WO2014123320A1

WO2014123320A1 - 허브 내장형 다단 변속기

Info

Publication number: WO2014123320A1
Application number: PCT/KR2014/000737
Authority: WO
Inventors: 유혁; 정태진; 안성철
Original assignee: (주)엠비아이
Priority date: 2013-02-06
Filing date: 2014-01-27
Publication date: 2014-08-14
Also published as: KR101357220B1

Abstract

본 발명은 허브 내장형 다단 변속기에 관한 것으로서, 특히, 다수의 유성기어세트 및 원웨이 클러치를 이용하여 콤팩트한 내장형 변속기로 다단 변속을 구현하고, 특히 높은 변속비를 얻을 수 있는 동시에 강제 변속 기능을 이용하여 보다 정확한 변속이 이루어지도록 하기 위한 장치에 관한 것으로서, 차체에 고정된 샤프트(100)와, 상기 샤프트(100)의 외주에 회전 가능하게 위치하여 회전력을 입력받는 스프로켓(200) 및 회전력을 출력시키는 허브쉘(300)과; 상기 허브쉘(300)의 내부에 마련되는 태양기어, 유성기어, 캐리어, 링기어로 이루어진 유성기어세트와 원웨이 클러치로 이루어진 출력 클러치를 포함하여, 상기 스프로켓(200)으로 입력되는 회전력을 변속시켜 상기 허브쉘(300)로 출력시키는 변속부(400)와; 변속레버의 조작에 따라 상기 샤프트(100)에 마련된 폴을 컨트롤하여 상기 태양기어의 회전을 선택적으로 제한하여 변속을 제어하는 제어부(500)를 포함한 다단 변속기에 있어서; 상기 변속부(400)에는 저속 유성기어세트(410), 중속 유성기어세트(420), 그리고 고속 유성기어세트(430)가 마련되되; 상기 저속 유성기어세트(410)의 캐리어와 상기 중속 유성기어세트(420)의 캐리어는 상기 스프로켓(200)으로부터 회전력을 입력받아 회전하는 드라이버와 모두 일체를 이루어 중저속 캐리어(413)를 이루며; 상기 저속 유성기어세트(410)의 저속 유성기어(412)와 상기 중속 유성기어세트(420)의 중속 유성기어(422)는 상기 중저속 캐리어(413)의 방사상 소정 위상각 차이를 두고 위치하여 서로 치합하고; 상기 고속 유성기어세트(430)의 고속 캐리어(433)는 상기 중속 유성기어세트(420)의 중속 링기어(424)와 일체로 형성되며; 상기 고속 유성기어세트(430)의 고속 캐리어(433)와 상기 허브쉘(300) 사이에 제1출력 클러치(440)가 마련되며; 상기 고속 유성기어세트(430)의 고속 링기어(434)와 상기 허브쉘(300) 사이에 제2출력 클러치(450)가 마련되어, 제품의 상품성을 극대화시키고 변속 정확성을 크게 향상시킬 수 있도록 하는 것이다.

Description

허브 내장형 다단 변속기

본 발명은 허브 내장형 다단 변속기에 관한 것으로서 특히, 다수의 유성기어세트 및 원웨이 클러치를 이용하여 콤팩트한 내장형 변속기로 다단 변속을 구현하고, 특히 높은 변속비를 얻을 수 있는 동시에 강제 변속 기능을 이용하여 보다 정확한 변속이 이루어지도록 하기 위한 장치로써, 제품의 상품성을 극대화시키고 변속 정확성을 크게 향상시킬 수 있는 장치에 관한 것이다.

일반적으로 차륜이 마련되어져 인력을 전달받거나 혹은 전동력 등의 각종 구동력을 이용하여 주행하는 자전거, 휠체어, 자동차, 스쿠터 등의 운송장치에는 주행성능을 향상시키기 위한 변속기가 마련된다.

이러한 변속기는 탑승자 혹은 사용자의 조작에 따라 고속으로부터 저속에 이르기까지 다단으로 변속을 실시하여, 주행 환경에 따라 요구되는 토크 또는 속도를 얻을 수 있는 것이다.

특히, 최근에는 태양기어, 유성기어, 링기어, 그리고 캐리어로 이루어진 유성기어세트를 허브쉘 내에 마련하여 콤팩트한 구성을 통해 다단으로 속도를 변속하는 동시에 기어가 외부로 노출되는 것 또한 방지하고 있는 실정이다.

그러나, 유성기어세트를 이용하는 종래의 변속기는 복잡한 구조에 비해 변속단의 수가 적고, 부하 구동 주행 상태에서 변속 조작 시 구동부하에 의해 강하게 구속되어진 폴의 제어가 원활하지 않아 원활한 변속이 이루어지지 않고 있다는 종래 기술상의 문제점이 있었다.

본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 다수의 유성기어세트 및 원웨이 클러치를 이용하여 높은 변속비를 얻을 수 있는 다단의 내장형 변속기를 콤팩트하게 구성할 수 있어 제품의 상품성을 극대화시키고, 강제 변속 기능을 이용하여 보다 정확한 변속이 이루어지도록 함으로써 변속 정확성을 크게 향상시킬 수 있도록 하는 허브 내장형 다단 변속기를 제공하고자 한다.

이러한 본 발명은 차체에 고정된 샤프트와, 상기 샤프트의 외주에 회전 가능하게 위치하여 회전력을 입력받는 스프로켓 및 회전력을 출력시키는 허브쉘과; 상기 허브쉘의 내부에 마련되는 태양기어, 유성기어, 캐리어, 링기어로 이루어진 유성기어세트와 원웨이 클러치로 이루어진 출력 클러치를 포함하여, 상기 스프로켓으로 입력되는 회전력을 변속시켜 상기 허브쉘로 출력시키는 변속부와; 변속레버의 조작에 따라 상기 샤프트에 마련된 폴을 컨트롤하여 상기 태양기어의 회전을 선택적으로 제한하여 변속을 제어하는 제어부를 포함한 다단 변속기에 있어서; 상기 변속부에는 저속 유성기어세트, 중속 유성기어세트, 그리고 고속 유성기어세트가 마련되되; 상기 저속 유성기어세트의 캐리어와 상기 중속 유성기어세트의 캐리어는 상기 스프로켓으로부터 회전력을 입력받아 회전하는 드라이버와 모두 일체를 이루어 중저속 캐리어를 이루며; 상기 저속 유성기어세트의 저속 유성기어와 상기 중속 유성기어세트의 중속 유성기어는 상기 중저속 캐리어의 방사상 소정 위상각 차이를 두고 위치하여 서로 치합하고; 상기 고속 유성기어세트의 고속 캐리어는 상기 중속 유성기어세트의 중속 링기어와 일체로 형성되며; 상기 고속 유성기어세트의 고속 캐리어와 상기 허브쉘 사이에 제1출력 클러치가 마련되며; 상기 고속 유성기어세트의 고속 링기어와 상기 허브쉘 사이에 제2출력 클러치가 마련됨으로써 달성된다.

이때, 상기 샤프트에는 저속 폴, 중속 폴, 그리고 고속 폴이 폴자리부 내에 각각 위치하여, 링스프링에 의해 세워지도록 마련되는 것이 좋다.

그리고, 상기 제어부는 변속레버의 조작에 따라 인출되는 케이블이 연결되어 상기 샤프트의 외주면에 회전 가능하게 지지되는 케이블 연결부재와; 상기 케이블 연결부재의 내주면에 끼워맞춤 조립되는 중간 연결부재와; 상기 중간 연결부재의 내주면에 끼워맞춤 조립되어 일체로 회전 제어되는 각도 제어부재와; 상기 각도 제어부재에 연결되어 회전에 따라 상기 저속 폴, 중속 폴, 고속 폴을 제어하는 폴제어부재로 구성되는 것이 양호하다.

