KR102136895B1 - 자전거 페달 - Google Patents

Abstract

자전거 페달링시 탑승자가 발로 가하는 힘의 방향이 크랭크암에 직각인 상태가 되도록 페달발판의 자세를 항상 일정한 상태로 유지시킴으로써, 전진 회전을 위해 자전거 페달에 힘을 가할 때 자전거 페달의 회전중심을 종래기술에 따른 자전거 페달의 회전중심보다 더 앞쪽에 위치시키기 때문에 지렛대 효과를 극대화할 수 있으므로 적은 힘으로도 보다 강력한 추진력을 얻을 수 있을 뿐만아니라, 페달발판을 원위치로 복귀시키는 경우에도 보다 편안하고 자연스럽게 자전거 페달을 들어올릴 수 있으므로 주행시의 피로감이 적고 사용이 편리한 자전거 페달(10)이 개시된다. 크랭크 연결볼트(20)의 외측단부는 자전거의 크랭크암(CA)의 말단부에 회전가능하도록 기계적으로 연결되고, 자전거 탑승자 다리의 왕복 운동을 자전거에 전달하기 위한 페달발판(70)은 발판 중앙연장부(72) 및 한쌍의 발판날개부(73)로 이루어진 발판몸체(71)를 구비하며, 대부분이 상기 발판 중앙연장부(72) 내부에 삽입하여 배치되고 나머지가 기어박스(30)에 삽입되는 메인샤프트(60)와, 상기 기어박스(30) 내부에 배치되어 상기 크랭크 연결볼트(20)에 기계적으로 연결되는 한쌍의 기어(32a,32b)로 구성된 기어어셈블리가 상기 페달발판(70)에 가해지는 힘을 상기 크랭크 연결볼트(20)로 전달한다.

Description

자전거 페달{Pedal for a bicycle}

본 발명은 자전거 페달에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자전거 탑승자가 자전거를 타고 페달링을 하는 경우에 탑승자가 발로 가하는 힘의 방향이 크랭크암에 직각인 상태가 되도록 페달발판의 자세를 항상 일정한 상태로 유지시킴으로써, 전진 회전을 위해 자전거 페달에 힘을 가할 때 자전거 페달의 회전중심을 종래기술에 따른 자전거 페달의 회전중심보다 더 앞쪽에 위치시키기 때문에 지렛대 효과를 극대화할 수 있으므로 적은 힘으로도 보다 강력한 추진력을 얻을 수 있을 뿐만아니라, 페달발판을 원위치로 복귀시키는 경우에도 보다 편안하고 자연스럽게 자전거 페달을 들어올릴 수 있으므로 주행시의 피로감이 적고 사용이 편리한 자전거 페달을 제공하려는 것이다.

주지하는 바와 같이, 자전거는 탑승자가 자신의 두 발로 자전거 페달을 밟아 체인으로 바퀴를 돌려 앞으로 나아가도록 만든 것으로서, 자전거 페달을 밟으면 체인휠 중 한 개의 스프라켓이 돌게 되고, 이때 체인휠 주위를 감싸고 있는 체인이 뒷바퀴의 작은 스프라켓과 연결되어 있어서 뒷바퀴를 구동하게 되는 것이다.

자전거 페달은 자전거를 탈 때 자전거 탑승자 다리의 상하 및 전후방향의 왕복운동을 자전거에 전달하는 부품으로서, 자전거 탑승자의 발이 자전거의 크랭크 축을 쉽게 돌릴 수 있도록 하는 역할을 한다. 자전거에 많은 힘을 보내기 위해 자전거 페달은 보통 크랭크암의 끝에 달려 있고, 효율적인 힘 전달을 위해 크랭크암과의 연결부분에서 회전하면서 항상 발과 수직이 될 수 있도록 되어 있다. 자전거 페달은 지렛대 원리를 이용한 것으로, 자전거 탑승자가 자전거 페달을 밟으면 큰 원을 그리면서 움직이게 되는데, 이때 페달의 안쪽 톱니바퀴는 작은 원운동을 하지만 똑같이 한 바퀴를 돌게된다. 이것은 힘을 주는 쪽은 움직임이 크고, 힘이 작용하는 쪽은 움직임이 작은 지렛대의 원리와 같다.

자전거 탑승자가 페달링을 할 때, 자전거 크랭크암의 회전위치를 시계에 비유하게 되면, 크랭크암을 회전시키기 위한 자전거 페달링시, 12시 방향과 3시 방향 사이에서는 자전거 탑승자의 다리가 접혀져 있는 상태이기 때문에 탑승자는 크랭크암을 회전키기 위해 많은 힘을 들이게 된다. 다음으로, 3시 방향과 6시 방향 사이에서는, 사용자는 보다 적은 힘을 들이고도 크랭크암을 회전시킬 수 있다.

첨부도면 도 8에서 도면의 윗부분에는 종래 기술에 따른 자전거 페달이 회전할 때 회전중심의 위치변화가 도식적으로 나타나 있다.

도 8을 참조하면, 종래 기술에 따른 자전거 페달은 페달축과 페달발판이 서로에 대해 수평을 이루고 있는데, 페달축과 페달발판의 이러한 자세로 인하여 자전거 탑승자가 최대의 힘을 가하는데 한계가 있었다. 자전거 탑승자의 다리가 상사점에 위치해 있는 경우, 페달암을 회전시키기 위해 탑승자가 가하는 힘중 최대의 힘이 발휘되어야만 페달암이 회전될 수 있는데, 이를 위해서는 탑승자가 발로 가하게 되는 힘의 방향이 페달암에 직각인 방향이어야 한다. 그런데, 종래 기술에 따른 자전거 페달에서는 페달암과 페달발판의 자세로 인해 탑승자가 발로 가하게 되는 힘의 방향이 페달암에 직각인 상태가 아니기 때문에, 자전거 탑승자의 다리가 접혀져 있는 상태에서 힘을 최대로 발휘되지 못하는 문제점이 있었다.

