり、効果的に駆動輪へ回転力を伝達させることができない。また、従来の自転車のペダルはクランクアームを介してクランク軸を中心として真円運動を行うように構成しており、クランク軸と大スプロケットが一体に結合されているため、ペダルが上死点および下死点付近ではペダルの踏み力が回転力には変換されずらいという問題がある。
【０００４】
また最近では、充電式のバッテリでモータを駆動してモータの駆動力でペダルをこぐ力を軽減するようにした電気アシスト自転車を街でも頻繁に目にするようになった。しかし、この電動アシスト自転車はバッテリへの定期的な充電が必要なことと、バッテリーやモータを搭載していることから車両重量が重くバッテリが切れた時ではかなりの負荷を強いられてしまうという問題がある。本発明は、上記従来技術での問題を解決すべく人間の踏み力等の直線的な運動を効果的にスプロケットの回転力に変換し、ペダルを踏み込む力等の操作力が軽減できる回転力変換機構を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明に係る回転力変換機構は、回転出力を取り出すように回転自在に支持されたスプロケット軸と、該スプロケット軸から離れて形成されたクランク軸とを形成し、該クランク軸の両端に一対のクランクアームからなるクランク機構を形成するとともに、前記スプロケット軸の両端に一方向クラッチを介してスライドガイドを連結させ、一端側が前記クランクアームの端部に回転自在に連結された伸縮アームの他端側を前記スライドガイドによってスライド可能に支持させて成り、前記クランクアームの端部に形成した荷重作用点に直線方向の荷重を作用させてクランクアームを回転駆動し、クランクアームの回転運動によって伸縮クランクをスライドガイドを中心として揺動運動させ、伸縮クランクによって回動されるスライドガイドの回動を一方向クラッチを介してスプロケット軸に伝達させるようにしたことを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、図示した実施例に基づき本発明の実施の形態を説明する。図１はペダルの脚踏み操作によって発生される垂直方向の踏み力を回転力に変換して走行するようにした自転車へ本発明の回転力変換機構を実施したものであり、自転車１の車体構造は従来の自転車と同様に、上部にサドル２を取り付けたフレーム３の前方部分にハンドルフレーム４が保持されており、該ハンドルフレーム４の下部に形成されている二股部４ａの先端に前輪５が回転自在に支持されている。更にハンドルフレーム４の上端にはハンドル６が取り付けられており、フレーム３に対してハンドルフレーム４自体が回動可能に支持されており操舵機構を構成している。前記フレーム３の後端部に形成された二股部３ａの端部には駆動輪となる後輪７が回転自在に支持されている。
【０００７】
フレーム３の下方中央部にはクランク軸受８が形成されており、このクランク軸受８によって回転自在に支持されているクランク軸９の両端には１８０度位相がずらされて対称的に配置された一対のクランクアーム１０が取り付けられクランク機構を形成している。該クランクアーム１０の端部にはペダル軸１１を介してペダル１２が回転自在に取り付けられている。前記ペダル１２が荷重作用点を形成しており、ペダル１２に作用する垂直方向の脚踏み力によってクランク機構が回転される。クランクアーム１０はクランク軸９の両端に１８０度対称的に配置されており、前記サドル２に座った人により無理なく回転操作できるようにクランク軸受８の位置及びクランクアーム１０の長さが設定されている。
【０００８】
前記後輪７の車軸１３には小スプロケット１４が一体に結合されており、この小スプロケット１４とチェーン１５等の回転伝達手段を介して回転連結されている大スプロケット１６が、前記クランク軸９と後輪７の車軸を１３結ぶ線上に形成されているスプロケット軸受１７を貫通して支持されているスプロケット軸１８に取り付けられてスプロケット軸１８を介して回転自在に設けられている。図２及び図３に示すように、スプロケット軸１８の両端には一方向クラッチ１９を介してスライドガイド２０がそれぞれ取り付けられており、一方向クラッチ１９はスライドガイド２０の時針周り方向の回転をスプロケット軸１８に伝達させ、スライドガイド２０が反時針方向に回転する時には回転伝達が遮断するように機能する。
