KR20080008439A

KR20080008439A - 자전거의 무체인 무단 변속장치

Info

Publication number: KR20080008439A
Application number: KR1020080001963A
Authority: KR
Inventors: 김재일
Original assignee: 김재일
Priority date: 2008-01-04
Filing date: 2008-01-04
Publication date: 2008-01-23

Abstract

본 발명은 자전거의 무체인 무단 변속장치에 관한 것으로, 자전거 페달의 회전력을 전달받는 아암축에 결합하여 아암축과 함께 일체로 회전하며, 기어홈을 구비하는 입력디스크와; 뒷바퀴 허브의 뒷바퀴축에 결합되어 뒷바퀴를 구동시키고, 기어홈을 구비하는 출력디스크와; 상기 입력디스크의 기어홈과 접촉하여 입력디스크의 회전력을 전달받는 입력 피니언 기어와, 상기 입력 피니언 기어로부터 회전력을 상기 출력디스크로 전달하는 출력 피니언 기어가 구비된 동력전달수단; 그리고 핸들의 손잡이 부위에 설치되어 업/다운 돌리는 동작에 따른 출력신호를 발생시키는 다이얼스위치와, 상기 다이얼스위치의 출력신호에 의해 모터를 정·역회전 구동시켜 상기 입력 피니언 기어 및 출력 피니언 기어의 전후 이동에 따른 입력디스크 및 출력디스크의 기어홈과의 접점위치를 변동시키는 구동부로 이루어지는 변속수단;을 포함하여 구성되는 것으로서, 운전자는 핸들에 달린 다이얼을 돌리는 것만으로 저단에서 고단까지 소리없이 단번에 기어변속이 가능하며, 특히 1단, 2단, 3단 등 정해진 변속비율이 아니라 디스크의 크기에 따라 필요로 하는 최적의 기어 비를 설정할 수 있는 효과가 있다.

자전거, 변속장치, 디스크, 피니언 기어, 렉 기어, 베어링

Description

자전거의 무체인 무단 변속장치{A NON-STAGE TRANSMISSION BICYCLE FOR CHAINLESS}

본 발명은 자전거의 무체인 무단 변속장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 여러 개의 톱니바퀴가 아닌 디스크 타입의 기어박스가 장착돼 있으며, 베어링의 양쪽에 각각 페달로부터 동력을 전달받는 입력디스크와 이를 바탕으로 뒷바퀴에 동력을 전달하는 출력디스크가 위치하고 베어링의 축을 이동시키는 방식으로 기어변속을 유도하는 자전거의 무체인 무단 변속장치에 관한 것이다.

자전거에 달린 변속기어는 심하게 경사진 언덕도 마치 평지처럼 힘들이지 않고 오를 수 있도록 도와준다.

일반적으로, 자전거의 변속기어는 직경이 다른 복수 개의 스프로켓을 자전거의 앞쪽과 뒷쪽에 장착하고, 상기 스프로켓에 위치하는 체인을 이송시켜 속도를 변환하는 방식이 사용되는데, 직경이 다른 복수의 스프로켓을 자전거의 앞쪽과 뒤쪽에 장착하여 체인 이송에 따른 변속을 하는 외장 변속장치가 있다.

하지만 기존의 자전거 변속기어에는 몇 가지 불편함이 있다.

기어를 고단으로 놓고 전력 질주하다가 건널목을 만나 정지한 후 다시 출발 할 때 기어를 저단으로 바꿔놓지 않으면 한참 동안 제자리에서 페달을 돌려야하는 문제점이 있다.

또한, 종래의 체인 변속기어는 무거운 기어로 인해 저단에서 고단으로, 혹은 고단에서 저단으로 기어를 변속할 때 체인이 뒷바퀴의 톱니바퀴를 오르내리며 만들어내는 굉음도 꽤 신경이 쓰이는 부분이다.

또한, 체인이 외부로 노출되어 운전자의 옷깃이 끼는 등 안전을 위협하며, 체인이 이탈되고 기름 노출이 노출되는 등의 문제점도 있다.

이에 대한 대안으로서 자전거 등의 뒷바퀴 허브의 내부에 설치되는 내장형 변속기어가 있으며, 이는 허브쉘 내에 기어열을 위치시키고, 기어열의 기어잇수비율에 의하여 속도를 변환하는 것이다. 그러나 이것은 그 구조가 복잡한 단점이 있다.

