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技術 左右脚別にギヤ倍数を設けた非円形形状の自転車ギヤ

出願人 株式会社スミス
発明者 矢口昌義
出願日 2015年9月3日 (5年8ヶ月経過) 出願番号 2015-187397
公開日 2017年3月9日 (4年2ヶ月経過) 公開番号 2017-047875
状態 特許登録済
技術分野 車両の乗手推進、伝動装置
主要キーワード 円ギア ローラー間隔 テコ比 ギヤ板 クランク長さ ギア板 加工機械用 楕円ギヤ
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年3月9日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (11)

課題

個人の個別性により適合した非円形ギヤを提供する。ペダルをこぐ選手本人の左右脚脚力の差に対応することで、より効率よく自転車を走らせることが出来る。

解決手段

クランクが左右それぞれ前側の水平位置に来た際のチェーンと接する箇所までのギヤ半径左右独立したものとする事で左右脚ごとに必要トルクを設定することが可能となり弱い脚側クランク角速度を上昇させ、また逆には強い脚側のクランク角速度を低下させ、その角速度の差を小さくすることで車体速度加減速を小さくする。この事によって同じ速度で走行する際に必要とされる出力を抑えることが可能になる。

概要

背景

従来、自転車フロントギヤは真円形であるか楕円形、非円形のものが存在した(特許文献1)。楕円形、非円形のものはそれらが意図した外輪郭形状をしていたが自転車をこぐ個人体格脚力といった個人の個別性に合わせたものではなく、市販品として提案された外輪郭形状がその個人の特性に適合しているとは言えなかった。
またペダルをこぐ人の脚力には左右の差があるが従来品ではこの脚力の左右の差には対応できていないという問題点があった。従来は個人が自転車のペダルをこぐ際のベクトルについて知り得る手段は無かったが近年市販されたパイオニア社の車載型ペダリングモニターの登場によって選手個人が自身がペダリングしている際のベクトルについて図2のように簡単に観察、記録できるようになった。
これにより各個人のベクトル方向や力の大きさへの関心や認知が高まり非円形ギヤの外輪郭形状を個別に吟味することが可能になった。

従来は真円形のギヤが主流でクランク角度によってペダル踏力の大きな変化が発生していてもそれに対応できず人体運動によって発生させるエネルギーを無駄に損失させていた。
その状況を改善すべく様々な楕円ギヤ、非円形ギヤが登場したがその外輪郭形状を決定する根拠は画一的なもので自転車のペダルをこぐ選手個人の個別性に対応するものではなかった。
よって真円形ギヤ以外を使用してもその効果や恩恵に預かることは希有であった。
外輪郭形状が量産のため画一的で個別性に対応できなかった最大の原因は、チェーンを駆動するギヤの歯先形状インボリュート曲線等にする必要があり、その一歯一歯を楕円なり非円形をした輪郭線に沿わせて作図することが大変に困難だったためである。
また例え作図できたとしても製造工程において例えばギヤの歯先専用の加工機は真円に対応した機構を有しており楕円、まして非円形に対応することが出来ない。またはプレス加工によって製造されるため金型を個別性に合わせて変えることはコストの制約上できない。またCADCAMを用いていても都度、形状を変更させることは工数がかかり過ぎ製品価格が高価になる。
以上の3大要因によって真円形ギヤや画一的な輪郭形状のギヤ形状以外では多様な外輪郭形状のものを多品種少量生産することは極めて困難であった。

概要

個人の個別性により適合した非円形ギヤを提供する。ペダルをこぐ選手本人の左右脚の脚力の差に対応することで、より効率よく自転車を走らせることが出来る。クランクが左右それぞれ前側の水平位置に来た際のチェーンと接する箇所までのギヤ半径左右独立したものとする事で左右脚ごとに必要トルクを設定することが可能となり弱い脚側クランク角速度を上昇させ、また逆には強い脚側のクランク角速度を低下させ、その角速度の差を小さくすることで車体速度加減速を小さくする。この事によって同じ速度で走行する際に必要とされる出力を抑えることが可能になる。

目的

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、個人の個別性により適合した非円形ギヤを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

