(57)【要約】      （修正有）【課題】車輪走行動力軽減施策の基本原理の発見をもとに、駆動、従動車輪の動力を従来の５０％以下に軽減する。【解決手段】車輪のリムを車輪中心と同芯に、２つに分離する。リム側内周とハブ側外周の間にスペースを設け、このスペースに放射状にリンク３ｄを配置し、車輪部とハブ部３ｇをこのリンクでピン結合する。一方リンクの両端に設けるピン３ｆとの連結穴は、ハブ側は真円とし、車輪側は長円とする。この結果、ハブに車体重量がかかると、ハブは車体の中心より僅か下がり、車輪はハブに対して偏芯した状態で回る事になる。また、この偏芯から、車体重量は車輪最上部に取り付く１本ないし２本のリンクにぶら下がる形で保持される。この構造から、車体軸の回転あるいは牽引力は車輪最上部のリンクに作用し、リンクは微少角Δθだけ傾く。この微少角Δθが新規の転倒モーメントを車輪に与えることになる。この結果、車両の駆動、従動の動力が軽減できる。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車等の車輪を車輪側、ハブ側にリブ部で同芯に２分割し、両者の同芯２分割部に空間を設け、空間部に放射状にリンクを配置し、リンクで２分割部を、ピン結合することを特徴とする重力を動力の一部とする車両用エコ車輪及びその車輪を有する輸送装置。
【請求項２】
前記放射状リンクのピン穴を、ハブ側を真円とし、車輪側を長円とすることを特徴とする請求項１記載の重力を動力の一部とする車両用エコ車輪及びその車輪を有する輸送装置。
【請求項３】
前記リム部内周、ハブ部外周に円周溝を設け、両溝に前期放射状リンクを挿入、リンク側面が両円周溝に摺動自在とすることを特徴とする請求項１記載の重力を動力の一部とする車両用エコ車輪及びその車輪を有する輸送装置。
【請求項４】
前記リム部、リンク部、ハブ部を個々に分割製作できる事を特徴とする請求項１記載の重力を動力の一部とする車両用エコ車輪及びその車輪を有する輸送装置。
【請求項５】
前記リム部にリングガイド３mを設け、軸と一体の円板３ｎの外周を挟み込み、回転摺動可能とした事を特徴とする請求項１記載の重力を動力の一部とする車両用エコ車輪及びその車輪を有する輸送装置。
【請求項６】
前記放射状リンクを車輪ハブ断面の左右２箇所に設け、ハブ断面中央にハブと一体となる回転円板とリブからの円板摺動ガイドを設ける事を特徴とする請求項１記載の重力を動力の一部とする車両用エコ車輪及びその車輪を有する輸送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は自動車等車両の走行エネルギーを軽減する重力を動力の一部とする車両用エコ車輪及びその車輪を有する輸送装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の自動車等輸送装置は、駆動車輪と従動車輪で構成されている。図１、図２に従来技術による自動車を一例として挙げる。駆動車輪２による牽引力は車体本体１を介し、従動車輪３に伝達される。即ち、エンジンの回転トルクＴｑ０を駆動軸２aで車輪２ｃのハブ２に伝達し、ハブ２と車輪２ｃを一体とするリブ２ｂを介して車輪２ｃを回す。従動車輪はハブ内部に軸受を設け、車輪が自由に回るようにしている。
省エネルギーを考慮した輸送装置の先行技術調査結果、車体の振動をラック、ピニオンで捕らえ、ピニオンを発電機に直結し、走行時の電力を補充する例が特許文献１にあり、自動車のタイヤの回転を発電機に直結して、電力を得る方策が特許文献２で見られるが、輸送装置全体のエネルギー量を抜本的に削減する方策は見当たらない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許公開２００９−１０６０６４
