KR101496864B1 - 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자전거 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자전거에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자전거의 기본 틀을 이루며 앞바퀴와 뒷바퀴가 설치되고 안장이 설치된 프레임과, 상기 프레임에 힘점이 고정되어 있고 탑승자가 페달을 교대로 누르는 외력에 의해 상기 힘점을 기준으로 승강하면서 동력을 생성하는 장축 크랭크샤프트와, 상기 장축 크랭크샤프트의 말단에 구비된 풀리(pulley)에 연결되어 탑승자가 가하는 외력에 의해 생성된 동력을 증폭시키는 증폭구동부와, 상기 증폭구동부에서 증폭된 동력에 의해 상기 뒷바퀴에 연결되어 있는 회전축을 정회전시켜 자전거를 전진시키는 승강구동부와, 상기 회전축을 역회전시키는 동력에 의해 회전축을 되감으면서 상기 크랭크샤프트 일단에 구비된 페달을 위로 들어 올림과 아울러 상기 회전축의 역회전을 후진기어에 의해 정회전으로 변환시켜 자전거를 전진시키는 되감기 변환부를 포함하여 구성되어, 600㎜ 이상의 길이를 갖는 긴 크랭크샤프트를 구현함으로써 적은 힘으로도 고속주행이 가능하게 한 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자전거에 관한 것이다.

Description

되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자전거{BICYCLE WITH ACCELERATION PEDAL USING REWINDER}
본 발명은 자전거에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자전거의 기본 틀을 이루며 앞바퀴와 뒷바퀴가 설치되고 안장이 설치된 프레임과, 상기 프레임에 힘점이 고정되어 있고 탑승자가 페달을 교대로 누르는 외력에 의해 상기 힘점을 기준으로 승강하면서 동력을 생성하는 장축 크랭크샤프트와, 상기 장축 크랭크샤프트의 말단에 구비된 풀리(pulley)에 연결되어 탑승자가 가하는 외력에 의해 생성된 동력을 증폭시키는 증폭구동부와, 상기 증폭구동부에서 증폭된 동력에 의해 상기 뒷바퀴에 연결되어 있는 회전축을 정회전시켜 자전거를 전진시키는 승강구동부와, 상기 회전축을 역회전시키는 동력에 의해 회전축을 되감으면서 상기 크랭크샤프트 일단에 구비된 페달을 위로 들어 올림과 아울러 상기 회전축의 역회전을 후진기어에 의해 정회전으로 변환시켜 자전거를 전진시키는 되감기 변환부를 포함하여 구성되어, 600㎜ 이상의 길이를 갖는 긴 크랭크샤프트를 구현함으로써 적은 힘으로도 고속주행이 가능하게 한 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자전거에 관한 것이다.
일반적으로 자전거는 도 1에 도시된 바와 같이 자전거의 뒷바퀴(20)와 앞바퀴(30)를 연결하고 안장(40)과 핸들(50)이 결합되어 전체적인 틀을 이루는 프레임(10)과, 탑승자가 동력을 생성하기 위해 외력을 가하는 페달(60)과, 페달에서 가해지는 외력을 전달하는 체인(70)과, 체인에 의해 전달되는 외력에 의해 회전하는 다수의 기어장치(80)를 포함하여 구성된다.
이와 같이 구성된 종래의 자전거는 동력을 생성하기 위해 페달(60)을 돌려서 크랭크샤프트를 회전시켜야 하였으며, 양쪽 발에서 순차적으로 페달을 돌리기 위해선 다른 쪽 페달이 회전하는 동안 반대 쪽 페달이 원래의 자리로 돌아와야 하였는바, 탑승자가 가하는 외력을 전달하는 수단인 크랭크샤프트의 길이가 안장에 앉은 상태에서 회전 가능한 길이로 제한될 수 밖에 없었다.
그에 따라, 종래의 자전거에 구비된 크랭크샤프트는 지면에 닿지 않은 상태에서 회전 가능한 길이인 16 ~ 23㎝ 정도로 제한될 수 밖에 없었으며, 그로 인하여 탑승자가 페달을 밟으면서 기어장치를 돌리는 동력도 한정된 길이를 갖는 크랭크샤프트를 밟음으로 인하여 생성되는 힘의 크기에 제한될 수 밖에 없었다.
일반적인 지렛대의 원리를 고려할 때, 힘을 가하는 크랭크샤프트의 길이가 길수록 긴 크랭크샤프트의 타단에서 받게 되는 힘은 증가하게 되어 작은 힘으로도 큰 힘을 생성할 수 있음은 주지의 사실이지만, 종래의 자전거의 경우 회전운동에 기반하여 동력을 생성하도록 구성되었는바, 크랭크샤프트의 길이를 연장함에 있어 일정한 한계에 봉착할 수 밖에 없는 문제점이 있었다.
그에 따라, 근래에는 대한민국 공개실용신안공보 제20-2009-0012950호에 개시된 바와 같이, 일정한 기준점(힘점)을 기준으로 하여 상하 왕복 운동할 수 있는 지렛대 페달이 구비된 지렛대 패달 자전거가 제안된 바 있다.
그러나, 이러한 종래의 지렛대 패달 자전거는 탑승자가 가하는 페달부분을 회전운동이 아닌 왕복운동이 가능하게 한 새로운 형태의 자전거를 제안하였으나, 지렛대 패달의 타 측에 회전운동변환기어를 직접 연결하여 탑승자가 가한 외력에 의해 회전운동변환기어를 직접 회전시키도록 구성되어 지렛대 패달에서 생성된 힘이 회전운동이 일어나는 부분에 증폭된 형태로 전달되지 못하게 되는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 지렛데 패달 자전거는 탑승자가 눕다시피 한 자세로 지렛대 패달을 굴러야 하였는바, 자전거의 기본적인 속성을 버리게 되는 문제점이 있었다.