또한, 상기 저속 유성기어세트의 저속 태양기어는 상기 저속 폴에 의해 회전이 선택적으로 제한되며, 상기 중속 유성기어세트의 중속 태양기어는 상기 중속 폴에 의해 회전이 선택적으로 제한되고, 상기 고속 유성기어세트의 고속 태양기어는 상기 고속 폴에 의해 회전이 선택적으로 제한되되; 상기 폴제어부재의 내주면에는 홈부가 형성되어, 상기 폴제어부재의 회전에 따라 상기 저속 폴, 상기 중속 폴, 그리고 상기 고속 폴 중 어느 하나 이상이 상기 홈부로 빠져 나오는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 샤프트에 회전 불가능하게 조립된 콘 너트와 상기 각도 제어부재 사이에는 코일스프링이 연결되고; 상기 각도 제어부재의 결합홈 내에 상기 폴제어부재의 날개가 소정 유격을 가지고 위치하되, 상기 날개는 양측이 상기 각도 제어부재에 지지된 핀스프링의 양단에 지지되어 상기 결합홈의 중앙에 위치하도록 탄성 지지되는 것이 좋다.

마지막으로, 상기 제어부에는, 상기 각도 제어부재에 반경 방향으로 유동 가능하게 지지되는 롤러와; 상기 중저속 캐리어의 내주면에 형성된 일방향 경사 요홈으로 이루어진 강제 변속 수단이 마련되어, 상기 각도 제어부재와 상기 폴제어부재 사이에 위상각 차이가 발생함에 따라 상기 롤러가 그 외주에 위치하여 회전하는 중저속 캐리어의 내주면에 형성된 일방향 경사 요홈으로부터 내측으로 강제 이동하면서, 상기 중속 폴 또는 상기 고속 폴을 강제로 눕혀주는 강제 변속 기능을 갖는 것이 가장 바람직하다.

이상과 같은 본 발명은 다수의 유성기어세트 및 원웨이 클러치를 이용하여 높은 변속비를 얻을 수 있는 다단의 내장형 변속기를 콤팩트하게 구성할 수 있어 제품의 상품성을 극대화시키고, 강제 변속 기능을 이용하여 보다 정확한 변속이 이루어지도록 함으로써 변속 정확성을 크게 향상시킬 수 있는 발명인 것이다.

도 1은 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기를 도시하는 사시도,

도 2는 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기를 도시하는 정면도,

도 3은 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기를 도시하는 정단면도,

도 4는 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서 허브쉘을 분리한 분해사시도,

도 5는 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서 스프로켓을 분리한 분해사시도,

도 6은 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서 고속 유성기어세트를 분리한 분해사시도,

도 7은 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서 폴을 분리한 분해사시도,

도 8은 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서 유성기어세트의 횡단면도,

도 9는 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서 출력 클러치의 횡단면도,

도 10은 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서 제어부를 도시하는 사시도,

도 11은 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서 제어부의 분해사시도,

도 12는 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서 폴을 도시하는 사시도,

도 13은 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서, 폴제어부재의 회전에 따른 폴의 제어를 도시하는 우측면도,

도 14는 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서 강제 변속 수단을 도시하는 도,

도 15는 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서 제어부의 요부를 도시하는 분해사시도,

도 16은 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서 폴제어부재와 각도 제어부재의 위상각 차이의 발생을 도시하는 도,

도 17은 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서 2단에서 3단으로의 강제 변속 기능을 도시하는 도,

도 18은 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서 4단에서 3단으로의 강제 변속 기능을 도시하는 도,

도 19는 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서 3단에서 2단으로의 강제 변속 기능을 도시하는 도,

도 20은 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서 2단에서 1단으로의 강제 변속 기능을 도시하는 도.

[부호의 설명]

100 : 샤프트 101, 102, 103 : 폴자리부

200 : 스프로켓 300 : 허브쉘

301 : 홀 310 : 먼지커버

400 : 변속부 410 : 저속 유성기어세트

411 : 저속 태양기어 412 : 저속 유성기어

413 : 중저속 캐리어 420 : 중속 유성기어세트

421 : 중속 태양기어 422 : 중속 유성기어

424 : 중속 링기어 430 : 고속 유성기어세트

431 : 고속 태양기어 432 : 고속 유성기어

433 : 고속 캐리어 434 : 고속 링기어

440 : 제1출력 클러치 450 : 제2출력 클러치

500 : 제어부 510 : 케이블 연결부재

512 : 중간 연결부재 520 : 각도 제어부재

521 : 돌기 522 : 결합홈

523 : 조립공 530 : 폴제어부재

531, 532, 533a, 533b : 홈부 540 : 강제 변속 수단

541a, 541b, 541c : 롤러 901, 902 : 콘 너트

903, 904, 905 : 베어링

도 1은 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기를 도시하는 사시도이며, 도 2는 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기를 도시하는 정면도이고, 도 3은 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기를 도시하는 정단면도이다.

그리고, 도 4는 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서 허브쉘을 분리한 분해사시도이며, 도 5는 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서 스프로켓을 분리한 분해사시도이고, 도 6은 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서 고속 유성기어세트를 분리한 분해사시도이다.

또한, 도 7은 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서 폴을 분리한 분해사시도이며, 도 8은 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서 유성기어세트의 횡단면도로서, 도 8의 (a)는 저속 유성기어세트(410), 도 8의 (b)는 중속 유성기어세트(420), 그리고 도 8의 (c)는 고속 유성기어세트(430)를 각각 나타낸다.

그리고, 도 9는 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서 출력 클러치의 횡단면도로서, 도 9의 (a)는 제1출력 클러치(440)를 나타내며, 도 9의 (b)는 제2출력 클러치(450)를 나타낸다.

다음으로, 도 10은 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서 제어부를 도시하는 사시도이며, 도 11은 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서 제어부의 분해사시도이고, 도 12는 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서 폴을 도시하는 사시도이다.

또한, 도 13은 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서, 폴제어부재의 회전에 따른 폴의 제어를 도시하는 우측면도로서, 도 13의 (a)는 1단, 도 13의 (b)는 2단, 도 13의 (c)는 3단, 그리고 도 13의 (d)는 4단을 각각 나타낸다.

그리고, 도 14는 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서 강제 변속 수단을 도시하는 도로서, 도 14의 (a)는 중저속 캐리어(413)의 일방향 경사 요홈(413a)을 도시하는 도이며, 도 14의 (b)는 그 우측면도이다.

다음으로, 도 15는 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서 제어부의 요부를 도시하는 분해사시도이고, 도 16은 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서 폴제어부재와 각도 제어부재의 위상각 차이의 발생을 도시하는 도이다.

본 발명의 허브 내장형 다단 변속기는 다수의 유성기어세트 및 원웨이 클러치를 이용하여 콤팩트한 내장형 변속기로 변속비가 큰 다단 변속을 구현하고, 폴의 강제 변속 기능을 갖아 변속 정확성을 크게 향상시킬 수 있는 것을 그 기술상의 기본 특징으로 한다.

본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 허브 내장형 다단 변속기는 도 1 내지 도 20에 도시된 바와 같이, 차체에 고정된 샤프트(100)와, 상기 샤프트(100)의 외주에 회전 가능하게 위치하여 회전력을 입력받는 스프로켓(200) 및 회전력을 출력시키는 허브쉘(300)과; 상기 허브쉘(300)의 내부에 마련되는 태양기어, 유성기어, 캐리어, 링기어로 이루어진 유성기어세트와 원웨이 클러치로 이루어진 출력 클러치를 포함하여, 상기 스프로켓(200)으로 입력되는 회전력을 변속시켜 상기 허브쉘(300)로 출력시키는 변속부(400)와; 변속레버의 조작에 따라 상기 샤프트(100)에 마련된 폴을 컨트롤하여 상기 태양기어의 회전을 선택적으로 제한하여 변속을 제어하는 제어부(500)를 포함한 다단 변속기에 있어서; 상기 변속부(400)에는 저속 유성기어세트(410), 중속 유성기어세트(420), 그리고 고속 유성기어세트(430)가 마련되되; 상기 저속 유성기어세트(410)의 캐리어와 상기 중속 유성기어세트(420)의 캐리어는 상기 스프로켓(200)으로부터 회전력을 입력받아 회전하는 드라이버와 모두 일체를 이루어 중저속 캐리어(413)를 이루며; 상기 저속 유성기어세트(410)의 저속 유성기어(412)와 상기 중속 유성기어세트(420)의 중속 유성기어(422)는 상기 중저속 캐리어(413)의 방사상 소정 위상각 차이를 두고 위치하여 서로 치합하고; 상기 고속 유성기어세트(430)의 고속 캐리어(433)는 상기 중속 유성기어세트(420)의 중속 링기어(424)와 일체로 형성되며; 상기 고속 유성기어세트(430)의 고속 캐리어(433)와 상기 허브쉘(300) 사이에 제1출력 클러치(440)가 마련되며; 상기 고속 유성기어세트(430)의 고속 링기어(434)와 상기 허브쉘(300) 사이에 제2출력 클러치(450)가 마련된다.

