JP2012086633A - 電動補助自転車 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】駆動輪に設けたハブ1内部に遊星歯車機構によって構成された変速機構3を備え、前進駆動時に、踏力又はモータの出力による駆動力が駆動力伝達要素から遊星歯車機構を通じて駆動輪と一体に回転するように設けられたハブケース7に伝達され、前進非駆動時には、駆動輪からの逆入力は、ハブケース7から遊星歯車機構を通じて駆動力伝達要素に伝達されるハブ1を備えた電動自転車用である。遊星歯車機構が備える遊星歯車は歯数の異なる複数の歯車部を軸方向に並列して有し、その遊星歯車を鍛造または焼結により成形されるようにした。
【選択図】図1
Description
この電動補助自転車では、モータの出力軸と駆動側スプロケットとの間に第一ワンウェイクラッチを設け、ペダルから踏力が入力されるクランク軸と駆動側スプロケットとの間に第二のワンウェイクラッチを設け、さらにブレーキ操作に応じて第一ワンウェイクラッチをロックする直結手段を設けることで、制動時の電力回生を実現している。なお、リアハブとリアスプロケットとは、回生時に後輪からの逆入力トルクをモータに伝えることができるように直結されている(例えば、特許文献4参照)。
この電動補助自転車では、センタモータユニット内で、モータの出力軸にブレーキ操作に連動してロック方向を切り替えることが出来るツーウェイクラッチを設け、制動時の電力回生を実現している。
外装変速機は構造が簡単で軽量であるが、スプロケットやチェーンが摩耗する原因になり、チェーン外れの原因にもなる。一方、内装変速機は防塵、防水性があり、メンテナンスフリーであるためシティサイクルに使われることが多い。現在のところ、電動補助自転車はシティサイクルを中心に展開しており、その殆どが内装変速機を採用している。
上記特許文献6に記載された発明では、逆入力用クラッチの係合を解除する(係合させない)機構(以下、逆入力用クラッチ解除機構と称する。)は、固定の車軸に対するハブケースの回転方向が、後退時にのみ、駆動方向と逆回転となることを利用して、ハブケースの回転運動を軸方向運動に変換して、逆入力用クラッチを解除する機構となっている。
この点を、本発明の実施形態の説明図である図1又は図11に基づいて説明すると、その各図中の符号Xで示す部分において、歯数の少ない側の歯車部の歯が、歯数の多い側の歯車部の端面に至っている、あるいは、近接していることから、その歯数の少ない側の歯車部の歯切りが困難であるというものである。
この構成において、特に、鍛造の場合は、加工硬化等影響により強度や耐久性の向上が期待できる。一方、焼結の場合は、鍛造に比べて低コストで製造可能である。
この効果は、歯数の少ない側の歯車部の歯が、歯数の多い側の歯車部の端面に至っている場合は、特に高いということができる。
それに対し、上記の構成によれば、変速制御機構により、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して太陽歯車を車軸周りに相対回転可能または相対回転不能とに切り替えることができるから、その変速制御機構によって選択されたクラッチが係合可能な状態にあるときには、他の場所にあるクラッチは変速制御機構によって係合不可能な状態とし得る。このため、クラッチ同士の干渉が起きることはなく、いかなる変速段においても後退が可能である。すなわち、従来のようなテーパ状の部材を用いた逆入力用クラッチ解除機構が不要であるから構造がシンプルとなり、後退時にクラッチ同士が干渉してロックすることを防ぐ機構を簡素化できる。
この変速用第一クラッチとして、係合子としてボール、スプラグ、ローラまたはラチェット爪等を備えた各種クラッチ、及びスプライン等によるドグクラッチ等の構成を採用することができる。
この各構成においても、前記変速用第一クラッチとして、係合子としてボール、スプラグ、ローラまたはラチェット爪等を備えた各種クラッチ、及びスプライン等によるドグクラッチ等の構成を採用することができる。ラチェットクラッチを採用した場合、例えば、以下の構成を採用することができる。
