KR101964560B1 - 휠 기어 변속 타입의 무체인 자전거 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 휠 기어 변속 타입의 무체인 자전거는, 페달의 조작으로 회전하는 원판으로서, 일정한 사이각을 두고 둘레에서 중심을 향해 방사형으로 복수 개로 돌출 연장된 메인 투스(tooth)와, 상기 메인 투스의 사이 거리가 일정하게 유지되도록 상기 메인 투스 사이에서 복수 개로 돌출 연장된 서브 투스(sub tooth)를 구비한 휠 기어; 인입 및 인출 가능한 유동 투스가 원통 형상의 외주 면을 따라 행렬 구조로 복수 개로 형성된 것으로, 상기 유동 투스에 상기 메인 투스 및 서브 투스에 치합되면서 회전되는 스퍼 기어; 일단에 상기 스퍼 기어를 회전 및 이동 가능하게 끼움 결합한 상태에서 상기 휠 기어에서 후륜으로 연장된 것으로, 상기 스퍼 기어의 회전과 더불어 회전하는 샤프트; 상기 샤프트의 타단에 구비되어 상기 샤프트의 회전력을 후륜으로 전달하는 베벨 기어; 상기 휠 기어의 둘레에서 중심 방향으로 상기 스퍼 기어를 이동시키는 변속수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 휠 기어 변속 타입의 무체인 자전거에 의하면, 휠 기어에 메인 투스 및 서브 투스라는 치열 패턴을 형성하고 이에 치합되는 스퍼 기어의 이동 성질에 의하여 체인 없이 기어 변속을 하는 자전거를 제공할 수 있다는 효과를 가진다.

Description

휠 기어 변속 타입의 무체인 자전거{Bicycle of Front Wheel Gear Shift Type}

본 발명은 후륜의 스프라켓과 체인을 통해 연결되어 페달의 회전으로 후륜을 회전시키는 체인 링 대신 복수의 투스(tooth)가 방사형으로 배열된 휠 기어가 구비된 구조를 기반으로 체인을 사용하지 않고도 휠 기어와 연동된 스퍼 기어 및 샤프트를 통해 후륜을 회전시키는 것이 가능하면서, 변속수단을 통해 휠 기어에서 스퍼 기어를 이동시키면서 기어 변속이 가능한 구조를 갖춘 휠 기어 변속 타입의 무체인 자전거에 관한 것이다.

자전거는 익히 알려진 바와 같이 전륜과 후륜을 프레임을 통해 연결한 것으로서, 기본적으로 전륜 혹은 후륜 중 적어도 하나에 페달의 조작으로 발생한 회전력을 전달하여 자전거가 움직이게 된다.

이 때 일반적인 체인식 자전거의 경우에는 스프라켓 이라는 복수 개의 서로 다른 잇수를 갖는 기어가 후륜에 위치하고, 전륜과 후륜 사이에 페달의 회전에 따라 함께 회전하면서, 스프라켓과 체인을 통해 연결된 체인 링이 구비되며, 이러한 체인 링을 활용하여 자전거를 전진시키되, 스프라켓에서 체인을 스프라켓의 다른 기어에 걸어 회전비를 조절함으로써 기어의 변속을 구현하였다.

그러나 체인 방식은 스프라켓에서 체인의 위치 변경 시 체인이 스프라켓으로부터 빠져버리거나 옷 등이 체인에 걸리는 등의 불편사항이 발생하였고, 이에 대한 해결책으로서 체인을 사용하지 않는 무체인 자전거가 개발되었다.

이러한 무체인 자전거에 대한 선행기술로서, 대한민국 공개특허 제 10-2004-0026785호 '자전거용 구동장치'가 개시되어 있다.

본 선행기술은 다수의 구동베벨기어가 동심원 형상으로 배열되어 있고 페달과 연동되는 구동어셈블리와, 상기 각 구동베벨기어와 맞물리도록 다수 개의 종동베벨기어가 형성되며 후륜과 연결되는 종동샤프트로 구성된 종동어셈블리를 포함하여 기어 변속장치를 구성하고, 종동샤프트에 결합된 슬라이딩부재의 작동에 의해 변속이 이루어지도록 한 무체인 자전거용 기어변속장치에 관한 것이다.

그런데 상기 기술의 경우, 종동샤프트에 구비된 작동구가 스프링을 통해 이동하면서 기어 변속을 수행하게 되는데, 이 때 구동어셈블리의 구동베벨기어에 변속을 위한 홈 개수 변경을 위해 홈이 형성되어 있어 종동샤프트의 이동 시 홈에 걸려 제대로 된 이동이 불가능한 경우가 발생할 수 있다는 문제점이 존재한다.

다른 무체인 자전거에 대한 선행기술로서 대한민국 공개특허 제 10-2010-0133597호 '자전거용 변속기어 조립체'가 개시되어 있다.

본 선행기술은 서로 다른 치형수를 갖는 다수의 구동베벨기어가 동심원 형상으로 배열되어 있는 구동베벨기어를 합성수지로 제작하되 이중으로 배열시키고, 양측의 구동베벨기어 사이에 마찬가지로 합성수지로 제작된 종동베벨기어를 치합시킴으로써 합성수지의 단점인 전단 및 인장강도와 피로강도로 인한 문제점을 해결하고, 아울러 페달의 구동력이 후륜에 정확하게 전달될 수 있도록 한 자전거용 변속기어 조립체에 관한 것이다.

다만 본 선행기술도 마찬가지로 종동베벨기어가 이동하면서 기어 변속을 수행하게 되는데, 이 때 구동베벨기어의 홈에 걸려 제대로 된 이동이 불가능한 경우가 발생할 수 있다는 문제점이 존재한다.

따라서 기어 변속 시 쉽고 정확한 위치 이동으로 기어 변속이 가능한 구조를 갖춘 휠 기어 변속 타입의 무체인 자전거의 개발이 필요하다.

