(57)【要約】  この無段変速機は、主軸の周囲に配置された複数の遊星ローラを有する。遊星ローラの自転軸の両端部は、主軸に対して径方向に変位可能に保持される。各遊星ローラは、入力回転体に接触する第１傾斜面と、出力回転体に接触する第２傾斜面とを有する。遊星ローラの傾斜角度は、可動リングの軸方向の位置に応じて変化する。そうすると、入力回転体に対する第１傾斜面の接触位置と、出力回転体に対する第２傾斜面の接触位置とが、それぞれ変化する。これにより、入力回転体と出力回転体との間の変速比を切り替えることができる。また、遊星ローラの第１傾斜面は球面状である。このため、遊星ローラの傾斜角度に拘らず、第１傾斜面と入力回転体との接触点に生じる圧力の向きおよび大きさが変化しにくい。
2019087915.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無段変速機であって、
主軸を中心として、変速前の回転数で回転する入力回転体と、
前記主軸を中心として、変速後の回転数で回転する出力回転体と、
前記主軸の周囲に配置され、自転軸を中心として自転可能な複数の遊星ローラと、
前記自転軸の両端部の位置を制限するガイド部材と、
前記主軸を中心として回転可能であり、かつ、軸方向に移動可能な円環状の可動リングと、
を備え、
前記遊星ローラは、
前記入力回転体に接触する球面状の第１傾斜面と、
前記出力回転体に接触する円錐状の第２傾斜面と、
前記可動リングと係合する環状凹部または環状凸部と、
を有し、
前記自転軸の両端部は、前記主軸に対して径方向に変位可能に、前記ガイド部材に保持される無段変速機。
【請求項２】
請求項１に記載の無段変速機であって、
前記可動リングの軸方向の位置を切り替える操作部
をさらに備える無段変速機。
【請求項３】
請求項１に記載の無段変速機であって、
前記可動リングに軸方向の付勢力を与える弾性部材
をさらに備え、
前記ガイド部材は、前記自転軸の両端部を、周方向の異なる位置に保持する無段変速機。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の無段変速機であって、
前記可動リングは、前記遊星ローラの径方向内側に位置する無段変速機。
【請求項５】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の無段変速機であって、
前記可動リングは、前記遊星ローラの径方向外側に位置する無段変速機。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の無段変速機であって、
前記主軸に沿って延びるシャフト
をさらに備え、
前記入力回転体、前記出力回転体、および前記可動リングは、それぞれ、前記シャフトに軸受を介して支持される無段変速機。
【請求項７】
請求項６に記載の無段変速機であって、
前記ガイド部材は、
前記シャフトに固定され、前記遊星ローラの前記自転軸の一端が嵌まる第１切り欠きを有する第１ガイド板と、
前記シャフトに固定され、前記遊星ローラの前記自転軸の他端が嵌まる第２切り欠きを有する第２ガイド板と、
を有する無段変速機。
【請求項８】
請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の無段変速機であって、
前記環状凹部または前記環状凸部は、前記第１傾斜面と前記第２傾斜面との間に位置する無段変速機。
【請求項９】
請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の無段変速機であって、
前記遊星ローラは、前記環状凹部を有し、
前記遊星ローラの前記環状凹部を構成する面に、前記可動リングの外周部が接触する無段変速機。
【請求項１０】
請求項９に記載の無段変速機であって、
前記主軸を含む断面において、前記環状凹部の曲率半径が、前記可動リングの外周部の曲率半径よりも大きい無段変速機。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の無段変速機であって、
前記入力回転体は、
回転方向の負荷に応じて前記遊星ローラへの軸方向の押圧力を発生させる調圧カムを含む無段変速機。
【請求項１２】
請求項１１に記載の無段変速機であって、
前記調圧カムは、
軸方向に配列された一対の円環状のカム部材と、
一対の前記カム部材の間に介在する転動体と、
を有し、
一対の前記カム部材は、それぞれ、
前記入力回転体が一方の向きに回転するときに、前記転動体に接触する第１カム面と、
前記入力回転体が他方の向きに回転するときに、前記転動体に接触する第２カム面と、
を有し、
前記第１カム面の周方向に対する角度が、前記第２カム面の周方向に対する角度よりも小さい無段変速機。
【請求項１３】
請求項１２に記載の無段変速機であって、
前記第１カム面の周方向に対する角度は、３°以上かつ３５°以下であり、
前記第２カム面の周方向に対する角度は、７０°以上かつ９０°未満である無段変速機。
【請求項１４】
請求項１から請求項１３までのいずれか１項に記載の無段変速機であって、
前記遊星ローラは、内部に空洞を有する無段変速機。
【請求項１５】
請求項１４に記載の無段変速機であって、
前記遊星ローラは、
前記第１傾斜面を有する第１遊星部材と、
前記第２傾斜面を有する第２遊星部材と、
を有する無段変速機。
【請求項１６】
請求項１５に記載の無段変速機であって、
前記第１遊星部材は、軸方向または径方向の厚みが一定であり、
