KR100498888B1 - 자전거의 변속장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자전거의 변속장치에 관한 것으로서, 자동차 트랜스미션 원리를 응용, 자전거에 적용함으로써 주행도로의 상태에 따라 상시 치합되어 있는 여러 개의 기어가 용도에 따른 변속이 원활하게 이루어 질 수 있는 변속장치를 제공함으로써 기존의 자전거는 주행 시에만 변속이 가능한 데 비해 정지시나 주행 시에 자전거의 이용자가 힘들이지 않고 변속이 가능하도록 하며 자전거 구동 및 변속장치를 외관상 깔끔하게 만들어 제품의 상품성을 크게 향상시킨 것이다.
이를 실현하기 위한 본 발명의 변속장치는, 페달을 통해 전달되어지는 페달축(11)의 회전력을 기어하우징(7) 내부에서 변속하여 후륜의 허브축(9a)으로 전달함에 따라 후륜(9)이 회전되어지는 자전거의 동력전달구조에 있어서: 각기 직경을 달리하는 가운데 상기 페달축(11)상에 일체로 고정되어지는 복수의 구동기어(201); 상기 각각의 구동기어와 치합되어진 상태로 샤프트(210)상에 회전가능하게 구비되어진 다수의 종동기어(211); 상기 회전되어지는 다수의 종동기어중 어느하나의 회전력이 샤프트(210)로 전달되어질 수 있도록 회전동력을 선택적으로 변환시키는 변속수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

자전거의 변속장치{A VELOCITY CHANGE ASSEMBLY OF BICYCLE}
본 발명은 자전거의 변속장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자전거가 도로에서 주행중에 도로의 상태에 따라 저속, 고속의 속도 변환에 맞는 페달에 가하는 힘에 맞게 사용자가 선택적으로 변속이 용이하게 이루어 질 수 있도록 하기 위한 다단변속장치에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이 자전거는 조향륜인 전륜과 구동륜인 후륜이 프레임의 전후방에 일직선으로 배치되고, 탑승자가 상기후륜과 연동되는 페달을 밟아 상기 후륜을 회전시킴으로써 앞으로 전진하도록 구성되어 있다.
이러한 자전거에는 페달에서 발생되는 동력을 후륜까지 전달하는 동력 전달 장치가 제공된다. 이 동력 전달 장치는 페달의 일측에 설치되는 구동 스프로킷 휠과, 상기 구동 스프로킷 휠 보다 직경이 작으면서 구동륜인 후륜에 설치되는 종동스프로킷 휠과, 상기 구동 스프로킷 휠과 종동 스프로킷 휠을 연결하는 체인으로 이루어져 있다. 따라서, 이와 같은 구성에 의해 탑승자가 페달을 밟으면, 이 페달과 일체로 설치된 구동 스프로킷 휠이 회전하고, 동시에 체인에 의해 종동 스프로킷 휠과 연결되는 후륜도 회전하게되어 자전거를 앞으로 전진시키는 것이다.
한편, 이와 같은 스프로킷과 체인을 이용한 동력 전달 장치는 전방 스프로킷과 후방 스프로킷의 기어비에 의해 자전거의 구동이 이루어지며 사람의 작은 힘으로 빠른 속도를 내거나 언덕을 올라가야 하기 때문에 그 구조상, 전방 및 후방 스프로킷의 점유면적이 크다는 단점이 발생 할 수 있다. 또한 점유면적이 크다는 점으로 인해 페달을 통해 구동바퀴를 굴릴 때 탑승자의 옷자락이 구동 스프로킷 휠과 체인의 사이에 끼이거나 오염되는 등의 문제가 있었다. 특히, 종동 스프로킷 휠에 다단식변속장치가 설치된 경우에는 변속 중 체인이 스프로킷 휠에서 이탈하여 사용자가 재결합하는 사례도 발생한다.
최근에는 이러한 문제를 감안하여 공지된 기술로서 도 5에 도시된 바와같이 체인을 사용하지 않고 프레임 페달 축의 회전력을 직각방향으로 전환하는 베벨 기어와 베벨기어의 구동력을 후륜까지 전달하는 프레임 내부의 구동축과 구동축의 회전력을 후륜의 허브까지 전달하는 제 2베벨기어를 설치하여 동력을 전달하는 체인이 없는 동력전달 장치가 개발되어 사용되고 있다.
