JP2007210520A - 自転車用変速装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構造が簡単で、汎用的に様々な自転車に取り付けられる内装式の自転車用変速装置を提供する。
【解決手段】主軸５１の外周に爪回転体１を嵌め、爪回転体１の外周に、変速段数に応じた複数の主ギヤ２，３，４，５を並べて配置し、主軸に平行に設けた副軸６により、各主ギヤに対して所定の速度比で連動する複数の副ギヤ７，８，９，１０を一体回転可能に支持し、爪回転体１に各主ギヤに対応するラチェット爪１５，１６，１７，１８を設け、ラチェット爪が噛合するラチェット歯１９を各主ギヤの内周側に形成し、爪回転体１の外周面からラチェット爪を出没させる切替部材２０の操作に伴い、ラチェット爪１５，１６，１７，１８をラチェット歯１９に係脱させて、副ギヤ７，８，９，１０を介し駆動力を伝達する主ギヤ２，３，４，５を切り替えることにより、入力側と出力側の回転の速度比を変化させて変速する。
【選択図】図１

Description

この発明は、駆動力を伝達するギヤの切替により変速する内装式の自転車用変速装置に関するものである。

一般に、走行する路面の勾配に応じてペダルの踏み込み負荷を調整する自転車用変速装置として、スポーツ用の自転車には、多数段のスプロケットにチェーンを掛け替える外装式のものが装備されるが、日常の街乗り用自転車には、変速操作を容易かつスムーズに行える遊星歯車機構を使用した内装式のものが装備される場合が多い。

この内装式変速装置として、下記特許文献１には、フレームに組み込まれるギヤケースとペダルの踏力により回転するクランク軸に対して回動自在に従動回転体を設け、その一側にスプロケットを固定し、クランク軸と一体に回転するキャリヤに複数段の遊星歯車を軸支し、遊星歯車の各段内側にそれぞれ回動可能な太陽歯車を噛合させると共に、遊星歯車のいずれかの段の外側に従動回転体に設けた内歯歯車を噛合させ、キャリヤと従動回転体の間に回転速度差を吸収するラチェット機構を設け、各段の太陽歯車の回転を許容・阻止する一方向クラッチの切替操作を行うことにより、クランク軸に対して増速される内歯歯車を切り替えて変速を行うものが記載されている。

また、下記特許文献２には、フレームに固定されるギヤケースとペダルの踏力により回転するクランク軸に対して回動自在に、スプロケット及び大径の太陽歯車を一側及び他側に一体的に形成した従動回転体を設け、クランク軸と一体に回転するキャリヤに大小２段の遊星歯車を軸支し、遊星歯車の大径段内側にクランク軸に対して相対回転可能な小径の太陽歯車を噛合させ、遊星歯車の小径段内側に大径の太陽歯車を噛合させると共に、遊星歯車の各段外側にそれぞれ内歯歯車を噛合させ、小径の太陽歯車と従動回転体の間に回転速度差を吸収するラチェット機構を設け、各段の内歯歯車のギヤケースに対する回転を許容・阻止する一方向クラッチの切替操作を行うことにより、クランク軸に対して増速される太陽歯車を切り替えて変速を行うものが記載されている。

特開平６−２６３０８１号公報 特開平６−２９８１５３号公報

しかしながら、上記のような変速装置では、ラチェット機構や各段の太陽歯車又は内歯歯車に対応した一方向クラッチを構成する多数の部品が必要となり、構造が複雑になるという問題があるほか、外径や幅が大きくなり、汎用部品を使用した自転車に取り付けることができないという問題もある。

そこで、この発明は、構造が簡単で、汎用的に様々な自転車に取り付けられる内装式の自転車用変速装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、この発明は、主軸の外周に爪回転体を嵌め、爪回転体の外周に、変速段数に応じた複数の主ギヤを並べて配置し、主軸に平行に設けた副軸により、各主ギヤに対して所定の速度比で連動する複数の副ギヤを一体回転可能に支持し、爪回転体に各主ギヤに対応するラチェット爪を設け、ラチェット爪が噛合するラチェット歯を各主ギヤの内周側に形成し、爪回転体の外周面からラチェット爪を出没させる切替部材の操作に伴い、ラチェット爪をラチェット歯に係脱させて、副ギヤを介し駆動力を伝達する主ギヤを切り替えることにより、入力側と出力側の回転の速度比を変化させて変速するようにしたのである。

