KR20120058209A - 기울기 센서로 작동하는 보조동력을 장착한 무체인 자전거 - Google Patents

기울기 센서로 작동하는 보조동력을 장착한 무체인 자전거 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기울기 센서가 자전거의 기울기를 체크하여 기설정된 기울기 이상일 경우에만 모터가 선택적으로 구동할 수 있도록 하는 기울기 센서로 작동하는 보조동력을 장착한 무체인 자전거에 관한 것으로, 자전거 페달축과 연결된 전방크라운기어와 뒷바퀴의 허브축과 연결된 후방 크라운기어 및 상기 전,후방의 크라운 기어와 맞물리는 롤러치차가 양측에 장착된 동력전달축을 통하여 페달의 동력을 뒷바퀴에 전달하여 운전되며, 자전거의 프레임 일측에 설치되어 자전거의 기울기를 측정하는 기울기센서와, 상기 페달축에 회전력을 제공하는 전동모터와, 상기 전동모터에 전원을 공급하는 배터리와, 상기 기울기센서에서 감지된 자전거의 기울기에 따라 전동모터의 구동을 선택적으로 제어하는 제어수단을 포함하여 구성된다.

Description

기울기 센서로 작동하는 보조동력을 장착한 무체인 자전거{chainless bicycle having auxiliary power actuated by clinometer sensor}
본 발명은 기울기 센서로 작동하는 보조동력을 장착한 무체인 자전거에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 기울기 센서가 자전거의 기울기를 체크하여 기설정된 기울기 이상일 경우에만 모터가 선택적으로 구동할 수 있도록 하는 기울기 센서로 작동하는 보조동력을 장착한 무체인 자전거에 관한 것이다.
근래 들어 친환경 교통수단으로 각광받고 있는 자전거는 기존과 같이 사용자의 페달 밟는 힘에 의해서만 주행하는 수동 자전거와, 동력발생장치를 장착하는 전동 자전거로 분류된다.
상기 전동자전거의 경우 추가적으로 장착되는 장비로 인해 가격이 상승될 수 밖에 없고 무겁기 때문에 다루기가 불편할 뿐 아니라, 모터 등의 동력발생장치에 동력을 제공하는 충전지가 빨리 방전되어 장시간 사용이 어려운 단점이 있었다.
이러한 단점을 개선하여 사용자가 원하는 순간에만 모터를 구동시킬 수 있도록 설정된 전동자전거가 제시된 바 있다.
그러나, 이렇게 구성된 종래의 전동 자전거는 자동모드로 사용할 경우 모터가 지속적으로 구동되어 배터리가 빨리 방전되고, 수동모드의 경우 주행속도 또는 페달의 동작 여부에 따라 모터의 구동이 제어됨으로 구성 및 제어가 복잡하고 사용자가 이를 조작함에 번거로움이 있었다.
또한, 오르막과 같이 사용자에게 부담이 되는 경사지에서 모터의 도움이 필요하나 이를 자동적으로 반영할 수 있는 기능을 갖추지 못하고 있었다.
또한, 기존의 전동자전거는 페달축의 회전 동력을 뒷바퀴로 전달하는 동력전달방식이 스프로킷과 체인에 한정되어져 있었다.
상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 체인을 사용하지 않고도 페달회전의 동력을 뒷바퀴로 전달할 수 있는 동력전달수단으로서 베벨기어와 같은 마찰기어를 사용하는것 대신에 구름마찰을 하는 롤러기어들을 사용함으로써, 마찰 저감과 정확한 동력전달을 용이하게 실시할 수 있으며, 운전자의 부족한 힘을 모터의 동력으로 보조할 수 있게 하여 사용자가 페달을 밟는 힘을 모터의 동력이 보조할 수 있게 함으로써 사용자가 모터의 보조 동력을 이용하여 보다 용이하게 경사지를 주행할 수 있도록 하는 기울기 센서로 작동하는 보조동력을 장착한 무체인 자전거를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 자전거 페달축과 연결된 전방크라운기어와 뒷바퀴의 허브축과 연결된 후방 크라운기어 및 상기 전,후방의 크라운 기어와 맞물리는 롤러치차가 양측에 장착된 동력전달축을 통하여 페달의 동력을 뒷바퀴에 전달하여 운전되며, 자전거의 프레임 일측에 설치되어 자전거의 기울기를 측정하는 기울기센서와, 상기 페달축에 회전력을 제공하는 전동모터와, 상기 전동모터에 전원을 공급하는 배터리와, 상기 기울기센서에서 감지된 자전거의 기울기에 따라 전동모터의 구동을 선택적으로 제어하는 제어수단을 포함하는 기울기 센서로 작동하는 보조동력을 장착한 무체인 자전거를 제공한다.