그러나 이와 같은 일반적인 체인을 사용하지 않는 자전거에 있어서는 기존의 체인 형식에 비하면 동력전달의 구조가 간단하고, 동력 전달율이 향상되는 등 많은 장점을 가지고 있지만 별도의 변속장치를 갖추고 있지 못한 상태임에 따라 주행도로의 상태(언덕길, 비탈길, 포장도로, 비포장도로 등)에 맞게 임의로 변속 할 수 없어 사용이 매우 단조롭고, 이로 말미암아 소비자로 하여금 그다지 큰 호응을 받지 못하고 있는 실정이다.
따라서 이를 해결하기 위하여 페달에 가하는 힘을 후륜에 저속과 고속 회전의 변속이 필요하게 되기 때문에 종래 기술로서 도 4에 도시된 바와같은 국내 실용신안등록 제 20-0205778호가 제안되어진 바 있다.
한편, 자동차변속기의 구성을 살펴보면 변속기의 표준 형식은 기어의 치수가 맞물리는 기어 자체의 치합을 바꾸는 선택 습동식 변속기이고, 회전속도가 다른 기어를 치합하는 것이기 때문에 부드럽게 들어가지 않고 튕겨지던지 무리하면 부정합으로 인해 무리한 소음이 발생하게 된다. 여기서 기어를 삽입할 때 한번 더 클러치를 밟아서 변속기의 입력 축을 엔진 크랭크축의 회전과 차단한 후 기어의 회전차를 인위적으로 동조시키는 더블클러치가 흔히 사용되었고, 그 후 기어의 파손을 방지하기 위해서 기어끼리 처음부터 상시 치합식으로 Dog Clutch라고 하는 튼튼하게 치합된 클러치를 달게 된다.
그래도 이것으로도 부드러운 결합이 되지 않기 때문에 동기 치합 기구를 달아놓은 상시 치합식으로 구성되어 있어서 소음 없이 원활하게 변속이 이루어지도록 발전되어졌다. 상기 설명에서 자동차용 변속기의 구동을 알 수 있게 되나, 상기 도 4를 통해 제안된 자전거용변속기로 주행중 와이어를 이용하여 이동편(102)으로 페달측의 기어를 움직여 이동기어(101b)와 고정기어(111b)를 치합하려 할 때 페달 축(11)과 회전축(110)이 각기 회전 중이기 때문에 기어의 회전 동기가 어렵고 클러치로 동력축의 동력을 차단시켜 회전 동기를 돕는 장치가 없기 때문에 주행중 변속은 불가능하다. 변속을 하고자 할 경우는 정지시에 일축의 치차를 서서히 움직여 다른 축의 치차를 변속 치합(예: 선반 밀링에 사용)시킬 수밖에 없다. 또한 정지시에도 동력전달 축의 치차와 구동축의 치차 결합이 쉽지 않기 때문에 중대한 결함을 갖는 내용이라 볼 수 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술에서의 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로서, 자전거의 기어하우징 내부에서 변속동작이 원활하게 이루어질 수 있는 변속장치를 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적은, 페달을 통해 전달되어지는 페달축의 회전력을 기어하우징 내부에서 변속하여 후륜의 허브축으로 전달함에 따라 후륜이 회전되어지는 자전거의 동력전달구조에 있어서: 각기 직경을 달리하는 가운데 상기 페달축상에 일체로 고정되어지는 복수의 구동기어; 상기 각각의 구동기어와 치합되어진 상태로 샤프트상에 회전가능하게 구비되어진 다수의 종동기어; 상기 회전되어지는 다수의 종동기어중 어느하나의 회전력이 샤프트로 전달되어질 수 있도록 회동력을 선택적으로 변환시키는 변속수단; 을 포함하여 구비되어짐을 특징으로 하는 무체인식 자전거의 변속장치를 통해 이룰 수 있게된다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 도 1 내지 도 3을 참조하여 살펴보기로 한다.
