JPH08508085A - ギヤ比可変駆動機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明の自転車等に適したギヤ比可変駆動機構は、加わるトルクおよび／または外力に応じて無段式に連続的に変わる実効半径を有するギヤを具えている。ギヤは、ヘリカルバネ（１０）とすることができ、ヘリカルバネの場合はトルクが加わると内側に巻きが生じてその半径が減少する。また、駆動機構は、圧縮可能なバネ（２２）式のスポークによって支持されるリム（２０）を具えるものであってもよい。さらに、駆動機構は、中央のハブの周りに配置さられた外向きに押圧された一連の弧状部材（３０）を具えるものであってもよい。

Description

【発明の詳細な説明】 ギヤ比可変駆動機構 発明の属する技術分野 本発明は、自転車およびその他のエネルギ伝達システムにおける使用に適した 型のギヤ比可変駆動機構に関する。 発明の背景 平坦な道の上で自転車を運転する場合に、乗り手は快適な運転をするのに適し た所定のギヤ比即ち変速比を用いる。その場合、ギヤ比は固定されている。図１ から分かるように、ギヤ比は、チェーン駆動プーリ２（ペダル側）の直径ｒとチ ェーンシンク（sink）プーリまたはチェーン従動プーリ１（後輪側）の直径Ｒの 比（ｒ／Ｒ）で定義される。 図１の左側にある複数の直径のホイール（wheel）の中の最大の直径のホイー ルはエネルギ入力部である。右側の単一の直径のホイールはエネルギシンク部ま たは負荷部である。さらに、この右側の単一の直径のホイールを複数の直径のホ イール構成（図１の左側に例示されているような構成）にしてもよい。このよう な構成にすると、使用できるギヤ比の数を増やすことができる。そのような構成 は自転車としては周知である。 自転車が坂道に来ると、乗り手は坂を登るためにより大きなトルク（ペダルに 加えられる力に駆動プーリの半径を乗じたもの）を加えようとする。 このようにトルク（駆動プーリを回すのに必要な足の力）を大きくする必要が あると感じ、かつ必要とするトルクが足で押せる能力のレベルを越えているであ ろうと判断した場合には、（運良く自転車に多段変速（複数レベル）ギヤシステ ムが設けられているときには、）手動でギヤ比を変える。 多段変速ギヤシステムの付いた自転車は、多段変速ギヤシステムをマウンテン バイクに使用したことによって、或る時期から非常に人気が出て、何百万台も売 れている。 入力トルクに応答する自動無段（stepless）ギヤシフト装置を用いることがで きれば、自転車の運転が非常に簡単になる。 トルクに対してギヤ比を連続的に適応的に変化させる手段があれば、エネルギ 源の特性（トルク／ｒｐｍ）をエネルギ負荷特性に対してうまく整合させること ができる。エネルギの供給と負荷との間での適応化曲線がうまく整合（fit）し ていれば、供給した全てのエネルギ（力）が最適効率で直線運動に変換される。 上述の説明は、自転車のチェーン駆動についての説明である。 一方、本発明は、他の種類のエネルギ源、例えば、ガソリンエンジンまたはデ ィーゼルエンジン、電気モータ、水車、等にも適用できる。また、本発明に従え ば、エネルギ源をエネルギ負荷に適合（適応化）させる作業が簡単になる。 自動車の自動変速機は長い間知られているが、その技術的実現手段は複雑で高 価であり、また使用し得るギヤ比のレベル（値）は連続的レベルではなく依然と して複数の固定された（離散的）レベルになっている。 なお、液体連続トルクコンバータが知られているが、その液体の滑りは、摩擦 損を生じるために伝達効率が低くなるので、長時間の連続使用においては不利に なる。 通常の自動変速機は複数の特定のギヤ比の間でギヤ比の変更を行う。即ち、ギ ヤ変更の手順が自動化され、トルクと時間当たり回転数ｒｐｍが制御される。