音動楽人(みゅーたんと)

電動アシスト自転車《購入・使用レポート2020》番外編 ECT付きアシスト自転車とは?

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夢の電動アシスト自転車のデザインコンセプトについて

内装多段変速機とは

現在、simanoによって11速までの内装変速機(プラネタリギヤ多段変速機(※1))が製造販売されています。

これは、複数のプラネタリギアの組み合わせを変速スリーブで選択する、複雑で精密な機構となっており、SIMANOのフラッグシップ的変速機で技術力の証として「採算度外視」で少量生産されているようです。

11速変速機は GUTS-CYCLE さんの参考価格です。

マイサイクルに実装するには、スポーク、シフター、電動変速システム Di2(11速専用)、変速ワイヤー、専用変速グリップ、などの装着部品が必要になってきます、更にリヤホイール組み立て・調整(芯出し、振れ調整等)には専用治具と"高い技術力"が必要となり個人では手に負えません!

行きつけのサイクルショップでパーツ手配や組み立て調整を依頼することになります。

参※1 Wikipedia関連記事 遊星歯車機構はこちら。

自動車用"減速機"と自転車用"増速機"の違い

一般的な自動車用ATに用いられているプラネタリギヤーは減速機!として用いられており、自転車用では増速機!として用いられているために、入力と出力の関係が逆になっています。

また自動車用では、各プラネタリギヤのセットのケースとアウターギヤーを選択クラッチで固定して変速を行いサンギアと同軸のプラネタリキャリアー軸が出力軸となりますが、自転車では逆にサンギヤシャフトを固定してアウターギヤ側をハブにロックしてハブ本体を回転させています。

自動車用自動減速機

更に自動車用ではサンギヤ・入力軸として、最後部のプラネタリギヤ(キャリー)を出力軸としています、さらにそれぞれのプラネタリギヤーセットのアウターギヤーにあるクラッチシステムで、ケースとアウターギヤーはロックされるようになっています。

自動車用ATに用いられるメリットの一つとして、入出力軸が同一中心線上にあり、マニュアルトランスミッションのように「カウンターシャフト」を必要としないために、高さが必要ない点があげられます、反面多段変速機にするには複数のプラネタリギアセットが必要となり全長が長くなる点があげられます。

自転車内装多段増速機!

この点は自転車用内装変速機も同様で、変速機を持たないママチャリのホイールハブに比べて、外装変速機のギヤを含むトータル幅と同じくらいに幅広くなります。

また自転車用ではハブそのものをケースとして利用いるために、サンギア(メインシャフト)側が固定軸となっています。

次世代型変速機ECT(電子制御無段変速機)のコンセプトデザインとは

プリウスなどのトヨタ製ハイブリッドカーで採用されているシステムでトヨタが基本特許を押さえています。

1組のプラネタリギヤと2個のモーター(ダイナモ)とコントロールユニットで構成されているシンプルな機構です。

電動アシスト用ECTのコンセプトデザイン

bicycle_ect_assy1.jpg

bicycle_ect_assy2.jpg

電動アシスト自転車に応用する場合は、ワンウェイクラッチ機構はクランク軸側(車体側)に設置してプラネタリギヤー(プラネタリキャリー)とモーターユニットはクランク軸(ペダル)とは離れた並行3軸配置とします。

3軸配置とする理由は、単なる減(憎)速機と違い、自転車のペダルクランク軸は両側に取り出されているために、3重シャフトなどの厄介な機構が必要なためです。

アウターギア(リングギア)を入力、サンギアを出力軸とします。

プラネタリギアをロックした場合最大のギア比が得られるからです。

但し両者の関係はプラネタリギア(アイドラー)を介して逆回転しているので、クランク軸とアウターリングギアの間にアイドラーを兼ねた駆動モーター(ダイナモ)のピニオンギアを挟み出力プーリ軸(サンギアー)をクランクとが同方向に回転するようにします。

※自動車の場合はサンギヤ→プラネタリーの組み合わせをバックギアとして利用しています

アウターギヤーに接続したモーター・ダイナモを常時回転させて駆動(モーター)と回生発電(ダイナモ)に用います。

一方、ワンウェイクラッチ機構はクランク軸側に設けているので、ペダルを踏むと駆動力はペダルギヤ→アイドラーギヤ(駆動モーター)→アウターギア→プラネタリギア→サンギア(後輪駆動プーリー)の順に伝わり後輪を駆動出来ます。

プラネタリキャリー外周に設けたギヤーとウォームギヤーで垂直に接続した変速用モーターをギヤ比に応じて回転させます。

アシスト失効時には、サンギヤーはウォームギヤー駆動なので、固定されて、サンギヤーとアウターギヤーのギア比でサンギアーが回転しますので、ペダルの駆動力は問題なく後輪に伝わります!

