JP7125894B2 - 自転車のチェーンホイールキャリアとホイールハブとの間で用いる変速機、並びにその変速機を備えた後部アクスルおよび後部ホイール - Google Patents

Description

本発明は、自転車の後部ホイールのスプロケットまたはスプロケットキャリアとホイールハブとの間で用いる変速機に関し、この変速機は、自転車の後部ホイールのホイールアクスル上に取り付けれらることが意図されている。また、この変速機は変速機筐体を備え、この変速機筐体は、スプロケットまたはスプロケットキャリアと自身とを接続するための接続手段を備えるか、またはスプロケットキャリアと一体化されている。この変速機は、自身をホイールハブと連結するための連結手段を更に備える。また、この変速機は、変速機筐体内に存在し、３つの回転部材を備えた遊星歯車セットを更に備え、これら３つの回転部材のうち、第１の回転体がリングホイールを構成して変速機筐体に接続され、第２の回転体が遊星キャリアを構成して連結手段に接続され、第３の回転体が太陽ホイールを構成してホイールアクスルと係合可能である。

そのような変速機が米国特許明細書第３，５１３，７２５号から公知である。この公知の変速機では、第３の回転体（太陽歯車）がホイールアクスルに固定的に接続されており、このホイールアクスルは、変速機が自転車に適用されている場合には、自転車のフレームに固定的に接続されている。この公知の変速機の欠点は、スプロケットキャリアとホイールハブとの間に１対１の変速があるときに可聴音を発生し、そのため、アクチュエータにおける損失を必然的に引き起こしてしまうことである。これは、高級自転車においては望ましくない。

本発明の目的は、冒頭の段落において説明したタイプの変速機を提供することであり、この変速機は、自転車の後部ホイールのホイールアクスル上に取り付けられた場合、周知の変速機に比べ、サイクリング中に発生されるノイズが少ないか、または全くなく、この変速機における損失も少ないか、または全くない。この目的のために、本発明による自転車は、第１の回転体が第１のクラッチを介して第２の回転体に接続され、第３の回転体が第２の連結部を介してホイールアクスルに接続されていることを特徴とする。当然、当該各回転体と、ホイールアクスルと、クラッチとの間にも更なる連結部が存在し得る。本発明による変速機において１対１の変速（第１のクラッチ閉鎖）である場合、各遊星歯車がそれらの軸の周りを回転しないので、１対１の変速である場合の変速機は互いに相対的に回転する歯車を有しない。各遊星歯車がそれらの軸の周りを回転しない理由は、１対１の変速（第２のクラッチ開放）である場合、太陽歯車が静止ホイールアクスルに固定的に接続されていないからである。特に、各遊星歯車はそれらの軸の周りを回転すると、ノイズを引き起こし、結果として効率に劣る。各遊星ホイールをそれらの軸に対して固定することにより、１対１の変速である場合の音の発生が低減される。

好ましくは、第１のクラッチは切り換え可能なクラッチとして、好ましくは、互いに相対的に連結されるべき部品を回転方向において固定することができる、切り換え可能な歯止めを有するクラッチ（形状閉鎖連結部）として設計される。

第１のクラッチは、好ましくは、変速機の負荷（駆動）のもとで、連結と連結解除とがともに可能なクラッチとして設計される。

また、第２の連結部は、好ましくは、係合解除可能なクラッチとして、同様に好ましくは、互いに相対的に連結されるべき部品を回転方向において固定することができる、歯止めを有する切り換え可能なクラッチ（形状閉鎖連結部）として設計される。これにより、太陽歯車とホイールアクスルとの間のフリーホイールクラッチの歯止めを係合解除位置に切り換えることが可能となり、歯止めが歯打ちができなくなるため、音が発生しなくなる。

別の好ましい変形形態は、第２のクラッチがフリーホイールとして設計される形態である。フリーホイールは、例えば、フリーホイール軸受、フリーホイールクラッチ、一方向軸受、および一方向クラッチとすることができる。好ましくは、このフリーホイールは、フリーホイール軸受として構成される。

