JP6910034B2 - 自転車変速ハブ - Google Patents

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Description

本発明は、自転車の変速ハブに関し、より詳しくは、ハブ軸を直接的に回転させ、その入力された回転力をリング歯車なしに変速してハブシェルに伝達することのできる自転車変速ハブに関する。
自転車の変速装置は、外装歯車と内装歯車とに分けられる。これらのうち、前記内装歯車は、固定されたハブ軸と太陽歯車、遊星歯車が軸結合されたキャリア及びリング歯車を含む遊星歯車システムで構成される。
従来の遊星歯車システムは、クランクを回転させて発生させた回転力をチェーンを介して従動スプラケットを回転させ、従動スプラケットは、前記キャリアと結合されて回転させる構造であるため、チェーンなしにハブ軸を直接的に駆動しながら変速も可能な自転車を製造することができないという問題がある。
さらに、従来の遊星歯車システムは、太陽歯車と遊星歯車だけではなく、リング歯車が必ず備配されなければならないため、構造が複雑であるという問題もある。
本発明は、上述した問題を解消するために案出されたものであり、本発明の目的は、ハブ軸を直接的に回転させ、その入力された回転力を変速することのできる自転車変速ハブを提供することである。
本発明の他の目的は、入力された回転力をリング歯車なしに変速してハブシェルに伝達することのできる自転車変速ハブを提供することである。
上述したような技術的課題を解決するために、本発明による自転車変速ハブは、回転力が入力され、外周面に複数の第１のポール（ｐａｗｌ）が備配されるハブ軸と、前記第１のポールの出没を制御する変速制御手段と、中心に前記ハブ軸が貫通し、内周面にラチェットが形成されて前記第１のポールによって回転力が伝達され、異なる歯数を有する複数の駆動歯車と、前記駆動歯車とそれぞれ噛み合い、異なる歯数を有し、互いに結合されて回転する複数の被動歯車と、前記駆動歯車のうち隣りの駆動歯車と結合され、外周面に第２のポールが備配される出力ホイールと、車輪のスポーク（輻）が連結され、内周面にラチェットが形成されて前記第２のポールによって回転力が伝達されるハブシェルと、を備える。
また、前記変速制御手段は、変速のためのワイヤーと、前記ワイヤーによって回転し、外周面にガイド孔が円周方向に対して斜めに形成されるアウターリングと、前記アウターリングの内部に備配され、前記ガイド孔に拘束されるガイドピンが突設されて前記アウターリングの回転によって前後進するインナーリングと、前記インナーリングの前後進によって前記第１のポールを出没させるレバーと、を備えることが好ましい。
さらに、前記レバーは、前記インナーリングの前後進で付勢されて下降する入力部と、前記入力部と結合されて前記入力部の下降によって回転する回転ロッドと、前記回転ロッドの回転によって突出して前記第１のポールを上昇させる出力部と、を備えることが好ましい。
さらにまた、前記ハブ軸の外周面には、前記レバーが載置される載置溝が形成されることが好ましい。
本発明によれば、ハブ軸を直接的に回転させ、その入力された回転力を変速することができるという効果がある。
また、入力された回転力をリング歯車なしに変速してハブシェルに伝達することができるという効果がある。
本発明による実施形態が取り付けられた自転車を示すものである。 本発明による一実施形態を示すものである。 本発明による一実施形態を示すものである。 本発明による一実施形態を示すものである。 本発明による実施形態の要部を示すものである。 本発明による実施形態の要部を示すものである。 本発明による実施形態の要部を示すものである。 本発明による実施形態の要部を示すものである。 本発明による実施形態の要部を示すものである。 本発明による実施形態の要部を示すものである。 本発明による実施形態の要部を示すものである。 本発明による実施形態が取り付けられた他の自転車を示すものである。 本発明による他の実施形態を示すものである。 本発明による他の実施形態を示すものである。
以下、添付図面に基づいて、本発明による自転車変速ハブの一実施形態の構成及び作用を詳しく説明する。
図１は、本発明による実施形態１を前輪駆動自転車１００に結合した状態であり、図２は、本発明による実施形態１にクランクが結合された状態を示すものである。同図から明らかなように、本発明による実施形態１は、前輪の中心軸に配設されている。また、この実施形態１は、ハブ軸１０にクランクＰを直結していることが分かる。このため、チェーンやスプラケットなしにクランクＰのペダリングだけでハブ軸１０を直接的に回転させるのである。なお、前記ハブ軸１０の回転力は変速されてハブシェル６０を回転させることになる。前記ハブシェル６０の取付孔６１には車輪のスポークが結合するが、ハブシェル６０の回転で前輪Ｒ１が回転するのである。未説明符号「Ｆ」はフレームであり、「Ｒ２」は後輪である。
