JP6328588B2 - 内装変速機 - Google Patents

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Description

本発明は、自転車に搭載される内装変速機に関する。
ハブ軸と、ハブ軸に取り付けられている出力用の複数の変速ギアと、ハブ軸とは別軸の回転軸と、回転軸に取り付けられている入力用の複数の変速ギアとを備える内装変速機が知られている。特許文献1は、その一例を開示している。
米国特許第5667233号公報
上記内装変速機は、ハブ軸と同軸に複数の変速ギアを設ける必要があるため、設計の自由度が低い。
本発明の目的は、設計の自由度が高い内装変速機を提供することである。
〔1〕本発明に従う内装変速機の一形態は、自転車のフレームに取り付け可能なハブ軸と、前記ハブ軸の軸心から離間して設けられ、前記ハブ軸の軸心まわりに回転不能な第1軸と、前記ハブ軸の軸心および第1軸の軸心から離間して設けられ、前記ハブ軸の軸心まわりに回転不能な第2軸と、前記第1軸と同軸に設けられ、前記第1軸の軸心まわりに回転可能な複数の第1回転体と、前記第2軸と同軸に設けられ、前記第1回転体とそれぞれ連結されて、前記第2軸の軸心まわりに回転可能な複数の第2回転体と、前記第1回転体の前記第1軸の軸心まわりの回転状態および前記第2回転体の前記第2軸の軸心まわりの回転状態の少なくともいずれか一方を制御するクラッチ機構と、前記ハブ軸の軸心まわりに回転し、前記第1軸、前記第2軸、前記第1回転体、前記第2回転体、および、前記クラッチ機構を収容するハブシェルと、を含む。
〔2〕前記内装変速機の一例によれば、前記第1回転体は、歯車を含み、前記第2回転体は、前記第1回転体に噛み合う歯車を含む。
〔3〕前記内装変速機の一例によれば、前記複数の第1回転体は、回転が入力される入力歯車と、前記ハブシェルに回転を出力する出力歯車とを含む。
〔4〕前記内装変速機の一例によれば、前記入力歯車および前記出力歯車のうち少なくともいずれか一方は、直径の異なる複数の歯車を有する。
〔5〕前記内装変速機の一例によれば、前記複数の第2回転体は、前記入力歯車の前記複数の歯車にそれぞれ噛み合う複数の入力側歯車を有する。
〔6〕前記内装変速機の一例によれば、前記複数の第2回転体は、前記出力歯車の前記複数の歯車にそれぞれ噛み合う複数の出力側歯車を有する。
〔7〕前記内装変速機の一例によれば、前記第2軸は、前記複数の第2回転体を回転可能に支持する中空軸によって形成され、前記クラッチ機構は、制御軸と、複数の係合部とを含み、前記制御軸は、前記第2軸内に配置され、前記第2軸に対する回転が可能であり、前記複数の係合部は、前記制御軸の回転によって動作し、前記複数の入力側歯車のいずれかの回転を前記第2軸に選択的に伝達する。
〔8〕前記内装変速機の一例によれば、前記第2軸は、前記複数の第2回転体を回転可能に支持する中空軸によって形成され、前記クラッチ機構は、制御軸と、複数の係合部とを含み、前記制御軸は、前記第2軸内に配置され、前記第2軸に対する回転が可能であり、前記複数の係合部は、前記制御軸の回転によって動作し、前記第2軸の回転を前記複数の出力側歯車のいずれかに選択的に伝達する。
〔9〕前記内装変速機の一例によれば、前記第2軸は、前記複数の第2回転体を回転可能に支持する中空軸によって形成され、前記クラッチ機構は、制御軸と、複数の係合部とを含み、前記制御軸は、前記第2軸内に配置され、前記第2軸に対する回転が可能であり、前記複数の係合部は、前記制御軸の回転によって動作し、前記複数の入力側歯車のいずれかの回転を前記第2軸に選択的に伝達し、前記第2軸の回転を前記複数の出力側歯車のいずれかに選択的に伝達する。
〔10〕前記内装変速機の一例によれば、前記第2軸には、外周部に開口が形成され、複数の係合部のうちの少なくとも1つの係合部は、前記開口に配置され、前記制御軸は、前記開口に配置される前記係合部を制御する制御部分を有し、前記第2軸に対して回転することにより、前記係合部が前記開口から突出する第1状態と、前記係合部が前記開口内に退避する第2状態とを切り替える。
〔11〕前記内装変速機の一例によれば、前記クラッチ機構は、前記係合部を前記開口から突出するようにバイアスする弾性部材をさらに備える。
〔12〕前記内装変速機の一例によれば、前記クラッチ機構は、前記第2軸の回転を増速して前記制御軸に与える増速機構と、前記第2軸の回転を減速して前記制御軸に与える減速機構とを備える。
〔13〕前記内装変速機の一例によれば、前記増速機構は、前記第2軸と一体的に回転する第1同期歯車と、前記制御軸と一体的に回転可能な第2同期歯車と、前記第1同期歯車および前記第2同期歯車の一方に噛み合い可能な第1補助歯車と、前記第1同期歯車および前記第2同期歯車の他方に噛み合い、前記第1補助歯車と一体で回転する第2補助歯車と、前記第1補助歯車が前記第1同期歯車および前記第2同期歯車の一方と噛み合う状態と前記第1補助歯車が前記第1同期歯車および前記第2同期歯車の一方と噛み合わない状態とを切り替える第1切替部とを含む。
〔14〕前記内装変速機の一例によれば、前記減速機構は、前記第1同期歯車と、前記制御軸と一体的に回転可能で、前記第2同期歯車よりも歯数の少ない第3同期歯車と、前記第1同期歯車および前記第3同期歯車の一方に噛み合い可能な第3補助歯車と、前記第1同期歯車および前記第3同期歯車の他方に噛み合い、第2補助歯車と一体で回転する第4補助歯車と、前記第3補助歯車が前記第1同期歯車および前記第3同期歯車の一方と噛み合う状態と前記第3補助歯車が前記第1同期歯車および前記第3同期歯車の一方と噛み合わない状態とを切り替える第2切替部とを含む。
〔15〕前記内装変速機の一例によれば、前記ハブ軸に固定され、前記第1軸および前記第2軸を支持する支持部材をさらに備える。
〔16〕前記内装変速機の一例によれば、前記ハブ軸は、第1ハブ軸と、前記第1ハブ軸と分離している第2ハブ軸とを備え、前記第1ハブ軸は、前記ハブシェルの軸心方向の一方に突出し、前記第2ハブ軸は、前記ハブシェルの軸心方向の他方に突出する。
〔17〕前記内装変速機の一例によれば、径方向における前記ハブ軸と前記第1軸との間の距離と、径方向における前記ハブ軸と前記第2軸との間の距離は、実質的に等しい。
〔18〕前記内装変速機の一例によれば、前記第1軸の軸心と、前記第2軸の軸心とは、前記ハブ軸の軸心に対して対称に配置される。
〔19〕前記内装変速機の一例によれば、前記入力歯車に噛み合う内歯車を有し、スプロケットを取り付け可能な駆動部をさらに備える。
〔20〕前記内装変速機の一例によれば、前記ハブシェルは、前記出力歯車に噛み合う内歯車を有する。
上記内装変速機は、設計の自由度が高い。
実施形態の内装変速機が搭載された自転車の側面図。 図1の内装変速機の正面図。 図2の内装変速機の分解斜視図。 図2のD4−D4線に沿う断面図。 図3の内装変速機のクラッチ機構の正面図。 図5のクラッチ機構の斜視図。 図6の第1切替部およびその周辺の拡大図。 図6の第2切替部およびその周辺の拡大図。 第2軸および制御軸の分解斜視図。 制御軸が第2軸に収容された状態における図9のD10−D10線に沿う断面図。 (a)は制御軸が第2軸に収容された状態、かつ、第2係合部が第1状態における図9のD11−D11線に沿う断面図、(b)は制御軸が第2軸に収容された状態、かつ、第2係合部が第2状態における図9のD11−D11線に沿う断面図。 第1ロック解除部材がロック部材と第1キー部材とが係合している状態を解除している最中の第1切替部およびその周辺の拡大図。 ロック部材と第1キー部材との係合している状態が解除されたときの第1切替部およびその周辺の拡大図。 第1キー部材と第1同期歯車とが噛み合っている状態の第1切替部およびその周辺の斜視図。 第1補助歯車と第1同期歯車とが噛み合っている状態の第1切替部およびその周辺の拡大図。 第2補助歯車と第2同期歯車とが噛み合っている状態のクラッチ機構の拡大図。 第1キー部材が案内部に接触している最中の第1切替部およびその周辺の拡大図。 ロック部材と第1キー部材とが係合している状態の第1切替部およびその周辺の拡大図。 各変速段に対応する係合部の状態を示す表。
(実施形態)
図1は、内装変速機50が搭載された自転車10の側面図である。自転車10は、フレーム12、ハンドルバー14、前輪16、後輪18、駆動機構20、アシスト機構22、バッテリユニット24、変速操作装置26、制御部28、および、内装変速機50を備えている。
