JP4836874B2 - 伝動装置 - Google Patents

Description

本発明は、自転車に装備して好適な伝動装置に関する。

従来、動力の伝達方式として、歯車の噛み合いなどによる直接伝動方式のほか、巻掛伝動方式がよく知られる。例えば、巻掛伝動方式として、自転車では前後のスプロケットにチェーンを巻き掛け、そのチェーンを通じて前部スプロケットから後部スプロケットに動力伝達が行われるようにしている。尚、前部スプロケットはフレームにより支持されるクランク軸に固定され、そのクランク軸に１８０度の位相差を有して左右一対のペダルアームが接続され、その各先端にペダルが装着される。又、後部スプロケットは後輪の車軸に一方向クラッチを介して取り付けられる。従って、左右のペダルを両足で交互に踏み込むと、クランク軸にペダルの踏込力とペダルアームの長さとの積で表される回転トルクが発生し、そのトルクによって前部スプロケットの回転が行われる。

ここに、後部スプロケットの回転速度（回転数）は前部スプロケットとの直径比（歯数比）で変化させることができる。例えば、後部スプロケットに対して前部スプロケットの直径を大きくすれば増速する。

しかし、前部スプロケットの直径を大きくすると、大きな始動トルクを必要として上り坂での発進が困難となり、これを防止する前部スプロケットの直径を小さくすれば平坦地において高速走行することができなくなる。このため、後部スプロケットを直径の異なる多段状にしてチェーンを掛け変えられるようにした変速装置付の自転車が一般に広く普及しているが、スプロケットの段数も全幅が大きくなることに関係して制限があるし、変速に際してチェーンが外れることも少なくない。

一方、前部スプロケットの直径を大きくした場合でも、ペダルアームの長さを大きくすればクランク軸に発生する回転トルクも大きくなるので、これに固定される前部スプロケットを高トルクで回転させることが可能となるが、ペダルアームの長さを大きくするにもペダルが地面に接触しない範囲に限られる。

そこで、内歯歯車の外周にスプロケットを固定し、そのスプロケットの軸線よりも上方の偏心位置にクランク軸を通して該クランク軸に接続されるペダルアームの長さを大きくできるようにしながら、クランク軸に入力された回転トルクが内歯歯車との間に介在せしめた歯車列を通じてスプロケットに伝達されるようにした自転車駆動装置が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開平８−７２７７８号公報

しかしながら、特許文献１のように、クランク軸の位置を高くしてペダルアームの長さを大きくするものでは、ペダルが地面に干渉するのを防止しながら、負荷にチェーンで繋がれるスプロケットに高トルクの回転駆動力を伝達できるが、ペダルアームを長くするとペダルを踏み込む足の上下ストロークが大きくなるのでペダル操作が困難となる。

又、特許文献１では、スプロケットに対し、その内側に通されるクランク軸から内歯歯車を含む歯車列を介して動力伝達するようにしているので、スプロケットを高速回転させることは困難である。

本発明は以上のような事情に鑑みて成されたものであり、その目的は高トルク伝導を可能にする新規な伝動装置の提供にあり、自転車に適用した場合にはペダルアームを長くせずして前部スプロケットに大きな回転トルクを発生させ得るようにすることにある。

本発明は上記目的を達成するため、
回転自在に支持される入力回転体と出力回転体とを含み、前記入力回転体から出力回転体に回転駆動力を伝達する伝動装置であり、
前記入力回転体に連動して互いに同速回転する第１ロータカム及び第２ロータカムと、
前記第１ロータカム及び第２ロータカムにより第１端部を交互に逆向きに押圧されると共に他方の第２端部が前記第１端部との間に設けられる支点部を中心に第１位置と第２位置との間を往復移動可能とされる揺動レバーと、
前記揺動レバーの揺動運動を前記出力回転体の回転運動に変換するクランク機構と、を具備し、
前記クランク機構は、
前記出力回転体に固設されるクランクアームと、
前記揺動レバーの第２端部が第１位置と第２位置との間を一往復するときに前記出力回転体が一回転するよう前記クランクアームの先端部と前記揺動レバーの第２端部とを連接する連桿と、から成り、
前記入力回転体と出力回転体との間には、前記クランクアームと連桿との結節点が前記揺動レバーの第２端部と出力回転体の回転中心とを通る直線上に位置したとき前記出力回転体の回転方向が定まらなくなることを防止すべく、前記入力回転体の回転駆動力を受けて前記出力回転体を所定の回転方向に間欠送りする死点解除手段が介在され、
前記死点解除手段は、前記入力回転体に連動して回転する第３ロータカムと、該第３ロータカムによる一端部の押圧により作動するリンク機構と、前記出力回転体に固定されるラチェットホイールとを含み、前記リンク機構には前記ラチェットホイールに係合する掛爪が取り付けられることを特徴とする。