円盤状の外輪郭が真円ではなく意図した非円形輪郭形状なることを特徴とする自転車駆動装置の自転車中央のクランク軸に装着されるギヤ

請求項2

右脚ペダル踏力を発揮するクランク角度で作用するギヤ倍数左脚がペダル踏力を発揮するクランク角度で作用するギヤ倍数が左右で異なるよう非円形の輪郭形状が設計された請求項1の特徴を有するギヤ。

請求項3

脚がペダルを踏む際、クランク角度に応じてギヤ倍数が変化する外輪郭形状を有する請求項1の特徴を有するギヤ。

技術分野

0001

本発明は、人間が自転車ペダルをこぐ際の効率を高め、また左右脚の力の違い、またはクランク角度により適したギヤ倍率に変化させることで走行効率を高めより素早く効率よく自転車を走らせる自転車ギヤを発明するものである。

背景技術

0002

従来、自転車のフロントギヤは真円形であるか楕円形、非円形のものが存在した(特許文献1)。楕円形、非円形のものはそれらが意図した外輪郭形状をしていたが自転車をこぐ個人体格脚力といった個人の個別性に合わせたものではなく、市販品として提案された外輪郭形状がその個人の特性に適合しているとは言えなかった。
またペダルをこぐ人の脚力には左右の差があるが従来品ではこの脚力の左右の差には対応できていないという問題点があった。従来は個人が自転車のペダルをこぐ際のベクトルについて知り得る手段は無かったが近年市販されたパイオニア社の車載型ペダリングモニターの登場によって選手個人が自身がペダリングしている際のベクトルについて図2のように簡単に観察、記録できるようになった。
これにより各個人のベクトル方向や力の大きさへの関心や認知が高まり非円形ギヤの外輪郭形状を個別に吟味することが可能になった。

0003

従来は真円形のギヤが主流でクランク角度によってペダル踏力の大きな変化が発生していてもそれに対応できず人体運動によって発生させるエネルギーを無駄に損失させていた。
その状況を改善すべく様々な楕円ギヤ、非円形ギヤが登場したがその外輪郭形状を決定する根拠は画一的なもので自転車のペダルをこぐ選手個人の個別性に対応するものではなかった。
よって真円形ギヤ以外を使用してもその効果や恩恵に預かることは希有であった。
外輪郭形状が量産のため画一的で個別性に対応できなかった最大の原因は、チェーンを駆動するギヤの歯先形状インボリュート曲線等にする必要があり、その一歯一歯を楕円なり非円形をした輪郭線に沿わせて作図することが大変に困難だったためである。
また例え作図できたとしても製造工程において例えばギヤの歯先専用の加工機は真円に対応した機構を有しており楕円、まして非円形に対応することが出来ない。またはプレス加工によって製造されるため金型を個別性に合わせて変えることはコストの制約上できない。またCADCAMを用いていても都度、形状を変更させることは工数がかかり過ぎ製品価格が高価になる。
以上の3大要因によって真円形ギヤや画一的な輪郭形状のギヤ形状以外では多様な外輪郭形状のものを多品種少量生産することは極めて困難であった。

先行技術

0004

特開平09−020281号公報

発明が解決しようとする課題

0005

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、個人の個別性により適合した非円形ギヤを提供することを目的とするものである。

課題を解決するための手段

0006

各個人がペダリングモニタ等のベクトル測定装置で測定した結果を分析し3D−CADで非円形ギヤの外輪郭形状を設計する際に反映し個別、または少量多品種マシニングセンタ等のNC工作機械によって非円形ギヤを製造し販売提供することを特徴とする。
こうして、本発明に係るギヤは、各個人がペダリングモニタ等のベクトル測定装置で測定した結果を分析し3D−CADで非円形ギヤの外輪郭形状を設計する際に反映し個別、または少量多品種でマシニングセンタ等のNC工作機械によって非円形ギヤを製造し販売提供することを特徴とする。
本発明において、円盤状の外輪郭が真円ではなく意図した非円形の輪郭形状なることを特徴とする自転車駆動装置の自転車中央のクランク軸に装着されるギヤであることが好ましい。
また、右脚がペダル踏力を発揮するクランク角度で作用するギヤ倍数左脚がペダル踏力を発揮するクランク角度で作用するギヤ倍数が左右で異なるよう非円形の輪郭形状が設計されたことが好ましい。
また、脚がペダルを踏む際、クランク角度に応じてギヤ倍数が変化する外輪郭形状を有することが好ましい。

