KR101782895B1 - 자전거 변속허브 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자전거의 변속허브에 있어서, 보다 상세하게는 허브축을 직접 회전시키고 그 입력된 회전력을 링기어 없이 변속하여 허브쉘에 전달할 수 있는 자전거 변속허브에 관한 것이다.
본 발명에 의한 자전거 변속허브는 회전력이 입력되고 외주면에 복수의 제1폴(pawl)이 구비되는 허브축; 상기 제1폴의 출몰을 제어하는 변속제어수단; 중심에 상기 허브축이 관통하고, 내주면에 래칫이 형성되어 상기 제1폴에 의해 회전력이 전달되며, 서로 다른 칫수(齒數)를 갖는 복수의 구동기어; 상기 구동기어들과 각각 치합하며, 서로 다른 칫수를 갖고, 상호 결합되어 회전하는 복수의 피동기어; 상기 구동기어들 중 이웃하는 구동기어와 결합되어 회전되며, 외주면에 제2폴이 구비되는 출력휠; 및 바퀴살이 연결되고, 내주면에 래칫이 형성되어 상기 제2폴에 의해 회전력이 전달되는 허브쉘;을 포함한다.

Description

자전거 변속허브{BICYCLE TRANSMISSION HUB}
본 발명은 자전거의 변속허브에 있어서, 보다 상세하게는 허브축을 직접 회전시키고 그 입력된 회전력을 링기어 없이 변속하여 허브쉘에 전달할 수 있는 자전거 변속허브에 관한 것이다.
자전거의 변속장치는 외장기어와 내장기어로 구분된다. 이 중에서 상기 내장기어는 고정된 허브축과 태양기어, 유성기어가 축결합된 캐리어 및 링기어를 포함하는 유성기어시스템으로 구성된다.
종래의 유성기어시스템은 크랭크를 회전시켜 발생된 회전력을 체인을 통해 종동스프라켓을 회전시키고, 종동스프라켓은 상기 캐리어와 결합되어 회전시키는 구조이기 때문에 체인없이 허브축을 직접 구동하면서 변속도 가능한 자전거를 만들 수 없다는 문제가 있다.
더 나아가 종래의 유성기어시스템은 태양기어와 유성기어 뿐 아니라 링기어가 반드시 구비되어야 하므로 구조가 복잡하다는 문제점도 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 허브축을 직접 회전시키고 그 입력된 회전력을 변속할 수 있는 자전거 변속허브를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 입력된 회전력을 링기어 없이 변속하여 허브쉘에 전달할 수 있는 자전거 변속허브를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 크랭크를 허브축에 직접 연결하여 체인없이 구동할 수도 있고, 또는 체인을 통해 허브축에 회전력을 전달해 구동할 수도 있는 자전거 변속허브를 제공함에 있다.
위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 자전거 변속허브는 회전력이 입력되고 외주면에 복수의 제1폴(pawl)이 구비되는 허브축; 상기 제1폴의 출몰을 제어하는 변속제어수단; 중심에 상기 허브축이 관통하고, 내주면에 래칫이 형성되어 상기 제1폴에 의해 회전력이 전달되며, 서로 다른 칫수(齒數)를 갖는 복수의 구동기어; 상기 구동기어들과 각각 치합하며, 서로 다른 칫수를 갖고, 상호 결합되어 회전하는 복수의 피동기어; 상기 구동기어들 중 이웃하는 구동기어와 결합되어 회전되며, 외주면에 제2폴이 구비되는 출력휠; 및 바퀴살이 연결되고, 내주면에 래칫이 형성되어 상기 제2폴에 의해 회전력이 전달되는 허브쉘;을 포함한다.
또한 상기 변속제어수단은, 변속을 위한 와이어; 상기 와이어에 의해 회전하며 외주면에 가이드홀이 원주방향에 대하여 사선으로 형성되는 외측링; 상기 외측링의 내부에 구비되며, 상기 가이드홀에 구속되는 가이드핀이 돌출형성되어 상기 외측링의 회전에 의해 전후진하는 내측링; 및 상기 내측링의 전후진에 의해 상기 제1폴을 출몰시키는 레버;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 레버는, 상기 내측링의 전후진으로 가압되어 하강하는 입력부; 상기 입력부와 결합되어 상기 입력부의 하강에 의해 회전하는 회전로드; 및 상기 회전로드의 회전에 의해 돌출되어 상기 제1폴을 상승시키는 출력부;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 허브축의 외주면에는 상기 레버가 안착되는 안착홈이 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 허브축을 직접 회전시키고 그 입력된 회전력을 변속할 수 있는 효과가 있다.