상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 여러 개의 톱니바퀴가 아닌 디스크 타입의 기어박스가 장착돼 있는 자전거의 무체인 무단 변속장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 운전자가 다이얼스위치를 통한 변속조작시 즉시 그 효과가 발생하고, 속도변환시 소음이나 진동이 발생하지 않는 자전거의 무체인 무단 변속장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 자전거의 동력의 손실없이 전달하고, 자전거 본체 의 소형화를 용이하게 하는 자전거의 무체인 무단 변속장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 자전거의 무체인 무단 변속장치는, 자전거 페달의 회전력을 전달받는 아암축에 결합하여 아암축과 함께 일체로 회전하며, 기어홈을 구비하는 입력디스크와; 뒷바퀴 허브의 뒷바퀴축에 결합되어 뒷바퀴를 구동시키고, 기어홈을 구비하는 출력디스크와; 상기 입력디스크의 기어홈과 접촉하여 입력디스크의 회전력을 전달받는 입력 피니언 기어와, 상기 입력 피니언 기어로부터 회전력을 상기 출력디스크로 전달하는 출력 피니언 기어가 구비된 동력전달수단; 그리고 핸들의 손잡이 부위에 설치되어 업/다운 돌리는 동작에 따른 출력신호를 발생시키는 다이얼스위치와, 상기 다이얼스위치의 출력신호에 의해 모터를 정·역회전 구동시켜 상기 입력 피니언 기어 및 출력 피니언 기어의 전후 이동에 따른 입력리스크 및 출력디스크의 기어홈과의 접점위치를 변동시키는 구동부로 이루어지는 변속수단;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

그리고 또한, 상기 동력전달수단은, 상기 입력디스크의 아암축에 대하여 직교되는 방향으로 장착되고, 입력디스크의 기어홈에 맞물리는 입력 피니언 기어와; 상기 입력 피니언 기어의 회전축과 결합하여 회전축과 함께 일체로 회전하는 입력 스플라인축과; 상기 입력 스플라인축을 수용하여 함께 일체로 회전하는 케이싱과; 상기 케이싱의 타측에 수용되는 출력 스플라인축과; 상기 출력 스플라인축의 일측에 결합되며, 상기 출력디스크의 아암축에 대하여 직교되는 방향으로 장착되고, 상 기 출력디스크의 기어홈에 맞물려 출력 스플라인축의 회전력을 상기 출력디스크에 전달하는 출력 피니언 기어;를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

그리고 또한, 상기 입력디스크는, 판상으로 이루어지고, 아암축에 가까운 내부 보어로부터 상기 입력 피니언 기어 간의 접촉영역을 형성하는 접촉면이 구비되고, 상기 접촉면에는 다수의 기어홈이 형성된 환형 디스크로 이루어지는 것이 바람직하다.

그리고 또한, 상기 기어홈은, 접촉면의 내경을 따라 일정한 간격을 갖는 다수의 수직홈들과 수평홈들이 형성되어 있으며, 수직홈과 수평홈 사이에는 "└"형상의 연결홈들이 연속적으로 형성된 것이 바람직하다.

그리고 또한, 상기 출력디스크는, 상기 입력디스크의 직경보다 작게 형성된 판상으로 이루어지고, 뒷바퀴축에 가까운 내부 보어로부터 상기 출력 피니언 기어간의 접촉영역을 형성하는 접촉면이 구비되고, 상기 접촉면에는 다수의 기어홈이 형성된 환형 디스크로 이루어지는 것이 바람직하다.

그리고 또한, 상기 동력전달수단은, 상기 입력 피니언 기어와 입력 스플라인 축의 사이에 결합되어 회전하는 입력베어링; 및 상기 출력 스플라인축과 출력 피니언 기어 사이에 결합되어 회전하는 출력베어링;을 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

그리고 또한, 상기 구동부는, 상기 다이얼스위치의 출력신호에 따라 정·역 회전하는 모터와; 상기 모터의 회전축에 고정결합되는 스크류 기어와; 상기 스크류 기어의 외주부에 배치되어 스크류 기어의 회전방향을 변환시키는 입력 피니언 기어 와; 상기 입력 피니언 기어와 맞물려 회전되어 전후 직선운동하는 랙 기어; 및 상기 랙 기어의 전단에 고정결합되고, 입력 피니언 기어의 안쪽에 고정되어 있는 입력베어링과 체결되어 상기 랙 기어의 전후 직선운동에 따라 함께 이동되는 베어링 결합구;를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

