KR101399164B1 - 허브 내장형 변속장치와 이를 포함하는 휠체어 바퀴 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 허브 내장형 변속장치는, 출력부재인 바퀴에 결합되는 허브;
차체에 대해 회전하지 않게 설치되어 바퀴를 지지하는 액슬샤프트; 상기 액슬샤프트에 회동가능하도록 축설되는 변속캠; 상기 변속캠을 수용하고, 상기 액슬샤프트에 축설되는 중심축; 입력부재에 결합되어 입력부재에 가해지는 동력을 전달받고, 적어도 하나 이상의 피니언 기어를 회동가능하도록 지지하는 캐리어와, 상기 중심축에 회동가능하도록 결합되는 태양기어와, 상기 허브에 결합되어 상기 캐리어로부터 입력된 동력을 상기 허브로 출력하는 링기어로 구성되는 유성기어열; 상기 중심축에 축설되어 축방향을 따라 병진운동하되, 상기 변속캠에 의해 안내된 위치에 따라 상기 캐리어와 상기 링기어를 직결시키는 직결클러치; 상기 중심축에 축설되어 축방향을 따라 병진운동하되, 상기 변속캠에 의해 안내된 위치에 따라 상기 태양기어의 회전가능여부를 결정하는 변속클러치; 및 상기 중심축에 축설되고, 상기 변속캠의 위치에 따라 후진 방지 여부가 결정되는 후진방지클러치를 포함하되,
상기 변속캠의 회전방향 위치에 따라 상기 직결클러치, 변속클러치 및 후진방지클러치의 작동여부가 제어되어, 핸드림의 전진 및 후진 구동력을 2단계 이상으로 변속할 수 있고, 이와 동시에 후진방지여부를 제어할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

허브 내장형 변속장치와 이를 포함하는 휠체어 바퀴{OMITTED}

본 발명은 허브 내장형 변속장치와 이를 포함하는 휠체어 바퀴에 관한 것으로서, 내장 기어 허브를 통해 전진 및 후진 구동이 변속 되어 전달되고 후진 방지 기능을 가지고, 자체에 착탈이 용이하며, 방수 기능을 강화하여 수분 침투에 의한 고장을 방지하는 허브 내장형 변속장치 및 이를 포함하는 휠체어 바퀴에 관한 것이다.

많은 휠체어 이용자들은 회사 내 근무나 여가활동 등의 일상생활을 영위하는 데 있어 타인의 도움 없이 스스로 더욱 독립적인 활동을 원하고 있다. 그러나 램프나 집 안팎의 문턱, 잔디나 백사장 등의 평탄하지 않고 이동을 어렵게 하는 지형 등등 이용자의 독립적 활동을 막는 장애요인이 너무도 많다. 또한, 종래의 수동 휠체어는 운송 수단의 면에서는 비효율적이다. 더욱이 많은 사람이 부상이나 팔힘 부족 또는 휠체어 추진 자세를 유지하는 것이 어려워 수동 휠체어를 효과적으로 추진하는데 있어서 어려움을 느끼고 있다.

이전의 연구에서 휠체어의 추진 효율은 5% ~ 18% 정도로 알려졌다. 수동 휠체어의 낮은 효율은 수동 휠체어를 효과적으로 사용하는 것을 어렵거나 불가능하게 한다. 휠체어 이용자들은 상체의 관절과 근육을 사용하기 때문에 수근압박증후군이나 어깨의 회전 건판 건염 등의 부상위험이 50%가 넘는 등(일반인 3%) 휠체어 추진에 따른 육체적 피로와 부상이 많은 형편이다. 휠체어를 사용하는 기간이 길수록 고통 발생률이 증가하고, 나이가 들수록 심폐력이 감소하는 경향을 나타낸다. 따라서 핸드림으로 추진되는 것의 개선된 대안이 필요하다.

이러한 문제를 해결하기 위해 레버 구동장치(lever-drive units), 크랭크 구동장치(crank-drives), 자전거용 기어허브(geared hubs) 등 여러가지 실험이 국내외에서 시도되었다. 그러나 어느 것도 실제적이고 광범위하게 상업적으로 적용되는 해결책이 아니었다. 사실 자전거 변속방식을 휠체어에 적용한다면 모든 문제가 일거에 해결된다고 볼 수도 있으나 자전거변속은 전진만 가능하고 후진은 되지 않아 휠체어에는 적용될 수가 없다. 따라서 양방향으로 구동되며 변속 기능을 가져 사용자가 적은 힘으로 핸드림을 구동할 수 있는 휠체어가 필요하며 동시에 후진 방지 기능을 갖는 휠체어가 필요하다.

그러나 기존에 사용하고 있는 휠체어에 적용하는 것이 어려워 새 휠체어로 교체해야 한다면 경제적인 부담은 물론 자원의 낭비임에 틀림없다. 따라서 바퀴를 고정장착하는 기본형 휠체어나 바퀴를 착탈하는 고급형 휠체어에 관계없이 기존의 휠체어 차체를 변경하지 않아도 상기 기능을 갖는 수동 휠체어 바퀴를 기존에 사용하는 휠체어의 바퀴와 교체하여 사용할 수 있게 보조하는 고정장치가 필요하다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 출원인은, 이에 관한 특허출원을 하였고, 특허등록(제10-1134712호)을 받았다. 그러나, 본 등록특허의 경우에도, 허브 내부로 수분이 침투하여 부식 등에 의하여 변속장치에 결함이 발생할 수 있는 문제점이 있고, 변속과 후진방지가 독립적으로 제어되도록 하여 불편한 점이 발생하였다.

