JPH0156026B2

JPH0156026B2 -

Info

Publication number: JPH0156026B2
Application number: JP59069906A
Authority: JP
Inventors: Kunitoshi Kosaka
Original assignee: Bridgestone Cycle Co Ltd
Current assignee: Bridgestone Cycle Co Ltd
Priority date: 1984-04-10
Filing date: 1984-04-10
Publication date: 1989-11-28
Also published as: JPS60213590A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、自転車のクランク軸に装備する変速
機として最適な自転車用無段変速装置に関するも
のである。

この種の無段変速装置としては、例えば特開昭
54―93754号公報に開示されたものがあるが、こ
れは二輪車の後輪用ハブ軸に装備するようにした
ものである。

しかしながら自転車は一般に、クランク軸の回
転を増速して後輪に伝えるものであるから、クラ
ンクギヤが大径で後輪スプロケツトが小径であ
る。しかして後輪用ハブ軸に前記の変速機を装備
すると、後輪スプロケツトの径がある程度大きく
なり、それに応じてクランクギヤの径も大きくし
なければならないため、伝動装置が大型化すると
いう問題がある。

またこの無段変速装置は遊星歯車装置を利用し
て増速するものであり、その増速比は遊星歯車の
径と、太陽歯車の径の比によつて定まり、また伝
動力は遊星歯車の使用個数が多い程脈動が小さく
なるという性質がある。

しかしながら前記無段変速機のように同一平面
上にすべての遊星歯車と太陽歯車を配置する場合
は第１５図ａ，ｂ，ｃに示すように、遊星歯車Ｐ
の個数を多くすれば、太陽歯車Ｓの径が大きくな
るため増速比が小さくなり、また遊星歯車Ｐの径
を太陽歯車Ｓの径に比して大きくして増速比を大
にすれば、遊星歯車Ｐの個数が少なくなつて脈動
が大きくなるという問題がある。

本発明は上述の問題点を解決するためになされ
たもので、無段変速装置を自転車のクランク軸に
装備できるようにして伝動装置を全体として小形
化すると共に、遊星歯車装置をクランク軸に対し
て二重に配置することにより、遊星歯車の径を太
陽歯車の径に対して大きくして増速比を大きくす
る上に、遊星歯車の個数を多くして伝動力の脈動
を小さくすることを目的とするものである。

上述の目的を達成するために本発明において
は、自転車のクランク軸にキヤリヤを固定し、こ
のキヤリヤに複数の遊星核を回転自在に枢支し、
これらの各遊星核に一方向クラツチを介して遊星
歯車を一方向にのみ回転できるように嵌装すると
共に、これらの遊星歯車をクランク軸に対して二
重に配置し、前記遊星核の偏心位置に突設した揺
動ピンを案内する円形軌道を有する偏心シフター
をクランク軸に対して偏心量調整自在に設け、前
記各遊星歯車とそれぞれ噛合する太陽歯車とクラ
ンクギヤを一体に形成し、このクランクギヤによ
り出力を取り出すようにして自転車用無段変速装
置を構成する。

以下図面について本発明の一実施例を説明す
る。図中１は自転車フレームのメインパイプ、２
は立パイプ、３はチエンステー、４はハンガラツ
グ、５はクランク軸、６はクランク軸５に嵌着す
るクランクアーム、７はそのロツクナツトであ
る。また８は後輪、９は後輪ハブ軸、１０は後輪
用スプロケツト、１１はチエンである。

本実施例においては、中空円盤形状のキヤリヤ
１２（１２ａはビス１２ｂ等によりキヤリヤ本体
に着脱自在にした蓋板）をクランクアーム６を介
してクランク軸５に固定し、このキヤリヤ１２内
に複数（本実施例では６個）の段付円筒形状の遊
星核１３を軸１４を介して円周等分位置に回転自
在に枢支する。なお１５はそのベアリングであ
る。

なおこの場合、段付円筒形状の遊星核１３はそ
の大径部１３ａと小径部１３ｂとが隣接する遊星
核間において交互に180゜反転させて配置する。そ
してこれら各遊星核１３の大径部１３ａの外周部
に、一方向クラツチを介してリング形状の遊星歯
車１６を一方向にのみ回転できるように嵌装する
と共に、これらの遊星歯車１６をクランク軸５の
軸方向に対して二重に配置する。

