JPS60215487A - ペダル駆動される路上乗物用の電気補助駆動機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はペダル駆動される路上乗物、特に自転車、の
ための電気補助駆動機構に関するものである。

エネルギ事情の厳しい見通しを考えると、私用車に対す
る、少なくとも短い距離の旅行など対する可能な代替物
としての自転車は、以前１０年間それがそうであったか
もしれないように、今日それほど無理のないように思わ
れる。しかしながら、（レクレーションやスポーツと区
別して）輸送のために自転車を幅広く応用するための予
備条件は、人間の限界を克服する助けをする補助動力を
設けることである。

電気モータにより援助される自転車が知られている。最
近の例では、゛ペダルパワー”（ｐｅｄａｌｐｏｗｅｒ
　）の名称の下でアメリカの会社（ジェネラル・エンジ
ン・コーホレーテッド）によって市場に出されている自
転車がある。この自転車には、フレームのへラドチュー
ブを前方方向に手動的に傾斜させることによって、その
出力プーリが自転車の前輪のタイヤと接触し、したがっ
て摩擦により駆動される位置へもたらすような方法で、
フレームのへラドチューブに装着される電気モータが設
けられている。このモータは、荷台に装着される従来か
らの鉛＝桑蓄電池により電力を供給される。

しかしながら、このような先行技術の駆動機構には、い
くつの深刻な欠点があり、摩擦駆動はタイヤにとっては
耐えられなく、摩耗を早めることになる。さらに、標準
的な、高圧タイヤを用いることができず、摩擦プーリに
対して適切な“噛み合い″を与えるのに十分に大きな接
触面積を提供しない。必要とされる低圧の、準バルーン
タイヤはより高価であるのみならず、より大きなローリ
ング抵抗を示す。さらに深刻な欠点は、製造者によれば
、再充電と再充電との間に約３（３ｋｍ走行するために
は大きくてかさばった蓄電池が要求されることである。

この先行技術の装置では、ブレーキ動作の間に自転車と
、それに乗っている人の運動エネルギの少なくともい（
らかを解消しようと５− する試みはなされていないので、かつ８ｋｍ／ｈの平均
速度で２．５°の平均勾配に沿って１００ｋ。

の負荷（乗る人と自転車との和）を移動さゼるのに必要
な動力は約１００ワツトであるので、３６／８＝４．５
時間の進行のためには、１００Ｘ４゜５＝４５０ワツト
アワーのエネルギが必要とされ、このエネルギは、約３
５＋１／Ｗｈの特定の鉛＝咎蓄電池の重さを想定すると
、約１５．５ｋｏの蓄電池重さを示すことになろう。他
の、モータにより援助される自転車はＤＥ３００３０２
６に開示される。“ペダルパワー″先行技術におけるよ
うに、低効率的にかつタイヤに対してもより大きなコス
トで、動力が摩擦により自転車のタイヤへ伝達され、こ
れは第３図からも明らかなように、もしこの第３図が適
切に描かれており、かつ大きなスケールで描かれていれ
ば、ばね１７の効果のため、駆動輪８と、タイヤ１８と
の間の接触は点接触または線接触ではなく、面接触であ
り、これは、この接触に含まれる円錐の車輪部分を横切
って表面速度における大きな差があるため、常にスリッ
プ６− を生じ、それゆえに、摩耗を生じるに違いない。

これは、特に、摩擦ホイールの比較的小さな有効直径で
、かつかなり限られた接触圧力で十分に大きなトルクを
伝達するためには、ホイールの面は大きな摩擦係数を与
えるためには非常に凸凹したものでなければならない。

゛ペダルパワー″先行技術と対比して、上述した先行技
術は、ブレーキ動作の間の効率的なエネルギの回収のた
めに、モーター発電機は駆動期間の間よりもより高速で
回転しなければならないという事実のみならず、回生制
動の重要性をも認識している。これは、摩擦ホイール８
のテーパの付いた形状に対する理由の１つである。しか
しながら、発電機として機能するモータのため可能な最
高速度を１ｑるために、第５図に示すように適用された
場合、摩擦伝達の効率差は、摩擦ホイールの直径が今小
さくされたため、なおもより低く、かつ摩擦による損傷
がなおも高くなればなるほど、摩擦力はより多く、今は
とんど、タイヤトレドよりもむしろタイヤ壁により支え
られる。制動の間は、スリップは避けることができない
のみならず、望ましくさえあるので、この局面はより一
層深刻である、なぎならばタイヤ壁は全く摩耗に対して
は設計されていないからである。

