JP2011510870A - チェーンギヤ、チェーンギヤを有する車両、車両におけるモータトルクを変換するための方法 - Google Patents

チェーンギヤ、チェーンギヤを有する車両、車両におけるモータトルクを変換するための方法 Download PDF

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Abstract

モータトルクを変換するための3つのギヤ段を有するチェーンギヤ(1)であって、第1ギヤ段が第1ギヤ(6)と第4ギヤ(9)とにより形成され、第2ギヤ段が第2ギヤ(7)と第5(10)ギヤとにより形成され、第3ギヤ段が第3ギヤ(8)と第6ギヤ(11)とにより形成される。第1ギヤ(6)、第2ギヤ(7)及び第3ギヤ(8)が第1シャフト(3)に配置され、第4ギヤ(9)、第5ギヤ(10)及び第6ギヤ(11)が第2シャフト(4)に配置される。各ギヤ段には、トルクを伝達するための伝達チェーン(27、28、29)が与えられる。

Description

本発明は、チェーンギヤ、並びにペダル駆動装置及び電気モータ駆動装置の両方を備えたチェーンギヤを有する車両に関する。さらに、車両におけるモータトルクを変換するための方法に関する。
例えば電気駆動装置を備える自転車などの電気モータを備える二輪車は、通常は電気モータを好適な速度で作動させると同時に乗り手が快適な速度でペダル操作することを可能にするギヤを有する。
遊星ギヤなどの歯付きホイールギヤを備えるクイルモータ型の電気モータを備える自転車が、例えば特許文献1に記載されている。
自転車フレームに固定された一体型の減速ギヤを備えた電気モータを含み、電気モータからのトルクがチェーンによりペダルを支持するシャフトに伝達される自転車が、特許文献2に記載されている。同様の自転車が、特許文献3にも記載されている。
独国特許発明第202007002368U1号明細書 独国特許発明第4027365A1号明細書 独国特許発明第29904342U1号明細書
本発明の目的は、良好な信頼性、保守性及び効率を備えた、電気モータのトルクを変換することのできるギヤを提供することである。
本発明の更なる目的は、際立ったエネルギー効率で作動すると同時に高い快適性を乗り手に提供することができる、このタイプのギヤを備えた車両を提供することである。
この目的は、独立請求項の発明の構成により達成される。本発明の効果的な発展は、従属請求項に開示される。
本発明によるギヤは、チェーンギヤとして知られる。これは、3つのギヤ段を包み、第1ギヤ段が第1ギヤと第4ギヤとにより形成され、第2ギヤ段が第2ギヤと第5ギヤとにより形成され、第3ギヤ段が第3ギヤと第6ギヤとにより形成される。第1ギヤ、第2ギヤ及び第3ギヤが第1シャフトに配置され、第4ギヤ、第5ギヤ及び第6ギヤが第2シャフトに配置される。各ギヤ段にはトルクを伝達するためのギヤチェーンが与えられている。
本発明の基本原理によれば、チェーンギヤは、比較的高効率であるとともに、良好な保守性を提供する。しかし、ある特定の状況では、チェーンギヤは例えば歯付ホイールギヤより広いスペースを必要とする。そのため、チェーンギヤの個々の部品の省スペースでの配置が望ましい。このような場合には、必要なギヤが2本のシャフトに配置されて、そのシャフトの一方が電気モータの駆動シャフトとして設計されるか又はこの駆動シャフトに接続されるので、3段チェーンギヤが好適である。他方のシャフトは、車両のペダル支持シャフトとして設計される。その結果、3本のチェーンが、非常に省スペースの形態で基本的に互いに平行に配置される。
同時に、この3段チェーンギヤは、例えば毎分2500回転といった好ましい速度範囲で電気モータを作動させるのに充分な減速を可能にし、例えば1:45の減速比を得ることが可能であるので、優れた乗り心地を保つ。
そのため一実施形態において、チェーンギヤの伝達比は1未満であり、ゆえにモータ速度が低下する。