【特許文献２】特許公開平０７−１４５７７６
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】力学    森田  鈞  著    機械教程新書〔２〕  理工図書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
石油等の化石燃料の枯渇および地球温暖化等地球規模での環境問題に対応すべく、燃料電池車、太陽電池車が開発されている。一方、燃料電池、太陽電池とも現状の車両等の機構では回転トルクが大きく、大掛かりな装置となり、燃費も良くない。また、乗用車に１００ｋＷ出力のエンジンを搭載する高級車を見かけるが、これはあまりにも大きく、いかにも不自然である。
本発明は、かかる状況に鑑み、小型小容量の燃料電池、太陽電池で現状と同等の車両走行性能を発揮する、新規なエコ車輪を有する輸送装置を提供するものである。
また、本発明の更なる目的は、すでに世に出ている自動車等車両の動力を軽減し、上記目的を達成する交換式の重力を動力の一部とする車両用エコ車輪及びその車輪を有する輸送装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
駆動車輪に関しては図３に示す如く、車輪リブ２ｂに楕円の内歯歯車２ｄを設け、これに駆動軸端部のピニオン２aを係合させる。この時、リブ２ｂに設ける楕円内歯歯車が車輪回転時、常時図３の位置を保つ事ができれば、車体重量は車輪２ｃの中心に対してΔＬだけ走行方向にずれる為、車体は車輪に対してΔＬ×Ｗの回転モーメントを与えることが出来る。この結果、走行動力を少なくすることができる。
更に、従動車輪では、図４に示す如く、リブ３ｂの上部に支点aを設け、従動軸３aと支点aをリンク３ｄで連結する。車輪３aが牽引されると、車輪３ｃ、リム３ｂが回転するが、この時、支点aの位置が図４の位置に保持できれば、牽引力Ｆ０がａ支点に働き、車輪の転倒モーメントがＦ０×ＲからＦ０×Ｒ’、即ち、Ｆ０×（Ｒ＋ｈ）と大きくなるため、動力は少なくて済む。
【０００７】
上記を達成するためには、２つの難問がある。１つは、駆動車輪リブに車輪回転時水平状態を維持して車輪に動力を伝達する楕円内歯歯車の機構をいかにして実現するか。２つは、車輪回転時リブ上部の支点aをいかにして固定するかである。
【０００８】
本発明は上記難問を解決し、所期の目的を達成したものである。
本発明の動作原理を図５、図６、図７、図８に基づいて詳述する。図５は本発明の基本動作原理を説明する一実施例の断面図で、図６は図５のＡ−Ａ視図、図７は本発明による駆動車輪、図８は従動車輪である。
【０００９】
初めに図５、図６に基づき構造を説明する。
３aは車軸で、軸端の３aaはハブ３ｇと係合し、３ｈはボルト３ｊでハブ３ｇを軸３aaに固定する。３ｃは車輪で、リム３ｂと一体にする。リム３ｂとハブ３ｇを分離させ、これを放射状に配置するリンク３ｄを用い、リム側ピン３ｆとハブ側ピン３ffで連結する。リム側ピン３ｆは車輪３ｃと同芯に、ハブ側ピン３ffはハブ３ｇと同芯とする。リンク３ｄは、ハブ側のピン穴は真円、リム側のピン穴は長円に加工する。この時、長円はリンク３ｄが真上にあるときに、長円の上部がリムピン３ｆの上部と接し、リンク３ｄが下方にあるときは、ハブピン３ffが長円の上下に接触しないようにする。こうして、車輪水平中心線とハブ水平中心線の偏芯がｅとなるようにリンク３ｄの穴寸法を定める。リンク３ｄは一方をハブ３ｇの円周溝に、他方をリム３ｂの円周溝に摺動自在に取付け車輪が左右に傾くのを防止する。