この発明の目的の１つは、先行技術装置のこれらの不利
益や欠点を克服し、回生制動を用いる、すなわち、タイ
ヤ壁に対するよりもむしろタイヤトレドに対して、その
まま、与えられたかなりなタイレ摩耗も何ら生じない比
較的大きな摩擦ホイールを用いて、下り坂を進む制動時
に、登り坂のコースに消費される高い割合の電気的エネ
ルギを回収しかつ、上述の先行技術装置の蓄電池よりも
小さな大きさの成るオーダまでの重さの電源で処理する
、ペダル輪軸へ直接動力を伝達する補助駆動機構を提供
することである。

この発明は、電気モータと、前記モータへ電力を供給す
るだめの再充電可能なマルチセル蓄電池と、前記モータ
を制御するためのスイッチ手段とを備え、前記モータは
原動機として機能し、前記蓄電池からエネルギを引出し
てそれを前記乗物へ与える第１のモードと、発電機とし
て機能し、前記乗物からエネルギを引出しかつそれを前
記蓄電池へ与える第２のモードとで作動するようにされ
ており、かつ前記第１のモードで作動しているときその
移動のため前記モータと、前記乗物のペダル輪軸との間
に永久運ｆ７１５！結を与えるための第１の伝達手段と
、前記モータが前記第２のモードで作動することができ
るように、前記乗物の一方の車輪と、前記モータとの間
に選択的に運動連結を与えるための第２の伝達手段とを
さらに備え、少な（とも前記第１の伝達手段は実質的に
確実伝達手段である、そのようなペダル駆動される路上
用乗物のための電気的補助駆動機構を提供することによ
って、達成される。

蓄電池の大きさを大きく減少させることにより、車で町
へ行き、町はずれに設けられた駐車場に車を残し、かつ
車の荷物入れに、折畳んだ状態で運ばれてきた自転車で
、町の中心まで行く通勤者によって、今日数多く用いら
れる２０インチ型の、組立可能な自転車に対しても、こ
の発明による補９− 動駆動機構の使用が高められる。

筋肉による力に代わるというよりもむしろ、筋肉による
力の補助として、この駆動機構は、平らな地形を何の補
助もなしで進むのと同じように、丘陵地形を動力の補助
で進むようにする。もし登り坂の努力が筋肉と、電力と
によってほぼ均等に分けられた力でうまく行なわれれば
、下り坂のコースでの回生制動、すなわち、電気モータ
を発電機に切換えることは、蓄電池を再充電することに
よって、登り板部分において費される電気エネルギをほ
ぼ埋め合わせする。

他の特徴および利点は以下の詳細な説明から明らかとな
ろう。

この発明は次の例における成る好ましい実施例とともに
説明され、それによりこの発明がより十分に理解されよ
う。しかしながら、この発明をこれらの特定の実施例に
限定しようと意図するものではない。他方、前掲の特許
請求の範囲によって規定されるこの発明の範囲内に含ま
れるすべての代替物、変形例および均等物はここに含ま
れるも　１０− のと意図する。したがって、好ましい実施例を含む以下
の例は、この発明の実現を図解するためにのみ役割を果
たすものであり、説明した特定の形式は例によるもので
あり、この発明の好ましい実施例の例示的な議論の目的
のためのものに寸ぎないものであり、この発明の原理お
よび概念的な局面のみならず、形式上の手順を最も有益
で、簡単に理解される説明と考えられるものを提供する
ために提示されたものと理解されるべきである。

さて、図面を参照して、この発明による補助電気駆動Ｉ
ＩＩが備え付けられた自転車を第１図に示す。以下に詳
細に説明する駆動機構２自体は、自転車フレームの種々
の部材、本件の場合、ダウンチューブ４およびチェーン
ステー６によって支持されており、かつ動力を直接ペダ
ル輪軸８（かつしたがって標準チェーンホイール１０お
よびチェーン１２を介して後輪１４へ）伝達する。Ｎ電
池１６は、うまくダウンチューブ４上に装着され、また
は横材（１〜ツブチユーブ）１８から吊下げられるが、
都合の良いときはいつでも、たとえば、荷台２０の上に
または荷台から吊下げられた筒部に入れられることがで
きる。

