自転車用無段変速装置及びそれを備えた自転車
【課題】構造を簡略化して自転車への搭載を可能にした無段変速装置及びそれを搭載した自転車を提供する。
【解決手段】自転車１のペダル２の回転軸と共に回転するクランクプーリ５と、前記自転車１の車輪３の回転軸と共に回転する車輪用プーリ６と、前記クランクプーリ５及び前記車輪用プーリ６に懸架された無端状のベルト４と、前記ベルト４の張力を変化させる張力変更手段とを備える。前記クランクプーリ５及び前記車輪用プーリ６の一方が、前記ベルト４の張力によって懸架される部分の径が変動する可変プーリにより構成され、前記可変プーリは、懸架される部分の径が大きくなるように付勢力を与える第一の付勢手段を備え、前記張力変更手段は、所定の支点を中心として揺動可能に構成されたアーム１６と、前記ベルト４が懸架されるテンションプーリ８と、前記アーム１６に付勢力を与える第二の付勢手段とを有している。
【解決手段】自転車１のペダル２の回転軸と共に回転するクランクプーリ５と、前記自転車１の車輪３の回転軸と共に回転する車輪用プーリ６と、前記クランクプーリ５及び前記車輪用プーリ６に懸架された無端状のベルト４と、前記ベルト４の張力を変化させる張力変更手段とを備える。前記クランクプーリ５及び前記車輪用プーリ６の一方が、前記ベルト４の張力によって懸架される部分の径が変動する可変プーリにより構成され、前記可変プーリは、懸架される部分の径が大きくなるように付勢力を与える第一の付勢手段を備え、前記張力変更手段は、所定の支点を中心として揺動可能に構成されたアーム１６と、前記ベルト４が懸架されるテンションプーリ８と、前記アーム１６に付勢力を与える第二の付勢手段とを有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は自転車用のＶベルト式の無段変速装置及びそれを備えた自転車に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自転車などは現在チェーン駆動が主流であるが、一段直結変速の場合、変速比が固定のため、人によってはその変速比が重すぎたり軽すぎたりする問題が生じ、特にお年寄りや女性に顕著に現れるものである。又、多段変速の自転車の場合においても、このギア比では軽すぎるが、一段減速比を重くすると重すぎるといった問題がしばしば生じる。
【０００３】
これを解決するものとして、特許文献１には自転車駆動側にＶベルト及びＶプーリを利用し、構造を簡単にした無段変速装置を組み込んだものがある。
【０００４】
ところで従来のＶベルト式無段変速装置の変速駆動制御は負荷検出機構や変速比設定機構又は電子制御回路及び調整駆動機構等の高度な機構を必要としていた為、小型の産業用機械、或いはオートバイや自転車の搭載には不向きであった。特に自転車の場合は、この様な無段変速制御機構の搭載は不可能な為、チェーンとギアによる有段変速機構が採用されているが、上記のようにギア比が乗る人に適しておらず、ギアの段を適切に切り替えたとしてもペダルを踏む重さが段階的に変って、乗る人にストレスを与えていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−２７８６６８
【特許文献２】特開２００８−１８３９９５
【０００６】
特許文献１記載のものは、変速用ベルトとして、通常の市販のＶベルトを用いているが、十分な変速幅を得るためにＶ溝の中心角度が小さく、プーリ同士を圧着するのに相当な力を要し、手動で変速できない恐れがある。また、このプーリ構造のように、Ｖ溝の斜面下端（最小径部）が当接する時が有効径が最大となる構造では、変速幅を稼ぐにもプーリを厚くするには限界があり、十分な変速幅が期待できない為、駆動及び従動プーリを変位させる、両変速方式が必要になっていた。
【０００７】
そこで、特許文献２では、Ｖベルト式の無段変速装置において、駆動プーリの有効径の変位量を大きく取れるようにした。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献２に記載のものは、ベルトシステムとして、変速用ベルトシステムと、駆動用ベルトシステムの２種類のシステムが必要となり、複雑な機構となっていた。
【０００９】
本発明の目的は、Ｖベルト式の無段変速装置において、構造を簡略化して自転車への搭載を可能にした無段変速装置及びそれを搭載した自転車を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、自転車に用いられる無段変速装置であって、前記自転車のペダルの回転軸と共に回転するクランクプーリと、前記自転車の車輪の回転軸と共に回転する車輪用プーリと、前記クランクプーリ及び前記車輪用プーリに懸架された無端状のベルトと、前記ベルトの張力を変化させる張力変更手段とを備えており、前記クランクプーリ及び前記車輪用プーリの一方が、前記ベルトの張力によってその前記ベルトが懸架される部分の径が変動する可変プーリにより構成されており、前記可変プーリは、前記ベルトが懸架される部分の径が大きくなるように付勢力を与える第一の付勢手段を備え、前記張力変更手段は、所定の支点を中心として揺動可能に構成されたアームと、前記アームに接続されており、前記ベルトが懸架されるテンションプーリと、前記アームに付勢力を与える第二の付勢手段とを有している自転車用無段変速装置にある。
【００１１】
請求項２記載の発明は、前記ベルトがその内周側ほど幅が小さくなったＶベルトであって前記可変プーリが、前記ペダルの回転軸の延在方向に配列されることによって互いに対向しており、前記ベルトの回転軸と一体的に回転するとともに、前記ペダルの回転軸の延在方向に相対移動可能に構成された二つのプーリ片と、前記二つのプーリ片の少なくとも一方を、前記二つのプーリ片が互いに近づく方向に付勢する付勢手段とを備えており、前記二つのプーリ片は、前記ベルトが懸架される部分の径が、互いの対向面に近い部分ほど小さくなっている請求項１に記載の自転車用無段変速装置にある。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、前記可変プーリとＶベルトを使用し、可変プーリであるクランクプーリを有するクランク軸の駆動力を車輪に伝える自転車用無段変速装置であって、前記クランクプーリは、回転軸に固定されている固定プーリ片と、回転軸に対し固定プーリ片へ向け回転軸に沿って進退可能かつ軸周方向には回転しないように取り付けられている可動プーリ片とを備え、前記可動プーリ片には、固定プーリに向け付勢力を与える第一の付勢手段を有し、車輪には少なくともＶベルトを懸架した車輪プーリ、アイドラープーリ、及びテンションプーリを有し、前記テンションプーリとアイドラープーリとが該テンションプーリがクランクから離れるように第二の付勢手段で付勢したアームによって連結され、テンションプーリの位置が該付勢手段による付勢力とベルト張力との力の差によって、クランク軸と車輪軸間で可変となる自転車用無段変速装置にある。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の無段変速装置を備えた自転車にある。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載の発明によると、自転車に用いられる無段変速装置であって、前記自転車のペダルの回転軸と共に回転するクランクプーリと、前記自転車の車輪の回転軸と共に回転する車輪用プーリと、前記クランクプーリ及び前記車輪用プーリに懸架された無端状のベルトと、前記ベルトの張力を変化させる張力変更手段とを備えており、前記クランクプーリ及び前記車輪用プーリの一方が、前記ベルトの張力によってその前記ベルトが懸架される部分の径が変動する可変プーリにより構成されており、前記可変プーリは、前記ベルトが懸架される部分の径が大きくなるように付勢力を与える第一の付勢手段を備え、前記張力変更手段は、所定の支点を中心として揺動可能に構成されたアームと、前記アームに接続されており、前記ベルトが懸架されるテンションプーリと、前記アームに付勢力を与える第二の付勢手段とを有している自転車用無段変速装置であることから、ペダルの踏み込み力が負荷に応じて自動的に変化することになり、煩わしい手動での変速操作を伴うことなく、常に踏み込み力の変化を最小にしながら走行が可能となる効果がある。
