JP5476465B2 - 多段ギア変速装置 - Google Patents

Description

多段遊星ギア式変速装置に関する。

多段ギア変速装置は実生活や産業現場で適用される様々な実施例が知られている。一つの例として自転車においては、複数のスプロケットを重ねて後輪ハブとクランクにそれぞれ設置してチェーンで結合し、変速機を通じて変速段を選択することが一番一般的である。このような変速装置は２７段階の変速比を実現することが可能である。しかし、変速比が重なったり、各段から次の段に変速する時に所定の割合で変速されないという問題点がある。

また、他の形態として、ハブ内に遊星ギアを設置し、太陽ギアを中心軸と結合したり分離するように太陽ギアの回転を制御して変速する遊星ギア式ハブ変速機がある。

ハブ変速機の太陽ギアが中心軸に結合する一つの方法として、ラチェットポールを太陽ギアの内面に形成し、ポールが結合する結合溝を中心軸に形成して、変速軸で上記結合溝にポールが結合したり分離することを制御するように構成することで、８段階の変速比を有する変速機が知られている。この形態は変速のための変速軸と周辺部品の形状が複雑で且つその数が多くて製造することが困難で、変速段の間の増速比が一定しないという問題点がある。

また、他の方法として、ポールを中心軸の外周面に装着し、中心軸の中空部にカム面を有する変速軸を装着し、ポールが結合する結合溝を太陽ギアの内周面にラチェットを形成してポールがカム面に沿って起立するか没入されて太陽ギアと結合したり分離するように構成することで、１４段階の変速比を有する変速機が知られている。この形態は変速軸を中心軸に挿入し、変速軸を２回転させることで変速段の数を増やしている。

上記形態の変速機を参照して、本発明の目的は多様な変速段を効果的に構成することができ、構造が小型で且つ軽量な多段の遊星ギア式変速装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、走行中や停止中にも変速のために動力を遮断したり迂回させないで直ちに変速可能であり、変速機の各段は同じ変速比で次の段に転換される多段ギア変速装置を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明の多段ギア変速装置は、フレームに回転しないように設置された中心軸と；上記中心軸に回転可能に同軸上に装着された入力部材と；上記入力部材と結合して、上記ハブに装着され、上記中心軸に回転可能に同軸上に整列され、太陽ギア１１、２１、３１、４１とリングギア１４、２４、３４、４４とキャリア１３、２３、３３、３４と衛星ギア１２、２２、３２、４２を有する遊星ギアを少なくとも２組１、２、３、４を並べて配置し、隣接する２組の遊星ギアが互いにリングギアとキャリアを交差して回転不可能に結合する（１３と２４、１４と２３、３３と４４、３４と４３）遊星ギア対を有する遊星ギア組立体と；上記それぞれの太陽ギアが上記リングギアまたは上記キャリアまたは上記衛星ギアまたは隣接する上記太陽ギアまたは上記中心軸の中の少なくとも何れか一つと選択的に結合して分離することに関与するクラッチ組立体と、上記中心軸の同軸上で上記中心軸に対して回転方向位置を選択することで上記クラッチ組立体の作動に関与する変速軸と；上記遊星ギア組立体を囲んで中心軸に回転可能に同軸上に装着されたハブと；を含み、上記変速軸の回転方向位置によって上記入力部材と出力部材との間に３段以上のギア比を提供する。

本発明の多段ギア変速装置は、２組の遊星ギアを組み合わせて３段のギア比を提供する遊星ギア対を基盤として、遊星ギア対に遊星ギアを追加して結合することで６段、９段、１２段、１８段またはれ以上の変速比を提供することができる。ここで、入力部材は、太陽ギア、キャリア、リングギアの中の何れか一つであってもよく、出力部材は太陽ギア、キャリア、リングギア、ハブの中の何れか一つである。

請求項２に係る多段ギア変速装置の上記遊星ギア組立体は、請求項１において、内周面に複数の凹まれた結合面を有して中心軸と選択的に連結されることができる複数の太陽ギアが相互の間に軸方向に互いに距離を隔てて配置され、上記中心軸の周面に形成されて太陽ギアと選択的に結合するポールを支持するポール溝と、上記ポール溝に支持されて、上記太陽ギアと結合したり分離される複数のポールと変速軸の周面に形成された複数の変速軸貫通孔は上記それぞれの太陽ギアに対応する軸方向の空間に配置される。

ここで、太陽ギアの凹まれた結合面とポールが協調して内歯ラチェットで作動する。

請求項３に係る多段ギア変速装置の上記遊星ギア対は、請求項１において、２組の遊星ギアを上記中心軸に回転可能に並んで配置し、上記遊星ギア対に属している二つの太陽ギアの中の一方を上記中心軸に回転不可能に結合し、他方の太陽ギアを自由に回転させて１以下のギア比と１以上のギア比で連結し、上記二つの太陽ギアを一緒に回転するように結合させるか、一方の太陽ギアと上記キャリアと一緒に回転するように結合させ、同時に、他方の太陽ギアを自由に回転させて直列（１：１）連結して上記遊星ギア対の入力キャリアと出力キャリアとの間に３段のギア比を提供する。

遊星ギア対に回転が入力される遊星ギアを入力側とし、回転が出力される遊星ギアを出力側とすれば、入力側太陽ギアを中心軸に結合させると、入力側衛星ギアが入力側キャリアとともに回転して入力された回転数より早い１以上のギア比で出力側キャリアと結合した入力側リングギアに伝達し、出力側太陽ギアを中心軸に結合すると、出力側リングギアが出力側衛星ギアを入力された回転数より遅い１以下のギア比で出力側キャリアに伝達する。遊星ギアは４つの構成要素の中の２つが結合すると一体で作動するので、太陽ギアがキャリア、衛星ギア、リングギアの中の何れか一つと一緒に回転するように結合すれば入力側と出力側は一緒に回転する。また、遊星ギア対の二つの太陽ギアを軸方向に結合させて一緒に回転させても入力側と出力側は一緒に回転する。従って遊星ギア対の入力側キャリアと出力側キャリアとの間に加速、減速、直結の３段ギア比を提供する。

