JP5926434B1 - 胸部支持機構および胸部支持機構一体型フレーム - Google Patents

Abstract

【課題】空気抵抗の少ない姿勢と高出力な走行を同時に可能とする機構およびフレームを提供する。【解決手段】フレーム構造にトップチューブ６を有する自転車においてトップチューブ６に胸部支持機構の土台１を固定し、土台１に支柱２を固定し、支柱２に胸部支持台座３を固定して胸部支持機構を構成する。さらに、土台１または支柱２に支持パーツ４を固定し、支持パーツ４に腕当て５を固定することでエアロバー１４に対応可能とする。また、胸部支持機構の土台１が一体成型されたフレームに支柱２を固定し、支柱２に胸部支持台座３を固定することで胸部支持機構を構成する。さらに、土台が一体成型されたフレームまたは支柱２に支持パーツ４を固定し、支持パーツ４に腕当て５を固定することでエアロバー１４に対応可能とする。【選択図】図１

Description

本発明は、軽快車の乗車姿勢を補助する機構に関する。

近年の自転車、特に軽快車と呼ばれる種類の自転車においてエアロダイナミクスを考慮した設計を用いることが知られている、例えば、特許文献１にはエアロダイナミクス形状のパイプを用いたフレームが開示されている。

軽快車の設計において、最も需要な課題となるのが走行抵抗である。走行抵抗は空気抵抗、摩擦抵抗、機械抵抗の３要素からなる。自転車の走行中に発生する抵抗を分析する実験では時速３０ｋｍを超えると、走行抵抗の８０％以上が空気抵抗となることが分かっている。さらに走行時の前面投影面積の割合が車両３０％、身体７０％であることから空気抵抗の少ない姿勢に対応した車両が研究されている。

同時に、車両そのものではなく補助機構を車両に追加することで空気抵抗を低減することも研究されている。たとえばハンドル上に追加されるエアロバーを使用することで、両腕が揃って前方に突き出す深い前傾姿勢を容易にし、前面投影面積が通常姿勢より２５％減少される。

さらに、エアロバーの効果実験によると時速４０ｋｍで走行する場合、通常姿勢での動力は４００ｗ以上必要なのに対し、エアロバーを用いた姿勢では３００ｗで済む事が分かっている。このように、近年の軽快車は高速走行をより容易に可能とするために、車体形状の改良に加え乗車姿勢を改善する設計が増えている。

特開平５−２１３２５４号公報

しかしながら、これまでの自転車は着座姿勢での走行を前提とする設計となっておりサドルから腰を上げる姿勢で長時間安定して走行する事を考慮されていない。たとえば、サドルから腰を上げる走法にスプリント走法がある。スプリント走法は、サドルから腰を上げ体重を乗せてクランクを漕ぐ最も高出力な走法であり、空気抵抗への対策として姿勢の改善と同じく有効である。

通常走行に於いては、体重が車両を押さえる力と車両の身体を支える力がバランスし重心移動が起きないため直進安定する。それに対し、スプリント走法ではサドルから腰を上げるため身体の重心を空中で保つ必要がある。このとき、漕ぐ足へ重心移動が起こるため、踏み込みとは逆側へ車両を傾けることで身体の移動を防いでいる。これにより、重心は走行ラインに対し中央に維持される。さらに、傾き終えた車両を反対側へ戻す時にハンドルを引き付ける力を加え、足をペダルに押しつけることで漕ぐ力を増している。

しかし、スプリント走法には通常走行には生じ無い次のような弊害が存在する。車両を交互に傾けることにより路面との摩擦抵抗と車両への過負荷による機械抵抗が増加する。そして、車体を連続して左右に傾けると軌跡は蛇行し、直進運動に対しエネルギーロスが生じる。さらに、全力運動する下半身を上半身の筋力で空中に維持する必要があるため激しい全身運動となる。また、車両を素早く交互に傾けるため深い前傾姿勢は難しく、両肘を外に開く構えとなるため空気抵抗が増す。これらの弊害により、スプリント走法は急加速が可能ではあるが体力の消耗が激しいため短時間に限られた走法となる。

軽快車の設計で大切な事は、フレーム形状の改善により車両の空気抵抗を低減する事、空気抵抗の少ない姿勢が可能な車両形状とする事、走法の切り替えを容易にし加減速のコントロールが自在な構造とする事、などがある。そして、最も大切な事はこれら複数の要素それぞれの長所を生かしつつ破綻の無いバランスの取れた車両設計を行うことある。つまり、スプリントは車両の挙動において直進安定を損なう要素を含むことに加え、急激に体力を消耗するので短時間しか利用出来ない走法であることから、これに最適化された車両設計は困難である。