逆に、後者のように、変速用のクラッチ爪を太陽歯車の内面に設け、変速用のクラッチカム面を車軸の外面に設けた場合、各カム面の溝数は少なくなるが、車軸の構造をシンプルにできるため低コスト化を図ることができる。
この構成によれば、直結(等速)状態と、それとは別の複数段階の増速状態との切り替えによる変速構造とすることができる。
この構成によれば、簡単な機構により、各変速用クラッチの切り替えを外部から行うことができるようになる。
このようにすれば、クラッチカム面に噛み込んだクラッチ爪と切欠部が接触した際に、そのテーパ面の傾斜面によってクラッチ爪をカム面から外す力を大きくすることができる。
なお、変速用スリーブが、前記車軸の軸周り方向に移動することにより、前記切欠部の移動が行われる場合は、変速用スリーブの切欠部の周方向端縁にテーパ面を設けることもできる。
この構成によれば、クラッチカム面に噛み込んだクラッチ爪とテーパ部が接触した際に、そのテーパ面の傾斜面によってクラッチ爪をカム面から外す力を大きくすることができる。
なお、変速用第二クラッチ切替部が、前記車軸の軸周り方向に移動することにより前記切り替えが行われる場合は、第二クラッチ切替部の周方向端縁にテーパ部を設けることもできる。
すなわち、この構成によれば、クラッチ同士の干渉が起きることはなく、いかなる変速段においても後退が可能である。また、従来のようなテーパ状の部材を用いた逆入力用クラッチ解除機構が不要であるから構造がシンプルとなり、後退時にクラッチ同士が干渉してロックすることを防ぐ機構を簡素化できる。
この構成によれば、クラッチカム面に噛み込んだクラッチ爪とテーパ部が接触した際に、そのテーパ面の傾斜面によってクラッチ爪をカム面から外す力を大きくすることができる。
なお、変速用第三クラッチ切替部が、前記車軸の軸周り方向に移動することにより前記切り替えが行われる場合は、変速用第三クラッチ切替部の周方向端縁にテーパ部を設けることもできる。
この構成によれば、変速用第三クラッチのクラッチ軸を支持するために、遊星キャリアに対して新たにクラッチ軸用の穴を加工する必要がなく、コスト低減が可能である。すなわち、遊星キャリアに設けられている遊星歯車軸用の軸穴を、変速用第三クラッチ爪を支持するクラッチ軸の軸穴と共通化することができるので、新たにクラッチ軸用の穴を加工する必要がない。
また、その遊星歯車は、特に、荷重のバランスが取れやすい3個備えている構成を採用することができる。この場合、同じく、平均的な駆動力と逆入力の大きさから考えると、変速用第三クラッチは、例えば、駆動力に対して係合可能な係合子を二つとし、逆入力に対して係合可能な係合子を一つとすることができる。
この発明の第一の実施形態を、図1〜図8に基づいて説明する。この実施形態の電動補助自転車は、図19に示す前輪22と後輪25間の中央部付近において、その前輪22と後輪25とを結ぶフレームFに二次電池及び補助駆動用のモータを内蔵したセンタモータユニットCが取り付けられたセンタモータ方式である。
このため、遊星歯車機構とハブケース7との間は、その伝達部材Dを通じて駆動力及び逆入力が伝達されるようになっている。
遊星歯車3bは、歯数の異なる複数の歯車部を有しているので、これを歯切りにより歯車加工する場合、歯数の最も多い歯車部の加工については特に支障はないが、歯数の少ない側の歯車部の加工については、歯数の最も多い側の歯車部の端面に近い部分の歯の加工が困難である(図1又は図11の符号Xに示す部分)。したがって、遊星歯車3bの製造は、鍛造や焼結等の金型を用いて成形する加工方法を採用することが好ましい。
これにより、特に、鍛造の場合は、加工硬化等影響により強度や耐久性の向上が期待できる。一方、焼結の場合は、鍛造に比べて低コストで製造可能である。いずれの製造方法においても、成形後熱処理を施すことにより高硬度化し、耐久性を向上させることが望ましい。これらは、後述の各実施形態においても同様である。
