JP6598043B2 - 自転車用クランク変速装置｛ａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｆｏｒ ｂｉｃｙｃｌｅ ｃｒａｎｋ｝ - Google Patents

自転車用クランク変速装置｛ａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｆｏｒ ｂｉｃｙｃｌｅ ｃｒａｎｋ｝ Download PDF

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Description

本発明は自転車の変速装置に関するもので、特に自転車用クランクに取り付けられる内蔵ギア型変速装置に関連している。
自転車の効率的な走行のために、一般的に自転車用クランクと後部車輪軸には変速装置が備えられる。
図１には、従来の自転車用クランク変速装置が示されている。
これを参照すると、従来の自転車用クランク変速装置（１００）は、自転車のボトムブラケットに設置されるサイズが互いに異なる複数枚のチェーンリング（１１０）とフレーム（Ｆ）に結合されて、いずれか１つのチェーンリング（１１０）に位置するチェーンを他のチェーンリング（１１０）に移動させるフロントディレーラー（１２０）と、フロントディレーラー（１２０）とワイヤー（１３０）に接続して自転車のハンドルバーに装着されてフロントディレーラー（１２０）を操作することができる変速レバー（１４０）を含んで構成される。
しかし、従来の自転車用クランク変速装置（１００）は、チェーンの位置を強制的に移動させるシフト方式の変速機構（Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）によって、変速過程でチェーンがチェーンリング（１１０）から頻繁に離脱するという問題がある。離脱したチェーンをチェーンリング（１１０）に再度取り付けることは、女性や子供には大変な作業である。また、チェーンを装着する過程で、ユーザーの手や衣服などがチェーンに塗布された潤滑油によって汚染されることもある。
併せて、従来の自転車用クランク変速装置（１００）は、複数枚のチェーンリング（１１０）が積層状態で配置され、操作のための変速レバー（１４０）がフロントディレーラー（１２０）とワイヤー（１３０）に連結されて別々に備えられるため、装置の小型化や軽量化を行う日程に限界があるのが実情である。
従って、本発明は前述した問題点を解決するためのものであり、減速ギアを介して一つのチェーンリングに変速機構を実装することによって小型化や軽量化が可能であり、変速過程でチェーンがチェーンリングから離脱するおそれがない一体型の自転車クランク変速装置を提供することを目的とする。
前記本発明の目的を達成するために、本発明の一実施例によると、中空が形成された軸部材と、一側面が前記軸部材と結合され、他側面がスピンドルを備えたボトムブラケットに固定設置されるベースプレートと、前記軸部材に回転可能な状態に結合され、内部にリングギアが固定設置されたチェーンリングハウジングと、前記リングギアの中心に配置された減速ギアユニットと、前記リングギアに設置された直結ラチェットユニットと、中央に前記スピンドルと結合される結合軸が垂直に備えられ、内側の壁面に前記直結ラチェットユニットと噛み合うクラッチラチェットの歯と直結ラチェットの歯が高さ方向に積層形成されたクランクカバーおよび前記結合軸上に時計方向にのみ回転するように設置され、前記減速ギアユニットと一部が噛み合うサンギアを含んで構成されることを特徴とする自転車用クランク変速装置を提供する。
前記ベースプレートにはＢＢホルダーが着脱可能なように備えられ、前記ＢＢホルダーは、前記ベースプレートを前記ボトムブラケットに容易に結合させることを特徴とする。
前記ベースプレートと前記チェーンリングハウジングの間には逆回転防止ユニットが備えられ、所定の回転力以内では前記チェーンリングハウジングが前記軸部材を基準として反時計回りには回転しないことを特徴とする。
