JP3682957B2 - 自転車用ハブブレーキ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブレーキ装置、特に、自転車の車輪のハブを制動する自転車用ハブブレーキ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自転車用ブレーキ装置には、車輪のリムを制動する、たとえばカンチレバーブレーキやキャリパブレーキなどのリムブレーキ装置と、車輪のハブを制動する、たとえばドラムブレーキやバンドブレーキやローラブレーキなどのハブブレーキ装置とがある。
【０００３】
ハブブレーキ装置は、車輪のハブを制動するためにリムの変形にかかわらず制動できる。この種のハブブレーキ装置のドラムブレーキとローラブレーキは、それぞれ車輪のハブと一体回転する筒状のブレーキドラムの内周面にブレーキシューを接触させて摩擦により制動する。また、バンドブレーキはドラムの外周面にブレーキベルトを接触させて摩擦により制動する。さらにローラブレーキでは、周方向に間隔を隔てて配置されたローラをカムにより径方向外方に移動させてブレーキシューを移動させている。このため、内部にグリースが注入されており、ローラの移動がスムーズである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来のハブブレーキ装置では、ブレーキシューとブレーキドラム又はブレーキバンドとブレーキドラムとの接触面が平坦である。このため、摩擦面の面積が限定され、摩擦面での単位面積当たりの発熱量が大きくなり、ブレーキ温度が高くなりやすい。ハブブレーキ装置では、ブレーキ温度が高くなるとブレーキドラムとの接触面での摩擦力が急激に小さくなり、制動力が変動するおそれがある。また、ローラブレーキのようにグリースを使用している場合には、ブレーキ温度が高くなるとグリースの蒸発によっても制動力が変動するおそれがある。
【０００５】
また、制動トルクの大きさがブレーキドラムのサイズ（直径）により影響されるので、大きな制動トルクを得ようとするとブレーキドラムのサイズを大きくしなければならず、コンパクトなブレーキ装置を得にくい。
【０００６】
本発明の課題は、自転車用ハブブレーキ装置において、ブレーキ温度の上昇による制動力の変動を抑えることにある。
【０００７】
本発明の別の課題は、自転車用ハブブレーキ装置において、コンパクトなサイズで大きな制動トルクを得ることができるようにすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
発明１に係る自転車用ハブブレーキ装置は、自転車のフレームに装着される車輪のハブを制動する装置であって、固定フレームと、ブレーキドラムと、ブレーキシューと、ブレーキ操作部とを備えている。固定フレームは、フレームに回転不能に装着されている。ブレーキドラムは、ハブと一体回転可能であり、内周面に断面が径方向外方にいくにつれて幅が狭くなる等脚台形状に凹んで形成された制動面を有し、制動面の中央部が環状に凹んだ円筒状のものである。ブレーキシューは、ブレーキドラムの制動面に接触可能に凸に突出した接触面を有し、接触面の中央部にばね部材が装着される環状溝が形成され、固定フレームに対して実質的に回転不能であり、ブレーキドラムに制動作用するものである。ブレーキ操作部は、固定フレームに移動自在に設けられ、ブレーキシューをブレーキドラム側に圧接操作するものである。また、制動面の両辺が交差する角度は、１５度から１５０度の範囲であり、接触面の両辺が交差する角度は、制動面の交差角度より大きい、