그리고 또한, 상기 구동부는, 상기 스크류 기어의 속도를 감속시키는 감속기어;를 더 포함하여 구성되는 것이 더욱 바람직하다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따르면 운전자는 핸들에 달린 다이얼을 돌리는 것만으로 저단에서 고단까지 소리없이 단번에 기어변속이 가능하며, 특히 1단, 2단, 3단 등 정해진 변속비율이 아니라 디스크의 크기에 따라 필요로 하는 다양한 최적의 기어 비를 설정할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면 모터를 이용하여 변속 조작을 함으로써 구조를 간단하게 할 수 있어 자전거의 크기와 관계없이 쉽게 장착할 수 있으며, 신속하고 정확하게 변속할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면 동력을 전달하는 디스크가 바퀴의 피니언 및 추진축과 맞물려 저속 또는 고속기어의 연속되는 변속동작이 부드럽고 소음과 진동이 없으며, 주행상태와 무관하게 변속을 손쉽게 할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 체인을 사용하지 않아 운전자의 옷이 체인에 감기거나 체인이 이탈되는 문제가 없이 안전하고도 편하게 자전거를 이용할 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하며, 명세서 전반에 걸쳐 동일 구성요소에 대해서는 동일 부호를 부여하였다. 본 설명에 사용되는 용어는 본 발명의 소정의 특정 실시예의 상세한 설명과 함께 사용되기 때문에 단순히 한정하거나 제한하는 것으로 해석되지 않는다. 또한 본 발명의 실시예는 다양한 새로운 특징으로 포함할 수 있으며, 요구되는 특성에 대하여 전용적으로 적용되는 것만은 아니며, 본 발명을 실행함에 있어서 기본적인 내용이다.

도 1은 본 발명에 따른 자전거의 무체인 무단 변속장치가 적용된 자전거의 사시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 설명된 실시예는 자전거에 있어서 대략 구분되는 전형적인 두 부분, 입력측과 출력측을 구비한다. 자전거의 페달(30)에 의해 토크(torque) 또는 회전력을 제공받는 측은 입력측으로 칭하며, 자전거의 뒷바퀴(20) 또는 입력측으로부터 토크 또는 회전력을 전달받는 측을 출력측으로 칭한다. 상기 입력측에는 자전거의 페달(30)이 좌우 양단에 설치되어 페달(30)의 회전력을 전달받는 아암축(302)에 결합하여 아암축(302)과 함께 일체로 회전하는 입력디스크(100)가 구비되고, 상기 출력측에는 뒷바퀴 허브(22)의 뒷바퀴축(202)에 결합되어 상기 입력디스크(100)의 회전력을 전달받아 뒷바퀴(20)를 회전시키는 출력디스크(200)가 구비되며, 상기 입력디스크(100)와 출력디스크(200)와 접촉되어 동력을 전달하는 동력전달수단(300)과, 상기 입력디스크(100) 및 출력디스크(200)와 접촉하는 동력전달수단(300)을 축방향으로 이동시킴으로써 변속시키는 변속수단 (400)이 구비된다.

먼저, 본 발명에 따른 상기 입력디스크(100)를 설명하기로 한다.

도 1을 참조하면, 상기 입력디스크(100)는 자전거의 페달(30,31)이 좌우 양단에 설치되어 페달(30,31)의 회전력을 전달받는 아암축(302)에 결합하여 아암축(302)과 함께 일체로 회전한다. 즉, 좌측페달(30)과 우측페달(31)은 종래와 같이, 각각 페달 아암(미도시)을 개입시켜 아암축(302)에 장착되어 있다. 도시된 앞바퀴(10) 및 뒷바퀴(20)는 종래의 자전거와 같이 앞바퀴 허브(12) 및 뒷바퀴 허브(22)에 각각 고정적으로 외접되어 장착되어 있고, 뒷바퀴 허브(22)는 도시되어 있지만 부호로서 지시되지 않은 베어링들을 개재시켜 뒷바퀴축(202)에 대하여 정역 방향으로 회전가능하게 외접되어 있다.

도 2는 본 발명에 따른 입력디스크 및 입력 피니언 기어의 작용상태도이다.

도 2를 참조하면, 상기 입력디스크(100) 및 출력디스크(200)는 일정한 두께를 갖는 판상으로 이루어지고, 후술되는 입력 피니언 기어(310a)와 출력 피니언 기어(310b) 간의 접촉영역을 형성하는 접촉면(110)을 각각 구비한다. 상기 접촉면(110)은 아암축(302)에 가까운 내부 보어(112)로부터 후술되는 입력 피니언 기어(310a) 및 출력 피니언 기어(310b)와 접촉되도록 하는 기어홈(120)이 형성된 환형 디스크로 이루어진다. 예를 들면, 상기 입력디스크(100)가 아암축(302)과 함께 회전함에 따라 상기 입력디스크(100)의 접촉면(110)은 회전하고, 회전하는 동안 기어홈(120)이 입력 피니언 기어(310a)와 연속하여 접촉된다.