본 발명의 목적은 전진 및 후진 양방향으로 구동되며 변속 기능을 갖는 수동 휠체어 바퀴를 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 다른 목적은 후진 방지 기능을 갖는 수동 휠체어 바퀴를 제공하는 것이다. 더 나아가 하나의 제어수단에 의해 변속구동과 후진방지가 가능한 변속장치 및 휠체어 바퀴를 제공하는 것이 그 목적이다.

또한, 허브 내부로 수분이 침투하는 것을 방지하여 부식 등에 의한 고장이 발생하지 않도록 하는 변속장치 및 휠체어 바퀴를 제공함에 그 목적이 있다.

또한 본 발명의 또 다른 목적은 기존의 휠체어 차체를 변경하지 않아도 상기 목적에 적합한 수동 휠체어 바퀴를 기존에 사용하는 휠체어의 바퀴와 교체하여 사용할 수 있는 휠체어 바퀴와 고정부재를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 허브 내장형 변속장치는,

출력부재인 바퀴에 결합되는 허브;

차체에 대해 회전하지 않게 설치되어 바퀴를 지지하는 액슬샤프트;

상기 액슬샤프트에 회동가능하도록 축설되는 변속캠;

상기 변속캠을 수용하고, 상기 액슬샤프트에 축설되는 중심축;

입력부재에 결합되어 입력부재에 가해지는 동력을 전달받고, 적어도 하나 이상의 피니언 기어를 회동가능하도록 지지하는 캐리어와, 상기 중심축에 회동가능하도록 결합되는 태양기어와, 상기 허브에 결합되어 상기 캐리어로부터 입력된 동력을 상기 허브로 출력하는 링기어로 구성되는 유성기어열;

상기 중심축에 축설되어 축방향을 따라 병진운동하되, 상기 변속캠에 의해 안내된 위치에 따라 상기 캐리어와 상기 링기어를 직결시키는 직결클러치; 및

상기 중심축에 축설되어 축방향을 따라 병진운동하되, 상기 변속캠에 의해 안내된 위치에 따라 상기 태양기어의 회전가능여부를 결정하는 변속클러치;

상기 중심축에 축설되고, 상기 변속캠의 위치에 따라 후진 방지 여부가 결정되는 후진방지클러치를 포함하되,

상기 변속캠의 회전방향 위치에 따라 상기 직결클러치, 변속클러치 및 후진방지클러치의 작동여부가 제어되어, 핸드림의 전진 및 후진 구동력을 2단계 이상으로 변속할 수 있고, 이와 동시에 후진방지여부를 제어할 수 있는 것을 특징으로 한다.

이 경우, 상기 변속클러치는, 일단이 변속캠의 외주면에 형성된 제1안내면을 따라 이동하고, 상기 중심축에 반경 방향으로 형성된 구멍을 관통하여 반경 방향으로 돌출된 변속안내핀에 의해 안내되는 변속클러치링을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

더불어, 상기 변속클러치링은 태양기어에 대향하는 방향으로 내주면에 결합요홈이 형성되고, 상기 태양기어는 변속클러치링에 대향하는 방향으로 결합돌부를 가져, 상기 변속클러치링이 상기 태양기어로 접근하도록 안내되어 상기 변속클러치링의 결합요홈과 상기 태양기어의 결합돌부가 결합되면, 상기 태양기어가 중심축에 대하여 고정 되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 변속장치의 상기 직결클러치는, 일단이 변속캠의 외주면에 형성된 제2안내면을 따라 이동하고, 상기 중심축에 반경 방향으로 형성된 구멍을 관통하여 반경 방향으로 돌출된 직결안내핀에 의해 안내되는 직결클러치링을 포함하고, 상기 직결클러치와 상기 변속클러치의 사이에는 제1탄성부재가 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.

이 경우, 상기 변속캠에 의해 안내된 상기 직결클러치링에 의해 상기 유성기어열의 방향으로 힘을 받으면, 상기 링기어의 일측단과 상기 캐리어의 일측단에 동시에 결합되어 상기 링기어와 상기 캐리어의 상대적인 움직임이 없도록 직결시켜, 상기 핸드림에 의해 입력된 동력이 변속없이 바퀴로 전달되어 구동되도록 하는 직결어댑터를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

더불어, 상기 직결어댑터는, 상기 허브 내부에 수용되고, 상기 유성기어열의 측면에 배치되되, 상기 직결어댑터의 외주면에는 상기 링기어의 일측단 내주면을 따라 형성된 내치에 대응하는 외치가 형성된 링기어 결합부와, 상기 캐리어의 일측단 내주면을 따라 형성된 내치에 대응하는 외치가 형성된 캐리어 결합부를 가지며,

상기 직결클러치링과 상기 직결어댑터의 사이에는 제2탄성부재가 설치되고,

상기 캐리어와 직결어댑터의 사이에는 제3탄성부재가 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 변속장치의 상기 후진방지클러치는,

상기 허브에 고정결합되는 외륜과,

상기 중심축에 고정결합되고, 상기 외륜과의 사이에 일정간격으로 작동롤러 수용부가 형성되는 내륜과,

상기 작동롤러를 상기 외륜의 내주면과 상기 내륜의 외주면에 접하도록 가압하도록 상기 내륜에 설치되는 작동스프링과,

상기 작동롤러를 상기 외륜의 내주면와 상기 내륜의 외주면 중 적어도 한쪽과 접촉하지 않도록 작동스프링을 압축하는 방향으로 작동롤러를 가압하는 제어리테이너를 포함하며,

상기 제어리테이너의 회전방향 위치를 제어하여 후진을 선택적으로 방지할 수 있는 것을 특징으로 할 수 있다.

