自行車變速操縱機構(gòu)技術(shù)綜述

摘 要：自行車變速操縱機構(gòu)是自行車重要組成部件之一。文章分析了自行車變速操縱機構(gòu)領(lǐng)域的專利申請分析以及技術(shù)發(fā)展歷程，并結(jié)合重要申請人株式會社島野分析了當今該領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)的重心和熱點。

關(guān)鍵詞：自行車；變速；自動；檔位；控制

1 概述

縱觀當今自行車的世界潮流，變速自行車已成為世界自行車的主流。隨著人民生活水平的不斷提高，為了滿足更多需求，自行車從單一功能向多功能發(fā)展成為一個必然趨勢。

文章正是基于對自行車變速操縱機構(gòu)這一技術(shù)領(lǐng)域的專利申請進行分析，從中國以及全球的專利申請量、申請人的分布等多方面統(tǒng)計分析，闡述了自行車變速操縱機構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域的專利申請發(fā)展趨勢，追蹤了這一技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)，重點針對技術(shù)方向和技術(shù)手段的發(fā)展脈絡(luò)進行了梳理。針對重要申請人株式會社島野等企業(yè)的技術(shù)進行分析，并對其前沿技術(shù)進行重點研究。

2 專利申請分析

2.1 中國專利分析

主要針對中國專利申請量狀況的趨勢以及國內(nèi)重要申請人進行分析，從中得到相關(guān)的自行車變速操縱機構(gòu)技術(shù)發(fā)展趨勢，以及重要申請人的歷年專利申請狀況。

2.1.1 中國專利申請量趨勢（1990-2013）

圖1示出了該領(lǐng)域中國專利申請量趨勢圖，從圖1中可以看出自行車變速操縱機構(gòu)的中國申請量在2000年開始呈現(xiàn)大幅度增長趨勢，尤其是在2002年以后呈現(xiàn)快速增長趨勢，每年的申請件數(shù)由2002年以前的5件以內(nèi)增長到20件以上，最高年份達32件。從圖1中可以還看出，雖然2002年以后的申請量整體呈現(xiàn)大幅度上升趨勢，但并不是每年都呈上升趨勢，其中出現(xiàn)過兩次波動，出現(xiàn)這種波動，除了受正常的國家知識產(chǎn)權(quán)政策和工業(yè)生產(chǎn)形勢的影響外，還可能是由于以下原因：

（1）從申請人角度分析，由于從事變速操縱機構(gòu)技術(shù)研發(fā)的，多為國外大型企業(yè)（詳見圖2中國重要申請人分布圖），申請較為集中。因此，個別或少數(shù)申請人在某一年度申請量的正常變化，可能會影響該年度國內(nèi)申請的整體趨勢。

（2）從技術(shù)研發(fā)角度分析，變速自行車是一種普遍的運

動、健身、休閑和娛樂性產(chǎn)品，工業(yè)發(fā)達的歐美國家以及日本等國和地區(qū)所打造的各類自行車產(chǎn)品，從外觀造型、材料選用，一直到表面裝飾、整車裝備等各個方面，發(fā)展非常迅速，美觀、輕便、智能化也逐漸成為技術(shù)研發(fā)的熱點，因此文章僅以變速操縱機構(gòu)為切入點進行分析，與對整個領(lǐng)域的研究相比，數(shù)據(jù)還容易受各研發(fā)方向之間的平衡狀況影響。

圖1 變速操作機構(gòu)中國專利申請量趨勢圖

2.1.2 中國專利IPC分布

自行車變速操縱機構(gòu)這一技術(shù)領(lǐng)域，在中國的申請以手控變速器和電控變速器為主，這也從一定程度上體現(xiàn)了該領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)方向和熱點。

2.1.3 中國重要申請人分布

從國內(nèi)專利申請重要申請人方面做進一步分析，圖2示出了自行車變速操縱機構(gòu)中國專利申請的重要申請人的專利申請量，該圖表顯示的數(shù)據(jù)具有非常明顯的兩個特點：（1）國內(nèi)申請人在中國的申請量上未顯示出優(yōu)勢；（2）國外申請人主要集中在歐美和日本，其中株式會社島野的申請量占絕對優(yōu)勢。