前記第２遊星部材は、前記第２遊星部材の頂点へ向かうにつれて軸方向または径方向の厚みが増す無段変速機。
【請求項１７】
請求項１５または請求項１６に記載の無段変速機であって、
前記環状凹部または前記環状凸部の全体が、前記第１遊星部材および前記第２遊星部材のいずれか一方に属する無段変速機。
【請求項１８】
請求項１から請求項１７までのいずれか１項に記載の無段変速機であって、
自転車に用いられる無段変速機。
【請求項１９】
請求項１８に記載の無段変速機を用いた自転車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無段変速機および自転車に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、変速機構を有する自転車が知られている。自転車の一般的な変速機構は、径の異なる複数のスプロケットの間で、ローラチェーンを掛け替える構造となっている。自転車のユーザが、ハンドル部の変速レバーを操作すると、変速レバーにより指定されたスプロケットに、ローラチェーンが掛け替えられる。これにより、スプロケットの径に応じた変速比で、後輪が回転する。しかしながら、このような一般的な変速機構では、スプロケットの数に応じた段数でしか、変速比を切り替えることができない。【０００３】
これに対し、特開２０１６−７０３９３号公報には、変速比を連続的に変化させることができる自転車用の変速機が記載されている。当該公報の変速機は、主軸の周りに配置された遊星ローラの支持ピンを傾斜させることによって、第１転動体と第２転動体の回転数の比を変化させる。
【特許文献１】特開２０１６−７０３９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特開２０１６−７０３９３号公報の変速機では、遊星ローラの入力側の転動面が、円錐面となっている。このため、遊星ローラの傾斜角度によって、入力側の転動面の角度も変化する。これにより、入力側の転動面にかかる圧力の向きおよび大きさが、大きく変化する。入力側の転動面にかかる圧力が過大になると、抵抗が大きくなって動力伝達の効率が低下しやすくなる。また、入力側の転動面にかかる圧力が過小になると、遊星ローラがスリップしやすくなる。【０００５】
本発明の目的は、遊星ローラの傾斜角度を変化させることによって変速比を切り替える無段変速機において、遊星ローラと入力回転体との接触点に生じる圧力の向きおよび大きさが変化しにくい構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願の例示的な第１発明は、無段変速機であって、主軸を中心として、変速前の回転数で回転する入力回転体と、前記主軸を中心として、変速後の回転数で回転する出力回転体と、前記主軸の周囲に配置され、自転軸を中心として自転可能な複数の遊星ローラと、前記自転軸の両端部の位置を制限するガイド部材と、前記主軸を中心として回転可能であり、かつ、軸方向に移動可能な円環状の可動リングと、を備え、前記遊星ローラは、前記入力回転体に接触する球面状の第１傾斜面と、前記出力回転体に接触する円錐状の第２傾斜面と、前記可動リングと係合する環状凹部または環状凸部と、を有し、前記ガイド部材は、前記自転軸の両端部を、周方向の異なる位置に保持し、前記自転軸の両端部は、前記主軸に対して径方向に変位可能に、前記ガイド部材に保持される。
【発明の効果】
【０００７】
本願の例示的な第１発明によれば、可動リングの軸方向の位置に応じて、遊星ローラの自転軸の主軸を含む断面内の傾斜角度が変化する。そうすると、入力回転体に対する第１傾斜面の接触位置と、出力回転体に対する第２傾斜面の接触位置とが、それぞれ変化する。これにより、入力回転体と出力回転体との間の変速比を切り替えることができる。【０００８】
また、本願の例示的な第１発明によれば、遊星ローラの第１傾斜面は球面状である。このため、遊星ローラの傾斜角度に拘らず、第１傾斜面と入力回転体との接触点に生じる圧力の向きおよび大きさが変化しにくい。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、自転車の概要図である。
【図２】図２は、無段変速機の縦断面図である。
【図３】図３は、無段変速機の縦断面図である。
【図４】図４は、無段変速機の縦断面図である。
【図５】図５は、調圧カムの側面図である。
【図６】図６は、調圧カムの側面図である。
【図７】図７は、遊星ローラの分解断面図である。
【図８】図８は、第２カム部材と第１傾斜面との接触点、および接触部材と第２傾斜面との接触点、に生じる圧力を示した図である。
【図９】図９は、第２カム部材と第１傾斜面との接触点、および接触部材と第２傾斜面との接触点、に生じる圧力を示した図である。
【図１０】図１０は、第２カム部材と第１傾斜面との接触点、および接触部材と第２傾斜面との接触点、に生じる圧力を示した図である。
【図１１】図１１は、第１変形例に係る遊星ローラおよび可動リングを示した図である。
【図１２】図１２は、第２変形例に係る無段変速機の縦断面図である。
【図１３】図１３は、第２変形例に係る第１ガイド板および第２ガイド板を、主軸の一方側から見た平面図である。
【図１４】図１４は、第２変形例に係る遊星ローラを径方向外側から見た図である。