우선 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 크게 샤프트(100), 스프로켓(200), 허브쉘(300), 변속부(400), 그리고 제어부(500)로 구성되어 있다.

상기 샤프트(100)는 변속이 요구되는 스쿠터, 자전거, 인력거 등(이하 '주행장치'라 한다)의 몸체에 그 양단이 고정 너트 등의 체결수단에 의해 회전 불가능하게 고정 지지된다.

이때, 상기 샤프트(100)는 부위에 따라 각기 다른 직경으로 형성되며, 특히 상기 샤프트(100)의 중앙 외주면에는 다수의 폴자리부(101)(102)(103)가 소정 위상차를 두고 오목하게 형성되어 있어 이후에 설명할 폴(501)(502)(503)이 각각 상기 폴자리부(101)(102)(103) 내에 위치하게 된다.

본 실시예에 있어서는 3개의 폴자리부(101)(102)(103)가 소정의 위상각 차를 두고 형성된 것이 도 13에 예시되어 있다.

이러한 샤프트(100)는 본 발명의 뼈대를 이루는 것으로, 이하에서 설명할 구성요소들은 모두 상기 샤프트(100)의 외주에 회전 가능하게 혹은 회전 불가능하게 마련되는 것이다.

다음으로 스프로켓(200)은 주행장치로부터 인력 또는 전동력 등의 회전력을 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 입력받는 구성으로, 상기 샤프트(100)의 일측에 회전 가능하게 마련된다.

이에 따라, 상기 스프로켓(200)은 예를 들어 체인과 같은 동력전달수단을 통해 외부로부터 구동력을 입력받는다.

그리고 허브쉘(300)은 상기 샤프트(100)의 최외곽에 위치하여 변속된 종동력을 주행장치의 바퀴 등으로 출력하는 구성인 것이다.

이러한 허브쉘(300)은 대략 원통 형상으로 이루어진 것으로, 그 외주에 바퀴의 살을 연결할 수 있는 다수의 홀(301)이 형성될 수 있으며, 도면상 좌측은 폐쇄된 반면 도면상 우측은 개방되어 이 개방부위를 통해 그 내부에 각종 구성요소를 삽입하여 조립할 수 있다.

상기 허브쉘(300)의 폐쇄된 좌측에는 상기 샤프트(100)에 결합한 콘 너트(902)와 베어링(904)이 마련되어, 상기 허브쉘(300)은 상기 샤프트(100)로부터 독립적으로 회전 가능하게 지지된다.

다음으로 변속부(400)는 상기 허브쉘(300) 내에 위치하여 상기 스프로켓(200)을 통해 입력되는 회전을 다단으로 변속한 후, 상기 허브쉘(300)을 통해 출력시키는 것으로, 다수의 유성기어세트 및 원웨이 클러치로 이루어진 출력 클러치를 포함한다.

본 실시예에 있어서는 3개의 유성기어세트, 즉 저속 유성기어세트(410), 중속 유성기어세트(420), 그리고 고속 유성기어세트(430)가 마련되고, 2개의 출력 클러치, 즉 제1출력 클러치(440) 및 제2출력 클러치(450)가 마련되어 4단의 변속비를 출력시키는 것을 예로 들어 이하에서 설명한다.

즉, 상기 변속부(400)는 저속 유성기어세트(410), 중속 유성기어세트(420), 그리고 고속 유성기어세트(430)를 포함하여, 스프로켓(200)으로부터 저속 유성기어세트(410) 또는 중속 유성기어세트(420)로 전달되어진 회전력을 변속하여 상기 고속 유성기어세트(430)에 전달하고, 상기 고속 유성기어세트(430)로부터 다시 한번 변속하여 제1출력 클러치(440) 또는 제2출력 클러치(450)를 통해 상기 허브쉘(300)로 출력 가능한 것이다.

따라서 본 실시예에 있어서는 상기 변속부(400)의 유성기어세트(410)(420)(430)에 의해 실질적인 변속이 이루어지며, 상기 출력 클러치(440)(450)를 통해 변속된 회전력이 허브쉘(300)로 출력되는 것이다.

각각의 상기 유성기어세트는 링기어, 캐리어, 유성기어, 태양기어를 포함하는 것으로, 유성기어는 상기 캐리어에 자전 가능하게 지지되며 상기 캐리어의 회전에 따라 공전하고, 상기 캐리어의 외측에 위치하는 링기어와 치합하는 동시에 상기 캐리어의 내측에 위치하는 태양기어와도 치합하고 있다.

이에 따라, 각각의 유성기어세트는 캐리어를 통해 회전력을 입력받아 유성기어를 거쳐 링기어로 회전력을 출력시킴으로써, 가속이 이루어지는 것이다.

따라서, 상기 저속 유성기어세트(410)는 도 7 및 도 8의 (a)와 같이 저속 태양기어(411), 저속 유성기어(412)를 포함하며, 저속 캐리어는 이후에 설명할 중속 캐리어 및 드라이버와 일체를 이루는 중저속 캐리어(413)로 마련되며, 저속 링기어는 별도로 마련되어 있지 않다.

그리고, 상기 중속 유성기어세트(420)는 도 7 및 도 8의 (b)와 같이 중속 태양기어(421), 중속 유성기어(422), 중속 링기어(424)를 포함하며, 중속 캐리어는 상기 저속 캐리어 및 상기 스프로켓(200)이 고정된 드라이버와 모두 일체를 이루어 중저속 캐리어(413)로 마련된다.

즉, 상기 저속 유성기어세트(410)와 상기 중속 유성기어세트(420)는 하나의 중저속 캐리어(413)를 서로 공유하게 되며, 특히, 상기 저속 유성기어(412)와 상기 중속 유성기어(422)는 상기 중저속 캐리어(413)의 방사상 소정 위상각 차이를 두고 위치하여 치합한 상태를 이루어 서로 맞물려 항상 반대방향으로 회전하게 된다.

이때, 상기 중저속 캐리어(413)는 상기 허브쉘(300)의 개방된 도면상 우측에 위치하되 상기 샤프트(100)에 결합한 콘 너트(901)와 베어링(903)이 마련되어, 상기 중저속 캐리어(413)는 상기 샤프트(100)로부터 회전 가능하게 지지된다.

이와 더불어, 상기 허브쉘(300)과 상기 중저속 캐리어(413)는 그 사이에 위치하는 베어링(905)에 의해 상호 독립적으로 회전 가능하게 마련되며, 도 3에 도시한 먼지커버(310)에 의해 이물질이 침입하는 것을 방지한다.

상술한 베어링(903)(904)(905)은 볼베어링을 예시하였지만, 미끄럼베어링 등 그 종류에 제한되지는 않는다.

또한, 상기 고속 유성기어세트(430)는 도 6 및 도 8의 (c)와 같이 고속 태양기어(431), 고속 유성기어(432), 고속 캐리어(433), 그리고 고속 링기어(434)를 포함하며, 이때 상기 고속 캐리어(433)는 상기 중속 유성기어세트(420)의 중속 링기어(424)와 일체로 이루어져 있다.

본 발명에 있어서 저속 태양기어(411), 중속 태양기어(421), 고속 태양기어(431)는 그 내주면에 형성된 내기어에 각각 저속 폴(501), 중속 폴(502), 고속 폴(503)이 세워질 경우, 각각의 폴(501)(502)(503)이 해당 태양기어(411)(421)(431)의 내기어에 치합함으로써, 해당 태양기어(411)(421)(431)의 회전이 선택적으로 제한되는 것이다.

이때, 상기 저속 폴(501), 중속 폴(502), 고속 폴(503)을 세우거나 눕히는 제어에 대해서는 이후 제어부(500)의 설명에서 상세히 하기로 한다.