이 경우, 상기 변속캠에 형성된 제3안내면에 일단이 접촉하고, 상기 중심축을 관통하여 돌출된 타단이 상기 제어리테이너에 형성된 결합홈에 결합되어, 상기 변속캠의 회전에 따라 상기 제어리테이너의 위치를 변화시켜 후진을 선택적으로 방지할 수 있도록 하는 제동핀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 허브 내장형 변속장치.

본 발명에 따른 허브 내장형 변속장치의 상기 변속캠은, 상기 중심축을 관통하여 상기 변속클러치에 결합되는 변속안내핀을 축방향으로 안내하는 캠면인 제1안내면과, 상기 중심축을 관통하여 상기 직결클러치에 결합되는 직결안내핀을 축방향으로 안내하는 캠면인 제2안내면과, 중심축을 관통하여 상기 후진방지클러치에 결합하여 후진방지클러치의 작동여부에 관여하는 제동핀을 안내하는 캠면인 제3안내면이 형성되어 상기 변속캠의 회전에 따라 변속 및 후진방지를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 변속캠의 외주면에는 한 쌍의 오일링 수용홈이 형성되고, 상기 오일링 수용홈에는 상기 변속캠과 상기 중심축 사이를 밀폐하는 오일링이 결합되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 중심축의 외주면과 상기 캐리어의 외주면의 사이에 장착된 베어링과, 상기 허브와 상기 중심축의 사이에 장착된 베어링 및 상기 링기어와 상기 캐리어의 사이에 장착된 베어링에 이물질이 침투하지 못하도록 함과 동시에 허브 내부의 오일이 새나가는 것을 방지하는 오일씰이 각각 결합되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 피니언기어는 상기 태양기어와 상기 링기어에 동시에 치합되어, 상기 캐리어로 입력되는 회전 동력에 대하여 가속되어 상기 링기어와 결합된 허브로 회전 동력이 출력되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 피니언기어는 상기 태양기어에 치합되고, 상기 링기어에는 치합하지 않는 제1피니언기어와, 상기 제1피니언기어와 상기 링기어에 동시에 치합되는 제2피니언기어로 구성되어, 상기 캐리어로 입력되는 회전동력에 대하여 감속되어 상기 링기어로 회전동력이 출력되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 변속캠의 일측단에는 변속레버가 결합되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 휠체어 바퀴는 상기의 허브 내장형 변속장치가 장착되는 것을 특징으로 할 수 있다.

따라서 본 발명의 수동 휠체어 바퀴는 양방향으로 구동되며 변속 기능과, 후진 방지 기능을 갖고, 기존의 휠체어 차체를 변경하지 없이도, 변속 기능과 후진 방지 기능을 갖는 수동 휠체어 바퀴를 기존에 사용하는 휠체어의 바퀴와 교체하여 사용할 수 있다. 동시에 구조가 간단해 가벼우며, 차체에서 신속하게 착탈할 수 있도록 구성할 수 있다.

또한, 변속레버 하나만으로도 변속여부와 후진방지여부를 동시에 결정할 수 있는 장점이 있다.

또한, 허브 내부로의 이물질의 침투를 막고, 허브 내부의 오일이 새나가지 않도록 하여 높은 내구성을 가지는 허브 내장형 변속장치와 이를 장착한 휠체어 바퀴를 제공할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 허브 내장형 변속장치의 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 허브 내장형 변속장치의 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 허브 내장형 변속장치의 사시단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 허브 내장형 변속장치의 분해 사시도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 허브 내장형 변속장치의 유성기어열의 분해사시도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 허브 내장형 변속장치의 직결클러치, 변속클러치 및 직결어댑터의 사시도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 허브 내장형 변속장치의 후진방지클러치의 분해사시도.
도 8은 본 발명에 따른 허브 내장형 변속장치의 중심축의 사시도.
도 9는 본 발명에 따른 허브 내장형 변속장치의 변속캠의 사시도.
도 10은 본 발명에 따른 허브 내장형 변속장치의 유성기어열의 단면도.
도 11은 본 발명에 따른 허브 내장형 변속장치가 장착된 휠체어 바퀴.
도 12는 본 발명에 따른 허브 내장형 변속장치가 장착된 휠체어.
도 13는 후진방지클러치의 작동을 설명하는 작동설명도.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 고안자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 허브 내장형 변속장치의 단면도이고, 도 2는 사시도, 도 3은 사시단면도, 도 4는 분해 사시도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 허브 내장형 변속장치는, 출력부재인 바퀴(3)에 결합되는 허브(50)와,

차체(4)에 대해 회전하지 않게 설치되어 바퀴를 지지하는 액슬샤프트(10)와,

상기 액슬샤프트(10)에 회동가능하도록 축설되는 변속캠(210)과,

상기 변속캠(210)을 수용하고, 상기 액슬샤프트(10)에 축설되는 중심축(100)과,

입력부재에 결합되어 입력부재에 가해지는 동력을 전달받고, 적어도 하나 이상의 피니언 기어(330)를 회동가능하도록 지지하는 캐리어(340)와, 상기 중심축(100)에 회동가능하도록 결합되는 태양기어(320)와, 상기 허브(50)에 결합되어 상기 캐리어(340)로부터 입력된 동력을 상기 허브(50)로 출력하는 링기어(310)로 구성되는 유성기어열(300)과,