圖2 變速操作機構(gòu)中國重要申請人分布

申請量較高的中國申請人各自排名狀況也基本可以反映其研發(fā)規(guī)模和研發(fā)水平，例如，排名首位的株式會社島野不僅在申請量上具有明顯優(yōu)勢，同時也是開展自行車變速操縱機構(gòu)研究工作較早、研究范圍較廣、在領(lǐng)域內(nèi)具有一定影響力的申請人，其最早自1993年1月20日提出發(fā)明名稱為“帶變速指示器的自行車變速操縱器”（公開號CN1078697 A）發(fā)明專利申請，隨后的研究涉及變速操縱機構(gòu)的改進、變速操縱機構(gòu)的布置以及變速控制方法，這也正是變速操縱機構(gòu)技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)的體現(xiàn)，株式會社島野對該領(lǐng)域的發(fā)展可謂是中流砥柱，起到了舉足輕重的作用。

2.2 全球性專利分析

主要針對全球?qū)＠暾埩繝顩r的趨勢以及全球重要申請人進行分析，從中得到相關(guān)的自行車變速操縱機構(gòu)技術(shù)發(fā)展趨勢，以及重要申請人的歷年專利申請狀況。

2.2.1 全球?qū)＠暾埩口厔?/p>

圖3示出了該領(lǐng)域的全球申請與中國申請趨勢對比圖，從圖3中可以看出申請量在整體上呈現(xiàn)出增長趨勢，中間的波動雖然頻繁，但幅度比較緩和，符合技術(shù)發(fā)展的一般規(guī)律。另外，還可以看出，該領(lǐng)域中國申請量占全球申請量的比重呈現(xiàn)遞增狀態(tài)，有些年份甚至達到了將近50%的比例?？梢娮孕熊囎兯俨倏v機構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域不僅在全球范圍內(nèi)以良好趨勢發(fā)展，中國申請量比重的提高也反應(yīng)了國內(nèi)該領(lǐng)域的發(fā)展同樣欣欣向榮，否則，技術(shù)比較成熟的國外企業(yè)也不會在中國市場尋求專利權(quán)的保護。這其中的主要原因在于，隨著石油等能源的消耗，健康、環(huán)保的理念開始深入大眾的意識，并且隨著國家近幾年一直倡導(dǎo)綠色、低碳出行，自行車作為代步或者比賽用車，始終與人們的生活息息相關(guān)。

圖3 變速操作機構(gòu)全球?qū)＠暾埩口厔?/p>

2.2.2 全球?qū)＠暾埩糠植技爸匾暾埲伺琶?/p>

全球?qū)＠暾埩康膰曳植贾饕性谌毡?、歐美和中國，而通過前面對中國專利申請的分析也同樣可以發(fā)現(xiàn)，日本和歐美在中國的申請量與其他國家相比亦處于主導(dǎo)地位。

圖4 變速操作機構(gòu)全球重要申請人分布

圖4 示出了全球重要申請人的排名，體現(xiàn)在全球范圍內(nèi)，該領(lǐng)域仍然是日本、意大利、美國占據(jù)主導(dǎo)地位，并遠遠高于其他國家的水平，其中尤以日本申請量最高，占總申請量的比例接近40%，這些數(shù)據(jù)都毫無疑義的證明了這三個國家在自行車變速操縱機構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先及核心地位。

此外，全球重要申請人排名的前三位與中國申請人排名的前三位相同，可見這三位申請人對于該領(lǐng)域的影響力在全球范圍也同樣舉足輕重。

2.3 技術(shù)構(gòu)成

自行車變速操縱機構(gòu)的發(fā)展主要涉及變速操縱機構(gòu)的改進、變速操縱機構(gòu)的布置以及變速控制方法三條主線，三者共同影響自行車變速技術(shù)的性能。

