KR20070114636A - 자전거 변속장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 체인을 통하여 동력을 전달하는 자동변속기에 관한 것이다. 본 발명은 자전거를 비롯한 모든 탈것에 적용될 수 있음은 물론 속도조절이 필요한 모든 기계에 적용할 수 있다.

자동변속기, 체인

Description

자전거 변속장치{TRANSMISSION OF BICYCLE}

도 1은 본 발명의 제 1의 실시 예를 나타낸 사시도이다.

도 2는 본 발명의 제 1의 실시 예의 케이블 연결관계를 나타낸 모식도이다.

도 3은 본 발명의 제 2의 실시 예를 나타낸 사시도이다.

본 발명은 주축과 종동축 사이에서 체인을 통하여 동력을 전달하는 동력전달장치에 관한 것이다. 구체적으로 말하면 본 발명은 주축과 종동축 사이에서 체인이 동력을 전달할 때 상기 주축과 종동축의 기어 비를 변화시킴으로써 종동축의 회전 속도를 변화시키는 변속기에 관한 것이다. 본 명세서에서는 편의상 자전거의 변속기를 예로 들어 설명하고 있으나 그렇다고 하여 본 발명이 자전거에 국한된 기술을 의미하는 것은 아니다. 즉 본 발명은 주축과 종동축 사이에 동력을 전달하면서 속도를 변화시키는 모든 기계에 적용될 수 있다. 본 발명에서 제시하는 변속기는 사람의 조작이 필요한 수동식과 사람의 조작이 필요없는 자동식이 모두 가능하다.

자전거는 보통 앞(페달 쪽)과 뒤(바퀴 쪽) 두 곳에 변속기가 장착되어 있다. 종래에는 승차자가 최적의 회전 속도를 얻기 위하여 상기 두 개의 변속기를 각각 조정하여야 하였다. 또한, 사람의 조작이 필요 없는 자동변속기가 있기는 하였지만 그 구조가 매우 복잡하고 비효율적이었다.

본 발명의 제 1의 실시 예는 구조가 간단하면서도 수동적인 조작이 필요없는 편리한 자동 변속기를 나타낸다. 또한, 본 발명의 제 2의 실시 예는 사람의 조작이 필요하기는 하지만 한 번의 조작으로 변속이 완료되는 편리한 수동변속기를 나타낸다.

이하에서는 본 발명의 실시 예를 설명한다. 편의상 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어 자전거에 적용된 예를 들어 설명한다. 보통의 자전거는 두 개의 변속기어가 있다. 한 개는 페달 축과 함께 회전하는 앞 변속기어, 다른 한 개는 뒷바퀴 축과 함께 회전하는 뒤쪽 변속기어이다. 보통 산악자전거의 경우 앞 변속기어는 3개의 기어로 된 경우가 많고 뒤쪽 변속기어는 7-9개의 기어로 되어 있다. 예를 들어 앞 변속기어가 3개의 기어로 되어 있고 뒤쪽 변속기어가 7개의 기어로 되어 있는 자전거는 21단 자전거가 된다. 여기에서 상기 3개의 앞 기어는 각각 지름이 다르고 기어의 이빨 수도 각각 다르다. 마찬가지로 상기 7-9개로 되어 있는 뒤쪽기어도 각각의 지름이 다르고 기어의 이빨 수도 각각 다르다. 이러한 자전거에서 동력전달은 체인이 상기 앞 기어 중 한 개와 상기 뒤쪽 기어 중 한 개를 연결하여 수행된다. 이때 체인이 앞 기어 중 큰 기어와 뒤쪽 기어 중 작은 기어를 연결하면 페달 축의 회전수보다 상대적으로 빠른 바퀴 축의 회전수를 얻을 수 있기 때문에 결과적 으로 자전거의 속도를 빠르게 할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시 예를 도면을 통하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 제 1의 실시 예를 나타낸 사시도이다. 즉 도면의 오른쪽 3개의 기어가 페달 축(14)을 중심으로 회전하는 앞 변속기어(11,12,13)이고, 도면의 왼쪽 3개의 기어가 바퀴 축(24))을 중심으로 회전하는 뒤쪽 변속기어(21,22,23)이다. 체인(3)은 앞 변속기어 중 한 개와 뒤쪽 변속기어 중 한 개를 연결하여 동력을 페달 축(14)으로부터 바퀴 축(24)으로 전달한다. 앞 변속기어 후상방에는 앞 기어 선택장치(41,42)가 있고, 뒤쪽 변속기어 전 하방에는 뒤쪽 기어 선택장치(51,52,53,54,55,56)가 있다. 원심력 발생장치(61,62,63)는 뒷바퀴 축(24)과 함께 회전하고, 원심력 발생장치의 추(63)에서 발생한 원심력은 결합장치(71)를 통하여 조절케이블(82)과 연결케이블(83)에 전달된다. 조절케이블(82)과 연결케이블(83)은 각각 뒤쪽 기어선택장치와 앞 기어 선택장치와 연결되어 있어 이들 기어선택장치에 힘을 전달하고 결국 이 힘이 체인(3)을 이웃하는 기어로 이동시켜 변속을 완료한다.