【図１５】図１５は、第３変形例に係る無段変速機の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本願では、無段変速機の主軸と平行な方向を「軸方向」、主軸に直交する方向を「径方向」、主軸を中心とする円弧に沿う方向を「周方向」、とそれぞれ称する。ただし、上記の「平行な方向」は、略平行な方向も含む。また、上記の「直交する方向」は、略直交する方向も含む。また、本願では、部材の軸方向の両端のうち、スプロケットに近い端部を「一端」と称し、スプロケットから遠い端部を「他端」と称する。
【００１１】
＜１．自転車について＞
図１は、本発明の一実施形態に係る無段変速機１を用いた自転車１００の概要図である。図１に示すように、この自転車１００は、前輪１１０、後輪１２０、ペダル１３０、ローラチェーン１４０、および無段変速機１を有する。無段変速機１は、後輪１２０のホイール１２１の中央に設けられたハブに内装される。ユーザが、ペダル１３０を順方向にこぐと、ペダル１３０の回転運動が、ローラチェーン１４０を介して無段変速機１へ伝達される。また、無段変速機１は、ローラチェーン１４０から受ける回転運動を変速させて、後輪１２０へ伝達する。後輪１２０は、無段変速機１により変速された回転数で回転する。なお、自転車１００は、ペダル１３０の回転運動を補助するための電動機を有していてもよい。
【００１２】
＜２．無段変速機の構成＞
図２〜図４は、無段変速機１の縦断面図である。この無段変速機１は、ローラチェーン１４０から得られる回転運動を、等速で、あるいは減速または増速して、後輪１２０へ出力する機構である。図２は、等速時の無段変速機１の断面を示している。図３は、減速時の無段変速機１の断面を示している。図４は、増速時の無段変速機１の断面を示している。図２〜図４に示すように、本実施形態の無段変速機１は、中空シャフト１０、入力回転体２０、複数の遊星ローラ３０、ガイド部材４０、可動リング５０、操作部６０、および出力回転体７０を有する。
【００１３】
中空シャフト１０は、主軸９に沿って延びる円柱状の部材である。中空シャフト１０の材料には、例えば、ステンレス等の金属が用いられる。後述する入力回転体２０、可動リング５０、および出力回転体７０は、中空シャフト１０に軸受を介して支持される。無段変速機１を自転車１００に取り付けるときには、中空シャフト１０の中心軸である主軸９と後輪１２０の中心軸とが一致するように、無段変速機１が配置される。
【００１４】
入力回転体２０は、ローラチェーン１４０の回動に伴い、主軸９を中心として回転する。図２〜図４に示すように、本実施形態の入力回転体２０は、スプロケット２１、中継部材２２、および調圧カム２３を有する。
【００１５】
中継部材２２は、円筒部２２１とフランジ部２２２とを有する。円筒部２２１は、中空シャフト１０の周囲において、軸方向に円筒状に延びる。フランジ部２２２は、円筒部２２１の軸方向の端部から、径方向外側へ向けて拡がる。フランジ部２２２は、後述するハウジング７２の内側に位置する。中継部材２２と中空シャフト１０との間には、一対の第１軸受２４が設けられている。第１軸受２４には、例えばボールベアリングが用いられる。中継部材２２は、第１軸受２４を介して、中空シャフト１０に対して、回転可能に支持される。
【００１６】
スプロケット２１は、円筒部２２１の外周面に固定される。自転車１００のローラチェーン１４０は、スプロケット２１の外周面に設けられた複数の歯に係合する。自転車１００の走行時には、ローラチェーン１４０の回動に伴い、スプロケット２１および中継部材２２が、主軸９を中心として、変速前の回転数で回転する。以下では、スプロケット２１および中継部材２２の回転数を「第１回転数」と称する。
【００１７】
調圧カム２３は、回転方向の負荷に応じて、遊星ローラ３０への軸方向の押圧力を発生させる機構である。調圧カム２３は、軸方向に配列された第１カム部材２３１および第２カム部材２３２と、複数の転動体２３３とを有する。第１カム部材２３１および第２カム部材２３２は、主軸９を中心とする円環状の部材である。第１カム部材２３１と、中継部材２２のフランジ部２２２とは、例えばねじ止めによって、互いに固定される。複数の転動体２３３は、第１カム部材２３１と第２カム部材２３２との間に介在する球状の部材である。
【００１８】
図５および図６は、調圧カム２３の側面図である。図５および図６に示すように、第１カム部材２３１および第２カム部材２３２は、それぞれ、複数の第１カム面２３ａと、複数の第２カム面２３ｂとを有する。転動体２３３は、第１カム部材２３１の第１カム面２３ａおよび第２カム面２３ｂと、第２カム部材２３２の第１カム面２３ａおよび第２カム面２３ｂとの間の空間に収容される。
【００１９】
第１カム面２３ａの周方向に対する角度は、第２カム面２３ｂの周方向に対する角度よりも小さい。第１カム面２３ａの周方向に対する角度は、例えば、３°以上かつ３５°以下とすればよい。第２カム面２３ｂの周方向に対する角度は、例えば、７０°以上かつ９０°未満とすればよい。
【００２０】
自転車１００のユーザがペダル１３０をこぐと、入力回転体２０は順方向に回転する。このとき、図５のように、各転動体２３３は、第１カム部材２３１の第１カム面２３ａと、第２カム部材２３２の第１カム面２３ａとに接触しつつ、第１カム面２３ａに沿って乗り上げる方向に変位する。そうすると、転動体２３３が、第１カム部材２３１を基準として、第２カム部材２３２を、離れる方向へ移動させる。したがって、第２カム部材２３２と、遊星ローラ３０の後述する第１傾斜面３０１との間の接触圧が高まる。
【００２１】
