JP6453079B2 - ギアシステム、自転車及び乗り物 - Google Patents

Description

本発明は、とくに、電動自転車に関連して使用される乗り物用ギアシステムに関する。

電動自転車は、ペダル及びクランクによる人力駆動及び電動モータの双方を用いる２元動力乗り物の形態である。これら２つの駆動源は、互いに独立して機能する又はそれぞれの原動力を互いに増強するよう機能することができる。ユーザーが電気ドライブを選択的に動作させるよう選択する、又は測定したペダル速度、自転車速度等の条件に基づいて自動的に電気ドライブを動作させるようにすることができる。

電気ドライブは幾つかの場所に配置することができる。後輪ハブ内に配置して後輪ハブを駆動する、又はペダルクランクに動力を与える、又は２つの極端部位間における幾つかのポイントに配置して自転車のチェーンを駆動することができる。代案として、前輪を駆動するが、これには固有の欠点がある。

電源、通常は再充電可能なバッテリを自転車に配置しなければならず、また通常嵩張るバッテリは後輪上又は後輪付近に配置する。

電気ドライブがこのような自転車を推進する速度を主にユーザーの安全性のために制限する法規が世界的に整備されている。速度は約１５ｍｐｈに制限される。しかし、ユーザーは自転車を人力でこの制限速度を超えて自由に推進することができる。

現行の電動自転車の欠点は、嵩張るドライブ／バッテリ機構がライダーに自転車取扱いを面倒にする。他の欠点としては、モータがクランクを駆動する場合、クランクで駆動されるペダリング又は突然の停止がモータにタメージを与える可能性がある。例えば、電動自転車は、電気ドライブ及びユーザーのペダリングの組合せの下に走行することができる。ユーザーが緊急停止しなければならない場合、ユーザーの反応は、急激にクランクを固定角度に保持してペダリングを停止する。自転車にはブレーキレバーに取付けた電気ドライブ遮断機構を設けることができるが、この遮断機構が動作する前にユーザーによるペダリング停止を生じ、ユーザーが同時にクランクを静止状態に保持しようとしている間に、電動モータがクランクを駆動する短期間の時間が存在する。このことは、モータにタメージを与え、及び／又はユーザーの足にペダリング動作を強いて望ましくない動揺を与え、おそらくはバランスを失わせることになるおそれがある。

本発明の第１態様によれば、第１回転入力部、第２回転入力部、及び回転出力部を有する用ギアシステムを提供し、この乗り物用ギアシステムにおいて、前記第１回転入力部及び前記第２回転入力部は回転を前記回転出力部に伝達し、前記第１回転入力部及び前記第２回転入力部のうち一方を前記回転出力部にワンウェイクラッチを介して連結し、前記第１回転入力部及び前記第２回転入力部のうち他方を前記回転出力部にオーバーランニングクラッチを介して連結し、前記ワンウェイクラッチ及び前記オーバーランニングクラッチは回転可能に連結し、前記ワンウェイクラッチはブラケットによって前記オーバーランニングクラッチに回転可能に連結し、前記ブラケットは円筒形ハウジングと円筒形取付け部とを含み、前記ワンウェイクラッチ及び前記オーバーランニングクラッチのうち一方は前記円筒形ハウジング内に取付けられ、前記ワンウェイクラッチ及び前記オーバーランニングクラッチのうち他方は前記円筒形取付け部の周りに取付けられ、前記円筒形ハウジングの内径は前記円筒形取付け部の外径よりも大きく、フランジ（５２ｅ）が、円筒形ハウジング（５２ｂ）と円筒形取付け部（５２ａ）との間に配置される。

本発明の１つの実施形態として、前記第１回転入力部の回転軸線を前記第２回転入力部の回転軸線に対して直交させることが好ましい。

本発明の１つの実施形態として、前記回転出力部の回転軸線は、前記第１回転入力部又は前記第２回転入力部の回転軸線のいずれかに対して平行にすることが好ましい。

本発明の１つの実施形態として、前記ワンウェイクラッチを前記円筒形ハウジング内に取付け、ワンウェイクラッチの外側レースを前記円筒形ハウジングの内面に回転可能に連結し、前記オーバーランニングクラッチを前記円筒形取付け部の周りに取付けることが好ましい。

