JP4073894B2

JP4073894B2 - 変速ハブ用シフト制御装置

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Publication number: JP4073894B2
Application number: JP2004152327A
Authority: JP
Inventors: 昭彦正下
Original assignee: Shimano Inc
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Priority date: 2000-03-10
Filing date: 2004-05-21
Publication date: 2008-04-09
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Description

本発明は、自転車変速機、特に、自転車の内装多段変速ハブに関する。

内装多段変速ハブは、乗り手がペダルを踏むのに要する力を変更するために異なる変速比を選択することができるよう、時々車輪後部に装着されている。典型的な変速ハブは、自転車フレームに装着されるハブ軸と、スプロケット及びチェーンを介してペダル力を受容するためにハブ軸回りに回転自在に支持される駆動体と、ハブ軸回りに回転自在に支持されるハブシェルとを備えている。動力伝達機構は、駆動体から複数の動力伝達経路を経てハブシェルに回転動力を伝達するよう、駆動体とハブシェルとの間に配置されており、各動力伝達経路は通常独自の変速比を生じさせる。動力伝達機構は、通常は、ハブ軸回りに回転自在に支持される１つまたはそれ以上の太陽ギアと、ハブ軸回りに回転自在に支持されるリングギアと、ハブ軸回りに回転自在に支持される遊星ギアキャリアと、遊星ギアキャリア回りに回転自在に支持され、太陽ギア及びリングギアに係合する複数の遊星ギアとを含む遊星ギア機構を備えている。複数の動力伝達経路とこれに対応する変速比は、多数の部品を選択的に回転不能に互いに連結させることにより選択される。例えば、１つの変速比は太陽ギアをハブ軸回りに回転不能に連結することによって選択され、他の変速比は駆動体を遊星ギアキャリア回りに回転不能に連結することにより選択され、また他の変速比は、駆動体をリングギア回りに回転不能に連結することにより選択され得る。多数のこのような連結関係は典型的な変速ハブにおいて可能であり、これにより、比較的多数の変速比が生じることとなる。

変速比が太陽ギアを軸回りに回転不能に連結することにより選択される場合は、連結は、太陽ギアの内周面とハブ軸との間に配置されたラチェット及び爪機構(pawl mechanism)により達成されてもよい。より詳細には、複数の爪は、各爪の端がバネにより内周側に付勢されるよう、太陽ギアの内周面に装着されてもよい。ハブ軸の外周面は、通常、ハブ軸回りに回転不能に太陽ギアを連結するよう爪端と係合する複数のラチェット歯または接当面を形成し、制御スリーブは、接当面を選択的に露出するよう、ハブ軸回りに回転自在に支持されている。この結果、接当面が制御スリーブで被覆される場合は太陽ギアはハブ軸に対し自由に回転するとともに、接当面が露出する場合は太陽ギアはハブ軸回りに回転不能に連結される。

太陽ギアは、通常、複数の爪を介してハブ軸に支持されている。この結果、しばしば、ハブ軸上における太陽ギアの支持が緩んでラチェット及び爪機構の精度が低下する。このような緩みは爪の数を増やすことにより補えるが、機能不調の危険性を言及しないまでも、コストや変速機の複雑さを増加させることとなる。さらには、ハブ軸上の連続するラチェット歯または接当面間の円周方向距離が通常比較的大きくなる。この結果、太陽ギアは、通常、爪がラチェット歯または接当面と係合する前にかなりの距離を回転しなければならない。これは、好ましくないギア切り換え操作の遅延を生じさせる。

他の種類の変速ハブは、軸回りに回転自在に装着される太陽ギアを含んでおり、この太陽ギアの内周面は複数のラチェット歯を規定する。１またはそれ以上の爪を、複数のラチェット歯と選択的に係合するよう、中空軸内に形成される切り欠き（aperture）内に配置し得る。しかし、中空軸は、あまり強固でなく、厳しい操作条件には適していない。他の種類の変速ハブにはまた、軸に装着された爪が用いられているが、この爪は太陽ギアを直接支持する制御スリーブにより操作される。このような構成は、制御スリーブ上に過剰な摩擦を生じさせる。

従来の変速ハブの他の不利な点として、１つの変速比から他の変速比への切り換え時に、種々の部品がそれぞれの連結関係を変更するために、変速機は時々、目的の変速比に近くない他の変速比を一時的に経由しなければならないことがある。この現象は以下の詳細な説明でより詳しく説明する。例えば、ハブシェルが駆動体に対し比較的小さい比率で軸回りに回転する低変速比から、ハブシェルが駆動体に対し比較的大きい比率で軸回りに回転する高変速比に移行する場合(自転車が減速する場合に生じるような)は、変速機は一時的に元の変速比よりもより小さい変速比に切り換えられる場合がある。このため、一時的にペダルの速度が上がり、望ましい効果と反対になり乗り手が非常に困惑してしまう。

従来の変速ハブの他の不利な点として、太陽ギアのラチェット及び爪機構が通常、ハブ軸に回転自在に支持される比較的薄いスリーブによって制御されることがある。このようなスリーブは、上述のように、爪を太陽ギアに係合させるためにハブ軸の接当面を選択的に露出するのにしばしば用いられる。このスリーブは通常、比較的長く、ハブシェルの外側から操作され、これにより、スリーブ上に大きなねじり応力が生じる。このような力は、スリーブが曲がったりねじれたりする危険性を生じさせる。

