KR101932896B1 - 라이더-동력의 운송 수단들 및 이의 메커니즘들 - Google Patents

라이더-동력의 운송 수단들 및 이의 메커니즘들 Download PDF

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실바나 에이. 베제라
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윌슨 엑스. 베제라
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Abstract

프레임; 적어도 하나의 휠에 작동 가능하게 커플링되는 적어도 하나의 휠 샤프트, 상기 프레임 상에서 회전 가능한 상기 적어도 하나의 휠 샤프트; 상기 적어도 하나의 휠 샤프트에 커플링되는 기어 어셈블리; 힘을 가하기 위하여 미리 결정된 각도의 범위 내에서 부속물에 의해 이동 가능하며 상기 기어 어셈블리에 맞물리는 적어도 하나의 페달; 상기 적어도 하나의 휠을 회전시키기 위하여 상기 힘을 상기 페달로부터 상기 기어 어셈블리로 직접 가하기 위한, 상기 적어도 하나의 페달 및 상기 기어 어셈블리에 커플링되는 미리 결정된 길이를 갖는 적어도 하나의 크랭크 암; 및 하부 스트로크 위치로부터 상부 스트로크 위치로 상기 페달 및 상기 적어도 하나의 크랭크 암을 되돌려놓는 복원력을 발생시키는 복원 부재를 포함하는 모션 전달 장치.

Description

라이더-동력의 운송 수단들 및 이의 메커니즘들
본 발명은 운송 수단들, 특히 라이더-동력의 운송 수단 및 이의 메커니즘에 관한 것이다.
자전거를 타는 것보다 더 보편적인 인간의 활동들은 거의 없다. 자전거들은 운송, 운동을 위하여, 그리고 재미있고 즐거운 활동으로서 전세계에서 사용된다. 실제로, 자전거를 타는 것은 전세계의 수백만의 사람들이 매일매일 참여하는 것이며, 그러한 사람들의 대다수는 이를 완전히 당연하게 여긴다.
자전거 세계는 보통의 자전거를 새로운 설계들로 더 빠르게 달리도록 만들려고 노력하는 데에 현재 매년 수백만 달러들을 쓴다. 지난 몇 백 년 동안, 기본 자전거 설계도 변경되지 않아왔다. 2개의 페달들, 대응하는 크랭크 암들, 체인 및 다양한 다른 부품들과 함께, 라이더는 페달들을 원형의 모션으로 적용하고 자전거를 전방으로 나아가게 한다. 이는 간단하고, 단순하며 거의 보편적이다.
불행하게도, 이런 설계는 거의 본질적으로 낭비적이며 위험하다. 전세계의 수십만의 라이더들은, 자전거의 프레임, 특히 전방 포크들에 가해지는 막대한 양의 응력(stress)으로 인해 그들의 자전거가 고장 났을 때, 부상당해왔으며 심지어 사망해왔다.
그 이유는 간단하다. 전통적인 자전거 설계는 라이더들이 라이딩할 때 좌우로 저킹 모션(jerking motion)을 사용하게 강요하며, 또한 프레임의 중심에 극심한 하향의 힘을 가한다. 이런 힘은 또한 불균등하게 분배되며, 불행하게도 끔찍한 사고들을 야기하며 고장 나는 경향이 있는 전방 포크들에도 엄청난 힘들을 전달한다.
대게 프레임이 고장 난 자전거를 타는 동안 부상당한 라이더들에 의해 자전거 제조업체들을 상대로 제기된 수많은 소송들에 대한 참고자료들을 찾기 위해, 빠른 온라인 검색을 수행하기만 하면 된다. 사례들이 많이 있으며, 자전거의 프레임이 라이딩으로부터 가해진 정상적인 힘들을 견딜 수 없었기 때문에, 그가 타는 중이었던 자전거가 부서진 뒤에 마비된 야외 제품들 회사의 종업원을 포함한다. 다른 사례들은, 최근 1백만이 넘는 그들의 자전거들을 회수하도록 강요된 자전거 업계에서 가장 존경 받는 자전거 회사들 중 하나, 그리고 정상적인 라이딩 조건들 하에서 프레임이 부서질 수 있다는 것을 깨달은 뒤에 수백 개의 그들의 바이크들을 회수한 또 다른 자전거 회사를 포함한다.
또한, 선행 기술의 종래의 자전거들은, 기어 및 체인 어셈블리를 사용하여 휠 액슬(axle)을 회전시키기 위해 회전 모션을 전달하는 축 주위를 360도 회전하는 페달들에 그들의 다리들로부터 힘들을 가하는 라이더를 전형적으로 수반한다. 따라서, 라이더는 종래의 자전거를 전방으로 나아가게 하기를 원한다면, 6개 또는 그 이상의 다리 근육들을 사용하도록 강요된다. 그 또는 그녀는 엉덩이 신근(hip extensor), 무릎 신근(knee extensor)들, 발목 발바닥 굴근(ankle planter flexor)들, 발목 배굴근(ankle dorsiflexor)들, 엉덩이 굴근(hip flexor)들 및 발목 굴근(knee flexor)들을 사용해야 한다. 이러한 근육들의 과도한 사용은 무릎들과 신체의 다른 부분들에 손상을 야기할 수 있다.
도 1은 회전하는 페달의 특정한 각도의 범위들 중 다리의 다양한 신근들 및 굴근들이 활용되는 선행 기술에서의 페달에서 회전 동작 중 활동적인 인간 다리들의 근육들을 나타내는 다이어그램(10)이다. 도 2는 선행 기술에서의 인간 다리의 근육들의 측면도를 나타낸 것이고, 도 3은 선행 기술에서의 인간 다리의 대퇴부의 근육들의 정면도를 나타낸 것이다.
도 1 내지 도 3에서 보이듯이, 엉덩이 신근 근육(12)들은 주로 12시 위치부터 3시 위치까지의 범위(32)에서 시계 방향으로 페달에 힘을 가하는 반면, 무릎 신근 근육(14)들은 주로 3시 위치부터 5시 위치까지의 범위(34)에서 시계 방향으로 페달에 힘을 가하고, 발목 발바닥 굴근(ankle plantar flexor) 근육(16)들은 주로 5시 위치부터 6시 위치까지의 범위(36)에서 시계 방향으로 페달에 힘을 가하고, 발목 배굴근 근육(18)들은 주로 6시 위치부터 8시 위치까지의 범위(38)에서 시계 방향으로 페달에 힘을 가하고, 발목 굴근 근육(20)들은 주로 8시 위치부터 9시 위치까지의 범위(40)에서 시계 방향으로 페달에 힘을 가하고, 엉덩이 굴근 근육(22)들은 주로 9시 위치부터 12시 위치까지의 범위(42)에서 시계 방향으로 페달에 힘을 가한다.
그러나, 낭비되거나 비효율적으로 활용되는 라이더의 다리들 및 페달의 많은 동작과 함께, 페달에 가해지는 동력의 대부분은 오직 각도의 방위들의 제한된 범위, 즉 대략 2시 및 4시의 사이에서 가장 효율적으로 가해진다.
사실은 라이더 에너지가 관련되는 한 전통적인 자전거 설계는 본질적으로 낭비적이라는 것이다. 라이더가 가하는 많은 힘은 휠들보다는 자전거의 다른 부분들에 전달됨으로써 손실된다. 실제로, 수년간 자전거 설계자들은 전통적인 바이크 설계에서 벗어나서 더 많은 동력 및 더 높은 RPM들을 얻기 위해 절대적으로 최선을 다해왔으나, 소용이 없었다. 대부분의 설계들은 절대적인 제한 120과 함께, 현재 약 100 RPM들에서 막혀있다. 따라서, 그들의 차트들은 오직 최대 120 RPM들만 나타낸다.
게다가, 선행 기술에서의 그러한 종래의 자전거들은 두 다리를 사용하는 라이더들을 위해 전형적으로 고안되고, 이는 다리가 하나뿐인 사람, 다리가 없는 사람, 보철을 한 사람들 등에게는 쉽게 적용되지 않는다. 전통적인 자전거 설계의 가장 큰 문제들 중 하나는, 만약 당신이 장애를 가졌다면 탈 수 없다는 것이다. 양쪽 하반신 마비 환자, 하나 혹은 양쪽 다리들을 잃은 군인 또는 그들의 팔들 및 다리들에 영향을 주는 쇠약해지는 근육의 질환으로 고통 받는 누군가는, 그들이 자전거를 타고 싶고 이 환상적이고 재밌고 활기찬 활동을 즐기고 싶어하지만, 그들은 그냥 자전거를 탈 수 없다.
