KR100367331B1 - 자전거의교호구동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사이클 프레임에 고정된 페달축 둘레의 원형궤도(circular path)를 따라 움직일 수 있는 두 개의 상반된 페달을 포함하여 이루어지는 자전거의 교호구동장치에 관한 것이다. 상기 교호구동장치는 상기 프레임(10)에 고정되어 보조축(25)을 중심으로 예정된 스윙 각도범위에서 이동될 수 있는 두 개의 스윙암(26,27; 26a,27a; 26b,27b)이 구비되며, 상기 스윙암(26,27; 26a,27a; 26b, 27b)과 상기 페달(21) 사이에는 회전운동을 상호 반주기(half period) 스윙 위상차(Phase difference)를 가지는 교호스윙으로 변환시키는 연결점이 있다. 구동 휠(12)의 후축(50) 양측에는 자유륜기구(free-wheel mechanism)(55)(56)가 배치되어 있다. 상기 자유륜기구(55)(56)는 반대방향으로 로킹되고(locked) 상호 독립된 당김부재(29; 82,83)에 의하여 각각 스윙암(26,27; 26a,27a; 26b,27b)에 연결되어 있다.

Description

자전거의 교호구동장치{ALTERNATING DRIVE FOR WHEELED VEHICLES}

페달구동장치를 갖는 가장 통상적으로 사용되는 자전거에서는 페달이 후륜축에 장착된 기어와 체인으로 연결된 기어를 회전시키도록 구성되어있다. 상기 구동기어는 자유륜기구(free-wheel mechanism)에 의해 후축에 연결되어있다. 여러 실시 예에서 페달과 구동휠 사이의 변속은 변속기에 의해 불연속적인 여러 단계로 변환된다. 상기 변속기의 기능은 체인이 몇 개의 다른 기어들에 결합될 수 있다는 것에 기초한다. 이러한 경우에 있어 변속은, 비록 자전거가 정지한 상태에서도 변속을 할 필요가 있는데도 불구하고 체인이 실제로 움직이는 경우 예를 들면 자전거가 실제로 구동되는 경우에만 가능하였다.

"교호구동장치(alternating drive)"라는 용어는 반대방향으로 왕복하는 한쌍의 당김부재(pulling element)의 당김력(pulling force)이 상기 구동 휠 위에서 작동한다는 것이 종래 체인구동장치와 다른 것을 말한다. 이러한 교호구동장치는 EP 0 210 336 A2에 기술되어 있는데, 이는 탑승자가 상· 하로 움직이는 한 쌍의 페달을 밟도록 되어있다. 후륜의 허브(hub) 양측에서 각 자유륜(free wheel)은 각각의기어가 구비되며, 체인의 각 단(respective ends)은 각 페달의 중심부에 연결되어있다. 두 개의 체인들은 방향-전환 축(direction-reversal shaft)을 통하여 자유륜(free-wheels)의 기어에 연결되어있고, 상기 체인들은 공통의 롤러에서 결합된다. 상기 페달과 상기 구동휠 사이의 변속비(transmission ratio)는 상기 페달을 따라서 체인의 연결점(connection point)의 높이를 슬라이딩시키는 것으로 조절될 수 있다.

이러한 구동장치에서 탑승자의 동작, 체중과 발 움직임의 특유한 곡선은 실제적으로 원형 궤적을 따라 움직이는 페달로 구동되는 전형적인 자전거의 통상적인 특성과는 다르다. 자전거를 타는 습관은 매우 강하므로 많은 탑승자의 다리 움직임을 수용할 수 있는 디자인만이 기대될 수 있고, 다리에 작용하는 힘과 상기 자전거의 움직임은 종전 자전거에서 경험한 감각과 비슷하다.

"바이오-페이스(bio-pace)"라고 지칭하는 새로운 디자인 구동장치는 특히 산악자전거에 주로 사용되고 있는데, 산악자전거는 체인구동장치이지만 구동기어가 원형의 모서리를 갖는 마름모(rhombus)형으로 되어 있다.

이하, 명세서 중 "자전거"라는 용어는 두개의 바퀴를 가지는 전형적인 자전거뿐만 아니라, 예를 들면 3 바퀴 손수레와 같이 탑승자가 페달이나 회전핸들(rotating handle)을 사용하여 기계적인 전달을 통해 바퀴를 구동시키도록 한 종류의 운송수단을(vehicles)을 지칭하는 것이다.

본 발명은 자전거의 프레임에 피봇팅된(Pivoted) 페달축의 원형 궤적을 따라 움직이는 한 쌍의 페달을 갖는 자전거의 교호구동장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 구동장치가 장착된 자전거의 측면도,

도 2는 도 1의 확대상세도,

도 3은 페달 조립체의 측면도,

도 4는 페달 조립체의 부분단면 정면도,

도 5는 두 개의 스윙암과 보조축을 포함하는 것을 반 단면으로 도시한 상세 평면도,

도 6은 도 5의 A-A선 확대단면도,

도 7은 구동 휠 허브의 반 단면도,

도 8은 드럼(59) 내부를 부분적으로 도시한 단면도,

도 9는 페달축의 변위 각도 함수로써 당김부재의 변위 변화를 도시한 도면,

도 10은 본 발명구동장치와 종래 구동장치에 있어서의 페달에 가해지는 힘의 변화를 각도 변위 함수로 표시한 도면,

도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 자전거의 교호구동장치에 있어서 스윙암을 이동시키기 위한 도면,

도 12는 본 발명의 후륜(rear wheel)을 구동시키기 위한 교호구동장치 실시예의 측면도,

도 13은 도 12에 따른 실시 예의 평면도,

도 14는 각도 변위 곡선에 대한 변위를 도시한 도 9와 유사한 다이아그램도,

도 15는 본 발명의 제3 실시예를 도시한 정면도,

도 16은 본 발명의 제3 실시예를 도시한 측면도,

도 17은 스윙암을 사용하지 않은 경우에 변속이 일정한 구동장치의 개략도,

도 18은 원형 체인구동장치의 곡선과 유사한 특성의 곡선을 가지는 슬롯 형태를 도시한 도면,

도 19는 바이오-페이스(bio-pace) 특성 곡선을 가지는 슬롯 형태를 도시한 도면이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 프레임 11: 전륜