図３及び図４を参照すると、本発明による実施形態１は、ハブ軸１０と、変速制御手段（図７の「５０」参照）と、駆動歯車２０と、被動歯車３０と、出力ホイール４０及びハブシェル６０を備える。
前記ハブ軸１０は、上述したように、クランクＰと直接的に結合されて回転力が入力される構成要素であり、外周面に複数の第１のポールＰ１が備配される。
前記ハブ軸１０の外径には、歯数の異なる四つの第１の駆動歯車２１、第２の駆動歯車２２、第３の駆動歯車２３及び第４の駆動歯車２４が備配される。すなわち、ハブ軸１０が駆動歯車２１〜２４を貫通するのである。前記駆動歯車２１〜２４の内周面には、前記第１のポールＰ１が選択的に引っ掛かるようにラチェット（図５の「２３ａ」参照）が形成されている。
また、前記駆動歯車２１〜２４の外径において噛み合う四つの第１の被動歯車３１、第２の被動歯車３２、第３の被動歯車３３及び第４の被動歯車３４が備配される。前記被動歯車３１〜３４は、異なる歯数を有する。結果的に、本実施形態においては、駆動歯車２１〜２４と被動歯車３１〜３４がそれぞれ四組噛み合う。
さらに、前記複数の被動歯車３１〜３４は、隣り合うように並設されるが、いずれか一つが回転しても、全てがつれ回転するように互いに結合されている。このような被動歯車３１〜３４は、円筒状の歯車箱（図６の「３６」参照）に固設される。
詳しく説明すると、図６に示すように、前記歯車箱３６には三つの軸３５が備配され、各軸３５には四つの被動歯車３１〜３４が軸結合されて備配されるのである。一方、被動歯車３１〜３４は、駆動歯車２１〜２４と噛み合って回転するが、このとき、歯車箱３６は回転せず、被動歯車３１〜３４のみが軸３５に結合された状態で回転する。
さらにまた、前記駆動歯車２１〜２４及び被動歯車３１〜３４の一方の側には、変速された回転力を出力する出力ホイール４０が備配されるが、特に、前記出力ホイール４０は、最寄りの第１の駆動歯車２１と結合される。したがって、前記第１の駆動歯車２１が回転すれば、出力ホイール４０もつれ回転するのである。前記出力ホイール４０の外周面には、第２のポールＰ２が備配される。
最後に、前記ハブシェル６０の内周面には、前記第２のポールＰ２と選択的に噛み合うラチェット６２が備配される。前記出力ホイール４０の回転力を前記ハブシェル６０に伝達する手段としては、第２のポールＰ２とラチェット６２の代わりに、クラッチベアリングなど公知の手段が採用可能であるということはいうまでもない。
図５を参照すると、ハブ軸１０が四つの駆動歯車２１〜２４を貫通していることが分かる。また、前記ハブ軸１０には四つの第１のポールＰ１が備配されるが、各第１のポールＰ１は、四つの駆動歯車２１〜２４と選択的に噛み合って、ハブ軸１０の回転力を駆動歯車２１〜２４に選択的に伝達するのである。すなわち、いずれか一つの第１のポールＰ１がハブ軸１０から突出すれば、突出した第１のポールＰ１に引っ掛かる駆動歯車２１〜２４が回転をするのである。したがって、前記駆動歯車２１〜２４は、第１のポールＰ１に引っ掛かるように内径にラチェット（２３ａ参照）が形成されている。
図７を参照すると、前記変速制御手段５０は、アウターリング５３と、インナーリング５４と、を備える。前記アウターリング５３は、外周面にガイド孔５３ａが円周方向に対して斜めに形成されており、前記アウターリング５３の一方の側には、スプラケット５２が形成されている。なお、前記スプラケット５２には、ワイヤーとして変速用チェーン５１が連結されるが、前記変速用チェーン５１によって前記アウターリング５３は両方向に回転する。
本発明によれば、前記変速用チェーンの代わりに、通常のワイヤーが使用可能であるということはいうまでもない。
また、前記アウターリング５３の内部には、インナーリング５４が備配されるが、前記インナーリング５４の外周面には、前記ガイド孔５３ａに拘束されるガイドピン５４ａが形成される。したがって、前記変速用チェーン５１を引っ張ってアウターリング５３が元の位置からいずれか一方の側へと回転すれば、前記ガイド孔５３ａに拘束されたガイドピン５４ａが斜めに移動しながら、結果的に、インナーリング５４を前進または後進させる。