そ して、複数の固定的ギヤ比を用いることによって、エネルギ源特性と負荷特性と の間の適応化が良好に行われる。しかし、依然としてエネルギ源特性と負荷特性 との間の連続的な最適な適応化は行えない。 自動連続ギヤ比可変システムは、このシステムの小型車への導入段階の時期が あって、その開発が行われたことが知られている。このシステムの装置において 、Ｖ字形ベルトの側面（肩部）でＶ字形ベルトを駆動する２つのフランジが軸方 向に移動して、Ｖ字形ベルトを２つのフランジの間でその半径方向に内向き外向 きに移動させている。このように２つのフランジが移動して互いに近づくと、Ｖ 字形ベルトを大きい直径の円の方へと押し上げて（squeeze）ギヤ比を大きくす る。 この自動連続ギヤ比可変システムは、或る期間にわたって継続的に開発・生産 されたが、技術的な問題があったためにやがて市場から姿を消したと思われ、少 なくとも実数量的にいって市場への参入に成功したとは言えない。 発明の概要 一方、本発明においては、信頼性が高く低廉で簡単な機械的解決手段を用いて 、連続的ギヤ比シフトギヤシステムを実現することができる。 本発明の１つの特徴によれば、実効半径が無段式に（連続的に）変わる少なく とも１つのギヤを具えるギヤ比可変駆動機構が実現できる。 本発明に従うギヤは、自転車のチェーン駆動機構において、トルクがペダルを 介して加えられるペダル駆動ギヤとして構成してもよいし、またはトルクがチェ ーンそのものを介して加えられる従動ギヤとして構成してもよい。 本発明の実施態様において、ギヤは、渦巻バネの形をしており、さらにその回 転方向と逆の方向に巻いている渦巻バネの形になっていることが好ましい。 また別の実施態様においては、ギヤは、放射状（半径方向）に延びる圧縮可能 な部材を介在させて車軸に取付けた円形のリムの形であってもよい。その圧縮可 能な部材はバネを含んで成る。また、その圧縮可能な部材は、チェーン若しくは ベルトまたは係合するギヤから押圧力を受けると、実効ギヤ比または実効変速比 を変える。そのリムは可撓性を有しつつ、適度の剛性を有することが好ましい。 さらに本発明の別の実施態様においては、ギヤは複数の弧状部材が周囲に配置 されている概ね円形のハブを具え、かつその各弧状部材がハブの周囲の外側の位 置で弧状（アーチ状）の面を形成する。この弧状部材は円筒状の大きな実質的ま たは実効的“外面”を形成する。その弧状部材は、弧状の面がハブに対して近づ いたり離れたりすることにより“外面”のサイズ（大きさ）を変化させて、その 実効半径を変化させるように配置されている。各弧状部材の弧状の面は、例えば バネ等によって外向きに押圧され（bias）ていることが好ましい。 この発明による駆動機構において、各ギヤの半径は加わるトルクに応じて変化 するように構成されている。この構成に代えて、またはこの構成に加えて、加わ るトルクとは独立に（トルクに依存せずに）ギヤの実効半径を変化させる手段を 設けてもよい。例えば、可変ギヤの周囲面を押圧するような案内ローラを設けて もよい。そのローラはギヤの回転軸に対して近づいたり離れたりする方向に移動 して、その実効半径を変化させる。 一方のギヤから他方のギヤへの運動の伝達は、２つのギヤの間の直接係合によ って行われるようにしてもよい。一方のギヤから他方のギヤへの運動の伝達は互 いに噛合う歯を介して行われる構成にすることができる。またはこの構成に代え て、渦巻バネのギヤを、係合するギヤの歯を受入れる開孔または隙間を有するス トラップ（帯）の形にしてもよい。さらに、他方のギヤも渦巻バネの形にするこ とができる。上述のように、ベルトまたはチェーンを介してトルクがギヤに加え られ、または同様にギヤからトルクが得られるようになっていることが好ましい 。 本発明の好ましい実施態様において、渦巻バネのギヤを複数の開孔を有するス トラップの形にし、一方、ベルトまたはチェーンをストラップ中の開孔と係合す るような複数の突起部または歯を有するような形にする。