KR101237012B1 - 자전거용 가변형 크랭크암 - Google Patents

Abstract

자전거의 크랭크 암에 있어서, 페달링 시 발의 힘이 페달(16)에 가해질 때는 크랭크 암(1)의 길이가 늘어나 강한 회전력을 발생시키고, 발의 힘이 페달(16)에 가해지지 않을 경우는 원래의 짧은 상태로 복구되어 회전 반경이 작아지므로 다음 사이클로의 전환이 신속하게 이루어질 수 있도록 하여 자전거 사용자의 피로를 저감시키고 페달링 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 가변형 크랭크 암을 발명함.
대표도의 (a)는 신장전 가변형 크랭크 암의 모식도이고 (b)는 신장 후 가변형 크랭크 암의 모식도이다

Description

자전거용 가변형 크랭크암{Stretchable crank arm for bicycle}

본 발명은 자전거의 동력발생 및 전달장치인 크랭크 암에 관한 것이다.

자전거의 크랭크 암은 사용자의 힘을 페달을 통하여 크랭크 축에 전달하므로 자동차의 엔진과도 같은 역할을 하는데 크랭크 암의 길이에 따라 크랭크 축에 전달되는 회전력(토크)의 크기가 결정된다[도 5].

길이 고정식 크랭크 암은 길이가 너무 긴 경우 사용자의 입장에서

페달링 시 긴 행정거리로 피로가 쌓여 효율이 떨어지고, 길이가 너무 작을 경우 회전력이 떨어져 부하를 많이 받는 경사로 등지에서 피로가 쌓여 효율이 떨어진다.

일반 평지에서는 통상 자전거 페달링의 속도가 110rpm 을 넘을 경우 효율이 떨어지며 특히 장거리에서 100rpm을 넘을 경우 90rpm에 비하여 효율이 떨어지고 쉽게 피로하게 된다.

기존의 크랭크 암은 길이가 일정하게 정해져 있어 자전거의 사용목적 및 기호에 따라 사용자가 크랭크 암을 길이별로 교체하여야하는 문제가 있다.

크랭크 암의 구조개선을 통하여 사용자가 자전거 페달링 시, 발의 힘이 페달에 가해질 때는 크랭크 암의 길이가 늘어나 강한 회전력을 발생시키고, 발의 힘이 페달에 가해지지 않을 경우는 원래의 짧은 상태로 복구되어 다음 사이클로의 전환이 신속하게 이루어질 수 있도록 하여 자전거 사용자의 피로를 저감시키고, 페달링 에너지 효율을 향상시킨다.

자전거의 크랭크 암에 있어서, 페달 축 방향 몸체(2b)의 일부분이 삽입되어 왕복행정운동을 가능하게 하는 슬라이딩 가이드(5)를 크랭크 축 방향 몸체(2a)의 일 측면에 구비하고, 페달 축 방향 몸체(2b)의 크랭크축 방향 몸체(2a)에의 삽입부에는 페달 축 방향 몸체(2b)의 신장방향의 반대방향으로 작용하는 스프링(10)과 그 스프링(10)을 지지하는 고정 스프링 지지대(8) 및 가변 스프링 지지대(7)를 구비하여, 페달 축 연결구(4)에 연결된 페달(16)에 외력을 가할 경우 크랭크 축 연결구(3)와 페달 축 연결구(4) 사이의 길이가 신장되고, 페달(16)에 외력을 가하지 않을 때는 스프링(10)의 복원력으로 크랭크 축 연결구(3)와 페달 축 연결구(4) 사이의 길이가 신장 전의 상태로 복구되어, 크랭크 암의 길이의 신축적인 장단 변화를 가능하게 한다.

본 발명은 자전거의 페달(16)이 상사 점 근처를 지나 하사 점 근처를 통과하는 동안 즉, 페달(16)에 힘이 가해지는 동안에는 가변형 크랭크 암(1)의 길이가 신장되어 회전력의 크기가 커지고, 페달(16)에 힘이 가해지지 않는 구간에서는 내장 스프링의 복원력으로 크랭크 암의 길이가 원래의 짧은 상태로 복원되어 신속하게 두 번째 사이클로 진입되므로 자전거 사용자가 보다 편하고 에너지 효율적으로 자전거 페달 링을 할 수 있다.

도 1a 는 가변형 크랭크 암(1)의 신장 전 모식도.
도 1b 는 가변형 크랭크 암(1)의 신장 후 모식도.
도 2a 는 길이고정식 크랭크 암(11)의 체인 휠(12)에의 설치 모식도.
도 2b 는 가변형 크랭크 암(1)의 체인 휠(12)에의 설치 모식도.
도 3 은 실 주행으로 회전시 가변형 크랭크 암(1)의 신축에 따른 타원형궤적.
도 4 는 본원발명을 적용한 제품의 분해조립도.
도 5 은 일반 자전거의 크랭크 암과 페달(16).

