KR20010024568A - 자전거 크랭크 - Google Patents

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KR20010024568A
KR20010024568A KR1020007004484A KR20007004484A KR20010024568A KR 20010024568 A KR20010024568 A KR 20010024568A KR 1020007004484 A KR1020007004484 A KR 1020007004484A KR 20007004484 A KR20007004484 A KR 20007004484A KR 20010024568 A KR20010024568 A KR 20010024568A
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chain wheel
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오이빈드 하아헤임
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오이빈드 하아헤임
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Abstract

자전거 크랭크는 중심축(2)을 중심으로 회전가능하게 장착된 적어도 하나의 체인 휠(1)과 각각이 그 편심의 회전 조인트(6, 6')로 체인 휠 내에 제한적으로 회전가능하게 장착된 2개의 페달 아암(3, 3')을 포함한다. 2개의 스프링 장치(8, 8') 각각은 그 편심의 제 1 스프링 연결 부재(11, 11')로 체인 휠 내에 부착되며 페달 아암을 중심축(2)을 향하여 잡아당긴다. 페달 아암(3, 3')은 페달 아암이 중심축 (2)을 향하는 내부 위치와 페달 아암이 중심축으로부터 실질적으로 방사상으로 가르키는 외부 위치 사이에서 회전할 수 있다. 제 1 스프링 연결부재(11, 11')와 중심축(2) 사이의 선과 중심축과 회전 조인트(6, 6') 사이의 선에 의하여 형성되는 각도(V2)는 30。와 150。 사이이다.

Description

자전거 크랭크{Cycle crank}
자전거 크랭크는 자전거 페달로부터 운동과 힘을 하나 또는 그 이상의 동심 의 체인 휠로 전달하며, 나아가 체인을 통하여 후륜(back wheel)으로 운동과 힘을 전달하기 위한 것이다.
자전거 탑승자(cyclist)의 페달 운동 중에는, 하향 운동 구간 동안에 힘이 가장 크며, 나머지 운동 구간 동안에는 힘이 적거나 또는 전혀 존재하지 않는다. 탑승자로부터 자전거로의 에너지 전달을 증가시키기 위하여 하향 페달 운동 동안에 페달에서부터 크랭크의 중심까지의 거리를 연장하는 여러 가지 장치들이 제안되어 왔으며, 따라서 보다 긴 토크 아암으로 페달에 힘을 부여한다.
프랑스 특허 2 062 858 호는 탄성이 작용하는 조인트로 연결되는 내부 페달 아암과 외부 페달 아암이 있는 자전거 크랭크를 설명한다. 겹판 스프링(leaf spring)에 의하여 조인트는 2개의 페달 아암이 약 90。의 각을 형성하는 위치로 힘을 받는다. 하향 페달 운동중에 힘이 페달에 가해질 때, 조인트는 똑바르게 되고, 그 결과 페달 아암은 연장되며, 페달에서의 힘은 더 긴 모먼트 아암을 얻는다.
독일 특허 제 858 648 호는 유사한 페달 아암을 갖는 자전거 크랭크를 설명하지만, 적층된 스프링 대신에 스파이럴(spiral) 스프링이 사용되는 차이점을 갖는다.
노르웨이 특허 제 80 229 호는 스프링이 달린 만곡진 페달 아암을 갖는 자전거 크랭크를 설명하며, 하향 페달 운동 동안에 힘이 자전거 크랭크에 가해질 때 페달 아암은 대략 직선 위치까지 힘이 가해지며, 따라서 페달에서부터 자전거 크랭크의 중심축까지의 거리가 증가된다.
미국특허 제 2 316 530 호는 체인 결합체(chain engagement)의 반지름에 가까운 페달 아암이 체인 휠에 편심적으로 회전 가능하게 부착된 자전거 크랭크를 설명한다. 관통하는 나선 인장 로드(through-going threaded tension rod)를 가진 압축 스프링 형태의 스프링 장치는 체인 휠 내의 편심 연결 부재로부터 페달 아암 상의 연결 부재로 신장되며, 따라서 페달 아암을 체인 휠을 향하여 잡아 다닌다. 여기서, 나선 인장 로드는 압축 스프링으로 하여금 인장 스프링으로 작용하게 한다. 스프링의 편심 회전 연결 부재는 페달 아암의 편심 연결 부재와 정반대쪽에 위치하며, 페달 아암 내의 스프링 연결 부재는 페달 아암의 회전 연결 부재보다 페달에 더욱 근접하게 위치한다. 인장 로드상의 조정가능한 너트는 스프링의 운동을 제한하는 멈춤부(stop)를 제공하며, 따라서 페달 아암은 내부 위치와 외부 위치 사이에서 이동되어지는 것이 가능하다.
