トルク変動キャンセラー（TFC機構）の仕組み

質問

京都大学が鳥人間で使う機体に搭載しているTFC機構について教えて下さい。
鳥人間においてはパイロットがペダルを漕ぐと、一定のトルクを入力することができず、プロペラの速度やパイロットへの負荷が一定せず不利になるそうです。
一定しないトルクを一定にして出力し、この問題をほぼ解消する機構がトルク変動キャンセラーだそうです。
しかし資料を見ても、もう一つ仕組みが理解できません。
どなたか分かりやすい解説をお願いします。

私が参考にしたページ（PDF）を貼っておきます。
よろしくお願いいたします。

回答No.4

funflier · ベストアンサー

No.1・2・3です。No.3投稿後、再びカラー図の有るリンクが見られるように
なっていたので追記します。

「＞白い丸い何か」とは台形のプーリー外側にある2個の小さい白丸ですか？
これだとすると、ＴＦＣがフレームに固定しているボルトを白丸で示している
のと同様、この台座がフレームに固定されていることを表現したものでは
ないかと思います。（実際には写真ではプーリーのハウジングが4本のボルト
で台座に固定され、台座はどう固定されているかは見てとれませんが。）

改めて見ると「プーリーの存在意義」は方向転換以上に、トルク変化に
関わるものと思います。例えばスプリングの自由端が、ＴＦＣクランク回転
に合わせて左右に首振りすると、ＴＦＣがスプリング最短にする付近では
スプリング長変化がさほどなくなります。（ピストンエンジンで例えると、
スプリング固定端＝ピストンピン、スプリング自由端＝コンロッドビッグ
エンド、ＴＦＣクランク＝クランクピン、でピストン上死点位置）
ここでＴＦＣクランク端近くにプーリーがあって、スプリングは真っ直ぐ
伸び縮みしか出来ないようにすると、クランクがプーリーから離れれば
ワイヤーを引くか戻すかすることになり、この方がこの死点付近での
スプリング長変化が「首振り」する場合より明らかに大きくなります。
図で書いて見ると90°回転してワイヤーを引いた位置では、ワイヤーを
引いた長さは1/4円の円弧の弦であり、半径の√2倍になります。トータル
は直径分＝2ｘ半径　しか引かないのですから、半周の動きの前半部で
大きく引く動作になります。

ＴＦＣのペダルとのクランク位相はチェーンでどうにでもなるので、
ＴＦＣとスプリングのポジションありきで決まったレイアウトでは
ないかと思います。スプリングの圧縮に一番太いフレームで耐えさせ、
ＴＦＣもこのフレームにあり、後はＴＦＣクランク端に近くかつ丈夫な
フレーム交差部にプーリーを配置した、そんな印象を持ちます。

お礼

大変深い考察をして下さり、ありがとうございました。
おかげで、おそらくこうであろうという有力な説を持つことができました。
想像での話しかできないので限界があるかとは感じていましたが、今回は限界を高いレベルまで引き上げられるような、大変論理的で建設的な回答を頂戴することができました。
おかげで連帯感を感じつつ「この理屈じゃないと逆におかしいだろう」と言える様な高いレベルの自信をもつことができ、満足しています。
楽しかったです、本当にありがとうございました。

回答No.3

funflier

No.1・2です。私が参照したのも、No.1内に貼った2番目の資料でカラー図
だったのですが、本回答作成の現時点では繋がらなくなっています。
以降はまだ見られる1番目のリンク先資料に基づきます。

補足内容について、
＞プーリーとチェーンと「白い台形の何か」とステンレスワイヤーと
＞「白い丸い何か」の相関関係が分からなくなります。
「白い台形の何か」についてはこの資料の4ページFig4を見ていただくと、
http://hpaextend.web.fc2.com/HPA_Extend/ji_shu_ji_shi_files/SSS17th.TFCReport2.pdf
2個のプーリーの台座であることが解ります。この台座、逆Ｖ字に交差した
フレーム間にあるので必然的にこの形なのだと思われます。
（先にこの写真をよく見ていればNo.1回答での解釈間違いに気づけたのですが。）
「白い丸い何か」については、カラー図と同じ図がモノクロでFig2にある
のですが、すみませんがどれのことだったかが解りません。

＞そうするとプーリーの存在意義が不明であり（フックの保護？）
推測を重ねているので間違っている可能性はありますが、このプーリーは
恐らく下記の理由で要るものかと思います。
1）スプリングは人間の脚力を補う位の張力があります。もし、プーリー
　での摩擦を最小にすべく、極力ステンレスワイヤーと角度を持たない様に
　張ると、このスプリング固定端は前方の「何もない」空間になります。
　ここに新たに、あるいは前方フレームにずらした固定を行うと、
　固定のための余計な構造部材や強化部材が必要で重量増になるのでは
　と思います。そこで上下に走る太いフレーム（黒いのでカーボンパイプ？）
　の下方にスプリング固定端を設けたと想像します。これでスプリングは
　下方から伸びてくるので、方向転換にこのプーリーが要るということに
　なると考えます。
2）このプーリー2個の間とＴＦＣクランク端を結ぶラインは、プーリーの
　距離によってクランクとワイヤーの角度関係が変化します。
　スプリングが無限の距離にあってプーリーは無いのと、ＴＦＣクランク
　直近にプーリーがあって角度を変えている場合とでは、ワイヤーが
　クランクに対し引っ張る角度が違い、トルクが変わります。
　計算式の意味とか解釈までは出来ませんが、トルク変動を理論値に
　近づける様に決められた距離なのではないかと思います。