또한 입력된 회전력을 링기어 없이 변속하여 허브쉘에 전달할 수 있는 효과가 있다.
또한 크랭크를 허브축에 직접 연결하여 체인없이 구동할 수도 있고, 또는 체인을 통해 허브축에 회전력을 전달해 구동할 수도 있다.
도 1은 본 발명에 의한 실시예가 장착된 자전거를 나타낸 것이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명에 의한 일 실시예를 나타낸 것이다.
도 5 내지 도 11은 본 발명에 의한 실시예의 요부를 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명에 의한 실시예가 장착된 다른 자전거를 나타낸 것이다.
도 13 및 도 14는 본 발명에 의한 다른 실시예를 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 자전거 변속허브의 일 실시예의 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 실시예(1)를 전륜 구동 자전거(100)에 결합한 상태이고, 도 2는 본 발명에 의한 실시예(1)에 크랭크가 결합된 상태를 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 실시예(1)는 전륜의 중심축에 구비한 것을 알 수 있다. 또한 본 실시예(1)는 허브축(10)에 직접 크랭크(P)를 연결한 것을 알 수 있다. 따라서 체인이나 스프라켓 없이 크랭크(P)의 페달링만으로 허브축(10)을 직접 회전시키는 것이다. 또한 상기 허브축(10)의 회전력은 변속되어 허브쉘(60)을 회전시키게 된다. 상기 허브쉘(60)의 장착홀(61)에는 바퀴살이 결합되는데, 허브쉘(60)의 회전으로 전륜(R1)이 회전되는 것이다. 미설명 부호 'F'는 프레임이고, 'R2'는 후륜이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 의한 실시예(1)는 허브축(10)과 변속제어수단(도 7의 '50' 참조)과 구동기어(20)와 피동기어(30), 출력휠(40)과 허브쉘(60)을 포함한다.
상기 허브축(10)은 상술한 바와 같이 크랭크(P)와 직접 결합되어 회전력이 입력되는 구성요소이며, 외주면에 복수의 제1폴(P1)이 구비된다.
상기 허브축(10)의 외경에는 칫수가 서로 다른 4개의 제1구동기어(21), 제2구동기어(22), 제3구동기어(23) 및 제4구동기어(24)가 구비된다. 즉, 허브축(10)이 구동기어들(21~24)을 관통하는 것이다. 상기 구동기어들(21~24)의 내주면에는 상기 제1폴(P1)이 선택적으로 걸리도록 래칫(도 5의 '23a' 참조)이 형성되어 있다.
또한 상기 구동기어들(21~24)의 외경에서 치합하는 4개의 제1피동기어(31), 제2피동기어(32), 제3피동기어(33) 및 제4피동기어(34)가 구비된다. 상기 피동기어(31~34)는 서로 다른 칫수를 가진다. 결과적으로 본 실시예에서는 구동기어(21~24)와 피동기어(31~34)가 각각 4세트가 치합한다.
또한 상기 복수의 피동기어들(31~34)은 이웃하여 나란히 배치되지만, 어느 하나가 회전하더라도 모두 회전되도록 서로 결합되어 있다. 이와 같은 피동기어(31~34)는 원통형태의 기어박스(도 6의 '36' 참조)에 고정 설치된다.
구체적으로 설명하면, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 기어박스(36)에는 3개의 축(35)이 구비되고, 각 축(35)에는 4개의 피동기어(31~34)들이 축결합되어 구비되는 것이다. 한편, 피동기어(31~34)는 구동기어(21~24)와 치합하여 회전하지만, 이 때 기어박스(36)는 회전하지 않고 피동기어(31~34)만 축(35)에 결합된 상태로 회전한다.
또한 상기 구동기어(21~24) 및 피동기어(31~34)의 일측에는 변속된 회전력을 출력하는 출력휠(40)이 구비되는데, 특히, 상기 출력휠(40)은 가장 근접한 제1구동기어(21)와 결합된다. 따라서 상기 제1구동기어(21)가 회전하게 되면 출력휠(40)도 연동하여 회전하는 것이다. 상기 출력휠(40)의 외주면에는 제2폴(P2)이 구비된다.
