KR20190135660A - 유성기어장치와 자석의 자력을 이용한 자전거 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자전거의 가속 동력전달장치에 관한 것으로 좌우한쌍의 크랭크암(12)에 연결된 페달(11)과 좌우한쌍의 크랭크암에 결합하는
폐달중심축(13) 페달중심축과 치합하는 페달측고정자(15),회전자(16):
폐달중심축 중공상에 위치하는 다수의 유성기어(21), 링기어(22), 유성기어 캐리어(23), 핀공(24), 유성기어를 결합시키는 유성기어조합 동심원판(25)으로 구성된 동력변속장치;
폐달중심축(13) 중공상에 위치하여 유성기어와 치합결속되어 가속출력을 얻는 태양기어(31)와 태양기어의 돌출부분(32)과 연결결합되어 뒷바퀴축에 체인을 매개로 동력을 연결시키는 체인링(33 );
원통안쪽에 기어산이 만들어져 가속동력장치의 링기어 역할, 원통안쪽에 일정거리 이격되어 설치되는 고정자역할 및 자전거 프레임에 고정·지지 역할을 하는 원통허브(41)로 이뤄진 제1가속동력구동장치.
후륜구동측에 후륜허브(54), 후륜중심축(55), 한방향동력전달장치(57),영구자석(51)과 후륜측고정자(52), 회전자(53)로 이뤄진 제2가속동력구동장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 자전거.

Description

유성기어장치와 자석의 자력을 이용한 자전거{planetary gears and magnet using bicycle}

본 발명은 페달과 연관된 부분에는 자석의 자력 및 유성기어장치를 이용한 제1가속동력구동장치를 후륜바퀴측 부분에는 자석의 자력만을 이용한 제2가속동력구동장치를 설치하여 구동바퀴의 회전력을 증가시켜 주행속도를 향상시키고 자전거 이용자의 폐달 밟는 힘을 절약하는 것을 특징으로 함과 제1, 제2가속구동장치만을 별도로 기존 자전거에 설치할 수 있는 것을 특징으로한 자전거에 관한 것이다.

자전거는 교통수단으로 주로 이용되지만 최근에는 레저활동 및 운동을 통한 신체단련 목적으로도 많이 사용되고 있다.

일반적으로 자전거는 페달을 돌려 중심축이 회전함으로써 동력원이 발생되고 중심축에 연결된 체인링을 통해 뒷바퀴구동축에 체인을 매개로 동력이 전달되어 추진력을 얻는다. 즉, 자전거 이용자의 폐달링에 의한 힘을 이용하여 주행하는 것으로 평지에서는 주행에 큰 어려움이 없으나 경사지등을 주행시에는 많은 힘을 필요로 하게 된다.

최근에는 자전거의 속도를 증가시키기 위해 일반자전거는 페달측 구동체인링 및 구동뒷바퀴측에 각각 직경이 다른 다단의 체인기어를 두어 변속기로, 체인의 위치를 변경할 수 있도록 하여, 다양한 속도를 낼 수 있도록 하고. 전기자전거는 밧데리의 동력을 사용하여 전기모터를 구동시킴으로서, 속도를 낼 수 있도록 하고 있다.

속도를 증가시키기 위해서는 페달을 빨리 밟아 신속하게 회전시켜 줘야하고, 페달에 접한 체인링은 크고 뒷바퀴 체인기어는 작아야 한다. 또한, 언덕이나 경사진 길을 주행하기 위해서는 페달 쪽 체인링은 작고 뒷바퀴 체인기어는 커야 힘이 덜 소모된다.

이럴 경우, 똑같은 거리를 주행 시 기존 자전거는 잦은 변속작용을 해야 하는 불편과, 변속트러블이 발생하기 쉬우며, 전기자전거 동력전달장치는 전기코일, 감속기 등으로 허브가 커지고, 밧데리등으로 무게가 증가된다는 점, 충전이 필요하다는 점, 충전시 전기를 필요로 한다는 면에서, 가장 친환경적인 교통수단에 어긋난다는 점이다.