종래의 자전거는 하나의 체인, 전방 스프로킷(sprocket)(체인-링) 및 후방 코그(cog)(멀티-스프로킷)를 갖는다. 이 시스템은 몇 가지 한계들을 갖는다. 만약 라이더가 자전거에서 다른 속력을 갖기를 원한다면, 그는 변속기로 기어들을 변경할 수 있어야 한다. 자전거 체인은 후방의 코그에서 기어들을 전환할 만큼 얇아야 한다. 이것은 체인의 크기 및 후방 코그의 크기에 더 많은 한계들을 준다. 더 빠르게 가기 위해서, 라이더는 자전거의 후방에 가장 작은 스프로킷으로 전환해야 한다. 이것은 체인 및 스프로킷의 사이즈와 체인이 후방 코그에 어떻게 정렬(aligne)되는지를 제한한다. 따라서, 종래의 자전거에서는, 스프로킷이 작을수록, 더 적은 체인이 자전거를 전방으로 나아가게 하기 위하여 스프로킷을 그랩(grab)할 수 있다. 이것은 또한 체인이 후방 코그에 어긋나는 것을 야기한다. 후방 스프로킷이 작기 때문에, 이것은 체인을 그랩하기 위해 톱니(teeth)들의 수를 제한한다. 체인의 점핑이 발생할 수 있고, 체인은 스프로킷에서 닳고 찢길 수 있다. 무거운 하중 후에, 체인이 스냅(snap)되거나 스프로킷 톱니들이 구부러지거나 부서질 것이다.
다음은 본 발명의 기본적인 이해를 제공하기 위하여 본 발명의 몇 가지 실시예들의 간략한 요약을 나타낸다. 이 요약은 본 발명의 광범위한 개요가 아니다. 이는 본 발명의 핵심/중요한 요소들을 식별(identify)하거나 본 발명의 범위를 기술하려는 것이 아니다. 이것의 유일한 목적은 후에 제시되는 더 상세한 설명의 서두로서, 간략한 형태의 본 발명의 몇 가지 실시예들을 나타내는 것이다.
본 발명은 선행 기술의 자전거보다 500% 이상의 토크를 생산하는 라이더-동력의 운송 수단 및 그 메커니즘들을 개시한다. 실제로, 종래 바이크는 120 RPM들을 초과할 수 없는 반면, 본 자전거는 175 RPM들을 초과할 수 있으며, 이는 동력 생산의 면에서 미래로의 절대적인 비약적 발전이고 업계에서 전례가 없는 일이다.
본 발명의 자전거는 여러모로 종래 자전거보다 우수하고, 그 중 많은 부분은 라이딩할 때 어떻게 힘들이 가해지는지에 관한 것이다. 본 자전거의 경우, 위아래로 스테핑 모션(stepping motion)은 더 많은 라이더의 에너지를 전방으로의 모션(forward motion)으로 바꾼다. 본 자전거는 타이어의 후방 휠에 힘이 가해져야 하는 곳에 힘을 가한다. 힘이 페달에 가해질 때, 힘은 프레임을 우회하는 롤러 베어링들 위로 그리고 후방 액슬에 직접적으로 전달되고, 힘들은 후방 휠에 직접적으로 가해진다. 프레임 또는 포크에는 거의 또는 전혀 응력이 가해지지 않는다. 본 자전거의 힘들은 종래 자전거의 당기는 동작 대신에 미는 동작을 야기한다. 동시에, 라이더는 프레임에 상당히 적은 하향 힘을 가하고, 프레임은 울퉁불퉁한 도로 표면들로부터 더 많은 충격을 흡수할 수 있다.
더 좋게는, 본 자전거는 종래의 자전거보다 더 적은 근육들, 6개 대신 2개의 근육들을 사용하면서 이것을 한다는 것이다. 본 자전거는 엉덩이 신근 및 무릎 신근들인 가장 강하고 가장 효율적인 신체의 근육들을 사용한다. 이들은 우리가 걷고 달리기 위해 사용하는 근육들이다. 이 2개의 근육들이 오랜 기간 동안 피로로부터 고통 받는 것은 거의 보고되지 않는다.
본 자전거는 또한 라이딩할 때 프레임 상의 상당히 감소된 힘들 때문에 본질적으로 더 안전하며, 사고들, 부상들 및 그 결과로 발생하는 소송들의 상당한 감소로 확실히 이어질 것이다.
본 발명의 자전거는 2개의 정상적으로 기능하는 다리를 갖고 타기 더 쉬울 뿐만 아니라, 한 다리만 있거나 심지어 다리들이 없는 누군가도 탈 수 있다. 그러므로, 본 발명의 자전거는 각계각층의 사람들에 의해 즐겨질 수 있다.
본 발명의 자전거는 페달(pedal), 크랭크 암(crank arm), 일방향 클러치(one way clutch) 및 메커니컬 리턴(mechanical return)을 갖는다. 이 부품들은 서로 조합하여 작동한다. 그들은 PCCM 어셈블리로 알려져 있다. M은 크랭크 암을 상부 위치로 되돌려놓게(return) 하는 스프로킷, 스프링 또는 어떤 다른 장치일 수 있다. 스프링과 조합된 M 또는 짧게 MS는 라이더에게 항상 하향 또는 시계 방향으로 오직 힘을 가하는 이점을 허용한다. 시스템은 자동적으로, 스프링의 도움으로, 크랭크 암을 상부 위치로 올릴 것이다. 만약 라이더가 빠르게 페달을 밟고 싶다면, 그는 클립리스 페달(clipless pedal)을 사용할 수 있다. PCCM에서 페달은 크랭크 암의 사이드 대신에 크랭크 암의 상단에 위치한다. 페달을 크랭크 암의 상단에 위치시키는 것은 몇 개의 이점들을 제공한다: (i) 이는 종래의 자전거에서 발생하는 스웨잉(swaying) 및 저킹(jerking)을 제거한다; (ii) 크랭크 암들이 구부러져 있기 때문에 이것은 페달들이 크랭크 암의 상단에 직접적으로 위치하게 하고, 따라서 어떤 힘도 손실되거나 프레임에 전달되지 않는다; (iii) 신체에서 가장 강한 근육들-엉덩이 신장 및 무릎 신장들로 힘을 가하는 동안, 라이더가 항상 일어서는 능력; (iv) PCCM은 라이더가 항상 하향 스트로크에서 힘을 가하게 한다; (v) 페달들 및 크랭크 암들이 종래의 자전거와 같이 서로 부착되지 않고 힘들이 프레임의 중심에 가해지지 않기 때문에, 라이더가 힘을 가할 때 프레임이 영향을 받지 않는다; 그리고 (vi) PCCM은 또한 라이더에게 90도 또는 3시 구역-라이더를 전방으로 나아가게 하는 최대한의 힘을 생산하는 구역-에 더 가까이 힘들을 가할 수 있는 능력을 허용하고, PCCM은 라이더가 페달을 밟는 동안 스트로크들을 늦추지만 라이딩하는 동안 그의 RPM이나 속력을 증가시키는 것을 허용한다.
이 PCCM은 회전하는 베어링 샤프트 어셈블리(RBSA), 밸런스드(balanced) 멀티-스프로킷과 듀얼 체인(BMSDC), 다중 비율 변속기(MRT), 및 코그(cog), 허브(hub) 및 휠 어셈블리(CHW)와 맞물려서(engage), 서로 조합하여 사용될 때 현재 종래의 자전거에 의해 부과된 어떤 제한들을 없애거나 제거한다. PCCM, RBSA, BMSDC, MRT 및 CHW는, 서로 조합하여 사용될 때, 라이더가 그들의 자전거의 RPM, MPH, 토크, 거리 및 속력을 종래의 자전거보다 훨씬 더 효율적으로 높이거나 낮추는 것을 허용한다. 힘이 페달들에 가해지더라도, CHW는 맞물리기 위한 마지막이다.