請求項４に係る多段ギア変速装置は、請求項３において、上記遊星ギア対のキャリアの中の何れか一つに第３の遊星ギアを結合し、ここで、１以下の変速比または１以上の変速比の中の一つと直列連結の２段変速比を有するように構成して上記入力部材と出力部材との間に６段のギア比を提供する。

この場合に、３段のギア比を有する遊星ギア対に２段のギア比を直列連結して３×２のギア比、即ち６段のギア比を提供する。上記キャリアと結合する遊星ギアの構成要素はリングギア、キャリア、太陽ギアが可能で、上記キャリアと結合しない残り二つの要素の中の一つが入力側または出力側に作動することができる。

ここで、入力部材が入力側キャリアである時、出力部材は第３遊星ギアであり、入力部材が第３遊星ギアである時には出力部材は出力側キャリアになる。

請求項５に係る多段ギア変速装置の上記遊星ギア組立体は、請求項１において４組の遊星ギアを上記中心軸に回転可能に並んで配置し、中央の対（２と３）はそれぞれのキャリア２３、３３を互いに回転不可能に結合し、外側の二対（１と２、３と４）はそれぞれ遊星ギア対を形成して上記回転が入力される遊星ギア対の入力側キャリアと上記出力遊星ギア対の出力側キャリアとの間に９段のギア比を提供する。

請求項６に係る多段ギア変速装置は、請求項５において、上記外側の遊星ギア対はそれぞれの遊星ギア対に属している上記二つの太陽ギアの中の一方を上記中心軸に回転不可能に結合し、他方の太陽ギアを自由に回転させて１以下のギア比と１以上のギア比で連結し、上記二つの太陽ギアを一緒に回転するように結合させるか、一方の太陽ギアと上記キャリアと一緒に回転するように結合させ、同時に、他方の太陽ギアを自由に回転させて直列（１：１）連結して３段の変速比をそれぞれ選択することでそれぞれの組合によって９段のギア比を提供する。

この場合には、請求項３の３段変速器を２つ直列結合する。この時互いに異なるギア歯数を有するようにすれば（実施例参照）３×３の構成で９段のギア比を提供することができる。

請求項７に係る多段ギア変速装置は、請求項５において、上記２組の遊星ギア対の外側キャリアの中の何れか一つに第５の遊星ギアを結合し、ここで１以下の変速比または１以上の変速比の中の一つと直列連結の２段変速比を有するように構成して上記入力部材と上記出力部材との間に１８段のギア比を提供する。

第５遊星ギアが入力遊星ギア対に結合された時、入力部材は第５遊星ギアの太陽ギア、キャリア、リングギアであってもよく、入力遊星ギアのキャリアに結合する第５遊星ギアの要素も太陽ギア、キャリア、リングギアであってもよく、出力部材は第２遊星ギア対の出力キャリアである。また、第５遊星ギアが出力遊星ギア対に結合された時、入力部材は第１遊星ギア対の入力キャリアであり、出力部材は第５遊星ギアの太陽ギア、キャリア、リングギアであってもよく、入力遊星ギアのキャリアに結合する第５遊星ギアの要素も太陽ギア、キャリア、リングギアであってもよい。

請求項８に係る多段ギア変速装置の上記変速軸は、請求項１において、上記中心軸を囲んで回転する中空部と外周面に複数の半径方向貫通孔を有し、上記貫通孔を通じて上記クラッチ組立体の作動に関与し、上記ハブの外部から制御される。

この場合に、変速軸は中心軸と太陽ギアとの間で回転し、太陽ギアを中心軸と結合させたり分離させるために半径方向貫通孔を有する。結合のために中心軸に支持されるポールが使われ、半径方向貫通孔を通じてポールが太陽ギアと結合するように構成される。従って、それぞれのポールは太陽ギアと１：１に対応し、それぞれのポールに対応する貫通孔が周面に軸方向に配列されて円周方向に複数形成されている。また、変速軸はハブの外側に突出されて回転方向に制御することができる。

請求項９に係る多段ギア変速装置の上記変速軸は、請求項１において、上記中心軸の軸方向に形成された中空部に没入されて中心軸の周面に形成された半径方向の貫通孔を通じて上記クラッチ組立体の作動に関与するカムを提供し、上記ハブの外部から制御される。

この場合に、変速軸は中心軸内で回転し、太陽ギアを中心軸と結合させたり分離させるために周面にカム作動面を有する。結合のために中心軸に支持点を有し、カム従動節を有するポールが使われ、カム作動面の形状によってポールが太陽ギアに向けて立つか隠れて太陽ギアの回転を制御する。従って、それぞれのポールは太陽ギアと１：１に対応し、それぞれのポールに対応するカム作動面が周面に軸方向に配列されて円周方向に複数形成されている。また変速軸はハブの外側に突出されて回転方向に制御することができる。

請求項１０に係る多段ギア変速装置の上記遊星ギア組立体は、請求項９において、ハブ内に遊星ギア対を上記中心軸に回転可能に並んで配置し、上記遊星ギア対に属している二つの太陽ギアの中の一方を上記中心軸に回転不可能に結合し、他方の太陽ギアを自由に回転させて１以下のギア比と１以上のギア比で連結し、上記二つの太陽ギアを一緒に回転するように結合させるか、一方の太陽ギアと上記キャリアと一緒に回転するように結合させ、同時に、他方の太陽ギアを自由に回転させて直列（１：１）連結する３段の変速比と；上記遊星ギア対のキャリアに第３の遊星ギアと第４の遊星ギアを直列結合し、それぞれ１以下の変速比または１以上の変速比の中の一つと直列連結の２段変速比を有するように構成して上記入力部材と上記出力部材との間に１２段のギア比を提供する。

この場合には、遊星ギア対が有する３段の変速比が変速軸の１／２回転ごとに構成され、第３の遊星ギアが成す２段の変速比が変速軸１回転に構成され、第４の遊星ギアが成す２段の変速比が変速軸２回転に構成されることによって、３×２×２の１２段を構成することができる。

請求項１１に係る多段ギア変速装置の上記多段ギア変速装置は、請求項１において、３段または６段または９段または１２段変速器に考案され、各変速器のギア比は変速軸の１回転によって選択することができる。