このハブブレーキ装置では、ブレーキ操作部によりブレーキシューがブレーキドラム側に圧接操作されると、ブレーキシューの等脚台形状に凸に突出して形成された接触面がブレーキドラムの内周面の径方向外方にいくにつれて幅が狭くなる等脚台形状に凹んで形成された制動面に接触して摩擦力により車輪のハブが制動される。このとき、制動面及び接触面が平坦ではなく等脚台形状に形成されているので、平坦な場合に比べて摩擦面積が大きくなる。このため、摩擦面での単位面積当たりの発熱量を小さく抑えることができ、ブレーキ温度が高くなりにくくなる。したがって、ブレーキ温度の上昇による制動力の変動を抑えることができる。
【０００９】
また、ブレーキドラムの制動面にブレーキシューの接触面を凸に角度を持たせて接触させることにより、くさび作用によって制動面と接触面との接触圧力が高くなり、摩擦力を従来のものより増大させることができる。これによりコンパクトなサイズで大きな制動トルクを得ることができる。さらに、角度を変更することにより摩擦力の増大量を制御することができ、用途等に合わせて装置の最大制動力を設定できる。また、１５度未満であると、ブレーキシューがブレーキドラムから抜けにくくなる。１５０度を超えると面積の増加割合があまり生じなくなり、発熱量の減少効果が得られにくくなる。さらにまた、接触面の両辺が交差する角度が制動面の交差角度より大きいと、くさび作用が顕著になる。
【００１０】
発明２に係る自転車用ハブブレーキ装置は、発明１に記載の装置において、両辺が交差する角度は実質的に９０度である。この場合には、角度が小さい方がくさび作用により制動力は高くなるが、加工を行いにくくなる。しかし、角度が実質的に９０度であると、機械加工を簡単に行うことができる。
【００１１】
発明３に係る自転車用ハブブレーキ装置は、発明１又は２に記載の装置において、ブレーキドラムの外周側に熱的に結合された冷却フィンをさらに備える。この場合には、ブレーキドラムの発熱が抑えられるので、ブレーキ温度の上昇による制動力の変動をさらに抑えることができる。
【００１２】
発明４に係る自転車用ハブブレーキ装置は、発明１から３のいずれかに記載の装置において、ブレーキ操作部は、固定フレームにハブの軸回りに揺動自在に装着され、自転車のハンドルに装着されたブレーキレバーと連結される操作アーム部と、操作アーム部と一体的に回動し、外周面に凹凸からなるカム部を有するカム部材と、カム部材とブレーキシューとの間に両者に接触しかつ回転方向に間隔を隔てて設けられ、カム部材の回動により径方向に移動する複数のローラとを有する。この場合には、ローラブレーキにおいて、ブレーキ温度の上昇による制動力の変動を抑えることができるとともに、グリースの蒸発を抑えることによりスムーズなブレーキフィーリングを実現することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
＜全体構成＞
図１において、本発明の一実施形態を採用した自転車は軽快車であり、ダブルループ形のフレーム体２とフロントフォーク３とを有するフレーム１と、操舵用のハンドル部４と、ペダル５ａの回転を後輪７に伝達するための駆動部５と、前輪６と、後輪７と、前後輪６，７を制動するための制動システム８とを備えている。
【００１４】
フレーム１には、ハンドル部４、駆動部５、前輪６、後輪７、腰掛け用のサドル９、及び制動システム８等の各部が取り付けられている。
【００１５】
ハンドル部４は、フロントフォーク３の上部に固定されたハンドルステム１０と、ハンドルステム１０に固定されたハンドルバー１１とを有している。前輪６及び後輪７は、前後のハブ６ａ（前輪用のみ図４に図示）とハブ６ａの外周側に配置される前後のリム６ｂ，７ｂと、前後のリム６ｂ，７ｂに装着されるタイヤ６ｃ，７ｃと、ハブ６ａとリム６ｂ，７ｂとを連結するスポーク６ｄ，７ｄとを有している。ハブ６ａは、図６に示すように、フレーム１のフロントフォーク３に回転不能に装着されるハブ軸１５ａと、ハブ軸１５ａに回転自在に支持されるハブシェル１５ｂとを有している。