한편, 자전거 페달링을 할 때는 자전거 페달을 힘껏 밟아서 내리 누르는 것도 중요하지만 6시방향을 넘어서면서 끌어 올리는 것 또한 중요하다. 이러한 동작이 잘 이루어져야 체력을 아낄 수 있고 장거리 주행도 가능해지는 것이다. 즉, 자전거 페달링을 할 때 자전거 페달이 6시 방향을 넘어서게 되면 힘이 많이 들어가지 않게 부드럽게 들어올릴 수 있어야 한다. 그런데, 종래 기술에 따른 자전거 페달에서는 페달링시 6시방향을 넘어서면서 페달발판이 회전하면서 아래로 처저게 되어 자전거 탑승자가 자전거 페달을 부드럽게 끌어올리지 못하고 발바닥 앞쪽에 힘을 주면서 페달발판을 뒤쪽으로 밀어야 하는 불편함이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 관련업계에서는 지렛대의 원리를 충실하게 따르면서도 자전거 탑승자의 움직임을 고려하여 적은 힘으로 보다 강력한 추진력을 얻을 수 있는 자전거 페달을 개발하려는 노력들이 이루어져 왔다.

예를 들면, 대한민국 등록실용신안공보 제20-0430795호(등록일자: 2006년 11월 03일)에는 자전거의 일측 페달에 전진력을 가할 때 페달의 회전반경을 크게하여 적은 힘으로도 큰 회전력을 얻을 수 있도록 하고 후퇴 회전하는 타측 페달의 회전반경은 점차 작아지도록 한 자전거 페달의 회전반경 가변장치가 개시되어 있다. 이 고안은 페달과 체인 스프로켓 사이에 복수개의 레버와 복수개의 링크들을 구비하고 있고 별도의 토션 스프링과 스토퍼를 필수적으로 구비하고 있다. 이러한 자전거 페달은 기계적인 구성을 추가하는 방식으로 페달이 전진 회전할 때 전체 작용길이를 길어지게 하여 지렛대의 원리를 통해 페달에 가하는 작용력을 최소화하였으나, 구성부품들의 수가 많아져서 구조가 복잡하고 경제성이 떨어진다.

대한민국 등록실용신안공보 제20-0430795호(등록일자: 2006년 11월 03일) 대한민국 등록특허공보 제10-1327344호(등록일자: 2013년 11월 04일) 대한민국 등록특허공보 제10-1689245호(등록일자: 2016년 12월 19일)

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 자전거 탑승자가 자전거를 타고 페달링을 하는 경우에 탑승자가 발로 가하는 힘의 방향이 크랭크암에 직각인 상태가 되도록 페달발판의 자세를 항상 일정한 상태로 유지시킴으로써, 전진 회전을 위해 자전거 페달에 힘을 가할 때 자전거 페달의 회전중심을 종래기술에 따른 자전거 페달의 회전중심보다 더 앞쪽에 위치시키기 때문에 지렛대 효과를 극대화할 수 있으므로 적은 힘으로도 보다 강력한 추진력을 얻을 수 있을 뿐만아니라, 페달발판을 원위치로 복귀시키는 경우에도 보다 편안하고 자연스럽게 자전거 페달을 들어올릴 수 있으므로 주행시의 피로감이 적고 사용이 편리한 자전거 페달을 제공하려는 것이다.

전술한 바와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은, 자전거 페달로서,

외측단부가 자전거의 크랭크암의 말단부에 회전가능하도록 기계적으로 연결된 크랭크 연결볼트;

자전거 탑승자 다리의 왕복 운동을 자전거에 전달하기 위한 페달발판 - 상기 페달발판은 발판 중앙연장부 및 상기 발판 중앙연장부의 방사상 양측에서 서로 대향하도록 연장 형성된 한쌍의 발판날개부로 이루어진 발판몸체를 구비함 -; 및

자전거 탑승자가 상기 페달발판을 발로 내리 누르거나 들어올리는 페달링 동작에 의해 상기 페달발판에 가해지는 힘을 상기 크랭크 연결볼트로 전달하기 위한 기어 어셈블리;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자전거 페달을 제공한다.

상기 기어 어셈블리는, 상기 페달발판(70)을 회전가능하게 지지하기 위한 메인 샤프트; 및 상기 메인 샤프트가 회전할 때 상기 메인 샤프트의 회전력을 상기 크랭크 연결볼트로 전달하기 위한 한쌍의 기어;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 한쌍의 기어는 일측은 전면 개방되고 그에 대향하는 타측은 일부분이 폐쇄된 형태를 갖는 함체형상의 기어박스 내부에 배치되되, 상기 기어박스의 내부에 리세스의 형태로 형성된 한쌍의 기어사이트에 각각 수용되고, 상기 기어사이트들중 제2 기어사이트 위치에서 상기 기어박스에는 제1 샤프트관통공이 형성되고, 상기 제1 샤프트관통공에는 상기 메인 샤프트의 일측이 관통하여 지나며, 상기 크랭크 연결볼트는 상기 크랭크 연결볼트의 내측단부가 상기 기어사이트들중 제1 기어사이트에 위치하도록 상기 기어박스 내부로 일정길이만큼 연장 배치된 것을 특징으로 한다.

상기 크랭크 연결볼트의 중간부위에는 베어링 장착부가 방사상 외부로 일정높이만큼 돌출하여 형성되고, 상기 베어링 장착부의 방사상 외면상에는 링형상을 이루는 제1 볼베어링삽입부가 배치되며, 상기 베어링 장착부의 방사상 외면과 상기 제1 볼베어링삽입부의 방사상 내면 사이에는 제1 볼베어링이 배치되고, 상기 제1 볼베어링삽입부의 내부 중앙위치에는 제3 샤프트관통공이 형성되며, 상기 제3 샤프트관통공을 지나서 상기 기어박스의 폐쇄된 타측 내부면을 향하는 상기 크랭크 연결볼트의 방사상 외면상에는 제1 기어와 제2 볼베어링이 순서대로 장착 배치된 것을 특징으로 한다.

