JP6696980B2 - 連続可変式変速機 - Google Patents

Description

本発明は、ギアボックスとしても知られている変速比変更部を備える変速機の製造方法の分野においてメカニクスの分野に属する。

本発明の目的は、連続可変式の変速比自動変更部を備える運動変速システムとして機能する装置である。この変速システムは特に、自転車およびその他の軽量輸送車両に適用可能である。

ギアチェンジシステムのアセンブリの中でも特に、本発明は、連続可変式ギアチェンジシステムのアセンブリに関する。前述の分野において、本発明の目的は、自転車での使用に特に適した変速比を自動的かつ連続的に変化させることができる変速システムである。

今日では、輸送車両を製造する分野において、エンジン装置の速度およびトルクを車輪や車両の出力に使用される速度およびトルクに使用されるものに適応させるソリューションとして、変速比又はギアチェンジ比の変更部を有する複数のシステムを伴う異なる変速システムを用いるものがある。このような変更部を備えることで、異なる変速比によって、装置のトルクを異なる負荷および地形特性に適合させる。

一方で、特定の数の変速比を有し、その作動は手動又は自動である変速機又はギアボックスがある。このようなタイプのものは、本明細書で提案されるタイプとは大きく異なるため、本明細書では扱わず、それに関して提出された多くの特許についても言及しない。

一方で、入力と出力の間において連続可変の変速比を有する変速システムが存在する。これらのシステムは、異なる負荷状況および電力可用性に対してより正確に適応するためには望ましい。さらに、これらのシステムは、利用可能な変速比のマージン間における平滑性を最大にすることが可能である。

上述の連続的なギアチェンジシステムは、特定の数の変速比又は速度比を有するシステムの代替案として多くのタイプの輸送車両に使用することができる。連続的なギアチェンジによれば、変速比を連続的に可変とすることができ、またそれを手動又は自動で変更することができる。特に非常に軽い輸送車両での使用のために、経済的かつ使用が簡単で自動的な別のタイプの変速比連続可変システムに関するニーズについて検討する。

本願明細書が関連する変速システムは、連続可変な変速比を有するタイプのより特殊化された変速機のグループに属するため、以下では特にこのタイプの変速機の技術分野について言及する。

現在知られている変速比が連続可変のものは、主に以下のタイプのものである：

一般的にＣＶＴと呼ばれるものがある。ＣＶＴにおいては、調節可能な２つの開口プーリが、それらのステップバリエーションに適合するベルト又はチェーンを介して互いに接続されている。このタイプは多くの自動車や他の車両に適用されている。

また、一方が駆動側で他方が被駆動側の２つのディスクを中間エレメントのアセンブリによって接続したシステムが提案されている。当該システムでは、ディスクの位置を調整することにより、接続されたディスクの転がり半径が変わり、これにより変速比が変わるものである。Ｍｉｌｌｅｒによって出願された米国特許第６２４１６３６号はそのようなシステムの一例であり、これらのシステムには様々な操作付属品を備えた多くの異なる設計がなされている。

遊星歯車列システムでは、遊星歯車アセンブリにおける相対的な回転を調整することによって、変速比の調整が決定される。

オシレーティング駆動変速システムでは、フリーホイールシステムにシャフトが接続されたレバーアームを前後に押すと、当該システムにおける連続的な回転に変換されて、変速比を変更することができる。また、レバーアームの作業距離を調整することも可能である。

トルク要求が一致する瞬間を利用することにより入力と出力の間の接続を周期的に実行するシステムもある。

Ｐｉｒｅｓによる米国特許第５３３４１１５号には、オシレーティングラチェット式の変速機が記載されている。

従来のシステムとは異なり、本発明は、プーリや歯車の比の変化に基づくものではなく、また、回転位置が変化する球あるいは円錐を介して接続された２つの回転ディスクの回転比の変化に基づくものでもないため（これらはオシレーティング駆動変速機と共通で、内部操作が不連続に行われる）、これまで使用されてきたシステムとは全く異なる新しい自動・連続可変の変速比変更システムに焦点を当てる。提案されるシステムは、当該システムにおけるポテンシャルエネルギー（位置エネルギー）と運動エネルギーの蓄積および交換を制御することによって、入力と出力の間の回転の変速比を変更することを異なる方法により実現し、それによって装置の入力と出力の間の変速比を制御するものである。

