(57)【要約】      （修正有）【課題】モーターやバッテリーを使わない、簡単かつ効率の良い機構で、減速時に蓄えたエネルギーを次の加速に再利用する車輪を提供する。【解決手段】車体１に設けられた車軸２を中心に回転し、車体１を支持しつつ移動させる車輪３において、車輪３と連動回転する車輪側歯車４と、車軸２周りに、回転可能なバネ側歯車７と、車軸２周りの一方向にのみ回転可能な回転板５と、回転板５上に、車輪側歯車４とバネ側歯車７の双方に噛合うよう配された遊星歯車６と、車体１にその一端を固定し、他端をバネ側歯車７に固定した、ぜんまい状バネ８と、車輪３の回転を制動する、車輪側ブレーキシューと、回転板５の回転を制動する、回転板側ブレーキシュー１０から構成される。【選択図】図１
2015000659.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体に設けられた車軸を中心に回転し、車体を支持しつつ移動させる車輪において、
前記車軸周りに、車輪と連動回転する車輪側歯車と、
前記車軸周りに、回転可能なバネ側歯車と、
前記車軸周りの一方向にのみ回転可能な回転板と、
前記回転板上に、自転自在かつ前記車輪側歯車と前記バネ側歯車の双方に噛合うよう配された遊星歯車と、
前記車体にその一端を固定し、他端を前記バネ側歯車に固定したバネと、
前記車輪の回転を制動する、車輪側ブレーキシューと、
前記回転板の回転を制動する、回転板側ブレーキシュー
から構成される、減速時に蓄えたエネルギーを次の加速に再利用する車輪。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、減速時に蓄えたエネルギーを次の加速に再利用する車輪に関する。
【背景技術】
【０００２】
自転車等の車両では、加速時に加えたエネルギーを、減速時に摩擦熱等に変換して放出し、次の加速時には新たなエネルギーを加えて加速している。
モーター駆動の一部装置では、減速時の車輪の回転を利用して発電、蓄電し、エネルギーの一部を再利用している例もあるが、一旦電気エネルギーに変換する為、効率は良くない。
一方で、加速をモーターで補助する電動自転車が普及しているが、主な利点は漕ぎ出しの軽さにある。
本発明に近い類似特許として特許公開平９−２３７２があるが、巻き上げと駆動の切り替えをギアとクラッチを適当に操作するという操作性の煩雑さがある上、バネの巻上げに下り坂の利用を想定した考案であり、平地を含めた減速時のブレーキ操作によって自動的に機能する本考案とは異なる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許公開平９−２３７２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
モーターやバッテリーを使わない、簡単かつ効率の良い機構で、減速時に蓄えたエネルギーを次の加速に再利用する車輪を提供し、主に自転車の加速を軽くすることで、その利用範囲を広げることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を達成する為、減速時に蓄えたエネルギーを次の加速に再利用する車輪は、
車体に設けられた車軸を中心に回転し、車体を支持しつつ移動させる車輪において、
車軸周りに、車輪と連動回転する車輪側歯車と、
車軸周りに、回転可能なバネ側歯車と、
車軸周りの一方向にのみ回転可能、かつ車軸の軸方向に平行移動可能な回転板と、
回転板上に、自転自在かつ、車輪側歯車とバネ側歯車の双方に噛合うよう配された遊星歯車と、
車体にその一端を固定し、他端をバネ側歯車に固定した、ぜんまい状バネと、
車輪に接触することで車輪の回転を制動する、車輪側ブレーキシューと、
車輪側ブレーキシューの対抗方向から回転板に接触することで回転板の回転を制動する、回転板側ブレーキシュー
から構成される。
【０００６】
車輪について説明する。
車輪とは、基本的に車体にほぼ水平に設けられた車軸を回転軸として回転することで、車体を支持しつつ移動させる回転体である。