상기 중심축(100)에 축설되어 축방향을 따라 병진운동하되, 상기 변속캠(210)에 의해 안내된 위치에 따라 상기 캐리어(340)와 상기 링기어(310)를 직결시키는 직결클러치와,

상기 중심축(100)에 축설되어 축방향을 따라 병진운동하되, 상기 변속캠(210)에 의해 안내된 위치에 따라 상기 태양기어(320)의 회전가능여부를 결정하는 변속클러치 및

상기 중심축(100)에 축설되고, 상기 변속캠(210)의 위치에 따라 후진 방지 여부가 결정되는 후진방지클러치(400)를 포함하되,

상기 변속캠(210)의 회전방향 위치에 따라 상기 직결클러치, 변속클러치 및 후진방지클러치(400)의 작동여부가 제어되어, 핸드림(2)의 전진 및 후진 구동력을 2단계 이상으로 변속할 수 있고, 이와 동시에 후진방지여부를 제어할 수 있다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 액슬샤프트(10)는 변속장치의 중앙에 설치되고 변속장치를 지지하는 역할을 한다. 액슬샤프트(10)는 기존의 휠체어 바퀴와 휠체어 차체에 사용할 수 있도록 표준액슬을 사용하는 것이 바람직하며, 착탈의 용이성을 위해 착탈버튼(12)을 누르면 고정볼(13)이 샤프트 몸체(11)로 수용되어 자체에서 쉽게 분리가 가능한 신속착탈액슬인 것이 더욱 바람직하다. 신속착탈액슬에 관한 자세한 내용은 공지된 기술의 영역에 해당하므로 생략한다.

액슬샤프트(10)에는 변속캠(210)이 회동가능하도록 결합된다. 변속캠(210)은 중심축(100)의 중앙부에 형성된 변속캠수용부에 수용되고, 액슬샤프트(10)에 축설된다. 변속캠(210)은 직결클러치링(220), 변속클러치링(220) 및 제어리테이너(430)의 위치 제어에 관여한다.

도 9에 도시된 바와 같이 변속캠(210)의 외주면에는 변속클러치의 위치제어에 관여하는 캠면인 제1안내면(211)과, 직결클러치의 위치 제어에 관여하는 제2안내면(212), 및 제어리테이너(430)의 위치 제어에 관여하는 제3안내면(213)이 형성되어 있다.

제1안내면(211)과 제2안내면(212)은 변속 안내링과 직결 안내링이 접촉하는 위치에 각각의 홈이 형성되어 있고, 각각의 홈 한쪽 측벽에는 축방향으로 완만하게 파인 캠면이 형성되어 있다. 제1안내면(211)과 제2안내면(212)은 서로 대향하도록 반대 방향으로 경사지고, 약간의 시차를 두고 제1안내면(211)이 가장 깊은 홈을 이룰 때에 제2안내면(212)도 가장 깊은 홈을 이루도록 대응된 모양을 이루고 있다.

제3안내면(213)은 반경 방향으로 턱이 형성된 캠면이 형성되어 있는데, 제동핀(444)이 턱이 없는 부분을 따라 이동하다가 턱에 걸려 기울어지게 되면, 내주면에 제동핀(444)을 수용하는 홈이 형성된 제어리테이너(430)가 제동핀(444)에 의해 가압되어 작동롤러(441)를 가압하게 되어 후진방지가 해제되게 된다.

변속캠(210)의 양 측 외주면에는 오일링 결합홈(214)이 형성되고, 여기에 오일링(71)이 결합되어 변속캠(210)과 중심축(100) 사이로 유체가 이동하지 못하도록 설계된다.

도 1 내지 도 4 및 도 8에 도시된 바와 같이 중심축(100)은, 변속캠(210)을 중심부에 수용하고, 액슬샤프트(10)에 축설된다. 중심축(100)은 액슬샤프트(10)에 대하여 회전하지 못하도록 고정결합되며 차체에 대하여 상대회전 되지 않도록 고정쇠에 의해 고정 결합된다. 중심축(100)에는 변속캠(210)에 일단이 접촉하고 타단은 중심축(100)을 관통하여 돌출되는 변속안내핀(234)과, 직결안내핀(224)이 관통하는 클러치 안내홈(102)이 형성된다. 클러치 안내홈(102)은 축방향을 일정 길이로 형성되어 클러치 안내홈(102)을 따라 변속안내핀(234)과 직결안내핀(224)이 병진운동하도록 유도한다. 또한, 제동핀(444)이 결합되는 제동핀 안내홈(101)이 형성된다.

중심축(100)의 일단에는 고정쇠 결합홈(103)이 형성되어 고정쇠(90)에 형성된 결합돌기(91)와 대응 결합하여 중심축(100)이 자체에 대하여 회전하지 못하도록 고정된다.

중심축(100)의 양 단에는 각각 중심축(100)과 허브(50), 중심축(100)과 캐리어(340)의 상대 회전이 용이하도록 한 쌍의 베어링이 결합되어 허브(50)와 캐리어(340)를 지지한다.

중심축(100)의 외주면에는 변속클러치와, 직결클러치 및 후진방지클러치(400)가 결합된다. 변속클러치는 변속클러치링(220)을 포함한다. 변속클러치링(220)은 중심축(100)의 외주면을 따라 병진 운동한다. 중심축(100)을 관통하여 일단이 제1안내면(211)에 접촉하여 제1안내면(211)을 따라 움직이는 변속안내핀(234)의 타단이 변속클러치링(220)에 결합된 결합홈(232)에 결합된다.