一方、自転車１００のユーザがペダル１３０を逆方向または後輪１２０よりも小さな速度で回転させると、入力回転体２０も逆方向に回転する。このとき、図６のように、各転動体２３３は、第１カム部材２３１の第２カム面２３ｂと、第２カム部材２３２の第２カム面２３ｂとに、接触する。そうすると、転動体２３３が、第１カム部材２３１の第２カム面２３ｂと第２カム部材２３２の第２カム面２３ｂとの周方向および軸方向の位置関係を変化させないまま、第１カム部材２３１と第２カム部材２３２とが、一体的に回転する。したがって、第２カム部材２３２と、遊星ローラ３０の後述する第１傾斜面３０１との間の接触圧は弱まる。これによって、入力回転体２０と出力回転体７０とは空転する。言い換えると、調圧カム２３は、無段変速機１を一方向クラッチとして機能させることができる。
【００２２】
なお、調圧カム２３の第１カム部材２３１と、後述するハウジング７２との間には、スラスト軸受２５が設けられている。スラスト軸受２５には、例えばニードルベアリングが用いられる。第１カム部材２３１とハウジング７２とは、スラスト軸受２５を介して、互いに相対回転可能となる。これにより、入力回転体２０と出力回転体７０とを、異なる回転数で回転させることができる。
【００２３】
複数の遊星ローラ３０は、主軸９の周囲に配置されている。各遊星ローラ３０は、揺動可能な自転軸３００を中心として自転可能に支持されている。図２〜図４に示すように、各遊星ローラ３０の表面は、第１傾斜面３０１と、第２傾斜面３０２と、環状凹部３０３とを有する。第１傾斜面３０１は、自転軸３００の一端から離れるにつれて漸次に拡径し、かつ、自転軸３００の中央付近を中心とする半球状（球面状）の面である。第１傾斜面３０１は、第２カム部材２３２に接触する。第２傾斜面３０２は、自転軸３００の他端から離れるにつれて漸次に拡径する円錐状の面である。第２傾斜面３０２は、後述する出力回転体７０の接触部材７１に接触する。
【００２４】
環状凹部３０３は、自転軸３００を中心とする円環状の溝である。環状凹部３０３は、第１傾斜面３０１と第２傾斜面３０２との間に位置する。図２〜図４に示すように、環状凹部３０３の形状は、主軸９を含む断面において、略円弧状となっている。環状凹部３０３には、後述する可動リング５０の環状凸部５１が接触する。
【００２５】
このように、遊星ローラ３０は、入力回転体２０、出力回転体７０、および可動リング５０と接触し、この３箇所の接触点によって支持されている。
【００２６】
図７は、遊星ローラ３０の分解断面図である。図７に示すように、本実施形態の遊星ローラ３０は、第１遊星部材３１と第２遊星部材３２とを、軸方向に組み合わせることによって、形成される。第１遊星部材３１は、第１傾斜面３０１を有する半球状の部材である。第２遊星部材３２は、第２傾斜面３０２および環状凹部３０３を有する円錐状の部材である。第１遊星部材３１と第２遊星部材３２とを組み合わせるときには、例えば、第２遊星部材３２に設けられた円筒状の突起３０４を、第１遊星部材３１に圧入する。ただし、第１遊星部材３１と第２遊星部材３２との固定方法は、溶接などの他の方法であってもよい。
【００２７】
遊星ローラ３０は、軽量化のために、内部に空洞３３を有することが好ましい。本実施形態のように、第１遊星部材３１と第２遊星部材３２とを組み合わせる構造にすれば、内部に空洞３３を有する遊星ローラ３０を、容易に形成できる。
【００２８】
また、本実施形態では、環状凹部３０３の全体が、第２遊星部材３２に属している。すなわち、環状凹部３０３が２部材に分割されていない。このようにすれば、環状凹部３０３の表面に微小な段差が生じることを抑制できる。すなわち、環状凹部３０３の寸法精度を高めることができる。また、環状凹部３０３の剛性も高めることができる。したがって、後述する可動リング５０の環状凸部５１を、環状凹部３０３に精度よく接触させることができる。なお、環状凹部３０３は、第１遊星部材３１に属していてもよい。
【００２９】
ガイド部材４０は、第１ガイド板４１と第２ガイド板４２とを含む。第１ガイド板４１および第２ガイド板４２は、中空シャフト１０に固定された円板状の部材である。第１ガイド板４１および第２ガイド板４２は、中空シャフト１０に対して、相対回転不能となっている。図２〜図４に示すように、第１ガイド板４１および第２ガイド板４２は、遊星ローラ３０の軸方向の両側に位置する。また、第１ガイド板４１および第２ガイド板４２は、それぞれ、主軸９に対して径方向外側に拡がる。
【００３０】
第１ガイド板４１には、周方向に等間隔に、複数の第１切り欠き４１０が設けられている。各第１切り欠き４１０は、第１ガイド板４１の外周部から、径方向内側へ向けて凹む。第２ガイド板４２には、周方向に等間隔に、複数の第２切り欠き４２０が設けられている。各第２切り欠き４２０は、第２ガイド板４２の外周部から、径方向内側へ向けて凹む。第１切り欠き４１０には、遊星ローラ３０の自転軸３００の一端が嵌まる。第２切り欠き４２０には、遊星ローラ３０の自転軸３００の他端が嵌まる。これにより、遊星ローラ３０の自転軸３００の両端部の周方向の位置が制限される。
【００３１】
自転軸３００の一端は、第１切り欠き４１０に沿って、径方向に変位可能である。また、自転軸３００の他端は、第２切り欠き４２０に沿って、径方向に変位可能である。後述のように、自転軸３００の両端部は、可動リング５０の軸方向の位置に応じて径方向に変位する。これにより、自転軸３００の、主軸９を含む断面内の傾斜角度が変化する。このように、自転軸３００の両端部の位置が径方向に変位することによって、遊星ローラ３０の自転軸３００が主軸９に対して傾斜することを、以下では「径方向に傾斜する」と称する。