12 :후륜 13: 포크

14: 핸들 바 15: 안장

16 : 페달축 17,18,19a,20a : 바

19,20 : 생크 21,21a,21b : 페달

22 : 연결축 23 : 당김대

24 : 리어 포크 25,25a : 보조축

26,26a,27,27a,27b : 스윙암 28 : 돌출부

28a: 연결부재 29 : 당김부재

30,31: 슬리브 33 : 스핀들

32,34,35 : 볼 베어링 36 : 절단면

37 : 연결너트 38 : 슬롯

39 : 실린더 40 : 와이어

41 : 변속제어부재 42,43 : 슬리브

44,45,46 : 볼트 50 : 후축

51, 52, 54 : 너트 53 : 슬리브

55,56 : 자유륜기구 57 : 간격부재

58 : 베어링 슬리브 59 : 와이어 드럼

50 : 와이어 안내 홈통 61 : 와이어 로킹부재

62 : 자유륜 조립체 63 : 내측 슬리브

64,65 : 림 66 : 볼 베어링

67 : 편심 스파이럴 스프링 68,69,70,71,72: 화살표

80 : 개구부 81 : 베어링

82,83 : 후부 당김대 84 : 와이어 드럼

85 : 뒷부분 86 : 와이어 걸이

87 : 로딩된 와이어 88 : 걸이

89 : 와이어 편심기구 90 : 편심 와이어

91 : 걸이 92, 93 : 화살표

100,101 : 직선 암 102,103 : 편심 디스크

104,105 : 베어링 106,107 : 슬롯

110 : 슬리브 111 : 리어 포크

본 발명의 목적은 체인을 사용하지 않고, 페달의 공회전(idle) 범위내에서는물론 자전거가 정지상태에서도 변속비가 연속적으로 변화되며, 페달이 원형으로 움직이는 특징을 완화시키며, 종전 자전거를 탈 때의 감각을 제공할 수 있는 자전거용 교호구동장치를 제공하는데 있는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 상기 자전거의 프레임에 피봇팅된(pivoted)페달축의 원형 궤적을 따라 움직이는 한 쌍의 페달을 갖는 자전거의 교호구동장치가 제공된다. 본 발명에 따른 구동장치는 프레임에 부착되어 피보팅된 보조축을 중심으로 예정된 각도범위에서 스윙하게 하는 한 쌍의 스윙암(swing arm)과, 상기 스윙암과 상기 페달사이에 설치되어 상기 페달의 원형운동을 반 스윙 주기(half swing period)에 부합하는 위상 차를 가지는 교호스윙운동으로 전환하는 각각의 변속수단과, 자전거 구동 휠 축의 양측에서 자유륜기구는 반대의 로킹(locking) 방향을 갖도록 배열되고, 상기 자유륜기구는 독립의 당김부재(pulling element)에 의해 각각의 스윙암과 연결된다.

첫 번째 실시 예가 원형운동을 스윙운동으로 변환하기 위해 사용된 것이고, 상기 스윙암은 양단이 피봇팅된 각각의 당김대(pulling bar)에 의하여 페달의 예정된 부분에 결합된다.

페달축과 페달사이에서 한 쌍의 생크(shank)가 서로 견고하게 부착되어 생크가 밀착되고, 그에 결합된 당김대(pulling bar)의 일단이 두 생크의 서로 연결된(interconnection) 구역에 연결된다면 더 좋은 기하학적 조건이 얻어질 것이다.

두 번째 실시 예에서는 페달측과 페달사이의 회전운동을 스윙운동으로 변환하기 위한 것으로, 이는 짧은 연결축(connection shaft)으로 서로 견고하게 결합된 한 쌍의 생크를 제공하여 밀착되도록 하고, 상기 스윙암에서는 각각 연장된 개구부(opening)들이 제공되며, 페달의 두 생크를 서로 연결시키는 짧은 축은 개구들에서 직접적으로 또는 베어링으로 끼워주게 된다. 이러한 디자인은 링크-동작 전달(link-motion transmission)을 의미하는 것이다.

세 번째 실시 예에서는 회전운동을 스윙 운동(swing movement)으로 변환하기 위한 것으로, 상기 페달은 각 편심 디스크(eccentric disc)를 포함하고 있어 페달축이 편심 디스크를 관통하고, 상기 각 편심 디스크는 폐쇄된 곡선에서 뻗어있는 각 슬롯을 정의하고, 상기 슬롯은 이와 연계된 스윙암의 방향을 향하며, 상기 슬롯은 동일한 형상을 가지며, 페달축에 대하여 거울 대칭 위치(mirror symmetrical position)로 배열되며 중심에서 벗어나(eccentric way) 페달축을 감싸고 있으며, 상기 스윙암은 각 안내부재(guiding element)에 의하여 이와 연계된 슬롯에 끼워져있다(fitted).

이 실시예에서 안내부재가 이와 연계된 슬롯에서 헐겁게 끼워지는 각각의 베어링으로 이루어진다면, 상기 베어링은 이와 연계된 스윙암의 중심부에 연결되는 것이 바람직하다.

슬롯의 형상은 구동 특성을 결정해주게 되며, 이와 같은 형상은 원형 또는 둥글어진 마름모형의 체인 휠을 갖는 종래의 체인구동장치의 특성에 상응한다면 바람직하다.

상기한 각각의 실시예에서는 당김 수단(pulling means)을 위한 스윙암 위에있는 연결점(connection point)들이 두 단 위치(two end position) 사이에서 조정될 수 있게 설계된다면 변속비는 연속적으로 변환될 수 있다.

상기 두 연결점을 조정하기 위해서는, 자전거 프레임의 편리한 위치에 설치된 변속기에 연결된 조정 와이어(adjusting wire)를 사용하는 조정기구(adjusting mechanism)가 제공되는 것이 바람직하다.

스윙암의 교호운동은 단지 당김력을 받는(exposed) 각 와이어에 의해 두 개의 자유-후륜(rear free-wheel)에 전달된다.

이러한 경우에서 자유륜기구(free-wheel mechanisms)는 자유륜의 자유 방향(free direction)으로 작동케 하는 편심 조립체(biasing assembly)를 가지며, 상기 조립체는 이와 연계된 스윙암에 로딩되지(loaded) 않은 동안 상기 와이어가 펼쳐진(stretched) 상태를 지속하도록 한다.