상기 기어박스의 내부에서 상기 제1 볼베어링삽입부는 상기 제2 기어사이트에 삽입하여 배치된 제2 볼베어링삽입부와 인접하도록 배치되고, 이에 의해 상기 기어박스의 내부에서 상기 제1 볼베어링삽입부와 상기 제2 볼베어링삽입부는 서로 수직하게 정렬되도록 배치되되, 상기 제1 볼베어링삽입부와 상기 제2 볼베어링삽입부는 서로 방사상 일부면이 접촉하도록 배치되며, 상기 제1 볼베어링삽입부와 상기 제2 볼베어링삽입부가 서로 접촉하는 부위는 직선평면의 형태로 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 제2 볼베어링삽입부의 내부 중앙위치에는 제4 샤프트관통공이 형성되고, 상기 제4 샤프트관통공에는 상기 메인 샤프트의 상기 일측이 관통하여 지나며, 상기 메인 샤프트는 상기 제2 볼베어링삽입부의 내부에 위치하게 되는 헤드부, 상기 헤드부로부터 일방향으로 연장되는 제1 직경부, 상기 제1 직경부로부터 상기 헤드부에 대향하는 방향으로 순서대로 테이퍼지게 연장되는 제2 직경부와 제3 직경부를 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 제3 직경부는 상기 제2 직경부보다 작은 외경을 가지며, 상기 제2 직경부는 제1 직경부보다 작은 외경을 가지며, 상기 헤드부는 상기 제1 직경부보다 큰 외경을 가지며, 상기 제2 볼베어링삽입부 내에서 상기 헤드부의 방사상 외면과 상기 제2 볼베어링삽입부의 방사상 내면 사이에는 제3 볼베어링이 배치되고, 상기 기어박스의 내부위치에서, 상기 제1 직경부의 방사상 외면상에는 상기 제2 기어와 제4 볼베어링이 순서대로 장착 배치된 것을 특징으로 한다.

상기 헤드부와 상기 제1 직경부의 일부분이 상기 기어박스의 내부에 배치된 상태에서, 상기 제1 샤프트관통공을 통해서 외부로 연장되는 상기 메인 샤프트의 상기 제1 직경부 나머지 부분과 상기 제2 직경부 및 상기 제3 직경부는, 상기 발판 중앙연장부 내부에 형성된 제5 샤프트관통공내에 삽입하여 배치된 것을 특징으로 한다.

상기 제5 샤프트관통공내에서 상기 제1 직경부 방사상 외면상에는 한쌍의 일방향 클러치베어링이 배치되고, 상기 일방향 클러치베어링은 자전거 탑승자가 상기 페달발판을 밟을 때 상기 크랭크암에 대하여 일방향으로만 회전력을 전달하는 기능을 수행하며, 상기 제5 샤프트관통공내에서 상기 제3 직경부 방사상 외면상에는 제5 볼베어링이 배치되며, 상기 제5 샤프트관통공내에서 상기 메인 샤프트의 자유단부에는 고정볼트가 설치되고, 상기 기어박스의 설치위치에 대향하는 상기 제5 샤프트관통공의 타측 개방단부에는 엔드캡이 삽입하여 장착된 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 일정각도는 15도 내지 30도 범위인 것을 특징으로 한다.

상기 발판날개부의 상부면에는 막힘구멍 형태의 다수의 나사공들이 형성되고, 상기 나사공들에는 무두볼트가 각각 삽입하여 배치되되, 상기 무두볼트는 상기 무두볼트의 상부가 상기 발판날개부의 상부면으로부터 일정높이만큼 돌출되도록 배치된 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 페달발판의 발판날개부상에 다수의 무두볼트를 설치하여 사용함으로써, 자전거를 탈 때 탑승자의 발을 항상 최적의 페달링 위치에 놓을 수 있게 된다. 또한, 기어박스의 제1 걸림돌기 및 페달발판의 아치형 제2 걸림돌기의 공동작용에 의해서 페달발판의 상부 수평면이 페달 기어박스의 상부 수평면에 대하여 일정한 각도만큼 기울어진 상태를 유지하게 되어, 자전거 탑승자가 페달발판에 발로 가하게 되는 힘의 방향이 크랭크암에 직각인 방향이 되며, 이러한 상태는 메인 샤프트의 방사상 외면상에 장착된 일방향 클러치베어링의 작용에 의해서 페달링시에 항상 일정하게 유지되기 때문에, 페달을 시계방향으로 전진회전 시킬 때 30도 내지 120도까지는 작용길이가 연장되고, 6시 방향을 지나서 후퇴회전시키는 동안에는 작용길이가 짧아지게 된다. 결과적으로, 자전거 페달링을 할 때, 전진회전시 자전거 페달에 힘을 가하는 경우에 자전거 페달의 작용길이가 길어져서 적은 힘으로도 원활한 페달링이 가능해지는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 자전거 페달의 사시도;
도 2는 도 1에 도시된 자전거 페달의 정면도;
도 3은 도 1에 도시된 자전거 페달의 우측면도;
도 4는 도 2의 선 A-A를 따라 도시한 단면도;
도 5는 도 1에 도시된 자전거 페달의 분해사시도;
도 6은 도 1에 도시된 자전거 페달의 평면 사시도;
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 자전거 페달이 회전할 때 크랭크암과 페달발판의 자세 및 동작상태를 단계별로 도식적으로 나타낸 도면; 그리고
도 8은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 자전거 페달과 종래 기술에 따른 자전거 페달이 회전할 때 회전중심의 위치변화를 도식적으로 비교하여 나타낸 도면.

본 출원의 도면과 그 상세한 설명은 단지 본 발명의 실시 예에 관한 것이다. 여기에서 발표한 기구 및 방식의 장점 및 다른 특징들은 본 발명의 대표적인 실시 예를 나타낸 첨부도면들을 참조한 상세한 설명을 통해서 해당 기술분야의 숙련된 당업자에게 보다 명백해질 것이다. 다르게 강조하지 않는 한, 도면을 통해서 유사하거나 대응하는 요소들은 유사하거나 대응하는 참조부호들로서 나타내어질 것이다.

본 발명의 적어도 하나의 실시 예를 상세하게 설명하기 전, 본 발명은 하기의 명세서에 발표하거나 도면에 나타낸 구성 및 부품들의 배열로 본 출원에서 한정되지 않음을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시 예들이 가능하고 다양한 방식으로 실행 및 수행될 수 있다. 또한, 여기에 채용된 어법과 용어는 설명을 목적으로 한 것으로서 본 발명을 제한하는 것으로 간주되지 않음을 알 수 있을 것이다.