バックペダルまたは足台ブレーキを備えた自転車では、
（以下により詳細に議論する）駆動制御は寸べて自転車
のハンドルバーの上に配置され、他方、簡単なフリーホ
イールリアハブを備えた自転車では、ハンドルバーは２
個のハンドブレーキを支えな（プればならないが、回生
制動のための機構は後で説明する、ペダル輪軸へ取（Ｔ
Ｉけられる装置によって駆動される。

この発明による駆！ＩＪ機構の機構的な局面が第２図な
いし第６図に詳細に図解されている。

機構的に駆動されるとき、電気エネルギを発生する発Ｎ
機として機能する形式の電気永久磁石直流モータ２２が
見られる。ブラケット２４によって、モータはダウンチ
ューブ４へ剛体的に取付けられる。２４ポル１〜で、こ
のモータは１７００ｒｒｌｎ１の定格速度および約４０
０ワツトの出力を有する。１７００ｐｐｍの比較的高い
出力速度は２段階で減速され（第２図を参照すると、そ
の装置が駆動モードで示されており、モータ２２は乗る
人を補助している）、約３　Ｑ　ｒｐｍのチェーンホイ
ール速度を得る。比、チェーンホイール／リアハブスプ
ロケット、に従って、これは約７５−９　Ｏｒｐｍの自
転車ホイール速度を生じる。これらの段の第１は、モー
タ２２のシャフトへキー止めされるウオーム２６と、ウ
オーム２６と噛合するウオームホイール２８とからなる
ウオームギヤであり、伝達比は１：５．６である。ウオ
ームと、ウオームホイールとの両方のピッチ角度は４５
°であり、これによって、このウオーム駆動は可逆的と
なり、すなわち、ウオーム２６がウオームホイール２８
を駆動するのみならず、ウオームホイール２８もまたウ
オーム２６を駆動することができる。両コンポーネント
はモータ２２へ取付けられるケーシング３０に収納され
る。第２の歯車減速段は、ウオームホイール２８のシャ
ツ１〜へキー止めされまたはそのシャフトと一体となっ
たギヤビニオン３２と、１：１０の伝達比で、ビニオン
３２と噛合するギヤホイール３４とを備え、全体の減速
は１１３− １５．６ｘ１／１０＝１１５６であり、すなわち、ギヤ
ホイール３４は１７００１５６’＝３Ｏｒｐｍで回転す
る。ギヤホイール３４はフリーホイールクラッチの外側
部材すなわちリム３６上に装着され、その内部部材すな
わちハブ３８はペダル輪軸８ヘキー止めされ、その輪軸
８に対して、チェーンホイール１０もまた底部ブラケッ
トベアリング４０（第６図参照）の他方側でキー止めさ
れる。援助されないで進むとき、すなわち、自転車がペ
ダルによる動力のみで駆動されるとき、クラッチハブ３
８がオーバランし、ギヤホイールを静止状態にする。モ
ータ動作の制動モードでは、モータ２２は発電機として
機能し、かつこれについては以下により詳細に説明する
が、ギヤホイール３４とともに回転するくしかし、駆動
モータにおける回転の意味と逆の意味で）クラッチリム
３６がオーバランし、クラッチハブ３８、ペダル輪軸８
およびチェーンホイール１０を静止状態にする。すべて
のコンポーネントの、駆動モードにお（プる回転の意味
は矢印で示される。