또한, 최근에는 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0118262호에 개시된 바와 같이 상하 운동이 가능한 누름 발판이 구비된 다기능 자전거가 제안되어, 탑승자가 발판의 누름 위치를 변경하거나 조절하여 변속 변화를 야기할 수 있게 한 다기능 자전거도 제안된 바 있다.
그러나, 이러한 종래의 다기능 자전거는 텐션링에 의해 누름 발판의 양 쪽을 연결시켜 좌우의 누름 발판이 시이소처럼 교대로 이동될 수 있게 하는 것을 제안하였지만, 발판을 누름에 의해 발생되는 힘을 증가시킬 수 있게 한 수단에 대한 것은 미처 인식하고 있지 못하여 누름 발판 타 측의 변위를 줄이게 되므로, 오히려 종래에 회전하는 페달을 구르는 경우에 비할 때, 한번 구름에 의해 이동하게 되는 거리를 줄이게 되어 고속주행에 적합하지 못하게 되는 문제점이 있었다.
본 발명이 해결하려는 과제는, 탑승자가 외력을 가하는 크랭크샤프트를 회전시키지 않고 승강시키는 것만으로 자전거를 전진시키는 동력을 생성함으로써 크랭크샤프트의 길이를 600㎜ 이상의 장축으로 형성할 수 있게 하여, 적은 힘으로도 많은 회전력을 생성할 수 있게 되어 고속주행을 용이하게 구현할 수 있게 한 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자전거를 제공함에 있다.
상기 과제를 이루기 위한 승강 페달을 이용한 자전거는,
자전거의 기본 틀을 이루면서 뒷바퀴와 안장이 고정 설치되고, 앞바퀴가 고정되어 있는 핸들이 결합된 프레임; 상기 프레임에 힘점이 고정되어 있고 탑승자가 페달을 교대로 누르는 외력에 의해 상기 힘점을 기준으로 승강하면서 동력을 생성하는 장축 크랭크샤프트; 상기 장축 크랭크샤프트의 말단에 구비된 풀리(pulley)에 연결되어 탑승자가 가하는 외력에 의해 생성된 동력을 증폭시키는 증폭구동부; 상기 증폭구동부에서 증폭된 동력에 의해 상기 뒷바퀴에 연결되어 있는 회전축을 정회전시켜 자전거를 전진시키는 승강구동부; 및 상기 회전축을 역회전시키는 동력에 의해 회전축을 되감으면서 상기 크랭크샤프트 일단에 구비된 페달을 위로 들어 올림과 아울러 상기 회전축의 역회전을 후진기어에 의해 정회전으로 변환시켜 자전거를 전진시키는 되감기 변환부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 장축 크랭크샤프트는,
상기 뒷바퀴에서 앞바퀴 뒤쪽에 이르기까지 길게 형성되어 있는 바형상의 샤프트와, 상기 샤프트의 말단에 설치되어 탑승자가 발로 눌러 외력을 가하는 페달을 포함하여 구성되며; 상기 샤프트는 상기 프레임을 기준으로 탑승자의 좌측에 위치하는 좌측샤프트와, 탑승자의 우측에 위치하는 우측샤프트로 구성되고; 상기 페달은 상기 좌측샤프트의 말단에 설치되어 있는 좌측페달과, 상기 우측샤프트의 말단에 설치되어 있는 우측페달로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 장축 크랭크샤프트는 600~1200㎜의 길이를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 증폭구동부는, 상기 장축 크랭크샤프트의 타단에 결합되어 있는 적어도 하나 이상의 풀리; 뒷바퀴의 중심축에 연결되어 있는 회전축에 고정되어 상기 회전축과 함께 회전하는 고정드럼; 및 상기 풀리를 승강시키는 동력을 상기 고정드럼으로 전달하는 동력전달부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 동력전달부는, 상기 적어도 하나 이상의 풀리의 승강에 따라 고정드럼을 회전시킬 수 있도록 풀리와 고정드럼을 모두 경유하도록 설치된 와이어나 체인으로 구성되며, 상기 와이어나 체인은 일단이 상기 가이드 플레이트에 구비된 브라켓에 고정 설치되고, 타단은 고정드럼에 고정 설치되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 증폭구동부는, 상기 풀리는 횡으로 설치된 임의의 n개(n은 자연수)로 구성되고, 상기 고정드럼은 상기 풀리의 하부에 횡으로 설치된 임의의 n개로 구성되어, 상기 n개의 풀리가 상승함에 따라 동력전달부에서 발생하는 변위가 2n배가 되게 하여, 2n:n의 로핑 비율을 갖고 동력을 증폭시킨 후 회전축에 회전력을 전달하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 승강구동부는, 상기 고정드럼이 고정되어 동력전달부에서 발생되는 변위만큼 회전하는 고정드럼과 함께 회전하는 회전축; 뒷바퀴의 중심축에 연결되어 있으며 베어링을 통해서 상기 회전축에 연결되어 회전력을 수신하여 뒷바퀴를 회전시키는 일반기어; 및 상기 회전축에 연결되어 있어 한 방향으로만 회전하면서 동력을 생성하도록 조절하는 스프로킷 기어를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 되감기 변환부는, 상기 페달을 교대로 누를 때 회전축이 정회전과 역회전을 반복하도록 상기 와이어나 체인으로 이루어진 동력전달부가 상기 고정드럼에 상호 반대방향으로 감기도록 구성되고, 뒷바퀴의 중심축에 연결되어 상기 뒷바퀴 일 측에 설치되며 역회전하는 회전축의 회전력을 수신한 후 정회전으로 변환하여 베어링으로 전달하는 후진기어를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 좌측페달과 우측페달이 회전축의 정회전과 역회전에 의해 교대로 승강하면서 탑승자가 연속적으로 외력을 가할 수 있게 되고, 회전축의 역회전은 페달을 상승시킴에 이용될 뿐만 아니라 후진기어에 의해 전진 구동에 이용되게 함으로써, 외부로 손실되는 동력을 최소화하면서 전진구동을 구현할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 600㎜ 이상의 길이를 갖는 장축 크랭크샤프트를 구현할 수 있게 됨으로써, 지렛대의 원리를 보다 충실히 자전거의 구동에 적용하여 적은 힘으로도 많은 회전력을 생성할 수 있게 되어 고속주행을 용이하게 구현할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 탑승자가 힘을 가하는 페달과 힘점 사이의 거리와 그 힘에 의해 자전거를 전진시키는 힘을 발생하게 되는 풀리와 힘점 사이의 거리 차이가 크기 때문에 발생하게 될 수 있는 직접적인 변위의 축소를 횡으로 배열된 적어도 하나이상의 풀리와 고정드럼을 감싸는 와이어 등 동력전달부에서의 변위 증가에 의해 보상함으로써, 자전거를 타는 탑승자가 페달을 구르는 힘의 손실을 최소화하면서 고속주행이 가능하게 한 효과가 있다.