BMSDC는 체인이 항상 후방 코그와 정렬되게 한다. 다중 조합 스프로킷(multi combination sprocket)들은 위 또는 아래로 조정될 수 있기 때문에, 이것은 체인이 후방 스프로킷과 일직선을 이루게 한다. 스프로킷의 비율들은 체인이 스프로킷의 톱니들의 대부분을 감싸도록 조정될 수 있다. 스프로킷 및 체인에 힘들의 과부하로 인한 체인 및 스프로킷의 고장을 감소시킨다.
RBSA는 후방 샤프트에 직접적으로 부착되는 스프로킷을 갖는다. 힘이 페달(PCCM 어셈블리)에 가해질 때, 이것은 힘을 프레임으로부터 멀리 보내고 BMSDC 시스템에 이것을 다시 보낸다(redirect). BMSDC 시스템은 드라이빙(driving) 체인 및 코그로부터 떨어진 자전거의 반대쪽에 힘들을 유지한다. 다른 스프로킷들 전체에 걸쳐서 그리고 CHW에, 힘들은 그리고 나서 균등하게 전달되고 균형을 이룬다(변경(change)되고, 바뀌고(alter), 제어(control)된다). 힘들은 절대 자전거의 프레임을 향하지 않는다; 따라서, 프레임 또는 포크의 고장을 감소시키거나 제거한다.
상술한 목적들 및 후술되는 추가의 장점들을 달성하기 위해, 라이더-동력의 운송 수단들 및 이의 메커니즘들이 개시된다. 일 실시예에 따른 메커니즘은 프레임 상에서 회전 가능한 휠 샤프트에 작동 가능하게 커플링되는 적어도 하나의 휠을 갖는 라이더-동력의 운송 수단에 커플링되는 기어 어셈블리; 힘을 가하기 위하여 미리 결정된 각도의 범위 내에서 부속물에 의해 이동 가능하며 상기 기어 어셈블리에 맞물리는 적어도 하나의 페달; 및 상기 적어도 하나의 휠을 회전시키기 위하여 상기 힘을 상기 페달로부터 상기 기어 어셈블리로 직접 가하기 위한, 상기 적어도 하나의 페달 및 상기 기어 어셈블리에 커플링되는 미리 결정된 길이를 갖는 적어도 하나의 크랭크 암을 포함하는 모션 전달 장치이다. 상기 부속물은 보철 부재, 단일의 손, 단일의 발, 단일의 전완, 단일의 앞다리 및 한 쌍의 손들로 구성되는 군에서 선택된다. 상기 라이더-동력의 운송 수단은 자전거, 세발자전거, 화물 바이크, 패들보트, 휠체어, 라이더-동력의 승객-수송 운송 수단, 벨로시페드, 핸드카, 레일로드 핸드카 및 라이더-동력의 항공기로 구성되는 군에서 선택된다.
상기 페달의 움직임의 상기 미리 결정된 각도의 범위는 약 45도, 또는 수직 방향으로부터 시계 방향으로 약 67.5도에서 상기 수직 방향으로부터 시계 방향으로 약 112.5도 사이인 것과 같이, 360도보다 작다. 상기 기어 어셈블리는, 상기 적어도 하나의 휠에 일방향의 회전 방향으로 상기 힘을 가하기 위한, 상기 적어도 하나의 크랭크 암을 상기 적어도 하나의 휠에 커플링하는 일방향 클러치를 포함한다. 하부 스트로크 위치로부터 상부 스트로크 위치로 상기 페달 및 상기 적어도 하나의 크랭크 암을 되돌려놓는 복원력을 발생시키기 위한 복원 부재가 포함된다. 상기 복원 부재는 예를 들어, 스프링이다.
대안적으로, 상기 적어도 하나의 크랭크 암은 제1 크랭크 암 및 제2 크랭크 암을 포함하고, 상기 복원 부재는, 상기 제2 크랭크 암이 상기 하부 스트로크 위치로 이동될 때 상기 제1 크랭크 암을 상기 상부 스트로크 위치로 이동시키고, 상기 제2 크랭크 암이 상기 상부 스트로크 위치로 이동될 때 상기 제1 크랭크 암을 상기 하부 스트로크 위치로 이동시키기 위한, 상기 제1 크랭크 암 및 제2 크랭크 암에 부착된 풀리이다.
맞물림 부재는 상기 휠 샤프트가 상기 프레임에 대하여 자유롭게 회전하게 한다. 상기 맞물림 부재는 적어도 하나의 롤러 베어링이고/이거나 윤활제로 구성된다. 상기 기어 어셈블리는, 상기 적어도 하나의 크랭크 암으로부터 상기 적어도 하나의 휠로 상기 힘의 속력 전달을 높이기 위한 복수 개의 스테퍼 기어들을 포함한다. 상기 적어도 하나의 휠은, 상기 프레임의 전방 부재 상에서 회전 가능한 상기 휠 샤프트에 부착된 전방 휠; 및 상기 프레임의 후방 부재 상에서 회전 가능한 상기 휠 샤프트에 부착된 후방 휠로 구성된 군에서 선택된다.
또 다른 실시예에 따른 라이더-동력의 운송 수단은, 프레임; 상기 프레임 상에서 회전 가능한 휠 샤프트; 상기 휠 샤프트에 대하여 회전하며, 상기 휠 샤프트에 부착되는 적어도 하나의 휠; 상기 적어도 하나의 휠에 커플링되는 기어 어셈블리; 힘을 가하기 위하여 미리 결정된 각도의 범위 내에서 부속물에 의해 이동 가능하며 상기 기어 어셈블리에 맞물리는 적어도 하나의 페달; 및 상기 적어도 하나의 휠을 회전시키기 위하여 상기 힘을 상기 페달로부터 상기 기어 어셈블리로 직접 가하기 위한, 상기 적어도 하나의 페달 및 상기 기어 어셈블리에 커플링되는 미리 결정된 길이를 갖는 적어도 하나의 크랭크 암을 포함한다.
상기 부속물은 보철 부재, 단일의 손, 단일의 발, 단일의 전완, 단일의 앞다리 및 한 쌍의 손들로 구성되는 군에서 선택된다. 상기 라이더-동력의 운송 수단은 자전거, 세발자전거, 화물 바이크, 패들보트, 휠체어, 라이더-동력의 승객-수송 운송 수단, 벨로시페드, 핸드카, 레일로드 핸드카 및 라이더-동력의 항공기로 구성되는 군에서 선택된다.
상기 페달의 움직임의 상기 미리 결정된 각도의 범위는 360도보다 작다. 예를 들어, 상기 페달의 움직임의 상기 미리 결정된 각도의 범위는 약 45도이다. 대안적으로, 상기 페달의 움직임의 상기 미리 결정된 각도의 범위는, 수직 방향으로부터 시계 방향으로 약 67.5도에서 상기 수직 방향으로부터 시계 방향으로 약 112.5도 사이이다.
상기 기어 어셈블리는, 상기 적어도 하나의 휠에 일방향의 회전 방향으로 상기 힘을 가하기 위한, 상기 적어도 하나의 크랭크 암을 상기 적어도 하나의 휠에 커플링하는 일방향 클러치를 포함한다. 하부 스트로크 위치로부터 상부 스트로크 위치로 상기 페달 및 상기 적어도 하나의 크랭크 암을 되돌려놓는 복원력을 발생시키는 복원 부재가 포함된다. 예를 들어, 복원부재는 스프링이다. 대안적으로, 상기 적어도 하나의 크랭크 암은 제1 크랭크 암 및 제2 크랭크 암을 포함하고, 상기 복원 부재는, 상기 제2 크랭크 암이 상기 하부 스트로크 위치로 이동될 때 상기 제1 크랭크 암을 상기 상부 스트로크 위치로 이동시키고, 상기 제2 크랭크 암이 상기 상부 스트로크 위치로 이동될 때 상기 제1 크랭크 암을 상기 하부 스트로크 위치로 이동시키기 위한, 상기 제1 크랭크 암 및 제2 크랭크 암에 부착된 풀리이다.
맞물림 부재는 상기 휠 샤프트가 상기 프레임에 대하여 자유롭게 회전하게 하게 한다. 상기 맞물림 부재는 적어도 하나의 롤러 베어링이고/이거나 윤활제로 구성된다. 상기 기어 어셈블리는, 상기 적어도 하나의 크랭크 암으로부터 상기 적어도 하나의 휠로 상기 힘의 속력 전달을 높이기 위한 복수 개의 스테퍼 기어들을 포함한다. 상기 적어도 하나의 휠은, 상기 프레임의 전방 부재 상에서 회전 가능한 상기 휠 샤프트에 부착된 전방 휠; 및 상기 프레임의 후방 부재 상에서 회전 가능한 상기 휠 샤프트에 부착된 후방 휠로 구성된 군에서 선택된다.