이는 출력디스크(200)에서도 마찬가지로 유사하게 이루어진다. 즉, 출력디스 크(200)는 일정한 두께를 갖는 판상으로 이루어지고, 후술되는 출력 피니언 기어(310b) 간의 접촉영역을 형성하는 접촉면(210)을 각각 구비한다. 상기 접촉면(210)은 뒷바퀴축(202)에 가까운 내부 보어(212)로부터 후술되는 출력 피니언 기어(310b)와 접촉되도록 하는 기어홈(220)이 형성된 환형 디스크로 이루어진다. 이와 같이 상기 입력디스크(100) 및 출력디스크(200)는 단순한 디스크와 같이 형성되거나, 요구되는 입력 및 출력 구성에 따라 원형형태, 사각형태 또는 원통형태 또는 다른 어떠한 형태로 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 상기 입력디스크(100) 및 출력디스크(200)는 경량화를 위하여 원형형태로 이루어진다.

또한, 상기 기어홈(120)은 접촉면(110)의 내경을 따라 수직홈(122)들과 수평홈(124)들이 형성되어 있으며, 수직홈(122)과 수평홈(124) 사이의 위치에는 "└"형상의 연결홈(126)들이 형성되어 있다. 이 기어홈(120)은 각 수직홈, 수평홈, 연결홈(122,124,126)들 간의 거리는 모두 동일하며, 폭도 동일하다. 또한, 상기 기어홈(120)은 토크 및 사양의 요구효율에 따라 홈형태, 돌출형태, 관통형태 또는 다른 형태로 구비될 수 있다. 기어홈(120)이 홈형태로 형성되는 경우는 기어 결합이 용이하고, 관통형태의 경우는 입력디스크(100) 및 출력디스크(200)를 경량화시킨다. 역시 출력디스크(200)의 기어홈(220)도 상기와 동일하게 구성되므로 그 도면은 생략하기로 한다. 여기서, 상기 기어홈(120,220)과 입력 피니언 기어(310a) 및 출력 피니언 기어(310b)의 실시예는 상호 마찰에 의해 회전력이 전달되기 때문에, 소정 실시예에서는 기어홈(120,220)과 입력 피니언 기어(310a) 및 출력 피니언 기어(310b)의 접촉에서의 미끄러짐을 원활하게 하기 위하여 각 기어의 상단부가 원형으 로 처리되고, 이에 따른 입력디스크(100) 및 출력디스크(200)의 기어홈(120,220)의 상단도 역시 원형으로 둥글게 처리되는 것이 좋다. 이에 따라 효율 및 수명은 증가한다.

한편, 본 발명에 따른 상기 출력디스크(200)는 상기 뒷바퀴 허브(22)의 뒷바퀴축(202)에 결합되어 있는 것으로, 전진시에 뒷바퀴(10)와 맞물려 일체로 회전되고 후진시에는 헛돌게 되어 있는 형태는 종래와 동일하다. 상기 출력디스크(200)는 상기 입력디스크(100)의 내부 보어(112)의 사이즈보다 약간 큰 사이즈로 구비된다. 즉, 높은 토크와 높은 변속비를 갖는 사양에서는 소정 실시예로서는 상대적으로 직경이 더 큰 디스크를 사용할 수 있으며, 다양한 사이즈로 제작될 수 있다.

다음, 본 발명에 따른 동력전달수단(300)을 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 동력전달수단 및 변속수단의 분리사시도이다.

상기 동력전달수단(300)은 입력 피니언 기어(310a) 및 출력 피니언 기어(310b)가 아암축(302) 또는 뒷바퀴축(202) 상에서 전후 이동됨에 따라 입력디스크(100) 및 출력디스크(200)에서의 접촉점이 전후 이동되고, 감소된 접촉면(110,210)의 내경에 따라서 기어가 변속되도록 하는 역할을 한다.