１４− チェーンステー６ヘクランプされたブラケツ１〜４４か
ら吊されたフレーム４３上に装着され、かつ一方ではギ
ヤホイール３４と、かつ他方ではギヤビニオン４６と永
久に噛み合うアイドラギヤ４２が第２図に見られる。さ
らに以下に説明するように、制動モードにおいて、自転
車のタイヤ５２に抗して与えられかつタイヤ５２によっ
て駆動される摩擦ホイール５０が、ギヤビニオン４６の
シャフト４８ヘキー止めされる。ギヤ３４／アイドラギ
ヤ４２の永久噛み合いのため、アイドラ４２は、ビニオ
ン４６および摩擦ホイール５０と同様に、何の実際上の
目的はないが、駆動モードで回転する（第２図）。フレ
ーム４３およびその上に装着された］ンボーネントの断
面図が第４図に示されており、第４図において、簡略化
のため、ベアリングスリーブまたはブッシングのような
すべての摩擦減少コンポーネントが省かれている。フレ
ーム４３．４３−はアイドラギヤ４２のシャフト５４の
まわりを旋回することができ、その正面部材４３−はベ
ルクランクレバー（第２図および第３図を参照）の形状
を有し、その−万端には、ボーデンケーブル５６の一端
が取付けられ、他方端に対しては、テンションばね５８
の端部が取付けられ、そのばね５８の他方端はギヤケー
シング３０へ固定的に取付けられる。摩擦ホイール５０
の輪郭は、タイヤ５２上により優れたグリップを行ない
かつタイヤの摩耗を少なくするため、わずかに窪んでい
ることがわかる。また、第４図からも明らかなように、
タイヤの中心部６０に対して摩擦ホイール５０の位置は
対称的であり、したがって摩擦力はタイヤ５２上のみに
与えられる。

第３図は制動モードにおける装置を示し、ボーデンケー
ブル５６を、矢印の方向に引張ることによって（以下に
詳細に説明する手段によって、かっばね５８の復元力に
抗して）、フレーム４３゜４３″はタイヤ５２方向へス
トップ５９によって規定される静止位置から旋回され、
他方Ｉ！Ｊ擦ホイール５０はタイヤ５２に対して押付け
られかつタイヤ５２によって駆動される。

回生制動の原理は効率的な回生のため、ずなわち、蓄電
池の再充電のための電気エネルギとして自転車と乗る人
との運動エネルギの最大量を回収するように発電機とし
て働くモータを用いるために、発電機として働くモータ
の速度は駆動モードにおいて働くときよりもかなり大き
くなければならないということであり、既に簡単に触れ
たところである。この発明による補助駆動機構では、ま
さにその場合である。後輪タイヤ５２によって今駆動さ
れているので、モータ／発電機２２は２段階でギヤアッ
プされ、第１段階はタイヤ／摩擦ホイールの係合である
。約１（摩擦ホイール５０）ニア（タイヤ５２）の直径
比では、ビニオン４６は７：１の比でギヤアップされる
。今次のギヤアップ段階に加えると、この場合ビニオン
４６はビニオン３２を駆動しく伝達比は１．７：１）、
かつウオームホイール２８はモータシャツ１〜へキー止
めされたウメーム２６を駆動しく伝達比は５．６：１）
、全体のギヤアップは７／１Ｘ１．７／ｌｘ５．６／１
→６７／１である。チェーンホイール１０によって、駆
動モードの減速は１１５６であ１７− ったことを思い出し、かつ２．５：１のヂエーンホイー
ル／リアハブスプロケッ１へ伝達比を想定して駆動モー
ドにお【プる全体のギヤダウンは１１５６Ｘ２．５／１
Ｌ＝Ｆ１／２２であったことを思い出すと、ギヤアップ
比は６７／１であり、制動モードにおいて作動するモー
タ／発電機は、それが駆動モードで回転するとき自転車
ホイールの回転につき３倍の速さで回転されることがわ
かる。

既に説明したように、バックペダルまたは足台ブレーキ
を備えた自転車では、回生制動はハンドルバー６２から
制御され、その斜視図を第５図に示す。ボーデンケーブ
ル５６の他方端（第２図および第３図）が、ここで、標
準的なブレーキハンドル６４へ取付けられる。また、ハ
ンドルバーの上には、必須のハンドブレーキのための第
２のハンドル６６と、ブツシュボタンスイッチ５と、第
７図の電気回路図に関して説明する２つのメータＶおよ
び△が見られる。