この構成の利点として は、渦巻ストラップに複数の歯を形成する場合と比較すると、渦巻ストラップに 複数の開孔を形成する方が渦巻ストラップを比較的容易に作成することができる 。さらに、渦巻ストラップに歯を形成するとストラップの可撓性が減って、トル クの増加に対して渦巻ストラップがそれに見合う程度には応答しない（半径が相 応に減少しない）ようになるが、この好ましい実施態様の構成においては、渦巻 ストラップに開孔を形成して渦巻ストラップが可撓性を完全に維持するようにす る。 本発明による駆動機構は、ベルトまたはチェーンで連結された駆動ギヤと従動 ギヤの２つのギヤを含んで成ることが好ましい。２つのギヤの一方または双方は 、上述のように収縮しうる半径を有する。従って、この発明の駆動機構には上述 の各種のギヤを組合せて用いることができる。 次に、本発明の実施態様を、例を用いて、また添付した図面を参照して説明す る。但し、本発明は以下の例に限定して解釈されるものではない。 図１（ａ）は、上述の一般的な自転車のチェーン駆動システムの概略図である 。 図１（ｂ）は、図１（ａ）のチェーン駆動プーリの側面図である。 図２（ａ）は、本発明に従う第１の駆動機構の概略図である。 図２（ｂ）は、図２（ａ）のチェーン駆動プーリの側面図である。 図３は、本発明に従う第２の駆動機構の概略図である。 図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）は本発明において使用する次のよう な種々の型のベルト駆動手段を示す図である。 図４（ａ）は、本発明に使用しうるベルト駆動手段の断面図である。 図４（ｂ）は、一般的なチェーン駆動手段の断面図である。 図４（ｃ）は、別のチェーン駆動手段の断面図である。 図４（ｄ）は、さらに別のチェーン駆動手段の平面図と断面図である。 図５は、本発明に従う第３の駆動機構の概略図である。 図６（ａ）は、トルクが加わっていない場合における本発明に従う第４の駆動 機構の概略図である。 図６（ｂ）は、トルクが加わった場合における図６（ａ）の第４の駆動機構の 概略図である。 図７は、本発明に従う第５の駆動機構の概略図である。 図８は、本発明に従う第６の駆動機構の概略図である。 図９は、図８の構成のギヤの係合の形態を示す図である。 図１０は、本発明に従う第７の駆動機構の概略図である。 発明の実施態様 まず、図２を参照すると、図２には駆動プーリまたは駆動ギヤ１０とエネルギ シンクまたは従動用のプーリまたはギヤ１１が示されている。駆動プーリ１０の 回転運動は、張り車１３によって支持されたチェーンまたはベルト１２を介して 従動プーリ１１に伝達される。図示された特定の構成において、駆動プーリ１０ が使用時に反時計回りに回転すると、従動プーリ１１が反時計回りに回転運動す る。駆動プーリ１０は、その中心から時計回り（即ち、使用時の回転方向とは逆 の方向）に巻かれた渦巻バネの形を有する。力Ｆが増大すると（動力源、即ち乗 っている乗り手がさらに大きな力を加えることによって生じる）、渦巻バネが収 縮し、即ち巻数が多くなって、その結果、半径ｒが減少する。すると、固定され た半径Ｒに対して半径ｒが減少するので、ギヤ比が変わる。渦巻バネの中心は車 軸（図示せず）の中心に固定されていて、車軸は力（power）の入力をその渦巻 形状の駆動プーリに伝える。このように、図２の構成においては、駆動プーリ１ ０の直径は可変であり、負荷用従動プーリ１１の直径は固定されている。 図２の構成を自転車に用いた場合は、半径ｒはペダルを介して乗り手から供給 されるトルクに応じて常に連続的に（無段的に）変化する。 図３に示されている構成は、駆動ギヤ１０の外面を押圧する図示の案内ローラ １４をさらに含んでいること以外は、図２に示されている構成と同じになってい る。