上記構造から、車輪軸３ａを支持するリンクは図６のＧ部分、即ちリンクａ、ｂ、ｃの３本となる。ただし、リンクが図６のように、１本のリンクが真上にある時は、リンクｂ一本で車体軸３aの全荷重を受け、真上に無い時はリンクａ、ｂか、またはリンクｂ、ｃの２本で全荷重を受けることになる。即ち、リンクａ、ｂ、ｃ以外のリンクは荷重を受けず、車輪の横倒れを防止する役目だけとなる。この動作が車輪回転時、連続して行われる。また、この横倒れは軸３と一体の円板３ｎをリムの円板ガイド３ｍで、更に車輪の横倒れの防止を図り、リンクの荷重条件を緩和している。
【００１０】
次に動作の基本原理を説明する。
図７は駆動車輪の例、図８は従動車輪の例である。両者の違いは、軸３ａがスプライン３aaで車輪と連結するか、ベアリング３ｋで結合するかの違いである。
【００１１】
先ず、駆動車輪について、図７により説明する。
駆動軸端３aaはスプライン結合であり、ハブ３ｇは駆動軸３ａと一体に回転する。
この時、Ｄ部に示すごとく、リンク３ｄは車輪の真上にあるため、車体重量Ｗはこの１本のリンクだけに作用する。
今、軸３aaがｂ方向に回転すると、車輪はｃ方向に回る。この時、車輪３ｃが大地と接している為、リンク３ｄは軸３aaのｂ方向回転により、Δθだけ傾く。この結果、リム部ピン３ｆには分力として水平方向の力Ｑが働く。このＱは  Ｑ＝ＷｔａｎΔθ  となり、車輪３aに転倒モーメントＭ１を与える。このＭ１は次式となる。
Ｍ１＝（Ｒ＋ｈ）ＷｔａｎΔθ・・・・・（１）
一方、従来の転倒モーメントＭ２は転がり摩擦係数をｆとすると、
Ｍ２＝Ｗｆ・・・・・（２）
従来と本発明の車輪の回転数は同じであるから、動力は転倒モーメントに比例する。
従って、動力効率ηは  η＝Ｍ２／Ｍ１  とも見做せるから、ηは下記となる。
η＝ｆ／（（Ｒ＋ｈ）ｔａｎΔθ）・・・・（３）
ｆの値は非特許文献１によれば、ｆ≦０．０５ｃｍ（鉄対鉄）、またＲ＝１５ｃｍ、ｈ＝４ｃｍとし、Δθ＝０．５度と仮定すると、ηは概略  η＝０．０５／（（１５＋４）ｔａｎ０．５°）＝０．３  即ち、本発明によれば、従来の３０％のエネルギーで走行できる。ただし、機械損失は無視するものとする。
【００１２】
また、従動車輪は、図８に示す如く、車軸３akとハブ３ｇの間にベアリング３ｋを設ければ良い。その他は、全く駆動車輪の図７と同様である。この場合も、車軸をｄ方向に牽引すると、車体重量を受ける真上のリンクはΔθだけ傾く。従って、車輪の転倒モーメントＭ３はＭ２と同じであり、動力効率は駆動と同様に３０％となる。
【００１３】
図９は、上記効率が正しいかどうかをモデル実験した結果である。
実験条件は下記の如くである。
（１）車輪は鉄板製で厚さ３．２ｍｍ、外形Φ３００ｍｍ、４車輪式
（２）荷重は１５ｋｇ、車体は鋼板で２本の軸をユニット軸受けで支持、車輪を従来の単なる鋼板式円板と、今回の発明品であるリンク付円板式の２台で比較検討。
（３）試験台は木製板に鋼板貼付け式
（４）従動荷重は、前輪車軸をばね秤で引張り、その際、安定した最大値を測定。
（５）駆動は前輪軸に２００ｍｍのレバーを固定し、レバーを水平に、ばね秤の引張り荷重が垂直下方となるようにしてトルクを測定した。このトルクは、レバーの長さが一定と、従来、新規とも車輪回転数が同じ事から、トルク比較はばね秤の荷重比較と同じである為、この荷重で、検証した。尚、動力＝トルク×角速度  であるため、この荷重比較は動力比較と同じである。
（６）リンク数は１２本。３０°分割式。
【００１４】
実験結果、下記が判明した。