따라서, 본 발명은 상기 태양기어(411)(421)(431)들의 회전 가능 여부에 따라 각각의 유성기어세트(410)(420)(430)에서 변속비가 변화하여 각기 다른 변속비로 변속이 이루어지는 것이다.

특히, 상술한 바와 같이 저속 유성기어세트(410)와 중속 유성기어세트(420)는 중저속 캐리어(413)를 공유하는 동시에, 저속 유성기어(412)와 중속 유성기어(422)가 서로 맞물려 있고, 중속 링기어(424)가 고속 유성기어세트(430)의 고속 캐리어(433)와 일체로 이루어져 있기 때문에, 상기 변속부(400)에 전달된 회전력은 저속 유성기어세트(410) 또는 중속 유성기어세트(420)로부터 고속 유성기어세트(430)에 전달되면서 2번 변속된 후 허브쉘(300)을 통해 출력되는 것이다.

그리고, 상기 변속부(400) 내에는 원웨이 클러치로 이루어진 출력 클러치(440)(450)가 마련되어 있어, 상기 출력 클러치(440)(450)의 내측에 위치하는 구성요소의 회전 속도가 외측에 위치하는 구성요소의 회전 속도보다 빠를 경우 내측에 위치하는 구성요소의 회전력을 외측에 위치하는 구성요소에 전달하게 된다.

반면에, 상기 출력 클러치(440)(450)의 내측에 위치하는 구성요소의 회전 속도가 외측에 위치하는 구성요소의 회전 속도보다 느릴 경우, 오버 러닝(over running)하면서 내측에 위치하는 구성요소의 회전력을 외측에 위치하는 구성요소에 전달하지 못하게 되는 것이다.

이와 같은 작동을 하는 출력 클러치(440)(450)는 본 실시예에 있어서 제1출력 클러치(440) 및 제2출력 클러치(450), 2개가 마련된다.

즉, 도 6 및 도 9의 (a)와 같이 고속 유성기어세트(430)의 고속 캐리어(433) 외주면과 상기 허브쉘(300) 내주면 사이에 제1출력 클러치(440)가 마련되며, 도 6 및 도 9의 (b)와 같이 상기 고속 유성기어세트(430)의 고속 링기어(434) 외주면과 상기 허브쉘(300) 내주면 사이에 제2출력 클러치(450)가 마련된다.

이에 따라, 최종적으로 변속된 회전력은 오직 제1출력 클러치(440) 또는 제2출력 클러치(450)를 통해 허브쉘(300)로 출력되는 것이다.

마지막으로, 상기 변속부(400)의 변속을 제어하는 제어부(500)에는 도 11 및 도 13에 도시한 바와 같이 3개의 폴, 즉 저속 폴(501), 중속 폴(502), 그리고 고속 폴(503)이 각각 상술한 샤프트(100)의 폴자리부(101)(102)(103) 내에 위치하게 되며, 이러한 폴(501)(502)(503)들은 미도시한 링스프링에 의하여 탄력적으로 세워지도록 위치한다.

즉, 본 발명에 있어서 상기 제어부(500)에는 상기 폴(501)(502)(503)을 컨트롤하는 폴제어부재(530)가 회전함에 따라 한 개 또는 다수의 폴(501)(502)(503)을 선택적으로 세우거나 눕혀 해당 태양기어(411)(421)(431)의 내기어에 치합 상태 또는 해제 상태로 컨트롤하여 변속을 제어하는 것이다.

이때, 각각의 폴(501)(502)(503)에는 도 12와 같이 제어부위(501a)(502a)(503a)와 걸림부위(501b)(502b)(503b)가 서로 다른 간격을 두고 돌출 형성되어 있는 것으로, 우선 상기 저속 폴(501)에는 도면상 우측 단부에 제어부위(501a)가 형성되어 있고, 이 제어부위(501a)로부터 이격되어 다시 걸림부위(501b)가 형성되어 있다.

그리고 상기 중속 폴(502)에는 제어부위(502a)와 걸림부위(502b) 사이의 간격이 상기 저속 폴(501)에 비하여 더 넓게 형성되고, 다시 상기 고속 폴(503)에는 제어부위(503a)와 걸림부위(503b) 사이의 간격이 상기 중속 폴(502)에 비해 한층 더 넓게 형성되어 있다.

즉, 상기 저속 폴(501)은 제어부위(501a)와 걸림부위(501b) 사이의 간격이 가장 좁은 반면 상기 고속 폴(503)은 제어부위(503a)와 걸림부위(503b) 사이의 간격이 가장 넓게 형성된다.

이에 따라, 각각의 폴(501)(502)(503)에 형성된 제어부위(501a)(502a)(503a)의 외측에는 폴제어부재(530)가 위치하게 되는 것이며, 걸림부위(501b)(502b)(503b)의 외측에는 태양기어(411)(421)(431)가 각각 위치하게 되는 것이다.

즉, 상기 폴제어부재(530)의 내주면에는 홈부(531)(532)(533a)(533b)가 형성되어, 상기 폴제어부재(530)의 회전에 따라 상기 저속 폴(501), 상기 중속 폴(502), 그리고 상기 고속 폴(503) 중 어느 하나 이상이 상기 홈부(531)(532)(533a)(533b)로 빠져 나오게 되는 것이다.

이때, 폴제어부재(530)에는 도 13에 도시한 바와 같이 상기 저속 폴(501) 및 상기 중속 폴(502)에 대응하여 하나씩의 홈부(531)(532)가 형성되어 있는 반면, 상기 고속 폴(503)에 대응하여 두 개의 홈부(533a)(533b)가 형성되어 있다.

이에 따라, 상기 폴제어부재(530)의 회전 각도에 따라 탄력적으로 세워지려 하는 폴(501)(502)(503)의 제어부위(501a)(502a)(503a)가 홈부(531)(532)(533a)(533b)에 위치할 경우, 상기 폴(501)(502)(503)의 걸림부위(501b)(502b)(503b)가 세워져 해당하는 태양기어(411)(421)(431)의 내주면에 형성된 내기어에 치합하여 상기 태양기어(411)(421)(431)의 회전을 제한하게 되는 것이다.

이때, 상기 폴제어부재(530)에는 도 13에 도시한 바와 같이 16도 회전마다 고속 폴(503)이 치합 또는 해제상태로 전환되도록 두 개의 홈부(533a)(533b)가 소정 각도 차이를 두고 형성되어 있고, 초기 각도로부터 32도 회전 후 상기 저속 폴(501)이 해제되고 상기 중속 폴(502)이 치합되도록 홈부(531)(532)가 형성되어 있다.

즉, 초기 상태, 즉 1단에서는 에서는 도 13의 (a)와 같이 저속 폴(501)이 폴제어부재(530)의 홈부(531)로 빠져 나오며, 폴제어부재(530)가 초기 위치로부터 반시계방향으로 16도 회전할 경우, 즉 2단에서는 도 13의 (b)와 같이 저속 폴(501) 및 고속 폴(503)이 각각 상기 폴제어부재(530)의 홈부(531)(533a)로 빠져 나오게 된다.

이후, 상기 폴제어부재(530)가 반시계방향으로 16도 더 회전할 경우, 즉 3단에서는 도 13의 (c)와 같이 중속 폴(502)만이 상기 폴제어부재(530)의 홈부(532)로 빠져 나오며, 상기 폴제어부재(530)가 반시계방향으로 16도 더 회전할 경우, 즉 4단에서는 도 13의 (d)와 같이 중속 폴(502) 및 고속 폴(503)이 각각 상기 폴제어부재(530)의 홈부(532)(533b)로 빠져 나오게 되는 것이다.

다음으로 사용자의 변속레버 조작이 상술한 폴제어부재(530)에 어떻게 전달되는지에 대하여 이하에서 살펴보기로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 제어부(500)는 도 10 및 도 11에 도시한 바와 같이 변속레버의 조작에 따라 인출되는 케이블이 연결되어 상기 샤프트(100)의 외주면에 회전 가능하게 지지되는 케이블 연결부재(510)와; 상기 케이블 연결부재(510)의 내주면에 끼워맞춤 조립되는 중간 연결부재(512)와; 상기 중간 연결부재(512)에 끼워맞춤 조립되어 일체로 회전 제어되는 각도 제어부재(520)와; 상기 각도 제어부재(520)에 연결되어 회전에 따라 상기 저속 폴(501), 중속 폴(502), 고속 폴(503)을 제어하는 폴제어부재(530)로 구성된다.