【００１６】
＜制動システムの構成＞
制動システム８は、図２に示すように、前後の制動レバー１２ｆ，１２ｒと、前後の制動レバー１２ｆ，１２ｒによって動作するブレーキ装置１３ｆ，１３ｒと、前後の制動レバー１２ｆ，１２ｒと前後のブレーキ装置１３ｆ，１３ｒとにそれぞれ連結された前後の制動ケーブル１４ｆ，１４ｒとを有している。
【００１７】
制動ケーブル１４ｆ，１４ｒは両端が制動レバー１２ｆ，１２ｒ及びローラブレーキ装置１３ｆ，１３ｒに連結されたインナーケーブル１６ｆ，１６ｒと、インナーケーブル１６ｆ，１６ｒを覆うアウターケーブル１７ｆ，１７ｒとを有している。
【００１８】
前制動レバー１２ｆはハンドルバー１１の左端に装着されたグリップ１８ａの内側に、後制動レバー１２ｒはハンドルバー１１の右端に装着されたグリップ１８ｂの内側にそれぞれ装着されている。制動レバー１２ｆ，１２ｒは、鏡像関係にある同じ構造の部材である。制動レバー１２ｆ，１２ｒは、ハンドルバー１１に装着されたレバーブラケット２０と、レバーブラケット２０に揺動自在に支持されたレバー部材２１と、レバーブラケット２０にねじ込み固定されたアウター係止部２２とを有している。
【００１９】
レバーブラケット２０は、レバー部材２１を揺動自在に支持するための揺動軸２０ａと、ハンドルバー１１に着脱自在に装着可能な装着部２０ｂと、アウター係止部２２をねじ込み可能であるとともにインナーケーブル１６ｆ，１６ｒが通過可能な雌ねじ部２０ｃとを有している。
【００２０】
レバー部材２１は、揺動軸２０ａに揺動自在に装着されており、図示しない付勢部材により制動解除側に付勢されている。レバー部材２１は、制動ケーブル１４ｆ，１４ｒのインナーケーブル１６ｆ，１６ｒを係止するインナー係止部２１ａを有している。
【００２１】
＜ブレーキ装置の構成＞
前後のブレーキ装置１３ｆ，１３ｒは、ローラブレーキである。ブレーキ装置１３ｆ，１３ｒは、図２に示すように、フレーム１に装着される前輪６及び後輪７のハブ６ａを制動するものである。ブレーキ装置１３ｆ，１３ｒは、自転車のフレーム１に回転不能に固定される固定ブラケット３０ｆ，３０ｒと、ブレーキ本体３２ｆ，３２ｒと、ブレーキ本体３２ｆ，３２ｒに対して揺動するブレーキ操作部３３ｆ，３３ｒとを有している。
【００２２】
固定ブラケット３０ｆ，３０ｒは、フロントフォーク３とフレーム体２の後部とにそれぞれ先細りの先端がバンド２５ｆ，２５ｒにより固定され、略円形の基端がハブ軸１５ａに装着されている。固定ブラケット３０ｆの基端部は、ハブ軸１５ａの一端にねじ込まれた袋ナット４５により押圧されてハブ軸１５ａに固定されている。固定ブラケット３０ｆ，３０ｒには、アウターケーブル１７ｆ，１７ｒが係止されるアウター係止部３１ｆ，３１ｒがそれぞれ装着されている。これらのアウター係止部３１ｆ，３１ｒは、ねじによりアウターケーブル１７ｆ，１７ｒの位置を調整できるようになっている。これによりブレーキの遊び（ブレーキドラムとブレーキシューとの隙間）を調整できる。
【００２３】
ブレーキ本体３２ｆ，３２ｒは、略同一構造であるので、ここでは、前ブレーキ本体３２ｆについて説明する。前ブレーキ本体３２ｆは、図３〜図５に示すように、前輪６のハブシェル１５ｂと一体回転可能なブレーキドラム４０と、ブレーキドラム４０の外周側に熱的に結合された冷却フィン４１と、ブレーキドラム４０に接離自在なブレーキシュー４２とを有している。なお、後ブレーキ本体３２ｒには、冷却フィン４１は装着されていない。
【００２４】
ブレーキドラム４０は、図６に示すように、開口５０ａを有する底部５０と、底部５０の外周側に形成された円周部５１とを有する鋼鉄製の皿状の部材である。開口５０ａの内周面には、ハブシェル１５ｂを構成する左玉受け１５ｃの外周面に回転不能に装着される凹凸部５０ｂが形成されている。円周部５１の内周面には、制動面５１ａが形成されている。制動面５１ａは、断面が径方向外方にいくにつれて幅が狭くなる等脚台形状に円周部５１の軸方向中央部に凹んで形成されている。制動面５１ａの両辺が交差する角度αは、１５度から１５０度の範囲が好ましい。