변속캠(210)이 회전하면, 제1안내면(211)을 따라 변속안내핀(234)이 축방향으로 병진운동하고, 변속안내핀(234)에 결합된 변속클러치링(220)이 같이 병진운동을 하게 되어, 변속 여부가 제어된다. 변속클러치링(220)의 태양기어(320)에 대향하는 방향으로 내주면에 결합요홈(231)이 형성되고, 상기 태양기어(320)는 변속클러치링(220)에 대향하는 방향으로 결합돌부(321)를 가져, 상기 변속클러치링(220)이 상기 태양기어(320)로 접근하도록 안내되어 상기 변속클러치링(220)의 결합요홈과 상기 태양기어(320)의 결합돌부(321)가 결합되면, 상기 태양기어(320)가 중심축(100)에 대하여 고정 된다.

변속클러치링(220)이 태양기어(320)와 결합하면 태양기어(320)의 중심축(100)에 대한 회전이 제한되고, 캐리어(340)로 입력된 동력이 일정비로 감속 또는 가속되어 링기어(310)로 출력된다.

직결클러치는 중심축(100)의 외주면에 결합된다. 직결클러치는 직결클러치링(220), 직결어댑터(240), 제2탄성부재(226) 및 제3탄성부재(244)를 포함한다.

직결클러치링(220)은 중심축(100)을 따라 병진운동하고, 중심축(100)에 대하여 회전운동은 하지 않는다. 직결클러치링(220)의 결합홈에는 일단이 변속캠(210)의 외주면에 형성된 제2안내면(212)을 따라 이동하고, 상기 중심축(100)에 반경 방향으로 형성된 구멍을 관통하여 반경 방향으로 돌출된 직결안내핀(224)의 타단이 결합된다. 직결안내핀(224)은, 변속캠(210)의 회전에따라 제2안내면(212)을 따라 중심축(100)에 대하여 병진운동하고, 직결안내핀(224)에 결합된 직결클러치링(220)도 같이 병진운동한다.

직결클러치링(220)의 움직임은 직결어댑터(240)로 전달된다. 도 6에 도시된 바와 같이 직결어댑터(240)는, 상기 허브 내부에 수용되고, 상기 유성기어열(300)의 측면에 배치되되, 상기 직결어댑터(240)의 외주면에는 상기 링기어(310)의 일측단 내주면을 따라 형성된 내치에 대응하는 외치가 형성된 링기어 결합부(241)와, 상기 캐리어(340)의 일측단 내주면을 따라 형성된 내치에 대응하는 외치가 형성된 캐리어 결합부(242)를 가진다.

직결클러치링(220)과 직결어댑터(240)의 사이에는 제2탄성부재가 설치되고, 캐리어(340)와 직결어댑터(240)의 사이에는 제3탄성부재가 설치된다. 변속캠(210)의 회전에 따라 직결클러치링(220)이 유성기어열(300)의 방향으로 전진하면, 직결클러치링(220)과 직결어댑터(240)의 사이에 위치하는 제2탄성부재에 의하여 직결어댑터(240)가 유성기어열(300)로 접근하고, 직결어댑터(240)가 동력이 출력되는 링기어(310)와 동력이 입력되는 캐리어(340)에 결합하면, 입력부재와 출력부재가 직결하는 구조가 된다. 즉 휠체어 바퀴의 핸드림에 가한 힘이 변속없이 바퀴로 전달되는 것이다.

직결클러치링(220)이 변속캠(210)의 회전에따라 후퇴하면 직결어댑터(240)와 캐리어(340)의 사이에 장착된 제3탄성부재에 의해 직결어댑터(240)가 밀려나 직결어댑터(240)가 링기어(310) 및 캐리어(340)와 분리된다.

제2탄성부재와 제3탄성부재는, 충분한 탄성력을 제공하는 코일스프링 또는 웨이브와샤를 선택할 수 있다. 제2탄성부재는 직결클러치링(220)에 형성된 플랜지부에 일단이 접촉하고 타단은 직결어댑터(240)에 접촉하도록 결합되며, 제3탄성부재의 일단은 직결어댑터(240)에 형성된 수용홈(243)에 결합되어 안정적으로 장착된다.

이 때 제3탄성부재는 제2탄성부재에 비해 상대적으로 낮은 탄성계수를 가져 변형이 잘 되는 스프링을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 직결어댑터(240)의 링기어(310)와 캐리어(340)에 대한 결합 및 분리가 용이하도록 충분한 신장력을 가지는 것이 좋다.

직결클러치링(220)과 변속클러치링(220)의 사이에는 직결안내핀(224)과 변속안내핀(234)이 변속캠(210)의 제1안내면(211) 및 제2안내면(212)을 따라 안내되도록 제1탄성부재가 결합된다. 따라서 직결클러치링(220)과 변속클러치링(220)은 제1탄성부재에 의해 서로 미는 힘을 받는다. 도 6에 도시된 바와 같이 직결클러치링(220)과 변속클러치링(220)에는 둘레를 따라 스프링결합홈이 형성되어 제1탄성부재가 안정적으로 결합된다.

입력된 동력을 변속하여 출력하는 유성기어열(300)은, 링기어(310), 태양기어(320), 캐리어(340) 및 피니언기어(330)를 포함한다.

링기어(310)는 도 1, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이 내주면에는 피니언기어와 치합하는 내치가 형성되고, 외주면에는 허브에 회전하지 않도록 복수개의 돌기가 형성되어 허브에 고정결합된다. 상기에 설명한 바와 같이 직결어댑터(240)를 향하는 측단 내측면에는 직결어댑터(240)와 결합하는 내치가 형성된 결합부가 형성된다.