また、上記変速装置において、切替部材を爪回転体の内周側に設け、切替部材の外周に各主ギヤごとに位相をずらして複数の凹部を形成し、爪回転体に対して切替部材を相対回転させ、ラチェット爪を切替部材の外周に摺接させることにより、ラチェット爪が爪回転体から出没するようにしたのである。

そして、回転しない固定部材と、操作用ワイヤの引き戻しに伴い回転する操作部材とにそれぞれ差動ギヤを軸支し、各差動ギヤを切替部材及び爪回転体に形成した外歯にそれぞれ噛合させると共に、その外側に設けたリング体の内歯にそれぞれ噛合させ、操作部材の回動に伴う切替部材と爪回転体との差動により変速するようにしたのである。

なお、この変速装置は、自転車への適用において、ペダルの踏力により回転するクランク軸を主軸とし、入力側となるクランク軸から出力側となるフロント側のスプロケットへ回転が伝達されるようにすることができる。

また、後輪を支持する車軸を主軸とし、入力側となるリア側のスプロケットから出力側となる外ケースへ回転が伝達されるようにすることもできる。

この発明に係る自転車用変速装置では、変速段数に応じた複数の主ギヤと副ギヤとを所定の速度比で連動させておき、切替部材の操作に伴い、ラチェット爪をラチェット歯に係脱させ、駆動力を副ギヤへ伝達する主ギヤを切り替えて変速するため、多段の遊星歯車や太陽歯車、内歯歯車等を設けてこれらの伝達経路を切り替える必要がなく、構造が簡素化されて製造コストが低減されるほか、使用時における信頼性も向上する。また、コンパクトに設計でき、汎用の部品を使用した自転車への取り付けも容易となり、多段の変速としても、変速比の段階を違和感がないように適切に設定できる。

まず、この発明の第１実施形態として、自転車のクランク軸側に取り付けられる内装４段式のものを図１乃至図７に基づいて説明する。

この変速装置は、図１及び図２に示すように、主軸となるクランク軸５１に挿通し、クランクアーム５２と一体になったクランクケース５３のボスを嵌めて固定される。クランク軸５１は、フレームのクランクボス５４にベアリング５５を介して支持され、クランクアーム５２の先端のペダルの踏力により回転する。

クランク軸５１の外周には、爪回転体１が嵌められて螺合し、クランク軸５１に一体回転可能に固定されている。爪回転体１の外周には、変速段数の４段に対応して、４速、３速、１速及び２速の主ギヤ２，３，４，５が右側から左側へ順次並べて互いに相対回転可能に配置されている。

クランク軸５１の周りには、３本の副軸６が１２０°の間隔をおいてクランク軸５１に平行に設けられ、この副軸６により、主ギヤ２，３，４，５に噛合して所定の速度比で連動する副ギヤ７，８，９，１０がボス部で一体化されて回転可能に支持されている。

主ギヤ２，３，４，５及び副ギヤ７，８，９，１０は、円筒状のギヤケース１１に収納され、副軸６の端部はギヤケース１１で支持されている。ギヤケース１１は、左右の部材が３本の締結ボルト１２により固定され、チェーンケース５６の受板５７に対し、回止具５８により回り止めされている。

主ギヤ５は、ベアリング１３を介して爪回転体１に回転自在に支持され、主ギヤ５の左側はギヤケース１１から突出し、その突出部に後輪駆動用チェーン５９が掛けられるスプロケット１４が取り付けられている。ギヤケース１１の外径は、スプロケット１４の凹部に嵌まり込む大きさとなっている。

爪回転体１には、各主ギヤ２，３，４，５に対応して突出方向に付勢されたラチェット爪１５，１６，１７，１８が設けられ、その先端部が主ギヤ２，３，４，５の内周側に形成されたラチェット歯１９にそれぞれ係合するようになっている。