一般的な自転車においては、車軸を覆い、車軸周りに回転可能なハブから放射状に伸びた複数のスポークで車軸の同心円上の位置に環状のリムを支持し、リムの外周に弾力性のあるタイヤを保持しており、制動時には、リムにブレーキシューを押し当て、その摩擦によって回転を制動し車体を減速する構造となっている。
【０００７】
回転板について説明する。
回転板とは、回転板自体か少なくともその辺縁が車軸の軸方向に移動可能かつ、車軸を中心に回転可能に設けられた、車輪のリムとほぼ同径の円板であり、車輪のリムの位置に相当する環状の部分が連続した板状であれば、中心部は車輪のようにスポーク等で軽量化された構造でも良い。
制動する為、回転板側ブレーキシューに押されると、車軸上で車輪側へ移動して車輪と接触し、接触面の摩擦によって車輪と一体回転する構造である。その為、車輪のリムに当たる面は摩擦係数の大きな材質、または構造となっている。車輪のリムより大きな直径として一部がタイヤの側面に接する構造でも良い。
同様に、車輪のリムの回転板に当たる側も摩擦係数の大きな材質、または構造となっている。その構造には上記のようにタイヤの一部側面を含んでも良い。
回転板上の車軸を外れた位置に遊星歯車を自転自在に支持している。
回転板は、ワンウェイクラッチによって車輪の進行方向である車軸周りの一方向にのみ回転可能な構造となっている。
図では一例として、回転板の周囲に突起を設け、その突起に噛合う逆転防止づめを車体上に揺動可能に設けることで、回転板とワンウェイクラッチを一体化してあるが、別部材で構成されても良い。
尚、図では省略されているが、回転板は回転板側ブレーキシューによって車輪方向に押され、回転板側ブレーキシューを戻した時に車輪から離れる構造である為、コイル状のバネ等によって車輪から離れる方向に負勢しておく必要がある。中心部をスポークで軽量化する等の構造の場合は、軸方向に平行移動する構造ではなく、回転板辺縁の撓みを利用することもできる。
【０００８】
バネについて説明する。
バネとは、加えた力を蓄えつつ変形することで蓄勢し、復元時にその力を解放する弾性体で、図では一例として、細長い弾性体を渦巻き状にした、ぜんまい状バネとなっており、その一端を車体に、他端をバネ側歯車に固定している。
結果、バネ側歯車は、車軸を回転軸として、車軸周りに力を加えられた回転方向に、ぜんまい状バネの変形の範囲内で回転し、その力が弱まれば逆転して元に戻る。
バネであれば、コイル状のスプリングや直線状のトーションバー等でも良いが、蓄勢できる回転数や車輪に沿って配置できる形状からぜんまい状バネが望ましい。
【０００９】
歯車について説明する。
車輪側歯車とは、車軸を回転軸として車軸周りに車輪と共に回転する歯車であり、図ではリムの内側に一体化された内歯車となっている。車輪側歯車は内歯車に限定されず車輪と連動回転する構造であれば良く、図のように一体化する他に回転伝達手段を仲介する構造でも良い。
バネ側歯車とは、その一端を車体に固定されたぜんまい状バネの他端に固定されることで、ぜんまい状バネの撓みの範囲内で車軸を回転軸として車軸周りに回転する歯車であり、図では平歯車となっている。
遊星歯車とは、車輪側歯車とバネ側歯車の双方に噛合い、両歯車の差動によって車軸の周りを周回するよう、回転板上に自転自在に設けられた遊星歯車であり、図では平歯車となっている。
図に示した歯車の形状は、いずれも一例であり、同機能であればクラウン歯車やかさ歯車など他の形状の歯車でも良く、また相互の歯車は直接噛合わず、他の歯車等、回転を伝達する部材を仲介する構造でも良い。
この歯車構成は差動装置であり、たとえば、バネ側歯車を内歯車として、車輪側歯車を車軸周りに回転する平歯車とする等、歯車の位置関係を入れ替えても同様の機能を実現できる。
【００１０】
歯車の動作について説明する。
車輪側歯車は、車輪と一体化されており、常に車輪と共に車軸周りに回転する。
バネ側歯車は、ぜんまい状バネの一端に固定されている為、車軸周りの力を加えられた方向にバネの撓みの範囲内で回転し、元に戻ろうとする。
走行中は、車輪と共に車輪側歯車が回転し、バネ側歯車は力を加えなければ回転しない為、双方に噛合う遊星歯車は、車軸を中心に車軸周りに回転自在な回転板と共に車軸の周囲を車輪の回転方向に車輪より少ない回転数で周回する。