【００１５】
請求項２に記載の発明によると、前記ベルトがその内周側ほど幅が小さくなったＶベルトであって前記可変プーリが、前記ペダルの回転軸の延在方向に配列されることによって互いに対向しており、前記ベルトの回転軸と一体的に回転するとともに、前記ペダルの回転軸の延在方向に相対移動可能に構成された二つのプーリ片と、前記二つのプーリ片の少なくとも一方を、前記二つのプーリ片が互いに近づく方向に付勢する付勢手段とを備えており、前記二つのプーリ片は、前記ベルトが懸架される部分の径が、互いの対向面に近い部分ほど小さくなっている請求項１に記載の自転車用無段変速装置であることから、ベルト張り側張力と前記付勢手段の付勢力との関係によって、プーリ径が自動的に変化し、変速を行うことが可能となる効果がある。
【００１６】
請求項３に記載の発明によれば、前記可変プーリとＶベルトを使用し、可変プーリであるクランクプーリを有するクランク軸の駆動力を車輪に伝える自転車用無段変速装置であって、前記クランクプーリは、回転軸に固定されている固定プーリ片と、回転軸に対し固定プーリ片へ向け回転軸に沿って進退可能かつ軸周方向には回転しないように取り付けられている可動プーリ片とを備え、前記可動プーリ片には、固定プーリに向け付勢力を与える第一の付勢手段を有し、車輪には少なくともＶベルトを懸架した車輪プーリ、アイドラープーリ、及びテンションプーリを有し、前記テンションプーリとアイドラープーリとが該テンションプーリがクランクから離れるように第二の付勢手段で付勢したアームによって連結され、テンションプーリの位置が該付勢手段による付勢力とベルト張力との力の差によって、クランク軸と車輪軸間で可変となる自転車用無段変速装置であることから、請求項３に記載の効果と同様、ベルト張り側張力と前記付勢手段の付勢力との関係によって、プーリ径が自動的に変化し、変速を行うことが可能となる効果がある。
さらに、ベルトの張り側張力と緩み側張力の張力差が小さくなり、登坂時においても、過度の踏み込み力が不要となる。
【００１７】
請求項４に記載の発明によれば、請求項１から３のいずれかに記載の無段変速装置を備えた自転車であることから、一つのベルトシステムのみで無段変速が可能で、コンパクトな無段変速装置を搭載することから、自転車の重量も増加しないという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明における実施の形態に係る自転車の概略構成図であり、（ａ）が、アームが最大限時計回りに揺動した状態、（ｂ）が、アームが最大限反時計回りに揺動した状態をそれぞれ示している。
【図２】図１（ａ）を矢印２の方向から見た図である。
【図３】図１（ｂ）を矢印３の方向から見た図である。
【図４】クランク側を拡大した図である。
【図５】車輪側を拡大した図である。
【図６】実施例の自転車を用い、踏み込み力３００Ｎでスタートし、６秒後に７０Ｎに弱めたときの経過時間と増速比との関係を示したグラフである。
【図７】実施例の自転車を用い、踏み込み力３００Ｎでスタートし、６秒後に７０Ｎに弱めたときの経過時間と車速との関係を示したグラフである。
【図８】実施例の自転車を用い、２％勾配の下り坂を踏み込み力１２０Ｎで下り、６秒後３％勾配の上り坂を踏み込み力２００Ｎで登ったときの経過時間と増速比との関係を示したグラフである。
【図９】実施例の自転車を用い、２％勾配の下り坂を踏み込み力１２０Ｎで下り、６秒後３％勾配の上り坂を踏み込み力２００Ｎで登ったときの経過時間と車速との関係を示したグラフである。
【図１０】比較例の自転車を用い、踏み込み力３００Ｎでスタートし、６秒後に７０Ｎに弱めたときの経過時間と増速比との関係を示したグラフである。
【図１１】比較例の自転車を用い、踏み込み力３００Ｎでスタートし、６秒後に７０Ｎに弱めたときの経過時間と車速との関係を示したグラフである。
【図１２】比較例の自転車を用い、２％勾配の下り坂を踏み込み力１２０Ｎで下り、６秒後３％勾配の上り坂を踏み込み力２００Ｎで登ったときの経過時間と増速比との関係を示したグラフである。
【図１３】比較例の自転車を用い、２％勾配の下り坂を踏み込み力１２０Ｎで下り、６秒後３％勾配の上り坂を踏み込み力２００Ｎで登ったときの経過時間と車速との関係を示したグラフである。
【図１４】変形例１の図２相当の図である。
【図１５】変形例１の図３相当の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施の形態に係る自転車の一部を示す概略構成図であり、（ａ）が、後述するアーム１６が最大限時計回りに揺動した状態、（ｂ）が、アーム１６が最大限反時計回りに揺動した状態それぞれ示している。図２は図１（ａ）を矢印２の方向から見た図である。図３は図１（ｂ）を矢印３の方向から見た図である。但し、図面を分かり易くするため、図２、図３においては、後述する、アイドラープーリ７、テンションプーリ８、アーム１６などの図示を省略している。
【００２１】
図１から図３に示すように、自転車１は、ペダル２及び車輪３と、ペダル２の回転を車輪３に伝達するためのベルト４、クランクプーリ５、車輪用プーリ６、アイドラープーリ７及びテンションプーリ８とを有している。ペダル２及び車輪３の構成は、従来の自転車のものと同様であるので、ここではその詳細な説明は省略する。
【００２２】
ベルト４は、クランクプーリ５、車輪用プーリ６、アイドラプーリ７及びテンションプーリ８に懸架された無端状のベルトであり、図２、図３に示すように、内周側の部分ほどその幅が狭くなった略台形の断面形状を有するいわゆるＶベルトである。
【００２３】
クランクプーリ５は、ペダル２の回転軸２ａと接続されており、ペダル２を回転させると、回転軸２ａとともにクランクプーリ５が回転する。又、クランクプーリ５は、いわゆる可変プーリであって、二つのプーリ片１１、１２及びバネ１３を有している。
【００２４】
車輪用プーリ６は、車輪の回転軸３ａにボルト１４により固定されており、車輪用プーリ６が回転することにより車輪３が回転する。
【００２５】
二つのプーリ片１１、１２は、ペダル２の回転軸２ａの延在方向（図２、図３の左右方向）に配列されることで互いに対向しており、ペダル２の回転軸２ａと一体に回転可能となっている。回転軸３ａと一体に回転する。又、プーリ片１１、１２は、互いの対向面に近い部分ほどその径が小さくなっている。つまり、プーリ片１１は図２、図３の右側の部分ほどその径が小さくなっており、プーリ片１２は、図２、図３の左側の部分ほどその径が小さくなっている。そして、ベルト４は、プーリ片１１、１２のこの径が変化している部分に懸架される。
【００２６】
プーリ片１１は、自転車１に固定されており、プーリ片１２は、回転軸３ａの延在方向（図２、図３の左右方向）に移動可能となっている。すなわち、プーリ片１１とプーリ片１２とは、回転軸３ａの延在方向に相対移動可能となっている。バネ１３は図２、図３におけるプーリ片１２の右側に配置されており、プーリ片１２をプーリ片１１に向かって図２、図３の左方に（プーリ片１１とプーリ片１２とが互いに近づく方向に）付勢している。
【００２７】
これにより、クランクプーリ５においては、後述するようにベルト４の張力が小さい場合には、バネ１３の付勢力によりプーリ片１２がプーリ片１１に近づき（図２、図３の左方に移動し）、これより、ベルト４が車輪用プーリ６の外周側に押し出され、クランクプーリ５におけるベルト４が懸架される部分の径が大きくなる。