태양기어(320)는 중심축(100)에 회동가능하도록 결합되고, 외주면에는 피니언기어와 치합하는 외치가 형성되어 있다. 태양기어(320)의 변속클러치링(220)을 향하는 측단 외주면에는 변속클러치링(220)과 결합하는 외치가 형성되어 변속클러치링(220)이 접근시 결합되어 회전이 저지된다.

링기어(310)와 태양기어(320)의 사이에는 캐리어(340)가 위치한다. 캐리어(340)는 복수개의 피니언기어(330)가 장착된다. 피니언기어의 회전축이 캐리어(340)에 결합되어 피니언기어(330)는 태양기어(320)와 링기어(310)에 치합되어 회동한다. 캐리어(340)의 내주면과 중심축(100)의 사이에는 캐리어(340)의 회동이 용이하도록 베어링이 장착되어 캐리어(340)를 지지하며, 캐리어(340)의 외주면과 링기어(310)의 사이에도 상대적 회전이 용이하도록 베어링이 장작된다.

휠체어 바퀴에 본 발명에 따른 허브 내장형 변속장치가 장착되는 경우에는 캐리어(340)에 핸드림이 고정결합되어 동력이 입력되고, 링기어(310), 허브를 통해 바퀴로 동력이 출력된다.

도 10을 참조로 설명하면, 피니언기어가 장착되는 구조에 따라 변속 시 감속 또는 가속 중의 어느 하나를 선택할 수 있다. 만약 상기 태양기어(320)와 상기 링기어(310)에 동시에 치합되도록 피니언기어(330)를 장착하면 링기어(310)에 치합하는 부분의 피니언기어의 회전이 회전이 캐리어(340)의 회전과 같은 방향이므로 링기어(310)의 회전 속도가 캐리어(340)에 비해 빨라져 가속이 된다.

만약, 한 쌍의 피니언기어를 장착하되, 하나는 태양기어(320)에 치합되고, 링기어(310)에는 치합하지 않는 제1피니언기어(331)를, 다른 하나는, 제1피니언기어와 링기어(310)에 동시에 치합되는 제2피니언기어(332)를 채택하면, 제2피니언기어의 회전이 캐리어(340)의 회전과 반대방향이 되므로 캐리어(340)로 입력되는 회전동력에 대하여 감속되어 상기 링기어(310)로 회전동력이 출력된다.

본 발명에 따른 변속장치의 상기 후진방지클러치(400)는,

상기 허브에 고정결합되는 외륜(410)과, 상기 중심축(100)에 고정결합되고, 상기 외륜(410)과의 사이에 일정간격으로 작동롤러 수용부가 형성되는 내륜(420)과, 상기 작동롤러(441)를 상기 외륜(410)의 내주면과 상기 내륜(420)의 외주면에 접하도록 가압하도록 상기 내륜(420)에 설치되는 작동스프링과, 상기 작동롤러(441)를 상기 외륜(410)의 내주면와 상기 내륜(420)의 외주면 중 적어도 한쪽과 접촉하지 않도록 작동스프링(442)을 압축하는 방향으로 작동롤러(441)를 가압하는 제어리테이너(430)를 포함하며, 상기 제어리테이너(430)의 회전방향 위치를 제어하여 후진을 선택적으로 방지할 수 있는 것을 특징으로 할 수 있다.

도 12를 참조하여 후진방지클러치(400)의 원리를 설명한다. 내륜(420)의 외주면과 외륜(410)의 내주면의 사이에는 작동롤러(441)가 설치되고, 두 면의 거리는 스프링이 작동롤러(441)를 미는 방향으로 좁아지게 형성된다. 스프링(442)이 작동롤러(441)를 밀어 작동롤러(441)가 두 면의 사이에 끼게 되면 후진이 방지 된다. 전진구동인 경우에는 외륜(410)의 내주면이 작동롤러(441)를 상대적으로 공간이 넓은 방향으로 밀어 작동롤러(441)의 끼임 상태를 해제하게 되므로 자유롭게 회전이 가능하지만, 후진 구동인 경우에는 외륜(410)의 내주면이 작동롤러(441)를 공간이 좁은 방향으로 밀어 작동롤러(441)가 외륜(410)의 내주면과 내륜(420)의 외주면 사이에 끼어 외륜(410)과 내륜(420)의 상대 회전을 저지시킨다.

제어리테이너(430)가 작동롤러(441)를 스프링이 압축되는 방향으로 밀도록 제어되면, 작동롤러(441)는 외륜(410)의 내주면과 내륜(420)의 외주면에 동시에 접촉하지 못하게 되어 양 방향으로 자유롭게 회전할 수 있다. 즉 전진과 후진 구동 모두가 가능하다.

제어리테이너(430)는 변속캠(210)의 제3안내면(213)에 일단이 접촉하고 중심축(100) 바깥으로 돌출된 제동핀(444)의 타단을 수용하는 결합홈이 형성되어 있다. 변속캠(210)의 회전에 따라 제동핀(444)이 제3안내면(213)에 형성된 걸림턱에 걸리면 걸림턱의 방향으로 기울어져 제어리테이너(430)를 작동롤러(441)를 미는 방향으로 회전하게 되고, 양방향 구동이 가능하게 된다.

본 발명에 따른 허브 내장형 변속장치에는 외부의 이물질이 침투하지 못하게 함과 동시에 허브 내부의 오일이 새나가지 않도록 오일씰(72, 73, 74)이 결합된다.