すなわち本実施例においては３個の遊星歯車１
６がキヤリヤ１２内の外側部に配置され、残りの
３個の遊星歯車１６はキヤリヤ１２内の内側部に
それぞれ干渉しないように配置されている。

また一方向クラツチはどのような形式のもので
もよいが、本実施例では第５，６図に示すよう
に、リング状の遊星歯車１６の内周面にラチエツ
ト１７を形成すると共に、遊星核１３の大径部１
３ａにラチエツト１７と噛合して一方向の回転の
みを阻止する爪１８を設けて、ばね１９によつて
爪１８がラチエツト１７と噛合するように付勢し
てある。

また前記各遊星核１３の一側面（本実施例では
内側面）の軸１４に対する偏心位置に軸１４と平
行な揺動ピン２０を突設しておく。第５図のキヤ
リヤ１２の蓋板１２ａに設けた切欠口１２ｃは、
前記各揺動ピン２０をキヤリヤ１２の外部に突出
させると共に、その揺動を許容するためのもので
ある。

また第２図および第３図に示すように、クラン
ク軸５にベアリング２１を介して回転自在に嵌合
する軸筒２２の一端部に前記各遊星歯車１６とそ
れぞれ噛合する太陽歯車２３を形成すると共に、
軸筒２２の他端部に２個の円形段部２４ａ，２４
ｂを有するクランクギヤ２４を形成し、この円形
段部２４ａに回転自在に嵌合する中心孔２５ａ
（第４図参照）を有すると共に、外周部にクラン
ク軸５と同心の歯車２５を形成し、さらに歯車２
５の一側面に中心孔２５ａに対して偏心している
偏心円板２６を突設して偏心核板２７を一体に形
成する。

そしてこの偏心円板２６と回転自在に嵌合する
偏心孔２８ａ（第４図参照）を有すると共に、円
板の外周部に歯車２８ｂを形成し、さらにその同
一円周上に複数のねじ孔２８ｃを設けて偏心シフ
ター２８を形成し、この偏心シフター２８に２個
のリング２９，３０をそれぞれに設けたねじ挿通
孔２９ａ，３０ａを介してビス３１をねじ孔２８
ｃにねじ込むことにより偏心シフター２８に取り
付けるようにして、この２個のリング２９，３０
の内周の接合部に半円状のボール嵌合溝２９ｂ，
３０ｂを形成し、前記各揺動ピン２０を摺動自在
に嵌合する円形軌道３２をリング３３の片面に凹
陥して形成すると共に、リング３３の外周面に半
円状のボール嵌合溝３３ａを形成し、このボール
嵌合溝３３ａと前記ボール嵌合溝２９ｂ，３０ｂ
との間に多数のボール３４を挿入することにより
リング３３を偏心シフター２８に対して回転自在
に取り付ける。

そして上述の各部材は第２図に示すように、ク
ランク軸５にベアリング２１を介して太陽歯車２
３およびクランクギヤ２４を有する軸筒２２を嵌
装すると共に、その円形段部２４ａに偏心核板２
７を嵌装し、さらにその偏心円板２６に前述した
リング３３を取り付けた偏心シフター２８を嵌装
し、このリング３３の円形軌道３２内に、キヤリ
ヤ１２内に設けた各遊星核１３より突設した各揺
動ピン２０を嵌入させると共に、キヤリヤ１２を
太陽歯車２３の外周部に嵌合して、キヤリヤ１２
内の各遊星歯車１６をそれぞれ太陽歯車２３と噛
合させ、さらにクランク軸５の角筒部５ａにクラ
ンクアーム６を嵌合すると共に、クランクアーム
６とキヤリヤ１２とを固定し、クランク軸５のね
じ部５ｂ（第３図参照）にロツクナツト７を螺合
して締めつけることによりこの装置を組み立て
る。