法イ４！によれば、ハンドルバーは２個のハンドブレー
キ（前輪に対して１つ後輪に対して１つ）を１８− 支えなければならない簡単なフリーホイールリアハブを
（苗えた自転車では、小さなオーバランクラッチ６８が
ペダル輪軸８のその部分へ取付けられ、これは底部ブラ
ケットベアリング４０のチェーンホイール側から突出し
ており（第６図もまた、ペダルクランク７０およびシー
トチューブ７２を示す）、そのベアリングの他方側には
、フリーホイールクラッチ３６／３８およびギヤホイー
ル３４が配置される。前方へペダルをこいでいる間、ク
ラッチ６Ｂはフリーホイールとして働くが、後方へペダ
ルを回している間は、オーバランクラッチ６８のリム７
６へ回動自在に取付（）られるケーブル端７４は後方へ
ペダルを回すことによって発生されるリム７６の反時計
方向の回転によって下方向へ引張られ、したがって、ブ
レーキ作用を作り出す上）ホの旋回運動を開始させる。

回生制動のさらなる利点は、制動力を生じる発電機の反
応が自転車の速度に比例するということである。このこ
とは、下り坂を進むとき、自転車の加速と制動力との間
にすぐに平衡が確立され、スピードが一定となることを
意味する。最終的に静止状態まで制動するためには、人
は、もちろん、機構的なブレーキを適用することができ
る。

再充電可能なニッケルーカドミウム蓄電池または乾鉛−
酸蓄電池は補助駆動機構の電源として適していることが
わかっており、必要な蓄電池の全重さは′乗る人の体重
を引張る″その人の能力（および意思）の関数である。

実験によれば、登り坂のコースは、１ｋｍよりも短かく
、かつ６゜（これは非常に険しい）よりもなだらかであ
り、かつこれらの登り坂のコースの後、続いて対応の下
り坂の］−スがあるものとすれば、健康な中年の人は最
大３ｋｇのニッケルーカドミウム蓄電池を必要とし、他
方若くて、元気な人はＩｋｌｌ以下で処理できるという
ことがわかった。

第６図はこの発明による駆動機構の概略的な回路図であ
る。回生制動の間は、モータ／発電機は、摩擦ホイール
５０を介挿することによる、動力の補助による走行の間
とは逆の意味で回転するという事実がこの回路の簡略化
の下にある。これによっで、スイッチＳの通常の位置１
においては何の電流も流れないという意味において、バ
ッテリと、モータ／発電機との間でダイオードＤを介し
ての接続が可能となる。今、回生制動が与えられると、
モータ／発電機により発生される電圧は、−この電圧が
蓄電池電圧よりも高ければ、ダイオードがもはや阻止し
ないような極性である。しかしながら、援助走行の間に
ギヤダウンよりも高い、回生制動の間の上述したギヤア
ップのためこれが常である。

■は過熱に対しモータ／発電機を保護するサーモリレー
であり、このサーモリレーは、同時に、一般のオン／オ
フスイッチとして働く。Ｊは交流電源から充電するため
のジャックを示す。この目的で、自転車には、適当なス
テップダウン変圧器が設けられることができ、それによ
り蓄電池は任意の都合の良い主アウトレットから直接充
電されることができる。援助走行に対して、スイッチＳ
は位置２へ移される。蓄電池の消耗を避けるために、ハ
ンドルバーの上に配置されるこのスイッチは、補助が要
求される場合に限り下へ押し下げられな２１− ければならないブツシュボタンとして有利に股引されて
いる。スイッチが解除されると、スイッチＳは自動的に
位置１へ復帰する。電流計Ａ（第５図も参照）は、好ま
しくは、ハンドルバーの上に装着され、自転車に乗る人
のための視覚的なフィードバックの役目をし、自転車に
乗る人は、ポインタを見ることによって自分自身の運転
の動向をいかに最適にすべきかを素早（知ることができ
る。

この回路に含まれる選択物は、フロントライトおよびリ
アライト、方向指示器、短詩ビーク電力のための過電圧
源（最大３６ボルト）、蓄電池状態指示器（第５図の電
圧計）などである。