【００２５】
冷却フィン４１は、図４〜図６に示すように、アルミニウム合金製の部材であり、ブレーキドラム４０の外周面にインサート成形により一体形成されたものである。冷却フィン４１には、多数のフィン部４１ａが内側面（図４右側面）に放射状に形成されている。
【００２６】
ブレーキシュー４２は、たとえば周方向で３つに分割されたリング状の部材であり、制動面５１ａに接触可能に接触面４２ａが外周面に形成されている。接触面４２ａは、断面が制動面５１ａに接触可能に凸に突出した等脚台形状に形成されている。接触面４２ａの両辺が交差する角度βは、制動面５１ａの交差角度αより大きいか等しい。接触面４２ａの中央部には、第１ばね部材５３が装着される環状溝４２ｂが形成されている。ブレーキシュー４２の内周面には、回転方向に所定の長さで形成された回転止め部４２ｃが径方向外方に凹んで形成されている。この回転止め部４２ｃに固定ブラケット３０ｆに形成された３つの係止突起３０ａ（図６）がはまり込み、分割されたブレーキシュー４２の回転を防止している。ただし、係止突起３０ａと回転止め部４２ｃとの遊び分はブレーキシュー４２が僅かに回転する。分割されたブレーキシュー４２の両端内周面には、径方向内方に突出するローラ当接面４２ｃが形成されている。
【００２７】
環状溝４２ｂに装着される第１ばね部材５３は線材製の環状の部材であり、３つの分割されたブレーキシュー４２をブレーキドラム４０から離反した位置に付勢している。
【００２８】
ブレーキ操作部３３ｆ，３３ｒは、形状は異なるが略同一の構成であるので、ここでは、前ブレーキ操作部３３ｆについて説明する。前ブレーキ操作部３３ｆは、図５〜図８に示すように、固定ブラケット３０ｆにハブ軸１５ａ回りに図７に示す制動解除位置と図８に示す制動位置とに揺動自在に装着された操作アーム部６０と、操作アーム部６０と一体的に回動するカム部材６１と、カム部材６１とブレーキシュー４２との間に両者に接触しかつ回転方向に間隔を隔てて設けられた複数（たとえば６つ）のローラ６２と、回転方向に間隔を隔ててローラ６２を保持するローラケース６３とを有している。
【００２９】
操作アーム部６０は、制動ケーブル１４ｆのインナーケーブル１６ｆの先端を係止するインナー係止部６０ａを先端に有している。このインナーケーブル１６ｆにより操作アーム部６０は自転車のハンドル部４に装着された制動レバー１２ｆと連結される。操作アーム部６０の基端には、カム部材６１の外周面に係合する係合孔６０ｂが形成されている。操作アーム部６０は、第２ばね部材７０（図５）により制動解除方向に付勢されている。第２ばね部材７０は、捩じりコイルばねであり、一端が固定ブラケット３０ｆに係止され、他端がインナー係止部６０ａに係止されている。操作アーム部６０の外方はカバー部材７１により覆われている。
【００３０】
カム部材６１は、厚肉円筒状のたとえば鋼鉄製の部材である。カム部材６１の外周面には、徐々に径方向の距離が変化する傾斜カム面６１ａと、傾斜カム面６１ａの間に配置され傾斜カム面６１ａより凹んで形成された凹部６１ｂとを有する６つのカム部６１ｃが形成されている。この実施形態では、傾斜カム面６１ａは、図７時計回りに径方向の距離が大きくなるように形成されている。
【００３１】
ローラ６２は、カム部材６１の回動によりブレーキシュー４２を径方向に押圧してブレーキシュー４０に圧接させるためのものである。ローラ６２は、カム部材６１の外周面とブレーキシュー４２のローラ当接面４２ｃとの間に装着されている。ローラ６２はローラケース６３によりブレーキドラム４０の回転方向に間隔を隔てて配置され径方向に移動自在である。