本発明による自転車の一実施形態は、変速機が、切り換え可能なクラッチまたは切り換え可能な各クラッチを切り換えるための切り換え機構を備え、この切り換え機構が変速機筐体内部に配置されていることを特徴とする。

好ましくは、切り換え機構は、軸方向に移動することによって、または接線方向に回転することによって、切り換え可能なクラッチまたは切り換え可能な各クラッチを操作することができるリングを備える。

また、切り換え機構は、好ましくは、電気アクチュエータを備え、このアクチュエータは、ホイールアクスル上またはホイールアクスル内に取り付けられたステータを備える。その結果、自転車のハンドルバーまたはフレーム上の制御レバーへの機械的接続が必要とされない。この機械的接続は、後部ホイールを手早く交換できるように、容易かつ迅速に連結解除できることが更に要求されるものである。

本発明による自転車の更なる実施形態は、リングおよびアクチュエータが、変速機筐体において、連結手段を背にした遊星歯車セットの側に存在することを特徴とする。

本発明による自転車の更に別の実施形態は、アクチュエータに、ホイールアクスル内またはホイールアクスル上の１つ以上の開口部を貫通し、ホイールアクスルから隔離された接続ピンが設けられていることを特徴とする。

更にまた、本発明による自転車の更に有利な実施形態は、第２の連結部がフリーホイールとして設計されていることを特徴とする。これは、強制ロック連結部である。フリーホイール軸受は、歯止めではなくローラーを使用するので、ノイズが少ないか、または全くなく、そのため、切り換え可能である必要がない。

有利な実施形態において、変速機は、第１の回転体（４７）と変速機筐体（３３）との間に存在し、フリーホイール、好ましくは、フリーホイールクラッチ（形状閉鎖）または一方向軸受（強制閉鎖）として設計された第３のクラッチ（７５）を備える。この第３のクラッチの利点は、後部ディレーラの適用時に、（突然）ペダリングトルクが通過しなくなる状況において、チェーン張力が一定のままであることである。

本発明による変速機の更に有利な実施形態は、変速機が、第２の回転体または第１のクラッチと変速機筐体との間に存在し、フリーホイールとして設計された第４のクラッチを備えることを特徴とする。

本発明は更に、ホイールアクスルと、ホイールアクスル上に取り付けられる本発明による変速機とを備えた、自転車用後部ホイールアクスルに関し、この後部ホイールアクスルにおいて、第３の回転体は、第２のクラッチを介してホイールアクスルに接続されている。

また、本発明は、本発明による後部ホイールアクスルと、ホイールアクスル上に取り付けられ、変速機に連結されたホイールハブとを備えた、自転車用後部ホイールに関し、このホイールハブは、第１端付近においてホイールハブ軸受を介してホイールアクスル上に取り付けられ、第２端において、変速機の連結手段に連結された更なる連結手段を備える。この付勢力は、ホイールハブとホイールアクスルとの間の調節可能なリングまたはバネによって加えられてもよい。ホイールハブ軸受に、変速機の方向の付勢力によってホイールシャフト上の軸方向にプレストレスを与えることもできる。好ましくは、ホイールシャフト上の変速機筐体の軸受には、これによって軸方向にプレストレスが加えられない。この場合、支持軸受は、好ましくは、ホイールの軸方向の力を吸収することができる溝軸受として設計されており、従って、これを変速機筐体軸受によって行う必要はない。この目的のために、連結スリーブが、ホイールハブの軸方向の力を支持軸受に伝達できるように設計されている。

好ましくは、連結手段および更なる連結手段は、形状閉鎖接続部として設計されている。

本発明によるホイールハブおよびドライバを備えた自転車の後部ホイールアクスルの図面に示された実施形態の例を参照して、以下に、本発明を更により詳細に説明する。

自転車の自転車フレームのドロップアウト間に存在する後部ホイールの一部を示す。

図１に示す後部ホイールの、ドライバの位置における詳細を示す。

遊星歯車セットに接続された連結部における操作可能な歯止めの様々な好ましい位置を示す。 遊星歯車セットに接続された連結部における操作可能な歯止めの様々な好ましい位置を示す。

