KR20020070013A - 자전거 크랭크 각변화에 따라서 이루어지는 순간 토오크변환 및 변속기 - Google Patents

Abstract

자전거의 크랭크 회전력은 크랭크 각도 변화에 따라 다르며 크랭크에 작용하는 힘이 접선 방향과 일치하게 작용할 때 최대이며, 크랭크 축에 수직방향으로 작용할 때 0 이 된다.

따라서 크랭크에 힘을 가하는 초기 상사점에 해당하는 위상에서는 회전력은 미약하고, 가속운동이 요구되어 구름저항이 증대되어 크랭크 작동은 장애를 받으며, 크랭크 1회전시 맥동을 일으키고, 다리에 피로를 가져오게 된다.

이러한 문제점을 해소하기 위해서 크랭크 1회전간에 일어나는 구동토오크와 피동축의 저항 토오크의 격차를 좁혀 주기 위해서 크랭크 순간 변각에 따라서 순간적으로 토오크 변환 및 변속이 자동적으로 일어나는 중간 동력전달 장치를 추가함으로서 맥동현상을 해소하고,다리의 크랭크 운동을 원활하게 도와주며 피로감을 감소시켜 주도록 한 순간 변속기 이다.

Description

자전거 크랭크 각변화에 따라서 이루어지는 순간 토오크 변환 및 변속기{omitted}

자전거의 크랭크 운동은 상사점과 하사점 위상에서 토오크 발생이 미약하며, 초기의 가속운동 에너지가 추가로 요구되고 있어 크랭크 1회전시 구동력과 피동축 저항 격차로 인하여 맥동을 유발하며 언덕길이나, 지표면이 다져지지 않은 로면 조건에서는 크랭크 동작을 제한 하게 된다.

위와같은 문제점을 해소 하기 위해서 크랭크 각도의 순간 변화에 따라서 순간 토오크 및 속도를 변환 시켜주는 동력 전달장치를 자전거 크랭크에 적용 설치한 것이다.

본 발명은 자전거 크랭크 1회전시 일어나는 순간 크랭크 각도 변화에 따라서 순간 토오크 및 속도가 변환 되도록 한 일종의 동력 전달 장치이다.

현용 자전거는 체인과 기어에 의해서만 동력이 전달되고 있으며 환경조건이나 필요시 의도적으로 장시간 속도 및 토오크 변환을 위해서 수개의 체인변속기어가 부착되어 있으며 크랭크 작동에서 유발되는 맥동이나 구동력과 피동력의 순간격차를 감소시켜 주는 대비책은 전무하다.

크랭크 운동에서 크랭크암에 작용하는 다리의 힘이 일정하다고 가정할 때 크랭크 회전 각도에 따라 원동축의 토오크 발생율이 다르며, 가속운동을 요하는 피동축의 순간적인 저항 토오크도 크랭크 동작 초기에 집중되어 있어 맥동현상을 유발하고 있다.

원동축과 피동축의 불균형 토오크를 해소하기 위해서 크랭크 각도 변화에 따라서 자동으로 순간 토오크 변환 및 변속이 이루어지는 중간 동력 연결장치를 부가 설치한 것이다.

즉, 피동축의 저항 토오크가 클 때 토오크 변환기는 토오크를 증대시켜주고 원동축의 토오크가 클 때는 피동축의 종속 회전으로 변속기능을 수행 하도록 하였다.

도 1 은 본 발명의 종합 구성도

도 2 는 크랭크 회전력 작용도

도 3 은 크랭크 회전력 좌표도

* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 *

1 : 구동 타원기어 ♂ 2 ; 피원타원기어 ♀ 3 : 구동일반기어

4 : 피동일반기어 5 : 체인기어 6 : 크랭크 축

7 : 공회전축

크랭크 순간 토오크 변환 및 변속기 구성은 그림 1에서와 같이 원동 크랭크축(6)에 하나의 구동 타원기어♂(1)을 고정하고 이와 맞물려 회전하는 또하나의 피동 타원기어 ♀(2)는 구동타원기어♂(1)와 장경과 단경 및 초점 거리가 같고 다만 피치가 1/2 피치 거리만큼 피치타원상에서 지연 설치된 한쌍의 타원기어로 되게 하여 장반경+단반경 거리만큼 구동 타원기어♂(1)의 중심으로 부터 이격하여 크랑크 원동축에 평행하게 타원기어♀(2)의 회전축을 설치한다.

타원기어♀(2)와 중심을 공유하며 함께 회전하는 일반기어(3)을 타원기어♀(2)에 고정하였다.

일반기어(3)과 맞물려 돌아가는 또다른 일반기어(4)를 원동크랭크축(6)을 중심으로 축 주위에서 공회전 하도록 하였으며, 일반기어(4)는 체인기어(5)와 고착되어 함께 회전 하도록 하였다.

일반기어(3)과 일반기어(4)는 적정 회전비를 가지고 회전방향을 역전 시켜주는 동력연결 역할을 하도록 하였다.

두개의 타원기어는 상호 90°위상 차이를 두고 피치 타원의 원주상에서 장단경 꼭지점이 정확히 맞물리게 치합 되어야 한다.

