KR20170025013A - 차동 기어를 이용한 외발 자전거용 구동장치 및 이를 갖는 외발 자전거 - Google Patents

차동 기어를 이용한 외발 자전거용 구동장치 및 이를 갖는 외발 자전거 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차동기어를 이용한 외발 자전거용 구동장치 및 이를 갖는 외발 자전거에 관한 것으로서, 외발 자전거의 프레임에 고정되는 기준 지지대; 상기 기준 지지대에 지지되며, 페달에 연결되어 페달링 동력을 전달받는 페달축; 상기 기준 지지대에 지지되며, 모터 동력을 생성하는 제어모터부; 상기 제어모터부에 결합된 모터측기어, 상기 페달축에 결합된 페달측기어, 및 상기 모터측기어와 상기 페달측기어 각각에 맞물리는 유성기어를 포함하는 차동 기어; 및 상기 차동 기어의 상기 유성기어에 맞물려 바퀴에 동력을 전달하는 바퀴축;를 포함할 수 있다.

Description

차동 기어를 이용한 외발 자전거용 구동장치 및 이를 갖는 외발 자전거{Driving device for unicycle using differential Gear and unicycle having the same}
본 발명은 차동 기어를 이용한 외발 자전거용 구동장치 및 외발 자전거에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 운전자의 균형감각이나 페달링 동력에 구애받지 않고 외발 자전거가 자동으로 균형을 잡도록 바퀴로 모터 및 페달의 구동력을 알맞게 분배하여 전달할 수 있게 하는 차동 기어를 이용한 외발 자전거용 구동장치 및 외발 자전거에 관한 것이다.
외발 자전거는 부피가 작아서 운반과 보관이 간편하다는 장점이 있음에도 불구하고, 앞뒤로 균형을 잡기 어렵다는 문제점이 있어서 이용자가 별로 없었다.
한편, 모터로 구동하는 자동으로 균형을 유지하는 전동외발 자전거가 상용화 되었지만 모터로만 구동되기 때문에 전력소모량이 크고 배터리를 많이 장착하여 중량이 무겁고 주행거리의 한계가 있다.
따라서, 일반 자전거처럼 페달링동력을 받아 구동하면서 바퀴 구동력을 모터로 제어하여 자동으로 균형을 유지하는 외발 자전거를 생각해볼 수 있다.
하지만, 그러한 외발 자전거는 만들기 어려운데, 그 이유는 외발 자전거의 바퀴축과 페달축이 서로 고정되어있기 때문이다. 즉, 바퀴축에 모터로 동력을 직접 작용하여 제어하면 페달축까지 동력이 전달되고 페달링을 간섭하게 되어 페달링을 하기 어렵고 운전자의 페달링 동력이 제대로 전달되기 어려워진다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 페달링 동력을 이용하는 외발 자전거의 바퀴 구동력을 모터로 제어할 때, 페달링을 간섭하는 문제를 해결하여 모터로 자동 균형 제어는 물론이고, 페달링으로 구동력을 더욱 증대시키거나 전기 에너지를 크게 절감할 수 있게 하는 차동 기어를 이용한 외발 자전거용 구동장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사상에 따른 차동 기어를 이용한 외발 자전거용 구동장치는, 외발 자전거의 프레임에 고정되는 기준 지지대; 상기 기준 지지대에 지지되며, 페달에 연결되어 페달링 동력을 전달받는 페달축; 상기 기준 지지대에 지지되며, 모터 동력을 생성하는 제어모터부; 상기 제어모터부에 결합된 모터측기어, 상기 페달축에 결합된 페달측기어, 및 상기 모터측기어와 상기 페달측기어 각각에 맞물리는 유성기어를 포함하는 차동 기어; 및 상기 차동 기어의 상기 유성기어에 맞물려 바퀴에 동력을 전달하는 바퀴축;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 유성기어는 베벨기어이고, 상기 유성기어의 회전축이 상기 바퀴축과 직교하도록 상기 바퀴축과 차축으로 연결될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 모터측기어는 평기어와 베벨기어가 일체를 이루도록 합쳐진 형상이고, 상기 페달축과 베어링연결되며, 상기 평기어 부분이 제어모터부의 구동력을 전달받고, 상기 베벨기어 부분이 상기 유성기어로 동력을 전달하도록 치합될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 페달측기어는 베벨기어이고, 상기 페달축으로부터 동력을 받아 유성기어로 전달하도록 치합될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 제어모터부는 제어모터와 작동기어로 구성되어 있고, 기준 지지대에 장착되어 고정되어 있으며, 모터측기어에 제어 동력을 전달하도록 연결될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 페달축은 차동 기어를 이용한 동력 제어 기능을 가진 외발 자전거용 구동장치의 중심을 관통하는 샤프트이고, 상기 페달측기어와 연결되어 외부 동력을 전달받도록 연결될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 바퀴축은 상기 유성 기어를 둘러싸는 속이 빈 파이프와 같은 형상이고, 기준 지지대과 베어링으로 연결되며, 유성기어와 차축으로 연결되어 있고, 상기 유성기어로부터 전달받은 동력을 바퀴에 전달하도록 연결될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 기준 지지대는 두 개의 부품으로 구성된, 중앙에 샤프트가 관통하는 구멍이 뚫린 형상이고, 차동 기어를 이용한 구동력 제어 기능을 가진 외발 자전거용 구동장치의 양쪽에 위치하며, 바퀴축과 페달축에 각각 베어링으로 연결되어 상기 바퀴축과 상기 페달축의 축을 지지할 수 있다.