조정가능하거나 제거 가능한 페달을 갖는 다른 자전거 크랭크들이 독일 특허 제 2 509 021 호, 독일 특허 제 3 813 953 호, 프랑스 특허 제 2 388 713호, 스웨덴 특허 제 419 960 호, 스웨덴 특허 제 446 846 호 및 덴마크 특허 062 083 호에 설명되어 있다.
상술한 자전거 크랭크들 모두는 일반적으로 널리 사용되지 않고 있다. 이는 페달이 너무 유연하고 그 결과 탑승자가 자전거를 제어한다는 느낌을 가질 수 없다는 점에 주로 기인하는 것으로 추정된다. 다른 이유는 페달 운동 과정에서 페달 아암의 신장이 탑승자가 바라는 위치에서 발생하지 않는다는 것일 수 있다.
본 발명은,
중심축을 중심으로 회전 가능하게 장착된 적어도 하나의 체인 휠;
각각은, 체인 휠에 대하여 고정되고 체인 휠의 각 부분상에 편심으로 설치된 회전 링크로 제한적으로 회전 가능한 상태로 제 1 종단과 제 2 종단에서 장착되며, 탑승자에 의한 힘의 작용을 위하여 그 페달에 회전 가능하게 연결된 2개의 페달 아암; 및
페달에 작용하는 힘이 증가될 때 페달과 함께 페달 아암의 제 2 종단을 중심축을 향하여 잡아당기고 페달과 함께 페달 아암의 제 2 종단을 중심축으로부터 떨어져 회전시키기 위하여, 각각은 제 1 종단에서 체인 휠에 대하여 고정되고 체인 휠의 각 측부에 편심적으로 설치된 제 1 스프링 연결 부재에 부착되며, 제 2 종단에서 페달 아암의 제 1 종단으로부터 떨어져 제 2 스프링 연결 부재로 각 페달 아암에 부착된 2개의 스프링 장치를 포함하는 자전거 크랭크에 관한 것이다.
도 1은 자전거의 체인 휠 쪽에서 본, 본 발명에 따른 자전거 크랭크의 측면도.
도 2는 반대측에서 본 도 1의 자전거 크랭크의 측면도.
도 3은 본 발명에서 사용하기 위한 회전 조인트의 분해 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 자전거 크랭크의 원리도.
도 5a-e는 하향 페달 운동중의 본 발명에 따른 자전거 크랭크를 도시한 도면.
도 6a-e는 하향 페달 운동중의 미국특허 제 2 316 530 호에서 설명된 형태의 자전거 크랭크를 도시한 도면.
모든 도면에서 대응 부재들에 동일한 도면 부호가 사용되었다.
본 발명의 목적은 페달에 가해지는 힘이 가장 큰 페달 운동의 한 단계 동안에 에너지가 부분적으로 축적되고 페달 운동의 후속 단계 중에 구동력으로 방출되는 자전거 크랭크를 제공하는데 있다. 다른 목적은 에너지의 축적과 방출 과정에서 안정적인 운동 또는 힘으로서 다리의 운동과 다리에 가해지는 힘을 탐승자가 경험하는데 있다. 또다른 목적은 지면을 스치는 것을 방지하기 위하여 에너지가 축적되지 않는 페달 운동의 아래 부분 동안에 공지된 자전거 크랭크의 경우보다 페달이 실질적으로 지면에 더 근접하게 이동되지 않게 하는데 있다. 또다른 목적은 본 발명에 따른 자전거 크랭크가 자전거로부터 탑승자로의 진동 및 충격에 대한 흡수 기능을 제공하는데 있다. 또다른 목적은 하향 페달 운동 중에 페달 힘의 모먼트 아암을 늘어나게 하는데 있다. 다른 목적은 본 발명이 페달이 체인 휠에 대하여 고정된 공지된 형태의 자전거 크랭크 내에 부품의 교환 또는 추가에 의하여 실행될 수 있게 하는데 있다.
청구범위에서 설명되는 특징들에 의하여 특징되는 본 발명에 따른 목적들은 서두에서 설명한 형태의 자전거 크랭크와 함께 달성된다.
미국특허 제 2 316 530 호에 설명된 형태의 공지된 자전거 크랭크와의 비교 및 도면을 참고로 하여 본 발명은 특정 실시예의 설명과 관련하여 보다 상세하게 설명될 것이다.
도 1 및 도 2는 자전거의 체인 휠 쪽 및 반대쪽에서 각각 본 본 발명에 따른 자전거 크랭크를 도시한다. 마크가 없는 도면 번호는 전방 페달 아암, 즉 하향 페달 운동 상태에 위치한 페달 아암 및 관련된 부품 및 부재들을 나타낸다. 마크가 있는 도면 번호는 후방 페달 아암, 즉 상향 복귀 운동 상태에 위치한 페달 아암을 도시한다.