本発明の１つの実施形態として、前記ワンウェイクラッチはスプラグクラッチとすることが好ましい。

本発明の１つの実施形態として、前記オーバーランニングクラッチはフリーホイール組立体とすることが好ましい。

本発明の１つの実施形態として、前記第１回転入力部又は前記第２回転入力部は、電動モータとすることが好ましい。

本発明の１つの実施形態として、前記第１回転入力部又は前記第２回転入力部は、人力で駆動することが好ましい。

本発明の第２態様によれば、第１態様によるギアシステムを有する自転車を提供する。

本発明の第３態様によれば、第１態様によるギアシステムを有する乗り物を提供する。

本発明の実施形態を以下に添付図面につき単に例として説明する。

本発明による乗り物用ギアシステムの分解斜視図である。 図１に示す乗り物用ギアシステムの一部を断面にした斜視図である。 図１に示す乗り物用ギアシステムの分解端面図である。 図１に示す乗り物用ギアシステムを異なる角度から見た分解斜視図である。 図１に示す乗り物用ギアシステムの内側底部ブラケットの斜視図である。 図１に示す乗り物用ギアシステムを有する自転車の側面図である。

図面につき、先ず図１につき説明すると乗り物用ギアシステム１０を示す。乗り物用ギアシステム１０は、自転車ペダルクランク１４である第１回転入力部１２と、第２回転入力部１６とを有し、この第２回転入力部１６は、電動モータ７２を備え、変速機１８を介してかさ歯車２０を駆動する。このかさ歯車２０のリングギア２２を駆動する。

自転車ペダルクランク１４は、クランクアーム２６に取付けたペダル２４を有する既知の構成とする。クランクアーム２６を心軸（アクスル）２８に連結する。心軸２８は、細長いほぼ円柱形のコンポーネントであり、各端部にスプライン２８ａを設けて、心軸２８及びクランクアーム２６との間でより確実な取付けを行うようにする。

自転車フレーム１００のフレーム底部ブラケット３０は乗り物用ギアシステム１０を収容する。フレーム底部ブラケット３０は、ほぼ中空の円筒形形状であり、円筒形の側壁３０ｃに２つの開孔３０ａ，３０ｂを有する。両側の円形端部３０ｅを開口させ、フレーム底部ブラケット３０が機構１０の種々のコンポーネントを収容できるようにする。

心軸２８は、組付けたとき、フレーム底部ブラケット３０に貫通する。

種々の既知のクランクセットコンポーネントを心軸２８の右側（図の斜視図で見て）に設ける。これらコンポーネントには、前スプロケット３２、スパイダ３４、底部ブラケットキャップ３６、クランク軸受３８及びスプライン付きスプロケットディスク４０がある。底部ブラケットキャップ３６は、デブリ（破片）及び汚染物が侵入するのを軽減するシールとして作用する。

他の既知のクランクセットコンポーネントを心軸２８の左側（図の斜視図で見て）に設ける。これらコンポーネントには、底部ブラケット内側軸受４２及び底部ブラケットプレートカバー４４がある。底部ブラケットプレートカバー４４、すなわち底部ブラケット外側軸受４４は、フレーム底部ブラケット３０に対してボルト（図示せず）により取付け、円形端部３０ｅをカバーし、また心軸２８の軸受支持体をなす。

フレーム底部ブラケット３０内及び心軸２８の周りには、さらに、２つの駆動源からの動力を自転車１００の被駆動後輪に伝達することができる種々のコンポーネントを配置する。

図面の右側、すなわちクランクセットの側から見て、最初にスペーサ４６を設ける。このスペーサ４６は既知の形態とし、ほぼ環状の形態をしている。このスペーサはスプライン付きスプロケットディスク４０の左側面に衝合する。

リングギア２２はほぼ截頭円錐形断面を有する環状体である。その内部には第１フランジを設け、この第１フランジは中心開孔２２ｂに向かって内方に突出する。第２フランジをリングギア２２の第１フランジ側とは反対側の側面から突出させ、この第２フランジにギア歯２２ｄを配置する。

ギアフリーホイール組立体４８をリングギア２２に第１及び第２のフランジを介して取付け、したがって、ギアフリーホイール組立体４８はリングギア２２の中心開孔２２ｂ内に位置する。ボルト５０によりギアフリーホイール組立体４８をリングギア２２に取付けする。