한편, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사상에 따른 외발 자전거는, 제 1 항 내지 제 9 항에 따른 차동 기어를 이용한 외발 자전거용 구동장치를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 자전거의 균형을 자동으로 맞출 수 있기 때문에 운전이 수월하여 외발 자전거의 이용자를 증대시켜서 새로운 시장을 창출할 수 있고, 기존의 전기 모터만으로 작동하는 외발 자전거와 달리 운전자의 페달링 동력을 주동력으로 사용하기 때문에 전력소모가 적고, 주행거리를 길게 할 수 있으며, 일반 자전거보다 부피를 획기적으로 줄여서 운반과 보관이 쉽고, 일반자전거를 탈 때만큼 운전을 쉽게 할 수 있으며, 이로 인하여 버스나 지하철에도 좀 더 수월하게 탑승할 수 있어 도시인들의 자전거 이용이 훨씬 편리해질 수 있고, 외발 자전거 이외에도 응용 가능성이 무궁무진하여 다용도로 활용될 수 있는 효과를 갖는 것이다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 차동 기어를 이용한 외발 자전거용 구동장치를 나타내는 외관 사시도이다.
도 2는 도 1의 차동 기어를 이용한 외발 자전거용 구동장치의 내부 사시도이다.
도 3은 도 2의 차동 기어를 이용한 외발 자전거용 구동장치의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 차동 기어를 이용한 외발 자전거용 구동장치를 갖는 외발 자전거를 나타내는 측면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
본 발명의 실시예들의 설명에서, 동력 또는 구동력이란 일, 즉 Work, Power를 뜻한다. 고정이란 상호 고정된 각각의 물체가 완전히 결합되어 한 물체로 움직이는 것을 뜻한다.
본 발명은 차동 기어의 2개의 태양기어 축과 1개의 유성기어 축이 각각 서로 종속관계라는 점에서 착안한 차동 기어를 이용한 출력 제어 기능을 가진 외발 자전거용 구동장치에 관한 것이다. 자전거의 구동장치는 페달축으로 동력을 입력받아 바퀴축으로 구동력을 출력한다. 차동 기어의 2개의 태양기어 축 중에 한 축에 제어모터를 장착하고 모터축이라 하고, 또 다른 태양기어 축을 페달축이라 하고, 유성기어축은 바퀴축이라 한다.
차동 기어의 2개의 태양기어 축과 1개의 유성기어 축이 각각 전달하는 구동력의 관계는 동력손실을 배제했을 때, P1+P2=P 와 같다고 알려져 있으며, 차동 기어의 각 축의 회전 각속도의 관계는 (w1+w2)/2=w 와 같다고 알려져 있다.
변수들의 상호 종속관계가 있으므로, 페달축에 전달되는 동력이나 각속도에 따라 모터의 동력이나 각속도를 제어하면 바퀴축의 동력이나 각속도를 제어할 수 있다. 본 발명은 이러한 점에 착안하여, 페달축에 전달되는 동력과 모터의 동력을 함께 이용하도록 발명되었다. 이하에서는 본 발명의 실시예를 들어 보다 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 차동 기어를 이용한 외발 자전거용 구동장치를 나타내는 외관 사시도이고, 도 2는 도 1의 차동 기어를 이용한 외발 자전거용 구동장치의 내부 사시도이고, 도 3은 도 2의 차동 기어를 이용한 외발 자전거용 구동장치의 측면도이다.