【００２８】
一方、ベルト４の張力が大きくなると、プーリ片１２はベルト４によりその内周側に押され、これにより、バネ１３の付勢力に抗してプーリ片１１から離れる（図２、図３の右方に移動する）。これにより、ベルト４がクランクプーリ５の内周側に食い込み、クランクプーリ５におけるベルト４が懸架される部分の径が小さくなる。
【００２９】
アイドラープーリ７は、連結部材１５により、車輪用プーリ６に固定されている。テンションプーリ８は、アーム１６により、アイドラープーリ７と連結されている。
【００３０】
アーム１６は、アイドラープーリ７の中心に位置する支点１６ａを中心として、図１（ａ）に示す位置と図１（ｂ）に示す位置との間で揺動可能となっている。そして、アーム１６が揺動するのに連動して、アーム１６に連結されたテンションプーリ８も支点１６ａを中心として揺動する。
【００３１】
そして、アーム１６が図１の反時計回りに揺動して図１（ｂ）に示す位置に近づくほど、ベルト４が、テンションプーリ８によりその外周側に大きく押し広げられ、その結果、ベルト４の張力が大きくなる。
【００３２】
このように、本実施の形態では、ベルト４が懸架されたテンションプーリ８と接続されたアーム１６を揺動させることにより、ベルト４の張力を容易に変化させることができる。又、アーム１６の支点１６ａがアイドラープーリ７の中心に位置しているので、自転車１の構成が簡単になる。
【００３３】
次に、アーム１６を揺動させる揺動ユニットについて説明する。アーム１６は、第二の付勢手段として、ねじりバネ２１が使用される。第二の付勢手段としては、ねじりバネに限らず、エアーシリンダー等のエアーバネ、圧縮バネ、引張りバネ、板バネ等が使用されるが、これらに限定されない。
【００３４】
ねじりバネ２１は、アーム１６を後輪側に付勢するように設置してあり、自転車のスタート時はペダルを強く踏み込むことにより、ベルト張り側２６の張力が大きくなり、その分ベルト緩み側２８の張力が増加する。
【００３５】
自転車の加速が終了し、一定速度での走行に移行するとペダル踏み込み力が小さくなる為、ベルト張り側２６の張力が小さくなり、その分ベルト緩み側２８のベルト張力が増加することから、ベルト緩み側２８の張力がねじりバネ２１の付勢力を上回る為、アーム１６が時計回転し、図１（ａ）の位置に近づく。そのため、ベルト緩み側２８のベルト張力が減少する。
【００３６】
次に、自転車１における変速動作について説明する。自転車１は、停止時においては、図１（ｂ）、図２に示すように、アーム１６が最大限、図１の反時計回りに揺動した状態となっており、ベルト４の張力が最大限大きくなっている。これにより、図２に示すように、クランクプーリ５を構成するプーリ片１２がバネ１３の付勢力に抗して最大限プーリ片１１から離れて位置しており、ベルト４は、最大限プーリ片１１、１２の内周側に食い込んでいる。即ち、クランクプーリ５におけるベルト４が懸架される部分の径が最小となっている。
【００３７】
停止した状態の自転車１を発進させる場合や、車輪３の回転速度が遅い場合などには、ペダル２を回転させる為に比較的大きな力が必要になるが、クランクプーリ５におけるベルト４が懸架される部分の径が最小となっているため、車輪用プーリ６の径に対するクランクプーリ５におけるベルト４が懸架される部分の径の比が小さくなっている。これにより、ペダル２の回転量に対する車輪用プーリ６の回転量が小さくなる為、ペダル２を回転させる為に必要な力が小さくなる。
【００３８】
そして、車輪３の回転速度が所定の回転速度よりも遅いときには、この状態を保持し、車輪３の速度が所定の回転速度以上となったときに、車輪３の回転速度が速くなる程、アーム１６を大きく図１の時計回りに揺動させて図１（ａ）図８に示す状態に近づける。そして、アーム１６を大きく図１の時計回りに揺動させるほど、ベルト４の張力が小さくなり、プーリ片１２がバネ１３の付勢力によりプーリ片１１に近づく（図２、図３の左方に移動する）。これにより、ベルト４がプーリ片１１、１２により押し出され、クランクプーリ５におけるベルト４が懸架される部分の径が大きくなる。その結果、車輪用プーリ６の径に対するクランクプーリ５のベルト４が懸架される部分の径の比が大きくなる。
【００３９】
そして、車輪用プーリ６の径に対するクランクプーリ５のベルト４が懸架される部分の径の比が大きくなると、クランクプーリ５（ペダル２）の回転量に対する車輪用プーリ６（車輪３）の回転量が大きくなり、ペダル２の回転速度を増加させたときに、車輪３の回転速度を大きく増加させることが可能となる。
【００４０】
以上に説明した実施の形態によると、停止した状態の自転車１を発進させる場合や、登り坂にかかって車輪３の回転速度が遅い場合には、ペダル２を回転させる為に比較的大きな力が必要となるが、クランクプーリ５におけるベルト４が懸架される部分の径が最小となっているため、クランクプーリ５におけるベルト４が懸架される部分の径に対する車輪用プーリ６の径の比が大きくなる。これにより、クランクプーリ５（ペダル２）の回転量に対する車輪用プーリ６（車輪３）の回転量が小さくなるため、ペダル２を回転させるために必要な力が小さくなる。
【００４１】
又、ベルト４が懸架されたテンションプーリ８と接続されたアーム１６を揺動させることにより、ベルト４の張力を容易に変化させることができる。又、このとき、アーム１６の支点１６ａがアイドラプーリ７の中心に位置しているので、自転車１の構成が簡単になる。
【００４２】
次に、本実施の形態に種々の変更を加えた変形例について説明する。但し、本実施の形態と同様の構成を有する部分については同じ符号を付し、適宜その説明を省略する。
【００４３】
上述の実施の形態では、クランクプーリ５が可変プーリとなっていたが、これには限られない。一変形例では、図１２、図１３に示すように、クランクプーリ３５は通常のプーリであり、車輪用プーリ３６が、二つのプーリ片４１、４２及びバネ４３を有する可変プーリとなっている。
【００４４】
プーリ片４１、４２及びバネ４３は、それぞれ、プーリ片１１、１２及びバネ１３（図２、図３参照）と同様の構成を有するものである。すなわち、二つのプーリ片４１、４２は、回転軸３ａの延在方向（図１２、図１３の左右方向）に配列されることで互いに対向しており、回転軸３ａと一体に回転する。又、プーリ片４１、４２は、互いの対向面に近い部分ほどその径が小さくなっており、ベルト４は、プーリ片４１、４２のこの部分に懸架される。プーリ片４１は、自転車１に固定されており、プーリ片４２は、回転軸３ａの延在方向（図１２、図１３の左右方向）に移動可能となっている。つまり、プーリ片４１とプーリ片４２とは、回転軸３ａの延在方向に相対移動可能となっている。バネ４３はプーリ片４２の右側に配置されており、プーリ片４２をプーリ片４１に向かって図１２、図１３の左方に付勢している。
【００４５】
これにより、車輪用プーリ３６においては、ベルト４の張力が小さい場合には、バネ４３の付勢力によりプーリ片４２がプーリ片４１に近づき（図１２、図１３の左方に移動し）、これにより、ベルト４が車輪用プーリ３６の外周側に押し出され、車輪用プーリ３６におけるベルト４が懸架される部分の径が小さくなる。（変形例１）。
【００４６】
この場合には、自転車１における変速動作は上述の実施の形態とは逆になる。すなわち、自転車１の停止時においては、図１（ａ）、図１２に示すように、アーム１６が最大限、図１の時計回りに揺動した状態となっており、ベルト４の張力が最小となっている。これにより、図１２に示すように、車輪用プーリ３６を構成するプーリ片４２がバネ４３の付勢力によりプーリ片４１に当接している、つまり、最大限プーリ片４１に近接している。従って、ベルト４が、車輪用プーリ３６の外周側に最大限押し出された状態となり、車輪用プーリ３６におけるベルト４が懸架される部分の径が最大となっている。