3 自行車變速操縱機構(gòu)技術(shù)發(fā)展路線

自行車是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，具有100多年的歷史。在1902年，英國史都梅——阿切爾公司在自行車后輪裝上了變速器，變速自行車出現(xiàn)了。正如之前對該領(lǐng)域技術(shù)構(gòu)成的分析所述，自行車變速操縱機構(gòu)的發(fā)展主要涉及變速操縱機構(gòu)的布置、變速操縱機構(gòu)的改進以及變速控制方法三條主線，三者共同影響自行車變速技術(shù)的性能，三條主線下又分別分有二級技術(shù)分支。

3.1 變速操縱機構(gòu)的布置

主要介紹變速操縱機構(gòu)布置這一技術(shù)分支下的技術(shù)發(fā)展狀況以及代表性專利，主要涉及安裝位置的變更、變速指示可視性的優(yōu)化以及變速與制動集成化。

3.1.1 安裝位置的變更

最初的自行車變速，需要人用手來撥動鏈條，無疑這樣做是很危險的。Shimano、Campagnolo這世界兩大巨頭公司，前后推出了在車把上的手撥系統(tǒng)，可以說這是一次自行車歷史發(fā)展上的重要變革，其產(chǎn)生的歷史意義是深遠的，因為它使得人們在操控變速系統(tǒng)的時候，無需再低下頭或者手離開車把到斜梁上去撥動撥桿，這個時代已經(jīng)結(jié)束了。現(xiàn)在，人們只需要在車把上直接撥動手撥系統(tǒng)的變速把手，就可以輕松自如的選取我們所想要的齒輪比了。

代表性專利：Shimano公司最早于1959年7月21日提出了一篇專利申請（公開號：US3021728 A），技術(shù)要點：將三級變速操縱裝置設(shè)置于轉(zhuǎn)向把上，使得騎乘者的操作更為方便，減少了安全隱患，在自行車發(fā)展歷程中作出了具有里程碑意義的貢獻。

3.1.2 變速指示可視性的優(yōu)化

隨著變速操縱機構(gòu)設(shè)置于車把的推廣應(yīng)用，又出現(xiàn)了新的技術(shù)問題，用來顯示變速裝置速度選擇的速度指示器，由于這種指示器靠變速裝置與車把的相關(guān)位置而定，使得騎車人不易看到。因此，提供一種易于被騎車人看到、且與變速裝置相對于自行車把位置無關(guān)的速度指示器，則成為了該領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)的方向。

代表性專利：株式會社島野于1992年9月12日提出了一篇專利申請（公開號：JP3359663 B2），技術(shù)要點：自行車變速裝置包括一個用來纏繞變速線的繞緊裝置，變速桿用來轉(zhuǎn)動繞緊裝置，一個與變速裝置分離構(gòu)成并且安裝在把手上的速度指示器，一個用于將變速裝置的移動傳送到速度指示器的連動裝置，上述結(jié)構(gòu)允許把速度指示器安裝在易被騎車人在任何情況下所能看到的車把上的位置，而與變速裝置相對于車把的位置無關(guān)。

3.2 變速操縱機構(gòu)的改進

主要介紹變速操縱機構(gòu)改進這一技術(shù)分支下的技術(shù)發(fā)展狀況以及代表性專利，主要涉及變速指示精確度優(yōu)化以及檔位操作優(yōu)化。

3.2.1 變速指示精確度的優(yōu)化

傳統(tǒng)的自行車變速操縱器包括速度指示器，指示器具有一標度盤和一可繞垂直軸轉(zhuǎn)動的指針，在側(cè)邊設(shè)置了一個用于卷繞變速纜繩的卷線盤，這種傳統(tǒng)裝置的缺點不僅是連結(jié)裝置大過復(fù)雜，而且還減低了精確性和可靠性。因此，提供一種緊湊的并且具有高度變速指示精確性和可靠性的自行車變速操縱器，逐漸成為該領(lǐng)域技術(shù)研究的重心之一。

代表性專利：株式會社島野于1993年1月15日提出了一篇專利申請（公開號：US5325735 A），技術(shù)要點：該申請針對傳統(tǒng)變速操縱器的類型進行改進，其中變速指示器包括一設(shè)置在卷線盤上并在俯視方向上至少部分地與卷線盤重疊的指示元件。這樣，該變速指示器可精確地指明由變速器裝置新產(chǎn)生的變速狀況。