이하에서는 본 발명의 제 1의 실시 예의 각 부분품과 그 결합관계에 대하여 자세히 설명한다. 도면의 오른쪽에 그려진 3개의 앞 기어는 각각 지름이 다르고 이빨 수도 다르다. 3개의 앞 기어는 가장 안쪽에 작은 기어(11), 가운데에 중간기어(12), 맨 바깥쪽에 큰 기어(13)가 배치된다. 이때 각 기어 사이의 간격은 일정하다. 즉 작은 기어와 중간 기어 사이의 간격과 중간 기어와 큰 기어 사이의 간격은 동일하다. 이 3개의 앞 기어는 페달 축(14)과 함께 회전한다.

도면의 왼쪽에 그려져 있는 3개의 뒤쪽 기어도 각각 지름이 다르고 이빨 수 도 다르다. 뒤쪽 기어는 앞 변속기어와는 달리 가장 안쪽에 큰 기어(21), 가운데에 중간 기어(22), 맨 바깥쪽에 작은 기어(23)가 배치된다. 이때 앞 변속기어와 마찬가지로 각각의 뒤쪽 기어 사이의 간격은 동일하다.

이러한 앞 기어와 뒤쪽 기어는 서로 대응 관계를 갖게 되는데, 즉 앞 작은 기어(11)와 뒤쪽 큰 기어(21)는 같은 평면에서 회전하고, 앞 중간기어(12)와 뒤쪽 중간기어(22)도 같은 평면에서 회전하고, 앞 큰 기어(13)와 뒤쪽 작은 기어(23)도 같은 평면에서 회전한다. 이후의 설명에서는 이렇게 같은 평면에서 회전하는 기어에 대하여 '대응하는 기어'라는 표현을 사용한다.

체인(3)은 상기 앞 변속기어와 상기 뒤쪽 변속기어 중 서로 대응하는 기어를 연결하여 페달 축의 동력을 바퀴 축에 전달한다. 도 1에서는 체인(3)이 앞 기어 중 중간기어(12)와 뒤쪽 기어 중 중간기어(22)를 연결하고 있는 상태를 보여준다. 체인(3)은 진행방향에 대하여 좌/우로 이동할 수 있는데, 만일 체인(3)이 진행방향에 대하여 오른쪽으로 이동하면 체인은 앞 변속기어 중 큰 기어(13)와 뒤쪽 변속기어 중 작은 기어(23)를 연결하여 결과적으로 빠른 속도를 얻을 수 있고, 만일 체인(3)이 진행방향에 대하여 왼쪽으로 이동하면 체인은 앞 변속기어 중 작은 기어(11)와 뒤쪽 변속기어 중 큰 기어(21)를 연결하여 결과적으로 속도는 저하되지만 큰 회전모멘트를 얻을 수 있다. 이렇게 체인(3)을 이동하게 하는 힘의 근원은 뒷바퀴 축과 함께 회전하는 원심력발생장치(61, 62, 63)에서 발생한 원심력이다. 뒷바퀴 축(24)이 회전하면 원심력발생장치(61, 62, 63)가 회전하여 추(63)에서 원심력이 발생하고, 추(63)에서 발생한 원심력은 추케이블(62)과 결합장치(71)를 통하여 조절케이블(82)과 연결케이블(83)에 전달되고, 결국 조절케이블(82)과 연결케이블(83)에 이어진 앞쪽 기어 선택장치(41, 42)와 뒤쪽 기어 선택장치(51, 52, 53, 54, 55, 56)를 이동시킨다. 이러한 기어 선택장치의 이동으로 체인(3)이 이웃하는 기어로 이동한다.