回答No.2

funflier

No.1です。先回答の図を拡大して見ると、間違った解釈だったことに気づき
ました。「3）」で「チェーンを張る」と書きましたが、プーリーは構造に
固定されていて、コイルバネは直接ＴＦＣのクランクを回している様で、
チェーンとは無関係と思います。プーリーは単にワイヤーの方向を変えて
いるだけです。

ですので、先回答　3）項は、
「3）人間が踏めないペダル位置のとき、クランクはワイヤーを緩める位置に
　回る。こうすると、コイルバネはプーリーを介してワイヤーでＴＦＣを駆動する。
　この「人間が回せない」間、バネで駆動することで平滑なトルクを得る。」
に訂正します。

補足

回答ありがとうございます。

さてURLですが、すみません、貼り忘れていました。
こちらの方がカラーで分かりやすいかと思います。
http://shootingstars.hannnari.com/pdf/2011presentation.pdf

コンデンサの話は、確かに整流とかで出てきた気がします。
要するにペダルを漕ぐ時に貯めた引張バネの位置エネルギーを、ペダルの死点とその付近で運動エネルギーに変換させて、出力の安定化とプロペラ（＝ペダル）回転速度の低下防止を図るという理屈ですね。
高校物理の内容をおさらいするような気分ですね（笑）

ただ、図を拡大して頂きますと、水色で示されたステンレスワイヤーとプーリーの関係が見て取れます。
…と思わせておいて、やっぱりプーリーとチェーンと「白い台形の何か」とステンレスワイヤーと「白い丸い何か」の相関関係が分からなくなります。

回答を拝見し、おそらく「白い円で示したとおりに周回するクランクの端にステンレスワイヤーを取り付け、そのステンレスワイヤーの端には引張バネを取り付けて骨格に固定する。ただしステンレスワイヤーはその途中を、骨格に固定したプーリーで２つで挟んでその間を通過させる。後は引張バネがクランクを必要なときに引っ張って…」という理屈であろうという考えにはたどり着きました。
ただ、そうするとプーリーの存在意義が不明であり（フックの保護？）、まだ何か勘違いをしているような気がしています。
お気づきの点がございましたら、また回答をお願い致します。

回答No.1

funflier

「＞参考にしたページ」というのが質問文内にありませんが、関係する資料
はいくつか検索で見つかりました。
http://hpaextend.web.fc2.com/HPA_Extend/ji_shu_ji_shi_files/SSS17th.TFCReport2.pdf
http://shootingstars.hannnari.com/pdf/2011presentation.pdf

全体図が無いのと実際動いたものを見たわけでは無いので、確証はありませんが
これらからの推測で解釈しました。整理すると；
・人間には「力を入れやすいペダルを上から下に」回す動作と、「力の入らない
　下死点付近」での動作で脚力に差があり、これがプロペラ駆動速度を一定に
　しない。これは急坂を登る自転車に近いものと思います。踏み込めないペダル
　位置で減速してしまい、自転車であれば停止するとそこで倒れてしまう訳です
　が、この「ペダルを漕げない」瞬間、何か別の力が駆動してくれれば一定速度
　以上を保てます。ＴＦＣはこれに相当することをするものと思います。
・鳥人間機は「脚を下ろす」駆動では空回りに近く、感覚的に軽い負荷だそうで、
　ここでの負荷をむしろ増やして「溜めて」おき、駆動しにくいペダル位置
　で放出すれば出力側トルクを平均化出来ます。（コンデンサによる電気での
　脈流平滑回路に近いと書かれたものもネットにありました。）
・具体的には、恐らく以下のような機構と思います。上記リンクの２番目、
　「脈動とトルク変動キャンセラーの話」の「2-1」の「心臓部の図」を
　元に想像すると、
1）ＴＦＣのクランクは人間が駆動するペダル側に対し2倍の回転をする。
　（これにより、人間側では2回/1回転の周期で起こる脈動と同期する。）
2）ＴＦＣは人間がペダルを踏み込むとき、クランクでステンレスワイヤー
　を張り、コイルバネを引っ張る。これは人間の負荷を増やすが、同時に
　バネを伸ばすことで「力」をチャージする。
3）人間が踏めないペダル位置のとき、クランクはワイヤーを緩める位置に
　回る。こうすると、コイルバネはプーリーを介してチェーンを下方に引く。
　これはチェーン張力を増し、恐らくはチェーン上のプーリーに逆回転
　防止の機構があって、これはそのまま駆動力となる。（簡易な図だけでは
　これがどうなっているか不明。または駆動系に逆転防止があるのか。
　あるいは人間による負荷が逆転防止機能を兼ねているか。）
　この「人間が回せない」間、バネで駆動することで平滑なトルクを得る。

と、いったものではないかと考えます。