자전거 크랭크는 공지된 것과 같이 반경(R1)을 갖는 외부 치차 링에 의한 체인의 작동을 위하여 중심축(2)을 중심으로 회전 가능하게 장착된 적어도 하나의 체인 휠(1)을 포함한다. 또한, 2개의 페달 아암들(3) 각각은 제 1 종단(4, 4')에서 그 회전 조인트(6, 6')로 제한적으로 회전가능한 상태로 장착되어 있으며, 회전 조인트는 체인 휠(1)의 각 측부상에 편심적으로 설치되고 체인 휠에 관하여 고정되어 있다. 회전 조인트와 체인 휠간의 이러한 고정된 연결은 브라켓(17)의 한 종단에 회전 조인트(6)를 배치함으로서 체일 휠 상에서 이루어지며, 브라켓은 체인 휠(1)에 견고히 연결되고 기능적으로 체인 휠의 보강재를 구성한다. 반대쪽에서, 회전 조인트(6')는 회전 가능한 허브(16; hub)를 통하여 체일 휠에 견고하게 연결된 브라켓(17') 내에 배치된다. 회전 가능한 허브(16)는 공지된 자전거 크랭크에 사용된 것과 동일한 형태로서, 에너지가 축적되지 않으며, 따라서 더 이상 설명하지는 않는다.
탑승자에 의한 힘의 작용을 위하여 각 페달 아암은 제 2 종단(5, 5')에서 회전 가능한 연결 부재(15, 15'; attachment)로 그 페달(7, 7')에 연결된다. 인장 스프링(8, 8') 형태의 2개의 스프링 장치는 각각 제 1 종단(9, 9')에서 제 1 스프링 연결 부재(11, 11')에 부착되며, 제 1 스프링 연결 부재는 체인 휠(1)에 대하여 고정되고 체인 휠의 각 측부상에 편심적으로 배치된다. 이 고정된 연결은 체인 휠 측부상에서 스프링 연결 부재(11)에 의하여 이루어지며, 스프링 연결 부재(11)는 체인 휠의 한 부품인 반면에, 체인 휠의 반대측상의 스프링 연결 부재(11')는 브라켓 (17')의 한 부품이다.
인장 스프링(8, 8')은 페달 아암의 제 1 종단(4, 4')으로부터 떨어져 제 2 종단(10, 10')에서 제 2 스프링 연결 부재(12, 12')로 페달 아암(3, 3')에 부착된다. 도시된 실시예에서, 제 2 스프링 연결 부재(12, 12')는 페달 아암의 제 2 종단(5, 5') 내에 위치하며, 제 2 종단은 페달 연결 부재(15, 15')에 가까우며, 페달 연결 부재보다는 회전 조인트(6)로부터 다소 멀리 떨어져 있다. 제 2 스프링 연결 부재는 또한 페달의 연결 부재(15, 15')와 일체로 할 수 있다.
인장 스프링(8, 8')은 페달 아암의 제 2 종단(5, 5')을 페달(7, 7')과 함께 중심축(2)을 향하여 당기며, 증가되는 하향 힘이 페달에 가해질 때 페달과 함께 페달 아암의 제 2 종단을 중심축에서 떨어져 화살표 P2로 도시된 방향으로 회전하게 한다.
도 3은 회전 조인트(6, 6')의 분리 사시도이다. 브라켓(17, 17')에 견고하게 연결된 멈춤부(13, 13')는 페달 아암(3, 3') 제 1 종단(4, 4') 내의 멈춤부(14, 14')와 연동한다. 이들 2개의 멈춤부는 함께 회전 조인트(6, 6') 내의 제한된 회전성의 원인이 된다.
본 발명에 따른 멈춤부들(13, 14, 13', 14')은 중심축(2)과 회전 조인트(6, 6') 사이의 선과 페달 아암이 둔각(V1)을 형성하는 내부 위치와 페달 아암(3, 3')이 중심축(2)으로부터 실질적으로 방사상으로 가르키는 외부 위치 사이에서 페달 아암 (3, 3')을 회전시키기에 적합하다. 내부 위치 내에서의 페달 아암을 도시하는 본 발명에 따른 자전거 크랭크의 원리도인 도 4에 이러한 것이 매우 명확하게 도시되었다. 외부 위치는 도 1에 도시되며, 여기서 전방 페달 아암(5)이 외부 위치를 나타낸다.
또한, 본 발명에 따르면, 페달 아암이 그 내부 위치에 위치할 때 페달 아암의 제 2 종단(5, 5')과 같이 제 1 스프링 연결 부재(11, 11')는 중심축(2)과 회전 조인트(6, 6') 사이의 선의 동일한 쪽에 위치하여야 한다. 도 4를 참고하면, 이는 제 1 스프링 연결 부재(11)가 중심축(2)과 회전 조인트(6) 사이의 선 위에 위치하여야 함을 의미한다. 더 나아가, 제 1 스프링 연결 부재(11, 11')와 중심축(2) 사이의 선 및 중심축(2)과 회전 조인트(6) 사이의 선에 의하여 형성되는 각도(V2)가 30。와 150。 사이에 있어야 한다는 점에 의하여 제 1 스프링 연결 부재의 위치는 결정되어야 한다.