駆動機構20は、左右のクランクアーム30、クランク軸32、左右のペダル34、フロントスプロケット36、リアスプロケット38、および、チェーン40を含む。左右のクランクアーム30は、1つのクランク軸32を介して回転可能にフレーム12に取り付けられている。ペダル34は、ペダル軸まわりに回転可能にクランクアーム30に取り付けられている。
フロントスプロケット36は、クランク軸32に連結されている。フロントスプロケット36は、クランク軸32と同軸に設けられている。フロントスプロケット36は、クランク軸32と相対回転しないように連結されてもよいし、クランク軸32が前転するときには、フロントスプロケット36も前転するようにワンウェイクラッチ(図示略)を介して連結されてもよい。
リアスプロケット38は、後輪18の車軸18Aまわりに回転可能に取り付けられている。リアスプロケット38は、内装変速機50を介して後輪18に連結されている。
チェーン40は、フロントスプロケット36とリアスプロケット38とに巻き掛けられている。ペダル34に加えられる人力駆動力によりクランクアーム30が回転するとき、フロントスプロケット36、チェーン40、および、リアスプロケット38により後輪18が回転する。
アシスト機構22は、アシストモータ42および減速機(図示略)を備えている。アシスト機構22は、アシストモータ42の駆動により、フロントスプロケット36を回転させる人力駆動動力をアシストする。アシスト機構22は、クランク軸32から入力される人力駆動力を検出するセンサ(図示略)を備え、人力駆動力に応じてアシストモータ42を駆動する。アシストモータ42は、例えば、電気モータである。アシストモータ42の回転は、減速機を介してフロントスプロケット36に伝達される。アシストモータ42とフロントスプロケット36との間には、クランクアーム30が前転したときに人力駆動力によりアシストモータ42が回転することを防止するためにワンウェイクラッチ(図示略)を設けることもできる。
バッテリユニット24は、バッテリ44、および、バッテリ44をフレーム12に着脱可能に取り付けるためのバッテリホルダ46を備えている。バッテリ44は、1または複数のバッテリセルを含む。バッテリ44は、2次電池により構成される。バッテリ44は、アシストモータ42および内装変速機50に電気的に接続され、アシストモータ42および内装変速機50に電力を供給する。
変速操作装置26は、例えば複数のボタンを備え、内装変速機50と電気的に接続されている。ユーザが変速操作装置26のボタンを操作することにより、内装変速機50が変速段を切り替える。
制御部28は、アシスト操作部(図示略)の操作に基づき、アシストモータ42を駆動させる、アシストモータ42の出力を上昇させる、アシストモータ42を停止させる、または、アシストモータ42の出力を低下させる。
内装変速機50は、リアスプロケット38(図1参照)の回転を変速する。内装変速機50は、後輪18の車軸18A(図1参照)のハブと一体化され、複数の変速段を備えている。
図2または図3に示されるように、内装変速機50は、ハブ軸52、第1軸54、第2軸56、複数の第1回転体58、複数の第2回転体60、クラッチ機構62、ハブシェル64、支持部材66、ならびに、駆動部68を備える。
図2、図3、または、図4に示されるハブ軸52は、自転車10のフレーム12(図1参照)に取り付け可能である。ハブ軸52は、第1ハブ軸52A、および、第1ハブ軸52Aと分離している第2ハブ軸52Bを備える。第1ハブ軸52Aは、ハブシェル64の軸心方向の一方に突出している。第2ハブ軸52Bは、ハブシェル64の軸心方向の他方に突出している。第1ハブ軸52Aと第2ハブ軸52Bとは、同軸である。支持部材66は、第1ハブ軸52Aに連結される支持部材66a、および、第2ハブ軸52Bに連結される支持部材66bを含む。支持部材66a,66bは、ハブ軸方向に間隔をあけて設けられる。支持部材66aは、第1ハブ軸52Aの第2ハブ軸52B側の端部を支持する。支持部材66bは、第2ハブ軸52Bの第1ハブ軸52A側の端部を支持する。支持部材66aおよび支持部材66bは、ハブ軸52の径方向に延びる。
第1軸54は、ハブ軸52の軸心CXから離間して設けられ、ハブ軸52の軸心CXまわりに回転不能である。第1軸54は、中空に形成されている。ハブシェル64の径方向におけるハブ軸52と第1軸54との間の距離と、ハブシェル64の径方向におけるハブ軸52と第2軸56との間の距離は、実質的に等しい。第1軸54の両端部はそれぞれ、支持部材66a,66bに支持され、支持部材66a,66bに固定される。第1軸54は、第1軸54の軸心CYまわりに回転不能である。第1軸54を介して、支持部材66a,66bが連結され、支持部材66aと支持部材66bとの相対移動が阻止される。なお、支持部材66aと支持部材66bとを連結する連結部材をさらに設けてもよい。
第2軸56は、ハブ軸52の軸心CXおよび第1軸54の軸心CYから離間して設けられ、ハブ軸52の軸心CXまわりに回転不能である。第2軸56は、複数の第2回転体60を回転可能に支持する中空軸である。第1軸54の軸心CYと第2軸56の軸心CZとは、ハブ軸52の軸心CXに対して対称に配置されている。第2軸56の両端部はそれぞれ、支持部材66a,66bに回転可能に支持される。第2軸56は、第2軸56の軸心CZまわりに回転可能である。
図2または図3に示される複数の第1回転体58は、第1軸54と同軸に設けられ、第1軸54の軸心CYまわりに回転可能である。複数の第1回転体58は、第1軸54に回転可能に支持される。複数の第1回転体58は、支持部材66aと支持部材66bとの間に配置される。複数の第1回転体58は、回転が入力される複数の入力歯車70、および、ハブシェル64に回転を出力する複数の出力歯車72を含む。複数の第1回転体58と第1軸54との間には、それぞれベアリングを設けてもよい。なお、本実施形態の内装変速機50に用いられる各歯車は、金属によって形成されてもよく、合成樹脂によって形成されてもよい。
複数の入力歯車70は、互いに直径の異なる第1入力歯車70A、および、第2入力歯車70Bを有する。第1入力歯車70Aは、第2入力歯車70Bよりも直径が大きい。第1入力歯車70Aは、第2入力歯車70Bよりも歯数が多い。第1入力歯車70Aと第2入力歯車70Bとは一体的に形成されている。第1入力歯車70Aは、第1軸54の軸方向において、第2入力歯車70Bよりも第1ハブ軸52Aに近い位置に配置されている。なお、第1入力歯車70Aと第2入力歯車70Bとは、ワンピースで形成されてもよく、別体で形成して、互いに固定してもよい。
複数の出力歯車72は、互いに直径の異なる第1出力歯車72A、第2出力歯車72B、および、第3出力歯車72Cを有する。第1出力歯車72Aは、第2出力歯車72Bおよび第3出力歯車72Cよりも直径が大きい。第2出力歯車72Bは、第3出力歯車72Cよりも直径が大きい。第1出力歯車72A、第2出力歯車72B、および、第3出力歯車72Cの順に歯数が多い。第1出力歯車72A、第2出力歯車72B、および、第3出力歯車72Cは、一体的に形成されている。第1出力歯車72Aは、第2出力歯車72Bよりも第1ハブ軸52A側に設けられる。第1出力歯車72Aは、ハブ軸方向において、ハブシェル64のフランジ64B間の間に配置される。
第1出力歯車72Aは、第1軸54の軸方向において、第2出力歯車72Bおよび第3出力歯車72Cよりも第1ハブ軸52Aに近い位置に配置されている。
第2出力歯車72Bは、第1軸54の軸方向において、第3出力歯車72Cよりも第1ハブ軸52Aに近い位置、換言すれば、第1軸54の軸方向において、第1出力歯車72Aと第3出力歯車72Cとの間に配置されている。第1出力歯車72A、第2出力歯車72B、および、第3出力歯車72Cは、ワンピースで形成されてもよく、別体で形成して、互いに固定してもよい。
複数の第2回転体60は、第2軸56と同軸に設けられ、第1回転体58とそれぞれ連結されている。複数の第2回転体60は、支持部材66aと支持部材66bとの間に配置される。複数の第2回転体60は、第2軸56の軸心CZまわりに回転可能である。複数の第2回転体60は、複数の入力歯車70にそれぞれ噛み合う複数の入力側歯車74、および、複数の出力歯車72にそれぞれ噛み合う複数の出力側歯車76を有する。
複数の入力側歯車74は、互いに直径の異なる第1入力側歯車74A、および、第2入力側歯車74Bを有する。