도 1은 회전식 페달이 구비된 종래 자전거의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자전거의 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자전거의 우측면도.
도 4는 본 발명에 따른 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자전거의 평면도.
도 5는 본 발명에 따른 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자전거의 후면도.
도 6은 본 발명에 따른 되감기 현상을 나타내는 구성도.
도 7 및 도 8은 본 발명에 따라 승강 페달이 승강하는 것을 나타낸 자전거의 후면 확대도.
도 9는 본 발명에 따라 2대1의 비율로 구성된 로핑조절부의 예시도.
도 10은 본 발명에 따라 6대3의 비율로 구성된 로핑조절부의 예시도.
도 11은 본 발명에 따라 8대4의 비율로 구성된 로핑조절부의 예시도.
도 12는 본 발명에 따른 승강구동부의 다른 실시예를 나타내는 구성도.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자전거의 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자전거의 우측면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자전거의 평면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자전거의 후면도이다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자전거는, 자전거의 기본 틀을 이루며 앞바퀴와 뒷바퀴가 설치되고 안장이 설치된 프레임(100)과, 상기 프레임에 힘점이 고정되어 있고 탑승자가 페달을 교대로 누르는 외력에 의해 상기 힘점을 기준으로 승강하면서 동력을 생성하는 장축 크랭크샤프트(200)와, 상기 장축 크랭크샤프트의 말단에 구비된 풀리(pulley)에 연결되어 탑승자가 가하는 외력에 의해 생성된 동력을 증폭시키는 증폭구동부(300)와, 상기 증폭구동부에서 증폭된 동력에 의해 상기 뒷바퀴에 연결되어 있는 회전축을 정회전시켜 자전거를 전진시키는 승강구동부(400)와, 상기 회전축을 역회전시키는 동력에 의해 회전축을 되감으면서 상기 크랭크샤프트 일단에 구비된 페달을 위로 들어 올림과 아울러 상기 회전축의 역회전을 후진기어에 의해 정회전으로 변환시켜 자전거를 전진시키는 되감기 변환부(500)를 포함하여 구성된다. 이하 본 명세서에서 동력은 자전거를 움직이기 위해 뒷바퀴를 회전시키는 힘을 의미한다.
상기 프레임(100)은 도 2에 도시된 바와 같이 자전거의 기본 틀을 이루면서 뒷바퀴와 안장이 고정 설치되고, 앞바퀴가 고정되어 있는 핸들이 결합되어 전체적인 자전거의 형상을 유지할 수 있는 프레임으로 구성된다.
이때, 상기 프레임(100)에서 승강구동부가 설치되는 뒷바퀴(110)의 중심축 부근에는 상기 힘점(260)이나 풀리(310) 등이 설치될 수 있는 판형의 가이드 플레이트(150)가 결합되도록 구성되는 것이 바람직하다.
상기 장축 크랭크샤프트(200)는 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 뒷바퀴에서 앞바퀴 뒤쪽에 이르기까지 길게 형성되어 있는 바형상의 샤프트(210,220)와, 상기 샤프트의 말단에 설치되어 탑승자가 발로 눌러 외력을 가하는 페달(230,240)을 포함하여 구성된다.
상기 샤프트는 상기 프레임을 기준으로 탑승자의 좌측에 위치하는 좌측샤프트(210)와, 탑승자의 우측에 위치하는 우측샤프트(220)로 구성되며, 상기 페달은 상기 좌측샤프트의 말단에 설치되어 있는 좌측페달(230)과, 상기 우측샤프트의 말단에 설치되어 있는 우측페달(240)을 포함하여 구성된다.
이때, 상기 좌측샤프트(210)와 우측샤프트(220)는 상기 프레임에 설치되어 있는 가이드 플레이트(150)에 힘점(260)이 고정되어 있으며, 상기 가이드 플레이트(150)에는 상기 좌측샤프트와 우측샤프트에 각각 연결되어 있는 풀리(310)가 페달을 교대로 누르는 외력에 의해 상기 힘점을 기준으로 승강하는 가이드라인(160)이 형성된다.
그에 따라, 상기 장축 크랭크샤프트(200)는 회전에 의해 동력을 발생하던 종래의 자전거와는 달리 아래로 눌리는 것만으로 동력을 발생하고, 반대 측 페달을 눌러서 상기 승강구동부에 구비된 회전축을 원래의 상태로 되감는 과정에서 샤프트가 상승하면서 페달이 올라오게 되어 탑승자가 페달을 누르는 외력을 지속적으로 가할 수 있게 된다.
