KR20140011563A - 전동기 장착형 무단 변속기가 적용된 자전거 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전동기 장착형 무단 변속기가 적용된 자전거에 관한 것으로, 본 발명은, 조향부가 구비된 앞바퀴; 상기 앞바퀴와 이격된 뒷바퀴; 상기 앞바퀴와 상기 뒷바퀴를 전, 후에서 각각 지지하는 프레임; 상기 프레임에 구비되어 구동축의 양단에 마련된 페달을 통해 상기 뒷바퀴에 동력을 발생시키는 동력 발생부; 및 상기 동력 발생부에 구비되어 상기 구동축을 통해 직접 전달되는 동력 및 전동기로부터 공급되는 동력을 선택적으로 변속하는 무단 변속기;를 포함하며, 상기 무단 변속기는, 상기 구동축과 별도로 동력을 제공하는 전동기; 상기 구동축 및 전동기와 연동하여 회전하면서 전달되는 동력을 변속하고, 변속된 동력을 외부로 출력하기 위한 변속 유닛; 및 상기 변속 유닛의 변속 비율을 조절하기 위한 변속 레버;를 포함한다.
본 발명에 의하면, 구동축을 통해 직접 전달되는 동력은 물론이고, 보조 동력장치인 전동기로부터 공급되는 동력을 함께 변속할 수 있는 전동기 장착형 무단 변속기를 자전거에 적용 가능하면서, 특히 자전거의 속도 및 기울기를 감지한 후 감지 정보를 통해 자동 변속에 반영하거나 운전자가 원하는 주행 변속비를 수동 변속에 반영할 수 있다. 또한, 전동기의 RPM(분당 회전수)과 토오크(torque)를 일정하게 유지하면서 변속할 수 있는 전동기 장착형 무단 변속기를 자전거에 적용함으로써, 변속에 의한 전력의 소모를 절감하여 전원으로서 배터리의 사용 수명과 주행 거리가 향상된다.

Description

전동기 장착형 무단 변속기가 적용된 자전거{BICYCLE HAVING CONTINUOUSLY VARIABLE TRANSMISSION OF MOTOR MOUNT}

본 발명은 전동기 장착형 무단 변속기가 적용된 자전거에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 보조 동력장치로서 전동기를 장착하고, 전동기를 포함한 동력을 변속할 수 있도록 전동기 장착형 무단 변속기가 적용된 자전거에 관한 것이다.

본 발명은 중소기업청 및 중소기업 기술정보진흥원의 창업성장기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: sm124158, 과제명: 자전거용 무단변속 내장형 전동 구동 모듈 개발].

일반적으로 자전거나 원동기 또는 차량의 동력장치에는 속도를 조절하기 위한 변속기가 장착되는데, 이와 같은 변속기 중에서도 변속 충격이 없는 것을 무단 변속기라 한다.

이러한 무단 변속기를 자전거에 적용할 수 있는 기술이 실용신안 등록 제20-0441208호 및 특허등록 제10-0911151호에 제안된 바 있다.

이하에서 종래기술로서 실용신안 등록 제20-0441208호 및 특허등록 제10-0911151호에 개시된 무단 변속기의 구조를 간략히 설명한다.

도 1은 실용신안 등록 제20-0441208호(이하 '종래기술 1'이라 함)의 자전거용 자동변속기의 구성을 나타내는 분해사시도이다. 도 1에서 보는 바와 같이 종래기술 1의 자전거용 자동변속기는 원판의 중심에서 방사형으로 절개된 8개의 안내홈(11)이 구비되고, 상기 각 안내홈(11) 내측에는 스프링(50)이 삽입되며, 상기 각 안내홈(11)의 원판의 중심방향 내측단에는 상기 스프링(50)의 일측단이 고정되도록 고정돌기(12)가 돌출구성된 한 쌍의 원판패널(10)과: 상기 한 쌍의 원판패널(10) 상에 구비된 각 안내홈(11)에 삽입되며 상기 스프링(50)의 타측단을 고정하는 고정수단을 구비하는 안내부(32)가 원통형몸체(31) 양측으로 연장형성된 8개의 샤프트(30)와; 상기 샤프트(30)의 원통형몸체(31) 외주연에 체결되어 체인(60)과 연결되는 8개의 스프로킷(20)과; 상기 스프로킷(20)의 내측에 하나 걸러 하나씩 삽입결합되는 4개의 원웨이 베어링(40)으로 이루어진다.

그러나 종래기술 1에 의한 자전거용 자동변속기는, 수동조작이 없이 기어 변속의 효과를 나타낼 수 있을 뿐만 아니라 기어 변속시에 페달에 걸리는 하중의 변화가 급격하지 않도록 하기 위하여 자전거의 진행속도가 빨라지면 원형으로 배치된 스프로킷 간의 거리가 방사형으로 멀어지며, 기계적으로 토크의 세기에 따라 변속이 반응하게 하는 기술로, 구조가 복잡하고, 무게가 무거워 지는 문제점이 있었다.

도 2는 특허등록 제10-0911151호(이하 '종래기술 2'라 한다)의 변속기가 내전형 모터에 적용된 일예를 나타낸 단면도이다.

종래기술 2의 모터용 변속기는 전력을 공급받아 회전되는 모터(110), 모터(110)의 사방면을 감싸도록 형성되면서 모터(110)의 회전력에 의해 회전되는 출력커버(115), 출력커버(115)의 일측으로 연장되는 제1고정축(113), 출력커버(115)의 타측으로 연장되는 제2고정축(112)을 포함하며, 모터(110)와 제1고정축(113)의 사이 또는, 모터(110)와 제2고정축(112)의 사이에 변속기(130)가 형성된다.

