KR100374855B1 - 전기자전거의 자동변속장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기자전거의 자동변속장치에 관한 것으로, 모터에서 발생되는 동력을 전기자전거의 구동축으로 전달하는 과정에서 전기자전거의 주행조건에 따라 변하는 구동모터의 부하를 감지하여 자동으로 변속이 되도록 한 전기자전거의 자동변속장치에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 전기자전거에서 변속을 필요로 하는 시기에 정확하게 변속되게 하여 제품의 신뢰성을 높이고, 정교하고 복잡한 기계적 운동부품의 삭제로 향후에 발생할 유지 및 보수에 따른 문제를 최소화 했으며, 제조에 사용하는 부품수를 줄여 작업생산성을 보다 향상시킬 수 있는 전기자전거의 자동변속장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 배터리에 의해 구동되는 모터와, 상기 모터에 의한 회전력으로 전기자전거의 구동축을 회전시키는 구동부재를 구비한 전기자전거에 있어서,

마찰판부를 구동하는 솔레노이드와, 상기 솔레노이드의 구동이 종료되면 마찰판부를 원래의 위치로 복귀시키는 스프링과, 상기 솔레노이드와 스프링에 의해 동작되어 동력을 변속 전달하는 마찰판부 및 상기 모터에 걸리는 부하를 감지하여 상기 솔레노이드의 구동을 제어하는 제어부로 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

전기자전거의 자동변속장치{AN AUTOMATIC TRANSMISSION OF ELECTRIC BYCICLE}

본 발명은 전기자전거의 자동변속장치에 관한 것으로, 모터에서 발생되는 동력을 전기자전거의 구동축으로 전달하는 과정에서 전기자전거의 주행조건에 따라 변하는 구동모터의 부하를 감지하여 자동으로 변속이 되도록 한 전기자전거의 자동 변속장치에 관한 것이다.

전기자전거는 전기를 동력으로 사용하여 차륜을 구동시키는 자전거로서, 특히 노약자나 장애인과 같이 자력에 의하여 자전거를 운전할 수 없는 사람에게 애용되고 있다. 또한, 정상인이라도 중장거리를 이동하는 경우이거나 무거운 중량의 화물을 탑재한 상태의 운전시 사용되고 있다. 아울러 자전거의 동력원이 전기이기 때문에 환경친화적이며, 자원의 절감차원에서 바람직한 운송수단이라 할 수 있다.

일반적으로 전기자전거는 동력원인 배터리에서 제어부를 통해 구동원인 모터로 전원이 인가되면, 모터의 회전력이 전기자전거의 구동축으로 전달되어 운전이 실시된다. 운전중인 운전자는 여러가지 운전상황에 따라 전기자전거의 속도를 가변시키게 된다. 종래의 전기자전거는 주행중 오르막길을 운행하거나, 과도한 중량의 화물을 탑재한 상태로 주행하는 경우로 인해 전기자전거의 구동축에 부하가 크게 걸리면 수동으로 속도를 조절하거나, 또는 페달을 밟는 힘을 센싱하는 센서와 같은 전자장치에 의해 속도를 조절함으로써 전기자전거의 구동축에 걸리는 부하를 해소하는 방법을 사용하였는데, 이와같은 속도 조절방법은 모터측에 걸리는 부하도 함께 상승되어 모터 소손의 위험과 더불어 전력의 소모량이 커지는 문제가 있어, 이에 대한 해결방안으로 도 4 및 도 5, 도 6, 도 7에 도시된 바와 같이 기계식 자동 변속장치를 사용하여 자전거의 구동축에 작용되는 부하의 증감에 따라 자동으로 변속을 실시하도록 하여, 모터의 부하상승으로 인한 소손과 전력의 소모량이 커지는 것을 방지하고 있다.

도 4는 종래 기술에 따른 기계식 자동변속장치를 상측에서 바라본 도면이고, 도 5는 종래 기술에 따른 기계식 자동변속장치에서 고정하우징과 이동하우징의 결합상태도이며, 도 6은 종래 기술에 따른 기계식 자동변속장치에서 부하가 걸리지 않은 상태일때 상태도이고, 도 7은 종래 기술에 따른 기계식 자동변속장치에서 부하가 걸린 상태일때 상태도이다. 전기자전거가 정지된 상태이거나, 내리막길 주행시와 같이 자전거 휠(wheel)의 회전에 따른 부하를 받지 않는 경우에는 도 6에 도시된 바와 같이, 이동하우징(13)은 S에 위치하며, 전기자전거가 출발하려는 시점 또는 오르막길 주행시에는 전기자전거 구동축에 부하가 크게 걸리는데, 이에 따라 구동축에서 동력전달부재를 통하여 모터쪽으로 큰힘이 작용되므로, 작용되는 힘의 반대방향으로 작용되는 힘에 의하여 이동하우징(13)이 제1 회전축(15)을 중심으로 S에서 F측 방향으로 회전된다.

