KR101798871B1 - 전기 자전거용 변속장치 - Google Patents

Abstract

샤프트; 상기 샤프트의 일측 외주면에 결합되는 프런트허브부; 상기 프런트허브부에 상기 샤프트의 회전 방향을 따라 적어도 하나 이상 결합되며 상기 샤프트의 반경 방향으로 멀어지거나 가까워지는 스파이크부; 상기 샤프트를 따라 왕복 직선 이동하며, 상기 프런트허브부와 마주보는 측에 경사면이 형성되고, 상기 경사면에는 상기 스파이크부의 일단부가 접촉 상태를 유지하면서 슬라이딩되는 가이드홈이 형성되는 제1가변구동풀리부; 및 상기 스파이크부와 벨트 결합되어 상기 제1가변구동풀리부의 회전 속도를 가변시키는 제1종동풀리부;를 포함하는 전기 자전거용 변속장치를 제공한다.

Description

전기 자전거용 변속장치{TRANSMISSION OF ELECTRIC BYCICLE}

본 발명은 특히 전기 자전거의 뒷바퀴에 장착되어 변속레버의 조작에 따라 변속이 발생하도록 하는 변속장치에 관한 것이다.

전기 자전거를 포함하는 자전거는 앞바퀴가 조향, 뒷바퀴가 구동을 담당한다. 구동과 관련하여 탑승자에 의해 페달에 가해지는 답력은 크랭크 기구를 통해 회전력으로 전환되고, 이는 스프라켓에 물려 있는 체인에 의해 뒷바퀴로 전달된다.

변속장치는 도로의 경사도, 상황, 풍속, 속도 등 주행 조건을 고려하여 적합한 기어비를 선택함으로써 최적 효율로 주행할 수 있도록 도와주는 장치이다. 구체적으로 변속장치는 조작을 위한 변속레버, 앞 드레일러, 뒷 드레일러, 크랭크 등으로 이루어진다. 또한, 뒷바퀴에는 치수가 다른 스프라켓이 6∼10개 설치되고 체인이 그 사이를 옮겨 가는 방법으로 변속장치가 변속된다. 이런 변속장치는 주행 중 빠르게 변속하여 동력 손실을 최소화하는 것이 중요하다.

전기 자전거는 전기 모터의 구동력을 이용하여 주행하기 때문에 답력이 가해지지 않거나 덜 가해지더라도 오르막 길 등을 오를 수 있다. 즉, 전기 자전거에서 주된 동력원은 전기 모터이고 탑승자에 의한 답력은 전기 모터의 구동력을 보조해준다.

그러나, 종래 전기 자전거에 설치되던 변속장치는 일반 자전거의 변속장치와 유사하게 스프라켓 세트와 뒷 드레일러가 외부에 그대로 노출되어 있는 구조를 포함하였다. 그 결과, 변속장치가 이물질 등에 의해 쉽게 고장나는 문제점이 있었다. 또한, 체인이 복수 개의 스프라켓 사이를 옮겨가면서 이루어지는 변속은 탑승자에게 변속 충격을 주어 주행감을 저하시키는 원인이 되었다. 또한, 변속 단수가 제한되어 동력 전달 효율이 저하되는 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허 제10-1636961호 (2016.06.30. 등록) 대한민국 등록특허 제10-1174673호 (2012.08.10. 등록) 대한민국 등록특허 제10-1026005호 (2011.03.23. 등록) 대한민국 등록특허 제10-1348822호 (2013.12.31. 등록)

본 발명의 실시예는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 부드러운 변속이 이루어지는 변속장치를 제공하고자 한다. 또한, 뒷 드레일러를 제거하여 잦은 고장 원인을 차단할 수 있는 변속장치를 제공하고자 한다.

또한, 변속장치가 최적 가감속비를 제공하도록 하여 동력 전달 효율을 보다 향상시키고자 한다. 또한, 복잡한 구조를 갖는 변속장치 중 일부가 외부에 그대로 노출되지 않도록 하여 외적 미관을 향상시키고자 한다.