자유륜기구는 바람직하게는 와이어 드럼(wire drums)과 드럼내에서 편심 조립체를 위해 요구되는 스프링을 포함하여, 상기 와이어의 단면은 드럼의 외주면 둘레에 감겨져 있다.

스윙암과 자유륜기구 사이의 연결은 각 스윙암에 피봇팅된 각각의 견고한 당김대를 구비한 것으로 설계될 수 있으며, 상기 후륜의 후축 앞 위에 위치한 당김대의 각각의 부분들은 상기 당김대의 왕복운동동안에 이와 연계된 자유륜기구 주위에 감겨 있는 각 와이어에 연결된다.

이 실시 예에서는 자유륜기구의 외측이 와이어 드럼으로 설계되고, 후 축(rear shaft)의 앞에 위치한 당김대의 부분들은 편심된 부재에 의하여 각 당김와이어(pulling wire)의 일단에 연결되며 상기 와이어의 타단은 와이어 드럼(wire drum)에 연결되고, 상기 후 축 뒤에 위치한 부분들은 각 와이어 편심기구(wire biasing mechanism)에 의해 상기 와이어 드럼에 연결된 타단을 가지는 편심 와이어(biasing wire)의 일단에 연결된다.

본 발명에서는 스윙암을 전혀 사용하지 않는 것을 설계할 수 있으며, 그러한 디자인에서는 그러나 변속비를 바꾸기 어렵다. 이러한 실시 예에서 상기 페달은 편심 디스크와 상기 디스크를 관통하는 페달축을 포함하며, 상기 편심 디스크는 폐쇄된 외형 선(contour line)을 가진 각 슬롯을 정의하고, 상기 슬롯은 중심축에서 벗어나게(eccentrically) 페달축을 감싸며, 상기 슬롯은 페달축의 축선에 대해 거울대칭위치로 배열된다. 각각의 안내부재(guiding element)가 상기 슬롯에 끼워지며, 자전거 구동 휠의 양측 위에서 각 자유륜기구는 상반되는 로킹(locking) 방향을 갖도록 배열되고, 자유륜기구는 독립적인 당김부재에 의해 안내 부재에 연결된다.

본 발명의 교호구동장치는 종래의 일반적인 자전거의 구동장치와 외견상 다름에도 불구하고 단순한 디자인을 갖으며 페달은 각 원형궤도를 따라 움직이므로 자전거는 종전 자전거와 비슷한 즐거운 운전감각을 제공한다. 구동장치의 변속비는 자전거가 구르거나 정지한 경우의 양 상태에서 모두 조정이 가능하다.

본 발명의 교호구동장치의 실시 예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1에 도시된 자전거는, 변속시스템과는 별개로, 전형적인 디자인을 보여주고 있다. 이는 프레임(10), 자유롭게 회전하는 전륜(front wheel)(11), 구동되는 휴륜(rear wheel)(12), 상기 프레임(10)에 피봇탈 연결(pivotal connection)로 결합되는 포크(fork)(13), 핸들 바(handlebars)(14)와 안장(saddle)(15)을 포함하고 있다. 상기 전륜(11)은 포크(13)의 하단에 통상의 방식으로 장착되어 있다.

변속은 페달축(16)에 대하여 거울대칭배열(mirror symmerical arrangement)로 상기 프레임(10)의 각각의 측에 설치된 한 쌍의 페달에 의하여 구동된다. 본 발명의 실시 예에서 페달암들은 전형적인 형태의 직선 생크(shank)들로 만들어지는 것이 아니라 크랭크(cranked) 형태 축을 취하는 연결에 의해 서로 견고하게 부착된 두 개의 생크들로 구성되고, 당김대(23)는 생크(20)의 연결축(connection shaft)(22)에 힌지결합된다(hinged). 상기 페달축(16) 둘레에서 페달의 원형회전 운동은 당김대를 왕복직선운동으로 변환한다. 도 2는 이들 보다 상세히 도시하고 있다. 페달과 당김대 간의 연결은 도 3 및 도 4에 확대 상세도에 도시되었다.

도 2는 페달축(16)이 "V"자 형으로 상호 결합된 프레임(10)의 바(17)(18) 사이의 연결부에 위치되는 것을 보여주고 있으며, 페달(21)은 생크(19)(20)에 의해 페달축(16)에 견고하게 연결되어있다. 내측 생크(19)는 도 3에 폐선(dashed line)으로 도시한 바와 같이 페달축(16)에 볼트형 쐐기로 결합된다. 상기 생크(19)의 타 단에는 구멍(bore)이 형성되며, 이 구멍에는 페달축(16)에 대해 수평으로 위치한 연결축(22)의 일단이 압입된다(pressed). 두 생크(19)(20)는 상호 직각방향으로 설치된다. 상기 생크(19)(20)사이에서 연결 축(22) 중심부는 당김대(23)의 일단에 형성된 구멍에 의해 감싸진다. 상기 연결축(22)과 상기 구멍사이에는 미세한 간격이 있으며, 이로 인해 당김대(23)는 연결축(22)둘레를 자유로이 회전할 수 있다. 생크(20)의 외측 단은 통상적으로 볼 베어링(ball bearing)이 구비된 페달(21)에결합된다.

프레임(10)은 페달축(16)과 후륜(12) 사이에 설치되는 리어 포크(rear fork)(24)를 가지며, 프레임(10)과 리어 포크(24)의 결합부에는 도 2에 도시한 바와 같이 보조축(25)이 구비되고, 상기 보조축(25)의 단부에 각각 스윙암(26)(27)이 피봇팅된다. 도 2는 스윙암(26)만을 보여주고 있다. 당김대(pulling bar)(23)의 후단은 베어링에 의하여 스윙암(26)의 상부에 결합된다.

페달(21)이 회전될 때, 당김대(pulling bar)(23)는 스윙암(26)을 예정된 각도범위에서 보조축(25) 둘레를 교호스윙동작(alternating swinging movement)시키게 된다. 스윙암(26)의 후측에는 후륜(12) 허브(hub)에 연결된 와이어 등의 당김부재(pulling element)(29)와 맞물리게 하기 위한 돌출부(lug)(28)가 구비되며, 보조축(25)과 돌출부(28)간의 거리를 조정가능 하도록 하는 것이 바람직하다. 후륜(12) 허브 양측에는 자유륜을 편심하게 하는(biasing) 각 스프링이 구비되며, 당김부재(29)의 후단이 자유륜에 연결되어있다. 당김대의 당김력은 자유륜의 로킹방향으로 자유륜 위에서 토크(torque)를 일으키게 함으로서 후륜을 구동시킨다.