また本発明無段変速装置には偏心操作装置およ
び逆転時における逆入力許容装置が必要である。
第２，３図および第７〜１１図にはその偏心操作
装置兼逆入力許容装置の一例を示してある。

すなわちこの装置は、第２，３図に示すように
立パイプ２に、ねじ孔３５ａ（第３図参照）を有
する軸筒３５をクランク軸５と平行に溶接等によ
り固着し、このねじ孔３５ａにボルト状の支持軸
３６を螺着するようにし、この支持軸３６にブラ
ケツト３７の端部を孔３７ａを介して嵌合すると
共に、さらにワイヤリール３８とピニオン３９と
を一体に形成したものと断面コ字状のギヤケース
４０を、その一端部に設けた孔４０ａを介して支
持軸３６に嵌装し、ギヤケース４０の内部には一
方向クラツチ４１を内周部に有すると共に前記偏
心核板２７の歯車２５と噛合する固定側歯車４２
を介装しておく。

一方向クラツチ４１はどのようなものでもよい
が、例えば第１０，１１図に示すように固定側歯
車４２の内周部にラチエツト４２ａを形成すると
共に、一方向クラツチ４１の外周部にラチエツト
４２ａと噛合して一方向の回転のみを許容する爪
４１ａを設ける。なおこの一方向クラツチ４１は
支持軸３６に対して固定しておく。

またギヤケース４０の他端部に孔４０ｂを設
け、この孔４０ｂを貫通する軸４３の一端に前記
ピニオン３９と噛合する扇形歯車４４を固着する
と共に、ギヤケース４０内の軸４３に前記固定側
歯車４２と噛合する中間歯車４５を回転自在に嵌
装し、さらにギヤケース４０の外部に突出する軸
４３に揺動アーム４６の基部を嵌合してピン４７
により固定する。

また揺動アーム４６の遊端部には軸４８を突設
し、この軸４８に前記中間歯車４５と噛合すると
共に、偏心シフター２８の歯車２８ｂと噛合する
移動側歯車４９を回転自在に嵌合する。なおこの
移動側歯車４９は固定側歯車４２と歯数を同一に
しておく。５０はこの歯車４９の抜け止め具であ
る。またこの装置には例えば第１０図に仮想線で
示したようなばね５１を設けて、軸４３を第１０
図において常に反時計方向に回動させるように付
勢しておく。

また前記ワイヤリール３８には第８，９図に示
すように操作ワイヤ５２を巻き掛けして駆動する
ようにする。第３図中の５３は操作ワイヤ５２の
アウターワイヤで、５４（第７図参照）はその調
整ねじで、前記ブラケツト３７に設けたねじ孔３
７ｂに螺合し、ロツクナツト５５により固定する
ものである。

つぎに上述のように構成した本発明装置の作用
を説明する。第１１図において、l₁は偏心円板２
６のクランク軸５に対する偏心量であり、l₂は偏
心シフター２８の円形軌道３２の偏心円板２６に
対する偏心量である。そして今l₁＝l₂とすれば、
第１１図に示す状態における円形軌道２３のクラ
ンク軸５に対する偏心量ｌはｌ＝2l₁sinθ／２となる。そしてこの第１１図の状態から、偏心シフタ
ー２８を矢印Ａのように回転して第１０図に示す
状態にすると、円形軌道３２のクランク軸５に対
する偏心量はＯになる。すなわち偏心シフター２
８を第１０図と第１１図に示す範囲内で任意に操
作することによつて、円形軌道３２のクランク軸
５に対する偏心量を任意の量に無段階に設定する
ことができる。

この偏心シフター２８の操作は次のようにして
行う。すなわち第１０図の偏心量Ｏの状態から第
１１図の偏心状態にするには、第８図の状態から
ワイヤ５２を矢印Ｂの方向に操作する。このよう
にするとリール３８を介してピニオン３９が矢印
Ｃの時計方向に回転すると共に、扇形歯車４４と
軸４３が矢印Ｄのように回動し、その結果軸４３
に固定した揺動アーム４６が矢印Ｅの方向に回動
する。アーム４６が矢印Ｅの方向に回動すれば、
移動側歯車４９が偏心シフター２８の歯車２８ｂ
と噛合しているため、偏心シフター２が移動しな
ければ歯車４９は若干第１０図の矢印Ｆのように
回動し、その結果中間歯車４５が矢印Ｇの方向に
回動し、固定側歯車４２が矢印Ｈの方向に回動す
る。この場合歯車４２の内部の一方向クラツチ４
１は歯車４２に対してすべるため、歯車４２の回
転を妨げることはない。