第1入力側歯車74Aは、第2入力側歯車74Bよりも直径が小さい。第1入力側歯車74Aは、第2入力側歯車74Bよりも歯数が少ない。第1入力側歯車74Aは、第1軸54の軸方向において、第2入力側歯車74Bよりも第1ハブ軸52Aに近い位置に配置されている。第1入力側歯車74Aは、第1入力歯車70Aと噛み合っている。第2入力側歯車74Bは、第2入力歯車70Bと噛み合っている。
複数の出力側歯車76は、互いに直径の異なる第1出力側歯車76A、第2出力側歯車76B、および、第3出力側歯車76Cを有する。
第1出力側歯車76Aは、第2出力側歯車76Bおよび第3出力側歯車76Cよりも直径が小さい。第2出力側歯車76Bは、第3出力側歯車76Cよりも直径が小さい。第1出力側歯車76A、第2出力側歯車76B、および、第3出力側歯車76Cの順に歯数が少ない。
第1出力側歯車76Aは、第1軸54の軸方向において、第2出力側歯車76Bおよび第3出力側歯車76Cよりも第1ハブ軸52Aに近い位置に配置されている。第2出力側歯車76Bは、第1軸54の軸方向において、第3出力側歯車76Cよりも第1ハブ軸52Aに近い位置、換言すれば、第1軸54の軸方向において、第1出力側歯車76Aと第3出力側歯車76Cとの間に配置されている。第1出力側歯車76Aは、第1出力歯車72Aと噛み合っている。第2出力側歯車76Bは、第2出力歯車72Bと噛み合っている。第3出力側歯車76Cは、第3出力歯車72Cと噛み合っている。
図5または図6に示されるクラッチ機構62は、第2回転体60の第2軸56の軸心CZまわりの回転状態を制御する。クラッチ機構62は、制御軸78、複数の係合部80、複数のばね82、増速機構84、および、減速機構86を有する。
図9または図10に示される制御軸78は、中空の第2軸56内に配置され、第2軸56に対する回転が可能である。制御軸78は、第2軸56と同軸に設けられ、第2軸56とともに回転が可能である。制御軸78は、少なくとも軸方向の一部が中空の第2軸56内に配置される。制御軸78は、係合部80を制御する第1制御部分78Aおよび第2制御部分78Bを有する。第1制御部分78Aは、制御軸78の円筒状の外周面の一部である。第2制御部分78Bは、制御軸78の外周面に形成された凹部である。第2制御部分78Bは、第2軸56の軸方向において係合部80に対応する位置に設けられる。
図9または図10に示される複数の係合部80は、爪形状の部材である。係合部80は、第1入力側歯車74Aまたは第2入力側歯車74Bのいずれかの回転を第2軸56に選択的に伝達する。係合部80は、第2軸56の回転を第1出力側歯車76A、第2出力側歯車76B、または、第3出力側歯車76Cのいずれかに選択的に伝達する。
複数の係合部80は、第2軸56および制御軸78の軸方向に並べて配置された第1係合部80A、第2係合部80B、第3係合部80C、第4係合部80D、および、第5係合部80Eを有する。複数の係合部80は、第2軸56の外周部に形成された複数の開口56Aにそれぞれ配置されている。各開口56Aは、第2軸56の外周部および内周部を貫通している。各開口56Aは、第2軸56の軸方向において、第1入力側歯車74A、第2入力側歯車74B、第1出力側歯車76A、第2出力側歯車76B、および、第3出力側歯車76Cのそれぞれに対応する位置に設けられている。第2軸56の軸方向に隣り合う各開口56Aは、第2軸56の周方向に離間して形成されることが好ましい。
図4に示されるように、第1係合部80Aは、複数の開口56Aのうちの第1入力側歯車74Aの内周側に存在する開口56Aに配置されている。第2係合部80Bは、複数の開口56Aのうちの第2入力側歯車74Bの内周側に存在する開口56Aに配置されている。第3係合部80Cは、複数の開口56Aのうちの第1出力側歯車76Aの内周側に存在する開口56Aに配置されている。第4係合部80Dは、複数の開口56Aのうちの第2出力側歯車76Bの内周側に存在する開口56Aに配置されている。第5係合部80Eは、複数の開口56Aのうちの第3出力側歯車76Cの内周側に存在する開口56Aに配置されている。
図9に示されるように、複数の係合部80の先端は、第2軸56の外周に取り付けられた弾性部材としての複数のばね82により、開口56Aから突出するようにバイアスされている。複数の入力側歯車74の内周部および複数の出力側歯車76の内周部には、係合部80に係合可能な被係合部75(図11参照)が形成されている。被係合部75は、少なくとも1つの凹部または凸部を含む。本実施形態では、被係合部75は、周方向に凹部と凸部とが交互に並んで形成されている。なお、被係合部75は、ラチェット歯によって形成されていてもよい。
図11(a)に示されるように、例えば、第2係合部80Bと第2制御部分78Bとが対向しているとき、第2係合部80Bの先端は、ばね82により付勢されて開口56Aから突出して、被係合部75と係合する。このため、第2係合部80Bが開口56Aから突出した第1状態では、第2係合部80Bと第2入力側歯車74Bとが噛み合う。
図11(b)に示されるように、例えば、第2係合部80Bが第1制御部分78Aと対向しているとき、第2係合部80Bの基端が第1制御部分78Aにより第2軸56の径方向に押される。このため、第2係合部80Bの先端は、ばね82の付勢力に反して開口56A内に退避する。このため、第2係合部80Bが開口56A内に退避した第2状態では、第2係合部80Bと第2入力側歯車74Bとが噛み合わない。
図11(a)および図11(b)では、第2係合部80Bと第2入力側歯車74Bとの連結および非連結の状態について示しているが、他の係合部80とこれに対応する入力側歯車74または出力側歯車76との連結および非連結についても同様である。すなわち、係合部80が第1制御部分78Aと対向すると、係合部80が第1制御部分78Aに接触して第2軸56の径方向に押されて退避位置に移動する。一方、係合部80が第2制御部分78Bと対向すると、係合部80の基端部が被係合部75の凹部に移動して係合部80の先端部が突出位置に移動する。なお、係合部80の基端部は、第2制御部分78Bに接触していなくてもよく、接触していてもよい。
制御軸78は、第2軸56に対して回転することにより、各係合部80A〜80Eが開口56Aから突出する第1状態と、各係合部80A〜80Eが開口56A内に退避する第2状態とを切り替える。
第1係合部80Aは、第1状態のとき、第1入力側歯車74Aとともにワンウェイクラッチを構成する。第2係合部80Bは、第1状態のとき、第2入力側歯車74Bとともにワンウェイクラッチを構成する。第3係合部80Cは、第1状態のとき、第1出力側歯車76Aとともにワンウェイクラッチを構成する。第4係合部80Dは、第1状態のとき、第2出力側歯車76Bとともにワンウェイクラッチを構成する。第5係合部80Eは、第1状態のとき、第3出力側歯車76Cとともにワンウェイクラッチを構成する。このようなワンウェイクラッチは、リアスプロケット38が自転車10の前進する方向に回転するとき、入力側歯車74から係合部80、および、係合部80から出力側歯車76に動力が伝達されるように機能する。
すなわち、第1係合部80Aが、第1状態のときであっても、第2軸56の回転速度が第1入力側歯車74Aの回転速度よりも高い場合は、第1係合部80Aは第1入力側歯車74Aに係合せず、第1入力側歯車74Aはフリー回転可能である。第2係合部80Bが、第1状態のときであっても、第2軸56の回転速度が第2入力側歯車74Bの回転速度よりも高い場合は、第2係合部80Bは第2入力側歯車74Bに係合せず、第2入力側歯車74Bはフリー回転可能である。第3係合部80Cが、第1状態のときであっても、第2軸56の回転速度が第1出力側歯車76Aの回転速度よりも低い場合は、第3係合部80Cは第1出力側歯車76Aに係合せず、第1出力側歯車76Aはフリー回転可能である。第4係合部80Dが、第1状態のときであっても、第2軸56の回転速度が第2出力側歯車76Bの回転速度よりも低い場合は、第4係合部80Dは第2出力側歯車76Bに係合せず、第2出力側歯車76Bはフリー回転可能である。第5係合部80Eが、第1状態のときであっても、第2軸56の回転速度が第3出力側歯車76Cの回転速度よりも低い場合は、第5係合部80Eは第3出力側歯車76Cに係合せず、第3出力側歯車76Cはフリー回転可能である。
図5または図6に示される増速機構84は、第2軸56の回転を増速して制御軸78に与える。増速機構84は、第1同期歯車88、第2同期歯車90、第1補助歯車92、第2補助歯車94、切替駆動部96、および、第1切替部98を有する。増速機構84は、支持部材66aに関して支持部材66bとは反対側に配置される。増速機構84は、支持部材66aと、リアスプロケット38(図3参照)との間に配置される。