すなわち、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して、第一太陽歯車3a−1及び第二太陽歯車3a−2を、それぞれ車軸5周りに相対回転可能または相対回転不能とに切り替えることができる。
すなわち、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して、遊星キャリア3cを第二太陽歯車3a−2周りに相対回転可能または相対回転不能とに切り替えることができる。
(a+d)/d
となる。このとき、第二太陽歯車3a−2は車軸5に対して空転状態であり、トルク伝達に関与しない。また、変速用第二クラッチ3hは、変速制御機構10における変速用第二クラッチ切替部10iによって、強制的に変速用第二クラッチ爪3iが変速用第二クラッチカム面3jに噛み込まない状態にしてある。
[(a×b)/(c×d)]+1
となる。このとき、第一太陽歯車3a−1は空転状態であり、トルク伝達に関与しない。
よって、駆動輪からの逆入力が、ハブケース7からリアスプロケット4に伝達されるとき、第一太陽歯車3a−1の歯数をa、外輪歯車3dの歯数をdとすると、減速比は、
(a+d)/d
となる。
よって、駆動輪からの逆入力が、ハブケース7からリアスプロケット4に伝達されるとき、第二太陽歯車3a−2の歯数をa、第一太陽歯車3a−1と噛み合う遊星歯車3bの歯数をb、第二太陽歯車3a−2と噛み合う遊星歯車3bの歯数をc、外輪歯車3dの歯数をdとすると、減速比は、
[(a×b)/(c×d)]+1
となる。すなわち、駆動輪からの逆入力は、変速制御機構10により選択された変速段に応じて、駆動力が伝達する経路と同じ経路を逆方向に伝達される。
したがって、第一太陽歯車3a−1及び第二太陽歯車3a−2は、車軸5周りに相対回転可能となっている。
このため、遊星キャリア3cと第二太陽歯車3a−2は、相対回転不能となっている。
このため、遊星キャリア3cと第二太陽歯車3a−2は、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して相対回転可能となる。
(a+d)/d
でハブケース7に伝達される。一方、駆動輪からの逆入力は、減速比
(a+d)/d
でリアスプロケット4に伝達される。
このとき、変速用第一爪部3f−1の位置にあった変速用スリーブ10bの切欠部10dは、その変速用第一爪部3f−1の位置から離脱する。このため、変速用第一爪部3f−1は、その他端が拘束されて、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して係合不能状態に移行する。
[(a×b)/(c×d)]+1
でハブケース7に伝達される。一方、駆動輪からの逆入力は、減速比
[(a×b)/(c×d)]+1
でリアスプロケット4に伝達される。
(a+d)/d
でリアスプロケット4に伝達される。
この発明の第二の実施形態を、図9及び図10に基づいて説明する。この実施形態では、変速用第一クラッチ3eの変速用第一クラッチ部3e−1及び変速用第二クラッチ部3e−2における変速用第一爪部3f−1、変速用第二爪部3f−2を、それぞれ第一太陽歯車3a−1及び第二太陽歯車3a−2の内面に設け、変速用第一カム面部3g−1、変速用第二カム面部3g−2を車軸5の外面に設けたものである。
この発明の実施形態を、図11〜図18に基づいて説明する。ハブ1を構成するハブケース7、変速機構3、変速制御機構10等の主たる構成は、前述の実施形態と同様であるので、以下、その差異点を中心に説明する。
このため、遊星歯車機構とハブケース7との間は、この伝達部材D(外輪歯車3d)を通じて駆動力及び逆入力が伝達されるようになっている。
このとき、ハブケース7に伝達部材Dを固定する前に、他方のハブフランジ6をハブケース7に固定することができる。また、ハブケース7に伝達部材Dを固定した後に、他方のハブフランジ6をハブケース7に固定することもできる。