従来型の変速ハブに関する他の不利点として、ラチェット及び爪機構（及びその他のすべての必要な連結機構）を制御するスリーブは、作動リングを始点位置に付勢するための１またはそれ以上のリターンスプリングを介して、作動リングのような外部作動部材にしばしば連結されている。このような付勢力は、切換動作時の構成部品に適切な張力を与えるのみでなく、シフト補助機能の制御にも役立つ。このようなシフト補助機能は、回転する駆動体の力を利用して、大きなペダル力がハブに加えられる場合に生じるようなシフト操作への抵抗を克服するのを助ける。より詳細には、自由状態で操作不能状態に付勢されている連結機構がスリーブが駆動体と連結するよう起動され、駆動体からの力が過剰抵抗を克服する。いずれの場合も、このような付勢された作動リングが電池動作モータにより操作される場合は、モータはリターンスプリングの付勢力に打ち勝たなければならない。これにより、通常、電力消費量がかなり大きい比較的大型のモータが必要となり、この結果、著しく電池寿命が縮まることとなる。

本発明の目的は、太陽ギアがハブ軸上で安定して支持され、ギア切り換え操作が正確でかつ操作の遅延と乗り手側の労力とを最小限に抑えられるよう実施され、ラチェット及び爪機構を制御するために使用される制御スリーブのような部品が曲げやその他損傷の危険性を最小限に抑えられるよう安定して支持され、電池作動モータにより運転される場合に、ギア切り換え操作に使用される作動部材が過剰な電力消費の原因とならない自転車用変速ハブを提供することにある。

本発明では、付勢されていない作動部材が、上述のシフト補助機能を供給すると同時にクラッチ操作のために使用される。より詳細には、軸は軸芯を規定する。第１回転部材は軸回りに回転自在に支持されており、この第１回転部材はシフト制御機構への連結のための部分を備えている。第２回転部材は軸回りに回転自在に支持されている。第１回転部材と第２回転部材を予め決定されている回転方向に互いに付勢するために、第１バネが第１回転部材と第２回転部材との間に連結されている。爪サポート回転部材は、軸回りに回転自在に支持されており、第２回転部材が第１回転部材と爪サポート回転部材との間に配置されている。爪は、爪サポート回転部材回りに回転自在に支持されている。付勢機構は爪を径方向に付勢する。第１連結部材は、第１回転部材を爪サポート回転部材に連結する。爪制御回転部材は、爪の径方向位置を制御する。作動部材は、第１回転部材を回転するために軸回りに回転自在に支持されている。第２連結部材は、爪制御回転部材を爪サポート回転部材回りに回転するために、第２回転部材と爪制御回転部材と作動部材とを連結する。この構造は、作動部材に正味の付勢力を与えることなく、シフト補助機能を供給する。

本発明によれば、太陽ギアがハブ軸上で安定して支持され、ギア切り換え操作が正確でかつ操作の遅延と乗り手側の労力とを最小限に抑えられる。また、ラチェット及び爪機構を制御するために使用される制御スリーブのような部品が曲げやその他損傷の危険性を最小限に抑えられるよう安定して支持され、電池作動モータにより運転される場合に、ギア切り換え操作に使用される作動部材が過剰な電力消費の原因とならない。

図１は、本発明による多くの特徴を含む変速ハブ１４の特定の実施形態を含む自転車１０の後部側面図である。自転車１０の後部は、サドル２４を支持するシートチューブ２２と、１対の従来型のチェーンステイ２６と、１対の従来型のシートステイ３０を伴うフレーム１８とを備えている。車輪３４は、チェーンステイ２６とシートステイ３０の交差部分において変速ハブ１４の軸３６の周囲のフレーム端３５で回転自在に支持されており、ペダル４２とチェーンリング４６とを有するクランクアセンブリ３８は、シートチューブ２２とチェーンステイ２６の交差部分で回転自在に支持されている。チェーン５０は、チェーンリング４６と係合しており、変速ハブ１４を回転自在に駆動するスプロケット５４の周囲に掛け渡されている。ボーデン型制御ケーブル６２が、以下に詳細に説明する方法によって変速ハブ１４の変速比を変更するために使用される。

図２は、変速ハブ１４の特定の実施形態の縦断面図である。図２に示すように、変速ハブ１４は、軸３６と、軸３６に回転自在に支持される駆動体７０と、スポークフランジ７８を有し軸３６に回転自在に支持されたハブシェル７４と、複数の動力伝達経路を介して駆動体７０からハブシェル７４に回転動力を伝達するよう駆動体７０とハブシェル７４との間に配置された動力伝達機構８２と、軸３６に対するハブシェル７４の相対回転を止めるためのコースターブレーキ８６と、複数の動力伝達経路の選択を制御して、駆動体７０の回転動力を用いて動力伝達機構８２における動力伝達経路の変更に役立つシフト／補助機構９０とを備えている。

スプロケット５４は、スナップリング９４を使用することによりスプライン方式で駆動体７０に連結され、駆動体７０はボールベアリング９８及びベアリングコーン１０２を介して軸３６に回転自在に支持されている。ベアリングコーン１０２は、作動部材としてのアクチュエータ板１０４、スペーサ１０８、ワッシャ１１２、回転不能ロックワッシャ１１３及びロックナット１１４によって所定位置に保持されている。

ライトカップ１２０は、ハブシェル７４の右内周面に回転不能に嵌め込まれており、レフトカップ１２４は、ハブシェル７４の左内周面に回転不能に嵌め込まれている。ライトカップ１２０は、ハブシェル７４をボールベアリング１２８を介して駆動体７０に対し回転自在に支持し、変速ハブ１４の右側の内装部品はライトカップ１２０に嵌め込まれるシーリングカップ１３２によって外部の汚物から保護されている。レフトカップ１２４は、ハブシェル７４をボールベアリング１３６及びブレーキコーン１３８を介して軸３６上に回転自在に支持する。ブレーキコーン１３８は、ストップナット１４２及びロックナット１４６により軸３６上に保持されている。ブレーキアーム１５０は、ブレーキコーン１３８に回転不能に連結されており、周知の方法によりチェーンステイ２６に固定されている。変速ハブ１４の左側の内装部品は、シーリングカップ１５２により外部の汚物から保護されている。