3.2.2 檔位操作的優(yōu)化

常規(guī)的自行車變速控制機構(gòu)包括一個卷線件，一個使卷線件保持在多個檔位中的一個所需檔位上的定位保持機構(gòu)以及一個釋放桿，常規(guī)機構(gòu)的缺陷在于對騎車人不方便，基于上述技術(shù)問題，針對檔位優(yōu)化的研究也不斷升溫。

代表性專利：株式會社島野于1993年12月21日提出了一篇專利申請（公開號：US5676022 A），技術(shù)要點：提供一種變速控制裝置，它使騎乘者能夠在一次動作中快速而可靠地完成兩檔或更多檔的變速操作，該裝置能方便地變換到預(yù)定的低速檔。

3.3 變速控制方法

隨著自動控制技術(shù)的發(fā)展，微型計算機等控制設(shè)備的成本也不斷降低，同時消費者也對自行車變速技術(shù)提出了更高的要求，因此，國內(nèi)外自行車或者變速機構(gòu)制造商、研發(fā)者對于變速控制方法的研究不斷深入。主要介紹變速控制方法這一技術(shù)分支下的技術(shù)發(fā)展狀況以及代表性專利。

3.3.1 變速自動化

我們從1992年3月2日提出的美國專利US5213548 A了解了自動操作變速裝置的齒輪變換裝置，該變速裝置能改變曲軸與后輪轉(zhuǎn)數(shù)比，根據(jù)曲柄速度和自行車速度之比檢測當前齒輪比，并在曲柄慢而自行車快等情況下根據(jù)程序進行變速動作的自動化裝置。

3.3.2 變速檔位的優(yōu)化

自動變速技術(shù)推廣后，如何選擇最佳變速檔位成為了研究的主流?，F(xiàn)有的公知技術(shù)不能滿足對應(yīng)鏈條的張力進行變速，因為自行車的加速度和鏈條的張力不能一一對應(yīng)。因此，希望能開發(fā)使變速機構(gòu)的機械部分在小負荷下動作的自動變速裝置。

代表性專利：株式會社島野于1996年9月20日提出了一篇專利申請（公開號：JP3284060 B2），技術(shù)要點：（1）可對應(yīng)鏈條張力進行變速控制。（2）變速控制完全自動化。（3）在坡道等條件下可進行恰當?shù)淖兯倏刂啤?/p>

3.4 技術(shù)研發(fā)熱點

從上述自行車變速操縱機構(gòu)的技術(shù)發(fā)展路線，可以總結(jié)出該領(lǐng)域的技術(shù)處于不斷發(fā)展的狀態(tài)，技術(shù)分支中變速操縱機構(gòu)的布置以及改進這兩個技術(shù)分支的發(fā)展已趨于成熟。而變速控制方法的技術(shù)分支起步雖然晚，但是申請量處于穩(wěn)定的增長趨勢，這也體現(xiàn)了當今對于變速自行車的需求點，正朝著智能化、安全化、舒適化的方向發(fā)展，同時也是目前自行車變速操縱機構(gòu)的技術(shù)研發(fā)熱點。

4 結(jié)束語

通過以上分析可以看出，自行車變速操縱機構(gòu)領(lǐng)域的專利申請量以穩(wěn)定的速度增長，從申請人分布來看，不論體現(xiàn)在中國還是全球范圍內(nèi)，該領(lǐng)域仍然是日本、意大利、美國占據(jù)主導(dǎo)地位，并遠遠高于其他國家的水平，其中尤以日本申請量最高，申請人株式會社島野占據(jù)了該領(lǐng)域主要的申請量，同時也是該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的先驅(qū)者和研發(fā)者。

該領(lǐng)域的專利技術(shù)傾向于少數(shù)重要申請人，一方面說明該技術(shù)的復(fù)雜性和技術(shù)的延續(xù)性，一方面說明這些申請人研究的廣度和深度都在不斷提高。我國在該方面的研究略顯單薄，還有待提高。

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作者簡介：王新星（1987-），男，國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心審查員，主要從事自行車領(lǐng)域的發(fā)明專利實質(zhì)審查工作。

袁嬌嬌對文章的貢獻等同第一作者。