앞 기어 선택장치는 아래로 나란히 뻗은 한 쌍의 다리(41)와 수평 스프링(42)으로 구성된다. 다리(41)는 수평스프링(42)의 축방향(진행방향에 대하여 좌/우 방향)으로만 이동이 가능하며 수평스프링(42)의 복원력과 연결케이블(83)로부터 전달되는 힘이 균형을 이루는 지점에 위치하게 된다. 다리(41) 사이의 간격은 체인(3)의 폭 보다 약간 넓으며 그 간격 사이로 체인이 통과된다. 자전거가 운행중 앞 기어 선택장치의 다리(41)가 좌/우로 이동하면 체인(3)은 원래 결합하고 있었던 기어를 이탈하여 이웃한 기어로 이동하게 된다. 이러한 앞 기어 선택장치의 이동은 연결케이블(83)로부터 전달된 힘에 의하여 수행된다.

뒤쪽 기어 선택장치는 안내기어(51), 수평축(52), 한 쌍의 팔(53), 수직축(54), 수직스프링(55), 받침(56)으로 구성된다. 뒤쪽 기어 선택장치의 두 팔(53)은 상방으로 뻗어 있고 두 팔 사이의 간격은 체인(3)의 폭보다 약간 넓어 그 간격 사이로 체인이 통과된다. 또한, 상기 팔(53)의 중간에는 안내기어(51)를 지지하는 수평축(52)이 있다. 안내기어(51)는 체인(3)을 상방으로 밀어 올려 체인과 앞 변속기어 그리고 체인과 뒤쪽 변속기어 사이의 밀접한 접촉을 도와준다. 이 힘의 원천은 수직스프링(55)의 복원력이다. 상기 팔(53)은 아래로 수직축(54)과 결합되어 있고, 수직축 주변을 둘러싸고 있는 수직스프링(55)에 의하여 상방으로 지지된다. 상 기 수직축(54)은 받침(56)에 있는 수직방향의 구멍에 끼워진다. 상기 수직방향의 구멍의 지름은 상기 수직축의 지름보다 약간 크므로 수직축(54)은 상기 받침(56)에 대하여 수직방향의 이동이 가능하다. 받침(56)은 조절케이블(82)과 연결되어 있고 진행방향에 대하여 좌/우 방향의 이동만 가능하도록 설치된다. 조절케이블(64)이 당겨지면 받침(56)이 진행방향에 대하여 우측으로 이동하고 안내기어(51)와 팔(53)이 우측으로 이동하여 체인(3)을 우측으로 이동시킨다. 결과적으로 체인(3)은 뒤쪽 기어 중 원래 결합되어 있던 기어보다 오른쪽에 있는 기어로 이동을 하게 된다. 그런데 이러한 체인(3)의 이동은 앞 변속기어에서도 동시에 일어나게 되는데 그것은 조절케이블(82)이 당겨질 때 상기 조절케이블(82)과 연결된 연결케이블(83)도 함께 당겨지기 때문이다.

원심력 발생장치는 하우징(61)과 두 개의 추(63), 두 개의 추케이블(62)로 구성된다. 원심력 발생장치는 뒷바퀴의 축(24)과 결합되어 뒷바퀴 축과 같은 각속도로 회전한다. 추(63)는 도면에서 상/하 두 개가 있으며 하우징(61) 안에서 원심방향 혹은 구심방향으로 이동이 가능하다. 추(63)는 각각 추케이블(62)을 통하여 결합장치(63)와 연결되어 있다. 뒷바퀴가 회전하면 원심력 발생장치가 회전하고 추(63)가 회전하여 추에는 원심력이 발생한다. 이 원심력은 추케이블(62)을 통하여 결합장치(71)에 전달된다.