本発明の目的は、乗車姿勢を補助することでスプリント走法においても蛇行の無い直進走行と高出力を両立し、同時に、空気抵抗の少ない前傾姿勢を可能とする事である。

フレーム構造にトップチューブを有する自転車において、胸部支持機構の土台と前記土台に固定する支柱と前記支柱に固定する胸部支持台座からなる胸部支持機構をトップチューブ上に固定する。前記支柱は単体または複合構造として伸縮調整可能とする。前記土台または前記支柱に支持パーツを固定し前記支持パーツに腕当てを固定する。また、トップチューブ上に前記土台が一体形成されたフレーム設計とし、前記支柱をフレームに直接固定可能とすることで胸部支持機構を構成する。フレーム一体型土台または前記支柱に支持パーツを固定し前記支持パーツに腕当てを固定する。

本発明は、土台部が車両のトップチューブに一体または追加固定する構造であるため、固定された胸部支持機構全体は車両と一体となり走行中は不動である。そして、前記機構を利用すると胸部の支持位置はヘッドチューブを超えたハンドル上部空間付近に固定され、深い前傾姿勢が可能となり、上半身を腕のみで支える必要が無いため構えが大きくならない。さらに、身体が車両に支えられ重心移動が無く安定走行するので空気抵抗の原因となる姿勢の変化が起こらない。これらの事から、胸部支持機構を使用すると前面投影面積が減少するので通常より空気抵抗の少ない走行が可能である。

本発明を使用すると重心移動が起こらず車両を左右に傾ける事や腕のみで上半身を支える必要がないため少ないエネルギーで姿勢の維持が可能となる。また、通常のスプリントでは強い踏み込みを行うと走行抵抗の増加から反発して浮き上がる体を筋力で押し下げる必要があるが、前記機構は突っ張り棒の役割を果たし反発力を相殺するため必要な筋力は少なく済む。また、空気抵抗は速度の２乗に比例して上昇するため必要なエネルギーも急激に増加するのだが、前記機構を使用すると前面投影面積の少ない姿勢が維持可能なためエネルギーの消費は低く抑えることができる。これらの事から、胸部支持機構を使用すると省エネルギーな走行を維持可能なため速度が上がる程エネルギー効率が良くなる。

本発明は、力の少ない高速回転と力を込めたトルク回転の異なる要素をバランスよく組合わせたぺダリングが可能となる。通常、クランクに力を加えることが可能なペダルの位置は時計の１時から４時までの範囲となるが、胸部支持機構は突っ張り棒の様に上半身を支えるので蹴り足が使えるため４時から７時の範囲でも力を加えることが可能となる。さらに、着座姿勢での前傾姿勢とは異なり窮屈にならないためぺダリングに無駄な力が入ることが無い。また、踏み切った足が７時に来た時点で反対の足は踏み込み起点の１時に到達するためペダリングの維持が容易であり高回転させやすい。さらに、上半身が固定されるため上半身からつま先までの筋肉が生み出す運動エネルギーは逃ることなくクランクに伝達される。これらの事から、胸部支持機構を使用すると通常より少ない力で重いギアのぺダリングを高回転で維持可能となるため、スプリント並みの高速走行が長時間可能となる。

本発明を使用した車両でも通常走行の姿勢は可能であり、胸部支持機構を利用した前傾姿勢との切り替えは任意のタイミングで可能である。つまり、上り坂や下り坂、急カーブ等の状況に合わせて姿勢を切り替えることが可能なため走行に緩急がつけられ効率の良いぺダリングが維持される。以上のことから、胸部支持機構を利用すると、高速域での走行が安定するのに加えバランスの取れた柔軟な走行が可能となるため車両と自身のポテンシャルを最大限引き出すことが可能である。

胸部支持機構の全体図である。 フレームのトップチューブ上に胸部支持機構を固定した自転車の横図である。 胸部支持機構一体型フレームを用いて組み立てられた自転車の横図である。 軽快車において通常走行を行う乗車姿勢の横および正面図である。 軽快車においてスプリント走行を行う乗車姿勢の横および正面図である。 軽快車においてエアロバーを使用する乗車姿勢の横および正面図である。 軽快車において胸部支持機構を使用する乗車姿勢の横および正面図である。 軽快車において胸部支持機構およびエアロバーを併用する乗車姿勢の横および 正面図である