【０００９】
スライドガイド２０には貫通孔２１が形成されており、この貫通穴２１内に伸縮クランク２２が摺動自由に嵌装されており、この伸縮クランク２２の一端側が前記ペダル軸１１によってクランクアーム１０とペダル１２との間で回転自在に支持されている。ペダル１２を脚踏み操作する事によってペダル軸１１がクランクアーム１０を介してクランク軸９を中心とした真円運動をされる際に、伸縮クランク２２の前記一端側がペダル軸１１と一体に円運動をされ、伸縮クランク２２の他端側はスライドガイド２０に沿って摺動されながら伸縮クランク２２がスライドガイド２０を中心として揺動運動を行う。この伸縮クランク２２の揺動運動に伴って伸縮クランク２２をスライド可能に支持しているスライドガイド２０がスプロケット軸１８を中心として時針方向と反時針方向へ反復回動動作を行うことになる。スライドガイド２０の時針方向の回動時に一方向クラッチ１９を介してスプロケット軸１８に回転力が伝達され、スライドガイド２０が反時針方向へ回動される時には一方向クラッチ１９により空転するが、このときには反対側に形成されたクランク機構、伸縮クランク、スライドガイド及び一方向クラッチを介してスプロケット軸１８に回転力が伝達されるから左右のペダルの踏み力が全体として大スプロケット１６へ回転力をスムーズに伝達させる。
【００１０】
図５に示すように、クランク機構を形成しているペダル１２が上死点位置から下死点位置まで操作される際に変換される回転力は、荷重作用点であるペダル１２に加えられる垂直方向の力Ｆｙはクランクアーム１０と直交する方向の分力Ｆ１を生じてクランクアーム１０を回転させ、更に、上記分力Ｆ１は伸縮クランク２２と直交する方向の分力Ｆ２を生じ伸縮クランク２２を回転させる。ペダル１２に加えられる垂直方向の力をＦｙ、クランクアーム１０の水平方向とのなす角度をθ１、伸縮クランク２２のスライドガイド２０による支持部からペダル軸１１までの距離をＬｘ、及び伸縮クランク２２が荷重の作用方向と直角となる水平方向となす角度をθ２とすると、クランクアーム１０及び伸縮クランク２２を介してスプロケット軸１８に伝達される回転トルク＝Ｌｘ・Ｆｙ・Ｓｉｎ（９０°−θ１）・ＣＯＳ（θ１−θ２）となる。ここで伸縮クランク２２のスライドガイド２０による支持部からのペダル軸１１までの距離Ｌｘはペダル１２を支持しているクランクアーム１０の長さより大きく、かつペダル１２が上死点位置に配置された位置から下死点位置に配置されるまでの間クランクアーム１０は１８０度回転されるが、この間伸縮クランク２２の水平となす角度θ２が９０度近くまでなることがないので、従来のクランク機構により直接大スプロケット１６を駆動する機構に比して変換される回転トルクが格段に大きくなることが明らかである。
【００１１】
以下、上記実施例によるペダルによる踏み力を回転力へ変換する回転変換機構の作動を図６乃至図１３により説明する。なお、これらの図では便宜上一側の変換機構のみを示しているが、図に示した変換機構と対象的に作動する変換機構が図示の変換機構の反対側に形成されている。ペダル１２を脚踏み操作することによってクランクアーム１０に支持されているペダル軸１１をクランク軸９を中心として時針方向に回転させる。図５に示すようにペダル１２が上死点に配置された位置ではクランクアーム１０が垂直方向に向いており、ペダル１２に与えられる垂直方向の踏み力はクランクアーム１０の回転力を生じさせないが、このクランクアーム１０はペダル１２を回転ガイドするだけでクランクアーム１０自体には負荷が作用していないので図５に示す位置から少し時針方向に回転した位置からはペダル１２に作用される踏み力によりクランク軸９を中心としてペダル軸１１を時針方向に回転させる。
【００１２】