図２〜６に示すように、動力伝達機構８２は、第４太陽ギア１６０と、別個の第１太陽ギア１６４と、別個の第２太陽ギア１６８と、別個の第３太陽ギア１７２とを備えている。第４太陽ギア１６０は、軸３６に回転不能に支持されており、クラッチカム部１７６と、その外周面上に形成された複数の第４太陽ギア歯１７８（例：４８Ｔ）と、外周第１太陽ギア当接面１８０とを備えている。第１太陽ギア１６４は、第４太陽ギア１６０に隣接して軸３６回りに回転自在に支持されており、図３により明確に示すように、第４太陽ギア１６０の第１太陽ギア当接面１８０に滑動自在に当接するための内周第４太陽ギア当接面１９２と、第１太陽ギア爪２０７と係合するようその内周面に形成された複数の第１太陽ギアラチェット歯２０６（例：１２Ｔ）と、太陽ギアガイドリング２１０の外周面２０９に滑動自在に当接するための内周ガイドリング当接面２０８と、内周第２太陽ギア当接面２００と、その外周面上に形成された複数の第１太陽ギア歯１９８（例：４８Ｔ）とを備えている。第２太陽ギア１６８は、第１太陽ギア１６４に隣接して軸３６回りに回転自在に支持されており、太陽ギアガイドリング２１０の外周面２０９に滑動自在に当接するための内周第１ガイドリング当接面２２０と、第２太陽ギア爪２２６と係合するようその内周面上に形成された複数の第２太陽ギアラチェット歯２２４（例：１２Ｔ）と、太陽ギアガイドリング２３４の外周面２３２を当接するための内周第２ガイドリング当接面２２８と、第２太陽ギア当接面２００を移動しながら第１太陽ギア１６４上に当接するための外周第１太陽ギア当接面２３５と、その外周面に形成された複数の第２太陽ギア歯２３６（例：４２Ｔ）とを備えている。第３太陽ギア１７２は、その外周面に形成された複数の第３太陽ギア歯２４４（例：３６Ｔ）と、第３太陽ギア爪２５０と係合するようその内周面上に形成された複数の第３太陽ギアラチェット歯２４８（例：１２Ｔ）と、ガイドリング２５８の外周面２５４に滑動自在に当接するための内周ガイドリング当接面２５２とを備えている。

爪２０７は、軸３６に形成された爪受け溝２６４内に回動自在に配置される爪シート２６０と、軸３６に形成されたバネ受け溝２７６内に装着されるバネ２７２を受容するためのバネ受け溝２６８と、シフト制御機構の一部としての爪制御スリーブ２８８の爪制御アーム２８４の内周面２８２に当接するための爪制御面２８０と、第１太陽ギアラチェット歯２０６と係合するための爪歯２８９とを有している。同様に、爪２２６は、軸３６に形成された爪受け溝２９４内に回動自在に配置される爪シート２９０と、軸３６に形成されたバネ受け溝３０６内に装着されるバネ３０２を受容するためのバネ受け溝２９８と、爪制御スリーブ２８８の爪制御アーム３１４の内周面３１２に当接するための爪制御面３１０（図２）と、第２太陽ギアラチェット歯２２４と係合するための爪歯３１６とを有している。最後に、爪２５０は、軸３６に形成された爪受け溝３２４内に回動自在に配置される爪シート３２０と、軸３６に形成されたバネ受け溝３３６内に装着されるバネ３３２を受容するためのバネ受け溝３２８と、爪制御スリーブ２８８の爪制御アーム３４４の内周面３４２に当接するための爪制御面３４０（図２）と、第２太陽ギアラチェット歯２４８と係合するための爪歯３４６とを有している。爪２０７，２２６，２５０の爪歯２８９，３１６，３４６はそれぞれ対応するバネ２７２，３０２，３３２により周知の方法で外周側に付勢されている。

本実施形態では、太陽ギアガイドリング２１０の半分は第１太陽ギア１６４のガイドリング当接面２０８と軸３６との間に嵌め込まれおり、太陽ギアガイドリング２１０の他の半分は第２太陽ギア１６８の第１ガイドリング当接面２２０と軸３６との間に嵌め込まれている。図３及び図５に示すように、太陽ギアガイドリング２１０は、外周面２０９の他に、軸３６にＸ軸方向に間欠的に形成されたロッキング凸部３６４と係合するためのロッキング凹部３６０と、軸３６にＸ軸方向に間欠的に形成されたロッキング溝３７２と係合するためのロッキング突起３６８と、軸３６にＸ軸方向に間欠的に形成されたロッキング凸部３８０と係合するためのロッキング凹部３７６と、軸３６にＸ軸方向に間欠的に形成されたロッキング凹部３８８と係合するためのロッキング突起３８４と、軸３６にＸ軸方向に間欠的に形成されたロッキング凸部３９６と係合するためのロッキング溝３９２と、太陽ギアガイドリング２１０と軸３６との間に爪制御スリーブ２８８のベーススリーブ４０８を支持するための制御スリーブ支持面４０４とを有している。

太陽ギアガイドリング２３４は、第２太陽ギア１６８の第２ガイドリング当接面２２８と軸３６との間に嵌め込まれる。図３及び図５に示すように、太陽ギアガイドリング２３４は、外周面２３２の他に、軸３６に形成されたロッキング凸部３６４と係合するためのロッキング凹部４２０と、軸３６に形成されたロッキング溝３７２と係合するためのロッキング突起４２４と、軸３６に形成されたロッキング凸部３８０と係合するためのロッキング凹部４２８と、軸３６に形成されたロッキング凹部３８８と係合するためのロッキング突起４３２と、軸３６上に形成されたロッキング凸部３９６と係合するためのロッキング溝４３６と、太陽ギアガイドリング２３４と軸３６との間の爪制御スリーブ２８８のベーススリーブ４０８を支持するための制御スリーブ支持面４４０とを備えている。