発明の効果

0007

本発明によれば、ペダルをこぐ選手本人の左右脚の脚力の差に対応することでより効率よく自転車を走らせることが出来る。

図面の簡単な説明

0008

ペダル踏力のベクトル図である。 各クランク位相でのベクトル合力図である。グラフは、各クランク位相での両選手個別のクランク軸のトルク曲線である。水平位相でのクランク長ギヤ半径とのテコ比を示す図である。下死点でのクランク長とギヤ半径とのテコ比を示す図である。 グラフは、各クランク位相での左右脚別のクランク軸のトルク曲線である。 グラフは、各クランク位相での角速度を示した曲線である。クランク水平位置で右脚が水平位置にある際のギヤ半径と左脚のそれに差をつけた作用原理解説した図である。 本実施形態の原理適応した結果、右脚と左脚の角速度がほぼ等しく調節されたことを示す概念図である。非円形ギヤを選手個人の測定結果から個別の最適形状を算出し製造するフローチャートである。

実施例

0009

以下、ペダリングモニタ装置を用いた非円形ギヤの外輪郭形状の実施例について、図1図10を参照して説明する。

0010

図1には、自転車の操作者が、クランクのアーム20を踏むときのペダル踏力をベクトル図として示したものである。自転車ギヤ板10は、軸の中心00を中心として、所定の方向に回転する。自転車ギヤ板10には、左右一対のクランクのアーム20が、中心00から互いに反対方向に延設されている。アーム20の先端付近には、ペダル軸中心30が設けられており、ここには図示しないペダルが回転可能に取り付けられている。符号40は、仮想的な真円ギア板の輪郭を示す仮想線である。本実施形態では、ギア板10は真円ではなく、所定の非円形の輪郭形状とされている。
操作者がペダルを踏むと、ペダル踏力は、合力52として作用する。この合力52は、クランクの回転方向に対して、垂直方向(アーム20の延長方向)に作用する法線分力50と、クランクの回転方向(アーム20の延長方向に対して垂直な方向)に作用する接線分力51とに分解して示すことができる。

0011

理想的には、ベクトル合力52はギヤ板10を回転させる接線分力51と同じ方向、つまり法線分力50は働いていない事が最高の効率を示す。しかしながら、自転車の競技選手であっても、相当なロスを示すことが分かった。図2には、自転車競技選手がペダルを踏むときのベクトル合力を測定システム(例えば、パイオニア製ペダリングモニターセンサー)を用いて実験計測した結果を示す。測定システムは、ペダル踏力の合力を左右別々に測定できる。図2中の矢印に示すように、ベクトル合力52は、回転方向(接線方向)に対して、相当な傾きを示している。各クランク位相において、理想的な効率の良いベクトル合力52を示す(すなわち、回転方向に沿った方向を示す)のは、クランク一回転360°の中で図2右側のクランク水平付近の僅か60°程度の角度範囲に限られる。

0012

図3は、A選手とB選手の二名について、各クランク位相においてクランク軸に作用するトルク(のうち右側脚のみ)を測定したものである。クランクが上端を向いている位置を0°とすると、最も踏力が強いのは、クランクが90°付近にあるところであり、後側(180°〜360°(再び0°となる位置))にあるときには、負の踏力となっている(このとき、逆側の脚の踏力によって、クランクの回転が維持される)。大きな傾向は同様であるものの、A選手、B選手の比較からも判るように人間がペダルを漕ぐ際に発生させるトルク曲線には大きな個別差があることが判る。

0013

また、図6には、同一人物において、左右両脚の踏力を測定した結果を示した。通常、個人には利き足があり、利き足側の踏力が、より強くなっている(図6の者では、右脚が利き足)。自転車を速く走らせるためには、この左右両脚の踏力の差が少なく、できるだけ左右均等に踏力を作用させることが好ましい。
非円形ギヤでどうやって図6にあるような左右脚の踏力の差を解消するのかを図4図5を用いて解説する。チェーン60は常に図4の12時付近でギヤ板10と待遇する。ペダルを踏んでクランクがどの位相に動いてもチェーン60がギヤ板10と待遇する接点の位置は不変である。本発明では、このクランク位相とチェーン60とギヤ板10が待遇する箇所の独立性を利用する。
つまりクランク軸芯00からチェーン60と待遇する接点までの半径を各クランク位相別に調節することでギヤ比を任意に可変させることが出来るわけである。