본 발명에 따른 기울기 센서로 작동하는 보조동력을 장착한 무체인 자전거는 체인을 사용하지 않고도 페달회전의 동력을 뒷바퀴로 전달할 수 있어 체인 이탈하는 불편함이 없고 체인에 옷이나 신체가 손상되는 일이 발생하지 않는 장점이 있다.
또한, 동력전달수단으로서 베벨기어와 같은 마찰기어를 사용하는 것 대신에 구름마찰을 하는 롤러기어들을 사용함으로써, 마찰 저감과 정확한 동력전달을 용이하게 실시할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 운전자의 부족한 힘을 모터의 동력으로 보조할 수 있게 하여 사용자가 페달을 밟는 힘을 모터의 동력이 보조할 수 있게 함으로써 사용자가 모터의 보조 동력을 이용하여 보다 용이하게 경사지를 주행할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 동력전달 유닛을 도시한 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 동력전달 유닛을 도시한 분해사시도,
도 3은 전방크라운기어의 다른 실시 예를 보인 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 기울기 센서로 작동하는 보조동력을 장착한 무체인 자전거의 일 예를 도시한 측면도,
도 5는 본 발명에 따른 기울기 센서로 작동하는 보조동력을 장착한 무체인 자전거가 등판하는 모습을 보인 측면도.
이하, 첨부된 도면을 참조해서 본 발명에 따른 기울기 센서로 작동하는 보조동력을 장착한 무체인 자전거의 구성 및 작용을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 동력전달 유닛을 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 동력전달 유닛을 도시한 분해사시도이며, 도 3은 전방크라운기어의 다른 실시 예를 보인 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 기울기 센서로 작동하는 보조동력을 장착한 무체인 자전거의 일 예를 도시한 측면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 기울기 센서로 작동하는 보조동력을 장착한 무체인 자전거가 등판하는 모습을 보인 측면도이다.
자전거 페달축(11)과 연결된 전방크라운기어(110)와 뒷바퀴(12)의 허브축(13)과 연결된 후방크라운기어(120) 및 상기 전,후방 크라운기어(110, 120)와 맞물리는 롤러치차(140, 150)가 양측에 장착된 동력전달축(130)을 통하여 페달(14)의 동력을 뒷바퀴(12)에 전달하도록 형성되고, 자전거 프레임(10) 일측에 설치되어 자전거의 기울기를 측정하는 기울기센서(200)와, 상기 페달축(11)에 회전력을 제공하는 전동모터(300)와, 상기 전동모터(300)에 전원을 공급하는 배터리(400)와, 상기 기울기센서(400)에서 감지된 자전거의 기울기에 따라 전동모터(300)의 구동을 선택적으로 제어하는 제어수단(500)을 포함하여 구성된다.
본 발명에서는 자전거 페달축(11)의 동력을 후륜의 허브축(13)으로 전달하는 동력전달유닛(100)은 기존의 스프로킷과 체인의 구조가 아닌 전,후방 크라운기어(110, 120) 및 동력전달축(130)으로 이루어진다.
상기 전방크라운기어(110)와 후방크라운기어(120)는 원판의 가장자리 둘레상의 외측으로 일정 기울기를 갖게 다수의 기어치를 형성하되, 상기 기어치 사이에 일정곡률로 치홈을 형성하여 구성된다.
따라서, 상기와 같이 원형으로 배치된 기어치와 치홈은 마치 왕관의 형태를 취하므로 크라운기어로 불린다.
또한, 상기 동력전달축(130)은 양측에 상기 전,후방 크라운기어(110, 120)와 맞물리는 롤러치차(140, 150)가 장착된다.
상기 롤러치차(140, 150)는 상기 전,후방 크라운 기어(110, 120)와 수직으로 맞물리게 장착되고, 축선에 대해 일정 기울기와 간격을 두고 공회전 가능한 롤러치가 다수 배치된다.