이동하우징(13)이 고정하우징(11)의 내부에서 S에서 F의 위치로 이동되면서 클러치의 이동돌기(37c)가 안내홈(11a)에서 슬라이딩되고, 클러치(37)는 제3 회전축(31)의 제2 고속기어(35)측에서 제2 저속기어(33)측으로 이동되어 클러치(37)의 마찰판(37b)과 제2 저속기어의 마찰판(33a)이 맞물리게 된다. 따라서 모터(19)에서 발생되는 회전구동력은 구동기어(21) ⇒ 제1 연동기어(23) ⇒ 제2 회전축(25) ⇒ 제1 저속기어(27) ⇒ 제2 저속기어(33) ⇒ 클러치(37) ⇒ 제3 회전축(31) ⇒ 제2 연동기어(39) ⇒ 제3 연동기어(41) ⇒ 제1 회전축(15) ⇒ 마찰기어(17)의 순서로 전달되므로 마찰기어(17)가 제1 및 제2 저속기어(27),(33)들의 회전력 전달로 인하여 모터(19)의 출력이 고속상태에서 저속상태로 변속되어 타이어(5)측에서 마찰기어(17)측으로 작용되는 힘을 이기고 타이어(5)를 회전시키게 되는 것이다. 반대로, 고부하 상태를 벗어나게 되어 타이어(5)에서 마찰기어(17)측에 반작용되는 힘이 작아지게 되면, 토션스프링(51)의 복원력에 의해 이동하우징(13)은 제1 회전축(15)을 중심으로 F의 위치에서 본래의 위치인 S의 위치로 복귀된다.

이처럼 이동하우징이 S의 위치로 복귀되면, 클러치(37)는 제2 저속기어(33)와 분리되고, 제3 회전축(31)상에서 이동되어 제2 고속기어(35)와 접속되므로, 모터(19)의 출력은 고속기어비로 변속되어 마찰기어(17)가 타이어(5)를 회전시키게 된다. 이상의 예와 같이 기계식 자동변속장치에서는 자전거의 주행조건 즉, 타이어(5)와 지면과의 마찰력에 따라 타이어(5)를 회전시키는 마찰기어(17)에 작용되는 힘의 크기에 의해 이동하우징(13)이 고정하우징(11)의 내부에서 제1 회전축(15)을 중심으로 S의 위치와 F의 위치 사이에서 회전이동되면서 기계적 변속동작을 자동으로 수행하게 되므로, 마찰기어(17)는 항상 일정한 힘으로 타이어(5)를 회전시킬 수 있으며, 운전자의 별도조작이 없어도 자동으로 정속주행을 실시할 수 있는 것이다.

그러나 이러한 기계식 자동변속장치는 마찰기어(17)에 작용하는 힘의 크기에 따라 고정하우징(11)내에서 움직이는 이동하우징(13)의 변위량에 의해 변속여부를 결정해야 하므로 주행의 조건에 따라 변속되는 시기가 일정하지 않고, 이동하우징(13)을 정확하게 동작하게 하기 위해 정교하고 복잡한 부품을 필요로 하여 제조상의 문제점이 많았다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 전기자전거에서 변속을 필요로 하는 시기에 정확하게 변속되게 하여 제품의 신뢰성을 높이고, 정교하고 복잡한 기계적 운동부품의 삭제로 향후에 발생할 유지 및 보수에 따른 문제를 최소화 했으며, 제조에 사용하는 부품수를 줄여 작업생산성을 보다 향상시킬 수 있는 전기자전거의 자동변속장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 배터리에 의해 구동되는 모터와, 상기 모터에 의한 회전력으로 전기자전거의 구동축을 회전시키는 구동부재를 구비한 전기자전거에 있어서,

마찰판부를 구동하는 솔레노이드와, 상기 솔레노이드의 구동이 종료되면 마찰판부를 원래의 위치로 복귀시키는 스프링과, 상기 솔레노이드와 스프링에 의해 동작되어 동력을 변속 전달하는 마찰판부 및 상기 모터에 걸리는 부하를 감지하여 상기 솔레노이드의 구동을 제어하는 제어부로 이루어진 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 장치가 적용된 전기자전거를 측면에서 바라본 도면,