이와 같이, 상기 좌측샤프트(210)와 우측샤프트(220)는 회전 없이 상호 대응되게 상하로 승강하면서 동력을 생성하게 되므로, 다시 외력을 가하기 위한 위치에 페달이 오기 위해서는 크랭크샤프트가 완전히 회전해야 하였던 종래의 자전거와는 달리 크랭크샤프트의 길이 형성에 있어 제한을 받지 않게 된다. 그에 따라, 상기 장축 크랭크샤프트(200)는 종래에 160~230㎜에 불과하던 크랭크샤프트의 길이를 크게 증가시켜 600~1200㎜에 이르기까지 확대시킬 수 있게 된다.
또한, 이와 같이 크랭크샤프트(200)의 길이를 크게 증가시키고, 가이드 플레이트(150)에 고정된 힘점(260)과 페달(230,240) 사이의 거리를 상기 힘점(260)과 풀리(310) 사이의 거리보다 멀게 함으로써, 상기 페달(230,240)에 가해지는 적은 힘으로도 많은 동력을 상기 증폭구동부(300)와 승강구동부(400)로 전송할 수 있게 된다.
또한, 상기 좌측샤프트(210)와 우측샤프트(220)에는 도 2에 도시된 바와 같이 좌측페달(230)과 우측페달(240)이 결합되는 위치를 조절할 수 있도록 일정 간격마다 형성된 다수의 홈으로 이루어진 길이 조절홈(250)이 형성되는 것이 바람직하다.
그에 따라, 보다 많은 힘을 내고자 할 경우에는 상기 좌측샤프트(210)와 우측샤프트(220)의 말단에 가까운 곳에 형성된 길이 조절홈(150)에 페달(230,240)을 결합하여 장축 크랭크샤프트의 전체 길이를 증가시키고, 보다 적은 힘을 내고자 할 경우에는 상기 좌측샤프트(210)와 우측샤프트(220)의 말단에서 먼 곳에 형성된 길이 조절홈(250)에 페달을 결합하여 장축 크랭크샤프트의 전체 길이를 감소시킬 수 있게 된다.
이와 같이 구성된 상기 장축 크랭크샤프트(200)는 가이드 플레이트(150)에 고정되어 있는 힘점(260)을 기준으로 하여 페달(230,240)에서 가해지는 외력에 의해 상기 장축 크랭크샤프트의 타단에 연결되어 있는 풀리(310)가 가이드 플레이트에 형성되어 있는 가이드라인(160)을 따라 상승하면서, 상기 페달에 가해지는 외력을 증폭구동부와 승강구동부로 전달하게 된다.
상기 증폭구동부(300)는 상기 장축 크랭크샤프트(200)의 타단에 결합되어 있는 적어도 하나 이상의 풀리(310)와, 뒷바퀴의 중심축에 연결되어 있는 회전축에 고정되어 상기 회전축과 함께 회전하는 고정드럼(330)과, 상기 풀리를 승강시키는 동력을 상기 고정드럼으로 전달하는 동력전달부(320)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 풀리(310)는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 장축 크랭크샤프트(200)의 승강에 의해 동시에 움직일 수 있도록 적어도 하나 이상의 풀리에 공통적으로 연결되어 있는 고정바(312)에 의해 상호 연결되도록 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 동력전달부(320)는 상기 적어도 하나 이상의 풀리(310)의 승강에 따라 고정드럼(330)을 회전시킬 수 있도록, 상기 풀리(310)와 고정드럼(330)을 모두 경유하도록 설치된 와이어나 체인 등으로 구성되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 와이어나 체인 등으로 이루어진 동력전달부(320)는 일단이 상기 가이드 플레이트(150)에 구비된 브라켓(322)에 고정 설치되고, 타단은 고정드럼(330)에 고정 설치되어, 상기 풀리의 승강에 의해 풀리(310)와 고정드럼(330) 사이의 거리가 멀어지게 될 경우 고정드럼(330)을 회전시킬 수 있게 하여 회전동력을 생성하도록 구성된다.
즉, 상기 동력전달부(320)를 이루는 와이어나 체인은 외력에 의해 신축하지 않으므로, 상기 풀리(310)가 상승하면서 풀리와 고정드럼 사이의 거리가 멀어지면 상기 와이어(320)나 체인이 당겨지면서 고정드럼(330)을 회전시키게 되고, 이러한 고정드럼의 회전에 의해 회전축(410)도 함께 회전하면서 뒷바퀴를 회전시키는 회전력을 생성하게 된다.
상기 고정드럼(330)은 상기 풀리(310)의 개수에 대응되는 개수로 형성되는 것이 바람직하며, 그에 따라 상기 풀리(310)가 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 2개가 나란히 횡으로 설치된 경우 상기 고정드럼(330)도 2개가 나란히 횡으로 설치되도록 구성된다.
또한, 상기 증폭구동부(300)는 페달을 밟으면서 탑승자가 가하는 외력에 의해 발생되는 변위를 증가시킬 수 있도록, 상기 풀리(310)와 고정드럼(330)의 개수를 증감시켜 로핑비율을 조절함으로써 회전축으로 전달되는 동력을 증폭시키거나 감소시킬 수 있게 된다.
그에 따라, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 풀리(310)와 고정드럼(330)이 각각 2개로 구성되고, 각 풀리(310)에는 와이어나 체인 등의 동력전달부(320)에 의해 각 고정드럼(330)이 연결됨으로써, 두 개의 풀리(310)가 한번 상승할 때 마다 풀리와 고정드럼 상호간을 연결하는 와이어(320)들이 모두 연장되면서 변위를 4배로 증가시키고, 그로 인해 회전축의 회전정도를 더 증가시킬 수 있게 된다.
즉, 도 9에 도시된 바와 같이 상기 증폭구동부(300)가 하나의 풀리(310)와 하나의 고정드럼(330)으로 구성된 경우, 풀리(310)가 상승하여 풀리와 고정드럼 사이의 거리가 이격되면, 상기 풀리의 이동에 의해 발생되는 와이어나 체인 등 동력전달부(320)의 변위는 브라켓에 고정된 일단에서 풀리에 이르는 거리 및 상기 풀리에서 고정드럼에 이르는 거리에서 함께 발생하게 된다.
