KR20120136462A - 탄성 크랭크암 및 이를 이용하는 자전거 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자전거의 크랭크암 및 이를 사용한 자전거에 관한 것이다. 본 발명은 실시예로, 자전거의 체인링과 페달을 연결하는 것으로, 상기 체인링의 회전 중심에 일단부가 결합되어 있는 제1링크암 그리고 상기 제1링크암의 회전이 형성하는 가상원에 접하는 방향으로 상기 제1링크암에 탄성있게 연결되며, 상기 페달이 연결되어 있는 제2링크암을 포함하는 탄성 크랭크암 및 이를 포함하는 자전거를 제시한다.

Description

탄성 크랭크암 및 이를 이용하는 자전거{Tensional crank arm and the bike using it}

본 발명은 자전거의 크랭크암 및 이를 사용한 자전거에 관한 것이다.

자전거는 사람의 힘만으로도 작동이 가능한 2륜차로, 최근 레저 활동에 널리 활용되고 있다. 일반적인 자전거의 동력 전달은 페달, 크랭크, 체인을 거쳐 뒷바퀴를 회전시키는 것이다. 이때, 크기가 다른 체인을 세트로 하여 기어 변속을 이루는 변속기가 더 구비되기도 한다.

페달을 이용한 동력의 전달은 페달보다 높은 위치에 있는 사람이 페달을 밟는 힘에 의하여 주로 전달된다. 신체구조상 다리를 펴는 작동에서 가장 큰 힘이 생기며, 체중을 이용할 수 있기 때문에 페달을 밟는 동작에서 가장 큰 힘을 발휘하게 되며, 양 발을 교대로 굴림에 따라 페달은 자연스럽게 회전된다.

구르는 힘 외에도 다리를 당기는 힘까지 크랭크를 회전시키는데 사용할 수 있도록 클릿(Cleats) 페달을 사용할 수 있으나, 이 경우에도 주된 힘의 전달은 페달을 밟는 과정 중에 발생되는 것이다.

이와 같이 크랭크를 회전시키는 힘은 페달의 1회전 사이클 중 사분의 일 회전 또는 반 회전을 넘지 못하는 것으로 양 발을 고려해도 페달의 1회전 사이클 전체에서 동력을 창출하지 못하게 되는 단점이 있게 된다.

본 발명은 전술된 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 페달을 밟는 힘을 저장하였다가 크랭크를 회전시키는데 사용할 수 있게 하는 목적을 갖는다.

상기 과제를 위하여 본 발명은 실시예로, 자전거의 체인링과 페달을 연결하는 것으로, 상기 체인링의 회전 중심에 일단부가 결합되어 있는 제1링크암 그리고 상기 제1링크암의 회전이 형성하는 가상원에 접하는 방향으로 상기 제1링크암에 탄성있게 연결되며, 상기 페달이 연결되어 있는 제2링크암을 포함하는 탄성 크랭크암을 제시한다.

이때, 상기 자전거의 전진을 위한 체인링의 정회전 시에 진행 방향을 바라보는 제1크랭크암의 전면과 반대되는 후면에서 상기 제2링크암이 연결될 수 있다.

보다 구체적으로 살펴보면, 본 발명의 실시예는 자전거의 체인링과 페달을 연결하는 것으로, 상기 체인링의 회전 중심에 일단부가 결합되어 있는 제1링크암, 상기 제1링크암의 회전이 형성하는 가상원에 접하는 방향에 따라 상기 제1링크암의 타단부에 슬라이딩 가능하게 결합되어 있으며, 상기 페달이 연결되는 제2링크암 그리고 상기 제1링크암과 상기 제2링크암 사이에 개재되어 있고, 상기 제2링크암의 슬라이딩 이동에 따라 탄성 변형되어 탄성 에너지를 축적하는 탄성부재를 포함할 수 있다.

나아가, 상기 제1링크암의 타단부에는 상기 가상원에 접하는 방향으로 관통공이 형성되어 있고, 상기 제2링크암에는 상기 제1링크암의 타단부가 슬라이딩 가능하게 수용되는 가이드부가 형성되어 있으며, 상기 제2링크암과 상기 관통공을 통과하며 끝단부가 나사 결합되고, 외주면에는 상기 탄성부재가 구비되며, 상기 나사를 조여 상기 탄성부재의 길이 조절이 가능한 볼트를 구비할 수 있다.