이때, 상기 케이블 연결부재(510)의 외주연에는 변속레버의 조작에 따라 당겨지는 미도시한 케이블이 연결되어 있어, 변속레버의 조작 시 상기 케이블 연결부재(510)가 회전하게 된다.

이에 따라 상기 케이블 연결부재(510)를 우측면에서 보았을 때, 변속레버의 가속 조작 시 반시계방향으로 회전하며, 감속 조작 시 시계방향으로 회전하게 된다.

그리고, 이 케이블 연결부재(510)의 내주면에는 중간 연결부재(512)가 위치하며, 상기 케이블 연결부재(510)의 내주면과 상기 중간 연결부재(512)의 외주면은 서로 치합하고 있어 상기 샤프트(100)의 외주면 상에서 일체로 회전하게 된다.

다음으로 상기 각도 제어부재(520)의 도면상 우측면에는 도 11과 같이 두 개의 돌기(521)가 돌출 형성되어 상기 중간 연결부재(512)의 내주면에 형성된 조립홈(512a)에 끼워맞춰져 상기 중간 연결부재(512)와 상기 각도 제어부재(520)는 일체로 회전하는 것이다.

이와 더불어, 상기 각도 제어부재(520)의 도면상 좌측에는 폴제어부재(530)가 연결되어 있어, 상기 각도 제어부재(520)의 회전에 따라 상기 폴제어부재(530)가 함께 회전하게 되어, 저속 폴(501), 중속 폴(502), 고속 폴(503) 중 어느 하나 이상을 선택적으로 세울 수 있는 것이다.

이때, 도 15 및 도 16에 도시한 바와 같이 상기 샤프트(100)에 회전 불가능하게 조립된 콘 너트(901)와 상기 각도 제어부재(520) 사이에는 코일스프링(501)이 연결되고; 상기 각도 제어부재(520)의 결합홈(522) 내에 상기 폴제어부재(530)의 날개(534)가 소정 유격을 가지고 위치하되, 상기 날개(534)는 양측이 상기 각도 제어부재(520)에 지지된 핀스프링(502)의 양단에 지지되어 상기 결합홈(522)의 중앙에 위치하도록 탄성 지지되는 것이 좋다.

즉, 상기 콘 너트(901)는 상술한 중저속 캐리어(413)를 베어링(903)을 매개로 샤프트(100)에 지지하기 위한 것으로, 이러한 콘 너트(901)의 도면상 좌측면에 조립공(901b)이 형성되어 있는 동시에 상기 각도 제어부재(520)의 도면상 우측면에도 조립공(523)이 형성되어 있어, 이러한 두 조립공(901b)(523)에 각각 코일스프링(501)의 양단이 삽입 고정된다.

이에 따라, 상기 각도 제어부재(520)는 항상 일방향으로 회전하려는 힘을 받게 되어, 변속레버의 조작에 따라 그 역방향으로 회전하였다가 상기 코일스프링(501)의 복원력에 의해 초기 각도로 복귀하게 되는 것이다.

따라서, 변속레버의 가속 조작 시 사용자의 조작력에 의해 상기 각도 제어부재(520)가 반시계방향으로 회전하는 반면, 감속 조작 시 상기 코일스프링(501)의 복원력에 의해 시계방향으로 회전하게 된다.

이때, 상기 콘 너트(901)의 내주면에는 소정 각도로 가이드홈(901a)이 형성되어 있어, 이 가이드홈(901a) 내에 상기 각도 제어부재(520)의 돌기(521)가 관통하여 위치하게 되어, 상기 각도 제어부재(520)의 최대 회전 각도를 제한할 수 있게 된다.

이와 더불어 상기 각도 제어부재(520)의 외주면에는 서로 마주보도록 2개의 결합홈(522)이 형성되어 있고, 이러한 결합홈(522) 내에 상기 폴제어부재(530)의 날개(534)가 위치하게 된다.

이때 상기 날개(534)의 폭은 상기 결합홈(522)의 폭보다 다소 좁게 형성되어 소정의 유격이 형성된다.

하지만, 상기 각도 제어부재(520)에는 지지돌기(524)에 지지되는 대략 W자 형상의 핀스프링(502)이 2개 마련되어 상기 결합홈(522)을 통과하여 돌출된 상기 날개(534)의 양단을 도 16과 같이 탄력적으로 지지하게 되는 것이다.

도 16은 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서 폴제어부재와 각도 제어부재의 위상각 차이의 발생을 도시하는 도로서, 도 16의 (a)는 감속 변속 시 폴이 태양기어에 강하게 맞물려 변속이 이루어지지 않은 상태를 도시하는 도이고, 도 16의 (b)는 변속이 이루어진 상태를 도시하는 도이며, 도 16의 (c)는 가속 변속 시 폴이 태양기어에 강하게 맞물려 변속이 이루어지지 않은 상태를 도시하는 도이다.

이에 따라, 상기 폴제어부재(530)의 날개(534)가 도 16의 (b)와 같이 상기 각도 제어부재(520)의 결합홈(522) 중앙에 위치하도록 탄성 지지하게 됨으로써, 상기 폴제어부재(530)에 별도의 외력이 작용하지 않는 상태에서는 상기 폴제어부재(530)가 상기 각도 제어부재(520)와 항상 함께 회전할 수 있도록 하게 된다.

그러나 부하 구동 상태에서는 폴이 태양기어에 강하게 맞물려 있을 경우, 폴이 샤프트(100)의 폴자리부 내로 눕혀지지 않아 도 16의 (a)나 (c)와 같이 변속이 원활하게 이루어지지 않는 현상이 발생할 우려가 있다.

이러한 현상은 변속레버의 조작에 따라 각도 제어부재(520)는 회전하였지만 상기 핀스프링(502)의 탄성력이 작용함에도 불구하고 폴제어부재(530)가 상기 각도 제어부재(520)와 함께 회전하지 못하여, 상기 각도 제어부재(520)와 상기 폴제어부재(530) 사이에 위상각 차이가 발생할 경우인 것이다.

이에 대비하여, 본 발명에서는 도 14에 도시한 바와 같이 강제 변속 수단(540)이 추가로 마련되는 것이 가장 바람직하다.

즉, 본 발명에 있어서, 상기 제어부(500)에는, 상기 각도 제어부재(520)에 반경 방향으로 유동 가능하게 지지되는 롤러(541a)(541b)(541c)와; 상기 중저속 캐리어(413)의 내주면에 형성된 일방향 경사 요홈(413a)으로 이루어진 강제 변속 수단(540)이 마련되어, 상기 각도 제어부재(520)와 상기 폴제어부재(530) 사이에 위상각 차이가 발생함에 따라 상기 롤러(541a)(541b)(541c)가 그 외주에 위치하여 회전하는 중저속 캐리어(413)의 내주면에 형성된 일방향 경사 요홈(413a)으로부터 내측으로 강제 이동하면서, 상기 중속 폴(502) 또는 상기 고속 폴(503)을 강제로 눕혀주는 강제 변속 기능을 갖는 것이 바람직하다.

즉, 상기 각도 제어부재(520)에는 상기 고속 폴(503)을 강제로 눕히기 위한 2개의 롤러(541a)(541b)와 상기 중속 폴(502)을 강제로 눕히기 위한 1개의 롤러(541c)가 마련되어 있다.

이는 본 발명의 실시예에 있어서 상기 고속 폴(503)은 세워지거나 눕혀지는 전환이 2번 이루어지는 반면, 상기 중속 폴(502)은 1번 이루어지기 때문인 것이다.

이 롤러(541a)(541b)(541c)는 상기 각도 제어부재(520)에 지지되는 것으로 반경방향 즉, 샤프트(100)의 중심을 향하는 안쪽과 그 반대 방향인 바깥 쪽으로 유동 가능하게 마련되어, 그 안쪽으로는 고속 폴(503) 또는 중속 폴(502)이 위치하고, 그 바깥쪽으로 상기 중저속 캐리어(413)의 내주면에 형성된 일방향 경사 요홈(413a)에 인접하여 위치하게 된다.