この場合に、３段は各段の間隔が１２０°以内で考案されることができ、６段は各段の間隔が６０°以内で３段変速×２段変速の結合で考案されることができ、９段は各段の間隔が４０°以内で３段変速×３段変速の結合で考案されることができ、１２段の変速は各段の間隔が３０°以内で３段変速×２段変速×２段変速の結合で考案されることができる。特に１２段変速は３段変速が変速軸の１／４回転ごとに構成され、２段変速の中の一つは変速軸の１／２回転ごとに構成され、他の２段変速は変速軸の１回転に実現されるように構成することができる。

請求項１２に係る多段ギア変速装置の上記多段ギア変速装置は、請求項１において、６段または１２段または１８段変速器に考案され、各変速器のギア比は中心軸の２回転案内溝と変速軸の２回転（各１回転）によって選択することができる。

この場合に、６段は各段の間隔が１２０°以内で考案され、２段の変速比が変速軸２回転に構成され、１２段は各段の間隔が６０°以内で考案され、２つの２段の変速比がそれぞれ変速軸１回転ごとに、また２回転によって構成され、１８段は各段の間隔が４０°以内で３段の変速比が直列に配列された９段が変速軸の１回転に構成され、２段の変速比が変速軸の２回転に実現されるように構成することができる。

請求項１３に係る上記遊星ギア組立体の遊星ギアは、請求項１において、少なくとも一つ互いに異なる仕様の太陽ギアと衛星ギア及びリングギアを有し、請求項１４に係る多段ギア変速装置は、請求項１において、上記遊星ギア対の遊星ギアは互いに同じ仕様の太陽ギアと衛星ギア及びリングギアを有する。

遊星ギア対が同じ仕様のギアで構成されると、直結（１：１）及び増速と増速に半比例する減速の３段で構成することができ、互いに異なる変速比を有する２つの遊星ギア対が結合することで多段ギア変速装置が各段間に変速量が所定比率で変化することができるように構成することができる。（表２、３、５、６参照）

請求項１５に係る上記遊星ギア対の一方のリングギアは、請求項１において、他方のリングギアを囲んで回転して他方のキャリアと結合することで、既に結合された一方のキャリアと他方のリングギアと一緒に遊星ギア対が交差して結合される。

請求項１６に係る多段ギア変速装置は、請求項１５において、一方のリングギアと一体に結合するリングギアアダプターと他方のキャリアと一体に結合するキャリアアダプターが他方のリングギアを囲んで回転して互いに相対回転しないように堅固に結合する。

請求項１７に係る多段ギア変速装置の上記２段変速比を有するように直列結合する遊星ギアは、請求項４または請求項７または請求項１０または請求項１２において、上記遊星ギアの太陽ギアまたはキャリアまたはリングギアの中の一つは遊星ギア対のキャリアと結合し、上記遊星ギアの太陽ギアまたはキャリアの中の一つが中心軸と回転不可能に結合して上記２段の変速比の中で１以下の変速比または１以上の変速比を有し、上記遊星ギアの太陽ギアとキャリアが相対回転しないように結合して上記２段の変速比の中の直結変速比を有する。

請求項１８に係る多段ギア変速装置の上記ハブは、請求項１において、変速機の出力部材で、上記遊星ギア組立体とクラッチ組立体を囲んで回転する。

この場合に、変速器のハブは回転するようになるので、自転車やバイクの後輪に装着されるハブ変速器に適用することができる。

請求項１９に係る多段ギア変速装置は、請求項１において、上記中心軸を軸方向に貫通して回転可能に設置される回転軸と；上記回転軸を上記入力部材と一緒に回転するように連結するギアまたはチェーンまたはそれと類似するリンクを有する。

この場合の変速器は自転車やそれと類似する装置に適用するためのもので、変速器を自転車のクランク位置に設置し、自転車のクランクが中心軸を貫通して設置されて、そのクランク軸が入力部材とリンクで連結され、ハブは自転車のフレームに固定される。

請求項２０に係る多段ギア変速装置は、請求項１において、上記フレームに回転可能に設置される回転軸と、上記回転軸を上記入力部材と一緒に回転するように連結するギアまたはチェーンまたそれと類似するリンクを有する。

この場合の変速器は、変速器のハウジングがフレームに固定される一般的な形態の変速器として適用することができ、自転車に適用すると変速器を自転車クランク周辺に設置し、クランク軸と入力部材がリンクで連結され、ハブは自転車のフレームに固定される。

請求項２１に係る多段ギア変速装置の上記ハブは、請求項１９または請求項２０において、上記入力部材と出力部材を回転可能に囲んで、上記フレームに固定されるハウジングであり、上記中心軸をフレームに固定するブラケットをさらに有する。

この場合は、ハブがフレームに回転しないように固定され、同時に、変速器の中心軸を回転しないようにするためにブラケットでフレームに固定させる。

請求項２２に係る多段ギア変速装置は、請求項２１において、上記出力側に装着されたべベルギアと、上記ハウジングに支持されて上記ベベルギアと噛み合って回転するピニオンギアをさらに有する。

この場合は、クランク変速器からチェーンなしに後輪ハブで回転力を伝達するチェーンのない自転車を構成することができる。

請求項２３に係る多段ギア変速装置の上記ピニオンギアは、請求項２２において、出力側の回転力を出力軸と結合して外部に伝達し、上記ハウジングに結合して上記ピニオンギアと出力軸を支持して囲む中空のチューブをさらに有する。

この場合は、チェーンのない自転車の伝達軸を囲むチューブを変速器のハブと後輪ハブとの間に設置することができる。

本発明は多様な変速段を構成することができながらも、均一な変速比増加量を有するように効果的に構成することができ、構造が小型で且つ軽量な変速装置を提供する。また、走行中や停止中にも変速のために動力を遮断したり迂回させないで小さい力で変速可能であり、変速機の各段は順次に転換されないで、何れの次の段を選択することができる変速装置を提供する。

本発明による多段ギア変速装置の一例として自転車の後輪に設置されることができるように構成されたハブ変速機の断面図である。 図１による変速装置の略式記号図である。 本発明による多段ギア変速装置の一例として自転車クランク周辺に設置されることができるように構成された変速機の略式記号図である。 図１による変速装置の全体分解斜視図である。 図４の入力側遊星ギア対の分解斜視図である。 図４の出力側遊星ギア対の分解斜視図である。 図４の中心軸及び変速軸の分解斜視図である。 図４の出力側２段遊星ギアの分解斜視図である。 図１の５番目遊星ギア断面図である。 図１による変速機のポール作動図である。