第1同期歯車88は、第2軸56の端部に取り付けられ、第2軸56と一体的に回転する。第2同期歯車90は、制御軸78の端部に取り付けられ、制御軸78と一体的に回転する。第1同期歯車88は、第2軸56のリアスプロケット38側の端部に設けられ、支持部材66aに関して支持部材66bとは反対側に配置される。第2同期歯車90は、制御軸78のリアスプロケット38側の端部に設けられ、支持部材66aに関して支持部材66bとは反対側に配置される。第2同期歯車90の直径は、第1同期歯車88の直径よりも小さい。
図7に示される第1補助歯車92は、支持部材66aに設けられる支持軸66Aに回転可能に取り付けられている。第1補助歯車92は、外周の一部に歯が存在しないが形成されている。第1補助歯車92は、第1同期歯車88と噛み合うことが可能な位置に配置されている。支持軸66Aは、第2軸56および制御軸78に平行に設けられる。変速動作が行われていないときは、第1補助歯車92の欠歯部92Aが第1同期歯車88に対向する位置に配置されて、第1同期歯車88と第1補助歯車92との間で動力が伝達されない。
図5または図6に示されるように、第2補助歯車94は、支持部材66aに設けられる支持軸66Aに回転可能に取り付けられている。第2補助歯車94は、第1補助歯車92と繋がっている。このため、第2補助歯車94は、第1補助歯車92と一体的に回転する。第2補助歯車94は、第2同期歯車90と噛み合うことが可能な位置に配置されている。第2補助歯車94は、外周の一部に歯が存在しない欠歯部94Aが形成されている。変速動作が行われていないときは、第2補助歯車94の欠歯部94Aが第2同期歯車90に対向する位置に配置されて、第2同期歯車90と第2補助歯車94との間で動力が伝達されない。
切替駆動部96は、変速用モータ100、モータ減速機構101、および、回転運動を直線運動に変化する変換機構103とを備える。モータ減速機構101は、変速用モータ100の出力軸に取り付けられた小径歯車102、小径歯車102と噛み合う大径歯車104とを含む。変換機構103は、大径歯車104と一体的に回転する中径歯車106と、中径歯車106とラックギア108Aが形成されたガイド部材108とを含む。切替駆動部96は、さらにガイド部材108を中立位置にバイアス可能なバイアス部材109、および、ガイド部材108の長手方向の端部に取り付けられたロック解除部材110,112を備える。
図4に示されるように、変速用モータ100は、その一部が第1軸54の内周部に収容される。変速用モータ100の回転軸は、ハブ軸52の軸心CXに平行に設けられる。変速用モータ100は、制御部105によって制御される。変速用モータ100は、第1軸54の内周部に設けられる制御部105に接続される。制御部105は、回路基板107、演算回路、および、メモリを含む。回路基板107は、ハブ軸52に形成される孔53、および、ロックナット115に形成される孔117を通過する電気配線(図示略)に接続され、バッテリ44および変速操作装置26(図1参照)と接続される。制御部105は、無線通信装置を備え、変速操作装置26と無線通信を行ってもよい。
第1軸54には、第1入力歯車70Aまたは第2入力歯車70Bに対応する位置に第1貫通孔54Aが形成される。本実施形態では、第1貫通孔54Aは、第2入力歯車70Bに対応する位置に形成されている。
また、第1軸54には、第1出力歯車72A、第2出力歯車72B、および、第3出力歯車72Cのいずれかに対応する位置に第2貫通孔54Bが形成される。本実施形態では、第2貫通孔54Bは、第2出力歯車72Bに対応する位置に形成されている。
第1軸54の内周部には、第1入力歯車70Aまたは第2入力歯車70Bの回転速度を検出するための第1センサ111と、第1出力歯車72A,第2出力歯車72B、および、第3出力歯車72Cのいずれかの回転速度を検出するための第2センサ113が設けられている。第1センサ111および第2センサ113は、回路基板107に設けられる。第1センサ111は、第1貫通孔54Aに対応する位置に設けられる。第2センサ113は、第2貫通孔54Bに対応する位置に設けられる。第1センサ111および第2センサ113は、磁気センサ、光学センサなどによって構成される。第1センサ111および第2センサ113を、磁気センサによって構成する場合、第1入力歯車70Aまたは第2入力歯車70Bの内周部と、第1出力歯車72A、第2出力歯車72B、および、第3出力歯車72Cのいずれかの内周部とに磁石を設ける。
第1入力歯車70Aまたは第2入力歯車70Bの回転速度を検出することによって、クランク軸32のケイデンスを算出することができる。クランク軸32のケイデンスは、フロントスプロケット36の歯数と、リアスプロケット38の歯数と、第1入力歯車70Aまたは第2入力歯車70Bの回転速度とに基づいて算出される。
第1出力歯車72A、第2出力歯車72B、および、第3出力歯車72Cのいずれか1つの回転速度を検出することによって、自転車10の走行速度を算出することができる。自転車10の走行速度は、リアホイールの半径または直径と、第1出力歯車72Aの歯数と、ハブシェル64の内歯車64A(図3参照)の歯数と、第1出力歯車72A、第2出力歯車72B、および、第3出力歯車72Cのいずれか1つの回転速度とに基づいて算出される。
制御部105は、メモリに記憶される予め定めるプログラムに基づいて、クランク軸32のケイデンス、および、自転車10の走行速度を算出する。また、制御部105は、第1入力歯車70Aまたは第2入力歯車70Bの回転速度と、第1出力歯車72A、第2出力歯車72B、および、第3出力歯車72Cのいずれか1つの回転速度とから、内装変速機50の変速比を算出し、現在の変速段を特定する。変速比と変速段との対応関係は、予めメモリ対応して記憶されている。変速操作装置26からの変装比を大きくするための変速信号が入力されると、制御部105は現在の変速比が、最大変速比ではない場合、変速比が大きくなるように変速用モータ100を駆動する。一方、変速操作装置26からの変装比を小さくするための変速信号が入力されると、制御部105は現在の変速比が、最小変速比ではない場合、変速比が小さくなるように変速用モータ100を駆動する。第1貫通孔54Aおよび第2貫通孔54Bには、磁気を透過する材料または光を透過する材料で構成される蓋を取り付けてもよい。制御部105が設けられる第1軸54の内部空間は防水のため密閉されるのが好ましい。
変速操作装置26(図1参照)からの信号に基づく変速用モータ100の回転が、小径歯車102、大径歯車104、および、中径歯車106の順に伝達されることによって、ガイド部材108は、ラックギア108Aの延びる方向に沿って移動する。バイアス部材109は、ガイド部材108がラックギア108Aの延びる方向に沿って移動したときに、ガイド部材108に接触してガイド部材108が初期位置に戻る方向にバイアスする。
図5または図6に示される第1ロック解除部材110は、支持部材66aに設けられる支持軸66Bのまわりに回転可能に取り付けられている。支持軸66Bは、支持軸66Aに平行に設けられる。第1ロック解除部材110の一端部には、支持軸66Aに平行な支持軸110Aが設けられている。支持軸110Aは、ガイド部材108の長手方向の一方の端部に形成された長孔108Bに移動可能に挿入されている。ガイド部材108が移動すると、支持軸110Aが長孔108Bにガイドされて、第1ロック解除部材110が支持軸66Bまわりに回転する。
第2ロック解除部材112は、支持部材66aに設けられる支持軸66Cのまわりに回転可能に取り付けられている。支持軸66Cは、支持軸66Aに平行に設けられる。第2ロック解除部材112の一端部には、支持軸66Cに平行な支持軸112Aが設けられている。支持軸112Aは、ガイド部材108の長手方向の他方の端部に形成された長孔108Bに移動可能に挿入されている。ガイド部材108が移動すると、支持軸112Aが長孔108Bにガイドされて、第2ロック解除部材112が支持軸66Cまわりに回転する。
図7に示される第1切替部98は、第1補助歯車92が第1同期歯車88と噛み合う状態と、第1補助歯車92が第1同期歯車88と噛み合わない状態とを切り替える。第1切替部98は、第1キー部材114、ばね116、ロック部材118、キー支持部材120、および、案内部122を備える。なお、図7においては、第2補助歯車94の図示を省略している。