ハブケース7と伝達部材D(変速用第三クラッチカム面3t)とは別体に成形され、それらが一体に回転するように、ハブケース7内に伝達部材Dが圧入固定されている。この圧入固定に代えて、スプライン結合等によって両者が一体に回転するようにしてもよい点は同様である。
このため、遊星歯車機構とハブケース7との間は、この伝達部材D(変速用第三クラッチカム面3t)を通じて駆動力及び逆入力が伝達されるようになっている。
なお、図11、図13、図15、図17中の符号3pは、図12(b)等におけるクラッチ軸3kを支持するための部材である。この実施形態では、その部材3pは、外面が円筒状で、その内面が三角形状を成す部材となっており、その内側に断面六角形の車軸5が圧入されている。
この実施形態において、遊星キャリア3cについては、例えば、クラッチカム面のような特に高面圧となるような荷重負荷部位が存在しない。このため、軽量化のために、遊星キャリア3cはアルミニウム合金材料またはマグネシウム合金材料を用いることが望ましい。
なお、図12(a)等において、太陽歯車3aの内径側に位置する車軸5等の図示は省略している。
この構成によれば、変速用第三クラッチ3rのクラッチ軸3mを支持するために、遊星キャリア3cに対して新たにクラッチ軸3m用の穴を加工する必要がなく、コスト低減が可能である。すなわち、遊星キャリア3cに設けられている遊星歯車軸3m’用の軸穴3qを、変速用第三クラッチ爪3rを支持するクラッチ軸3mの軸穴と共通化することができるので、新たにクラッチ軸3m用の穴を加工する必要がない。
また、遊星歯車軸3m’とクラッチ軸3mが一体でなくても、両者を同一の穴で支持することは差し支えない。
すなわち、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して、第一太陽歯車3a−1及び第二太陽歯車3a−2を、それぞれ車軸5周りに相対回転可能または相対回転不能とに切り替えることができる。
すなわち、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して、遊星キャリア3cをハブケース7周りに相対回転可能または相対回転不能とに切り替えることができる。
(a+d)/d
となる。このとき、第二太陽歯車3a−2は車軸5に対して空転状態であり、トルク伝達に関与しない。また、変速用第三クラッチ3rは、変速制御機構10における変速用第三クラッチ切替部10kによって、強制的に変速用第三クラッチ爪3sが変速用第二クラッチカム面3tに噛み込まない状態にしてある。
[(a×b)/(c×d)]+1
となる。このとき、第一太陽歯車3a−1は空転状態であり、トルク伝達に関与しない。
よって、駆動輪からの逆入力が、ハブケース7からリアスプロケット4に伝達されるとき、第一太陽歯車3a−1の歯数をa、外輪歯車3dの歯数をdとすると、減速比は、
(a+d)/d
となる。
よって、駆動輪からの逆入力が、ハブケース7からリアスプロケット4に伝達されるとき、第二太陽歯車3a−2の歯数をa、第一太陽歯車3a−1と噛み合う遊星歯車3bの歯数をb、第二太陽歯車3a−2と噛み合う遊星歯車3bの歯数をc、外輪歯車3dの歯数をdとすると、減速比は、
[(a×b)/(c×d)]+1
となる。すなわち、駆動輪からの逆入力は、変速制御機構10により選択された変速段に応じて、駆動力が伝達する経路と同じ経路を逆方向に伝達される。
したがって、第一太陽歯車3a−1及び第二太陽歯車3a−2は、車軸5周りに相対回転可能となっている。
このため、遊星キャリア3cとハブケース7とは、相対回転不能となっている。
このため、遊星キャリア3cとハブケース7とは、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して相対回転可能となる。
(a+d)/d
でハブケース7に伝達される。一方、駆動輪からの逆入力は、減速比が、
(a+d)/d