本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的で辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者は自分の発明を最も最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に即して、本発明の技術的思想に符合する意味と概念に解釈すべきである。

従って、本明細書に記載された実施例及び図面に図示された構成は、本発明の最も好ましい一実施形態に過ぎなく、本発明の技術的思想を代弁するものではないので、本出願時点においてこれらを代替することができる多様な均等物と変形例があり得ることを理解すべきである。

ここで、用語「軸方向」は変速機の中心軸に平行である軸に沿う方向または位置を現わすために用いられる。用語「半径」及び「半径方向」は変速機の中心軸に対して直角に延長された方向または位置を現わすために用いられる。明瞭化及び簡潔化のために、図面符号に付けられる類似する構成要素（例えば、歯留めスプリング６４ａ及びポールスプリング６４ｂは単一図面符号（例えば、制御ピストン５８２））で総称される。

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳しく説明する。本実施例が自転車に用いるための変速機０を説明しているが、本発明の変速装置は入力速度を変換して出力する全ての装置に適用されることができる。

図１及び図７によれば、本発明の多段ギア変速装置の中心軸６はフレーム（図示省略）に回転しないように設置されることができるように両端面に段差６ｅを有し、中空の貫通孔６ｆを有するシャフトである。中心軸の中央周面には周面に沿って形成された２つの直結クラッチ案内溝６ａが形成され、各溝の側面には直結クラッチのための凹まれたカム面６ｂが相手溝を向けて軸方向に形成されている。このカム面の凹溝は直結クラッチ２１、３１が作動するために予めプログラムされた凹溝で、変速段数が決められると適切な間隔に設定されるが、ここでは９段変速のために４０°の間隔にプログラムされている。

中心軸６の両方周面にはラチェットポール１５、２５、３５、４５を収容する凹まれたポール溝６ｃがそれぞれ２つずつ所定間隔を隔てて軸方向に形成され、それぞれのポール溝６ｃにはポール１５、２５、３５、４５が回転して立つことができるように弾性力を加えるポールスプリング６４ａ、６４ｂ、６４ｃ、６４ｄを収容するポールスプリング溝６ｇが形成されている。

また、一方には２段クラッチ５のための２回転のクラッチ案内溝６ｄが図７のような形態に形成されている。一番目の回転６ｄ１は軸方向に原位置を保持しながら０°から３２０°まで回転し、３２０°から３６０°までは軸方向に移動し、二番目の回転６ｄ２は３６０°から６８０°まで軸方向に原位置を保持する案内溝である。

変速軸７は中心軸６を囲んで回転することができる管状の部材であり、周面にラチェットポール１５、２５、３５、４５の作動に関与する複数のポール作動孔７ｂと２段クラッチ案内ピン５８ｃ及び直結クラッチ案内ピン５８ｂを回転方向に案内する案内溝が形成されている変速軸７と、変速軸の回転を外部で制御するために連結される変速ワイヤを固定する溝７ｆと変速ワイヤを巻くための螺旋７ｅを有する変速軸７ａとで構成され、互いに相対回転しないように凹凸の突起で結合されている。変速軸７は中心軸６の側壁６ｈと中心軸に固定されるスナップリング６５によって中心軸６に軸方向に搖れないように固定され、ベアリング８ａを軸方向に支持するための段差が形成されている。

変速軸のポール作動孔８ｂは半径方向に貫通された孔で、ポールの立ちを許容するための空間を提供し、変速段数が決められると、ポール１５、２５、３５、４５が作動するために適切な間隔に予めプログラムされる。ここでは９段変速のために４０°の間隔にプログラムされている。案内ピン案内溝７ｃ、７ｄは軸方向に長く形成された貫通孔である。

ポール作動孔７ｂの回転方向側壁７ｅはポール１５、２５、３５、４５がそれぞれのポール溝６ｃに入ることに関与する。変速軸７が回転してポール１５、２５、３５、４５を制御する時にポール１５、２５、３５、４５からの回転抵抗を受けないようにポールカム２５ａ、２５ｂと協調してポール１５、２５、３５、４５がポールそれぞれの溝６ｃに円滑に入るように傾斜されている。

ポール１５、２５、３５、４５は中心軸６と変速軸７との間で中心軸６に支持点を有し、変速軸７の制御によって太陽ギア１５、２５、３５、４５に向けて立つか中心軸のポール溝６ｃに没入される回転部材である。ポールの両側ショルダにはポールを支持し、ポールが自分の位置から離脱しないように突起が形成されている。また、変速軸７の回転によってポール１５、２５、３５、４５がポール溝６ｃに入るように案内するポール案内カム２５ａ、２５ｂがポール１５、２５、３５、４５の一方に形成されて、変速軸７の時計回り回転や反時計回り方向の回転によってポール１５、２５、３５、４５がポール溝６ｃに円滑に入るように案内する。ポール１５、２５、３５、４５はポールを巻いているスプリング６４ａ、６４ｂ、６４ｃ、６４ｄによって立つための力を受け、変速軸の貫通孔７ｂがポール１５、２５、３５、４５の立ち上がりを許容する時太陽ギア１１、２１、３１、４１に向けて立つ。

ポール１５、２５、３５、４５は太陽ギア１１、２１、３１、４１の回転を阻止して変速されるようにするために、同じ遊星ギア対内では立つ方向が互いに反対になるように設置される。時計回り方向の回転で動力を伝達する実施例では、入力側遊星ギア対１、２の入力側ポール１５は太陽ギア１１の時計回り方向の回転を阻止するように配置され、出力側ポール２５は太陽ギア２１の反時計回り方向の回転を阻止するように配置されている。出力側遊星ギア対３、４も入力側ポール３５は太陽ギア３１の時計回り方向の回転を阻止するように配置され、出力側ポール４５は太陽ギア４１の反時計回り方向の回転を阻止するように配置されている。

