(57)【要約】      （修正有）【課題】自転車により比較的急な坂道を登るとき、または加速走行をするとき、人力で不足する駆動動力を補助する装置が提案されているが、重量があるため手押しに困難を伴い、かつ動力の供給時間が限定されると共に、補助動力用エネルギーの供給容量に限界がある上に、装置の劣化による定期的交換が必要である。ゆえに、補助駆動装置の軽量化と簡易化、重量当たりの出力の向上、および供給用エネルギーの容量の増大が課題である。【解決手段】駆動トルクを発生するぜんまい装置、該トルクの伝動により回転作動して生成される慣性運動を持続するコースタクラッチ、およびぜんまいを巻き戻してエネルギーをぜんまい装置に蓄積する装置とから構成される機械式の自転車への内装型補助動力装置を提供する。【選択図】図１
2005297933.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻上げられたぜんまいの弛緩により駆動トルクを発生するぜんまい装置、該トルクの伝動により回転作動し、かつ自転車後輪のハブシェル内壁に係合すると共に、前記転作動により惰性運動を生成してハブシェルに回転運動を与えるコースタクラッチ、および発生した駆動トルクの伝動によりエネルギーを消費したぜんまい装置にエネルギーを蓄積するぜんまい巻戻し装置とから構成されることを特徴とする自転車内装型補助動力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】この発明は、自転車が坂道を登るときや加速するときに遭遇する走行抵抗を克服し、それによって自転車の快適な走行を維持し得るように、機械的手段により動力を提供する補助動力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】従来の自転車は、走行抵抗の変化に応じた駆動力を得るために、変速機によって歯車比を選択する機構を備えているが、その選択幅に限界があるために、走行抵抗の変化する範囲全体にわたって変速機が対応することは不可能である。したがって走行抵抗の大きなばあいは、踏力を増したりペダリングピッチ落としたりする対応に迫られて、乗り手のペダリングリズムを乱して疲労を招くばかりでなく、駆動力不足のため走行不能で下車を余儀なくされるばあいがある。
【非特許文献１】自転車産業振興協会編：自転車実用便覧第五版、平成５年８月改訂
【非特許文献２】渡辺茂著、ごま書房刊：自転車の科学、昭和４９年４月初版
【非特許文献３】服部四士主著、講談社刊：自転車の科学、昭和５７年６月発行
【特許文献１】登録実用新案公報：第３０８６３４０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】自転車が平坦な路面を走行するばあいは、軽いペダル踏力により一定のペダリングピッチでの快適な走行が可能であるが、急な坂道の登り走行や加速走行では必要とするペダル踏力が大き過ぎて、従来の変速機のみの駆動手段では対処し得ない。なおこの事態を克服するために電動機による補助動力装置が提案され、実用に供せられて利便性の向上に寄与している。しかしながら電動機自身とそれに組み合わされる電池とを合わせた重量が大きいために、これらを搭載した自転車の手押しに困難を伴い、さらに電池の一回当たりの充電可能量に限界があって一度の充電での走行可能距離が限られる。ゆえに頻繁な充電作業を要するのみならず電池の劣化が進んで定期的な代替えが求められる。【０００４】したがって、自転車の補助動力装置の重量を軽減して自転車の手押しを容易にすると共に出力／重量の比率を増大して単位重量当たりの出力を向上し、さらに連続して供給可能なエネルギー量／重量の比率を増大して単位重量当たりのエネルギー供給可能量の向上を実現する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】この発明はこのような課題に着目し、駆動トルクを発生するぜんまい装置、該トルクの伝動により回転作動して発生する慣性運動を持続するコースタクラッチ、およびぜんまいを巻戻してエネルギーをぜんまい装置に蓄積する装置とから構成される機械式の自転車への内装型補助動力装置の提供を目的とする。