爪回転体１の内周側には、円筒状の切替部材２０がクランク軸５１及び爪回転体１に対して相対回転可能に設けられ、切替部材２０の外周には各主ギヤ２，３，４，５ごとに位相をずらして複数の凹部２１が貫穴として形成されている。ラチェット爪１５，１６，１７，１８の基端部は、切替部材２０の外周に摺接している。

爪回転体１の右側外周には、図１及び図３に示すように、外周に１２０°の範囲だけ外歯を有する操作部材２２が爪回転体１に対して相対回転可能に設けられ、ギヤケース１１に支持された切替軸２３には、操作部材２２の歯部に噛合する切替ギヤ２４が切替軸２３と共に回転するように設けられている。

切替軸２３には、ハンドル側に設けられた操作レバーから延びるワイヤ２５の芯線とコイルばね２６とが巻き付けられて連結され、変速操作に伴いワイヤ２５の芯線が引かれて切替ギヤ２４が一方向へ回転し、また、コイルばね２６の弾性により切替ギヤ２４が他方向へ回転して、ワイヤ２５の芯線が戻される。

操作部材２２には、４個の差動ギヤ２７が９０°の間隔をおいて回転自在に軸支され、各差動ギヤ２７は、爪回転体１に形成された外歯に噛合すると共に、その外側に設けられたリング体２８の内歯に噛合している。

また、図１及び図４に示すように、回転しない固定部材であるギヤケース１１の右側にも４個の差動ギヤ２７が９０°の間隔をおいて回転自在に軸支され、各差動ギヤ２７は、切替部材２０に形成された外歯に噛合すると共に、リング体２８の内歯に噛合している。

操作部材２２の差動ギヤ２７と、ギヤケース１１の差動ギヤ２７の間には、互いの接触を防止するため、リング状の仕切板２９が挿入されている。

上記のような変速装置では、図１に示すように、例えば、最高速である４速の状態において、ラチェット爪１５の基端部が切替部材２０の凹部２１に嵌まり込み、ラチェット爪１５の先端部が主ギヤ２の内歯１９に噛合し、他のラチェット爪１６，１７，１８は、主ギヤ３，４，５の内歯１９との噛合が解除された状態となる。

そして、入力側となるクランク軸５１の回転は、爪回転体１を経て最大径の主ギヤ２に伝達され、主ギヤ２の周速により副ギヤ７が回転し、これと一体に回転する副ギヤ１０を介して主ギヤ５に回転が伝達され、出力側となるスプロケット１４の回転により、後輪が最高速で駆動される。

このとき、爪回転体１の回転が操作部材２２の差動ギヤ２７を介してリング体２８に伝達され、逆回転するリング体２８からギヤケース１１の差動ギヤ２７を介して切替部材２０に回転が伝達されるので、切替部材２０は爪回転体１と同期して回転する。

次に、３速への変速操作に伴い、図５に示すように、ワイヤ２５の芯線が引かれて切替ギヤ２４と共に操作部材２２が一段階回転すると、差動ギヤ２７の軸がクランク軸５１の周方向に移動して、リング体２８と爪回転体１とに位相のずれが生じ、切替部材２０が爪回転体１に対して相対回転する。

これにより、ラチェット爪１６の基端部が切替部材２０の凹部２１に嵌まり込み、ラチェット爪１６の先端部が爪回転体１から突出して主ギヤ３の内歯１９に噛合し、ラチェット爪１５は爪回転体１に没入して、ラチェット爪１５，１７，１８と主ギヤ２，４，５の内歯１９との噛合が解除された状態となる。

そして、クランク軸５１の回転は、爪回転体１を経て主ギヤ２より外径が一段小さい主ギヤ３に伝達され、主ギヤ３の周速により副ギヤ８が回転し、これと一体に回転する副ギヤ１０を介して主ギヤ５に回転が伝達され、スプロケット１４の回転により、後輪が一段減速されて駆動される。