この構成の一実施形態において、第1ギヤはn1本、第2ギヤはn2本、第3ギヤはn3本、第4ギヤはn4本、第5ギヤはn5本、第6ギヤはn6本の歯を有し、n1<n4、n3<n6、n5<n2である。そのため、各ギヤ段で速度が低下する。
この構成の一実施形態では、n1=n3=n5及びn2=n4=n6である。ゆえにこの実施形態は、3つの同一の小型ギヤ及び3つの同一の大型ギヤを有することを特徴とする。この設計は特に単純であり、高レベルの対称性の長所が追加され、その結果、同じ種類の3本のチェーンがギヤチェーンとして使用され得る。
したがって、3本の同じチェーンと、3つの同じギヤ対を形成する3つの同じギヤからなる2組のギヤセットとが使用される場合、本発明のチェーンギヤは、特に少ない種類の部品で構成される。また、ギヤ又はギヤ対を交換することによりギヤ比を変えることができる。
一実施形態において、第1シャフトの回転軸と一致する回転軸を有する中空シャフトである第1中空シャフトには、第2ギヤ及び第3ギヤが配置される。第2シャフトの回転軸と一致する回転軸を有する第2中空シャフトには、第4ギヤ及び第5ギヤが配置される。中空シャフトを使用することで、特に小型のギヤ設計となる。
代替実施形態において、両中空シャフト又は一方の中空シャフトの代わりに分割シャフトが使用される。例えば、第1シャフトは分割設計であって、別々に回転するが同じ軸を中心として回転できる第1領域と第2領域とを有する。第1シャフトの第1領域は電気モータに接続される。第1ギヤは第1領域に配置され、第2ギヤ及び第3ギヤは第1シャフトの第2領域に配置される。
一実施形態において、第6ギヤは第1のフリーホイールを含する。そのため、フリーホイールにより第6ギヤひいてはモータの回転運動を、第2シャフトひいてはペダルの回転運動から分離することが可能であるので、モータがオフに切り換えられた時に車両を使用することが可能である。
本発明によるチェーンギヤは、モータトルクでの大幅な減速を得るために、そして同時にスペースを節約するために車両で使用することができる。ペダル支持シャフトの領域にギヤを配置することが可能であり、これは車両の低重心を達成するという点でも好適である。
本発明によるチェーンギヤは、従来の前部チェーンホイールの直径より小さいか、大きくてもこれに等しい直径を有する構造にできる。そのため、本発明によるチェーンギヤは、車両フレームへ極めて良好に一体化されることができ、取り付けられた時には好ましい外観と共に良好な最低地上高を提供する。そして、本発明のチェーンギヤは、車両フレームの一体的部品を形成することができる。チェーンギヤ使用の更なる長所は、作動が非常に低騒音であると同時に製造が簡単であり、そして高効率であることである。
一実施形態において、チェーンギヤの伝達比は、最小で1:100、最大で1:25であるのに対し、別の実施形態では実際には最小で1:50、最大で1:40である。この範囲の伝達比により、最低で毎分1000回転程度が好適であるモータ速度を、平均的な乗り手のペダル操作速度に極めて良好に調節することが可能となる。
本発明の一形態では、車両は本発明によるチェーンギヤを有し、前記車両はペダル駆動装置と電気モータ駆動装置の両方を有する。電気モータの駆動シャフトとペダル駆動装置の駆動シャフトとがチェーンギヤにより連結される。この構成の一実施形態において、第1シャフトは電気モータの駆動シャフトとして設計され、第2シャフトは車両のペダル支持シャフトとして設計される。
車両は、例えば二輪車、三輪車、四輪車として設計できる。三輪車として設計される場合、後部に二輪が並置される構成と、前部に二輪が並置される構成の両方が考えられる。しかし、前輪が一つのみの実施形態が、動作に関してより好適である。
1又は複数の前輪及び1又は複数の後輪の両方が駆動されてもよい。
一実施形態では、第7ギヤが第2シャフトに配置されて、車両の後輪の後部ギヤにチェーンによって接続される。
あるいは、第7ギヤがディファレンシャルギヤに接続される。これは、並置された二輪が駆動される四輪車又は三輪車として車両が設計される場合に、特に有益である。