【０００６】この発明の目的は、以下に説明する特徴をもつ補助動力装置を提供することにより達成される。すなわち、この装置は機械的に回転運動を生成する動力発生源としてのぜんまい装置、回転により回転の慣性運動と回転の軸方向への移動を生起するコースタクラッチ、およびぜんまい装置にエネルギーを蓄積するぜんまい巻上げ装置とを主構成要素とする。ハンドルに取り付けられたレバーなどにより、コントロール・ケーブルを介してぜんまい装置を作動操作すると、コースタクラッチが回転軸の軸方向に移動して車輪に連動するハブシェルの内壁に設けたテーパ面に係合する。同時にコースタクラッチは惰性により回転運動を持続し、この運動がハブシェルを介して車輪に伝動される。惰性運動が減衰するとコースタクラッチは原位置に復帰し、ハブシェルとの係合を解除する。起動により蓄積エネルギーを放出し、伸びきったぜんまいの巻軸がハブシェルの回転運動に連動する回転機構によって回転駆動し、それにより伸びたぜんまいが巻き上げられて、回転エネルギーが蓄される。ハンドルに取り付けられたレバーなどによりぜんまい装置の作動を停止しない限限り、前記補助動力の動作は反復される。
【発明の効果】
【０００７】この発明によれば、第一に回転部材としてのコースタクラッチの慣性運動を動力源として利用するので、従来にみられない簡便性と経済性が得られるという特徴がある。第二に補助動力は、自転車の走行中に継続して得られるので、電動式補助動力など従来装置のように動力源を自転車に搭載する必要がないという特徴がある。第三にこの発明の補助動力装置は、実施例に詳述するようにおよそ０．５ｋｇｆ以下の重量で構成でき、かつその出力は５５ｗであるから、出力／重量比は１１０ｗ／ｋｇｆ以上になるという高性能を提供できる特徴がある。第四に、動力は自転車の走行に伴って生成されるので、動力の供給能力は無限にあるという特徴を有する。第五に、この発明になる装置は全てハブシェル内蔵式なので、汎用型自転車の一部の機能要素として構成することができるという特徴がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】この補助動力装置は三つの機能からなる。第一は動力発生機能、第二は伝動機能、そして第三は動力蓄積機能である（図１参照）。動力発生機能はぜんまい装置からなる。巻き上げられたぜんまいの外端を固定し、ぜんまいの内端に連なる巻軸を動力放出端として構成して、通常は緊締弛緩具によりこの動力放出端を緊締している。動力を放出するときはハンドルに設けたレバーにより弛緩操作をする。この操作はコントロール・ケーブルを介してぜんまい装置の動力放出端に設けた緊締弛緩具に伝達され、巻軸が回転起動して動力が放出される。【０００９】巻軸が回転起動すると、これに連動する伝動機能に動力が伝達される。伝動機能は慣性運動生成装置を具備するコースタクラッチで、これを支承する軸はぜんまいの巻軸と同心に配置される。巻軸と一体に回転円板が設けられ、これに対向する慣性運動生成装置の側面が圧縮ばねにより軽くこの回転円板に押圧される（図２ａ参照）。ぜんまい装置が起動してその巻軸が回転を始めると、ぜんまい装置に装備された回転円板の回転に伴い、慣性運動生成装置はその側面の摩擦作用により回転を開始する。慣性運動生成装置は慣性質量を内蔵し、その回転につれて慣性運動を生成する。この運動により回転運動を持続させると共に回転軸の軸方向に移動する力を生成するように構成される（図６参照）。この力によりコースタクラッチは惰性により回転運動を保持しながら軸の方向に進み、ハブシェルの内壁に係合して回転運動をハブシェルに伝達する。【００１１】回転トルクを出力するハブシェルと駆動トルクを創成するぜんまい装置との間に動力蓄積機能としてぜんまい巻戻し機構が設けられる（図１参照）。ハブシェルの回転に伴いぜんまい巻戻し機構が回転作動し、これに連動するぜんまいの巻軸が巻き戻されて、ぜんまい装置にエネルギーが蓄積される。