直結クラッチ案内リング２６、３６は変速軸７を囲んで案内リング２６、３６を向けて加圧する太陽ギア２１、３１を軸方向に支持し、直結クラッチ案内ピン５８ａ、５８ｂと結合して案内ピン５８ａ、５８ｂに付いて軸方向に揺動されることができるように設置されている。直結クラッチ案内リング２６、３６と太陽ギア２１、３１との間にはベアリング６３が設置されて、太陽ギア２１、３１が回転する時発生する摩擦を減らす。直結クラッチ案内ピン５８ａ、５８ｂは直結クラッチ案内リング２６、３６と結合し、変速軸７の軸方向に長く形成された貫通孔７ｃを経て中心軸に形成された直結クラッチ案内溝のカム面６ｂに沿って変速軸７と一緒に回転して軸方向で揺動する。

２段クラッチ案内リング５７は変速軸７を囲んで２段クラッチ案内ピン５８ｃと結合して案内ピン５８ｃに付いて軸方向へ揺動されることができるように設置されている。２段クラッチ案内ピン５８ｃは２段クラッチ案内リング５７と結合して変速軸７の軸方向に長く形成された貫通孔である２段クラッチ案内ピン案内溝７ｄを経て中心軸６に形成された２段クラッチ案内溝６ｄのカム面に沿って変速軸と一緒に回転し、変速軸の１回転６ｄ１には軸方向に原位置を保持し、２回転６ｄ２に軸方向に移動して原位置を保持する。

２段クラッチ案内リング５７の両方には２段変速クラッチ５５と２段直結クラッチ５６が配置されている。２段変速クラッチ５５はスプリング６１の加圧力を受けて２段クラッチ案内リング５７と接し、中心軸６に回転しないように固定されて２段クラッチ案内リング５７に付いて軸方向に揺動し、時計回り方向の回転を阻止するように傾斜した段差が側面に２段直結クラッチ５６に向けて形成されている。２段直結クラッチ５６はスプリング６１ｃの加圧力を受けて２段クラッチ案内リング５７と接し、２段クラッチ太陽ギア５１と相対回転しないように結合して２段クラッチ案内リング５７に付いて軸方向に揺動し、反時計回り方向の回転を阻止するように傾斜した段差が側面に２段変速クラッチ５５に向けて形成されている。

太陽ギア１１、４１は内周面にラチェットポール１５、４５の溝を提供するために傾斜した溝が形成され、ギアの一側辺には側壁が形成されている。この側壁は、キャリア１３、４３と衛星ギア１２、４２との間に位置して、太陽ギア１１、４１が軸方向に移動しないようにする。それぞれの太陽ギア１１、４１はそれぞれ対応するポール１５、４５と結合する軸方向位置に配置され、太陽ギア１１は時計回り方向の回転を阻止するように内歯傾斜が配置され、太陽ギア４１は反時計回り方向の回転を阻止するように内歯傾斜が配置されている。

太陽ギア２１、３１は内周面にラチェットポール２５、３５の溝を提供するために傾斜した溝が形成され、太陽ギア２１、３１の一側辺には一方向の回転を阻止するための傾斜した段差が形成されている。それぞれの太陽ギア２１、３１はそれぞれ対となるポール２５、３５と結合する軸方向位置に配置され、太陽ギア２１は反時計回り方向の回転を阻止するように内歯傾斜が配置され、側面の傾斜した段差は太陽ギア３１を向けて突出して反時計回り方向の回転を阻止するように配置され、太陽ギア３１は反時計回り方向の回転を阻止するように内歯傾斜が配置され、側面の傾斜した段差は太陽ギア２１を向けて突出して時計回り方向の回転を阻止するように配置されている。

また、太陽ギア２１、３１はスプリング６１ａ、６１ｂによって加圧されて直結クラッチ案内リング２６、３６を囲んで接し、直結クラッチ案内リング２６、３６が軸方向に揺動することによって簡易軸方向に揺動して直結クラッチリング３８と結合するか分離される。

直結クラッチリング３８は二つの太陽ギア３１、２１の間で遊星ギアのキャリア３３と回転不可能に結合し、太陽ギア２１、３１の側面突起と結合して太陽ギア２１、３１の回転を阻止するための軸方向傾斜段差が両側方向に形成されている。太陽ギア２１と接する側面には太陽ギア２１の反時計回り方向の回転を阻止するための軸方向傾斜段差が形成され、太陽ギア３１と接する側面には太陽ギア３１の時計回り方向の回転を阻止するための軸方向傾斜段差が形成されている。

直結クラッチ案内カム面６ｂが平らで直結クラッチが分離されている時には直結クラッチ案内リング２６が太陽ギア２１を加圧して太陽ギア２１が直結クラッチリング３８と結合しない位置に案内し、直結クラッチ案内カム面７ｂが凹まれた位置ではスプリング６１ａの加圧力によって直結クラッチ案内リング２６が太陽ギア２１と一緒に前進し、その結果直結クラッチリング３８と太陽ギア２１が結合する。

直結クラッチ案内カム面６ｂが平らで直結クラッチが分離されている時には直結クラッチ案内リング３６が太陽ギア３１を加圧して太陽ギア３１が直結クラッチリング３８と結合しない位置に案内し、直結クラッチ案内カム面７ｂが凹まれた位置ではスプリング６１ｂの加圧力によって直結クラッチ案内リング３６が太陽ギア３１と一緒に前進し、その結果直結クラッチリング３８と太陽ギア３１が結合する。

遊星ギア組立体は、一つの遊星ギア対を基盤に３段、６段、９段、１２段、１８段など多様な段数を作ることができ、一実施例として入力側遊星ギア対１−２と出力側遊星ギア対３−４及び２段遊星ギア５が直列に結合されると１８段の変速段数を提供する遊星ギア変速機を提供することができる。

遊星ギア対１−２、３−４は２つの遊星ギア１、２または３、４で構成され、一方の遊星ギアは遊星ギア対の入力側に作動し、他方の遊星ギアは遊星ギア対の出力側に作動する。遊星ギア対の太陽ギアは変速制御要素で使われ、リングギアと一体で結合したキャリアは遊星ギア対の入力側及び出力側に作動する。