車輪と回転板の回転数の差は歯車比による。
この遊星歯車の周回が逃げとなって、バネ側歯車には力が加わらない。
減速中は、車輪側と回転板側の二つのブレーキシューで車輪のリムと回転板を左右方向から挟んで、摩擦により車輪と回転板の回転を制動して減速する。この時、回転板側ブレーキシューに押された回転板は、車軸方向に移動して車輪のリムに密着し、摩擦により車輪と一体となって回転する。
車輪側歯車と回転板が一体となった結果、車輪側歯車と噛合う遊星歯車はその回転軸も車輪に固定され、自由に周回することができず、車輪側歯車と一体となってバネ側歯車を車輪の回転方向に回転させて、ぜんまい状バネを巻き上げる。
二つのブレーキシューの摩擦に加え、バネを巻き上げる負荷も制動作用の一部となる。
減速後、再加速の為に、二つのブレーキシューの位置を戻すと、車輪と回転板が離れてそれぞれ自由回転が可能となり、ぜんまい状バネが巻き戻り、バネ側歯車が車輪の進行方向と逆方向に回転する。
その逆回転が噛合っている遊星歯車に伝わるが、遊星歯車を支持している回転板はワンウェイクラッチにより逆回転できない為、遊星歯車はバネ側歯車の逆転により、車軸の周囲を逆方向には周回できず、その場で進行方向に自転して、噛合う車輪側歯車と車輪を進行方向に回転させ、結果バネに蓄えられたエネルギーで車体を前に加速する。
ぜんまい状バネが完全に巻き戻るとバネ側歯車の逆転が停止し、回転板は進行方向に回転を開始し、走行中の状態に戻る。
上記動作を繰り返して、減速時に蓄えたエネルギーを次の加速に再利用する。
完全停止した後に始動する場合でも、走行中に減速、再加速する場合でも同様である。
【発明の効果】
【００１１】
減速時に蓄えたエネルギーを次の加速に再利用できる為、走行全体での省エネルギーを実現できる。
自転車に応用すれば、電動自転車の利点である漕ぎ出しの軽さを電動機なしの安価、軽量な車体で実現することができる。
また、電動自転車と組み合わせれば、一回の充電でより長距離の走行が可能になり、いずれも利用範囲が広がる。
車輪を使って加速と減速を行う、自転車以外の車両についても広く応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の原理左斜視図。
【図２】本発明の原理右斜視図。
【図３】本発明の原理正面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図では機構原理を簡略に説明する為、自転車の前輪を想定してあるが、実施形態としては、内装式変速装置を持つ自転車の後輪に設けることが望ましい。
内装式変速装置には、車輪側内歯車、駆動用遊星歯車、車体に固定された中心軸歯車が設けられており、既存の内装式変速装置に若干の改造を加え、ぜんまい状バネと逆転防止機構を追加するだけで本発明の機能を実現することができる。
歯車構造はやや複雑になるが、後輪のスポークの間の空間にぜんまい状バネを配置すれば全体がよりコンパクトにまとまる。
図は原理説明の為単純化しているが、同じ形状のぜんまい状バネを、車輪の左右に配置すれば構造が左右対称にまとまり、反発力も大きくなる。
また、ぜんまい状バネを巻き上げる減速時と、巻き戻る力を再利用する再加速時に変速装置の歯車選択を連動させることで、より効率の良い利用もできる。
【００１４】
具体的には、内装式変速装置で駆動用に使われている遊星歯車を本発明の遊星歯車とし、新たに追加したワンウェイクラッチと回転板に連動させる。
本来、内装式変速装置では固定されている中心軸歯車を、回転可能に改造して、本発明のバネ側歯車とし、ペダルによってチェーンに駆動力が加わる時だけワンウェイクラッチが働き、進行方向に回転できない構造とする。これは回転板のワンウェイクラッチとは別部材である。
減速時にはペダルが止まり、チェーンに力が加わらない為、中心軸歯車、つまりバネ側歯車は進行方向に回転可能となり、ブレーキシューによって車輪と密着、一体化して回転する回転板上の遊星歯車によって車輪の回転方向に回転してぜんまい状バネを巻き上げる。