결합장치(63)는 타원판 모양으로 두 개의 추케이블(61)과 연결되고 중앙에는 조절케이블(64)을 수용하는 원형의 케이블 구멍이 있다. 이 케이블 구멍에는 조절케이블(82)이 삽입된다. 결합장치(63)는 뒷 바퀴 축방향으로의 이동만 가능하도록 설치된다. 원심력에 의하여 추(63)가 원심방향으로 이동하면 결합장치(71)는 자전거 진행방향에 대하여 좌측으로 이동하게 된다.

이하에서는 결합장치(71), 조절케이블(82), 연결케이블의 관계를 도 2를 통하여 설명한다. 조절케이블(82)은 결합장치(71)와 뒤쪽 기어 선택장치의 받침(56)을 연결하는 줄이다. 이러한 조절케이블(82)은 결합장치(71)에 대하여 자유롭게 회전 가능하도록 결합되는데, 그것은 결합장치(71)의 케이블 구멍의 지름이 조절케이블의 지름보다 약간 크기 때문이다. 또한 조절케이블(82)의 결합장치(71)쪽 끝에 있는 케이블 머리(81)의 지름은 결합장치의 케이블 구멍의 지름보다 크게 설계되어 있어 조절케이블(82)이 결합장치(71)로부터 이탈되는 것을 방지한다. 조절케이블(82)의 다른 쪽 끝은 뒤쪽 기어 선택장치의 받침(56)과 연결된다.

연결케이블(83)은 뒤쪽 기어 선택장치의 받침(56)과 앞 기어 선택장치의 다리(43)를 연결하는 줄이다.

이하에서는 본 발명의 제1의 실시예의 작동과정을 설명한다.

자전거가 정지해 있는 상태에서 추(63)에는 원심력이 발생하지 않으므로 추(63)는 원심력 발생장치의 하우징(61) 안 가장 구심쪽에 위치하게 된다. 그 이유는 앞 기어 선택장치의 수평스프링(42)의 복원력 때문인데 이 복원력이 연결케이블(83)과 조절케이블(82)을 통하여 결합장치(71)를 자전거 진행방향에 대하여 오른쪽으로 당기고 있기 때문이다. 이때는 상기 수평스프링(42)의 복원력 때문에 앞 기어 선택장치(41,42)와 뒤쪽 기어 선택장치(51,52,53,54,55,56)는 자전거의 진행방향에 대하여 왼쪽에 위치하게 되고 그로 인하여 체인(3)은 앞 작은 기어(11)와 뒤 쪽 큰기어(21)를 연결하여 동력을 전달하게 된다. 이 경우는 페달축(14) 회전속도에 비하여 뒷바퀴축(24)의 회전속도는 상대적으로 느리다. 만일 뒷바퀴의 회전속도가 증가하면 원심력발생장치의 추(63)에 원심력이 발생한다. 원심력의 크기는 추의 각속도의 제곱에 비례하므로 자전거의 속도가 빨라질수록 이 원심력은 더욱 커진다. 이러한 원심력은 추케이블(62), 결합장치(71), 조절케이블(82), 받침(56), 연결케이블, 다리(41)를 거쳐서 수평스프링(42)에 전달된다. 수평 스프링(42)은 Hook의 법칙에 따라 많이 당겨질수록 복원력은 더욱 커진다. 결국 추(63)의 원심력과 수평스프링(42)의 복원력이 평형을 이루는 지점에서 상기 앞 기어 선택장치 다리(41)와 뒤쪽 기어선택장치(51,52,53,54,55,56)가 정지하게 된다. 이 위치는 추(63)의 원심력이 커짐에 따라 자전거 진행방향에 대하여 더욱 오른쪽으로 치우치게 되는데 이로 인하여 체인(3)은 원래 물고 있었던 기어보다 오른쪽에 있는 기어로 이동하게 된다. 자전거의 속도가 줄어들면 지금까지의 과정이 역순으로 진행되어 체인(3)은 보다 왼쪽에 위치한 기어로 이동하게 된다.