본 발명의 실시예는 상기와 같은 과제를 해결하고자, 샤프트; 상기 샤프트의 일측 외주면에 결합되는 프런트허브부; 상기 프런트허브부에 상기 샤프트의 회전 방향을 따라 적어도 하나 이상 결합되며 상기 샤프트의 반경 방향으로 멀어지거나 가까워지는 스파이크부; 상기 샤프트를 따라 왕복 직선 이동하며, 상기 프런트허브부와 마주보는 측에 경사면이 형성되고, 상기 경사면에는 상기 스파이크부의 일단부가 접촉 상태를 유지하면서 슬라이딩되는 가이드홈이 형성되는 제1가변구동풀리부; 및 상기 스파이크부와 벨트 결합되어 상기 제1가변구동풀리부의 회전 속도를 가변시키는 제1종동풀리부;를 포함하는 전기 자전거용 변속장치를 제공한다.

상기 프런트허브부와 상기 제1가변구동풀리부 사이에는 상기 샤프트의 길이 방향으로 탄성 복원력을 제공하는 스프링; 및 상기 제1가변구동풀리부를 상기 프런트허브부 측으로 견인하는 포지션링;을 더 포함할 수 있다.

상기 제1가변구동풀리부에는 상기 포지션링이 수용 결합되는 링홈이 형성되고, 상기 포지션링의 내경은 대향하는 상기 샤프트의 외경보다 크고, 상기 포지션링에는 와이어가 관통되는 견인공이 형성될 수 있다.

상기 스파이크부는 일단이 상기 프런트허브부와 힌지 결합되고, 타단 일측에는 상기 벨트가 안착되는 벨트홈이 형성되며, 타단 타측에는 상기 가이드홈과 접촉되는 돌부가 형성될 수 있다.

상기 프런트허브부의 외주면에는 베어링이 개재된 상태에서 결합되는 제2종동풀리부가 배치될 수 있다.

상기 프런트허브부의 외주면에는 톱니 결합되는 스프라켓이 배치될 수 있다.

상기 샤프트의 외주면과 상기 프런트허브부 사이 및 상기 샤프트의 외주면과 상기 제1가변구동풀리부 사이에는 니들베어링이 개재될 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 과제해결 수단에 의하면 다음과 같은 사항을 포함하는 다양한 효과를 기대할 수 있다. 다만, 본 발명이 하기와 같은 효과를 모두 발휘해야 성립되는 것은 아니다.

일 실시예에 따른 변속장치는 벨트를 사용하며 제1가변구동풀리부의 직선 이동에 따라 벨트의 회전 반경이 연속적으로 변경될 수 있어 부드러운 변속이 가능하다. 그 결과, 변속 충격이 완화되고, 동력 전달 효율이 향상될 수 있다.

또한, 변속장치는 이를 수용하는 커버 내측에 배치되는 바, 이물질 등에 의한 고장 가능성이 현저하게 감소될 수 있다. 또한, 복잡한 구조를 갖는 변속장치가 커버 내측으로 배치되어 외적 미관이 향상된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거용 변속장치의 사시도.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ' 방향 단면도.
도 3은 도 1의 제1가변구동풀리부의 사시도.
도 4는 도 2의 제1가변구동풀리부가 이동된 상태의 단면도.
도 5는 도 1의 변속장치가 모터홀더플레이트에 장착된 사시도.
도 6은 도 5의 변속장치가 커버에 의해 수용되는 것을 도시한 사시도.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자전거용 변속장치의 사시도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ' 방향 단면도이며, 도 3은 도 1의 제1가변구동풀리부의 사시도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면 전기 자전거용 변속장치는 샤프트(10), 프런트허브부(20), 스파이크부(30), 제1가변구동풀리부(40), 제1종동풀리부(50), 스프라켓(70) 등을 포함한다. 변속장치는 자전거 탑승자가 페달에 답력을 가하여 페달 측과 체인 등으로 연결되는 스프라켓(70)을 통해 동력을 전달하면 스프라켓(70)의 회전 속도를 가감속하여 뒷바퀴를 회전시키는 출력으로 변경시킨다.

샤프트(10)는 변속장치가 설치되는 중심축으로 뒷바퀴에 중앙에 관통 배치된다.