본 발명은 상기 기술의 문제점을 극복하기 위해 안출된 것으로, 체인 휠이 위치하는 자리에 원판 형상의 휠 기어를 형성하되, 원판 면에 특정 패턴을 가진 복수 개의 투스(tooth)를 형성하여, 이러한 투스가 기어 변속 역할을 하여 페달의 회전을 통해 발생된 회전력을 변속력으로 변환한 다음 변속력을 후륜으로 보내어 자전거를 구동시킬 수 있는 무체인 방식의 자전거를 제공하는 것을 주요 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 휠 기어에 메인 투스와 서브 투스를 형성할 때에 각 투스가 방사형으로 배열되더라도 최대한 그 사이 간격인 피치를 유지할 수 있도록 하는 구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 원판 형상의 휠 기어에 형성된 투스의 간격이 중심 측 또는 둘레 측에서 균일하게 유지될 수 있도록 추가적인 투스의 배열 패턴을 설정하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 휠 기어 변속 타입의 무체인 자전거는, 페달의 조작으로 회전하는 원판으로서, 일정한 사이각을 두고 둘레에서 중심을 향해 방사형으로 복수 개로 돌출 연장된 메인 투스(tooth)와, 상기 메인 투스의 사이 거리가 일정하게 유지되도록 상기 메인 투스 사이에서 복수 개로 돌출 연장된 서브 투스(sub tooth)를 구비한 휠 기어; 인입 및 인출 가능한 유동 투스가 원통 형상의 외주 면을 따라 행렬 구조로 복수 개로 형성된 것으로, 상기 유동 투스에 상기 메인 투스 및 서브 투스에 치합되면서 회전되는 스퍼 기어; 일단에 상기 스퍼 기어를 회전 및 이동 가능하게 끼움 결합한 상태에서 상기 휠 기어에서 후륜으로 연장된 것으로, 상기 스퍼 기어의 회전과 더불어 회전하는 샤프트; 상기 샤프트의 타단에 구비되어 상기 샤프트의 회전력을 후륜으로 전달하는 베벨 기어; 상기 휠 기어의 둘레에서 중심 방향으로 상기 스퍼 기어를 이동시키는 변속수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스퍼 기어는, 외주 면을 따라 행렬 구조로 복수 개로 함입된 승강 홈을 구비하고, 상기 유동 투스는, 스프링을 매개로 상기 승강 홈에서 인입 및 인출되는 것을 특징으로 한다.

더불어, 상기 메인 투스와 서브 투스는, 상기 휠 기어의 둘레로부터 중심을 향해 일정한 폭으로 연장된 루트(root)와, 상기 루트의 단부에서 상기 휠 기어의 중심을 향해 테이퍼 처리되어 첨단 부위에 꼭지점을 형성하는 네크(neck)로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 휠 기어 변속 타입의 무체인 자전거에 의하면,

1) 휠 기어에 메인 투스 및 서브 투스라는 치열 패턴을 형성하고 이에 치합되는 스퍼 기어의 이동 성질에 의하여 체인 없이 기어 변속을 하는 자전거를 제공할 수 있고,

2) 스퍼 기어의 유동 투스가 인입 및 인출되어 휠 기어의 회동성을 보장하면서도 샤프트 역시 회전될 수 있도록 하며,

3) 서브 투스의 다양한 패턴에 의해 중심과 둘레 각각에서 가급적 균일한 치간 거리를 유지할 수 있을 뿐 아니라,

4) 다양한 기계적 수단으로서 변속수단 및 샤프트와 스퍼 기어의 세부 구조를 제시하여 제작의 다양성 및 활용성을 추구할 수 있다는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 무체인 자전거의 기본 구조를 도시한 개념도.
도 2는 본 발명의 샤프트와 스퍼 기어 및 변속수단의 결합 관계를 도시한 분해 및 결합 사시도.
도 3은 샤프트와 스퍼 기어의 결합 관계에 대한 변형 실시예를 도시한 개념도.
도 4는 본 발명의 휠 기어와 스퍼 기어의 연관 관계를 도시한 부분 확대도.
도 5는 본 발명의 휠 기어와 스퍼 기어의 치합 상태에서의 스퍼 기어의 내부 구조를 도시한 단면도.
도 6은 휠 기어에 형성된 투스의 변형 실시예를 도시한 평면도.
도 7은 휠 기어에 제동 홈이 형성된 구조를 도시한 개념도.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다. 첨부된 도면은 축척에 의하여 도시되지 않았으며, 각 도면의 동일한 참조 번호는 동일한 구성 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 무체인 자전거의 기본 구조를 도시한 개념도이고, 도 2는 본 발명의 샤프트와 스퍼 기어 및 변속수단의 결합 관계를 도시한 분해 및 결합 사시도이다.

본 발명의 무체인 자전거는 베벨기어 방식을 활용하되 기존 베벨기어 방식에서의 문제점이었던 기어 속도 조절의 불편함을 개선시킬 수 있도록 한 것을 주요 특징으로 하는 바, 공지의 자전거에서 사용되는 후륜(40) 및 전륜(30)과 프레임(10) 및 핸들(20) 등을 구비한 것은 공지의 자전거와 동일하다.

공지의 체인 구동방식을 활용한 자전거의 경우에는 후륜에 스프라켓이 위치하고, 프레임에서 후륜과 전륜 사이에 체인 휠을 두어 체인 휠과 스프라켓 사이를 연결하는 체인을 형성한다. 이 때, 체인 휠은 페달을 통해 회전하게 되며 이 회전력은 체인을 따라 스프라켓으로 이동되어 스프라켓을 회전시킴으로써 후륜이 회전되는 것으로 자전거가 구동되는 것이다.

이와 달리, 본 발명에 따른 휠 기어 변속 타입의 무체인 자전거는 기존의 자전거에서 활용되던 체인을 없애고 베벨 기어 기반의 동력 전달 구조를 활용하여 샤프트(300)를 통해 회전력을 전달하는 것으로서, 기본적으로 휠 기어(100), 스퍼 기어(200), 샤프트(300), 베벨 기어(400), 변속수단(500)을 구비한다.