ペダル１２に与えられる垂直方向の踏み力によって図６に示す位置にペダル１２が回転されるとき、クランク軸９を中心として回転されるペダル軸１１とスプロケット軸１８の軸間距離が変動して、一端がペダル軸１１に連結されている伸縮クランク２２がスライドガイド２０に対してスライド移動する。同時に伸縮クランク２２の一端がペダル軸１１の回転に追従して回動されて、伸縮クランク２２がスライドガイド２０を中心として揺動してスライドガイド２０を時針方向に回動させる。このスライドガイド２０の回動は一方向クラッチ１９を介してスプロケット軸１８に伝達され、大スプロケット１６とチェーン１５を介して小スプロケット１４に伝達されて後輪７を駆動させる。
【００１３】
上記図６に示す位置から図７に示すようにクランクアーム１０が水平となる位置にペダル１２が回転されるまで、ペダル軸１１とスプロケット軸１８間の距離が増大しこれに追従して伸縮クランク２２がスライドガイド２０に対してスライドされて伸張されるとともに、伸縮クランク２２が揺動されることによってスライドガイド２０が揺動して一方向クラッチ１９を介して後輪７に回転力が伝達される。図７に示すようにクランクアーム１０が水平となった位置では伸縮クランク２２の伸張長さが最大となり、このときのペダル踏み力により伸縮クランク２２へ最大の回転モーメントが発生して、この回転モーメントがスプロケット軸１８の回転力として伝達させる。
【００１４】
更に図８に示す位置から図９に示すようにペダル１２が下死点に配置されてクランクアーム１０が垂直となる位置まで回転される間、ペダル軸１１とスプロケット軸１８間の軸間距離が小さくなるように変動し、これに従って伸縮クランク２２がスライドガイド２０に対してスライドされて、同時に伸縮クランク２２の揺動がスライドガイド２０に伝達されて、後輪７が引き続いて回転駆動される。図８に示すようにペダル１２が下死点に配置された位置以降では、このペダル１２に作用する脚踏み力によってはこのペダル１２を回転駆動させることはできないが、クランク軸９の反対側に設置されているクランクアームとペダルによるクランク機構によって図１０乃至図１２に示すように引き続いて回転されて図５に示す上死点位置まで回転される。
【００１５】
図９に示す位置から図１０に示す位置を経由して図１１に示すようにクランクアーム１０が水平となる位置までは、ペダル軸１１がスプロケット軸１８に更に接近するので伸縮クランク２２はスライドガイド２０に対してスライドして縮小するようにスライドして図１１に示す位置ではスプロケット軸１８とペダル軸間の距離が最小となり、伸縮アーム２２の長さが最小に縮小される。更に図１０に示す位置から図１２に示す位置までの間、ペダル軸１１のクランク軸９を中心とした回転に伴って伸縮クランク２２の揺動方向が逆方向となりスライドガイド２０が反時針方向に回動されるが、スプロケット軸１８とスライドガイド２０との間に形成されている一方向クラッチ１９を介して回転が遮断されるので支障は無い。
【００１６】
なお、図９に示す位置から図１２に示す位置を経て図５に示す位置にペダルが回転するまでは、スプロケット軸１８の反対側に形成されている変換機構によってスプロケット軸１８に時針方向の回転力が伝達される。同様に図に示す変換機構が図５乃至図９に示す位置に回転される間には、反対側の変換機構によるスライドガイドの反対方向の揺動は一方向クラッチにより回転が遮断された状態にされる。
【００１７】
上記自転車への実施例によれば、クランクアーム１０によって支持されたペダル１２を人間が回転させる足の回転半径の大きさを従来と変わらないように設定して、ペダル１２を上死点位置から下死点位置へ押し下げる時に伸縮クランク２２の長さがクランクアームの長さより長くなり、この長くなった伸縮クランク２２により大きな回転モーメントを発生させることができ、更に、伸縮クランク２２が荷重作用方向と直角の方向を中心とした角度範囲で揺動するのでペダル１２の上・下死点付近でもペダル１２踏み力の回転力への変換が効果的におこなわれ、この回転モーメントをスプロケット軸１８に回転力として伝達させるようにしているので駆動輪である後輪７に大きな回転トルクを伝達することができ、坂道でも楽に登坂できる自転車を提供することができる。
【００１８】