본 발명의 실시예는 페달축(11)상에 각기 직경이 서로 다른 다수의 구동기어(201a)(201b)(201c)가 일체 가공된 상태의 구동기어군(201)이 축방향을 따라 순차적으로 구성되어져 있으며, 상기 각각의 구동기어와 치합되어진 상태로 다수의 종동기어(211a)(211b)(211c)가 종동기어군(211)을 이루어 샤프트(210)상에 회전가능하게 구성되어져 있다.
상기 샤프트(210)에는 종동기어군(211)을 이루는 각각의 기어와 대응부위에 통공(210')이 형성되고, 상기 통공(210')에는 강구(202)가 위치되어지며, 각각의 종동기어 내주면에는 상기 강구(202)의 안착이 가능한 안착홈(211')이 형성되었다. 상기 안착홈(211')은 일정간격으로 복수개가 형성되어짐으로서 동작시 회전방향으로 가장 인접한 안착홈(211')으로 강구(202)의 신속한 안착이 이루어질 수 있도록 하였다.
그리고 샤프트(210) 내부에는 쉬프트캠(203)이 장착되어져 직선운동하게 되며, 상기 쉬프트캠(203)의 중단에는 둘레를 따라 외측으로 돌출되어진 돌출부(203')가 형성되어 있고, 선단은 코일스프링(204)에 의한 탄성력을 받게 되며, 후단에는 변속을 위한 직선방향의 유동력을 가하기 위한 레버(205)가 연결되어져 있다. 상기 레버(205)의 조작은 자전거 손잡이에서 운전자의 조작에 의해 와이어가 당겨지는 등의 통상의 구조를 이루게 되나 본 실시예에서는 그에 따른 구체적인 구성설명은 생략키로 한다.
한편 동력을 후륜측으로 전달하는 구성에 있어서는, 바람직하기로 샤프트(210)의 일단에는 제1연결기어(212)가 일체로 고정되어 함께 회동이 이루어지며, 상기 제1연결(212)에는 제2연결기어(213)가 치합 구성되어져 있으므로 회동력이 구동풀리(214)로 전달되어질 수 있도록 하였다.
제 2연결기어(213)와 구동 풀리(214)는 베어링에 지지되어져 중공 회전 샤프트로 결합되어져 있으며, 후륜의 허브축에 구성되어져 있는 종동 풀리(216)와 벨트(215)로 연결됨으로서 상호간의 동력전달이 이루어질 수 있도록 구비되었다.
이와같은 구성을 이루고 있는 본 발명 변속장치의 동작에 따라 페달축(11)의 회전력이 후륜의 허브축(9a)까지 전달되는 과정 및 이에 따른 작용효과를 살펴보면 다음과 같다.
운전자가 페달에 힘을 가함에 따라 페달축(11)이 회전되어지고 이에따라 페달축(11)상에 일체로 가공되어져 있는 다수의 구동기어군(201)이 함께 회전되어지게 된다.
이때, 상기 구동기어군(201)과 각각 기어치합이 이루어진 상태의 다수 종동기어군(211)이 함께 회전되어지게 되는데, 1단 상태에서는 도 1에 도시된 바와같이 쉬프트캠(203)이 코일스프링(204)에 의한 탄성력을 받고있는 상태를 이루고 있으므로 쉬프트캠(203)의 돌출부(203')가 최상단에 위치하게 되고 이에따라 강구(202)가 돌출되어지면서 1단종동기어(21a) 내주측에 형성된 안착홈(211)에 끼워지게 되면서 1단구동기어(201a)로 부터 회동력이 전달되어지는 1단종동기어(211a)로 부터 샤프트(210)가 회동력을 전달받게 된다. 이때, 2,3단구동기어(201b)(201c) 및 2,3단 종동기어(211b)(211c)의 회동력은 샤프트(210)측으로 전달되지 못하고 공회전되는 동작만이 이루어지게 된다.
