ハブギア

ハブギア、^[1]内装ギアハブ、^[2]内装ギアハブ^[3]または単にギアハブ^[4]は、自転車で一般的に使用されるギア比変更システムであり、遊星歯車または遊星歯車で実装されています。ギアと潤滑剤はハブギアのシェル内に密封されており、ギアと機構が要素にさらされているディレイラーギアとは対照的です。ギア比の変更は、伝統的にボウデンケーブルでハブに接続されたシフトレバーによって行われ、ツイストグリップスタイルのシフターが一般的になっています。

ハブギアシステムは、一般的に寿命が長く、メンテナンスもほとんど必要ありませんが、競技や丘陵、オフロードなどの高負荷の使用には適さないものもあります。ヨーロッパのシティバイクなど、通勤用や都市用自転車の多くは現在 7 速ギアハブが一般的に装備されており、8 速システムもますます利用しやすくなっています。旧式または安価な実用自転車では、自転車シェアリングシステムなどで 3 速ギアハブが使用されることがよくあります。折りたたみ自転車の多くは3 速ギアハブを使用しています。最新の開発では、最大 18 のギア比が利用可能です。

自転車のハブに遊星歯車が使われる前は、三輪車に使われていました。遊星歯車ハブの特許は1880年代半ばに遡ります。^{[5] [6]}コンパクトな遊星歯車ハブギアの最初の特許は、1895年に米国インディアナ州ノーブルズビルのアメリカ人機械工スワード・トーマス・ジョンソンに与えられました。^[7]これは2速でしたが、商業的には成功しませんでした。

1896年、イギリスのサルフォードのウィリアム・ライリーは2速ハブの特許を取得し、1898年に「ザ・ハブ」として生産が開始されました。^[8]これは大成功を収め、10年間生産が続けられました。これにより、コンパクトな遊星ハブギアの実用性が急速に確立されました。

1902年までに、ライリーは3速ハブギアを設計しました。彼は「ハブ」の製造業者と袂を分かったが、将来のギア設計の知的権利を彼らに譲渡する契約を結んでいました。この問題を回避するために、ライリーの3速の特許は同僚のジェームズ・アーチャーの名で取得されました。^[9]一方、有名な英国のジャーナリストで発明家のヘンリー・スターメイも3速ハブを発明していました。^[10] 1903年、ラレー・バイシクル・カンパニーの社長フランク・ボーデンは、ライリー/アーチャーとスターメイの3速の両方の権利を取得し、3速ギアシンジケートを設立しました。ライリーのハブは、最初のスターメイ・アーチャー3速として生産されました。^[11]

1902年、ミカエル・ペダーセン（ダーズリー・ペダーセン自転車も製造）が3速ハブギアの特許を取得し、1903年に生産された。これは「カウンターシャフト」原理に基づいていると言われているが^[12]、リングギアの代わりに2つ目の太陽が使用されている珍しい遊星歯車であったと言える。^[13] 1904年、フィヒテル＆ザックス社（ドイツ、シュヴァインフルト）がワンダラーとのライセンス契約に基づいてハブギアを製造し、1909年までにイギリス市場には14種類の3速ハブギアが存在した。^[14]

1930 年代までに、ハブ ギアは世界中の自転車で使用されていました。特にイギリス、オランダ、ドイツ語圏、スカンジナビアで人気がありました。1970 年代以降、英語圏ではあまり一般的ではなくなりましたが、自転車がスポーツやレジャーだけでなく日常の移動手段として頻繁に使用されている北欧の多くの地域では、ハブ ギアがまだ広く使用されています。より安価で強力な (ただし信頼性は低い)ディレイラー システムが登場し始めており、ギア範囲が広くなっています。

1987年までに、スターメイ・アーチャーは3速と5速ハブのみを製造し、フィヒテル＆ザックスとシマノは2速と3速ハブのみを製造しました。その年、自転車の遊星歯車だけを扱った約80年ぶりの本（サービスマニュアルを除く）が出版されました。^[15]それ以来、ハブギアへの関心はゆっくりと着実に高まり、現在入手可能な製品の幅広さに反映されています。

1995年、ザックスは12段変速で全体の変速範囲が339%の初のハブギアであるエランを発表しました。3年後、ローロフはスピードハブ500/14を発表しました。これは14段変速で変速範囲が526%のギアハブで、27段変速機システムに匹敵し、マウンテンバイクに十分な堅牢性と軽量性を備えています。2007年、NuVinciは通勤用自転車用の連続可変トランスミッション（「ステップレス」）∞スピードハブの製造を開始し、変速範囲は約380%に増加しました^[16]（2016年）。