도 5와 도 6은 보조축(25)과 스윙암(26)(27)의 설계에 관한 모범적인 실시예를 도시한 것이다.

각 슬리브(30)(31)는 수직으로 뻗은 관형(tubular) 스윙암(26)(27)의 하단에 용접된다. 상기 슬리브(30)(31)는 보조축(25) 양단에 각각 볼 베어링들에 의하여 결합되는데 도 5에서는 볼베어링(32)만 도시하고 있다. 스윙암(27)의 내부에 있는 하나의 스핀들(33)은 양단에 있는 각 볼 베어링(34)(35)에 의하여 지지된다. 상기스핀들(33)의 절단면(36)은 연결너트(threaded nut)(37)에 의하여 나사 연결된다. 축 방향 슬롯(38)은 후륜으로 향하는 스윙암(27)의 후측을 따라 구비되고, 상기 돌출부(28)는 상기 연결너트(37)에 연결되고, 상기 슬롯(38) 밖으로 돌축된다. 상기 스핀들(33)이 회전될 때, 상기 연결너트(37)는 회전되지 않으나, 회전방향에 의존하여, 위 아래로 움직이게 되므로 돌출부(28)에 결합된 당김부재(29)의 높이가 조절될 수 있다.

중공 실린더(hollow cylinder)(39)는 스핀들(33) 하부에 부착되어 축 방향으로 자유롭게 슬라이딩(slide)이 가능하지만 상기 스핀들(33)에 대하여 회전할 수 없고, 실린더(39)의 둘레에 와이어(40)의 일부분이 감겨져 있다. 상기 와이어(40)의 운동은 상기 스핀들(33)을 회전시킨다. 상기 와이어(40)의 한 부분은 다른 스윙암(26)의 내부로 뻗어 있고 제2 유사한 스핀들에 감겨져 있고, 상기 와이어(40)의 두 개의 자유 단은 적당한 롤러(roller)에 의하여 프레임(10)에서 핸들 바(14) 가지 리드되고(leaded) 변속제어부재(transmission control element)(41)에 고정된다. 변속제어부재(41)가 이동될 때, 상기 와이어(40)의 양단은 반대방향으로 이동하고, 이것은 양 스핀과 스핀들과 이와 연계된 기구들을 회전시킴으로서, 양 돌출부의 높이와 변속비가 변화된다.

상기 스윙암(26)(27)은 상기 페달(21)에 의해 이동되는 당김대(23)에 의하여 구동되는 것으로, 이는 스윙암(26)(27) 상단에서 볼트(44)(45)로 당김대(23) 후단에 피봇팅된 각 슬리브(42)(43)가 있기 때문이다.

상술한 구동기구는 페달(21) 회전될 때 보조축(25) 주위에서 스윙암(26)(27)이 상반되게 스윙 운동하도록 하는 것이다, 상기 당김대(23)는 양단이 피봇팅되고 자신의 방향에 대해서만 스윙암(26)(27)에 힘을 발휘할 수 있다. 후륜(12)은 당김부재(29)를 통해서 상반되게 회전하는 스윙암(26)(27)에 의하여 회전된다. 상기 페달의 전 회전(full revolution)하는 동안 상기 당김부재(29)의 운동거리는 돌출부(28)와 보조축(25) 간의 거리에 따르고, 상기 거리는 양 최고 값 사이에서 변속제어부재(41)에 의하여 변화될 수 있다.

후륜(12)에서 변속부재조립체는 도 7 및 도 8에 도시되어 있다. 도 7에 도시된 상기 조립체는 후륜(12)의 허브 양측에 대칭적으로 장착되어있다. 도 7에서 좌측은 정면도로 도시되어 있으며, 우측은 반 단면도(half sectional view)로 도시 되어있다. 상기 후륜(12)의 후축(50) 양단들은 니트(51)(52) 및 와셔(washer)에 의해 상기 프레임(10)의 리어 포크(24)에 연결되어 있다. 상기 후축(50)의 양측에는 각각 고정된 슬리브(53)가 구비되고, 각 슬리브(53)의 외측은 리어 포크(24)의 내측면에 접한다. 상기 슬리브(53)의 내측 단부는 각각 너트(54)에 의하여 지지된다. 상기 슬리브(53)는 너트(52)(54)사이에서 후축(50)의 다른 쪽에 있는 자유륜기구(56)와 같은 구조를 갖는 자유륜기구(55)를 지지하고, 그러나 상기 두 개의 자유륜기구(55)(56)의 방향은 상반되는데 예를 들면 후륜(12)이 앞을 향해 회전할 때 두개의 자유륜기구들은 로킹된다. 상기 자유륜기구(55)는 상기 슬리브(53)에 고정된 간격부재(distance member)(57), 베어링 슬리브(bearing sleeve)(58), 와이어 안내 홈통(wire guide mantle)(60)과 와이어 로킹부재(wire locking element)(61)를 구비한 드럼(59), 상기 드럼(59)과 내측슬리브(63) 사이를 연결하여 일 방향으로는 자유회전하고 타 방향으로는 로킹되는 자유륜조립체(free-wheel assembly)(62)를 포함한다.

상기 내측 슬리브(63)는 전형적인 형상을 가지며, 후륜(12)의 스포크(spoke)들이 고정되는 한 쌍의 림(rim)(64)(65)을 구비한다. 상기 내측 슬리브(63)는 도 7에 도시된 우측 방향의 볼 베어링(66)과 같은 볼 베어링들에 의해 결합된다.

자유륜기구(55)와 결합된 드럼(59)내에 설치된 편심 스파이럴 스프링(biased spiral spring)(67)은 고정 슬리브(53)와 드럼(59)(도 8)의 바깥벽 사이에 연결되며, 이는 상기 슬리브(53)에 대한 자유회전방향으로 상기 드럼(59)을 회전시키려한다. 당김부재(29)는 드럼(59)의 외주면 주위에 감겨진 와이어로 구성되고, 일단은 와이어 로킹부재(wire locking element)(61)에 의해 고정되며 타단은 스윙암(26)에 구비된 돌출부(28)에 결합된다. 상기 돌출부(28)의 양극단 사이의 거리는 돌출부(28)가 최 외부에 있을 때 최대이며, 적어도 상기 최대 거리일 때 상기 와이어는 드럼(59)의 홈통(mantle)(60) 둘레를 따라 감겨져 있게 된다. 상기 스프링(67)은 드럼(59)의 홈통(60)에 상기 와이어를 감으려 한다.