第1キー部材114は、第1補助歯車92に設けられる支持軸92Bのまわりに回転可能に取り付けられている。支持軸92Bは、支持軸66Aに平行に設けられている。支持軸92Bは、第1キー部材114の基端部を支持する。第1キー部材114の先端部には、突起114Aが形成されている。第1キー部材114は、第1補助歯車92の欠歯部92Aに突出して、第1同期歯車88に接触する突出位置と、第1同期歯車88と接触しない位置である退避位置との間で移動可能に設けられている。
ばね116は、支持軸92Bのまわりに取り付けられ、第1キー部材114の先端が突出位置に突出する方向に、第1キー部材114を付勢している。ばね116は、ねじりばねによって構成される。
ロック部材118は、第1補助歯車92に設けられる支持軸92Cのまわりに回転可能に取り付けられ、係合部分118Aおよび解除部分118Bを有する。支持軸92Cは、支持軸66Aに平行に設けられている。支持軸92Cは、係合部分118Aおよび解除部分118Bの間に設けられている。
係合部分118Aは、先端が爪形状であり、第1キー部材114が退避位置にあるときに、第1キー部材114の先端の突起114Aと係合可能である。解除部分118Bは、支持軸92Cのまわりに係合部分118Aと一体的に回転する。解除部分118Bは、第1ロック解除部材110に押されて一方向に回転することにより、係合部分118Aの先端を第1補助歯車92の外方に移動させ、係合部分118Aの先端と第1キー部材114の突起114Aとが係合している状態を解除する。
キー支持部材120は、第1補助歯車92と一体的に形成される。キー支持部材120は、第1キー部材114が突出位置にあるときに、第1キー部材114が退避位置から突出位置に向かう方向における第1キー部材114の支持軸92Bまわりの回転を阻止して、第1キー部材114を支持する。これによって第1キー部材114が支持軸66Aまわりの一方向に回転したときに、第1補助歯車92を一方向に回転させることができる。
案内部122は、支持部材66に取り付けられる。案内部122は、第1補助歯車92が回転することにより、第1キー部材114を突出位置から退避位置に移動させる。第1キー部材114が突出位置にあるときに、第1補助歯車92が回転すると、第1キー部材114が案内部122に接触することによって、第1キー部材114が支持軸92Bまわりの他方向に回転する。第1キー部材114が退避位置に移動すると、係合部分118Aが突起114Aに係合することによって、第1キー部材114が再び退避位置に保持される。
図5または図6に示される減速機構86は、第2軸56の回転を減速して制御軸78に与える。減速機構86は、第3同期歯車126、第3補助歯車128、および、第4補助歯車130、および、第2切替部132を有する。減速機構86は、支持部材66aに関して支持部材66bとは反対側に配置される。減速機構86は、支持部材66aと、リアスプロケット38との間に配置される。
第3同期歯車126は、制御軸78の端部に取り付けられ、制御軸78と一体的に回転可能である。第3同期歯車126は、第2同期歯車90よりも制御軸78の軸方向の外方に取り付けられている。第3同期歯車126は、制御軸78のリアスプロケット38側の端部に設けられ、支持部材66aに関して支持部材66bとは反対側に配置される。第3同期歯車126は、第2同期歯車90よりも歯数が多い。第3同期歯車126の直径は、第1同期歯車88の直径よりも大きい。第3同期歯車126は、第2補助歯車94よりも直径が大きい。第3同期歯車126は、第2同期歯車90と一体で形成されてもよい。
図8に示される第3補助歯車128は、支持部材66aに設けられる支持軸66Dに回転可能に取り付けられている。第3補助歯車128は、外周の一部に歯が存在しない欠歯部128Aが形成されている。第3補助歯車128は、第3同期歯車126と噛み合うことが可能な位置に配置されている。なお、図8においては、第4補助歯車130の図示を省略している。支持軸66Dは、第2軸56および制御軸78に平行に設けられる。変速動作が行われていないときは、第3補助歯車128の欠歯部128Aが第1同期歯車88に対向する位置に配置されて、第1同期歯車88と第3補助歯車128との間で動力が伝達されない。
第2切替部132は、第3補助歯車128が第1同期歯車88と噛み合う状態と、第3補助歯車128が第1同期歯車88と噛み合わない状態とを切り替える。第2切替部132は、第2キー部材134、ばね136、ロック部材138、キー支持部材140、および、案内部142を備える。
第2キー部材134は、第3補助歯車128に設けられる支持軸128Bのまわりに回転可能に取り付けられている。支持軸128Bは、支持軸66Dに平行に設けられている。支持軸128Bは、第2キー部材134を支持する。第2キー部材134の先端部には、突起134Aが形成されている。第2キー部材134は、第3補助歯車128の欠歯部128Aに突出して、第1同期歯車88に接触する突出位置と、第1同期歯車88と接触しない位置である退避位置との間で移動可能に設けられている。
ばね136は、支持軸128Bのまわりに取り付けられ、第2キー部材134の先端が突出位置に突出する方向に、第1キー部材114を付勢している。ばね116は、ねじりばねによって構成される。
ロック部材138は、第3補助歯車128に設けられる支持軸128Cのまわりに回転可能に取り付けられ、係合部分138Aおよび解除部分138Bを有する。支持軸128Cは、支持軸66Dに平行に設けられている。支持軸128Cは、係合部分118Aおよび解除部分118Bの間に設けられている。
係合部分138Aは、先端が爪形状であり、第2キー部材134が退避位置にあるときに、第1キー部材114の先端の突起134Aと係合可能である。解除部分138Bは、支持軸128Cのまわりに係合部分138Aと一体的に回転する。解除部分138Bは、第2ロック解除部材112に押されて一方向に回転することにより、係合部分138Aの先端を第3補助歯車128の外方に移動させ、係合部分138Aの先端と第2キー部材134の突起134Aの突起とが係合している状態を解除する。
キー支持部材140は、第3補助歯車128と一体的に形成される。キー支持部材140は、第2キー部材134が突出位置にあるときに、第2キー部材134が退避位置から突出位置に向かう方向における第2キー部材134の支持軸128Bまわりの回転を阻止して、第2キー部材134を支持する。これによって、第2キー部材134が支持軸66Dまわりの一方向に回転したときに、第3補助歯車128を一方向に回転させることができる。
案内部142は、支持部材66に取り付けられる。案内部142は、第3補助歯車128が回転することにより、第2キー部材134を突出位置から退避位置に移動させる。第2キー部材134が突出位置にあるときに、第3補助歯車128が回転すると、第2キー部材134が案内部142に接触することによって、第2キー部材134が支持軸128Bまわりの他方向に回転する。第2キー部材134が退避位置に移動すると、係合部分138Aが突起134Aに係合することによって、第2キー部材134が再び退避位置に保持される。
図5または図6に示されるように、第4補助歯車130は、支持部材66aに設けられる支持軸66Dに回転可能に取り付けられている。第4補助歯車130は、第3補助歯車128と繋がっている。このため、第4補助歯車130は、第3補助歯車128と一体的に回転する。第4補助歯車130は、第3同期歯車126と噛み合うことが可能な位置に配置されている。
第4補助歯車130は、外周の一部に歯が存在しない欠歯部130Aが形成されている。第4補助歯車130は、第2補助歯車94よりも直径が小さい。変速動作が行われていないときは、第4補助歯車130の欠歯部130Aが第3同期歯車126に対向する位置に配置され、第3同期歯車126と第4補助歯車130との間で動力が伝達されない。
図3および図4に示されるように、ハブシェル64には、出力歯車72のうちの第1出力歯車72Aと噛み合う内歯車64Aが形成されている。内歯車64Aは、ハブシェル64の内周部で、ハブ軸52まわりに環状に形成されている。内歯車64Aは、ハブシェル64と一体で形成されてもよく、ハブシェル64とは別体で形成してハブシェル64の内周部に圧入などによって固定されてもよい。ハブシェル64は、ハブ軸52に回転可能に支持されている。ハブシェル64のハブ軸方向の一端部は、ベアリングを介して駆動部68に回転可能に支持されている。ハブシェル64のハブ軸方向の他端部は、ベアリングを介して第2ハブ軸52Bに支持されている。