車両が走行中に乗り手がペダル操作をする必要がないように、又は電気モータが作動する必要がないように、第7ギヤは、第2のフリーホイールを有することが好ましい。
チェーンギヤは極めて小型の設計であり、そのため車両のフレームに接続されるハウジング内に非常に容易に配置され得る。このような構成では、ハウジングが、ギヤチェーンが乗り手を怪我させることを防止するための少なくとも一つの側面保護部を有する。しかし、泥及び水が大量に入るのを防止するため、大部分が閉じられた設計であってもよい。
本発明の一形態によれば、電気モータ駆動装置とペダル駆動装置とを備えた車両におけるモータトルクを変換するための方法は、第1のギヤチェーンによる第1ギヤから第4ギヤへの第1トルク変換ステップ、第2のギヤチェーンによる第2ギヤから第5ギヤへの第2トルク変換ステップ、第3のギヤチェーンによる第3ギヤから車両のペダル支持シャフトに接続された第6ギヤへの第3トルク変換ステップ、チェーンによるペダル支持シャフトから車両の後輪に取り付けられたチェーンホイールへのトルク変換ステップを有する。
ここで、車両運転中には、伝達されるモータトルクに加えて、ペダルトルクがペダル支持シャフトに与えられる。
添付の図を参照して、本発明の実施形態を以下でさらに詳細に説明する。
本発明の一実施形態によるチェーンギヤの概略的な斜視図である。 本発明の一実施形態によるチェーンギヤを備えた車両の一部を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態によるチェーンギヤの概略的な断面図である。
同一の部品は、すべての図において同じ参照番号で示される。
図1は、本発明の一実施形態によるチェーンギヤ1の概略的な斜視図である。チェーンギヤ1は、第1ギヤ6、第2ギヤ7、第3ギヤ8、第4ギヤ9、第5ギヤ10及び第6ギヤ11を含み、第1ギヤ6、第2ギヤ7及び第3ギヤ8は第1シャフト3に配置され、第4ギヤ9、第5ギヤ10及び第6ギヤ11は第2シャフト4に配置される。
第1シャフト3は、電気モータ5の駆動シャフトに接続されている。
第2シャフト4は、車両のペダル支持シャフトとして設計され、第1端部13及び第2端部14を有する。第1端部13及び第2端部14は、図1に示されていないペダルを備えたクランクを受けるのに適している。
第1ギヤ6、第3ギヤ8及び第5ギヤ10は比較的小径であるので、歯数が少ない。一方で、第2ギヤ7、第4ギヤ9及び第6ギヤ11は比較的大径であり、歯数が多い。
第6ギヤ11を第2シャフト4から分離する第1のフリーホイール15が、第6ギヤ11と第2シャフト4との間に設けられている。
同様にして、第2のフリーホイール16を有する第7ギヤ12が、第2シャフト4に配置されている。
明瞭性のため示されていない第1のギヤチェーンは、第1ギヤ6を第4ギヤ9に接続し、同様に示されていない第2のギヤチェーンは、第2ギヤ7を第5ギヤ10に接続し、やはり示されていない第3のギヤチェーンは、第3ギヤ8を第6ギヤ11に接続する。
チェーンギヤ1は、第1ギヤ6、第2ギヤ7、第3ギヤ8、第4ギヤ9、第5ギヤ10及び第6ギヤ11、並びに第1のギヤチェーン、第2のギヤチェーン及び第3のギヤチェーンを収容するハウジング2内に収められる。ここでハウジング2は、チェーンギヤ1及び車両の乗り手のための側面保護部を少なくとも有する。
本発明の代替実施形態(不図示)では、ハウジング2の内部に電気モータ5が配置される。
電気モータ5は小型設計で高速で作動する。そのため、高効率な車両用の超小型駆動ユニットを提供することが可能である。
図2は、本発明の一実施形態のチェーンギヤ1を備えた車両の一部を概略的に示す。
示された実施形態では、車両は二輪車として設計されている。チェーンギヤ1は、車両のフレーム17に一体化され、車両のペダル支持シャフトを含み、ペダル19を備えるクランク18が第2シャフト4に配置されている。チェーン21は、第7ギヤ12を二輪車の後輪に取り付けられた後部ギヤ20に接続する。