ギアフリーホイール組立体４８及びリングギア２２の双方は内側底部ブラケット５２の周りに取り付ける。内側底部ブラケット５２は、２つの円筒セクション、すなわち、使用にあたりクランクセット寄りに位置する小径の第１円筒セクション５２ａと、大径の第２円筒セクション５２ｂとを有する。第１円筒セクション５２ａは、その側壁において長さに沿って延在する溝孔５２ｃを有する。これら溝孔は材料を減少させることによって重量を少なくし、スプライン型構成によって摩擦把持力を増大するのに役立ち、また斜角を付けることによってある程度拡開可能にすることができる。

図２から分かるように、ギアフリーホイール組立体４８及びリングギア２２は第１円筒セクション５２ａの周りに取付ける。互いに連係動作するねじ山（ギアフリーホイール組立体４８における）及びねじ山５２ｄ（第１円筒セクション５２ａにおける）を設け、これらねじ山及び５２ｄによりコンポーネント相互を連結することができる。当業者には他の適当な結合方法を使用できることを理解されるであろう。図示の実施形態において、第１円筒セクション５２ａにおけるねじ山は溝孔がない部分に設けるが、他の実施形態においては、溝孔を有する部分にのみ、又は溝孔がない部分のねじ山とともに溝孔を有する部分にも、設けることができる。

他の長めのスペーサ５４を第１円筒セクション５２ａの内部に心軸２８を包囲するよう位置決めする。２つのフリーホイール側軸受５６，５８をスペーサ５４の周りに、スペーサと心軸２８との間に設ける。

底部ブラケットフランジ５２ｅを第１円筒セクション５２ａと第２円筒セクション５２ｂとの間に設ける。したがって、ハウジング５２ｆが第２円筒セクション５２ｂ内に形成される。このハウジング５２ｆ内にワンウェイ・スプラグクラッチ軸受６０を配置する。

内側底部ブラケット５２は、ワンウェイ・スプラグクラッチ軸受６０及びフリーホイール組立体４８を回転可能に連結する。

ワンウェイ・スプラグクラッチ軸受６０は環状の形態であり、その内部における内部開孔に心軸２８を包囲する軸受シム６２を配置する。

底部ブラケット軸受６４を軸受シム６２と長めのスペーサ５４との間に挟み込み、底部ブラケットフランジ５２ｅとほぼ同一平面上に位置するようにする。

外側スプラグクラッチキー６６によりワンウェイ・スプラグクラッチ軸受６０をハウジング５２ｆ内に位置決めし、この位置決めは、ワンウェイ・スプラグクラッチ軸受６０の外側レースの外周に設けた外側軸受溝孔６０ａ及びハウジング溝孔５２ｇを介する締まり嵌めを形成することによって行う。

内側スプラグクラッチキー６８により軸受シム６２をワンウェイ・スプラグクラッチ軸受６０内に位置決めし、この位置決めは、同様に、ワンウェイ・スプラグクラッチ軸受６０の内側レースの内周に設けた内側軸受溝孔６０ａ及びシム溝孔を介する締まり嵌めを形成することによって行う。この内側スプラグクラッチキー６８は、心軸におけるキー着座部３１内に着座し、これによって締まり嵌めを生じ、またスプラグクラッチ軸受６０を内側底部ブラケット５２に回転可能に連結する。

底部ブラケットスペーサ７０は心軸２８を包囲して、一方の側（図の斜視図における右側）で軸受シム６２のフランジに、また他方の側（図の斜視図における左側）で底部ブラケットの内側軸受４２の双方に衝合する。

かさ歯車２０はリングギア２２に噛合する。これら２個のコンポーネントは互いに直交するよう噛合する、すなわちかさ歯車の回転軸線はリングギアの回転軸線に直交する。かさ歯車２０はフレーム底部ブラケット３０における上側開孔３０ｂに突入する。かさ歯車２０は電動モータ７２及び電源としてのバッテリ（図示せず）を有する変速機１８により駆動する。

電動モータ７２、変速機１８及びバッテリは自転車の下行チューブ１０２内に配置する。下行チューブ１０２は、通常何らかの溶接様式（例えば、ＴＩＧ溶接）によってフレーム底部ブラケット３０の上側開孔３０ｂに取付ける。下側開孔３０ａには単に簡単なキャップカバーを設け、フレーム底部ブラケット３０内に位置するコンポーネントにアクセスできるようにする。