그에 따라 풀리의 이동거리를 1이라고 할 경우 동력전달부에서 발생되는 변위는 2가 되어 전체적으로는 2:1의 로핑 비율을 갖고 회전축에 회전력을 전달하게 되며, 그로 인하여 페달에 가하는 힘에 의해 풀리에 전달되는 힘보다 증폭된 상태로 회전축에 전달될 수 있게 된다.
또한, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 풀리(310)와 고정드럼(330)이 각각 2개로 구성될 경우, 풀리가 상승하면서 풀리와 고정드럼 사이의 거리가 이격되면, 브라켓에 고정된 일단에서 제1풀리에 이르는 거리, 제1풀리에서 제1고정드럼에 이르는 거리, 제1고정드럼에서 제2풀리에 이르는 거리, 및 제2풀리에서 제2고정드럼에 이르는 거리에서 모두 와이어나 체인의 변위가 발생하게 된다.
그에 따라, 상기 장축 크랭크샤프트 일단에 구비된 페달을 누름으로 인해 발생된 두 개의 풀리가 각각 이동하는 거리를 1이라고 할 경우 페달을 한 번 누를 때 직접적으로 발생되는 풀리의 총 이동거리는 2가 되지만, 동력전달부에서 발생되는 총 변위는 2개의 고정드럼에 의해 4가 되어 전체적으로는 4:2의 로핑 비율을 갖고 회전축에 회전력을 전달하게 된다.
이와 마찬가지로, 도 10에 도시된 바와 같이 풀리(310)와 고정드럼(330)이 각각 3개로 구성될 경우 전체적으로는 6:3의 로핑 비율을 갖고 회전축에 회전력을 전달하게 되고, 도 11에 도시된 바와 같이 풀리(310)와 고정드럼(330)이 각각 4개로 구성될 경우 전체적으로는 8:4의 로핑 비율을 갖고 회전축에 회전력을 전달할 수 있게 된다.
따라서, 상기 풀리(310)가 횡으로 설치된 임의의 n개(n은 자연수)로 구성되고, 상기 고정드럼(330)이 상기 풀리의 하부에 횡으로 설치된 임의의 n개로 구성되어, 상기 n개의 풀리가 상승함에 따라 동력전달부에서 발생하는 변위가 2n배가 되게 하여, 2n:n의 로핑 비율을 갖고 동력을 증폭시킨 후 회전축에 회전력을 전달하게 되므로, 페달을 한 번만 누를 경우에도 동력전달부를 이루는 와이어나 체인 등의 변위를 크게 하여 회전축에 전달되는 회전력을 증가시킬 수 있게 된다., 즉 한 번의 페달 구름으로 인해 회전축의 회전수를 증가시켜 보다 크고 빠른 회전을 얻을 수 있게 된다. 이때, 한 번의 회전에 의해 고정드럼이 여러 번 회전할 수 있도록 상기 와이어나 체인 등으로 이루어진 동력전달부의 총길이가 증가되어야 함은 물론이다.
상기 승강구동부(400)는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 고정드럼(330)이 고정되어 있어 동력전달부(320)에서 발생되는 변위에 의해 회전하게 되는 고정드럼(330)과 함께 회전하는 회전축(410)과, 뒷바퀴의 중심축에 연결되어 있으며 베어링을 통해서 상기 회전축에 연결되어 회전력을 수신하여 뒷바퀴를 회전시키는 일반기어(420)와, 일 측의 회전축에 연결되어 있어 한 방향으로만 회전하면서 동력을 생성하도록 조절하는 스프로킷 기어(430)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 일반기어(420)는 정회전하는 회전축(410)의 회전력에 의해 뒷바퀴를 전진시키는 기어로서 다수의 기어장치들이 서로 맞물리도록 결합되어 상기 베어링을 통하여 전달되는 회전축의 회전력에 의해 상호 맞물려 돌아가면서 뒷바퀴의 중심축을 회전시키도록 구성되며, 통상적으로 사용되는 기어와 동일한 바 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 상기 뒷바퀴(110)의 좌측과 우측에 형성된 회전축(410)은 상기 뒷바퀴의 중심축을 관통하여 상호 연결되어 있어, 상기 고정드럼(330)의 회전방향을 따라 함께 회전하도록 구성되는 것이 바람직하다.
이와 같이 뒷바퀴의 좌측과 우측에 형성된 회전축(410)이 고정드럼의 회전방향을 따라 함께 회전하도록 구성됨으로써, 장축 크랭크샤프트(200)가 눌림에 따라 정회전과 역회전을 반복하게 되고, 그로 인해 외력이 가해지지 않는, 즉 탑승자에 의해 눌리지 않는 쪽의 샤프트가 위로 올라가게 된다. 이때, 상기 외력이 가해지지 않는 쪽에서 발생하게 되는 회전축의 회전력이 뒷바퀴의 회전에 기여하지 못하도록 베어링(440)의 전단에 스프로킷 기어(430)가 구비된다.
상기 되감기 변환부(500)는 상기 페달(230,240)을 교대로 누를 때 회전축(410)이 정회전과 역회전을 반복하도록 상기 와이어나 체인으로 이루어진 동력전달부(320)가 상기 고정드럼(330)에 상호 반대방향으로 감기도록 구성되고, 뒷바퀴의 중심축에 연결되어 상기 뒷바퀴(110) 일 측에 설치되며 역회전하는 회전축(410)의 회전력을 수신한 후 정회전으로 변환하여 베어링(440)으로 전달하는 후진기어(500)를 포함하여 구성된다.