（１）１２個の放射状配置リンクがリム板を挟む機構としたが、リンクと円板の組合せ誤差で動きが鈍くなる。円板の厚みを小さくして対応した。
（２）車輪上部のリンクを、リンク1本、リンク３本、リンク7本、リンク１２本と分割して実験したが、１２本の分割が安定した実験値が得られた。リンク長はピン間最長  ２３．５ｍｍ。
（３）リンク、ピン、円板、ハブ部とも滑り対偶で実験したが、データ値は計算値の約半分である。ただし、今回は発明の確実性検証と基本的データの取得とが目的で、実際に製品化する際は、用途により、転がり対偶を考慮する必要がある。
（４）実験結果は、本発明に依れば、駆動も従動もエネルギーが削減出来る事を実証した。
例えば，１．５°の上り坂勾配では、合計効率ηは  η＝η1×η２  であるから  図９から η＝０．５２×０．５３＝０．２８  即ちη＝０．２８、従来の２８％のエネルギーでよく、７２％の省エネとなる事が判明した。
（５）また、実験データは上記（３）の理由から、更に改善できるものである。
【発明の効果】
【００１５】
以上記載の如く請求項１の発明によれば、車輪部、リンク部、ハブ部の３ユニットに分割することから、車輪部内周径、ハブ部外周径を自由に設定でき、両者をピン結合するリンクの長さを自由に決める事が出来るため、最適エネルギー低減条件が見出せる。
【００１６】
また、請求項２の発明によれば、リンクのリム側ピン結合穴を長円とすることにより、ハブ部水平中心線と車輪部水平中心線の間にeなる偏芯が発生する。この結果、車体重量を受けるハブは、重量を車輪上部に位置するリンク１本から２本のみに作用させることになる。これは、図４で説明した仮想支点aの実現に成功したことを意味する。
また、リンクの傾きΔθは、図３で説明した楕円内歯歯車の考えΔＬと同等と言える。
従って、従来と車輪の回転数が同じで、トルクが軽減することから、走行動力が軽減出来るのである。
【００１７】
また、請求項３の発明によれば、リンクの両端をリム部円周溝、ハブ部円周溝に挿入することから、リンクの側面が各円周溝内面に接触するため、車輪の車軸に対する横倒れを防止する事が出来る。この結果、車輪は、軸に対し直角の状態を維持できるため、従来の車輪と同様、崩れることはない。
【００１８】
また、請求項４の発明によれば、車輪部、リンク部、ハブ部が個々に製作できることから、車体に適応するエコ車輪を自由に選択、組立可能であり、また、この３つのユニットを組立てておけば、エコ車輪のユニット化が可能で、従来同様簡単に車輪交換ができ、容易にエコ車輪を有する輸送装置が実現できる。
【００１９】
また、請求項５の発明によれば、車輪軸に一体となる円板が、リムの円板ガイドと摺動回転する事により、リンクの横倒れ防止機能が省略できる。この結果、リンクを省エネ機能だけとすることにより、より信頼性の高い、エコ車輪を有する輸送装置が実現できる。
【００２０】
また、請求項６の発明によれば、荷重の分担が左右に分けられ、それぞれ半分の強度で良く、更に、車輪の横倒れ防止機能も２倍になることから、ハブ断面中心の回転板とリム直結の横倒れ防止回転摺動リングの強度も維持しやすくなるため、軽荷重下ではコンパクトな、大荷重下では充分な強度を持つエコ車輪を有する輸送装置ができる。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
車輪のリムを車輪中心と同芯に分離する。この時、リム側内周とハブ側外周の間に放射状リンクが取りつかるスペースを設ける。放射状に配置するリンクは、ハブ側ピンと連結する穴は真円、リム側ピンと連結する穴は長円とする。これにより、車輪の偏芯駆動が可能となる。