でリアスプロケット4に伝達される。
このとき、変速用第一爪部3f−1の位置にあった変速用スリーブ10bの切欠部10dは、その変速用第一爪部3f−1の位置から離脱する。このため、変速用第一爪部3f−1は、その他端が拘束されて、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して係合不能状態に移行する。
[(a×b)/(c×d)]+1
でハブケース7に伝達される。一方、駆動輪からの逆入力は、減速比が、
[(a×b)/(c×d)]+1
でリアスプロケット4に伝達される。
[(a×b)/(c×d)]+1
でリアスプロケット4に伝達される。
3 変速機構
3a 太陽歯車
3a−1 第一太陽歯車
3a−2 第二太陽歯車
3b 遊星歯車
3c 遊星キャリア
3d 外輪歯車
3e 変速用第一クラッチ
3e−1 変速用第一クラッチ部
3e−2 変速用第二クラッチ部
3f 変速用第一クラッチ爪
3f−1 変速用第一爪部
3f−2 変速用第二爪部
3g 変速用第一クラッチカム面
3g−1 変速用第一カム面部
3g−2 変速用第二カム面部
3h 変速用第二クラッチ
3i 変速用第二クラッチ爪
3j 変速用第二クラッチカム面
3k,3m,3n 揺動軸(クラッチ軸)
3m’ 遊星歯車軸
3p 筒状部材
3q 軸穴
3r 変速用第三クラッチ
3s 変速用第三クラッチ爪
3t 変速用第三クラッチカム面
4 リアスプロケット(スプロケット)
5 車軸
5a 孔
6 ハブフランジ
7 ハブケース
10 変速制御機構
10a 操作部
10b 変速用スリーブ
10d 切欠部
10e テーパ面
10f ピン
10g 弾性部材
10h 横穴
10i 変速用第二クラッチ切替部
10j テーパ部
10k 変速用第三クラッチ切替部
10m テーパ部
13,14 軸受部
Claims (10)
- 前輪と後輪とを結ぶフレームに二次電池及び補助駆動用のモータを取り付け、クランク軸から伝達された踏力又は前記モータの出力による駆動力を駆動力伝達要素を介して駆動輪に伝達可能とし、前進非駆動時には、駆動輪からモータの出力軸への逆入力により生じた回生電力を二次電池に還元する回生機構を備え、駆動輪に設けたハブ(1)内部に遊星歯車機構によって構成された変速機構(3)を備えており、前進駆動時に、踏力又はモータの出力による駆動力が、前記駆動力伝達要素から前記遊星歯車機構を通じて駆動輪と一体に回転するように設けられたハブケース(7)に伝達され、前進非駆動時には、駆動輪からの逆入力は、前記ハブケース(7)から前記遊星歯車機構を通じて前記駆動力伝達要素に伝達されるようになっており、前記遊星歯車機構が備える遊星歯車(3b)は歯数の異なる複数の歯車部を軸方向に並列して有し、その遊星歯車(3b)を鍛造または焼結により成形したことを特徴とする電動補助自転車。
- 前輪と後輪とを結ぶフレームに二次電池及び補助駆動用のモータを取り付け、クランク軸から伝達された踏力又は前記モータの出力による駆動力を駆動力伝達要素を介して駆動輪に伝達可能とし、前進非駆動時には、駆動輪からモータの出力軸への逆入力により生じた回生電力を二次電池に還元する回生機構を備え、駆動輪に設けたハブ(1)内部に遊星歯車機構によって構成された変速機構(3)を備えており、前進駆動時に、踏力又はモータの出力による駆動力が、前記駆動力伝達要素から前記遊星歯車機構を通じて駆動輪と一体に回転するように設けられたハブケース(7)に伝達され、前進非駆動時には、駆動輪からの逆入力は、前記ハブケース(7)から前記遊星歯車機構を通じて前記駆動力伝達要素に伝達されるようになっており、前記遊星歯車機構が備える遊星歯車(3b)は歯数の異なる複数の歯車部を軸方向に並列して有し、その遊星歯車(3b)を鍛造または焼結により成形し、熱処理を施したことを特徴とする電動補助自転車。
- 前記遊星歯車(3b)の複数の歯車部は、歯数の少ない側の歯車部の外径が歯数の多い側の外径よりも小さくなっており、その歯数の少ない側の歯車部の歯は、歯数の多い側の歯車部の端面に至っていることを特徴とする請求項1又は2に記載のハブ(1)を備えた電動補助自転車。