駆動部68は、リアスプロケット38が取り付けられている駆動体144、および、駆動体144からの動力が伝達される入力部146を備える。駆動部68は、ロックナット115を介して第1ハブ軸52Aに回転可能に支持されている。駆動体144は、ベアリングを介してロックナット115に支持されている。ロックナット115には、配線を引き出すための孔117が形成されている。駆動体144は、リアスプロケット38を着脱可能に固定可能な取付部を含む。駆動体144は、ハブシェル64の側面の開口をカバーする側壁部144Aと、側壁部144Aからハブシェル64の内周部に延びる環状部144Bとを含む。ハブシェル64は、ベアリングを介して環状部144Bに回転可能に支持されている。
入力部146は、ワンウェイクラッチ146Bを介して駆動体144に接続される。入力部146は、リアスプロケット38および駆動体144が前転したとき、リアスプロケット38および駆動体144とともに一体的に回転する。入力部146は、環状に形成される。入力部146には、入力歯車70のうちの第1入力歯車70Aと噛み合う内歯車146Aが形成されている。入力部146は、ハブ軸方向の一端部が、環状部144Bの外周部を外囲するように配置される。ハブ軸方向の一端部と、環状部144Bの外周部との間にワンウェイクラッチ146Bが設けられる。ワンウェイクラッチ146Bは、リアスプロケット38が自転車10の前進する方向に回転するときに、駆動体144の回転を入力部146に伝達する。ワンウェイクラッチ146Bは、ローラクラッチによって構成されてもよく、爪式のクラッチによって形成されてもよい。
内装変速機50の作用について説明する。
図1に示されるペダル34に加えられる人力駆動力によりクランクアーム30が回転するとき、フロントスプロケット36、チェーン40、および、リアスプロケット38が回転する。
図3に示されるリアスプロケット38が回転することにより、駆動体144が回転する。駆動体144の回転は、ワンウェイクラッチ146Bを介して入力部146に伝達される。入力部146の回転は、入力部146の内歯車146Aと噛み合っている第1入力歯車70A、および、第1入力歯車70Aと一体的に形成されている第2入力歯車70B、すなわち、入力歯車70に伝達される。入力歯車70の回転は、入力歯車70と噛み合っている入力側歯車74に伝達される。入力側歯車74のうちの係合部80と噛み合っている第1入力側歯車74Aまたは第2入力側歯車74Bの回転が第2軸56および制御軸78に伝達される。なお、入力側歯車74のうちの係合部80と噛み合っていない第1入力側歯車74Aまたは第2入力側歯車74Bは、第2軸56のまわりに空転する。
第2軸56および制御軸78の回転は、出力側歯車76のうちの係合部80と噛み合っている第1出力側歯車76A、第2出力側歯車76B、または、第3出力側歯車76Cに伝達される。なお、第1出力側歯車76A、第2出力側歯車76B、および、第3出力側歯車76Cのうちの係合部80と噛み合っていない2つの歯車は、第2軸56のまわりに空転する。
出力側歯車76の回転は、出力側歯車76と噛み合っている出力歯車72に伝達される。第1出力歯車72A、第2出力歯車72B、および、第3出力歯車72Cは、一体的に回転し、第1出力歯車72Aと噛み合っている内歯車64Aが回転することにより、ハブシェル64がハブ軸52の軸心CXまわりに回転する。ハブシェル64が回転することにより後輪18(図1参照)が回転する。
また、ユーザが変速操作装置26(図1参照)を操作することにより、内装変速機50の変速段を変更する旨の要求があったとき、第2軸56と制御軸78の相対回転位相が変更されることにより、内装変速機50の変速段が変更される。
図5または図12に示されるように、例えば、ユーザから、内装変速機50の変速比を高くする旨の要求があったとき、切替駆動部96の変速用モータ100が一方向に回転し、変速用モータ100の出力軸の回転が、小径歯車102、大径歯車104、および、中径歯車106の順に伝達される。中径歯車106の回転は、ガイド部材108のラックギア108Aに伝達され、ガイド部材108が一方向に移動する。ガイド部材108の長孔108Bの端部が第1ロック解除部材110の支持軸110Aと接触することにより、第1ロック解除部材110が支持軸66Bのまわりに一方向に回転し、第1ロック解除部材110の先端がロック部材118の解除部分118Bと接触する。これによって、ロック部材118が支持軸92Cのまわりに回転し、係合部分118Aと第1キー部材114の突起114Aとの係合が解除される。
図13に示されるように、係合部分118Aと第1キー部材114の突起114Aとの係合が解除されることにより、第1キー部材114がばね116の付勢力により、退避位置から突出位置に移動し、第1キー部材114が、第1同期歯車88と噛み合う。
図14および図15に示されるように、第1同期歯車88の回転が第1キー部材114に伝達されることにより、第1補助歯車92が回転し、第1補助歯車92と第1同期歯車88とが噛み合う。
図16に示されるように、第1補助歯車92が回転することにともない、第1補助歯車92と繋がっている第2補助歯車94が一体的に回転し、第2補助歯車94が、第2同期歯車90と噛み合う。第2同期歯車90の直径は、第1同期歯車88の直径よりも小さいので、第2軸56の回転が増速されて制御軸78に伝達されることとなる。このため、制御軸78が第2軸56に対して軸心CZまわりに相対回転して、第2軸56と制御軸78との相対回転位相が変化し、係合部80A〜80Eのうちの少なくともいずれか1つの状態が変化して、変速比が高くなる。
一方、例えば、ユーザから、内装変速機50の変速比を低くする旨の要求があったとき、切替駆動部96の変速用モータ100が他方向に回転し、変速用モータ100の出力軸の回転が、小径歯車102、大径歯車104、および、中径歯車106の順に伝達される。中径歯車106の回転は、ガイド部材108のラックギア108Aに伝達され、ガイド部材108が他方向に移動する。ガイド部材108の長孔108Bの端部が第2ロック解除部材112の支持軸112Aと接触することにより、第2ロック解除部材112が支持軸66Cのまわりに一方向に回転し、第2ロック解除部材112の先端がロック部材138の解除部分138Bと接触する。その後、第2切替部132は、第1切替部98と同様に動作し、第3補助歯車128が回転することにともない、第3補助歯車128と繋がっている第4補助歯車130が一体的に回転し、第4補助歯車130が、第3同期歯車126と噛み合う。第3同期歯車126の直径は、第1同期歯車88の直径よりも大きいため、第2軸56の回転が減速されて制御軸78に伝達されることとなる。このため、制御軸78が第2軸56に対して軸心CZまわりに相対回転して、第2軸56と制御軸78との相対回転位相が変化し、係合部80A〜80Eのうちの少なくともいずれか1つのいずれかの状態が変化して、変速比が低くなる。
第2軸56の回転が増速されて制御軸78に伝達された後の第1切替部98の動作について説明する。
図17に示されるように、第2軸56の回転が増速されて制御軸78に伝達された後、第1補助歯車92が所定角度回転することにより、第1キー部材114が案内部122と接触する。第1キー部材114と案内部122とが接触した状態で第1補助歯車92がさらに回転すると、第1キー部材114は、ばね116の付勢力に抗して突出位置から退避位置に移動する。
図18に示されるように、第1キー部材114が退避位置に移動することにより、第1キー部材114の突起114Aとロック部材118の係合部分118Aとが係合する。第1キー部材114の突起114Aとロック部材118の係合部分118Aとが係合した状態で、第1補助歯車92がさらに回転することにより、第1補助歯車92の欠歯部92Aが第1同期歯車88と対向する位置まで第1補助歯車92が回転したとき、第1補助歯車92と第1同期歯車88とが噛み合わなくなり、図7に示される状態となる。これにより、第1補助歯車92の回転が停止する。なお、第2切替部132についても同様の動作により、図8に示される状態となり、第3補助歯車128の回転が停止する。
第1補助歯車92が一回転すると、制御軸78が第2軸56の軸心CZまわりの第1方向に相対回転して、第2軸56と制御軸78との相対回転位相が所定量だけ変化する。第4補助歯車130が一回転すると、制御軸78が第2軸56の軸心CZまわりの第2方向に相対回転して、第2軸56と制御軸78との相対回転位相が所定量だけ変化する。第2軸56と制御軸78との相対回転位相が所定量だけ変化すると、一段変速するように、第2軸56上の第2制御部分78Bの位置が予め決定されている。