이때, 후진기어(500)는 페달을 구를 때 역회전을 야기하는 측에 설치되어 회전축(410)의 역회전을 자전거의 전진이 가능한 정회전으로 변환하여 뒷바퀴를 전진시키는 기어로서, 다수의 기어장치들이 서로 맞물리도록 결합되어 상기 뒷바퀴의 중심축에 결합된다. 상기 후진기어는 특정한 종류에 제한되지 않고 회전축의 역회전을 정회전으로 변환시킬 수 있는 다양한 형태의 후진기어로 구성될 수 있다.
이와 같이, 회전축(410)에 고정되어 있는 고정드럼에 와이어나 체인 등의 동력전달부(320)를 감을 때 감는 방향을 상호 반대로 하여, 페달의 구름에 의해 풀리(310)가 상승함에 따라 동력전달부가 당겨질 때 고정드럼(330)과 회전축(410)이 회전하는 방향이 상호 반대방향이 되게 함으로써, 좌측페달(230)을 누르면 회전축(410)이 정회전하면서 우측페달(240)이 위로 올라오고, 우측페달(240)을 누르면 회전축(410)이 역회전하여 원위치로 돌아오면서 좌측페달(230)이 다시 위로 올라오게 하여 탑승자가 페달을 교대로 누를 수 있게 된다.
따라서, 회전축(410)은 도 6에 도시된 바와 같이 일정 범위내에서 정회전과 역회전을 반복하며 제자리를 유지하게 되지만, 정회전과 역회전시 발생되는 회전력은 일반기어(420)와 후진기어(500)에 의해 모두 뒷바퀴의 전진에 이용될 수 있게 되어 크랭크샤프트를 길게 형성하면서도 자전거의 안정적인 전진 구동이 가능하게 된다.
도 12는 본 발명에 따른 증폭구동부의 다른 실시예를 나타내는 구성도이다.
도 12를 참조하면, 상기 증폭구동부는 각 페달을 누름에 따라 승강하는 선형기어(610)와, 상기 각 선형기어 사이에 위치하여 선형기어의 승강에 따른 직선운동을 회전운동으로 변환하기 위해 상기 각 선형기어에 맞물려 있는 원형기어(620)와, 상기 원형기어 상호간을 연결하는 연결축(630)을 포함하여 구성된다.
상기 선형기어(610)는 장축 크랭크샤프트를 이루는 좌측샤프트와 우측샤프트 각각의 후단에 연결되어 있으며, 좌측페달을 누르면 힘점을 중심으로 뒷바퀴의 좌측에 설치되어 있는 좌측선형기어(610)가 상승하면서 좌측원형기어(620)를 회전시켜 그에 연결되어 있는 뒷바퀴의 중심축을 회전시키고, 우측페달을 누르면 힘점을 중심으로 뒷바퀴의 우측에 설치되어 있는 우측선형기어(610)가 상승하면서 우측원형기어(620)를 회전시켜 그에 연결되어 있는 뒷바퀴의 중심축을 회전시키도록 구성된다.
이때, 상기 좌측원형기어(620)의 회전은 회전축(630)을 정회전시키므로 승강구동부를 이루는 일반기어에 의해 뒷바퀴의 전진을 야기하게 되고, 상기 우측원형기어(620)의 회전은 연결축(630)을 역회전시키므로 승강부를 이루는 후진기어에 의해 뒷바퀴의 전진을 야기하게 되어 페달을 누르는 힘에 의해 자전거가 전진할 수 있게 된다.
상기 연결축(630)의 정회전시에 이루어지는 뒷바퀴의 전진과 역회전시에 이루어지는 뒷바퀴의 전진 구동은 상술한 와이어나 체인을 이용하여 연결축(630)을 정회전 또는 역회전 시키는 경우와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
이와 같이, 상기 증폭구동부가 장축 크랭크샤프트의 상하 이동에 의해 승강하는 선형기어(610)와, 상기 선형기어에 맞물려 회전운동을 발생시키는 원형기어(620), 및 상기 원형기어 상호간을 연결하며 원형기어에서 발생된 회전력으로 회전하는 연결축(630)으로 이루어진 경우에도, 상호 연결되어 있으며 정회전과 역회전을 교대로 반복하는 연결축(630)에 의해 일 측의 페달을 아래로 누르면 반대 측의 페달이 위로 올라가게 되어 탑승자의 연속적인 페달구동이 가능하게 됨은 물론이다.
또한, 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 선형기어(610)의 상부를 와이어나 체인과 같은 동력전달부(320)에 의해 탑승자가 외력을 가하는 장축 크랭크샤프트(200) 말단에 연결시키고, 상기 동력전달부는 적어도 하나 이상의 풀리(310)와 고정드럼(330)을 감도록 설치함으로써, 상술한 바와 같이 탑승자가 가하는 외력에 의해 발생되는 변위를 증가시키도록 구성될 수 있다. 이때, 상기 풀리와 고정드럼의 개수를 증가시킴으로써 변이를 선형기어의 변위를 증가시키고, 그로 인해 한 번의 구동으로 보다 큰 동력을 생성할 수 있게 됨은 상술한 증폭구동부의 경우와 동일한 바 이하 상세한 설명은 생략한다.
또한, 이와 달리, 상기 장축 크랭크샤프트(200)의 타단에 상기 선형기어를 직접 연결하여 페달을 누르는 힘에 의해 선행기어가 직접 상승하며 뒷바퀴를 회전시키는 변위를 생성하도록 구성될 수 있음은 물론이다.
다음에는 이와 같이 구성된 본 발명에 따른 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자전거의 작용을 설명한다.
탑승자가 600㎜ 이상의 긴 장축 크랭크샤프트(200)의 일단에 설치되어 있는 좌측페달(230)을 누르면 가이드 플레이트(150)에 고정되어 있는 힘점(260)을 기준으로 장축 크랭크샤프트의 타단에 설치되어 있는 풀리(310)가 상승하면서 이동하게 된다. 이때, 탑승자가 힘을 가하는 좌측페달(230)은 긴 장축 크랭크샤프트 상에서 힘점을 기준으로 할 때 풀리보다 훨씬 멀리 위치하게 되므로, 일반적인 지렛대의 원리에 의할 때 작은 힘을 가하더라도 풀리(310) 쪽에서는 큰 힘을 구현할 수 있게 된다.