【００３２】
可動リング５０は、中空シャフト１０の径方向外側かつ遊星ローラ３０の径方向内側に位置する円環状の部材である。可動リング５０は、径方向外側へ向けて突出する環状凸部５１を有する。図２〜図４に示すように、環状凸部５１の形状は、主軸９を含む断面において、略円弧状となっている。環状凸部５１は、遊星ローラ３０の環状凹部３０３に嵌まる。これにより、可動リング５０と遊星ローラ３０とが係合する。
【００３３】
可動リング５０は、係合部材８１および第２軸受８２を介して、中空シャフト１０に支持される。第２軸受８２には、例えば、ボールベアリングが用いられる。可動リング５０は、第２軸受８２の外輪に固定される。したがって、可動リング５０は、主軸９を中心として、中空シャフト１０および係合部材８１に対して、相対回転することが可能である。
【００３４】
また、図２〜図４に示すように、中空シャフト１０は、軸方向に延びるスリット１１を有する。係合部材８１は、第２軸受８２の内輪に固定されるとともに、スリット１１に対して軸方向にしゅう動可能に係合する。このため、係合部材８１、第２軸受８２、および可動リング５０は、一体として、スリット１１に沿って軸方向に移動することが可能である。
【００３５】
操作部６０は、可動リング５０の軸方向の位置を切り替えるための機構である。図２〜図４に示すように、操作部６０は、ロッド６１と、ワイヤー機構６２とを有する。ロッド６１は、中空シャフト１０の内側に挿入された円柱状の部材である。ロッド６１は、主軸９に沿って軸方向に延びる。ワイヤー機構６２は、ロッド６１の一端に接続される。係合部材８１は、ロッド６１の他端に固定される。自転車１００のユーザは、ワイヤー機構６２を操作することによって、ロッド６１の軸方向の位置を変化させることができる。ロッド６１が軸方向に移動すると、係合部材８１、第２軸受８２、および可動リング５０も、スリット１１に沿って軸方向に移動する。そして、可動リング５０の軸方向の移動に伴い、環状凸部５１と環状凹部３０３との係合位置も、軸方向に変化する。その結果、遊星ローラ３０の径方向の傾斜角度が変化する。
【００３６】
ただし、操作部６０は、軸方向に位置決め可能なねじ等の他の機構により実現されていてもよい。
【００３７】
出力回転体７０は、主軸９を中心として、変速後の回転数で回転する。以下では、変速後の回転数を「第２回転数」と称する。図２〜図４に示すように、本実施形態の出力回転体７０は、接触部材７１およびハウジング７２を有する。接触部材７１は、主軸９を中心とする円環状の部材である。接触部材７１は、遊星ローラ３０の第２傾斜面３０２に接触する。ハウジング７２は、調圧カム２３、複数の遊星ローラ３０、ガイド部材４０、および可動リング５０を内部に収容する、円環状の筐体である。ハウジング７２は、第３軸受７３を介して、中空シャフト１０に支持されている。また、ハウジング７２は、第４軸受７４を介して、中継部材２２に支持されている。
【００３８】
接触部材７１とハウジング７２とは、互いに相対回転不能に固定されている。このため、遊星ローラ３０の回転に伴って接触部材７１が回転すると、接触部材７１とともにハウジング７２も、主軸９を中心として、第２回転数で回転する。また、ハウジング７２は、自転車１００の後輪１２０のホイール１２１の中央に設けられたハブに、固定される。このため、ハウジング７２の回転に伴い、自転車１００の後輪１２０も第２回転数で回転する。
【００３９】
＜３．変速動作について＞
続いて、上述した無段変速機１の変速動作について、説明する。
【００４０】
ローラチェーン１４０から得られる動力によって、入力回転体２０が第１回転数で回転すると、調圧カム２３の第２カム部材２３２も、遊星ローラ３０の第１傾斜面３０１に接触しながら、第１回転数で回転する。そうすると、第２カム部材２３２と第１傾斜面３０１との間の摩擦力によって、遊星ローラ３０は、自転軸３００を中心として回転する。また、第２傾斜面３０２と接触部材７１との間の摩擦力によって、出力回転体７０が第２回転数で回転する。
【００４１】
ここで、上述の通り、本実施形態では、自転車１００のユーザが操作部６０を操作することによって、遊星ローラ３０の径方向の傾斜角度を変化させることができる。
【００４２】
例えば、図３のように、自転軸３００の一端が主軸９に近づくように、遊星ローラ３０を径方向に傾斜させた場合、第１傾斜面３０１の入力回転体２０に接触する箇所の、自転軸３００からの距離が大きくなる。そして、第２傾斜面３０２の出力回転体７０に接触する箇所の、自転軸３００からの距離が小さくなる。このため、入力回転体２０の回転数である第１回転数よりも、出力回転体７０の回転数である第２回転数の方が、小さくなる。すなわち、入力回転体２０の回転運動が減速されて、出力回転体７０から後輪１２０へ出力される。
【００４３】
一方、図４のように、自転軸３００の一端が主軸９から遠ざかるように、遊星ローラ３０を径方向に傾斜させた場合、第１傾斜面３０１の入力回転体２０に接触する箇所の、自転軸３００からの距離が小さくなる。そして、第２傾斜面３０２の出力回転体７０に接触する箇所の、自転軸３００からの距離が大きくなる。このため、入力回転体２０の回転数である第１回転数よりも、出力回転体７０の回転数である第２回転数の方が、大きくなる。すなわち、入力回転体２０の回転運動が増速されて、出力回転体７０から後輪１２０へ出力される。
【００４４】