利点

  • 内装多段変速機に比べて機構がシンプル
  • 基本のギア比以外にプラネタリキャリーを正回転(増速))逆回転(減速)させることで無段階に変速できます!
  • プラネタリキャリーの回転数制御だけで変速ステップ段が設定できます。
  • クランク軸、変速機、モーターを一体ケースでユニット化すれば、汎用性を持たせることができます。
  • 現状の変速機に付き物の「変速時の空走」がなく常に駆動力が得られます。
  • 電動アシスト自転車の主流クランク軸駆動型なので、前輪のバネ下重量の軽減につながり、26(24インチ)インチサスペンションフォークが流用可能となる!
  • 同じくセンターモーターなので、後輪のスイングアーム化も可能となる!
  • クランク側にフリーホイール機構があり、モーターは常時回転しているので、発電回生が可能!
  • 現用の内装変速機のノウハウが利用できる

技術的課題

  • アッセンブリーを小型化するには相当の開発(詰め)が必要。
  • あくまでもアイデアスケッチ(概念図)なので、モータークーリングの問題(変圧器オイルを用いた油冷)、ギヤーBOXの潤滑の問題(油浸)、ワイヤーハーネスの取り回しなどのアッセンブルは省力してあります。
  • プラモデル感覚での汎用モーターの組み合わせでは小型化は無理なのでモーター担当メーカーと共同で開発する必要がある。

変速の概念

  • 例えば現状の3速変速機の2nd減速比を中心に、5速として逆転側に4速、正転側に3速設ければ8速変速機となり、坂道での細かな対応が可能となります。
  • 常に5速発進として、8速までの6、7速の設定回転数までは、連続的に変化させるタウンモード(無段階増速)、スポーツモード(ステップ増速)で増速カーブを制御すれば、異次元の無段階変速が実現します!例えば下り坂で、8速に設定して空踏みを防ぐにはスポーツモードを、街中で「楽に増速するときはにはタウンモード」てな具合です。
  • 減速ギヤー1~4速はステップ状にモーター回転数を制御して、坂道での"空走のない"レスポンスの良いnomai 変速が可能となります。

現在、国内法規でアシストは0~20km/hの範囲内で「入力:駆動力=1:2」と定められているために、アシストモーター定格出力はMAX250W(1/3馬力)となっていますが、少し大きめ400W定格出力のモーターを250W以内で使用して、余裕を持たせれば、繰り返し述べている「モーター発熱」による出力低下は防げるでしょう!

YAMAHAはこの手を使っている様子?

またモーターをアシストモーターと変速モーターに分ければ変速専用は100w程度の小型モーターで十分なので、現状の250Wクラスのアシストモーターでもさほど過熱することはない可能性もあります。

アシスト制御関係は「現状のクランク・トルクセンサー」が一部改造ただけでほとんどそのまま流用出来て、減速機モーターの電力を差し引いた電力でアシストすれば問題ないはずです。

YAMAHAが一番乗りかも

前途したように、TOYOTAが基本特許を押さえているますが、YAMAHAとは昔から懇意にしている関係であり、「OEM]かコラボ商品として「プリウス」ブランドで発売できれば可能性は高まります!

また、TOYOTAに特許使用料を支払う形でPanasonicが交流モーターとリチウムイオン電池、および制御器を、SHIMANOが小型プラネタリギヤーユニット製造を受け持てば、YAMAHA以外の中小メーカーでも使用可能で世界中に広まるでしょう。

※TOYOTAが広く特許を押さえているので、SHIMANOなどの自転車部品メーカー、Panasonicなどのモーターメーカー単独では製品化はできません?

さらに、TOYOTA、YAMAHA連合も自社で独自に小型モーターや、独自ギヤーの開発製造をするには(コスト的に)ハードルが高すぎます、そこで、YAMAHAがまとめ役(仲介役)になってそれぞれの得意分野で世界的な技術力を持つ、SHIMANO、Panasonic、YAMAHAがTOYOTAからのライセンスのもとで共同開発するのが最も早道ではないかと思われます。

20万円以内なら買い!

20万円以内で商品化できれば、現状のアシスト自転車市場でかなりの販売数が期待できるはず。

原チャリと違って、原付免許不要(これは若い世代の免許離れの傾向にも一致する)は大きなメリットになります。

強化型ブレーキ(油圧ディスクブレーキ)、前後サスペンション(モーター変速機をユニット化できれば"ソリッドカーボン駆動"でも後輪スイングアーム化が可能!さらにショックに弱いリチウムイオン電池には振動対策としても必要!)を装備したハイエンドクラスでも25万円以内で商品化できれば、原チャリからかなり乗り移ってくれると思う。(ヘルメット着用、歩道通行禁止、一方通行などの規制がない!)

24インチママチャリサイズもあり

クランク軸、ホイールベース、サドル位置の関係から、モーター・ETCアッセンブリーユニットの小型化には限度も考えられるにで、26・27インチタイヤサイズに拘らずに、24インチ+前後サスのほうが街乗り・では快適なような気もします。


 

公開:2020年7月 6日
更新:2020年7月11日

投稿者:デジタヌ


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