自行车变速操纵机构技术综述

摘 要：自行车变速操纵机构是自行车重要组成部件之一。文章分析了自行车变速操纵机构领域的专利申请分析以及技术发展历程，并结合重要申请人株式会社岛野分析了当今该领域技术研发的重心和热点。

关键词：自行车；变速；自动；档位；控制

1 概述

纵观当今自行车的世界潮流，变速自行车已成为世界自行车的主流。随着人民生活水平的不断提高，为了满足更多需求，自行车从单一功能向多功能发展成为一个必然趋势。

文章正是基于对自行车变速操纵机构这一技术领域的专利申请进行分析，从中国以及全球的专利申请量、申请人的分布等多方面统计分析，阐述了自行车变速操纵机构技术领域的专利申请发展趋势，追踪了这一技术的发展脉络，重点针对技术方向和技术手段的发展脉络进行了梳理。针对重要申请人株式会社岛野等企业的技术进行分析，并对其前沿技术进行重点研究。

2 专利申请分析

2.1 中国专利分析

主要针对中国专利申请量状况的趋势以及国内重要申请人进行分析，从中得到相关的自行车变速操纵机构技术发展趋势，以及重要申请人的历年专利申请状况。

2.1.1 中国专利申请量趋势（1990-2013）

图1示出了该领域中国专利申请量趋势图，从图1中可以看出自行车变速操纵机构的中国申请量在2000年开始呈现大幅度增长趋势，尤其是在2002年以后呈现快速增长趋势，每年的申请件数由2002年以前的5件以内增长到20件以上，最高年份达32件。从图1中可以还看出，虽然2002年以后的申请量整体呈现大幅度上升趋势，但并不是每年都呈上升趋势，其中出现过两次波动，出现这种波动，除了受正常的国家知识产权政策和工业生产形势的影响外，还可能是由于以下原因：

（1）从申请人角度分析，由于从事变速操纵机构技术研发的，多为国外大型企业（详见图2中国重要申请人分布图），申请较为集中。因此，个别或少数申请人在某一年度申请量的正常变化，可能会影响该年度国内申请的整体趋势。

（2）从技术研发角度分析，变速自行车是一种普遍的运

动、健身、休闲和娱乐性产品，工业发达的欧美国家以及日本等国和地区所打造的各类自行车产品，从外观造型、材料选用，一直到表面装饰、整车装备等各个方面，发展非常迅速，美观、轻便、智能化也逐渐成为技术研发的热点，因此文章仅以变速操纵机构为切入点进行分析，与对整个领域的研究相比，数据还容易受各研发方向之间的平衡状况影响。

图1 变速操作机构中国专利申请量趋势图

2.1.2 中国专利IPC分布

自行车变速操纵机构这一技术领域，在中国的申请以手控变速器和电控变速器为主，这也从一定程度上体现了该领域的技术研发方向和热点。

2.1.3 中国重要申请人分布

从国内专利申请重要申请人方面做进一步分析，图2示出了自行车变速操纵机构中国专利申请的重要申请人的专利申请量，该图表显示的数据具有非常明显的两个特点：（1）国内申请人在中国的申请量上未显示出优势；（2）国外申请人主要集中在欧美和日本，其中株式会社岛野的申请量占绝对优势。

图2 变速操作机构中国重要申请人分布

申请量较高的中国申请人各自排名状况也基本可以反映其研发规模和研发水平，例如，排名首位的株式会社岛野不仅在申请量上具有明显优势，同时也是开展自行车变速操纵机构研究工作较早、研究范围较广、在领域内具有一定影响力的申请人，其最早自1993年1月20日提出发明名称为“带变速指示器的自行车变速操纵器”（公开号CN1078697 A）发明专利申请，随后的研究涉及变速操纵机构的改进、变速操纵机构的布置以及变速控制方法，这也正是变速操纵机构技术发展脉络的体现，株式会社岛野对该领域的发展可谓是中流砥柱，起到了举足轻重的作用。