도 1 및 도 2에서는 이러한 필수 구성들에 대한 개략적인 기능을 먼저 설명하고, 후술할 도 3 이하에서는 각 구성에 대하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.

우선, 기존의 프레임(10)에서 페달(50)과 함께 회전하면서 페달(50)을 통해 발생된 회전력을 체인으로 전달하던 체인 휠(체인 링)이 위치했던 자리에 휠 기어(100)가 구비된다. 휠 기어(100)는 공지의 체인 휠과 마찬가지로 프레임(10)의 다운 튜브(11)와 시트 튜브(12)가 만나는 주변에서 크랭크 암(60)을 매개로 페달(50)에 연결되어 페달(50)의 조작으로 회전되며, 이는 공지의 페달 조작 기반으로 체인 링이 회전되는 것과 같으므로 별도의 설명은 생략하되, 크랭크 암(60)과 휠 기어(100)의 결합 부위에는 크랭크 암(60)이 회전하면서 스퍼 기어(200)나 샤프트(300)에 불필요하게 닿지 않도록 휠 기어(100)를 기준으로 좌우로 적절한 길이로 연장된 축이 장착될 수 있다.

휠 기어(100)는 크랭크 암(60)과의 연결을 위한 축이 결합되도록 중심에 관통된 중공(101)을 제외한 나머지 부위가 막힌 원판 형상으로 이루어지되, 중심을 기준으로 일정 각을 두고 방사형으로 복수 개의 메인 투스(main tooth)(110) 및 이 메인 투스 사이(110)에서 서브 투스(sub tooth)(130)가 돌출 형성되어 있다.

본 발명의 스퍼 기어(200)는 샤프트(300)에 끼움 결합된 원통 형상체로서, 인입 및 인출 가능한 유동 투스(210)가 스퍼 기어(200)의 외주 면을 따라 일정 간격마다 행렬 구조로 복수 개로서 형성되어 있다. 이러한 스퍼 기어(200)에 형성된 유동 투스(210)가 인입 및 인출을 반복하면서 휠 기어(100)의 투스(110,130)와 직교되도록 연속적으로 맞물리는데, 이러한 치합 관계에 따라 휠 기어(100)의 회전성을 보장하면서 휠 기어(100)의 회전에 따라 스퍼 기어(200)가 회전될 수 있다.

이와 같은 스퍼 기어(200)는 샤프트(300)의 길이 방향, 즉 휠 기어(100)의 둘레와 중심을 따라 이동되면서 변속수단(500)에 의해 기어 변속이 된다.

본 발명의 변속수단(500)은 휠 기어(100) 내의 중심과 둘레 사이 경로에서 스퍼 기어(200)를 이동시키면서 휠 기어(100)의 지름 차이에 따른 스퍼 기어(200)의 회전수 변화를 통해 변속하는 기능을 제공한다. 이러한 변속수단(500)은 프레임(10)의 일 측에 고정된 상태에서 스퍼 기어(200)와 연결되어 스퍼 기어(200)를 이동시키는 동력을 전달하는 것으로 이러한 기계적 구조로는 유압 실린더, 피니언의 회전으로 랙이 직선 이동하는 랙/피니언 연결 구조 등이 있으나 도 1에서는 공지의 자전거에서 브레이크 레버의 조작으로 작동되는 림 브레이크의 구조를 유추한 실시예를 기준으로 설명한다.

도 1에 도시된 변속수단(500)은 자전거의 핸들(20)에 거치되는 것으로서 내부에 다수의 변속 홈이 배열 형성되고 각 변속 홈에 선택적으로 끼워지도록 조작되는 변속 레버(511)가 장착된 변속조절박스(510)와, 변속 레버(511)에 일 측단이 연결되고 타 측단에 스프링(230)이 체결되어 변속 레버(511)의 조작에 따라 당겨지거나 풀려지는 와이어(520) 및, 와이어(520) 상에 고정된 상태에서 와이어(520)의 당겨짐과 풀림에 따라 스퍼 기어(200)를 전후 이동시키는 위치 조정 암(530)을 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 위치 조정 암(530)은 휠 기어에 접촉되는 것을 방지하기 위하여 도면에 도시되진 않았지만 프레임(10)의 다운튜브(11)에서 중공을 가진 링 형태로 구비된 고정 수단의 중공 내에 위치될 수 있거나, 휠 기어(100) 주변의 프레임(예를 들어 다운튜브 내지 시트 튜브 등)에 위치 조정 암(530)을 보호하도록 위치 조정 암의 이동 반경 부위를 감싸는 보호 커버가 더 구비될 수 있다.

변속조절박스(510)는 공지된 자전거의 변속박스와 같이 핸들(20)과 함께 파지할 수 있을 정도의 크기를 가질 수 있는바, 변속조절박스(510)의 변속 레버(511)를 변속 홈에서 이동시키고 변속 레버(511)의 이동에 따라 당겨지거나 풀려지는 와이어(520)를 통해 스퍼 기어(200)의 위치를 조절할 수 있다. 특히 위치 조정 암(530)의 경우 공지의 액츄에이터를 활용해도 되며, 이 외에도 유사한 기능을 제공하는 다양한 기계적 수단이 적용될 수 있음은 물론이며 본 발명에서는 변속수단의 변형 구조를 하나 더 제시하는 바, 이는 도 4를 참조하여 구체적으로 설명한다.

본 발명의 샤프트(300)는 일 단에 상술한 스퍼 기어(200)가 끼움 결합되고 타 단은 베벨기어(400)가 장착된 상태로 휠 기어(100)에서부터 후륜(40)에 이르도록 연장된 것으로서 프레임 중 하나인 지지 튜브(13)(공지의 자전거를 기준으로 체인 지지대와 유사한 형상과 위치를 가진 프레임)에 회전 가능하게 장착되어 있다.