加えて、前記第１ロータカム及び第２ロータカムは、それぞれ前記揺動レバーの第１端部を順繰りに押圧する複数の腕部を有し、その各腕部は前記第１ロータカム及び第２ロータカムの回転方向に等ピッチに設けられることを特徴とする。

本発明に係る伝動装置によれば、入力回転体に連動して互いに同速回転する第１ロータカム及び第２ロータカムにより揺動レバーの第１端部を交互に逆向きに押圧して揺動レバーを揺動させ、その揺動運動を該揺動レバーの第２端部に連なるクランク機構を介して出力回転体の回転運動に変換するようにしていることから、入力回転体から出力回転体への高トルク伝導が可能であり、自転車用にして入力回転体にペダルアームを接続すれば、出力回転体に小径の前部スプロケットを用いて後輪の始動トルクを小さくしながら、前部スプロケットを揺動レバーの揺動回数に応じた速度で回転させることができる。

又、入力回転体と出力回転体との間には、入力回転体の回転駆動力を受けて出力回転体を所定の回転方向に間欠送りする死点解除手段が介在されることから、出力回転体の逆転を防止することができる。

更に、第１ロータカム及び第２ロータカムは、その回転方向に等ピッチに設けられる複数の腕部を有することから、入力回転体の回転数に対して揺動レバーの揺動回数を増して出力回転体を高速回転させることができる。

以下、本発明の適用例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は係る伝動装置の構成例を示した正面概略図である。図１において、１は金属板などから成る定形のベースプレートであり、このベースプレート１には入力回転体として主軸２が貫通され、その主軸２がベースプレート１に取り付けた図示せぬ軸受により回転自在に支持されている。

又、ベースプレート１には、主軸２に平行して該主軸から離間した位置に出力軸３が回転自在に取り付けられ、その出力軸３にスプロケット４が固定されている。出力軸３およびスプロケット４は、主軸２の回転駆動力を伝達するための出力回転体を構成するものであり、主軸２との間には図１のように揺動レバー５が設けられる。揺動レバー５は、主軸２に直交する面（ベースプレート１）内で揺動可能とされる帯状の剛性材で、その長さ方向中央部分がベースプレート１に枢着されている。図１において、５Ａは揺動レバー５の揺動中心を成す支点部であり、その支点部５Ａを中心に揺動レバー５の両端部（第１端部５Ｂおよび第２端部５Ｃ）が互いに逆向きに移動するようになっている。

揺動レバー５の第１端部５Ｂは、外力が与えられる力点として受圧ピン５１を備えており、ベースプレート１には受圧ピン５１の移動経路に沿って円弧状のガイド溝１Ａが穿設されている。そして、受圧ピン５１がガイド溝１Ａに貫通され、そのガイド溝１Ａに沿って受圧ピン５１の移動案内が行われるようにしてある。

一方、揺動レバー５の第２端部５Ｃは、支点部５Ａを中心に図１の実線で示される第１位置Ｐ１と一点鎖線で示される第２位置Ｐ２との間を往復移動可能とされる。尚、第２端部５Ｃの第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２は、ガイド溝１Ａの両端における受圧ピン５１の移動制限位置に対応している。

又、揺動レバー５の第２端部５Ｃは、クランク機構６を介して出力回転体（本例において出力軸３）に繋げられている。クランク機構６は、出力軸３に固設されるクランクアーム６１、及び当該クランクアーム６１の先端部と揺動レバー５の第２端部５Ｃとを連接する連桿６２から成る。そして、係るクランク機構６により、揺動レバー５の第２端部５Ｃが第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２との間を一往復するときに出力軸３およびスプロケット４が一回転するようにしてある。