더하여, 상기 제1링크암 또는 제2링크암은 금속 재질의 골조와, 상기 골조의 둘레를 감싸는 합성수지를 포함하여 이루어질 수 있다.

이러한 탄성 크랭크암은 다양한 자전거에 장착 가능한 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 라이더의 페달링이 편하게 이루어질 수 있게 하며, 고른 추진력을 얻을 수 있어 자전거의 페달링이 수월해지는 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄성 크랭크암을 도시한 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 탄성 크랭크암의 주요부를 분해한 사시도.
도 3은 도 1에 도시된 탄성 크랭크암이 장착된 자전거의 주요부를 나타낸 도면.
도 4는 도 3에 도시된 자전거의 사용 상태를 나타낸 도면.

본 발명에서 제시하는 탄성 크랭크암은 자전거의 체인링과 페달을 연결하는 종래의 크랭크암을 개량하는 것으로, 라이더가 페달을 밟는 에너지를 일부 축적하였다가 페달에 의해 전달되는 회전력이 저하되는 지점에서 축적된 에너지로 체인링을 추가 회전시키는 것이다.

이러한 탄성 크랭크암은 제1링크암과, 제1링크암에 탄성있게 결합되는 제2링크암을 주요 구성으로 한다. 제2링크암에는 페달이 결합된다. 페달의 회전 궤적에 따라 라이더의 페달 밟는 힘은 제1링크암에 대한 제2링크암의 탄성 이동을 가져와 탄성 에너지를 축적할 수 있게 한다. 또한, 탄성 크랭크암이 회전됨에 따라 축적된 탄성 에너지는 제2링크암에 대하여 제1링크암을 회전시킴으로써 체인링을 더욱 회전시키게 된다.

본 발명에 따른 탄성 크랭크암은 기존의 자전거에서 사용되는 크랭크암과 호환 가능한 것이다. 또한, 종래 기술에서의 크랭크암이 그러하듯 다양한 타입의 자전거에 공통되게 적용가능한 것으로 범용성이 있다. 일례로 생활자전거, 산악자전거, 사이클 등 자전거의 종류를 가리지 아니한다.

나아가, 본 발명에 따른 탄성 크랭크암은 체인링과 후륜의 스프로킷에 걸쳐지는 체인을 이용하는 일반적인 자전거뿐만 아니라, 풀리와 벨트를 이용하거나 기어를 이용하는 등 체인을 사용하지 아니하는 자전거에도 적용 가능한 것이다.

더하여, 페달을 통한 회전력을 전달하기 위한 일반적인 구성에서 종래의 크랭크암을 대체하여, 본 발명에 따른 탄성 크랭크암이 적용 가능하다.

더하여, 일반적으로 인력을 이용한 이륜차로 정의되는 자전거 외에, 크랭크암과 페달을 통하여 인력을 전달 받는 다양한 동력전달수단에도 적용 가능한 것이다. 이러한 동력전달수단은 크랭크암과 연결된 체인링, 체인 및 스프로킷으로 이루어진 것들로, 스프로킷에 연결되어 스크류가 회전되는 레저 보트나 스프로킷에 날개팬이 회전하는 풍차 등이 있다. 이들은 다른 의미의 자전거이며 본 발명에서 의미하는 자전거에 속하는 것으로 봐야한다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 탄성 크랭크암 및 이를 이용한 자전거의 구성과 작용을 설명한다.

도 1과 도 2에는 본 발명의 실시예에 따른 탄성 크랭크암이 도시되어 있다.

본 발명의 실시예에 따른 탄성 크랭크암(10)은 자전거의 체인링과 페달을 연결하는 것으로, 체인링의 회전 중심에 일단부가 결합되어 있는 제1링크암(1) 그리고 제1링크암(1)의 회전이 형성하는 가상원에 접하는 방향으로 제1링크암에 탄성있게 연결되며, 페달이 연결되어 있는 제2링크암(2)을 포함한다.