또한, 상기 동력전달수단(300)은 상기 입력디스크(100)와 출력디스크(200)와 대향방향으로 연결되어 반대의 대칭관계를 이룬다. 이러한 방식으로 상기 입력디스크(100)의 회전속도에 대한 출력디스크(200)의 회전속도비, 또는 변속비는 동력전달수단(300)의 위치를 단순히 전후 이동시킴으로써 넓은 범위에 걸쳐 변화될 수 있 다. 상기 동력전달수단(300)의 중심부는 입력측과 출력측 간의 경계를 형성하고, 상기 동력전달수단(300)의 입력측 및 출력측 모두에 배치되는 유사 구성요소들은 동일부호를 부여하여 설명한다. 상기 동력전달수단(300)의 입력측 및 출력측 모두에 위치되는 유사 구성요소들은 입력측에 위치되는 경우 도면부호 끝단에 첨자 "a"를 부여하고, 동력전달수단(300)의 출력측에 위치되는 구성요소들은 각 도면부호 끝단에 첨자 "b"를 부여한다.

도 3을 참조하면, 상기 동력전달수단(300)은 입력 피니언 기어(310a)와, 입력 스플라인축(320a)과, 케이싱(330)과, 출력 스플라인축(320b) 및 출력 피니언 기어(310b)를 포함하여 구성된다.

상기 입력 피니언 기어(310a)는 상기 입력디스크(100)에 인접하여 위치되고, 상기 입력디스크(100)의 아암축(302)에 대하여 직교되는 방향으로 장착되어 기어홈(120)에 전후 미끄럼 이동이 가능하게 설치된다. 따라서, 입력 피니언 기어(310a)가 상기 입력디스크(100)의 접촉면에 슬라이딩 이동되어 증감된 내경만큼 변속되는 역할을 한다. 이와 같은 상기 입력 피니언 기어(310a)의 회전력은 입력 스플라인축(320a)에 전달된다.

상기 입력 스플라인축(320a)은 축신(軸身)에 4∼20개의 홈을 같은 간격으로 파서 키(key)와 축을 하나로 만든 형태의 축으로서, 축의 외면에 접한 입력 피니언기어(310a)의 회전축(312a)과 함께 회전할 수 있게 하는 동시에 축의 중심축 방향으로는 전후로 쉽게 움직이도록 한 것이다. 상기 입력 스플라인축(320a)의 외부로는 케이싱(330)으로 커버할 수 있다.

상기 케이싱(330)은 중앙부에 입력 스플라인축(320a)이 관통하는 구성을 갖는 대략 관(pipe) 형태로 이루어지며 회전 축방향으로 실질적으로 연장되며, 일측으로 입력 스플라인축(320a)과 맞물리고 타측으로 출력 스플라인축(320b)과 맞물려 함께 회전되도록 구성된다. 이를 위해 본 실시예에서는 케이싱(330)의 하부 단면이 반달형이나 각형으로 구성되는 것이 바람직하다. 그러나, 케이싱(330)의 디자인에 따라서 다른 형태로 구비될 수 있다.

그리고, 상기 케이싱(330)은 차체(40)의 결합부(42)에 대응하여 나사결합되거나 그 위치에 유지될 수 있도록 구성된다. 여기서, 케이싱(330)의 원활한 회전을 위해 길이방향의 중심부의 외면에 베어링(332)이 설치된다. 이때 베어링(332)의 외경을 지지하는 베어링 클램프(334)가 더 구비되어 케이싱(330)은 차체에 설치된다.

한편, 상기 출력 스플라인축(320b)은 상기 입력 스플라인축(320a)과 마찬가지로 유사하게 이루어진다. 즉, 상기 출력 스플라인축(320b)은 상기 케이싱(330)의 타측에 수용되어 입력 스플라인축(320a)의 회전력을 외부로 전달한다. 상기 출력 스플라인축(320b)은 상기 출력 피니언 기어(310b)의 회전축(312b)과 결합된다.

상기 출력 피니언 기어(310b)는 상술한 바와 같은 상기 입력 피니언 기어(310a)와 마찬가지로 유사하게 이루어진다. 즉, 상기 출력 피니언 기어(310b)는 상기 출력 스플라인축(320b)과 결합하여 회전력을 상기 출력디스크(200)에 전달하는 역할하는 것으로, 상기 출력디스크(200)의 뒷바퀴축(202)에 대하여 직교되는 방향으로 장착되고, 출력디스크(200)의 기어홈(220)에 맞물려 회전력을 전달한다.

한편, 상기 입력 피니언 기어(310a)와 입력 스플라인축(320a)의 사이에는 입 력베어링(314a)이 설치되어 있으며, 상기 출력 스플라인축(320b)과 출력 피니언 기어(310b) 사이에는 출력베어링(314b)이 설치되어 있다. 이는 후술되는 변속수단(400)과 연결되어 자전거를 변속하기 위한 중요 구성요소이다.

다음, 본 발명에 따른 변속수단(400)을 설명하기로 한다.