太陽ギアガイドリング２５４は、第３太陽ギア１７２のガイドリング当接面２５２と軸３６との間に嵌め込まれる。図３及び図６に示すように、太陽ギアガイドリング２１０，２３４とは異なり、太陽ギアガイドリング２５４は、軸３６にあるロッキング凸部３６４，３８０，３９６回りに嵌め込まれる円形内周面４４４を有する。内周面４４４の一部は、太陽ギアガイドリング２５８と軸３６との間にあるベーススリーブ４０８の一端４５２を支持するために制御スリーブ支持面４４８を形成する。ベーススリーブ４０８の一端４５２は、ワッシャ４５６内の溝４５４の中に終端する。

爪制御スリーブ２８８のベーススリーブ４０８は、軸３６にＸ軸方向に形成された制御スリーブ溝４６０内に回転自在に嵌め込まれ、太陽ギアガイドリング２１０，２３４，２５８により外周側に支持されている。爪制御アーム２８４，３１４，３４４は軸３に円周方向に形成された制御アーム溝４６４，４６８，４７２内に移動しながら配置される。図８に示すように、爪制御アーム３４４は、テーパー側面４８４，４８６を有する凹部４８０と、テーパー側面４９２，４９４を有する凹部４９０とを備えている。上述のように、爪制御アーム３４４の内周面３４２は、爪２５０の爪制御面３４０に当接する。これにより、爪２５０がバネ３３２により外周側に付勢されているため、爪２５０は、内周側に保持され、凹部４８０または凹部４９０が爪制御面３４０と一列に並ぶ場合を除いて、爪制御アーム３４４の内周面３４２が爪制御面３４０に当接する場合は常に第３太陽ギアラチェット歯２４８から外れる。この場合は、爪制御面３４０は、凹部４８０または凹部４９０内に上昇して、爪歯３４６が第３太陽ギアラチェット歯２４８の１つと係合して、第３太陽ギア１７２を軸３６に回転不能に連結する。テーパー面４８４，４８６，４９２，４９４は、爪制御スリーブ２８８が軸３６回りを回転するよう、爪制御面３４０の凹部４８０，４９０への出入りを容易にする。

同様に、図９に示すように、爪制御アーム３１４は、テーパー側面５０２と５０４を有する凹部５００と、テーパー側面５１２と５１４を有する凹部５１０とを備えている。上述のように、爪制御アーム３１４の内周面３１２は、爪２２６の爪制御面３１０に当接する。これにより、爪２２６がバネ３０２によって外周側に付勢されているため、爪２２６は、内周側に保持され、凹部５００と５１０が爪制御面３１０と一列に並ぶ場合を除いて、爪制御アーム３１４の内周面３１２が爪制御面３１０に当接する場合は常に第２太陽ギアラチェット歯２２４から外れる。この場合は、爪制御面３１０は、凹部５００または凹部５１０内に上昇して、爪歯３１６が第２太陽ギアラチェット歯２２４の１つと係合し、第２太陽ギア１６８を軸３６に回転不能に連結する。テーパー面５０２，５０４，５１２，５１４は、爪制御スリーブ２８８が軸３６回りを回転するときに、爪制御面３１０の凹部５００，５１０への出入りを容易にする。

最後に、図１０に示すように、爪制御アーム２８４は、テーパー側面５２２，５２４を有する凹部５２０を有している。テーパー面５２６はまた爪制御アーム２８４の一端５２７にも配置されている。上述のように、爪制御アーム２８４の内周面２８２は、爪２０７の爪制御面２８０に当接する。これにより、爪２０７がバネ２７２によって外周側に付勢されているため、爪２０７は、内周側に保持され、凹部５２０が爪制御面２８０と一列に並ぶ場合を除いて、爪制御アーム２８４の内周面２８２が爪制御面２８０に当接する場合は常に第１太陽ギアラチェット歯２０６から外れる。この場合は、爪制御面２８０は、凹部５２０内に上昇して、爪歯２８９が第１太陽ギアラチェット歯２０６の１つと係合して、第１太陽ギア１６４を軸３６に回転不能に連結する。テーパー面５２２，５２４は、爪制御面２８０の凹部５２０への出入りを容易にし、テーパー面５２６は、爪制御スリーブ２８８が軸３６回りに回転する場合に、爪制御面２８０が爪制御アーム２８４の下に入ることを容易とする。

図１１〜１４は、第１太陽ギア１６４を使用する爪制御スリーブ２８８の操作を例示する。図１１に示す位置では、爪制御スリーブ２８８は、最も左回り位置にあり、爪２０７は爪制御アーム２８４の外側にあり、爪歯２８９は第１太陽ギアラチェット歯２０６と係合しており、第１太陽ギア１６４は軸３６に回転不能に連結されている。

爪制御アーム２８４が右回りに図１２に示す位置まで回転すると、爪制御面２８０は、テーパー面５２６下に滑り込み、爪制御アーム２８４の内周面２８２に対し当接する。この結果、爪歯２８９は、内周側に保持されるため、第１太陽ギアラチェット歯２０６から外れる。この状態では、第１太陽ギア１６４は軸３６に対し自由に相対回転する。爪制御スリーブ２８８のベーススリーブ４０８が、太陽ギアガイドリング２１０の制御スリーブ支持面４０４と軸３６の制御スリーブ溝４６０との間に嵌め込まれているため、ベーススリーブ４０８に加わるねじれ及びその他の力は、爪制御スリーブ２８８の望ましくない曲げの原因とはならない。

