JP2026503505A - Geared continuously variable transmission - Google Patents
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Abstract
車両用無段変速機は、特に自転車において、種々の条件下でユーザを補助する。変速機は、変速機のギア比を連続的かつ無段階に変化させる機能により、ギアの信頼性と効率を組み合わせる。変速機は、キャリアと太陽歯車とリングギアを介して出力トルクを受ける太陽歯車を備えた遊星歯車装置を有する。電動モータは、太陽歯車に係合して、太陽歯車の角速度を連続的に変化させ、これにより、変速機のギア比を連続的に変化させて、リングギアにおける出力トルクを増減させる。リングギアは自転車の後輪を回転させ、変速機は、ユーザに適した潜在的に無限数のギア比を提供する。Continuously variable transmissions for vehicles, particularly bicycles, assist users under a variety of conditions. The transmission combines the reliability and efficiency of gears with the ability to continuously and infinitely change the transmission's gear ratio. The transmission has a planetary gear arrangement with a sun gear that receives output torque through a carrier, a sun gear, and a ring gear. An electric motor engages the sun gear to continuously change the angular velocity of the sun gear, thereby continuously changing the transmission's gear ratio and increasing or decreasing the output torque at the ring gear. The ring gear rotates the bicycle's rear wheel, and the transmission provides a potentially infinite number of gear ratios to suit the user.
Description
関連出願への相互参照
本出願は、2023年1月17日に出願された米国仮特許出願番号63/439,441の優先権を主張するものであり、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application claims priority to U.S. Provisional Patent Application No. 63/439,441, filed January 17, 2023, which is incorporated herein by reference in its entirety.
本開示は、特に自転車に使用され、変速機のギア比が潜在的に無限数のギア比で連続的に変化するように、ギアを用いてクランクシャフトからリアハブへ動力を伝達する無段変速機に関する。 This disclosure relates to continuously variable transmissions, particularly for use on bicycles, that use gears to transfer power from the crankshaft to the rear hub so that the gear ratio of the transmission can be continuously varied through a potentially infinite number of gear ratios.
自転車は通常、自転車のボトムブラケットにあるクランクシャフトから自転車のリアハブにある後輪とタイヤへ動力を伝達する駆動チェーンとスプロケットを有し、これが自転車を推進する。動力はトルクと角速度の積に等しく、したがって、トルクと角速度は一定の動力に対して反比例関係にある。ギア比は、変速機によって得られる機械的利点を指し、ギア比は出力トルクを入力トルクで割った値、またはギア比は入力角速度を出力角速度で割った値である。ここで説明するように、ギア比はまた、変速機のスプロケットまたはギアの歯数から求めることもできる。 Bicycles typically have a drive chain and sprockets that transfer power from the crankshaft at the bicycle's bottom bracket to the rear wheel and tire at the bicycle's rear hub, which propels the bicycle. Power is equal to the product of torque and angular velocity; therefore, torque and angular velocity are inversely related for constant power. The gear ratio refers to the mechanical advantage gained by a transmission; the gear ratio is the output torque divided by the input torque, or the gear ratio is the input angular velocity divided by the output angular velocity. As explained here, the gear ratio can also be determined from the number of teeth on the sprockets or gears of a transmission.
いくつかの自転車はボトムブラケットのスプロケットとリアハブのスプロケットの間で単一のギア比を有し、いくつかの自転車はクランクシャフトの複数のスプロケットおよび/またはリアハブの複数のスプロケット間で複数のギア比を有する。単一のギア比を有する自転車は一般的に安価で、シンプルで、信頼性が高いが、単一のギア比は狭い範囲の条件でのみ最適化できる。単一のギア比はリアハブのスプロケットの歯数が比較的多いギア比であり、これにより、静止状態から自転車を動かすためのトルクが増加するが、ユーザが自転車で高速走行する能力は制限される。逆に、単一のギア比はリアハブのスプロケットの歯数が比較的少ないギア比であり、これにより、速度は上がるが、静止状態から自転車を最初に推進する能力は制限される。 Some bicycles have a single gear ratio between the bottom bracket sprocket and the rear hub sprocket, while some bicycles have multiple gear ratios between multiple sprockets on the crankshaft and/or multiple sprockets on the rear hub. While single gear ratio bicycles are generally inexpensive, simple, and reliable, a single gear ratio can only be optimized for a narrow range of conditions. A single gear ratio is one with a relatively large number of teeth on the rear hub sprocket, which increases the torque required to propel the bicycle from a standstill but limits the user's ability to ride the bicycle at high speeds. Conversely, a single gear ratio is one with a relatively small number of teeth on the rear hub sprocket, which increases the speed but limits the user's ability to initially propel the bicycle from a standstill.
複数のギア比が可能な自転車は通常、ボトムブラケットおよび/またはリアハブのスプロケット間で駆動チェーンを選択的に動かすディレイラーを有する。したがって、ユーザは、より多くのトルクを供給し、自転車を静止位置から推進するのを補助するギア比でスタートすることができ、その後、ユーザはディレイラーを使用して駆動チェーンを別のスプロケットに移動させ、ギア比を確立することができる。この結果、ユーザは、自動車がスピードを上げるにつれてギアを切り換えるように、自転車のスピードをさらに増加させることができる。しかし、複数のギア比がある場合、ユーザが選択できるギア比は限られており、限られた数しかない。これらのギア比は特定の動作条件にのみ最適化され、特定のユーザには適さない可能性がある。 Bicycles capable of multiple gear ratios typically have a derailleur that selectively moves the drive chain between sprockets on the bottom bracket and/or rear hub. Thus, a user can start with a gear ratio that provides more torque and helps propel the bicycle from a stationary position, and then the user can use the derailleur to move the drive chain to another sprocket to establish a gear ratio. This allows the user to further increase the speed of the bicycle, much like a car changes gears as it gains speed. However, with multiple gear ratios, the user is limited in the number of gear ratios they can choose from. These gear ratios are optimized only for specific operating conditions and may not be suitable for certain users.
いくつかの自転車は、あらゆるユーザのあらゆる運転条件に合わせるために、変速機のギア比を潜在的に無限のギア比で連続的に変化させる、専用部品を備えた無段変速機を有している。「ギア比」は、スプロケットやギアの使用を指す場合もあるが、専用部品がスプロケットやギアでなくても、一般的に変速機の機械的な効率を指す場合もある。その専用部品は、ベルトが一組の駆動シーブを一組の従動シーブに連結し、シーブが位置を変化させて、変速機のギア比を連続的に変化させる、シーブ・ベルトシステムであるかもしれない。あるいは、専用部品は、環状無段変速機のディスク・ローラ列であるかもしれない。ディスクは駆動ローラと従動ローラの間で動力を伝達し、ディスクはローラに対する位置を変えて、変速機のギア比を連続的に変化させる。これらの変速機は連続可変であるが、専用部品はチェーンとスプロケットのシステムやギアシステムよりも一般的に動力伝達の効率が低く、あるいは専用部品は脆弱であり、信頼性が低い。したがって、スプロケットやギアによる変速機の効率と無段変速機の実用性の間にはトレードオフが存在する。 Some bicycles have continuously variable transmissions with specialized components that continuously change the transmission's gear ratio over a potentially infinite number of ratios to suit every user's riding conditions. "Gear ratio" can refer to the use of sprockets or gears, but it can also refer generally to the mechanical efficiency of the transmission, even if the specialized components are not sprockets or gears. The specialized components might be a sheave-and-belt system, in which a belt connects a set of drive sheaves to a set of driven sheaves, and the sheaves change position to continuously change the transmission's gear ratio. Alternatively, the specialized components might be a disc-and-roller train of an annular continuously variable transmission. The discs transmit power between the drive and driven rollers, and the discs change position relative to the rollers to continuously change the transmission's gear ratio. Although these transmissions are continuously variable, the specialized components generally transmit power less efficiently than chain-and-sprocket or gear systems, or they are fragile and unreliable. Therefore, there is a trade-off between the efficiency of a sprocket or gear transmission and the practicality of a continuously variable transmission.
自転車のもう1つのトレンドは、電動自転車すなわち「Eバイク」の人気の高まりであり、これは変速機に関するさらなる考慮事項である。具体的には、Eバイクは、電動モータ、コントローラ、バッテリ、さらには変速機など、自転車のフレームに多くの部品を導入し、電動モータの比較的高速で低出力トルクと、自転車の推進に必要な比較的低速で高トルクの要件を結び付ける。さらに、いくつかの電動モータは、Eバイクのボトムブラケットに配置されており、変速機部品はリアハブに配置される。自転車のリアハブにおいて、スプロケットやギア式変速機、無段変速機が採用されているが、これらの変速機にも前述のトレードオフが存在する。 Another trend in bicycles is the growing popularity of electric bicycles, or "e-bikes," which brings additional considerations to transmissions. Specifically, e-bikes introduce many components to the bicycle frame, including the electric motor, controller, battery, and even transmission, combining the relatively high-speed, low-output torque of the electric motor with the relatively low-speed, high-torque requirements necessary for propelling the bicycle. Furthermore, some electric motors are located in the bottom bracket of e-bikes, with transmission components located in the rear hub. While sprockets, geared transmissions, and continuously variable transmissions are employed in the bicycle's rear hub, these transmissions also have the trade-offs mentioned above.
本開示の実施形態は、自転車のリアハブにおける、スプロケットまたはギア付き変速機の効率と無段変速機の有用性を組み合わせた新規な変速機に関する。本開示の変速機は、外側遊星歯車装置を用いて駆動スプロケットから後輪およびタイヤに動力を伝達し、自転車を推進する。さらに、この変速機は、電動モータを用いて外側遊星歯車装置の太陽歯車の速度を連続的に変化させて、変速機のギア比を、潜在的に無限大の数値で連続的に変化させる。したがって、本開示の変速機は、ギアを用いて駆動スプロケットと後輪およびタイヤとの間のギア比を潜在的に無限の数の範囲で変化させることができる。本開示の実施形態は自転車に関して説明されているが、本開示は、ギアを用いてギア比を連続的かつ無段階に変化させることから利益を得る、他の車両または任意の装置を対象とした実施形態を包含することが理解されるであろう。 Embodiments of the present disclosure relate to a novel transmission for a bicycle rear hub that combines the efficiency of a sprocket or geared transmission with the utility of a continuously variable transmission. The disclosed transmission uses an outer planetary gearing to transfer power from a drive sprocket to the rear wheel and tire to propel the bicycle. Furthermore, the transmission uses an electric motor to continuously vary the speed of the sun gear of the outer planetary gearing, thereby continuously varying the gear ratio of the transmission over a potentially infinite number of values. Thus, the disclosed transmission uses gears to vary the gear ratio between the drive sprocket and the rear wheel and tire over a potentially infinite number of ranges. While embodiments of the present disclosure are described with respect to bicycles, it will be understood that the disclosure encompasses embodiments directed to other vehicles or any device that benefits from using gears to continuously and infinitely change gear ratios.