여기서, 변속기(130)는 감속부(120)와 변속부를 포함한다. 또는, 변속부만을 포함할 수도 있다. 즉, 감속부(120)는 모터(110)의 구동력을 1차 감속한 후에 변속부로 전달해 주는 수단으로 구동축(111)과 링기어(131)사이에 감속유성기어(122)를 두어 감속을 도모할 수 있다. 이때, 감속유성기어(122)를 고정시켜줄 캐리어의 구성이 필수적인데, 캐리어(121)는 모터(110)측에 부착되어 결합되도록 한다.

그러나 종래기술 2에 의한 모터용 변속기는 모터의 원동력을 역회전시키게 되면 정회전 시킬 때와 동일한 방향으로 출력이 이루어지면서 감속 또는 가속되는 구조를 갖으면서, 모터 구동축에 기어를 장착하여 그 원동력으로 기어변속을 제공하는 방법을 제공하고 있으나, 유성기어의 회전 속도 감지가 쉽지 않고, 사용자에 따라 그 속도가 다를 때는 제기능을 발휘하기가 쉽지 않은 단점이 있었다.

한편, 상기 자전거나 원동기 또는 차량의 보조 동력장치로서 전동기가 장착되는데, 이와 같은 전동기는 특성상 정격 RPM 및 토오크를 가지고 있다. 따라서 상기 전동기는 RPM이 높아질수록 토오크가 낮아지는 원리를 이용하여 변속할 수 있다.

이와 같은 두 기술이 단순히 조합된 예를 살펴보면 우선 구동륜 일측에 무단 변속기를 장착하고, 이와 별도로 상기 구동륜 타측에 전동기를 장착한 자전거가 제공될 수 있다.

그러나 이 경우 페달을 굴러서 얻어지는 동력은 무단 변속기를 이용하여 변속이 가능하나, 상기 전동기를 변속하기 위해서는 RPM 또는 토오크를 조절하기 위한 별도의 변속장치가 병행 설치되어야 하는 단점이 있다. 따라서 이와 같은 단점은 자전거의 주행 상황에 따른 변속의 대응이 어렵고 효율적이지 못한 문제점을 낳게 된다.

또한, 상기 전동기는 RPM을 가감하는 과정에서 부하가 발생하기 때문에 정격전류보다 많은 전류가 흐르면서 전력의 소모가 증가한다. 따라서 RPM의 조절을 통한 전동기의 변속은 결과적으로 전원으로서 배터리의 사용 시간을 단축하는 원인이 되므로 전동기를 이용한 주행 거리가 단축되거나, 배터리의 용량을 늘려야 하는 단점이 있다.

KR 20-0441208 U KR 10-0911151 B1

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 구동축을 통해 직접 전달되는 동력은 물론이고, 보조 동력장치인 전동기로부터 공급되는 동력을 함께 변속할 수 있는 전동기 장착형 무단 변속기를 자전거에 적용 가능하면서, 특히 자전거의 속도 및 기울기를 감지한 후 감지 정보를 통해 자동 변속에 반영하거나 운전자가 원하는 주행 변속비를 수동 변속에 반영할 수 있게 한 전동기 장착형 무단 변속기가 적용된 자전거를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 전동기의 RPM(분당 회전수)과 토오크(torque)를 일정하게 유지하면서 변속할 수 있는 전동기 장착형 무단 변속기를 자전거에 적용할 수 있도록 한 전동기 장착형 무단 변속기가 적용된 자전거를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은, 조향부가 구비된 앞바퀴; 상기 앞바퀴와 이격된 뒷바퀴; 상기 앞바퀴와 상기 뒷바퀴를 전, 후에서 각각 지지하는 프레임; 상기 프레임에 구비되어 구동축의 양단에 마련된 페달을 통해 상기 뒷바퀴에 동력을 발생시키는 동력 발생부; 및 상기 동력 발생부에 구비되어 상기 구동축을 통해 직접 전달되는 동력 및 전동기로부터 공급되는 동력을 선택적으로 변속하는 무단 변속기;를 포함하며, 상기 무단 변속기는, 상기 구동축과 별도로 동력을 제공하는 전동기; 상기 구동축 및 전동기와 연동하여 회전하면서 전달되는 동력을 변속하고, 변속된 동력을 외부로 출력하기 위한 변속 유닛; 및 상기 변속 유닛의 변속 비율을 조절하기 위한 변속 레버;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전동기 장착형 무단 변속기가 적용된 자전거를 통해 달성된다.

또한, 상기 프레임에 기울기와 속도를 감지할 수 있도록 센서가 구비될 수 있다.

또한, 상기 센서에서의 감지 신호를 입력받아 변속비를 산출하고, 상기 변속비를 통해 자동 변속을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 구동축, 전동기 및 변속 유닛은 전후 프레임을 통해 나란하게 설치하되, 상기 구동축에는 제1 구동기어, 상기 전동기에는 제2 구동기어 및 상기 변속 유닛에는 입력기어를 결합하여 상호 연동하도록 설치할 수 있다.

또한, 상기 변속 유닛은, 상기 전후 프레임에 구비된 구동축과 나란하게 설치되면서 상기 입력기어가 결합되는 입력축; 상기 입력축에 서로 다른 위상차를 가지도록 편심 축 결합되는 복수의 캠; 상기 입력축과 나란하게 설치되는 출력축; 상기 출력축에 서로 다른 위상차를 가지도록 축 결합되는 복수의 일방향 클러치; 상기 각 캠과 클러치를 연결하는 복수의 제1 링크; 상기 입력축과 출력축 사이에 나란하게 설치되는 가변축; 상기 각 캠과 상기 가변축을 연결하는 복수의 제2 링크; 및 상기 출력축에 결합되는 출력기어;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 변속 레버는 상기 조향부에 설치되어 변속조절장치를 통해 작동되거나, 제어부를 통해 작동될 수 있다.