現在までに知られている変更方法とは全く異なる方法により、本明細書に記載されている、動作が単純化された自動・無段変速機は、回転およびエネルギーをポテンシャルエネルギー蓄積ユニットに伝達する能力を有する回転入力装置を使用するものである。当該ポテンシャルエネルギー蓄積ユニットは、出力部の回転によってのみエネルギーを放出するものであり、当該出力部の回転は、制動・解放装置によって制御され、制動・解放装置は、回転によってポテンシャルエネルギーを開放可能とする。これにより、ユニット内に蓄積されたポテンシャルエネルギーが出力部において利用可能な回転に変換され、運動エネルギーに変換される。本明細書に記載された装置は、入力と出力の間のエネルギーを節約することにより、入力トルクと出力トルクの要求に応じて、入力回転速度と出力回転速度の比を最適に調整することができる。

特に自転車の市場においては、変速比の変更を自動的に行うことで、道路に適した歯車を連続的に選択する必要性がなく、適切な運転を可能にする無段変速機が望ましい。

この必要性をカバーするために、本明細書に記載される変速システムは、自転車又は軽自動車での使用に用いられる最も単純なものを含め、様々な複雑さのギアボックスの製造を可能にする。本発明の目的は、先に説明した背景技術の欄に記載したニーズに関する市場のギャップをカバーするために考案された装置である。

本発明は、入力部と出力部の間の変速比をその挙動を調節することによって自動的に変更する無段変速機又はギアチェンジに関するものであり、当該変速機は、ポテンシャルエネルギーおよび運動エネルギーを蓄積および変換するシステムによってリンクされた回転入力軸と回転出力軸を有するものであり、当該システムによれば入力軸の回転は出力軸に伝達され、そのときの変速比はシステムの調整並びに入力部に対するトルクおよび速度の関数であって、出力部の回転速度は、その瞬間における変速機システムの状態を自動的に決定する変速比によって決定される。

本質的に、変速機の入力シャフトから回転運動が受け取られると、その回転はエネルギー蓄積システムの入力部に伝達される。当該エネルギー蓄積システムは、入力部が回転するとエネルギーを蓄積するものであり、その蓄積したエネルギーを出力部からのみ放出する。当該システムは、アキュムレータ（蓄積装置）の出力部の回転を制御する手段を有し、出力部の作動が制御されることにより、解放されるエネルギーおよびその特性が制御される。

好ましい実施形態で使用されるエネルギー蓄積システムは、内端が入力部に固定されて外端が円筒状本体部に固定された渦巻バネを使用する弾性エネルギー蓄積システムである。当該蓄積システムは、出力部に対する入力部の相対的な回転によってチャージされるものである。それは一方向性デバイスの入力部に配置されている。一方向性デバイスは、入力部からのエネルギーチャージのみを可能とすることにより、開放する必要がある蓄積エネルギーを出力部から開放し、このとき、出力部の円筒状本体部の回転を制御することにより、蓄積したエネルギーを制御された態様で開放することができる。

弾性アキュムレータ内のエネルギーチャージは、入力部と出力部の間の弾性張力の増加を伴うものであり、このとき、入力部からのチャージに必要なシステムの張力およびトルクは、制御システムの出力部を介した開放を制御することによって制御される。このため、出力トルク値を決定する出力部に対する制御は同様に、アキュムレータを再充電するために入力部において必要な値を決定する。