도 5a-e는 하향 페달 운동중의 본 발명에 따른 자전거 크랭크를 도시하며, 여기서 페달은 힘(F)의 영향을 받으며, 체인 휠은 화살표 P1으로 도시된 방향으로 회전한다. 여기서, 스프링이 어떻게 신장되는지를 알 수 있으며, 그로 인하여 페달 아암이 내부 위치(도 5b 참조)로부터 외부 위치(도 5c 참조)로 이동할 때 에너지가 축적된다. 페달이 더 하향이동하여 페달 운동의 하단으로 접근할 때, 스프링은 수축되고(도 5d 참조), 페달 아암이 내부 위치로 복귀하는 동시에 저장된 에너지는 체인 휠을 구동하는 구동력으로 방출된다.
테스트 결과들은 내부 위치로부터 외부 위치로의 페달 아암의 운동과 내부 위치로의 복귀 과정에서 페달의 운동과 탑승자의 발에 대한 반대 압력이 안정된 운동 또는 힘으로 작용한다는 것을 나타낸다.
테스트 결과들은 나아가 페달 운동의 낮은 부분에 있는 동안에 페달이 에너지가 축적되지 않는 공지된 자전거 크랭크보다 실질적으로 지면에 더 근접하게 이동하지 않는다는 것을 나타낸다.
본 발명에 따른 자전거 크랭크는 자전거로부터 탑승자로의 진동 및 충격 완화를 제공한다. 이는 산악 자전거로 자전거에 격심한 진동 및 충격을 발생시키는, 예를 들어 나무 뿌리 또는 돌들로 이루어진 거친 경사로를 내려가는 동안에 탑승자가 프레임에 서있을 때 특히 주목된다. 이 경우에, 자전거의 속도는 중력에 의하여 유지되며, 탑승자는 실질적으로 도 5c에 도시된 바와 같은 전방과 후방을 향하고 있는 페달에 의지한다. 탑승자가 양 페달에 자신의 체중을 분배한다는 사실로 인하여, 그리고 자전거 크랭크의 다양한 규격 및 스프링의 인장력이 탑승자의 체중에 적합하다면, 전방 페달은 내부 위치와 외부 위치 사이의 중간 위치(sprung intermediate position)를 나타낼 것이다. 뒷바퀴의 회전 및 체인 휠과 뒷바퀴 사이의 자유로운 휠 연결로 인하여 전방 페달의 탄성 운동은 뒷바퀴로 전달되는 운동없이 후방 페달로 전달될 것이다. 그로 인하여 양 페달의 탄성 완화가 제공된다.
하향 페달 운동 중에 페달 힘의 토크 아암(torque arm), 즉 탑승자에 의하여 페달에 가해지는 힘의 토크 아암이 연장된다는 목적은 본 발명에 따른 자전거 크랭크에 의하여 달성된다. 이러한 페달 힘의 토크 아암의 연장은 탑승자로부터 체인 휠으로의 에너지 전달을 증가시키는데 도움이 되나, 이는 또한 명세서 서두에서 언급된 여러 가지 공지된 자전거 크랭크에 의하여 달성되기 때문에 이러한 특징만으로 본 발명의 핵심을 구성한다는 것으로 말할 수는 없다.
본 발명은 브라켓(17) 및 페달이 체인 휠에 대하여 고정되는 일반적인 공지 형태의 관련된 허브를 체인 휠 상에 장착함으로서 실행될 수 있다. 유사하게, 브라켓(17')은 체인 휠에 대하여 반대쪽의 허브 상에도 장착될 수 있다. 제 1 스프링 연결 부재(11)는 체인 휠 내에 존재하는 구멍 또는 새로운 구멍에 의하여 실행될 수 있다. 따라서, 체인 휠에 대하여 페달이 고정되는 형태의 자전거 크랭크 내의 부품들의 개조에 의하여 본 발명을 실행하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 자전거 크랭크의 설계와 사용자에 의하여 사용되는 방법간의 정확한 관계는 매우 복잡하며, 사용자의 체중, 자전거가 사용되는 도로 및 탑승자의 개인적인 선호도에 좌우된다. 따라서 정확하고 보편적으로 가장 적합한 규격의 스프링 장치와 자전거 크랭크의 차동 간격(different distance)을 나타낸다는 것은 불가능하다.
그러나, 테스트 결과는 회전 조인트(6, 6')와 페달 아암의 제 1 종단(4, 4') 내의 멈춤부들(13, 14, 13', 14')은 110。와 160。사이, 보다 바람직하게는 130。와 150。 사이, 가장 바람직하게는 도 4에 도시된 바와 같이 약 145。의 크기의 각도(V1)가 주어지도록 설계되어야 한다는 것을 나타낸다.