2008年現在、スターメイアーチャーは3速、5速、8速ハブを製造しており、SRAM（フィヒテル＆ザックスの後継）は3速、5速、7速、9速ハブを製造しており、シマノは3速、7速、8速ハブを製造している。2010年2月、シマノは11速モデルのシマノアルファイン700の導入を発表した。 ^[17]

ほとんどのハブギアシステムは1つのリアスプロケットを使用しますが、SRAMのデュアルドライブシステムは、エピサイクロイドハブとマルチスピードリアディレイラーシステムを組み合わせて、後輪に集中した広範囲のドライブトレインを提供します。2010年に、キャニオンは同様のエピサイクロイド/ディレイラーの組み合わせを使用するハイブリッドハブである1.44 ²コンセプトを発表しました。^[18]

Brompton Bicycle は独自の設計で、2 速ディレイラーを特殊な 3 速ワイドレシオ Sturmey-Archer ハブ「BWR」(Brompton Wide Ratio) に連結しています。このシステムは、折りたたみ自転車 (複数のフロント チェーンセットが自転車の折りたたみ機構に干渉する可能性がある)、リカンベント自転車、およびカーゴ バイク(小さな車輪や重量の増加により、より小さなステップでより広い範囲のギアが必要になる) に役立ちます。ハブ ギアは過去にはオートバイにも使用されていましたが、現在ではまれです。

最もシンプルな 3 速ハブでは、単一の遊星歯車セットが使用されています。太陽歯車 (黄色) は車軸にしっかりと取り付けられており、自転車のフレームに対して固定されています。

• 低速ギアでは、スプロケットがアニュラス (赤) を駆動し、遊星キャリア (緑) がハブを駆動してギアを減速します。
• 中間ギアでは、スプロケットがハブを直接駆動します。
• ハイギアでは、スプロケットが遊星キャリア (緑色) を駆動し、アニュラス (赤色) がハブを駆動して、ギアが増加します。

ハブ ギアのハブ アクスル (ディレイラー システムのハブ アクスルとは異なります) は、ダイレクト ドライブ以外のすべてのギアでトルクを伝達するため、回転しないようにしっかりと固定する必要があります。ドロップアウトとアクスル ナットの間にある回転防止ワッシャーで十分な場合が多いのですが、より広範囲に及ぶ最新のシステムでは、チェーン ステーに取り付けられたリアクション アームを使用しています。ドラム ブレーキ付きの後輪 (一部の通勤用自転車に搭載されている機能) には、いずれにしてもリアクション アームが必要です。

ほとんどのハブ ギアは、1 回のひねり、トリガー、またはサム シフターで同様の方法で操作されます。例外は、古いスタイルの Sturmey-Archer 5 速で、2 番目のシフト ケーブルを使用して、クローズ レンジとワイド レンジのサン ギアを切り替えるため、実質的に 1 つのユニットに 2 つの 3 速ハブが備わります。両方のレンジの中間ギアはダイレクト ドライブであるため、5 つの異なるギアがあります。両方のケーブルを操作する特別な 5 速シフター、または通常の 3 速シフターとフリクション シフターを使用して制御できます。

• ハブ ギアはハブ内に密閉されているため、水、砂、衝撃から保護されます。そのため、ハブ ギアは通常、メンテナンスの必要性が少なく、同等の外部ディレイラー ギア システムよりも長期間にわたって信頼性が高くなります。外部ディレイラー ギア システムでは、より多くの調整や部品の交換 (フロント チェーンリング、リア スプロケット、狭いディレイラー チェーン) が必要になる場合があります。
• ハブギアは、ディレイラー システムが被る可能性のあるスポークとの衝突やホイールの破損の危険を完全に回避します。
• ハブギアは、後輪が回転していないときにギア比を変更できます。これは、頻繁に停止する通勤サイクリングや、起伏の多い地形でのマウンテンバイクに役立ちます。
• ハブ ギアは、操作するシフターが 1 つだけで、ギア比が重複することがないため、経験の浅いライダーにとって使いやすい場合があります。対照的に、最新のディレイラー システムには 2 つのシフターが付いていることが多く、問題のあるギアの組み合わせを回避するために事前に考慮する必要があります。
• ハブ ギアは、コースター ブレーキを組み込んだ状態で製造できます(ただし、すべてのハブ ギアにコースター ブレーキが組み込まれているわけではありません)。チェーンは後方への引っ張りを伝達できないため、ディレイラー システムではこれは不可能です。
• ハブギアは、ベルトドライブやシャフトドライブなどの外部ディレイラーと互換性のないドライブトレインでギア比をシフトする手段を提供します。
• シングルチェーンラインにより、チェーン全体を囲むチェーンガードが可能になり、チェーンを水や砂から保護し、衣服を潤滑されたチェーンとの接触から保護することができます。
• シングルチェーンラインでは、チェーンを曲げたりねじったりする必要がありません。その結果、チェーンは、バレル型ではなく平行ピンを使用して異なる構造にすることができます。^[19]ディレイラーチェーンの点接触ではなく、ベアリング面間の線接触により、すべてのコンポーネントの耐用年数が大幅に延長されます。^[要出典]
• 固定チェーンラインの自転車ではチェーン テンショナーは不要で、荒れた地形で損傷する可能性のある部品がなくなるため、オフロード サイクリストにとって有利です。テンショナーが必要な場合でも、通常は短いケージでチェーンのたるみを吸収できます。
• シングル外部スプロケットは、ホイールのハブのフランジ間の距離が広く、ディッシュがまったくないか非常に少ないため、複数のスプロケットを収容するためにフランジ間隔が狭くディッシュが大きい同様のホイールよりも横方向に強くなります。^[20]ギアハブのハブシェルは、ディレイラーハブよりも直径が大きいことが多く、そのようなホイールのスポークは短くなる場合があります。^[20]