본 발명에서는 추(63)에서 발생한 원심력을 이용하여 앞/뒤쪽 기어 선택장치를 이동시키는 경우를 예로 들었으나 반드시 이러한 방법만 있는 것은 아니다. 또한 본 발명에서는 앞 기어 선택장치를 이동시키는 수단과 뒤쪽 기어 선택장치를 이동시키는 수단으로 조절케이블(82)과 연결 케이블(83), 즉, 줄로 연결시키는 예를 들었으나 이러한 수단이 반드시 줄을 통해서만 가능한 것은 아니다. 예를 들어 추의 원심력 대신 사람의 힘으로 조절케이블(82)을 당기는 것도 가능하고(본 발명의 제 2의 실시예), 외부 동력원(예를 들어 건전지를 이용한 모터)의 힘을 이용하는 것도 가능하며, 이때는 센서가 바퀴 축의 각속도를 감지하여 그 속도에 따라 앞/뒤쪽 기어 선택장치의 이동거리를 조절할 수 있다. 또한 본 발명의 제 1의 실시예에서는 조절케이블(82)이 한 개인 경우를 예로 들었으나 다른 경우도 가능하다. 예를 들어 두 개의 조절케이블(82)이 있어 한 개는 결합장치(71)와 뒤쪽 기어 선택장치의 받침(56) 사이를 연결하고, 다른 한 개는 결합장치(71)와 앞 기어 선택장치와 연결하는 형태도 가능하다. 이 경우는 물론 연결케이블(83)이 필요 없게 되지만, 결국 두번째의 조절케이블은 본 발명에서 제시한 연결케이블과 같은 역할을 하므로 연결케이블의 변형이라고 할 수 있다.

도 3은 본 발명의 제2의 실시예를 나타낸 것이다. 제 2의 실시예는 제 1의 실시예와 유사하다. 즉, 3개의 앞 기어(91,92,93)와 3개의 뒤쪽 기어, 그리고 앞 기어 선택장치(97)와 뒤쪽 기어 선택장치(98)의 위치도 제 1의 실시예에서와 같다. 다만 변속기를 작동하는 힘이 뒷바퀴의 회전에 의한 원심력이 아니고 사람의 힘이라는 것이다. 승차자는 조절기(도시하지 않음)를 통하여 조절 케이블(99)을 당긴다. 조절케이블(99)은 앞 기어 선택장치(97)를 진행방향에 대하여 오른쪽으로 이동시킴과 동시에 연결케이블(100)을 당긴다. 연결케이블(100)은 뒤쪽 기어 선택장치를 진행방향에 대하여 오른쪽으로 이동시키고 결국 체인(90)은 원래 물고 있었던 기어의 오른쪽 기어와 결합하게 된다. 만일 승차자가 조절기를 통하여 조절케이블(99)을 놓아주면 뒤쪽 기어 선택장치의 수평스프링의 복원력에 의하여 상기 과정의 역과정이 수행된다.

본 발명의 제 1의 실시예와 제 2의 실시예에서는 앞 기어와 뒤쪽 기어가 가 각 3개인 경우를 예로 들었으나 반드시 3개일 필요는 없다. 앞기어가 두개 이상이고 뒤쪽기어가 두개 이상인 모든 경우에 본 발명은 적용될 수 있다. 단, 앞 기어와 뒤쪽 기어는 수는 같은 것이 좋고, 각 대응하는 기어는 동일 평면에서 회전하는 것이 유리하다.