구체적으로, 도 2를 보아 알 수 있듯이 지지 튜브(13)에는 중공을 가진 링 (71) 형태의 연결 수단(70)이 적어도 하나 이상 장착되어 있고 이 중공의 내주 면에는 베어링(72)이 구비되며, 샤프트(300)는 이 중공을 관통하도록 연장되어 샤프트(300)의 회전으로 베어링(72)의 볼이 같이 회전되면서 연결 수단(70)에 의해 지지 튜브(13)에 고정된 상태를 확보할 수 있다. 이로 인해 샤프트(300)는 휠 기어(100)에 직접 접촉되지 않으면서도(물론 스퍼 기어를 매개로 접촉됨) 프레임(10)의 일 측, 즉 지지 튜브(103)에 고정될 수 있다.

이러한 샤프트(300)는 스퍼 기어(200)의 회전과 더불어 회전되면서 이 회전력을 타 단의 베벨기어(400)로 전달하는 역할을 수행한다. 더불어, 샤프트(300)는 스퍼 기어(200)의 유동 투스(210)가 휠 기어(100)의 투스(110,130)와 제대로 치합되도록 도 1에 도시된 바와 같이 휠 기어(100)의 중심과 후륜(40)의 중심을 연결한 가상선을 따라 연장되는 것이 더욱 바람직하다.

스퍼 기어(200)는 변속수단(500)에 의해 이동됨과 동시에 회전되는 성질을 가지는바, 이와 같이 이동성과 회전성의 동시 구현을 위해 우선 도 2를 보아 알 수 있듯이 샤프트(200)는 스퍼 기어(200)의 이동 반경에 해당되는 부위가 원통형이 아니라 각이 진 다각 기둥(도 3에서는 4각 기둥) 구조로 이루어져 있고 이에 대응하여 스퍼 기어(200)의 중공(201) 역시 이와 대응되는 다각 기둥 형상으로 이루어진다. 이는 스퍼 기어(200)가 회전할 때 샤프트(300)와의 맞물림을 보다 강화하여 미끄럼 현상 또는 헛도는 현상이 발생되는 것을 방지하면서 보다 안정적으로 스퍼 기어(200)의 회전력을 샤프트(300)에 전달하기 위함이다.

또한, 스퍼 기어(200)의 이동성을 보장하기 위하여 샤프트(300)의 외경이 스퍼 기어(200)의 중공의 내경보다 약간 작게 이루어져 그 사이에 이격 공간이 발생되어 양자가 타이트한 결합 관계를 유지하지 않되, 이 이격 공간의 거리는 다각 기둥 형상의 샤프트(300)의 일 변보다 훨씬 작기 때문에 스퍼 기어(200)가 회전할 때 공회전되어 샤프트(300)가 회전되지 않는 문제가 발생하지는 않는다.

도 3은 샤프트와 스퍼 기어의 결합 관계에 대한 변형 실시예를 도시한 개념도이다.

본 발명의 샤프트(300)와 스퍼 기어(200)의 결합 관계는 비단 상술한 구조와 기능에 국한되지 않는바, 도 3에 도시된 바와 같이 샤프트(300)에서 스퍼 기어(200)가 이동하는 부위의 외주 면에는 평 기어(310)가 형성되고 이에 대응하여 스퍼 기어(200)의 내주 면에는 내치 기어(270)가 형성되어 이 평 기어(310)와 내치 기어(270)의 결합에 의해 스퍼 기어(200)의 회전으로 샤프트(300)를 회전시키면서도 평 기어(310)와 내치 기어(270)의 치(齒)의 연장 방향을 따라 스퍼 기어(200)가 샤프트(300)의 길이 방향을 따라 이동할 수도 있다.

변속수단(500)은 도 1의 실시예 이외에 다른 실시예를 가질 수 있는바, 도 2를 참조하면 변속수단(500)은 스퍼 기어(200)의 양 단(상하면)을 지지하는 연결부(541)를 구비한 홀더(540)와, 이 홀더를 샤프트의 길이 방향으로 이동시키는 이동부 및 이동부의 구동을 조절하는 변속 레버(511)가 와이어(520)를 매개로 장착된 변속조절박스(510)로 이루어진 것을 알 수 있다.

여기서, 이동부(550)는 유압 실린더로 이루어져 변속 레버의 조절에 의해 플런저(또는 피스톤)를 왕복 이동시킬 수 있으며 이 외에 이동부의 다른 기계적 수단으로서 앞서 언급한 랙/피니언 구조가 적용될 수도 있는바 특히 랙/피니언은 홀더를 보다 정밀하게 이동시킬 수 있는 특성을 제공할 수 있다.

도 2의 변속조절박스(510)는 도 1에서의 변속조절박스와 마찬가지로 이동부의 구동을 조작하는 변속 레버(511)와 이에 관련된 부속 구성을 가진 것으로 이해할 수 있다. 즉, 변속 레버(511)를 조작하면 정해진 거리만큼 스퍼 기어(200)가 휠 기어의 중심 또는 둘레 방향으로 이동할 수 있고, 변속 레버(511)의 설정에 따라 각 변속의 단수 별로 이동 거리를 차등 처리할 수도 있다.

이때, 스퍼 기어(200)가 회전 성질을 가지기 때문에 홀더(540)가 스퍼 기어(200)가 회전하는 상황에서 스퍼 기어(200)의 상하면에 연결되어 있으면 스퍼 기어(200)가 이 홀더 때문에 회전하지 못하는 문제가 따른다. 따라서 이를 방지하기 위하여 스퍼 기어(200)의 상하 면 각각에는 둘레를 따라 슬릿(250)을 형성하고 이 슬릿 내에서 회전하는 볼(260)을 삽입하되 볼(260)이 외부로 이탈되지 않도록 슬릿(250)의 입구 폭이 볼(260)의 직경보다 좁게 형성한다.

이 볼(260)에 홀더(540)의 연결부(541)가 연결 지지되어, 스퍼 기어(200)가 회전을 할 때 볼(260)이 회전을 하면서 이에 연결된 연결부(541)가 정 위치를 유지함과 동시에 스퍼 기어(200)가 회전을 하면서도 홀더(540)의 이동에 따라 이동할 수 있는 기반을 제공할 수 있다.