電動モータ７２、変速機１８及びバッテリは任意の適当なタイプとし、また自転車用途に基づいて約８０００ＲＰＭの動作速度を有することができる。他の用途、例えば、自動車のような大型乗り物では、動作速度は３２０００ＲＰＭまでも達することができる。

使用にあたり、電動モータ７２はリングギア２２を駆動し、このリングギア２２は上述の機構を介して前スプロケット３２を駆動する。従来技術の自転車と同様、チェーン１０４により前スプロケット３２を自転車の後輪に、直接又はディレーラ若しくはハブギアのような後輪ギアシステムを介して連結する。このようにして、電動モータ７２はトルクを後輪１０６に供給する。

ユーザーは、足及びペダル２４／クランクアーム２６によるペダリング動作で前スプロケット３２を回転することによってこのトルクを増幅することができる。

電動モータ７２は自転車を使用する地域の法規によって所定速度に制限される。図示の実施形態ではその所定速度を約２４.８ｋｍ／ｈ（１５.５ｍｐｈ）とする。電動モータ７２は制御システムを有し、ユーザーによるトルク入力を増幅するか否かを決定できるようにする。

ユーザー及びモータ７２がシステム１０のトルクを供給する状況において、ユーザー及びモータ双方がトルクを前スプロケット３２に供給し、したがって、ユーザーの労力を少なくする。

ユーザーがモータ７２の所定速度限界を超える場合、心軸２８はリングギア２２よりも高い回転速度となる。リングギア２２及び心軸２８が軸線方向に固定されている場合問題を生じ、すなわち、ユーザーがモータ７２に対してその限界を超えるよう強制する、又はユーザーがモータ限界よりも速くペダリングするのをモータが邪魔をすることが起こり得る。ユーザーは最も多くのムダな努力をし、モータ７２に最悪のタメージを与えることになる。ワンウェイ・スプラグクラッチ軸受６０の存在により、心軸２８及びリングギア２２が異なる回転速度になることができ、ユーザーがモータ７２の限界を超えてペダリングすることができる。

従来の電動自転車では緊急ブレーキングは危険な事象であり得る。ユーザーがハンドルバーに取付けたブレーキレバーを操作して緊急遮断を作動させ、モータへの給電を遮断し、被駆動輪へのトルク印加を停止する。

このような状況における自転車ユーザーの自然な反応は、先ずペダリングを停止する、すなわち足を安定した状態にし、クランクアームを固定角度に保持し、次にブレーキを掛ける。これら２つの行為には、電動モータ７２の回転する内部コンポーネントの慣性に起因する極めて僅かな時間差しかないが、それでも遅延がある。この時間枠内でモータはトルクを加え続け、ユーザーの労力に抗してクランクアームを強制的に廻そうとする。このことは、1秒の数分の１しか生じないが、ユーザーに動揺を与える、又はバランスを失わせるのに十分であり、ユーザーが迅速かつ安全に停止させようとする場合には望ましくない状況である。

ワンウェイ・スプラグクラッチ軸受６０は、モータ７２からのトルクがクランクアーム２６を駆動せず、前スプロケット３２のみ駆動することを意味する。したがって、上述のような状況において、ユーザーがペダリングを止めるときと、モータ１８が遮断されるときとの間における僅かな時間差は、ユーザーのバランスを失わせたり、動揺を与えたりすることはあまりない。

種々の変更及び改良を上述の実施形態に対して本発明の範囲から逸脱することなく行うことができる。例えば、内側底部ブラケット５２を変更する、又は適切に設計した外側及び／又は内側レースを有するワンウェイクラッチ軸受に置換することができる。

ディレーラギア組立体及び多重前スプロケットを設け、乗り物の歯車装置におけるより高い融通性を与えることができる。心軸２８は円筒形の形状にする必要がなく、任意の適当な形状、例えば、三角形断面、正方形断面、五角形又は任意な多角形断面の角柱形状にすることができる。

フリーホイール組立体４８のリングギア２２は截頭円錐形の構成にする必要はなく、任意の適当なタイプ、例えば、ヘリカル又はダブルヘリカルタイプの構成にし、これに対応して、かさ歯車２０に対する変更も加えることができる。

フリーホイール組立体４８を他の適当なオーバーランニングクラッチと置換し、またスプラグクラッチ軸受６０を他の適当なワンウェイクラッチと置換することができる。

ボルト５０によって取付けると説明したが、リングギア２２は任意な他の適当な手段、例えば、各コンポーネントに設ける対応かつ連係動作するねじ山によってギアフリーホイール組立体に取付けることができる。さらに、一体に形成することができる。