弾性アキュムレータの出力を制御することによって、出力部に回転トルクが与えられる場合に、出力部の回転速度が回転に対抗する制動トルクによって制限されるため、出力部における回転トルクを制御することができる。制動トルクは、システムにおけるチャージ状況、並びに、慣性質量体のアセンブリにおける回転および直線の両方の加速度に関する関数である。

出力が制御される装置の好ましい実施形態は、通過／遮断／エネルギー制動を調整可能なシステム（adjustable passage or blocking or energy break system）を使用するものである。本システムでは、特定の回転位置での通過を可能にするためには特定のトルクを適用しなければならず、出力軸の制動位置が過ぎると、次の制動ポジションに達するまで、特定の回転半径の間においてトルクが利用可能である。出力が制御される装置によれば、出力部における所望のトルクに応じた出力回転パルス又はセクションが実現可能である。

出力が制御される弾性アキュムレータによるエネルギー供給が不連続区間にある場合、当該アキュムレータの出力部は、不連続区間をフィルタリングして連続的な回転出力に変換するためにシステムの入力部に接続される。そうするために、アキュムレータの出力が一方向性デバイスによってフィルタシステムに接続され、これにより、回転セクションを伝達して、フィルタシステムが回転方向に回転することを可能にすることで、アキュムレータの出力よりも速い回転を実施する。フィルタシステムは、高速エネルギーアキュムレータを備え、出力が制御される当該アキュムレータは、アキュムレータの入力部で生じる回転パルスを吸収することにより、出力部においてその回転を継続的に開放する。この出力部は変速機の出力回転に関連する慣性質量を有し、駆動セクション間の段差をより滑らかにすることに寄与する。

好ましい実施形態では、フィルタシステムは、その入力部において、渦巻バネなどの高速チャージ弾性アキュムレータの入力部に接続されたフリーホイール装置を使用する。当該フリーホイール装置は、その出力部が慣性フライホイールに接続される。当該慣性フライホイールは、変速機の出力部に一体的に接続される。

本明細書に含まれる図面の説明は以下の通りである。

本明細書の対象である変速機の内部および機能的な構成を表すフローチャート 上述した機能タイプの変速機の好ましい実施形態の斜視図であって、回転出力を外側２に伝達する回転運動入力エレメントである歯車１と、アキュムレータの出力制御システムの調整制御部８と、異なるグループの機構を配置するためのベースおよび支持部となる固定軸４とが見える図 上述の変速機の分解図であって、入力アダプタシステム５と、変速機の外側に対する回転出力エレメント２と、アキュムレータの出力の回転制御装置７が取り付けられるエネルギーアキュムレータ６と、回転制御装置の作動を調整可能とする調整制御部８と、出力部を形成する円筒体２によって変速機の入力アダプタシステム５に接続されたインパルスフィルタリング９を備える出力システムとが見える図 弾性ポテンシャルエネルギー蓄積装置６の斜視図であって、フリーホイール１２によって固定キャリアシャフト４に連結されたアキュムレータの回転入力部１１を見ることができ、フリーホイールはアキュムレータにおいて弾性エネルギーを蓄積する方向にのみ回転可能とし、弾性アキュムレータは渦巻バネ１３を備え、渦巻バネ１３の内側端部は回転入力部１１に固定され、外側端部はアキュムレータの出力部に固定されており、弾性アキュムレータの出力エレメント１４は、システムを覆う筒状の円筒体であって、制御システムが出力本体部の回転を阻止又は可能にするために備える手段を介して回転制御システムに連結されている、図 弾性ポテンシャルエネルギーのアキュムレータの正面図であって、図４と同じエレメントを見ることができ、破線は、出力制御装置を形成するピースの隠線を示し、当該出力制御装置は、出力が制御されたアキュムレータシステムの管状の円筒形出力本体部１４の回転を阻止又は可能にする、図 アキュムレータの出力部の回転制御装置７の斜視図であって、アキュムレータの筒状の出力本体部１４に固定されたラチェット１５と、支持ディスク１７の上に取り付けられるとともに阻止／通過エレメントとして機能する機構を有するブロッキングホイール１６とが見える図であり、ブロッキングホイールの作用は、レバー１９によって押圧される圧力バネ１８に生じる圧力によって調整可能であり、圧力バネ１８に生じる圧力は、偏心して取り付けられた調整ディスク２０の回転によって制御可能であり、圧力調整ディスクは、支持チューブ２１に強固に固定されており、支持チューブ２１の回転位置は調整制御部８から調整可能である（支持ディスク１７は、変速機用の支持ベースとして機能するものとして固定シャフト４に強固に固定されている）、図 変速機９の出力部のアダプテーションシステムの断面図と正面図であって、インパルスフィルタリングを有する当該システムは入力ピースを備え、当該入力ピースは、内側部分２２において管状突起を有する円盤状本体部であるとともに、アキュムレータ１３の制御された出力部に対する外側部分と、管状突起からの内側部分とによってフリーホイール２３に接続されており、フリーホイール２３は、高速チャージ弾性アキュムレータの機能を実行する渦巻バネ２４の内側に回転パルスを伝達することにより、吸収されたパルスエネルギーを伝達し、渦巻バネ２４は、その外側部分によって慣性フライホイール２５に固定されており、慣性フライホイール２５は、変速機２の外側出力部に固定されている、図 変速機の入力アダプタシステム５と変速機の外側に対する回転出力エレメント２の斜視図であって、出力アダプタシステムは、中央シャフトに最も近い領域において管状突起を備える円盤状本体部によって形成されており、当該突起に一体化されたものとして、外部運動からの回転入力が提供される歯車１が設けられており、円盤状本体部は、その内側部分を介してフリーホイール２６によって、出力が制御されたエネルギーアキュムレータの入力軸に接続されており、さらに付加的に、その外側部分を介して別のフリーホイール２７によって、変速機２の外側出力部に接続するための筒状の円筒体を用いて接続されている、図