자전거의 페달이 회전될 때, 이미 설명한 바와 같이 2개의 스윙암(26)(27)은 그들의 양극단 사이에서 교호하는 방식으로 앞· 뒤로 스윙 운동한다. 연속적으로 편심된(biased) 당김부재(29)는 스윙암(26)(27)과 자유륜기구(55)(56)간의 연결을 제공한다. 도 2에 도시된 상태에서 페달(21)에 작용하는 힘이 화살표(68)로 표시 되어 있다. 상기 생크(19)(20)는 페달축(16) 둘레에서 화살표(69)로 도시한 시계 방향으로 회전하게 된다, 상기 당김대(pulling bar)(23)는 앞으로 이동되고, 상기스윙암(26)은 보조축(25) 둘레에서 화살표(70) 방향으로 회전하게 된다. 상기 당김부재(29)는 화살표(71) 방향을 따라 앞으로 움직이고 로킹방향으로 자유륜기구(55)를 로딩하므로(load), 후륜(12)은 화살표(72)방향으로 당김력의 영향으로 앞으로 회전하게 된다. 이와 동시에 타측에서 스윙암(27)은 뒤로 움직이고, 이와 연결된 당김부재(29)는 상기 드럼 위에서 자유륜기구(56) 내부에 있는 스프링에 의해 감겨지게 된다. 후륜(12)이 앞쪽으로 회전하는 동안, 자유륜기구(56)는 상기 스프링에 의하여 상기 후륜의 반대 회전방향으로 상기 드럼을 회전하도록 한다. 상기 스프링에 의해 회전하는 드럼의 회전 경로길이(path length)는 스윙운동의 최고 거리에 있는 경우에도 상기 와이어를 감기에 충분하다. 상기 페달(21)이 공회전하는 지점을 걸쳐 이동할 때, 상기 스윙암(26)(27)의 스윙방향이 반전되고, 자유륜기구(56)는 로킹되고(locked) 이전에 로킹된 자유륜기구(55)는 로킹이 풀리게 되며, 이때 편심력(biasing force)은 반대방향으로 움직이는 당김부재(29)를 감는다.

상기 당김부재(29)의 전체변위(full displacement range)는 돌출부(28)의 높이를 조정함으로서 변화될 수 있으며, 이로 인해 구동장치의 변속비도 변화될 수 있는 것이다. 종래의 자전거에 반하여 변속비는 휠이 회전하지 않더라도 항상 연속적으로 변화될 수 있다.

도 9의 다이어그램은 페달축(16)의 각도 변위함수로서 당김부재(29)의 변위를 도시한 것이다. 상기 다이어그램은 항상 반대방향으로 움직이는 양 당김부재에 대하여 도시한 것이다. 당김부재중 하나는 최고속도로 전방을 향해 움직일 경우 항상 로딩된다. 다이어그램에서 두꺼운 선은 당김부재의 활동구간의 변위이고, 각 개별적인 구간의 교차점(intersection point)은 당김부재의 활동구간이 반전되는 곳이다.

도 10은 상기 페달축(16)의 각도 위치 함수로서 연속적으로 로딩된 상태에서 구동되는 자전거의 페달 힘(pedal force)(F)을 도시한 것이다. "페달 힘(pedal force, F)" 은 프레임(10)의 리어 바(rear bar)(18)의 방향으로 페달(21)에 가해 지는 힘의 성분을 의미하고, 상기 힘의 성분은 대체로 안장(15)의 중심과 페달축(16)의 중심을 상호 연결시키는 선의 방향에 있다. 도 10에서 곡선(curve A)은 본 발명에 따른 구동장치에 관계된 것이고, 곡선(B)은 종래(체인구동) 자전거에 관한 것이다. 본 발명의 구동장치에 있어서는, 힘은 종래의 구동장치보다 더 넓은 각도범위에서 균일하고, 그래서 공회전 구역에 이와 연계된 각도범위가 더 작다. 넓은 각도범위에서 요구되는 균일한 힘은 탑승자가 덜 지치도록 함으로서, 본 발명의 자전거를 탄 운전자는 덜 피로해진다.

본 발명의 제2 실시 예에 따른 교호구동장치가 도 11에 도시되어 있다. 제2 실시 예에서 보조축(25a)은 페달축(16a) 하부의 약간 뒤에 위치하고 있다. 앞선 제 1 실시 예에서 사용되었던 직선 관형 스윙암(26)(27) 대신에, 도11에 도시한 바와 같이 스윙암(26a)(27b)들은 평행하게 연장된 측 벽(side-walled)을 구비한 각 개구부(opening)(80)가 구비된다. 페달 조립체(pedal assembly)는 바람직하게는 직각으로 형성되도록 견고하게 연결된 바(19a)(20a)를 포함한다. 상기 두 바(19a)(20a)들은 도면의 축에 직각인 짧은 축에 의해서 상호연결되고, 상기 축은 베어링(81)에 의해 감싸진다. 상기 베어링(81)의 외측 링은 스윙암(26a)(27a)의 내부 개구부(80)에 헐겁게 끼워진다.

페달(21a)(21b)이 회전될 때, 상기 베어링(81)의 내측 링은 바(19a)(20a)를 상호 결합시키는 축을 원형궤도를 따라 움직이도록 한다. 상기 베어링(81)이 바 방향을 따라 내부 개구부(80) 내에서 자유롭게 이동할 수 있기 때문에, 상기 스윙암(26a)(27a)은 스윙운동을 하게 된다. 상기 베어링(81)은 링크구동장치(link drive)의 마찰손실을 최소화시킨다.

페달 암의 관절부분에 있는 베어링(81)은 개구부(80)에 의해 안내되고 페달(21a)(21b)의 회전운동을 스윙운동으로 변환시키므로, 상기 스윙암(26a)(27a)을 움직이기 위하여 도 2에 도시된 바와 같은 당김대(23)가 필요 없게 된다.