以下、本発明について図１〜８を用いて説明する。図１は胸部支持機構の全体を示している。トップチューブ６に胸部支持機構の土台１をバンド等で固定する。土台１に支柱２を任意の角度で固定し、支柱２の上端に胸部支持台座３を固定すると胸部支持機構が構成される。支柱２は伸縮可能な構造とし、台座１との固定方法を工夫しトップチューブ７よりも前方のハンドル１０の上部空間付近まで台座３を移動できるよう前後に角度調整可能とする

エアロバーを併用する場合に有効となる以下の部品が装備される。エアロバー１４と肘受け１２は固定具１３によりハンドル１０に固定されたものとする。土台１に支持パーツ４を固定し支持パーツ４に腕当て５を固定する。この時、高さ調整のためスペーサー８を利用してもよい。また、スペーサー８は複数の高さを用いてよい。エアロバーを使用した時に前腕内側に腕当て５が当たる様に腕当て５の固定位置は前後左右に移動可能であり、腕の当たる角度に合わせて斜に任意の角度で固定可能である。腕当て５を両腕で挟み保持することにより上体を安定させるので支持パーツ４とスペーサー８および腕当て５は十分な強度を確保した素材でお互いが強固に固定されるものとする。

支持パーツ４は一体型のほかに左右独立型など土台の形状に合わせた形を構成可能としてもよい。支持パーツ４が左右独立型の場合、土台１の左右側面に固定可能としてもよい。また支持パーツ４は支柱２に固定可能としてもよい。腕当て５を使用する場合前腕の移動は制限されるが、手首の動きでハンドルの角度を切ることは可能であり急なカーブでなければ胸部支持機構によるスプリント走行を維持したままカーブを曲がることは可能である。

図２は自転車のトップチューブ６上に追加固定式の胸部支持機構が装着された自転車である。胸部支持機構の土台１を自転車のトップチューブ６に固定し、土台１に支柱２を固定し、さらに支柱２に胸部支持台座３を固定することで胸部支持機構が自転車に固定される。エアロバーを併用する場合には以下の部品が装備される。土台１または支柱２に支持パーツ４を固定する、このとき必要に応じてスペーサー８を使用する。支持パーツ４に腕当て５を固定する。腕当て５の固定方法と効果は図１の説明と同じである

図３は土台が一体形成されたフレーム１１を使用した自転車に胸部支持機構を固定したものである。土台が一体形成されたフレーム１１に支柱２を固定し、さらに支柱２に胸部支持台座３を固定することで胸部支持機構が構成される。エアロバーを併用する場合には以下の部品が装備される。土台が一体形成されたフレーム１１または支柱２に支持パーツ４を固定する、このとき必要に応じてスペーサー８を使用する。支持パーツ４に腕当て５を固定する。腕当て５の固定方法と効果は図１の説明と同じである

図４は軽快車の通常乗車姿勢を表している。通常乗車姿勢を横から見た図４（a）は上体が上がり最もリラックスした状態であるが、通常乗車姿勢を正面から見た図４（b）と共に合わせてみると、身体の前面投影面積が多いため空気抵抗の影響を受けやすい姿勢であることが確認できる。

図５は軽快車においてスプリントの走行姿勢を表している。スプリントの姿勢を横から見た図５（a）では腰をサドルから上げる事で体重を乗せてぺダルを漕いでいる。スプリント走行では１回転のぺダリングで多く後輪回すために重いギアに切り替える。しかし、体重を乗せたぺダリングはペダルからの反発力が大きくなるため高速で漕ぐ事は困難となる。そこで、上半身の力を使うことでスプリントを可能としている。スプリントの姿勢を正面から見た図５（b）を見ると車体が地面に対し傾いている。図５（b）では両腕で車体を左に引き倒し、踏み込む右足と反対に車体を倒すことで足をペダルに押し付ける力を加えている。これにより通常では遅い回転でしか回せない重いギアを高速で漕いでいる。しかし図５（b）と図４（b）を比べると図５（b）では肘が横に張り出す上に車体が左右に移動を繰り返し身体の動きが大きくなるため前面投影面積が変動を繰り返すので空気抵抗は多いことがわかる。つまり、スプリント走法は高速走行が可能ではあるが空気抵抗が多く消費エネルギーが多いため、短時間のみの加速を目的とした走法であることが確認できる。