【実施例】
【００１２】次に図面を参照してこの発明の実施例につき詳細に説明する。図１に示すように、補助動力装置は動力発生機能１０、伝動機能２０、および動力蓄積機能３０の三機能からなる。図２ａ，３に示すように動力発生機能１０はぜんまい１１とぜんまい巻軸１２とを主構成要素とし、該軸１２は収容具１３に収容されたぜんまい１１を支承すると共に、一体に回転する回転円板１４を固着する（図２ａ参照）。ぜんまいの外端１１１は固定具１３１により収容具１３内壁に固定され、その内端１１２は巻軸１２に締結される。該内端１１２はぜんまい１１の操作端で、不作動時は巻上げられたぜんまいをそのまま固定するように作用し、作動時は固定状態を解放してぜんまいを弛緩するように作用する緊締弛緩具を具備する（図示せず）。伝動機能２０はコースタクラッチ２１とこれに一体に構成される慣性運動生成装置２２とを主構成要素とし、共にぜんまい巻軸１２と同心に配列した支持軸２３に滑動可能に支持される。コースタクラッチ２１の外周にはテーパ面２１１か形成され、これに対向するテーパ面５２１をもつ動力受容体５２がハブシェル５１の内部に設けられる。ぜんまい巻軸１２と支持軸２３とは共に中空で内部をハブ軸５５が貫通する。【００１３】不作動時、コースタクラッチ２１は支持軸２３に同心に設けられたばね２４を介して動力受容体５２から押圧されて、動力発生機能１０の回転円板１４に密着している（図２ａ参照）。自転車の乗り手がハンドルに取り付けられた操作レバーなどを操作し、コントロール・ケーブル（図示せず）を介してぜんまい装置のぜんまい１１の操作端１１２を弛緩すると、ぜんまいの巻軸１２が回転起動して動力が放出され、駆動トルクが回転円板１４がら慣性運動生成装置２２に伝達される。それに伴い慣性運動生成装置２２が回転し、コースタクラッチ２１が軸方向に移動して図２ｂに示すようにハブシェル５１内部の動力受容体５２に係合する。【００１４】ぜんまい１１は材質ＳＫ−５からなる鋼帯で、その寸法は厚さ１．２ｍｍ、幅１３ｍｍ、長さ１５５０ｍｍであって、重量はおよそ０．２ｋｇｆである。このぜんまいのばね定数は一巻き当たり約１．５Ｎｍの値を示し、巻数と発生トルクとの関係を示す特性は図７に示すとおりである。いま巻数を１０とすれば、起動時に約１５Ｎｍの駆動トルクを発生する。このトルクにより慣性運動生成装置２２が回転駆動され、それに伴ってばね２７により中心に向けて押圧されている球体２５に遠心力を生じて図２ａに示す位置から図２ｂに示す方向に移動する。図７はこれらの力関係を説明するベクトル図で、遠心力Ａが発生すると球体２５は分力Ｂにより案内溝２６に沿って移動する。同時に分力Ｃの作用で回転軸２３に沿ってコースタクラッチ２１が動力受容体５２に向けて移動する。案内溝２６はｎ本（図４のばあいは４本）でそれぞれに質量Ｍの球体２５が設けられていて、ＡとＢとのなす角度をαとすれば、Ｂ＝Ａ／ｃｏｓα、Ｃ＝Ａｔａｎαの関係がある。質量Ｍの回転軸心からの距離をｒとし、コースタクラッチ２１の回転角速度をωとおけば、質量Ｍの慣性モーメントは４Ｍｒ２として表される。球体２５には鋼材を使用し、コースタクラッチ２１にはプラスチックを使用することから軽���のコースタクラッチの質量は除外して扱う。コースタクラッチ２１のトルクはＴ＝ｎＭｒ２（ｄω／ｄｔ）として表現され、質量Ｍにかかる遠心力はＡ＝ｎＭｒω２として表される。ゆえに球体の質量と個数、ならびに回転軸心から球体までの寸法を指定し、適宜回転の速度と加速度を採用することで必要なトルクと遠心力が得られる。またいま動力をＷとすればＷ＝Ｔ・ωの関係があるから、既知の数値であるＴ＝１５Ｎｍをもつぜんまいに適当な角速度を付与する巻き方をすることにより、所望する補助動力が得られる。