図19に示されるように、本実施形態の内装変速機50の変速段は、6段である。図19において、「up」は、対応する係合部80が第1状態であることを示し、「down」は、対応する係合部80が第2状態であることを示している。
段数1においては、第1入力側歯車74Aに係合可能な第1係合部80A、および、第1出力側歯車76Aに係合可能な第3係合部80Cが第1状態となり、第2係合部80B、第4係合部80D、および、第5係合部80Eは第2状態となる。
段数2においては、第1入力側歯車74Aに係合可能な第1係合部80A、および、第2出力側歯車76Bに係合可能な第4係合部80Dが第1状態となり、第2係合部80B、第3係合部80C、および、第5係合部80Eは第2状態となる。
段数3においては、第1入力側歯車74Aに係合可能な第1係合部80A、および、第3出力側歯車76Cに係合可能な第5係合部80Eが第1状態となり、第2係合部80B、第3係合部80C、および、第4係合部80Dは第2状態となる。
段数4においては、第2入力側歯車74Bに係合可能な第2係合部80B、および、第1出力側歯車76Aに係合可能な第3係合部80Cが第1状態となり、第1係合部80A、第4係合部80D、および、第5係合部80Eは第2状態となる。
段数5においては、第2入力側歯車74Bに係合可能な第2係合部80B、および、第2出力側歯車76Bに係合可能な第4係合部80Dが第1状態となり、第1係合部80A、第3係合部80C、および、第5係合部80Eは第2状態となる。
段数6においては、第2入力側歯車74Bに係合可能な第2係合部80B、および、第3出力側歯車76Cに係合可能な第5係合部80Eが第1状態となり、第1係合部80A、第3係合部80C、および、第4係合部80Dは第2状態となる。
例えば、段数3から段数4に変更するとき、増速機構84により第2軸56の回転が制御軸78に増速して伝達され、第3出力側歯車76Cに係合可能な第5係合部80Eが第1状態から第2状態に変化する。そして、第2入力側歯車74Bに係合可能な第2係合部80Bが第1状態から第2状態に変化する。
なお、第1入力側歯車74Aに係合可能な第1係合部80Aは、段数4、段数5、および、段数6においては、第1状態または第2状態を取り得る。段数4、段数5、および、段数6においては、第2入力側歯車74Bの回転速度が第1入力側歯車74Aの回転速度よりも高い。このため、第2軸56の回転速度が第1入力側歯車74Aの回転速度よりも高くなるので、第1係合部80Aが第1状態であっても、第1係合部80Aが、第1入力側歯車74Aと係合することはない。したがって第1係合部80Aは、制御軸78によって制御しなくてもよい。
また、第1出力側歯車76Aに係合可能な第3係合部80Cは、段数2、段数3、段数5、および、段数6においては、第1状態または第2状態を取り得る。段数2、段数3、段数5、および、段数6においては、第2出力側歯車76Bまたは第3出力側歯車76Cの回転速度が、第1出力側歯車76Aの回転速度よりも高い。このため、第2軸56の回転速度が第1出力側歯車76Aの回転速度よりも低くなるので、第3係合部80Cが第1状態であっても、第3係合部80Cが、第1出力側歯車76Aと係合することはない。したがって第3係合部80Cは、制御軸78によって制御しなくてもよい。
変速するときに複数の係合部80が動作する必要がある場合、動作すべき係合部80がほぼ同時に動くように構成してもよく、第1状態から第2状態にすべき係合部80を動作させた後、第2状態から第1状態にすべき係合部80を動作させるように構成してもよい。第2制御部分78Bの制御軸78まわりの位置を予め設定することによって、係合部80の動作タイミングを設定することができる。
内装変速機50によれば、例えば以下の効果が得られる。
(1)内装変速機50は、ハブ軸52の軸心CXから離間して設けられた第1軸54および第2軸56を備える。第1軸54には第1回転体58が取り付けられ、第2軸56には、第2回転体60が取り付けられている。このため、内装変速機50の設計の自由度が高い。
(2)クラッチ機構62の増速機構84および第1切替部98は、人力駆動力による第2軸56の回転を増速して制御軸78に伝達し、内装変速機50の変速段を変更する。このように、内装変速機50は、力の大きい人力駆動力を利用して変速するので、変速しやすくなる。
(3)クラッチ機構62の増速機構84および第2切替部132は、人力駆動力による第2軸56の回転を減速して制御軸78に伝達し、内装変速機50の変速段を変更する。このように、内装変速機50は、力の大きい人力駆動力を利用して変速するので、変速しやすくなる。
(変形例)
上記実施形態に関する説明は、本発明に従う内装変速機が取り得る形態の例示であり、その形態を制限することを意図していない。本発明に従う内装変速機は、実施形態以外に例えば以下に示される実施形態の変形例、および、相互に矛盾しない少なくとも2つの変形例が組み合わせられた形態を取り得る。
・変形例の内装変速機50は、入力歯車70および出力歯車72の少なくとも一方が、第1軸54と一体的に回転する。
・変形例の内装変速機50は、第1回転体58および第2回転体60の歯車に代えて、スプロケットまたはプーリーを含む。この変形例の内装変速機50は、チェーンまたはベルトによって第1回転体58および第2回転体60を連結するとともに、駆動部68と第1回転体58との間、または、第2回転体60とハブシェル64との間に回転方向を逆転させる逆転機構を設ける。逆転機構はたとえば、複数のギアによってすることができる。
・変形例の内装変速機50は、第2入力歯車70Bが省略される。この変形例の内装変速機50は、第2入力側歯車74B、第2入力側歯車74Bに対応する第2係合部80B、第2制御部分78B、および、開口56Aも省略する。すなわち、この変形例の内装変速機50の変速段は、3段である。
・変形例の内装変速機50は、第2出力歯車72B、および、第3出力歯車72Cのうちの少なくとも1つの歯車が省略される。第2出力歯車72Bを省略する場合、第2出力側歯車76Bおよび対応する第4係合部80D、第2制御部分78B、および、開口56Aも省略する。第3出力歯車72Cを省略する場合、第3出力側歯車76Cおよび対応する第5係合部80E、第2制御部分78B、および、開口56Aも省略する。1つの歯車が省略される場合、この変形例の内装変速機50の変速段は、3段である。2つの歯車が省略される場合、この変形例の内装変速機50の変速段は、4段である。
・変形例の内装変速機50は、第1入力側歯車74Aまたは第2入力側歯車74Bが省略される。第1入力側歯車74Aを省略する場合は、第1入力側歯車74Aに対応する係合部80A、第2制御部分78B、および、開口56Aも省略する。第2入力側歯車74Bを省略する場合は、第2入力歯車70B、第2入力側歯車74Bに対応する第2係合部80B、第2制御部分78B、および、開口56Aも省略する。すなわち、この変形例の内装変速機50の変速段は、3段である。
・変形例の内装変速機50は、第1出力側歯車76A、第2出力側歯車76B、または、第3出力側歯車76Cのうちの1つの歯車、または、2つの歯車が省略される。第1出力側歯車76Aを省略する場合は、第1出力側歯車76Aに対応する係合部80A、第2制御部分78B、および、開口56Aも省略する。第2出力側歯車76Bを省略する場合は、第1出力側歯車76Aに対応する第4係合部80D、第2制御部分78B、および、開口56Aも省略し、第2出力歯車72Bを省略してもよい。第3出力側歯車76Cを省略する場合は、第3出力側歯車76Cに対応する第5係合部80E、第2制御部分78B、および、開口56Aも省略し、第3出力歯車72Cを省略してもよい。1つの歯車が省略される場合、この変形例の内装変速機50の変速段は、4段である。2つの歯車が省略される場合、この変形例の内装変速機50の変速段は、2段である。
・変形例の内装変速機50は、増速機構84、切替駆動部96、第1切替部98、減速機構86、および、第2切替部132が省略される。この変形例の内装変速機50は、電気モータ等のアクチュエータが制御軸78を直接またはモータ減速機構を介して回転させることにより、第2軸56に対する制御軸78の相対回転位相を変更して、内装変速機50の変速段を変更する。
・変形例の内装変速機50は、ハブシェル64の径方向におけるハブ軸52と第1軸54との間の距離と、ハブシェル64の径方向におけるハブ軸52と第2軸56との間の距離とが異なる。