【００３２】
ローラケース６３には、ローラ６２を保持するためのハブ軸方向外方に突出した、たとえば６つの保持突起６３ａが回転方向に間隔を隔てて形成されている。ローラケース６３は、一つの保持突起６３ａにさらにハブ軸方向外方に突出して形成された係止突起６３ｂにより固定ブラケット３０ｆに回転不能に係止されている。固定ブラケット３０ｆには、この係止突起６３ｂが係合する回転方向に長い長孔３０ｂが形成されている。なお、ローラケース６３と係止突起６３ｂとの間には第３ばね部材７２が装着されており、ローラケース６３を図５の時計回りに付勢している。このため、ローラ６２は、ブレーキドラム４０に対して実質的に回転不能である。ローラケース６３内において、ローラ６２の周囲にはグリースが充填されている。これにより、カム部材６１の回動に対してローラ６２が径方向にスムーズに移動できる。
【００３３】
＜制動システムの動作＞
制動ケーブル１４ｆ，１４ｒをセットした状態では、インナーケーブル１６ｆ，１６ｒは緊張状態になっているため、制動レバー１２ｆ，１２ｒに装着されたアウター係止部２２又は前後のブレーキ装置１３ｆ，１３ｒに装着されたアウター係止部３１ｆ，３１ｒによって遊びを調整する。これにより、制動レバー１２ｆ，１２ｒを操作しないと、図７に示すように、ブレーキシュー４２とブレーキドラム４０との間に隙間（遊び）が形成される。
【００３４】
この状態で前制動レバー１２ｆを引き込み操作すると、インナーケーブル１６ｆが第２ばね部材７０の付勢力に抗して引っ張られ、操作アーム部６０が図７に示す制動解除位置から図８に示す制動位置に揺動する。制動位置に操作アーム部６０が揺動すると、それに連動してカム部材６１も回動し、ローラ６２が傾斜カム面６１ａに乗り上げて径方向外方に移動し、ブレーキシュー４２を第１ばね部材５３の付勢力に抗してブレーキドラム４０に向けて押圧する。この結果、ブレーキシュー４２の押圧力に比例した制動力が得られる。このとき、ブレーキシュー４２は僅かに図８反時計回りに回転し、それに伴い、ローラ６２を介してローラケース６３も僅かに同方向に回転する。この結果、ローラ６２はさらに径方向外方に移動する。この制動状態では、制動面５１ａが台形状に凹み、接触面４２ａが台形状に突出しているので、くさび作用により摩擦面同士の接触圧力が高くなり、摩擦力を増大させることができる。また、接触面積が平坦な円周面より大きくなるので摩擦面積が大きくなり、単位面積当たりの発熱量を小さく抑えることができる。このため、ブレーキ温度が高くなりにくくなる。したがって、ブレーキ温度の上昇による制動力の変動を抑えることができる。また、くさび作用により摩擦力が大きくなるので、コンパクトなサイズで大きな制動トルクを得ることができる。
【００３５】
前制動レバー１２ｆから手を離すと、第２ばね部材７０により操作アーム部６０が制動解除位置側に戻されるとともに、操作アーム部６０に連動するカム部材６１の回動に伴って第１ばね部材５３によりブレーキシュー４２が内周側に移動する。このとき、ローラケース６３も第３ばね部材７２により図７時計回りに付勢されて回動する。
【００３６】
〔他の実施形態〕
（ａ） 前記実施形態では、制動装置として車輪のハブ部を制動するローラ式のハブブレーキを例に説明したが、制動装置はこれに限定されず、ハブ部を制動するバンドブレーキやドラムブレーキにも本発明を適用できる。
【００３７】
（ｂ） 前記実施形態では、制動面５１ａや接触面４２ａを等脚台形状に形成したが、複数の凹凸が連続する鋸歯形状や曲面等平坦な円周面より面積が増える形状であればどのような形状でもよい。また、前記実施形態とは逆に制動面を径方向内方に凸に突出させ、接触面を凹ませてもよい。
【００３８】