このように、本実施形態の無段変速機１では、可動リング５０の軸方向の位置に応じて、遊星ローラ３０の自転軸３００の主軸９を含む断面内の傾斜角度が変化する。そうすると、入力回転体２０に対する第１傾斜面３０１の接触位置と、出力回転体７０に対する第２傾斜面３０２の接触位置とが、それぞれ変化する。これにより、入力回転体２０と出力回転体７０との間の変速比を切り替えることができる。
【００４５】
図８〜図１０は、第２カム部材２３２と第１傾斜面３０１との接触点に生じる圧力Ｆ１、および、接触部材７１と第２傾斜面３０２との接触点に生じる圧力Ｆ２を示した図である。図８は等速時の状態、図９は減速時の状態、図１０は増速時の状態を、それぞれ示している。
【００４６】
第１傾斜面３０１は、球面状である。このため、第２カム部材２３２と第１傾斜面３０１との接触点における第１傾斜面３０１の傾斜角度は、遊星ローラ３０の径方向の傾斜角度に拘らず、一定である。それゆえ、当該接触点に生じる圧力Ｆ１の向きも、遊星ローラ３０の径方向の傾斜角度に拘わらず、一定となる。したがって、入力回転体２０に入力されるトルクが一定であれば、図８〜図１０のように、等速時、減速時、および増速時のいずれの場合にも、当該接触点に生じる圧力Ｆ１の大きさが変化しない。
【００４７】
もし、圧力Ｆ１が過小になると、第２カム部材２３２と第１傾斜面３０１との間に滑りが生じやすくなる。また、圧力Ｆ１が過大になると、第２カム部材２３２と第１傾斜面３０１との間に必要以上の転がり抵抗が生じ、動力の伝達効率が低下しやすくなる。また、圧力Ｆ１が過大になると、第２カム部材２３２または第１傾斜面３０１に損傷が生じやすくなる。本実施形態のように、遊星ローラ３０の径方向の傾斜角度によらず、圧力Ｆ１を一定とすれば、これらの問題を解決できる。
【００４８】
なお、第１傾斜面３０１の形状は、厳密に真球に沿った形状でなくてもよい。すなわち、本発明における「球面状」は、略球面状も含む。また、第２カム部材２３２と第１傾斜面３０１との接触点に生じる圧力Ｆ１の向きおよび大きさは、完全に一定でなくてもよい。第１傾斜面３０１が「球面状」であることにより、当該接触点に生じる圧力Ｆ１の向きおよび大きさの変化を抑制できればよい。
【００４９】
一方、第２傾斜面３０２は、円錐状である。このため、図８〜図１０のように、接触部材７１と第２傾斜面３０２との接触点における第２傾斜面３０２の傾斜角度は、遊星ローラ３０の径方向の傾斜角度に応じて変化する。それゆえ、当該接触点に生じる圧力Ｆ２の向きも、遊星ローラ３０の径方向の傾斜角度に応じて変化する。したがって、図９のように、減速時の圧力Ｆ２は、等速時の圧力Ｆ２よりも大きくなる。また、図１０のように、増速時の圧力Ｆ２は、等速時の圧力Ｆ２よりも小さくなる。
【００５０】
このように、接触部材７１と第２傾斜面３０２との接触点には、変速比に応じた圧力Ｆ２を発生させることができる。
【００５１】
図８〜図１０に示すように、円錐状の第２傾斜面３０２は、その頂点に近い位置ほど、大きな圧力を受ける。このため、本実施形態では、図７のように、円錐状の第２遊星部材３２を、頂点へ向かうにつれて肉厚としている。すなわち、第２遊星部材３２の軸方向または径方向の厚みを、頂点へ向かうにつれて増加させている。このようにすれば、第２遊星部材３２が、使用時の負荷によって変形することを抑制できる。一方、球面状の第１傾斜面３０１は、その接触位置に拘わらず、一定の圧力を受ける。このため、本実施形態では、図７のように、半球状の第１遊星部材３１の軸方向または径方向の厚みを、一定の薄肉としている。
【００５２】
＜４．変形例＞
以上、本発明の例示的な実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態には限定されない。
【００５３】
＜４−１．第１変形例＞
図１１は、第１変形例に係る遊星ローラ３０Ａおよび可動リング５０Ａを示した図である。図１１の例では、遊星ローラ３０Ａの環状凹部３０３Ａの軸方向の幅ｄ１が、可動リング５０の外周部に設けられた環状凸部５１Ａの軸方向の幅ｄ２よりも大きい。そして、主軸を含む断面において、環状凹部３０３Ａの曲率半径が、環状凸部５１Ａの曲率半径よりも大きい。このようにすれば、遊星ローラ３０Ａと可動リング５０Ａとの間の接触は一点当たりとなり、転がり抵抗が小さくなる。また、環状凹部３０３Ａの軸方向の両端に位置する角部が、可動リング５０Ａに当たらない。したがって、遊星ローラ３０Ａと可動リング５０Ａとの間の接触抵抗を低減できる。
【００５４】
＜４−２．第２変形例＞
図１２は、第２変形例に係る無段変速機１Ｂの縦断面図である。図１２の例では、中空シャフト１０Ｂの内部に、コイルばね９０Ｂが設けられている。コイルばね９０Ｂは、軸方向に伸縮可能な弾性部材である。コイルばね９０Ｂの軸方向の一端である自由端は、係合部材８１Ｂに接触する。また、中空シャフト１０Ｂの内部には、位置決め部材１２Ｂが配置されている。コイルばね９０Ｂの軸方向の他端である固定端は、位置決め部材１２Ｂに接触する。このように、コイルばね９０Ｂは、位置決め部材１２Ｂと係合部材８１Ｂとの間に、自然長よりも圧縮された状態で配置される。このため、コイルばね９０Ｂは、係合部材８１Ｂ、第２軸受８２Ｂ、および可動リング５０Ｂを、位置決め部材１２Ｂから軸方向一方側へ離れる方向へ、常に加圧する。すなわち、コイルばね９０Ｂは、係合部材８１Ｂ、第２軸受８２Ｂ、および可動リング５０Ｂに、軸方向一端側へ向かう付勢力を、常に与える。
【００５５】