이하 본원발명의 모식도인 도 1의 (a)와 (b)를 참조하여 구조를 설명하고, 도 2의 (a)와 (b)를 사용하여 자전거의 체인 휠(12)에 장착된 본원발명과 통상적인 고정식 크랭크 암(11)을 비교하고 도 3을 사용하여 본원발명이 자전거에 실제 장착되어 회전동작 시 크랭크 암의 유효길이의 신장과 수축이 반복되며 페달 연결구(4)가 타원궤도를 이루는 상태를 설명한다. 여기서 유효길이라 함은 크랭크 축 연결구(3)과 페달축 연결구(4) 사이의 거리이다. 또한 도 4는 본원발명의 실체로서 제작된 가변형 크랭크 암(1)의 분해조립도로서 보다 사실적이고 구체적으로 본원 발명을 이해할 수 있도록 설명한다.

본원 발명의 구조는 도 1의 (a) 와 (b)에 도시한 바와 같은데 통상적인 길이 고정식 크랭크 암(11)에 길이 가변성을 부여하기 위하여 크랭크 축 연결부(3)를 갖는 크랭크축 방향 몸체(2a)와 페달 축 연결부(4)를 갖는 페달 축 방향 몸체(2b)를 각각 별도로 제작하여 페달 축 방향 몸체(2b)를 크랭크 축 방향 몸체(2a)의 내부에 삽입한다.

크랭크 축 방향 몸체(2a)는 크게 크랭크 축 연결구(3), 내부공간(18) 및 슬라이딩 가이드(5) 등 세 부분으로 구분하는데, 크랭크 축 연결구(3)는 도 2에서 보듯이 자전거의 뒷바퀴에 동력을 전달하는 체인이 장착되는 체인휠(12)과 같이 체결 및 고정되어 같이 회전하게 된다.

크랭크 축 방향 몸체(2a)의 내부공간(18)은 페달축 방향 몸체(2b)의 스프링(10), 고정 스프링 지지대(8) 및 가변 스프링 지지대(7) 등이 위치하고 스프링(10)의 압축과 팽창 등 반복운동을 하게 된다.

슬라이딩 가이드(5)는 페달 축 방향 몸체(2b)의 슬라이딩 행정부(6)가 왕복 운동시 안내 역할을 해주는 부분인데 만약 슬라이딩 행정부(6)의 행정 축의 직각방향 단면 형상이 정원인 경우 페달 축 방향 몸체(2b)가 왕복행정운동을 하면서 비틀릴 수가 있으므로 그 단면이 타원이나 다각형의 형태가 되도록 하여 비틀림을 방지한다.

페달 축 방향 몸체(2b)는 페달 축 연결구(4), 슬라이딩 행정부(6)와 스프링(10)등 세 가지 주요 부분으로 되어있는데 페달 축 연결구(4)는 페달(16)을 연결하고 슬라이딩 행정부(6)는 상기하였듯이 크랭크 축 방향 몸체(2a)의 슬라이딩 가이드(5)를 따라서 왕복 행정운동을 가능하게 한다.

스프링(10)은 고정 스프링 지지대(8)과 가변 스프링 지지대(7) 사이에 위치하여 페달 축 방향 몸체(2b)가 페달(16)에 외력을 받아 신장할 경우, 신장방향의 반대 방향으로 스프링(10)압축에 의한 반발력이 작용하는데, 페달(16)에 인가된 외력이 없어지면 페달 축 방향 몸체(2b)를 신장 전의 초기상태로 회복시킴으로서 페달축 방향 몸체(2b)가 하는 왕복운동을 가능하게 한다.

고정 스프링 지지대(8)는 스프링(10)의 외경보다 큰 직경 머리의 볼트를 사용하여 구현할 수 있다. 도 4의 (e)에서 보듯이 스프링지지볼트(21)의 나사산 보다 크고 스프링(10)의 내경보다 작은 내경을 가지며 스프링(10)의 외경보다 큰 외경을 갖는 와셔(washer)을 가변 스프링 지지대(7)로서 사용할 수 있는데, 스프링 지지볼트(21) 축에 스프링(10)과 같이 삽입 후, 슬라이딩 행정부(6)의 행정 축 중심에 암나사 산을 태핑(tapping)한 후 고정하여 페달 축 방향 몸체(2b)의 일 측면에 고정스프링지지대(8), 스프링(10) 및 가변 스프링 지지대(7)를 구현한다.