이 경우 슬릿(250) 내에서 볼(260)이 회전하면서 마찰이 발생되는 것을 방지하기 위하여 슬릿(250) 내에 마찰방지 부재를 적층하거나 슬릿(250)의 내측 면을 볼(260)의 형상에 상응하게 곡률지게 형성할 수도 있다.

본 발명의 베벨기어(400)는 샤프트(300)의 타 단에 장착되어 샤프트(300)의 회전력을 후륜(40)에 전달하는 기능을 제공한다. 이때, 후륜(40)에는 상술한 휠 기어(100)와 같이 원판 형상 또는 중공을 구비한 원판의 둘레 면으로 이루어져 원판의 중심에서 둘레를 향해(또는 원판의 둘레 면에서) 방사형으로 복수 개로 돌출 연장된 복수 개의 투스가 형성된 구동 기어(45)가 구비되어 베벨기어(300)의 회전력을 구동 기어(45)의 투스가 전달받아 회전되면서 결과적으로 후륜(40)을 회전시키는 역할을 한다.

이러한 필수 구성의 작용을 간단하게 정리하면, 페달(50)의 구동으로 휠 기어(100)가 회전하면서 휠 기어(100)에 형성된 투스(110,130)에 유동 투스(210)가 인입 및 인출되면서 치합되고 이로 인해 스퍼 기어(200)가 회전하며, 이 스퍼 기어(200)를 끼움 결합시킨 샤프트(300)가 회전하면서 베벨기어(400)를 매개로 후륜(40)에 동력을 전달하여 자전거를 구동시킨다.

이러한 본 발명의 필수 구성은 공지의 체인 커버와 같은 커버에 의해 덮여 외력으로부터 보호할 수 있다.

이하에서는 휠 기어(100)와 스퍼 기어(200)의 세부 구조 및 변속 원리에 대해서 구체적으로 설명한다.

도 4는 본 발명의 휠 기어와 스퍼 기어의 연관 관계를 도시한 부분 확대도이다.

메인 투스(110)는 휠 기어(100)의 둘레에서 중심을 향해 방사형으로 복수 개로서 돌출 연장된 치이고, 앞서 언급하였듯이 이 메인 투스(110)가 스퍼 기어(200)의 유동 투스(210)에 치합되면서 스퍼 기어(200)가 회전된다.

본 발명의 기어 변속(기어 단수 조절) 원리는 스퍼 기어(200)가 휠 기어(100)의 지름 차이를 이용하면서 기어 단수를 조절하는 것인데, 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

기존의 체인식 자전거에서는 스프라켓에 구비된 서로 다른 직경의 기어 중 어느 하나의 기어로 체인을 이동시킴으로서 각 기어의 직경 차이에 따른 회전 수 변화를 통해 기어 단수를 조절한다. 반면, 본 발명에서는 휠 기어(100)의 둘레로부터 중심을 향해 스퍼 기어(200)를 이동시키면 스퍼 기어(200)의 유동 투스(210)가 메인 투스(110)에 치합된 부위의 휠 기어(100)의 지름이 달라져 동일한 횟수로 페달(50)을 밟아 휠 기어(100)를 회전시키게 되더라도 스퍼 기어(200)의 회전수가 달라지고, 바로 이 원리에 의해 기어 단수를 조절하게 되는 것이다.

다만, 이와 같은 메인 투스(110)의 구조에 의하면 휠 기어(100)의 중심에서 둘레로 갈수록 각각의 메인 투스(110) 간 거리(간격)가 벌어지기 때문에 스퍼 기어(200)와 제대로 치합되지 않거나 거리가 벌어진 만큼 안정된 자전거의 구동을 수행하기 어렵다.

이러한 문제를 방지하기 위해, 메인 투스(110) 사이에는 적어도 하나 이상, 바람직하게는 복수 개의 서브 투스(130)가 돌출 형성된다. 서브 투스(130)는 메인 투스(110) 간 거리가 가급적 같게, 즉 등 간격을 유지할 수 있도록 적절한 개수와 형상으로 메인 투스(110) 사이에서 돌출 연장된 것으로서, 물론 메인 투스(110) 사이의 거리를 완벽하게 같은 간격으로 맞출 수는 없지만 서브 투스(130)를 구비함으로 스퍼 기어(200)와의 안정적인 치합 관계를 유지함과 아울러 자전거 구동 시 치명적인 문제가 발생하는 것을 충분히 방지할 수 있다.

즉, 본 발명에서 서브 투스(130)가 메인 투스(110) 사이 거리의 등 간격을 유지한다는 의미, 메인 투스(110) 사이의 거리를 일정하게 조절한다는 의미, 메인 투스(110) 간 거리가 등 간격에 상응한 거리가 되도록 배치된다는 의미는 반드시 물리적인 완벽한 등 간격을 추구한다는 것으로 제한 해석할 것이 아니라, 오차 범위 이내에서 메인 투스(110) 간 거리를 등 간격에 상응하는 간격을 맞추는 개수와 배치, 형상을 가진다는 것으로 해석해야 한다.

예를 들어, 서브 투스(130)는 메인 투스(110) 사이 영역 중 둘레 부위에서 중심 부위보다 많은 개수로 형성될 수 있고, 반드시 휠 기어(100)의 중심까지 연장되지 않고 둘레에서 중심 주변까지 연장될 수 있으며, 동일한 폭으로 이루어지는 것은 물론 휠 기어(100)의 둘레에서 중심으로 연장될수록 그 폭이 좁아지게 테이퍼 처리될 수도 있으며, 서브 투스(130)가 복수 개로 구비될 경우 서로 다른 형상과 폭, 사이각을 가질 수도 있다.

이러한 서브 투스(130)에 의해 원판 형상을 가진 휠 기어(100)의 구조적 특성상 그 중심으로부터 둘레로 연장될수록 메인 투스(110) 간 거리가 멀어지면서 발생되는 제반 문제를 최소화시킬 수 있는 특징을 제공한다.

