JP5145567B1

JP5145567B1 - 自転車用変速機構

Info

Publication number: JP5145567B1
Application number: JP2012134382A
Authority: JP
Inventors: 茂道順
Original assignee: 茂道順
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2032-06-14
Also published as: JP2013256241A

Abstract

【課題】自動変速機構における高負荷時のチェーンの弛み発生を防止する。
【解決手段】ペダルクランク軸１１４と同軸配置された２種類の円板が負荷に応じて相対回転することによって前記ペダルクランク軸１１４の半径方向に接近・離反可能に構成されたチェーン係止部１０６、１０８を少なくとも２つ備えた自転車用変速機構１００であって、前記チェーン係止部１０６、１０８は、前記２種類の円板から回転可能に軸支された第１のスプロケット１０６で構成されると共に前記ペダルクランク軸１１４の円周方向に等間隔で配置され、当該第１のスプロケット１０６は、自転車が前進する際の前記ペダルクランク軸１１４の回転方向と同じ回転方向にのみ回転可能とされていることを特徴とする自転車用変速機構１００。
【選択図】図１

Description

本発明は、自転車の技術分野に関し、特に詳しくは負荷に応じて自動的且つ連続的に変速する変速機構に関する。

従来、ペダルクランク軸と同軸配置された２種類の円板が負荷に応じて相対回転することによってペダルクランク軸の半径方向に接近・離反可能に構成されたチェーン係止部を備えた自転車用変速機構が公知である（特許文献１参照）。

図８〜９に、当該特許文献１に記載される自転車用変速機構と同様の変速機構１を示している。この自転車用変速機構１においては、異なる形状のスリットが形成された２種類の円板が一組となって、チェーン１０を係止する駆動スプロケット歯車片２０をペダルクランク軸３０の軸方向両側から支持している（合計４枚の円板による支持）。駆動負荷に応じて当該駆動スプロケット歯車片２０が、スリットに案内されながらペダルクランク軸３０の半径方向に移動することで変速が実現される。具体的には、低負荷時（下り時、平地走行時、一定速度走行時など）においては、図８に示しているように、駆動スプロケット歯車片２０が円板のペダルクランク軸３０の半径方向外側、即ち円板の外周方向に位置しているが、高負荷（上り坂、加速時など）になるにつれて、図９に示しているように、駆動スプロケット歯車片２０が円板のペダルクランク軸３０の半径方向内側、即ち円板の中心方向に位置することによって連続的に変速が実現されるというものである。

特開平１１−１８９１９１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の自転車用変速機構１においては、特に低負荷時から高負荷状態に一気に変速が進行するような場合において、図９に示しているように、チェーン１０に弛みが発生してしまう。これは２つの駆動スプロケット歯車片２０が互いにペダルクランク軸３０に接近する方向に移動してもチェーン７０との歯合位置が変わらないことに起因する。

このような弛みが生じると、弛んだチェーン１０が他の部材と接触することによる打撃音が発生したり、摺動することによる摺動音が発生する。更に、弛みによって駆動スプロケット歯車片２０からチェーンが外れてしまう等を助長することにもなる。加えてこの弛みによって、より早い段階から下方に位置する駆動スプロケット歯車片２０からリリースされてしまいチェーン２０との歯合数が減少するので、ペダルクランク軸３０から伝達される駆動トルクを効率的にチェーン１０で伝達出来ないといった問題も発生し得る。