도 11에 도시된 실시 예와 도 2 및 도 7에 도시된 실시 예의 차이점은 상기 후륜(12)을 구동시키는 것에 관한 것이다. 도 11에 도시된 각 연결부재(28a)는 짧은 힌지 축(hinge axis)을 구비한 스윙암(26a)(27a)에 결합된다. 상기 연결부재(28a)는 도면에 도시되지 않았지만 기구를 통해 변속제어레버(transmission control lever)에 연결되고, 상기 연결부재(28a)와 상기 보조축(25a) 사이의 거리는 정해진 범위 내에서 연속적으로 변화가 가능하다. 변속제어기구(transmission control mechanism)의 구조는 도면에 도시되지 않았으나, 상기 스윙암(26a)(27a)을 따라 연결부재(28a)를 이동시키는 제어는 해당기술분야에서 통상의 기술을 가진 자라면 용이하게 실시할 수 있다.

상기 연결부재(28a)에 위치한 힌지는 후부 당김대(82)에, 다른 쪽은 다른 후부 당김대(83)에 결합되어있다. 도 12와 도 13에는 후부 당김대(82)(83)로 구성된구동장치가 상세히 도시되어있다. 도 13에는 하나의 와이어 드럼(84)만을 도시하였으나, 후륜(12)의 축 양측에는 각각 와이어 드럼이 구비되어 있다. 상기 와이어 드럼은 이와 연계된 와이어 드럼 내부에 설치된 반대 방향의 자유륜시스템(free-wheel system)에 의해 후륜(12)에 연결된다. 상기 후부 당김대(82)의 뒷부분(85)은 예를 들면, 바이올린의 활대와 유사한 형상을 갖고 있으며, 상기 뒷부분(85)은 양단에서 와이어를 고정하고 와이어 편심 기구(wire biasing mechanism)(89)가 구비된다. 상기 와이어 걸이(wire catch)(86)가 뒷부분(85)의 선단에 설치되고, 상기 와이어 걸이(86)는 후륜(12)으로 전달되는 당김력에 의해서 로딩된 와이어(87)를 걸며, 상기 와이어(87)는 상기 와이어 드럼(84) 위에서 몇 바퀴 감겨지고, 상기 와이어(87)의 타단은 걸이(catch)(88)에서 와이어 드럼(84)에 연결된다. 상기 뒷부분(rear part)(85)의 후단은 와이어 편심기구(wire biasing mechanism)(89)에 의해 편심 와이어(biasing wire)(90)의 일단에 연결된다. 이와 유사하게, 상기 편심 와이어(90)가 와이어 드럼(84)에 몇 바퀴 감겨지고, 상기 편심 와이어(90)의 타단은 걸이(91)에 의해 상기 와이어 드럼(84)에 연결된다.

상기 스윙암(26a)의 스윙운동은 후부 당김대(82)를 앞· 뒤로 교호운동을 유도한다. 도 12 및 도 13은 후부 당김대(82)가 화살표(92)를 따라 앞으로 이동하는 후단부의 위치(rearmost position)를 보인 것이다. 상기 와이어 걸이(86)에 의해서 로딩된 와이어(87)가 앞으로 당겨지고, 상기 운동은 상기 와이어 드럼(84)을 화살표(93)방향으로 회전시킨다. 상기 와이어 드럼(84)내의 자유륜기구는 화살표(93)방향으로 회전될 때 로킹되므로, 이에 따라 로딩된 와이어(87)에 작용하는 당김력은상기 후륜(12)을 앞으로 회전시킨다. 상기 와이어 드럼(84)이 회전하는 동안에 편심 와이어(90)(biasing wire)는 상기 와이어 드럼(84)에 감겨지고, 동시에 로딩된 와이어(87)는 상기 와이어 드럼(84)으로부터 풀리게 된다. 이러한 종류의 운동은 스윙암(26a)이 전진 운동의 단부(end position)에 닿을 때까지 계속된다. 이때 상기 후부 당김대(82)는 전방으로 최대 위치(extreme position)애 있게 되고, 자전거의 다른 측에 있는 후부 당김대(83)는 후방향으로 최대 위치에 있게 된다. 상기 운동방향이 바뀌게 될 때, 다른 후부 당김대(83)는 전방으로 당겨지고 이에 이와 연계된 자유륜기구는 로킹되며 상기 후륜(12)에 토크(torque)를 전달한다. 상기 후부 당김대(82)는 상기 와이어 편심기구(89)를 통해 편심 와이어(90)를 후방으로 당기게 되나, 상기 와이어 드럼(84) 내의 자유륜기구는 자유롭게 풀리는 상태이기 때문에 이 편심력(biasing force)은 다른 방향으로 가해지는 당김력에 비해 매우 작다. 이전에 감겨져 있는 상기 편심 와이어(90)는 상기 와이어 드럼(84)으로부터 풀리게 되는 반면, 상기 로딩된 와이어(87)는 감겨지게 되며, 도 12에 도시된 부재들은 다시 최후방의 위치(rear extreme position)로 이동하게 된다. 상기 편심 와이어(90)는 상기 로딩된 와이어(87)보다 가늘고 작게 로딩되게 하는 것이 바람직하다.

상기 구동장치는 도 7과 8에 도시된 그것보다 몇 가지 면에서 실질적으로 유용하다. 스윙 주기(swing period)에 있어서는 로딩되지 않은 주기에서 상기 와이어를 감기 위하여 요구되는 편심(bias)을 위한 편심 스파이럴 스프링을 필요로 하지 않는다. 상기 편심 스파이럴 스프링을 편심시키기(biasing) 위하여 요구되는 공회전 작업을 절감될 수 있다. 다른 장점은 후륜(12)의 허브에서 그 구조를 더욱 단순하게 할 수 있는데 있다.

도 12와 도 13에 연관되어 도시된 후부 당김대(82)(83)에 의한 후륜(12)의 운동은 도 1 내지 도 6에 도시된 제1 실시예의 경우에서와 같이 사용될 수 있다.

도 14의 다이어그램은 도 11 내지 도 13에 도시된 제 2 실시예에 따른 구동장치의 경우에 상기 페달축(16a)의 각도 변위 함수로서 후부 당김대(82) 변위를 도시한 것이다. 곡선은 도 9에 도시된 것과 유사하나, 구동상태가 양호하게 약간 더 편편한 것을 알 수 있다.