도 3은 가변형 크랭크 암(1)을 자전거에 장착하여 구동시, 회전하면서 자전거 페달(16)에 인가된 외력의 유무에 따라 가변형 크랭크 암(1)의 유효길이가 신장과 회복을 반복하며 그리는 궤적이다.

가변형 크랭크 암(1)이 상사점을 지나면서 페달(16)에 가해진 힘의 성분 중 크랭크 축 방향의 반대방향으로 작용하는 벡터가 작용하게 되면 크랭크 축 방향 몸체(2a)로부터 페달축 방향 몸체(2b)가 신장되는데, 가변형 크랭크 암(1)이 하사점을 지나 페달(16)에 인가되는 외력이 없어지면 스프링(10)의 반발복원력에 의해서 페달축 방향 크랭크 암(2b)이 신장 전의 상태로 회복되어 가변형 크랭크 암(1)의 유효길이가 짧아지고 따라서 회전반경이 작아지므로 신속하게 다음 사이클이 시작되는 상사점 근처로 이동하게 된다.

결과적으로 페달(16)에 힘을 가하는 구간에서는 가변형 크랭크 암(1)의 유

효길이가 늘어나서 크랭크 축에 강한 회전력을 발생하고, 페달(16)에 힘을 인가하지 않는 구간에서는 가변형 크랭크 암(1)의 유효길이가 원래 상태대로 짧아져 회전반경이 작아지므로 신속하게 다음 사이클의 대기 상태가 되어 자전거 사용자가 쉽고 에너지 효율적으로 페달링을 할 수 있다.

페달 축 방향 몸체(2b)는 크랭크 축 방향 몸체(2a)와 결합된 상태에서 크랭크 축 연결구(3)와 페달축 연결구(4)사이의 거리인 유효길이 최소치와 유효길이 최대치 사이에서 왕복운동을 하는데, 이때 왕복운동 행정거리의 최소치는 페달축 방향 몸체에 고정되어있는 고정지지대(9)에 의해 정해지게 되고, 최대치는 페달축 방향 몸체(2b)가 신장하며 고정스프링 지지대(8)에 의해 압축되는 스프링(10)의 압축 최소길이에 의해 정해지게 된다. 이때 가변 스프링지지대(7)는 스프링지지볼트(21)의 축에 삽입되어 축방향 이동에 제한이 없으므로 스프링(10)의 압축이 가능해진다.

효율적인 가변형 크랭크암(1)의 유효길이 변동치는 이론적이고 실험적으로 구해지게 되는데 최종적으로 산출된 유효길이 변동치는 최소길이 160mm이고 최대길이 185mm로서 가변크랭크 암(1)의 유효길이가 160mm에서 185mm 로 가변할 수 있도록 제작되었을 때 가장 효율적이다.

도 4는 본원 발명을 이용하며 만든 실제 제품의 분해조립도서 크랭크 축 방향 몸체(2a), 페달 축 방향 몸체(2b) 와 하우징(19)등 3부분으로 구성되어 있다. 도 4의 (a)는 크랭크축 방향 몸체(2a)와 페달 축 방향 몸체(2b)가 서로 결합되어있는 상태를 보여주는데, 이 상태에서 도 4의 (b)인 하우징(19)를 덮고 체결볼트(20)로 단단하게 고정하여 가변형 크랭크 암(1)의 완성품으로서 동작을 하게 된다.

하우징(19)은 크랭크 축 몸체(2a) 고정되어 스프링(10)이 동작할 수 있는 내부공간(18)을 형성하며 또한 크랭크 축 몸체(2a)의 슬라이딩 가이드(5)와 같은 슬라이딩 가이드(5)를 제공하여 결합 후 완벽한 슬라이딩 가이드(5)역할을 할 수 있도록 하여 페달 축 몸체의 슬라이딩 행정부(6)와 긴밀한 슬라이딩 구조를 형성하게 된다.

도 4의 (d)는 페달 축 방향 몸체(2b)의 구조로서 슬라이딩 행정부(6)의 단면 형태가 마름모꼴로 되어있어서 페달 축 방향 몸체(2b)가 왕복행정 운동시 크랭크 축 방향 몸체(2a)와 서로 비틀려지는 것을 방지하게 된다.

도 4의 (e)는 페달 축 몸체에 구성되어있는 고정 스프링 지지대(8), 스프링지지볼트(21), 스프링(10), 가변 스프링 지지대(7) 및 슬라이딩 행정부(6)와의 분해도이다. 스프링(6)의 외경보다 큰 직경의 머리를 가진 볼트를 사용하여 페달축 방향 몸체(2b)의 고정 스프링 지지대(8)와 스프링지지볼트(21)를 구현한다.