前記逆回転防止ユニットは、前記ベースプレートに形成された内接ラチェットギアと、前記チェーンリングハウジングに形成された外接ラチェットギア、および外周面と内周面にそれぞれ多数の弾性掛け具が備えられ、前記内接ラチェットギアと前記外接ラチェットギアの間に配置されている逆回転防止リングによって構成されることを特徴とする。
前記減速ギアユニットは前記軸部材に固定設置されて、前記リングギアの中心部に配置される偏心ガイド、および前記偏心ガイドの外周面に沿って回転するように備えられ、一部が前記リングギアと噛み合い、前記一部と向かい合う他の部分が前記サンギアと噛み合う偏心ギアによって構成されることを特徴とする。
前記直結ラチェットユニットは、前記リングギアの外周面に円周方向に沿って等間隔に離隔するように設置されて半径方向に展開され、一側面には作動突起が形成された多数個の直結ラチェット、および前記リングギアの一側面に積層設置されて、内周面には円周方向に沿って前記作動突起が収容されている収容部と、前記作動突起を支持する支持具が交互に等間隔で離隔するように形成され、外周面には多数個の弾性ラチェットが等間隔で離隔するように備えられた直結ラチェットクラッチで構成されることを特徴とする。
前述した構成で成り立っている本発明は、内部に備えられた減速ギアユニットと直結ラチェットユニットを介して変速機構を実装することにより、複数枚のチェーンリングとは別途の変速レバーが不要であり、これにより製品の小型化や軽量化が可能な効果がある。
また、変速過程でチェーンがチェーンリングから離脱しないという効果がある。
併せて、クランクアームを反時計回りに回転させ、ギアを迅速かつ直感的に変速させることができる効果がある。
図１は、従来の自転車用クランク変速装置の構成を概略的に示す図面。 図２は、本発明の一実施例による自転車用クランク変速装置の斜視図。 図３ａは、本発明の一実施例による自転車用クランク変速装置の分解斜視図。 図３ｂは、図３ａを別の角度から眺めた時の分解斜視図。 図４は、本発明のベースプレートとチェーンリングハウジングの間に逆回転防止ユニットが備えられた様子を表した図面。 図５は、本発明の減速ギアユニットとリングギアの結合関係を概略的に示した図面。 図６は、本発明の直結ラチェットユニットの構成を示す図面。 図７は、本発明の直結ラチェットユニットの作動原理を概略的に示した図面。 図８は、本発明のクランクカバーの構成を示した図面。 図９は、本発明の一実施例による自転車用クランク変速装置の変速機構を概略的に示した図面。
以下、本発明の好ましい一実施例の添付図面を参照して、より具体的に説明することにする。この過程で、図面に示された線の太さや構成要素の大きさなどは、説明の明瞭さと便宜の上、誇張して図示されていることがある。また、後述される用語は、本発明の機能を考慮して定義された用語であり、これはユーザー、運用者の意図または慣例によって異なることがある。
図２ないし図９を参照すると、本発明の一実施例による自転車用クランク変速装置（２００）は軸部材（２１０）、ベースプレート（２２０）、チェーンリングハウジング（２３０）、減速ギアユニット（２４０）、直結ラチェットユニット（２５０）、クランクカバー（２６０）およびサンギア（２７０）を含んで構成される。
図２ないし図９を参照すると、本発明の一実例による自転車用クランク変速装置（２００）は軸部材（２１０）、ベースプレート（２２０）、チェーンリングハウジング（２３０）、減速ギアユニット（２４０）、直結ラチェットユニット（２５０）、クランクカバー（２６０）およびサンギア（２７０）を含んで構成される。軸部材（２１０）は、中空（２１２）が形成された所定の厚さのディスク（Ｄｉｓｋ）の形状で構成される。軸部材（２１０）の一側面は後述されるベースプレート（２２０）に固定結合され、他側面には後述される偏心ガイド（２４２）が固定設置される。
また、軸部材（２１０）には、後述されるチェーンリングハウジング（２３０）が回転可能なように結合される。