상기에서 1단종동기어(211a)로 부터 회동력을 전달받은 샤프트(210)가 회전되어짐에 따라 그 선단에 일체로 가공되어져 있는 제1연결기어(212)가 함께 회전되어지고, 상기 제1연결기어(212)와 치합구성되어져 있는 제2연결기어(213)를 통해 회동력이 구동풀리(214)측으로 전달되어짐으로서 풀리측에 장착되어져 있는 벨트(215)에 의해 상기 회동력은 종동풀리(216) 및 후륜 허브축(9a)으로 원활한 전달이 이루어지게 되는 것이다. 상기에서 페달축(11)과 제2연결기어(213)를 지지하는 중공축은 오일리스 베어링에 의해 상호간에 독립적인 회전을 하기 때문에 제2연결기어(213)와 연결되어 구동되고 이를 지지하는 중공축과 그 축 일측에 부착된 구동풀리(214)의 회전과 페달축(11)은 독립적인 회전이 이루어지게 된다.
상기 동작에서 주지해야 할 것은 제2연결기어(213)의 역할이다. 페달축(11)의 회전에 의해 종동 기어군(211)은 역회전을 하게되며, 자전거의 전방 진행을 위해서는 반드시 종동기어군(211)의 역회전을 다시 정회전으로 전환하여 구동축에 전달하는 구조를 요하게 되어 제2연결기어(213)는 역회전하는 종동기어군(211)의 회전을 다시 정회전으로 전환시켜주는 역할을 하게된다. 제2연결기어(213)는 페달축(11)에 의지하여 회전하고는 있으나, 오일리스 베어링이 삽입된 중공축으로 페달축(11)과는 분리되어 있기 때문에 상호간에는 독립적인 회전을 행하게 된다. 이러한 회전은 제2연결기어(213)와 일체로 구성되어 있는 구동풀리(214)에 전달되어게 된다.
한편, 이와같은 동력전달과정을 통해 자전거가 1단으로 주행되어지고 있는 과정에서 사용자가 자전거 손잡이측의 변속스위치를 동작하여 2단변속을 이루고자 하는 경우에는 레버(205)가 소정각도로 하향 회동되어짐에 따라 도 2에 도시된 바와같이 쉬프트캠(203)이 소정구간에서 하강하게 된다.
이에따라, 1단종동기어(211a)의 안착홈(211')에 끼워져 있던 강구(202)에 가해지던 돌출부(203')의 가압력이 해제되어짐으로서 도 3a에 도시된 바와같이 해당 강구(202)는 1단종동기어(211a)의 회전력에 밀려 하강되어짐과 동시에 도 3b에 도시된 바와같이 2단종동기어(211b)의 안착홈(211')과의 대응부위에 위치하고 있던 강구(202)를 쉬프트캠(203)의 돌출부(203')가 밀어주게 됨으로서 강구(202)가 돌출되어지면서 2단종동기어(211b)의 안착홈(211')에 끼워지게 된다.
따라서, 페달축(11)으로 부터 샤프트(210)로 전달되어지는 회동력은 2단구동기어(201b) 및 2단종동기어(211b)를 통해 전달되어지는 2단변속상태가 이루어지게 되는 것이다.
이때에는 1,3단구동기어(201a)(201c) 및 1,3단 종동기어(211a)(211c)의 회동력이 샤프트(210)측으로 전달되지 못하고 공회전 되는 동작만이 이루어지게 된다.
이후 상기 샤프트(210)로 부터 허브축(9a)으로의 동력전달과정은 상기 1단동력의 전달과정과 동일하게 이루어지게 되고, 이러한 2단구동중 3단으로의 변속 역시 상기 변속동작과 동일하게 이루어지게 되며, 변속 후 1단으로의 복귀시에는 레버(205)의 작용력을 해제하게 되면 코일스프링(204)의 탄성력에 의해 복귀동작이 이루어지게 된다.
따라서, 종래 기술에 따른 무체인식 자전거의 변속장치에서의 변속불량의 문제점은 강구(202)를 이용한 착탈식 구조를 이루고 있는 본 발명의 변속장치를 통해 용이하게 해결되어질 수 있게됨을 알 수있다.
또한, 후륜측으로 동력을 전달하는 구조를 이룸에 있어서 체인을 사용함에 따른 문제점과 동력전달축을 사용함에 따른 문제점을 동시에 개선할 수 있는 벨트풀리 체결구조를 이룸으로서 동력전달이 한층 원활히 이루어질 수 있게됨을 알 수 있다.
그리고, 상기에서 본 발명의 특정한 실시예가 설명 및 도시 되었지만 본 발명의 변속장치 구조가 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다.