ここでは図示されない二つの従動輪を備える四輪車又は三輪車として車両が設計される実施形態では、チェーンは第7ギヤをディファレンシャルギヤに接続する。
車両は、後輪にギアチェンジのスプロケット群も有するが、そのうち後部ギヤ20のみが図2に示されている。
図3は、本発明の一実施形態によるチェーンギヤ1の概略的な断面図である。
第1シャフト3及び第2シャフト4は、ハウジング2にボールベアリング22で支持されている。第1ギヤ6は、第1シャフト3に固定して取り付けられて溶接される。第6ギヤ11は、第2シャフト4に取り付けられるが、その回転運動は図3には図示されない第1のフリーホイールによって第2シャフト4の回転運動から分離される。
第2ギヤ7は、第1シャフト3の回転軸と一致する回転軸を有する第1中空シャフト23に、第3ギヤ8と一緒に配置されている。第4ギヤ9は、第2シャフト4の回転軸と一致する回転軸を有する第2中空シャフト24に、第5ギヤ10と一緒に配置されている。第1中空シャフト23は、第1ボールベアリング25により第1シャフト3に支持され、第2中空シャフト26は、第2ボールベアリング26により第2シャフト4に支持される。
第1のギヤチェーン27は、第1ギヤ6を第4ギヤ9に接続し、第2のギヤチェーン28は、第2ギヤ7を第5ギヤ10に接続し、第3のギヤチェーン29は、第3ギヤ8を第6ギヤ11に接続する。
ここで、ギヤチェーン27、28、29は、例えばモータチェーンと同様にして設計され、強い力に耐えることができる。
第1シャフト3は、電気モータ5の駆動シャフト31に接続され、駆動シャフト31の収容部30に収められる。こうして、チェーンギヤ1を外す必要なく、保守又は交換目的で電気モータ5を簡単に取り外すことができる。
作動時に電気モータ5は、最低で毎分1000回転、例えば毎分2000から3500回転、例えば毎分2500回転程度の比較的高速で第1シャフト3を駆動する。
第1シャフト3に固定して配置された第1ギヤ6は、第1のギヤチェーン27により第4ギヤ9にトルクを伝達する。図示された実施形態において、第1ギヤ6は17本の歯を有し、第4ギヤ9は61本の歯を有する。この結果、この第1ギヤ段の減速比は、およそ1:3.59である。
第4ギヤ9は、第2中空シャフト24に第5ギヤ10と一緒に配置されている。図の実施形態では、第5ギヤ10は17本の歯を有し、第2のギヤチェーン28により、61本の歯を有する第2ギヤ7にトルクを伝達する。こうして、第2ギヤ段についても、およそ1:3.59の減速比が得られる。
第3ギヤ8は、第1中空シャフト23に第2ギヤ7と一緒に配置されている。図の実施形態では、第3ギヤ8は17本の歯を有し、第3のギヤチェーン29により、61本の歯を有する第6ギヤ11にトルクを伝達する。こうして、第3ギヤ段についても、およそ1:3.59の減速比が得られる。
本発明によるチェーンギヤ1は、3つのギヤ段すなわち減速段を有し、第1ギヤ6、第3ギヤ8及び第5ギヤ10、第2ギヤ7、第4ギヤ9及び第6ギヤ11の各々が同じ歯数を有するので、図の実施形態では3つのギヤ段が同じ設計である。そのため、完全に同一のギヤチェーン27、28、29を使用することも可能である。
さらなる実施形態では、最初の2つのギヤ段のチェーンがそれぞれ6mmの幅を有するのに対し、第3ギヤ段のチェーンは8mmの幅を有する。
図の実施形態における本発明のチェーンギヤは、全体として、電気モータ5と第7ギヤ12を備えた第2シャフト4との間で、およそ1:46.2の減速比を有する。そのため、乗り手のペダル操作速度は、電気モータの速度に対して1:46.2の比となる。したがって、毎分45から70回転に相当する一般的に快適な乗り手ペダル操作速度では、高効率な範囲での毎分2000から3200回転の高速で電気モータを作動させることが可能である。
図4は、図3に図示されたギヤに含まれない追加のフリーホイール38が更に付け加えられたギヤを示す。第一実施形態では、ペダル回転なしでモータ5がギヤを介して第7ギヤ12を駆動できるようにフリーホイール38が設けられる。