ベースプレート（２２０）は、一側面が軸部材（２１０）に結合され、中心部には軸部材（２１０）に形成された中空（２１２）と、直径が同じホール（２２２）が形成される。
この時、ホール（２２２）の中心は、軸部材（２１０）に形成された中空（２１２）の中心と同一軸を持つことが望ましい。
ベースプレート（２２０）の他側面は、自転車のフレーム（Ｆ）に装着されたボトムブラケット（Ｂ）に固定結合される。
また、ベースプレート（２２０）の他側面には、ＢＢホルダー（２２４）が着脱可能なように備えられることが望ましい。ＢＢホルダー（２２４）は、ボトムブラケット（Ｂ）の端部に対応する形で構成されるが、これは、ＢＢホルダー（２２４）を交換することによって、製造社によって規格が異なる多種のボトムブラケット（Ｂ）に本発明を容易に設置できるようにするためである。
チェーンリングハウジング（２３０）は、軸部材（２１０）に回転可能なように結合される。このように、チェーンリングハウジング（２３０）の一側面にはインターナルタイプのリングギア（２３４）が固定設置され、外周面にはチェーンリング（Ｃ）と結合されている多数個のチェーンリング結合部（２３２）が円周方向に等間隔で離隔するように形成される。
併せて、上述したように、チェーンリングハウジング（２３０）がチェーンリング（Ｃ）と分離型で構成されることになっているが、ユーザーの意図によってチェーンリングハウジング（２３０）をチェーンリング（Ｃ）と一体にして構成することも可能である。
ベースプレート（２２０）とチェーンリングハウジング（２３０）との間には、逆回転防止ユニット（２８０）が備えられる。
このように、逆回転防止ユニット（２８０）は、チェーンリングハウジング（２３０）が軸部材（２１０）を基準軸にして時計回りには自由に回転されるようにし、反時計回りには所定の回転力以内では回転しないようにする機能をする。
図４を参照すると、逆回転防止ユニット（２８０）は、内接ラチェットギア（２８２）、外接ラチェットギア（２８４）および逆回転防止リング（２８６）で構成されている。
内接ラチェットギア（２８２）はベースプレート（２２０）の端に積層されるように形成され、外接ラチェットギア（２８４）はチェーンリングハウジング（２３０）の中央に積層されるように形成される。
内接ラチェットギア（２８２）と外接ラチェットギア（２８４）に形成された鋸歯は、第１傾斜部（２８２ａ、２８４ａ）と第２傾斜部（２８２ｂ、２８４ｂ）とからなる。この時、ピッチ面を形成する第１傾斜部（２８２ａ、２８４ａ）は、一般的なラチェットとは異なり、ピッチ円との間の角が鋭角をなす。
逆回転防止リング（２８６）は、内接ラチェットギア（２８２）と外接ラチェットギア（２８４）との間に配置され、外周面と内周面には円周方向に沿って多数の弾性掛け具（２８６ａ）が等間隔で離隔するように備えられる。
本発明の正面を基準（図４は本発明の背面を基準として作成された）として、逆回転防止ユニット（２８０）の作動原理を簡単に説明することにする。
ユーザーが変速のためにクランクカバー（２６０）を反時計方向に回転させる場合、クランクカバー（２６０）とチェーンリングハウジング（２３０）が直接噛み合う部分はないが、密着しているため、弱い回転力がチェーンリングハウジング（２３０）に伝達される。
この時、逆回転防止リング（２８６）の弾性掛け具（２８６ａ）が内接ラチェットギア（２８２）と外接ラチェットギア（２８４）の第１傾斜部（２８２ａ、２８４ａ）に噛み合わさりながら、チェーンリングハウジング（２３０）の回転が遮断される。
これとともに、ユーザーが自転車を後進させる場合は、自転車の後輪が回転しながらチェーンを介して強い回転力がチェーンリングハウジング（２３０）に伝達される。
この時、内接ラチェットギア（２８２）と外接ラチェットギア（２８４）の第１傾斜部（２８２ａ、２８４ａ）に噛み合わさった逆回転防止リング（２８６）の弾性掛け具（２８６ａ）が強い回転力によって内部に加圧されながら、第１傾斜部（２８２ａ、２８４ａ）を強制的に乗り越えていく。