本開示の実施形態の一態様は、効率的なギア変速機を用いて、ユーザのペダル動作からの動力を後輪およびタイヤに伝達する変速機を提供することである。いくつかの実施形態では、ユーザはペダルを操作しクランクシャフトを回転し、これは、リアハブにおいて駆動チェーンと駆動スプロケットを回転させる。本開示は、ボトムブラケットに1つのスプロケット、リアハブに1つのスプロケットのみを備えた実施形態を含んでいるが、本開示は、ボトムブラケットおよび/またはリアハブに複数のスプロケットを備えた実施形態も含むことが理解されるであろう。駆動スプロケットは、外側遊星歯車装置のキャリアを回転させ、これは外側遊星歯車を太陽歯車に対して回転させる。この動作により、リアハブのハウジングに接続されたリングギアが回転する。ハウジングの回転により、後輪とタイヤが回転し、自転車を推進する。第1の動作モードでは、太陽歯車により、変速機は、外側遊星歯車装置の部品の構成と歯数によって決まるギア比を有する。 One aspect of embodiments of the present disclosure is to provide a transmission that transfers power from a user's pedaling action to the rear wheel and tire using an efficient gear derailleur. In some embodiments, the user operates the pedals to rotate the crankshaft, which rotates the drive chain and drive sprocket at the rear hub. While the present disclosure includes embodiments with only one sprocket at the bottom bracket and one at the rear hub, it will be understood that the present disclosure also includes embodiments with multiple sprockets at the bottom bracket and/or rear hub. The drive sprocket rotates the carrier of the outer planetary gear set, which rotates the outer planetary gear relative to the sun gear. This action rotates a ring gear connected to a housing in the rear hub. Rotation of the housing rotates the rear wheel and tire, propelling the bicycle. In a first operating mode, the sun gear causes the transmission to have a gear ratio determined by the configuration and number of teeth of the outer planetary gear set's components.
本開示の実施形態のさらなる態様は、太陽歯車を選択的に回転させて変速機のギア比を連続的に変化させる変速機を提供することである。第2の動作モードでは、電動モータが太陽歯車を回転させてキャリアと太陽歯車の相対速度を変化させる。その結果、外側遊星歯車はリングギアとハウジングを駆動し続けるが、異なるギア比では、リングギアとハウジングにおいてトルクが増加する。電動モータは一定範囲内の任意の角速度で太陽歯車を回転させることができるので、ギア比は連続的かつ無段階に変化する。 A further aspect of an embodiment of the present disclosure is to provide a transmission that selectively rotates the sun gear to continuously change the gear ratio of the transmission. In a second operating mode, the electric motor rotates the sun gear to change the relative speed of the carrier and sun gear. As a result, the outer planetary gears continue to drive the ring gear and housing, but at different gear ratios, torque increases at the ring gear and housing. The electric motor can rotate the sun gear at any angular speed within a range, thereby allowing for continuous and infinitely variable gear ratio changes.
本開示の実施形態の別の態様は、電動モータからの動力を遊星歯車装置の太陽歯車に伝達する内側遊星歯車装置を備えた変速機を提供することである。電動モータの出力は比較的高速かつ低トルクであるのに対し、変速機の他の部品は比較的低速かつ高トルクで回転する。この差を埋めるため、電動モータの出力軸上の出力ピニオンは複数の内側遊星歯車内に配置され、噛み合っており、各内側遊星歯車は、固定軸内へ延びるピンの周りに回転する。この意味で、内側遊星歯車装置の「キャリア」は固定軸である。そして、内側遊星歯車は太陽歯車の内面に配置され、その歯と噛み合う。したがって、太陽歯車は、外側遊星歯車装置の太陽歯車と内側遊星歯車装置のリングギアの両方の役割を果たす。内側遊星歯車装置を含めることにより、太陽歯車の出力は、電動モータにおける入力と比較して、低速かつ高トルクである。 Another aspect of an embodiment of the present disclosure is to provide a transmission with an inner planetary gear set that transfers power from an electric motor to a sun gear of a planetary gear set. The output of the electric motor is relatively high speed and low torque, while other components of the transmission rotate relatively slow speed and high torque. To bridge this gap, an output pinion on the output shaft of the electric motor is disposed within and meshes with multiple inner planetary gears, each of which rotates about a pin extending into a fixed shaft. In this sense, the "carrier" of the inner planetary gear set is the fixed shaft. The inner planetary gear is then disposed on the inner surface of the sun gear and meshes with its teeth. The sun gear therefore serves as both the sun gear of the outer planetary gear set and the ring gear of the inner planetary gear set. By including the inner planetary gear set, the output of the sun gear is slower and has higher torque than the input of the electric motor.
本開示の実施形態の一態様は、太陽歯車と変速機の固定車軸との間にワンウェイクラッチを設け、太陽歯車の回転を一方向のみに制限することである。本明細書に記載のように、第1の動作モードでは、太陽歯車は固定されており、車軸に対して回転しない。第2の動作モードでは、太陽歯車は車軸に対して一方向に回転し、変速機のギア比を連続的に変化させる。これを実現するために、ラチェットホイールが太陽歯車の内面に接続し、ラチェットホイールがラチェットホイールの内面から内側に突出する歯を有する爪システムがワンウェイクラッチとして用いられる。偏向爪は、太陽歯車が車軸に対して一方向にのみ回転できるように、軸から突出してラチェットホイールの歯に噛合する。 One aspect of an embodiment of the present disclosure is to provide a one-way clutch between the sun gear and the fixed axle of the transmission to restrict rotation of the sun gear to only one direction. As described herein, in a first operating mode, the sun gear is fixed and does not rotate relative to the axle. In a second operating mode, the sun gear rotates in one direction relative to the axle, continuously changing the gear ratio of the transmission. To accomplish this, a ratchet wheel connects to the inner surface of the sun gear, and a pawl system is used as the one-way clutch, with the ratchet wheel having teeth that protrude inward from the inner surface of the ratchet wheel. A deflecting pawl protrudes from the axle and engages with the teeth of the ratchet wheel, allowing the sun gear to rotate in only one direction relative to the axle.
本開示の実施形態の一態様は、バッテリと電動モータに通信して、いつどのように電動モータが太陽歯車を移動させて変速機のギア比を連続的に変化させるかを決定するコントローラを提供することである。コントローラは、1以上の入力装置からの1以上の入力信号に基づいて、バッテリが電動モータに電力を伝達することを選択的に可能にする。入力装置は、外側遊星歯車装置のキャリアの角速度のような、変速機の特性あるいは性能を検出する装置である。入力装置はまた、ペダルアシストレベル、出力トルク、回転数等を設定するためにユーザが操作するボタンやレバーである場合もある。1以上の入力装置は、入力信号をコントローラに送信し、コントローラは、いつ、どのように、バッテリが電動モータに電力を伝送するかを決定する。コントローラが、バッテリが電動モータへ電力を伝送することを「いつ」許可するかは、例えば、入力信号または入力信号から導かれる値からの条件または閾値に基づいて、コントローラにより決定される。コントローラが、バッテリが電動モータへ電力を伝送することを「どのように」許可するかは、電力が、例えば、一定または可変のアンペア数で伝送される方法である。コントローラは条件または閾値に基づいて、一定または可変のアンペア数で電流を伝送するための決定することである。 One aspect of an embodiment of the present disclosure is to provide a controller that communicates with a battery and an electric motor to determine when and how the electric motor moves a sun gear to continuously change the gear ratio of a transmission. The controller selectively allows the battery to transfer power to the electric motor based on one or more input signals from one or more input devices. The input devices are devices that detect characteristics or performance of the transmission, such as the angular velocity of the carrier of the outer planetary gear set. The input devices may also be buttons or levers that a user operates to set pedal assist level, output torque, RPM, etc. The one or more input devices send input signals to the controller, which determines when and how the battery transfers power to the electric motor. "When" the controller allows the battery to transfer power to the electric motor is determined by the controller based on, for example, conditions or thresholds from the input signals or values derived from the input signals. "How" the controller allows the battery to transfer power to the electric motor is the manner in which power is transferred, for example, at a constant or variable amperage. The controller makes the decision to transmit current at a constant or variable amperage based on conditions or thresholds.
本開示の第1の態様は車両用無段変速機を提供することであり、車両用無段変速機は、入力トルクを受けるように構成されたキャリアと、キャリアに回転可能に係合する複数の外側遊星歯車と、複数の外側遊星歯車内に配置されて係合する太陽歯車とを備え、太陽歯車は選択的に回転可能であり、複数の外側遊星歯車の周囲に配置されて係合するリングギアを備え、入力トルクによる第1の動作モードでは、太陽歯車は静止しており、キャリアと複数の外側遊星歯車は、第1の出力トルクでリングギアを駆動するよう構成されており、入力トルクによる第2のモードでは、太陽歯車はキャリアと同じ方向に回転し、キャリアと複数の外側遊星歯車は、第1の出力トルクよりも大きい第2の出力トルクでリングギアを駆動するように構成される。 A first aspect of the present disclosure provides a continuously variable transmission for a vehicle, the continuously variable transmission for a vehicle comprising: a carrier configured to receive input torque; a plurality of outer planetary gears rotatably engaged with the carrier; and a sun gear disposed within and engaged with the plurality of outer planetary gears, the sun gear being selectively rotatable and comprising a ring gear disposed around and engaged with the plurality of outer planetary gears; in a first operating mode operated by input torque, the sun gear is stationary, and the carrier and the plurality of outer planetary gears are configured to drive the ring gear with a first output torque; and in a second operating mode operated by input torque, the sun gear rotates in the same direction as the carrier, and the carrier and the plurality of outer planetary gears are configured to drive the ring gear with a second output torque greater than the first output torque.
第1の態様の無段変速機は、選択的に、太陽歯車に係合して太陽歯車を選択的に回転させる電動モータを含んでもよい。 The continuously variable transmission of the first aspect may optionally include an electric motor that engages with the sun gear to selectively rotate the sun gear.
第1の態様の無段変速機は1以上の上述した実施形態を含み、また選択的に、太陽歯車内に配置され、太陽歯車と係合する複数の内側遊星歯車を含み、電動モータの出力ピニオンは、複数の内側遊星歯車内に配置されて係合し、電動モータからのモータトルクを太陽歯車に伝達して太陽歯車を選択的に回転させる。 A first aspect of the continuously variable transmission includes one or more of the above-described embodiments, and optionally includes a plurality of internal planetary gears disposed within and engaging with the sun gear, and an output pinion of the electric motor disposed within and engaging the plurality of internal planetary gears to transmit motor torque from the electric motor to the sun gear and selectively rotate the sun gear.
第1の態様の無段変速機は1以上の上述した実施形態を含み、また選択的に、太陽歯車の内面に接続されたラチェットホイールと、ラチェットホイール内に配置された駆動軸と、駆動軸に配置された偏向爪とを含み、偏向爪は、太陽歯車が駆動軸に対して一方向のみに回転するように、ラチェットホイールに選択的に係合するように構成される。 A first aspect of the continuously variable transmission includes one or more of the above-described embodiments, and optionally includes a ratchet wheel connected to the inner surface of the sun gear, a drive shaft disposed within the ratchet wheel, and a deflection pawl disposed on the drive shaft, the deflection pawl configured to selectively engage with the ratchet wheel so that the sun gear rotates in only one direction relative to the drive shaft.
第1の態様の無段変速機は1以上の上述した実施形態を含み、また選択的に、ワンウェイクラッチを介してキャリアに係合する駆動スプロケットを含み、駆動スプロケットは、キャリアに対して一方向のみに回転するときに、入力トルクをキャリアに伝達する。 A first aspect of the continuously variable transmission includes one or more of the above-described embodiments and optionally includes a drive sprocket that engages with the carrier via a one-way clutch, and transmits input torque to the carrier when the drive sprocket rotates in only one direction relative to the carrier.
第1の態様の無段変速機は1以上の上述した実施形態を含み、また選択的に、太陽歯車と複数の外側遊星歯車とキャリアが少なくとも部分的に配置されたハウジングを含み、リングギアは、ハウジングが第1出力トルクと第2出力トルクを受けるように、ハウジングの内面に接続される。 A first aspect of the continuously variable transmission includes one or more of the above-described embodiments, and optionally includes a housing in which the sun gear, the plurality of outer planetary gears, and the carrier are at least partially disposed, and a ring gear is connected to an inner surface of the housing such that the housing receives a first output torque and a second output torque.
第1の態様の無段変速機は1以上の上述した実施形態を含み、また選択的に、ハウジングが車輪の少なくとも1つのスポークを受容するように構成され、ハウジングの回転が車輪を回転させる。 The continuously variable transmission of the first aspect includes one or more of the above-described embodiments, and optionally, the housing is configured to receive at least one spoke of a wheel, such that rotation of the housing rotates the wheel.