추가의 실시예에 따른 사이클은 프레임; 상기 프레임 상에서 각각 회전 가능한 전방 휠 샤프트 및 후방 휠 샤프트; 상기 프레임 상에서 회전 가능한 상기 전방 휠 샤프트와 함께 회전하며, 상기 전방 휠 샤프트에 부착되는 적어도 하나의 전방 휠; 상기 프레임 상에서 회전 가능한 상기 후방 휠 샤프트에 대하여 회전하며, 상기 후방 휠 샤프트에 부착되는 적어도 하나의 후방 휠; 상기 적어도 하나의 전방 휠 및 상기 적어도 하나의 후방 휠로 구성되는 군에서 선택된 기어-회전식 휠에 커플링된 기어 어셈블리로서, 상기 기어 어셈블리는 상기 기어-회전식 휠에 일방향의 회전 방향으로 힘을 가하기 위한, 상기 기어-회전식 휠에 맞물리는 일방향 클러치를 포함하는 기어 어셈블리; 상기 힘을 가하기 위하여 미리 결정된 각도의 범위 내에서 부속물에 의해 이동 가능하며 상기 기어 어셈블리에 맞물리는 적어도 하나의 페달로서, 상기 부속물은 보철 부재, 단일의 손, 단일의 발, 단일의 전완, 단일의 앞다리, 한 쌍의 손들, 한 쌍의 발들 및 한 쌍의 다리들로 구성되는 군에서 선택되고, 상기 적어도 하나의 페달의 움직임의 상기 미리 결정된 각도의 범위는 360도보다 작은 적어도 하나의 페달; 상기 일방향의 회전 방향으로 상기 일방향 클러치에 의해 상기 적어도 하나의 기어-회전식 휠을 회전시키기 위하여 상기 힘을 상기 페달로부터 상기 기어 어셈블리로 직접 가하기 위한, 상기 적어도 하나의 페달 및 상기 기어 어셈블리에 커플링되는 미리 결정된 길이를 갖는 적어도 하나의 크랭크 암; 및 하부 스트로크 위치로부터 상부 스트로크 위치로 상기 페달 및 상기 적어도 하나의 크랭크 암을 되돌려놓는 복원력을 발생시키는 복원 부재를 포함한다.
상기 사이클은 자전거, 세발자전거, 화물 바이크, 패들보트, 휠체어, 라이더-동력의 승객-수송 운송 수단, 벨로시페드, 핸드카, 레일로드 핸드카 및 라이더-동력의 항공기로 구성되는 군에서 선택된다. 상기 페달의 움직임의 상기 미리 결정된 각도의 범위는 약 45도이다. 대안적으로, 상기 페달의 움직임의 상기 미리 결정된 각도의 범위는, 수직 방향으로부터 시계 방향으로 약 67.5도에서 상기 수직 방향으로부터 시계 방향으로 약 112.5도 사이이다.
상기 복원 부재는 스프링이다. 대안적으로, 상기 적어도 하나의 크랭크 암은 제1 크랭크 암 및 제2 크랭크 암을 포함하고, 상기 복원 부재는, 상기 제2 크랭크 암이 상기 하부 스트로크 위치로 이동될 때 상기 제1 크랭크 암을 상기 상부 스트로크 위치로 이동시키고, 상기 제2 크랭크 암이 상기 상부 스트로크 위치로 이동될 때 상기 제1 크랭크 암을 상기 하부 스트로크 위치로 이동시키기 위한, 상기 제1 크랭크 암 및 제2 크랭크 암에 부착된 풀리이다.
맞물림 부재는 상기 기어-회전식 휠의 대응하는 상기 휠 샤프트가 상기 프레임에 대하여 자유롭게 회전하게 한다. 상기 맞물림 부재는 적어도 하나의 롤러 베어링이고/이거나 윤활제로 구성된다. 상기 기어 어셈블리는, 상기 적어도 하나의 크랭크 암으로부터 상기 적어도 하나의 기어-회전식 휠로 상기 힘의 동력 전달을 높이기 위한 복수 개의 스테퍼 기어들을 포함한다.
본 발명의 현재 바람직한 실시예의 다음의 상세한 설명뿐만 아니라, 전술한 요약은 첨부된 도면들과 함께 읽을 때 더 잘 이해될 것이다. 본 발명을 예시할 목적으로, 현재 바람직한 실시예들이 도면들에 도시된다. 그러나, 본 발명은 도시된 정확한 배열들 및 수단들에 한정되지 않는다는 것이 이해되어야 할 것이다.
도면들에서:
도 1은 선행 기술에서의 자전거의 페달의 회전 동작 중 활동적인 인간 다리들의 근육들을 나타내는 다이어그램이다;
도 2는 선행 기술에서의 인간 다리의 근육들의 측면도를 나타낸 것이다;
도 3은 선행 기술에서의 인간 다리의 대퇴부의 근육들의 정면도를 나타낸 것이다;
도 4는 3개의 다른 상태들의 크랭크 암 및 페달과 함께, 페달, 크랭크 암, 일방향 클러치 및 메커니컬 리턴(PCCM)을 도시한 본 발명의 제1 실시예에 따른 라이더-동력의 운송 수단의 측면도이다;
도 5는 회전하는 베어링 샤프트 어셈블리(RBSA)를 도시하는 도 4에서 운송 수단의 프레임의 상측 사시도이다;
도 6은 스프링들을 사용하는 제1 실시예에서, 밸런스드 멀티-스프로킷 및 듀얼 체인(BMSDC)을 갖는 기어 어셈블리를 도시하는 도 4의 프레임의 부분 상단면도이다;
도 7은 풀리 시스템을 사용하는 제1 실시예에서, 기어 어셈블리를 도시하는 도 4의 프레임의 부분 상단면도이다;
도 7A는 전달된 힘들의 방향 및 제1 실시예의 기어 어셈블리를 도시하는 도 4의 프레임의 부분 상단면도이다;
도 7B는 힘들의 전달을 도시하는 제1 실시예의 기어 어셈블리 및 크랭크 암의 부분 측면도이다;
도 8은 도 7의 풀리 시스템의 후방 단면도이다;
도 8A는 도 6의 스프링 시스템의 측단면도이다;
도 9는 3개의 다른 상태들의 페달과 함께 기어 어셈블리 및 크랭크 암의 부분 측면도이다;
도 10은 최적의 동력-전달 구역들과 함께 크랭크 암들 및 페달들의 다양한 각도의 위치들을 나타내는 다이어그램이다;
도 11은 다중 비율 변속기(MRT)를 갖는 본 발명의 기어 어셈블리의 전방 부분 및 중간 샤프트의 단면도이다;
도 12는 본 발명의 기어 어셈블리의 후방 부분 및 후방 휠 샤프트의 단면도이다; 그리고
도 13은 본 발명의 일방향 클러치 메커니즘 및 코그, 허브 및 후방 휠 어셈블리(CHW)의 단면도이다.
발명의 이해를 용이하게 하기 위해, 도면들에 공통되는 동일하거나 유사한 구성들을 표시하기 위해 적절한 때에 동일한 도면 부호들이 사용되었다. 또한, 다르게 서술되지 않는 한, 도면들에 나타난 특징들은 일정한 비율로 그려지지 않으며, 단지 예시적인 목적들로만 도시된다.