실용신안문헌에는 상기 가속문제를 해결하기 위한 방법에서 페달을 통한 입력동력이 링기어, 유성기어, 태양기어를 이용한 공전운동과 자전운동을 실행하여 출력장치인 태양기어를 통해 회전체를 작동시키고 있다. 그러나 실용신안문헌에는 일반적으로 알려져 있는 유성기어 변속장치를 체인으로 구동치 않는 유아 및 어린이용 세발자전거, 외발자전거와 같이 페달과 구동바퀴가 하나의 축에 설치된 자전거에 접목되어 사용되기에 자전거에 국한된 설계에만 실시가 가능하며 실질 주동력이 페달에서만 이루어지므로 속도향상이 그다지 크지 못하다는 단점이 있다.

실용신안문헌 : 대한민국 등록 실용신안 20-0418803 (등록일자 2006년 6월 8일) 제목 : 유성기어 장치를 사용한 자전거의 구동장치

상기 문제점을 해결하고자 하는 본 발명의 주목적은 페달의 구동으로 움직이는 폐달중심축(13)상에 유성기어, 링기어, 태양기어의 결합으로 체인링(33)의 회전수를 증가시켜 기존 자전거의 주행속도를 높이기 위한 잦은 변속을 줄이고, 폐달측,후륜바퀴측에 영구자석의 자력힘을 이용, 회전력을 키움으로서, 밧데리구입, 충전등 전기자전거의 단점을 해소코자 한다.

기존 자전거의 경우 페달의 1회전 시 중심축에 결합된 체인링(33)도 1회전뿐이나 상기과제를 달성하기 위한 본 발명의 제1가속동력구동장치는, 링기어를 고정시키고 유성기어를 이용한 캐리어를 회전시키면 유성기어와 태양기어의 기어비 조합에 의해 회전이 증가한 다양한 회전출력을 얻을 수 있다. 태양기어의 증가한 회전축력의 끝단에 체인링을 연결하면 체인을 매개로 뒷바퀴 구동장치에 증가한 회전력이 전달된다.

제1가속동력구동장치에 의한 구동회전력이 후륜측 다단체인기어(57)에 전달되면 다단체인기어와 치합되어 있는 구동휠이 회전하는데, 자전거 이용자의 체중, 자전거무게, 도로조건(경사지등)에 따라 회전력이 감소하게 된다. 감소하는 회전력을 영구자석(51)의 자력을 이용한 고정자(52), 회전자(53)의 결합으로 이뤄진 제2가속동력구동장치가 작동함으로서 속도가 일정 지속되도록 함으로서 폐달링을 밟는 힘을 적게 들일 수 있다. 또한, 영구자석의 자력을 이용한 폐달중심축(13)과 치합하는 회전자(16), 페달측 허브(41)내경에 자석을 이용한 고정자를 허브안에 설치하면 자력의 상호 밀고 당기는 힘에 의해 페달의 회전을 증가시키고 페달링에 드는 힘도 역시 감소시킬 수 있다.

유성기어를 이용한 제1가속동력구동장치, 영구자석의 자력힘을 이용한 제1, 제2가속동력구동장치를 자전거 동력원으로 사용함으로써 지역도로특성, 이용자의 이용목적에 맞는 속력이 증가되고 힘이 큰 토크로 똑같은 거리를 주행할 시 시간이 절약되고 힘이 덜 들게 되며, 제1, 제2가속동력구동장치를 기존 자전거에 간단하게 부착하여 사용할 수 있음으로 경제적 비용 절감 효과와 레저 취미 생활의 즐거움을 얻을 수 있다.

제 1도 본 발명의 자전거용 페달측 가속동력구동장치의 결합상태를 나타낸 사시도.
제 2도 본 발명의 자전거용 제1가속동력구동장치의 결합상태를 나타낸 단면도
제 3도 본 발명의 자전거용 가속동력구동장치의 폐달중심축과 유성기어 작동상태도
제 4도 본 발명의 자전거용 를 나타낸 제1가속동력구동장치의 허브, 회전자,고정자 작동상태도
제 5도 본 발명의 자전거용 고정자가 후륜중심축에 고정되는 제2가속동력구동장치의 결합상태를 나타낸 사시도
제 6도 본 발명의 자전거용 고정자가 후륜 프레임에 고정되는 제2가속동력구동장치의 결합상태를 나타낸 사시도
제 7도 본 발명의 자전거용 가속동력구동장치의 자력 작동 상태를 설명키 위한 단면도

상기 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 도면을 참고하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시예는 하나의 발명을 설명하기 위한 것으로 권리범위는 실시예에 한정하지 아니하고, 예시된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만 확대 도시하고 부수적인 것은 생략하였으므로 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.