図５で入力側遊星ギア対１−２の入力キャリア１３は太陽ギア１１を支持し且つ収容するための段差がある貫通孔を有し、３つの衛星ギア１２を収容するための溝と衛星ギア軸２９を支持する軸方向貫通孔がそれぞれ３つずつ形成され、キャリア１３の一側面で突出された外周面にはスプロケットが結合するためのねじが形成され、内周面にはベアリングを収容する貫通孔を有する円筒状部材が形成されている。反対側側面にはスラストベアリング２７を収容するための溝が形成されている。

衛星ギア１２はスナップリング３９でキャリアの３つの貫通孔に固定される衛星ギア軸２９によってキャリア１３に固定されて、キャリア１３と一緒に回転するように設置され、太陽ギア１１は太陽ギアの側壁がキャリアの支持突起に支持され、衛星ギア１２と噛み合ってキャリアに軸方向に固定されて回転する。

入力側遊星ギア対の出力キャリア２３は太陽ギア２１を収容するための貫通孔を有し、３つの衛星ギア２２を収容するための溝と衛星ギア軸２９を支持する軸方向貫通孔がそれぞれ３つずつ形成され、一側面には出力側遊星ギア対３−４の入力キャリア３３と結合するために突出された突起が形成されている。反対側側面にはスラストベアリング２７を収容するための溝が形成されている。

衛星ギア２２はスナップリング３９でキャリアの３つの貫通孔に固定される衛星ギア軸２９によってキャリア２３に固定されてキャリア２３と一緒に回転するように設置され、太陽ギア２１は太陽ギアの側壁がスラストベアリング２７に支持されるスプリング６１ａによって軸方向に支持されて衛星ギア２２と噛み合って回転する。

出力側リングギア２４は半径方向に拡張して入力キャリア１３と回転不可能に結合し、入力側リングギア１４は軸方向に拡張されて出力側リングギア２４を囲んで回転して出力キャリア２３で拡張された出力キャリアアダプター２３ａと凹凸の突起で回転不可能に結合する。

スラストベアリング２７は入力キャリア１３と出力キャリア２３との間に設置されて、二つの間の間隔を保持して太陽ギア２１を加圧するスプリングを支持する。

入力側遊星ギア対１−２と回転不可能に結合する出力側遊星ギア対３−４の入力キャリア３３は太陽ギア３１を収容するための貫通孔を有し、３つの衛星ギア３２を収容するための溝と衛星ギア軸２９を支持する軸方向貫通孔がそれぞれ３つずつ形成され、一方側面には入力側遊星ギア対１−２の出力キャリア２３及び直結クラッチリング３８と結合するために突出された突起が形成されている。反対側側面にはスラストベアリング３７を収容するための溝が形成されている。

衛星ギア３２はスナップリング３９でキャリアの３つの貫通孔に固定される衛星ギア軸２９によってキャリア３３に固定されてキャリア３３と一緒に回転するように設置され、太陽ギア３１は太陽ギアの側壁がスラストベアリング３７に支持されるスプリング６１ｂによって軸方向に支持されて衛星ギア３２と噛み合って回転する。

出力側遊星ギア対３−４の出力キャリア４３は太陽ギア４１を支持して収容するための段差を有する貫通孔を有し、３つの衛星ギア４２を収容するための溝と衛星ギア軸２９を支持する軸方向貫通孔がそれぞれ３つずつ形成され、キャリア４３の一側面には２段クラッチ太陽ギア５１と結合するために突出された突起が形成されている。反対側側面にはスラストベアリング３７を収容するための溝が形成されている。

衛星ギア４２はスナップリング３９でキャリア４３の３つの貫通孔に固定される衛星ギア軸２９によってキャリアに固定されてキャリア４３と一緒に回転するように設置され、太陽ギア４１は太陽ギアの側壁がキャリア４３の支持突起に支持されて衛星ギア４２と噛み合ってキャリア４３に軸方向に固定されて回転する。

入力側リングギア３４は半径方向に拡張して出力キャリア４３と回転不可能に結合し、出力側リングギア４４は軸方向に拡張されて入力側リングギア３４を囲んで回転して入力キャリア３３で拡張された入力キャリアアダプター３３ａと凹凸の突起で回転不可能に結合される。

スラストベアリング３７は入力キャリア３３と出力キャリア４３との間に設置されて、二つの間の間隔を保持して太陽ギア３１を加圧するスプリングを支持する。

２段変速遊星ギア５は太陽ギア５１とキャリア５３の中の一つを固定要素で使うことができ、入力要素は太陽ギア、キャリア、リングギアを使うことができ、出力要素はリングギアとキャリアを使うことができる。太陽ギアを固定要素として使う場合に減速と直結、加速と直結の中の一つを選択して構成することができ、キャリアを固定要素として使う場合には、減速と直結変速が可能である。減速の場合ダブル衛星ギアを使う。

図２を参照して説明すれば、キャリア５３を固定要素として使用して減速と直結変速を構成し、キャリア５３が両方クラッチで作動する。キャリア５３は２段変速クラッチ５５と２段直結クラッチ５６との間で２段クラッチ案内リング５７を囲み、衛星ギア５２を収容するための溝を有し、衛星ギア５２をキャリア５３に固定するための軸方向貫通孔を６つ有している。また、ハウジング１０と対向するキャリア５３の側壁には２段変速クラッチ５５と結合してキャリアの反時計回り方向の回転を阻止する傾斜段差が形成され、出力側遊星ギア対３−４と対向する側壁には２段直結クラッチ５６と結合して２段直結クラッチ５６の時計回り方向の回転に結合して一緒に回転するように傾斜段差が形成されている。また、キャリア５３はハウジング１０から支持されるスラストベアリング５９と２段クラッチ太陽ギア５１によって軸方向位置が固定されて保持される。

衛星ギア５２はキャリア５３に衛星ギア軸２９で固定されて２段クラッチ太陽ギア５１とリングギア５４と噛み合ってキャリアと一緒に回転する。

２段クラッチ太陽ギア５１は出力側遊星ギア対３−４の出力キャリア４３と相対回転不可能に結合してキャリア５３の側壁を支持し、２段直結クラッチ５６を囲んで相対回転不可能に結合して一緒に回転する。