これまでの説明において与えられた伝達比は特に好まし
いものであると思われるが、他の比もまた用いられると
いうことは明らかである。

この発明は前述した実施例の詳細に限定されるものでは
なくかつこの発明はその精神から逸脱することなく他の
特定の形式でも実施できるということが当業者にとって
明らかであろう。この実施例は、それゆえに、あらゆる
点において例示的な２２− ものであり限定的なものではないと考えられるべきであ
り、この発明の範囲は前述の説明によって示されるより
もむしろ、前掲の特許請求の範囲によって示されるもの
であり、特許請求の範囲の意味および均等な範囲内にあ
るすべての変形は、それゆえにここに含まれるものと意
図する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による補助駆動機構を備え１ζ自転車
の一般的図解である。 第２図は駆動モードで示される装置の概略図である。 第３図は制動モードで示された装置の概略図である。 第４図は第２図の、面ＩＶ−ＩＶに沿って切取られた断
面図である。 第５図は第１図の自転車のハンドルバーの拡大斜視図で
ある。 第６図は回生制動のためのボーデンケーブルを引張るフ
リーホイールクラッチの配置を示す。 第７図はこの発明による補助駆動機構の電気回路を示す
。 図において、２は駆動機構、１６は蓄電池、２２はモー
タ、２８はつＡ−ムホイール、３２はギヤビニオン、３
４はギヤホイール、１ｏはチェーンホイール、３６はク
ラッチリム、４２はアイドラギヤ、５６はボーデンケー
ブルを示す。 特許出願人　イリア・ゴールデンフエルドおよびキブッ
ッ・ボルドニア・フルダ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　ペダル駆動される路上乗物用の電気補助駆動機
   構であって、 電気モータと、 前記モータへ動力を供給するための再充電可能なマルチ
   セル蓄電池と、 前記モータを制御するためのスイッチ手段とを備え、前
   記モータは、それが発動機として機能し、前記蓄電池か
   らエネルギを引出してそれを前記乗物へ与える第１のモ
   ードと、発電機として機能し、前記乗物からエネルギを
   引出してそれを前記蓄電池へ与える第２のモードとで作
   動するように構成されており、 前記第１のモードで作動するときその移動のため前記モ
   ータと、前記乗物のペダル輪軸との間で永久運動連結を
   与えるための第１の伝達手段と、前記モータが前記第２
   のモードで作動することができるようにするため、前記
   乗物の一方の車輪と、前記モータとの間での運動連結を
   選択的に与えるための第２の伝達手段とを備え、少なく
   とも前記第１の伝達手段は実質的に確実伝達手段である
   、電気補助駆動機構。 （２）　前記乗物の車輪の全く同一の回転速度で、前記
   モータは、それが前記第１のモードで回転するよりも実
   質的に高い速度で、前記第２の回転モードで回転される
   、特許請求の範囲第１項記載の電気補助駆動機構。 （３）　前記第１の伝達手段は、前記モータのシャフト
   へキー止めされるウオームと、前記ウオームと噛合する
   ウオームホイールと、前記ウオームホイールのシャフト
   へキー止めされるギヤピニオンと、前記ビニオンと噛合
   しかつフリーホイールクラッチの外側部材上に取付けら
   れるギヤホイールとを備え、前記フリーホイールクラッ
   チの内部部材は前記ペダル輪軸へキー止めされる、特許
   請求の範囲第１項に記載の駆動機構。 〈４）　前記第２の伝達手段の少なくとも一方の部材は
   、前記乗物の車輪のタイヤと摩擦接触するようにもたら
   されるようにされた摩擦ホイールである、特許請求の範
   囲第１項記載の駆動機構。 （５）　前記第２の伝達手段は、前記第１の伝達手段の
   ギヤホイールと永久に噛み合うアイドラギヤと、前記ア
   イドラギヤと永久に噛み合うかつ前記アイドラギヤの軸
   のまわりを旋回するようにされたフレーム上に装着され
   るギヤビニオンと、前記ビニオンのシャフト上に装着さ
   れかつそのシャフトにキー止めされる前記摩擦ホイール
   とを備え、かつ前記摩擦ホイールと前記タイヤとの摩擦
   接触は、ばね手段の復元力に抗して前記シャフトのまわ
   りに前記ブラケットを旋回させることによって行なわれ
   る、特許請求の範囲第１項記載の駆動機構。 （６）　動作の前記第１のモードから前記第２のモード
   への移動を行なうためのケーブル手段をさらに備えた、
   特許請求の範囲第１項記載の駆動機構。