2.2 全球性专利分析

主要针对全球专利申请量状况的趋势以及全球重要申请人进行分析，从中得到相关的自行车变速操纵机构技术发展趋势，以及重要申请人的历年专利申请状况。

2.2.1 全球专利申请量趋势

图3示出了该领域的全球申请与中国申请趋势对比图，从图3中可以看出申请量在整体上呈现出增长趋势，中间的波动虽然频繁，但幅度比较缓和，符合技术发展的一般规律。另外，还可以看出，该领域中国申请量占全球申请量的比重呈现递增状态，有些年份甚至达到了将近50%的比例。可见自行车变速操纵机构技术领域不仅在全球范围内以良好趋势发展，中国申请量比重的提高也反应了国内该领域的发展同样欣欣向荣，否则，技术比较成熟的国外企业也不会在中国市场寻求专利权的保护。这其中的主要原因在于，随着石油等能源的消耗，健康、环保的理念开始深入大众的意识，并且随着国家近几年一直倡导绿色、低碳出行，自行车作为代步或者比赛用车，始终与人们的生活息息相关。

图3 变速操作机构全球专利申请量趋势

2.2.2 全球专利申请量分布及重要申请人排名

全球专利申请量的国家分布主要集中在日本、欧美和中国，而通过前面对中国专利申请的分析也同样可以发现，日本和欧美在中国的申请量与其他国家相比亦处于主导地位。

图4 变速操作机构全球重要申请人分布

图4 示出了全球重要申请人的排名，体现在全球范围内，该领域仍然是日本、意大利、美国占据主导地位，并远远高于其他国家的水平，其中尤以日本申请量最高，占总申请量的比例接近40%，这些数据都毫无疑义的证明了这三个国家在自行车变速操纵机构技术领域的领先及核心地位。

此外，全球重要申请人排名的前三位与中国申请人排名的前三位相同，可见这三位申请人对于该领域的影响力在全球范围也同样举足轻重。

2.3 技术构成

自行车变速操纵机构的发展主要涉及变速操纵机构的改进、变速操纵机构的布置以及变速控制方法三条主线，三者共同影响自行车变速技术的性能。

3 自行车变速操纵机构技术发展路线

自行车是传统产业，具有100多年的历史。在1902年，英国史都梅――阿切尔公司在自行车后轮装上了变速器，变速自行车出现了。正如之前对该领域技术构成的分析所述，自行车变速操纵机构的发展主要涉及变速操纵机构的布置、变速操纵机构的改进以及变速控制方法三条主线，三者共同影响自行车变速技术的性能，三条主线下又分别分有二级技术分支。

3.1 变速操纵机构的布置

主要介绍变速操纵机构布置这一技术分支下的技术发展状况以及代表性专利，主要涉及安装位置的变更、变速指示可视性的优化以及变速与制动集成化。

3.1.1 安装位置的变更

最初的自行车变速，需要人用手来拨动链条，无疑这样做是很危险的。Shimano、Campagnolo这世界两大巨头公司，前后推出了在车把上的手拨系统，可以说这是一次自行车历史发展上的重要变革，其产生的历史意义是深远的，因为它使得人们在操控变速系统的时候，无需再低下头或者手离开车把到斜梁上去拨动拨杆，这个时代已经结束了。现在，人们只需要在车把上直接拨动手拨系统的变速把手，就可以轻松自如的选取我们所想要的齿轮比了。

代表性专利：Shimano公司最早于1959年7月21日提出了一篇专利申请（公开号：US3021728 A），技术要点：将三级变速操纵装置设置于转向把上，使得骑乘者的操作更为方便，减少了安全隐患，在自行车发展历程中作出了具有里程碑意义的贡献。

3.1.2 变速指示可视性的优化

随着变速操纵机构设置于车把的推广应用，又出现了新的技术问题，用来显示变速装置速度选择的速度指示器，由于这种指示器靠变速装置与车把的相关位置而定，使得骑车人不易看到。因此，提供一种易于被骑车人看到、且与变速装置相对于自行车把位置无关的速度指示器，则成为了该领域技术研发的方向。

代表性专利：株式会社岛野于1992年9月12日提出了一篇专利申请（公开号：JP3359663 B2），技术要点：自行车变速装置包括一个用来缠绕变速线的绕紧装置，变速杆用来转动绕紧装置，一个与变速装置分离构成并且安装在把手上的速度指示器，一个用于将变速装置的移动传送到速度指示器的连动装置，上述结构允许把速度指示器安装在易被骑车人在任何情况下所能看到的车把上的位置，而与变速装置相对于车把的位置无关。