再加速時には、バネ側歯車が巻き戻って車輪を前進方向に回転させる。通常の自転車と異なり、ぜんまい状バネが巻き戻る間はペダルを漕がず、巻き戻ってから漕ぎ始める。
巻き戻りの途中で漕ぎ始めることもできるが、この簡単な構造ではペダルに負担がかかる。
以上は、最も改造が少ない実施形態の一例であり、部品点数は増えるが、本来の内装式変速機構と本発明の機構を別に設けることによって、ぜんまい状バネの巻き戻る力がペダルに伝わらない機構とすることもできる。
また、この機構は前後輪に同時に設けることもできる。
【００１５】
基本原理を単純化して説明してきたが、実施に当たっては、いくつかの追加機構が必要となる。
最初に、自転車から下車する時に、最後の減速で蓄えられたエネルギーを解放する方法が必要となる。
機構を後輪に適用すれば、後輪を空転させてバネを巻き戻すことができる。
又、逆転防止づめを外して、回転板を空転させて巻き戻す方法も可能である。この場合、安全面から、ぜんまい状バネが一瞬で巻き戻らないようダンパーを設けることが望ましい。
制動操作中、ぜんまい状バネが巻き上げられるが、実際には長い下り坂等でぜんまい状バネの巻上げ回数を超えて制動を続ける場合がある。
基本構造のままでは、ぜんまい状バネが完全に巻き上げられた状態で車輪が停止する為、一例としては、バネ側歯車とバネの一端を完全固定ではなく、一定以上の力が加われば空転するような機構とする必要がある。
これらの追加機構を設けることで実施形態とすることができる。
尚、停止中はブレーキシューを押し当てておかなければ車輪が動き出す為、ぜんまい状バネが戻る方向へも別途回転防止づめを設け、その回転防止づめをペダルへの負荷によって解放する等の機構も安全対策として有効である。
【００１６】
制動作用について補足する。
この機構では、ブレーキシューに制動する力を加えると、回転板と車輪が密着してバネを巻き上げる為、車体に最低でも一定以上の制動力が働く。
つまり、それ以上強力な反発係数のバネを使うと緩やかな制動操作ができなくなる為、通常の運転で使用される制動力との兼ね合いでバネを選定する必要がある。
ぜんまい状バネを巻き上げる時、その負荷も制動力となるが、握力が弱くても一定の制動ができる、制動力補助装置と見れば利点でもある。
総合的な制動力はぜんまい状バネの巻上げ負荷とブレーキシューの摩擦力を加えたものになるので、緊急の場合は、ブレーキシューを強く押し付けることで車体を急停止させることができる。
【００１７】
実施の一例として、本発明の機構に近い構造を持つ内装変速装置に若干の改造を加えて、本発明の機構を構成する方法について補足する。
制動による減速曲線に比べて、再加速時の加速曲線は立ち上がりが速い為、制動操作と内装変速装置のギアシフトを連動させる方法がある。
つまり制動操作に連動して、車輪側ギアに対してバネ側ギアのギア比が高いギア比にシフトして、長い距離を使って反発係数の高いバネ、つまり強力なバネを巻き上げることで緩やかな制動操作が可能になり、同時により多くのエネルギーを蓄積できる。
再加速時には、短時間で大きな力が車輪に伝わって加速できるよう、制動操作の開放に連動して低いギア比にシフトする。
複雑になるが双方の機能が両立するような機構にすることで、再加速時には漕ぎ出しをバネの力が補助する機構にすることが望ましい。
制動操作の力加減、つまり緩制動か急制動かによってぜんまい状バネを巻き上げるギア比のシフトを切り替える方法も可能である。
共用するとしても、内装変速装置をそのまま使えるわけではなく、共用に伴う機構の追加で部品点数は増えるが、駆動用の内装変速装置と、減速時に蓄えたエネルギーを次の加速に利用する機構を全く独立して設ける方法に比べれば部品点数を削減できる。
【符号の説明】
【００１８】
1．車体
２．車軸
３．車輪
４．車輪側歯車
５．回転体
６．遊星歯車
７．バネ側歯車
８．ぜんまい状バネ
９．車輪側ブレーキシュー
１０．回転体側ブレーキシュー
１１．突起
１２．逆転防止づめ
１３．リム
【図１】
2015000659.tif 000003
【図２】
2015000659.tif 000004
【図３】
2015000659.tif 000005