작동원리는 운전자가 페달(14)을 밟아 페달축(11)이 회전하면 상기 전방크라운기어(110)와 롤러치차(140)가 서로 맞물려 회전하면서 상기 롤러치가 구름운동을 하고, 롤러치차(140)가 회전한다. 상기 롤러치차(140)의 회전력을 동력전달축(130)이 후방으로 전달하여 롤러치차(150)가 회전하며, 후방크라운기어(120)가 회전하여 후륜이 회전되는 것이다.
상기와 같은 구조의 동력전달유닛(100)은 서로 정확하게 맞물려 회전하기 때문에 동력전달이 보다 확실하게 이루어질 수 있고, 상호 구름작용을 하기 때문에 마찰이 흡수되고, 마모가 최소화되며, 결과적으로 소음이 적고 고장발생이 적으며, 부품의 수명이 장시간 지속될 수 있다.
기울기센서(200)는 자전거 프레임(10) 일측에 설치되어 자전거의 기울기를 측정하는 구성으로, 도로의 경사에 해당되는 자전거의 기울기를 검출하여 기울기에 따른 출력값을 제어수단(500)으로 전송한다.
일실시 예로 상기 기울기 센서(200)는 -30도의 경사에서 30도까지의 경사를 측정할 수 있으며, 기울기 값을 0~1023의 AD출력값으로 변환해 제어수단(500)으로 전송한다.
상기 전동모터(300)는 상기 페달축(11)에 회전력을 제공하는 동력원으로 작용하며, 상기 전동모터(300)가 구동하는데 필요한 전원을 공급하도록 장착된 배터리(400)와 연결된다.
상기 배터리(400)는 별도의 제어용 건전지로 이루어질 수 있으며, 전동모터(300)뿐 아니라, 제어수단(500), 기울기센서(200)와도 연결되어 각 장치가 구동하는 데 필요한 전원을 공급할 수 있다.
상기 제어수단(500)은 전동모터(300)의 구동을 제어하는 수단으로, 상기 기울기센서(200)에서 측정된 기울기 정보를 전송받아 전동모터(300)를 온/오프 시키거나, 출력 값을 조절하도록 작용한다.
일실시 예로, 상기 제어수단(500)은 자전거의 기울기에 따라 다단계로 나뉘어 전동모터(300)를 제어하게 되는데, 자전거의 기울기가 작은 경우 저출력의 제어신호를 전동모터(300)에 전송하고, 기울기가 커질수록 고출력의 제어신호를 전동모터(300)에 전송하여 경사진 정도에 따라 각 단계에 맞는 전동모터(300)의 출력이 이루어지도록 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 전동모터(300)의 회전축(310)에 장착되는 스퍼기어(160)와, 상기 스퍼기어(160)와 맞물려 회전하고, 상기 페달축(11)에 장착되어 스퍼기어(160)의 회전력을 페달축(11)으로 전달하는 종동기어(170)를 포함하여 구성된다.
상기 스퍼기어(160)와 종동기어(170)는 평기어 형태를 취하며, 상기 종동기어(170)와 전방크라운기어(110)는 페달축(11)에 상호 나란히 배치된다.
즉, 상기 기울기센서(200)에서 획득한 기울기 정보를 기준으로 제어수단(500)에서 전동모터(300)의 구동을 실행하면, 전동모터(300)의 회전축(310)이 회전하고, 상기 회전축(310)과 연결된 스퍼기어(160)가 동시에 회전한다.
상기 스퍼기어(160)는 페달축(11)에 장착된 종동기어(170)와 맞물려져 있는 상태이기 때문에 상기 종동기어(170) 또한 회전하게 되고, 결과적으로 페달축(11)이 회전하게 되면서 전방크라운기어(110), 동력전달축(130), 후방크라운기어(120) 및 뒷바퀴(12)가 전동모터(300)의 구동력으로 회전하게 된다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 전동모터(300)의 회전축(310)에는 스퍼기어(160)가 장착되고, 상기 전방크라운기어(110)는 상기 스퍼기어(160)와 맞물려 회전하도록 일측 외주연을 따라 치홈(112)을 형성할 수 있다.