さらに、前記ハブ軸１０の外周面には、レバー５５が載置される載置溝が形成されているが、前記レバー５５は、図８に示すように、インナーリング５４の前進または後進で付勢されて下降する入力部５５ａと、前記入力部５５ａと結合され、前記入力部５５ａの下降によって回転する回転ロッド５５ｂと、前記回転ロッド５５ｂの回転によってハブ軸１０の載置溝から突出して前記第１のポールＰ１を上昇スイングする出力部５５ｃと、を備える。すなわち、前記出力部５５ｃは、ハブ軸１０の載置溝に備配されるが、第１のポールＰ１の下部に位置するのである。前記入力部５５ａには、玉軸受などの金属鋼球が回転自在に備配され、前記入力部５５ａの上面には、半球状の取付溝が形成されていて、金属鋼球が回転自在に載置されるのである。
図９を参照すると、変速制御手段５０における前記変速用チェーン５１を引っ張ると、スプラケット５２が回転することになり、スプラケット５２と結合されたアウターリング５３が元の位置において回転することになる。このような動作によって、ガイド孔５３ａに拘束されたガイドピン５４ａが移動をすることになって、インナーリング５４が前進したり後進したりするのである。特に、インナーリング５４が前進または後進をすると、インナーリング５４によって入力部５５ａが押されて下降することになり、これと連動して、回転ロッド５５ｂが回転して出力部５５ｃが上昇し、その結果、第１のポールＰ１がハブ軸１０から突出してこれに対応するいずれか一つの駆動歯車２１〜２４がハブ軸１０の回転力を伝達されることになるのである。
一方、この実施形態においては、ハブ軸１０に四つのレバー５５が取り付けられるが、前記変速用チェーン５１を引っ張る度合いに応じて、インナーリング５４がさらに前進しながら四つの入力部５５ａを順次に付勢して下降させ、これに伴い、反対側に形成された出力部５５ｃを上昇させていずれか一つの第１のポールＰ１を突出させてこれと結合された駆動歯車２１〜２４に回転力を伝達するのである。各駆動歯車２１〜２４の歯数が異なり、かつ、これと噛み合う各被動歯車３１〜３４の歯数が異なるため、これに伴い、変速が行われるのである。
図１０及び図１１は、レバー５５がハブ軸１０の載置溝に載置された状態を示すものである。図１０は、入力部５５ａがハブ軸１０の外径よりも突出した状態であるが、この状態では、出力部５５ｃが載置溝の底面に位置して第１のポールＰ１がハブ軸１０の外径から突出しなくなる。
逆に、図１１は、入力部５５ａが載置溝の底面に下降した状態を示すものである。この状態では、出力部５５ｃが上昇しながら前記第１のポールＰ１を持ち上げてハブ軸１０の外径よりも突出することになる。
また、図１１の状態で、インナーリング５４がさらに前進をしたりさらに後進をしたりすると、入力部５５ａへのインナーリング５４の付勢が解放される。これは、第１のポールＰ１を包み込んでいるワイヤースプリング（図９の「Ｓ」参照）によって第１のポールＰ１が下降をすることになり、回転ロッド５５ｂの回転で再び入力部５５ａが上昇して元の位置に戻るのである。すると、第１のポールＰ１及び駆動歯車２１〜２４間の結合もまた解除される。
以下、本発明による一実施形態によって変速される過程を説明する。
図３及び図４を参照すると、クランクのペダリングでクランクに直結されたハブ軸１０が回転をすることになり、一方では、変速制御手段５０の制御で第１の駆動歯車２１に係合する第１のポールＰ１を上昇させて第１の駆動歯車２１を回転させる。第１の駆動歯車２１は、前記ハブ軸１０の回転速度で第１の駆動歯車２１と結合された出力ホイール４０を回転させ、出力ホイール４０の外周面に配備された第２のポールＰ２がハブシェル６０の内周面に形成されたラチェット６２と係合してハブシェル６０を回転させて前輪Ｒ１を回転させるのである。
もし、使用者が変速用チェーン５１を操作して、インナーリング５４が複数の第１のポールＰ１のうち第３の駆動歯車２３に対応する第１のポールＰ１を上昇させることになると、前記第３の駆動歯車２３が第１のポールＰ１に係合して回転することになる。このとき、前記第３の駆動歯車２３が回転をすることになると、これと噛み合っている第３の被動歯車３３が回転をすることになり、第３の被動歯車３３が回転するにも拘わらず、第１ないし第４の被動歯車３１〜３４はいずれも結合されているため、第３の被動歯車３３の回転速度と同じ速度で全ての被動歯車３０が回転をすることになる。したがって、第１の被動歯車３１もまた、第３の被動歯車３３の回転速度で回転をすることになるが、このように、第１の被動歯車３１の回転によって第１の駆動歯車２１が回転をすることになる。