本開示の第2の態様は車両用無段変速機を提供することであり、車両用無段変速機は、出力トルクを受けるように構成されたリングギアと、リングギア内に配置されて係合する複数の外側遊星歯車とを備え、複数の外側遊星歯車は第1の入力トルクを受けるように構成され、複数の外側遊星歯車内に配置されて係合する太陽歯車と、太陽歯車に係合し、第2の入力トルクで太陽歯車を選択的に回転させる電動モータとを備え、出力トルクは第1の入力トルクと第2の入力トルクに比例し、電動モータは出力トルクと第1の入力トルクの間のギア比を連続的に変化させる。 A second aspect of the present disclosure provides a continuously variable transmission for a vehicle, the continuously variable transmission for a vehicle comprising: a ring gear configured to receive an output torque; a plurality of outer planetary gears disposed within and engaged with the ring gear; the plurality of outer planetary gears configured to receive a first input torque; a sun gear disposed within and engaged with the plurality of outer planetary gears; and an electric motor engaged with the sun gear and selectively rotating the sun gear with a second input torque, the output torque being proportional to the first input torque and the second input torque, and the electric motor continuously varying the gear ratio between the output torque and the first input torque.
第2の態様の無段変速機は選択的に、複数の外側遊星歯車に接続するキャリアを含み、キャリアは第1の入力トルクを受けて、第1の入力トルクを複数の外側遊星歯車に伝達するように構成される。 The second aspect of the continuously variable transmission optionally includes a carrier connected to the plurality of outer planetary gears, the carrier configured to receive a first input torque and transmit the first input torque to the plurality of outer planetary gears.
第2の態様の無段変速機は1以上の上述した実施形態を含み、また選択的に、軸をさらに備え、太陽歯車は、太陽歯車が軸に対して一方向のみに回転するように、ワンウェイクラッチを介して前記軸に係合する。 A second aspect of the continuously variable transmission includes one or more of the above-described embodiments, and optionally further includes a shaft, with the sun gear engaging the shaft via a one-way clutch such that the sun gear rotates in only one direction relative to the shaft.
第2の態様の無段変速機は1以上の上述した実施形態を含み、また選択的に、ワンウェイクラッチを介してキャリアに係合する駆動スプロケットを含み、駆動スプロケットは、駆動スプロケットがキャリアに対して一方向に回転するときのみ、キャリアに第1の入力トルクを伝達する。 A second aspect of the continuously variable transmission includes one or more of the above-described embodiments and optionally includes a drive sprocket that engages with the carrier via a one-way clutch, and the drive sprocket transmits a first input torque to the carrier only when the drive sprocket rotates in one direction relative to the carrier.
第2の態様の無段変速機は1以上の上述した実施形態を含み、また選択的に、電動モータと通信するコントローラを含み、コントローラは入力信号を受信するように構成され、コントローラは入力信号に基づいて電動モータに、太陽歯車を回転させるように構成される。 A second aspect of the continuously variable transmission includes one or more of the above-described embodiments and optionally includes a controller in communication with the electric motor, the controller configured to receive an input signal, and the controller configured to cause the electric motor to rotate the sun gear based on the input signal.
第2の態様の無段変速機は1以上の上述した実施形態を含み、また選択的に、コントローラと通信する入力装置を含み、入力装置は入力信号に基づいて入力信号をコントローラに送信するように構成される。 A second aspect of the continuously variable transmission includes one or more of the above-described embodiments and optionally includes an input device in communication with the controller, the input device configured to transmit an input signal to the controller based on the input signal.
第2の態様の無段変速機は1以上の上述した実施形態を含み、また選択的に、コントローラと通信するバッテリを含み、コントローラはバッテリに、電力を電動モータに伝達させるように構成される。 A second aspect of the continuously variable transmission includes one or more of the above-described embodiments and optionally includes a battery in communication with a controller, the controller configured to cause the battery to transfer power to the electric motor.
本開示の第3の態様は車両用無段変速機を提供することであり、車両用無段変速機は、車両に固定されるように構成された第1の軸および第2の軸を備え、第1の軸は開口部を有し、第1の軸に固定され、第1の軸の開口部を介して電力を受けるように構成された電動モータを備え、リングギアを有する太陽歯車と、リングギア内に配置されて係合する複数の外側遊星歯車と、複数の外側遊星歯車内に配置されて係合する太陽歯車とを備え、太陽歯車は、太陽歯車が第2の軸に対して一方向のみに回転するように、ワンウェイクラッチを介して第2の軸に係合し、電動モータは、変化する角速度で第2の軸に対して太陽歯車を一方向に回転させ、リングギアと複数の外側遊星歯車に接続されたキャリアとの間のギア比を変化させるように構成される。 A third aspect of the present disclosure provides a continuously variable transmission for a vehicle, the continuously variable transmission for a vehicle comprising a first shaft and a second shaft configured to be fixed to the vehicle, the first shaft having an opening, an electric motor fixed to the first shaft and configured to receive power through the opening of the first shaft, a sun gear having a ring gear, a plurality of outer planetary gears disposed within and engaged with the ring gear, and a sun gear disposed within and engaged with the plurality of outer planetary gears, the sun gear engaged with the second shaft via a one-way clutch such that the sun gear rotates in only one direction relative to the second shaft, and the electric motor configured to rotate the sun gear in one direction relative to the second shaft at a varying angular velocity and vary the gear ratio between the ring gear and a carrier connected to the plurality of outer planetary gears.
第3の態様の無段変速機は選択的に、第2の軸に回転可能に接続された複数の内側遊星歯車を含み、複数の内側遊星歯車は太陽歯車内に配置され、太陽歯車と係合し、電動モータの出力ピニオンは、複数の内側遊星歯車内に配置され、複数の内側遊星歯車と係合して、複数の内側遊星歯車および太陽歯車を回転させる。 The third aspect of the continuously variable transmission optionally includes a plurality of inner planetary gears rotatably connected to the second shaft, the plurality of inner planetary gears being disposed within the sun gear and engaging with the sun gear, and an output pinion of the electric motor being disposed within the plurality of inner planetary gears and engaging with the plurality of inner planetary gears to rotate the plurality of inner planetary gears and the sun gear.
第3の態様の無段変速機は1以上の上述した実施形態を含み、また選択的に、出力ピニオンは電動モータの出力軸に接続され、ハウジングの隔壁内に配置されたベアリングは電動モータの出力軸を支持する。 A third aspect of the continuously variable transmission includes one or more of the above-described embodiments, and optionally, the output pinion is connected to an output shaft of the electric motor, and a bearing disposed within a partition wall of the housing supports the output shaft of the electric motor.
第3の態様の無段変速機は1以上の上述した実施形態を含み、また選択的に、複数の外側遊星歯車は4つの外側遊星歯車を備え、複数の内側遊星歯車は3つの内側遊星歯車を備える。 A third aspect of the continuously variable transmission includes one or more of the above-described embodiments, and optionally, the plurality of outer planetary gears includes four outer planetary gears and the plurality of inner planetary gears includes three inner planetary gears.
第3の態様の無段変速機は1以上の上述した実施形態を含み、また選択的に、少なくとも部分的に電動モータと遊星歯車装置を囲むハウジングを含み、第1のベアリングは、ハウジングが第1の軸の周りに回転できるようにハウジングと第1の軸の間に配置され、第2のベアリングは、ハウジングがキャリアの周りに回転できるようにハウジングとキャリアの間に配置される。 A third aspect of the continuously variable transmission includes one or more of the above-described embodiments, and optionally includes a housing at least partially enclosing the electric motor and the planetary gear set, a first bearing disposed between the housing and the first shaft to allow the housing to rotate about the first shaft, and a second bearing disposed between the housing and the carrier to allow the housing to rotate about the carrier.
第3の態様の無段変速機は1以上の上述した実施形態を含み、また選択的に、電動モータと通信するコントローラを含み、コントローラは入力信号を受信するように構成され、コントローラは電動モータに、入力信号に基づいて太陽歯車を回転させるように構成される。 A third aspect of the continuously variable transmission includes one or more of the above-described embodiments and optionally includes a controller in communication with the electric motor, the controller configured to receive an input signal, and the controller configured to cause the electric motor to rotate the sun gear based on the input signal.
本明細書に使用される「少なくとも1つ」、「1以上」、「および/または」の語句は、接続的および離接的の両方の機能をもつ制約のない表現である。例えば、「A、B、およびCの少なくとも1つ」、「A、B、またはCの少なくとも1つ」、「A、B、およびCの1以上」、「A、B、またはCの1以上」、「A、B、および/またはC」はAのみ、Bのみ、Cのみ、AおよびB、AおよびC、BおよびC、あるいはA、B、およびCを意味する。 As used herein, the terms "at least one," "one or more," and "and/or" are open-ended expressions that function both conjunctively and disjunctively. For example, "at least one of A, B, and C," "at least one of A, B, or C," "one or more of A, B, and C," "one or more of A, B, or C," and "A, B, and/or C" mean A only, B only, C only, A and B, A and C, B and C, or A, B, and C.
特に記載がない限り、本明細書および請求項で使用される量、寸法、条件等を表現する全ての数値は、いかなる場合も「約」の用語によって修飾されていると理解されるべきである。 Unless otherwise specified, all numerical values expressing quantities, dimensions, conditions, etc. used in this specification and claims should be understood to be modified in all cases by the word "about."
本明細書で使用される「a」または「an」の用語はその実体の1以上を指す。したがって「a」(または「an」)、「1以上」および「少なくとも1つ」の用語は本明細書では互換的に使用される。 As used herein, the terms "a" or "an" refer to one or more of that entity. Thus, the terms "a" (or "an"), "one or more," and "at least one" are used interchangeably herein.
本明細書における「含む」、「備える」、または「有する」およびこれらの派生語の使用は、その後に列挙される項目およびその同等物ならびに追加項目を包含することを意味する。したがって、「含む」、「備える」、または「有する」の語句およびその派生語は、本明細書において互換的に使用される。本明細書における「係合する」およびその派生語の使用は、要素間の直接的あるいは間接的な接続を包含することを意味する。 The use of "comprises," "has," or "comprises," and derivatives thereof herein is meant to encompass the items listed thereafter, and equivalents thereof, as well as additional items. Thus, the words "comprises," "comprises," or "has," and derivatives thereof, are used interchangeably herein. The use of "engages" and derivatives thereof herein is meant to encompass either a direct or indirect connection between elements.
本明細書で使用される「手段」という用語は、米国特許法第35編第112条(f)に従って可能な限り広く解釈されると理解されなければならない。したがって、「手段」という用語を含む請求項は、本明細書に記載されている全ての構造、材料、または行為、およびそれらの全ての均等物を包含する。さらに、構造、材料、または行為、およびそれらの均等物は、発明の概要、図面の簡単な説明、詳細な説明、要約、および請求項自体に記載されている全てを含む。 As used herein, the term "means" should be understood to be interpreted as broadly as possible pursuant to 35 U.S.C. §112(f). Accordingly, any claim containing the term "means" encompasses all structure, material, or acts described herein, and all equivalents thereof. Furthermore, structures, materials, or acts, and equivalents thereof, include everything described in the Summary, Brief Description of the Drawings, Detailed Description, Abstract, and the claims themselves.