이는 제 1 스프링 연결 부재(11, 11')는 각도(V2)가 60。와 120。사이, 보다 바람직하게는 75。와 105。 사이, 가장 바람직하게는 도 4에 도시된 바와 같이 약 90。인 상태로 위치하여야 한다는 것을 입증하고 있다.
또한, 체인의 결합을 위하여 중심축(2)과 회전 조인트(6, 6') 사이의 간격은 반경(R1)의 0.6과 1.4 사이, 보다 바람직하게는 0.8과 1.2 사이, 가장 바람직하게는 도 4에 도시된 바와 같이 약 1.0 이어야 한다.
제 1 스프링 결합 부재(11, 11')와 중심축(2) 사이의 간격은 중심축(2)과 회전 조인트(6, 6') 간의 간격의 0.3과 1.0 사이, 보다 바람직하게는 0.5와 0.8 사이, 가장 바람직하게는 약 0.65 이어야 한다.
이는 또한 회전 조인트(6, 6')와 페달 연결 부재(15, 15') 간의 간격은 중심축(2)과 회전 조인트(6, 6') 간의 간격의 0.5와 1.2 사이, 보다 바람직하게는 0.7과 1.0 사이, 가장 바람직하게는 약 0.8이어야 한다는 것을 입증하고 있다.
스프링 장치(8, 8')는 미리 신장(pre-tensioned)되어져야 하며, 따라서 스프링 장치에 초기 신장을 부여하기 위하여 일정량의 인장력이 요구된다. 그로 인하여 내부 위치로부터 외부 위치를 향하여 페달 아암을 이동시키기 위하여 탑승자가 일정량의 최소한의 힘을 페달에 가해야한다는 목적은 달성된다. 스프링을 위한 탄성 계수와 예비 신장의 정확한 선택으로서, 페달 아암은 페달 힘이 가장 큰 하향 페달 운동의 영역 내에 외부 위치를 단지 나타낼 것이며, 이는 페달이 도 5b-d에 도시된 위치에 있을 때를 의미한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 바람직한 실시예에서, 체인 휠의 외경은 220mm, 각도 V1은 145。, 각도 V2는 90。, 중심축(2)과 회전 조인트(6, 6')간의 거리는 100mm, 제 1 스프링 연결 부재(11, 11')와 중심축(2) 간의 거리는 65mm, 회전 조인트(6, 6')와 페달 연결 부재(15, 15') 간의 거리는 80mm이며, 회전 조인트(6, 6')와 제 2 스프링 연결 부재(12, 12')간의 거리는 97mm이다. 스프링 장치는 1.3kN의 인장력에 의하여 최초 신장량까지 예비 신장된 선형 인장 스프링으로 이루어진다.
본 발명이 공지된 자전거 크랭크들과 구별되는 점을 설명하기 위하여 본 발명을 도 6a에 도시된 미국특허 제 2 316 530 호 내에서 설명된 형태의 자전거 크랭크와의 비교를 통하여 설명하기로 한다.
도 6a에 도시된 자전거 크랭크는 체인 휠(101), 페달 아암(104) 및 스프링 장치(108)를 포함하며, 페달 아암은 한 종단에서 편심의 회전 조인트(106)로 체인 휠에(101)에 부착되며 다른 종단에는 페달(107)을 구비하고, 탄성 장치는 한 종단에서 제 1 스프링 연결 부재(111)로 체인 휠(101)에 부착되며 회전 조인트(106)보다 페달(107)에 더 가까운 다른 종단에서 페달 아암(104)에 부착된다. 스프링 장치 (108) 내의 너트(nut) 형태의 멈춤 장치들은 페달 아암(104)이 도 6a에 도시된 내부 위치와 도 6c에 도시된 외부 위치 사이를 이동할 수 있게 한다. 멈춤 장치들은 예비 신장 스프링(pre-tensioning)과 함께 스프링 장치(108)를 더 제공한다. 스프링 연결 부재(111)는 회전 조인트(106)의 정반대쪽에 위치하며, 이것이 본 발명에 따른 자전거 크랭크와 관련하여 근본적인 차이점이다. 더욱이, 본 발명에 따른 자전거 크랭크 내의 페달 아암과 비교할 때, 페달 아암(104)은 크랭크의 중심에 더 근접하게 위치한 영역을 지나 이동한다.
도 5a-e는 하향 페달 운동중의 본 발명에 따른 자전거 크랭크를 도시하며, 도 6a-e는 대응하는 하향 페달 운동중의 미국특허 제 2 316 530 호에 설명된 형태의 자전거 크랭크를 도시하며, 도 5a는 도 6a에 대응하며, 도 5b는 도 6b에 대응한다.
2개의 자전거 크랭크 간의 차이점을 이론적인 역학과 관련된 고려 사항들을 이용하여 설명하기로 한다. 자전거 크랭크 부재들의 질량과 관계된 동력학적 관계는 자전거 크랭크의 작동 형태(mode)를 위해서는 중요하지 않으며, 그 설명은 무시한다.