마지막으로 상기 허브쉘(60)의 내주면에는 상기 제2폴(P2)과 선택적으로 치합하는 래칫(62)이 구비된다. 상기 출력휠(40)의 회전력을 상기 허브쉘(60)에 전달하는 수단으로는 제2폴(P2)과 래칫(62) 대신 클러치 베어링 등 공지된 수단으로 적용가능함은 당연하다.
도 5를 참조하면, 허브축(10)이 4개의 구동기어(21~24)를 관통하고 있음을 알 수 있다. 또한 상기 허브축(10)에는 4개의 제1폴(P1)이 구비되는데, 각 제1폴(P1)은 4개의 구동기어(21~24)와 선택적으로 치합하여 허브축(10)의 회전력을 구동기어(21~24)로 선택적으로 전달하는 것이다. 즉, 어느 하나의 제1폴(P1)이 허브축(10)으로부터 돌출되면 돌출된 제1폴(P1)에 걸리는 구동기어(21~24)가 회전을 하는 것이다. 따라서 상기 구동기어(21~24)는 제1폴(P1)에 걸리도록 내경에 래칫(23a 참조)이 형성되어 있다.
도 7을 참조하면, 상기 변속제어수단(50)은 외측링(53)과 내측링(54)을 포함한다. 상기 외측링(53)은 외주면에 가이드홀(53a)이 원주방향에 대하여 사선으로 형성되어 있고, 상기 외측링(53) 일측에는 스프라켓(52)이 형성되어 있다. 또한 상기 스프라켓(52)에는 와이어로서 변속용 체인(51)이 연결되는데, 상기 변속용 체인(51)에 의해 상기 외측링(53)은 양방향으로 회전이 된다.
본 발명에 따르면 상기 변속용 체인 대신 일반적인 와이어를 사용할 수 있는 것은 당연하다.
또한 상기 외측링(53)의 내부에는 내측링(54)이 구비되는데, 상기 내측링(54)의 외주면에는 상기 가이드홀(53a)에 구속되는 가이드핀(54a)이 형성된다. 따라서 상기 변속용 체인(51)을 잡아 당겨 외측링(53)이 제자리에서 어느 일측으로 회전하게 되면 상기 가이드홀(53a)에 구속된 가이드핀(54a)이 사선을 따라 이동하면서 결과적으로 내측링(54)를 전진 또는 후진시킨다.
또한 상기 허브축(10)의 외주면에는 레버(55)가 안착되는 안착홈이 형성되어 있는데, 상기 레버(55)는 도 8에 도시된 바와 같이, 내측링(54)의 전진 또는 후진으로 가압되어 하강하는 입력부(55a)와, 상기 입력부(55a)와 결합되고 상기 입력부(55a)의 하강에 의해 회전하는 회전로드(55b)와, 상기 회전로드(55b)의 회전에 의해 허브축(10)의 안착홈으로부터 돌출되어 상기 제1폴(P1)을 상승(스윙)시키는 출력부(55c)를 포함한다. 즉, 상기 출력부(55c)는 허브축(10)의 안착홈에 구비되되 제1폴(P1)의 하부에 위치되는 것이다.
도 9를 참조하면, 변속제어수단(50)에서 상기 변속용 체인(51)을 잡아당기면 스프라켓(52)이 회전하게 되고, 스프라켓(52)과 결합된 외측링(53)이 제자리에서 회전하게 된다. 이러한 동작으로 인해 가이드홀(53a)에 구속된 가이드핀(54a)이 이동을 하게 되어 내측링(54)이 전진하거나 후진하게 되는 것이다. 특히, 내측링(54)이 전진 또는 후진하게 되면 내측링(54)에 의해 입력부(55a)가 눌려 하강하게 되고, 이와 연동하여 회전로드(55b)가 회전되어 출력부(55c)가 상승하고, 그 결과 제1폴(P1)이 허브축(10)으로부터 돌출되어 이에 대응되는 어느 하나의 구동기어(21~24)가 허브축(10)의 회전력을 전달받게 되는 것이다.