ホイールアクスルおよびアクスルシャフトがドロップアウトにロックされた後部ホイールアクスルの断面図を示す。

ドロップアウトにロックされた後部ホイールアクスルの別個のホイールアクスルの断面図を示す。

自転車フレームから取り出した別の後部ホイールアクスルのホイールアクスルの後部フォークのドロップアウトの断面図を示す。

後部ホイールアクスルの別個のアクスルシャフトの断面図を示す。

図７に示すドロップアウトの斜視図を示す。

図面の詳細な説明

図１は、自転車の自転車フレームのドロップアウト１０１と１０３との間に存在する、本発明による後部ホイール２１の一部を断面で示す。後部ホイール２１は、後部ホイールアクスル１と、その上に存在する変速機２３と、その一端が軸受２０９を介してホイールアクスルに軸受取り付けされ、他端が変速機２３に連結されたホイールハブ２０１とを備える。

後部ホイールアクスル１は、ホイールアクスル３とこれに挿通されたアクスルシャフト５とから構成されている。 ホイールアクスル３は中空であり、その一端には、自転車フレームの後部フォークのドロップアウト１０１のうちの１つに形状ロック接続するための内部スプライン１３が設けられている（図３参照）。この形状ロック接続を介して、ホイールアクスルはトルクを支持することができ、このトルクは、ドライバのドライバ本体３３とホイールハブ２０１との間の駆動部の反応トルクである。ホイールハブ２０１は、後部ホイールのスポーク（図示せず）が固定された２つのスポークフランジ２０３および２０５を有する。ドライバ３１のドライバ本体３３上には、スプロケットが取り付けられたスプロケットキャリア（図示せず）を装着することができる。この目的のために、ドライバ本体３３に接続手段（歯部３５および３７と雌ねじ３９）が設けられており、この接続手段を介して、更なる接続手段を備えたスプロケットキャリアをドライバ本体に接続することができる。

ドライバ３１は、ドライバ本体３３とホイールハブ２０１との間に２つの切り換え可能な駆動部を備え、その結果、クランク軸上の単一のスプロケットのみで十分であり、従って、自転車の前部ディレーラを省略してもよい。ドライバ３１は、スプライン４１を介してホイールハブ２０１に連結される。これらのスプラインは、ホイールハブ内に存在する内部スプライン２０７と、ドライバの出力連結ブッシュ４５上の外部スプライン４３とを含む。ドライバ３１は、それが取り付けられている中空のホイールアクスル３とともにユニットを構成し、このユニットは全体としてホイールハブ２０１内に挿入することができ、ホイールハブ（およびホイールハブがその一部をなす後部ホイールの残りの部分）とともに、自転車フレームの後部フォークのドロップアウト１０１と１０３との間に押し込むことができ、更に取り出すことができる。

ドライバ３１は、３つの回転部材を有する遊星歯車セットであって、そのうち、第１の回転部材が環状歯車４７によって構成され、第２の回転部材が、複数の遊星歯車５１が軸受取り付けされ、外部スプライン４３を有する連結ブッシュ４５によって構成された連結手段に接続された遊星歯車支持体４９によって構成され、第３の回転部材が、ホイールアクスル３に接続された太陽歯車５３によって構成されている。

第１の回転部材４７は、第１の切り換え可能な連結部７１を介して第２の回転部材５１に接続され、第３の回転部材５３は第２の切り換え可能な連結部７３に接続され、この第２の切り換え可能な連結部７３を介して第３の回転部材をホイールアクスル３に接続することができる。ドライバ３１は、切り換え可能な連結部７１および７３を切り換えるための切り換え機構を更に含む。切り換え機構は、ドライバ本体３３内の空間に配置され、軸方向の変位によって２つの連結部を操作することができる摺動リング７９を有する。切り換え機構は、摺動リング７９を変位させるか、または回転させるための電気アクチュエータを更に含む。