上記において、図面について説明するとともに、無段変速機の基本的な動作について十分に説明している。以下では、本発明の好適な実施形態を一例として説明する。

上述したような自転車での使用のために実施される変速システムの非限定的な好ましい実施形態が以下に記載される。

本質的な部分として説明した上記システムに基づいて、いくつかの異なる変速機を実施してもよい。特に、一例として説明する無段変速機は、異なるタイプの自転車に特化した用途のために考案されている。

上述したような変速機は、自転車の用途のためにデザインおよびサイズが決められており、具体的には、変速機の出力部が自転車の駆動輪を支持し、固定軸４が固定フォークにて保持され、フォークの先端から延びるケーブルを介して調整制御部８にアクセスすることによりトルク調整が行われ、さらに、駆動力がベルト又はチェーンによって伝達されるかどうかに応じて、動作入力部１に歯車又はスプロケットを適合させることができる。

自転車の用途に使用される好ましい実施形態は、２つのチャネルを介して回転を伝達する入力サブアセンブリを使用するものである。第１のチャネルは、フリーホイール２７を介して変速機の出力部に直接的に回転を伝達し、第２のチャネルは、フリーホイール２６を介して、出力が制御されたエネルギーアキュムレータの入力部に回転を伝達する。最初に、入力部１に駆動力が加えられると、出力部２に同じ回転が生じ、アキュムレータの入力部に回転を生じさせるのと同時に、そこでのエネルギーの蓄積によって徐々に充電されていく。

アキュムレータの回転入力部１１において回転を伝達することによって、アキュムレータ１１の回転入力部がフリーホイール１２によって固定シャフト４へ接続されている場合には、ばね１３が巻かれ、エネルギーの蓄積によってばね１３における弾性テンションが増加する。このとき、この入力部は一方向にのみ回転することができるため、入力部からアキュムレータへの充電のみが可能である。