한편, 본 실시예에서는 허브축(10)에 4개의 레버(55)가 장착되는데, 상기 변속용 체인(51)을 잡아당기는 정도에 따라 내측링(54)이 더 전진하면서 4개의 입력부(55a)를 순차적으로 가압하여 하강시키고, 그에 따라 반대편에 형성된 출력부(55c)를 상승시켜 어느 하나의 제1폴(P1)을 돌출시켜 이와 결합된 구동기어(21~24)에 회전력을 전달하는 것이다. 각 구동기어(21~24)의 칫수가 서로 상이하고 또한 이와 치합되는 각 피동기어(31~34)의 칫수가 서로 상이하기 때문에 그에 따라 변속이 되는 것이다.
도 10 및 도 11은 레버(55)가 허브축(10)의 안착홈에 안착된 상태를 나타낸 것이다. 도 10은 입력부(55a)가 허브축(10)의 외경보다 돌출된 상태인데, 이 상태에서는 출력부(55c)가 안착홈의 바닥면에 위치되어 제1폴(P1)이 허브축(10)의 외경으로부터 돌출되지 않게 된다.
반대로 도 11은 입력부(55a)가 안착홈의 바닥면으로 하강한 상태를 나타낸 것이다. 이 상태에서는 출력부(55c)가 상승되면서 상기 제1폴(P1)을 들어 올려 허브축(10)의 외경보다 돌출되게 된다.
또한 도 11의 상태에서 내측링(54)이 더 전진을 하거나 또는 후진을 하게 되면 입력부(55a)에 대한 내측링(54)의 가압이 해제된다. 이것은 제1폴(P1)을 감싸고 있는 와이어 스프링(도 9의 'S' 참조)에 의해 제1폴(P1)이 하강을 하게 하며 회전로드(55b)의 회전으로 다시 입력부(55a)가 상승하여 원복이 되는 것이다. 그러면 제1폴(P1)과 구동기어(21~24)의 결합도 해제된다.
이하, 본 발명에 의한 일 실시예에 의해 변속되는 과정을 설명한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 크랭크의 페달링으로 크랭크에 직접 연결된 허브축(10)이 회전을 하게 되고, 한편으로는 변속제어수단(50)의 제어로 제1구동기어(21)에 맞물리는 제1폴(P1)을 상승시켜 제1구동기어(21)를 회전시킨다. 제1구동기어(21)는 상기 허브축(10)의 회전속도로 제1구동기어(21)와 결합된 출력휠(40)을 회전시키고, 출력휠(40)의 외주면에 구비된 제2폴(P2)이 허브쉘(60)의 내주면에 형성된 래칫(62)과 맞물려 허브쉘(60)을 회전시켜 전륜(R1)을 회전시키는 것이다.
만약, 사용자가 변속용 체인(51)을 조작하여 내측링(54)이 복수의 제1폴(P1) 중 제3구동기어(23)에 대응하는 제1폴(P1)을 상승시키게 되면, 상기 제3구동기어(23)가 제1폴(P1)에 맞물려 회전하게 된다. 이 때 상기 제3구동기어(23)가 회전을 하게 되면 이와 치합되어 있는 제3피동기어(33)가 회전을 하게 되고, 제3피동기어(33)가 회전함에도 불구하고 제1 내지 제4 피동기어(31~34)는 모두 결합되어 있기 때문에 제3피동기어(33)의 회전속도와 동일한 속도로 모든 피동기어(30)들이 회전을 하게 된다. 따라서 제1피동기어(31)도 제3피동기어(33)의 회전속도로 회전을 하게 되는데, 이와 같이 제1피동기어(31)의 회전에 의해 제1구동기어(21)가 회전을 하게 된다.
그러나 이 때 제1구동기어(21)의 회전속도는 허브축(10)의 회전속도가 아니라 제3구동기어(23)와 제3피동기어(33)의 칫수에 의해 변속된 속도로 회전하게 된다. 이와 같이 제1구동기어(21)는 변환된 속도로 회전하는 되며, 제1구동기어(21)와 결합된 출력휠(40)도 변환된 속도로 회전되고, 출력휠(40)의 외주면에 구비된 제2폴(P2)에 의해 허브쉘(60)도 변환된 속도로 회전하는 것이다.
한편, 제1폴(P1)과 맞물려 제3구동기어(23)가 회전하게 되면 상기 피동기어들(31~34)은 모두 결합되어 있기 때문에 제3피동기어(33)뿐 아니라 모든 피동기어들(31~34)이 회전을 하게 되고 그에 따라 제3구동기어(23)가 회전하는 것 이외에 나머지 구동기어들(21,22,24)도 공회전하게 된다.