먼저, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 차동 기어를 이용한 외발 자전거용 구동장치는, 크게 기준 지지대(10)과, 페달축(30)과, 제어모터부(50)와, 차동 기어(40) 및 바퀴축(20)을 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 기준 지지대(10)은 후술될 도 4의 외발 자전거(7)의 프레임에 고정되는 구조물일 수 있다.
또한, 상기 기준 지지대(10)은 두 개의 부품으로 구성된, 중앙에 샤프트가 관통하는 구멍이 뚫린 형상일 수 있고, 바퀴(W)의 양측방향에 위치하며, 바퀴축(20)과 페달축(30)에 각각 베어링으로 연결되어 상기 바퀴축(20)과 상기 페달축(30)의 축을 지지할 수 있다.
또한, 상기 페달축(30)은, 상기 기준 지지대(10)에 지지되며, 페달에 연결되어 페달링 동력을 전달받는 페달의 회전축일 수 있다.
또한, 상기 제어모터부(50)는, 상기 기준 지지대(10)에 지지되며, 모터를 이용하여 회전 동력을 생성하는 장치일 수 있다.
예컨대, 상기 제어모터부(50)는 제어모터와 작동기어로 구성되어 있고, 기준 지지대(10)에 장착되어 고정되어 있으며, 모터측기어(42)에 제어 동력을 전달하도록 연결될 수 있다.
또한, 상기 차동 기어(40)는, 상기 제어모터부(50)에 결합된 모터측기어(42), 상기 페달축(30)에 결합된 페달측기어(43) 및 상기 모터측기어(42)와 상기 페달측기어(43) 각각에 맞물리는 유성기어(41)를 포함할 수 있다.
여기서, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 페달축(30)은 상기 모터측기어(42)에 형성된 관통홀(H)을 서로 이격되게 관통하는 형태로서, 상기 모터측기어(42)는 상기 페달축(30)과 이격되어 동력이 직접적으로 전달되지 않고, 상기 유성기어(41) 및 상기 페달측기어(43)를 통해서 동력이 간접적으로 전달될 수 있다.
이러한, 상기 페달축(30)은 상기 모터측기어(42)를 관통하는 샤프트이고, 상기 페달측기어(43)와 연결되어 외부 동력을 전달받도록 연결될 수 있다.
예컨대, 상기 유성기어(41)는 베벨기어로서, 상기 유성기어(41)의 회전축이 상기 바퀴축(20)과 직교하도록 상기 바퀴축(20)과 차축으로 연결될 수 있다.
또한, 예컨대, 상기 모터측기어(42)는 평기어와 베벨기어가 일체를 이루도록 합쳐진 형상이고, 상기 페달축(30)과 베어링으로 연결될 수 있고, 상기 평기어 부분이 제어모터부(50)의 구동력을 전달받고, 상기 베벨기어 부분이 상기 유성기어(41)로 동력을 전달하도록 치합될 수 있다.
또한, 상기 페달측기어(43)는 베벨기어로서, 상기 페달축(30)으로부터 동력을 받아 유성기어(41)로 전달하도록 치합될 수 있다.
또한, 상기 바퀴축(20)은, 상기 차동 기어(40)의 상기 유성기어(41)와 연결되어 도 4의 상기 외발 자전거(7)의 바퀴(W)에 동력을 전달하는 파이프 형태의 회전 구조물일 수 있다.
예컨대, 상기 바퀴축(20)은 상기 유성 기어를 둘러싸는 속이 빈 파이프와 같은 형상이고, 기준 지지대(10)과 베어링으로 연결되며, 유성기어(43)와 차축으로 연결되어 있고, 상기 유성기어(43)로부터 전달받은 동력을 바퀴에 전달하도록 연결될 수 있다.
따라서, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 차동 기어를 이용한 외발 자전거용 구동장치를 보다 상세하게 설명하면, 본 발명이 일부 실시예들에 따른 차동기어를 이용한 외발 자전거용 구동장치의 외부에는 상기 기준 지지대(10), 상기 바퀴축(20), 상기 페달축(30)이 노출되어 있는데, 이들 상기 기준 지지대(10), 상기 바퀴축(20), 상기 페달축(30) 각각의 회전축은 서로 일치할 수 있고, 이러한 회전축을 이하 공통회전축이라고 한다.