이하, 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 자전거 페달에 대해 보다 상세하게 설명한다.

먼저, 도 1 내지 도 3에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 자전거 페달의 외부구조와 형상이 도시되어 있다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 자전거 페달(10)은 자전거의 구동 스프라켓(도시되지 않음)의 중심부로부터 연장된 크랭크암(CA)(도 7 참조)에 기계적으로 연결되는 크랭크 연결볼트(20)를 구비한다. 즉, 크랭크 연결볼트(20)의 외측단부는 자전거의 크랭크암(CA)의 말단부에 회전가능하도록 연결된다. 상기 외측단부가 베어링(도시되지 않음)에 의해서 원활하게 회전이 가능하도록 크랭크암(CA)에 연결되는 크랭크 연결볼트(20)는 자전거 페달(10)의 함체형상의 기어박스(30) 내부로 일정길이만큼 연장 배치된다. 크랭크 연결볼트(20)는 기어박스(30)의 개방된 일측의 상부에 배치된다. 기어박스(30)의 타측은 일부분은 개방되고 일부분은 폐쇄되어 있으며, 타측의 개방된 하부 기어박스(30)의 하부에서 만곡된 가장자리에는 만곡된 제1 걸림돌기(38)가 일정길이만큼 돌출하여 연장 형성된다.

첨부도면 도 4는 도 2의 선 A-A를 따라 도시한 단면도이고, 도 5는 도 1에 도시된 자전거 페달(10)의 분해도이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 크랭크 연결볼트(20)의 중간부위에는 베어링 장착부(22)가 방사상 외부로 일정높이만큼 돌출하여 형성된다. 베어링 장착부(22)의 양측 인접위치에서 크랭크 연결볼트(20)의 외측단부를 향하는 쪽에는 와셔 장착홈(24)이 크랭크 연결볼트(20)의 방사상 외면상에 일정깊이로 형성된다. 와셔 장착홈(24)에는 제1 와셔링(26)이 끼워진다.

기어박스(30)의 내부에는 하기에서 설명할 한쌍의 기어(32a,32b)를 수용할 수 있는 한쌍의 기어사이트(31a,31b)가 리세스의 형태로 형성된다. 기어박스(30)는 상기 크랭크 연결볼트(20)가 도입되는 일측은 전면 개방되고 그에 대향하는 타측은 일부분이 폐쇄된 형태를 갖는다. 기어사이트들(31a,31b)중 제2 기어사이트(31b)위치에서 기어박스(30)에는 제1 샤프트관통공(33)이 형성된다. 제1 샤프트관통공(33)에는 하기에서 설명하게될 메인 샤프트(60)의 일측이 관통하여 지나게 된다.

한편, 기어박스(30)의 개방된 일측에는 덮개(39)가 탈부착 가능하게 부착되는데, 이를 위해서 기어박스(30)의 개방된 일측에서 기어 사이트들(31a,31b)의 경계부위는 복수개의 나사 삽입공(34)이 막힘구멍의 형태로 형성된다. 이에 대응하여, 덮개(39)의 양측 가장자리 테두리에는 복수개의 나사 관통공(35)이 형성되고, 덮개(39)의 상부에는 상기 베어링 장착부(22)의 외경보다 큰 내경을 갖는 제2 샤프트관통공(37)이 형성된다. 덮개(39)는 덮개(39)의 나사 관통공(35)을 지나서 기어박스(30)의 나사 삽입공(34)에 삽입되는 다수의 나사(36)에 의해서 기어박스(30)의 개방된 일측에 탈부착 가능하게 부착된다.

크랭크 연결볼트(20)가 기어박스(30)의 제1 기어 사이트(31a)에 삽입하여 배치된 상태에서, 기어박스(30)의 개방된 일측 외부로 노출되는 크랭크 연결볼트(20)의 와셔 장착홈(24)에는 앞서 언급한 바와 같이 제1 와셔링(26)이 끼워맞추어 고정 결합된다.

상기 베어링 장착부(22)의 방사상 외면상에는 대체적으로 링형상을 이루는 제1 볼베어링삽입부(41a)가 배치된다. 상기 베어링 장착부(22)의 방사상 외면과 상기 제1 볼베어링삽입부(41a)의 방사상 내면 사이에는 제1 볼베어링(51)이 배치된다. 제1 볼베어링삽입부(41a)의 내부 중앙위치에는 제3 샤프트관통공(43)이 형성된다. 제3 샤프트관통공(43)을 지나서 기어박스(30)의 폐쇄된 타측 내부면을 향하는 크랭크 연결볼트(20)의 방사상 외면상에는 제1 기어(32a)와 제2 볼베어링(52)이 순서대로 장착 배치된다.

기어박스(30)의 내부에서 상기 제1 볼베어링삽입부(41a)는 제2 볼베어링삽입부(41b)와 인접하도록 배치된다. 제2 볼베어링삽입부(41b)는 기어박스(30)의 제2 기어사이트(31b)에 삽입하여 배치된다. 이에 의해, 기어박스(30)의 내부에서 제1 볼베어링삽입부(41a)와 제2 볼베어링삽입부(41b)는 서로 수직하게 정렬되도록 배치되는데, 이때 제1 볼베어링삽입부(41a)와 제2 볼베어링삽입부(41b)는 서로 방사상 일부면이 접촉하도록 배치된다. 제1 볼베어링삽입부(41a)와 제2 볼베어링삽입부(41b)의 안정적인 접촉상태를 지원하기 위해서, 제1 볼베어링삽입부(41a)와 제2 볼베어링삽입부(41b)가 서로 접촉하는 부위는 원호형태가 아니라 직선평면의 형태로 형성되고, 이에 의해서 제1 볼베어링삽입부(41a)와 제2 볼베어링삽입부(41b)는 서로 면접촉 방식으로 접촉하게 된다.