- 前記ハブ(1)内部に変速制御機構(10)を備え、前記変速機構(3)は、前記駆動輪の車軸(5)周りに設けられた太陽歯車(3a)と、その太陽歯車(3a)に噛み合う前記遊星歯車(3b)、及びその遊星歯車(3b)を保持する遊星キャリア(3c)を有し、前記太陽歯車(3a)は前記歯車部と同数設けられてその各太陽歯車(3a)が前記歯車部にそれぞれ噛み合い、前記遊星歯車(3b)は前記ハブケース(7)に設けた外輪歯車(3d)と噛み合うようになっており、前記変速機構(3)は、前進駆動時に、踏力又はモータの出力による駆動力が前記駆動力伝達要素から前記遊星キャリア(3c)に入力されて前記遊星キャリア(3c)から駆動輪に等速以上で伝達される増速型であり、前記変速機構(3)は、前記変速制御機構(10)により、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して前記各太陽歯車(3a)をクラッチを介して前記車軸(5)周りに相対回転可能または相対回転不能とに切り替えることにより変速する機能を有し、前進非駆動時には、駆動輪からの逆入力は、前記変速機構(3)のいずれの変速段においても前進駆動時の駆動力伝達経路と逆向きに伝達されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一つに記載の電動補助自転車。
- 前記クラッチとして、前記各太陽歯車(3a)と前記車軸(5)の間にそれぞれ変速用第一クラッチ(3e)が設けられ、前記変速制御機構(10)は、前記各変速用第一クラッチ(3e)をそれぞれ係合可能状態又は係合不能状態とに切り替えることで、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して前記各太陽歯車(3a)を前記車軸(5)周りに相対回転可能または相対回転不能とに切り替え可能であることを特徴とする請求項4に記載の電動補助自転車。
- 前記遊星キャリア(3c)と前記太陽歯車(3a)との間には変速用第二クラッチ(3h)が設けられ、前記変速制御機構(10)は、前記変速用第二クラッチ(3h)を係合可能状態又は係合不能状態とに切り替えることで、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して前記遊星キャリア(3c)を前記太陽歯車(3a)周りに相対回転可能または相対回転不能とに切り替え可能であることを特徴とする請求項4又は5に記載の電動補助自転車。
- 前記遊星キャリア(3c)と前記ハブケース(7)との間には変速用第三クラッチ(3r)が設けられ、前記変速制御機構(10)は、前記変速用第一クラッチ(3e)及び前記変速用第三クラッチ(3r)を切り替えることによって、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して前記太陽歯車(3a)を前記車軸(5)周りに相対回転可能または相対回転不能とに、及び、駆動力及び逆入力のそれぞれに対して前記遊星キャリア(3c)を前記ハブケース(7)周りに相対回転可能または相対回転不能とに切り替え可能であることを特徴とする請求項5に記載の電動補助自転車。
- 前記各変速用第一クラッチ(3e)は、1つの係合子が駆動力と逆入力の両方に対して係合可能である構造を有する請求項5又は7に記載の電動補助自転車。
- 前記各変速用第一クラッチ(3e)は、複数の係合子を有し、少なくとも1つの係合子が駆動力に対して係合可能であり、少なくとも1つの係合子が逆入力に対して係合可能である構造を有する請求項5又は7に記載の電動補助自転車。
- 前記変速用第一クラッチ(3e)がラチェットクラッチによって構成されていることを特徴とする請求項9に記載の電動補助自転車。
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