図１３は、第２変形例に係る第１ガイド板４１Ｂおよび第２ガイド板４２Ｂを、主軸９Ｂの一方側から見た平面図である。図１４は、第２変形例に係る遊星ローラ３０Ｂを径方向外側から見た図である。この変形例においても、第１ガイド板４１Ｂは、複数の第１切り欠き４１０Ｂを有する。また、第２ガイド板４２Ｂは、複数の第２切り欠き４２０Ｂを有する。ただし、図１３および図１４に示すように、この変形例では、第１切り欠き４１０Ｂの主軸９Ｂに対する周方向の位置と、第２切り欠き４２０Ｂの主軸９Ｂに対する周方向の位置とは、わずかに相違する。このため、図１４に示すように、第１ガイド板４１Ｂおよび第２ガイド板４２Ｂによって、自転軸３００Ｂの両端部は、周方向の異なる位置に保持される。このように、自転軸３００Ｂの両端部の周方向の位置が相違した状態を、以下では「周方向に傾斜した状態」と称する。遊星ローラ３０Ｂは、常に周方向に傾斜した状態で支持される。
【００５６】
ローラチェーンから得られる動力によって、入力回転体２０Ｂが第１回転数で回転すると、調圧カム２３Ｂの第２カム部材２３２Ｂも、遊星ローラ３０Ｂの第１傾斜面３０１Ｂに接触しながら、第１回転数で回転する。そうすると、第２カム部材２３２Ｂと第１傾斜面３０１Ｂとの間の摩擦力によって、遊星ローラ３０Ｂは、自転軸３００Ｂを中心として回転する。また、第２傾斜面３０２Ｂと接触部材７１Ｂとの間の摩擦力によって、出力回転体７０Ｂが第２回転数で回転する。このとき、図１４に矢印で示すように、遊星ローラ３０Ｂの第２傾斜面３０２Ｂは、トルクに比例した接線方向の力Ｆｏを、接触部材７１Ｂに与える。
【００５７】
ここで、遊星ローラ３０Ｂは、上述の通り周方向に傾斜した状態で支持されている。このため、力Ｆｏによって、自転軸３００Ｂを中心とする周方向の分力Ｆａと自転軸３００Ｂに平行な方向の分力Ｆｂとが生じる。遊星ローラ３０Ｂの周方向の傾斜角度をθとすると、分力Ｆａと分力Ｆｂとの関係は、Ｆｂ＝Ｆａ・tanθを満たす。この自転軸３００Ｂに平行な方向の分力Ｆｂを接触部材７１Ｂに与えると、遊星ローラ３０Ｂは、接触部材７１から、分力Ｆｂと同じ大きさの反力Ｆｃを受ける。この反力Ｆｃは、遊星ローラ３０Ｂの自転軸３００Ｂの一端（入力回転体２０Ｂ側の端部）が、主軸９Ｂに近づくように、自転軸３００Ｂを径方向に傾斜させようとする力となる。
【００５８】
一方、コイルばね９０Ｂは、係合部材８１Ｂ、第２軸受８２Ｂ、および可動リング５０Ｂを、位置決め部材１２Ｂから軸方向に離れる方向へ加圧している。このため、図１２に示すように、遊星ローラ３０Ｂは、可動リング５０Ｂから、軸方向の力Ｆｄを受ける。この力Ｆｄは、遊星ローラ３０Ｂの一端が、主軸９Ｂから離れるように、自転軸３００Ｂを径方向に傾斜させようとする力となる。また、遊星ローラ３０Ｂの自転軸３００Ｂの一端が、主軸９Ｂに近づくように傾斜するほど、コイルばね９０Ｂは圧縮されるため、力Ｆｄは大きくなる。
【００５９】
このように、入力回転体２０Ｂに負荷が与えられている状態では、遊星ローラ３０Ｂに、自転軸３００Ｂを径方向の互いに反対の向きに傾斜させようとする２つの力Ｆｃ，Ｆｄが加わる。自転軸３００Ｂは、これらの力Ｆｃ，Ｆｄが釣り合う傾斜角度で静止する。そして、遊星ローラ３０Ｂは、その傾斜角度の自転軸３００Ｂを中心として自転する。
【００６０】
例えば、負荷が大きいとき（力Ｆｏが強いとき）には、力Ｆｏの分力Ｆｂも大きくなる。したがって、分力Ｆｂの反力Ｆｃも大きくなる。このため、自転軸３００Ｂの一端が主軸９Ｂに近づくように、遊星ローラ３０Ｂが径方向に傾斜する。その場合、入力回転体２０Ｂの回転運動が減速されて、出力回転体７０Ｂから後輪へ出力される。一方、負荷が小さいとき（力Ｆｏが弱いとき）には、力Ｆｏの分力Ｆｂも小さくなる。したがって、分力Ｆｂの反力Ｆｃも小さくなる。このため、自転軸３００Ｂの一端が主軸９Ｂから遠ざかるように、遊星ローラ３０Ｂが径方向に傾斜する。その場合、入力回転体２０Ｂの回転運動が増速されて、出力回転体７０Ｂから後輪へ出力される。
【００６１】
このように、図１２の無段変速機１Ｂでは、遊星ローラ３０Ｂに与えられる負荷に応じて、遊星ローラ３０Ｂの自転軸３００Ｂの径方向の傾斜角度が変化する。したがって、入力回転体２０Ｂと出力回転体７０Ｂとの間の変速比を、負荷に応じて自動的に切り替えることができる。
【００６２】
なお、図１２の例では、位置決め部材１２Ｂが、ロッド６１Ｂの他端に固定されている。このため、自転車のユーザは、操作部６０Ｂを操作することによって、ロッド６１および位置決め部材１２Ｂの軸方向の位置を調整できる。位置決め部材１２Ｂの軸方向の位置が変化すると、コイルばね９０Ｂの固定端の位置も変化する。そうすると、コイルばね９０Ｂから係合部材８１Ｂ、第２軸受８２Ｂ、および可動リング５０Ｂにかかる圧力が変化する。すなわち、上述したＦｄが変化する。したがって、負荷と変速比との関係を調整できる。
【００６３】
例えば、位置決め部材１２Ｂの軸方向の位置を、入力回転体２０Ｂへ近づく方向に変化させると、上述した力Ｆｄが大きくなる。したがって、入力回転体２０Ｂの回転運動を増速させやすくなる。一方、位置決め部材１２Ｂの軸方向の位置を、入力回転体２０Ｂから離れる方向に変化させると、上述した力Ｆｄが小さくなる。したがって、入力回転体２０Ｂの回転運動を減速させやすくなる。
【００６４】
＜４−３．第３変形例＞