・変形例の内装変速機50は、第1軸54の軸心CYと第2軸56の軸心CZとが、ハブ軸52の軸心CXに対して対称に配置されていない。
・変形例の内装変速機50は、増速機構84によって変速比が低くなるように変速し、減速機構86によって変速比が高くなるように変速してもよい。
・変形例の内装変速機50は、入力歯車70および入力側歯車74をそれぞれ3枚以上の歯車で形成してもよく、出力歯車72および出力側歯車76をそれぞれ4枚以上の歯車で形成してもよい。
・変形例の内装変速機50は、制御軸78に係合部80が設けられ、第2軸56によって、係合部80の第1状態と第2状態とを切り替える。この変形例においては、第2軸56の周方向における複数の開口56Aの位置がそれぞれ異なり、第1係合部80A〜第5係合部80Eのうちの開口56Aと面する係合部80が第1状態となり、開口56Aと面しない係合部80が第2状態となる。
・リアスプロケット38は、ハブ軸52と同軸に設けられているが、リアスプロケット38をハブ軸52とは別の軸まわりに回転するように設けてもよい。内装変速機50において、たとえば第1軸54と同軸にリアスプロケット38を設けてもよい。
10 自転車
12 フレーム
50 内装変速機
52 ハブ軸
52A 第1ハブ軸
52B 第2ハブ軸
54 第1軸
56 第2軸
56A 開口
58 第1回転体
60 第2回転体
62 クラッチ機構
64 ハブシェル
64A 内歯車
66 支持部材
68 駆動部
70 入力歯車
72 出力歯車
74 入力側歯車
76 出力側歯車
78 制御軸
78A 制御部分
80 係合部
82 ばね(弾性部材)
84 増速機構
86 減速機構
88 第1同期歯車
90 第2同期歯車
92 第1補助歯車
92A 欠歯部
94 第2補助歯車
98 第1切替部
126 第3同期歯車
128 第3補助歯車
128A 欠歯部
130 第4補助歯車
132 第2切替部
146A 内歯車

Claims (20)

  1. 自転車のフレームに取り付け可能なハブ軸と、
    前記ハブ軸の軸心から離間して設けられ、前記ハブ軸の軸心まわりに回転不能な第1軸と、
    前記ハブ軸の軸心および第1軸の軸心から離間して設けられ、前記ハブ軸の軸心まわりに回転不能な第2軸と、
    前記第1軸と同軸に設けられ、前記第1軸の軸心まわりに回転可能な複数の第1回転体と、
    前記第2軸と同軸に設けられ、前記第1回転体とそれぞれ連結されて、前記第2軸の軸心まわりに回転可能な複数の第2回転体と、
    前記第1回転体の前記第1軸の軸心まわりの回転状態および前記第2回転体の前記第2軸の軸心まわりの回転状態の少なくともいずれか一方を制御するクラッチ機構と、
    前記ハブ軸の軸心まわりに回転し、前記第1軸、前記第2軸、前記第1回転体、前記第2回転体、および、前記クラッチ機構を収容するハブシェルと、を含む内装変速機。
  2. 前記第1回転体は、歯車を含み、
    前記第2回転体は、前記第1回転体に噛み合う歯車を含む、請求項1に記載の内装変速機。
  3. 前記複数の第1回転体は、回転が入力される入力歯車と、前記ハブシェルに回転を出力する出力歯車とを含む、請求項1または2に記載の内装変速機。
  4. 前記入力歯車および前記出力歯車のうち少なくともいずれか一方は、直径の異なる複数の歯車を有する、請求項3に記載の内装変速機。
  5. 前記複数の第2回転体は、前記入力歯車の前記複数の歯車にそれぞれ噛み合う複数の入力側歯車を有する、請求項4に記載の内装変速機。
  6. 前記複数の第2回転体は、前記出力歯車の前記複数の歯車にそれぞれ噛み合う複数の出力側歯車を有する、請求項4または5に記載の内装変速機。
  7. 前記第2軸は、前記複数の第2回転体を回転可能に支持する中空軸によって形成され、
    前記クラッチ機構は、制御軸と、複数の係合部とを含み、
    前記制御軸は、前記第2軸内に配置され、前記第2軸に対する回転が可能であり、
    前記複数の係合部は、前記制御軸の回転によって動作し、前記複数の入力側歯車のいずれかの回転を前記第2軸に選択的に伝達する、請求項5または請求項5を引用する請求項6に記載の内装変速機。
  8. 前記第2軸は、前記複数の第2回転体を回転可能に支持する中空軸によって形成され、
    前記クラッチ機構は、制御軸と、複数の係合部とを含み、
    前記制御軸は、前記第2軸内に配置され、前記第2軸に対する回転が可能であり、
    前記複数の係合部は、前記制御軸の回転によって動作し、前記第2軸の回転を前記複数の出力側歯車のいずれかに選択的に伝達する、請求項6に記載の内装変速機。
  9. 前記第2軸は、前記複数の第2回転体を回転可能に支持する中空軸によって形成され、
    前記クラッチ機構は、制御軸と、複数の係合部とを含み、
    前記制御軸は、前記第2軸内に配置され、前記第2軸に対する回転が可能であり、
    前記複数の係合部は、前記制御軸の回転によって動作し、前記複数の入力側歯車のいずれかの回転を前記第2軸に選択的に伝達し、前記第2軸の回転を前記複数の出力側歯車のいずれかに選択的に伝達する、請求項5を引用する請求項6に記載の内装変速機。
  10. 前記第2軸には、外周部に開口が形成され、
    複数の係合部のうちの少なくとも1つの係合部は、前記開口に配置され、
    前記制御軸は、前記開口に配置される前記係合部を制御する制御部分を有し、前記第2軸に対して回転することにより、前記係合部が前記開口から突出する第1状態と、前記係合部が前記開口内に退避する第2状態とを切り替える、請求項7〜9のいずれか一項に記載の内装変速機。
  11. 前記クラッチ機構は、前記係合部を前記開口から突出するようにバイアスする弾性部材をさらに備える、請求項10に記載の内装変速機。
  12. 前記クラッチ機構は、前記第2軸の回転を増速して前記制御軸に与える増速機構と、前記第2軸の回転を減速して前記制御軸に与える減速機構とを備える、請求項7〜10のいずれか一項に記載の内装変速機。
  13. 前記増速機構は、
    前記第2軸と一体的に回転する第1同期歯車と、
    前記制御軸と一体的に回転可能な第2同期歯車と、
    前記第1同期歯車および前記第2同期歯車の一方に噛み合い可能な第1補助歯車と、
    前記第1同期歯車および前記第2同期歯車の他方に噛み合い、前記第1補助歯車と一体で回転する第2補助歯車と、
    前記第1補助歯車が前記第1同期歯車および前記第2同期歯車の一方と噛み合う状態と前記第1補助歯車が前記第1同期歯車および前記第2同期歯車の一方と噛み合わない状態とを切り替える第1切替部とを含む、請求項12に記載の内装変速機。
  14. 前記減速機構は、
    前記第1同期歯車と、
    前記制御軸と一体的に回転可能で、前記第2同期歯車よりも歯数の少ない第3同期歯車と、
    前記第1同期歯車および前記第3同期歯車の一方に噛み合い可能な第3補助歯車と、
    前記第1同期歯車および前記第3同期歯車の他方に噛み合い、第3補助歯車と一体で回転する第4補助歯車と、
    前記第3補助歯車が前記第1同期歯車および前記第3同期歯車の一方と噛み合う状態と前記第3補助歯車が前記第1同期歯車および前記第3同期歯車の一方と噛み合わない状態とを切り替える第2切替部とを含む、請求項13に記載の内装変速機。
  15. 前記ハブ軸に固定され、前記第1軸および前記第2軸を支持する支持部材をさらに備える、請求項1〜14のいずれか一項に記載の内装変速機。
  16. 前記ハブ軸は、第1ハブ軸と、前記第1ハブ軸と分離している第2ハブ軸とを備え、
    前記第1ハブ軸は、前記ハブシェルの軸心方向の一方に突出し、前記第2ハブ軸は、前記ハブシェルの軸心方向の他方に突出する、請求項1〜15のいずれか一項に記載の内装変速機。
  17. 径方向における前記ハブ軸と前記第1軸との間の距離と、径方向における前記ハブ軸と前記第2軸との間の距離は、実質的に等しい、請求項1〜16のいずれか一項に記載の内装変速機。
  18. 前記第1軸の軸心と、前記第2軸の軸心とは、前記ハブ軸の軸心に対して対称に配置される、請求項1〜17のいずれか一項に記載の内装変速機。
  19. 前記入力歯車に噛み合う内歯車を有し、スプロケットを取り付け可能な駆動部をさらに備える、請求項3に記載の内装変速機。
  20. 前記ハブシェルは、前記出力歯車に噛み合う内歯車を有する、請求項3に記載の内装変速機。
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