본 발명의 전동기 장착형 무단 변속기가 적용된 자전거에 의하면, 구동축을 통해 직접 전달되는 동력은 물론이고, 보조 동력장치인 전동기로부터 공급되는 동력을 함께 변속할 수 있는 전동기 장착형 무단 변속기를 자전거에 적용 가능하면서, 특히 자전거의 속도 및 기울기를 감지한 후 감지 정보를 통해 자동 변속에 반영하거나 운전자가 원하는 주행 변속비를 수동 변속에 반영할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 전동기 장착형 무단 변속기가 적용된 자전거에 의하면, 전동기의 RPM(분당 회전수)과 토오크(torque)를 일정하게 유지하면서 변속할 수 있는 전동기 장착형 무단 변속기를 자전거에 적용함으로써, 변속에 의한 전력의 소모를 절감하여 전원으로서 배터리의 사용 수명과 주행 거리가 향상되게 하는 효과가 있다.

도 1은 종래기술 1에 의한 자전거용 자동변속기의 구성을 나타내는 분해사시도.
도 2는 종래기술 2에 의한 변속기가 내전형 모터에 적용된 일예를 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명에 의한 전동기 장착형 무단 변속기가 적용된 자전거를 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명에 의한 자전거에 적용되는 전동기 장착형 무단 변속기를 도시한 사용상태 예시도.
도 5는 본 발명에 의한 자전거에 적용되는 전동기 장착형 무단 변속기를 도시한 사시도.
도 6은 본 발명에 의한 자전거에 적용되는 전동기 장착형 무단 변속기를 도시한 저면 사시도.
도 7은 본 발명에 의한 자전거에 적용되는 전동기 장착형 무단 변속기의 입력부를 도시한 요부 분해 사시도.
도 8은 본 발명에 의한 자전거에 적용되는 전동기 장착형 무단 변속기의 출력부를 도시한 요부 분해 사시도.
도 9는 본 발명에 의한 자전거에 적용되는 전동기 장착형 무단 변속기를 도시한 평면도.
도 10은 본 발명에 의한 자전거에 적용되는 전동기 장착형 무단 변속기를 도시한 저면도.
도 11은 본 발명에 의한 자전거에 적용되는 전동기 장착형 무단 변속기의 구동축을 도시한 단면도.
도 12는 본 발명에 의한 자전거에 적용되는 전동기 장착형 무단 변속기의 변속부를 도시한 저면 사시도.
도 13 및 도 14는 본 발명에 의한 자전거에 적용되는 전동기 장착형 무단 변속기의 구동 상태를 도시한 작동 설명도.
도 15 및 도 16은 본 발명에 의한 자전거에 적용되는 전동기 장착형 무단 변속기의 변속 상태를 도시한 작동 설명도.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부"라는 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

이하 도면을 참고하여 본 발명에 의한 전동기 장착형 무단 변속기의 실시예의 구성을 상세하게 설명하기로 한다.

도 3에는 본 발명의 전동기 장착형 무단 변속기가 적용된 자전거가 개략도로 도시되어 있고, 도 4에는 본 발명에 의한 자전거에 적용되는 전동기 장착형 무단 변속기가 사용상태 예시도로 도시되어 있고, 도 5에는 본 발명에 의한 자전거에 적용되는 전동기 장착형 무단 변속기가 사시도로 도시되어 있고, 도 6에는 본 발명에 의한 자전거에 적용되는 전동기 장착형 무단 변속기가 저면 사시도로 도시되어 있고, 도 7에는 본 발명에 의한 자전거에 적용되는 전동기 장착형 무단 변속기의 입력부가 요부 분해 사시도로 도시되어 있고, 도 8에는 본 발명에 의한 자전거에 적용되는 전동기 장착형 무단 변속기의 출력부가 요부 분해 사시도로 도시되어 있고, 도 9에는 본 발명에 의한 자전거에 적용되는 전동기 장착형 무단 변속기가 평면도로 도시되어 있고, 도 10에는 본 발명에 의한 자전거에 적용되는 전동기 장착형 무단 변속기가 저면도로 도시되어 있고, 도 11에는 본 발명에 의한 자전거에 적용되는 전동기 장착형 무단 변속기의 구동축이 단면도로 도시되어 있고, 도 12에는 본 발명에 의한 자전거에 적용되는 전동기 장착형 무단 변속기의 변속부가 저면 사시도로 도시되어 있고, 도 13 및 도 14에는 본 발명에 의한 자전거에 적용되는 전동기 장착형 무단 변속기의 구동 상태가 작동 설명도로 도시되어 있으며, 도 15 및 도 16에는 본 발명에 의한 자전거에 적용되는 전동기 장착형 무단 변속기의 변속 상태가 작동 설명도로 도시되어 있다.

본 발명의 전동기 장착형 무단 변속기가 적용된 자전거(10)는 도 3에 도시된 바와 같이 프레임(20), 앞바퀴(30), 뒷바퀴(40), 동력 발생부(50), 무단 변속기 및 컨트롤러(C)를 포함한다.

프레임(20)은 전방에 앞바퀴(30)에 연결된 조향부(32)가 조향되게 끔 설치되고, 후방에 뒷바퀴(40)가 설치된다. 이때, 프레임(20)에는 자전거의 기울기와 속도를 감지할 수 있도록 센서(S)가 설치되어 상기 자전거의 주행 속도와 오르막길 또는 내리막길에서 상기 자전거의 주행 각도를 감지하게 된다.