또한, 상기 장축 크랭크샤프트의 타단에는 적어도 하나 이상의 풀리(310)가 횡으로 설치되어 있으며, 각 풀리(310)는 가이드 플레이트(150)와 고정드럼(330)에 양단이 고정되어 있으며 일정한 길이를 갖는 와이어나 체인과 같은 동력전달부(320)에 의해 감겨 있으므로, 풀리(310)의 상승에 의해 와이어 등의 동력전달부(320)가 위로 당겨지면서 고정드럼(330)을 회전시키게 된다.
이때, 상기 풀리(310)와 고정드럼(330)은 상호 대응되는 개수로 여러 개가 설치되어 있고 풀리와 고정드럼 상호간이 와이어 등(320)에 의해 연결되어 있으므로, 설치된 풀리와 고정드럼의 개수에 따라 2:1, 4:2, 6:3, 또는 8:4의 로핑 비율로 와이어 등의 동력전달부(320)를 당기게 되어 페달을 한번 누르는 것만으로도 동력전달부에서 발생되는 총 변위를 증가시킬 수 있게 되어 보다 큰 회전력을 얻을 수 있게 된다.
이와 같이 고정드럼(330)을 회전시키는 회전력은 고정드럼이 고정되어 있는 회전축(410)을 회전시키고, 상기 회전축(410)의 회전은 그에 연결되어 있는 베어링(440)을 통하여 뒷바퀴의 중심축에 연결된 일반기어(420)를 회전시켜 뒷바퀴의 전진구동을 가능하게 한다.
또한, 상기 와이어 등의 동력전달부(320)는 상기 뒷바퀴의 좌측에 설치되어 있는 고정드럼에 감긴 방향과는 반대 방향으로 우측에 설치되어 있는 고정드럼에 감겨 있는바, 상기 좌측패달(230)의 하강에 의해 회전축(410)이 정회전하면 우측에 설치되어 있는 고정드럼에는 와이어 등의 동력전달부가 감기면서 풀리와 고정드럼 사이의 거리가 줄어들게 되어 장축 크랭크샤프트의 전단에 설치되어 있는 우측페달(240)이 위로 올라가게 된다.
이후, 탑승자가 우측페달(240)을 누르면 힘점(260)을 기준으로 장축 크랭크샤프트의 타단에 설치되어 있는 풀리(310)가 상승하면서 이동하게 된다. 이때, 탑승자가 힘을 가하는 우측페달(240)도 긴 장축 크랭크샤프트 상에서 힘점을 기준으로 할 때 풀리보다 훨씬 멀리 위치하게 되므로 풀리 쪽에서는 큰 힘을 구현할 수 있게 된다.
그에 따라, 상기 뒷바퀴의 우측에 설치된 풀리(310)가 상승하면서 와이어 등의 동력전달부(320)를 위로 잡아당기면, 고정드럼(330)에 일단이 고정되어 있는 동력전달부(320)가 당겨짐에 따라 고정드럼(330)이 회전하게 된다. 이때, 상기 뒷바퀴의 우측에 설치된 동력전달부(320)는 뒷바퀴의 좌측에 설치된 동력전달부와는 반대 방향으로 감겨있으므로, 고정드럼(330)이 역회전하게 되며, 이러한 고정드럼이 고정되어 있는 회전축(410)도 역회전하게 된다.
이처럼 역회전하는 회전축(410)에 의해 뒷바퀴의 좌측에 설치된 고정드럼(330)에 와이어 등의 동력전달부(320)가 감기면서 풀리와 고정드럼 사이의 거리가 줄어들게 되어 좌측페달(230)이 위로 올라가게 된다.
또한, 상기 우측페달(240)을 누름으로 인하여 발생된 회전축(410)의 역회전은 상기 뒷바퀴의 우측에 설치되어 있는 후진기어(500)에 의해 정회전으로 변환된 후 뒷바퀴의 중심축으로 전달되어 뒷바퀴의 전진구동이 가능하게 된다.
이와 같이 좌측페달(230)과 우측페달(240)이 회전축의 정회전과 역회전에 의해 교대로 승강하면서 탑승자가 연속적으로 외력을 가할 수 있게 되고, 회전축(410)의 역회전은 페달을 상승시킴에 이용될 뿐만 아니라 후진기어(500)에 의해 전진 구동에 이용되므로, 외부로 손실되는 동력을 최소화하면서 전진구동을 구현할 수 있게 된다.
또한, 종래의 자전거에서는 구조적인 한계로 인하여 구현될 수 없었던 600㎜ 이상의 길이를 갖는 크랭크샤프트를 구현할 수 있게 되므로 지렛대의 원리를 보다 충실히 자전거의 구동에 적용하여 적은 힘으로도 많은 회전력을 생성할 수 있게 되어 고속주행을 용이하게 구현할 수 있게 된다.