도 2는 본 발명의 장치에서 부하가 걸리지 않은 상태일때 상측에서 바라본 도면,

도 3은 본 발명의 장치에서 부하가 걸린 상태일때 상측에서 바라본 도면,

도 4는 종래 기술에 따른 기계식 자동변속장치를 상측에서 바라본 도면,

도 5는 종래 기술에 따른 고정하우징과 이동하우징의 결합상태도,

도 6은 종래 기술에 따른 기계식 자동변속장치에서 부하가 걸리지 않은 상태일때 상태도,

도7은 종래 기술에 따른 기계식 자동변속장치에서 부하가 걸린 상태일때 상태도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 전기자전거 3,4: 전,후륜

5: 타이어 6: 배터리

7: 체인 8:타이어 림

9: 구동축 10: 자동변속장치

11: 고정하우징 13: 이동하우징

15: 제1 회전축 17: 마찰기어

19: 모터 20: 전자클러치

20a,20b: 전자클러치 마찰판 20c: 마찰판부

20d: 전자클러치 하우징 20e: 전자클러치 전원선

21: 구동기어 23,39,41: 제1,2,3 연동기어

25,31: 제2,3 회전축 27,33: 제1,2 저속기어

29,35: 제1,2 고속기어 37: 클러치

51: 토션스프링 53: 스프링조절레버

본 발명 전기자전거의 자동변속장치는 배터리에 의해 구동되는 모터와, 상기 모터에 의한 회전력으로 전기자전거의 구동축을 회전시키는 구동부재와, 상기 모터의 회전력을 상기 구동부재측으로 전달하는 동력전달수단과, 상기 모터에 걸리는 부하를 감지하여 전자식 변속장치를 제어하는 제어부와, 상기 제어부의 신호를 받아 상기 모터에서 출력되는 동력을 상기 구동부재측에 변속하여 전달하는 전자적 변속수단과, 상기 모터, 구동부재, 동력전달수단, 제어부, 전자적 변속수단이 구비되는 고정하우징으로 구성된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본발명의 장치가 적용된 전기자전거를 측면에서 바라본 도면이며, 도 2는 본 발명의 장치에서 부하가 걸리지 않은 상태일때 상측에서 바라본 도면이다. 전기자전거가 정지된 상태이거나, 내리막길 주행시와 같이 자전거 휠(wheel)의 회전에 따른 부하를 받지 않는 경우에는 도 2에 도시된 바와 같이, 전자클러치 마찰판(20a)은 전자클러치 하우징(20d) 내부에 설치된 스프링(미도시)의 탄력에 의해 제2 고속기어의 마찰판(35a)과 맞물려 있는 상태를 유지하는데, 상기 전자클러치 하우징(20d)은 고정하우징(11)에 고정되어 움직이지 않으나, 마찰판부(20c)와 제3 회전축(31)은 키와 키홈(미도시)으로 결합되어 있어서, 마찰판부(20c)는 전자클러치(20) 동작구간 내의 제3 회전축(31)상에서 이동 가능하며, 마찰판부(20c)의 회전에 의해 제3 회전축(31)이 연동되도록 설치되어 있고, 전자클러치 하우징(20d)과 마찰판부(20c)의 접촉면에는 베어링(미도시)이 설치되어 있어, 마찰판부(20c)가 제3 회전축(31)상에서 자유롭게 이동 및 회전할 수 있도록 하였다.

전기자전거가 출발하려는 시점 또는 오르막길 주행시에는 전기자전거 구동축에 부하가 크게 걸리게 되어, 부하의 크기에 따라 모터(19)에 공급되는 전류도 변화하는데, 상기 모터(19)에 공급되는 전류의 변화가 설정값 이상이 되면, 전류의 변화를 감지하고 있는 제어부(미도시)의 신호에 따라 전자클러치(20)에 전원이 인가되어, 전자클러치 하우징(20d) 내부의 솔레노이드(미도시)가 동작하므로 마찰판부(20c)가 전자클러치 하우징(20d) 내부에 설치된 베어링(미도시)을 타고 제2 고속기어(35)측에서 제2 저속기어(33)측으로 이동되어, 도 3에 도시된 바와 같이, 전자클러치 마찰판(20a)과 제2 고속기어의 마찰판(35a)이 분리되고, 제2 저속기어의 마찰판(33a)과 전자클러치 마찰판(20b)이 맞물리게 된다. 따라서 모터(19)에서 발생되는 회전구동력은 구동기어(21) ⇒ 제1 연동기어(23) ⇒ 제2 회전축(25) ⇒ 제1 저속기어(27) ⇒ 제2 저속기어(33) ⇒ 전자 클러치(20) ⇒ 제3 회전축(31) ⇒ 제2 연동기어(39) ⇒ 제3 연동기어(41) ⇒ 제1 회전축(15) ⇒ 마찰기어(17)의 순서로전달되므로 마찰기어(17)가 제1 및 제2 저속기어(27),(33)들의 회전력 전달로 인하여 모터(19)의 출력이 고속상태에서 저속상태로 변속되어 타이어(5)측에서 마찰기어(17)측으로 작용되는 힘을 이기고 타이어(5)를 회전시키게 되는 것이다.