도 15 내지 도 19는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 자전거의 교호구동장치를 도시한 것이다. 각 페달(21a)(21b)은 페달축(16)의 양측에 부착되어 있고, 각각 직선 암(100)(101)과 상기 암(100)(101)의 내부 단(inner end)을 형성하는 편심 디스크(102)(103)를 가지고 있다. 상기 편심 디스크(102)(103)는 원형이 아니고 도 16, 도 18 및 도 19에 도시된 형상을 갖고 있으며, 편심 디스크안에 슬롯이 있다.

도 16에서 보조축(25b)은 페달축(16)의 뒷쪽 하부에 설치되어 있으며, 각 스윙암(26b)(27b)은 상기 보조축(25b)에 피봇팅 되어 있다. 상기 보조축(25b)에 더 가까운 상기 스윙암(26b)(27b)의 제 3 길이(third length) 주위에서 각각 스터드(stud)는 상기 스윙암(26b)(27b)으로부터 편심 디스크(102)(103) 방향으로 돌출 형성되어 있으며, 각 스터드에는 베어링(104)(105)이 장착되어 있다. 도 16에서 상기 베어링은 편심 디스크(103)로 덮혀 있으며, 이는 실선(dashed line)으로 도시되어있다. 상기 편심 디스크(102)(103)의 내부 표면에는 각각의 폐쇄형(closed shape) 슬롯(106)(107)이 각각 형성되어 있고 상기 슬롯(106)(107) 자체의 폭은 베어링(104)(105) 외경과 일치된다. 상기 베어링(104)(105)들은 이와 연계된 슬롯(106)(107)에 헐겁게 끼워지고, 상기 슬롯(106)(107)들은 주로 상기 베어링(104)(105)의 안내 채널 역할을 한다.

도 15에서 부분적인 단면의 슬롯(107)을 볼 수 있으며, 도 16은 정면으로 슬롯(106)의 주요부를 보여주고 있다. 상기 슬롯(106)(107)들의 형상은 동일하나, 상기 슬롯들은 상기 페달축(16)에 대하여 거울대칭배열(mirror symmetrical arrangement)로 위치하게된다.

상기 페달(21a)(21b)들이 회전될 때, 두 개의 편심 디스크(102)(103)는 회전하고, 상기 슬롯(106)(107)은 상기 편심 디스크(102)(103)에 끼워진 베어링(104)(105)을 안내하면서 이동한다. 상기 스윙암(26b)(27b)들은 상기 슬롯(106)(107)에서 가이드 되는 상기 베어링(104)(105)에 의해 상기 보조축(25b) 둘레에서 교호스윙운동(alternating swing movement)을 한다. 가이드 운동을 위한 상기 베어링을 사용함으로서 마찰 손실은 감소되고 상기 두 개의 스윙암(26b)(27b)들은 앞서 언급한 두 가지 실시예에서와 같이 움직인다.

도 15와 도 16은 상기 스윙암(26b)(27b)에 설치되어 후륜(12)을 구동시키는 당김부재를 도시하지 않았으나, 후륜(12)을 구동시키기 위해서는 앞서 언급한 어느 실시 예도 사용할 수 있다. 상기 스윙암에서 당김부재의 위치가 조정될 때 구동장치의 변속비는 변화될 수 있고, 실제적인 변속비는 예를 들면, 스윙 주기(swing period) 동안 상기 후륜(12)의 각도 변위에 의해서 결정된다. 도 16에서 상기 스윙암(26b)(27b)과 상기 후륜(12)의 후축(50)사이를 연결하는 실선은 최고의 변속비에서 상태를 도시한 반면에, 다른 두개의 직선은 최소의 변속비와 관계되고, 여기서 직선으로 간략하게 도시된 당김부재들은 상기 스윙암(26b)(27b)의 최저 가능한 위치에 결합된다.

상기 구동장치의 특성은 폐쇄된 굴곡선(closed curve line)과 이 폐쇄된 굴곡선 내에서 상기 페달축의 편심 위치(eccentric position)를 결정짓는 슬롯(106)(107)의 형상에 따른다. 구동장치의 특성은 CAD (Computer Aided Design)에 의해서 산출해 낼 수 있다. 도 18에 참조번호 108을 사용하는 형상의 슬롯을 사용 하는 경우에, 구동장치의 특성은 원형 기어를 사용하는 일반적인 체인-구동 자전거의 그것과 일치한다. 도 19에 참조번호 "109"로 표시된 슬롯형상인 경우에는, 모서리가 만곡된 마름모형(rhombus-shaped)의 구동기어를 사용하는 산악자전거를 예로 들은 이른바, "바이오-페이스(bio-pace)"의 특성과 일치된다. "구동특성(driving characteristic)"은 상기 페달축의 각도변위와 후륜의 각도변위와의 기능적인 연결을 의미한다. 도 1 내지 도 8에 도시된 제1 실시예의 구동특성은 도 9에 도시되어 있다. 이 곡선에서 실제로 작용하는 구역은 항상 상부 곡선으로 구성되기 때문에, 동시에 단지 상부 곡선 하나만이 로딩되어도 두 개의 스윙암의 변위가 항상 있고, 그러므로 겹쳐진 두 개의 곡선으로부터 상부 곡선은 고려되어야 한다. 도 18에 도시한 슬롯(108) 형상이 사용된다면, 도 9에 도시된 상부곡선과 대조적으로 수평축에 대하여 평행한 선이 되는 특유한 곡선(characteristic curve)이 얻어진다. 이것은 어느 각 위치에서 상기 페달의 동일한 각도 변위는 후륜의 균일하고 일정한 각도 변위를 초래한다. 예를 들면 왼쪽 스윙암 방향의 속도가 오른쪽 스윙암의 속도에 일치하고, 오른쪽 스윙암이 방향이 바뀌기 전에 같은 방향으로 짧은 시간동안 이동하게 될 때, 자전거 양측의 각 구동곡선이 서로 정확하게 겹치게 되면 완전한 선형구동곡선을 얻을 수 있다. 도 19에 도시된 슬롯형상(109)인 경우에는, 구동곡선은 선형이 아니라 약간 굴곡된 구역으로 이루어진다.