爪制御アーム２８４が図１３に示す位置までさらに右回りに回転すると、爪制御面２８０は凹部５２０に入り、これにより、爪歯２８９が外周側に移動して第１太陽ギアラチェット歯２０６の１つと係合し、したがって再度第１太陽ギア１６４を軸に回転不能に連結する。第１太陽ギア１６４は１２個の第１太陽ギアラチェット歯２０６と１個のみの爪２０７を有するために、第１太陽ギア１６４と軸３６間の回転不能な係合は極めて迅速に起こる。（通常太陽ギアの内周面に装着される）１個以上の爪と（通常軸に形成される）数個のラチェット歯とを有する従来の技術によるシステムでは、ラチェット歯の円周方向距離とすべての爪がラチェット歯と一列に並ぶ必要性が連結操作における甚大な遅延の原因である。

爪制御アーム２８４が図１４に示す位置までさらに右回りに回転すると、爪制御面２８０は、爪制御面２８０が爪制御アーム２８４の内周面２８２により内周側に支持されるまで、テーパー面５２２に沿って凹部５２０から滑り出す。この結果、爪歯２８９は、第１太陽ギアラチェット歯２０６から外れて、第１太陽ギア１６４は軸３６回りを自由に回転する。

図２に示すように、動力伝達機構８２はさらに、第１遊星ギアキャリア５５０と、第１リングギア５５１と、第２遊星ギアキャリア５５２と、第２リングギア５５３とを備えており、そのすべてが軸３６回りに回転自在に装着されている。遊星ギアキャリア５５０は、クラッチリング５６２に形成された相補的な複数の遊星ギアキャリア係合スプライン５５８に係合するよう、その右側に円周方向に配置された複数（例：１２）のクラッチ係合スプライン５５４と、第２遊星ギアキャリア５５２の右側に形成された円周方向に配置された相補的な第１遊星キャリア係合スプライン５６８と係合するよう、その左側に形成され円周方向に配置された複数（例：１２）の第２遊星ギアキャリア係合スプライン５６４と、円周方向に配置された複数の遊星ギア支持ピン５７２とを有しており、それぞれが遊星ギア５７６を回転自在に支持している。各遊星ギア５７６は、第４太陽ギア１６０の複数の第４太陽ギア歯１７８と係合する小径ギア部５８０（例：１４Ｔ）と、第１リングギア５５１の第１内周ギア部５８５（例：８４Ｔ）と係合する大径ギア部５８４（例：２２Ｔ）とを有している。

第１リングギア５５１は、内周ギア部５８５の他に、駆動体７０に固定され円周方向に配置された対応する複数の爪ピン５８８に装着された、円周方向に配置される複数の爪５８７と係合するための第２内周ギア部５８６（例：３６Ｔ）を備えている。爪５８７は、爪バネ５８９によって外周側に付勢されており、これにより、駆動体７０と第１リングギア５５１との間のワンウェイクラッチとして機能する。複数の爪５９０はまた、第１リングギア５５１を後部方向に駆動するために、周知の方法により爪ピン５８８の円周方向に配置されている。

第１遊星ギアキャリア５５０の複数の第２遊星ギアキャリア係合スプライン５６４に第２遊星ギアキャリア５５２を回転不能に連結する、円周方向に配置された複数の第１遊星ギアキャリアスプライン５６８の他に、第２遊星ギアキャリア５５２は、ブレーキローラケージ５９７に形成された相補的な複数第２遊星キャリア係合スプライン５９６と係合するよう円周方向に配置された複数のブレーキローラケージ係合スプライン５９２と、コースターブレーキ８６内の対応する複数のローラ９００と係合する円周方向に配置された複数（例：１８）の外周カム面９０４とを備えている。

第２遊星ギアキャリア５５２はまた、円周方向に配置された複数の遊星ギア支持ピン６０４を備えており、それぞれが遊星ギア６０８を回転自在に支持する。各遊星ギア６０８は、第２リングギア５５３の内周ギア部６２４（例：７８Ｔ）の他に、第３太陽ギア１７２の複数の第３太陽ギア歯２４４と係合する大径ギア部６１２（例：２９Ｔ）と、第２太陽ギア１６８の複数の第２太陽ギア歯２３６と係合する中径ギア部６１６（例：１８Ｔ）と、第１太陽ギア１６４の複数の第１太陽ギア歯１９８と係合する小径ギア部６２０（例；１４Ｔ）とを備えている。第２リングギア５５３は、例えば１８個のローラを有するローラクラッチ６２８とカム面とで形成されるワンウェイクラッチを介して、ライトカップ１２に連結され、これにより、ハブシェル７４に連結されている。

図１５はシフト／補助機構９０の分解組立図であり、図１６は軸３６に組み立てられたシフト／補助機構９０を示す斜面図であり、図１７はクラッチリング５６２が第１遊星ギアキャリア５５０に連結される場合のシフト／補助機構９０を示す詳細図であり、図１８はクラッチリング５６２が第１遊星ギアキャリア５５０から外れた場合のシフト／補助機構９０を示す詳細図である。これらの図面に示されるように、シフト／補助機構９０は、リング形シフトキー部材７００と、第１回転部材としてのシフトキー部材ガイド７０４と、回収バネ７０８と、第２回転部材としてのバネワッシャ７１２と、リターンスプリング７１６と、第１連結部材としてのシフトスリーブ７２０と、バネワッシャ７２４と、爪サポート回転部材としての爪サポート７２８と、第２連結部材としてのシフトスリーブ７３２と、爪制御回転部材としての爪制御ワッシャ７３６とを備えている。シフトキー部材７００は、第４太陽ギア１６０（図１７）のクラッチカム部１７６を通ってシフトキー部材ガイド７０４の側壁７４８に形成された軸方向に延びる溝７４４内に延びる、内周側に延びるカム従動体７４０を備えている。