２段クラッチ案内リング５７が変速軸７の回転によって軸方向に移動すると、２段変速クラッチ５５と２段直結クラッチ５６は一緒に軸方向に移動して、キャリア５３の傾斜段差と結合する。２段クラッチ案内ピン５８ｃが１回転案内溝６ｄ１にある場合には２段直結クラッチ５６がキャリア５３方へ前進して２段直結クラッチ５６と結合するようになって、キャリア５３が太陽ギア５１と結合して一体に作動するようになるので直結伝達され、２段クラッチ案内ピン５８ｃが２回転案内溝６ｄ２にある場合には２段変速クラッチ５５がキャリア５３方へ前進して２段変速クラッチ５５と結合するようになってキャリア５３が中心軸６に固定されながら変速される。

リングギア５４は変速機のハブであるハウジング１０に相対回転不可能に結合して衛星ギア５２の回転力が伝達されるとハウジング１０は回転する。

ハウジング１０は遊星ギア組立体を囲んでリングギア５４と結合し、動力を車輪に伝達するためのフランジを有するハウジングと遊星ギア組立体を外部と隔離するために、物質から遮断するためにハウジングを密封する蓋１０ａで構成されている。

ハウジング１０は中心軸６に固定ナット１７ａで固定されているベアリング１８ａに支持され、蓋１０ａは入力キャリア１３にスプロケット９で固定されて回転するベアリング８ｃに支持されてハウジング１０と蓋１０ａは一緒に回転する。

図３は自転車のクランク周辺に設置されることができるように構成された変速機を示す。変速機のハウジング１０’はクランクに近く設置され、フレームに対して回転しないように設置される。クランクの回転力はチェーンやベルト６０を通じて変速機の入力側９’に伝達される。第５遊星ギアは太陽ギア５１’を固定要素として使って太陽ギア５１’が両方クラッチとして作動し、単一衛星ギアを使って加速と直結変速されるように構成される。変速機の出力側１９ではスプロケットまたはベルト６１を通じて後輪に動力を伝達する。

実施例１
４つの遊星ギアを使って表１のようなギアの構成で遊星ギア組立体を構成した。変速軸は表２のクラッチ番号１５、２５、３５、４５列のように周面に貫通孔を形成してそれぞれの段は４０°の間隔に配置され、各段は５０°の幅に開放した。重畳される部分は共有するのでポールの作動には問題が発生しない。中心軸は表２のクラッチ番号２６、３６列のように中心軸の周面に軸方向カム溝を形成して、それぞれの段は４０°の間隔に配置されている。入力遊星ギア対は表２のクラッチ番号１５、２５、２６を一対にし、出力遊星ギア対は３６、３５、４５を一対に配置して構成すれば各段の変速増加量は２段から８段までは１３．３％から１３．８％に比較的均一に増加し、両端部では２９％と比較的たくさん増加し、変速幅は３５６％である。

実施例２
実施例１に基づいて均一な変速幅を有する変速機を設計した。表１と表２の構成に変速幅の大きい両端部を除いて２段遊星ギアを追加して表３のようなギアの構成で表４のように変速軸が２回転して１４段の変速をする変速機を構成した。

１回転に７段の構成であるので、各段の間隔は５１．４°に配置され、２段クラッチ減速比は０．４１３に設定した時、各段の変速増加量は１３．３％から１３．８％に比較的に均一で、変速幅は５１９％と広い変速領域に達した。

実施例３
変速増加量がさらに稠密で変速幅の広い変速機を設計するために、表５及び表６のように９段の変速機に基づいて１８段の変速機を表７のように設計した。

表６の両端部を含みながらも変速増加量を一定にするために２段クラッチの減速比を０．３６３に設定した時、両端部を除くと変速増加量は１１．４％から１２．３％に比較的均一に増加し、変速幅は５３８％と広い変速領域に達した。また両端部を含めば変速幅は８４１％と広い変速領域に達した。この実施例で、実際作動する９段と１０段は手順が変わることに留意すべきである。

Claims (23)