이렇게 자전거의 주행 속도와 주행 각도를 센서(S)를 통해 감지하므로, 감지 정보를 컨트롤러(C)의 제어부로 전송되고, 상기 제어부에서는 후술할 무단 변속기의 전동기(300)에 의한 자동 변속의 경우, 센서(S) 정보를 활용하여 운전자의 주행 상태를 식별한 후 최적의 변속비를 자동적으로 상기 무단 변속기의 작동을 제어하며, 수동 변속의 경우에는 운전자가 명령하는 주행 변속비를 상기 무단 변속기에 지시하게 된다.

이때, 변속 응답 특성을 높이기 위해 전동기(300)인 전기모터를 기반으로 한 자동변속 메커니즘이 작동하게 된다.

프레임(20)은 중간 위치 상단에 탑승자가 앉는 안장(22)이 구비된다.

앞바퀴(30)는 프레임(20)의 선단에 브레이크(도면에 미도시)가 설치된 조향부(32)가 구비되며, 뒷바퀴(40)는 상기 프레임(20)의 후단에 설치된다. 그리고 조향부(32)에는 후술할 변속 레버(550)의 연결부재(550)를 조작할 수 있는 변속조절장치가 구비된다. 이때, 변속조절장치는 상술한 바와 같이 조향부(32)에 구비되어 탑승자가 변속률을 수동으로 조절할 수도 있고, 무단 변속기에 자체적으로 구비되어 센서(S)와의 정보 교류를 통해 자동으로 변속률을 조절할 수도 있다.

동력 발생부(50)는 프레임(20) 중 앞바퀴(30)와 뒷바퀴(40)의 사이에 설치되어 구동축(200)의 양단에 마련된 페달을 통해 상기 뒷바퀴(40)에 동력을 발생시킨다. 이때, 동력 발생부(50)는 기존 자전거에 부착된 동력 발생부를 탈거한 후 무단 변속기와 일체 형성된 모듈을 상기 자전거에 부착할 수도 있다.

여기서, 동력 발생부(50)는 크랭크 샤프트의 기능을 하는 구동축(200)의 양단에 설치 각도가 상호 대각인 크랭크 로드와, 상기 크랭크 로드의 외측단에 각각 구비되는 페달과, 후술할 보조 출력기어(700)에 연결된 스프로킷 휠과, 상기 스프로킷 휠과 뒷바퀴(40)의 스프로킷 휠에 상호 체결되는 체인 등을 포함한다.

무단 변속기는 전동기 장착형으로 도 4 내지 도 16에 도시된 바와 같이 외부로부터 동력을 전달하기 위한 구동축(200), 상기 구동축과 별도로 동력을 전달하기 위한 전동기(300) 및 상기 구동축 및 전동기와 연동하여 회전하면서 전달되는 동력을 변속하고, 변속된 동력을 외부로 전달하기 위한 변속 유닛(400) 및 상기 변속 유닛의 변속 비율을 조절하기 위한 변속 레버(500)를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 구동축(200), 전동기(300), 변속 유닛(400) 및 변속 레버(500)는 전후의 프레임(100)에 설치된다.

상기 구동축(200)은 외부의 동력을 전달하기 위한 것으로서, 예를 들면 도 4에 도시된 바와 같이 자전거의 크랭크 샤프트가 될 수 있다. 따라서 상기 구동축(200)의 양단에 크랭크 로드를 결합하여 페달을 구름으로써 구동축에 동력을 전달하는 것이다. 이와 같은 구성은 자전거에 설치되는 기존의 무단 변속기가 후륜(구동륜)에만 설치할 수밖에 없었던 것과 차별되는 기술이다.

이를 좀더 살펴보면 도 11에 도시된 바와 같이 구동축(200)은 자전거의 크랭크 샤프트를 대체하여 설치하되, 일측 단부에는 제1 구동기어(210)가 결합되고, 타측 단부에는 출력기어(490)와 맞물려 회전하는 보조 출력기어(700)가 설치되며, 상기 보조 출력기어(700)에는 스프로킷 휠이 결합된다. 이때, 상기 제1 구동기어(210)는 구동축(200)과 함께 회전하지만, 상기 보조 출력기어(700)는 구동축(200)과 무관하게 회전하도록 설치되는 것이다. 상기 보조 출력기어(700)가 구동축(200)과 무관하게 회전하기 위해서 구동축(200) 상에 베어링을 통해 연결하거나, 상기 보조 출력기어(700)를 아예 프레임(100)에 축 결합할 수 있다.

그리고 제1 구동기어(210)와 구동축(200) 사이에는 일방향 베어링(도면에 미도시)이 더 마련될 수 있다. 이는 예를 들어 구동축(200)을 반대방향(상향 회전)으로 돌리는 경우, 출력축(440)으로 반대 방향의 구동력이 전달되지 않도록 하기 위함이다.

여기서, 일방향 베어링이란 구동축(200)이 어느 일방향(하향 회전)으로 회전할 때에는 구동력을 전달하고 반대방향(상향 회전)으로 회전할 때에는 구동력을 전달하지 않는 것으로, 일방향 클러치 또는 원웨이(one-way) 베어링 등 다양한 이름을 갖는 공지의 구성이 적용될 수 있음은 물론이다.

상기 전동기(300)는 상기 구동축(200)과 별도로 동력을 전달하기 위한 것으로서, 별도로 장착되는 배터리(B)를 전원으로 사용할 수 있다. 상기 전동기(300)는 구동축(200)에 의한 동력이 부족하거나 구동축(200)에 동력이 전달되지 않는 상황에서 구동하도록 설치되는 것이다. 이때, 배터리(B)는 태양광을 통해 충전될 수 있거나, 바퀴에 발전기를 부착하여 자가 발전에 의해서도 충전될 수 있다.