이에 따라, 변속 시 고속 폴(503)이 고속 태양기어(431)의 내기어에 강하게 맞물려 있거나 또는 중속 폴(502)이 중속 태양기어(421)의 내기어에 강하게 맞물려 있을 경우, 해당 폴에 접촉하여 바깥쪽으로 돌출되는 상기 롤러(541a)(541b)(541c)가 중저속 캐리어(413)의 일방향 경사 요홈(413a)에 닿게되어 안쪽으로 강제 이동하게 되는 것이다.

상술한 강제 변속의 작용을 2단에서 3단으로의 가속 변속 시와 4단에서 3단으로, 다시 3단에서 2단으로, 그리고 2단에서 다시 1단으로 감속 변속 시를 각각 설명하면 다음과 같다.

- 2단에서 3단으로의 가속 변속 시

도 17은 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서 2단에서 3단으로의 강제 변속 기능을 도시하는 도로서, 도 17의 (a)는 2단 상태를 나타내며, 도 17의 (b)는 3단으로의 가속 변속 시 각도 제어부재(520)는 반시계방향으로 회전하였으나 고속 폴(503)이 고속 태양기어(431)의 내기어에 강하게 맞물려 있어 폴제어부재(530)가 회전하지 못한 상태를 도시하는 도이고, 도 17의 (c)는 강제 변속 수단(540)에 의해 폴제어부재(530)가 반시계방향으로 회전하여 3단으로 변속이 완료된 상태를 나타낸다.

2단은 변속레버의 조작에 의해 각도 제어부재(520)가 초기 각도로부터 반시계방향으로 16도 회전한 상태이다.

이때, 고속 폴(503)은 도 17의 (a)와 같이 각도 제어부재(520)의 롤러(541a)(541b) 사이에 위치한다.

이후 3단으로의 가속 변속을 위해 변속레버를 조작하여 상기 각도 제어부재(520)를 반시계방향으로 16도 더 회전시켰으나, 고속 폴(503)이 고속 태양기어(431)의 내기어에 강하게 맞물려 있어 도 17의 (b)와 같이 폴제어부재(530)가 상기 각도 제어부재(520)와 함께 회전하지 못하게 된다.

그 결과, 상기 각도 제어부재(520)와 상기 폴제어부재(530) 사이에는 도 16의 (c)와 같이 위상각 차이가 발생하게 되어, 상기 고속 폴(503)은 상기 각도 제어부재(520)의 롤러(541b) 안쪽에 위치하게 된다.

이에 따라, 상기 롤러(541b)는 상기 각도 제어부재(520) 상에서 바깥쪽으로 돌출되며, 이와 같이 돌출된 롤러(541b)는 도 17의 (c)와 같이 그 바깥쪽에서 시계방향으로 회전하고 있는 중저속 캐리어(413)의 일방향 경사 요홈(413a)을 타고 안쪽을 향하여 강제로 눌리게 되는 것이다.

결과적으로, 세워져 있던 고속 폴(503)이 눕혀지게 되고, 이후 상기 각도 제어부재(520)와 위상차가 발생하였던 폴제어부재(530)는 핀스프링(502)에 의해 상기 각도 제어부재(520)와 동일하게 회전할 수 있게 됨으로써 도 16의 (b)와 같이 변속이 이루어질 수 있는 것이다.

- 4단에서 3단으로의 감속 변속 시

도 18은 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서 4단에서 3단으로의 강제 변속 기능을 도시하는 도로서, 도 18의 (a)는 4단 상태를 나타내며, 도 18의 (b)는 3단으로의 감속 변속 시 각도 제어부재(520)는 시계방향으로 회전하였으나 고속 폴(503)이 고속 태양기어(431)의 내기어에 강하게 맞물려 있어 폴제어부재(530)가 회전하지 못한 상태를 도시하는 도이고, 도 18의 (c)는 강제 변속 수단(540)에 의해 폴제어부재(530)가 시계방향으로 회전하여 3단으로 변속이 완료된 상태를 나타낸다.

4단은 변속레버의 조작에 의해 각도 제어부재(520)가 초기 각도로부터 반시계방향으로 48도 회전한 상태이다.

이때, 고속 폴(503)은 도 18의 (a)와 같이 각도 제어부재(520)의 도면상 우측 롤러(541b)보다 시계방향측에 위치한다.

이후 3단으로의 감속 변속을 위해 변속레버를 조작하여 상기 각도 제어부재(520)를 시계방향으로 16도 회전시켰으나, 고속 폴(503)이 고속 태양기어(431)의 내기어에 강하게 맞물려 있어 도 18의 (b)와 같이 폴제어부재(530)가 상기 각도 제어부재(520)와 함께 회전하지 못하게 된다.

그 결과, 상기 각도 제어부재(520)와 상기 폴제어부재(530) 사이에는 도 16의 (a)와 같이 위상각 차이가 발생하게 되어, 상기 고속 폴(503)은 상기 각도 제어부재(520)의 롤러(541b) 안쪽에 위치하게 된다.

이에 따라, 상기 롤러(541b)는 상기 각도 제어부재(520) 상에서 바깥쪽으로 돌출되며, 이와 같이 돌출된 롤러(541b)는 도 18의 (c)와 같이 그 바깥쪽에서 시계방향으로 회전하고 있는 중저속 캐리어(413)의 일방향 경사 요홈(413a)을 타고 안쪽을 향하여 강제로 눌리게 되는 것이다.

- 3단에서 2단으로의 감속 변속 시

도 19는 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서 3단에서 2단으로의 강제 변속 기능을 도시하는 도로서, 도 19의 (a)는 3단 상태를 나타내며, 도 19의 (b)는 2단으로의 감속 변속 시 각도 제어부재(520)는 시계방향으로 회전하였으나 중속 폴(502)이 중속 태양기어(421)의 내기어에 강하게 맞물려 있어 폴제어부재(530)가 회전하지 못한 상태를 도시하는 도이고, 도 19의 (c)는 강제 변속 수단(540)에 의해 폴제어부재(530)가 시계방향으로 회전하여 2단으로 변속이 완료된 상태를 나타낸다.

3단은 변속레버의 조작에 의해 각도 제어부재(520)가 초기 각도로부터 반시계방향으로 32도 회전한 상태이다.

이때, 중속 폴(502)은 도 19의 (a)와 같이 각도 제어부재(520)의 롤러(541c)보다 시계방향측에 위치한다.

이후 2단으로의 감속 변속을 위해 변속레버를 조작하여 상기 각도 제어부재(520)를 시계방향으로 16도 회전시켰으나, 중속 폴(502)이 중속 태양기어(421)의 내기어에 강하게 맞물려 있어 도 19의 (b)와 같이 폴제어부재(530)가 상기 각도 제어부재(520)와 함께 회전하지 못하게 된다.

그 결과, 상기 각도 제어부재(520)와 상기 폴제어부재(530) 사이에는 도 16의 (a)와 같이 위상각 차이가 발생하게 되어, 상기 중속 폴(502)은 상기 각도 제어부재(520)의 롤러(541c) 안쪽에 위치하게 된다.

이에 따라, 상기 롤러(541c)는 상기 각도 제어부재(520) 상에서 바깥쪽으로 돌출되며, 이와 같이 돌출된 롤러(541c)는 도 19의 (c)와 같이 그 바깥쪽에서 시계방향으로 회전하고 있는 중저속 캐리어(413)의 일방향 경사 요홈(413a)을 타고 안쪽을 향하여 강제로 눌리게 되는 것이다.

결과적으로, 세워져 있던 중속 폴(502)이 눕혀지게 되고, 이후 상기 각도 제어부재(520)와 위상차가 발생하였던 폴제어부재(530)는 핀스프링(502)에 의해 상기 각도 제어부재(520)와 동일하게 회전할 수 있게 됨으로써 도 16의 (b)와 같이 변속이 이루어질 수 있는 것이다.