しかしながら、このとき、第１の駆動歯車２１の回転速度は、ハブ軸１０の回転速度ではなく、第３の駆動歯車２３と第３の被動歯車３３の歯数によって変速された速度で回転することになる。このように、第１の駆動歯車２１は変換された速度で回転することになり、第１の駆動歯車２１と結合された出力ホイール４０もまた、変換された速度で回転し、出力ホイール４０の外周面に配備された第２のポールＰ２によってハブシェル６０もまた、変換された速度で回転するのである。
一方、第１のポールＰ１と係合して第３の駆動歯車２３が回転することになると、前記被動歯車３１〜３４はいずれも結合されているため、第３の被動歯車３３だけではなく、全ての被動歯車３１〜３４が回転をすることになり、これに伴い、第３の駆動歯車２３が回転することに加えて、残りの駆動歯車２１、２２、２４もまた、共回転することになる。
同様に、変速用チェーン５１の操作で第４の駆動歯車２４と係合する第１のポールＰ１を上昇させて、ハブ軸１０の回転力で第４の駆動歯車２４を回転させると、第４の駆動歯車２４と第４の被動歯車３４とが噛み合いながら回転することになる。このような動作は、第４の被動歯車３４の回転速度で第１の被動歯車３１もまた回転することになり、再び第１の被動歯車３１と噛み合っている第１の駆動歯車２１が変換された速度で回転することになる。これにつれて、出力ホイール４０及びハブシェル６０もまた、変換された速度で回転して後輪Ｒ２を変換された速度で回転させるのである。
図１２は、本発明による実施形態１が通常のチェーン自転車２００に適用された状態を示すものである。同図に示すように、本発明による実施形態１は、通常のチェーン自転車２００の後輪Ｒ２の中心に備配される。したがって、クランクＰを付勢して回転させると、駆動スプラケット２１０が回転することになり、チェーンＣを介して回転力が従動スプラケット１１が回転することになり、従動スプラケット１１と結合された後輪Ｒ２の中心軸であるハブ軸１０が直接的に回転するのである。未説明符号「Ｒ１」は前輪であり、「Ｆ」はフレームである。
図１３及び図１４は、図１２に示す自転車に取り付けられるように変形された他の実施形態を示すものである。
同図から明らかなように、チェーンＣを介して回転力が伝達される従動スプラケット１１がハブ軸１０と一体形に結合されている。したがって、ペダリングを通じてクランクを回転させると、駆動スプラケット２１０が回転することになり、チェーンＣを介して従動スプラケット１１が回転して、その結果、ハブ軸１０が回転する。
このように、ハブ軸１０が回転することになると、上述した実施形態と同じ動作で所望の速度に変換することが可能になる。
また、クランクをハブ軸に直結してチェーンなしに駆動することもでき、あるいは、チェーンを介してハブ軸に回転力を伝達して駆動することもできる。

Claims (4)

  1. 回転力が入力され、外周面に複数の第１のポール（ｐａｗｌ）が備配されるハブ軸と、
    前記第１のポールの出没を制御する変速制御手段と、
    中心に前記ハブ軸が貫通し、内周面にラチェットが形成されて前記第１のポールによって回転力が伝達され、異なる歯数を有する複数の駆動歯車と、
    前記駆動歯車とそれぞれ噛み合い、異なる歯数を有し、互いに結合されて回転する複数の被動歯車と、
    前記駆動歯車のうち隣りの駆動歯車と結合され、外周面に第２のポールが備配される出力ホイールと、
    車輪のスポークが連結され、内周面にラチェットが形成されて前記第２のポールによって回転力が伝達されるハブシェルと、
    を備えることを特徴とする自転車変速ハブ。
  2. 前記変速制御手段は、
    変速のためのワイヤーと、
    前記ワイヤーによって回転し、外周面にガイド孔が円周方向に対して斜めに形成されるアウターリングと、
    前記アウターリングの内部に備配され、前記ガイド孔に拘束されるガイドピンが突設されて前記アウターリングの回転によって前記ハブ軸の軸方向に移動するインナーリングと、
    前記インナーリングの移動によって前記第１のポールを出没させるレバーと、
    を備えることを特徴とする請求項１に記載の自転車変速ハブ。
  3. 前記レバーは、
    前記インナーリングの移動で付勢されて前記ハブ軸の軸中心方向へ移動する入力部と、
    前記入力部と結合されて前記入力部の移動によって回転する回転ロッドと、
    前記回転ロッドの回転によって突出して前記第１のポールを前記ハブ軸の円周面から突出させる出力部と、
    を備えることを特徴とする請求項２に記載の自転車変速ハブ。
  4. 前記ハブ軸の外周面には、前記レバーが載置される載置溝が形成されることを特徴とする請求項３に記載の自転車変速ハブ。
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