더욱이, 제1 구동기어(210)는 한 쌍으로 구비될 수 있다. 제1 구동기어(210)가 한 쌍으로 구비되는 경우, 아래쪽 기어는 제1,2 구동기어(210, 310) 사이에 설치된 연결기어와 일측이 맞물리게 되면서 타측이 입력기어(410)와 맞물리게 되고, 위쪽 기어는 입력기어(410)와 맞물리게 된다.

이렇게 제1 구동기어(210) 중 위쪽 기어는 구동축(200)에 연결된 크랭크 로드에 의해 수동으로 동력을 제공하는 경우 입력기어(410)를 연동시키고, 아래쪽 기어는 전동기(300)에 의해 동력을 제공하는 경우, 제2 구동기어(310)와 연결기어를 거치면서 입력기어(410)를 연동시킨다.

한편, 제1 구동기어(210) 중 위, 아래쪽 기어가 모두 입력기어(410)와 맞물리게 배치되므로 수동으로 동력을 제공하여 위쪽 기어만 회전되면 이와 맞물린 입력기어(410)를 연동시키고, 전동기(300)에 의해 동력을 제공하여 아래쪽 기어만 회전되면 상기 위쪽 기어는 회전시키지 않은 상태로 맞물린 입력기어(410)를 연동시키는 것이다. 그리고 제1 구동기어(210)의 위, 아래쪽 기어가 모두 회전되면, 수동에 의해 발생되는 동력과 전동기(300)에 의해 발생되는 동력을 동시에 구동축(200)에 제공할 수 있는 것이다.

이와 같은 전동기(300)는 도 5 내지 도 11에 도시된 바와 같이 상기 구동축(200)과 나란하게 설치되며, 상기 구동축(200)의 제1 구동기어(210)와 맞물려 연동하는 제2 구동기어(310)가 설치된다. 이때, 상기 제1,2 구동기어(210, 310) 사이에는 프레임(100)에 축 설치되는 또 다른 연결기어를 통해 연동하도록 함으로써, 회전방향을 동일하게 할 수 있다.

상기 변속 유닛(400)은 상기 구동축(200) 및 전동기(300)와 연동하여 회전하면서 전달되는 동력을 후술할 변속 레버(500)의 제어를 통해 변속하고, 변속된 동력을 스프로킷 휠로 전달하기 위한 것으로서, 도 5 내지 도 11에 도시된 바와 같이 상기 구동축(200) 및 전동기(300)와 함께 나란하게 설치되며, 상기 제1 구동기어(210)와 맞물려 연동하는 입력기어(410)가 설치된다. 이때, 상기 입력기어(410)는 상기 제1 구동기어(210)뿐만 아니라 제2 구동기어(310)와 직접 맞물려 회전하도록 구성할 수도 있다.

상기 변속 유닛(400)은 도 12 내지 도 14에 도시된 바와 같이 상기 구동축(200)과 나란하게 설치되면서 상기 입력기어(410)가 결합되는 입력축(420), 상기 입력축(420)에 편심 축 결합되는 복수의 캠(430), 상기 입력축(420)과 나란하게 설치되는 출력축(440), 상기 출력축(440)에 축 결합되는 복수의 일방향 클러치(450), 상기 각 캠(430)과 클러치(450)를 연결하는 복수의 제1 링크(460), 상기 입력축(420)과 출력축(440) 사이에 나란하게 설치되는 가변축(470), 상기 각 캠(430)과 가변축(470)을 연결하는 복수의 제2 링크(480), 상기 출력축(440)에 결합되는 출력기어(490)를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 입력축(420)에 편심 축 결합되는 복수의 캠(430)은 도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이 예를 들어 내부의 캠이 입력축(420)에 편축 고정된 상태에서 그 외부를 감싸고 있는 하우징이 회전하도록 구성할 수 있는 것이다. 이와 같은 복수의 캠(430)은 도 6, 도 10 및 도 12에 도시된 바와 같이 입력축(420)의 전후에 일정간격으로 설치한다.

한편, 복수의 캠(430)은 서로 다른 위상차를 가지도록 구비될 수 있으며, 바람직하게는 상호 360 / n (n :캠의 갯수) 만큼의 위상차를 가지면서 입력축(420)에 결합될 수 있다.

이는, 상기 캠(430)과 제1, 2 링크(460, 480)와 클러치(450)를 통해 전달된 구동력이 출력축(440)으로 출력될 때에 상기 출력축(440)에 마련된 클러치(450)가 일방향으로만 구동력이 전달되도록 하므로 다양한 위상차를 이용한 복수의 캠(430)을 마련함으로써 상기 출력축(440)의 회전률을 향상시키기 위함이다.

즉, 입력축(420)이 1회전을 하는 동안 캠(430)은 좌우로 2번의 회동(또는 1번의 왕복)을 하는데, 이 중에서 어느 하나의 회동만이 일방향 클러치(450)에 의해 유효하게 출력축(440)을 회전시키고, 나머지 회동 때는 상기 출력축(440)의 회전이 정지된다. 한편, 전술한 예에서 캠(430)의 유효회동에 대한 출력축(440)의 회전각도는 후술할 변속 레버(500)의 조작에 따라 달라지는 것으로 유효회동 시 상기 출력축(440)이 반드시 180도° 회전을 수행하는 것은 아니다.

따라서, 출력축(440)을 1회전 시키기 위해서는 입력축(420)이 다수 회전을 해야하므로, 캠(430), 제1, 2 링크(460, 480)와 클러치(450)를 복수로 마련하고 각각 그 위상차를 달리함으로써 입력축(420)의 1회전당 출력축(440)의 회전률을 향상시키는 한편 출력이 균일하게 이루어지도록 하기 위한 것이다.