筒状の円筒体であるアキュムレータの出力部１４は、バネ１３が強制的に付勢する方向に回転することによってエネルギーを放出する。この出力本体部１４の回転は、アキュムレータ６の出力の回転制御装置７によって制御される。好ましい実施形態では、それは圧力調整可能な制動システムであって、当該システムは、アキュムレータの出力部のトルクが回転制御装置の調整手段によって決定されたトルク値に達したときに回転を可能にするものである。

回転制御装置は、ブロッキングホイール１６で構成されており、ブロッキングホイール１６は、アキュムレータ１４の出力部の回転を阻止することで、アキュムレータの出力本体部に固定されたラチェット１５の通過を阻止し、これにより、ブロッキングホイール１６を介したラチェット１５のブロックが可能となる。このホイールはバネ１８によって押されるアームに固定されており、その圧力はレバー１９から調整され、レバー１９は、偏心した位置に設けられたディスク２０によって押されており、このディスクはチューブ２１に強固に固定されており、両者の回転位置は調整レバー８からの回転によって修正可能である。これらのシステム全体は、固定軸４に強固に固定された支持ディスク１７上に取り付けられており、回転制御装置７は、ブロッキングホイール１６によってエネルギーアキュムレータの出力部の回転をブロックすることができる。

回転制御装置の調整によって決定されたトルクでのエネルギーアキュムレータによる回転出力は不連続なセクションで生じるので、これらのセクションは出力において連続的な回転に変換されなければならない。そうするために、一方向デバイスが使用され、この好ましい実施形態における一方向デバイスはフリーホイールだけでなく、インパルスフィルタリングをさらに備える出力システムである。

インパルスフィルタリング９を有する出力システムは、エネルギーアキュムレータの出力部に接続されており、このとき、インパルス出力部との接続はアダプタ接続ピース２２によって行われている。このピースは、管状の円筒形の突起を中心に有するディスクを備えるとともに、その外側部分によって、ラチェット又は別の手段を介してアキュムレータの出力部のチューブに接続されている。この管状の円筒形の突起によって、フリーホイール装置２３の内側部分に接続されている。フリーホイール装置２３の外側部分は、高速弾性アキュムレータ２４の入力部に接続されており、本実施の形態では渦巻バネであり、高速チャージアキュムレータの他端、すなわち、渦巻バネの外側部分は、慣性フライホイール２５に接続されており、慣性フライホイール２５は、出力パルスのフィルタリングに寄与する。慣性フライホイールは、その一部を形成するように変速機の出力部に接続されている。当該出力部は、変速機の回転出力部が設けられる管状かつ円筒形状の本体部２である。

この好ましい実施形態では、変速機の入力アダプタシステム５は、中心に管状の円筒状突出部を有する円盤状の本体部の周りに形成された機械アセンブリから形成されている。そこでは、歯車が一体化されており、歯車の機能は回転の入力である。本体部内には、内部に円筒形の突起が配置されたフリーホイール装置があり、このフリーホイールを介してエネルギーアキュムレータの入力部に接続されている。さらに本体部は、（管状の本体部２８に嵌め込まれた）別のフリーホイール２７を介して、ディスクの外周部によって、変速機２の外部出力部の円筒状の管状本体部に接続されている。

Claims (5)