제2 볼베어링삽입부(41b)는 위에서 설명한 상기 제1 볼베어링삽입부(41a)와 동일한 형태로 구성된다. 즉, 제2 볼베어링삽입부(41b)의 내부 중앙위치에는 제4 샤프트관통공(44)이 형성된다. 제4 샤프트관통공(44)에는 앞서 언급한 바와 같이 메인 샤프트(60)의 일측이 관통하여 지나게 된다. 메인 샤프트(60)는 제2 볼베어링삽입부(41b)의 내부에 위치하게 되는 헤드부(64), 상기 헤드부(64)로부터 일방향으로 연장되는 제1 직경부(61), 상기 제1 직경부(61)로부터 상기 헤드부(64)에 대향하는 방향으로 순서대로 테이퍼지게 연장 형성되는 제2 직경부(62)와 제3 직경부(63)를 갖는다. 도면에 잘 나타낸 바와 같이, 제3 직경부(63)는 제2 직경부(62)보다 작은 외경을 가지며, 제2 직경부(62)는 제1 직경부(61)보다 작은 외경을 갖는다. 헤드부(64)는 제1 직경부(61)보다 큰 외경을 갖는다.

제2 볼베어링삽입부(41b) 내에서 상기 헤드부(64)의 방사상 외면과 상기 제2 볼베어링삽입부(41b)의 방사상 내면 사이에는 제3 볼베어링(53)이 배치된다. 기어박스(30)의 내부위치에서, 메인 샤프트(60)의 제1 직경부(61)의 방사상 외면상에는 제2 기어(32b)와 제4 볼베어링(54)이 순서대로 장착 배치된다. 메인 샤프트(60)가 기어박스(30)의 제1 샤프트관통공(33)을 관통하여 지나는 위치에서 메인 샤프트(60)의 방사상 외면상에는 제2 와셔링(27)이 장착된다.

한편, 상기 헤드부(64)와 상기 제1 직경부(61)의 일부분이 기어박스(30)의 내부에 배치된 상태에서 기어박스(30)의 제1 샤프트관통공(33)을 통해서 외부로 연장되는 메인 샤프트(60)의 나머지 부분은 상기 페달발판(70)의 내부에 삽입된다. 페달발판(70)을 회전가능하게 지지하기 위해서, 메인 샤프트(60)의 제1 직경부(61) 나머지 부분과 제2 직경부(62) 및 제3 직경부(63)는 발판 몸체(71)의 발판 중앙연장부(72) 내부에 형성된 제5 샤프트관통공(75)내에 삽입하여 배치된다.

제5 샤프트관통공(75)내에서 메인 샤프트(60)의 제1 직경부(61) 방사상 외면상에는 니들베어링의 형태로 이루어진 한쌍의 일방향 클러치베어링(56a,56b)이 배치된다. 일방향 클러치베어링(56a,56b)은 자전거 탑승자가 페달발판(70)을 밟을 때 크랭크암(CA)에 대하여 일방향으로만 회전력을 전달하는 작용을 수행한다. 메인 샤프트(60)의 제3 직경부(63) 방사상 외면상에는 제5 볼베어링(55)이 장착된다. 제5 샤프트관통공(75)내에서 메인 샤프트(60)의 타측단부, 즉 자유단부에는 고정볼트(25)가 설치되는데, 상기 고정볼트(25)는 그것의 헤드부분을 제외한 몸통부분이 메인 샤프트(60)의 내부에 나사결합하는 방식으로 삽입하여 설치된다.

기어박스(30)의 설치위치에 대향하여 제5 샤프트관통공(75)의 타측 개방단부에는 엔드캡(28)이 삽입하여 장착된다. 이때, 엔드캡(28)의 일면은 외부로 노출되어 육각렌치와 같은 수공구에 의해서 엔드캡(28)를 조이거나 풀 수 있다.

첨부도면 도 6은 자전거 페달(10)의 평면 사시도이다.

도 1 및 도 6을 참조하면, 앞서 언급한 페달발판(70)은 자전거 탑승자 다리의 왕복 운동을 자전거에 전달하기 위한 부품이다. 즉, 자전거 탑승자의 발(신발)이 자전거의 크랭크 축을 쉽게 돌릴 수 있도록 하는 역할을 한다. 상기 페달발판(70)은 앞서 설명한 바와 같은 발판 중앙연장부(72) 및 상기 발판 중앙연장부(72)의 방사상 양측에서 서로 대향하도록 연장 형성된 한쌍의 발판날개부(73)로 이루어진 발판몸체(71)를 구비한다. 발판 중앙연장부(72)와 발판날개부(73)는 일체로 연결 형성되는데, 발판 중앙연장부(72)와 발판날개부(73)는 자전거 탑승자가 편안하게 발을 얹을 수 있고 밀착될 수 있도록 인체공학적 디자인으로 설계된다.

발판날개부(73)의 상부면에는 막힘구멍 형태의 다수의 나사공들(76)이 형성되고, 상기 나사공들(76)에는 무두볼트(74)가 각각 삽입하여 배치된다. 무두볼트(74)는 그 상부가 발판날개부(73)의 상부면으로부터 일정 높이만큼 돌출되도록 배치된다. 바람직하게는, 무두볼트(74)는 그 상부가 발판날개부(73)의 상부면으로부터 약 5mm 정도 돌출되도록 배치된다. 이렇게 상부가 발판날개부(73)의 상부면으로부터 노출되는 무두볼트(74)는 자전거 탑승자의 신발이 접촉하여 놓여지는 위치에 제공되어, 마찰력을 증대시켜서 페달링시 자전거 탑승자의 신발이 미끄러지지 않도록 지지하는 역할을 하게 된다.