従って、揺動レバー５の第１端部５Ｂ（受圧ピン５１）を正逆に交互に押圧操作して揺動レバー５に揺動運動を与えれば、その第２端部５Ｃが第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２との間を往復移動し、その往復回数だけスプロケット４を回転させることができる。

図１、図２において、７，８は受圧ピン５１を交互に逆向きに押圧する一対のロータカム（第１ロータカム及び第２ロータカム）であり、その両ロータカム７，８は受圧ピン５１の移動経路を挟んで回転自在に設けられ、その両者が主軸２に連動して互いに同速回転するようになっている。尚、一対のロータカム７，８を主軸２に連動して同速回転させる機構については後述する。

本例において、一対のロータカム７，８は、それぞれ回転方向に１８０度ピッチで設けられる２つの腕部７Ａ，８Ａを有した羽根型であり、一方のロータカム７はベースプレート１の背面側でその中心が主軸２に固定されて該主軸２と同方向に回転し、他方のロータカム８はベースプレート１の正面側でその中心が枢軸８Ｂによりベースプレート１に取り付けられて主軸２とは逆向きに回転するようにしてある。

そして、それらロータカム７，８は、受圧ピン５１を交互に逆向きに押圧して揺動レバー５を揺動させることになる。尚、一方のロータカム７は図１の時計回りに回転しながら２つの腕部７Ａ，７Ａで受圧ピン５１を順繰りに押下げ、他方のロータカム８は図１の反時計回りに回転しながら２つの腕部８Ａ，８Ａで受圧ピン５１を順繰りに押上げるが、本例ではロータカム７，８のそれぞれが２つの腕部７Ａ，８Ａを有して主軸２と同速同調回転するので、主軸２が一回転する間に揺動レバー５がその受圧ピン５１を２つのロータカム７，８で２回ずつ押圧されて４回の揺動運動を行うことになる。つまり、揺動レバー５の第２端部５Ｃは第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２との間を２往復するようになるので、出力軸３およびスプロケット４は２回転し、それらが主軸２に対して２倍速することになる。

ここで、図１には、揺動レバー５の第２端部５Ｃが第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２にあって、クランクアーム６１と連桿６２との結節点（クランクピン６３）が、揺動レバー５の第２端部５Ｃ（揺動レバー５と連桿６２との結節点５２）とスプロケット４の回転中心とを通る直線上に位置した状態を示しているが、そのピン位置は死点に当たるので、スプロケット４が大きな慣性力を有して回転していない限り、その回転方向が定まらなくなる。このため、係る伝動装置は、クランクピン６３の位置に拘らず、スプロケット４を所定の回転方向（図１において時計回り）に回転させ得る逆転防止機構を備えるが、これについは後述する。

次に、図３は同伝動装置を示した背面概略図である。図３において、９は上記一対のロータカム７，８を主軸２に連動回転させる連動機構であり、この連動機構９は複数（本例において４つ）の歯車９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄを順次噛み合わせた歯車列から成る。このうち、歯車９Ａは上記ロータカム７と同軸（主軸２）上に固定され、歯車９Ｄは上記ロータカム８と同軸（ベースプレート１に対して回転自在な枢軸８Ｂ）上に固定されている。又、他の２つの歯車９Ｂ，９Ｃは歯車９Ａ，９Ｄの間に介在せしめたアイドラである。但し、歯車９Ａ，９Ｄ間の速度比は「１」に設定されるのであり、これにより主軸２と枢軸８Ｂは同速回転し、それらに固定されるロータカム７，８が同速回転するようになっている。尚、１０はベースプレート１に所定の間隔をあけて固定したカバープレートであり、そのカバープレート１０とベースプレート１との間に上記ロータカム７が配置され、連動機構９はカバープレート１０上に配列されている。