案内ローラは、駆動ギヤ１０の中心に対して近づく方向にまたは離れる方向 に手動で移動させることができるように構成されている。例えば、案内ローラは 、渦巻バネの中心から半径方向に延びる支持腕に回転可能にまたスライド可能に 取付け、その支持腕はギヤが回転しても不動である（固定されている）ように構 成すればよい。 加わるトルクが無い場合（引張力Ｆが無い場合）は、案内ローラ１４の位置が 駆動ギヤ１０の半径を決定する。その渦巻バネの半径は案内ローラ１４の位置に 応じて縮小し、伸長する。この駆動機構にトルクが加えられると、トルクが増大 するにつれて案内ローラ１４に対して加わる渦巻バネの力が減少し、或る力のレ ベルに達すると渦巻バネと案内ローラ１４との係合が外れて、その点以降は図２ を参照して上述したように、ギヤ比（変速比）の自動無段調整機能が動作する。 案内ローラ１４はその位置に応じて最大ギヤ比（ｒ／Ｒ）を制限する。案内ロー ラ１４を手動で渦巻バネの中心に向かって移動させると、これがギヤ比を支配的 に決定し、トルクまたは引張力Ｆに応じて決まる無段ギヤ比の自動調整機能が抑 えられて働かなくなる（override）。従って、これを自転車の変速機に用いた場 合は、乗り手は自動駆動機構で設定されるギヤ比よりもさらに低いギヤ比を選択 することができる。即ち、乗り手はギヤ比の選択についてより強い決定権を持つ ことができる。 以上のことから、そのバネの弾性とこのシステムのその他の構成要素とを適当 に選択すれば、ギヤ比の無段変更を、加えられるトルクとは独立に（トルクに依 存せずに）完全に手動でも行えることが分かる。 これとは別の実施態様では、ギヤ比の選択を、例えばエンジン制御手段から送 られるパラメータによって決定することもできる。例えば、自動車では、排気ガ ス量の最小化、燃焼特性、および現在の条件（例、温度および高度）のような要 素に基づいて適切なギヤを自動的に選択するように制御することができる。 図２および図３の構成においては、渦巻バネの駆動プーリ１０および／または 従動プーリ１１の外面には溝１５が形成され、図４（ａ）に示されているように ベルト１２に溝１５には対応する突起部１６が設けられていて、溝１５と突起部 １６とが互いに係合するようになっている。またはこの構成に代えて、プーリ１ ０および／または１１の外面に歯１７を設けて、この歯１７を図４（ｂ）に示す ような駆動ベルトを形成するチェーンの複数のリンク１８の間に係合させてもよ い。しかし、渦巻バネのプーリに突起部または歯を設けると駆動ベルトの可撓性 が大幅に減少するので、トルクの変化に応じて半径が変化するプーリの作用（効 力）も低下することになる。 この構成に代えて、プーリ１０と駆動ベルト１２の両対向面を単なる粗面にし た純粋な摩擦駆動手段を設けることもできる。さらに別の手段としては、図４（ ｃ）に示されるように、“チェーン”に歯を設けるか、または“チェーン”をス チール（鋼）製のコード若しくはワイヤ２６または他の強い可撓性材料の線に結 合されたスチール製の球（ball）２５の列で構成してもよい。また、各プーリ１ ０、１１の周囲の面には、歯または球２５を受入れる開孔２７を形成してもよい 。例えば、渦巻バネ１０を開孔２７が形成されたスチール製のストラップの形に して、球２５が設けられたチェーン上の突起部とこの開孔２７とが係合するよう にしてもよい。図４（ｄ）には、球を受入れる開孔２７だけでなくコード２６を 受入れる溝２８が設けられた更に改良された構成が示されている。開孔２７が形 成された渦巻ストラップは、製造が比較的容易で、開孔のないストラップと比較 しても充分な可撓性を維持しており、またはさらに増大された可撓性を有する。 図５に示されている構成においては、負荷用従動プーリ１１と駆動プーリ１２ とが渦巻バネの形になっていて、使用できるギヤ比（ｒ１／ｒ２）の範囲が拡大 されている。