도1은 페달측 가속동력구동장치 결합 사시도이고, 도2는 제1가속동력구동장치의 유성기어 결합상태를 나타낸 단면도이며, 제1가속동력구동장치는 사람의 발힘으로 1차 동력을 발생시키는 복수로 구성된 페달(11)과 크랭크암(12), 폐달중심축(13), 가이드캠(14), 페달측고정자(허브안에 설치 15), 페달측회전자(16)으로 구성된 동력입력부

다양한 가속동력구동장치를 실현시키는 다수의 유성기어(21), 유성기어와 유성기어캐리어(23)를 연결시키는 축핀, 핀공(24), 유성기어와 유성기어캐리어를 연결시키는 캐리어동심원판(25)으로 구성된 동력변속부.

중심축 중공상에 위치하여 유성기어와 치합결속되어 가속출력을 얻는 태양기어(31)와 태양기어의 한쪽 끝단(32)에 결합되어 뒷바퀴 축에 체인을 매개로 동력을 연결시키는 체인링 (33)으로 구성된 동력출력부.

허브 몸통 안쪽에 기어산이 만들어져 가속동력구동장치의 링기어(22)역할, 몸통 내경안에 링기어와 일정거리 이격되어 영구자석이 설치되고, 자전거 프레임에 고정·지지역할을 하는 원형허브(41), 원형허브 몸통커버(42), 허브와 페달중심축이 원활하게 회전하게 돕는 베아링이 삽입된 베어링망(43)으로 이뤄진 동력고정부로 구성한다.

동력입력부는 폐달중심축(13) 양 끝단을 사각으로 형성하여 크랭크암(12)을 고정시키는 수놈 역할을 하도록 하고 크랭크암의 한쪽은 사각으로 형성된 중심축(13) 끝단에 삽입, 고정시키고 다른 한쪽은 암나사로 이뤄진 동공에 페달의 수나사가 결합하도록 구성하고 폐달의 구름작용시 중심축이 좌.우로 이격하지 않도록 가이드캠(14)를 중심축(13) 좌우에 설치하며, 페달중심축의 한쪽은 유성기어캐리어(23)의 중공상의 사각면과 치합되며, 일정거리 이격되어 페달측회전자(16)의 중공상의 사각면과 치합된다.

동력변속부는 중심축의 중공상에 위치하며 다수의 유성기어(21)가 유성기어캐리어(23)에 조합되며, 캐리어 한 쪽의 돌출된 동심원판은 폐달중심축(13)과 사각으로 물려서 치합되며, 사각면의 바깔원형은 태양기어(31)와 치합된다. 캐리어동심원판의 중심에서 동일거리 상에 유성기어수와 같은 동일간격의 핀공(24)을 내고 돌출되지 않은 다른 쪽 동심원판(25)에도 중심에서 동일거리 상에 동일간격의 핀공(24)을 내어 축핀을 끼우고 축핀중공 상에 유성기어(21)가 결합되도록 한다.

동력출력부는 폐달중심축(13)의 중공상에 위치하며 태양기어의 한쪽부분은 동력변속부의 유성기어와 치합되어 최종 동력원을 출력하며 유성기어와 맞닿지 않는 태양기어의 한쪽 끝단(32)에 체인링(33)을 결합시키되 체인링에는 체인을 끼워 후륜측 다단체인기어(57)와 연결되도록한다.