발판 중앙연장부(72)의 양측 방사상 외면상에는 아치형의 제2 걸림돌기(78a,78b)가 돌출하여 형성된다. 제2 걸림돌기들(78a,78b)은 앞서 설명한 바 있는 기어박스(30)의 제1 걸림돌기(38)에 대응하도록 형성된다. 제2 걸림돌기들(78a,78b)중 기어박스(30)쪽에 가까운 제2 걸림돌기(78a)는 자전거 탑승자가 페달발판(70)을 밟은 상태에서 전진 회전방향으로 힘을 가할 때 페달발판(70)의 자세를 일정하게 유지시키는 역할을 하게된다. 상세하게는, 자전거 탑승자가 페달발판(70)을 밟은 상태에서 전진 회전방향으로 힘을 가하여 자전거 페달(10)이 정방향으로 원을 그리며 회전하는 경우, 상기 제2 걸림돌기(78a)가 기어박스(30)의 제1 걸림돌기(38) 외면에 걸리게 되는데, 이때 페달발판(70)은 자전거에 많은 힘을 보낼 수 있도록 자전거 탑승자의 발과 수직을 이루는 상태가 된다.

상기 제1 걸림돌기(38)와 상기 상기 제2 걸림돌기(78a)의 접촉동작에 의해서 조성된 페달발판(70)의 자세는, 자전거 탑승자가 페달발판(70)을 전진 회전방향, 즉 시계방향으로 회전시킨다고 할 경우, 크랭크암(CA)이 12방향에서 6시방향을 향할 때, 상세하게는 크랭크암(CA)이 그것의 회전중심에 대하여 이루는 각도가 30도 내지 120도일 때까지는, 앞서 설명한 바 있는 일방향 클러치베어링(56a,56b)에 의해서 그 상태가 유지된다. 페달발판(70)이 이와같이 회전하는 동안에 일방향 클러치베어링(56a,56b)은 메인샤프트(60)에 의해서 지지되는 페달발판(70)이 역방향으로 회전하는 것을 방지하여 페달발판(70)이 자전거 탑승자의 발과 수직을 이루는 상태를 유지하게 되는 것이다.

페달발판(70)이 6시방향을 지나서 페달발판(70)을 끌어올리는 동작이 이루어지는 경우, 일방향 클러치베어링(56a,56b)은 역방향으로 헛돌게 되고, 그 결과 상기 제1 걸림돌기(38)와 상기 상기 제2 걸림돌기(78a)의 접촉동작이 해제 가능하여 자전거 탑승자는 페달발판(70)을 상대적인 자유롭게 끌어올릴 수 있는 것이다.

결과적으로, 자전거 탑승자가 페달발판(70)을 내리 누르는 동작에 의해 전진 회전방향으로 힘을 가하는 동안에는 상기 제1 걸림돌기(38)와 상기 상기 제2 걸림돌기(78a)의 접촉동작 및 일방향 클러치베어링(56a,56b)의 작용에 의해서 페달발판(70)이 자전거 탑승자의 발과 수직을 이루는 상태가 유지되며, 반면에, 자전거 탑승자가 페달발판(70)을 끌어 올리는 동안에는 일방향 클러치베어링(56a,56b)의 작용이 해제되어 페달발판(70)의 자세가 상대적으로 자유로운 상태가 되어 자전거 탑승자가 보다 편안하고 자연스럽게 페달을 들어올릴 수 있게 되는 것이다.

하기에서는 전술한 바와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 자전거 페달(10)의 동작상태와 작용 효과에 대해 설명한다.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 자전거 페달이 회전할 때 크랭크암(CA)과 페달발판(70)의 동작상태를 단계별로 도식적으로 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 자전거 페달과 종래 기술에 따른 자전거 페달이 회전할 때 회전중심의 위치변화를 도식적으로 비교하여 나타낸 도면이다.

도 1 및 도 6 내지 도 8을 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 자전거 페달(10)이 장착된 자전거를 타고 주행을 하는 경우에, 자전거 탑승자는 자전거 페달(10)의 발판날개부(73)의 상부면상에 돌출하여 위치한 무드볼트(74) 위로 신발의 바닥면이 걸쳐지도록 발을 위치시켜서 탑승하게 된다. 따라서, 자전거 탑승자는 자전거를 탈 때 자신의 발이 자전거 페달에 정확히 위치시켰는지를 항상 체크할 필요가 없이 간단하게 항상 최적의 페달링 위치 발을 놓을 수 있게 된다.

자전거 탑승자가 페달발판(70)을 발로 내리누르면서 페달링을 시작하게 되는데, 12시 방향과 3시 방향 사이에서는 자전거 탑승자의 다리가 접혀져 있는 상태이기 때문에 자전거 탑승자는 크랭크암(CA)을 회전키기 위해 최대한의 힘을 들이게 된다. 이때, 페달발판(70)의 상부 수평면은 페달 기어박스(30)의 상부 수평면에 대하여 일정한 각도만큼 기울어진 상태를 유지하게 된다. 즉, 페달발판(70)은 메인 샤프트(60)를 회전축으로 하여 기어박스(30)에 대해 회전하게 되는데, 이때 발판 중앙연장부(72)의 양측 방사상 외면상에 돌출하여 형성된 아치형의 제2 걸림돌기(78a)가 기어박스(30)의 제1 걸림돌기(38) 외면에 걸리게 될 때까지 회전하게 된다. 상기 제2 걸림돌기(78a)가 상기 제1 걸림돌기(38) 외면에 걸린 상태에서 페달발판(70)의 상부 수평면은 페달 기어박스(30)의 상부 수평면에 대하여 일정한 각도만큼 기울어진 상태를 유지하게 된다. 바람직하게는, 15도 내지 30도 각도만큼 기울어진 상태를 유지하게 된다. 결과적으로, 페달발판(70)은 자전거 탑승자가 자전거에 많은 힘을 보낼 수 있도록 자전거 탑승자의 발과 수직을 이루는 상태가 된다.

다시 말해서, 상기 제2 걸림돌기(78a)가 상기 제1 걸림돌기(38) 외면에 걸린 상태에서 탑승자가 페달발판(70)에 발로 가하게 되는 힘의 방향이 크랭크암(CA)에 직각인 방향이 되는 것이다.

이러한 상태는 메인 샤프트(60)의 제1 직경부(61)의 방사상 외면상에 장착된 한쌍의 일방향 클러치베어링(56a,56b)의 작용에 의해서 자전거 탑승자가 페달발판(70)을 내리 누르면서 전진방향으로 힘을 가하는 일정범위까지는 그대로 유지된다.