또한, 메인 투스(110)(또는 서브 투스)는 휠 기어(100)의 중심 주변으로 연장될수록 끝단이 좁아지게 테이퍼 처리되는 것도 가능하고, 휠 기어(100)의 중심 부근에서는 기어 변속 또는 자전거의 구동을 실질적으로 수행할 수 없으므로 반드시 메인/서브 투스(110,130)가 휠 기어(100)의 중심에 이르기까지 연장될 필요는 없고 휠 기어(100)의 둘레에서 연장되기 시작하여 중심에서 일정 거리 이격된 지점에서 연장이 종결되는 형상을 가질 수 있다.

더불어, 메인/서브 투스(110,130)는 휠 기어(100)의 중심을 향할수록 높이가 감소하도록 구성할 수 있다. 이는 스퍼 기어(200)가 휠 기어(100)에서 이동하면서 유동 투스(210)가 휠 기어(100)의 투스(110,130)와 연속적으로 치합되면서 발생하는 마찰과 반발을 줄이는 것은 물론 스퍼 기어(200)가 휠 기어(100)의 중심에 가까운 지점에 위치할 때 회전수가 증가하면서 투스(110,130)와의 마찰이 늘어나는 현상을 줄이기 위함이다.

더 나아가, 메인 투스(110) 및 서브 투스(130)는 위에서 바라보았을 때 중심을 향한 부위가 끝단을 향할수록 테이퍼 처리되고, 측면에서 바라보았을 때 역시 중심을 향한 부위가 끝단을 향할수록 테이퍼 처리될 수 있다.

이는 스퍼 기어(200)가 휠 기어(100)의 중심 주변에 위치할 때 회전수가 증가하기 때문에 이에 따라 휠 기어(100)의 투스(110,130)와 스퍼 기어(200)의 유동 투스(210) 간 반발과 마찰 역시 증가되는 문제를 방지하기 위한 것으로, 다시 말해 이와 같은 투스(110,130)의 형상으로 인해 스퍼 기어(200)가 중심으로 이동할 경우 둘레에 위치할 경우보다 휠 기어(100)의 투스(110,130)와 보다 부드러운 치합 관계를 유지하여 스퍼 기어(200)의 안정적인 회전성을 보장할 수 있다.

도 5는 본 발명의 휠 기어와 스퍼 기어의 치합 상태에서의 스퍼 기어의 내부 구조를 도시한 단면도이다.

스퍼 기어(200)는 베벨기어 방식의 결합 기반으로 휠 기어(100)와 결합되어 회전력을 수직 방향으로 변환시킬 수 있도록 하는 것이되, 일반적인 베벨기어와 차별화되는 구조를 제시하는바, 특히 유동 투스(210)의 구조가 핵심이라 할 수 있다.

앞서 유동 투스(210)는 스퍼 기어(200)에 행렬 구조로 복수 개로 형성되었다고 설명하였는데, 보다 구체적으로는 휠 기어(100)의 메인/서브 투스(110,130)의 배열 패턴에 상응한 패턴으로 형성되어야 유동 투스(210)와 휠 기어의 투스(110,130) 간 안정적인 치합 관계를 확보할 수 있음은 물론이다.

도 5에서는 투스(110,130) 사이의 거리가 넓게 도시되었으나, 이는 유동 투스(210)와의 결합관계를 보다 직관적인 이해를 도모하기 위하여 과장해서 표시한 것이고 실제는 이보다 좁아 유동 투스(210)와 안정적인 치합 관계를 도모한다.

우선, 유동 투스(210)는 스퍼 기어(200)의 길이 방향을 따라 3열로 형성되어 휠 기어의 투스(110,130)와의 접촉 면적을 확보한 상태에서 각 열 당 일정 간격을 두고 스퍼 기어(200)의 외주 면 둘레를 따라 복수 개로 형성되되 특히 주로 서브 투스(130)와 치합하는 열(후단 열)에 형성된 유동 투스(210)는 서브 투스(130)의 배열에 상응한 간격과 치형으로 이루어져 서브 투스(130)의 배치 상태에 보다 긴밀하게 대응 설계되도록 한다.

유동 투스(210)를 형성하기 위하여, 스퍼 기어(200)의 외주 면에서 유동 투스(210)가 형성될 위치에 복수 개의 승강 홈(220)을 함입 형성하고, 이 승강 홈(220)에 스프링(230)을 매개로 인입 및 인출되는 유동 투스(210)를 구비한다. 즉, 유동 투스(210)는 외부에서 눌렀을 때 승강 홈(220) 내로 인입되고 누르는 힘이 제거되었을 때 복원되면서 인출되는 구조를 가진다. 이때. 유동 투스(210)가 승강 홈(220)에서 빠져나가지 않도록 승강 홈(220)의 입구 부위는 유동 투스(210)의 직경보다 좁게 형성된다.

더불어, 유동 투스(210)의 단부는 기어의 치(齒)와 유사한 형태를 가지되, 모서리가 깎인 챔퍼부를 구비하는바, 이 챔퍼부로 인해 유동 투스(210)가 휠 기어(100)의 투스(110,130) 사이를 부드럽게 이동할 수 있다.

이러한 유동 투스(210)의 유동성(인입 및 인출)에 의하여 휠 기어(100)의 회전 시 유동 투스(210)가 어느 하나의 투스(110,130)에 고정되지 않고 다른 투스(110,130)로 이동될 수 있어, 휠 기어(100)의 회전성을 방해하지 않으면서도 스퍼 기어(200)에 회전력을 전달할 수 있는 특성을 제공한다.

도 6은 휠 기어에 형성된 투스의 변형 실시예를 도시한 평면도이다.