동력고정부는 다수의 유성기어와 연접되어 유성기어가 구동할 수 있도록 허브몸통(41)안쪽으로 기어산이 새겨져 링기어 역할을 하며 허브몸통 한쪽 방면은 중심축과 연동되도록 중심축 보다 아주 조금 큰 중공을 내고 또 다른 한쪽은 허브(41)안에 기어산을 만들 수 있고 다른 동력구동장치들이 안으로 인입될 수 있도록 허브와 같은 직경으로 만들되 태양기어의 동력출력접속부((32)에 체인링(33)이 결합되도록 태양기어 중심회전축 직경보다 크게 원형구멍을 낸 동심원판 허브몸통커버(42)로 이뤄지며 커버 끝 원형부분은 수나사를 새겨 허브(41) 끝단 암나사와 결합되어 고정되도록 한다. 또한, 허브는 내경안에 링기어(22)와 이격되어 자석 N극과 S극이 설치됨으로서 페달측고정자(15) 역할도 하는데 페달측회전자(16)와 상호작용하여 자전거 이용자의 발힘으로 돌리는 페달중심축(13)이 가속회전토록 하게 한다.

도3은 본 발명의 자전거용 가속동력구동장치의 폐달중심축과 유성기어 작동상태도를 나타낸 것으로 페달중심축과 유성기어캐리어가 사각으로 치합되며 자전거이용자의 발힘에 의한 회전력이 캐리어를 돌리면 기어비에 의해 캐리어의 1회전보다 태양기어의 회전이 같은 방향으로 더 빨리 회전하는 상태를 나타낸 것이다

제2가속동력구동장치는 후륜 다단체인기어(57) 반대편에 설치되는데 영구자석(51),고정자(52), 회전자(53)로 구성된다.

회전자,고정자에 영구자석을 결합하는 방식으로는 자력을 비자력물체(회전자,고정자)에 발라서 입히는 방식이 가장 좋으며, 차선책으로는 회전자,고정자에 원형돌출을 만들고 원형돌출된 부분에 동공(구멍)이난 영구자석을 끼우고 나사로 결합할 수도 있다.

도 7은 회전자,고정자가 영구자석의 배열에 따라 상호작용하여 회전자의 회전방향이 달라지는 작용을 설명키 위한 도면으로 도 7의3,4는 회전자를 후륜 다단체인기어가 물린 반대편 허브(54)상에 설치하고 고정자는 자전거프레임에 고정시킨 경우로서 도7의3은 회전자가 좌로 회전시 고정자,회전자의 자극배열을 나타낸 것이며, 도7의4는 회전자가 우로 회전시 고정자,회전자의 자극배열을 나타낸 것이며, 도7의1,2는 고정자를 후륜허브 중공상에 고정되는 후륜중심축(55)에 설치하고 회전자는 체인기어가 물린 반대편 허브(54)상에 설치한 것으로 도7의1은 회전자가 좌로 회전시 고정자,회전자의 자극배열을 나타낸 것이며, 도7의2는 회전자가 우로 회전시 고정자,회전자의 자극배열을 나타낸 것이다.

도4은 본 발명의 자전거용 제1가속동력구동장치의 허브, 회전자,고정자 작동상태도로 페달중심축(13)이 회전하면 중심축과 사각으로 치합되어 있는 페달측회전자(16)가 허브에 설치된 페달측고정자(15)와 자석의 자력에 의한 상호작용으로 가속회전력을 하는 상태를 나타낸 것이다. 제1가속동력구동장치에서의 페달측회전자(16)는 페달중심축과 치합되어 설치되나, 제2가속동력구동장치에서의 후륜측회전자(53)는 모두 후륜허브상에 설치된다.

도6은 후륜측고정자(52)가 자전거프레임(56)에 고정 설치되는 것을 나타낸 것으로 고정자의 원형 바깥쪽에 나사구멍을 내고 프레임에도 같은 수의 구멍을 낸뒤 볼트로 결합시킨다.

도5은 후륜측고정자(52)가 후륜허브 중공상에 위치한 수나사가 새겨진 후륜중심축(55) 한쪽 끝단부분에 설치되는 것을 나타낸 것으로 고정자 동공 내경에 암나사를 새겨 중심축의 수나사에 결합시키고 너트로 고정시킨다.