【００４７】
停止した状態の自転車１を発進させる場合や、車輪３の回転速度が遅い場合などには、ペダル２を回転させるために比較的大きな力が必要となるが、車輪用プーリ３６におけるベルト４が懸架される部分の径が最大となっている為、車輪用プーリ３６におけるベルト４が懸架される部分の径に対するクランクプーリ３５の径の比が小さくなる。これにより、クランクプーリ３５（ペダル２）の回転量に対する車輪用プーリ３６（車輪３）の回転量が小さくなり、その結果、ペダル２を回転させる為に必要な力が小さくなる。
【００４８】
但し、この状態では、クランクプーリ３５（ペダル２）の回転量に対する車輪用プーリ３６（車輪３）の回転量が小さい為、ペダル２の回転速度を上げても、車輪３の回転速度はそれほど大きくは増加しない。
【００４９】
又、上述の実施の形態では、アーム１６の支点１６ａが、アイドラプーリ７の中心に位置していたが、アーム１６の支点１６ａが他の位置にあってもよい。
【００５０】
又、上述の実施の形態では、ベルト４が懸架されたテンションプーリ８と接続されたアーム１６を揺動させることにより、ベルト４の張力を変化させたが、これには限られず、別の方法によりベルト４の張力を変化させても良い。
【００５１】
又、以上の説明では、ベルト４がＶベルトであり、可変プーリが、二つのプーリ片及びバネを有する構成となっていたが、これには限られず、例えば、ベルト４の張力が大きくなるほど、可変プーリの径が小さくなるように変形するなど、ベルト４の張力が大きさに応じてベルト４の可変プーリに懸架される部分の径が変化するように構成されていれば、ベルト４及び可変プーリの構成は上述したのとは異なっていてもよい。
【実施例】
【００５２】
本発明を図に示した実施例に基づき詳細に説明する。
自転車のクランク軸１のクランクプーリ５は、固定側のプーリ片１１と可動側のプーリ片１２を有している。可動側のプーリ片１２はバネ１３によってベルト４の側面に押し付けられている。固定側のプーリ片１１にピン２５が取り付けられており、可動側のプーリ片１２には軸方向に対して斜めに設けられたガイド溝２７が設けられており、ピン２５に沿って摺動する。車輪軸２９には車輪用プーリ６が取り付けられており、ベルトによる駆動力を車輪３に伝達する。自転車本体１には連結部材１５が取り付けられており、ねじりバネ２１を介してアーム１６が連結されている。連結部材１５にはアイドラプーリ７が装着されており、アーム１６先端にはテンションプーリ８が装着されている。
又、比較例としては、変速ギアを有していなく、クランクプーリと後輪との回転比が変わらない自転車を用いた。実施例及び比較例の仕様を表１に示す。又、実施例の自転車でのスタート時の速比変化及び車速変化の結果を図６及び図７に示す。又、比較例の自転車でのスタート時の速比変化及び車速変化の結果を図１０及び図１１に示す。又、実施例の自転車で上り坂を登ったときの速比変化及び車速変化の結果を図８及び図９に示す。比較例の自転車で上り坂を登ったときの速比変化及び車速変化の結果を図１２及び図１３に示す。
【００５３】
【表１】
【００５４】
図６は、実施例の自転車を用い、踏み込み力３００Ｎでスタートし、６秒後に７０Ｎに弱めたときの経過時間と増速比との関係を示したグラフである。自転車のスタート時はペダルを強く踏み込むことにより、ベルト張力が大きくなり、可動プーリ片への圧力が高まり、バネ１３が圧縮され可動プーリ片が移動し、プーリ幅が広くなることでベルトが落ち込みプーリピッチ径が小さくなる。そのことにより、後輪の回転数が小さくなり、増速比も小さくなる。このことより、加速時の踏み込み力を軽減する。加速が終了し一定速度での走行に移行するとペダル踏み込み力は小さくなる為、可動プーリ片に掛かる圧力が減少しバネ１３の力によって、可動プーリ片は固定プーリ片に近づく方向に移動し、ベルトが押し上げられプーリピッチ径が大きくなる。このことから増速比も大きくなる。又、図７の結果から、実施例ではスタート時にスタートから６秒後に車速１３．５ｍ／ｓに到達している。比較例では図１０及び図１１の結果から増速比は一定であり、実施例と同等の車速に達するのに８．５秒を要しているのがわかる。又、登坂時には実施例では図８のように、坂を踏み込み力１２０Ｎでペダルを踏み込むと、スタート時と同様にベルト張力が大きくなり、ベルトがプーリに落ち込むことからプーリピッチ径が小さくなり、増速比も小さくなる。又、６秒後に上り坂に差し掛かり、踏み込み力を２００Ｎに上げるとさらにベルト張力が大きくなり、さらに可動プーリ片が固定プーリ片から離れベルトが落ち込みプーリピッチ径が小さくなる。増速比もそれにつれて小さくなり、登坂時の踏み込み力を軽減する。又、図９の結果から実施例は登坂開始から２００Ｎの踏み込み力で一定速度を保って走行が可能であるが、比較例では増速比が変わらず、図１３のように２００Ｎの踏み込み力では徐々に車速が低下してくるのがわかる。
【符号の説明】
【００５５】
１ 自転車
２ ペダル
２ａ 回転軸
３ 車輪
３ａ 回転軸
４ ベルト
５ クランクプーリ
６ 車輪用プーリ
７ アイドラプーリ
８ テンションプーリ
１１、１２ プーリ片
１３ バネ
１４ ボルト
１５ 連結部材
１６ アーム
１６ａ 支点
１９ 回転速度センサ
２０ 揺動制御装置
２１ ねじりバネ
２５ ピン
２６ ベルト張り側
２７ ガイド溝
２８ ベルト緩み側
２９ 車輪軸
３５ クランクプーリ
３６ 車輪用プーリ
４１、４２ プーリ片
４３ バネ
【技術分野】
【０００１】
本発明は自転車用のＶベルト式の無段変速装置及びそれを備えた自転車に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自転車などは現在チェーン駆動が主流であるが、一段直結変速の場合、変速比が固定のため、人によってはその変速比が重すぎたり軽すぎたりする問題が生じ、特にお年寄りや女性に顕著に現れるものである。又、多段変速の自転車の場合においても、このギア比では軽すぎるが、一段減速比を重くすると重すぎるといった問題がしばしば生じる。
【０００３】
これを解決するものとして、特許文献１には自転車駆動側にＶベルト及びＶプーリを利用し、構造を簡単にした無段変速装置を組み込んだものがある。
【０００４】
ところで従来のＶベルト式無段変速装置の変速駆動制御は負荷検出機構や変速比設定機構又は電子制御回路及び調整駆動機構等の高度な機構を必要としていた為、小型の産業用機械、或いはオートバイや自転車の搭載には不向きであった。特に自転車の場合は、この様な無段変速制御機構の搭載は不可能な為、チェーンとギアによる有段変速機構が採用されているが、上記のようにギア比が乗る人に適しておらず、ギアの段を適切に切り替えたとしてもペダルを踏む重さが段階的に変って、乗る人にストレスを与えていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−２７８６６８
【特許文献２】特開２００８−１８３９９５
【０００６】
特許文献１記載のものは、変速用ベルトとして、通常の市販のＶベルトを用いているが、十分な変速幅を得るためにＶ溝の中心角度が小さく、プーリ同士を圧着するのに相当な力を要し、手動で変速できない恐れがある。また、このプーリ構造のように、Ｖ溝の斜面下端（最小径部）が当接する時が有効径が最大となる構造では、変速幅を稼ぐにもプーリを厚くするには限界があり、十分な変速幅が期待できない為、駆動及び従動プーリを変位させる、両変速方式が必要になっていた。
【０００７】