図６は軽快車にエアロバーを使用した乗車姿勢を表している。固定具１３に肘受け１２とエアロバー１４を装着して構成されるエアロバーをハンドル１０に固定している。エアロバーを使用した乗車姿勢を横から見た図６（a）は、肘受け１２に肘を乗せエアロバー１４を掴むことで前傾姿勢を容易に可能としている。エアロバーを利用した乗車姿勢を正面から見た図６（b）と図６（a）を合わせて見るとエアロバーの利用には様々なメリットがある事が確認できる。まず、肘を肘受け１２に乗せると上半身の体重が分散して支持されるので身体負担が軽減される。さらに、上半身の支持個所が肘と手の４か所に増えるので姿勢が安定する。また、前傾姿勢の維持が容易であるため空気抵抗の少ない走行となる。図６（b）と図４（b）を比べると身体の前面投影面積が大幅に減少していることがわかる。これらのことから、エアロバーの使用は高速走行に有効であることが確認できる。

図７は軽快車において胸部支持機構を使用した走行姿勢である。自転車のトップチューブ６に胸部支持機構の土台１を固定し、土台１に支柱２を固定し、支柱２に胸部支持台座３を固定して胸部支持機構を構成している。胸部支持機構を使用した姿勢を横から見た図７（a）を見ると、台座３はトップチューブ７を超えたハンドルの上部空間付近で胸部を支えることが確認できる。図４（b）では腕で上半身を支えているのとは逆に図７（b）では、支持機構に上半身の重量が支えられおり、腕で胸を台座３へ引き当てて上半身を安定させているため、腕への負担が減少していることがわかる。図５（b）と図７（b）を比べると、図７（b）は挙動が安定しているため前面投影面積は少なく姿勢に変動が無いことが確認できる。これらのことから胸部支持機構を利用すると通常のスプリントよりエネルギー効率が良いことが確認できる

図８は胸部支持機構とエアロバーを併用した走行姿勢を表している。自転車のトップチューブ６に胸部支持機構の土台１を固定し、土台１に支柱２を固定し、支柱２に胸部支持台座３を固定して胸部支持機構を構成している。ハンドル１０に固定具１３を固定し、固定具１３に肘受け１２とエアロバー１４が固定されたものとする。胸部支持機構の土台１に支持パーツ４を固定する、このとき必要に応じてスペーサー８を使用する。支持パーツ４に腕当て５を固定する。エアロバーを使用した時に前腕内側に腕当て５が当たる様に腕当て５の固定位置は前後左右に移動可能であり、腕の当たる角度に合わせて斜に任意の角度で固定可能である。胸部支持機構とエアロバーを併用した姿勢を横から見た図８（a）（b）と図７（a）（b)を見比べると、図８では前腕が水平になり胸の前で揃うため空気抵抗が少ないことがわかる。図８（a）と図５（a）を比べると図８（a）は胸部の支持が増えて上半身は７か所で支持されており、体重の分散と支持箇所の増加により上半身が強固に固定され下半身の運動エネルギーが逃げることなくクランクに伝わる様子が分かる。図８を図１から図７迄と見比べると身体の前面投影面積は軽快車に於いて大幅に削減され、上半身が車両と一体となることでエネルギー効率の良い走行を可能としていることがわかる。これらのことから、本発明はエアロバーとの併用で空気抵抗の少ない前傾姿勢と出力の高いぺダリングが両立可能な機構であることが確認できる。

１：胸部支持機構の土台
２：支柱
３：胸部支持台座
４：支持パーツ
５：腕当て
６：自転車のトップチューブ
７：ヘッドチューブ
８：スペーサー
９：ステム
１０：ハンドル
１１：土台が一体形成されたフレーム
１２：肘受け
１３：固定具
１４：エアロバー

Claims (2)

1. 自転車のトップチューブ上に固定可能な土台と、前記土台に固定する支柱と、前記支柱に固定する胸部支持台座からなり、前記土台または前記支柱に両腕を保持する腕当てを備え、前傾姿勢時に胸部を支持することを特徴とした胸部支持機構。
2. 自転車のトップチューブに一体成型した土台と、前記土台に固定する支柱と、前記支柱に固定する胸部支持台座からなり、前記土台または前記支柱に両腕を保持する腕当てを備え、前傾姿勢時に胸部を支持することを特徴とした胸部支持機構一体型フレーム。