これらおよび他の利点は本明細書に含まれる本発明の開示から明らかである。上述した実施形態、目的および構成は完全でも網羅的でもない。本発明の概要は、本発明の全範囲を表すものとして意図されておらず、またそのように解釈されるべきではない。さらに、本明細書における「本発明」またはその態様に対する参照は、本発明のいくつかの実施形態を意味すると理解されるべきであり、必ずしも全ての実施形態を特定の説明に限定するものと解釈されるべきではない。本発明は、発明の概要、添付図面および詳細な説明において様々なレベルで説明されており、発明の概要における構成要素、部品等の包含または非包含によって本発明の範囲が限定されることを意図するものではない。本発明の付加的な態様は、詳細な説明から、特に図面と併せたときに、より容易に理解できるであろう。 These and other advantages are apparent from the disclosure of the invention contained herein. The above-described embodiments, objects, and configurations are not complete or exhaustive. This Summary of the Invention is not intended to, and should not be construed as, representing the entire scope of the invention. Furthermore, references herein to "the invention" or aspects thereof should be understood to refer to several embodiments of the invention and should not necessarily be construed as limiting all embodiments to the particular description. The invention is described at various levels in the Summary of the Invention, the accompanying drawings, and the Detailed Description, and the inclusion or non-inclusion of elements, parts, etc. in the Summary of the Invention is not intended to limit the scope of the invention. Additional aspects of the invention will be more readily apparent from the Detailed Description, particularly when taken in conjunction with the drawings.
本明細書に記載されている特徴または態様は、同じ実施形態から来ているかどうかに関係なく、本明細書に記載されている他の特徴または態様と組み合わせて請求することができることが理解されるべきである。 It should be understood that any feature or aspect described herein may be claimed in combination with any other feature or aspect described herein, whether or not from the same embodiment.
本明細書に記載された1以上の態様は、本明細書に記載された他の1以上の態様と組み合わせることができる。本明細書に記載された1以上の特徴は、本明細書に記載された他の1以上の特徴と組み合わせることができる。本明細書に記載された1以上の実施形態は、本明細書に記載された他の1以上の実施形態と組み合わせることができる。 One or more aspects described herein may be combined with one or more other aspects described herein. One or more features described herein may be combined with one or more other features described herein. One or more embodiments described herein may be combined with one or more other embodiments described herein.
当業者は以下の説明が本開示の原理を単に例示するものであり、これが種々の方法で多くの異なる代替的な実施形態を提供することに適用されることを理解するであろう。この記載は本開示の教示の一般的な原理を説明するためになされ、本明細書に開示される本発明の概念を限定することを意味しない。 Those skilled in the art will appreciate that the following description is merely illustrative of the principles of the present disclosure, which may be applied in various ways to provide many different alternative embodiments. This description is made to illustrate the general principles of the teachings of the present disclosure and is not meant to limit the inventive concepts disclosed herein.
この明細書に組み込まれその一部を構成する添付図面は、実施形態を示しており、上述した本発明の一般的な説明および下記の図面の詳細な説明とともに、本発明の原理を説明するのに役立つ。
図面は必ずしも寸法を示さず、種々の大きさに変更できることが理解されるべきである。いくつかの実施形態では、本発明の理解に必要ではない詳細、または他の詳細を理解することを困難にする詳細は、省略されている。本発明が必ずしも、本明細書に開示される特定の実施形態に限定されないことは勿論理解されるべきである。
2 自転車フレーム
4 リアハブ
6 ブレーキ軸
8 駆動軸
10 駆動スプロケット
12 ハウジング
14 スポーク孔
16 ブレーキディスク
17 変速機
18a 第1のハウジング部分
18b 第2のハウジング部分
20 ブレーキ締結具
22 ブレーキベアリング
24 ブレーキブラケット
26 電動モータ
28 マウント
30 マウント締結具
32 ブレーキ軸の開口部
34 隔壁
36 出力ベアリング
38 出力ピニオン
40 内側遊星歯車
42 太陽歯車
44 ラチェットホイール
46 保持リング
48 外側遊星歯車
50 外側遊星歯車のベアリング
52 外側遊星歯車のピン
54 ワッシャ
56 リングギア
58 キャリア
60 駆動軸ベアリング
62 太陽歯車ベアリング
64 キャリアベアリング
66 出力軸
68 ナット
70 内側遊星歯車のベアリング
71 出力ピニオンの歯
72 内側遊星歯車のピン
73 内側遊星歯車の歯
74 爪
75 爪システム
76 爪スプリング
77 太陽歯車の歯(外面)
78 保持リング
79 外側遊星歯車の歯
80 ワンウェイクラッチ
81 リングギアの歯
82 第1の入力トルク
83 太陽歯車の歯(内面)
84 第2の入力トルク
85 内側遊星歯車装置
86 出力トルク
87 外側遊星歯車装置
88 反時計回り側
90 時計回り側
92 入力装置
94 コントローラ
96 バッテリ
It should be understood that the drawings are not necessarily drawn to scale and may be resized in various ways. In some embodiments, details that are not necessary for an understanding of the invention or that make other details difficult to understand have been omitted. It should, of course, be understood that the invention is not necessarily limited to the particular embodiments disclosed herein.
2 Bicycle frame 4 Rear hub 6 Brake shaft 8 Drive shaft 10 Drive sprocket 12 Housing 14 Spoke holes 16 Brake disc 17 Derailleur 18a First housing part 18b Second housing part 20 Brake fastener 22 Brake bearing 24 Brake bracket 26 Electric motor 28 Mount 30 Mount fastener 32 Brake shaft opening 34 Partition wall 36 Output bearing 38 Output pinion 40 Inner planetary gear 42 Sun gear 44 Ratchet wheel 46 Retaining ring 48 Outer planetary gear 50 Outer planetary gear bearing 52 Outer planetary gear pin 54 Washer 56 Ring gear 58 Carrier 60 Drive shaft bearing 62 Sun gear bearing 64 Carrier bearing 66 Output shaft 68 Nut 70 Inner planet gear bearing 71 Output pinion teeth 72 Inner planet gear pin 73 Inner planet gear teeth 74 Pawl 75 Pawl system 76 Pawl spring 77 Sun gear teeth (outer surface)
78 Retaining ring 79 Outer planetary gear teeth 80 One-way clutch 81 Ring gear teeth 82 First input torque 83 Sun gear teeth (inner surface)
84 Second input torque 85 Inner planetary gear set 86 Output torque 87 Outer planetary gear set 88 Counterclockwise side 90 Clockwise side 92 Input device 94 Controller 96 Battery
以下の文章は多数の異なる実施形態の詳細な説明であるが、その説明の法的な範囲はこの開示の最後に記載された請求の範囲の言葉によって定義されることが理解されるべきである。詳細な説明は、例示のみとして解釈されるべきであり、あらゆる可能な実施形態を説明していない。あらゆる可能な実施形態を説明することは、不可能ではないとしても非実現的であるからである。現代の技術または本特許出願の日の後に開発される技術を用いた多数の代替的な実施形態が意図され得るが、これらは請求の範囲内に含まれる。さらに、種々の図面に示された特徴の組み合わせは本開示の付加的な実施形態を作成するために使用され得る。したがって、変速機の一実施形態の寸法、態様、および特徴は、変速機の他の実施形態の寸法、態様、および特徴と組合せて、請求の範囲に記載された実施形態を作成することができる。 While the following text is a detailed description of numerous different embodiments, it should be understood that the legal scope of that description is defined by the language of the claims at the end of this disclosure. The detailed description is to be construed as exemplary only and does not describe every possible embodiment, as describing every possible embodiment would be impractical, if not impossible. Numerous alternative embodiments, using current technology or technology developed after the filing date of this patent application, are contemplated and are within the scope of the claims. Furthermore, combinations of features shown in the various figures may be used to create additional embodiments of the present disclosure. Thus, the dimensions, aspects, and features of one embodiment of the transmission can be combined with the dimensions, aspects, and features of other embodiments of the transmission to create the claimed embodiments.
図1Aはリアハブ4を有する自転車フレーム2を示し、図1Bは本開示のリアハブ4の他の図を示す。電動自転車すなわちEバイクを含む典型的な自転車のように、ユーザはペダルを操作して、クランクシャフトを回転させ、クランクシャフトは駆動チェーンを介してリアハブ4に駆動力を伝達する。リアハブ4が回転すると、リアハブ4に連結された車輪とタイヤも回転し、自転車を推進する。 Figure 1A shows a bicycle frame 2 with a rear hub 4, and Figure 1B shows another view of the rear hub 4 of the present disclosure. As with a typical bicycle, including an electric bicycle or e-bike, a user pedals to rotate a crankshaft, which transmits power to the rear hub 4 via a drive chain. As the rear hub 4 rotates, the wheel and tire connected to the rear hub 4 also rotate, propelling the bicycle.
図1Bに示されるように、リアハブ4はブレーキ軸6と反対側の駆動軸8とを備える。これらの軸6、8は、ナット等の締結具により自転車フレーム2の部分に固着される。駆動スプロケット10は駆動チェーンから動力を受け、駆動スプロケット10は変速機を介して動力を伝達してハウジング12を回転させ、自転車を推進する。ハウジング12は変速機の部品の少なくともいくつかを囲み、ハウジング12はハウジング12の周囲に配列された複数のスポーク孔14を有する。車輪のスポークはスポーク孔14を通って延びており、ハウジング12の回転が車輪と車輪に設けられたタイヤに伝達され、自転車を推進する。さらに、図1Bはブレーキディスク16を示しており、ブレーキ部品がこれに係合して、ハウジング12が自転車フレーム2に対して回転するのを停止させ、自転車を停止させる。線B-Bが図1Aに示される。 As shown in FIG. 1B, the rear hub 4 includes a brake shaft 6 and an opposing drive shaft 8. These shafts 6, 8 are secured to portions of the bicycle frame 2 with nuts or other fasteners. The drive sprocket 10 receives power from the drive chain, which transmits power through the derailleur to rotate the housing 12 and propel the bicycle. The housing 12 encloses at least some of the derailleur components and has a plurality of spoke holes 14 arranged around the periphery of the housing 12. The spokes of the wheel extend through the spoke holes 14, transmitting the rotation of the housing 12 to the wheel and its associated tire, propelling the bicycle. Additionally, FIG. 1B shows a brake disc 16, which engages a brake component to stop the housing 12 from rotating relative to the bicycle frame 2 and thus stopping the bicycle. Line B-B is shown in FIG. 1A.
図2は、図1AのB-B線に沿ったリアハブ4の断面底面図を示す。具体的には、図2は駆動スプロケット10からハウジング12に動力を伝達する変速機17の構成要素を示す。「変速機」という用語は「リアハブ」という用語と互換的に使用することができ、また動力を伝達するための「リアハブ」の構成要素を指すこともできる。ハウジング12は、相互に連結された第1の部分18aと第2の部分18bを備える。いくつかの実施形態では、ハウジング12は単一の連続構造であり、他の実施形態では、ハウジング12は互いに接合された3つ以上の部分を備える。少なくとも1つの締結具20がブレーキディスク16をハウジング12の第1の部分18aに接合し、ブレーキベアリング22がハウジング12をブレーキ軸6に対して回転させる。本明細書に記載されているように、ブレーキ軸6は自転車フレーム2に連結されており、自転車フレーム2は、ブレーキ要素がブレーキディスク16に係合するように搭載されたブレーキブラケット24を備えてもよい。 2 shows a cross-sectional bottom view of the rear hub 4 taken along line B-B in FIG. 1A. Specifically, FIG. 2 shows the components of the derailleur 17 that transfer power from the drive sprocket 10 to the housing 12. The term "derailleur" can be used interchangeably with the term "rear hub" and can also refer to the components of the "rear hub" that transfer power. The housing 12 includes a first portion 18a and a second portion 18b that are interconnected. In some embodiments, the housing 12 is a single, continuous structure, while in other embodiments, the housing 12 includes three or more portions joined together. At least one fastener 20 connects the brake disc 16 to the first portion 18a of the housing 12, and a brake bearing 22 allows the housing 12 to rotate relative to the brake shaft 6. As described herein, the brake shaft 6 is coupled to the bicycle frame 2, which may include a brake bracket 24 mounted with a brake element that engages the brake disc 16.