ハブ軸穴は、駆動用はスプライン穴、従動用はベアリングが設置できるようにする。
更に、エコ駆動車輪またはエコ従動車輪として、各車輪を事前に組立ててユニット化すれば、従来車輪との交換が容易に行え、重力を動力の一部とする車両用エコ車輪及びその車輪を有する輸送装置が容易に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来例の自動車外観図である。
【図２】従来例の車輪断面図である。
【図３】本発明を説明する一番目の基本概念図である。
【図４】本発明を説明する二番目の基本概念図である。
【図５】本発明の１実施例を示すエコ車輪の断面図である。
【図６】本発明の１実施例を示す図５のＡ−Ａ視図である。
【図７】本発明の駆動エコ車輪のＡ−Ａ視図である。
【図８】本発明の従動エコ車輪のＡ−Ａ視図である。
【図９】本発明の効果をモデル実験で証明する説明図である。
【図１０】本発明を自転車に適用した場合の全景図である。
【図１１】本発明をオートバイに適用した場合の全景図である。
【図１２】本発明を二輪車に適用した時の駆動車輪断面図である。
【図１３】本発明を二輪車に適用した時の従動車輪断面図である
【図１４】本発明を特殊車両に適用した場合の全景図である。
【図１５】本発明を電車に適用した場合の全景図である。
【図１６】本発明を車椅子に適用した場合の全景図である。
【図１７】本発明を車椅子に適用した場合の駆動車輪断面図である。
【実施例１】
【００２３】
図５は、本発明を自動車に適用した時の１実施例を示す断面図、図６は本発明のＡ−Ａ視図、図７は駆動車輪のＡ−Ａ視図、図８は従動車輪のＡ−Ａ視図である。
先ず構造を説明する。３aは車体軸、３ｇはハブ、３ｈ、３ｊはハブ３ｇ固定金具、３aaは軸３aとハブ３ｇの接合部、３cは車輪、３ｂはリムである。３ｄはリム３ｂとハブ３ｇを連結する放射状に配置したリンクである。ピン３fはリム３ｂに取り付け、リンク３ｄの長穴に接するピンであり、３ffはハブ３ｇに取り付け、リンク３ｄの真円と結合するピンである。３ｆのピンと３ffのピンはそれぞれ、リム３ｂ、ハブ３ｇと同芯であるが、リンク３ｄの長円３ｄｄの効果で、図６に示すごとく、ハブ３g’はeだけ下方に下がり、ハブ３ｇは車輪３ｃに対し、eだけ偏芯して走行する。
この結果、車軸３aにかかる重量はリンク３ｄ１本か、aとｂ、またはｂとｃの２本のリンクにかかる。従って、車軸３aは車輪３ｃにぶら下がった形で走行する。一方、リンク３ｄはリム３ｂの円周溝３ｂ及びハブ３ｇの円周溝３ggに滑合状態で取りついているため、車輪３ｃの横倒れが防止できる。
【００２４】
以上の結果、駆動車輪は図７に示す３aaをスプラインとすればよく、従動車輪は図８に示すごとく軸３akとハブ３ｇの間にベアリング３ｋを入れればよい。
次に機能について説明する。
図７、図８の駆動、従動ともＤ部に示すごとく、軸３aaがｂ方向に回り、軸に３akがｄ方向に牽引されると、最上部のリンク３ｄはΔθだけ傾く。Δθは微少値であるが、ピン３ｆに働く水平方向の力Ｑは  Ｑ＝ＷtanΔθ  となり、転倒モーメントＭ１は  Ｍ１＝（Ｒ＋ｈ）ＷtanΔθ・・（１）  となり、従来の転倒モーメントＭ２    Ｍ２＝Ｗｆ・・（２）  と比較すると、従来の５０％以下と極めて小さいトルクで動くことになる。ここで、車輪の回転数は従来と同じであるから、トルクが小さくなれば動力も小さくなる。この結果、従来と同等の速度特性を出すのに要する化石燃料エンジンの出力、電池類の出力が半分以下で済むことになる。
【実施例２】
【００２５】