しかしてこの歯車４９と４２の回転方向は同じ
であり、両歯車４９，４２の歯数も同一であるか
ら、歯車４９と２８ｂとの噛合点Ｉと、歯車４２
と２５との噛合点Ｊとの間の距離L₁が変化しな
ければ偏心核板２７と偏心シフター２８との相対
位相は変化しないが、扇形歯車４４が第８図から
第９図の状態になると、歯車４９，４５，４２も
第１０図から第１１図の状態に変化するため、前
記したL₁が第１１図のL₂に変化する。したがつ
てこのL₁−L₂が偏心シフター２８を偏心核板２
７に対して第１０図の矢印Ｋの方向に相対回転さ
せる量となる。

このため偏心シフター２８は第１０図の状態か
ら第１１図に示す状態に偏心核板２７に対して相
対的に回転するため、偏心シフター２８と一体の
円形軌道３２の中心はクランク軸５の中心に対し
てｌだけ偏心することになる。

また第１１図の偏心状態を第１０図の偏心量Ｏ
の状態に戻すには、第８，９図の操作ワイヤ５２
を前とは逆方向（第９図の矢印Ｌの方向）に操作
すればよい。

この場合第１１図においてアーム４６が矢印Ｍ
の方向に回動するため、偏心シフター２８が移動
しなければ、歯車４９は矢印Ｎの方向に回動し、
その結果歯車４２は矢印Ｏの方向に回動しようと
するが、この歯車４２は固定軸３６に固定した一
方向クラツチ４１の作用によつて矢印Ｏ方向の回
転は阻止されるため、結局偏心核板２７は回転せ
ず、偏心シフター２８がL₁−L₂の差動分だけ第
１１図の矢印Ａ方向に回動して第１０図に示す偏
心量Ｏの状態になる。

つぎに無段変速機構の作用を第１２図および第
１３図について説明する。

第１２図は第６図および第１０図の状態におけ
るクランク軸５と、円形軌道３２と、遊星核１３
と、遊星歯車１６と、揺動ピン２０と、太陽歯車
２３との関係を示す説明図である。

この状態でクランクアーム６を介してクランク
軸５が矢印Ｐの方向に回転すると、第２図に示す
ようにクランクアーム６と結合したキヤリヤ１２
がクランク軸５と一体に回転し、その結果軸１４
を介して各遊星核１３および遊星歯車１６をキヤ
リヤ１２と共に回動する。しかしてこの場合遊星
核１３に突設した揺動ピン２０は軸５と同心の円
形軌道３２内に嵌合した状態で回動するから、遊
星核１３はキヤリヤ１２に対しては全く回転しな
い。

しかしながら各遊星歯車１６は太陽歯車２３と
それぞれ噛合しているため、この太陽歯車２３の
負荷抵抗によつて各遊星歯車１６は第１２図にお
いて時計方向に回転しようとするが、この回転は
ラチエツト１７と爪１８から成る一方向クラツチ
の作用によつて阻止される。したがつて太陽歯車
２３はキヤリヤ１２と一体的に回動する遊星歯車
１６によつて第１２図の矢印Ｑのようにクランク
軸５と一体的に同方向に回転する。したがつてこ
の場合の変速比は１：１である。

つぎに変速操作によつて、偏心シフター２８を
第１１，１３図に示す偏心状態にした場合は、ク
ランク軸５の矢印Ｐ方向の回転にもとなつて、前
述したようにキヤリヤ１２が軸５と一体的に回転
し、その結果各遊星核１３も軸１４と共に回動す
るが、この場合各揺動ピン２０が嵌合している円
形軌道３２は軸５に対して偏心しているから、各
遊星核１３はキヤリヤ１２に対しても時々刻々回
動する。