両渦巻バネには、図３に示されているような調整可能な案内ローラ を設けることができる。 力Ｆに対して半径ｒを、エネルギ供給源の特性に適合するように線形に（比例 ）変化させることも非線形に変化させるもできる。非線形の特性は、渦巻バネの 厚さＳをその長手方向の位置に応じて変えることによって容易に設計することが できる。 図２および図４に示されるような設計の渦巻バネは、非常に経済的で自転車用 のギヤとして大変有用である。次に、本発明による他の駆動機構を図６〜図１０ を参照して説明する。 図６の例においては、一連のバネ２２は円形リム２０を支持するスポークとし て機能しており、駆動プーリ１２はその一連のバネ２２を介して中心のハブまた は車軸２１に連結されている円形リム２０を具えている。バネ２２は圧縮される とその長さが短くなる。この構成は、図６（ａ）に示されているように力が全く 加わっていない場合は、リム２０は車軸２１に対して同軸的位置に位置する。一 方、力Ｆが増大すると、バネが圧縮されてリム２０が内側に収縮し、駆動プーリ １２の実効半径が減少し、従って実効ギヤ比も減少する。入力トルクの作用によ って力Ｆが生じると、バネのバランス位置が中心からずれて、トルクを決定する 半径ｒが減少する（半径ｒは軸からベルトまたはチェーンの引張力の作用点まで の距離である）。リム２０としては、比較的可撓性を有しつつ、円形の形状を保 つ程度に剛性を有するものであることが好ましい。 図６（ｂ）には、トルクが加わっている場合の構成が示されている。剛性のリ ム２０はトルクに応じて回転軸に対して浮動することが分かる。バネ２２の中の 幾つかのバネは圧縮されて実効半径を減少させる一方で、他のバネは伸張される 。また、図３の例の場合と同じように、案内ローラを用いれば、リム２０が大き な剛性を有するか大きな可撓性を有するかにかかわらず、駆動ギヤ比を手動で変 更することができる。 図７には本発明のさらに別の構成として、周囲に一連の弧状部材３０が設けら れている駆動プーリ１１が示されている。図７には１つの弧状部材３０しか示さ れていないが、実際にはプーリの周囲に等間隔を隔てて複数個の弧状部材３０が 設けられる。各弧状部材３０の面３２の一端に近接する部分の位置がプーリの外 周面近くの位置にピボット式に取付けられている。弧状部材３０は、弧状部材の 面３２の他端の近傍の位置からピボット軸位置から所定間隔だけ隔たったプーリ １１上の所定位置にまで延びるバネ３１によって、半径方向に外向きに押圧（bi as）されている。前述の構成において、力Ｆが大きければ大きいほど、バネ３１ がより強く圧縮されてプーリの実効半径が減少し、従ってギヤ比も減少する。 図８には本発明の別の実施態様が示されており、駆動ギヤ１０と従動ギヤ１１ は、共に渦巻バネの形になっていて、互いに噛合う歯車のギヤの場合と同様に運 動が一方から他方へと伝達されるように直接係合している。従って、ベルトやチ ェーンを必要としない。２つのギヤの表面は、トルクが加わっても２つのギヤの リムが互いに滑ることがないように適当に設計されている。図９には、その１つ の例として、駆動プーリ１０の渦巻ストラップが先が尖った突起状の歯３４を具 え、従動プーリ１１の渦巻ストラップに開孔３５が形成された形になっている構 成が示されている。また、図４（ａ）に示されている係合の構成を本発明のこの 実施態様に適用することもできる。 このような“ベルトなし”の構成においては、渦巻バネは、半径を減少傾向に するようなトルクが加わる場合であっても、常に互いに押圧し合うように構成さ れる。図１０の構成においては、２つのギヤは腕３６、３７にそれぞれ取付けら れており、各腕３６、３７は移動（slide）可能なように支持フレーム３８に取 付けられ、図示されていない手段によって共に偏倚力が与えられて（bias）いる 。