そこで本発明は、上記問題点を解決した自転車用自動変速機構を提供する事をその課題としている。

上記課題を解決するべく、本願発明は、ペダルクランク軸と同軸配置された２種類の円板がチェーンから受ける負荷に応じて相対回転することによって前記ペダルクランク軸の半径方向に接近・離反可能に構成されたチェーン係止部を２つ備えた自転車用変速機構であって、
前記チェーン係止部を、前記２種類の円板から回転可能に軸支された第１のスプロケットで構成すると共に前記ペダルクランク軸の円周方向に等間隔で配置し、
当該第１のスプロケットを、自転車が前進する際の前記ペダルクランク軸の回転方向（以下「正転方向」といい、逆方向を「逆転方向」という。）と同じ回転方向にのみ回転可能とし、前記２種類の円板の相対回転を、ペダルクランク軸を巻回するように配置したバネ部材によって制御していると共に、
前記２種類の円板はそれぞれ所定幅の長穴形状のスリットを形成し、
前記第１のスプロケットを、スプロケット軸を介してこれら２種類の円板により支持し、当該第１のスプロケットと前記スプロケット軸との間に一方向にのみ回転を許容するラチェット機構を備え、且つ、当該スプロケット軸は前記スリットの所定幅よりも僅かに小さな外周面を有する円形駒を介して前記スリットにスライド可能に遊嵌すると共に、前記２種類の円板のうち一方の円板のスリットに対しては更にもう一つの円形駒及び当該円形駒を支持するピンを配置し当該ピンと前記スプロケット軸とを連結固定することによって、前記第１のスプロケットを、自転車が前進する際の前記ペダルクランク軸の回転方向と同じ回転方向にのみ回転可能とすることを特徴とする。

このように構成した事によって、高負荷時、駆動スプロケットがペダルクランク軸側に移動して駆動スプロケット同士が接近する事によって両者間に架設係止していたチェーンに弛みが生じるような事象が発生した場合でも、より正転方向に位置する駆動スプロケット自身が正転方向に回転することによって当該弛みが瞬時に解消されるのである。

本発明を適用することで、変速時に生じ得るチェーン弛みの発生を防止出来ると共に、チェーンの弛みにより発生し得る打撃音や摺動音の発生、チェーン脱落を防止することができる。

本発明に係る変速機構及びチェーン、後輪側スプロケットを含めた動力伝達系統の全体を示した図であって、（ａ）が低負荷時の状態、（ｂ）が高負荷時の状態を示した図である。本発明に係る変速機構の分解組み立て図である。変速機構を構成する２種類の円板の正面図であって、（ａ）が駆動板、（ｂ）が制御板を示した図である。変速機構の断面図（図５のＢ−Ｂ線に沿う断面）である。図４の矢示Ａ−Ａ線部分断面図である。（ａ）が図４のＣ部周辺拡大図、（ｂ）が駆動スプロケットの軸方向中央断面図である。本発明に係る変速機構の動作状態を示した図であって、（ａ）が低負荷時の状態、（ｂ）が高負荷時の状態を示した図である。従来の変速機構における低負荷時のチェーン係止部及びチェーンの状態を示した図である。従来の変速機構における高負荷時のチェーン係止部及びチェーンの状態を示した図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態の一例である自転車用変速機構１００について説明を加える。なお、図面理解容易の為、各部の大きさや寸法を誇張して表現している部分があり、実際の製品と必ずしも一致しない部分があることを付記しておく。また各図面は符号の向きに見るものとし、当該向きを基本に上下左右、手前、奥と表現する。

〈自転車用変速機構の構成〉
図１に示しているように、本発明に係る自転車用変速機構（以下単に「変速機構」という。）１００は、自転車（自転車自体は図示していない。）のフロントスプロケット側に配置される変速機構である。当該変速機構１００は、チェーン１４０によって後輪スプロケット２１０と連結しており、ペダル２０１に加えられた回転を、クランク２００を介して受け入れると共に、受け入れた回転を負荷に応じてスプロケットの位置を変位しつつチェーン１４０、及び後輪スプロケット２１０、更には後輪（図示していない）に伝達可能とされている。また、変速機構１００と後輪スプロケット２１０の間、より正確には、チェーン１４０の正転方向にみて変速機構１００と後輪スプロケット２１０の間には、チェーン１４０に一定のテンションをかけるテンション機構２２０が備わっている。このテンション機構２２０には、一定の力で回転軸２２２を中心とする正転方向への回転力が加えられており、図１（ａ）に示しているように低負荷状態であっても、更には図１（ｂ）に示しているように高負荷状態であっても、チェーン１４０が下方に大きく弛むことがないように構成されている。