상세히 설명하자면, 자전거 탑승자가 페달발판(70)을 전진 회전방향, 즉 시계방향으로 회전시킨다고 할 경우, 크랭크암(CA)이 12방향에서 6시방향을 향할 때, 상세하게는 크랭크암(CA)이 그것의 회전중심에 대하여 이루는 각도가 30도 내지 120도일 때까지는, 앞서 설명한 바와 같이 클러치베어링(56a,56b)은 메인샤프트(60)에 의해서 지지되는 페달발판(70)이 역방향으로 회전하는 것을 방지하기 때문에, 페달발판(70)이 자전거 탑승자의 발과 수직을 이루는 상태를 유지하게 되는 것이다.

만약에, 페달발판(70)이 6시방향을 지나서 페달발판(70)을 끌어올리는 동작이 이루어지는 경우, 일방향 클러치베어링(56a,56b)은 역방향으로 헛돌게 되고, 그 결과 상기 제1 걸림돌기(38)와 상기 상기 제2 걸림돌기(78a)의 접촉동작이 해제 가능하여 자전거 탑승자는 페달발판(70)을 상대적인 자유롭게 끌어올릴 수 있는 것이다.

도 8에 잘 나타낸 바와 같이, 자전거 탑승자가 페달링을 하는 경우에, 페달발판(70)은 기어박스(30)의 상부 수평면에 대하여 기울어진 상태를 유지하면서 12시 방향, 3시방향, 6시 방향, 9시 방향으로 회전하게 된다. 페달링 동안에, 자전거 페달(10)의 작용길이는 30도에서 120도까지 힘을 가하는 동안만 연장이 되고, 6시 방향을 지나서 후퇴 회전하는 동안에는 전체 작용길이가 짧아지게 된다. 전진 회전하는 페달(10)은 전체 작용길이가 길어지게 되어 페달(10)에 가하는 작용력을 최소화할 수 있을 뿐만이니라 힘을 제대로 가할 수 있게 된다.

자전거 페달(10)의 회전중심(C1)을 가상의 회전 반경원의 중심이라고 가정하면, 전진 회전하는 페달(10)의 회전중심(C2)은 상기 회전중심(C1)보다 앞쪽에 위치하게 되어 자전거 페달(10)의 작용길이가 상대적으로 길어지게 된다. 자전거 페달(10)의 작용길이는 30도에서 120도까지 힘을 가하는 동안만 연장이 되고, 후퇴회전하는 각도에서는 자전거 페달(10)의 작용길이가 짧아지게 된다. 이와 같이, 전진 회전하는 각도에서는 페달(10)의 전체 작용길이가 길어지게 되어 페달(10)에 가하는 작용력을 최소화할 수 있게 되고 제대로 힘을 가할 수 있게 된다. 이와는 달리, 후퇴 회전하는 각도에서는 페달(10)의 전체 작용길이가 짧아지게 되어 페달(10)의 회전중심은 원래의 회전중심인 상기 회전중심(C1)에 위치하게 된다.

결과적으로, 자전거 페달링을 할 때, 자전거 페달(10)의 회전반경은 전진 회전시나 후퇴 회전시에 모두 동일하지만, 전진 회전시 자전거 페달(10)에 힘을 가할때만 자전거 페달(10)의 작용길이가 길어져서 적은 힘으로도 원활한 페달링이 가능해지는 것이다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 자전거 페달 20 : 크랭크 연결볼트
22 : 베어링 장착부 25 : 고정볼트
26,27 : 와셔링 28 : 엔드캡
30 : 기어박스 31a,31b : 기어사이트
32a,32b : 기어 33,37,43,44,75 : 샤프트 관통공
38,78a,78b : 걸림돌기 39 : 덮개
41a,41b : 베어링 삽입부 51,52,52,54,55 : 볼베어링
56a,56b : 일방향 클러치베어링 60 : 메인샤프트
61,62,63 : 직경부 64 : 헤드부
70 : 페달발판 71 : 페달몸체
72 : 발판 중앙연장부 73 : 발판 날개부
74 : 무두볼트 CA : 크랭크암

Claims (12)