반대로, 고부하 상태를 벗어나게 되어 전기자전거의 구동축에 걸리는 부하가 작아져 모터(19)에 공급되는 전류의 크기가 설정값 이하가 되면, 전류의 변화를 감지하고 있는 제어부의 신호에 따라 전자클러치(20)의 전원이 차단되어, 전자클러치 하우징(20d) 내부에 솔레노이드와 함께 설치된 스프링(미도시)의 복원력에 의해 마찰판부(20c)가 전자클러치 하우징(20d) 내부에 설치된 베어링(미도시)을 타고 제2 저속기어(33)측에서 제2 고속기어(35)측으로 이동되어, 전자클러치 마찰판(20b)과 제2 저속기어의 마찰판(33a)이 분리되고, 제2 고속기어의 마찰판(35a)과 전자클러치 마찰판(20a)이 접속되므로, 모터(19)의 출력은 고속기어비로 변속되어 마찰기어(17)가 타이어(5)를 회전시키게 된다.

이상의 예와 같이, 전자식 자동변속장치에서는 전기자전거의 주행조건에 따라 변하는 부하를 감지하여, 규정한 설정값에 따른 제어부의 신호에 의해 전자클러치(20)가 자동으로 변속을 수행하게 되므로, 정확한 시기에 즉시 변속이 가능하여 마찰기어(17)는 항상 일정한 힘으로 타이어(5)를 회전시킬 수 있으며, 운전자의 별도조작이 없어도 자동으로 정속주행을 실시할 수 있는 것이다.

본 발명에서는 전기자전거의 휠에 걸리는 부하 감지방법으로 모터 전류값의 변화를 설명하였으나, 전압 변화나 주파수 변화의 감지에 의해서도 동일한 효과를 얻을수 있으며, 상기 전자클러치 하우징(20d) 내부의 마찰판부(20c) 구동 수단으로도 솔레노이드가 아닌 공압이나 유압에 의한 방법도 사용이 가능하다.

상술한 바에서는, 전기자전거의 타이어(5)에 구동부재인 마찰기어(17)가 적용되는 실시예에 관하여 기술하였으나, 제1 회전축(15)에 마찰기어(17)가 아닌 체인기어를 설치하고 전기자전거의 구동축(9)에 체인을 연결하여 동력을 전달하는, 체인구동방식에 있어서도 본 발명의 전자식 자동변속장치는 활용이 가능하며, 상기 실시예에 기술한 후륜 뿐만 아니라, 이를 전륜에 적용하는 경우에도 동일한 작용 및 효과를 얻을 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 전기자전거에서 변속을 필요로 하는 시기에 정확하게 변속되게 하여 제품의 신뢰성을 높이고, 정교하고 복잡한 기계적 운동부품의 삭제로 향후에 발생할 유지 및 보수에 따른 문제를 최소화 했으며, 제조에 사용하는 부품수를 줄여 작업생산성을 보다 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 배터리에 의해 구동되는 모터와, 상기 모터에 의한 회전력으로 전기자전거의 구동축을 회전시키는 구동부재를 구비한 전기자전거에 있어서,

   마찰판부를 구동하는 솔레노이드와, 상기 솔레노이드의 구동이 종료되면 마찰판부를 원래의 위치로 복귀시키는 스프링과, 상기 솔레노이드와 스프링에 의해 동작되어 동력을 변속 전달하는 마찰판부 및 상기 전기자전거 구동축에 걸리는 부하를 감지하여 상기 솔레노이드의 구동을 제어하는 제어부로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기자전거의 자동변속장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 마찰판부와 전자클러치 하우징 사이에는 베어링이 장착된 것을 특징으로 하는 전기자전거의 자동변속장치.