また、チェーン１４０は、交互に配された２つの駆動スプロケット（第１のスプロケット）１０６と２つの補助スプロケット（第２のスプロケット）１０８の外周で噛み合うようになっていて、且つ、ペダルクランク軸１１４を中心に互いに９０度ずつ離れて構成されている。その結果、これら４個のスプロケットのうち常時少なくとも３つのスプロケットがチェーン１４０と歯合可能となっている。即ち駆動スプロケット１０６のうち少なくとも１個はチェーン１４０と常時噛み合うこととなりチェーン１４０を牽引してペダルクランク軸１１４の回転がチェーン１４０を介して後輪スプロケット２１０に伝達され走行可能とされている。

図２に示しているように、変速機構１００は、主として４枚の円板（２枚の駆動板１０２及び２枚の制御板１０４）と４つのスプロケット（２つの駆動スプロケット１０６及び２つの補助スプロケット１０８）とテンションバネ１１８により構成されている。

４枚の円板のうち外側に位置する２枚の円板が駆動板１０２であり、ペダルクランク軸１１４と同軸となるように連結固定されると共にクランク２００にも連結固定されている。即ち、クランク２００が一回転するとペダルクランク軸１１４も常に一回転し、同様に駆動板１０２も常に一回転する関係にある。

また、各駆動板１０２の内側にはそれぞれ制御板１０４が配置されている。この２つの制御板１０４同士は制御板固定軸１１６によって連結固定されている。制御板１０４同士が連結固定される一方で、これら制御板１０4とペダルクランク軸１１４とは直接固定されておらず、制御板１０４はペダルクランク軸１１４に対して相対回転可能である。また制御板１０４と駆動板１０２も直接固定されておらず、制御板１０４は駆動板１０２に対して相対回転可能である。

２枚の制御板１０４の間にはペダルクランク軸１１４に巻回するようにテンションバネ（巻きバネ）１１８が備わっている。このテンションバネ１１８は一端が制御板１０４に固定され、他端が（直接若しくは間接的に）ペダルクランク軸１１４に固定されている。即ち、制御板１０４とペダルクランク軸１１４は直接連結固定されていないが、当該テンションバネ１１８を介して連結されており、当該テンションバネ１１８のテンション力を超える力が制御板１０４に加わると、２枚の制御板１０４が連動して、駆動板１０２やペダルクランク軸１１４に対して相対回転する構成となっている。

また２枚の制御板１０４の間には、４つのスプロケット（２つの駆動スプロケット１０６及び２つの補助スプロケット１０８）が配置されている。各スプロケット１０６、１０８には当該スプロケットの回転を支持するための軸１１０、１１２が備わっていて、これら軸１１０、１１２が各円板に設けられたスリット（ガイド溝）を挿通するように組み付けられる（この点の詳細は後述する。）。

図３（ａ）にも示しているように、駆動板１０２には中央にペダルクランク軸１１４を通す為の中心穴１０２ｃが設けられると共に、円周方向に等間隔に（９０度間隔で）一定幅の４つのスリットが形成されている。図３（ａ）において上下に位置する２つのスリットは左右に位置するスリットよりも僅かに長く形成されている。要するに円周方向に交互に長いスリットと短いスリットが配置されている。長い方のスリットを駆動板第１スリット１０２ａ、短い方のスリットを駆動板第２スリット１０２ｂと定義する。なおこれら駆動板第１スリット１０２ａ及び駆動板第２スリット１０２ｂのいずれもが、正転方向に向かって僅かに凹となるような円弧形状に且つ中心穴１０２ｃから半径方向外側に向かって放射状に形成されている。

同様に、図３（ｂ）に示しているように、制御板１０４にも中心穴１０４ｃ、及び円周方向等間隔に（９０度間隔で）一定幅の４つの制御板スリット１０４ａが形成されている。本実施形態においては４つの制御板スリット１０４ａはいずれも同じ形状である。なお制御板スリット１０４ａはいずれもが、正転方向に向かって僅かに凸となるような円弧形状に且つ中心穴１０４ｃから半径方向外側に向かって放射状に形成されている。