さらに、２速への変速操作に伴い、図６に示すように、操作部材２２が二段階回転すると、上記と同様に、切替部材２０が爪回転体１に対して相対回転し、ラチェット爪１８が爪回転体１から突出して主ギヤ５の内歯１９に噛合し、ラチェット爪１５，１６，１７と主ギヤ２，３，４の内歯１９との噛合が解除され、主ギヤ５と一体のスプロケット１４の回転により、後輪が二段減速されて駆動される。

続いて、１速への変速操作に伴い、図７に示すように、操作部材２２が三段階回転すると、上記と同様に、切替部材２０が爪回転体１に対して相対回転し、ラチェット爪１７が爪回転体１から突出して、最小径の主ギヤ４の内歯１９に噛合し、ラチェット爪１５，１６，１８と主ギヤ２，３，５の内歯１９との噛合が解除され、副ギヤ９と一体に回転する副ギヤ１０を介して主ギヤ５に回転が伝達され、スプロケット１４の回転により、後輪が三段減速されて最低速で駆動される。

また、この状態から逆の変速操作を行うと、コイルばね２６の付勢力により切替軸２３及び切替ギヤ２４が逆回転し、操作部材２２の回転に伴い、切替部材２０が順次復帰方向へ回転して、爪回転体１からのラチェット爪１５，１６，１７，１８の出没が切り替えられ、減速時とは逆の順序で駆動力の伝達経路が切り替えられて、増速側へ変速される。

上記のような変速装置では、噛合した２軸のギヤの歯数により変速比が決まる構成としたので、一般的な３段変速のものより多段の４段以上の変速としても、遊星歯車式のものよりコンパクトでありながら、様々な走行状態に対応して、変速比の段階を違和感がないように適切に設定できる。

また、各段の駆動状態において、ラチェット爪１５，１６，１７，１８のうち、駆動力を伝達するもののみがラチェット歯１９に噛合し、他のものとラチェット歯１９との噛合が解除されるため、ラチェットの音鳴りが生じることがなく、快適に走行できる。

さらに、変速装置のない既存の自転車にも、後から簡単に取り付けることができ、自転車に取り付けた状態において、切替機構が軸方向に短くなっていることから、ペダルを漕ぐ際、違和感を感じるほどクランクアームが外側へ張り出すことがなく、変速装置の重量が自転車の中央部分に作用するので、自転車を持ち上げて移動させる場合等における重量バランスが悪化することもない。

次に、この発明の第２実施形態として、自転車の後輪側に取り付けられる内装４段式のものを図８乃至図１４に基づいて説明する。なお、ここでは、上記第１実施形態と機能的に共通する部分には同一の符号を付して、説明を省略する。

この変速装置は、図８及び図９に示すように、後輪の車軸６１を主軸とし、入力側となるリア側のスプロケット６２から出力側となる外ケース６３へ回転が伝達されるようにしたものである。外ケース６３の外周には、２枚のフランジ６４が間隔をおいて取り付けられ、各フランジ６４には、後輪のスポークを係止する係止穴が周方向に等間隔に配置されて設けられている。

車軸６１の右端からねじ込んだ受ナット３０には中受リング３１が嵌められ、その外側に切替リング３２が相対回転可能に嵌められると共に、ベアリング受３３が嵌められている。切替リング３２には、支持具６５で支持されたワイヤ２５の芯線が巻き付けられて連結され、変速操作に伴い、切替リング３２が回転するようになっている。

車軸６１の外周に遊嵌された爪回転体１の右端部は、その外周にねじ込まれたベアリング受３４とベアリング受３３との間のベアリング３５を介して回動自在に支持され、スプロケット６２は、ベアリング受３４と一体化されている。

外ケース６３の右端部は、蓋部分を介して主ギヤ５に一体回転可能に繋がれ、外ケース６３の左端部は、車軸６１に嵌められたベアリング受３６によりベアリング３７を介して回動自在に支持されている。ベアリング受３６とギヤケース１１とは、車軸６１の左端からねじ込んだナット３８，３９により、車軸６１に固定されている。