어떤 용어는 오직 편의를 위하여 다음의 설명에서 사용되며 제한하지 않는다. 관사 "a"는 하나 이상의 항목들을 포함하도록 의도되었고, 오직 하나의 항목만 의도된 경우 "하나의(one)" 또는 유사한 표현이 사용된다. 추가적으로, 본 발명의 설명을 돕기 위해, 위, 아래, 상부, 하부, 전방, 후방, 내부, 외부, 우방 및 좌방과 같은 단어들이 첨부한 도면들을 설명하는 데 사용된다. 용어는 앞서 구체적으로 언급한 단어들, 이의 파생어들 및 유사한 의미의 단어들을 포함한다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 라이더-동력의 운송 수단(100)의 측면도이다. 라이더-동력의 운송 수단(100)은 적어도 프레임(102), 프레임(102) 상에서 회전 가능한 적어도 하나의 휠 샤프트(104, 106), 대응하는 휠 샤프트(104, 106)와 함께 회전하며 대응하는 휠 샤프트(104, 106)에 부착되는 적어도 하나의 휠(108, 110), 후방 휠(108)과 같은 적어도 하나의 휠(108)과 커플링되는 기어 어셈블리(112), 힘을 가하기 위하여 미리 결정된 각도의 범위 내에서 라이더의 부속물(appendage)에 의해 이동 가능하며 기어 어셈블리(112)에 맞물리는 적어도 하나의 페달(114, 116), 및 적어도 하나의 휠(108, 110)을 회전시키기 위하여 힘을 적어도 하나의 페달(114, 116)로부터 기어 어셈블리(112)로 직접 가하기 위한, 대응하는 적어도 하나의 페달(114, 116) 및 기어 어셈블리(112)에 커플링되는 미리 결정된 길이를 갖는 적어도 하나의 크랭크 암(118, 120)을 포함한다. 기어 어셈블리(112)는 자전거에 동력을 공급하기 위하여 힘들을 전달하는 데 활용되는 요소들, 즉, 스프로킷(sprocket)(180, 182, 184, 186)들; 체인(190, 192)들; MRT(170); 및 일방향 클러치(130)를 포함한다.
도 4 및 도 5에 도시된 예시 실시예에서, 후방 휠 샤프트(104)는 후방 구멍(aperture)(134, 136)들을 통하여 프레임(102)에 회전 가능하게 장착된다. 후방 휠 샤프트(104)가 자유롭게 회전 가능하도록, 후방 휠 샤프트(104)는 맞물림 부재(138, 140)들(아래에서 더 자세하게 서술되는)을 통해 프레임(102)에 커플링된다. 도 12 및 도 13에 도시되고 아래에서 더 자세하게 서술되듯이, 후방 휠(108)은 허브(109)(총괄하여, 휠 어셈블리)를 포함하며, 이는 후방 휠 샤프트(104)에 외접하고, 후방 휠(108)은 한 쌍의 롤러 베어링(111, 113)들에 의해 인접한 어셈블리들에 커플링된다. 따라서, 자전거의 프레임에 고정되게 잠긴(secured) 액슬들 또는 샤프트들을 갖는 선행 기술의 자전거들의 후방 휠들, 즉 고정된 액슬들 상에서 회전하는 선행 기술 휠들과 달리, 후방 휠(108)뿐만 아니라 후방 휠 샤프트(104)도 동시에 완벽하게 서로 독립적으로 (다른 속력들로) 회전한다. 대안적으로, 도 4에서 샤프트(104) 및 휠(108)은, 프레임(102)에 고정된 샤프트(104) 및 고정된 샤프트(104) 상에서 회전하는 휠(108)을 갖는 선행 기술에서와 같이 구성될 수 있다.
도 4에 도시된 예시 실시예에서, 기어 어셈블리(112)는 우후방 스프로킷(또는 제4 스프로킷)(186)(도 12 및 도13)을 통해 후방 휠(108)에 작동하게 커플링된다. 구체적으로, 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 후방 휠 어셈블리(108, 109)를 회전시키기 위하여, 회전 힘은 좌후방 스프로킷(또는 제1 스프로킷)(180)으로부터 좌전방 스프로킷(또는 제2 스프로킷)(182), 우전방 스프로킷(또는 제3 스프로킷)(184), 우후방 스프로킷(또는 제4 스프로킷)(186) 및 일방향 클러치(130)를 회전시키기 위해 전달된다. 대안적인 실시예들에서, 기어 어셈블리(112)는 후방 휠(108) 대신에 전방 휠(110)을 회전시키기 위하여 오직 전방 휠(110)에만 작동하게 커플링될 수 있다. 추가의 대안적인 실시예에서, 하나 이상의 기어 어셈블리(112)들이 각자의 하나 또는 양 휠(108, 110)들에 작동하게 커플링될 수 있다.
도 4에 도시된 예시 실시예에서, 라이더의 2개의 각자의 부속물들에 의해 페달이 밟아지기 위하여, 2개의 페달(114, 116)들 및 그들의 각자의 크랭크 암(118, 120)들은 프레임(102)의 맞은편 옆쪽들에 있다. 대안적으로, 단일의 부속물로 운송 수단(100)의 페달을 밟기 위한 라이더-동력의 운송 수단(100)의 단일의 페달-크랭크 암 형태를 제공하기 위해, 페달(114) 및 크랭크 암(118)과 같이, 오직 하나의 페달 및 오직 하나의 크랭크 암은 프레임(102)의 공통의 옆쪽에 있다.
원동력이 되는 힘들을 가하기 위한 라이더의 부속물은 보철 부재, 단일의 손, 단일의 발, 단일의 전완, 단일의 앞다리 및 한 쌍의 손들로 구성되는 군에서 선택되고, 라이더의 부속물은 운송 수단(100)에 동력을 공급하기 위해 2개, 1개 또는 0개의 다리들을 갖는 라이더가 그들의 이용 가능한 다리들, 보철들 또는 팔들을 사용하게 한다.
라이더-동력의 운송 수단(100)은 라이더-동력의 운송 수단은 자전거(bicycle), 세발자전거(tricycle), 화물 바이크(cargo bike), 패들보트(paddleboat), 휠체어, 라이더-동력의 승객-수송(passenger-carrying) 운송 수단, 벨로시페드(velocipede), 핸드카, 레일로드 핸드카 및 라이더-동력의 항공기(aircraft)로 구성되는 군에서 선택된다. 라이더-동력의 운송 수단들의 다른 유형들은 모노휠(monowheel)들, 셀러리페드(celeripede)들, 카트들, 모페드(moped)들 및 인간-동력과 모터-동력의 하이브리드 운송 수단들과 같이 고려된다.
도 4 내지 도 9에 도시된 본 발명의 실례가 되는 예시 실시예에서, 라이더-동력의 운송 수단(100)은 여기에 서술된 본 발명의 원리들 및 구조들에 따라 구성되는 운송 수단들 또는 사이클들의 다른 유형들, 또는 벨로시페드이다.
도 4의 예시 실시예에서 도시된 바와 같이, 운송 수단(100)은 전방 휠(110) 및 후방 휠(108) 위에 장착되는 프레임(102)뿐만 아니라, 시트(122), 스티어링 액슬 어셈블리(steering axle assembly)(126)을 사용하여 조종하기 위한 적어도 하나의 핸들(124), 적어도 하나의 크랭크 암(118, 120)에 부착되는 적어도 하나의 페달(114, 116) 및 여기에 서술된 다른 메커니즘들을 포함한다. 여기서 서술된 바와 같이, 도 4 및 도 6의 예시 실시예에서, 운송 수단(100)은, 라이더가 각자의 페달(114, 116)에 하향 힘을 감소시키거나 없앨 때 주어진 크랭크 암(118, 120)을 하부 위치에서 상부 위치로 되돌려놓기 위한 스프링(128, 129)과 같은 복원 부재와 함께, 상부 위치 및 하부 위치 사이에서 따로따로 이동 가능한 2개의 페달(114, 116)을 갖는다. 이 실시예에서, 양 크랭크 암(118, 120)들은 맞은편의 크랭크 암(118, 120)의 위치와 상관없이 상부 위치로 복원된다. 따라서, 양 크랭크 암(118, 120)들은 맞물리지 않고 쉬는 상태에서 상부 위치에 있다.
도 4 및 도 6을 참조하면, 자전거(100)는 각자의 체인(190/192)과 함께 커플링되는 각각 각자의 한 쌍의 스프로킷(180-182/184-186)들과 함께, 프레임(102)의 각 측에 한 쌍의 스프로킷(180-182/184-186)들을 포함한다. 스프로킷들은 원하는 RPM 및 속력 요구들을 충족시키도록 크기가 바뀔 수 있고 그러므로, 무제한의 비율 조합들이 이용 가능하다. 도 11에 도시된 바와 같이, 전방 스프로킷(182, 184)들은 서로 고정되며, 프레임(102)에 고정되는 중간 샤프트(105)에 베어링들을 통해 회전 가능하게 커플링된다. 다중 비율 변속기(MRT) 없이, 각 스프로킷(182, 184)은 서로 같은 속력으로 회전한다. 그러나, 각 스프로킷(182, 184)이 다른 속력들로 회전하도록 MRT가 활용될 수 있다. 도 12를 참조하면, 좌후방 스프로킷(또는 제1 스프로킷)(180)은 후방 샤프트(104)에 고정되게 커플링된다. 우후방 스프로킷(또는 제4 스프로킷)(186)은 휠(108)에 작동 가능하게 커플링된다. 따라서, 더 나은 라이딩 효율은 다수의 체인들로 성취된다. 게다가, 스프로킷(180-186)들 중 어떤 것도 크랭크 암(118, 120)들에 고정되지 않고 그러므로, 관성(inertia) 및 RPM들이 선행 기술 자전거들에 비하여 증가되고, 스프로킷들, 크랭크 암 또는 시트의 위치에는 제한들이 없다.