図１５は、第３変形例に係る無段変速機１Ｃの縦断面図である。図１５の無段変速機１Ｃは、上記実施形態の中空シャフト１０に代えて、中実の入力シャフト１０Ｃを有する。そして、当該入力シャフト１０Ｃに、中継部材を介することなく、調圧カム２３Ｃの第１カム部材２３１Ｃが固定されている。また、調圧カム２３Ｃの第２カム部材２３２Ｃは、自転軸３００Ｃよりも径方向内側において、遊星ローラ３０Ｃの第１傾斜面３０１Ｃに接触する。
【００６５】
また、図１５の例では、出力回転体７０Ｃが、接触部材７１Ｃと出力シャフト７３Ｃとを有する。接触部材７１Ｃは、自転軸３００Ｃよりも径方向内側において、遊星ローラ３０Ｃの第２傾斜面３０２Ｃに接触する。出力シャフト７３Ｃは、主軸９Ｃに沿って延びる。接触部材７１Ｃと出力シャフト７３Ｃとは、互いに相対回転不能に固定されている。
【００６６】
また、図１５の例では、可動リング５０Ｃおよび操作部６０Ｃが、遊星ローラ３０Ｃよりも径方向外側に位置する。可動リング５０Ｃは、径方向内側へ向けて突出する環状凸部５１Ｃを有する。環状凸部５１Ｃは、遊星ローラ３０Ｃの環状凹部３０３Ｃに嵌まる。これにより、可動リング５０Ｃと遊星ローラ３０Ｃとが係合する。また、可動リング５０Ｃは、係合部材８１Ｃによって、周方向にしゅう動可能に支持されている。また、可動リング５０Ｃおよび係合部材８１Ｃは、図示を省略したガイド部に沿って軸方向に移動することが可能である。ユーザは、係合部材８１Ｃに接続された操作部６０Ｃを操作することによって、可動リング５０Ｃの軸方向の位置を切り替えることができる。
【００６７】
＜４−４．他の変形例＞
上記の実施形態では、入力回転体および出力回転体のうち、入力回転体のみに調圧カムを設けていた。しかしながら、出力回転体にも、調圧カムを設けてもよい。
【００６８】
また、上記の実施形態では、遊星ローラが環状凹部を有し、可動リングが環状凹部に嵌まる環状凸部を有していた。しかしながら、遊星ローラが環状凸部を有し、可動リングが環状凹部を有していてもよい。そして、可動リングの環状凹部に、遊星ローラの環状凸部が嵌まる構造としてもよい。その場合、遊星ローラを２部材で形成するのであれば、環状凸部の全体が、２部材のいずれか一方に属していることが好ましい。
【００６９】
また、上記の実施形態では、自転車用の無段変速機について説明した。しかしながら、同等の構造を有する無段変速機を、自転車以外の用途に用いてもよい。例えば、同等の構造を有する無段変速機を、三輪車、車椅子、台車、無人搬送車、ロボット等に搭載してもよい。
【００７０】
また、無段変速機および自転車の細部の形状については、本願の各図に示された形状と相違していてもよい。また、上記の実施形態や変形例に登場した各要素を、矛盾が生じない範囲で、適宜に組み合わせてもよい。
【００７１】
本出願は、２０１７年１０月３１日に出願された日本出願である特願２０１７−２１０３６８号に基づく優先権を主張し、当該日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、無段変速機および自転車に利用できる。
【符号の説明】
【００７３】
１，１Ｂ，１Ｃ  無段変速機
９，９Ｂ，９Ｃ  主軸
１０，１０Ｂ  中空シャフト
２０，２０Ｂ  入力回転体
２１  スプロケット
２２  中継部材
２３，２３Ｂ，２３Ｃ  調圧カム
２３ａ  第１カム面
２３ｂ  第２カム面
３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ  遊星ローラ
３１  第１遊星部材
３２  第２遊星部材
３３  空洞
４０  ガイド部材
４１，４１Ｂ  第１ガイド板
４２，４２Ｂ  第２ガイド板
５０，５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ  可動リング
５１，５１Ａ，５１Ｃ  環状凸部
６０，６０Ｂ，６０Ｃ  操作部
７０，７０Ｂ，７０Ｃ  出力回転体
７１，７１Ｂ，７１Ｃ  接触部材
７２  ハウジング
８１，８１Ｂ，８１Ｃ  係合部材
９０Ｂ  コイルばね
１００  自転車
１１０  前輪
１２０  後輪
１２１  ホイール
１３０  ペダル
１４０  ローラチェーン
２３１，２３１Ｃ  第１カム部材
２３２，２３２Ｂ，２３２Ｃ  第２カム部材
２３３  転動体
３００，３００Ｂ，３００Ｃ  自転軸
３０１，３０１Ｂ，３０１Ｃ  第１傾斜面
３０２，３０２Ｂ，３０２Ｃ  第２傾斜面
３０３，３０３Ａ，３０３Ｃ  環状凹部
４１０，４１０Ｂ  第１切り欠き
４２０，４２０Ｂ  第２切り欠き
【図１】
2019087915.tif 000003
【図２】
2019087915.tif 000004
【図３】
2019087915.tif 000005
【図４】
2019087915.tif 000006
【図５】
2019087915.tif 000007
【図６】
2019087915.tif 000008
【図７】
2019087915.tif 000009
【図８】
2019087915.tif 000010
【図９】
2019087915.tif 000011
【図１０】
2019087915.tif 000012
【図１１】
2019087915.tif 000013
【図１２】
2019087915.tif 000014
【図１３】
2019087915.tif 000015
【図１４】
2019087915.tif 000016
【図１５】
2019087915.tif 000017
【国際調査報告】
2019087915.tif 000018
2019087915.tif 000019
2019087915.tif 000020