1. フレームに回転しないように設置された中心軸と；上記中心軸に回転可能に同軸上に装着された入力部材と；上記入力部材と結合して上記中心軸に回転可能に同軸上に整列され、太陽ギアとリングギアとキャリアと衛星ギアを有する遊星ギアを少なくとも２組を並べて配置し、隣接する２組の遊星ギアが互いにリングギアとキャリアを交差して回転不可能に結合する遊星ギア対を有する遊星ギア組立体と；上記それぞれの太陽ギアが上記リングギアまたは上記キャリアまたは上記衛星ギアまたは隣接する上記太陽ギアまたは上記中心軸の中の少なくとも何れか一つと選択的に結合して分離することに関与するクラッチ組立体と、上記中心軸の同軸上で上記中心軸に対して回転方向位置を選択することで上記クラッチ組立体の作動に関与する変速軸と；上記遊星ギア組立体を囲んで上記中心軸に回転可能に同軸上に装着されたハブと；を含み、上記変速軸の回転方向位置によって上記入力部材と上記多段ギア変速装置の出力部材との間に３段以上のギア比を提供する多段ギア変速装置。
2. 上記遊星ギア組立体は複数の凹まれた結合面を有して中心軸と選択的に連結されることができる複数の太陽ギアが相互の間に軸方向に互いに距離を隔てて配置され、上記中心軸の周面に形成されて太陽ギアと選択的に結合するポールを支持するポール溝と、上記ポール溝に支持されて、上記太陽ギアと結合したり分離される複数のポールと変速軸の周面に形成された複数の変速軸貫通孔は上記それぞれの太陽ギアに対応する軸方向の空間に配置される請求項１に記載の多段ギア変速装置。
3. 上記遊星ギア対は２組の遊星ギアを上記中心軸に回転可能に並んで配置し、上記遊星ギア対に属している二つの太陽ギアの中の一方を上記中心軸に回転不可能に結合し、他方の太陽ギアを自由に回転させて１以下のギア比と１以上のギア比で連結し、上記二つの太陽ギアを一緒に回転するように結合させるか、一方の太陽ギアと上記キャリアと一緒に回転するように結合させ、同時に、他方の太陽ギアを自由に回転させて直列（１：１）連結して上記遊星ギア対の入力キャリアと出力キャリアとの間に３段のギア比を提供する請求項１に記載の多段ギア変速装置。
4. 上記遊星ギア対のキャリアの中の何れか一つに第３の遊星ギアを結合し、ここで、１以下の変速比または１以上の変速比の中の一つと直列連結の２段変速比を有するように構成して上記入力部材と出力部材との間に６段のギア比を提供する請求項３に記載の多段ギア変速装置。
5. 上記遊星ギア組立体は、４組の遊星ギアを上記中心軸に回転可能に並んで配置し、中央の対はそれぞれのキャリアを互いに回転不可能に結合し、外側の二対はそれぞれ遊星ギア対を形成して上記入力部材と上記出力部材との間に９段のギア比を提供する請求項１に記載の多段ギア変速装置。
6. 上記それぞれの遊星ギア対は対に属している上記二つの太陽ギアの中の一方を上記中心軸に回転不可能に結合し、他方の太陽ギアを自由に回転させて１以下のギア比と１以上のギア比で連結し、上記二つの太陽ギアを一緒に回転するように結合させるか、一方の太陽ギアと上記キャリアと一緒に回転するように結合させ、同時に、他方の太陽ギアを自由に回転させて直列（１：１）連結して３段の変速比を選択することで二つの遊星ギア対の組合によって９段のギア比を提供する請求項５に記載の多段ギア変速装置。
7. 上記遊星ギア対の外側キャリアの中の何れか一つに第５の遊星ギアを結合し、ここで１以下の変速比または１以上の変速比の中の一つと直列連結の２段変速比を有するように構成して上記入力部材と上記出力部材との間に１８段のギア比を提供する請求項５に記載の多段ギア変速装置。
8. 上記変速軸は上記中心軸を囲んで回転する中空部と外周面に複数の半径方向貫通孔を有し、上記貫通孔を通じて上記クラッチ組立体の作動に関与し、上記ハブの外部から制御される請求項１に記載の多段ギア変速装置。
9. 上記変速軸は上記中心軸の軸方向の中空部に没入されて中心軸に形成された半径方向の貫通孔を通じて上記クラッチ組立体の作動に関与するカムを提供し、上記ハブの外部から制御される請求項１に記載の多段ギア変速装置。
10. 上記遊星ギア組立体はハブ内に遊星ギア対を上記中心軸に回転可能に並んで配置し、上記遊星ギア対に属している二つの太陽ギアの中の一方を上記中心軸に回転不可能に結合し、他方の太陽ギアを自由に回転させて１以下のギア比と１以上のギア比で連結し、上記二つの太陽ギアを一緒に回転するように結合させるか、一方の太陽ギアと上記キャリアと一緒に回転するように結合させ、同時に、他方の太陽ギアを自由に回転させて直列（１：１）連結する３段の変速比と；上記遊星ギア対のキャリアに第３の遊星ギアと第４の遊星ギアを直列結合し、それぞれ１以下の変速比または１以上の変速比の中の一つと直列連結の２段変速比を有するように構成して上記入力部材と上記出力部材との間に１２段のギア比を提供する請求項９に記載の多段ギア変速装置。
11. 上記多段ギア変速装置は３段または６段または９段または１２段変速器に考案され、各変速器のギア比は変速軸の１回転によって選択することができる請求項１に記載の多段ギア変速装置。
12. 上記多段ギア変速装置は６段または１２段または１８段変速器に考案され、各変速器のギア比は中心軸の２回転案内溝と変速軸の２回転によって選択することができる請求項１に記載の多段ギア変速装置。
13. 上記遊星ギア組立体の遊星ギアは少なくとも一つ互いに異なる仕様の太陽ギアと衛星ギア及びリングギアを有する請求項１に記載の多段ギア変速装置。
14. 上記遊星ギア対の遊星ギアは互いに同じ仕様の太陽ギアと衛星ギア及びリングギアを有する請求項１に記載の多段ギア変速装置。
15. 上記遊星ギア対の一方のリングギアは他方のリングギアを囲んで回転して他方のキャリアと結合する請求項１に記載の多段ギア変速装置。
16. 一方のリングギアと回転不可能に結合するリングギアアダプターと他方のキャリアと回転不可能に結合するキャリアアダプターが他方のリングギアを囲んで回転して互いに相対回転しないように堅固に結合する請求項１５に記載の多段ギア変速装置。
17. 上記２段変速比を有するように結合する上記遊星ギアは、上記遊星ギアの太陽ギアまたはキャリアまたはリングギアの中の一つが遊星ギア対のキャリアと結合し、上記遊星ギアの太陽ギアまたはキャリアの中の一つが中心軸と回転不可能に結合して上記２段の変速比の中で１以下の変速比または１以上の変速比を有し、上記遊星ギアの太陽ギアとキャリアが相対回転しないように結合して上記２段の変速比の中の直結変速比を有する請求項４または請求項７または請求項１０または請求項１２に記載の多段ギア変速装置。
18. 上記ハブは多段ギア変速装置の出力部材と回転不可能に結合する請求項１に記載の多段ギア変速装置。
19. 上記中心軸を軸方向に貫通して回転可能に設置される回転軸と；上記回転軸を上記入力部材と一緒に回転するように連結するギアまたはチェーンまたはそれと類似するリンクを有する請求項１に記載の多段ギア変速装置。
20. 上記フレームに回転可能に設置される回転軸と、上記回転軸を上記入力部材と一緒に回転するように連結するギアまたはチェーンまたそれと類似するリンクを有する請求項１に記載の多段ギア変速装置。
21. 上記ハブは入力部材と出力部材を回転可能に囲んで、上記フレームに固定されるハウジングであり、上記中心軸をフレームに固定するブラケットをさらに有する請求項１９または請求項２０に記載の多段ギア変速装置。
22. 上記出力側に装着されたべベルギアと、上記ハウジングに支持されて上記ベベルギアと噛み合って回転するピニオンギアをさらに有する請求項２１に記載の多段ギア変速装置。
23. 上記ピニオンギアは出力側の回転力を出力軸と結合して外部に伝達し、上記ハウジングに結合して上記ピニオンギアと出力軸を支持して囲む中空のチューブをさらに有する請求項２２に記載の多段ギア変速装置。

Images