図１７及び図１８に示すように、第４太陽ギア１６０のクラッチカム部１７６は、第１カムステップ７５０及び第２カムステップ７５１を規定するカム面７４９を備えている。また、クラッチリング５６２は、クラッチ付勢バネ７４７によって左側に付勢されている。したがって、シフトキー部材７００が図１７に示す位置にある場合、クラッチリング５６２の遊星ギアキャリア係合スプライン５５８は、第１遊星ギアキャリア５５０のクラッチ係合スプライン５５４と係合し、クラッチリング５６２上の円周方向に配置された複数の駆動体係合スプライン７５３は、駆動体７０の相補的な複数クラッチ係合スプライン７５４と回転不能に係合し、これにより、駆動体７０とクラッチリング５６２と第１遊星ギアキャリア５５０とは１つのユニットとして回転する。しかし、シフトキー部材７００が回転されると、シフトキー部材７００のカム従動体７４０は、図１８に示すように、第４太陽ギア１６０の第２カムステップ７５１に移動する。この位置では、クラッチリング５６２の遊星ギアキャリア係合スプライン５５８が、第１遊星ギアキャリア５５０のクラッチ係合スプライン５５４から外れて、これにより、遊星ギアキャリア５５０はもはや直接には駆動体に連結されていない。

シフトキー部材ガイド７０４はまた、シフト制御スリーブ２８８の一端７５６と連結するためのシフト制御スリーブ連結開口７５２を備えている。第１バネとしての回収バネ７０８、及びバネワッシャ７１２はいずれも、シフトキー部材ガイド７０４の側壁７４８内に内周側に配置されており、回収バネ（Saver spring）７０８の第１端７５６はシフトキー部材ガイド７０４上に形成された軸方向に延びるバネレッジ（spring ledge）７６０に固定され、回収バネ７０８の第２端７６４はバネワッシャ７１２に形成されたスリーブ連結レッジ７６８の側端に固定される。

リターンスプリング７１６の第１端７７２は、バネワッシャ７１２に形成されたバネレッジ７７６に固定され、リターンスプリング７１６の第２端７８０はバネワッシャ７２４のバネレッジ７８４に固定される。バネワッシャ７２４は、軸３６内に形成された径方向に対向する軸溝７９６内に嵌め込まれた、内周側に延び、径方向に対向する軸エンゲージ突起７９２（図１５ではこのような溝７９６は１つのみ示されている）を備えており、これにより、バネワッシャ７２４は軸３６回りに回転不能に連結される。バネワッシャ７２４が軸上に回転不能に連結された結果、リターンスプリング７１６は、バネワッシャ７１２をバネワッシャ７２４に対して右回りに付勢する。

シフトスリーブ７２０の、径方向に対向する左側連結レッグ８００は、バネワッシャ７１２のスリーブ連結レッジ７６８内の相補的な凹部８０４と回転不能に係合し（図１５ではこのようなスリーブ連結レッジ７６８は１つのみ示す）、シフトスリーブ７２０の径方向に対向する右側連結レッグ８０８は、バネワッシャ７２４内にある中央開口８１２を通って延び、爪サポート７２８内の相補的なシフトスリーブ連結凹部８１６と回転不能に係合する。これにより、バネワッシャ７１２と、シフトスリーブ７２０と、爪サポート７２８とは、１つのユニットとして回転する。

径方向に対向する爪８２０は、Ｃクリップ８２２を介して爪サポートピン８２４回りに回転自在に装着され、次いでバネワッシャ７２８に装着される。それぞれが、爪サポート７２８のバネ固定レッジ８３６と係合する一端８３２と対応する爪８２０と係合する他端８４０とを有する付勢機構としての爪付勢バネ８２８は、爪端８４４を外周側に付勢する。爪制御ワッシャ７３６は、通常爪８２０を内周側に押す、径方向に対向しかつ軸方向に延びる爪制御レッジ８５０を備えている。爪制御レッジ８５０が以下にさらに詳細に説明するように爪８２０から移動すると、爪８２０は、外周側に回動して、駆動体７０の内周面に形成されたシフト補助歯８５４（図１７）と係合する。

シフトスリーブ７３２の径方向に対向する左側連結レッグ８６０は、シフトスリーブ７２０の径方向に対向する右側連結レッグ８０８に当接し（図２０に示す）、またシフトスリーブ７３２の径方向に対向する右側連結レッグ８６８は、爪制御ワッシャ７３６内の連結凹部８７２を介して回転不能に延び、ベアリングコーン１０２にある開口８７６を介してアクチュエータ板１０４にある相補的なシフトスリーブ連結凹部８８０と回転不能に係合する。これにより、シフトスリーブ７３２と、爪制御ワッシャ７３６と、アクチュエータ板１０４とは１つのユニットとして回転する。しかし、シフトスリーブ７３２は、以下にさらに詳細に説明するように、シフトスリーブ７２０及び爪サポート７２８に対し右回りに回転し得る。リターンスプリング７１６がバネワッシャ７１２をバネワッシャ７２４に対して右回りに付勢し、また、バネワッシャ７１２がシフトスリーブ７２０を介して爪サポート７２８に連結され、さらに、爪サポート７２８がシフトスリーブ７３２を介してアクチュエータ板１０４に連結されているために、アクチュエータ板１０４はまた、図１９に概略図で示すように正味で右回りの付勢力を有している。アクチュエータ板１０４の最初の右回り開始位置を考慮すると、動力伝達機構８２における伝達経路は、アクチュエータ板１０４を左回りに回転することにより引き続いて選択される。