도 6을 보아 알 수 있듯이, 메인 투스(110) 또는 서브 투스(130)는 휠 기어(100)의 둘레로부터 중심을 향해 일정한 폭으로 연장된 루트(root)(111)와, 루트(111)의 단부로부터 테이퍼 처리되어 첨단부에 꼭짓점(113)이 형성된 네크(neck)(112)로 구성될 수 있다. 이 구조는 메인/서브 투스(110,130) 모두 적용될 수 있으나, 특히 메인 투스(110) 사이를 채우는 서브 투스(130)에 적용되는 것이 더욱 바람직하다.

즉, 투스는 같은 폭으로 연장된 막대 형태가 아닌, 일종의 뿔 형상처럼 꼭짓점(113)을 향해 모아지도록 연장된 것으로서, 투스(110,130)가 중심으로 진행될수록 상호 간격이 둘레 측보다 가까워지기 때문에 이와 같이 중심/둘레 간 간격 차이가 가급적 등 간격이 될 수 있도록 설계한 것이다. 도 6은 이해를 도모하고자 직관적으로 도시한 것이고 실제로는 루트(111)의 폭이 네크(112)를 향할수록 미세하게 그 폭이 좁아지도록 테이퍼 처리할 수 있으며, 루트(111)와 네크(112) 사이에 심한 단차가 발생하지 않게, 즉 가급적 리니어(linear)한 구조를 이루도록 설계하는 것도 가능하고, 이와 같은 구조로 이루어진 서브 투스(113)가 메인 투스(111) 사이에 보다 많은 개수로 조밀하게 형성되는 것이 투스 간 중심/둘레를 불문하고 등 간격을 유지하는 목적을 유지하기에 보다 바람직하다. 물론 메인 투스(110) 역시 방사형으로 등각으로서 많은 개수도 형성되는 것이 보다 유리하다. 다시 말해, 투스(110,130) 개수가 일정한 배열 규칙을 가지면서 조밀하게 많을수록 가급적 투스가 동일 폭으로 연장되면서도 상호 거리가 같게 유지될 수 있고 이 경우 중심 주변에서 다수의 투스가 조밀하게 집중되기에 이 부분만 네크(112)를 형성할 수도 있다.

특히 이 꼭짓점(113)을 중심에 두고 그 양 측에 위치한 빗변의 사이각(115)이 메인 투스(110) 간 사이각과 이웃한 메인 투스(110) 사이에 구비된 서브 투스(130)의 개수에 비례하여 증감되도록 설계함으로써, 중심과 둘레 주변에서 투스 간 간격이 달라지는 문제를 해결, 즉 중심과 둘레를 떠나 투스 간 간격을 최대한 동일하게 유지할 수 있는 기준을 제시하는 것이 가능하다.

구체적으로, 하나의 실시예로서 빗변의 사이각(115)은 다음의 수학식을 통해 도출할 수 있다.

수학식.

여기서,여기서,

는 빗변의 사이각, d는 휠 기어의 직경(cm),

는 메인 투스의 사이각,

은 메인 투스의 개수,

는 서브 투스의 개수를 의미하며, 각 메인 투스는 등각으로 배치되고, 각 메인 투스(110) 사이에 형성된 서브 투스(130)의 개수는 같다는 전제를 가진다.

상술한 수학식은 두 개의 베벨기어가 결합되었을 때 투스의 개수에 따른 피치 및 피치각을 구하는 공식을 변형한 것이다.

본 발명에서는 휠 기어(100)와 스퍼 기어(200)가 베벨기어와 유사한 방식의 치합 관계를 갖는데, 인입 및 인출이 되는 독특한 방식의 유동 투스(210)로 인하여 공지의 베벨기어의 결합 구조보다 비교적 덜 까다로운 치합 관계를 정의할 수 있다. 다만, 유동 투스(210) 역시 치(齒)의 일종이고, 이 유동 투스(210)에 끼워져 치합되는 투스(110,130)의 사이 간격을 중심이나 둘레에 상관없이 가급적 동일하게 유지하고자 할 때 빗변의 사이각(115)은 중요한 역할을 하게 된다.

본 발명에서는 두 개의 베벨기어 간 피치와 투스의 개수를 활용하여 사이각을 도출하는 공식을 변형 및 개선하여 상술한 수학식을 도출하였으며, 이에 대한 설명을 위해 다음의 예로서 설명하도록 한다.

일례로서, 메인 투스(110)의 개수가 20개, 서브 투스(130)의 개수가 60개라 가정하고, 휠 기어(100)의 직경이 50cm이면, 메인 투스(110)의 사이각은 360/20=18°이다.

이에 따라,

는

= 76*2/(3.14*50) = 0.97이고, 빗변의 사이각(115)인

는 14.50°이다.

이러한 빗변의 사이각(115)이 정해지면 빗변(114)의 길이는 이에 종속되어 자연스럽게 결정될 수 있으며, 결과적으로 투스(110,130) 간 간격을 거의 일정하게 설계할 수 있는 기반을 제공한다.

나아가, 루트(111)의 양 측면에서 변속수단에 의해 스퍼 기어가 이동되는 각 지점에는 유동 투스(210)가 임시 고정될 수 있는 가이드(116)가 함입 형성될 수 있다. 이 가이드(116)는 유동 투스(210)의 형상에 대응되어 루트(111)의 내측으로 라운드지게 함입되되, 너무 타이트하게 유동 투스(210)와 결합되는 것을 방지하기 위해 유동 투스(210)의 외주 면의 곡률반경보다 큰 곡률반경으로 라운드 처리되어 함입되어 있다.

이 가이드(116)는 기어 변속 시 스퍼 기어(200)가 이동할 때 회전되는 휠 기어(100)의 반발력으로 이동된 정 위치에 고정되지 않고 이탈될 수 있는 문제를 방지하기 위한 것으로, 다시 말해 스퍼 기어(200)가 기어 변속으로 새로운 지점에 위치할 때 해당 위치에 형성된 가이드(116) 내에 복수의 유동 투스(210) 중 어느 하나가 삽입되어 불필요한 위치 이탈이 일어나는 것을 차단하는 기능을 수행한다.