도 3을 참조하면, 상기 변속수단(400)은 상기 입력 피니언 기어(310a) 및 출력 피니언 기어(310b)의 위치를 전후진시켜 기어를 변속시키는 것으로, 핸들의 손잡이 부위에 설치된 다이얼스위치(410)와, 그리고 상기 다이얼스위치(410)의 작동에 따라 전선(미도시)을 통하여 모터의 구동에 의해 입력 피니언 기어(310a) 및 출력 피니언 기어(310b)의 위치를 각각 움직이게 하는 구동부(420)를 포함하여 구성된다. 따라서, 상기 구동부(420)는 한 쌍으로 구성되는 것이 바람직하다.

먼저, 상기 다이얼스위치(410)는 핸들의 손잡이에 설치되어 있는 다이얼의 정방향 회전을 감지하고, 그 출력신호에 의해 차체에 설치되어 있는 모터(421)를 정방향으로 구동시킴으로써 랙 기어(424)를 전진시키고, 신호가 차단되면 모터를 정지시킴으로써 기어변속을 한정한다. 이때, 상기 다이얼스위치(410)는 도시되지 않는 스프링을 내재하여 다이얼을 회전한 후 놓으면 다시 제자리로 돌아가도록 설치된다. 그리고, 상기 다이얼스위치(410)는 다이얼의 역방향 회전을 감지하여 구동부(420)의 모터(421)를 역방향으로 구동시킴으로써 랙 기어(424)를 후진시킨다.

보다 상세하게 상기 구동부(420)는, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 차체에 설치된 모터(421)와, 상기 모터(421)의 회전축에 결합되어 일체로 회전되는 스크류 기어(422)와, 상기 스크류 기어(422)의 외주부에 배치되어 스크류 기어(422) 의 회전방향을 변환시키는 피니언 기어(423)와, 상기 피니언 기어(423)와 맞물려 회전되어 전후 직선운동하는 랙 기어(424) 및 상기 랙 기어(424)의 전단에 결합되고, 피니언 기어(423)의 안쪽에 고정되어 있는 입력베어링(314a)과 체결되어 상기 랙 기어(424)의 전후 직선운동에 따라 함께 이동되는 베어링 결합구(425)와 이들 구성요소를 모두 감싸 보호하는 케이스(426)를 포함하여 구성된다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 구동부(420)는, 핸들에 설치된 다이얼스위치(410)를 업/다운시키면 온/오프 상태가 되며, 이때 구동부(420)의 모터(421)가 정(+) 또는 부(-) 방향으로 회전하고, 그 모터(421)의 회전력에 의해 스크류 기어(422)와 피니언 기어(423)가 회전되면서 피니언 기어(423)에 맞물려 있는 랙 기어(424)가 전진 또는 후진됨에 따라 베어링 결합구(425)에 의해 입력베어링(314a)이 전후 이동된다. 여기서, 상기 구동부(420)의 모터(421)에서 나오는 토크 및 속도가 크기 때문에 이를 감속시키는 감속기어(미도시)가 더 구비되는 것이 좋다. 즉, 상기 감속기어(미도시)는 스크류 기어(422)의 외주부에 배치되고 피니언 기어(423)와 맞물려 스크류 기어(422)의 회전력을 피니언 기어(423)로 전달하는 것이 좋다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 자전거의 무변속 무단 변속장치의 동작을 설명하도록 한다.

도 4는 본 발명에 따른 자전거의 무변속 무단 변속장치의 동작을 설명하기 위한 작용상태도이다. 도 4a는 가속시의 도면이고, 도 4b는 감속시의 도면을 각각 나타낸 것이다.

먼저, 도 4a를 참조하면, 가속을 위해 핸들의 손잡이 부위에 설치되어 있는 다이얼스위치(410)를 업(UP)시키면, 출력신호에 의해 모터(421)의 전류가 정방향(IM+)으로 흘러 스크류 기어(422) 및 피니언 기어(423)가 정방향으로 회전하게 되고, 피니언 기어(423)와 치합되어 있는 랙 기어(424)가 A방향으로 밀도록 이동된다. 따라서, 랙 기어(424)의 타측에 결합되어 있는 베어링 결합구(425)가 전방으로 이동됨으로써 입력베어링(314a)과 체결되어 있는 동력전달수단(300)의 입력 피니언 기어(310a)가 입력디스크(100)의 접촉 내경의 위치를 기어홈(120) 내측으로 미끄러지듯이 이동하여 가속하게 한다. 즉, 입력 피니언 기어(310a)가 아암축(302) 방향으로 밀려들어가면 입력디스크(100)의 좁은 반경을 갖는 기어홈(120)을 따라서 회전하게 되어 가속이 된다. 이는 기존 톱니바퀴형 자전거에서 뒷바퀴의 체인이 가장 작은 톱니바퀴 쪽으로 이동하는 것과 동일한 이치다. 이에 따라 본 발명은 육안으로는 마치 변속기가 없는 1단 자전거처럼 보이지만 이와 같은 기어변속을 통해 폭넓은 기어 비(rear ratio)를 구현시킬 수 있다.