마찬가지로, 변속용 체인(51)의 조작으로 제4구동기어(24)와 맞물리는 제1폴(P1)을 상승시켜 허브축(10)의 회전력으로 제4구동기어(24)를 회전시키면, 제4구동기어(24)와 제4피동기어(34)가 치합되면서 회전하게 된다. 이러한 동작은 제4피동기어(34)의 회전속도로 제1피동기어(31)도 회전하게 되고, 다시 제1피동기어(31)와 치합되어 있는 제1구동기어(21)가 변환된 속도로 회전하게 된다. 이와 연동하여 출력휠(40) 및 허브쉘(60)도 변환된 속도로 회전하여 후륜(R2)을 변환된 속도로 회전시키는 것이다.
도 12는 본 발명에 의한 실시예(1)가 일반 체인 자전거(200)에 적용된 상태를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 실시예(1)는 일반 체인 자전거(200)의 후륜(R2) 중심에 구비된다. 따라서 크랭크(P)를 가압하여 회전시키면 구동스프라켓(210)이 회전하게 되고 체인(C)을 통해 회전력이 종동스프라켓(11)이 회전하게 되며, 종동스프라켓(11)과 결합된 후륜(R2)의 중심축인 허브축(10)이 직접 회전하는 것이다. 미설명 부호 'R1'은 전륜이고, 'F'는 프레임이다.
도 13 및 도 14는 도 12에 도시된 자전거에 장착될 수 있도록 변형된 다른 실시예를 나타낸 것이다.
도시된 바와 같이, 체인(C)을 통해 회전력이 전달되는 종동스프라켓(11)이 허브축(10)과 일체로 결합된 것을 알 수 있다. 따라서 페달링을 통해 크랭크를 회전시키면 구동스프라켓(210)이 회전하게 되고, 체인(C)을 통해 종동스프라켓(11)이 회전되어 결과적으로 허브축(10)이 회전된다.
이와 같이 허브축(10)이 회전되게 되면, 앞선 실시예와 같은 동작으로 원하는 속도로 변환할 수 있게 된다.
1: 실시예(변속허브)
10: 허브축
11: 종동스프라켓
20~24: 구동기어
30~34: 피동기어
35: 축
36: 기어박스
40: 출력휠
50: 변속제어수단
51: 변속용 체인
52: 스프라켓
53: 외측링
54: 내측링
60: 허브쉘
61: 장착홀
62: 래칫
C: 체인
P1,P2: 폴

Claims (4)

  1. 회전력이 입력되고 외주면에 복수의 제1폴(pawl)이 구비되는 허브축;
    상기 제1폴의 출몰을 제어하는 변속제어수단;
    중심에 상기 허브축이 관통하고, 내주면에 래칫이 형성되어 상기 제1폴에 의해 회전력이 전달되며, 서로 다른 칫수(齒數)를 갖는 복수의 구동기어;
    상기 구동기어들과 각각 치합하며, 서로 다른 칫수를 갖고, 상호 결합되어 회전하는 복수의 피동기어;
    상기 구동기어들 중 이웃하는 구동기어와 결합되어 회전되며, 외주면에 제2폴이 구비되는 출력휠; 및
    바퀴살이 연결되고, 내주면에 래칫이 형성되어 상기 제2폴에 의해 회전력이 전달되는 허브쉘;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자전거 변속허브.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 변속제어수단은,
    변속을 위한 와이어;
    상기 와이어에 의해 회전하며 외주면에 가이드홀이 원주방향에 대하여 사선으로 형성되는 외측링;
    상기 외측링의 내부에 구비되며, 상기 가이드홀에 구속되는 가이드핀이 돌출형성되어 상기 외측링의 회전에 의해 전후진하는 내측링; 및
    상기 내측링의 전후진에 의해 상기 제1폴을 출몰시키는 레버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자전거 변속허브.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 레버는,
    상기 내측링의 전후진으로 가압되어 하강하는 입력부;
    상기 입력부와 결합되어 상기 입력부의 하강에 의해 회전하는 회전로드; 및
    상기 회전로드의 회전에 의해 돌출되어 상기 제1폴을 상승시키는 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자전거 변속허브.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 허브축의 외주면에는 상기 레버가 안착되는 안착홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 자전거 변속허브.
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