또한, 상기 출력축(440)에 결합되는 클러치(450)는 예를 들어 제1 링크(460)가 밀면 상기 출력축(440)을 회전시키고, 상기 제1 링크(460)가 당기면 상기 출력축(440)을 회전시키지 않는 일방향 클러치로 구성한다. 이와 같은 복수의 클러치(450)는 도 6, 도 10 및 도 12에 도시된 바와 같이 출력축(440)의 전후에 일정간격으로 설치하되, 각각 다른 위상차로 제1 링크(460)와 연결된다.

더욱이, 상기 클러치(450)는 출력축(440)에 다수개가 순차 삽입 고정되되, 상기 출력기어(490) 방향으로 갈수록 상기 출력축(440) 중심에서 상기 제1 링크(460)와 상기 클러치(450)와의 연결 기점까지의 거리가 점차 커지도록 배치되어 회전 각도 역시 점차 커지게 된다.

그리고 상기 가변축(480)은 위치가 고정되어 있어 상기 입력축(420)이 회전할 때 상기 제2 링크(480)와 연결된 캠(430)이 좌우로 일정각도 왕복 회전하도록 하는 것이다. 이로써 상기 제1 링크(460)가 좌우로 왕복하면서 상기 클러치(450)를 밀고 당기게 된다. 이때, 상기 가변축(480)은 후술하는 변속 레버(500)에 의해 움직이면서 상기 캠(430)과 제1 링크(460)의 회전 또는 이동거리를 크게 또는 작게 조절하여 변속이 이루어지는 것이다.

또한, 상기 출력기어(490)는 상기 출력축(440)의 단부에 결합하되 상기 입력축(420)에 결합된 입력기어(410)와 반대 측 단부에 결합되도록 한다.

상기 변속 레버(500)는 상기 변속 유닛(400)의 변속 비율을 조절하기 위한 것으로서, 도 5 내지 도 11에 도시된 바와 같이 전후의 프레임(100)에 설치되면서 상기 가변축(470)의 위치를 조절하게 된다. 이때, 상기 변속 레버(500)는 도 5 내지 도 11에 도시된 바와 같이 전후 중 어느 하나가 조향부 핸들에 구비된 변속조절장치(도면에 미도시)와 연결되어 변속률을 조절하도록 하는 것이다.

상기 변속 레버(500)는 실시 예로서 도 15 및 도 16에 도시된 바와 같이 상기 전후 프레임(100)의 일 지점에 각각 축 결합된 상태로 상기 가변축(470)의 전후단과 축 결합되면서 끝단에는 가이드 돌기(520)가 형성된 제1 레버(510), 상기 전후 프레임(100)의 다른 일지점에 축 결합된 상태로 가이드 장공(540)을 통해 상기 가이드 돌기(520)와 연결되는 제2 레버(530)를 포함하여 구성된다. 이때, 상기 제2 레버(530)는 전후 프레임(100) 중 어느 하나에 형성될 수 있고, 이로 인해 상기 제1 레버(510)의 가이드 돌기(520)도 전후 중 어느 하나에만 형성하면 된다.

이때, 상기 제1 레버(510)는 예를 들어 상기 변속 유닛(400) 중 입력축(420) 측에 축 설치되고, 상기 제2 레버(530)는 상기 변속 유닛(400) 중 출력축(440) 측에 축 설치함으로써, 상기 제2 레버(530) 회전시키면 상기 장공(540)에 끼워진 가이드 돌기(520)를 밀어 제1 레버(510)를 회전시키고, 상기 제1 레버(510)가 회전하면서 가변축(470)을 위 아래로 움직임으로써, 변속 유닛(400)에서 변속이 이루어지는 것이다.

더욱이, 상기 제2 레버(530)에는 탑승자가 조작할 수 있는 변속조절장치와 연결되는 연결부재(550)를 설치함으로써, 상기 변속조절장치와 연결부재(550)를 통해 제2 레버(530)를 회전시킬 수 있게 된다.

결국, 상기 연결부재(550)는 그 회전 위치에 따라 캠(430)에 핀 결합된 제2 링크(480)의 위치를 변화시켜 상기 제2 링크(480) 및 제1 링크(460)의 회동반경을 조절한다. 즉, 상기 연결부재(550)에 의해 제2 레버(530)가 도 16에 도시된 바와 같은 위치에서는, 제2 링크(480) 및 제1 링크(460)의 회동반경이 커지게 되며 따라서 입력축(420)의 1 회전당 출력축(440)의 회전량이 크게 되어 감속비가 작아지고, 토오크도 작아지는 결과가 된다.

반대로, 상기 연결부재(550)에 동작에 의해 제2 레버(530)가 도 15와 같이 위치하는 경우에는 제2 링크(480) 및 제1 링크(460)의 회동반경이 좁아져 감속비 및 토오크가 커진다.

결국, 상기 연결부재(550)의 조절에 의해 제2 링크(480)의 위치가 연속적으로 변화하게 되므로 변속충격이 없는 무단변속이 가능하며, 도 9와 같은 구조에 의해 캠(430), 클러치(450), 제1 링크(460) 및 제2 링크(480)가 복수 개로 마련되더라도 하나의 가변축(470)에 의해 조작이 가능하다.

한편, 본 발명은 도 8 내지 도 11에 도시된 바와 같이 상기 프레임(100)에 설치되고, 상기 출력기어(490)와 맞물려 회전하는 기어유닛(600)을 포함하여 구성함으로써, 상기 출력기어(490)로부터 출력되는 구동속도를 가감할 수 있다. 즉, 상기 기어유닛(600)은 여러 개의 기어 조합을 통해 출력기어(490)에서 전달되는 회전 속도를 더 빠르게 또는 더 느리게 조절할 수 있는 것이다.