도 12 및 도 13에 가장 잘 도시된 바와 같이, 작동 시에, 라이더가 하향 힘을 페달(114, 116)에 가할 때, 페달(114, 116)의 움직임은 후방 샤프트(104)에 외접하는 일방향 클러치(130)의 축에 대하여 회전하는 크랭크 암(118, 120)의 움직임으로 옮겨지고, 이는 회전 움직임을 직접 후방 휠(108)로 전달시킨다. 즉, 각 크랭크 암(118, 120)의 원위 단부는 일방향 교대의(alternating) 클러치(200, 202)를 포함하고, 이는 후방 샤프트(104)에 외접하고, 후방 휠 어셈블리(108, 109)를 우회한다(bypass). 따라서, 크랭크 암(118, 120)들로부터의 힘들은 제1 스프로킷(180)에 직접 전달되고, 제1 스프로킷(180)은 힘들을 다음의 스프로킷(182, 184, 186)들, 일방향 클러치(130) 및 휠 어셈블리(108, 109)로 전달한다. 그러므로, 어느 하나의 체인(190, 192)이 연결이 끊어진다면, 시스템은 작동하지 않을 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 각 페달(114, 116)은 대응하는 크랭크 암(118, 120)과 정렬된다. 이러한 형태에 의해, 페달(114, 116)들에 가해진 힘들은 크랭크 암(118, 120)들에 직접 전달되고, 그렇게 함으로써 페달들이 크랭크 암의 일 측들에 위치되어 크랭크 암의 외부 부분과 오프셋(offset)된 종래의 자전거에 비하여 동력을 증가시킨다. 본 실시예의 크랭크 암 형태는 또한 더 안전한 라이딩 경험을 제공하고, 왜냐하면 선행 기술의 오프셋된 페달들로, 페달과 크랭크 암 사이에 하향 비틀림 힘을 유발하면서 페달을 밟는 동안 라이더가 그의 체중을 좌우로 이동시켜야 하기 때문이다.
또한, 종래 7 인치 크랭크 암과 비교하여 크랭크 암(118, 120)의 증가된 길이(대략 20인치) 때문에 동력은 증가된다. 게다가, 이러한 형태에 의해, 종래 자전거에서 우에서 좌로 힘들의 일정한 이동과는 대조적으로, 라이더에 의해 가해지는 힘들은 프레임(102)의 중심 내에 균등하게 분배된다. 또한, 본 형태에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 힘들은 시계 방향으로 프레임(102) 내에서 이동하며, 더 균형잡인 라이드를 촉진하기 위해 자전거의 후방에 집중된다. 반면에, 종래의 자전거에서는 체인 링 또는 스프로킷에 도달하기 위하여 좌측의 힘들이 우측으로 이동해야 한다.
도 4 및 도 10에 도시된 바와 같이, 축 주위를 360도 회전하는 선행 기술에서의 자전거들의 페달들과는 대조적으로, 본 발명의 페달(114, 116)의 움직임의 미리 결정된 각도의 범위는 360도보다 작다. 한 예시 실시예에서, 페달의 움직임의 미리 결정된 각도의 범위는 약 35도이다. 또 다른 예시 실시예에서, 페달의 움직임의 미리 결정된 각도의 범위는 수직 방향으로부터 시계 방향으로 약 67.5도에서 상기 수직 방향으로부터 시계 방향으로 약 112.5도 사이이다.
종래의 자전거와 달리, 라이더는 본 발병의 자전거에서 완전히 일어설 수 있고, 그렇게 함으로써 바이크를 전방으로 밀기 위하여 그의 신체 체중(거의 100%)의 사용을 최대화한다. 종래의 자전거에서는, 라이더가 항상 일어설 수 없기 때문에 그리고 페달을 밟는 노력의 대부분은 데드 존(dead zone)들(도 1 및 도 10)에서 낭비되기 때문에, 오직 라이더의 신체 체중의 약 53%만이 동력을 발생시키는 데에 활용되고 그렇지만 동력은 자전거를 전방으로 당기는 데 사용된다.
도 4 및 도 6을 참조하면, 기어 어셈블리(112)는 적어도 하나의 휠(108, 110)에 일방향의 회전 방향으로 힘을 가하기 위한, 적어도 하나의 크랭크 암(118, 120)을 적어도 하나의 휠(108, 110) 및/또는 적어도 하나의 휠 액슬(104, 106)에 커플링하는 일방향 클러치(130)를 포함한다. 페달(114, 116)들 및 크랭크 암(118, 120)들에 의해 후방 액슬(104)로 가해지는 동력을 증가시키고 제어하기 위하여, 변속기(derailleur)와 같은 추가적인 톱니-체인(tooth-and-chain) 기어 형태들을 포함하는 다른 메커니즘, 예를 들어, 기어 시프트(gear shift) 또는 기어 셀렉터(gear selector)(132)를 사용하는 다른 메커니즘은 선택적으로 기어 어셈블리(112)에 포함될 수 있다. 변속기들의 다른 형태들, 예를 들어, 속력 및 동력을 제어하기 위한 유성 기어(planetary gear)(170)(도 6 및 도 7)도 사용될 수 있다.
도 5를 참조하면, 후방 휠 액슬(104) 및/또는 후방 휠(108)이 휠 샤프트 또는 액슬(104)을 프레임(102)에 대하여 자유롭게 회전하게 하는 맞물림 부재(138, 140)를 수용(receive)하기 위할 때 프레임(102)은 후방 구멍(aperture)(134, 136)들과 같은 구멍들을 포함하고, 후방 휠(108) 및 액슬(104)은 함께 회전하면서 후방 휠(108)은 액슬(104) 상에 직접 장착된다. 도 12에 도시된 바와 같이, 각각의 맞물림 부재(138, 140)는 락 너트(lock nut)(139, 141)로 프레임에 고정된다. 맞물림 부재(138, 140)는, 프레임에 고정되게 장착되지 않으면서 액슬(104)이 자유롭게 회전하게 하도록 구르는 적어도 하나의 롤러 베어링이다. 대안적으로 또는 추가적으로, 맞물림 부재(138, 140)은 상표 테프론(TEFLON) 하에서 상업적으로 이용 가능한 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene)(PTFE)과 같은 윤활제 및/또는 다른 물질들 또는 재료들로 구성된다. 따라서, 도 4에 도시된 적어도 하나의 페달(114, 116) 및 대응하는 적어도 하나의 크랭크샤프트(118, 120)의 모션은, 후방 샤프트(104), 제1 스프로킷(180) 및 다음의 스프로킷(182, 184, 186)들 그런 다음 일방향 클러치(130) 및 허브-코그-휠 어셈블리(108, 109)로 직접 가해지고, 더 부드러운 라이드는 충격 흡수를 통해 맞물림 부재(138, 140)로 달성된다.