제1링크암(1)의 일단부는 체인링의 회전 중심에 결합된다. 제1링크암(1)은 제2링크암(2)이 체인링이나 크랭크커버에 걸리지 아니하도록, 체인링과 멀어지도록 굴곡지게 형성될 수 있다. 도면에서 제1링크암(1)은 체인링에 결합되는 일단에서 벌어지는 1부분(1a)과, 1부분에서 체인링과 거의 평행하게 연장되는 2부분(1b)을 포함한다. 이러한 굴곡의 형상은 다양하게 변경 가능한 것이다. 또는 제1링크암은 굴곡없이 직선형 막대로 형성될 수도 있다.

도시하지 아니하였으나, 이러한 제1크랭크암(1)은 금속 재질의 골조와, 이 골조의 외부를 합성수지가 감싼 것일 수 있다. 이때, 골조는 강철이나 알루미늄 등의 합금으로 이루어져 강성을 보완하고, 골조를 감싸는 합성수지는 폴리카보네이트(polycarbonate) 등 범용 엔지니어링 플라스틱이 사용될 수 있다. 이와 같이 골조와 이를 감싸는 합성수지로 이루어진 제1링크암은 자체 무게를 줄일 수 있으므로 라이터의 피로를 경감시킬 수 있게 된다.

제2링크암(2)은 제1링크암(1)의 끝단부에 슬라이딩 가능하게 결합된다. 이때, 제2링크암(2)의 슬라이딩 방향은 제1링크암(1)이 회전하여 형성하는 평면과 평행한 면 상에 놓이면서, 제1링크암(1)의 길이 방향과는 수직한 것이다.

제2링크암(2)의 외측면에는 페달(도시 생략)이 결합된다. 여기서 페달은 공지된 바와 같이 라이더가 밟을 수 있는 발판과, 이 발판의 중심에 자유 회전 가능하게 결합되며 발판의 일측에서 돌출된 회전축을 포함하는 것이다. 발판에서 돌출된 회전축은 제2링크암(2)에 형성된 나사홀(24)에 결합된다.

한편, 제2링크암은 전술된 제1링크암과 마찬가지로 금속재질의 골조와, 이 골조를 감싸는 합성수지를 포함하여 이루어질 수 있다. 골조와 합성수지를 포함하여 이루어진 제2링크암은, 하나의 금속재질로만 이루어진 경우에 비하여 그 하중을 저감할 수 있는 것이다.

도 2와 도 3에는 제1링크암에 대하여 제2링크암이 슬라이딩 가능하게 결합되는 구성과 탄성 크랭크암이 장착된 자전거의 예가 도시되어 있다. 도 3에서 체인링, 제1,2링크암 및 체인 등의 구성을 간략화하여 도시하였다.

제1링크암(1)과 제2링크암(2)의 연결 구성을 위해 볼트(4), 너트(5), 탄성부재(3)가 더 포함된다.

제1링크암(1)의 타단부에는 제1링크암(1)이 회전시 타단부가 진행하는 방향에 따라 관통공(11)이 형성된다. 이때, 상기 타단부는 원 궤적을 형성하고, 관통공의 길이 방향은 이 궤적에 접선 방향이다.

한편, 제2링크암(2)에는 제1링크암의 타단부가 슬라이딩 가능하게 수용되는 가이드부가 형성되어 있다. 도면에서 가이드부는 일단이 개방된 가이드홈(21)이다. 가이드홈(21)은 서로 이격된 측벽들(211)에 의하여 내부 공간을 형성하고 있으며, 이 측벽들(211)은 제1링크암(1)의 양 외면에 접함으로써 제1링크암(1)의 이동 방향을 한정하는 것이다.

더하여, 가이드홈(21)은 양 측벽 사이를 연결하는 바닥판(212)을 더 포함한다. 이 바닥판(212)은 제1링크암(1)의 타단과 접하는 부분으로 측벽과 마찬가지로 제1링크암(1)의 이동 방향을 한정하는 것이다. 또한 바닥편은 양 측벽을 연결함으로써 가이드홈의 구조적 강도를 증대시키는 것이다. 이러한 바닥판은 생략 가능하다.

제2링크암(2)의 전단부에는 가이드홈(21)에 연통되는 통과홀(22)이 형성되어 있다. 이때, 통과홀(22)의 위치는 제1링크암(1)의 관통공(11)에 대응되는 것이다.