조립 후 동작은 페달(16)을 통하여 외력을 받게 되면 마름모꼴의 슬라이딩 행정부(6)가 신장하고, 크랭크 축을 중심으로 가변형 크랭크 암(1)이 회전하는데, 하사점을 지나 페달(16)에 외력이 더 이상 가해지지 않으면 페달 축 방향 몸체(2b)가 스프링(10)의 반발복원력으로 신축 전 원래의 위치로 돌아오면서 다음 사이클의 준비상태로 페달과 발이 신속하게 이동하게 된다.

1: 가변형 크랭크 암
2a: 크랭크 축 방향 몸체 2b: 페달축 방향 몸체
3: 크랭크축 연결구 4: 페달축 연결구
5: 슬라이딩 가이드 6: 슬라이딩 행정부
7: 가변 스프링 지지대 8: 고정 스프링 지지대
9: 고정지지대 10: 스프링
11: 길이고정식 크랭크 암 12: 체인휠
13: 길이고정식 크랭크 암의 크랭크 축 연결구
14: 길이고정식 크랭크 암의 페달 축 연결구
15: 자전거 16: 페달
17a: 실 주행시 가변형 크랭크 암(1)의 타원형궤적
17b: 가변형 크랭크 암(1) 신장 전 길이의 단축궤적
17c: 가변형 크랭크 암(1) 신장 후 길이의 장축궤적
18: 내부공간 19: 하우징
20: 체결볼트 21: 스프링지지볼트

Claims (4)

1. 크랭크축 방향 몸체(2a)와 페달 축 방향 몸체(2b)를 구분 제작하여 페달 축 방향 몸체(2b)를 크랭크 축 방향 몸체(2a)의 내부에 삽입하되, 페달 축 방향 몸체(2b)의 일부분이 삽입되어 왕복행정운동을 가능하게 하는 슬라이딩 가이드(5)를 크랭크 축 방향 몸체(2a)의 일 측면에 구비하고, 페달 축 방향 몸체(2b)의 크랭크축 방향 몸체(2a)에의 삽입부에는 페달 축 방향 몸체(2b)의 신장방향의 반대방향으로 힘이 작용하는 스프링(10)과 스프링(10)을 지지하는 고정 스프링 지지대(8) 및 가변 스프링 지지대(7)를 구비하여, 페달 축 연결구(4)에 연결된 페달(16)에 외력을 가할 경우 크랭크 축 연결구(3)와 페달 축 연결구(4) 사이의 길이가 신장되고, 페달(16)에 외력을 가하지 않을 때는 스프링(10)의 복원력으로 크랭크 축 연결구(3)와 페달 축 연결구(4) 사이의 길이가 신장 전의 상태로 복구되는 자전거의 가변형 크랭크 암에 있어서,
   자전거의 뒷바퀴에서 동력을 전달하기 위한 체인휠에 장착되는 크랭크 축 연결구(3), 고정 스프링 지지대(8)와 가변 스프링 지지대(7)의 사이 공간에 스프링(10)을 위치시켜 해당 스프링(10)의 압축과 팽창이 반복 실시되는 내부공간(18), 양단에서 중심 방향으로 하향 경사면을 형성하여 V형 단면이 구축되게 하는 슬라이딩 가이드(5)로 이루어지는 크랭크 축 방향 몸체(2a);와, 페달(16)에 결속되는 페달 축 연결구(4), 크랭크 축 방향 몸체(2a)의 슬라이딩 가이드(5)에 안내되면서 왕복 행정운동이 실시되는 슬라이딩 행정부(6), 슬라이드 행정부의 행정운동을 위하여 크랭크 축 방향 몸체(2a)의 내부공간(18)에 배치되는 스프링(10)으로 이루어지는 페달 축 방향 몸체(2b);와, 크랭크 축 방향 몸체(2a)에 고정되어 페달 축 방향 몸체(2b)의 스프링(10)이 유동할 수 있도록 하는 내부공간(18), 크랭크 축 방향 몸체(2a)의 슬라이딩 가이드와 동일한 형상이 되도록 양단에서 중심 방향으로 상향 경사면을 형성하여 V형 단면이 구축되게 하는 슬라이딩 가이드(5)를 포함하는 하우징(19);으로 구분 구성되고, 상기 페달 축 방향 몸체(2b)와 하우징(19)을 중첩 배치시켜 체결볼트(20)에 의해 구속시킴에 따라 페달 축 방향 몸체(2b)의 슬라이딩 가이드와 하우징의 슬라이딩 가이드가 서로 연접되면서 하나의 마름모 형상의 중공부를 이루어 페달 축 방향 몸체(2b)의 왕복 행정운동시 크랭크 축 방향 몸체(2a)와의 비틀림이 방지되는 자전거용 가변형 크랭크암.
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