操作部材２２は、車軸６１と切替部材２０との間に相対回転可能に挿入された筒状部を有し、その右端部が切替リング３２に係合して、切替リング３２と操作部材２２とが一体に回転するようになっている。操作部材２２を復帰回転させるコイルばね２６は、操作部材２２の左端とナット３８とに連結されている。

操作部材２２の左端に形成された円板部には、図８及び図１０に示すように、３個の差動ギヤ２７が１２０°の間隔をおいて回転自在に軸支され、各差動ギヤ２７は、切替部材２０に形成された外歯に噛合すると共に、その外側に設けられたリング体２８の内歯に噛合している。

また、図８及び図１１に示すように、ギヤケース１１の内部左側に取り付けられた回転しない固定部材である取付板４０にも３個の差動ギヤ２７が１２０°の間隔をおいて回転自在に軸支され、各差動ギヤ２７は、爪回転体１に形成された外歯に噛合すると共に、リング体２８の内歯に噛合している。

上記のような変速装置では、図８に示すように、例えば、最高速である４速の状態において、入力側となるスプロケット６２の回転が爪回転体１を経て最大径の主ギヤ２に伝達され、主ギヤ２の周速により副ギヤ７が回転し、これと一体に回転する副ギヤ１０を介して主ギヤ５に回転が伝達され、出力側となる外ケース６３の回転により、フランジ６４に取り付けられた後輪が最高速で駆動される。

次に、３速への変速操作に伴い、図１２に示すように、ワイヤ２５の芯線が引かれて切替リング３２と共に操作部材２２が一段階回転すると、差動ギヤ２７の軸が車軸６１の周方向に移動して、リング体２８と爪回転体１とに位相のずれが生じ、切替部材２０が爪回転体１に対して相対回転する。

これにより、ラチェット爪１６の基端部が切替部材２０の凹部２１に嵌まり込み、ラチェット爪１６の先端部が爪回転体１から突出して主ギヤ３の内歯１９に噛合し、ラチェット爪１５は爪回転体１に没入して、ラチェット爪１５，１７，１８と主ギヤ２，４，５の内歯１９との噛合が解除された状態となる。

そして、スプロケット６２の回転は、爪回転体１を経て主ギヤ２より外径が一段小さい主ギヤ３に伝達され、主ギヤ３の周速により副ギヤ８が回転し、これと一体に回転する副ギヤ１０を介して主ギヤ５に回転が伝達され、外ケース６３の回転により、後輪が一段減速されて駆動される。

さらに、２速への変速操作に伴い、図１３に示すように、操作部材２２が二段階回転すると、上記と同様に、切替部材２０が爪回転体１に対して相対回転し、ラチェット爪１８が爪回転体１から突出して主ギヤ５の内歯１９に噛合し、ラチェット爪１５，１６，１７と主ギヤ２，３，４の内歯１９との噛合が解除され、主ギヤ５と一体の外ケース６３の回転により、後輪が二段減速されて駆動される。

続いて、１速への変速操作に伴い、図１４に示すように、操作部材２２が三段階回転すると、上記と同様に、切替部材２０が爪回転体１に対して相対回転し、ラチェット爪１７が爪回転体１から突出して、最小径の主ギヤ４の内歯１９に噛合し、ラチェット爪１５，１６，１８と主ギヤ２，３，５の内歯１９との噛合が解除され、副ギヤ９と一体に回転する副ギヤ１０を介して主ギヤ５に回転が伝達され、外ケース６３の回転により、後輪が三段減速されて最低速で駆動される。

また、この状態から逆の変速操作を行うと、コイルばね２６の付勢力により操作部材２２が逆回転し、切替部材２０が順次復帰方向へ回転して、爪回転体１からのラチェット爪１５，１６，１７，１８の出没が上記減速時とは逆の順序で切り替えられ、駆動力の伝達経路が切り替えられて、増速側へ変速される。

上記のような変速装置では、一般的な３段変速のものより多段の４段以上の変速としても、周方向及び軸方向共に内装３段式のものと同様の大きさとすることができるので、新しく製造される自転車に組み込む際、後輪の取付部分を専用の設計とする必要がなく、汎用の部品を使用することができ、コストを抑制しつつ、路面の勾配等に応じて適切な変速比を選択し、快適に走行できるようにすることができる。