（ｃ） 前後いずれかの制動装置１３ｆ，１３ｒに制動力を制動途中で変更可能なモジュレータ（制動力調整機構の一例）を装着してもよい。たとえば、前制動装置が連結されるハブ内にはモジュレータを装着してもよい。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、制動面及び接触面が平坦ではなく凹又は凸に突出しているので、平坦な場合に比べて摩擦面積が大きくなる。このため、摩擦面での単位面積当たりの発熱量を小さく抑えることができ、ブレーキ温度が高くなりにくくなる。したがって、ブレーキ温度の上昇による制動力の変動を抑えることができる。
【００４０】
また、ブレーキドラムの制動面にブレーキシューの接触面を凸に角度を持たせて接触させることにより、くさび作用によって制動面と接触面との接触圧力が高くなり、摩擦力を従来のものより増大させることができる。これによりコンパクトなサイズで大きな制動トルクを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態を採用した自転車の右側面図。
【図２】 その自転車の制動システムの構成図。
【図３】 前制動装置の側面図。
【図４】 前制動装置の正面図。
【図５】 前制動装置のカバー部材を外した状態の側面図。
【図６】 前制動装置の半截断面拡大図。
【図７】 前制動装置の制動動作を示す図。
【図８】 前制動装置の制動動作を示す図。
【符号の説明】
１ フレーム
６，７ 前後輪
６ａ 前ハブ
１３ｆ，１３ｒ 前後の制動装置
３０ｆ，３０ｒ 前後の固定ブラケット
３３ｆ，３３ｒ 前後のブレーキ操作部
４０ ブレーキドラム
４１ 冷却フィン
４２ ブレーキシュー
４２ａ 接触面
５１ａ 制動面
６０ 操作アーム部
６１ カム部材
６２ ローラ

Claims (4)

1. 自転車のフレームに装着される車輪のハブを制動する自転車用ハブブレーキ装置であって、
   前記フレームに回転不能に装着される固定フレームと、
   前記ハブと一体回転可能であり、内周面に断面が径方向外方にいくにつれて幅が狭くなる等脚台形状に凹んで形成された制動面を有し、前記制動面の中央部が凹んだ円筒状のブレーキドラムと、
   前記ブレーキドラムの前記制動面に接触可能に等脚台形状に凸に突出して形成された接触面を有し、前記接触面の中央部にばね部材が装着される環状溝が形成され、前記固定フレームに対して実質的に回転不能であり、前記ブレーキドラムに制動作用するブレーキシューと、
   前記固定フレームに移動自在に設けられ、前記ブレーキシューを前記ブレーキドラム側に圧接操作するブレーキ操作部とを備え、
   前記制動面の両辺が交差する角度は、１５度から１５０度の範囲であり、前記接触面の両辺が交差する角度は、前記制動面の交差角度より大きい、自転車用ハブブレーキ装置。
2. 前記制動面の両辺が交差する角度は実質的に９０度である、請求項１に記載の自転車用ハブブレーキ装置。
3. 前記ブレーキドラムの外周側に熱的に結合された冷却フィンをさらに備える、請求項１又は２に記載の自転車用ハブブレーキ装置。
4. 前記ブレーキ操作部は、
   前記固定フレームに前記ハブの軸回りに揺動自在に装着され、前記自転車のハンドルに装着されたブレーキレバーと連結される操作アーム部と、
   前記操作アーム部と一体的に回動し、外周面に凹凸からなるカム部を有するカム部材と、
   前記カム部材と前記ブレーキシューとの間に両者に接触しかつ回転方向に間隔を隔てて設けられ、前記カム部材の回動により径方向に移動する複数のローラとを有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の自転車用ハブブレーキ装置。

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