JP4502221B2

JP4502221B2 - 球面と弾性部材を用いた車輪及びその車輪を備えたキャスタ

Info

Publication number: JP4502221B2
Application number: JP2007060871A
Authority: JP
Inventors: 雅晴松本
Original assignee: 雅晴松本
Priority date: 2007-02-11
Filing date: 2007-02-11
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2027-02-11
Also published as: JP2008195366A

Description

この発明は、緩衝機構として弾性部材を用いた高弾性車輪及びその車輪を備えたキャスタに関する。

従来の緩衝機構を備えた車輪には車輪のスポークが占めていた部分をコイルばねや、ゴム、板ばね等の弾性素材に置き換えた車輪が知られている。しかし、そのような構造を持つ車輪は、車輪半径方向以外の力を支える機能が少ないため、軸方向の入力に対して弱く、不安定になやすい。そのために車輪として成立するのが困難である。だが、この問題に対しては、特開２００２−３７０５０３等において様々な横力支持機構を備えた車輪が知られている。
特開２００２−３７０５０３

しかしながら、以上の技術にも以下のような問題がある。
■横力支持機構を備える事による重量増、生産コストの増大。
■横力支持機構によって車輪の動きが半径方向のみに制限され、車輪への入力の軸方向成分に対しての緩衝機構が作用しない。
■車輪が支える製品本体の重量により車輪中心軸がずれ、車輪回転中は常にばね、ゴム等の弾性部材が伸び縮みし続けることになり、耐久性の低下や走行抵抗の増大をまねく。

そこで、この発明は第１に、簡単な構造で車輪への入力の軸方向成分に対する緩衝機構をもちつつも、車輪として成立できる車輪及びキャスタを提供することを課題とし、第２に軸方向成分に対する緩衝機構を保ちつつも弾性部材の耐久性を維持し、かつ走行抵抗の小さい車輪及びキャスタを提供することを課題とし、第３に段差乗り越え性能を向上させる車輪及びキャスタを提供することを課題とする。

以上の課題を解決するために、この発明は車輪ハブ部と、当該車輪ハブ部を包むように設置される球面要素をもつ車輪外殻部と、前記車輪ハブ部と前記車輪外殻部とを連結する少なくとも１種類以上のゴム、バネ等の弾性を有する複数の弾性部材とで構成されることを特徴とする車輪を提供する。

ここで車輪外殻部とは従来の車輪ではリムやタイヤといった車輪の最も外側の構成部分にあたり、地面や段差と接する部分のことを指す。この車輪外殻部は地面との接触面においては球面要素をもっており、車輪が軸方向の入力を受けて傾いたとしても車輪として成立できる。さらには、地面との接触面以外の面は斜め方向からの段差との接触を考えて、車輪ハブ部との距離が短くなっていることが望ましい。段差と接触し車輪外殻部が傾くことで段差乗り越え性能が向上するためである。

また、ここで弾性部材の構成について説明すると、車輪ハブ部と車輪外殻部内側の間に存在する空間において、当該車輪ハブ部から当該車輪外殻部内側に向かってゴム、コイルばね等の弾性部材を放射状に広がるように連結してある。また、この弾性部材は車輪ハブ部と車輪外殻部の間を最短距離で連結する必要はなく、任意の角度をつけて連結することが望ましい。車輪回転時に発生する車輪ハブ部と車輪外殻部間の相対的なねじれに対応できるからである。

あるいは、車輪ハブ部と車輪外殻部内側の間に存在する空間に弾性部材を充填して、連結してもよい。この場合、空間すべてを埋めるように充填する必要はない。また、この充填弾性部材には複数箇所の穴をあけることで、安価に緩衝性能を調整することができる。

このような車輪によれば、車輪への入力の軸方向成分に対しても緩衝機構が作用する。これは特に、段差に対して斜め方向から段差を乗り越えようとした時に有利に作用する。これは車輪外殻部が球面要素をもつことに加えて、車輪外殻部が段差からの入力に対応した変動をし、車輪への入力の軸方向成分に対しても緩衝機構が作用するからであり、これによって段差乗り越え性能を向上させることができる。