프런트허브부(20)는 샤프트(10)의 일측 외주면에 결합된다. 프런트허브부(20)는 중앙에 샤프트(10)가 관통되는 홀 구조를 갖는다. 이 때, 샤프트(10)의 외주면과 프런트허브부(20)의 중앙 내주면 사이에는 니들베어링(92)이 개재된다. 이로 인해, 프런트허브부(20)는 샤프트(10)에 대해 상대 운동을 할 수 있다. 프런트허브부(20)는 샤프트(10)에 결합되면 그 결합 위치에서 고정되어 샤프트(10)를 중심축으로 회전한다.

또한, 프런트허브부(20)의 외주면에는 톱니 결합되는 스프라켓(70)이 배치된다. 스프라켓(70)은 원판 모양의 회전체이며, 체인이 연결될 수 있도록 동일 간격의 돌기가 형성되어 있다. 톱니 결합에 의해 스프라켓(70)이 회전하면 프런트허브부(20) 역시 함께 동일 속도로 회전한다.

스파이크부(30)는 프런트허브부(20)에 샤프트(10)의 회전 방향을 따라 적어도 하나 이상 결합되며 샤프트(10)의 반경 방향으로 멀어지거나 가까워진다. 구체적으로, 스파이크부(30)는 일단이 프런트허브부(20)와 힌지 결합되고, 타단 일측에는 벨트(38)가 안착되는 벨트홈(32)이 형성되며, 타단 타측에는 가이드홈(44)과 접촉되는 돌부(34)가 형성된다.

즉, 스파이크부(30)는 힌지 회동하여 힌지 축을 중심으로 벌어지거나 오므려진다. 스파이크부(30)는 동일 간격을 갖고 원형으로 나열되어 프런트허브부(20)에 결합되고 이 때, 복수 개의 스파이크부(30)를 동시에 결합하기 위해 반원 링 형상을 갖는 핀(36)이 사용될 수 있다. 이와 달리, 스파이크부(30)는 각각 개별적으로 프런트허브부(20)에 힌지 결합될 수 있다.

한편, 벨트홈(32)에는 벨트(38)가 안착된다. 이 때, 벨트(38)는 강한 마찰력을 제공할 수 있는 V 벨트가 바람직하다

또한, 프런트허브부(20)의 외주면에는 베어링(90)이 개재된 상태에서 결합되는 제2종동풀리부(60)가 배치된다. 제2종동풀리부(60)는 변속장치에서 스프라켓(70)을 통해 전달되는 동력이 바퀴 측으로 전달되는 최종 출력 부분이다. 이를 위해, 제2종동풀리부(60)는 전술한 커버(110)와 구조적으로 연결되어 있다.

제1가변구동풀리부(40)는 샤프트(10)를 따라 왕복 직선 이동하며 프런트허브부(20)와 마주보는 측에 경사면이 형성되고 경사면에는 스파이크부(30)의 일단부가 접촉 상태를 유지하면서 슬라이딩되는 가이드홈(44)이 형성된다.

즉, 스파이크부(30)는 샤프트(10)에 대한 제1가변구동풀리부(40)의 위치에 따라 샤프트(10)의 반경 방향으로 멀어지거나 가까워질 수 있다. 그 결과, 벨트홈(32)에 결합되는 벨트(38)의 회전 반경이 변경된다.

구체적으로, 제1가변구동풀리부(40)는 전체적 모양이 원추 형상이며 중앙에 샤프트(10)가 관통되는 관통홀이 형성되어 있다. 여기서, 경사면은 원추 형상의 측면에 해당되고, 가이드홈(44)은 스파이크부(30)의 개수에 대응하여 경사면에 적어도 하나 이상 형성된다.

가이드홈(44)에는 스파이크부(30)의 돌부(34)가 접촉된다. 이 때, 스파이크부(30)는 벨트(38)에 걸리는 장력으로 인해 가이드홈(44)의 표면과 접촉 상태를 유지할 수 있다.

한편, 프런트허브부(20)와 제1가변구동풀리부(40) 사이에는 샤프트(10)의 길이 방향으로 탄성 복원력을 제공하는 스프링(52)과 제1가변구동풀리부(40)를 프런트허브부(20) 측으로 견인하는 포지션링(54)을 더 포함한다. 이를 위해, 제1가변구동풀리부(40)에는 포지션링(54)이 수용 결합되는 링홈(42)이 형성된다.