各速度段階階での種々の部品の連結を表１に示し、各速度段階階の動力伝達経路を表２に示す。

自転車が加速する場合のように、速度段階４から速度段階５にシフトする場合は、連結機構のタイミングは以下の手順に従うように設定される。

これにより、自転車が加速し、乗り手が速度段階４から速度段階５にシフトする場合は、第１太陽ギア１６４がまず外れて、速度段階３と同様な状態が生じる。乗り手はこれをペダルのわずかな加速として感じるが、これは自転車が加速する場合は予測されることである。次に、クラッチリング５６２が第１遊星ギアキャリア５５０と係合して、速度段階７と同様な状態を生じる。乗り手はこれをペダルの減速として感じるが、これは変速機が高変速比にシフトする場合は予測されることである。そして、第２太陽ギア１６８が外れて望ましい速度段階４が得られる。クラッチリング５６２が係合する前に太陽ギアが外れると、変速機は速度段階１と同様な状態にあり、これは極めて望ましくないペダルの急速な加速を生じ、変速機が速度段階５までシフトを完了するときに大きなショックを生じる。

このシーケンスはまた、自転車が減速して乗り手が速度段階５から速度段階４にシフトしたいと望む場合にも、特に有益である。この場合は、速度段階５から速度段階７への一時的な移行がペダルの減速が生じるが、これはクラッチリング５６２が最初に外れる場合よりははるかに好ましい。クラッチリング５６２が最初に外れると、次に変速機が速度段階１と同様な状態となり、ペダルの急速な加速を伴う。ペダルのこのような急な加速は、例えば丘を登るような場合は望ましくない。その後、変速機は速度段階７から速度段階３への一時的な移行を行う。これは、ペダルの加速を生じるが、乗り手がその時点にある速度段階３は、速度段階４に隣接しているために、この移行はあまり問題とはならない。そして、変速機は望ましい速度段階４への移行を行う。速度段階５から速度段階４への全シフトは、これにより、このような急な加速または減速をできるだけ回避したい状態において、ペダルの過剰加速または減速を排除する。

前述のように、変速ハブ１４はまた、スプロケット５４（及び、したがって駆動体７０）が後部方向に回転される場合に、軸３６回りのハブシェル７４の回転を停止するためのコースターブレーキ８６を備えている。図２に示すように、コースターブレーキ８６は、ハブシェル７４回りに回転不能に支持され、円周方向に配置されているブレーキ面８９０を規定するレフトカップ１２４と、ブレーキバネ８９８によりブレーキ面８９０から内周側に付勢されている円周方向に配置された複数の弓形ブレーキシュー８９４と、円周方向に配置された複数のローラ９００を支持するローラケージ５９７と、第２遊星ギアキャリア５５２の外周面に円周方向に配置された複数のカム面９０４とを備えている。円周方向に配置されている複数の爪９０８は、ローラケージ５９７に装着されており、レフトカップ１２４の右側に形成された内周ギア９１６と係合するための爪バネ９１２により外周側に付勢されている。爪９０８は、第２遊星ギアキャリア５５２の前方回転をレフトカップ１２４、したがってハブシェル７４に伝達する。

コースターブレーキ８６はスプロケット５４を反対方向に回転することにより作動される。クラッチリング５６２の遊星ギアキャリアスプライン５５８と第１遊星ギアキャリア５５０のクラッチ係合スプライン５５４とはテーパー形状にされており、クラッチリング５６２が第１遊星ギアキャリア５５０と係合し、スプロケット５４が反対方向に回転してコースターブレーキを起動すると、クラッチリング５６２が第１遊星ギアキャリア５５０から外れる。したがって、その時点で変速ハブ１４がいずれの速度段階にあるかにかかわらず、駆動体７０の回転力は、以下の経路に沿って伝達される：駆動体７０→爪５９０→第１リングギア５５１→第１遊星ギアキャリア５５０→第２遊星ギアキャリア５５２→ブレーキローラ９００→ブレーキシュー８９８→ブレーキ面８９０→ハブシェル７４。この経路は、変速機経路がクラッチリング５６２を介する場合よりも１.３倍のブレーキ力を供給する。

前述のように、シフト／補助機構９０はまた、駆動体７０の回転力を利用して動力伝達機構８２における動力伝達経路の変更に役立つ。これは、大きな駆動力がスプロケット５４に加えられる場合に望ましく、種々の部品の連結または連結解除に対し大きな抵抗を生じさせる。通常の操作中は、アクチュエータ板１０４と、シフトスリーブ７３２と、爪制御ワッシャ７３６と、爪サポート７２８と、シフトスリーブ７２０と、バネワッシャ７１２と、シフトキー部材ガイド７０４と、シフト制御スリーブ２８８とは、１つのユニットとして回転して、種々の部品を連結または連結解除する。この結果、シフトスリーブ７３２と、爪制御ワッシャ７３６と、爪８２０と、シフトスリーブ７２０との位置は図２０に示すようになる。この状態では、爪８２０は駆動体７０のシフト補助歯８５４から外れている。しかし、スプロケット５４に対して大きな駆動力が加わってシフト制御スリーブ２８８の作動に大きな抵抗が生じると、シフト制御スリーブ２８８はアクチュエータ板１０４が回転するにも関わらず静止したままに留まる傾向がある。この場合は、シフトスリーブ７３２はシフトスリーブ７２０回りを回転して、これにより、爪サポート７２８回りに爪制御ワッシャ７３６の回転を生じさせて、爪制御レッジ８５０が図２１に示すように爪８２０から移動して離れる。この結果、爪８２０は外周側に回転して、駆動体７０のシフト補助歯８５４と係合し、爪サポートは駆動体７０と共に回転する。これにより、シフトスリーブ７２０と、シフトキー部材ガイド７０４と、シフト制御スリーブ２８８とを回転させるための補助力が供給されて、シフト操作が完了する。シフト制御スリーブ２８８からの抵抗が克服されると、爪サポート７２８は、シフト操作が完了して図２０に示される状態に戻るまで、図２２に示すように爪制御ワッシャ７３６回りに右回りに回転する。