상기 전방크라운기어(110)는 롤러치차(140)와 맞물린 일측에는 기어치 및 일정 곡률을 갖는 치홈이 형성되고, 스퍼기어(160)와 맞물리는 타측에는 평기어 형태의 치홈(112)이 형성된다.
상기 스퍼기어(160)와 전방크라운기어(110)의 치홈(112)은 평기어 형태로 맞물려 회전한다.
즉, 상기 기울기센서(200)에서 획득한 기울기 정보를 기준으로 제어수단(500)에서 전동모터(300)의 구동을 실행하면, 전동모터(300)의 회전축(310)이 회전하고, 상기 회전축(310)과 연결된 스퍼기어(160)가 동시에 회전한다.
상기 스퍼기어(160)는 페달축(11)에 장착된 전방크라운기어(110)의 치홈(112)과 맞물려져 있는 상태이기 때문에 상기 전방크라운기어(110)의 또한 회전하게 되고, 결과적으로 동력전달축(130), 후방크라운기어(120) 및 뒷바퀴(12)가 전동모터(300)의 구동력으로 회전하게 된다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 전방크라운기어(110)와 스퍼기어(160) 또는 종동기어(170)는 상기 기어(110, 160, 170)들의 형태에 상응하는 내부홈(610)을 형성한 별도의 케이스(600)에 수용되어 보호될 수 있다.
상기 케이스(600)는 상기 전방크라운기어(110)와 스퍼기어(160) 또는 종동기어(170)가 내부에 수용될 수 있도록 기어(110, 160, 170)들의 형태에 상응하는 내부홈(610)을 형성한다.
상기 케이스(600)는 상기 기어(110, 160, 170)들의 형태에 상응하는 내부홈(610)을 형성한 용기형태의 케이스부재와 상기 케이스 재를 덮는 커버를 조립하여 구성될 수 있으며, 내부에 장착되는 케이스부재와 커버에는 페달축(11)이 관통되는 페달축용 통공이 형성되고, 내부에 장착되는 케이스부재의 경우 전동모터(300)의 회전축(310)이 끼워지는 회전축용 통공이 추가적으로 형성된다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
10 : 자전거 프레임
11 : 페달축 12 : 뒷바퀴
13 : 허브축 14 : 페달
100 : 동력전달유닛 110 : 전방크라운기어
120 : 후방크라운기어 130 : 동력전달축
140, 150 : 롤러치차 160 : 스퍼기어
170 : 종동기어 200 : 기울기센서
300 : 전동모터 400 : 배터리
500 : 제어수단 600 : 케이스
610 : 내부홈

Claims (4)

  1. 자전거 페달축과 연결된 전방크라운기어와 뒷바퀴의 허브축과 연결된 후방 크라운기어 및 상기 전,후방 크라운기어와 맞물리는 롤러치차가 양측에 장착된 동력전달축을 통하여 페달의 동력을 뒷바퀴에 전달하여 운전되는 무체인 자전거에 있어서,
    자전거의 프레임 일측에 설치되어 자전거의 기울기를 측정하는 기울기센서와;
    상기 페달축에 회전력을 제공하는 전동모터와;
    상기 전동모터에 전원을 공급하는 배터리와;
    상기 기울기센서에서 감지된 자전거의 기울기에 따라 전동모터의 구동을 선택적으로 제어하는 제어수단;을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 기울기 센서로 작동하는 보조동력을 장착한 무체인 자전거.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전동모터의 회전축에 장착되는 스퍼기어;
    상기 스퍼기어와 맞물려 회전하고, 상기 페달축에 장착되어 스퍼기어의 회전력을 페달축으로 전달하는 종동기어;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기울기센서로 작동하는 보조동력을 장착한 무체인 자전거.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전동모터의 회전축에는 스퍼기어가 장착되고,
    상기 전방크라운기어는 상기 스퍼기어와 맞물려 회전하도록 일측 외주연을 따라 치홈을 형성한 것을 특징으로 하는 기울기 센서로 작동하는 보조동력을 장착한 무체인 자전거.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 전방크라운기어와 스퍼기어 또는 종동기어는 상기 기어들의 형태에 상응하는 내부홈을 형성한 별도의 케이스에 수용되어 보호되는 것을 특징으로 하는 기울기 센서로 작동하는 보조동력을 장착하는 무체인 자전거.
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