又、図３において、２０は上記逆転防止機構を構成する死点解除手段である。係る手段２０は、主軸２の回転駆動力を受けて出力回転体（出力軸３およびスプロケット４）を所定の回転方向に間欠送りするものであり、これは主軸２に連動して回転するロータカム２１（第３ロータカム）と、該ロータカム２１による一端部の押圧により作動するリンク機構２２と、出力軸３に固定されるラチェットホイール２３とを含んで構成される。

ロータカム２１は、４つの腕部２１Ａを回転方向に９０度ピッチで設けた十字形で、その中心部は主軸２に固定されている。従って、このロータカム２１は主軸２に連動して該主軸２と同方向に同速回転する。

一方、リンク機構２２は、ベルクランク２２Ａ、中間リンク２２Ｂ、及び揺動リンク２２Ｃの３節で構成される。ベルクランク２２Ａは、その中央部分が軸部２４にてベースプレート１に枢着され、その軸部２４を中心に揺動可能とされている。特に、ベルクランク２２Ａは、カバープレート１０との間に掛けられるバネ２５にて一端部がロータカム２１の各腕部２１Ａの軌道範囲に位置するよう付勢され、他の一端部が中間リンク２２Ｂを介して揺動リンク２２Ｃの中央部分に連接されている。尚、２６はバネ２５によるベルクランク２２Ａの復帰位置を規制するストッパピンである。

又、揺動リンク２２Ｃは、その一端部が軸部２７にてベースプレート１に枢着され、その軸部２７を中心に揺動可能とされている。特に、揺動リンク２２Ｃの可動端には掛爪２８が取り付けられており、その掛爪２８がバネ２９による付勢力にてラチェットホイール２３の外周に常時接触するようになっている。

ラチェットホイール２３は、その中心を出力軸３に固定した円盤で、その外周には一対の歯部２３Ａが相対向して突設されており、その歯部２３Ａに掛爪２８が係止する構成とされている。

そして、以上のような死点解除手段２０によれば、主軸２が所定の一方向（図２の反時計回り）に回転すると、ロータカム２１が同方向に回転しながらその各腕部２１Ａでベルクランク２２Ａの一端部を順次押圧することになる。ロータカム２１の腕部２１Ａにより一端部を押圧されたベルクランク２２Ａは、バネ２５にて初期位置に復帰された後、次の腕部２１Ａで一端部を押圧されることが繰り返されることにより、軸部２４を中心として揺動するのであり、その揺動運動は中間リンク２２Ｂを介して揺動リンク２２Ｃに伝達される。

しかして、揺動リンク２２Ｃは軸部２７を中心に揺動し、これが図３の左方に揺動するとき、その可動端に設けた掛爪２８がラチェットホイール２３の歯部２３Ａに係合し、ラチェットホイール２３を介して出力軸３を所定の回転方向（図３の反時計回り）に間欠送りする。尚、揺動リンク２２Ｃが図３の実線で示される初期位置に復帰するときも、出力軸３は上記揺動レバー５などにより図３の反時計回りに回転されるので、ラチェットホイール２３も同方向に回転し続け、揺動リンク２２Ｃが初期位置に復帰した時点では掛爪２８が次の歯部２３Ａを乗り越えて当該歯部２３Ａに係合する。

ここで、死点解除手段２０の動作タイミングについて説明すれば、図４は揺動レバー５の揺動動作を示すグラフで、同図中の斜線部分は死点解除手段２０の実効動作領域を表している。又、図５は揺動レバー５の第２端部５Ｃが第１位置Ｐ１にあってクランクピン６３が死点位置（上死点）にある状態を示している。上記のように、揺動レバー５の揺動運動はクランク機構６により出力軸３の回転運動に変換されるが、出力軸３が一回転する間にクランクピン６３が２つの死点位置を通過しなければならないところ、上記死点解除手段２０による出力回転体の間欠送りは、クランクピン６３が死点位置に達する直前から死点位置を通過するまでの区間内で行われる。