図２３は、本発明の他の実施形態を代表する変速ハブ１４’の縦断面図である。変速ハブ１４’は、変速ハブ１４とほぼ同様に構成されており、したがって同一部品は同番号で示されている。本実施形態は、コースターブレーキ８６と爪５９０が省略されて（ブレーキディスクローターが取り付けホール９５０でハブシェル７４に装着されている）、ローラクラッチ９５２が爪９０８に置換されており、シフト／補助機構９０’の構造が第１実施形態におけるシフト／補助機構９０とわずかに異なっている点に相違がある。図２４は、シフト／補助機構９０’の相当する部分の分解組立図である。本実施形態においては、バネワッシャ７２４’は、軸３６回りに回転自在に装着されて、シフトスリーブ７３２’の左側レッグ８６０’がバネワッシャ７２４’と係合している。この結果、バネ７１６は、爪サポート７２８と爪制御ワッシャ７３６とを互いに反対方向に付勢させることにより補助機能を与えるが、爪制御レッジ８５０は、爪８２０に当接し、爪制御ワッシャ７３６が爪サポート回りでそれ以上回転することを阻止する。この結果、アクチュエータ板１０４には正味のリターンスプリング付勢力が与えられることがなくなる。この構造は、アクチュエータ板１０４が電池動力モータによって回転される場合は、アクチュエータ板１０４が付勢されていないためにモータ作動中に著しい電池消耗が生じないため、有用である。

上記は、本発明による様々な実施形態の説明であるが、本発明の意図と範疇から逸脱することなくさらに変更してもよい。例えば、種々の部品のサイズ、形状、位置または定位は、必要に応じて変更してもよい。１つの部材の機能は２つの部材によって実施されてもよく、またその逆も可能である。特定の実施形態においてすべての利点を同時に現す必要はない。従来の技術により特定のすべての特徴は、単独または他の特徴との組み合わせであっても、このような特徴によって具体化される構造的及び／または機能的概念を含み、出願人によるさらに進んだ発明についての別個の説明として見なされるべきである。したがって、本発明の範疇は、開示される特定の構造または特徴に対する明らかな最初の焦点によって限定されるべきではない。

本発明の多くの特徴を含む変速ハブを備えた自転車の後部の側面図。本発明による変速ハブの特定の実施形態の縦断面図。変速ハブ内で用いられる軸と太陽ギア装置の分解図。軸と太陽ギア装置との組立図。第１または第２太陽ギアのいずれかに使用される太陽ギアガイドリングがどのように軸に嵌め込まれるかを示す側面図。第３太陽ギアに使用される太陽ギアガイドリングがどのように軸に嵌め込まれるかを示す側面図。変速ハブ内で用いられるシフト制御スリーブの側面図。図７の線VIII‐VIIIに沿う断面図。線IＸ‐IＸに沿う断面図。線Ｘ‐Ｘに沿う断面図。第１位置にあるシフト制御スリーブを示す図２の線ＸI‐ＸIに沿う断面図。第２位置にあるシフト制御スリーブを示す図２の線ＸI‐ＸIに沿う断面図。第３位置にあるシフト制御スリーブを示す図２の線ＸI‐ＸIに沿う断面図。第４位置にあるシフト制御スリーブを示す図２の線ＸI‐ＸIに沿う断面図。変速ハブ内で使用されるシフト／補助機構の分解図。太陽ギア装置及びシフト／補助機構の組み立てた状態を示す斜面図。駆動体が遊星ギアキャリアに連結される場合のシフト／補助機構を示す詳細図。駆動体が遊星ギアキャリアに連結されていない場合のシフト／補助機構を示す詳細図。シフト／補助機構の付勢を示す概略図。操作不能状態にあるシフト／補助機構を示す図１７の線ＸＸ‐ＸＸに沿う断面図。操作状態にあるシフト／補助機構を示す図１７の線ＸＸ‐ＸＸに沿う断面図。操作不能状態に戻るシフト／補助機構を示す図１７の線ＸＸ‐ＸＸに沿う断面図。本発明による変速ハブの他の実施形態の縦断面図。図２３に示す変速ハブに使用するシフト／補助機構の分解図。シフト／補助機構の付勢を例示する概略図。

符号の説明

３６軸
７０駆動体
７４ハブシェル
８２動力伝達機構
１６０，１６４，１６８，１７２太陽ギア
２１０，２３４，２５８太陽ギアガイドリング
５５１，５５２リングギア
５５０，５５２遊星ギアキャリア
６０８遊星ギア
２０６，２２４，２４８ラチェット歯
２７０，２２６，２５０爪
２７２，３０２，３３２バネ
２８８爪制御スリーブ
６２８，９５２ローラクラッチ

Claims

軸芯を規定する軸（３６）と、
前記軸芯回りに回転自在に支持され、シフト制御機構（２８８）に連結するための部分を有する第１回転部材（７０４）と、
前記軸芯回りに回転自在に支持される第２回転部材（７１２）と、
前記第１回転部材と前記第２回転部材とを互いに対し所定の回転方向に付勢するよう、前記第１回転部材と前記第２回転部材との間に連結される第１バネ（７０８）と、
前記軸芯回りに回転自在に支持される爪サポート回転部材（７２８）であって、前記第２回転部材が前記第１回転部材と前記爪サポート回転部材との間に配置される爪サポート回転部材と、
前記爪サポート回転部材に回転自在に支持される爪（８２０）と、
前記爪を径方向に付勢するための付勢機構（８２８）と、
前記第１回転部材を前記爪サポート回転部材に連結する第１連結部材（７２０）と、
前記爪の径方向位置を制御するための爪制御回転部材（７３６）と、
前記第１回転部材を回転させるよう前記軸芯回りに回転自在に支持される作動部材（１０４）と、
前記爪制御回転部材が前記爪サポート回転部材に対し相対回転するよう、前記第２回転部材と前記爪制御回転部材と前記作動部材とを連結する第２連結部材（７３２，７３２’）と、
を備えた変速ハブ用シフト制御装置。