図１０、図１１は、自転車、オートバイに本発明を適用した実施例である。自転車もオートバイも動力が人力か内燃機関かの違いで、駆動、従動車輪の基本的構造は同じである。図１０、図１１の５１は駆動車輪に本発明を適用した例、５２は従動車輪に本発明を適用した例である。
【００２６】
図１２に駆動車輪を、図１３に従動車輪の実施例の詳細を示す。先ず図１２で駆動車輪の構造を説明する。
５１に全体の構成を示す。ここで、５８は車体５４aと連結する回転軸で、ハブ３ｄを回転自在に支持する。５７はチェーン駆動用スプロケットでハブ３gと一体に組み込む。５９はリム５６とハブ５gとをピン３ｆ及び３ffで連結する放射状に配置したリンクである。さらに、スポーク５３は、リム５６と車輪５４のリム５４aを結合し車輪の座屈を防止している。この場合も、リンク５９のリム５６側の穴は長円とし、ハブ５ｇ側は真円とする。この結果、ハブ３ｇが回転駆動すると、放射状配置のリンク５９も回転するが、リンク５９に長円があるため、ハブ３ｇと車輪５４とは下方に偏芯する。この結果、ハブ３ｇに加わる重量は車輪５４の上部１本ないし２本のリンクで受けることになり、駆動時、最上部リンク５９に図７同様のΔθなる角度変化が生じる。これが、駆動力の軽減、牽引力の実現につながる。
【００２７】
次に、図１３で従動車輪について説明する。
従動車輪５２は、駆動車輪５１のハブ３ｇに駆動用スプロケット５７が無いだけで、その他は構造も機能も全て駆動車輪５１と同様である。
【実施例３】
【００２８】
図１４は特殊車両の一例としてフォークリフトを、図１５は電車を例に本発明を適用した実施例を示す。図１４では、フォークリフト７の駆動車輪７１に図７のエコ駆動車輪を適用、従動車輪７２に図８のエコ従動車輪を適用した実施例を示す。図１５では、電車８の駆動車輪８１に図７のエコ駆動車輪を適用、従動車輪８２に図８のエコ従動車輪を適用したエコ車輪を有する輸送装置の実施例を示す。
【実施例４】
【００２９】
図１６は、車椅子に本発明を適用した実施例を示す。車椅子９は、車輪９ｂを手動車輪回転用ハンドル９４で構成されるが、車輪ハブ９１に本発明のエコ駆動車輪が適用できる。この詳細を図１７に示す。
５４aは車椅子本体の車輪受けステー、５８はこのステー５４aと一体となる軸で、ハブ３ｇを回転自在に保持している。このハブ３ｇに連結するボス９２と手回しハンドル９ｂをスポーク９３で連結する。車輪部を図５１と同様にすれば、車椅子を動かす手の力は軽減できる。
【００３０】
このように、本発明は、重力場を車輪で走行するものであれば、宇宙車両や乗用車およびトラック等の動力車のみならず、手押し台車の車輪にも、キャスターにも適用でき、あらゆる輸送装置に適用できる。
【符号の説明】
【００３１】
１：自動車
２：駆動車輪    ２a：回転駆動部    ２ｂ：リム    ２ｃ：車輪
２ｄ：楕円内歯歯車    ３a：牽引軸    ３ｄ：リンク    a：仮想支点
３a：回転駆動軸    ３ｇ：ハブ    ３ｄ：リンク    ３ｂ：リム
３ｃ：車輪    ３ｆ、３ff：ピン    ３ｎ：回転円板    ３ｍ：円板ガイド
e：偏芯量    Ｄ：リンクに働く力    Ｒ：車輪の半径
ｈ：車輪中心から上部リムピンまでの寸法    ３aa：スプライン
３ak：ベアリング    ５：自転車    ５６：ハブ    ５７：スプロケット
５９：リンク    ６：オートバイ    ７：特殊車両    ８：電車    ９：車椅子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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