そこで、特許文献２では、Ｖベルト式の無段変速装置において、駆動プーリの有効径の変位量を大きく取れるようにした。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献２に記載のものは、ベルトシステムとして、変速用ベルトシステムと、駆動用ベルトシステムの２種類のシステムが必要となり、複雑な機構となっていた。
【０００９】
本発明の目的は、Ｖベルト式の無段変速装置において、構造を簡略化して自転車への搭載を可能にした無段変速装置及びそれを搭載した自転車を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、自転車に用いられる無段変速装置であって、前記自転車のペダルの回転軸と共に回転するクランクプーリと、前記自転車の車輪の回転軸と共に回転する車輪用プーリと、前記クランクプーリ及び前記車輪用プーリに懸架された無端状のベルトと、前記ベルトの張力を変化させる張力変更手段とを備えており、前記クランクプーリ及び前記車輪用プーリの一方が、前記ベルトの張力によってその前記ベルトが懸架される部分の径が変動する可変プーリにより構成されており、前記可変プーリは、前記ベルトが懸架される部分の径が大きくなるように付勢力を与える第一の付勢手段を備え、前記張力変更手段は、所定の支点を中心として揺動可能に構成されたアームと、前記アームに接続されており、前記ベルトが懸架されるテンションプーリと、前記アームに付勢力を与える第二の付勢手段とを有している自転車用無段変速装置にある。
【００１１】
請求項２記載の発明は、前記ベルトがその内周側ほど幅が小さくなったＶベルトであって前記可変プーリが、前記ペダルの回転軸の延在方向に配列されることによって互いに対向しており、前記ベルトの回転軸と一体的に回転するとともに、前記ペダルの回転軸の延在方向に相対移動可能に構成された二つのプーリ片と、前記二つのプーリ片の少なくとも一方を、前記二つのプーリ片が互いに近づく方向に付勢する付勢手段とを備えており、前記二つのプーリ片は、前記ベルトが懸架される部分の径が、互いの対向面に近い部分ほど小さくなっている請求項１に記載の自転車用無段変速装置にある。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、前記可変プーリとＶベルトを使用し、可変プーリであるクランクプーリを有するクランク軸の駆動力を車輪に伝える自転車用無段変速装置であって、前記クランクプーリは、回転軸に固定されている固定プーリ片と、回転軸に対し固定プーリ片へ向け回転軸に沿って進退可能かつ軸周方向には回転しないように取り付けられている可動プーリ片とを備え、前記可動プーリ片には、固定プーリに向け付勢力を与える第一の付勢手段を有し、車輪には少なくともＶベルトを懸架した車輪プーリ、アイドラープーリ、及びテンションプーリを有し、前記テンションプーリとアイドラープーリとが該テンションプーリがクランクから離れるように第二の付勢手段で付勢したアームによって連結され、テンションプーリの位置が該付勢手段による付勢力とベルト張力との力の差によって、クランク軸と車輪軸間で可変となる自転車用無段変速装置にある。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の無段変速装置を備えた自転車にある。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載の発明によると、自転車に用いられる無段変速装置であって、前記自転車のペダルの回転軸と共に回転するクランクプーリと、前記自転車の車輪の回転軸と共に回転する車輪用プーリと、前記クランクプーリ及び前記車輪用プーリに懸架された無端状のベルトと、前記ベルトの張力を変化させる張力変更手段とを備えており、前記クランクプーリ及び前記車輪用プーリの一方が、前記ベルトの張力によってその前記ベルトが懸架される部分の径が変動する可変プーリにより構成されており、前記可変プーリは、前記ベルトが懸架される部分の径が大きくなるように付勢力を与える第一の付勢手段を備え、前記張力変更手段は、所定の支点を中心として揺動可能に構成されたアームと、前記アームに接続されており、前記ベルトが懸架されるテンションプーリと、前記アームに付勢力を与える第二の付勢手段とを有している自転車用無段変速装置であることから、ペダルの踏み込み力が負荷に応じて自動的に変化することになり、煩わしい手動での変速操作を伴うことなく、常に踏み込み力の変化を最小にしながら走行が可能となる効果がある。
【００１５】
請求項２に記載の発明によると、前記ベルトがその内周側ほど幅が小さくなったＶベルトであって前記可変プーリが、前記ペダルの回転軸の延在方向に配列されることによって互いに対向しており、前記ベルトの回転軸と一体的に回転するとともに、前記ペダルの回転軸の延在方向に相対移動可能に構成された二つのプーリ片と、前記二つのプーリ片の少なくとも一方を、前記二つのプーリ片が互いに近づく方向に付勢する付勢手段とを備えており、前記二つのプーリ片は、前記ベルトが懸架される部分の径が、互いの対向面に近い部分ほど小さくなっている請求項１に記載の自転車用無段変速装置であることから、ベルト張り側張力と前記付勢手段の付勢力との関係によって、プーリ径が自動的に変化し、変速を行うことが可能となる効果がある。
【００１６】
請求項３に記載の発明によれば、前記可変プーリとＶベルトを使用し、可変プーリであるクランクプーリを有するクランク軸の駆動力を車輪に伝える自転車用無段変速装置であって、前記クランクプーリは、回転軸に固定されている固定プーリ片と、回転軸に対し固定プーリ片へ向け回転軸に沿って進退可能かつ軸周方向には回転しないように取り付けられている可動プーリ片とを備え、前記可動プーリ片には、固定プーリに向け付勢力を与える第一の付勢手段を有し、車輪には少なくともＶベルトを懸架した車輪プーリ、アイドラープーリ、及びテンションプーリを有し、前記テンションプーリとアイドラープーリとが該テンションプーリがクランクから離れるように第二の付勢手段で付勢したアームによって連結され、テンションプーリの位置が該付勢手段による付勢力とベルト張力との力の差によって、クランク軸と車輪軸間で可変となる自転車用無段変速装置であることから、請求項３に記載の効果と同様、ベルト張り側張力と前記付勢手段の付勢力との関係によって、プーリ径が自動的に変化し、変速を行うことが可能となる効果がある。
さらに、ベルトの張り側張力と緩み側張力の張力差が小さくなり、登坂時においても、過度の踏み込み力が不要となる。
【００１７】
請求項４に記載の発明によれば、請求項１から３のいずれかに記載の無段変速装置を備えた自転車であることから、一つのベルトシステムのみで無段変速が可能で、コンパクトな無段変速装置を搭載することから、自転車の重量も増加しないという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明における実施の形態に係る自転車の概略構成図であり、（ａ）が、アームが最大限時計回りに揺動した状態、（ｂ）が、アームが最大限反時計回りに揺動した状態をそれぞれ示している。
【図２】図１（ａ）を矢印２の方向から見た図である。
【図３】図１（ｂ）を矢印３の方向から見た図である。
【図４】クランク側を拡大した図である。
【図５】車輪側を拡大した図である。
【図６】実施例の自転車を用い、踏み込み力３００Ｎでスタートし、６秒後に７０Ｎに弱めたときの経過時間と増速比との関係を示したグラフである。
【図７】実施例の自転車を用い、踏み込み力３００Ｎでスタートし、６秒後に７０Ｎに弱めたときの経過時間と車速との関係を示したグラフである。
【図８】実施例の自転車を用い、２％勾配の下り坂を踏み込み力１２０Ｎで下り、６秒後３％勾配の上り坂を踏み込み力２００Ｎで登ったときの経過時間と増速比との関係を示したグラフである。