結論として、逆回転防止ユニット（２８０）は、変速時にはチェーンリングハウジング（２３０）が軸部材（２１０）を基準として反時計回りに回転するのを防止して変速機構が円滑に行われるようにし、自転車の後進の際には、チェーンリングハウジング（２３０）を反時計回りに回転されるようにして、自転車の破損を防止する。
減速ギアユニット（２４０）は、偏心ガイド（２４２）と偏心ギア（２４４）で構成されている。
偏心ガイド（２４２）は円柱形状で、中心から所定の距離を離れた位置に偏心ホール（２４２ａ）が形成される。偏心ガイド（２４２）は、軸部材（２１０）の他側面に固定されるように設置され、リングギア（２３４）の中心部に配置される。この時、中空（２１２）と偏心ホール（２４２ａ）の中心は一致する。
偏心ギア（２４４）は、偏心ガイド（２４２）の外周面に沿って回転するように備えられる。偏心ギア（２４４）は、一部がリングギア（２３４）と噛み合い、一部と向き合う他の部分が後述されるサンギア（２７０）と噛み合う。
図５は、減速ギアユニット（２４０）とリングギア（２３４）の結合関係を示す図である。図５を参照すると、減速ギアユニット（２４０）は、サンギア（２７０）からクランクカバー（２６０）の回転力を伝達されて減速した回転数でリングギア（２３４）を回転させる機能をする。
減速ギアユニット（２４０）は、一般的な遊星ギア（図示せず）とは異なり、サンギア（２７０）と同じ方向に回転されることにより、減速された回転力をリングギア（２３４）に伝達する。これにより、減速ギアユニット（２４０）は遊星ギア（図示せず）に比べて、摩耗したり破損する危険性が大幅に低い。また、チェーンリングハウジング（２３０）などに不必要に加わる恐れがある逆回転力を発生させないため、装置の耐久性を向上させることができる。
直結ラチェットユニット（２５０）は、多数個の直結ラチェット（２５２）と直結ラチェットクラッチ（２５４）で構成される。
具体的には、直結ラチェット（２５２）はリングギア（２３４）の外周面上に設置され、弾性を持ったバネ（２５２ｂ）などの機械要素によって半径方向に展開される。展開された直結ラチェット（２５２）は、クランクカバー（２６０）が時計方向に回転される時、直結ラチェットの歯（２６６）と噛み合う。直結ラチェット（２５２）の一側面には作動突起（２５２ａ）が備えられる。
直結ラチェットクラッチ（２５４）は、リングギア（２３４）の一側面に設置される。直結ラチェットクラッチ（２５４）の内周面には、円周方向に沿って作動突起（２５２ａ）が収容されている収容部（２５４ａ）と、作動突起（２５２ａ）を支持する支持具（２５４ｂ）が交互に形成される。外周面には、多数個の弾性ラチェット（２５４ｃ）が円周方向に沿って等間隔で離隔するように備えられる。多数個の弾性ラチェット（２５４ｃ）は、クランクカバー（２６０）が反時計方向に回転する時、クラッチラチェットの歯（２６４）と噛み合う。
クランクカバー（２６０）は、コップのふた（Ｄｒｉｎｋｉｎｇ Ｌｉｄ）形状になる。中央にはボトムブラケット（Ｂ）のスピンドル（ＢＳ）と結合する結合軸（２６２）が垂直に備えられる。内側壁面には直結ラチェットユニット（２５０）と噛み合うクラッチラチェットの歯（２６４）と直結ラチェットの歯（２６６）が高さ方向に積層形成される。
クラッチラチェットの歯（２６４）と直結ラチェットの歯（２６６）の方向は、互いに反対になる。クランクカバー（２６０）の外周面の所定の位置には、クランクアーム（２６８）が形成される。
クランクカバー（２６０）は、チェーンリングハウジング（２３０）の一側面に安着する。この時、結合軸（２６２）は、軸部材（２１０）の中空（２１２）を貫通してスピンドル（ＢＳ）と結合する。
サンギア（２７０）は、クランクカバー（２６０）の結合軸（２６２）上に時計方向にのみ回転するように設置される。このために、サンギア（２７０）の内部には一方向のラチェットユニットが備えられることが望ましい。サンギア（２７０）の一部は、前述したように、減速ギアユニット（２４０）の一部分と噛み合わされる。