역학의 법칙에 따르면, 물체가 모먼트(moment)에 접할 때, 물체는 회전하기 시작하며, 모먼트는 그 아암(arm)이 곱해진 힘으로 규정된다. 양 자전거 크랭크의 경우에서, 페달 힘의 모먼트가 회전 조인트(6, 106)에 대하여 계산된 스프링 인장력으로부터의 모먼트보다 클 때 페달 아암(4, 104)은 회전하기 시작하여 내부 위치로부터 외부 위치를 향하여 이동하기 시작할 것이며, 이하에서는 스프링 인장력을 "스프링 힘"으로 칭한다.
수학적인 용어로 표현하면, 본 발명에 따른 자전거 크랭크를 위한 페달 아암의 초기 회전은 다음 모먼트 평형 상태서 발생한다.
Fp* ap= Fs* as
여기서, Fp는 페달 힘, ap는 페달 힘의 모먼트 아암, Fs는 스프링 힘, as는 스프링 힘의 모먼트 아암이다.
유사하게, 미국특허 제 2 316 530 호에 설명된 형태의 자전거 크랭크를 위한 페달의 초기 회전은 다음 모먼트 평형 상태서 발생한다.
F'p* a'p= F's* a's
여기서, 대응하는 항목에는 표시가 있는 부호들이 사용되었다.
회전 조인트(6, 106)가 어떠한 모먼트의 영향을 받지 않는 한, 즉, 페달 암의 전체 운동이 외부 위치를 향하는 동안 모먼트 평형 상태가 나타날 것이다. 따라서, 페달 아암의 위치는 페달 힘과 그 모먼트 아암 및 스프링 힘과 그 모먼트 아암에 의하여 결정되며, 이들은 모두 변화할 수 있는 값이다. 따라서, 2개의 자전거 크랭크를 위한 페달 운동 중에 페달 아암 위치의 정확한 비교는 매우 광범위해질 것이다.
자전거 크랭크의 작동 형태들 사이의 설명과 비교를 간략화하기 위하여 하향 페달 운동중의 페달 힘은 수직으로 아래를 향하고 일정한 크기를 갖는다고 가정, 즉 Fp= F' = F로 가정한다.
도 5a, 도 6a는 상단 근처의 페달을 도시하며, 여기서 페달 힘은 회전 조인트를 향한다. 그로 인하여, 페달 힘 모먼트 아암(ap, a'p)은 0이며, 결과적으로 페달 힘은 모먼트를 발생시키지 않는다. 스프링 힘은 모먼트 아암(as, a's)을 가지며 내부 위치에서 페달 아암을 유지하는 모먼트를 발생시킨다.
도 5b, 도 6b는 페달 힘의 모먼트 아암과 스프링 힘의 모먼트 아암이 동일한, 즉 ap= as, a'p =a's인 위치에서의 페달을 도시한다. 비교를 위하여, 양 자전거 크랭크 내의 스프링은 스프링의 초기 신장에 요구되는 인장력이 페달 힘과 동일한 상태로 구성되었음을 가정하며, 그로 인하여 도 5b 및 도 6b는 페달 힘의 모먼트가 스프링 힘의 모먼트보다 커지기 시작하고 페달 암이 내부 위치로부터 이동하기 시작하는 위치에 페달이 있음을 도시하고 있다.
도 5c, 도 6c는 페달 힘이 페달로부터 회전 조인트까지의 거리에 수직인 위치에서의 페달을 도시하고 있다. 이 경우에서, 페달 힘의 모먼트 아암(ap, a'p)은 페달에서부터 회전 조인트까지의 거리와 동일하며, 그로 인하여 그 최대 값을 얻으며, 이는 페달 힘의 모먼트 역시 그 최대값을 얻는다는 것을 의미한다. 양 자전거 크랭크에 대해서, 페달 힘의 모먼트 아암(ap, a'p)은 스프링 힘 모먼트 아암 (as, a's) 크기의 약 2배임을 알 수 있다. 여기서, 양 자전거 크랭크 내의 스프링은 페달 아암이 외부 위치 내에 위치하는 상태로 구성되었음을 가정한다.
도 5d, 도 6d는 페달 힘의 모먼트 아암(ap, a'p)이 스프링 힘의 모먼트 아암 (as, a's)보다 약 1.33배 큰 위치에서의 페달을 도시한다. 이 경우에서, 페달 아암이 외부 위치에 위치하고 스프링이 늘어났기 때문에 스프링 힘은 페달 아암이 내부 위치에 위치할 때보다 크며, 비교를 위하여 여기서 양 자전거 크랭크 내의 스프링이 페달 아암이 내부 위치를 향하여 이동하기 시작하는 상태로 구성되었음을 가정한다.