図８乃至図１０の構成において、ギヤ比は、加えられるトルクに応じて自動的 に変えられ、または図３に示されるような１つ以上の案内ローラを介して加わる 他の力によって変えられる。 図１０に示されている２つの渦巻ギヤの一方または双方を、上述の他の型のギ ヤ、特に図６（ａ）および６（ｂ）に示されているようなギヤと置き換えてもよ いことが分かるであろう。図６のリムの型のギヤでは、係合が外れるのを防止す るための何らかの別の手段が多分必要になるであろう。そのような手段は、相補 関係の係合構成を用いることによって、または図９に示されるような歯と開孔を 用いた手段によって構成することもできる。 図示された上述の構成の種々の渦巻ギヤは分かりやすく説明するために誇張し た形で示されている。実際には、渦巻バネの端部は内側の隣の渦巻に対して漸次 接近するように湾曲させ、外面の“段差”が形成されないようにする。渦巻バネ を適当に成形すれば、各バネの最後の渦巻をその内側の隣の渦巻のレベル（高さ ）にまで容易に湾曲させることができ、“段差”の影響をなくすことができる。 このような段差の影響は、最後の渦巻の材料の厚さを変えることにより容易に除 去できる。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．実効半径が、無段式に可変である少なくとも１つのギヤを具えるギヤ比可変 駆動機構。 ２．上記ギヤが渦巻バネの形を有するものである、請求項１に記載のギヤ比可変 駆動機構。 ３．上記バネが使用時の回転方向とは逆の方向に巻かれているものである、請求 項２に記載のギヤ比可変駆動機構。 ４．上記ギヤが、放射状に延びる圧縮可能な部材を用いて車軸に取付けた円形リ ムの形を有するものである、請求項１に記載のギヤ比可変駆動機構。 ５．上記圧縮可能な部材がバネを含んで成るものである、請求項４に記載のギヤ 比可変駆動機構。 ６．上記リムが可撓性を有するものである、請求項４または５に記載のギヤ比可 変駆動機構。 ７．上記ギヤは複数の部材が周囲に配置された概ね円形のハブを具え、上記複数 の部材の各々は上記ハブの上記周囲の外側に位置する弧状の面を有し、また上記 複数の部材は上記弧状の面が上記ハブの上記リムに対して可動であるように配置 されたものである、請求項１に記載のギヤ比可変駆動機構。 ８．上記部材の上記弧状の表面が外向きに押圧されているものである、請求項７ に記載のギヤ比可変駆動機構。 ９．加わるトルクとは独立に上記ギヤの実効半径を変える半径変更手段を具える 、請求項１乃至８に記載のギヤ比可変駆動機構。 １０．上記半径変更手段が上記ギヤの上記周囲の面に対して押圧される案内ロー ラを具えるものである、請求項９に記載のギヤ比可変駆動機構。 １１．上記案内ローラが上記ギヤの回転軸に対して可動である、請求項１０に記 載のギヤ比可変駆動機構。 １２．上記ギヤが別のギヤに係合するものである、請求項２、３、４または５に 記載のギヤ比可変駆動機構。 １３．上記別のギヤが上記ギヤと同じ形を有するものである、請求項１２に記載 のギヤ比可変駆動機構。 １４．ベルトまたはチェーンを介して上記ギヤにトルクが加えられまたは上記ギ ヤからトルクが得られるものである、請求項１乃至１１に記載のギヤ比可変駆動 機構。 １５．上記ベルトまたはチェーンが上記ギヤを別のギヤに連結するものである、 請求項１４に記載のギヤ比可変駆動機構。 １６．上記別のギヤの実効半径が無段式に可変である、請求項１５に記載のギヤ 比可変駆動機構。 １７．上記各ギヤの半径が加えられるトルクに応じて変化するようになっている 、請求項１乃至１６に記載のギヤ比可変駆動機構。 １８．複数の突起部を有するベルトまたはチェーンを介して上記ギヤにトルクが 加えられまたは上記ギヤからトルクが得られ、上記渦巻バネが複数の開孔を有す るストラップの形になっており、上記突起部が上記開孔に係合するようになって いるものである、請求項２に記載のギヤ比可変駆動機構。