- 2단에서 1단으로의 감속 변속 시

도 20은 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 있어서 2단에서 1단으로의 강제 변속 기능을 도시하는 도로서, 도 20의 (a)는 2단 상태를 나타내며, 도 20의 (b)는 1단으로의 감속 변속 시 각도 제어부재(520)는 시계방향으로 회전하였으나 고속 폴(503)이 고속 태양기어(431)의 내기어에 강하게 맞물려 있어 폴제어부재(530)가 회전하지 못한 상태를 도시하는 도이고, 도 20의 (c)는 강제 변속 수단(540)에 의해 폴제어부재(530)가 시계방향으로 회전하여 2단으로 변속이 완료된 상태를 나타낸다.

이때, 고속 폴(503)은 도 20의 (a)와 같이 각도 제어부재(520)의 도면상 좌측 롤러(541a)보다 시계방향측에 위치한다.

이후 1단으로의 감속 변속을 위해 변속레버를 조작하여 상기 각도 제어부재(520)를 시계방향으로 16도 회전시켰으나, 고속 폴(503)이 고속 태양기어(431)의 내기어에 강하게 맞물려 있어 도 20의 (b)와 같이 폴제어부재(530)가 상기 각도 제어부재(520)와 함께 회전하지 못하게 된다.

그 결과, 상기 각도 제어부재(520)와 상기 폴제어부재(530) 사이에는 도 16의 (a)와 같이 위상각 차이가 발생하게 되어, 상기 고속 폴(503)은 상기 각도 제어부재(520)의 롤러(541a) 안쪽에 위치하게 된다.

이에 따라, 상기 롤러(541a)는 상기 각도 제어부재(520) 상에서 바깥쪽으로 돌출되며, 이와 같이 돌출된 롤러(541a)는 도 20의 (c)와 같이 그 바깥쪽에서 시계방향으로 회전하고 있는 중저속 캐리어(413)의 일방향 경사 요홈(413a)을 타고 안쪽을 향하여 강제로 눌리게 되는 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 강제 변속 수단(540)은 롤러(541a)(541b)(541c)가 안쪽으로 이동하면서 눕혀지지 않은 고속 폴(503) 또는 중속 폴(502)을 샤프트(100)의 폴자리부(103)(102) 내로 강제 변속 시키게 되는 강제 변속 기능을 갖게 된다.

상술한 폴제어부재(530)의 제어 각도에 따라 상기 저속 폴(501), 중속 폴(502), 고속 폴(503)의 제어 상태는 도 13에 나타나 있으며 이를 도표로 정리하면 다음과 같다.

아래의 표 1에는 각각의 폴(501)(502)(503) 작동여부에 따른 출력 클러치(440)(450)의 회전력 전달 여부 또한 표시되어 있다.

표 1

단수	저속 폴	중속 폴	고속 폴	제1출력 클러치	제2출력 클러치
1	O	X	X	O	X
2	O	X	O	X	O
3	X	O	X	O	X
4	X	O	O	X	O

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기에 대한 작용을 최저속인 1단으로부터 최고속인 4단에 이르기까지 구분하여 설명하면 다음과 같다.

- 1단

1단은 변속레버의 조작이 없는 초기 상태로, 도 13의 (a)와 같이 오직 저속 폴(501)만이 폴제어부재(530)의 홈부(531) 내에 위치하도록 세워진 상태로 저속 태양기어(411)만이 구속된 상태이다.

이러한 상태에서 스프로켓(210)을 통해 구동력이 전달되면 중저속 캐리어(413)가 회전하게 된다.

이에 따라, 상기 중저속 캐리어(413)에 지지된 저속 유성기어세트(410)의 저속 유성기어(412)가 고정된 저속 태양기어(411)와 치합하여 회전하게 되며, 상기 저속 유성기어(412)에 맞물린 중속 유성기어세트(420)의 중속 유성기어(422)가 연동하여 반대방향으로 회전하게 된다.

이때, 중속 태양기어(421)는 구속되지 않기 때문에 아이들 회전하게 됨으로써, 상기 중속 유성기어(422)는 자전과 동시에 공전을 하여 중속 링기어(424)에 저속의 회전력이 전달되는 것이다.

이러한 중속 링기어(424)는 고속 유성기어세트(430)의 고속 캐리어(433)와 일체로 이루어져 있어 함께 회전하게 되며, 이때 고속 태양기어(431)는 구속되지 않기 때문에 고속 유성기어(432) 또한 아이들 회전하게 됨으로써, 상기 고속 캐리어(433)의 회전력이 제2출력 클러치(450)에 전달되지 못하고 제1출력 클러치(440)를 통해 허브쉘(300)로 출력되는 것이다.

정리하면, 1단에서는 저속 폴(501)이 저속 태양기어(411)를 구속함에 따라, 스프로켓(210)→중저속 캐리어(413)→저속 유성기어(412)→중속 유성기어(422)→중속 링기어(424)→고속 캐리어(433)→제1출력 클러치(440)→허브쉘(300)로 회전력이 전달되어 최저속으로 출력이 이루어지게 된다.

- 2단

2단은 변속레버가 도면상 우측에서 보았을 때 초기 위치로부터 반시계방향으로 16도 회전하여 저속 폴(501)과 고속 폴(503)이 도 13의 (b)와 같이 각각 폴제어부재(530)의 홈부(531)(533a) 내에 위치하도록 세워진 상태로 저속 태양기어(411) 및 고속 태양기어(431)가 구속된 상태이다.

이에 따라, 상기 중저속 캐리어(413)에 지지된 저속 유성기어세트(410)의 저속 유성기어(412)가 고정된 저속 태양기어(411)와 치합하여 회전하게 되며, 상기 저속 유성기어(412)에 맞물린 중속 유성기어세트(420)의 중속 유성기어(422)가 연동하여 회전하게 된다.

이러한 중속 링기어(424)는 고속 유성기어세트(430)의 고속 캐리어(433)와 일체로 이루어져 있어 함께 회전하게 되며, 이때 고속 태양기어(431)가 구속되어 있기 때문에, 상기 고속 캐리어(433)의 회전력에 의해 고속 유성기어(432) 및 고속 링기어(434)가 회전하게 되며, 이에 따라 제2출력 클러치(450)를 통해 허브쉘(300)로 출력되는 것이다.

이때, 상기 제1출력 클러치(440)로부터 허브쉘(300)로 전달되는 회전속도는 상기 제2출력 클러치(450)로부터 허브쉘(300)로 전달되는 회전속도 보다 느리기 때문에 상기 제1출력 클러치(440)는 허브쉘(300)에 회전력을 전달하지 못하게 된다.

정리하면, 2단에서는 저속 폴(501) 및 고속 폴(503)이 각각 저속 태양기어(411) 및 고속 태양기어(431)를 구속함에 따라, 스프로켓(210)→중저속 캐리어(413)→저속 유성기어(412)→중속 유성기어(422)→중속 링기어(424)→고속 캐리어(433)→고속 유성기어(432)→고속 링기어(434)→제2출력 클러치(450)→허브쉘(300)로 회전력이 전달되어 저속으로 출력이 이루어지게 된다.

- 3단

3단은 변속레버가 도면상 우측에서 보았을 때 반시계방향으로 16도 더 회전하여 초기 위치로부터 32도 회전한 상태로, 도 13의 (c)와 같이 오직 중속 폴(502)만이 폴제어부재(530)의 홈부(532) 내에 위치하도록 세워진 상태로 중속 태양기어(421)가 구속된 상태이다.

이에 따라, 상기 중저속 캐리어(413)에 지지된 중속 유성기어세트(420)의 중속 유성기어(422)가 고정된 중속 태양기어(421)와 치합하여 회전하게 되며, 상기 중속 유성기어(422)에 맞물린 저속 유성기어세트(410)의 저속 유성기어(412)가 연동하여 회전하게 된다.

이때, 저속 태양기어(411)는 구속되지 않기 때문에 아이들 회전하게 됨으로써, 상기 중속 유성기어(422)는 자전과 동시에 공전을 하여 중속 링기어(424)에 고속의 회전력이 전달되는 것이다.

이러한 중속 링기어(424)는 고속 유성기어세트(430)의 고속 캐리어(433)와 일체로 이루어져 있어 함께 회전하게 되며, 이때 고속 태양기어(431)는 구속되지 않기 때문에 고속 유성기어(432) 또한 아이들 회전하게 되어, 상기 고속 캐리어(433)의 회전력이 제2출력 클러치(450)에 전달되지 못하고 제1출력 클러치(440)를 통해 허브쉘(300)로 출력되는 것이다.