変速機17は、変速機17のギア比を選択的かつ無段階に変化させることができる電動モータ26を備える。電動モータ26はハウジング12内に配置され、マウント28に接続される。マウント28は、締結具30によってブレーキ軸6に固定される。ブレーキ軸6は開口部32を有し、そこからバッテリ等の外部電源からハウジング12内の空間に、また電動モータ26に電力が送られる。電動モータ26はブレーキ軸6に固定されているため、電動モータ26の多くの部品は自転車フレーム2に対して相対的に回転しない。電動モータ26は、DCモータ、ACモータ、サーボモータ、または電力を物理的な運動に変換するその他のモータであってもよい。 The transmission 17 includes an electric motor 26 that can selectively and infinitely change the gear ratio of the transmission 17. The electric motor 26 is disposed within the housing 12 and connected to a mount 28. The mount 28 is secured to the brake shaft 6 by a fastener 30. The brake shaft 6 has an opening 32 through which power can be transmitted from an external power source, such as a battery, to the space within the housing 12 and to the electric motor 26. Because the electric motor 26 is secured to the brake shaft 6, many parts of the electric motor 26 do not rotate relative to the bicycle frame 2. The electric motor 26 may be a DC motor, an AC motor, a servo motor, or any other motor that converts electric power into physical motion.
隔壁34はハウジング12内の空間を横切ってハウジング12を支持するとともに、電動モータ26の出力軸(図3の66)を支持する。具体的には、出力ベアリング36が隔壁34と電動モータ26の出力軸との間に配置され、出力軸が隔壁34に対して回転できるようにする。電動モータ26の出力軸が回転すると、出力軸は出力ピニオン38を回転させ、出力ピニオン38はギア歯を介して複数の内側遊星歯車40を駆動し、内側遊星歯車40はギア歯を介して太陽歯車42を駆動する。いくつかの実施形態では、内側遊星歯車40は、自転車フレーム2に対して回転しない駆動軸8のベアリング(図4の70)とピン(図4の72)を中心に回転する。さらに、いくつかの部品が太陽歯車42と相互作用して、変速機17を介して動力を伝達し、ギア比を連続的かつ無段階に可変にすることができる。駆動軸8の一端は、ワンウェイクラッチとして機能する爪システム(図4の75)を介して太陽歯車42内に配置され、係合している。具体的には、非対称の歯を持つラチェットホイール44が太陽歯車42の内面に接続されている。本明細書で説明するように、爪システムはラチェットホイール44の歯と係合する偏向歯を有し、太陽歯車42は駆動軸8に対して一方向のみに回転する。保持リング46は爪システムの部品を駆動軸8に保持する。 The bulkhead 34 supports the housing 12 across the space within the housing 12 and also supports the output shaft (66 in FIG. 3) of the electric motor 26. Specifically, an output bearing 36 is disposed between the bulkhead 34 and the output shaft of the electric motor 26, allowing the output shaft to rotate relative to the bulkhead 34. As the output shaft of the electric motor 26 rotates, the output shaft rotates an output pinion 38, which drives multiple internal planetary gears 40 via gear teeth, and the internal planetary gears 40 drive a sun gear 42 via gear teeth. In some embodiments, the internal planetary gears 40 rotate about a bearing (70 in FIG. 4) and pin (72 in FIG. 4) of the drive shaft 8, which does not rotate relative to the bicycle frame 2. Additionally, several components interact with the sun gear 42 to transmit power through the transmission 17 and enable continuous, infinitely variable gear ratios. One end of the drive shaft 8 is disposed within and engages the sun gear 42 via a pawl system (75 in FIG. 4) that functions as a one-way clutch. Specifically, a ratchet wheel 44 with asymmetrical teeth is connected to the inner surface of the sun gear 42. As described herein, a pawl system has deflecting teeth that engage with the teeth of the ratchet wheel 44, causing the sun gear 42 to rotate in only one direction relative to the drive shaft 8. A retaining ring 46 holds the pawl system components to the drive shaft 8.
次に、複数の外側遊星歯車48は太陽歯車42の周囲に配置され、歯車の歯を介して太陽歯車と係合する。各外側遊星歯車48は、ベアリング50と、キャリア58内に延びるピン52の周囲に回転可能である。ワッシャ54は、力を分散させ、部品を保持するために、キャリア58に近接した各ピン52の周囲に配置される。リングギア56は複数の外側遊星歯車48の周囲に配置され、歯車の歯を介して外側遊星歯車48と係合する。リングギア56は、ハウジング12の内面に接続されており、リングギア56に伝達される動力はハウジング12にも伝達され、自転車を推進する。キャリア58は、ワンウェイクラッチ(図6の80)またはフリーホイールを介して駆動スプロケット10から動力を受取り、駆動スプロケット10がキャリア58に対して一方向に回転した場合のみ、駆動スプロケット10はキャリア58に動力を伝達する。ワンウェイクラッチは、ユーザがペダルを前進方向に踏んだとき、駆動チェーン、ボトムブラケットのスプロケット、および駆動スプロケット10が動力を伝達することを可能にする。しかし、いくつかの既存の自転車のように、ワンウェイクラッチは、ユーザがペダルを後進方向に踏んだとき、動力伝達を阻止する。ワンウェイクラッチは任意的であり、ワンウェイクラッチがない実施形態では、ユーザは自転車の動きを反転させるためにペダルを逆方向に踏む必要があることが理解されるであろう。 A plurality of outer planetary gears 48 are then disposed around the sun gear 42 and engage with it via gear teeth. Each outer planetary gear 48 is rotatable around a bearing 50 and a pin 52 extending into a carrier 58. A washer 54 is disposed around each pin 52 adjacent to the carrier 58 to distribute forces and hold the components in place. A ring gear 56 is disposed around the plurality of outer planetary gears 48 and engages with them via gear teeth. The ring gear 56 is connected to the inner surface of the housing 12, so that power transmitted to the ring gear 56 is also transmitted to the housing 12, propelling the bicycle. The carrier 58 receives power from the drive sprocket 10 via a one-way clutch (80 in FIG. 6) or freewheel. The drive sprocket 10 transmits power to the carrier 58 only when the drive sprocket 10 rotates in one direction relative to the carrier 58. The one-way clutch allows the drive chain, bottom bracket sprocket, and drive sprocket 10 to transmit power when the user pedals in a forward direction. However, as with some existing bicycles, the one-way clutch prevents power transmission when the user pedals in a reverse direction. It will be understood that the one-way clutch is optional, and in embodiments without a one-way clutch, the user would need to pedal in the opposite direction to reverse the motion of the bicycle.
駆動軸ベアリング60は、キャリア58が駆動軸8に対して回転できるように、キャリア58と駆動軸8の間に配置される。太陽歯車ベアリング62は、キャリア58が太陽歯車42に対して回転できるように、キャリア58と太陽歯車42の間に配置される。キャリアベアリング64は、ハウジング12がキャリア58に対して、延いては駆動軸8に対して回転できるように、ハウジング12とキャリア58の間に配置される。 The drive shaft bearing 60 is disposed between the carrier 58 and the drive shaft 8 so that the carrier 58 can rotate relative to the drive shaft 8. The sun gear bearing 62 is disposed between the carrier 58 and the sun gear 42 so that the carrier 58 can rotate relative to the sun gear 42. The carrier bearing 64 is disposed between the housing 12 and the carrier 58 so that the housing 12 can rotate relative to the carrier 58, and therefore relative to the drive shaft 8.
図3~5は図2における種々の部品の分解図を示す。図3は電動モータ26および関連部品の分解斜視図である。締結具20はブレーキディスク16をハウジングの第1の部分18aに固定し、ナット68はブレーキ軸6を自転車または他の車両のフレームに固定する。ブレーキベアリング22はハウジングをブレーキ軸6に対して回転可能にする。電動モータ26はマウント28に固定され、マウント28は締結具30によりブレーキ軸6に固定される。電動モータ26は、電動モータ26が電力を供給されたときに回転する出力軸66を有する。隔壁34はハウジングを横切り、電動モータの出力軸66を支持する。出力ベアリング36は出力軸66を隔壁34に対して回転可能にする。 Figures 3-5 show exploded views of the various components in Figure 2. Figure 3 is an exploded perspective view of the electric motor 26 and related components. Fasteners 20 secure the brake disc 16 to the first portion 18a of the housing, and nuts 68 secure the brake shaft 6 to the frame of the bicycle or other vehicle. Brake bearings 22 allow the housing to rotate relative to the brake shaft 6. The electric motor 26 is secured to a mount 28, which is secured to the brake shaft 6 by fasteners 30. The electric motor 26 has an output shaft 66 that rotates when the electric motor 26 is powered. A bulkhead 34 traverses the housing and supports the electric motor output shaft 66. The output bearing 36 allows the output shaft 66 to rotate relative to the bulkhead 34.
図4は内側遊星歯車40および関連部品の分解斜視図を示す。本明細書に記載されているように、電動モータの出力軸は、出力軸に固定された出力ピニオン38を回転させる。出力ピニオン38は、内側遊星歯車装置(図7の85)の内側遊星歯車40の歯73を回転させる歯71を有する。内側遊星歯車40はピン72と駆動軸8内に延びるベアリング70との周りに回転する。駆動軸8は自転車に固定され、自転車フレーム(図1の2)に対して回転しない。駆動軸ベアリング60は外側遊星歯車装置(図7の87)のキャリアを駆動軸8に対して回転可能にする。さらに爪システム75の部品は太陽歯車の回転を一方向のみに制限する。この実施形態では、3つの爪74と各爪スプリング76が保持リング78により駆動軸8内に位置決めされる。爪74は、ラチェットホイールと太陽歯車が駆動軸8に対して一方向のみに回転できるように、ラチェットホイールに係合する。本開示は、他のタイプのワンウェイクラッチすなわち爪システム75、異なる数の爪74、爪スプリング以外の偏向部材、線形または非線形応答等を有するスプリング76を備えた実施形態を包含することが理解されるであろう。 FIG. 4 shows an exploded perspective view of the inner planetary gear 40 and associated components. As described herein, the output shaft of an electric motor rotates the output pinion 38, which is fixed to the output shaft. The output pinion 38 has teeth 71 that rotate teeth 73 on the inner planetary gear 40 of the inner planetary gear set (85 in FIG. 7). The inner planetary gear 40 rotates about a pin 72 and a bearing 70 that extends within the drive shaft 8. The drive shaft 8 is fixed to the bicycle and does not rotate relative to the bicycle frame (2 in FIG. 1). The drive shaft bearing 60 allows the carrier of the outer planetary gear set (87 in FIG. 7) to rotate relative to the drive shaft 8. Additionally, components of the pawl system 75 restrict rotation of the sun gear to only one direction. In this embodiment, three pawls 74 and respective pawl springs 76 are positioned within the drive shaft 8 by a retaining ring 78. The pawls 74 engage the ratchet wheel so that the ratchet wheel and sun gear can rotate in only one direction relative to the drive shaft 8. It will be understood that the present disclosure encompasses embodiments with other types of one-way clutch or pawl systems 75, different numbers of pawls 74, biasing members other than pawl springs, springs 76 having linear or non-linear responses, etc.