【図９】実施例の自転車を用い、２％勾配の下り坂を踏み込み力１２０Ｎで下り、６秒後３％勾配の上り坂を踏み込み力２００Ｎで登ったときの経過時間と車速との関係を示したグラフである。
【図１０】比較例の自転車を用い、踏み込み力３００Ｎでスタートし、６秒後に７０Ｎに弱めたときの経過時間と増速比との関係を示したグラフである。
【図１１】比較例の自転車を用い、踏み込み力３００Ｎでスタートし、６秒後に７０Ｎに弱めたときの経過時間と車速との関係を示したグラフである。
【図１２】比較例の自転車を用い、２％勾配の下り坂を踏み込み力１２０Ｎで下り、６秒後３％勾配の上り坂を踏み込み力２００Ｎで登ったときの経過時間と増速比との関係を示したグラフである。
【図１３】比較例の自転車を用い、２％勾配の下り坂を踏み込み力１２０Ｎで下り、６秒後３％勾配の上り坂を踏み込み力２００Ｎで登ったときの経過時間と車速との関係を示したグラフである。
【図１４】変形例１の図２相当の図である。
【図１５】変形例１の図３相当の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施の形態に係る自転車の一部を示す概略構成図であり、（ａ）が、後述するアーム１６が最大限時計回りに揺動した状態、（ｂ）が、アーム１６が最大限反時計回りに揺動した状態それぞれ示している。図２は図１（ａ）を矢印２の方向から見た図である。図３は図１（ｂ）を矢印３の方向から見た図である。但し、図面を分かり易くするため、図２、図３においては、後述する、アイドラープーリ７、テンションプーリ８、アーム１６などの図示を省略している。
【００２１】
図１から図３に示すように、自転車１は、ペダル２及び車輪３と、ペダル２の回転を車輪３に伝達するためのベルト４、クランクプーリ５、車輪用プーリ６、アイドラープーリ７及びテンションプーリ８とを有している。ペダル２及び車輪３の構成は、従来の自転車のものと同様であるので、ここではその詳細な説明は省略する。
【００２２】
ベルト４は、クランクプーリ５、車輪用プーリ６、アイドラプーリ７及びテンションプーリ８に懸架された無端状のベルトであり、図２、図３に示すように、内周側の部分ほどその幅が狭くなった略台形の断面形状を有するいわゆるＶベルトである。
【００２３】
クランクプーリ５は、ペダル２の回転軸２ａと接続されており、ペダル２を回転させると、回転軸２ａとともにクランクプーリ５が回転する。又、クランクプーリ５は、いわゆる可変プーリであって、二つのプーリ片１１、１２及びバネ１３を有している。
【００２４】
車輪用プーリ６は、車輪の回転軸３ａにボルト１４により固定されており、車輪用プーリ６が回転することにより車輪３が回転する。
【００２５】
二つのプーリ片１１、１２は、ペダル２の回転軸２ａの延在方向（図２、図３の左右方向）に配列されることで互いに対向しており、ペダル２の回転軸２ａと一体に回転可能となっている。回転軸３ａと一体に回転する。又、プーリ片１１、１２は、互いの対向面に近い部分ほどその径が小さくなっている。つまり、プーリ片１１は図２、図３の右側の部分ほどその径が小さくなっており、プーリ片１２は、図２、図３の左側の部分ほどその径が小さくなっている。そして、ベルト４は、プーリ片１１、１２のこの径が変化している部分に懸架される。
【００２６】
プーリ片１１は、自転車１に固定されており、プーリ片１２は、回転軸３ａの延在方向（図２、図３の左右方向）に移動可能となっている。すなわち、プーリ片１１とプーリ片１２とは、回転軸３ａの延在方向に相対移動可能となっている。バネ１３は図２、図３におけるプーリ片１２の右側に配置されており、プーリ片１２をプーリ片１１に向かって図２、図３の左方に（プーリ片１１とプーリ片１２とが互いに近づく方向に）付勢している。
【００２７】
これにより、クランクプーリ５においては、後述するようにベルト４の張力が小さい場合には、バネ１３の付勢力によりプーリ片１２がプーリ片１１に近づき（図２、図３の左方に移動し）、これより、ベルト４が車輪用プーリ６の外周側に押し出され、クランクプーリ５におけるベルト４が懸架される部分の径が大きくなる。
【００２８】
一方、ベルト４の張力が大きくなると、プーリ片１２はベルト４によりその内周側に押され、これにより、バネ１３の付勢力に抗してプーリ片１１から離れる（図２、図３の右方に移動する）。これにより、ベルト４がクランクプーリ５の内周側に食い込み、クランクプーリ５におけるベルト４が懸架される部分の径が小さくなる。
【００２９】
アイドラープーリ７は、連結部材１５により、車輪用プーリ６に固定されている。テンションプーリ８は、アーム１６により、アイドラープーリ７と連結されている。
【００３０】
アーム１６は、アイドラープーリ７の中心に位置する支点１６ａを中心として、図１（ａ）に示す位置と図１（ｂ）に示す位置との間で揺動可能となっている。そして、アーム１６が揺動するのに連動して、アーム１６に連結されたテンションプーリ８も支点１６ａを中心として揺動する。
【００３１】
そして、アーム１６が図１の反時計回りに揺動して図１（ｂ）に示す位置に近づくほど、ベルト４が、テンションプーリ８によりその外周側に大きく押し広げられ、その結果、ベルト４の張力が大きくなる。
【００３２】
このように、本実施の形態では、ベルト４が懸架されたテンションプーリ８と接続されたアーム１６を揺動させることにより、ベルト４の張力を容易に変化させることができる。又、アーム１６の支点１６ａがアイドラープーリ７の中心に位置しているので、自転車１の構成が簡単になる。
【００３３】
次に、アーム１６を揺動させる揺動ユニットについて説明する。アーム１６は、第二の付勢手段として、ねじりバネ２１が使用される。第二の付勢手段としては、ねじりバネに限らず、エアーシリンダー等のエアーバネ、圧縮バネ、引張りバネ、板バネ等が使用されるが、これらに限定されない。
【００３４】
ねじりバネ２１は、アーム１６を後輪側に付勢するように設置してあり、自転車のスタート時はペダルを強く踏み込むことにより、ベルト張り側２６の張力が大きくなり、その分ベルト緩み側２８の張力が増加する。
【００３５】
自転車の加速が終了し、一定速度での走行に移行するとペダル踏み込み力が小さくなる為、ベルト張り側２６の張力が小さくなり、その分ベルト緩み側２８のベルト張力が増加することから、ベルト緩み側２８の張力がねじりバネ２１の付勢力を上回る為、アーム１６が時計回転し、図１（ａ）の位置に近づく。そのため、ベルト緩み側２８のベルト張力が減少する。
【００３６】
次に、自転車１における変速動作について説明する。自転車１は、停止時においては、図１（ｂ）、図２に示すように、アーム１６が最大限、図１の反時計回りに揺動した状態となっており、ベルト４の張力が最大限大きくなっている。これにより、図２に示すように、クランクプーリ５を構成するプーリ片１２がバネ１３の付勢力に抗して最大限プーリ片１１から離れて位置しており、ベルト４は、最大限プーリ片１１、１２の内周側に食い込んでいる。即ち、クランクプーリ５におけるベルト４が懸架される部分の径が最小となっている。
【００３７】
停止した状態の自転車１を発進させる場合や、車輪３の回転速度が遅い場合などには、ペダル２を回転させる為に比較的大きな力が必要になるが、クランクプーリ５におけるベルト４が懸架される部分の径が最小となっているため、車輪用プーリ６の径に対するクランクプーリ５におけるベルト４が懸架される部分の径の比が小さくなっている。これにより、ペダル２の回転量に対する車輪用プーリ６の回転量が小さくなる為、ペダル２を回転させる為に必要な力が小さくなる。
【００３８】