ドライバは、第１の回転体４７とドライバ本体３３との間に存在し、好ましくは一方向クラッチまたは一方向軸受として構成された第３の連結部７５と、第２の回転体４９または第１のクラッチ７１とドライバ本体３３との間に存在し、同様に一方向クラッチまたは一方向軸受として設計された第４のクラッチ８３とを更に有する。

摺動リング７９およびアクチュエータ８１は、ドライバ本体３３内において、連結手段４１を背にした遊星歯車セット側に存在する。アクチュエータは、ホイールアクスル内部の導電体に電気的に接続されている。アクスルシャフトには接続ピンが設けられ、これら接続ピンは、１つ以上の開口部を通じてホイールアクスル内に突出し、ホイールアクスルから隔離され、ホイールアクスル内に存在する導電体に接触することができる。アクスルシャフトを通じて、電気的接触を更に外部に導くことができる。

図３および図４は、遊星歯車セットにおける連結部７１および７３の操作可能な歯止め７４および７７の２つの変形形態を示す。この歯車セットにおいて、環状歯車が駆動され、遊星歯車支持体ｃが出力を構成する。太陽歯車ｓをホイールアクスル３に連結することができる。図３は、操作可能な歯止め７４および７７を備えた遊星歯車セットの第１の実施形態を示す。ホイールアクスル３は、この場合、自転車のフレームに固定されている。歯止め７７は、ホイールアクスル３に回転可能に接続され、太陽歯車ｓと係合している。歯止め７４は、遊星歯車支持体ｃに回転可能に接続され、環状歯車ａと係合している。

図４は、操作可能な歯止め７４および７７を備えた遊星歯車セットの第２の実施形態を示す。ここでは、ホイールアクスル３は自転車のフレームに固定されている。歯止め７７は、ホイールアクスルに回転可能に接続され、太陽歯車ｓと係合している。歯止め７４は、環状歯車ａに回転可能に接続され、遊星歯車支持体ｃと係合している。

連結手段（連結ブッシュ４５）とドライバ本体３３との間には、外周側がドライバ本体に接続され、内周側が連結手段 （連結ブッシュ４５）に接続された左側密封ドライバ本体軸受５５（第１の密封玉軸受）により構成された第１の密封部が配置されている。連結手段（連結ブッシュ４５）とホイールアクスル３との間には、支持軸受５７（密封ニードル軸受）によって構成された第２の密封部が配置されている。支持軸受の密封リング５９は、その外周側において連結手段（連結ブッシュ４５）と接続されている。ドライバ本体３３とホイールアクスル３との間には、外周側がドライバ本体に接続された右側密封ドライバ本体６１（第２の密封玉軸受）によって構成された第３の密封部が配置されている。支持軸受５７の外周側は、連結手段（連結ブッシュ４５）に接続され、第２の密封部と第３の密封部との間に存在する。支持軸受のローラー６１は、ホイールアクスル３上に存在するローラー面６３上を走行する。

外部スプラインが設けられた連結ブッシュ４５によって構成された連結手段は、ホイールハブ２０１内に存在する内部スプライン２０７によって構成された更なる連結手段と協働する。連結ブッシュ４５には、その他端において、第２の回転部材の一部を構成するか、または第２の回転部材に接続されるフランジ６５が設けられている。左側ドライバ本体５５は、ここでは、外部スプライン４３と結合ブッシュ４５上のフランジ６５との間に存在する。ホイールハブ２０１は、第１端付近においてホイールハブ軸受（図面には示されていない）を通じてホイールアクスル３上に軸受取り付けされ、第２端において、内部スプライン２０７によって構成された更なる結合手段を備える。