본 발명에서 제시하는 변속기는 다음과 같은 여러가지 장점을 가지고 있다. 첫째, 자전거의 속도에 따라 자동으로 기어가 변속되는 편리함이다. 둘째, 승차자의 힘을 절약해준다. 기존의 변속기에서는 체인이 앞 기어와 뒤쪽 기어 사이에서 동력을 전달할 때 회전면이 각각 다른 두 기어 사이에서 동력을 전달하여 힘이 낭비되었다. 셋째, 고장의 감소이다. 기존의 변속기는 운행중 체인이 회전면이 각각 다른 두 기어 사이에서 동력을 전달하게 되어 체인과 기어 사이에 전단력이 작용하여 마찰을 증가시켰다 이러한 마찰의 증가는 각 부품간 마모를 증가시켜 고장이 많았다. 그러나 본 발명에서 제시하는 변속기는 항상 동일평면에서 회전하는 앞 기어와 뒤쪽 기어 사이에만 동력을 전달하기 때문에 승차자의 힘을 절약해주고 고장이 줄어든다. 넷째, 무게의 감소이다. 기존의 변속기에서는 체인이 앞 기어중 큰기어와 뒤쪽 기어중 큰기어를 물고 돌아갈 수 있을 정도로 충분히 길어야 했으나 본 발명에서는 앞 기어 중 중간기어와 뒤쪽 기어중 중간기어를 물고 돌아갈 수 있을 정도면 충분하다. 왜냐하면 앞 기어중 큰 기어를 물고 돌아갈 때는 반드시 뒤쪽 기어는 작은 기어를 물고 돌아갈 수 밖에 없기 때문이다. 또한 기존의 변속기에서는 앞/뒤 기어 선택장치가 복잡하였으나 본 발명에서는 앞/뒤 기어 선택장치가 아주 간 단해진다.

이러한 변속장치는 자전거에만 적용되는 것은 아니다. 앞에서 언급했듯이 주축과 종동축 사이에 속도를 변화시키면서 동력을 전달해야 하는 경우라면 어떤 상황에서든 적용될 수 있다.

Claims (9)

1. 두 개 이상의 앞 기어와 두 개 이상의 뒤쪽 기어를 포함하고, 상기 앞 기어와 뒤쪽 기어 사이를 연결하여 동력을 전달하는 체인을 포함하고, 상기 체인을 원래 연결하고 있던 기어와 이웃하는 기어로 이동시키는 앞 기어 선택장치와 뒤쪽 기어 선택장치를 포함하는 변속장치에 있어서,

   바퀴 축과 함께 회전하는 원심력 발생장치를 포함하고 상기 원심력 발생장치에서 발생된 힘을 상기 앞 기어 선택장치와 뒤쪽 기어 선택장치에 전달하여 상기 앞 기어 선택장치와 뒤쪽 기어 선택장치를 이동시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 변속장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 앞 기어 선택장치와 뒤쪽 기어 선택장치를 동시에 동일한 거리를 이동하도록 서로의 이동을 종속시키는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변속장치.
3. 두 개 이상의 앞 기어와 두 개 이상의 뒤쪽 기어를 포함하고, 상기 앞 기어와 뒤쪽 기어 사이를 연결하여 동력을 전달하는 체인을 포함하고, 상기 체인을 원래 연결하고 있던 기어와 이웃하는 기어로 이동시키는 앞 기어 선택장치와 뒤쪽 기어 선택장치를 포함하는 변속장치에 있어서,

   상기 앞 기어 선택장치와 뒤쪽 기어 선택장치를 동시에 동일한 거리를 이동하도록서로의 이동을 종속시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 변속장치.
4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,

   상기 앞 기어 선택장치와 뒤쪽 기어 선택장치를 동시에 동일한 거리를 이동하도록서로의 이동을 종속시키는 수단은 상기 앞 기어 선택장치와 뒤쪽 기어 선택장치 사이를 연결하는 연결케이블인 것을 특징으로 하는 변속장치.
5. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,

   상기 두개 이상의 앞 기어와 두개 이상의 뒤쪽 기어는 개수가 동일한 것을 특징으로 하는 변속장치.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 두 개 이상의 앞 기어 각각은 상기 두 개 이상의 뒤쪽 기어 중 한 개와 동일한 평면에서 회전하는 것을 특징으로 하는 변속장치.
7. 제 1항 또는 제 2항 또는 제 3항 또는 제 4항 또는 제 5항 또는 제 6항에 명시된 변속장치를 장착한 자전거.
8. 제 1항 또는 제 2항 또는 제 3항 또는 제 4항 또는 제 5항 또는 제 6항에 명시된 변속장치를 장착한 탈것.
9. 제 1항 또는 제 2항 또는 제 3항 또는 제 4항 또는 제 5항 또는 제 6항에 명시된 변속장치를 장착한 기계.

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