図5は外側遊星歯車48および関連部品の分解斜視図を示す。駆動スプロケット10はキャリア58を選択的に回転させ、キャリア58は複数の外側遊星歯車48を駆動する。外側遊星歯車48は、ベアリング50、ピン52、およびワッシャ54を介してキャリア58に回転可能に接続されている。太陽歯車42の外面は、外側遊星歯車48の歯79に対して回転させる歯77を有し、ラチェットホイール44は本明細書に記載されているように、太陽歯車42の内面に固定されている。いくつかの実施形態では、太陽歯車42とラチェットホイール44は単一構造である。外側遊星歯車48の歯79はリングギア56の歯81に対して回転させ、リングギア56はハウジングの第2の部分18bの内面に固定されている。太陽歯車ベアリング62はキャリア58を太陽歯車42に対して回転可能にし、キャリアベアリング64はハウジングをキャリア58と駆動軸に対して回転可能にする。 Figure 5 shows an exploded perspective view of the outer planetary gears 48 and associated components. The drive sprocket 10 selectively rotates the carrier 58, which in turn drives the multiple outer planetary gears 48. The outer planetary gears 48 are rotatably connected to the carrier 58 via bearings 50, pins 52, and washers 54. The outer surface of the sun gear 42 has teeth 77 that rotate relative to teeth 79 on the outer planetary gears 48, and the ratchet wheel 44 is fixed to the inner surface of the sun gear 42 as described herein. In some embodiments, the sun gear 42 and ratchet wheel 44 are of unitary construction. The teeth 79 on the outer planetary gears 48 rotate relative to teeth 81 on the ring gear 56, which is fixed to the inner surface of the second portion 18b of the housing. The sun gear bearings 62 allow the carrier 58 to rotate relative to the sun gear 42, and the carrier bearings 64 allow the housing to rotate relative to the carrier 58 and drive shaft.
種々のギア比が図3~5に示された部品から見られる。まず、外側遊星歯車装置(図7の87)から始め、太陽歯車42が第1の動作モードでは静止しているため、外側遊星歯車装置のギア比は次のように表される。
ここで、NRingはリングギア56の歯数、NSunは太陽歯車42の外面の歯数である。いくつかの実施形態では、リングギア56の歯数は約90~100、太陽歯車42の外面の歯数は約38~45である。したがって、太陽歯車42が固定された第1の動作モードにおける外側遊星歯車装置のギア比と全体伝達率は約1:1.3~1:1.6である。したがって、電動モータが太陽歯車42を介してリングギア56の出力トルクを増加させる第2の動作モードでは、駆動スプロケット10とリングギア56の間のギア比すなわち機械的利得は、例えば1:1または2:1またはそれ以上など、より大きな値に増加する。この第2の動作モードでは、外側遊星歯車装置のギア比は次のように表される。
内側遊星歯車装置(図7の85)の場合、内側遊星歯車は固定軸の周りに回転し、「キャリア」は実質的に静止しているので、内側遊星歯車のギア比は次のように表される。
ここで、NSIは太陽歯車42の内面の歯数、NOPは出力ピニオン38の歯数である。いくつかの実施形態では、太陽歯車の内面の歯数は約75~85、出力ピニオン38の歯数は約10~15である。したがって、内側遊星歯車装置のギア比は約-8.5:1~-5:1である。 where N SI is the number of teeth on the inner surface of the sun gear 42 and N OP is the number of teeth on the output pinion 38. In some embodiments, the number of teeth on the inner surface of the sun gear is approximately 75-85 and the number of teeth on the output pinion 38 is approximately 10-15. Thus, the gear ratio of the inner planetary gear set is approximately -8.5:1 to -5:1.
図6~8は、変速機17がギアの歯で効率的に動力を伝達し、また変速機17のギア比を連続的かつ無段階に変化させることを可能にする変速機17の構成要素の動作を示している。図6は、リアハブ4と変速機17の別の断面底面図であり、第1の動力入力82、第2の動力入力84、および動力出力86を示している。ハウジング12を回転させて自転車を推進するリングギア56の動力出力86は、駆動スプロケット10からの第1の動力入力82と電動モータ26からの第2の動力入力84の合計に等しい。これは次の式で表すことができる。
ここで、P0は出力動力、P1は駆動スプロケット10からの第1の入力動力、P2は電動モータ26からの第2の入力動力である。動力はトルクと角度の積であるため、上記式4は次のように書き換えることができる。
ここで、Tはトルク、ωは角速度である。これらのトルクと角速度は、変速機17の特定の部品によって発生する。具体的には、動力出力に関連する部品はリングギア56である。リングギア56はハウジング12と後輪およびタイヤを回転させるからである。第1の動力入力に関連する部品はキャリア58である。ユーザが駆動ロケット10とキャリア58に動力を供給するからである。第2の動力入力に関連する部品は太陽歯車42である。電動モータ26が太陽歯車42の動きに動力を供給するからである。したがって、上記式5は次のように書き換えることができる。
ここで、「Ring」はリングギア56、「Carrier」はキャリア58、「Sun」は太陽歯車42である。上記式6を、ハウジング12を回転させて自転車等の車両を推進する、リングギア56における出力トルクについて書き換えると、次の式が得られる。
リングギア56の出力トルクに関するこの式7を用いると、変速機17は一般的に2つの動作モードを有する。第1の動作モードでは、電動モータ26に電力が供給されず、したがって電動モータ26の出力軸は回転しない。この結果、内側遊星歯車装置40は回転せず、図8に関してここで説明したワンウェイクラッチにより太陽歯車42は回転しない。電動モータおよび太陽歯車42からの動力、トルク、および角速度がない場合、上記式7は次のように簡約される。
このように、駆動スプロケット10はキャリア58を回転させ、キャリア58は外側遊星歯車48を静止した太陽歯車42に対して駆動する。次に、外側遊星歯車48は、上記式8に従って出力トルクTringでリングギア56とハウジング12を回転させる。ギア比は、キャリア58の角速度をリングギア56の角速度で割ったものとして表すことができる。式1で示されるようにギア比が0.77の場合、式8は次のようになる。
この動作モードは、リングギア56での低トルクと高速度出力を表す。これは、走行中の車両や、車両を高速に到達させようとしているユーザに適している。 This operating mode represents a low torque and high speed output at the ring gear 56. This is suitable for a moving vehicle or for users attempting to reach high speeds.
第2の動作モードでは、電動モータ26は電力を供給され、出力軸を回転させて出力トルクTringを増加させる。これにより、内側遊星歯車40が回転し、太陽歯車42が回転する。太陽歯車42が動き、キャリア58が外側遊星歯車48を回転させると、外側遊星歯車48は静止した太陽歯車42ではなく、動いている太陽歯車42を押し出す。式7によれば、結果として出力トルクTringが増加する。電動モータ26が出力軸を回転させると、リングギア56においてトルクが増加するとともに回転数が低くなる。これは、停止中または低速運転中の車両に適している。電動モータ26は太陽歯車42の角速度を静止から高角速度まで連続的に変化させることができるため、キャリア58と太陽歯車42の間の相対速度は連続的に変化し、ギア比は出力トルクTringを増加させるために連続的かつ無段階に変換する。ワンウェイクラッチ80またはフリーホイールは任意的であり、ワンウェイクラッチ80のない実施形態では、ユーザは逆方向にペダルを踏んで自転車の移動を反転させることができる。 In the second operating mode, the electric motor 26 is powered, rotating the output shaft to increase the output torque Tring . This rotates the inner planetary gear 40, which in turn rotates the sun gear 42. As the sun gear 42 moves and the carrier 58 rotates the outer planetary gear 48, the outer planetary gear 48 pushes the moving sun gear 42, rather than the stationary sun gear 42. According to Equation 7, the resulting increase in output torque Tring results. As the electric motor 26 rotates the output shaft, torque increases and the RPMs decrease at the ring gear 56. This is appropriate for a stationary or slow-moving vehicle. Because the electric motor 26 can continuously change the angular velocity of the sun gear 42 from stationary to high angular velocities, the relative speed between the carrier 58 and the sun gear 42 changes continuously, and the gear ratio changes continuously and infinitely to increase the output torque Tring . The one-way clutch 80 or freewheel is optional; in embodiments without the one-way clutch 80, the user can reverse the bicycle's motion by pedaling in the opposite direction.
上記式により、変速機17の動作はトルクで表すことができる。例えば、第1のモードでは、ユーザはキャリア58に入力トルクを供給し、リングギア56に第1の出力トルクを発生させる。次に、電動モータ26が太陽歯車42を回転させる第2のモードでは、ユーザはキャリア58に同じ入力トルクを供給する。これは、変速機17のリングギア56とキャリア58の間の連続的かつ無段階に変化するギア比によって、リングギア56に第1入力トルクよりも大きな第2出力トルクを発生させる。同様に、変速機17の動作は、リングギア56における出力トルクがキャリア58におけるユーザからの第1入力トルクと、太陽歯車42における電動モータ26からの第2入力トルクとに比例するという観点から説明することができる。電動モータ26は第2入力トルクを連続的かつ無段階に変化させることができるため、出力トルクと第1入力トルクの間のギア比は連続的かつ無段階に変化する。図6は切断線C-CとD-Dを示す。 Using the above equation, the operation of the transmission 17 can be expressed in terms of torque. For example, in a first mode, the user supplies an input torque to the carrier 58, generating a first output torque at the ring gear 56. Then, in a second mode, in which the electric motor 26 rotates the sun gear 42, the user supplies the same input torque to the carrier 58. This causes the ring gear 56 to generate a second output torque greater than the first input torque, due to the continuously and infinitely variable gear ratio between the ring gear 56 and the carrier 58 of the transmission 17. Similarly, the operation of the transmission 17 can be described in terms of the output torque at the ring gear 56 being proportional to the first input torque from the user at the carrier 58 and the second input torque from the electric motor 26 at the sun gear 42. Because the electric motor 26 can continuously and infinitely vary the second input torque, the gear ratio between the output torque and the first input torque changes continuously and infinitely. Figure 6 shows the cut lines C-C and D-D.
図7は、図6のC-C線に沿った変速機17の部品の断面立面図である。この図から、異なる動作モードにおける部品の動きがわかる。第1のモードでは、内側遊星歯車装置85は回転しない。具体的には、電動モータは電力を受取らず、出力軸66は回転せず、出力軸66に接続された出力ピニオン38は回転せず、出力ピニオン38に係合する内側遊星歯車40は回転せず、したがって太陽歯車42は回転しない。ユーザがペダルを踏んで駆動チェーンと駆動スプロケットを回すと、外側遊星歯車装置87が回転する。具体的には、キャリア58が反時計回りに回転して外側遊星歯車48を回転させ、外側遊星歯車48は静止した太陽歯車42を押し出す。ワンウェイクラッチとして機能する爪システム(図8の75)により、太陽歯車42は時計回りに回転せず、静止した状態を維持する。外側遊星歯車48はそれぞれのピンを中心に反時計回りに回転し、これによりリングギア56とハウジング12は反時計回りに回転して自転車を推進する。リングギア56の出力トルクは式8に従って求められる。 7 is a cross-sectional elevation view of components of the transmission 17 taken along line CC in FIG. 6. This view illustrates the movement of components in different operating modes. In the first mode, the inner planetary gear set 85 does not rotate. Specifically, the electric motor receives no power, the output shaft 66 does not rotate, the output pinion 38 connected to the output shaft 66 does not rotate, the inner planetary gear 40 engaged with the output pinion 38 does not rotate, and therefore the sun gear 42 does not rotate. When the user pedals, turning the drive chain and drive sprocket, the outer planetary gear set 87 rotates. Specifically, the carrier 58 rotates counterclockwise, rotating the outer planetary gear 48, which in turn pushes against the stationary sun gear 42. The pawl system (75 in FIG. 8), which functions as a one-way clutch, prevents the sun gear 42 from rotating clockwise and remains stationary. The outer planetary gears 48 rotate counterclockwise about their respective pins, which causes the ring gear 56 and housing 12 to rotate counterclockwise, propelling the bicycle. The output torque of the ring gear 56 is determined according to Equation 8.