10. 동력입력부 11. 페달 12. 크랭크암 13. 폐달중심축 14,가이드 캠
15.페달측고정자 16.페달측회전자
20. 동력변속부 21. 유성기어 22. 링기어 23. 유성기어캐리어 24. 핀공
25. 유성기어조합 동심원판.
30. 동력출력부 31. 태양기어 32. 태양기어와 체인링 접속부 33. 체인링
40. 동력고정부 41. 원통허브 42. 허브몸통커버 43.베어링망
제2가속장치 부호 번호 : 51. 영구자석 52. 후륜측고정자 53. 후륜측회전자
54.후륜허브 55. 후륜중심축 56.프레임 57.다단체인기어 58.고정너트 59.콘너트
60.원웨이클러치(한방향동력전달장치)

Claims (6)

1. 좌우한쌍의 크랭크암(12)에 연결된 페달(11)과 좌우한쌍의 크랭크암에 결합하는 페달중심축(13) 페달중심축과 치합하는 페달측고정자(15),회전자(16):
   페달중심축 중공상에 위치하는 다수의 유성기어(21), 링기어(22), 유성기어 캐리어(23), 편공(24), 유성기어를 결합시키는 유성기어조합 동심원판(25)으로 구성된 동력변속장치;
   페달중심축(13) 중공상에 위치하여 유성기어와 치합결속되어 가속출력을 얻는 태양기어(31)와 태양기어의 돌출부분(32)과 연결결합되어 뒷바퀴축에 체인을 매개로 동력을 연결시키는 체인링(33 );
   원통안쪽에 기어산이 만들어져 가속동력장치의 링기어 역할, 원통안쪽에 일정거리 이격되어 설치되는 고정자역할 및 자전거 프레임에 고정·지지 역할을 하는 원통허브(41)로 이뤄진 제1가속동력구동장치.
   후륜구동측에 후륜허브(54), 후륜중심축(55), 한방향동력전달장치(57),영구자석(51)과 후륜측고정자(52), 회전자(53)로 이뤄진 제2가속동력구동장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 자전거.
2. 제 1항에 있어서 제1가속동력구동장치의 동력변속장치는 페달중심축(13)과 유성기어캐리어(23) 중공 안쪽면은 사각으로 결합되어 페달의 회전력이 캐리어에 전달되도록 하고 캐리어 바깥에는 태양기어(31)의 중공상의 원형과 접하도록 하여 페달중심축(13)의 회전력이 캐리어를 거쳐 다수의 유성기어와 회전력이 변속되어 태양기어(22)에 전달되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 자전거.
3. 제 1항에 있어서 가속동력구동장치는 자전거의 페달측에 제1가속동력구동장치만을 후륜구동측에 제2가속동력구동장치만을, 페달측,후륜구동측 양모두에 설치할 수 있는 것을 특징으로 하는 자전거.
4. 제 1항에 있어서 제1,제2가속동력구동장치의 고정자, 회전자에는 영구자석(51)이 일정간격 이격되어 설치되며 페달측 회전자(16)는 페달중심축에 치합되며(13), 후륜측 후륜 다단체인기어(57) 반대편에 고정 또는 부착되는 회전자(53)는 모두 후륜 허브와 결합되며, 고정자(52)의 결합방법에 따라 고정자 안쪽 또는 고정자 바깥쪽에 위치할 수 있는 것을 특징으로 하는 자전거.
5. 제 1항에 있어서 회전자,고정자에 동일한 간격으로 영구자석을 결합하는 방식으로는 회전자,고정자에 자력을 입히는 방법과 원형자,고정자에 자력을 만드는 개수만큼 원형돌출을 만들어 원형돌출된 부분에 동공이난 영구자석을 끼우고 나사로 결합하는 것을 특징으로 하는 자전거.
6. 제 3항에 있어서 영구자석의 당기는 힘과 밀어내는 힘이 최대로 작용토록 영구자석의 자극을 페달측,후륜측 회전자에서는 같은 자극끼리를 일정거리 균일한 지점에 설치하고, 페달측,후륜측 고정자는 N극과 S극을 맞닿거나, 인접하게 설치하되 회전자의 회전방향, 회전자에 설치된 자극에 따라 N/S, S/N으로 변경되며, 자전거 이용자의 체중, 자전거 본체 무게, 영구자석의 자력 강도에 따라, 영구자석의 극수조절을 하여 회전자의 회전력을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 자전거.

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