• この場合、変更を可能にするには圧力を解放する必要があるため、ペダルを漕ぎながら別のギアを選択するのは困難または不可能になることがあります。
• ハブギア付きの自転車では、ギアケーブル（およびコースターブレーキクランプ）も取り外さなければ後輪を完全に取り外すことはできません。そのため、インナーチューブの交換プロセスが複雑になります（もちろん、ホイールを取り外さずにインナーチューブにパッチを当てることは可能です）。
• ハブギアはホイールの不可欠な部分であり、ハブギアを変更せずにホイールを変更することはできません。
• ハブギアはより複雑で、ライダーが修理するのが難しい場合が多く、路上で修理するのはほぼ不可能です。^[4]
• ハブギアは通常、ディレイラー システムよりも高価です (注: 何と比較するかによって異なります)。
• 通勤/レクリエーション用のパワーレベルでは、現在のハブギアは、適切にメンテナンスされたディレイラーギアよりも効率が約10％低くなります。^{[21] [22]}（注：メーカーが実施したテストの一部のマーケティング資料では、2％という数字が示されていますが、これは間違っているだけでなく、不可能です。いくつかのテストでは、新しい内装ギアハブと古くてメンテナンスの行き届いていないディレイラーシステムを比較したり、車軸に重量をかけずにシステムに負荷をかけたりしませんでした。実際の数値は異なり、効率/損失はすべての遊星歯車トランスミッションの効率/損失に近いです。）
• ハブギアは、同等のギア特性を持つディレイラーシステムよりも重くなる傾向があり、追加重量は後輪に集中します。このため、余分なバネ下重量がトラクションとブレーキに悪影響を与える可能性があるため、スポーツ用途のリアサスペンション自転車ではハブギアは第一の選択肢ではありません。
• ハブギアは一般的にクイックリリース機構/串軸とは互換性がありません。^[2]
• ギアケーブルの調整が不十分だと、ギアを変更するときにギアが選択されないことがあり、その結果、駆動力が完全に失われます。^[要出典]

従来のハブ ギアはシフターでインデックス付けされているため、操作は適切なケーブル張力 (およびその潤滑) に依存します。実際には、長距離走行ユニットを除き、ギアのジャンプとそれに伴う内部損傷はまれです。最新のハブ ギア ユニットはユニット内にインデックス付けを組み込んでいるため、このようにして発生するシフトの不具合の影響を受けません。

Sturmey-ArcherおよびFichtel & Sachs の「Torpedo」システムのほとんどは、ケーブルが緩んだ状態でトップ ギアにデフォルト設定されており、これにより、変速機構に障害が発生した場合でも、自転車を平坦な地形での長距離移動に使用できます。これは、同様の障害が発生した場合に手動でハイ ギアに設定できるディレイラー システムに似ています。ただし、最も初期の Sturmey-Archer ハブは、ロー ギアにデフォルト設定されていました。一部の最新のハブ ギア システム (たとえば、7 速 Shimano) も、デフォルトでボトム ギアに設定されており、ケーブルの引っ張りに大きく依存しています。

一部のシステムでは、内装ギアのハブと外装ディレイラーを組み合わせています。狭いチェーンに適したスプロケットを備えたフリーホイール ハブをダブルまたはトリプル クランクセットとフロント ディレイラーと組み合わせると、より広い範囲とより狭いギア比の間隔を実現できます。チェーンのたるみを解消するにはチェーン テンショナーまたはリア ディレイラーが必要であり、チェーンリング/スプロケット比が小さすぎるとハブに過度のトルクがかからないように注意する必要があります。