第二実施形態では、フリーホイールはロックされることも可能である。これは、制動エネルギーが、電気エネルギーの回収に使用される場合に特に有益である。これにより、発電機モードでは、フリーホイール38により妨げられることなく、回転中の車輪が第7ギヤを介して電気モータ5を駆動することが可能である。
第三実施形態では、フリーホイール38の作用方向を逆転させることができる。これは、電気モータが回転方向を変えて車両を後方に動かす際に、逆転ギヤ伝動を可能にする。ここでもまた、フリーホイールは、ペダルが同時に回転する必要がないことをもたらす。逆転は、上述したようなエネルギー回収も可能にする。
1 チェーンギヤ
2 ハウジング
3 第1シャフト
4 第2シャフト
5 電気モータ
6 第1ギヤ
7 第2ギヤ
8 第3ギヤ
9 第4ギヤ
10 第5ギヤ
11 第6ギヤ
12 第7ギヤ
13 第1端部
14 第2端部
15 第1のフリーホイール
16 第2のフリーホイール
17 フレーム
18 クランク
19 ペダル
20 後部ギヤ
21 チェーン
22 ボールベアリング
23 第1中空シャフト
24 第2中空シャフト
25 第1ボールベアリング
26 第2ボールベアリング
27 第1のギヤチェーン
28 第2のギヤチェーン
29 第3のギヤチェーン
30 収容部
31 駆動シャフト
1 第1ギヤの歯数
2 第2ギヤの歯数
3 第3ギヤの歯数
4 第4ギヤの歯数
5 第5ギヤの歯数
6 第6ギヤの歯数

Claims (30)

  1. 電気モータ(5)のモータトルクを変換するためのチェーンギヤであって、
    第1ギヤ(6)及び第4ギヤ(9)により形成される第1ギヤ段と、第2ギヤ(7)及び第5ギヤ(10)により形成される第2ギヤ段と、第3ギヤ(8)及び第6ギヤ(11)とにより形成される第3ギヤ段とからなる3つのギヤ段と、
    前記第1ギヤ(6)、前記第2ギヤ(7)及び前記第3ギヤ(8)が配置された第1シャフト(3)と、
    前記第4ギヤ(9)、前記第5ギヤ(10)及び前記第6ギヤ(11)が配置された第2シャフト(4)と、
    前記モータトルクを伝達するために前記の各ギヤ段に与えられたギヤチェーン(27、28、29)とを含み、
    前記第1シャフト(3)が前記電気モータ(5)の駆動シャフトとして設計され、前記第2シャフト(4)が車両のペダル支持シャフトとして設計されるチェーンギヤ。
  2. 前記チェーンギヤ(1)の伝達比が1未満である、請求項1に記載のチェーンギヤ。
  3. 前記第1ギヤ(6)がn1本の歯を有し、前記第2ギヤ(7)がn2本の歯を有し、前記第3ギヤ(8)がn3本の歯を有し、前記第4ギヤ(9)がn4本の歯を有し、前記第5ギヤ(10)がn5本の歯を有し、前記第6ギヤ(11)がn6本の歯を有し、
    1<n4
    3<n6
    5<n2
    である、請求項2に記載のチェーンギヤ。
  4. 1=n3=n5及びn2=n4=n6である、請求項3に記載のチェーンギヤ。
  5. 同じ種類の3本のチェーンがギヤチェーン(27、28、29)として与えられる、
    請求項1から4のいずれか一つに記載のチェーンギヤ。
  6. 前記第1及び第2ギヤ段の前記ギヤチェーン(27、28)が、前記第3ギヤ段の前記ギヤチェーン(29)より狭い幅を有する、請求項1から4のいずれか一つに記載のチェーンギヤ。
  7. 前記第2ギヤ(7)及び前記第3ギヤ(8)が、前記第1シャフト(3)の回転軸と一致する回転軸を有する第1中空シャフト(23)に配置される、請求項1から6のいずれか一つに記載のチェーンギヤ。
  8. 前記第1シャフト(3)が分割しており、相互に別々に回転するが同じ軸を中心として回転する第1領域及び第2領域を有しており、前記第1領域が前記電気モータ(5)に接続され、前記第1ギヤ(6)が前記第1シャフト(3)の前記第1領域に配置され、前記第2ギヤ(7)及び前記第3ギヤ(8)が前記第2領域に配置される、請求項1から6のいずれか一つに記載のチェーンギヤ。