타원의 형태 결정은 타원방정식 표준형인에서 X²/a²+ y²/b²= 1에서 a = 5 b = 4 의 비율할 때 토오크의 변환 범위는 ±20% 이며, 압력각 25° 이상에서 치간섭 없이 회전이 원활하다.

다음은 순간 토오크 변환 및 변속원리를 설명한다.

그림 2에서와 같이 크랭크 회전력은 크랭크에 작용하는 힘 F가 중심축에 작용하는 수직분력 H와 접선 방향으로 작용하는 수평분력 "T" 로 분리되며 회전력으로 작용되는 수평분력 "T" 만 고려하면 그림 2에서 (1-1) T = F.sin(θ+φ) 크랭크 반경 r이라 하면 크랭크의 회전 모멘트 M = Tr이며, (1-1)식을 T에 대입하면, Tr=r.F sin(θ+φ), r이 일정하고 F가 일정하면 회전 모멘트는 값은 변각(θ+φ)에 따라 변화하며, (θ+φ)=0° 이면, Tr=0이고, (θ+φ)=90°에서 Tr=Fr이다.

즉, 크랭크에 작용하는 F가 상,하 사점에 근접 할 수록 회전 모멘트는 작아지고, 접선 분력에 가까워 질 수록 최대치가 된다.

크랭크 변각에 따른 순간 토오크 변환 및 변속작용에 대하여 설명하면 (1-1)식에서 접선분력은 순간각도 (θ+φ)에 따라 변화하게 되며, 원동 타원기어♂(1)과 피동타원♀(2)가 서로 만나는 접점에 이르는 순간반경을 각각 r, r₂할때 r, r₂의 변화에 따라 두 타원기어의 회전력은 변화하게 된다.

크랭크 축 회전 모멘트 Tr=r.Fsin(θ+φ)가 구동타원기어♂(1)에 그대로 전달될 때 접점에 이르는 구동타원기어♂(1)의 중심에 이르는 거리 r₁에서 접선분력을 "T₁" 이라 할 때 (1-1)식에서 T₁r₁= rF Fsin(θ+φ)이며, 크랭크 반경 r을 일정하게 하면, (1-2) T₁= rF / r₁×sin(θ+φ) 피동 타원기어♀(2)회전모멘트는 구동타원기어♂(1)의 회전모멘트를 그대로 전수된 것으로, (1-3)T₂= rF / r₂×sinθ+φ)가 된다.

위 식에서 rF가 일정하므로 파동타원기어♀(2)의 r₂에서의 순간 접선수평분력 "T₂"는 r₂에 반비례 하고, sin(θ+φ) 값에 비례한다.

따라서 순간접선 수평분력 T₂를 증대 시키기 위해서 크랭크 변각(θ+φ)는 90°일때 r₂는 최소가 되도록 하고, 변각(θ+φ)가 0일때 r₂가 최대가 되도록 하였다. 크랭크 운동시 변각 (θ+φ)와 두타원 기어의 점점 까지의 r₁,r₂는 모두 순간 변화를 일으키는 요소로서 크랭크 1회전시 피동타원기어♀(2)의 접선 수평 분력에 순간변화를 가져오며 순간적으로 토오크 변환 기능과 변속기능을 자동적으로 수행하게 된다.

종래 자전거의 크랭크 회전력을 그림 3에서와 같이 평균 토오크에 비하여 격차가 심하나, 순간 토오크 변환 및 변속기를 추가 함으로서 토오크를 평준화 하여 맥동현상을 해소하고, 다리의 크랭크 운동을 원활하게 하여, 피로를 덜어주는 장점이 있다.

Claims (1)

1. 자전거의 크랭크의 순간 토오크 변환 및 변속기를 구성함에 있어서 자전거 크랭크 축에 고정 설치한 구동타원기어♂(1)과 이와 서로 맞물려 회전하는 장단축 및 초점거리가 같은 피동타원기어♀(2)를 설치하는데 회전중심을 장반경과 단반경의 합이 되는 거리에 이격하여 구동타원기어♂(1)의 축과 평행하게 설치한다. 구동타원기어♂(1)과 피동타원기어♀(2)의 조합은 90°위상차이를 두고 상호 장단축의 꼭지점이 맞물려 1:1 회전하는 자웅(♀, ♂)한쌍의 타원기어로 치합되 있다.

   일반기어(3)은 피동타원기어♀(2)와 중심을 공유하고 함께 회전하도록 상호 결속시키고 이와 맞물려 회전하는 일반기어(4)는 크랭크 축을 중심으로 하여 축위에서 공회전 하되 체인기어(5)와 고착되어 체인에 동력을 전달하도록 구성되어 있으며 크랭크 변동 각이 상,하사점에서 피동타원기어♀(2)의 토오크가 최대가 되도록 크랭크 축과 구동타원기어♂(1)를 고정하여 크랭크 1회전시 일어나는 크랭크 운동각 변화에 따라 순간 토오크와 속도가 자동적으로 변화 되도록 2개의 타원기어가 치합된 것을 특징으로 하는 자전거 크랭크의 순간 토오크 변환 및 변속기