また、上記実施例は回転変換機構をペダル１２を脚踏み操作する自転車１に応用したものであるが、本発明の回転変換機構は上記自転車の他にも、往復駆動するピストンを備えた内燃エンジンのクランク機構等に採用することも可能である。この場合ピストンに一端が結合されたコンロッドの他端側を前記実施例におけるクランクアームの荷重作用点に連結することによって実現可能である。このように、本発明をエンジンのクランク機構に実施することによって、ピストンの直線的な駆動出力を高トルクの回転力としてスプロケット軸に取り出すことが可能である。
【００１９】
【発明の効果】
以上詳記したように本発明によれば、ペダルを支持しているクランクアームのクランク軸の回転中心をスプロケット軸の回転中心から水平方向に離れた位置に設定し、スライドガイドによってスライド可能に支持された伸縮クランクによってペダル軸とスプロケット軸間を連結させて、ペダル軸の回転運動によって伸縮クランクを揺動運動させ、伸縮クランクをスライド可能に支持しているスライドガイドの回動を一方向クラッチを介してスプロケット軸に伝達させるようにしているので、クランクアームよりも長い伸縮クランクを介してペダルの踏み力を大きな回転モーメントとして駆動伝達されるため、従来よりペダルの踏み力が軽い力で大きな回転駆動力を得ることを可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回転力変換機構を実施した自転車の側面図
【図２】図１の自転車に実施された回転力変換機構を詳細に示す側面図
【図３】図２と同じ自転車に実施された回転力変換機構の横断平面図
【図４】図２と同じ自転車に実施された片側のみの回転力変換機構を示す斜視図
【図５】図２と同じ回転力変換機構における垂直方向のペダル踏み力によってクランクアームと伸縮クランクに生ずる分力と回転トルクの説明図
【図６】ペダルが上死点位置に配置された回転力変換機構の作動状態を示す側面図
【図７】ペダルが上死点位置から少し時針方向に回転されて伸縮クランクが伸張されている過程の回転力変換機構の作動状態を示す側面図
【図８】ペダルを支持しているクランクアームが水平方向に回転された回転力変換機構の作動状態を示す側面図
【図９】ペダルが図７の位置から更に時針方向に回転されて伸縮クランクが縮小されている過程の回転力変換機構の作動状態を示す側面図
【図１０】ペダルが下死点位置に配置された回転力変換機構の作動状態を示す側面図
【図１１】ペダルが図９の位置から更に時針方向に回転されて伸縮クランクが揺動方向の端部まで揺動された回転力変換機構の作動状態を示す側面図
【図１２】ペダルが更に時針方向に回転され伸縮クランクが反対方向に揺動されている回転力変換機構の作動状態を示す側面図
【図１３】ペダルが更に時針方向に回転されて伸縮クランクが反対方向への揺動の端部まで揺動された回転力変換機構の作動状態を示す側面図
【符号の説明】
８　クランク軸受
９　クランク軸
１０　クランクアーム
１１　ペダル軸
１２　ペダル（荷重作用点）
１５　チェーン
１６　大スプロケット
１７　スプロケット軸受
１８　スプロケット軸
１９　一方向クラッチ
２０　スライドガイド
２２　伸縮クランク

Claims (1)

1. 回転出力を取り出すように回転自在に支持されたスプロケット軸と、該スプロケット軸から離れて形成されたクランク軸とを形成し、該クランク軸の両端に一対のクランクアームからなるクランク機構を形成するとともに、前記スプロケット軸の両端に一方向クラッチを介してスライドガイドを連結させ、一端側が前記クランクアームの端部に回転自在に連結された伸縮アームの他端側を前記スライドガイドによつてスライド可能に支持させて成り、前記クランクアームの端部に形成した荷重作用点に直線方向の荷重を作用させてクランクアームを回転駆動し、クランクアームの回転運動によって伸縮クランクをスライドガイドを中心として揺動運動させ、伸縮クランクによって回動されるスライドガイドの回動を一方向クラッチを介してスプロケット軸に伝達させるようにしたことを特徴とする回転力変換機構。

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