이러한, 상기 기준 지지대(10)는, 상기 모터측기준 지지대(11)과 페달측기준 지지대(12)의 두 개의 부품으로 구성될 수 있고, 중앙에 샤프트가 관통하는 구멍이 뚫린 형상을 한 부품으로, 바퀴축(20)과 페달축(30)을 각각 베어링으로 연결하여 공통회전축을 따라 회전할 수 있다.
따라서, 상기 기준 지지대(10)은 상기 제어모터부(50)를 장착하여 고정시키는 역할을 하고, 후술될 도 4의 외발 자전거(7)에 장착될 때는 기준 지지대(10)이 프레임에 고정하여 중심구동축을 프레임에 고정시키는 역할을 할 수 있다.
또한, 상기 바퀴축(20)은 속이 빈 파이프와 같은 형상을 한 부품으로, 겉으로 드러나 있을 수 있다. 또한, 상기 바퀴축(20)은, 기준 지지대(10)과 베어링으로 연결되어 있고, 유성기어(43)가 차축으로 연결될 수 있다.
또한, 상기 바퀴축(20)은 상기 차동 기어(40)를 감싸는 케이스의 역할을 하며, 외부에 동력을 전달할 수 있다. 따라서, 외발 자전거(7)에 장착될 때 바퀴축(20)은 바퀴(W)와 고정하여 바퀴에 동력을 전달하는 역할을 할 수 있다.
또한, 상기 페달축(30)은 상기 차동 기어(40)의 상기 모터측기어(42)를 관통하고, 상기 페달측기어(43)와 일체화될 수 있는 샤프트이다. 이러한 상기 페달축(30)은 외부 동력을 전달받는 역할을 할 수 있다. 또한, 외발 자전거(7)에 장착될 때 페달축(30)은 크랭크를 고정하여 페달링 동력을 전달받는 역할을 할 수 있다.
또한, 상기 차동 기어(40)는 유성기어(41), 모터측기어(42), 페달측기어(43) 을 포함하여 상기 제어모터부(50) 및 상기 페달축(30)으로부터 각각 회전 동력을 전달받아서 이를 상기 바퀴축(20)에 차동 기어의 작동원리에 따라 합산하여 전달할 수 있다.
또한, 상기 유성기어(41)의 회전축이 바퀴축(20)과 직교하도록 유성기어(41)는 바퀴축(20)과 차축으로 연결되는 것으로서, 양쪽으로 모터측기어(42)와 페달측기어(43) 각각에 맞물려 있고, 모터측기어(42)와 페달측기어(43)의 동력을 받아 바퀴축(20)에 차동 기어의 작동원리에 따라 합산하여 전달할 수 있다.
아울러, 상기 모터측기어(42)는 평기어와 베벨기어가 합쳐진 형상의 부품으로서, 상기 페달축(30)과 베어링연결되어있고, 평기어부분으로 제어모터부(50)의 구동력을 받아 베벨기어부분으로 유성기어(41)에 전달할 수 있다.
또한, 상기 페달측기어(43)는 페달축(30)과 고정된 베벨기어로서, 페달축(40)으로부터 동력을 받아 유성기어(41)로 전달할 수 있다.
또한, 상기 제어모터부(50)는 제어모터와 작동기어로 구성되어 있으며, 기준 지지대(10)에 장착되어 고정되어 있다. 제어모터부(50)는 모터측기어(42)에 제어 동력을 전달할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 차동 기어를 이용한 외발 자전거용 구동장치를 갖는 외발 자전거를 나타내는 측면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 차동 기어를 이용한 외발 자전거용 구동장치를 갖는 외발 자전거(7)는, 도 1 내지 도 3에 예시된 본 발명의 일부 실시예들에 따른 차동기어를 이용한 외발 자전거용 구동장치를 포함할 수 있다.
예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 일부 실시예들에 따른 차동기어를 이용한 외발 자전거용 구동장치는 외발 자전거의 허브처럼 외발 자전거(7)의 구동부에 장착하여 사용할 수 있다.
이러한, 상기 외발 자전거(7)은 핸들과 센서, 배터리 등이 장착되어 있는 외발 자전거이며, 자동으로 균형을 잡는 외발 자전거로 완성될 수 있는 외발 자전거의 일 실시예일 수 있다.