도 4 및 도 6 내지 도 8에서, 적어도 하나의 복원 부재는, 하부 스트로크 위치로부터 상부 스트로크 위치로 적어도 하나의 페달(114, 116) 및 적어도 하나의 크랭크 암(118, 120)을 되돌려놓는 복원력을 발생하시기 위해 포함된다. 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 실시예에서, 복원 부재는 도 4에 도시된 바와 같이, 일단은 각각의 대응하는 크랭크 암(118, 120)에 부착되고, 타단은 프레임(102)에 부착되게 프레임(102)의 각각의 옆쪽에 적어도 하나의 스프링(128, 129)를 포함한다. 따라서, 오직 하나의 크랭크 암이 쓰이면, 오직 하나의 복원 스프링이 사용되며 단일의 크랭크 암에 부착되는 반면, 2개의 크랭크 암(118, 120)들을 갖는 대안적인 실시예들은 도 6에 도시된 바와 같이 각각의 크랭크 암을 독립적으로 상부 위치로 복원시키기 위해 각각 각자의 크랭크 암에 부착되는 한 스프링으로 2개의 복원 스프링(128, 129)들을 갖는다. 즉, 양 크랭크 암(118, 120)들은 상부 위치로 동시에 복원된다. 게다가, 각각의 크랭크 암(118, 120)은 라이더가 원하는 임의의 정도로 눌린다. 복원 스프링(128, 129)들로, 라이더는 양 발을 동시에 쓰거나, 한 다리를 쓰거나, 다리들을 쓰지 않거나, 하나 이상의 보철들을 써서 자전거를 전방으로 나아가게 할 수 있다. 이것은 선행 기술의 자전거들로는 불가능하다. 또한, 방향 전환(turn)하는 동안 외측 페달(표면 맞은편의 페달)이 여전히 이용 가능하기 때문에 라이더는 이제 방향 전환을 통해 이동하는 동안 페달을 밟을 수 있고, 라이더는 페달들의 높은 위치로 인해 페달들을 지표면에 접촉시키는 것 없이 심지어 페달들(내측 페달을 포함하는)에 부분적인 스트로크들을 가할 수 있다. 이와 반대로, 종래의 자전거에서는, 라이더는 표면에 접촉되는 것을 피하기 위해 내측 페달(표면에 인접한 페달)을 위쪽 위치에서 유지되도록 해야 한다.
도 7 및 도 8에 도시된 대안적인 실시예에서, 적어도 하나의 크랭크 암은 한 쌍의 크랭크 암(118, 120)들을 포함하고, 복원 부재는, 제2 크랭크 암(120)이 하부 스트로크 위치로 이동될 때 제1 크랭크 암(118)을 상부 스트로크 위치로 이동시키고, 제2 크랭크 암(120)이 상부 스트로크 위치로 이동될 때 제1 크랭크 암(118)을 하부 스트로크 위치로 이동시키기 위한, 크랭크 암(118, 120)들에 부착된 풀리(pulley) 시스템(142)이다. 도 8을 참조하면, 예시 실시예에서, 풀리 시스템(142)은 상호보완적인 풀리 배치에서 크랭크 암(118, 120)들을 연결하기 위해 케이블(148)이 넘어서 연장하는, 기어들 또는 풀리들의 다른 형태들과 같은 적어도 하나의 풀리 휠(144, 146)을 포함하여서, 라이더의 페달 동작에 의해 크랭크 암(118)이 아래쪽으로 이동함에 따라 풀리 시스템(142)이 크랭크 암(120)을 위쪽으로 이동시키고, 라이더의 페달 동작에 의해 크랭크 암(120)이 아래쪽으로 이동함에 따라 풀리 시스템(142)이 크랭크 암(118)을 위쪽으로 이동시킨다.
본 발명의 복원 부재는 RPM 및 속력을 증가시키기 위한 수단을 제공한다. 복원 부재의 복원력에 의하는 것 보다 라이더가 크랭크 암들을 위쪽 위치로 빠르게 복원시킬 수 있기 때문에 클립리스 페달들을 활용함으로써 RPM 및 속력은 더 증가될 수 있다. 선행 기술에서는, 클립리스 페달들은 라이더의 발을 제자리에 홀드하기 위해서만 사용되기 때문에 이러한 기능을 갖지 않는다. 본 실시예에서, 페달(114, 116)들을 크랭크 암(118, 120)들의 중심 위에 위치시키기 위하여, 라이더의 발뒤꿈치가 크랭크 암(118, 120)과 접촉하는 것을 피하도록, 도 4에 도시된 바와 같이, 크랭크 암(118, 120)들은 곡선을 이룬다.
도 9에 도시된 바와 같이, 오직 단일의 크랭크 암 또는 한 쌍의 크랭크 암(118, 120)들을 갖는 각각의 실시예들에 있어서, 적어도 하나의 크랭크 암의 대응하는 페달에 라이더에 의해 가해진 하향 힘에 응하여, 각각의 크랭크 암은 상부 위치(150)에서 적어도 하나의 중간 위치(152)로, 그리고 마지막으로 하부 위치(154)로의 사이에서 움직인다. 결국, 도 4 및 도 6 내지 도 8과 관련되어 서술된 복원 부재는, 라이더에 의해 가해지는 차후의 하향 힘을 받기 위하여, 크랭크 암(114) 또는 상호보완적인 크랭크 암(118)을 하부 위치(154)로부터 적어도 하나의 중간 위치(152)로 그리고 마지막으로 상부 위치(150)로 되돌려놓는다.
도 10은 최적의 동력-전달 구역들과 함께 크랭크 암들 및 페달들의 다양한 각도의 위치들을 나타내는 다이어그램이다. 여기에 서술된 것처럼, 페달(114, 116) 및 그것의 대응하는 크랭크 암(118, 120)의 움직임의 미리 결정된 각도의 범위는 약 45도이다. 또 다른 예시 실시예에서, 페달의 움직임의 미리 결정된 각도의 범위는, 수직 방향으로부터 시계 방향으로 약 67.5도에서 수직 방향으로부터 시계 방향으로 약 112.5도 사이인 미리 결정된 구역(156)에 맞춰지고, 이는 본 발명자는 페달(114, 116)로부터 후방 휠(108)로 최적의 동력 전달을 제공하기 위해 결정한 구역이다. 페달 및 크랭크 암의 각도의 모션의 이러한 제한된 범위들은, 축에 대하여 360도를 넘어서 축 주위를 회전하는 페달들을 갖는 종래의 자전거들의 라이더들에 의한 근육 피로 구역(muscle fatigue zone)들 경험을 피한다. 낮은 입력 구역(low input zone)들은 12시부터 대략 2시 사이 및 대략 4시부터 6시 사이의 영역들을 포함한다. 데드 존(dead zone)들 또는 페달을 밟는 것이 동력에 효과가 거의 없거나 전혀 없는 영역은 6시부터 12시 사이에 위치한다.
도 11을 참조하면, 전방 스프로킷(182, 184)들은 서로 고정되게 커플링되며, 롤러 베어링들을 통해 중간 샤프트 또는 액슬(105)에 회전 가능하게 장착된다. 각각의 스프로킷(182, 184)는, 도 4에 도시된 바와 같이 기어 어셈블리(112)의 일부로서 각자의 체인(190, 192)에 커플링된다.
도 12 및 도 13은 기어 어셈블리(112)의 후방 부분을 도시한다. 도 12에 도시된 바와 같이, 후방 액슬(104)은 프레임(102)에 대하여 자유롭게 회전하도록 롤러 베어링들과 같은 맞물림 부재(138, 140)들과 맞물린다. 상기 언급한 것처럼, 제1 스프로킷(180)은 후방 휠 샤프트(104)에 고정된다. 도 5, 도 7A 및 도 7B를 참조하면, 회전 힘은 위치 1에서 프레임(102)의 좌후방 부분으로부터 시계 방향으로 전달된다. 즉, 제1 스프로킷(180)의 회전 힘은 제1 체인(190)을 통해 위치 2에서 제2 스프로킷(182)으로 전달된다. 제2 스프로킷(182)은 위치 3에서 중간 샤프트(105)에 대하여 제3 스프로킷(184)을 회전시킨다. 제3 스프로킷(184)은 제2 체인(192)을 통해 위치 4에서 차례로 제4 스프로킷(186)을 회전시킨다. 제4 스프로킷(186)은 일방향 클러치(130)의 제1 클러치 부재(160)에 고정된다. 제2 클러치 부재(162)는 후방 휠(108)의 허브(109)에 고정되며 일체로 형성된다(예를 들어, 압입(pressed fit)). 상기 언급한 것처럼, 허브(109)는 롤러 베어링(111, 113)들을 통해 후방 휠 샤프트(104)에 회전 가능하게 커플링되며 외접한다.