더하여 제1링크암(1)의 전단에는 통과홀(22)의 주연부가 함몰되어 볼트헤드자리(23)가 홈으로 형성되어 있다. 볼트헤드자리(23)는 도면에서는 육각형으로 함몰된 것으로 도시되었으나 볼트(4)의 헤드부(41) 형상에 따라 다양한 단면형상을 가질 수 있다.

볼트(4)는 몸체부(42)가 통과홀과 관통공을 차례로 통과하며, 몸체부(42)의 끝단부에 형성된 나사산에 너트(5)가 결합된다. 이때, 너트는 2개 이상이 사용되어 너트 조임을 견고하게 할 수 있다. 이와 같이 볼트는 제2링크암과 제1링크암을 결합하는 것이고, 제1링크암은 볼트의 몸체부를 따라 가이드홈을 따라 제2링크암에서 슬라이딩 가능하게 된다.

또한, 볼트(4)의 헤드부(41)의 단면은 육각형으로, 제2링크암(2)의 전단에 형성된 볼트헤드자리(23)에 삽입된다. 볼트헤드자리(23)에 삽입된 볼트(4)의 헤드부는 제2링크암(2)의 전단에서 돌출되지 아니하게 된다. 따라서 신발끈이나 바지 등이 볼트의 헤드에 걸리지 않게 되어 안전한 라이딩이 가능하게 된다. 또한 볼트에 헤드부의 단면에 대응되는 형상으로 볼트헤드자리에 헤드부가 삽입된 볼트는 회전이 방지된다.

볼트(4)의 몸체부(42)에는 탄성부재(3)가 결합된다. 이때, 탄성부재(3)는 탄성 변형되어 에너지를 저장할 수 있는 것으로, 도시된 바와 같이 코일 스프링이다. 이때, 코일 스프링을 대체하여 탄성 에너지를 저장할 수 있는 다양한 수단으로 대체 가능하다.

볼트(4)의 외주면에 구비된 탄성부재(3), 즉 코일 스프링의 일단은 제1링크암(1)의 관통공(11) 주연부에 지지되고, 타단은 제2링크암(2)의 가이드홈(21) 내면에 지지된다. 코일 스프링은 원래의 길이보다 짧게 압축되면서 볼트에 너트에 결합됨에 따라, 항상 제1링크암에 대하여 제2링크암을 밀어내는 방향으로 작용하게 된다.

이때, 너트를 조이거나 풀어 줌으로써 코일 스프링의 길이를 조절할 수 있다. 즉 너트의 조절에 의하여 코일 스프링을 미리 더욱 가압한 상태로 둠으로써 탄력을 크게 하거나, 코일 스프링을 덜 가압하여 탄력을 줄일 수 있게 된다. 이는 라이더의 편의에 따라 적당한 탄력을 가지도록 세팅할 수 있게 하는 것이다.

한편, 도시하지 아니하였으나 볼트, 너트 및 코일 스프링을 대체하여 에어실린더를 설치할 수 있다. 여기서 에어실린더의 일단은 제1링크암에 결합되고 타단은 제2링크암에 고정되는 것이다. 이러한 에어실린더는 피스톤과 실린더에 의하여 압축 방향이 결정되기에 제2링크암의 가이드홈의 구성을 생략할 수도 있는 것이다.

이와 같은 구성에서 제1링크암(1)에 대하여 제2링크암(2)이 슬라이딩 이동하면, 제1링크암(1)과 제2링크암(2)은 서로 가까워지거나 멀어지게 된다. 그에 따라 탄성부재는 더 압축되거나 신장할 수 있게 된다.

즉, 제1링크암(1)과 제2링크암(2)이 가까이 이동할 때에 탄성부재(3)는 탄성 변형되며 에너지를 저장하였다가, 제2링크암에 대하여 제1링크암을 밀어내는 방향으로 저장된 에너지를 방출할 수 있게 된다.

도 3은 제1링크암과 제2링크암의 결합 관계가 도시되어 있다.

도면에서 체인링(6)과 체인(7)이 간략하게 도시되어 있다. 또한, 자전거의 전진 주행 방향이 블록화살표로 표시되어 있다. 이러한 자전거의 주행을 위하여 체인링과 탄성 크랭크암이 회전되어야 하는 방향이 실선 화살표로 표시되어 있다.