  9. 前記第4ギヤ(8)及び前記第5ギヤ(9)が、前記第2シャフト(4)の回転軸と一致する回転軸を有する第2中空シャフト(24)に配置される、請求項1から8のいずれか一つに記載のチェーンギヤ。
  10. 前記第6ギヤ(11)が第1のフリーホイール(15)を有する、請求項1から9のいずれか一つに記載のチェーンギヤ。
  11. 前記チェーンギヤ(1)の伝達比が、最小で1:100、最大で1:25である、請求項2から10のいずれか一つに記載のチェーンギヤ。
  12. 前記チェーンギヤ(1)の伝達比が、最小で1:50、最大で1:40である、請求項11に記載のチェーンギヤ。
  13. ペダル駆動装置と電気モータ駆動装置の両方を有し、前記電気モータのシャフトと前記ペダル駆動装置のシャフトとが前記チェーンギヤ(1)により連結される、請求項1から12のいずれか一つに記載のチェーンギヤを備えた車両。
  14. 前記第2シャフト(4)に配置された第7ギヤ(12)が、チェーン(21)により前記車両の後部ギヤ(20)に接続される、請求項13に記載の車両。
  15. 前記後部ギヤ(20)が前記車両の後輪に取り付けられている、請求項14に記載の車両。
  16. 前記後部ギヤ(20)が前記車両のディファレンシャルギヤに取り付けられている、請求項14に記載の車両。
  17. 前記第7ギヤ(12)が第2のフリーホイール(16)を有する、請求項14から16のいずれか一つに記載の車両。
  18. 前記車両のフレーム(17)に結合されたハウジング(2)内に前記チェーンギヤ(1)が配置される、請求項13から17のいずれか一つに記載の車両。
  19. 前記ハウジング(2)及び前記チェーンギヤ(1)が、前記車両の前記フレーム(17)の一体的部品を形成する、請求項18に記載の車両。
  20. 前記車両が二輪車として設計される、請求項13から19のいずれか一つに記載の車両。
  21. 前記車両が三輪車として設計される、請求項13から19のいずれか一つに記載の車両。
  22. 前記車両が四輪車として設計される、請求項13から19のいずれか一つに記載の車両。
  23. 前記電気モータ(5)が前記ペダルの回転なしで前記第7ギヤを駆動することができるようにフリーホイール(38)が設けられる、請求項14から22のいずれか一つに記載の車両。
  24. 前記フリーホイール(38)がロック可能である、請求項23に記載の車両。
  25. 前記フリーホイール(38)の作用方向が逆転可能である、請求項23に記載の車両。
  26. 電気モータ駆動装置とペダル駆動装置とを有する車両におけるモータトルクを変換するための方法であって、
    第1のギヤチェーン(27)による第1ギヤ(6)から第4ギヤ(9)への第1トルク変換ステップと、
    第2のギヤチェーン(28)による第2ギヤ(7)から第5ギヤ(10)への第2トルク変換ステップと、
    第3のギヤチェーン(29)による第3ギヤ(8)から前記車両のペダル支持シャフト(4)に取り付けられた第6ギヤ(11)への第3トルク変換ステップと、
    チェーン(21)による前記ペダル支持シャフト(4)から前記車両の後輪に取り付けられたチェーンホイール(20)へのトルク変換ステップとを含む方法。
  27. 前記車両の運転中に、前記伝達モータトルクと共にペダルトルクが前記ペダル支持シャフト(4)に加えられる、請求項26に記載の方法。
  28. 前記第1変換ステップ、前記第2変換ステップ及び前記第3変換ステップが、1未満の伝達比で生じる、請求項26又は27に記載の方法。
  29. 前記チェーンギヤ(1)の伝達比が1:100から1:25の間で選択される、請求項26から28のいずれか一つに記載の方法。
  30. 前記チェーンギヤ(1)の伝達比が1:50から1:40の間で選択される、請求項29に記載の方法。
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