또한, 본 발명은 도 8 내지 도 11에 도시된 바와 같이 상기 구동축(200)과 동 축 선상에 설치하되, 상기 출력기어(490)와 맞물려 상기 구동축(200)과는 무관하게 회전하는 보조 출력기어(700)를 포함하여 구성된다. 상기 보조 출력기어(700)는 앞서 설명한 바와 같이 자전거에 설치하여 스프로킷 휠이 구동축(200)과 동축에서 회전하도록 하는 것이다.

컨트롤러(C)는 도면에는 도시하지 않았지만 센서(S)를 통한 자전거 속도와 주행 각도 등의 감지 신호를 전송받아 연산을 통해 변속비를 산출하고, 상기 변속비를 전동기(300)의 구동력에 적용시킴과 동시에 상기 전동기(300)의 구동을 제어하는 제어부와, 주행속도, 주행거리, 소모 칼로리 등을 화면에 출력하는 디스플레이 및 자동 변속, 수동 변속 등의 주행 모드 등을 조작하는 조작부를 포함한다. 또한, 컨트롤러(C)는 블루투스(Bluetooth) 무선 통신을 활용하여 스마트폰과 정보 공유 및 제어가 가능하다.

그러므로 본 발명에 의한 전동기 장착형 무단 변속기가 적용된 자전거의 작동 과정을 설명하면 하기와 같다.

우선, 탑승자가 자전거(10)에 탑승한 상태에서 주행을 하게 된다. 이때, 탑승자는 컨트롤러(C)의 조작부를 조작하여 선택적으로 수동 변속 모드 또는 자동 변속 모드를 선택할 수 있다.

여기서, 구동축(200)을 수동에 의해 회전시키는 수동 변속 모드의 경우는, 페달을 통해 크랭크 로드를 회전시켜 상기 크랭크 로드가 양단에 연결된 구동축(200)이 회전되고, 상기 구동축(200)에 연결된 제1 구동기어(210)가 회전되며 상기 제1 구동기어(210)와 맞물린 입력기어(410)가 회전된다.

전동기(300)를 통해 동력을 제공하는 자동 변속 모드의 경우는, 상기 전동기(300)에 전원이 인가되어 구동축에 연결된 제2 구동기어(310)가 회전하고 상기 제2 구동기어(310)과 맞물린 연결기어를 통해 제1 구동기어(210)를 연동하게 되며 상기 제1 구동기어(210)와 맞물린 입력기어(410)가 회전된다.

이때, 수동 변속 모드와 자동 변속 모드의 선택 시 자전거의 기울기와 속도를 감지할 수 있도록 프레임(20)에 설치된 센서(S)에 의해 상기 자전거의 주행 속도와 오르막길 또는 내리막길에서 상기 자전거의 주행 각도를 항시 감지하게 된다.

이렇게 센서(S)를 통해 자전거의 주행 속도와 주행 각도를 실시간으로 감지하므로, 감지 정보를 컨트롤러(C)의 제어부로 전송되고, 상기 제어부에서는 무단 변속기의 전동기(300)에 의한 자동 변속의 경우, 센서(S) 정보를 활용하여 운전자의 주행 상태를 식별한 후 최적의 변속비를 자동적으로 상기 무단 변속기의 작동을 제어하며, 수동 변속의 경우에는 운전자가 요구하는 주행 변속비를 상기 무단 변속기에 지시하게 된다.

다음으로, 상기 크랭크 로드 또는 전동기(300)의 구동에 의하거나 상기 크랭크 로드 및 상기 전동기(300)의 구동에 의해 상기 입력기어(410)에 연결된 입력축(420)이 회전되며, 상기 입력축(420)에 위상차를 갖도록 설치된 다수의 캠(430)이 출력축(440)에 위상차를 갖도록 설치된 클러치(450)를 제1 링크(460)로 연결하므로 상기 제1 링크(460)가 전진하면 상기 클러치(450)를 순차적으로 회전시키게 되고, 상기 제1 링크(460)가 후진하면 출력축(440)을 회전시키지 않게 된다.

이때, 무단 변속을 실시하기 위해서 외부의 변속조절장치를 조작하면 상기 변속조절장치와 연결된 연결부재(550)의 조절에 의해 제2 링크(480)의 위치가 위상차가 있는 다수의 캠(430)을 통해 연속적으로 변화하게 되므로 변속충격이 없는 무단변속이 가능하다.

다음으로, 상기 클러치(450)의 회전을 통해 전달되는 동력을 변속하고, 변속된 동력을 외부로 전달할 수 있도록 출력축(440)이 회전되고, 상기 출력축(440)에 설치된 출력기어(490)가 회전되면서 상기 출력기어(490)에 연결된 스프로킷 휠이 회전된다.

예컨대, 자동 변속 모드에 대해 설명하면 하기와 같다.

우선, 센서(S)를 통해 자전거의 주행 속도와 주행 각도를 실시간으로 감지하고 있는 상태에서 오르막 등과 같이 큰 토오크가 요구되는 경우, 이를 제어부가 인지하고 토오크를 높이기 위하여 도 16과 같은 낮은 단수의 운행을 하게 되는데, 이때, 전동기(300)의 제2 구동기어(310)가 연결기어를 통해 제1 구동기어(210)를 회전시킨다.

상기 제1 구동기어(210)가 회전되면 이와 맞물린 입력기어(410)가 회전되면서 상기 입력기어(410)에 결합된 변속 유닛(400)의 입력축(420)이 회전한다.