前述した構成により成り立つ本発明の変速機構を、図７および図９を参照して説明することにする。
まず、直結ラチェットユニット（２５０）の作動を図７を参照して調べてみると、クランクカバー（２６０）を反時計方向に回転させる場合、クラッチラチェットの歯（２６４）が弾性ラチェット（２５４ｃ）と噛み合って、クランクカバー（２６０）は直結ラチェットクラッチ（２５４）を反時計方向に回転させる。
この時、チェーンリングハウジング（２３０）は、逆回転防止ユニット（２８０）によって逆回転が遮断される。これにより、直結ラチェットクラッチ（２５４）は、固定されたリングギア（２３４）でスライド回転する。
続いて、直結ラチェットクラッチ（２５４）が所定の角度に回転するたびに、直結ラチェットクラッチ（２５４）の内周面に接している作動突起（２５２ａ）が収容部（２５４ａ）に収容されるか、支持具（２５４ｂ）に支持されて、直結ラチェット（２５２）が展開されたり折り畳まれたりする。
より具体的には、作動突起（２５２ａ）が収容部（２５４ａ）に収容されると、直結ラチェット（２５２）が弾性を持つ機械要素によってリングギア（２３４）の外部に展開され、展開された直結ラチェット（２５２）は直結ラチェットの歯（２６６）と噛み合わされる。この場合、リングギア（２３４）はクランクカバー（２６０）と直結して同じ回転数で回転することがある。
作動突起（２５４ｂ）が支持具（２５４ｂ）に支持されると、直結ラチェット（２５２）が加圧されて折り畳まれ、直結ラチェットの歯（２６６）との噛み合いが解除される。この場合、リングギア（２３４）は減速ギアユニット（２４０）を介してサンギア（２７０）と接続されて、クランクカバー（２６０）よりも低い回転数で回転することがある。
本発明の変速機構が高段である場合を図９の（ａ）を参照して説明すると、リングギア（２３４）で直結ラチェット（２５２）が展開されている状態でクランクカバー（２６０）を時計回り（正方向）に回転させる場合、直結ラチェットの歯（２６６）が直結ラチェット（２５２）と噛み合わされ、クランクカバー（２６０）はリングギア（２３４）を同じ回転数で直結回転させる。
この時、サンギア（２７０）はリングギア（２３４）の回転力を減速ギアユニット（２４０）を介して逆に伝達を受け、クランクカバー（２６０）よりも速い回転数でアイドリングする。
変速機構が低段である場合を図９の（ｂ）を参照して説明すると、リングギア（２３４）で直結ラチェット（２５２）が折り畳まれている状態でクランクカバー（２６０）を時計回り（正方向）に回転させる場合、サンギア（２７０）が減速ギアユニット（２４０）と噛み合い、クランクカバー（２６０）はリングギア（２３４）を減速された回転数で回転させる。
簡単にまとめると、本発明は、クランクカバー（２６０）を反時計方向に回転させて直結ラチェットユニット（２５０）を操作することにより、リングギア（２３４）をクランクカバー（２６０）と同じ回転数で直結回転（駆動）させたり、リングギア（２３４）をサンギア（２７０）と減速ギアユニット（２４０）を介して減速された回転数で回転（駆動）させることができる。
本発明は、減速ギアユニットと直結ラチェットユニットを介して変速機構を実装することにより、複数枚のチェーンリングとは別途の変速レバーが不要であり、これにより製品の小型化や軽量化が可能になる効果がある。また、変速過程でチェーンがチェーンリングから離脱されない効果がある。最後に、本発明は、ギアを迅速かつ直感的に変速させることができる効果がある。
以上、本発明の好ましい実施例を添付図面を参照して説明したが、当該技術分野に熟練した人は、下記の特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想から逸脱しない範囲内で、本発明を多様に修正および変更できることが理解できるだろう。
１００ 従来の自転車用クランク変速装置
１１０ チェーンリン
１２０ フロントディレーラー
１４０ 変速レバー
２００ 自転車用クランク変速装置
２１０ 軸部材
２１２ 中空
２２０ ベースプレート