さらに、本発明は、前記課題達成のために、前記車輪ハブ部と前記車輪外殻部が球面滑り軸受け部を介して連結されていることを特徴とする車輪をも提供する。

ここで、球面滑り軸受け部は車輪ハブ部と車輪外殻部との相対的な変動を制限するために存在する。この球面滑り軸受け部による変動の制限が無ければ、車輪が取り付けられている製品本体の自重により車輪ハブ部は車輪外殻部中心より鉛直下向きに移動する。このような車輪中心軸がずれた車輪の弾性部材は車輪の回転に合わせて常に伸び縮みし、耐久性の低下をまねくだけでなく、走行抵抗も増える。結果、車輪としての性能が低下する。

この性能低下を防ぐために球面滑り軸受け部によって変動の制限をする。しかし、球面滑り軸受け部によって車輪ハブ部と車輪外殻部との相対的な変動を制限する際には本発明の車輪への入力の軸方向成分に対する緩衝機構を失わないように制限することが望ましい。

この条件を最も効率的に満たすためには、車輪ハブ部において球面滑り軸受け部を有し、当該球面滑り軸受け部の内輪部、外輪部のどちらか一方を有する部材が車輪外殻部と固定されるように設置され、当該内輪部、当該外輪部のどちらか残り一方を有する部材が、当該車輪ハブ部と固定されるように設置されている構成において、当該車輪外殻部の地面と接地する球面部分の中心位置と当該球面滑り軸受け部の内輪部、外輪部の中心位置が同じであるならばよい。

このような構成では、車輪を含めた製品本体の自重による反発力である地面からの垂直抗力が鉛直上向きに車輪外殻部の地面との接地面にかかり、その垂直抗力は弾性部材を変形させずに車輪外殻部を伝って、車輪ハブ部に設けられた球面滑り軸受け部に直接伝わる。この垂直抗力の伝達は車輪外殻部に傾きが発生している状況においても、車輪外殻の地面との接地面が球面であるために変わらない。また、車輪への入力の軸方向成分については、車輪外殻部が球面滑り軸受け部の内輪、外輪を中心として、変動するため軸方向の緩衝機構を失わずにすむ。

以上、説明した軸方向の緩衝機構は、特に斜め方向から段差等を乗り越える時に性能を発揮するわけだが、本発明ではさらなる性能向上の為に車輪外殻表面上の発明を提供する。

これまで車輪は地面との接触面において、硬質ゴム等の比較的硬い素材を使わざるを得なかった。これは軟質ゴム等の比較的柔らかい素材では地面との接触時における摩擦によって磨耗しやすいからである。

そこで、この発明は車輪外殻部表面上を２種類以上の異なる弾性率のゴム等の弾性部材で被覆し、当該２種類以上の被覆弾性部材を当該車輪外殻表面上の２種類以上の任意の場所ごとに、それぞれ配置することを特徴とする車輪を提供する。

この発明では、通常使用において車輪外殻が接地している場所においては硬質ゴム等を使用し、斜めからの段差乗り越え等の際に段差等と接触する場所においては軟質ゴム等を使用する。こうすることで、通常使用における磨耗を防ぎながらも、段差等乗り越えの際には比較的柔らかい素材が段差等と接触することになり、より大きな緩衝効果や段差に合わせた形状への変形が得られる。

また、発明した車輪は車輪外殻内側に弾性部材や、球面滑り軸受け部等の機構があり、異物の混入を防ぐのが望ましい。その際には車輪外殻部の動きに影響を与えないように薄いゴム膜等の弾性膜を用いるのが好ましい。

また、車輪に想定を超える大きさの入力があった場合に、車輪外殼部内側とハブ部が接触することが考えられるが、その接触を緩和する緩衝材を車輪外殻部内側や車輪ハブ部表面上に設置することも望ましい。