포지션링(54)의 내경은 대향하는 샤프트(10)의 외경보다 크다. 즉, 포지션링(54)은 샤프트(10)의 외주면과 비접촉한 상태에서 샤프트(10)를 따라 이동한다. 또한, 포지션링(54)에는 와이어(미도시)가 관통되는 견인공(55)이 형성된다. 이 때, 와이어의 일단은 변속레버에 연결되고 타단은 견인공(55)에 연결된다. 그 결과, 와이어는 변속레버의 조작에 따라 포지션링(54)을 당길 수 있게 된다.

포지션링(54)은 전술한 것처럼 링홈(42)에 수용 결합된다. 이 때, 포지션링(54)의 외주면과 링홈(42)의 내주면 사이에는 예를 들어, 볼베어링이 개재된다. 즉, 볼베어링이 포지션링(54)의 외주면과 링홈(42)의 내주면 사이에 압입 결합된다.

도 4는 도 2의 제1가변구동풀리부(40)가 이동된 상태의 단면도이다. 도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 포지션링(54)은 와이어의 인장력이 가해지면 프런트허브부(20) 측으로 이동하게 된다. 그리고 이는 제1가변구동풀리부(40)를 프런트허브부(20) 측으로 이동시킨다. 이와 반대로, 변속레버의 조작에 따라 와이어의 인장력이 완화되면 제1가변구동풀리부(40)는 스프링(52)의 탄성 복원력에 의해 프런트허브부(20)의 반대 측 방향으로 이동하게 된다.

도 4와 같이 제1가변구동풀리부(40)가 프런트허브부(20)의 반대 방향으로 이동하게 되면 벨트홈(32)에 결합되는 벨트(38)의 회전 반경이 연속적으로 감소하면서 작아진다.

한편, 샤프트(10)의 외주면과 제1가변구동풀리부(40)의 내주면 사이에는 니들베어링(92)이 개재된다. 그 결과, 제1가변구동풀리부(40)는 샤프트(10)에 대해 상대적인 회전 운동을 할 수 있다.

도 5는 도 1의 변속장치가 모터홀더플레이트(100)에 장착된 사시도이다. 도 5를 참조하면, 제1종동풀리부(50)는 스파이크부(30)와 벨트(38) 결합되어 제1가변구동풀리부(40)의 회전 속도를 가변시킨다. 즉, 이 때 1차 가감속 비율은 제1가변구동풀리부(40)와 제1종동풀리부(50)의 각 직경의 차이에 따른다. 제1종동풀리부(50)는 샤프트(10)가 결합되는 모터홀더플레이트(100)의 어느 일측에 배치 결합된다. 그리고, 모터홀더플레이트(100)에는 벨트(38)의 회전 반경이 달라지는 이유로 벨트(38)가 일정한 장력을 유지할 수 있도록 아이들풀리(120)가 배치된다. 이 때, 아이들풀리(120)는 풀리회전플레이트(122)에 결합되어 모터홀더플레이트(100)에 결합될 수 있다.

또한, 제2구동풀리부(80)는 제1종동풀리부(50)의 회전축에 결합되어 제1종동풀리부(50)의 회전에 연동하여 동일 속도로 회동한다. 그리고, 전술한 제2종동풀리부(60)는 제2구동풀리부(80)와 벨트(38) 결합되며 각 직경의 차이에 따른 2차 가감속 비율에 의해 제2구동풀리부(80)의 회전 속도를 변경시킨다.

도 6은 도 5의 변속장치가 커버(110)에 의해 수용되는 것을 도시한 사시도이다. 도 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 변속장치는 커버(110)의 내측에 수용된 상태에서 바퀴의 중앙에 배치되며 이 때, 커버(110)는 바퀴의 림을 회전시키는 스포크(130)의 각 단부와 연결되어 있다. 그 결과, 전기 자전거는 커버(110)의 회전에 의해 구동력이 보조될 수 있다. 또한, 변속장치는 커버(110) 내측에 수용되어 있어 이물질 등에 의한 고장 가능성이 감소한다.