한편, 도 5b를 참조하면, 감속을 위해 다이얼스위치(410)를 다운(DOWN)시키면 모터(421)의 전류가 역방향(IM+)으로 스크류 기어(422) 및 피니언 기어(423)가 랙 기어(424)를 B방향으로 당기도록 회전하여 변속하게 한다. 따라서, 랙 기어(424)의 타측에 결합되어 있는 베어링 결합구(425)가 전방으로 이동됨으로써 입력베어링(314a)과 체결되어 있는 입력 피니언 기어(310a)가 입력디스크(100)의 접촉 내경의 위치를 기어홈(120)에서 외측으로 미끄러지듯이 이동하여 감속하게 한다. 즉, 입력 피니언 기어(310a)가 아암축(302)의 반대방향으로 당겨지면 입력디스크(100)의 넓은 반경을 갖는 기어홈(120)을 따라서 회전하게 되어 감속이 된다. 이는 기존 톱니바퀴형 자전거에서 뒷바퀴의 체인이 가장 큰 톱니바퀴 쪽으로 이동하는 것과 동일한 이치다.

이상과 같은 본 발명에 따른 자전거의 무변속 무단 변속장치는 좌측 핸들에 설치된 다이얼스위치(410)의 업/다운 조작에 의해 입력디스크(100)를 변속시킬 수 있을 뿐만 아니라 우측 핸들에 설치된 다이얼스위치(411)의 업/다운 조작으로 출력디스크(200)를 변속시킬 수 있으므로 기어를 변속하고자 할 때 페달(30)을 밟지 않고서도 모터(421)에 의해 정지상태에서도 기어를 변속할 수 있어 운전자의 편의성을 향상시킨다.

또한, 본 발명에 따른 디스크식의 무단 변속장치를 자전거 크기와 관계없이 쉽게 장착할 수 있으며, 스위치 조작으로 변속이 되어 손쉽게 변속을 할 수 있으며, 디스크의 크기에 따라 다양한 변속비를 얻을 수 있고 변속시 소음이 전혀 없는 것이 특징이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 자전거의 무체인 무단 변속장치가 적용된 자전거의 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 입력디스크 및 입력 피니언 기어의 작용상태도

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 동력전달수단 및 변속수단의 분리사시도.

도 4는 본 발명에 따른 자전거의 무변속 무단 변속장치의 동작을 설명하기 위한 작용상태도.

*도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명*

10. 앞바퀴 12. 앞바퀴 허브

20. 뒷바퀴 22. 뒷바퀴 허브

30,31. 페달 40. 차체

42. 결합부 100. 입력디스크

110,210. 접촉면 112,212. 내부 보어

120,220. 기어홈 122. 수직홈

124. 수평홈 126. 연결홈

200. 출력디스크 202. 뒷바퀴축

300. 동력전달수단 310a. 입력 피니언 기어

310b. 출력 피니언 기어 312a,312b. 회전축

314a. 입력베어링 314b. 출력베어링

320a. 입력 스플라인축 320b. 출력 스플라인축

330. 케이싱 332. 베어링

334. 베어링 클램프 400. 변속수단

410. 다이얼스위치 420. 구동부

421. 모터 422. 스크류 기어

423. 피니언 기어 424. 랙 기어

425. 베어링 결합구 426. 케이스

Claims

자전거의 페달(30)이 좌우 양단에 설치되어 페달(30)의 회전력을 전달받는 아암축(302)에 결합하여 아암축(302)과 함께 일체로 회전하며, 기어홈(120)을 구비하는 입력디스크(100)와;

뒷바퀴 허브(22)의 뒷바퀴축(202)에 결합되어 뒷바퀴(20)를 구동시키고, 기어홈(220)을 구비하는 출력디스크(200)와;

상기 입력디스크(100)의 기어홈(120)과 접촉하여 입력디스크(100)의 회전력을 전달받는 입력 피니언 기어(310a)와, 상기 입력 피니언 기어(310a)로부터 회전력을 상기 출력디스크(200)로 전달하는 출력 피니언 기어(310b)가 구비된 동력전달 수단(300); 및