２枚の制御板１０４の間に挟まれるように配置される４つのスプロケットのうち２つは自身の内部にラチェット機構（逆回転防止機構）１３２を備えた駆動スプロケット１０６である。このラチェット機構１３２は、図６に示しているように、駆動スプロケット１０６の内部に配置され且つ駆動スプロケット軸１１０と連結されたラチェットギヤ１３２aと、駆動スプロケット歯１０６ａ側にストッパ固定軸１３２ｃで軸支されたストッパ１３２ｂで構成されており、正転方向には回転できるが逆転方向には回転することが出来ないように構成される。

この駆動スプロケット１０６に備わる駆動スプロケット軸１１０は、制御板１０４の制御板スリット１０４ａに挿通されると共に駆動板１０２の駆動板第１スリット１０２ａに挿通するように組み付けられている（図２、図４、図６を併せて参照）。制御板１０４の制御板スリット１０４ａには、当該制御板スリット１０４ａの幅よりも僅かに狭い外周面を有する駆動スプロケット用第１駒（円形駒、ベアリンク）１２０が遊嵌していて、当該駆動スプロケット用第１駒１２０に対して駆動スプロケット軸１１０が嵌合固定されている。その結果、駆動スプロケット１０６は制御板１０４の制御板スリット１０４ａに沿ってスムースに移動することが出来るように構成されている。更に、駆動スプロケット軸１１０の端部側には駆動スプロケット用第２駒（円形駒）１２２が嵌合固定されており、当該駆動スプロケット用第２駒１２２が駆動板１０２の駆動板第１スリット１０２ａに遊嵌している。またこの駆動スプロケット用第２駒１２２は駆動板第１スリット１０２ａの幅よりも僅かに小さな外周面を備えた円形の駒に構成されているので、駆動スプロケット１０６は駆動板１０２の駆動板第１スリット１０２ａに沿ってスムースに移動することが出来るように構成されている。

更に駆動スプロケット軸１１０には、駆動スプロケット第２駒を挟むように矩形の駆動スプロケット駒連結板１３０の長手方向一旦側が嵌合固定されていて、且つこの駆動スプロケット駒連結板１３０の長手方向他端側にピン１２６が嵌合固定される。このピン１２６は駆動板第１スリットに通されると共に駆動スプロケット用第３駒（円形駒）１２４を介して駆動板第１スリット内をスライド可能に組み付けられている。このように駆動スプロケット軸１１０は、駆動板１０２の駆動スリット１０２ａに案内されて移動する事が出来るが、連結板１３０やピン１２６の存在によって回転することは出来ないように構成されている。

２枚の制御板１０４の間に挟まれるように配置される４つのスプロケットのうち他の２つは駆動スプロケット１０６のようなラチェット機構（逆回転防止機構）１３２を有しない補助スプロケット１０８である。補助スプロケット１０８には補助スプロケット軸１１２が固定されている。

この補助スプロケット１０８に備わる補助スプロケット軸１１２は、制御板１０４の制御板スリット１０４ａに挿通されると共に駆動板１０２の駆動板第２スリット１０２ｂに挿通するように組み付けられている（図２、図４、図６を併せて参照）。制御板１０４の制御板スリット１０４ａには、当該制御板スリット１０４ａの幅よりも僅かに狭い外周面を有する補助スプロケット用駒（円形駒、ベアリンク）１２８が遊嵌していて、当該補助スプロケット用駒１２８に対して補助スプロケット軸１１２が嵌合固定されている。その結果、補助スプロケット用駒１２８は制御板１０４の制御板スリット１０４ａに沿ってスムースに移動することができ且つ制御板１０４に対して自由に回転することも出来ように構成されている。更に、補助スプロケット軸１１２の更に端部側にも補助スプロケット用駒（円形駒）１２８がもう一つ嵌合固定されており、当該補助スプロケット用駒１２８が駆動板１０２の駆動板第２スリット１０２ｂに遊嵌している。またこの補助スプロケット用駒１２８は駆動板第２スリット１０２ｂの幅よりも僅かに小さな外周面を備えた円形の駒に構成されているので、補助スプロケット１０８は駆動板１０２の駆動板第２スリット１０２ｂに沿ってスムースに移動でき且つ駆動板１０２に対して自由に回転することも出来ように構成されている。