【００１５】自転車の荷重、すなわち乗り手と自転車の合計重量が７５ｋｇｆで、３°勾配の坂道を登るばあい、約４ｋｇｆの走行抵抗を生じる。平坦な道路を走るばあい、その走行抵抗は約１ｋｇｆであり、そのスピードは通常毎時２０ｋｍ以下であることが知られているから、その出力は５５（ｗ）程度以下である。ゆえに、３°勾配の坂道を登るばあいのスピードを毎時１０ｋｍとすれば、出力はおよそ１１０（ｗ）であるから、所要の補助動力はこの出力から平坦な道路の走行出力、すなわち人力による出力の５５（ｗ）を差し引いた値の５５（ｗ）程度となる。既述のようにぜんまいの重量はおよそ０．２ｋｇｆであり、そのケーシングとコースタクラッチをプラスチック製とすることにより、回転部材の重量を０．５ｋｇｆ以下で構成することは容易で、したがって出力／重量比が１１０（ｗ／ｋｇｆ）以上の高性能を提供することができる。【００１６】動力蓄積機能３０はハブシェル内壁に設けた内歯歯車３１、ぜんまい巻軸１２に取付けた歯車３２、および両歯車３１と３２の間に介在する三個の歯車を一体に構成した連携機構３３からなる伝動系によりハブシェル５１の出力の一部を取り込んで、巻軸１２の巻き上げに資する。歯車３２は連携機構３３から三点支持された安定な配置を採っている。歯車３２は止め具３４と押圧具３５とに挟まれ、巻軸１２に固定される連結具３７から押圧するばね３６により止め具３４と押圧具３５とに対する摩擦板として作用する。それによって所定のばね巻上げ力を超えないように力の伝達を限定している。【００１７】動力受容体５２に係合しているコースタクラッチ２１の惰性運動が減衰すると、球体２５に作用する力Ａの減少に伴い力ＢとＣとが小さくなり、球体２５がばね２７に押し戻されると共にばね２４の作用によってコースタクラッチ２１が押し戻されて動力受容体５２との係合を解除する。この段階でぜんまい１１は完全に弛緩した状態にあって、巻軸１２は歯車３２、連携機構３３、歯車３１を介してハブシェル５１のトルクの一部を受容し、回転してぜんまい１１を巻き上げる。巻き上げにより動力が蓄積された段階で、歯車を具備する摩擦板３２が対向する止め具３４と押圧具３５とに対して滑り現象を生じてトルクの伝達が遮断される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】自転車の駆動システムを説明するブロック線図。各機能ブロックはこの発明の補助動力装置。ハブシェルにこの補助動力装置が収容される。二重線に囲まれた両機構は人力による駆動系を示す。
【図２ａ】動力発生機能の作動前の配列を説明する軸線に沿った縦断面図。
【図２ｂ】動力発生機能の作動後の配列を説明する軸線に沿った縦断面図。
【図３】動力発生機能の構成を説明する図２ａにおけるＡ−Ａ線横断面図。
【図４】動力発生機能の構成を説明する図２ｂにおけるＢ−Ｂ線横断面図。
【図５ａ】動力蓄積機能の配列を説明する軸線に沿った縦断面図。
【図５ｂ】動力蓄積機能の配列を説明する図５ａにおけるＣ−Ｃ線横断面図。
【図６】伝動機能のコースタクラッチに発生する力の関係を説明するベクトル図。
【図７】動力発生機能のぜんまいの特性を説明する線図。
【符号の説明】
【００１９】１１  ぜんまい
１２  ぜんまい巻軸
１３  ぜんまい収容具
１４  回転円板
２１  コースタクラッチ
２２  慣性運動生成装置
２３  コースタクラッチ支持軸
３２  ぜんまい巻軸の巻上げ用歯車
５１  ハブシェル
５２  動力受容体
５５  ハブ軸
【図１】
2005297933.tif 000003
【図２ａ】
2005297933.tif 000004
【図２ｂ】
2005297933.tif 000005
【図３】
2005297933.tif 000006
【図４】
2005297933.tif 000007
【図５ａ】
2005297933.tif 000008
【図５ｂ】
2005297933.tif 000009
【図６】
2005297933.tif 000010
【図７】
2005297933.tif 000011