すなわちクランク軸５の中心をＲとし、遊星核
１３の中心をＳとし、揺動ピン２０の中心をＴと
すると、RSTであるθは、第１２図の場合常に
一定であるが、第１３図の場合はそれぞれθ₁，
θ₂，θ₃のように変化する。そして相互間にはθ₁＜
θ₂＜θ₃の関係が生ずる。

すなわちこのθ₁〜θ₃までの間の遊星歯車１６に
は第１３図に示す矢印Ｕ方向の回転が生ずるた
め、この矢印Ｕ方向の回転と、軸５を中心とする
遊星歯車１６の矢印Ｐ方向の公転によつて、これ
と噛合する太陽歯車２３を第１３図の矢印Ｖで示
すように軸５より増速して回転させる。なおこの
場合本実施例では遊星歯車１６が６個あるため、
回転増速域にない歯車１６は増速されないが、前
記した一方向クラツチの作用によつて６個の遊星
歯車１６の中、その時最高の増速域にある１個の
遊星歯車１６のみが太陽歯車２３を駆動し、残り
の５個の遊星歯車１６は、逆にその太陽歯車２３
によつて回転させられるようになる。すなわちこ
の時その歯車１６のラチエツト１７は爪８に対し
てすべつて回転することになる。

第１４図は縦座標に増速変速比をとり、横座標
にクランク軸５の回転角度をとつて示した本発明
装置の増速特性を示すものである。

これからわかるように、変速比の変動をできる
だけ小さくするためには、遊星歯車１６の使用個
数を多くするのがよい。本実施例では６個の遊星
歯車１６を使用しているため、第１３図に示す角
度範囲Ｗ（約60゜）が各遊星歯車１６の太陽歯車２
３に対する駆動域となる。したがつて第１４図か
らみても本実施例においては、増速中もほとんど
脈動のない回転駆動力を得ることができる。

また上述の説明では、増速比Ｏの場合と最大増
速比の場合を説明したが、偏心シフター２８の回
動操作量を、第１０図および第１１図の中間の任
意量に設定することによつて、本発明装置によれ
ば、無段階で任意の速度比が得られることは説明
するまでもなく明らかである。

以上は本発明無段変速装置による自転車走行時
（正転時）における作用説明であるが、この無段
変速装置を装備した自転車が、例えば坂の途中に
停止した時、重力の作用によつて後退したとする
と、第１図において後輪８が矢印Ｘの方向に回転
すると共に、チエン１１が矢印Ｙの方向に移動す
る結果、本発明の無段変速装置のクランクギヤ２
４に逆入力が作用することになる。

この逆入力が作用すると、本発明装置は変速比
が高い場合にその機構上セルフロツクが生じて逆
転できず、装置の各部に無理な力が作用するた
め、本発明装置を実用化するに当つては、この逆
転時における逆入力許容装置が必要となる。

前述した偏心操作装置はこの逆入力許容装置も
兼ねるものであるから、以下にその作用を説明す
る。

すなわち第１０図および第１１図において、矢
印αは正転時におけるキヤリヤ１２の回転方向で
あり、矢印βは逆転時におけるキヤリヤ１２の回
転方向である。

今前述した後輪８の逆転時に、チエン１１、ク
ランクギヤ２４、太陽歯車２３を介して第１２図
に示すように、各遊星歯車１６に矢印β方向の回
転が伝えられると、各遊星歯車１６は矢印γの方
向に回転しようとするが、この回転はラチエツト
１７および爪８よりなる一方向クラツチによつて
阻止されるため、遊星歯車１６はキヤリヤ１２と
一体に矢印βの方向に回転する。この場合第１０
図および第１２図に示すように、円形軌道３２の
クランク軸５に対する偏心量がＯの時は、遊星歯
車１６内の遊星核１３と一体の揺動ピン２０は円
形軌道３２内を回動することができるため、上述
したセルフロツク現象は起きないが、円形軌道３
２がクランク軸５に対して第１１図および第１３
図に示すように偏心している時は、揺動ピン２０
が円形軌道３２内を通過するためには遊星核１３
がある程度自転しなければならない。しかしなが
ら前記したように逆転時においては遊星歯車１６
は回転を阻止されているため、遊星核１３も自由
に自転できない。