そして、車輪３の回転速度が所定の回転速度よりも遅いときには、この状態を保持し、車輪３の速度が所定の回転速度以上となったときに、車輪３の回転速度が速くなる程、アーム１６を大きく図１の時計回りに揺動させて図１（ａ）図８に示す状態に近づける。そして、アーム１６を大きく図１の時計回りに揺動させるほど、ベルト４の張力が小さくなり、プーリ片１２がバネ１３の付勢力によりプーリ片１１に近づく（図２、図３の左方に移動する）。これにより、ベルト４がプーリ片１１、１２により押し出され、クランクプーリ５におけるベルト４が懸架される部分の径が大きくなる。その結果、車輪用プーリ６の径に対するクランクプーリ５のベルト４が懸架される部分の径の比が大きくなる。
【００３９】
そして、車輪用プーリ６の径に対するクランクプーリ５のベルト４が懸架される部分の径の比が大きくなると、クランクプーリ５（ペダル２）の回転量に対する車輪用プーリ６（車輪３）の回転量が大きくなり、ペダル２の回転速度を増加させたときに、車輪３の回転速度を大きく増加させることが可能となる。
【００４０】
以上に説明した実施の形態によると、停止した状態の自転車１を発進させる場合や、登り坂にかかって車輪３の回転速度が遅い場合には、ペダル２を回転させる為に比較的大きな力が必要となるが、クランクプーリ５におけるベルト４が懸架される部分の径が最小となっているため、クランクプーリ５におけるベルト４が懸架される部分の径に対する車輪用プーリ６の径の比が大きくなる。これにより、クランクプーリ５（ペダル２）の回転量に対する車輪用プーリ６（車輪３）の回転量が小さくなるため、ペダル２を回転させるために必要な力が小さくなる。
【００４１】
又、ベルト４が懸架されたテンションプーリ８と接続されたアーム１６を揺動させることにより、ベルト４の張力を容易に変化させることができる。又、このとき、アーム１６の支点１６ａがアイドラプーリ７の中心に位置しているので、自転車１の構成が簡単になる。
【００４２】
次に、本実施の形態に種々の変更を加えた変形例について説明する。但し、本実施の形態と同様の構成を有する部分については同じ符号を付し、適宜その説明を省略する。
【００４３】
上述の実施の形態では、クランクプーリ５が可変プーリとなっていたが、これには限られない。一変形例では、図１２、図１３に示すように、クランクプーリ３５は通常のプーリであり、車輪用プーリ３６が、二つのプーリ片４１、４２及びバネ４３を有する可変プーリとなっている。
【００４４】
プーリ片４１、４２及びバネ４３は、それぞれ、プーリ片１１、１２及びバネ１３（図２、図３参照）と同様の構成を有するものである。すなわち、二つのプーリ片４１、４２は、回転軸３ａの延在方向（図１２、図１３の左右方向）に配列されることで互いに対向しており、回転軸３ａと一体に回転する。又、プーリ片４１、４２は、互いの対向面に近い部分ほどその径が小さくなっており、ベルト４は、プーリ片４１、４２のこの部分に懸架される。プーリ片４１は、自転車１に固定されており、プーリ片４２は、回転軸３ａの延在方向（図１２、図１３の左右方向）に移動可能となっている。つまり、プーリ片４１とプーリ片４２とは、回転軸３ａの延在方向に相対移動可能となっている。バネ４３はプーリ片４２の右側に配置されており、プーリ片４２をプーリ片４１に向かって図１２、図１３の左方に付勢している。
【００４５】
これにより、車輪用プーリ３６においては、ベルト４の張力が小さい場合には、バネ４３の付勢力によりプーリ片４２がプーリ片４１に近づき（図１２、図１３の左方に移動し）、これにより、ベルト４が車輪用プーリ３６の外周側に押し出され、車輪用プーリ３６におけるベルト４が懸架される部分の径が小さくなる。（変形例１）。
【００４６】
この場合には、自転車１における変速動作は上述の実施の形態とは逆になる。すなわち、自転車１の停止時においては、図１（ａ）、図１２に示すように、アーム１６が最大限、図１の時計回りに揺動した状態となっており、ベルト４の張力が最小となっている。これにより、図１２に示すように、車輪用プーリ３６を構成するプーリ片４２がバネ４３の付勢力によりプーリ片４１に当接している、つまり、最大限プーリ片４１に近接している。従って、ベルト４が、車輪用プーリ３６の外周側に最大限押し出された状態となり、車輪用プーリ３６におけるベルト４が懸架される部分の径が最大となっている。
【００４７】
停止した状態の自転車１を発進させる場合や、車輪３の回転速度が遅い場合などには、ペダル２を回転させるために比較的大きな力が必要となるが、車輪用プーリ３６におけるベルト４が懸架される部分の径が最大となっている為、車輪用プーリ３６におけるベルト４が懸架される部分の径に対するクランクプーリ３５の径の比が小さくなる。これにより、クランクプーリ３５（ペダル２）の回転量に対する車輪用プーリ３６（車輪３）の回転量が小さくなり、その結果、ペダル２を回転させる為に必要な力が小さくなる。
【００４８】
但し、この状態では、クランクプーリ３５（ペダル２）の回転量に対する車輪用プーリ３６（車輪３）の回転量が小さい為、ペダル２の回転速度を上げても、車輪３の回転速度はそれほど大きくは増加しない。
【００４９】
又、上述の実施の形態では、アーム１６の支点１６ａが、アイドラプーリ７の中心に位置していたが、アーム１６の支点１６ａが他の位置にあってもよい。
【００５０】
又、上述の実施の形態では、ベルト４が懸架されたテンションプーリ８と接続されたアーム１６を揺動させることにより、ベルト４の張力を変化させたが、これには限られず、別の方法によりベルト４の張力を変化させても良い。
【００５１】
又、以上の説明では、ベルト４がＶベルトであり、可変プーリが、二つのプーリ片及びバネを有する構成となっていたが、これには限られず、例えば、ベルト４の張力が大きくなるほど、可変プーリの径が小さくなるように変形するなど、ベルト４の張力が大きさに応じてベルト４の可変プーリに懸架される部分の径が変化するように構成されていれば、ベルト４及び可変プーリの構成は上述したのとは異なっていてもよい。
【実施例】
【００５２】
本発明を図に示した実施例に基づき詳細に説明する。
自転車のクランク軸１のクランクプーリ５は、固定側のプーリ片１１と可動側のプーリ片１２を有している。可動側のプーリ片１２はバネ１３によってベルト４の側面に押し付けられている。固定側のプーリ片１１にピン２５が取り付けられており、可動側のプーリ片１２には軸方向に対して斜めに設けられたガイド溝２７が設けられており、ピン２５に沿って摺動する。車輪軸２９には車輪用プーリ６が取り付けられており、ベルトによる駆動力を車輪３に伝達する。自転車本体１には連結部材１５が取り付けられており、ねじりバネ２１を介してアーム１６が連結されている。連結部材１５にはアイドラプーリ７が装着されており、アーム１６先端にはテンションプーリ８が装着されている。
又、比較例としては、変速ギアを有していなく、クランクプーリと後輪との回転比が変わらない自転車を用いた。実施例及び比較例の仕様を表１に示す。又、実施例の自転車でのスタート時の速比変化及び車速変化の結果を図６及び図７に示す。又、比較例の自転車でのスタート時の速比変化及び車速変化の結果を図１０及び図１１に示す。又、実施例の自転車で上り坂を登ったときの速比変化及び車速変化の結果を図８及び図９に示す。比較例の自転車で上り坂を登ったときの速比変化及び車速変化の結果を図１２及び図１３に示す。
【００５３】
【表１】
【００５４】