２２２ ホール
２２４ ＢＢホルダー
２３０ チェーンリングハウジング
２３２ チェーンリング結合部
２３４ リングギア
２４０ 減速ギアユニット
２４２ 偏心ガイド
２４２ａ 偏心ホール
２４４ 偏心ギア
２５０ 直結ラチェットユニット
２５２ 直結ラチェット
２５２ａ 作動突起
２５２ｂ バネ
２５４ 直結ラチェットクラッチ
２５４ａ 収容部
２５４ｂ 支持具
２５４ｃ 弾性ラチェット
２６０ クランクカバー
２６２ 結合軸
２６４ クラッチラチェットの歯
２６６ 直結ラチェットの歯
２６８ クランクアーム
２７０ サンギア
２８０ 逆回転防止ユニット
２８２ 内接ラチェットギア
２８２ａ 第１傾斜部
２８２ｂ 第２傾斜部
２８４ 外接ラチェットギア
２８４ａ 第１傾斜部
２８４ｂ 第２傾斜部
２８６ 逆回転防止リング
２８６ａ 弾性掛け具
Ｃ チェーンリング
Ｆ フレーム
Ｂ ブラケット
ＢＳ スピンドル

Claims (4)

  1. 中空が形成された軸部材；
    一側面が前記軸部材と結合され、他側面がスピンドルを備えたボトムブラケットに固定設置されるベースプレート；
    前記軸部材に回転可能なように結合され、内部にリングギアが固定設置されたチェーンリングハウジング；
    前記リングギアの中心に配置された減速ギアユニットであって、前記減速ギアユニットは、前記軸部材に固定設置され、前記リングギアの中心部に配置される偏心ガイド、および前記偏心ガイドの外周面に沿って回転するように備えられ、歯が一側面に延長して形成された偏心ギアで構成され、前記偏心ガイドの偏心ホールからの距離が遠い前記偏心ギアの歯部外側は、前記リングギアと噛み合わされる、前記減速ギアユニット；
    前記リングギアに設置された直結ラチェットユニットであって、前記直結ラチェットユニットは、前記リングギアの外周面に円周方向に沿って等間隔で離隔するように設置されて半径方向に展開され、一側面には作動突起が形成された多数個の直結ラチェット、および前記リングギアの一側面に積層設置され、内周面には円周方向に沿って前記作動突起が収容される収容部と、前記作動突起を支持する支持具が交互に等間隔で離隔するように形成され、外周面には多数個の弾性ラチェットが等間隔で離隔するように備えられた直結ラチェットクラッチで構成される、直結ラチェットユニット；
    中央に前記スピンドルと結合する結合軸が垂直に備えられ、内側の壁面に前記直結ラチェットクラッチの弾性ラチェットと噛み合わされるクラッチラチェットの歯と前記リングギアの半径方向に展開された前記直結ラチェットと噛み合わされる直結ラチェットの歯が並列して高さ方向に形成されたクランクカバー；および
    前記結合軸上に時計方向にのみ回転するように設置され、前記偏心ガイドの偏心ホールからの距離が近い前記偏心ギアに延長形成された歯部内側と噛み合わさっているサンギア；を含んで構成されることを特徴とする自転車用クランク変速装置。
  2. 前記ベースプレートにはＢＢホルダーが着脱可能なように備えられ、前記ＢＢホルダーは前記ベースプレートを前記ボトムブラケットに容易に結合させることを特徴とする、請求項１に記載の自転車用クランク変速装置。
  3. 前記ベースプレートと前記チェーンリングハウジングの間には、逆回転防止ユニットが備えられ、所定の回転力以内では前記チェーンリングハウジングが前記軸部材を基準として反時計回りに回転しないことを特徴とする、請求項１に記載の自転車用クランク変速装置。
  4. 前記逆回転防止ユニットは、
    前記ベースプレートに形成された内接ラチェットギア；前記チェーンリングハウジングに形成された外接ラチェットギア；および外周面と内周面にそれぞれ多数個の弾性掛け具が備えられ、前記内接ラチェットギアと前記外接ラチェットギアとの間に配置される逆回転防止リング；で構成されることを特徴とする、請求項３に記載の自転車用クランク変速装置。
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