図５は、自転車の後部フォークのドロップアウト１０１と１０３との間に固定された後部ホイールアクスル１の断面図を示す。後部ホイールアクスル１は、中空のホイールアクスル３を備え、このホイールアクスル３は自身に挿通されたアクスルシャフト５を収容している。後部ホイールアクスルは、ホイールアクスルに作用するトルクを自転車フレーム上で支持するためのトルク支持手段を備える。これらのトルク支持手段は、内部スプライン１３と、内部スプライン１１３と、外部スプライン１２とによって構成される。内部スプライン１３は、中空のホイールアクスルの左側端にあり（図５および図６参照）、内部スプライン１１３は、左側ドロップアウト１０１の開口部１０９内に存在し、ドロップアウトに対して遊動する（図９参照）トルク支持アーム１０５内にあり、外部スプライン１２（図５および図８参照）は、ピン７の周りを回転自在なブッシュ１１上にある。ホイールアクスル３内の内部スプライン１３とブッシュ１１の右側部分とが、ここでは、第１の形状ロック接続部を構成し、トルク支持アーム１０５内の内部スプライン１１３とブッシュ１１の左側部分とが第２の形状ロック接続部を構成する。アクスルシャフト５をホイールアクスルから軸方向に取り外すことによって取り外した後、ホイールアクスル３を、後部フォークのドロップアウト１０１と１０３との間から径方向に取り外すことができる（図７参照）。

ピン７が、その周りを自在に回転するブッシュ１１と、ピン７にねじ接続を介して接続された更なるピン９と共同してアクスルシャフト５を構成する（図８参照）。アクスルシャフトの左端には、ピン７の端部に取り付けられたアクスル１７に偏心して接続され、ホイールアクスル３を自転車フレームのドロップアウト１０１と１０３との間にクランプするためのクイックリリース機構（図８参照）を構成するレバー１９が設けられている。 更なるピン９の自由端には雄ねじ２１が設けられ、この雄ねじ２１は、右側ドロップアウト１０３の開口部１１１内に存在する、雌ねじ１１５を有するキャップ１０７にねじ込まれる。

図９は、ドロップアウト１０１および１０３を斜視図で例示する。ドロップアウトの開口部１０９および１１１は、内部スプライン１１３が設けられたトルク支持アーム１０５および雌ねじ１１５が設けられた中空キャップ１０７の形態であるインサートを収容する。トルク支持アーム１０５の端部１０５Ｂは、回転方向１２１においてドロップアウト１０１に対して遊動するため、このドロップアウト１０１は回転に対してロックされ、従って、トルクを支持することができる。

本発明を図面を参照して上記で説明したが、本発明がこれら図面に示された実施形態に決して限定されるものではないことが明確にされるべきである。本発明は、請求項によって規定される範囲内で、図面に示された実施形態から逸脱する任意の実施形態にも適用される。

Claims (15)