なお本実施形態においては、図面上では正確に表現されていないが、各駒はベアリング状になっていて駆動スプロケット軸１１０や補助スプロケット軸１１２に対して自由に回転することができるように構成されている。

このように、駆動板第１スリット１０２ａと制御板スリット１０４ａの交叉により、同一軸上に配された駆動スプロケット用第１駒１２０及び駆動スプロケット用第２駒１２２の動きは制御されその位置が一意的に確保されると共に、駆動板第２スリット１０２ｂと制御板スリット１０４ａの交叉により、同一軸上に配された補助スプロケット用駒１２８の動きは制御されその位置が一意的に確保される構成とされている。その結果各スプロケット１０６、１０８の位置が駆動板１０２と制御板１０４の相対回転位置に応じて一意的に確保される構成となっている。

〈自転車用変速機構の作用・機能〉
駆動板１０２と制御板１０４は、負荷が掛かっていない状態では既存の自転車のフロントスプロケットと同様にペダルクランク軸１１４の回転と同じ回転をする。また、テンションバネ１１８には組み立て当初からテンションが或る程度掛かるように（プリロード状態で）組みつけられていて、チェーン１４０側からの負荷が無い状態ではこのプリロードによって各駒は全てスリット外周端（半径方向外側）に押し向けられている（図７（ａ）参照）。

一方、加速時など、テンションバネ１１８のプリロードに打ち勝つ負荷が発生すると（例えば上り坂や加速時など）、駆動板１０２は正転方向（前方）に回転しようとする一方で、ペダルクランク軸１１４と直結していない制御板１０４はチェーン１４０に引っ張られて逆転方向に回転しようとする。即ち、駆動板１０２と制御板１０４とが相対回転（変位）する。この相対回転によって両板のスリットの相対位置が変位し、それに応じて各スプロケット１０６、１０８がペダルクランク軸１１４側（中心側）に移動する（図７（ｂ）参照）。なお、自転車の漕ぎ出し時は後輪スプロケット２１０が停止しているためチェーン１４０は前進しない。従って、制御板１０４は、逆向きの回転のみであるが、走行時には駆動板１０２に対して逆向きの回転をしつつ、前進するチェーン１４０を牽引しながらペダルクランク軸１１４の回転に追随することとなる。また、図面においては極端に表現しているが、負荷の程度に応じて徐々に無段階的に移動するのであって、図７に示した位置関係に限られない。

このように負荷に応じて各スプロケット１０６、１０８がペダルクランク軸１１４側（中心側）に移動して、２つの駆動スプロケット１０６を繋ぐのに必要なチェーン１４０の長さが変化して弛みが発生した場合でも、本発明に係る変速機構１００においては、より正転方向に位置する駆動スプロケット１０６自体が正転方向に回転する事によって瞬時にその弛みを吸収する事が可能となっている。その結果、変速時に生じ得るチェーン１４０弛みの発生を防止出来ると共に、チェーン１４０の弛みにより発生し得る打撃音や摺動音の発生、チェーン１４０脱落を防止することができる。

なお駆動板１０２と制御板１０４の相対的な回転角の大きさは、チェーン１４０からの負荷とテンションバネ１１８のバネレート（反発力）の強さとの力関係により変化するものである。

また、更に、駆動スプロケット１０６に連動してペダルクランク軸１１４の半径方向に接近・離反可能に構成された補助スプロケット１０８を備え、この補助スプロケット１０８が、駆動スプロケット１０６間に等間隔となるように配置されているので、負荷状態応じて、且つ、ペダルクランク軸１１４の回転位置に関わらず、チェーン１４０をペダルクランク軸１１４からより均等位置（ペダルクランク軸１１４の半径方向に均等な位置）に保持する事が可能となっている。換言すると、チェーン１４０の軌道を、ペダルクランク軸１１４の回転位置に関わらず負荷状態に応じて一定の距離に保つことが可能となっている。

