자전거 구동계는 어떻게 할까?

by Jason Lee | 2016-10-17 17:04
자전거 자전차

자전거라고 하면 너무 흔히들 볼 수 있는 기계장치이다보니 대부분 뭐 특별한게 있냐라고 생각할 수도 있겠지만, 무식한소리다. MIT 에서 Bicycling Science 라고 하는 책까지 출판될 만큼 자전거는 과학과 기술의 결정체라고 할 수 있다.

연약한 인간의 힘을 가능하면 손실없이 온전히 바퀴를 굴리는데 쓰도록 고안해야하니 쉽지않은 과제이다. 

그런데, 무식하면 용감하다고 그냥 동영상에 꽂혀서 프로젝트로 들이민 결과... 고민이 많다 ㅠㅠ(괜히 시작했나? ㅋ) 일단 과학과 기술은 접어두고 무식하게 무대뽀로 시작했으니 일단 고고싱...

  

Overview

The bicycle is almost unique among human-powered machines in that it uses human muscles in a near-optimum way. This new edition of the bible of bicycle builders and bicyclists provides just about everything you could want to know about the history of bicycles, how human beings propel them, what makes them go faster, and what keeps them from going even faster. The scientific and engineering information is of interest not only to designers and builders of bicycles and other human-powered vehicles but also to competitive cyclists, bicycle commuters, and recreational cyclists.

The third edition begins with a brief history of bicycles and bicycling that demolishes many widespread myths. This edition includes information on recent experiments and achievements in human-powered transportation, including the "ultimate human- powered vehicle," in which a supine rider in a streamlined enclosure steers by looking at a television screen connected to a small camera in the nose, reaching speeds of around 80 miles per hour. It contains completely new chapters on aerodynamics, unusual human-powered machines for use on land and in water and air, human physiology, and the future of bicycling. This edition also provides updated information on rolling drag, transmission of power from rider to wheels, braking, heat management, steering and stability, power and speed, and materials. It contains many new illustrations.

https://mitpress.mit.edu/books/bicycling-science


가장먼저 부딛힌 건 구동계이다.


구동계는 자전거 바퀴를 굴리기위해 필요한 부품들과 그 연결계통을 말하는데 구글링 하니 알아보기 쉬운 그림이 하나있다.


대략 위의 그림과 같은 부품들로 구성되지만 자전차 프로젝트를 위해서 적합한 부품이 공장에서 만들어 나오는게 아니고 위와같은 부품들 중에서 내가 원하는 형태의 자전차를 만들기 위해 가장 적합해 보이는 부품들을 구하고 그것들과 결합되는 다른 부품들과의 호환성도 고려해야하기 때문에 결고 만만해 보이는 작업은 아닌것 같다.   



구동계 고려사항.


가장 큰 문제점은 회전시 문제점이다. 그러니까, 좌회전/우회전시 내측 바퀴와 외측바퀴의 회전율이 다른데 두 바퀴가 서로 고정된 형태이면 문제가 발생한다. 

내측은 회전 반경이 작으니 천천히 돌아야하고 외측은 반경이 크니 빨리 돌아야 하는데 이 둘이 하나의 회전축에 고정되어있으면 원활한 회전이 불가능하다.

자동차의 경우는 아래 동영상 처럼 디퍼런셜기어가 이 문제를 해결하지만 본 프로젝트에서는 좌우 독립적인 구동력 전달방식에서 해결의 실마리를 찾았다. 뭐 정확히 말하자면 독창적인 것은 아니고 고민 고민해서 생각해낸 방법이 찾아보니 나말고도 이미 이런 방식의 접근은 있는 것으로 확인된다. 



자전거에 이런 기어박스를 달 수 없으니, 자전거의 프리휠을 적절히 사용하면 될 것 같다.


프리휠 또는 스프라켓 또는 일반적으로 기어라고 불리는 녀석인데 위의 그림과 같이 안쪽에는 나사산이 나있고 톱니 바퀴는 한쪽방향으로만 돌게 되어있으며 아래 사진의 허브와 결합되는 방식이다. 톱니바퀴가 한쪽으로만 도는 이유는 페달링을 하면 그 회전력으로 바퀴를 돌려주고 페달링을 멈추면 짤짤짤짤~~~소리가 나면서 헛돌아가서 자전거가 굴러갈 수 있도록 되어있다. 내부 구조는 라쳇의 원리를 이용하는데 복잡하서 생략.



스프라켓의 위치는  원래 자전거의 우측에 위치 하도록 고안되어있기 때문에 저 나사산은 오른나사로 설계되어있다. 그래야만 패달링을 하면서 혹시라도 나사가 풀리는 사태를 방지하기 위해서이다.




위와 같이 결속이 된다.


여기서 잠깐 설계한 모양새를 보면,



위 그림과 같이 뒷바퀴 좌우 독립적으로 구동하도록 되어있다. 좌측의 바퀴는 일반자전거의 뒤바퀴를 이용하면되지만 우측위 바퀴는 프리휠이 왼나사로 되어있는 허브와 역으로 동작하는 프리휠을 필요하다.


그것만 구해지면 차동장치는 구현되는 셈인데...


오늘 그런 부품을 찾았다고 연락이 왔다. ㅋㅋ 일단 숙제하나는 해결했다. 


구동계에서 또 한가지 해결해야 할 숙제는 전기 모터의 장착방식과 위치이다.

 



생각하면 풀어야 할 것들이 산넘어 산인데 오늘은 여기까지...


작업은 언제부터 할런지...ㅠㅠ 


하자센터
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MADE BY

Jason Lee

아두이노, 프로그래밍
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