이하 답력에 의한 구동력이 변속장치를 통해 전기 자전거의 바퀴 측으로 전달되는 과정을 살펴본다. 먼저, 답력은 체인에 의해 스프라켓(70)으로 전달된다. 이 때, 스프라켓(70)과 톱니 결합되어 있는 프런트허브부(20)는 스프라켓(70)의 회동에 의해 샤프트(10)를 중심축으로 함께 회동한다. 또한, 제1가변구동풀리부(40)는 스파이크부(30)에 의해 프런트허브부(20)와 기계적으로 결합되어 있어 프런트허브부(20)와 동일 속도로 회동한다.

그 결과, 제1종동풀리부(50)는 벨트홈(32)에 결합되는 벨트(38)에 의해 1차 가감속되어 회동한다. 그리고, 제1종동풀리부(50)와 동일 회전축을 갖는 제2구동풀리부(80)는 제1종동풀리부(50)와 동일 속도로 회동한다. 그러면, 제2구동풀리부(80)와 벨트(38) 결합되어 있는 제2종동풀리부(60)는 2차 가감속되어 회동한다. 제2종동풀리부(60)는 변속장치를 수용하는 커버(110)와 구조적으로 연결되어 있어 바퀴의 회전력을 어시스트한다.

다만, 탑승자가 변속레버를 조정하면 제1가변구동풀리부(40)는 포지션링(54)과 스프링(52)의 상반된 상호 작용에 의해 왕복 이동하면서 스파이크부(30)에 결합되는 벨트(38)의 회전 반경을 연속적으로 변경시킬 수 있다. 그 결과, 전기모터의 구동력을 어시스트하는 답력의 동력 전달 효율을 보다 향상시킬 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

10: 샤프트 20: 프런트허브부
30: 스파이크부 40: 제1가변구동풀리부
50: 제1종동풀리부 52: 스프링
54: 포지션링 42: 링홈
55: 견인공 32: 벨트홈
34: 돌부 60: 제2종동풀리부
70: 스프라켓 80: 제2구동풀리부
90: 베어링 92: 니들베어링
44: 가이드홈 36: 핀
100: 모터홀더플레이트 110: 커버
120: 아이들풀리 122: 풀리회전플레이트
130: 스포크

Claims (7)

1. 샤프트;
   상기 샤프트의 일측 외주면에 결합되는 프런트허브부;
   상기 프런트허브부에 상기 샤프트의 회전 방향을 따라 적어도 하나 이상 결합되며 상기 샤프트의 반경 방향으로 멀어지거나 가까워지는 스파이크부;
   상기 샤프트를 따라 왕복 직선 이동하며, 상기 프런트허브부와 마주보는 측에 경사면이 형성되고, 상기 경사면에는 상기 스파이크부의 일단부가 접촉 상태를 유지하면서 슬라이딩되는 가이드홈이 형성되는 제1가변구동풀리부; 및
   상기 스파이크부와 벨트 결합되어 상기 제1가변구동풀리부의 회전 속도를 가변시키는 제1종동풀리부;를 포함하는 전기 자전거용 변속장치.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 프런트허브부와 상기 제1가변구동풀리부 사이에는
   상기 샤프트의 길이 방향으로 탄성 복원력을 제공하는 스프링; 및
   상기 제1가변구동풀리부를 상기 프런트허브부 측으로 견인하는 포지션링;을 더 포함하는 전기 자전거용 변속장치.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 제1가변구동풀리부에는 상기 포지션링이 수용 결합되는 링홈이 형성되고,
   상기 포지션링의 내경은 대향하는 상기 샤프트의 외경보다 크고, 상기 포지션링에는 와이어가 관통되는 견인공이 형성되는 전기 자전거용 변속장치.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 스파이크부는 일단이 상기 프런트허브부와 힌지 결합되고, 타단 일측에는 상기 벨트가 안착되는 벨트홈이 형성되며, 타단 타측에는 상기 가이드홈과 접촉되는 돌부가 형성되는 전기 자전거용 변속장치.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 프런트허브부의 외주면에는 베어링이 개재된 상태에서 결합되는 제2종동풀리부가 배치되는 전기 자전거용 변속장치.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 프런트허브부의 외주면에는 톱니 결합되는 스프라켓이 배치되는 전기 자전거용 변속장치.
   
7. 제 4항에 있어서,
   상기 샤프트의 외주면과 상기 프런트허브부 사이 및 상기 샤프트의 외주면과 상기 제1가변구동풀리부 사이에는 니들베어링이 개재되는 전기 자전거용 변속장치.

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