図６は、実施例の自転車を用い、踏み込み力３００Ｎでスタートし、６秒後に７０Ｎに弱めたときの経過時間と増速比との関係を示したグラフである。自転車のスタート時はペダルを強く踏み込むことにより、ベルト張力が大きくなり、可動プーリ片への圧力が高まり、バネ１３が圧縮され可動プーリ片が移動し、プーリ幅が広くなることでベルトが落ち込みプーリピッチ径が小さくなる。そのことにより、後輪の回転数が小さくなり、増速比も小さくなる。このことより、加速時の踏み込み力を軽減する。加速が終了し一定速度での走行に移行するとペダル踏み込み力は小さくなる為、可動プーリ片に掛かる圧力が減少しバネ１３の力によって、可動プーリ片は固定プーリ片に近づく方向に移動し、ベルトが押し上げられプーリピッチ径が大きくなる。このことから増速比も大きくなる。又、図７の結果から、実施例ではスタート時にスタートから６秒後に車速１３．５ｍ／ｓに到達している。比較例では図１０及び図１１の結果から増速比は一定であり、実施例と同等の車速に達するのに８．５秒を要しているのがわかる。又、登坂時には実施例では図８のように、坂を踏み込み力１２０Ｎでペダルを踏み込むと、スタート時と同様にベルト張力が大きくなり、ベルトがプーリに落ち込むことからプーリピッチ径が小さくなり、増速比も小さくなる。又、６秒後に上り坂に差し掛かり、踏み込み力を２００Ｎに上げるとさらにベルト張力が大きくなり、さらに可動プーリ片が固定プーリ片から離れベルトが落ち込みプーリピッチ径が小さくなる。増速比もそれにつれて小さくなり、登坂時の踏み込み力を軽減する。又、図９の結果から実施例は登坂開始から２００Ｎの踏み込み力で一定速度を保って走行が可能であるが、比較例では増速比が変わらず、図１３のように２００Ｎの踏み込み力では徐々に車速が低下してくるのがわかる。
【符号の説明】
【００５５】
１ 自転車
２ ペダル
２ａ 回転軸
３ 車輪
３ａ 回転軸
４ ベルト
５ クランクプーリ
６ 車輪用プーリ
７ アイドラプーリ
８ テンションプーリ
１１、１２ プーリ片
１３ バネ
１４ ボルト
１５ 連結部材
１６ アーム
１６ａ 支点
１９ 回転速度センサ
２０ 揺動制御装置
２１ ねじりバネ
２５ ピン
２６ ベルト張り側
２７ ガイド溝
２８ ベルト緩み側
２９ 車輪軸
３５ クランクプーリ
３６ 車輪用プーリ
４１、４２ プーリ片
４３ バネ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自転車に用いられる無段変速装置であって、
前記自転車のペダルの回転軸と共に回転するクランクプーリと、
前記自転車の車輪の回転軸と共に回転する車輪用プーリと、
前記クランクプーリ及び前記車輪用プーリに懸架された無端状のベルトと、
前記ベルトの張力を変化させる張力変更手段とを備えており、
前記クランクプーリ及び前記車輪用プーリの一方が、前記ベルトの張力によってその前記ベルトが懸架される部分の径が変動する可変プーリにより構成されており、
前記可変プーリは、前記ベルトが懸架される部分の径が大きくなるように付勢力を与える第一の付勢手段を備え、
前記張力変更手段は、所定の支点を中心として揺動可能に構成されたアームと、
前記アームに接続されており、前記ベルトが懸架されるテンションプーリと、
前記アームに付勢力を与える第二の付勢手段とを有していることを特徴とする自転車用無段変速装置。
【請求項２】
前記ベルトがその内周側ほど幅が小さくなったＶベルトであって
前記可変プーリが、
前記ペダルの回転軸の延在方向に配列されることによって互いに対向しており、前記ベルトの回転軸と一体的に回転するとともに、前記ペダルの回転軸の延在方向に相対移動可能に構成された二つのプーリ片と、
前記二つのプーリ片の少なくとも一方を、前記二つのプーリ片が互いに近づく方向に付勢する付勢手段とを備えており、
前記二つのプーリ片は、前記ベルトが懸架される部分の径が、互いの対向面に近い部分ほど小さくなっている請求項１に記載の自転車用無段変速装置。
【請求項３】
前記可変プーリとＶベルトを使用し、可変プーリであるクランクプーリを有するクランク軸の駆動力を車輪に伝える自転車用無段変速装置であって、前記クランクプーリは、回転軸に固定されている固定プーリ片と、回転軸に対し固定プーリ片へ向け回転軸に沿って進退可能かつ軸周方向には回転しないように取り付けられている可動プーリ片とを備え、前記可動プーリ片には、固定プーリに向け付勢力を与える第一の付勢手段を有し、車輪には少なくともＶベルトを懸架した車輪プーリ、アイドラープーリ、及びテンションプーリを有し、前記テンションプーリとアイドラープーリとが該テンションプーリがクランク軸から離れる方向に第二の付勢手段で付勢したアームによって連結され、テンションプーリの位置が該付勢手段による付勢力とベルト張力との力の差によって、クランク軸と車輪軸間で可変となることを特徴とする自転車用無段変速装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の無段変速装置を備えた自転車。
【請求項１】
自転車に用いられる無段変速装置であって、
前記自転車のペダルの回転軸と共に回転するクランクプーリと、
前記自転車の車輪の回転軸と共に回転する車輪用プーリと、
前記クランクプーリ及び前記車輪用プーリに懸架された無端状のベルトと、
前記ベルトの張力を変化させる張力変更手段とを備えており、
前記クランクプーリ及び前記車輪用プーリの一方が、前記ベルトの張力によってその前記ベルトが懸架される部分の径が変動する可変プーリにより構成されており、
前記可変プーリは、前記ベルトが懸架される部分の径が大きくなるように付勢力を与える第一の付勢手段を備え、
前記張力変更手段は、所定の支点を中心として揺動可能に構成されたアームと、
前記アームに接続されており、前記ベルトが懸架されるテンションプーリと、
前記アームに付勢力を与える第二の付勢手段とを有していることを特徴とする自転車用無段変速装置。
【請求項２】
前記ベルトがその内周側ほど幅が小さくなったＶベルトであって
前記可変プーリが、
前記ペダルの回転軸の延在方向に配列されることによって互いに対向しており、前記ベルトの回転軸と一体的に回転するとともに、前記ペダルの回転軸の延在方向に相対移動可能に構成された二つのプーリ片と、
前記二つのプーリ片の少なくとも一方を、前記二つのプーリ片が互いに近づく方向に付勢する付勢手段とを備えており、
前記二つのプーリ片は、前記ベルトが懸架される部分の径が、互いの対向面に近い部分ほど小さくなっている請求項１に記載の自転車用無段変速装置。
【請求項３】
前記可変プーリとＶベルトを使用し、可変プーリであるクランクプーリを有するクランク軸の駆動力を車輪に伝える自転車用無段変速装置であって、前記クランクプーリは、回転軸に固定されている固定プーリ片と、回転軸に対し固定プーリ片へ向け回転軸に沿って進退可能かつ軸周方向には回転しないように取り付けられている可動プーリ片とを備え、前記可動プーリ片には、固定プーリに向け付勢力を与える第一の付勢手段を有し、車輪には少なくともＶベルトを懸架した車輪プーリ、アイドラープーリ、及びテンションプーリを有し、前記テンションプーリとアイドラープーリとが該テンションプーリがクランク軸から離れる方向に第二の付勢手段で付勢したアームによって連結され、テンションプーリの位置が該付勢手段による付勢力とベルト張力との力の差によって、クランク軸と車輪軸間で可変となることを特徴とする自転車用無段変速装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の無段変速装置を備えた自転車。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１０−１６７９７６（Ｐ２０１０−１６７９７６Ａ）
【公開日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１３８１７（Ｐ２００９−１３８１７）
【出願日】平成２１年１月２６日（２００９．１．２６）
【出願人】（０００００６０６８）三ツ星ベルト株式会社 (730)
【公開日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月２６日（２００９．１．２６）
【出願人】（０００００６０６８）三ツ星ベルト株式会社 (730)
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