あるいは、ハブによっては2つのディッシュ型ドライブスプロケットを取り付けることができ、^[23]ライダーはリアディレイラーでその間を切り替えることができる。スプロケットを慎重に選択することで、1つのスプロケットを使用するときに使用可能なギア比を、2つ目のスプロケットを使用するときに使用可能なギア比の中間にすることができ、半段ギアリングを実現できる。これはブロンプトンの6速折りたたみ自転車に見られるようなものである。この概念は、従来の多段スピードカセットが3速ハブに取り付けられているSRAMデュアルドライブシステムで使用および拡張されている。人気のAWハブの同様のバージョンは、スターメーアーチャーによって製造されている。このシステムは、フロントディレイラーを取り付けることができない自転車に役立つ可能性がある。ドイツの企業キャニオンは、同様のエピサイクラル/ディレイラーの組み合わせを使用するハイブリッドハブである144 ²を2010年に発表した。

フロントディレイラーとリアディレイラーの両方をギア付きハブで使用すると、重量と複雑さが増すものの、非常に広範囲のドライブトレインが実現します。

デュアルドライブ システムは、特にリカンベント バイクで使用されます。リカンベント バイクでは、停止状態からの発進や急ブレーキ後に、高いギアが作動すると非常に困難になります。直立型バイクでは、高いギアが作動すると、ライダーは片足で最小限の推進力を得てペダルの上に立ち、上半身を使ってバイクのバランスを取ることができます。これは、2 輪のリカンベント バイクでは不可能です。この場合、デュアルドライブ セットアップにより、停止状態または低速でのシフトが可能になります。これは、ディレイラー ギアだけでは不可能です。

高度なハブ ギアは、互いに駆動する複数の遊星ギアを使用することで、より多くのギアを提供します。ギア比は、より均等な間隔のギアと、より大きな総ギア範囲が得られるように選択されます。このようなユニットの動作原理は、トリガーまたはツイスト シフターによるシーケンシャル シフトを備えた、それほど高度ではないシステムと同じです。

• 12 速のSachs Elan は、市場で初めて 10 速以上のハブ ギアでした (1995 ～ 1999 年)。このハブ ギアは重く、品質の問題を抱えていたため、数年後に製造中止となりました。
• 1998 年に導入された14 速Rohloff Speedhubハブ ギアの範囲は 5 対 1 を超えており、24、27、30 速ディレイラー システム (フロントとリアに 3×8、3×9、3×10 コグ) の範囲に匹敵します。後者は、約 14 の異なるギアのみで 3 つの重複する範囲を持つことが多いためです。Speedhub との重複がないため、ハブ ギアには 2 つのシフト方向 (上下) しかありません。一方、フロントとリアのディレイラー ギアでは、すべてのギアをシフトするために 2 つのシフト方向を持つ 2 つのシフト オペレーターが必要です。
• 2010 年に導入された11 速Shimano Alfine 700ハブ ギアは、4 対 1 を超えるギア範囲を持ち、20 速ディレイラー ドライブトレインに匹敵します。また、内部はオイル バスで稼働し、機械効率が向上しています。

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  リングギアを取り外して複合（段付き）遊星ギアを見せた Sturmey-Archer AM 自転車ハブギア機構。
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  トレック・ソーホーのベルトドライブにはスプロケットも取り付けられている。^[24]
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  伝統的な 3 速サムレバー シフター。これは 1967 年から 1975 年の間に製造された Sturmey Archer シフターで、選択したギアと製造元のブランドを表示する透明なプラスチック アップリケがありません。
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  最新の SRAM Spectro S7 ツイスト スタイル 7 速インデックス シフターは、古いレバーと同じボウデン ケーブルを使用します。
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  SRAMデュアルドライブコンビネーションディレイラーギアとハブギア
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  14速ハブ断面図
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  Rohloff 14速内装ギアリアハブ
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  2 速ギアハブの図。
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  Fichtel & Sachs の自動切り替え 2 速ギア ハブ。
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  Eadie 2 速コースター ブレーキ ギア ハブの断面図。
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  分解されたトライコースター ギア/ブレーキ ハブ。太陽ギアは上部中央を横切る車軸の中央に取り付けられ、4 つの遊星ギアは中央の右側に正方形に配置され、リング ギアはそれらの右上にあります。
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  Sturmey Archer 3 速ギア ハブの分解図。
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  シマノ3速ギアハブ。
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  Rohloff 14 速段階減速遊星歯車シリーズ。

ウィキメディア・コモンズには、自転車のハブギアに関連するメディアがあります。

• ハブギアのフラッシュアニメーション
• シェルドン・ブラウンによる既存の内装ギアハブのギア比と範囲の概要
• トニー・ハドランドの自転車ギアの歴史と技術のページ