第2のモードでは、電動モータは電力を受取り、出力軸66は時計回りに回転する。これにより、出力ピニオン38も時計回りに回転し、内側遊星歯車40は反時計回りに回転する。内側遊星歯車40の歯(図4の73)は、太陽歯車42の内面にある歯83を回転させ、これにより、太陽歯車42が反時計回り方向、すなわち図8に示される爪システムによって許容される方向に回転する。前述したように、太陽歯車42の動きは出力トルクTringを増加させる。電動モータは出力軸66の角速度を連続的に変化させることができ、したがってギア比を連続的かつ無段階に変化させて変速機17の出力トルクTringを増加させる。 In the second mode, the electric motor receives power and the output shaft 66 rotates clockwise. This causes the output pinion 38 to also rotate clockwise and the inner planetary gear 40 to rotate counterclockwise. The teeth (73 in FIG. 4) on the inner planetary gear 40 rotate the teeth 83 on the inner surface of the sun gear 42, which causes the sun gear 42 to rotate counterclockwise, i.e., in the direction permitted by the pawl system shown in FIG. 8. As previously described, the movement of the sun gear 42 increases the output torque Tring . The electric motor can continuously change the angular velocity of the output shaft 66, thus continuously and infinitely varying the gear ratio and increasing the output torque Tring of the transmission 17.
本開示は、電動モータが出力軸66をどちらの方向にも回転させ、出力トルクTringを増加または減少させることができる変速機17の実施形態を包含することが理解されるであろう。出力トルクTringの減少は、出力角速度ωringの増加をもたらし、これは、すでに走行中の自転車または車両にとってより適している。 It will be appreciated that the present disclosure encompasses embodiments of transmission 17 in which the electric motor can rotate output shaft 66 in either direction to increase or decrease output torque Tring . A decrease in output torque Tring results in an increase in output angular velocity ωring , which is more suitable for a bicycle or vehicle already in motion.
さらに、本開示は、静止した太陽歯車42がリングギア56において高いトルクかつ低速出力を発揮する、第1の動作モードにおける変速機17の実施形態を包含することが理解されるであろう。爪システムの反転と電動モータの出力軸の回転の反転により、電動モータによって引き起こされる太陽歯車42の動きは、ギア比を連続的かつ無段階に変化させ、トルクを低下させ、リングギア56の角速度出力を増加させる。 It will further be appreciated that the present disclosure encompasses embodiments of the transmission 17 in a first operating mode in which the stationary sun gear 42 exerts a high torque, low speed output on the ring gear 56. By reversing the pawl system and reversing the rotation of the electric motor output shaft, the movement of the sun gear 42 caused by the electric motor continuously and infinitely changes the gear ratio, reducing torque and increasing the angular velocity output of the ring gear 56.
図8は、図6のD-D線に沿うワンウェイクラッチとして機能する爪システム75の断面立面図を示す。爪システム75は、太陽歯車42の回転を駆動軸8に対して一方向のみに制限する。本明細書に記載されるように、ラチェットホイール44は爪システム75の一部として記載され、太陽歯車42の内面に接続される。ラチェットホイール44は、ラチェットホイール44の内面に、内側に延びる歯を有し、これらの歯は非対称で、一方の歯が他方の歯よりも長くなっている。図8に示されるように、歯の反時計回り側88は歯の時計回り側90の歯より長くなっており、これにより、歯の時計回り側90は、ラチェットホイール44の内面に対して、反時計回り側88よりも大きな角度を形成する。 Figure 8 shows a cross-sectional elevation view of the pawl system 75, which functions as a one-way clutch, taken along line D-D in Figure 6. The pawl system 75 restricts rotation of the sun gear 42 to only one direction relative to the drive shaft 8. As described herein, the ratchet wheel 44 is described as part of the pawl system 75 and is connected to the inner surface of the sun gear 42. The ratchet wheel 44 has inwardly extending teeth on the inner surface of the ratchet wheel 44 that are asymmetrical, with one tooth being longer than the other. As shown in Figure 8, the counterclockwise side 88 of the teeth is longer than the teeth on the clockwise side 90 of the teeth, such that the clockwise side 90 of the teeth forms a larger angle with respect to the inner surface of the ratchet wheel 44 than the counterclockwise side 88.
爪システム75の一部は、駆動軸8の外面に配置され、ラチェットホイール44と係合する。爪システム75は、バネ等の付勢部材76によって付勢された少なくとも1つの爪74を備える。具体的には、爪74はラチェットホイール44の歯に対して外側に付勢されており、爪の先端がラチェットホイール44の歯の反時計回り側88および時計回り側90と相互作用する。第1のモードでは、力は太陽歯車42を時計回りに回そうとする。しかし、歯の非対称性により、爪74の先端が歯の時計回り側90に引っ掛かり、太陽歯車42が時計回り方向に回転するのを阻止する。第2のモードでは、力によって太陽歯車42が反時計回り方向に回転する。この場合、爪74の先端は、隣接する歯の反時計回り側88の外面に沿って引きずられ、次に、別の隣接する歯などに沿って引きずられ、太陽歯車42が反時計回り方向に回転することを可能にする。 A portion of the pawl system 75 is disposed on the outer surface of the drive shaft 8 and engages the ratchet wheel 44. The pawl system 75 includes at least one pawl 74 biased by a biasing member 76, such as a spring. Specifically, the pawl 74 is biased outward against the teeth of the ratchet wheel 44, with the tip of the pawl interacting with the counterclockwise side 88 and the clockwise side 90 of the teeth of the ratchet wheel 44. In a first mode, the force attempts to rotate the sun gear 42 clockwise. However, due to the asymmetry of the teeth, the tip of the pawl 74 catches on the clockwise side 90 of the tooth, preventing the sun gear 42 from rotating in the clockwise direction. In a second mode, the force causes the sun gear 42 to rotate counterclockwise. In this case, the tip of the pawl 74 drags along the outer surface of the counterclockwise side 88 of an adjacent tooth, then along another adjacent tooth, and so on, allowing the sun gear 42 to rotate in the counterclockwise direction.
図9は、変速機が変速機の変速比をいつどのように変えるかを制御するコントローラ94と関連要素の概略図を示している。コントローラ94は、少なくとも1つの入力装置92と通信して入力信号を受信し、またコントローラ94はバッテリ96および電動モータ26と通信して、バッテリ96が電動モータ26に電力をいつどのように供給するかを制御する。通信は、ブレーキ軸の開口部(図2の32)を通って延びるワイヤを含む、図9に示されるような有線接続を介して行われ、バッテリ96から電動モータ26へ電力が供給されるが、本開示は、無線通信プロトコルや電磁誘導などの他の形態の信号および電力の送信を包含することが理解されるであろう。 Figure 9 shows a schematic diagram of a controller 94 and related elements that control how and when the transmission changes gear ratios. The controller 94 communicates with at least one input device 92 to receive input signals, and the controller 94 also communicates with a battery 96 and the electric motor 26 to control how and when the battery 96 provides power to the electric motor 26. Communication is via a wired connection as shown in Figure 9, including a wire extending through an opening in the brake shaft (32 in Figure 2) to provide power from the battery 96 to the electric motor 26, although it will be understood that the present disclosure encompasses other forms of signal and power transmission, such as wireless communication protocols and electromagnetic induction.
入力装置92は、ユーザ入力用のための、ボタン、ダイヤル、タッチスクリーン等のセンサを含む。例えば、1つの入力装置92は、外側遊星歯車装置のキャリア等の部品の角速度を検出するセンサである。入力装置92は、入力信号をコントローラ94に送信する。種々の部品の速度データは、トルクセンサ、ホールセンサ、加速度センサ等の入力装置92から得ることもできる。ある状況では、入力装置92は、キャリアの角速度ひいては駆動スプロケットの角速度を示す入力信号をコントローラ94に送信する。角速度が比較的遅く、所定の閾値を下回る場合、コントローラ94はユーザがアシストを必要としていると判断し、コントローラ94はバッテリ96が電動モータ26に電力を伝送してギア比を変更し、リングベアリングとハウジングにおける変速機の出力トルクを増加させる。 The input devices 92 include sensors such as buttons, dials, and touchscreens for user input. For example, one input device 92 is a sensor that detects the angular velocity of a component, such as the carrier of the outer planetary gear set. The input device 92 sends an input signal to the controller 94. Speed data for various components can also be obtained from input devices 92 such as torque sensors, Hall sensors, and acceleration sensors. In some situations, the input device 92 sends an input signal to the controller 94 indicative of the angular velocity of the carrier and, therefore, the angular velocity of the drive sprocket. If the angular velocity is relatively slow and below a predetermined threshold, the controller 94 determines that the user requires assistance, and the controller 94 causes the battery 96 to transmit power to the electric motor 26 to change the gear ratio and increase the transmission output torque at the ring bearing and housing.
入力装置92は、ユーザ入力用のための、ボタン、ダイヤル、タッチスクリーン等を含む。ユーザは入力装置92を操作して、例えばペダルアシストレベルを1~10の間で設定することができる。ここで、1は低い出力トルクを表し、10は高いトルクを表し、自転車の初期推進力を補助する。入力装置92は入力信号をコントローラ94に送信する。コントローラ94はペダルアシストレベルに関する情報を多くの方法で適用できる。ペダルアシストレベルに基づいて、コントローラ94はキャリアおよび駆動スプロケットの角速度に対する上述した所定の閾値を変更できる。したがって、ペダルアシストレベル10は、ユーザがより多くの支援とより大きな出力トルクを望んでいることを意味し、コントローラ94は、変速機のギア比を変更し、ペダルアシストレベル1と比較して、キャリアと駆動スプロケットのより高い角速度の閾値でより高いトルクを出力する(つまり、角速度が少しでも低下すると、変速機はより高いトルクを出力する)。これはユーザへの支援が少なく、ギア比が異なり、出力トルクが低いことを意味する。別の状況では、ペダルアシストレベルに基づいて、コントローラ94は、キャリアと駆動スプロケットの角速度の閾値を変更するのではなく、バッテリ96から電動モータ26に伝達される電力のアンペア数を変更する。いくつかの実施形態では、コントローラ94はアンペア数と閾値を変更する。したがって、これらの条件に基づいて、コントローラ94は、「いつ」電動モータ26へ伝送される電力を許可し、また、例えば一定または変化するアンペア数で「どのようにして」を伝送されるかを決定する。 The input device 92 may include buttons, dials, a touchscreen, or the like for user input. The user may operate the input device 92 to, for example, set a pedal assist level between 1 and 10, where 1 represents low output torque and 10 represents high torque, assisting the initial propulsion of the bicycle. The input device 92 sends an input signal to the controller 94. The controller 94 may apply information about the pedal assist level in a number of ways. Based on the pedal assist level, the controller 94 may change the predetermined thresholds for the angular velocity of the carrier and drive sprocket, as described above. Thus, a pedal assist level of 10 indicates that the user desires more assistance and greater output torque, and the controller 94 may change the gear ratio of the derailleur to output higher torque at higher angular velocity thresholds of the carrier and drive sprocket compared to pedal assist level 1 (i.e., a slight decrease in angular velocity causes the derailleur to output higher torque). This means less assistance to the user, a different gear ratio, and lower output torque. In other situations, based on the pedal assist level, the controller 94 varies the amperage of power transferred from the battery 96 to the electric motor 26, rather than varying the threshold angular velocity of the carrier and drive sprocket. In some embodiments, the controller 94 varies the amperage and the threshold. Thus, based on these conditions, the controller 94 determines "when" to allow power to be transferred to the electric motor 26 and "how" to transfer it, e.g., at a constant or varying amperage.