여기서, 상기 입력축(420)에는 다수개의 캠(430)이 서로 다른 위상차를 가지고 편심 결합되어 있으며, 상기 캠(430) 및 제1 링크(510) 그리고 클러치(450)가 링크 연결구조에 의해 회동하게 된다. 이때, 제1 링크(510) 및 클러치(450)의 회동반경은 캠(430)과 제1 링크(460)에 핀 결합된 제2 링크(480)에 의해 제약된다.

한편, 클러치(450)의 회동은 일방향 클러치에 의해 단속적으로 출력축(440)에 전달되며, 상기 출력축(440)에 연결된 출력기어(490), 보조 출력기어(700) 및 스프로킷 휠로 전달된다.

그리고 회전되는 스프로킷 휠은 뒷바퀴(40)의 스프로킷 휠을 체인을 통해 연동되게 하면서 변속을 하는 것이다.

다음으로, 전동기 장착형 무단 변속기가 자전거에 적용되어 평지 등과 같이 작은 토오크를 요구하는 경우, 이를 센서(S)를 통해 제어부가 인지하고 높은 단수의 운행에 따른 토오크를 낮추기 위하여 도 16 상태에서 도 15 상태로 전환하게 된다. 이때, 제어부의 제어에 따라 제2 링크(530)가 그 위치를 연속적으로 변경하면서 도 15의 상태에 이르게 되어 높은 단수에 이르게 되는 것이다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전동기 장착형 무단 변속기가 적용된 자전거의 전동기 장착형 무단 변속기에 의하면, 링크와 기어의 복합구조 및 일방향 클러치를 사용하여 변속기를 구성하고 링크의 회동반경을 제2 링크(530)를 이용하여 조절함으로써 연속적인 변속이 가능하다.

이와 같은 본 발명의 구성에 의하면 자전거에 적용된 전동기 장착형 무단 변속기가 구동축(200)을 통해 직접 전달되는 동력과, 전동기(300)로부터 공급되는 동력을 함께 변속할 수 있도록 구비됨으로써, 주행 상황에 따른 변속의 대응이 보다 편리하고 효율적일 수 있다.

또한, 전동기(300)의 RPM과 토오크를 일정하게 유지하면서 변속할 수 있도록 형성함으로써, 변속에 의한 전력의 소모를 절감하여 전원으로서 배터리의 사용 수명과 주행 거리를 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10: 자전거 20: 프레임
30: 앞바퀴 40: 뒷바퀴
50: 동력 발생부 100: 프레임
200: 구동축 210: 제1 구동기어
300: 전동기 310: 제2 구동기어
400: 변속 유닛 410: 입력기어
420: 입력축 430: 캠
440: 출력축 450: 클러치
460: 제1 링크 470: 가변축
480: 제2 링크 490: 출력기어
500: 변속 레버 510: 제1 레버
520: 가이드 돌기 530: 제2 레버
540: 장공 550: 연결부재
600: 기어 유닛 700: 보조 출력기어
B: 배터리 C: 컨트롤러
S: 센서

Claims (6)

1. 조향부가 구비된 앞바퀴;
   상기 앞바퀴와 이격된 뒷바퀴;
   상기 앞바퀴와 상기 뒷바퀴를 전, 후에서 각각 지지하는 프레임;
   상기 프레임에 구비되어 구동축의 양단에 마련된 페달을 통해 상기 뒷바퀴에 동력을 발생시키는 동력 발생부; 및
   상기 동력 발생부에 구비되어 상기 구동축을 통해 직접 전달되는 동력 및 전동기로부터 공급되는 동력을 선택적으로 변속하는 무단 변속기;를 포함하며,
   상기 무단 변속기는,
   상기 구동축과 별도로 동력을 제공하는 전동기;
   상기 구동축 및 전동기와 연동하여 회전하면서 전달되는 동력을 변속하고, 변속된 동력을 외부로 출력하기 위한 변속 유닛; 및
   상기 변속 유닛의 변속 비율을 조절하기 위한 변속 레버;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전동기 장착형 무단 변속기가 적용된 자전거.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 프레임에 기울기와 속도를 감지할 수 있도록 센서가 구비하는 전동기 장착형 무단 변속기가 적용된 자전거.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 센서에서의 감지 신호를 입력받아 변속비를 산출하고, 상기 변속비를 통해 자동 변속을 제어하는 제어부를 포함하는 전동기 장착형 무단 변속기가 적용된 자전거.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 구동축, 전동기 및 변속 유닛은 전후 프레임을 통해 나란하게 설치하되,
   상기 구동축에는 제1 구동기어, 상기 전동기에는 제2 구동기어 및 상기 변속 유닛에는 입력기어를 결합하여 상호 연동하도록 설치하는 전동기 장착형 무단 변속기가 적용된 자전거.
   
5. 제4항에 있어서, 상기 변속 유닛은,
   상기 전후 프레임에 구비된 구동축과 나란하게 설치되면서 상기 입력기어가 결합되는 입력축;
   상기 입력축에 서로 다른 위상차를 가지도록 편심 축 결합되는 복수의 캠;
   상기 입력축과 나란하게 설치되는 출력축;
   상기 출력축에 서로 다른 위상차를 가지도록 축 결합되는 복수의 일방향 클러치;
   상기 각 캠과 클러치를 연결하는 복수의 제1 링크;
   상기 입력축과 출력축 사이에 나란하게 설치되는 가변축;
   상기 각 캠과 상기 가변축을 연결하는 복수의 제2 링크; 및
   상기 출력축에 결합되는 출력기어;를 포함하는 전동기 장착형 무단 변속기가 적용된 자전거.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 변속 레버는 상기 조향부에 설치되어 변속조절장치를 통해 작동되거나, 제어부를 통해 작동되는 전동기 장착형 무단 변속기가 적용된 자전거.
   

Images