핸들의 손잡이 부위에 설치되어 업/다운 돌리는 동작에 따른 출력신호를 발생시키는 다이얼스위치(410)와, 상기 다이얼스위치(410)의 출력신호에 의해 모터(421)를 정·역회전 구동시켜 상기 입력 피니언 기어(310a) 및 출력 피니언 기어(310b)의 전후 이동에 따른 입력디스크(100) 및 출력디스크(200)의 기어홈(120,220)과의 접점위치를 변동시키는 구동부(420)로 이루어지는 변속수단(400);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자전거의 무체인 무단 변속장치.
제 1 항에 있어서, 상기 동력전달수단(300)은,

상기 입력디스크(100)의 아암축(302)에 대하여 직교되는 방향으로 장착되고, 입력디스크(100)의 기어홈(120)에 맞물리는 입력 피니언 기어(310a)와;

상기 입력 피니언 기어(310a)의 회전축(312a)과 결합하여 회전축(312a)과 함께 일체로 회전하는 입력 스플라인축(320a)과;

상기 입력 스플라인축(320a)을 수용하여 함께 일체로 회전하는 케이싱(330)과;

상기 케이싱(330)의 타측에 수용되는 출력 스플라인축(320b)과;

상기 출력 스플라인축(320b)의 일측에 결합되며, 상기 출력디스크(200)의 아암축(302)에 대하여 직교되는 방향으로 장착되고, 상기 출력디스크(200)의 기어홈(220)에 맞물려 출력 스플라인축(320b)의 회전력을 상기 출력디스크(200)에 전달하는 출력 피니언 기어(310b);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자전거의 무체인 무단 변속장치.
제 2 항에 있어서, 상기 입력디스크(100)는,

판상으로 이루어지고, 아암축(302)에 가까운 내부 보어(112)로부터 상기 입력 피니언 기어(310a) 간의 접촉영역을 형성하는 접촉면(110)이 구비되고, 상기 접촉면(110)에는 다수의 기어홈(120)이 형성된 환형 디스크로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자전거의 무체인 무단 변속장치.
제 3 항에 있어서, 상기 기어홈(120)은,

접촉면(110)의 내경을 따라 일정한 간격을 갖는 다수의 수직홈(122)들과 수 평홈(124)들이 형성되어 있으며, 수직홈(122)과 수평홈(124) 사이에는 "└"형상의 연결홈(126)들이 연속적으로 형성된 것을 특징으로 하는 자전거의 무체인 무단 변속장치.
제 2 항에 있어서, 상기 출력디스크(200)는,

상기 입력디스크(100)의 직경보다 작게 형성된 판상으로 이루어지며, 뒷바퀴 축(202)에 가까운 내부 보어(212)로부터 상기 출력 피니언 기어(310b) 간의 접촉영역을 형성하는 접촉면(210)이 구비되고, 상기 접촉면(210)에는 다수의 기어홈(220)이 형성된 환형 디스크로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자전거의 무체인 무단 변속장치.
제 2 항에 있어서, 상기 동력전달수단(300)은,

상기 입력 피니언 기어(310a)와 입력 스플라인축(320a)의 사이에 결합되어 회전하는 입력베어링(314a); 및

상기 출력 스플라인축(320b)과 출력 피니언 기어(310b) 사이에 결합되어 회전하는 출력베어링(314b);을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자전거의 무체인 무단 변속장치.
제 1 항에 있어서, 상기 구동부(420)는,

상기 다이얼스위치(410)의 출력신호에 따라 정·역회전하는 모터(421)와;

상기 모터(421)의 회전축에 고정결합되는 스크류 기어(422)와;

상기 스크류 기어(422)의 외주부에 배치되어 스크류 기어(422)의 회전방향을 변환시키는 피니언 기어(423)와;

상기 피니언 기어(423)와 맞물려 회전되어 전후 직선운동하는 랙 기어(424); 및

상기 랙 기어(424)의 전단에 고정결합되고, 상기 입력 피니언 기어(310a)의 안쪽에 고정되어 있는 입력베어링(314a)과 체결되어 상기 랙 기어(424)의 전후 직선운동에 따라 함께 이동되는 베어링 결합구(425);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자전거의 무체인 무단 변속장치.
제 8 항에 있어서, 상기 구동부(420)는,

상기 스크류 기어(422)의 속도를 감속시키는 감속기어;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자전거의 무체인 무단 변속장치.