도 5e, 도 6e는 바닥 근처의 페달을 도시하며, 페달 힘이 다시 회전 조인트를 향한다. 페달 힘의 모먼트 아암(ap, a'p)은 다시 0이며, 결과적으로 페달 힘은 모먼트를 발생시키지 않는다. 스프링 힘의 모먼트 아암 (as, a's)은 스프링 힘을 발생시켜 내부 위치에 페달 아암을 유지시키는 모먼트를 발생시킨다.
대응하는 각 도면 5a-e 및 도 6a-e에 대하여, 페달 힘 모먼트 암과 스프링 힘 모먼트 암간의 비율은 동일하다. 이들 도면들을 비교함으로서, 도 6a-e 내의 페달은 페달 동작 과정에서 대응하는 도 5a-e 내의 페달 보다 더 이동하는 것을 알 수 있다. 이는 도 5c와 도 6c, 도 5d와 도 6d를 비교할 때 특히 명확하게 설명되며, 이는 페달 아암이 내부 위치로의 복귀를 시작하는 영역이다. 따라서, 도면들은 미국특허 제 2 316 530 호에 설명된 형태의 자전거 크랭크에서보다 본 발명에 따른 자전거 크랭크에서 페달 아암의 더 빠른 신장과 수축이 이루어지는 것을 설명한다. 이는 탑승자가 유리할 것이라고 느끼는 이러한 페달 아암의 보다 빠른 신장과 수축을 정확하게 한다.
도 5e와 도 6e를 비교함으로서, 미국특허 제 2 316 530 호에 설명된 형태의 자전거 크랭크를 사용하여 얻어지는 것보다 본 발명에 따른 자전거 크랭크를 사용하여 보다 원형의 그리고 결과적으로 보다 부드러운 페달의 운동이 페달 아암이 내부 위치로 복귀하는 영역 내에서 이루어진다는 것을 또한 알 수 있다. ,
페달 힘의 모먼트는 크랭크의 회전 위치에 좌우되며, 또한 도 5c와 관련하여 설명한 바와 같이 페달 힘이 페달로부터 회전 조인트까지의 간격에 수직일 때 그 최대값을 갖는다. 페달이 중심축과 대략 수평으로 위치할 때 이 최대 모먼트가 발생되어야 하는 것이 바람직하며, 따라서 본 발명에 따르면 페달이 외부 위치에 위치할 때 페달 아암은 중심축으로부터 실질적으로 방사상으로 나타난다.
그러나, 스프링 힘 모먼트는 크랭크의 회전 위치에 좌우되지 않는다. 도 5 및 도 6에 설명된 바와 같이, 스프링 힘 모먼트 아암은 페달 아암의 위치 및 제 1 스프링 연결 부재의 위치에 좌우되며, 또한 양 자전거 크랭크에 대하여, 페달 아암이 내부 위치로부터 외부 위치를 향하여 이동할 때 스프링 힘 모먼트 아암은 감소된다는 것을 알 수 있다.
페달 아암이 중심축으로부터 방사상으로 가르키는 외부 위치를 향하여 페달 아암이 이동할 때 스프링 힘 모먼트 암을 0이 되도록 하기 때문에 제 1 스프링 연결 부재는 본 발명에 따른 자전거 크랭크 내에서 회전 조인트 정반대쪽에 위치할 수 없다는 것을 도 5로부터 알 수 있다. 본 발명에 따르면, 이 조건은 제 1 스프링 연결 부재와 중심축 사이의 선 및 중심축과 회전 조인트 사이의 선에 의하여 형성되는, 적어도 30°인 각도(V2)에 의하여 설명된다.본 발명은 각도 V2가 최대 150°가 되어야 한다는 사실에 의하여 또한 제한되며, 이는 이 보다 넓은 각도는 페달 암의 운동중에 스프링을 거의 신장시키지 않기 때문이다. 그러나, 본 발명에 따른 자전거 크랭크의 실질적인 설계에 대한 이러한 제한들이 엄격하지 않다는 것이 상술한 설명으로부터 명백해진다.