1. 자전거 페달(10)로서,
   외측단부가 자전거의 크랭크암(CA)의 말단부에 회전가능하도록 기계적으로 연결된 크랭크 연결볼트(20);
   자전거 탑승자 다리의 왕복 운동을 자전거에 전달하기 위한 페달발판(70) - 상기 페달발판(70)은 발판 중앙연장부(72) 및 상기 발판 중앙연장부(72)의 방사상 양측에서 서로 대향하도록 연장 형성된 한쌍의 발판날개부(73)로 이루어진 발판몸체(71)를 구비함 -; 및
   자전거 탑승자가 상기 페달발판(70)을 발로 내리 누르거나 들어올리는 페달링 동작에 의해 상기 페달발판(70)에 가해지는 힘을 상기 크랭크 연결볼트(20)로 전달하기 위한 기어 어셈블리 - 상기 기어 어셈블리는, 상기 페달발판(70)을 회전가능하게 지지하기 위한 메인 샤프트(60)와, 상기 메인 샤프트(60)가 회전할 때 상기 메인 샤프트(60)의 회전력을 상기 크랭크 연결볼트(20)로 전달하기 위한 한쌍의 기어(32a,32b)를 포함함 -;를 포함하며,
   상기 메인 샤프트(60)는 헤드부(64), 상기 헤드부(64)로부터 일방향으로 연장되는 제1 직경부(61), 상기 제1 직경부(61)로부터 상기 헤드부(64)에 대향하는 방향으로 순서대로 테이퍼지게 연장되는 제2 직경부(62)와 제3 직경부(63)를 가지며;
   상기 제1 직경부(61) 방사상 외면상에는 한쌍의 일방향 클러치베어링(56a,56b)이 배치되고, 상기 일방향 클러치베어링(56a,56b)은 자전거 탑승자가 상기 페달발판(70)을 밟을 때 상기 크랭크암(CA)에 대하여 일방향으로만 회전력을 전달하는 작용을 수행하는 것을 특징으로 하는 자전거 페달.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 한쌍의 기어(32a,32b)는 일측은 전면 개방되고 그에 대향하는 타측은 일부분이 폐쇄된 형태를 갖는 함체형상의 기어박스(30) 내부에 배치되되, 상기 기어박스(30)의 내부에 리세스의 형태로 형성된 한쌍의 기어사이트(31a,31b)에 각각 수용되고, 상기 기어사이트들(31a,31b)중 제2 기어사이트(31b) 위치에서 상기 기어박스(30)에는 제1 샤프트관통공(33)이 형성되고, 상기 제1 샤프트관통공(33)에는 상기 메인 샤프트(60)의 일측이 관통하여 지나며, 상기 크랭크 연결볼트(20)는 상기 크랭크 연결볼트(20)의 내측단부가 상기 기어사이트들(31a,31b)중 제1 기어사이트(31a)에 위치하도록 상기 기어박스(30) 내부로 일정길이만큼 연장 배치된 것을 특징으로 하는 자전거 페달.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 크랭크 연결볼트(20)의 중간부위에는 베어링 장착부(22)가 방사상 외부로 일정높이만큼 돌출하여 형성되고, 상기 베어링 장착부(22)의 방사상 외면상에는 링형상을 이루는 제1 볼베어링삽입부(41a)가 배치되며, 상기 베어링 장착부(22)의 방사상 외면과 상기 제1 볼베어링삽입부(41a)의 방사상 내면 사이에는 제1 볼베어링(51)이 배치되고, 상기 제1 볼베어링삽입부(41a)의 내부 중앙위치에는 제3 샤프트관통공(43)이 형성되며, 상기 제3 샤프트관통공(43)을 지나서 상기 기어박스(30)의 폐쇄된 타측 내부면을 향하는 상기 크랭크 연결볼트(20)의 방사상 외면상에는 제1 기어(32a)와 제2 볼베어링(52)이 순서대로 장착 배치된 것을 특징으로 하는 자전거 페달.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 기어박스(30)의 내부에서 상기 제1 볼베어링삽입부(41a)는 상기 제2 기어사이트(31b)에 삽입하여 배치된 제2 볼베어링삽입부(41b)와 인접하도록 배치되고, 이에 의해 상기 기어박스(30)의 내부에서 상기 제1 볼베어링삽입부(41a)와 상기 제2 볼베어링삽입부(41b)는 서로 수직하게 정렬되도록 배치되되, 상기 제1 볼베어링삽입부(41a)와 상기 제2 볼베어링삽입부(41b)는 서로 방사상 일부면이 접촉하도록 배치되며, 상기 제1 볼베어링삽입부(41a)와 상기 제2 볼베어링삽입부(41b)가 서로 접촉하는 부위는 직선평면의 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 자전거 페달.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 제2 볼베어링삽입부(41b)의 내부 중앙위치에는 제4 샤프트관통공(44)이 형성되고, 상기 제4 샤프트관통공(44)에는 상기 메인 샤프트(60)의 상기 일측이 관통하여 지나며, 상기 메인 샤프트(60)의 상기 헤드부(64)는 상기 제2 볼베어링삽입부(41b)의 내부에 위치하게 되는 것을 특징으로 하는 자전거 페달.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 제3 직경부(63)는 상기 제2 직경부(62)보다 작은 외경을 가지며, 상기 제2 직경부(62)는 제1 직경부(61)보다 작은 외경을 가지며, 상기 헤드부(64)는 상기 제1 직경부(61)보다 큰 외경을 가지며, 상기 제2 볼베어링삽입부(41b) 내에서 상기 헤드부(64)의 방사상 외면과 상기 제2 볼베어링삽입부(41b)의 방사상 내면 사이에는 제3 볼베어링(53)이 배치되고, 상기 기어박스(30)의 내부위치에서, 상기 제1 직경부(61)의 방사상 외면상에는 상기 제2 기어(32b)와 제4 볼베어링(54)이 순서대로 장착 배치된 것을 특징으로 하는 자전거 페달.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 헤드부(64)와 상기 제1 직경부(61)의 일부분이 상기 기어박스(30)의 내부에 배치된 상태에서, 상기 제1 샤프트관통공(33)을 통해서 외부로 연장되는 상기 메인 샤프트(60)의 상기 제1 직경부(61) 나머지 부분과 상기 제2 직경부(62) 및 상기 제3 직경부(63)는, 상기 발판 중앙연장부(72) 내부에 형성된 제5 샤프트관통공(75)내에 삽입하여 배치된 것을 특징으로 하는 자전거 페달.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 제5 샤프트관통공(75)내에서 상기 제3 직경부(63) 방사상 외면상에는 제5 볼베어링(55)이 배치되며, 상기 제5 샤프트관통공(75)내에서 상기 메인 샤프트(60)의 자유단부에는 고정볼트(25)가 설치되고, 상기 기어박스(30)의 설치위치에 대향하는 상기 제5 샤프트관통공(75)의 타측 개방단부에는 엔드캡(28)이 삽입하여 장착된 것을 특징으로 하는 자전거 페달.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 기어박스(30)의 상기 타측의 개방된 하부에서 상기 기어박스(30)의 만곡된 가장자리에는 만곡된 제1 걸림돌기(38)가 일정길이만큼 돌출하여 연장 형성되고, 이에 대응하여 상기 발판 중앙연장부(72)의 양측 방사상 외면상에는 아치형의 제2 걸림돌기(78a,78b)가 돌출하여 형성되며, 자전거 탑승자가 상기 페달발판(70)을 밟은 상태에서 전진 회전방향으로 힘을 가하여 상기 자전거 페달(10)이 정방향으로 원을 그리며 회전하는 경우, 상기 제2 걸림돌기(78a)는 상기 제1 걸림돌기(38) 외면에 걸리게 되고, 상기 제2 걸림돌기(78a)가 상기 제1 걸림돌기(38) 외면에 걸린 상태에서 상기 페달발판(70)의 상부 수평면은 상기 기어박스(30)의 상부 수평면에 대하여 일정각도만큼 기울어진 상태를 유지하게 되는 것을 특징으로 하는 자전거 페달.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 일정각도는 15도 내지 30도 범위인 것을 특징으로 하는 자전거 페달.
12. 삭제

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