도 12 및 도 13을 계속 참조하면, 제1 클러치 부재(160) 및 제2 클러치 부재(162)는 매칭 톱니(matching teeth)들을 포함한다. 래칫-앤-폴 메커니즘(ratchet-and-pawl mechanism)을 제공하기 위해, 제1 클러치 부재(160)는 제2 클러치 부재(162)의 톱니들과 맞물리고 풀리기 위해 옆으로 움직이는 스프링과 같은 바이어싱 메커니즘(biasing mechanism)(168)에 의해 바이어스(bias)된다. 따라서, 도 4, 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 제1 클러치 부재(160)가 제4 스프로킷(186)으로부터 전달된 모션에 의해 제1 방향으로 회전함으로써, 클러치 부재(160, 162)들의 톱니(164, 166)들이 맞물리고, 도 13에 도시된 바와 같이, 제2 클러치 부재(162)는 제1 방향으로 회전하고, 이는 도 4를 참고하여 시계 방향과 같은 제1 방향으로 후방 휠(108)을 차례로 회전시킨다. 본 실시예에서, 추가적인 내구력(strength)을 제공하기 위하여 제4 스프로킷(186)의 단면의 너비 또는 두께는 증가된다. 이것은 제4 스프로킷(186)이 자전거에 동력을 공급하는 마지막 스프로킷이고 따라서 모든 추진력이 여기에 가해지기 때문이다. 그러나, 표준 두께를 갖는 스프로킷도 사용될 수 있다. 제4 스프로킷(186)이 더 이상 회전하지 않을 때 또는 휠(108)의 회전 속력이 제4 스프로킷(186)의 회전 속력보다 더 클 때, 클러치 부재(160, 162)들은 풀린다.
크랭크 암(118, 120)들에 관하여, 일방향 클러치(200, 202)는 각각의 크랭크 암(118, 120) 및 후방 샤프트(104) 사이에 커플링되어서, 후방 샤프트는 오직 크랭크 암(118, 120)이 하향 모션에 있을 때에만 회전하며, 크랭크 암(118, 120)이 상부 위치로 복원되면 풀린다. 따라서, CHW에 동력을 공급하기 위해 제4 스프로킷(186)(및 일방향 클러치(130))에 맞물리기 전에, 다른 스프로킷(182, 184)들로 회전 힘의 전달을 시작하기 위하여, 크랭크 암(118, 120)들의 맞물림으로부터 발생된 힘들은 제1 스프로킷(180)에 동력을 공급한다.
여기에 참조로 포함된 미국 특허 번호 5,964,332; 8,632,089; 및 미국 특허 공개 번호 2010/0320720에 서술된 것과 같은 기술분야에서 알려진 일방향 클러치 메커니즘들의 다른 유형들 또한 사용될 수 있다.
추가의 대안적인 실시예들에서, 기어 어셈블리는 적어도 하나의 크랭크 암으로부터 적어도 하나의 휠로 속력의 동력 전달을 높이기 위한 복수 개의 스테퍼 기어들을 포함한다. 게다가, 본 발명은 단지 후방 휠을 회전시키는 것에 제한되지 않는다. 적어도 하나의 휠은, 프레임의 전방 부재 상에서 회전 가능한 휠 샤프트에 부착된 전방 휠; 및 프레임의 후방 부재 상에서 회전 가능한 휠 샤프트에 부착된 후방 휠로 구성된 군에서 선택된다. 따라서, 크랭크 암들 및 일방향 클러치 메커니즘은 후방 휠 대신에 전방 휠에만 연결될 수 있고, 또는 대안적으로 제1 한 쌍의 크랭크 암 및 일방향 클러치 메커니즘은 전방 휠에 연결될 수 있는 반면 제2 한 쌍의 크랭크 암 및 일방향 클러치 메커니즘은 후방 휠에 연결될 수 있다. 또한, 힘들이 시계 반대 방향으로 이동하도록 기어 어셈블리(112)의 형태는 반대일 수 있다.
본 발명은 그 사상 또는 본질적인 특성들로부터 벗어나지 않고 다른 특정한 형태들로 구체화될 수 있다. 서술된 실시예들은 모든 면들에서 단지 예시적이고 제한적이지 않은 것으로 고려되는 것이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 전술한 설명보다는 첨부한 청구범위들에 의하여 지시된다. 청구범위들의 동등한 의미 및 범위 내에서 오는 모든 변경들은 그들의 범위 내에 포함되는 것이다.

Claims (42)

  1. 프레임;
    상기 프레임 상에서 회전 가능한 휠 샤프트;
    상기 휠 샤프트에 대하여 회전하며, 상기 휠 샤프트에 부착되는 적어도 하나의 휠;
    상기 적어도 하나의 휠에 커플링되는 기어 어셈블리로서, 상기 기어 어셈블리는 상기 휠 샤프트에 고정되는 제1 스프로킷, 상기 제1 스프로킷으로부터 고정된 거리에서 상기 프레임에 장착되는 중간 샤프트에 고정되는 제2 스프로킷, 상기 중간 샤프트에 고정되는 제3 스프로킷 및 상기 휠 샤프트에 장착되는 일방향 클러치에 장착되는 제4 스프로킷을 포함하고, 상기 기어 어셈블리는 또한 상기 제1 스프로킷 및 상기 제2 스프로킷에 커플링되는 제1 체인 및 상기 제3 스프로킷 및 상기 제4 스프로킷에 커플링되는 제2 체인을 포함하는 기어 어셈블리;
    힘을 가하기 위하여 미리 결정된 각도의 범위 내에서 이동 가능하며 상기 기어 어셈블리에 맞물리는 적어도 하나의 페달로서, 상기 페달의 움직임의 상기 미리 결정된 각도의 범위는 수직 방향으로부터 시계 방향으로 67.5도에서 상기 수직 방향으로부터 시계 방향으로 112.5도 사이인 적어도 하나의 페달;
    상기 적어도 하나의 휠을 회전시키기 위하여 상기 힘을 상기 페달로부터 상기 기어 어셈블리로 직접 가하기 위한, 상기 적어도 하나의 페달 및 상기 기어 어셈블리에 커플링되는 미리 결정된 길이를 갖는 적어도 하나의 크랭크 암으로서, 상기 크랭크 암은 곡선을 이루는 크랭크 암;
    하부 스트로크 위치로부터 상부 스트로크 위치로 상기 페달 및 상기 적어도 하나의 크랭크 암을 되돌려놓는 복원력을 발생시키는 복원 부재; 및
    상기 휠 샤프트가 상기 프레임에 대하여 자유롭게 회전하게 하기 위한 맞물림 부재를 포함하는 라이더-동력의 운송 수단.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 라이더-동력의 운송 수단은 자전거, 세발자전거, 화물 바이크, 패들보트, 휠체어, 라이더-동력의 승객-수송 운송 수단, 벨로시페드, 핸드카, 레일로드 핸드카 및 라이더-동력의 항공기로 구성되는 군에서 선택되는 라이더-동력의 운송 수단.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복원 부재는 스프링인 라이더-동력의 운송 수단.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 크랭크 암은 제1 크랭크 암 및 제2 크랭크 암을 포함하고, 상기 복원 부재는, 상기 제2 크랭크 암이 상기 하부 스트로크 위치로 이동될 때 상기 제1 크랭크 암을 상기 상부 스트로크 위치로 이동시키고, 상기 제2 크랭크 암이 상기 상부 스트로크 위치로 이동될 때 상기 제1 크랭크 암을 상기 하부 스트로크 위치로 이동시키기 위한, 상기 제1 크랭크 암 및 제2 크랭크 암에 부착된 풀리인 라이더-동력의 운송 수단.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 맞물림 부재는 적어도 하나의 롤러 베어링을 포함하는 라이더-동력의 운송 수단.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 맞물림 부재는 윤활제를 포함하는 라이더-동력의 운송 수단.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기어 어셈블리는, 상기 적어도 하나의 크랭크 암으로부터 상기 적어도 하나의 휠로 상기 힘의 동력 전달을 높이기 위한 복수 개의 스테퍼 기어들을 포함하는 라이더-동력의 운송 수단.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 휠은, 상기 프레임의 전방 부재 상에서 회전 가능한 상기 휠 샤프트에 부착된 전방 휠 및 상기 프레임의 후방 부재 상에서 회전 가능한 상기 휠 샤프트에 부착된 후방 휠로 구성된 군에서 선택되는 라이더-동력의 운송 수단.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 기어 어셈블리는 다중 비율 변속기를 포함하는 라이더-동력의 운송 수단.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 페달은, 정렬된 형태로 상기 적어도 하나의 크랭크 암에 고정되며 일체로 형성되는 라이더-동력의 운송 수단.
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