1. 自転車の後部ホイールのスプロケットまたはスプロケットキャリアとホイールハブ（２０１）との間で用いる変速機であって、前記変速機は、
   前記自転車の前記後部ホイールのホイールアクスル（３）上に取り付けられることが意図され、
   変速機筐体（３３）であって、前記スプロケットまたは前記スプロケットキャリアと前記変速機筐体（３３）とを接続するための接続手段（３５、３７）を備えるか、または前記スプロケットキャリアと一体化されている、変速機筐体（３３）と、
   前記変速機（３３）を前記ホイールハブ（２０１）と連結するための連結手段（４１）と、
   前記変速機筐体内に存在し、３つの回転部材を備えた遊星歯車セットであって、前記３つの回転部材のうち、第１の回転体（４７）がリングホイールを構成して前記変速機筐体（３３）に接続され、第２の回転体（４９）が遊星キャリアを構成して前記連結手段（４１）に接続され、第３の回転体（５３）が太陽ホイールを構成して前記ホイールアクスル（３）と係合可能である、遊星歯車セットと、
   を備え、
   前記第１の回転体（４７）が第１のクラッチ（７１）を介して前記第２の回転体（４９）に接続され、前記第３の回転体（５３）が、第２の連結部（７３）を介して前記ホイールアクスル（３）に接続され、
   前記第２の連結部（７３）がフリーホイールであり、
   前記第１のクラッチ（７１）が前記第１の回転体を前記第２の回転体に回転方向において固定するための切り換え可能なクラッチとして構成され、
   前記第１のクラッチを閉鎖し、前記第２の連結部をフリーホイールとすることにより、前記スプロケットキャリアと前記ホイールハブとの間に１対１の変速を形成するように構成された、ことを特徴とする変速機。
2. 前記第１のクラッチ（７１）が、互いに相対的に連結されるべき部品を回転方向において固定することができる、切り換え可能な歯止め（７４）を有するクラッチとして設計されていることを特徴とする、請求項１に記載の変速機。
3. 前記第１のクラッチ（７１）が、前記変速機の負荷（駆動）のもとで、連結と連結解除とがともに可能なクラッチとして設計されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の変速機。
4. 前記第２の連結部（７３）が、クラッチフリーホイール軸受、フリーホイールクラッチ、一方向軸受、または一方向クラッチとして設計されていることを特徴とする、請求項１、２、または３に記載の変速機。
5. 前記第２の連結部（７３）が、互いに相対的に連結されるべき部品を回転方向において固定することができる、歯止め（７７）を有する切り換え可能なクラッチとして設計されていることを特徴とする、請求項４に記載の変速機。
6. 前記変速機が、前記切り換え可能なクラッチまたは前記切り換え可能な各クラッチ（７１、７３）を切り換えるための切り換え機構を備え、前記切り換え機構が前記変速機筐体（３３）内部に配置されていることを特徴とする、請求項１、２、３、４、または５に記載の変速機。
7. 前記切り換え機構が、軸方向に移動することによって、または接線方向に回転することによって、前記切り換え可能なクラッチまたは前記切り換え可能な各クラッチ（７１、７３）を操作することができるリング（７９）を備えることを特徴とする、請求項６に記載の変速機。
8. 前記切り換え機構が、電気アクチュエータ（８１）を備えることを特徴とする、請求項６または７に記載の変速機。
9. 前記切り換え機構が、電気アクチュエータ（８１）を備え、
   前記リング（７９）および前記電気アクチュエータが、前記変速機筐体（３３）において、前記連結手段（４１）を背にした前記遊星歯車セットの側に存在することを特徴とする、請求項７に記載の変速機。
10. 前記電気アクチュエータが、前記変速機筐体（３３）において、前記連結手段（４１）を背にした前記遊星歯車セットの側に存在し、
    前記電気アクチュエータに、前記ホイールアクスル（３）内または前記ホイールアクスル（３）上の１つ以上の開口部を貫通し、前記ホイールアクスルから隔離された接続ピンが設けられていることを特徴とする、請求項８または９に記載の変速機。
11. 前記変速機が、前記第１の回転体（４７）と前記変速機筐体（３３）との間に存在し、フリーホイールとして設計された第３のクラッチ（７５）を備えることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載の変速機。
12. 前記変速機が、前記第２の回転体または前記第１のクラッチと前記変速機筐体（３３）との間に存在し、フリーホイールとして設計された第４のクラッチ（８３）を備えることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか１項に記載の変速機。
13. ホイールアクスル（３）と、前記ホイールアクスル上に取り付けられる、請求項１から１２のいずれか１項に記載の変速機とを備えた、自転車用後部ホイールアクスルであって、前記第３の回転体（５３）が前記第２の連結部（７３）を介して前記ホイールアクスル（３）に接続される、自転車用後部ホイールアクスル。
14. 請求項１３に記載の後部ホイールアクスルと、前記ホイールアクスル（３）上に取り付けられ、前記変速機に連結されたホイールハブ（２０１）とを備えた、自転車用後部ホイールであって、前記ホールハブは、第１端付近においてホイールハブ軸受（２０９）を介して前記ホイールアクスル上に取り付けられ、第２端において、前記変速機の連結手段（４１）に連結された更なる連結手段を備える、自転車用後部ホイール。
15. 前記連結手段（４１）および前記更なる連結手段（２０７）が形状閉鎖接続部として設計されていることを特徴とする、請求項１４に記載の後部ホイール。
    

Images