コントローラ94と関連要素の作用により、コントローラ94は多くの異なるモードで作動することができる。あるモードでは、ユーザは手動でリングギアとキャリアの間の速度比を選択する。この速度比は次のように表される。
ここでωRingはリングギアの角速度、ωCarrierは外側遊星歯車装置のキャリアの角速度である。いくつかの実施形態では、ユーザは約0.67~1.5の速度比iを選択できる。太陽歯車の角速度ωSunは次のように表される。
ここで、NSunは太陽歯車の歯数、NRingはリングギアの歯数である。各歯数はコントローラ94に認識されており、入力装置92はキャリアの角速度ωCarrierを検出する。これにより、太陽歯車の角速度ωSunと全体の速度比iが得られる。したがって、コントローラはバッテリ96から電動モータ26に電力を供給し、ユーザが設定した速度比iに一致する太陽歯車の角速度ωSunを生成する。 Here, N Sun is the number of teeth on the sun gear, and N Ring is the number of teeth on the ring gear. Each tooth number is recognized by the controller 94, and the input device 92 detects the carrier angular velocity ω Carrier . This provides the sun gear angular velocity ω Sun and the overall speed ratio i. Therefore, the controller supplies power from the battery 96 to the electric motor 26 to generate the sun gear angular velocity ω Sun that matches the speed ratio i set by the user.
他のモードでは、ユーザは手動で希望するペダルの回転数を選択し、これはキャリアの角速度ωCarrierを決定する。したがって、コントローラ94はユーザが自然に希望の回転数でペダルを踏むように、太陽歯車の速度比iと角速度ωSunを変化させる。入力装置92によって回転数が遅すぎると検出された場合、コントローラ94は目標回転数が達成されるまで速度比iを下げる。逆に、入力装置92によって回転数が速すぎると検出された場合、コントローラ94は目標回転数が達成されるまで速度比iを上げる。 In another mode, the user manually selects the desired pedal rotation speed, which determines the carrier angular velocity ω Carrier . Accordingly, the controller 94 varies the sun gear speed ratio i and angular velocity ω Sun so that the user naturally pedals at the desired rotation speed. If the input device 92 detects that the rotation speed is too slow, the controller 94 decreases the speed ratio i until the target rotation speed is achieved. Conversely, if the input device 92 detects that the rotation speed is too fast, the controller 94 increases the speed ratio i until the target rotation speed is achieved.
さらに別のモードでは、式11の変数はコントローラ94によって変化し、バッテリ96から電動モータ26に伝達される電力の量を最小にし、それでもユーザに少なくともある程度のギア比および/または速度比の可変性を提供する。 In yet another mode, the variables in Equation 11 are varied by the controller 94 to minimize the amount of power transferred from the battery 96 to the electric motor 26 while still providing the user with at least some gear ratio and/or speed ratio variability.
さらに、いくつかの実施形態では、1つの入力装置92は、自転車のサドルに座っているユーザを検出するセンサである。入力装置92からの読み取り値に基づいて、コントローラは電動モータに、変速機のギア比またはキャリアとリング間のギア比を変化させることができる。 Furthermore, in some embodiments, one input device 92 is a sensor that detects the user sitting on the bicycle saddle. Based on the readings from the input device 92, the controller can cause the electric motor to change the gear ratio of the transmission or the gear ratio between the carrier and the ring.
本発明の種々の形態が詳細に説明されたが、これらの実施形態の修正と変更が当業者によってなされることは自明である。しかし、そのような修正と変更は、下記の請求の範囲に記載されているように、本発明の精神と範囲内であることが理解されるべきである。さらに、本明細書に記載された発明は、他の実施形態やさまざまな方法で実施することができる。本明細書で使用されている表現および用語は説明のみを目的としており、限定的なものと見做されないことを理解すべきである。 While various aspects of the present invention have been described in detail, it will be apparent that modifications and variations of these embodiments will occur to those skilled in the art. However, it is to be understood that such modifications and variations are within the spirit and scope of the present invention, as set forth in the following claims. Furthermore, the invention described herein may be practiced in other embodiments and in various ways. It should be understood that the phraseology and terminology used herein are for the purpose of description only and should not be regarded as limiting.
Claims (20)
前記キャリアに回転可能に係合する複数の外側遊星歯車と、
前記複数の外側遊星歯車内に配置されて係合する太陽歯車とを備え、前記太陽歯車は選択的に回転可能であり、
前記複数の外側遊星歯車の周囲に配置されて係合するリングギアを備え、
前記入力トルクによる第1のモードでは、前記太陽歯車は静止しており、前記キャリアと前記複数の外側遊星歯車は、第1の出力トルクで前記リングギアを駆動するよう構成されており、
前記入力トルクによる第2のモードでは、前記太陽歯車は前記キャリアと同じ方向に回転し、前記キャリアと前記複数の外側遊星歯車は、前記第1の出力トルクよりも大きい第2の出力トルクで前記リングギアを駆動するように構成される
車両用無段変速機。 a carrier configured to receive an input torque;
a plurality of outer planetary gears rotatably engaged with the carrier;
a sun gear disposed within and engaging the plurality of outer planetary gears, the sun gear being selectively rotatable;
a ring gear disposed around and engaging the plurality of outer planetary gears;
In a first mode with the input torque, the sun gear is stationary, and the carrier and the plurality of outer planetary gears are configured to drive the ring gear with a first output torque;
In a second mode driven by the input torque, the sun gear rotates in the same direction as the carrier, and the carrier and the plurality of outer planetary gears are configured to drive the ring gear with a second output torque greater than the first output torque.
前記電動モータの出力ピニオンは、前記複数の内側遊星歯車内に配置されて係合し、前記電動モータからのモータトルクを前記太陽歯車に伝達して前記太陽歯車を選択的に回転させる
請求項2に記載の無段変速機。 a plurality of internal planetary gears disposed within and engaging the sun gear;
3. The continuously variable transmission according to claim 2, wherein an output pinion of the electric motor is disposed within and engages the plurality of inner planetary gears to transmit motor torque from the electric motor to the sun gear and selectively rotate the sun gear.
前記ラチェットホイール内に配置された駆動軸と、
前記駆動軸に配置された偏向爪とをさらに備え、前記偏向爪は、前記太陽歯車が前記駆動軸に対して一方向のみに回転するように、前記ラチェットホイールに選択的に係合するように構成される
請求項1に記載の無段変速機。 a ratchet wheel connected to the inner surface of the sun gear;
a drive shaft disposed within the ratchet wheel;
2. The continuously variable transmission of claim 1, further comprising a deflection pawl disposed on the drive shaft, the deflection pawl configured to selectively engage the ratchet wheel so that the sun gear rotates in only one direction relative to the drive shaft.
請求項1に記載の無段変速機。 The continuously variable transmission according to claim 1 , further comprising a drive sprocket that engages with the carrier via a one-way clutch, wherein the drive sprocket transmits the input torque to the carrier when rotating in only one direction relative to the carrier.
請求項1に記載の無段変速機。 2. The continuously variable transmission according to claim 1, further comprising a housing in which the sun gear, the plurality of outer planetary gears, and the carrier are at least partially disposed, the ring gear being connected to an inner surface of the housing such that the housing receives the first output torque and the second output torque.
請求項6に記載の無段変速機。 7. The continuously variable transmission of claim 6, wherein the housing is configured to receive at least one spoke of a wheel, such that rotation of the housing rotates the wheel.
前記リングギア内に配置されて係合する複数の外側遊星歯車とを備え、前記複数の外側遊星歯車は第1の入力トルクを受けるように構成され、
前記複数の外側遊星歯車内に配置されて係合する太陽歯車と、
前記太陽歯車に係合し、第2の入力トルクで前記太陽歯車を選択的に回転させる電動モータとを備え、前記出力トルクは前記第1の入力トルクと前記第2の入力トルクに比例し、前記電動モータは前記第2の入力トルクを連続的に変化させて、前記出力トルクと前記第1の入力トルクの間のギア比を連続的に変化させるように構成される
車両用無段変速機。 a ring gear configured to receive the output torque;
a plurality of outer planetary gears disposed within and engaging the ring gear, the plurality of outer planetary gears configured to receive a first input torque;
a sun gear disposed within and engaging the plurality of outer planetary gears;
an electric motor engaged with the sun gear and selectively rotating the sun gear with a second input torque, wherein the output torque is proportional to the first input torque and the second input torque, and the electric motor is configured to continuously change the second input torque to continuously change the gear ratio between the output torque and the first input torque.
請求項8に記載の無段変速機。 9. The continuously variable transmission of claim 8, further comprising a carrier connected to the plurality of outer planetary gears, the carrier configured to receive the first input torque and to transmit the first input torque to the plurality of outer planetary gears.
請求項9に記載の無段変速機。 10. The continuously variable transmission of claim 9, further comprising a shaft, wherein the sun gear engages the shaft via a one-way clutch such that the sun gear rotates in only one direction relative to the shaft.
請求項9に記載の無段変速機。 10. The continuously variable transmission according to claim 9, further comprising a drive sprocket that engages with the carrier via a one-way clutch, the drive sprocket transmitting the first input torque to the carrier only when the drive sprocket rotates in one direction relative to the carrier.
請求項8に記載の無段変速機。 9. The continuously variable transmission of claim 8, further comprising a controller in communication with the electric motor, the controller configured to receive an input signal, and the controller configured to cause the electric motor to rotate the sun gear based on the input signal.
請求項12に記載の無段変速機。 The continuously variable transmission of claim 12 , further comprising an input device in communication with the controller, the input device configured to transmit the input signal to the controller based on the input signal.
請求項12に記載の無段変速機。 The continuously variable transmission of claim 12 , further comprising a battery in communication with the controller, the controller configured to cause the battery to transfer power to the electric motor.
前記第1の軸に固定され、前記第1の軸の前記開口部を介して電力を受けるように構成された電動モータを備え、
リングギアを有する太陽歯車と、前記リングギア内に配置されて係合する複数の外側遊星歯車と、前記複数の外側遊星歯車内に配置されて係合する太陽歯車とを備え、前記太陽歯車は、前記太陽歯車が前記第2の軸に対して一方向のみに回転するように、ワンウェイクラッチを介して前記第2の軸に係合し、前記電動モータは、変化する角速度で前記第2の軸に対して前記太陽歯車を一方向に回転させ、前記リングギアと前記複数の外側遊星歯車に接続されたキャリアとの間のギア比を変化させるように構成される
車両用無段変速機。 a first shaft and a second shaft configured to be secured to a vehicle, the first shaft having an opening;
an electric motor fixed to the first shaft and configured to receive power through the opening in the first shaft;
a sun gear having a ring gear, a plurality of outer planetary gears disposed within and engaging the ring gear, and a sun gear disposed within and engaging the plurality of outer planetary gears, wherein the sun gear engages with the second shaft via a one-way clutch such that the sun gear rotates in only one direction relative to the second shaft, and the electric motor is configured to rotate the sun gear in one direction relative to the second shaft at a varying angular velocity and change the gear ratio between the ring gear and a carrier connected to the plurality of outer planetary gears.
請求項15に記載の無段変速機。 16. The continuously variable transmission according to claim 15, further comprising a plurality of inner planetary gears rotatably connected to the second shaft, the plurality of inner planetary gears being disposed within the sun gear and engaging with the sun gear, and an output pinion of the electric motor being disposed within the plurality of inner planetary gears and engaging with the plurality of inner planetary gears to rotate the plurality of inner planetary gears and the sun gear.
請求項16に記載の無段変速機。 17. The continuously variable transmission according to claim 16, wherein the output pinion is connected to an output shaft of the electric motor, and a bearing disposed within a partition wall of a housing supports the output shaft of the electric motor.
請求項16に記載の無段変速機。 17. The continuously variable transmission of claim 16, wherein the plurality of outer planetary gears comprises four outer planetary gears and the plurality of inner planetary gears comprises three inner planetary gears.
請求項15に記載の無段変速機。 16. The continuously variable transmission of claim 15, further comprising a housing at least partially enclosing the electric motor and the planetary gear set, wherein a first bearing is disposed between the housing and the first shaft such that the housing can rotate about the first shaft, and a second bearing is disposed between the housing and the carrier such that the housing can rotate about the carrier.
請求項15に記載の無段変速機。 16. The continuously variable transmission of claim 15, further comprising a controller in communication with the electric motor, the controller configured to receive an input signal, the controller configured to cause the electric motor to rotate the sun gear based on the input signal.
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