3.2 变速操纵机构的改进

主要介绍变速操纵机构改进这一技术分支下的技术发展状况以及代表性专利，主要涉及变速指示精确度优化以及档位操作优化。

3.2.1 变速指示精确度的优化

传统的自行车变速操纵器包括速度指示器，指示器具有一标度盘和一可绕垂直轴转动的指针，在侧边设置了一个用于卷绕变速缆绳的卷线盘，这种传统装置的缺点不仅是连结装置大过复杂，而且还减低了精确性和可靠性。因此，提供一种紧凑的并且具有高度变速指示精确性和可靠性的自行车变速操纵器，逐渐成为该领域技术研究的重心之一。

代表性专利：株式会社岛野于1993年1月15日提出了一篇专利申请（公开号：US5325735 A），技术要点：该申请针对传统变速操纵器的类型进行改进，其中变速指示器包括一设置在卷线盘上并在俯视方向上至少部分地与卷线盘重叠的指示元件。这样，该变速指示器可精确地指明由变速器装置新产生的变速状况。

3.2.2 档位操作的优化

常规的自行车变速控制机构包括一个卷线件，一个使卷线件保持在多个档位中的一个所需档位上的定位保持机构以及一个释放杆，常规机构的缺陷在于对骑车人不方便，基于上述技术问题，针对档位优化的研究也不断升温。

代表性专利：株式会社岛野于1993年12月21日提出了一篇专利申请（公开号：US5676022 A），技术要点：提供一种变速控制装置，它使骑乘者能够在一次动作中快速而可靠地完成两档或更多档的变速操作，该装置能方便地变换到预定的低速档。

3.3 变速控制方法

随着自动控制技术的发展，微型计算机等控制设备的成本也不断降低，同时消费者也对自行车变速技术提出了更高的要求，因此，国内外自行车或者变速机构制造商、研发者对于变速控制方法的研究不断深入。主要介绍变速控制方法这一技术分支下的技术发展状况以及代表性专利。

3.3.1 变速自动化

我们从1992年3月2日提出的美国专利US5213548 A了解了自动操作变速装置的齿轮变换装置，该变速装置能改变曲轴与后轮转数比，根据曲柄速度和自行车速度之比检测当前齿轮比，并在曲柄慢而自行车快等情况下根据程序进行变速动作的自动化装置。

3.3.2 变速档位的优化

自动变速技术推广后，如何选择最佳变速档位成为了研究的主流。现有的公知技术不能满足对应链条的张力进行变速，因为自行车的加速度和链条的张力不能一一对应。因此，希望能开发使变速机构的机械部分在小负荷下动作的自动变速装置。

代表性专利：株式会社岛野于1996年9月20日提出了一篇专利申请（公开号：JP3284060 B2），技术要点：（1）可对应链条张力进行变速控制。（2）变速控制完全自动化。（3）在坡道等条件下可进行恰当的变速控制。

3.4 技术研发热点

从上述自行车变速操纵机构的技术发展路线，可以总结出该领域的技术处于不断发展的状态，技术分支中变速操纵机构的布置以及改进这两个技术分支的发展已趋于成熟。而变速控制方法的技术分支起步虽然晚，但是申请量处于稳定的增长趋势，这也体现了当今对于变速自行车的需求点，正朝着智能化、安全化、舒适化的方向发展，同时也是目前自行车变速操纵机构的技术研发热点。

4 结束语

通过以上分析可以看出，自行车变速操纵机构领域的专利申请量以稳定的速度增长，从申请人分布来看，不论体现在中国还是全球范围内，该领域仍然是日本、意大利、美国占据主导地位，并远远高于其他国家的水平，其中尤以日本申请量最高，申请人株式会社岛野占据了该领域主要的申请量，同时也是该领域技术发展的先驱者和研发者。

该领域的专利技术倾向于少数重要申请人，一方面说明该技术的复杂性和技术的延续性，一方面说明这些申请人研究的广度和深度都在不断提高。我国在该方面的研究略显单薄，还有待提高。

参考文献

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作者简介：王新星（1987-），男，国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心审查员，主要从事自行车领域的发明专利实质审查工作。

袁娇娇对文章的贡献等同第一作者。