詳しくは、図５のようにクランクピン６３の死点位置を基準にして、クランクピン６３が死点位置に達する直前のクランク角（−θ）が５〜１５度になった時点でラチェットホイール２３を介して出力軸３が所定の回転方向に回転され始める。ラチェットホイール２３から出力軸３へのトルク伝達はクランクピン６３が死点位置を通過するまで行われ、クランク角（θ）が５〜１５度になった時点でラチェットホイール２３から出力軸３へのトルク伝達が絶たれるようになっている。つまり、クランク角（θ）が５〜１５度に達した段階で上記揺動リンク２２Ｃが初期位置への復帰を始め、この時点では揺動レバー５の揺動による出力軸３の回転により、その出力軸３にてラチェットホイール２３の回転が行われる。

ところで、揺動レバー５の支点部５Ａから第１端部５Ｂ、第２端部５Ｃまでの長さをそれぞれＬ_１、Ｌ_２、第１端部５Ｂに作用する押圧力をＦ_１として、第２端部５Ｃに発生する力Ｆ_２は、（Ｌ_１×Ｆ_１）／Ｌ_２で表されるところ、Ｌ_１＞Ｌ_２とし、Ｆ_１を大きくすれば、それに応じてＦ_２値を大きくできるが、Ｌ_１，Ｌ_２は一定であるから、第２端部５Ｃに発生する力Ｆ_２は第１端部５Ｂの押圧力Ｆ_１によって変化する。特に、図６に示されるよう、ロータカム８による揺動レバー５の第１端部５Ｂ（受圧ピン５１）の押圧は、初期段階において受圧ピン５１に対する腕部８Ａの半径ｒ_１が短く、最終段階において受圧ピン５１に対する腕部８Ａの半径ｒ_２が長くなるので、ロータカム８の各腕部８Ａによる受圧ピン５１の押圧力は押圧開始から押圧終了に亘って漸次小さくなる。これは他方のロータカム７についても同様である。

詰まるところ、揺動レバー５の第２端部５Ｃに発生する力Ｆ_２は、第２端部５Ｃが第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２に達した時点、つまりクランクピン６３が死点位置に達したとき最小となる。この点、上記のような死点解除手段２０によれば、クランクピン６３が死点位置に達する前からラチェットホイール２３を通じて出力軸３に回転トルクを与えることになるので、出力軸３の逆転を防止しながら揺動レバー５から出力軸３への伝達トルクの低下を補って、出力軸３のトルク変動を防止することができる。

次に、図７は係る伝動装置を自転車に適用した例を示す。図７において、３０は自転車のフレーム、３１は後輪、３２は後輪の車軸に取り付けたリアスプロケットである。そして、本発明に係る伝動装置は後輪３１の近傍にてフレーム３０の下部に取り付けられ、スプロケット４とリアスプロケット３２との間にはチェーン３３が巻き掛けられる。又、主軸２の両端には左右一対のペダルアーム３４が１８０度の位相差をもって接続され、その各先端にはペダル３５が装着される。

ここに、左右一対のペダル３５を両足で交互に踏み込むと、主軸２にはペダル３５の踏込力にペダルアーム３４の長さを乗じた大きさの回転トルクが発生する。これにより、主軸２の回転が行われると、その回転運動は上述の如く一対のロータカム７，８（図７には一方のロータカム８のみ示される）により揺動レバー５の揺動運動に変換され、更にその揺動運動がクランク機構６を介してスプロケット４の回転運動に変換される。

このように、係る伝動装置によれば、主軸２に入力された回転トルクが揺動レバー５やクランク機構６を通じて出力軸３およびスプロケット４に伝達されるので、高トルク伝導が可能であり、しかもペダルアーム３４の長さを変えずにスプロケット４の直径を小さくして後輪３１の始動トルク（自転車の発進時に必要な所要トルク）を小さくしながら、スプロケット４を高速回転させることができる。

以上、本発明ついて説明したが、係る伝動装置は自転車に限らず、発電機その他の機器の伝動系にも好適に用いることができる。又、上記例では第１ロータカム７および第２ロータカム８がそれぞれ２つの腕部７Ａ，８Ａを備えるものとしたが、その腕部７Ａ，８Ａは１つでも３〜４つでもよい。尚、腕部７Ａ，８Ａを３つにした場合には主軸２に対して出力軸３を３倍速することができ、４つにした場合には出力軸３を４倍速することができる。但し、第３ロータカム２１の腕部２１Ａは第１、第２ロータカム７，８の腕部７Ａ，８Ａの数に対して２倍となる。