ここまで述べてきた、発明した車輪はその特性を考えるとキャスタとしての利用も好ましい。キャスタとして利用する場合は当該車輪一つでキャスタとして利用する場合と当該車輪二つでキャスタとして利用する場合が考えられる。当該車輪一つで利用する場合は片持ち式に、水平面に対して角度をつけた状態で接地するようにするのが望ましく、当該車輪二つで利用する場合は左右対称になるように車輪ハブ部支持体を連結するのが望ましい。

この発明の一実施形態を、図１に示す。車輪ハブ部２と、球面要素をもった車輪外殻部１と、車輪ハブ部と車輪外殻部とを連結する複数の弾性部材３とで構構成されることを特徴とする。このような構成によれば、車輪に軸方向の力がかかったとしても車輪外殻部１が球面を有した形状であるために、車輪が倒れることなく成立し、かつ軸方向成分の緩衝性も持ち合わせる（図４参照）。

この車輪を構成する弾性部材３はゴムひも３１、コイルばね３２等の複数の弾性部材３で構成されており、ゴムひも３１だけでも構成可能であり、コイルばね３２だけでも構成可能であり、その他の弾性をもつ部材での構成も可能である。また、それら数種類の弾性部材３を同時に複数使用することも可能であり、それぞれゴムひも連結部３４、コイルばね連結部３５等で車輪ハブ部２や車輪外殻部１と連結されている。（図２Ａ参照）

それら弾性部材３は車輪ハブ部２より、車輪外殻部１内側との間に放射状に連結されているわけだが、その数や取り付け角度、ばね定数等は車輪の製品本体への適用に合わせた耐荷重等を考えた最適な構成をとるようにする。さらに、ゴムひも３１のような弾性をもつ部材は荷重変位曲線が２次関数的な曲線をえがくため、初期配置でのプリテンションを調整することで車輪の性能を大きく変えることができる。具体的にはテンションが強くかかった状態で連結した場合は車輪への単位入力あたりの車輪外殻部の変動が相対的にすくなくなり、プリテンションゼロでたるませた状態で連結した場合は車輪外殻部の変動があるところを境に急変するようになる。

以上、説明してきた弾性部材３はスポーク的な形状のもので連結することを想定しているが、車輪ハブ部２と車輪外殻部１との間の空間にゴム等の弾性部材４１を充填することで連結してもよい。この場合、必ずしも空間すべてを埋め尽くすほどに充填する必要は無く、連結できる程度以上であればよい。また、その充填弾性部材４１に様々な数や大きさや形状、角度の穴４２をあけることで安価に緩衝性能を調整できる。

車輪ハブ部２とハブ部支持体２５の間にはベアリング２１を設けることで滑らかに回転可能になっているが、これは回転可能になるなら必ずしも設ける必要は無い。また、図２Ａのように設けてもよいし、図２Ｂのように設けてもよい。

ここまで述べてきた車輪構造（図２Ａ）では、車輪が取り付けられた製品本体の自重により中心軸である車輪ハブ部２が車輪外殻部１中心より下に下がってしまう。車輪中心軸がずれた車輪の弾性部材３は車輪の回転に合わせて常に伸び縮みし、耐久性の低下をまねくだけでなく、走行抵抗も増える。結果、車輪としての性能が低下する。

そこで、自重の影響が少ない自転車５１等の補助輪５２としての利用が考えられる。従来の補助輪５２を装着した自転車では自転車を傾けることができず、曲がりにくかったが、車輪外殻部１が変動するために図６Ａから図６Ｂのように自転車５１を傾けることができる。

また、自重による様々な問題に対応するには、図２Ｂに示した球面滑り軸受け部２２を設置する。中心軸をずれないようにするには、車輪ハブ部２において球面滑り軸受け部２２を有し、当該球面滑り軸受け部の内輪部２３、外輪部２４のどちらか一方を有する部材が車輪外殻部１と固定されるように設置され、内輪部２３、外輪部２４のどちらか残り一方を有する部材が、当該車輪ハブ部２と固定されるように設置されている構成において、車輪外殻部１の地面と接地する球面部分の中心位置と当該球面滑り軸受け部２２の内輪部２３、外輪部２４の中心位置が同じであるならばよい。