この発明の第１実施形態に係る変速装置の４速の状態を示す軸方向断面図 同上の右側断面図 同上の切替機構の左断面図 同上の切替機構の右断面図 同上の変速装置の３速の状態を示す軸方向断面図 同上の変速装置の２速の状態を示す軸方向断面図 同上の変速装置の１速の状態を示す軸方向断面図 この発明の第２実施形態に係る変速装置の４速の状態を示す軸方向断面図 同上の右側断面図 同上の切替機構の左断面図 同上の切替機構の右断面図 同上の変速装置の３速の状態を示す軸方向断面図 同上の変速装置の２速の状態を示す軸方向断面図 同上の変速装置の１速の状態を示す軸方向断面図

符号の説明

１ 爪回転体
２，３，４，５ 主ギヤ
６ 副軸
７，８，９，１０ 副ギヤ
１１ ギヤケース
１２ 締結ボルト
１３ ベアリング
１４ スプロケット（フロント側）
１５，１６，１７，１８ ラチェット爪
１９ ラチェット歯
２０ 切替部材
２１ 凹部
２２ 操作部材
２３ 切替軸
２４ 切替ギヤ
２５ ワイヤ
２６ コイルばね
２７ 差動ギヤ
２８ リング体
２９ 仕切板
３０ 受ナット
３１ 中受リング
３２ 切替リング
３３，３４ ベアリング受
３５ ベアリング
３６ ベアリング受
３７ ベアリング
３８，３９ ナット
４０ 取付板
５１ クランク軸
５２ クランクアーム
５３ クランクケース
５４ クランクボス
５５ ベアリング
５６ チェーンケース
５７ 受板
５８ 回止具
５９ チェーン
６１ 車軸
６２ スプロケット（リア側）
６３ 外ケース
６４ フランジ
６５ 支持具

Claims (5)

1. 主軸の外周に爪回転体を嵌め、爪回転体の外周に、変速段数に応じた複数の主ギヤを並べて配置し、主軸に平行に設けた副軸により、各主ギヤに対して所定の速度比で連動する複数の副ギヤを一体回転可能に支持し、爪回転体に各主ギヤに対応するラチェット爪を設け、ラチェット爪が噛合するラチェット歯を各主ギヤの内周側に形成し、爪回転体の外周面からラチェット爪を出没させる切替部材の操作に伴い、ラチェット爪をラチェット歯に係脱させて、副ギヤを介し駆動力を伝達する主ギヤを切り替えることにより、入力側と出力側の回転の速度比を変化させて変速する自転車用変速装置。
2. 請求項１に記載の自転車用変速装置において、切替部材を爪回転体の内周側に設け、切替部材の外周に各主ギヤごとに位相をずらして複数の凹部を形成し、爪回転体に対して切替部材を相対回転させ、ラチェット爪を切替部材の外周に摺接させることにより、ラチェット爪が爪回転体から出没するようにしたことを特徴とする自転車用変速装置。
3. 請求項２に記載の自転車用変速装置において、回転しない固定部材と、操作用ワイヤの引き戻しに伴い回転する操作部材とにそれぞれ差動ギヤを軸支し、各差動ギヤを切替部材及び爪回転体に形成した外歯にそれぞれ噛合させると共に、その外側に設けたリング体の内歯にそれぞれ噛合させ、操作部材の回動に伴う切替部材と爪回転体との差動により変速するようにしたことを特徴とする自転車用変速装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の自転車用変速装置において、ペダルの踏力により回転するクランク軸を主軸とし、入力側となるクランク軸から出力側となるフロント側のスプロケットへ回転が伝達されるようにしたことを特徴とする自転車用変速装置。
5. 請求項１乃至３のいずれかに記載の自転車用変速装置において、後輪を支持する車軸を主軸とし、入力側となるリア側のスプロケットから出力側となる外ケースへ回転が伝達されるようにしたことを特徴とする自転車用変速装置。

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