また、駆動板１０２はペダルクランク軸１１４に固定されると共に所定幅の駆動板第１スリット１０２ａが形成され、このスリット幅よりも僅かに小さく構成された外周面を有することで当該スリット内を自由にスライドできる駆動スプロケット用第２駒１２２と駆動スプロケット用第３駒１２４の２つの駒が駆動板第１スリット１０２ａに対して設置されると共に当該２つの駒を連結する駆動スプロケット用連結板１３０を備え、更に、駆動スプロケット１０６が、駆動スプロケット用第２駒１２２を介して駆動板１０２から軸支されると共にこの駆動スプロケット用第２駒１２２に対してラチェット機構１３２によって一方向にのみ回転可能に構成されていることから、負荷に応じて駆動スプロケット１０６が駆動板１０２に形成された駆動板第１スリット１０２ａを自在に移動できると共に、駆動スプロケット１０６自体の回転を正転方向にのみ制限することが可能となっている。

〈その他の構成例〉
なお、駆動板１０２や制御板１０４に形成されている各スリットの大きさや形状、数等は特に上記例に限定されるものではない。目的等に応じて適宜変更する事が可能である。

１００・・・自転車用変速機構
１０２・・・駆動板
１０２ａ・・・駆動板第１スリット
１０２ｂ・・・駆動板第２スリット
１０４・・・制御板
１０４ａ・・・制御板スリット
１０６・・・駆動スプロケット
１０６ａ・・・駆動スプロケット歯
１０８・・・補助スプロケット
１１０・・・駆動スプロケット軸
１１２・・・補助スプロケット軸
１１４・・・ペダルクランク軸
１１６・・・制御板固定軸
１１８・・・テンションバネ
１２０・・・駆動スプロケット用第１駒
１２２・・・駆動スプロケット用第２駒
１２４・・・駆動スプロケット用第３駒
１２６・・・ピン
１２８・・・補助スプロケット用駒
１３０・・・駆動スプロケット駒連結板
１３２・・・ラチェット機構
１３２ａ・・・ラチェットギヤ
１３２ｂ・・・ストッパ
１３２ｃ・・・ストッパ固定軸
１４０・・・チェーン
２００・・・クランク
２０１・・・ペダル
２０２・・・ダウンチューブ
２０４・・・シートチューブ
２０６・・・チェーンステイ
２１０・・・後輪スプロケット
２２０・・・テンション機構

Claims

ペダルクランク軸と同軸配置された２種類の円板がチェーンから受ける負荷に応じて相対回転することによって前記ペダルクランク軸の半径方向に接近・離反可能に構成されたチェーン係止部を２つ備えた自転車用変速機構であって、
前記チェーン係止部は、前記２種類の円板から回転可能に軸支された第１のスプロケットで構成されると共に前記ペダルクランク軸の円周方向に等間隔で配置され、
当該第１のスプロケットは、自転車が前進する際の前記ペダルクランク軸の回転方向と同じ回転方向にのみ回転可能とされ、
前記２種類の円板の相対回転が、ペダルクランク軸を巻回するように配置されたバネ部材によって制御されると共に、
前記２種類の円板にはそれぞれ所定幅の長穴形状のスリットが形成され、
前記第１のスプロケットは、スプロケット軸を介してこれら２種類の円板から支持され、
当該第１のスプロケットと前記スプロケット軸との間に一方向にのみ回転を許容するラチェット機構を備え、且つ、当該スプロケット軸は前記スリットの所定幅よりも僅かに小さな外周面を有する円形駒を介して前記スリットにスライド可能に遊嵌すると共に前記２種類の円板のうち一方の円板のスリットに対しては更にもう一つの円形駒及び当該円形駒を支持するピンを配置し当該ピンと前記スプロケット軸とを連結固定することによって、前記第１のスプロケットが、自転車が前進する際の前記ペダルクランク軸の回転方向と同じ回転方向にのみ回転可能とされている
ことを特徴とする自転車用変速機構。