또한, 탑승자가 힘을 가하는 페달과 힘점 사이의 거리와 그 힘에 의해 자전거를 전진시키는 힘을 발생하게 되는 풀리와 힘점 사이의 거리 차이가 크기 때문에 발생하게 될 수 있는 직접적인 변위의 축소는 횡으로 배열된 적어도 하나이상의 풀리와 고정드럼을 감싸는 와이어 등 동력전달부에서의 변위 증가에 의해 보상될 수 있어 자전거를 타는 탑승자가 페달을 구르는 힘의 손실을 최소화하면서 고속주행이 가능하게 된다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
100 - 프레임 110 - 뒷바퀴
120 - 앞바퀴 130 - 안장
140 - 핸들 150 - 가이드 플레이트
200 - 장축 크랭크샤프트 210 - 좌측샤프트
220 - 우측샤프트 230 - 좌측페달
240 - 우측페달 250 - 길이조절홈
260 - 힘점 300 - 증폭구동부
310 - 풀리 312 - 고정바
320 - 동력전달부 330 - 고정드럼
400 - 승강구동부 410 - 회전축
420 - 일반기어 430 - 스프로킷 기어
440 - 베어링 500 - 후진기어
610 - 선형기어 620 - 원형기어
630 - 연결축

Claims (13)

  1. 자전거의 기본 틀을 이루면서 뒷바퀴와 안장이 고정 설치되고, 앞바퀴가 고정되어 있는 핸들이 결합된 프레임;
    상기 프레임에 힘점이 고정되어 있고 탑승자가 페달을 교대로 누르는 외력에 의해 상기 힘점을 기준으로 승강하면서 동력을 생성하는 장축 크랭크샤프트;
    상기 장축 크랭크샤프트의 말단에 구비된 풀리(pulley)에 연결되어 탑승자가 가하는 외력에 의해 생성된 동력을 증폭시키며, 상기 장축 크랭크샤프트의 타단에 결합되어 있는 적어도 하나 이상의 풀리, 뒷바퀴의 중심축에 연결되어 있는 회전축에 고정되어 상기 회전축과 함께 회전하며 뒷바퀴를 중심으로 좌우 양측에 각각 설치되는 고정드럼, 및 상기 풀리를 승강시키는 동력을 상기 고정드럼으로 전달하여 고정드럼을 회전시키는 동력전달부를 포함하는 증폭구동부;
    상기 증폭구동부에서 증폭된 동력에 의해 상기 뒷바퀴에 연결되어 있는 회전축을 정회전시켜 자전거를 전진시키는 승강구동부; 및
    상기 동력전달부가 상기 좌우 양측 고정드럼에 상호 반대방향으로 감겨서, 상기 풀리의 상승에 의해 당겨지는 동력전달부에 의해 일측 고정드럼에 고정되어 있는 회전축은 자전거의 진행방향과 동일한 방향으로 정회전을 하고 타측 고정드럼에 고정되어 있는 회전축은 자전거의 진행방향과 반대방향으로 역회전을 하며, 상기 회전축을 정회전 또는 역회전시키는 힘에 의해 페달이 눌려지지 않는 쪽의 회전축을 되감으면서 상기 크랭크샤프트 일단에 구비된 페달을 위로 들어 올리는 되감기 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자전거.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 장축 크랭크샤프트는,
    상기 뒷바퀴에서 앞바퀴 뒤쪽에 이르기까지 길게 형성되어 있는 바형상의 샤프트와, 상기 샤프트의 말단에 설치되어 탑승자가 발로 눌러 외력을 가하는 페달을 포함하여 구성되며;
    상기 샤프트는 상기 프레임을 기준으로 탑승자의 좌측에 위치하는 좌측샤프트와, 탑승자의 우측에 위치하는 우측샤프트로 구성되고;
    상기 페달은 상기 좌측샤프트의 말단에 설치되어 있는 좌측페달과, 상기 우측샤프트의 말단에 설치되어 있는 우측페달로 구성되는 것을 특징으로 하는 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자전거.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 프레임에는 승강구동부가 설치되는 뒷바퀴의 중심축 부근에 판형의 가이드 플레이트가 더 구비되며, 상기 좌측샤프트와 우측샤프트는 상기 가이드 플레이트에 힘점이 각각 고정되고, 상기 가이드 플레이트에는 상기 좌측샤프트와 우측샤프트에 각각 연결되어 있는 풀리가 페달을 교대로 누르는 외력에 의해 상기 힘점을 기준으로 승강하는 가이드라인이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자전거.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 장축 크랭크샤프트는 600~1200㎜의 길이를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자전거.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 좌측샤프트와 우측샤프트에는 좌측페달과 우측페달이 결합되는 위치를 조절할 수 있도록 일정 간격마다 형성된 다수의 홈으로 이루어진 길이 조절홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자전거.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제3항에 있어서,
    상기 증폭구동부는,
    상기 풀리는 횡으로 설치된 임의의 n개(n은 자연수)로 구성되고, 상기 고정드럼은 상기 풀리의 하부에 횡으로 설치된 임의의 n개로 구성되어, 상기 n개의 풀리가 상승함에 따라 동력전달부에서 발생하는 변위가 2n배가 되게 하여, 2n:n의 로핑 비율을 갖고 동력을 증폭시킨 후 회전축에 회전력을 전달하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자전거.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 승강구동부는,
    상기 고정드럼이 고정되어 동력전달부에서 발생되는 변위만큼 회전하는 고정드럼과 함께 회전하는 회전축;
    뒷바퀴의 중심축에 연결되어 있으며 베어링을 통해서 상기 회전축에 연결되어 회전력을 수신하여 뒷바퀴를 회전시키는 일반기어; 및
    일 측의 회전축에 연결되어 있어 한 방향으로만 회전하면서 동력을 생성하도록 조절하는 스프로킷 기어를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자전거.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 되감기 변환부는,
    뒷바퀴의 중심축에 연결되어 상기 뒷바퀴 일 측에 설치되며 역회전하는 회전축의 회전력을 수신한 후 정회전으로 변환하여 베어링으로 전달하는 후진기어를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자전거.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 증폭구동부는,
    각 페달을 누름에 따라 승강하는 선형기어;
    상기 각 선형기어 사이에 위치하여 선형기어의 승강에 따른 직선운동을 회전운동으로 변환하기 위해 상기 각 선형기어에 맞물려 있는 원형기어; 및
    상기 원형기어 상호간을 연결하는 연결축을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 되감기 현상을 이용한 승강 페달이 구비된 자전거.
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