Claims (10)

  1. 중심축을 중심으로 회전 가능하게 장착된 적어도 하나의 체인 휠(1)과;
    각각은 체인 휠(1)에 대하여 고정되고 체인 휠(1)의 각측부에 편심적으로 설치된 회전 링크(6, 6')로 제 1 종단(4, 4')에서 회전 가능하게 장착되며, 각각은 탑승자에 의한 힘의 작용을 위하여 제 2 종단(5, 5)에서 페달(7, 7')에 회전 가능하게 연결된 2개의 페달 아암(3, 3)과;
    페달에 작용하는 힘이 증가될 때 페달(7, 7')과 함께 페달 아암의 제 2 종단(5, 5')을 중심축(2)을 향하여 잡아당기고 페달과 함께 페달 아암의 제 2 종단을 중심축으로부터 떨어져 회전(P2)시키기 위하여, 각각은 제 1 종단(9, 9')에서 체인 휠(1)에 대하여 고정된 제 1 스프링 연결 부재(11, 11')에 부착되며, 제 2 종단(10, 10')에서 페달 아암의 제 1 종단(4, 4')으로부터 떨어져서 제 2 스프링 연결 부재(12, 12')로 각 페달 아암(3, 3')에 부착된 2개의 스프링 장치(8, 8')를 포함하되, 회전 조인트(6, 6')와 페달 아암의 제 1 종단(4, 4)은 2개의 외부 포인트 사이에서 페달 아암(3, 3')의 회전을 제한하는 대응 멈춤부(13, 14, 13', 14')를 구비하는 자전거 크랭크에 있어서,
    멈춤부(13, 14, 13', 14')는, 중심축(2)과 회전 조인트(6, 6') 사이의 선과 페달 아암(3, 3')이 둔각(V1)을 형성하는 내부 위치와 페달 아암(3, 3')이 중심축 (2)으로부터 실질적으로 방사상으로 가르키는 외부 위치 사이에서 페달 아암을 회전시키도록 구성되며,
    제 1 스프링 연결 부재(11, 11')와 중심축(2) 사이의 선과 중심축(2)과 회전 조인트(6, 6') 사이의 선에 의하여 형성되는 각도(V2)가 30°와 150°사이라는 점에 의하여 결정되는 위치에서, 페달 아암이 그 내부 위치에 위치할 때 제 1 스프링 연결 부재(11, 11')는 페달 아암의 제 2 종단(5, 5')과 같이 중심축(2)과 회전 조인트(6, 6') 사이의 선의 동일측 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 자전거 크랭크.
  2. 제 1 항에 있어서, 제 2 스프링 연결 부재(12, 12')는 페달의 연결 부재(15, 15')와 일치하는 또는 인접한 페달의 제 2 종단(5, 5') 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 자전거 크랭크.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 페달 아암이 내부 위치에 위치할 때 중심축(2)과 회전 조인트(6, 6') 사이의 선과 페달 아암(3, 3') 사이의 각도(V1)가 110°와 160°사이, 보다 바람직하게는 130°와 150°사이, 가장 바람직하게는 약 145°가 되도록 회전 조인트(6, 6')와 페달 아암의 제 1 종단(4, 4') 내에 멈춤부 (13, 14, 13', 14')가 구성된 것을 특징으로 하는 자전거 크랭크.
  4. 선행하는 항중 어느 한 항에 있어서, 제 1 스프링 연결 부재(11, 11')의 위치는, 제 1 스프링 연결 부재(11, 11')와 중심축(2) 사이의 선과 중심축(2)과 회전 조인트(6, 6') 사이의 선에 의하여 형성되는 각도(V2)가 60°와 120°사이, 보다 바람직하게는 75°와 105°사이, 가장 바람직하게는 약 90°라는 점에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 자전거 크랭크.
  5. 선행하는 항중 어느 한 항에 있어서, 중심축(2)과 회전 조인트(6, 6') 사이의 거리는 체인의 결합을 위하여 반경(R1)의 0.6과 1.4 사이, 보다 바람직하게는 0.8과 1.2 사이, 가장 바람직하게는 약 1.0인 것을 특징으로 하는 자전거 크랭크.
  6. 선행하는 항중 어느 한 항에 있어서, 제 1 스프링 연결 부재(11, 11)와 중심축(2) 사이의 거리는 중심축(2)과 회전 조인트(6, 6') 사이의 거리의 0.3과 1.0 사이, 보다 바람직하게는 0.5와 0.8 사이, 가장 바람직하게는 약 0.65인 것을 특징으로 하는 자전거 크랭크.
  7. 선행하는 항중 어느 한 항에 있어서, 회전 조인트(6, 6')와 페달 연결 부재 (15, 15') 사이의 거리는 중심축(2)과 회전 조인트(6, 6') 사이의 거리의 0.5와 1.2 사이, 보다 바람직하게는 0.7과 1.0 사이, 가장 바람직하게는 약 0.8인 것을 특징으로 하는 자전거 크랭크.
  8. 선행하는 항중 어느 한 항에 있어서, 제 2 스프링 연결 부재(12, 12')는 페달 연결 부재(15, 15')보다 회전 조인트(6, 6')로부터 더 떨어져 위치하는 것을 특징으로 하는 자전거 크랭크.
  9. 선행하는 항중 어느 한 항에 있어서, 스프링 장치(8, 8')는 미리 신장된 인장 스프링인 것을 특징으로 하는 자전거 크랭크.
  10. 선행하는 항중 어느 한 항에 있어서, 체인 휠(1)은, 체인 휠의 양측 상에서 브라켓(17, 17')에 견고하게 부착되어 있는 회전 가능한 허브(16)에 견고하게 부착되어 있으며, 브라켓은 회전 조인트(6, 6')와 제 1 스프링 연결 부재(11, 11')에 순차적으로 견고하게 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 자전거 크랭크.
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