このためにセルフロツクが生ずるのであるが、
本発明装置においてはこのセルフロツクが生ずる
と、円形軌道３２を形成するリング３３がこれと
一体の偏心シフター２８と共にキヤリヤ１２と一
体的に矢印βの方向に回転する。そして偏心シフ
ター２８が回転すれば、歯車２８ｂ，４９，４
５，４２，２５を介して偏心核板２７も矢印βの
方向に同量だけ回転するため、結局変速装置全体
がクランクギヤ２４と共に同方向に回転すること
になる。したがつてこの作動によつて前記したセ
ルフロツクを十分吸収することができる。

なおこの逆転時には、上述したように偏心核板
２７と偏心シフター２８は共に同方向に同量だけ
回転して相互間の位相は変化しないため、変速比
も変ることはない。

つぎに本発明装置の効果を説明する。本発明の
無段変速装置は上述のように自転車の後輪ハブ軸
でなく、クランク軸に装備するようにしたから、
クランクギヤと後輪用スプロケツトとの直径比を
大きくとれる上に、伝動装置が全体的にも大型化
しないという効果が得られる。

またこの種の無段変速装置は遊星歯車装置を利
用して増速するものであり、その増速比は遊星歯
車の径と、太陽歯車の径の比によつて定まり、ま
た伝動力は遊星歯車の使用個数が多い程脈動が小
さくなるという性質がある。

しかしながら既知の無段変速機のように同一平
面上にすべての遊星歯車と太陽歯車を配置する場
合は第１５図ａ，ｂ，ｃに示すように、遊星歯車
Ｐの個数を多くすれば、太陽歯車Ｓの径が大きく
なるため増速比が小さくなり、また遊星歯車Ｐの
径を太陽歯車Ｓの径に比して大きくして増速比を
大にすれば、遊星歯車Ｐの個数が少なくなつて脈
動が大きくなるという問題がある。

しかしながら本発明の無段変速装置において
は、遊星歯車装置をクランク軸に対して二重に配
置することにより、第１６図に示すように遊星歯
車Ｐの径を太陽歯車Ｓの径に対して大きくして増
速比を大きくできる上に、遊星歯車Ｐの個数を多
くして伝動力の脈動を小さくすることができると
いうすぐれた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置を付した自転車の側面図、
第２図は本発明装置の縦断面図、第３図〜第５図
はその分解斜視図、第６図は本発明装置のキヤリ
ヤ部を一部切欠して示す部分図、第７図は偏心操
作装置兼逆入力許容装置の分解斜視図、第８図〜
第１１図はその作用説明図、第１２図および第１
３図は本発明装置の作動説明図、第１４図は本発
明装置による増速特性図、第１５図および第１６
図は遊星歯車と太陽歯車の各種組み合わせ状態を
示す説明図である。５…クランク軸、６…クランクアーム、１２…
キヤリヤ、１３…遊星核、１４…軸、１６…遊星
歯車、１７…ラチエツト、１８…爪、１９…ば
ね、２０…揺動ピン、２３…太陽歯車、２４…ク
ランクギヤ、２７…偏心核板、２８…偏心シフタ
ー、３２…円形軌道、３３…リング。

Claims

【特許請求の範囲】

１自転車のクランク軸にキヤリヤを固定し、こ
のキヤリヤに複数の遊星核を回転自在に枢支し、
これらの各遊星核に一方向クラツチを介して遊星
歯車を一方向にのみ回転できるように嵌装すると
共に、これらの遊星歯車をクランク軸に対して二
重に配置し、前記遊星核の偏心位置に突設した揺
動ピンを案内する円形軌道を有する偏心シフター
をクランク軸に対して偏心量調整自在に設け、前
記各遊星歯車とそれぞれ噛合する太陽歯車とクラ
ンクギヤを一体に形成し、このクランクギヤによ
り出力を取り出すようにした事を特徴とする自転
車用無段変速装置。