1. 連続可変式変速機であって、
   運動ソースから回転運動および入力トルクを受けるように構成された入力軸（１）と、
   回転運動および入力トルクを各状況における負荷要求に適合する出力トルクで回転運動に変換する機械システムと、
   必要とされる力に適合した回転運動およびトルクを伝達するように構成されたインパルスフィルタリング（９）に統合された変速機の出力軸（２）と、を備え、
   入力軸（１）は、回転制御装置（７）によって出力が制御された少なくとも１つのエネルギー蓄積システム（６）の入力部（１１）に接続されており、エネルギー蓄積システム（６）は入力部（１１）および出力部（１４）を有し、かつ、入力部（１１）の回転移動を、弾性ポテンシャルエネルギーに変換して蓄積し、蓄積されたエネルギーを出力部（１４）の回転によって供給することができ、出力部（１４）の回転が回転制御装置（７）によって制御されることにより、出力部（１４）のトルクが回転制御装置（７）によって決められたトルク値に到達したときに出力部（１４）の回転が可能となることで、エネルギー蓄積システム（６）のエネルギーを不連続なセクションで伝達し、
   出力が制御されたエネルギー蓄積システム（６）の出力部（１４）は、インパルスフィルタリング（９）の入力部（２２）に接続されており、当該インパルスフィルタリング（９）は入力部（２２）と出力部（２５）を有するとともに、入力部（２２）に接続される少なくとも１つのフリーホイール装置（２３）を有し、かつ、出力部（２５）に関連して、運動エネルギーを蓄積する慣性質量との接続部を有し、インパルスフィルタリング（９）の出力部（２５）は変速機の出力軸（２）に接続されている、連続可変式変速機。
2. 駆動源からの入力の回転とトルクを受けるように構成された入力軸（１）は、エネルギー蓄積システム（６）に内在されたフリーホイール装置（２６）によってエネルギー蓄積システム（６）の入力部（１１）に結合されており、これにより、エネルギー蓄積システム（６）のエネルギー蓄積方向にのみ回転運動を伝達し、入力軸（１）は、その外側部分に変速機の出力軸（２）が接続され、別のフリーホイール装置（２７）を介して出力軸（２）の回転方向にのみ運動を伝達する、請求項１に記載の連続可変式変速機。
3. エネルギー蓄積システム（６）では、固定支持シャフト４に対して内側から外側に向かって連続的にフリーホイール装置（１２）が同軸的に取り付けられており、このフリーホイール装置（１２）上には、エネルギー蓄積システム（６）の入力部（１１）が配置されており、渦巻バネ（１３）の内側部分は、エネルギー蓄積システム（６）の入力部（１１）に接続されており、このとき、入力部（１１）をエネルギー蓄積方向にのみ回転させることが可能であり、渦巻バネ（１３）の外側部分はエネルギー蓄積システム（６）の出力部（１４）に接続されており、この出力部（１４）の回転性能は、出力部（１４）を回転又は阻止することが可能な制御装置（７）から制御される、請求項１又は２に記載の連続可変式変速機。
4. 回転制御装置（７）は、軸に保持されたブロッキングホイール（１６）を有し、ブロッキングホイール（１６）は、アームとの接触によって、出力軸（２）に固定されたラチェット（１５）の回転運動の軌跡をブロック又は有効化するように両方向に回転可能であり、ブロッキングホイール（１６）を支持するアームは、押圧ばね（１８）によりレバー１９から押圧され、押圧ばね（１８）はアームとレバー１９の間に設けられており、レバー（１９）は、支持軸（４）の周囲に偏心して取り付けられた偏心ディスク（２０）によって押圧され、この偏心ディスク（２０）は、自由回転が制限されて支持軸（４）上に同軸に取り付けられたチューブ（２１）の一端に保持されており、調整レバー（８）によってこのチューブ（２１）を回転させることによって偏心ディスク（２０）が回転され、それにより、ばね（１８）およびブロッキングホイール（１６）の圧力を調整することが可能になる、請求項３に記載の連続可変式変速機。
5. インパルスフィルタリング（９）は、管状の円筒状の突起を有する円盤状の入力本体部を備え、当該突起は、その円盤部分によって、出力が制御されたエネルギー蓄積システム（６）の出力部（１４）に保持されるとともに、当該突起に同軸に内側から外側に向かって取り付けられたフリーホイール装置（２３）、渦巻バネ（２４）および慣性フライホイール（２５）を有し、慣性フライホイール（２５）は、変速機の出力軸（２）に接続されており、渦巻バネ（２４）は、内側部分においてフリーホイールデバイス（２３）に接続されるとともに、外側部分において慣性フライホイール（２５）に接続されている、請求項１から４のいずれか１つに記載の連続可変式変速機。

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