아 가이드(116)는 도면에 도시된 바와 같이 반드시 하나의 투스에 복수 개로 형성될 필요는 없고, 예를 들어 휠 기어를 기준으로 1단 변속 지점에서 1,5,10번째 투스에 제 1 가이드가 형성되고, 2단 변속 지점에서 2,6,11번째 투스에 제 2 가이드가 형성되는 방식으로 일정 순번에 따라 변속 지점별로 가이드가 형성되는 투수를 선택 지정하는 것이 가능하다.

지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 휠 기어 변속 타입의 무체인 자전거의 구성 및 작용을 상기 설명 및 도면에 표현하였지만 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하여 본 발명의 사상이 상기 설명 및 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.

10: 프레임 11: 다운 튜브
12: 시트 튜브 13: 지지 튜브
20: 핸들 30: 전륜
40: 후륜 45: 구동 기어
50: 페달 60: 크랭크 암
70: 연결 수단 71: 링
72: 베어링 100: 휠 기어
110: 메인 투스 111: 루트
112: 네크 113: 꼭짓점
114: 빗변 115: 빗변의 사이각
116: 가이드 130: 서브 투스
200: 스퍼 기어
201: 중공 210: 유동 투스
220: 승강 홈 230: 스프링
250: 슬릿 260: 볼
270: 내치 기어 300: 샤프트
310: 평 기어 400: 베벨 기어
500: 변속수단 510: 변속조절박스
511: 변속 레버 520: 와이어
530: 위치 조정 암 540: 홀더
541: 연결부 550: 이동부

Claims (10)

1. 휠 기어 변속 타입의 무체인 자전거로서,
   페달의 조작으로 회전하는 원판으로서, 일정한 사이각을 두고 둘레에서 중심을 향해 방사형으로 복수 개로 돌출 연장된 메인 투스(tooth)와, 상기 메인 투스의 사이 거리가 일정하게 유지되도록 상기 메인 투스 사이에서 복수 개로 돌출 연장된 서브 투스(sub tooth)를 구비한 휠 기어;
   인입 및 인출 가능한 유동 투스가 원통 형상의 외주 면을 따라 행렬 구조로 복수 개로 형성된 것으로, 상기 유동 투스에 상기 메인 투스 및 서브 투스에 치합되면서 회전되는 스퍼 기어;
   일단에 상기 스퍼 기어를 회전 및 이동 가능하게 끼움 결합한 상태에서 상기 휠 기어에서 후륜으로 연장된 것으로, 상기 스퍼 기어의 회전과 더불어 회전하는 샤프트;
   상기 샤프트의 타단에 구비되어 상기 샤프트의 회전력을 후륜으로 전달하는 베벨 기어;
   상기 휠 기어의 둘레에서 중심 방향으로 상기 스퍼 기어를 이동시키는 변속수단;을 포함하되,
   상기 메인 투스와 서브 투스는,
   상기 휠 기어의 둘레로부터 중심을 향해 일정한 폭으로 연장된 루트(root)와, 상기 루트의 단부에서 상기 휠 기어의 중심을 향해 테이퍼 처리되어 첨단 부위에 꼭지점을 형성하는 네크(neck)로 이루어진 것을 특징으로 하는, 무체인 자전거.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 스퍼 기어가 이동되는 상기 샤프트 부위와 상기 샤프트 부위에 결합되는 상기 스퍼 기어의 중공은,
   다각 기둥 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는, 무체인 자전거.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 스퍼 기어는,
   외주 면을 따라 행렬 구조로 복수 개로 함입된 승강 홈을 구비하고,
   상기 유동 투스는,
   스프링을 매개로 상기 승강 홈에서 인입 및 인출되는 것을 특징으로 하는, 무체인 자전거.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 스퍼 기어에서 행렬 구조로 복수 개로 이루어진 상기 유동 투스는,
   상기 휠 기어의 중심 방향을 향해 순차적으로 돌출 높이가 낮아지는 것을 특징으로 하는, 무체인 자전거.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 변속수단은,
   상기 스퍼 기어의 상하면을 지지하는 연결부를 구비한 홀더와,
   상기 샤프트의 연장 방향인 상기 휠 기어의 둘레와 중심 사이로 상기 홀더를 이동시키는 이동부 및,
   상기 이동부의 구동을 제어하는 변속 레버를 구비한 변속조절박스로 이루어진 것을 특징으로 하는, 무체인 자전거.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 스퍼 기어의 상하면의 둘레를 따라 슬릿이 함입 형성되고,
   상기 슬릿 내에는 볼이 상기 슬릿 내에서 회전 가능하게 삽입되며,
   상기 볼에 상기 연결부가 연결된 것을 특징으로 하는, 무체인 자전거.
7. 제 1항에 있어서,
   상기 샤프트에서 상기 스퍼 기어가 이동하는 부위의 외주 면에는 평 기어가 형성되고,
   상기 스퍼 기어의 내주 면에는 내치 기어가 형성되어,
   상기 평 기어와 내치 기어가 치합되는 것을 특징으로 하는, 무체인 자전거.
8. 삭제
9. 제 1항에 있어서,
   상기 네크에서 상기 꼭지점을 중심으로 한 빗변의 사이각은,
   다음의 수학식을 통해 설정되는 것을 특징으로 하는, 무체인 자전거.
   수학식.

   

   
   (여기서,

   

   는 빗변의 사이각, d는 휠 기어의 직경(cm),

   

   는 메인 투스의 사이각,

   

   은 메인 투스의 개수,

   

   는 서브 투스의 개수를 의미하며, 각 메인 투스는 등각으로 배치되고, 메인 투스 사이에 형성된 서브 투스의 개수는 서로 같다.)
10. 제 1항에 있어서,
    상기 루트의 양 측면에서 상기 변속수단에 의해 상기 스퍼 기어가 이동되는 각 지점에는 상기 유동 투스가 임시 고정될 수 있는 가이드가 함입 형성되되,
    상기 가이드는 상기 유동 투스의 외주 면의 곡률반경보다 큰 곡률반경으로 라운드 처리된 것을 특징으로 하는, 무체인 자전거.

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