체인링(6)의 양측에는 각기 탄성 크랭크암(10)이 고정된다. 도면에서 전방의 탄성 크랭크암(10)이 실선으로 도시되고, 후방의 탄성 크랭크암(10)은 점선으로 도시되어 있다. 또한 도면 번호 C로 표시한 가상원은 체인링(6)의 회전에 따라 제1링크암(1) 끝단부의 원형 궤적이다.

제2링크암(2)은 자전거의 전진을 위한 체인링(6)의 정회전 시에 진행 방향을 바라보는 제1크랭크암(10)의 전면(12)과 반대되는 후면(13) 측에 연결된다. 즉, 제2링크암(2)은 제1링크암(1)의 회전이 형성하는 가상원(C)에 접하는 방향으로 제1링크암(1)에 연결되며, 특히 제1링크암(1)의 진행 방향에서 후측에 탄성있게 결합되는 것이다. 이로써 라이더가 페달을 밟아 지면으로 발을 구르는 구간에서 탄성부재가 탄성 변형되며 에너지를 축적할 수 있게 되는 것이다.

반면에, 도시하지 아니하였으나, 제2링크암은 제1링크암의 진행 방향에서 전방측에 탄성있게 결합될 수도 있다. 이 경우에 페달을 누르는 힘에 의하여 제2링크암은 제1링크암에 대하여 멀어지게 이동되며, 탄성부재는 늘어나면서 탄성 에너지를 저장하였다가 복원되며 체인링을 추가 회전시키게 된다. 즉, 도시된 바와 반대로 제2링크암이 구비되는 경우에는 탄성부재는 신장에 의해 에너지를 저장하고, 원래로 복원되면서 저장하였던 에너지를 체인링에 전달하는 것이다.

이하에서는 도 4를 참고하여 본 발명의 실시예의 작용을 설명한다.

도 4는 도 3에서와 같이 구성요소들을 간략화하여 도시하였다. 특히, 제2링크부재는 생략하였고, 탄성부재(3)를 도시하였다. 또한 블록화살표는 자전거의 전진 주행 방향을 가리키고, 실선화살표는 자전거의 전진 주행을 위하여 체인링이 회전되는 방향을 가르킨다. (a) 내지 (f)는 탄성 크랭크암의 각 회전 각도에 따라 탄성부재의 압축 정도를 나타내기 위하여 중복하여 도시한 것이다. 또한, 도면 번호 H는 수평면을 가르킨다.

도시된 탄성 크랭크암(10)의 회전은 (a)에서 (f)까지 순차적으로 이루어지고, 다시 (f)에서 (a)로 연속되게 이루어진다. 반면에 도시하지 아니한 타측의 탄성 크랭크암은 위치가 대항될뿐 순차적인 회전이 이루어지는 점에서 도시된 탄성 크랭크암의 회전과 동일하다.

(a)에서 페달(8)로 전달되는 라이더의 하중은 중력 방향으로, 제1링크암(1)과 평행하며, 탄성부재(3)의 신축 방향과는 수직이다. 이때, 탄성부재(3)의 신축의 거의 일어나지 아니한다.

(a)에서 (b)를 거쳐 (c)로 탄성 크랭크암의 위치가 이동되는 과정 중에 제1링크암(1)과 탄성부재(3)는 수평면에 대한 각도가 점차 작게 변경되면서, 페달(8)을 누르는 힘은 탄성부재(3)의 신축 방향으로 작용하여, 탄성부재(3)를 가압하여 수축 변형시키게 된다. 특히, (c)에서 탄성부재(3)의 신축 방향은 페달(8)을 누른 힘의 작용 방향과 일치하게 된다. 그에 따라 탄성부재(3)는 최대로 탄성변형되며 탄성 에너지를 크게 저장하게 된다.

이후 (c)에서 (d)로 탄성 크랭크암(10)이 회전되는 과정 중에서 라이더가 페달(8)을 누르는 힘에 의하여 탄성부재(3)는 바로 복원되지 못하고, 제1링크암(1)이 회전하게 된다.