また、これ以外にも車輪外殻部１と車輪ハブ部２の相対的な変動を制限したいときは球面滑り軸受け部２２を車輪外殻部１に設置することもできるし、車輪外殻部１と車輪ハブ部２の両方や、その間に設置してもよい。

さて、本発明は車輪外殻部表面上を２種類以上の異なる弾性率のゴム等の弾性部材で被覆し、２種類以上の被覆弾性部材を車輪外殻表面上の２種類以上の任意の場所ごとに、それぞれ配置している。具体的には車輪外殼部１の傾きによって接地しやすい摩擦の影響が多い部分には硬質ゴム１１や樹脂等の磨耗しにくい部材をつかい、そうでない部分は斜め方向からの段差との接触を考えて、軟質ゴム１２等の柔らかい部材を使用する。

また、異物の混入を防ぐために、車輪外殻部の動きに影響を与えないような薄いゴム膜等の弾性膜１３を設置する。

そして、車輪に想定を超える大きさの入力があった場合に、車輪外殻部１内側と車輪ハブ部２等が接触することが考えられるが、その接触を緩和するゴム等の緩衝材１４を車輪外殻部１内側や車輪ハブ部２表面上等に設置する。この緩衝材１４設置するのは車輪外殻部１内側と車輪ハブ部２等が接触しそうなところなら、どこでもよい。

また、本発明による第二の実施形態として図５に示す、片持ち式の車輪及びキャスタについて述べる。図５Ｂに示すように傾けた状態が望ましいが、必ずしもそうある必要はない。車輪外殻部１、車輪ハブ部２、弾性素材３等についてはこれまで述べてきたとおりであり、ハブ部支持体は応力分散を行うため、図５Ａのような形状が望ましい。この片持ち式のキャスタは地面との接地面が点接触となるため、方向転換がやりやすい。特に寝板のような方向転換をするための力がかけにくい製品への利用が望ましい。

本発明の第一実施形態を示す斜視図である。本発明の正面断面図である。本発明の正面断面図である。本発明の傾いた状態での正面断面図である。本発明の第二実施形態を示す斜視図及び断面図である。本発明の補助輪への適用をあらわした自転車背面図である。

符号の説明

１車輪外殻部２車輪ハブ部３弾性部材１１硬質ゴム
１２軟質ゴム１３ゴム膜１４緩衝材２１ベアリング
２２球面滑り軸受け２３球面滑り軸受け内輪部２４球面滑り軸受け外輪部
２５ハブ部支持体３１ゴムひも３２コイルばね３３充填弾性部材
３４ゴムひも連結材３５コイルばね連結材４１充填弾性部材４２穴
５１自転車５２補助輪

Claims

車輪ハブ部と、球面要素をもった車輪外殻部と、当該車輪ハブ部と当該車輪外殻部とを連結する少なくとも１種類以上のゴム、バネ等の弾性を有する複数の弾性部材とで構成され、車輪外殻部は車輪ハブ部をその外面より複数の弾性部材を介して球面状に内包する形状であることを特徴とする車輪。
車輪ハブ部と、球面要素をもった車輪外殻部と、当該車輪ハブ部と当該車輪外殻部とを連結する少なくとも１種類以上の弾性を有する弾性部材とで構成され、車輪外殻部は車輪ハブ部をその外面より弾性部材を介して球面状に内包する形状であることを特徴とする車輪であって、車輪ハブ部と車輪外殻部内側との間の空間に、少なくとも１種類以上の弾性部材を充填することで車輪ハブ部と車輪外殻部とを連結することを特徴とする車輪。
請求項１、２記載の車輪であって、前記車輪ハブ部と当該車輪バブ部を内包している前記車輪外殻部が車輪軸の延長線上において球面滑り軸受け部を介して連結されていることを特徴とする車輪。
請求項１、２、３記載の車輪であって、前記車輪外殻部表面上を２種類以上の異なる弾性率のゴム等の弾性部材で被覆し、当該２種類以上の被覆弾性部材を前記車輪外殻部表面上の２種類以上の任意の場所ごとに、それぞれ配置することを特徴とする車輪。