정리하면, 3단에서는 중속 폴(502)이 중속 태양기어(421)를 구속함에 따라, 스프로켓(210)→중저속 캐리어(413)→중속 유성기어(422)→중속 링기어(424)→고속 캐리어(433)→제1출력 클러치(440)→허브쉘(300)로 회전력이 전달되어 고속으로 출력이 이루어지게 된다.

- 4단

4단은 변속레버가 도면상 우측에서 보았을 때 반시계방향으로 16도 더 회전하여 초기 위치로부터 48도 회전한 상태로, 도 13의 (d)와 같이 중속 폴(502)과 고속 폴(503)이 폴제어부재(530)의 홈부(532)(533b) 내에 위치하도록 세워진 상태로 중속 태양기어(421) 및 고속 태양기어(431)가 구속된 상태이다.

이때, 저속 태양기어(411)는 구속되지 않기 때문에 아이들 회전하게 됨으로써, 상기 중속 유성기어(422)는 자전과 동시에 공전을 하여 중속 링기어(424)에 회전력이 전달되는 것이다.

정리하면, 4단에서는 중속 폴(502) 및 고속 폴(503)이 각각 중속 태양기어(421) 및 고속 태양기어(431)를 구속함에 따라, 스프로켓(210)→중저속 캐리어(413)→중속 유성기어(422)→중속 링기어(424)→고속 캐리어(433)→고속 유성기어(432)→고속 링기어(434)→제2출력 클러치(450)→허브쉘(300)로 회전력이 전달되어 최고속으로 출력이 이루어지게 된다.

따라서, 본 발명의 허브 내장형 다단 변속기는 3개의 유성기어세트(410)(420)(430)와 2개의 출력 클러치(440)(450)를 이용하여 다단의 변속기를 보다 콤팩트하게 높은 변속비로 구현할 수 있어 제품의 상품성을 향상시키고, 변속레버의 조작에 따라 폴제어부재(530)를 제어하여 회전력의 전달경로를 변경시킴으로써 최대 4배의 다양한 변속비를 얻을 수 있다는 가장 큰 이점을 지닌 발명인 것이다.

특히, 강제 변속 수단(540)에 의해 강제 변속 기능을 가짐으로써 변속 조작 시 폴(502)(503)을 강제로 눕혀주게 됨으로써 변속이 원활하게 이루어지도록 하여 변속 정확도를 크게 향상시킬 수 있는 발명인 것이다.

상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명의 범위는 상기의 도면이나 실시예에 한정되지 않는다.

Claims

차체에 고정된 샤프트(100)와, 상기 샤프트(100)의 외주에 회전 가능하게 위치하여 회전력을 입력받는 스프로켓(200) 및 회전력을 출력시키는 허브쉘(300)과;

상기 허브쉘(300)의 내부에 마련되는 태양기어, 유성기어, 캐리어, 링기어로 이루어진 유성기어세트와 원웨이 클러치로 이루어진 출력 클러치를 포함하여, 상기 스프로켓(200)으로 입력되는 회전력을 변속시켜 상기 허브쉘(300)로 출력시키는 변속부(400)와;

변속레버의 조작에 따라 상기 샤프트(100)에 마련된 폴을 컨트롤하여 상기 태양기어의 회전을 선택적으로 제한하여 변속을 제어하는 제어부(500)를 포함한 다단 변속기에 있어서;

상기 변속부(400)에는 저속 유성기어세트(410), 중속 유성기어세트(420), 그리고 고속 유성기어세트(430)가 마련되되;

상기 저속 유성기어세트(410)의 캐리어와 상기 중속 유성기어세트(420)의 캐리어는 상기 스프로켓(200)으로부터 회전력을 입력받아 회전하는 드라이버와 모두 일체를 이루어 중저속 캐리어(413)를 이루며;

상기 저속 유성기어세트(410)의 저속 유성기어(412)와 상기 중속 유성기어세트(420)의 중속 유성기어(422)는 상기 중저속 캐리어(413)의 방사상 소정 위상각 차이를 두고 위치하여 서로 치합하고;

상기 고속 유성기어세트(430)의 고속 캐리어(433)는 상기 중속 유성기어세트(420)의 중속 링기어(424)와 일체로 형성되며;

상기 고속 유성기어세트(430)의 고속 캐리어(433)와 상기 허브쉘(300) 사이에 제1출력 클러치(440)가 마련되며;

상기 고속 유성기어세트(430)의 고속 링기어(434)와 상기 허브쉘(300) 사이에 제2출력 클러치(450)가 마련되는 것을 특징으로 하는 허브 내장형 다단 변속기.
제1항에 있어서, 상기 샤프트(100)에는 저속 폴(501), 중속 폴(502), 그리고 고속 폴(503)이 폴자리부(101)(102)(103) 내에 각각 위치하여, 링스프링에 의해 세워지도록 마련되는 것을 특징으로 하는 허브 내장형 다단 변속기.
제2항에 있어서, 상기 제어부(500)는

변속레버의 조작에 따라 인출되는 케이블이 연결되어 상기 샤프트(100)의 외주면에 회전 가능하게 지지되는 케이블 연결부재(510)와;

상기 케이블 연결부재(510)의 내주면에 끼워맞춤 조립되는 중간 연결부재(512)와;

상기 중간 연결부재(512)에 끼워맞춤 조립되어 일체로 회전 제어되는 각도 제어부재(520)와;

상기 각도 제어부재(520)에 연결되어 회전에 따라 상기 저속 폴(501), 중속 폴(502), 고속 폴(503)을 제어하는 폴제어부재(530)로 구성되는 것을 특징으로 하는 허브 내장형 다단 변속기.
제3항에 있어서, 상기 저속 유성기어세트(410)의 저속 태양기어(411)는 상기 저속 폴(501)에 의해 회전이 선택적으로 제한되며, 상기 중속 유성기어세트(420)의 중속 태양기어(421)는 상기 중속 폴(502)에 의해 회전이 선택적으로 제한되고, 상기 고속 유성기어세트(430)의 고속 태양기어(431)는 상기 고속 폴(503)에 의해 회전이 선택적으로 제한되되;

상기 폴제어부재(530)의 내주면에는 홈부(531)(532)(533)가 형성되어, 상기 폴제어부재(530)의 회전에 따라 상기 저속 폴(501), 상기 중속 폴(502), 그리고 상기 고속 폴(503) 중 어느 하나 이상이 상기 홈부(531)(532)(533)로 빠져 나오는 것을 특징으로 하는 허브 내장형 다단 변속기.
제4항에 있어서, 상기 샤프트(100)에 회전 불가능하게 조립된 콘 너트(901)와 상기 각도 제어부재(520) 사이에는 코일스프링(501)이 연결되고; 상기 각도 제어부재(520)의 결합홈(522) 내에 상기 폴제어부재(530)의 날개(534)가 소정 유격을 가지고 위치하되, 상기 날개(534)는 양측이 상기 각도 제어부재(520)에 지지된 핀스프링(502)의 양단에 지지되어 상기 결합홈(522)의 중앙에 위치하도록 탄성 지지되는 것을 특징으로 하는 허브 내장형 다단 변속기.
제5항에 있어서, 상기 제어부(500)에는, 상기 각도 제어부재(520)에 반경 방향으로 유동 가능하게 지지되는 롤러(541a)(541b)(541c)와; 상기 중저속 캐리어(413)의 내주면에 형성된 일방향 경사 요홈(413a)으로 이루어진 강제 변속 수단(540)이 마련되어, 상기 각도 제어부재(520)와 상기 폴제어부재(530) 사이에 위상각 차이가 발생함에 따라 상기 롤러(541a)(541b)(541c)가 그 외주에 위치하여 회전하는 중저속 캐리어(413)의 내주면에 형성된 일방향 경사 요홈(413a)으로부터 내측으로 강제 이동하면서, 상기 중속 폴(502) 또는 상기 고속 폴(503)을 강제로 눕혀주는 강제 변속 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 허브 내장형 다단 변속기.