이전에 도시된 본 발명에 따른 교호구동장치의 실시예들은 후륜에서 두 개의 자유륜 중의 하나를 구동시키는 2개의 스윙암을 포함한다. 상기 스윙암들은 단일암 레버(single armed lever)로 작동하고 변속비를 연속적으로 제어하는 것은 상기 구동장치의 연결점과 상기 스윙암 회전 중심 사이의 거리를 변화시킴으로서 가능하다. 시장에서 구입할 수 있는 대부분의 자전거류의 경우에는 변속비를 전혀 조정할수 없도록 되어있다. 이러한 자전거는 염가이기 때문에 보급률이 높다. 본 발명에 따른 교호장치에서 당김부재가 예정된 높이에서 상기 스윙암에 부착된다면, 변속비를 조절할 수 없게 된다. 도 15와 도 16에 도시된 실시 예에서는 스윙암을 필요로 하지 않는다. 상기 편심 디스크(102)(103)에 끼워진 상기 베어링(104)(105)이 스윙암에 위치하지 않고, 도 17에 도시된 바와 같이, 앞의 실시예의 후부 당김대와 비슷하게 설계된 후부 당김대(82a)의 선단에 위치하고, 이 후부 당김대(82a)가 슬리브(110)내에서 안내되면, 이와 연계된 편심 디스크의 회전 중에 상기 당김대(82a)는 전· 후방으로 왕복운동을 하여서 이 왕복운동은 상기 슬리브(110)에서 안내된다. 상기 슬리브(110)는 자전거 프레임의 리어 포크(111)에 고정된다. 이것은 스윙암 없이 어떻게 구동장치가 작동되는 가에 대한 예를 보인 것이다. 그러나 이 실시예는 변속비를 조정하기에는 부적절하다.

발명의 효과

다른 종류의 교호구동장치와 대비하여 본 발명에 따른 구동 장치의 중요한 장점은 구동 특성과 어떤 실시예에서도 변속비가 변화될 수 있다는 것이다.

본 발명에 따른 교호구동장치의 제1 내지 제3 실시예에서는 상기 페달축(16)둘레에서 탑승자에 의하여 구동되는 상기 페달(21)의 원형 운동은 스윙암(26)(27)의 교호스윙운동(alternating swing movement)으로 변환된다. 제1 실시예에서 이 변환은 양단에서 피봇팅된 상기 당김대(23)에 의해서 가능하다. 제2 실시예에서 스윙암은 안내부재로 설계되었고, 관절부에서 상기 페달암의 두 부분 연결지역에서 베어링은 스윙암에 의해서 이동되며, 제3 실시예에서는 편심 디스크에 형성된 폐쇄형 슬롯은 상기 스윙암에 연결된 베어링을 안내한다.

페달과 후륜의 회전 사이에서 정해진 특유한 곡선(characteristic curve)은 제3 실시 예에서 가장 쉽게 변화가능하고, 슬롯의 형상 및/또는 회전 중심의 위치를 충분히 변화시킬 수 있다.

본 발명의 구동장치를 자전거와 관계지어 설명하였지만, 본 발명의 구동장치는 어떠한 축의 회전운동을 적절한 변속비와 변속특성을 가지고 멀리 떨어진 다른 축의 회전운동으로 변환시킬 수 있으며, 본 발명은 자전거에만 한정되지 않는다.

Claims (2)

1. 자전거 프레임에 피봇팅된(pivoted) 페달축 둘레의 원형궤적을 따라 이동되도록 맞은편에 위치한 한 쌍의 페달(21)(21a)(21b)과, 상기 프레임에 부착되어 피보팅된 보조축(25;25a,25b)을 중심으로 예정된 각도범위(angular range)를 스윙 운동하는 한 쌍의 스윙암(swing arm)(26, 27; 26a, 27a; 26b, 27b); 및 상기 스윙암(26, 27; 26a, 27a; 26b, 27b)과 상기 페달(21)사이에 설치되어 회전 운동(circular movement)을 반 스윙 주기(half swing period) 위상 차(phase difference)를 가진 교호스윙운동(alternating swing movement)으로 변환시키는 변속수단(transmission means)을 포함하되, 상기 자전거 후축(50) 양측에 있는 각각의 자유륜기구(free-wheel mechanism)(55)(56)들은 반대 로킹 방향(opppsite locking direction) 을 가지도록 배열되고, 상기 자유륜기구(55)(56)들은 독립된 당김부재(pulling element)(29)에 의해 각 스윙암(26, 27; 26a, 27a; 26b, 27b)에 연결된 자전거의 교호구동장치에 있어서,

   상기 스윙암(26, 27; 26a, 27a; 26b, 27b)들은 구동토크(drive torque)를 전달받고(exposed) 상기 보조축(25;25a,25b)과 상기 스윙암(26,27; 26a,27a;26a,27b)을 구비한 상기 변속수단의 연결점(connection point) 사이에서 정의되고(defined) 수평방향보다는 수직방향에 가까운 상기 예정된 각도범위 중간에 위치함으로서 스윙운동동안 상기 당김부재(29) 또는 후부 당김대(82)(83)들은 실제로 수평방향으로 이동되고, 상기 당김부재(29) 또는 후부 당김대(82)(83)들은 유연하면서당김력(pulling force)만이 받고, 상기 자유륜기구(55)(56)들은 각각의 와이어 드럼(59)을 포함하고, 상기 당김부재(29) 또는 후부 당김대(82)(83)들의 각각의 구역들은 힘을 전달하기 위하여 상기 와이어 드럼(59)의 와이어 안내홈통(60) 또는 와이어드럼(84)과 연계된 하나에 감기도록 한 것을 특징으로 하는 자전거의 교호구동장치(alternating drive).
2. 제 1항에 있어서, 상기 페달(21a)(21b)은 슬롯(106)(107)을 포함하는 폐쇄된 외벽을 갖고 거울대칭배열(mirror symmetrical arrangement)로 설치된 편심 디스크(102)(103)를 포함하며, 상기 폐달축(16)은 상기 편심 디스크(102)(103)를 관통하여 뻗어 고정되어 있으며, 상기 스윙암(26b)(27b)은 폐쇄된 외형 표면(closed contour surface)에 의해 상기 스윙 운동을 하도록 된 것을 특징으로 하는 자전거의 교호구동장치.