오일씰은 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 중심축(100)의 외주면과 상기 캐리어(340)의 외주면의 사이, 허브와 상기 중심축(100)의 사이, 상기 링기어(310)와 상기 캐리어(340)의 사이에 장착된 베어링의 외측부에 결합되는 것이 가장 바람직하다.

본 발명에 따른 허브 내장형 변속장치의 작동 원리를 설명한다.

본 발명에 따른 허브 내장형 변속장치는 변속캠(210)에 결합된 변속레버를 움직여 제어하거나 변속캠(210)에 결합된 변속시프터와 자체에 설치된 제어레버에 의해 제어할 수 있다.

본 발명에 따른 허브 내장형 변속장치는 변속레버의 제어에 따라 3가지 모드로 제어 될 수 있다. 직결 및 후진방지 모드, 직결 및 전후진 모드, 변속 및 후진방지 모드가 그것이다. 제1 내지 제3안내면(213)의 배치에 따라 상기 3가지 모드를 하나의 변속레버 만으로 제어가 가능한 것이다.

표준휠체어와 같은 기능으로 사용하려면 변속레버를 직결 및 전후진 모드에 위치시킨다. 전후진이 모두 가능하고 변속없이 동력이 출력된다. 이 경우 변속안내핀(234)은 제1안내면(211)의 돌출된 면에 위치하여 변속안내핀(234)이 후퇴하고, 변속클러치링(220)이 태양기어(320)에 대하여 이탈하며, 직결안내핀(224)은 제2안내면(212)의 돌출된 면에 위치하여 직결안내핀(224)이 전진하고 직결어댑터(240)가 링기어(310)와 캐리어(340)를 연결시켜 직결 모드가 된다. 이와 동시에 제동핀(444)은 제3안내면(213)에 형성된 걸림턱에 걸려 기울어지도록 하는 위치에 있게 되고, 제어리테이너(430)가 작동롤러(441)를 가압하여 전진과 후진이 모두 가능하다.

직결 및 후진방지 모드의 경우에는 상기의 제동핀(444)의 위치만 제3안내면(213)에 형성된 걸림턱에 걸림이 해제되는 위치에 놓이게 되고 스프링이 작동롤러(441)를 외륜(410)의 내주면과 내륜(420)의 외주면에 동시 접촉하도록 밀어 후진방지 모드가 된다.

변속 및 후진방지 모드의 경우에는 제동핀(444)은 제3안내면(213)의 걸림턱이 없는 위치에 놓인 상태에서 변속안내핀(234)과 직결안내핀(224)이 안내면의 오목한 면에 위치하여 변속클러치링(220)은 태양기어(320)에 결합하고, 직결어댑터(240)는 링기어(310) 및 캐리어(340)와의 결합이 해제되어 변속 및 후진 방지 모드가 된다.

10 : 액슬샤프트
50 : 허브
71 : 오일링
72, 72, 73 : 오일씰
90 : 고정쇠
100 : 중심축(100)
210 : 변속캠
215 : 변속레버
220 : 직결클러치링
230 : 변속클러치링
240 : 직결어댑터
300 : 유성기어열
310 : 링기어
320 : 태양기어
330 : 피니언기어
340 : 캐리어
400 : 후진방지클러치
410 : 외륜
420 : 내륜
430 : 제어리테이너
441 : 작동롤러
442 : 탄성부재

Claims (15)