(d)에서 (e)로 탄성 크랭크암이 회전되는 과정 중에서 제1링크암(1)은 수평면(H)과 거의 수직에 가깝게 각도 변경되고, 라이더가 페달(8)을 누르는 힘이 감소되면서 탄성부재(3)는 저장된 탄성 에너지에 의하여 복원 가능하게 된다.

전술된 너트의 위치에 따른 탄성부재의 탄력의 조절에 따라 달라질 수 있으나, (d) 내지 (f)의 구간에서 탄성부재(3)가 복원되며 제1링크암(1)을 정회전 방향으로 더 밀어낼 수 있게 된다.

종래의 기술에서 (d), (e), (f)로 이어지는 구간은 페달에 의하여 동력의 전달이 거의 이루어지지 못하는 부분이다. 즉, 도시 생략한 타측의 페달도 (a)의 주변에 위치되므로 페달을 가압하여 회전력을 얻기 어려운 부분이다.

그러나 본 발명은 탄성부재(3)에 저장된 탄성 에너지를 이용하여 (d), (e), (f)로 이어지는 구간 내에서 체인링(6)을 더 회전시킬 수 있게 된다.

이러한 탄성 에너지의 저장과 방출에 의한 체인링의 회전은 자전거를 전진시키는데 소요되는 힘을 적절히 분배하여 고른 추진력을 얻게 하는 것으로, 라이더의 체력 소모를 줄이며 페달링을 편리하게 돕는 것이다.

10 : 크랭크암
1 : 제1링크암 1a : 1부분 1b : 2부분
11 : 관통공 12 : 전면 13 : 후면
2 : 제2링크암 21 : 가이드홈 211 : 측벽 212 : 바닥판
22 : 통과홀 23 : 볼트헤드자리 24 : 나사홀
3 : 탄성부재 4 : 볼트 41 : 헤드부 42 : 몸체부
5 : 너트 6 : 체인 7 : 체인 8 : 페달 H : 수평면 C : 가상원

Claims (6)

1. 자전거의 체인링과 페달을 연결하는 것으로,
   상기 체인링의 회전 중심에 일단부가 결합되어 있는 제1링크암 그리고
   상기 제1링크암의 회전이 형성하는 가상원에 접하는 방향으로 상기 제1링크암에 탄성있게 연결되며, 상기 페달이 연결되어 있는 제2링크암을 포함하는 탄성 크랭크암.
2. 제1항에서,
   상기 자전거의 전진을 위한 체인링의 정회전 시에 진행 방향을 바라보는 제1크랭크암의 전면과 반대되는 후면에서 상기 제2링크암이 연결되어 있는 탄성 크랭크암.
3. 자전거의 체인링과 페달을 연결하는 것으로,
   상기 체인링의 회전 중심에 일단부가 결합되어 있는 제1링크암,
   상기 제1링크암의 회전이 형성하는 가상원에 접하는 방향에 따라 상기 제1링크암의 타단부에 슬라이딩 가능하게 결합되어 있으며, 상기 페달이 연결되는 제2링크암 그리고
   상기 제1링크암과 상기 제2링크암 사이에 개재되어 있고, 상기 제2링크암의 슬라이딩 이동에 따라 탄성 변형되어 탄성 에너지를 축적하는 탄성부재를 포함하는 탄성 크랭크암.
4. 제3항에서,
   상기 제1링크암의 타단부에는 상기 가상원에 접하는 방향으로 관통공이 형성되어 있고,
   상기 제2링크암에는 상기 제1링크암의 타단부가 슬라이딩 가능하게 수용되는 가이드부가 형성되어 있으며,
   상기 제2링크암과 상기 관통공을 통과하며 끝단부가 나사 결합되고, 외주면에는 상기 탄성부재가 구비되며, 상기 나사를 조여 상기 탄성부재의 길이 조절이 가능한 볼트를 구비하는 탄성 크랭크암.
5. 제1항에서,
   상기 제1링크암 또는 제2링크암은
   금속 재질의 골조와, 상기 골조의 둘레를 감싸는 합성수지를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 탄성 크랭크암.
6. 제1항 또는 제5항 중 어느 한 항에 따른 탄성 크랭크암이 구비되어 있는 자전거.

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