0014

図6の者にあっては、クランク角度90°付近で右脚に比べ左足の踏力が弱いことが測定結果より解る。
そこで図8にあるようにクランク右側がクランク角度90°にあるときギヤ半径実線Bを点線B´に偏芯70させる(B<B’及びC>C’となる位置)ことで
右脚A÷B>A÷B´
左足A÷C<A÷C´
というように踏力の弱い左脚の負荷トルクを軽減させることが出来る。
これは逆に踏む力の強い右脚の負荷トルクを増加させることにもなる。このようなギヤ半径の調節手段によって、踏力の弱い左脚側のクランク角速度を増大させ自転車が走行する際の加速度加減速を抑制することが出来るので、より効率的に自転車を走らせることが出来る。具体的には、上記偏芯70の結果として、図9に示すように、左右脚における踏み込み時の角速度を、左右で差違が認めにくい程度まで修正できた。その結果、競技時のタイムも短縮された。

0015

本発明の非円形ギヤを加工するためには、ローラー間隔整数倍した距離をもつ非円形軌道上に連続して加工する必要がある。
これは従来のギヤ加工機には出来ない加工である。
そこで、図10に示すように3次元CADを用いて数学的な形状モデル演算し、そこから派生した3次元モデルデータを3次元CAMを用いて数値制御工作機械指令する工具経路を演算させる。具体的には、まず各自転車操作者において、図6に示すような左右脚の踏力を含むデータをペダリングモニターを用いて測定し(Step10)、このデータを解析することにより、踏力ベクトル、トルク曲線、角速度などの選手の個別性を解析する(Step20)。現在、携帯型の測定装置(例えば、パイオニア社の車載型ペダリングモニター)が普及しているので、これを用いて測定・解析を行える。
次に、各選手の特性に応じて、非円形ギヤの輪郭を設計する。このとき、特に左右脚の踏力の差を低減又は解消できる程度に偏芯70を加える。このデータに基づき、3D−CADにてスプロケット歯先の形状を非円形とし、ギヤの輪郭形状に沿わせる演算処理を行う(Step30)。次いで、この演算処理に基づき、三次元データを出力し(Step40)、3D−CAMで加工機械用の工具経路を演算後(Step50)、マシニングセンタで材料を切削加工する(Step60)。このように、3D−CAMCADと、高度な演算能力を備えた工作機械を用いて、従来は製造できなかった複雑な形状の自転車ギヤを製造できた。
これによって選手個人が必要とする非円形形状をしたギヤ板を1枚でも大量生産でもほぼ変わらない加工時間で加工することが可能になる。
このように、本実施形態によれば、個人の個別性により適合した非円形ギヤを提供することが可能となった。これにより、ペダルをこぐ選手本人の左右脚の脚力の差に対応することでより効率よく自転車を走らせることが出来た。

00…自転車クランク軸の中心ペダルやギヤはここを中心に回転する。
10…自転車ギヤ板これの形状を真円、楕円、非円形などとしている。
20…自転車クランクのアーム
30…自転車ペダル軸中心選手はこの軸芯のペダルを踏みつけてこぐ。
40…真円ギヤ板の輪郭線
50…ペダルを踏んだ力のクランク軸回転法線方向の力 単位はkgf
51…ペダルを踏んだ力のクランク軸回転の接線方向の力 単位はkgf
52…50と51の合力ペダルを踏んだ力の方向と大きさを示している。
60…駆動用チェーンの線分⇒方向に運動する。
70…脚力の左右差を改善するためにギヤ板中心を00から偏芯させる。
A…クランク長さ
B…右脚クランクが水平位置の時に作用するギヤ半径
B’…右脚クランクが水平位置の時のギヤ倍率を上げたギヤ半径
C…左脚クランクが水平位置の時に作用するギヤ半径
C’…左脚クランクが水平位置の時のギヤ倍率を下げたギヤ半径
D…右脚クランクが下死点位置の時に作用するギヤ半径

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