예를들면, 상기 실시예에서는 3단변속이 가능한 구조를 중심으로 설명하였지만 이 외에도 4단 또는 그 이상의 다단변속구조로 변경하여 실시할 수도 있게됨을 알 수 있다.
따라서, 이와 같은 변형된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 이와 같은 변형된 실시예들은 본 발명의 첨부된 특허청구범위 안에 속한다 해야 할 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명은 기존의 자전거 형태에서 벗어나 첫 번째, 구동 바퀴에 기어구조(스프로킷)가 없기 때문에 뒷바퀴의 다단변속기어구조를 간단히 할 수가 있고
두번째, 기존 자전거는 체인이 축 방향을 따라 이동하는 변속구조였기에 체인이 길어야 하고 변속에 의한 체인의 축 방향 유동으로 인해 스프로킷에서 벗어나 오염이 발생할 수 있었으나 본 발명은 벨트로 구동하며 변속이 기어 하우징 내에서만 이루어지기 때문에 벨트의 회전이 일정 궤도를 가지며 그에 따른 기존의 체인 이탈 가능성은 없어졌고
세번째, 저속, 고속의 페달 회전수와의 폭이 크기 때문에 직경이 작은 플리와 벨트의 사용으로 힘이 들지 않게 되는 장점이 있다. 네번째로 기존의 체인 변속 방식은 자전거가 전진 진행 할 경우만 변속이 가능했던 것에 비해 본 발명은 자전거가 정지 상태에서도 변속이 가능하기 때문에 언덕길을 올라갈 때와 같은 경우 변속 후 진행 할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
도 1은 본 발명 변속장치의 1단 동작시 확대 단면도.
도 2는 본 발명 변속장치의 2단 변속시 단면도.
도 3은 도 2의 부분 단면을 나타낸 것으로서
3a는 A-A'부 단면도.
3b는 B-B'부 단면도.
도 4는 종래 기술에 따른 변속장치가 적용된 자전거의 확대 단면도.
도 5는 일반적인 무체인식 자전거의 동력전달구조를 나타낸 분해사시도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
201 : 구동기어군 202 : 강구
203 : 쉬프트캠 203': 돌출부
204 : 코일스프링 205 : 레버
210 : 샤프트 211 : 종동기어군
211': 안착홈 212 : 제1연결기어
213 : 제2연결기어 214, 126 : 벨트풀리
215 : 벨트

Claims (4)

  1. 페달을 통해 전달되어지는 페달축(11)의 회전력을 기어하우징(7) 내부에서 변속하여 후륜(9)의 허브축(9a)으로 전달할 수 있도록 각기 직경을 달리하는 가운데 상기 페달축(11)상에 일체로 고정되어지는 복수의 구동기어(201a)(201b)(201c)와, 상기 각각의 구동기어와 치합되어진 상태로 샤프트(210)상에 회전가능하게 구비되어진 다수의 종동기어(211a)(211b)(211c)와, 상기 회전되어지는 다수의 종동기어중 어느하나의 회전력이 샤프트(210)로 전달되어질 수 있도록 회전동력을 선택적으로 변환시키는 변속수단으로 구성되는 자전거의 동력전달구조에 있어서,
    상기 변속수단은;
    각각의 종동기어 접촉면인 샤프트(210)에 돌출가능하게 구비되어지는 복수의 강구(202);
    상기 각각의 강구(202)의 돌출에 따른 선택적인 삽입이 가능하도록 각각의 종동기어 내주상에 일정 간격으로 형성되어진 복수의 안착홈(211');
    상기 복수의 강구(202)중 선택적인 돌출이 가능하도록 돌출부(203')가 구비되어진 상태에서 샤프트(210) 내에서 직선운동되어지는 쉬프트캠(203);으로 구비되어짐을 특징으로 하는 무체인식 자전거의 변속장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 쉬프트캠(203)의 선단부에는 탄성력으로 지지하기 위한 탄성부재(204)가 구비되어져 있으며, 후단부에는 직선방향의 유동력 인가를 위한 레버(205)가 연결되어진 것을 특징으로 하는 무체인식 자전거의 변속장치.
  4. 삭제
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