따라서, 상기 외발 자전거(7)에 장착했을 때의 구동상황에 대해 설명하면, 탑승자가 임의로 페달을 밟으면 구동력은 크랭크에 연결된 페달축(30)에 전달되고 다시 그 구동력은 차동 기어(40)로 전달된다. 즉, 페달측(30)의 구동력은 페달측기어(43)를 거쳐 유성기어(41)로 전달될 수 있다.
이 때, 외부의 센서가 매 순간의 무게중심 변화와 페달링 각속도와 토크등을 측정하고 마이컴이 제어에 알맞은 모터의 출력을 계산하여 제어모터부(50)를 제어한다. 제어모터부(50)가 발생시킨 동력은 차동 기어(40)으로 전달된다. 즉, 제어모터부(50)가 발생시킨 동력은 모터측기어(42)를 거쳐 유성기어(41)로 전달될 수 있다.
따라서, 상기 차동 기어(40)은 두 동력을 받아. 차동 기어의 작동원리에 따라 바퀴축(20)에 합산된 동력을 전달할 수 있고, 마이컴이 알맞게 제어한 동력이므로 바퀴는 적절한 구동력으로 구동할 것이며, 이로 인하여 외발 자전거(7)는 페달링이 가능한 동시에 쉽게 쓰러지지 않고 중심을 유지할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 기준 지지대
11: 모터측기준 지지대
12: 페달축기준 지지대
20: 바퀴축
30: 페달축
40: 차동 기어
50: 제어모터부
41: 모터측기어
42: 페달측기어
43: 유성기어

Claims (9)

  1. 외발 자전거의 프레임에 고정되는 기준 지지대;
    상기 기준 지지대에 지지되며, 페달에 연결되어 페달링 동력을 전달받는 페달축;
    상기 기준 지지대에 지지되며, 모터 동력을 생성하는 제어모터부;
    상기 제어모터부에 결합된 모터측기어, 상기 페달축에 결합된 페달측기어, 및 상기 모터측기어와 상기 페달측기어 각각에 맞물리는 유성기어를 포함하는 차동 기어; 및
    상기 차동 기어의 상기 유성기어에 맞물려 바퀴에 동력을 전달하는 바퀴축;
    를 포함하는, 차동 기어를 이용한 외발 자전거용 구동장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유성기어는 베벨기어이고, 상기 유성기어의 회전축이 상기 바퀴축과 직교하도록 상기 바퀴축과 차축으로 연결되는, 차동 기어를 이용한 외발 자전거용 구동장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 모터측기어는 평기어와 베벨기어가 일체를 이루도록 합쳐진 형상이고, 상기 페달축과 베어링연결되며, 상기 평기어 부분이 제어모터부의 구동력을 전달받고, 상기 베벨기어 부분이 상기 유성기어로 동력을 전달하도록 치합되는, 차동 기어를 이용한 외발 자전거용 구동장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 페달측기어는 베벨기어이고, 상기 페달축으로부터 동력을 받아 유성기어로 전달하도록 치합되는, 차동 기어를 이용한 외발 자전거용 구동장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어모터부는 제어모터와 작동기어로 구성되어 있고, 기준 지지대에 장착되어 고정되어 있으며, 모터측기어에 제어 동력을 전달하도록 연결되는, 차동 기어를 이용한 외발 자전거용 구동장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 페달축은 상기 차동 기어를 관통하는 샤프트이고, 상기 페달측기어와 연결되어 외부 동력을 전달받도록 연결되는, 차동 기어를 이용한 외발 자전거용 구동장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 바퀴축은 상기 유성 기어를 둘러싸는 속이 빈 파이프와 같은 형상이고, 기준 지지대과 베어링으로 연결되며, 유성기어와 차축으로 연결되어 있고, 상기 유성기어로부터 전달받은 동력을 바퀴에 전달하도록 연결되는, 차동 기어를 이용한 외발 자전거용 구동장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준 지지대은 두 개의 부품으로 구성된, 중앙에 샤프트가 관통하는 구멍이 뚫린 형상이고, 바퀴의 양쪽에 위치하며, 바퀴축과 페달축에 각각 베어링으로 연결되어 상기 바퀴축과 상기 페달축의 축을 지지하는, 차동 기어를 이용한 외발 자전거용 구동장치.
  9. 제 1 항 내지 제 9 항에 따른 차동 기어를 이용한 외발 자전거용 구동장치를 포함하는, 외발 자전거.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190073141A (ko) * 2017-12-18 2019-06-26 (주)젠아트 급가속 장치

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