又、上記例では第１ロータカム７を主軸２に固定したが、これを第２ロータカム８と同じく主軸２とは別の軸に固定し、それらロータカム７，８の双方に主軸２から歯車などを介して回転駆動力を伝動するようにしてもよく、それらロータカム７，８の回転数を主軸２に対して増減するようにしてもよい。但し、主軸２に対してロータカム７，８を増速した場合には、出力軸３の回転数を上げることはできても伝達トルクは減少し、主軸２に対してロータカム７，８を減速した場合には、出力軸３の回転数は下がるが伝達トルクは上がることになる。

更に、上記例では入力回転体を主軸２としたが、同主軸２を固定軸に変え、これに入力回転体としてホイールなどを回転自在に取り付けるようにしてもよい。又、出力回転体も出力軸３のみにしてこれに外部装置を繋ぐようにしたり、出力軸３を固定軸に変え、これに出力回転体としてスプロケット４や歯車あるいはプーリなどを回転自在に取り付けたりするようにしてもよい。

本発明に係る伝動装置を示す正面概略図 第１ロータカムおよび第２ロータカムを示す説明図 本発明に係る伝動装置を示す背面概略図 揺動レバーの揺動動作を示すグラフ 揺動レバーと出力回転体の接続態様を示す説明図 揺動レバーの第１端部の押圧状態を示す説明図 本発明に係る伝動装置の使用態様を示す説明図

符号の説明

１ ベースプレート
２ 主軸（入力回転体）
３ 出力軸（出力回転体）
４ スプロケット（出力回転体）
５ 揺動レバー
５Ａ 支点部
５Ｂ 第１端部
５Ｃ 第２端部
５１ 受圧ピン
６ クランク機構
６１ クランクアーム
６２ 連桿
６３ クランクピン
７ 第１ロータカム
７Ａ 腕部
８ 第２ロータカム
８Ａ 腕部
９ 連動機構
２０ 死点解除手段
２１ 第３ロータカム
２２ リンク機構
２３ ラチェットホイール
２８ 掛爪

Claims (2)

1. 回転自在に支持される入力回転体と出力回転体とを含み、前記入力回転体から出力回転体に回転駆動力を伝達する伝動装置であり、
   前記入力回転体に連動して互いに同速回転する第１ロータカム及び第２ロータカムと、
   前記第１ロータカム及び第２ロータカムにより第１端部を交互に逆向きに押圧されると共に他方の第２端部が前記第１端部との間に設けられる支点部を中心に第１位置と第２位置との間を往復移動可能とされる揺動レバーと、
   前記揺動レバーの揺動運動を前記出力回転体の回転運動に変換するクランク機構と、を具備し、
   前記クランク機構は、
   前記出力回転体に固設されるクランクアームと、
   前記揺動レバーの第２端部が第１位置と第２位置との間を一往復するときに前記出力回転体が一回転するよう前記クランクアームの先端部と前記揺動レバーの第２端部とを連接する連桿と、から成り、
   前記入力回転体と出力回転体との間には、前記クランクアームと連桿との結節点が前記揺動レバーの第２端部と出力回転体の回転中心とを通る直線上に位置したとき前記出力回転体の回転方向が定まらなくなることを防止すべく、前記入力回転体の回転駆動力を受けて前記出力回転体を所定の回転方向に間欠送りする死点解除手段が介在され、
   前記死点解除手段は、前記入力回転体に連動して回転する第３ロータカムと、該第３ロータカムによる一端部の押圧により作動するリンク機構と、前記出力回転体に固定されるラチェットホイールとを含み、前記リンク機構には前記ラチェットホイールに係合する掛爪が取り付けられることを特徴とする伝動装置。
2. 前記第１ロータカム及び第２ロータカムは、それぞれ前記揺動レバーの第１端部を順繰りに押圧する複数の腕部を有し、その各腕部は前記第１ロータカム及び第２ロータカムの回転方向に等ピッチに設けられることを特徴とする請求項１記載の伝動装置。

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