1. 허브 내장형 변속장치에 있어서,
   출력부재인 바퀴에 결합되는 허브;
   차체에 대해 회전하지 않게 설치되어 바퀴를 지지하는 액슬샤프트;
   상기 액슬샤프트에 회동가능하도록 축설되는 변속캠;
   상기 변속캠을 수용하고, 상기 액슬샤프트에 축설되는 중심축;
   입력부재에 결합되어 입력부재에 가해지는 동력을 전달받고, 적어도 하나 이상의 피니언 기어를 회동가능하도록 지지하는 캐리어와, 상기 중심축에 회동가능하도록 결합되는 태양기어와, 상기 허브에 결합되어 상기 캐리어로부터 입력된 동력을 상기 허브로 출력하는 링기어로 구성되는 유성기어열;
   상기 중심축에 축설되어 축방향을 따라 병진운동하되, 상기 변속캠에 의해 안내된 위치에 따라 상기 캐리어와 상기 링기어를 직결시키는 직결클러치; 및
   상기 중심축에 축설되어 축방향을 따라 병진운동하되, 상기 변속캠에 의해 안내된 위치에 따라 상기 태양기어의 회전가능여부를 결정하는 변속클러치;
   상기 중심축에 축설되고, 상기 변속캠의 위치에 따라 후진 방지 여부가 결정되는 후진방지클러치를 포함하되,
   상기 변속캠의 회전방향 위치에 따라 상기 직결클러치, 변속클러치 및 후진방지클러치의 작동여부가 제어되어, 핸드림의 전진 및 후진 구동력을 2단계 이상으로 변속할 수 있고, 이와 동시에 후진방지여부를 제어할 수 있는 허브 내장형 변속장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 변속클러치는, 일단이 변속캠의 외주면에 형성된 제1안내면을 따라 이동하고, 상기 중심축에 반경 방향으로 형성된 구멍을 관통하여 반경 방향으로 돌출된 변속안내핀에 의해 안내되는 변속클러치링을 포함하는 것을 특징으로 하는 허브 내장형 변속장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 변속클러치링은 태양기어에 대향하는 방향으로 내주면에 결합요홈이 형성되고, 상기 태양기어는 변속클러치링에 대향하는 방향으로 결합돌부를 가져, 상기 변속클러치링이 상기 태양기어로 접근하도록 안내되어 상기 변속클러치링의 결합요홈과 상기 태양기어의 결합돌부가 결합되면, 상기 태양기어가 중심축에 대하여 고정 되는 것을 특징으로 하는 허브 내장형 변속장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 직결클러치는, 일단이 변속캠의 외주면에 형성된 제2안내면을 따라 이동하고, 상기 중심축에 반경 방향으로 형성된 구멍을 관통하여 반경 방향으로 돌출된 직결안내핀에 의해 안내되는 직결클러치링을 포함하고, 상기 직결클러치와 상기 변속클러치의 사이에는 제1탄성부재가 설치되는 것을 특징으로 하는 허브 내장형 변속장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 변속캠에 의해 안내된 상기 직결클러치링에 의해 상기 유성기어열의 방향으로 힘을 받으면, 상기 링기어의 일측단과 상기 캐리어의 일측단에 동시에 결합되어 상기 링기어와 상기 캐리어의 상대적인 움직임이 없도록 직결시켜, 상기 핸드림에 의해 입력된 동력이 변속없이 바퀴로 전달되어 구동되도록 하는 직결어댑터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 허브 내장형 변속장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 직결어댑터는, 상기 허브 내부에 수용되고, 상기 유성기어열의 측면에 배치되되, 상기 직결어댑터의 외주면에는 상기 링기어의 일측단 내주면을 따라 형성된 내치에 대응하는 외치가 형성된 링기어 결합부와, 상기 캐리어의 일측단 내주면을 따라 형성된 내치에 대응하는 외치가 형성된 캐리어 결합부를 가지며,
   상기 직결클러치링과 상기 직결어댑터의 사이에는 제2탄성부재가 설치되고,
   상기 캐리어와 직결어댑터의 사이에는 제3탄성부재가 설치되는 것을 특징으로 하는 허브 내장형 변속장치.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 후진방지클러치는,
   상기 허브에 고정결합되는 외륜과,
   상기 중심축에 고정결합되고, 상기 외륜과의 사이에 일정간격으로 작동롤러 수용부가 형성되는 내륜과,
   상기 작동롤러를 상기 외륜의 내주면과 상기 내륜의 외주면에 접하도록 가압하도록 상기 내륜에 설치되는 작동스프링과,
   상기 작동롤러를 상기 외륜의 내주면와 상기 내륜의 외주면 중 적어도 한쪽과 접촉하지 않도록 작동스프링을 압축하는 방향으로 작동롤러를 가압하는 제어리테이너를 포함하며,
   상기 제어리테이너의 회전방향 위치를 제어하여 후진을 선택적으로 방지할 수 있는 것을 특징으로 하는 허브 내장형 변속장치.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 변속캠에 형성된 제3안내면에 일단이 접촉하고, 상기 중심축을 관통하여 돌출된 타단이 상기 제어리테이너에 형성된 결합홈에 결합되어, 상기 변속캠의 회전에 따라 상기 제어리테이너의 위치를 변화시켜 후진을 선택적으로 방지할 수 있도록 하는 제동핀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 허브 내장형 변속장치.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 변속캠은, 상기 중심축을 관통하여 상기 변속클러치에 결합되는 변속안내핀을 축방향으로 안내하는 캠면인 제1안내면과, 상기 중심축을 관통하여 상기 직결클러치에 결합되는 직결안내핀을 축방향으로 안내하는 캠면인 제2안내면과, 중심축을 관통하여 상기 후진방지클러치에 결합하여 후진방지클러치의 작동여부에 관여하는 제동핀을 안내하는 캠면인 제3안내면이 형성되어 상기 변속캠의 회전에 따라 변속 및 후진방지를 제어하는 것을 특징으로 하는 허브 내장형 변속장치.
   
10. 제1항에 있어서,
    상기 변속캠의 외주면에는 한 쌍의 오일링 수용홈이 형성되고, 상기 오일링 수용홈에는 상기 변속캠과 상기 중심축 사이를 밀폐하는 오일링이 결합되는 것을 특징으로 하는 허브 내장형 변속장치.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 중심축의 외주면과 상기 캐리어의 외주면의 사이에 장착된 베어링과, 상기 허브와 상기 중심축의 사이에 장착된 베어링 및 상기 링기어와 상기 캐리어의 사이에 장착된 베어링에 이물질이 침투하지 못하도록 함과 동시에 허브 내부의 오일이 새나가는 것을 방지하는 오일씰이 각각 결합되는 것을 특징으로 하는 허브 내장형 변속장치.
    
12. 제1항에 있어서,
    상기 피니언기어는 상기 태양기어와 상기 링기어에 동시에 치합되어, 상기 캐리어로 입력되는 회전 동력에 대하여 가속되어 상기 링기어와 결합된 허브로 회전 동력이 출력되는 것을 특징으로 하는 허브 내장형 변속장치.
    
13. 제1항에 있어서,
    상기 피니언기어는 상기 태양기어에 치합되고, 상기 링기어에는 치합하지 않는 제1피니언기어와, 상기 제1피니언기어와 상기 링기어에 동시에 치합되는 제2피니언기어로 구성되어, 상기 캐리어로 입력되는 회전동력에 대하여 감속되어 상기 링기어로 회전동력이 출력되는 것을 특징으로 하는 허브 내장형 변속장치.
    
14. 제1항에 있어서,
    상기 변속캠의 일측단에는 변속레버가 결합되는 것을 특징으로 하는 허브 내장형 변속장치.
    
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 허브 내장형 변속장치가 장착되는 것을 특징으로 하는 휠체어 바퀴.
    
    

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