フリーホイール側の軸受５６，５８は、真鍮ブッシュに置換することができる。実際、上述した簡単な軸受はいずれも真鍮ブッシュに置換することができる。

自転車１００はチェーン１０４を有するものとして説明したが、ベルトドライブに置換することができる。

電動自転車につき説明したが、本発明は他の形態の２元推進力乗り物、例えば、電気自動車、電気バン、電気バス、電気トラック等に適用することができる。乗り物用ギアシステムは、このような用途におけるＫＥＲＳ（Kinetic Energy Recovery System）に取付けることができる。

Claims (10)

1. 第１回転入力部（１２）、第２回転入力部（１６）、及び回転出力部を有するギアシステム（１０）であって、前記第１回転入力部（１２）及び前記第２回転入力部（１６）は回転を前記回転出力部に伝達し、前記第１回転入力部（１２）及び前記第２回転入力部（１６）のうち一方を前記回転出力部にワンウェイクラッチ（６０）を介して連結し、前記第１回転入力部（１２）及び前記第２回転入力部（１６）のうち他方を前記回転出力部にオーバーランニングクラッチ（４８）を介して連結し、前記ワンウェイクラッチ（６０）及び前記オーバーランニングクラッチ（４８）は回転可能に連結し、
   前記ワンウェイクラッチ（６０）はブラケット（５２）によって前記オーバーランニングクラッチ（４８）に回転可能に連結し、
   前記ブラケット（５２）は円筒形ハウジング（５２ｂ）と円筒形取付け部（５２ａ）とを含み、
   前記ワンウェイクラッチ（６０）及び前記オーバーランニングクラッチ（４８）のうち一方は前記円筒形ハウジング（５２ｂ）内に取付けられ、前記ワンウェイクラッチ（６０）及び前記オーバーランニングクラッチ（４８）のうち他方は前記円筒形取付け部（５２ａ）の周りに取付けられ、
   前記円筒形ハウジング（５２ｂ）の内径は前記円筒形取付け部（５２ａ）の外径よりも大きく、
   フランジ（５２ｅ）が、円筒形ハウジング（５２ｂ）と円筒形取付け部（５２ａ）との間に配置される、ギアシステム（１０）。
2. 請求項１記載のギアシステム（１０）において、前記ワンウェイクラッチ（６０）を前記円筒形ハウジング（５２ｂ）内に取付け、前記ワンウェイクラッチ（６０）の外側レースを前記円筒形ハウジング（５２ｂ）の内面に回転可能に連結し、前記オーバーランニングクラッチ（４８）を前記円筒形取付け部（５２ａ）の周りに取付ける、ギアシステム（１０）。
3. 請求項１又は２記載のギアシステム（１０）において、前記第１回転入力部（１２）の回転軸線を前記第２回転入力部（１６）の回転軸線に対して直交させる、ギアシステム（１０）。
4. 請求項１〜３のうちいずれか一項記載のギアシステム（１０）において、前記回転出力部の回転軸線は、前記第１回転入力部（１２）又は前記第２回転入力部（１６）の回転軸線のいずれかに対して平行にする、ギアシステム（１０）。
5. 請求項１〜４のうちいずれか一項記載のギアシステム（１０）において、前記ワンウェイクラッチ（６０）はスプラグクラッチ（６０）とする、ギアシステム（１０）。
6. 請求項１〜５のうちいずれか一項に記載のギアシステム（１０）において、前記オーバーランニングクラッチ（４８）はフリーホイール組立体（４８）とする、ギアシステム（１０）。
7. 請求項１〜６のうちいずれか一項に記載のギアシステム（１０）において、前記第１回転入力部又は前記第２回転入力部（１６）は、電動モータ（７２）とする、ギアシステム（１０）。
8. 請求項１〜６のうちいずれか一項に記載のギアシステム（１０）において、前記第１回転入力部又は前記第２回転入力部（１６）は、人力で駆動する、ギアシステム（１０）。
9. 請求項１〜８のうちいずれか一項記載のギアシステム（１０）を有する、自転車（１００）。
10. 請求項１〜８のうちいずれか一項記載のギアシステム（１０）を有する、乗り物（１００）。

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