KR20130071588A

KR20130071588A - 자전거 구동장치

Info

Publication number: KR20130071588A
Application number: KR1020110138883A
Authority: KR
Inventors: 양한석
Original assignee: 양한석
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2013-07-01

Abstract

본 발명은 자전거 패달링의 회전시 가속구간과 유도구간에서의 동력전달이 다르게 이루어지도록 한 자전거 구동장치에 관한 것으로, 체인링의 외주면에 형성된 톱니를 원형부분와 편심부분으로 분할하여 형성하면서 패달링 작동시에 체인링의 원형부분이 시작되는 지점이 체인링의 최상단에 위치할 때 크랭크와 패달의 장착각을 가속구간이 시작되는 지점으로 위치토록 하여 가속구간에서는 많은 수의 톱니가 체인에 맞물려 구동하도록 하면서 유도구간에서는 가속구간보다는 상대적으로 적은 수의 톱니가 체인에 맞물려 구동하도록 하여 패달링이 용이하면서도 상대적으로 적은 힘으로 구동거리를 늘릴 수 있도록 한 것이다.

Description

자전거 구동장치{the driving apparatus for bicycle}

본 발명은 자전거 구동장치에 관한 것으로, 자전거 패달링의 회전시 가속구간과 유도구간에서의 동력전달이 다르게 이루어지도록 하여 힘을 효율적으로 사용하면서 자전거의 구동이 이루어지도록 한 것이다.

일반적으로 자전거는 패달이 장착된 크랭크축의 가동에 의해 회전되는 전방의 체인링과 그 체인링과 체인으로 연결되는 스프라켓이 후륜에 장착되어 체인링이 회전함에 따라 후륜에 동력을 발생시켜 자전거의 주행이 이루어지는 것으로, 이러한 체인링과 스프라켓의 직경 차이에 따라 기어비율(기어사이의 비율, 페달링을 한바퀴 했을때 뒷바퀴가 굴러가는 바퀴수)이 결정되는 것이다.

즉, 체인링과 스프라켓은 모두 체인으로 연결되어 있기 때문에 체인에 의하여 두 개가 서로 맞물리기 위해서는 체인링에 형성된 톱니와 스프라켓에 형성된 톱니가 같은 크기로 형성되어야 하며 그 톱니의 간격 또한 동일하게 이루어져야 하는 것이고, 이때 전방의 체인링의 T수(톱니 갯수)가 적을 경우 적은 힘으로 바퀴를 구동시킬 수 있는 반면에 구동거리가 짧아지고, 반대로 체인링의 T수(톱니 갯수)가 많을 경우 많은 힘으로 바퀴를 구동시켜야 하는 반면에 구동거리가 늘어나게 되는 것이다.

따라서 체인링은 다리의 회전(패달링)과 동일하게 회전하고, 그 힘은 체인을 통해 스프라켓으로 전달되며, 스프라켓의 회전수는 뒤바퀴의 회전수와 동일하게 회전되면서 자전거가 구동되므로 험한 언덕길을 주로 주행하는 산악용 자전거의 경우에는 체인링의 T수가 적은 편이며, 로드용은 도로에서 빠른 주행을 위해 T수가 많은 편이다.

그리고 이러한 자전거의 주행능력을 결정하는 중요한 요소 중의 또 하나가 체인 텐션(체인에 가해지는 힘)으로, 체인과 톱니가 맞닿아 있는 부분이 적게 되면 체인과 톱니 사이에 더 큰 힘이 주어지게 되고, 체인과 톱니가 맞닿는 부분이 넓다면 체인에 더 적은 힘이 가해지게 되는데, 이때 체인에 가해지는 힘을 '체인 텐션'이라고 하는 것이다.

이러한 체인 텐션이 적을수록 체인링에서 구동된 힘을 스프라켓으로 온전히 전달된다는 의미이고, 이때 체인과 기어 톱니가 만나는 갯수가 많을 수록 체인 텐션은 줄어들게 되는 것이다.

또한, 체인 텐션이 적다는 의미는 체인과 기어 톱니에 마찰력이 적어진다는 의미이기도 하며, 그로 인해 발생되는 열도 줄어들고 체인이 톱니에서 미끄러지는 작은 움직임도 줄어들게 되어 구동력의 전달을 효율적으로 할 수 있고, 또한 체인과 기어 톱니의 수명도 체인 텐션에 영향을 받으므로 체인 텐션이 적을수록 내구성이 높아지게 되는 것이다.

따라서 이러한 것을 종합해 볼 때 자전거의 주행속도를 높이기 위해서는 체인링의 크기를 크게 형성하여 체인링이 한 바퀴 회전할 때 스프라켓이 많은 회전을 하도록 함으로써 구동거리를 늘릴 수 있도록 하여야 하는 것이고, 또한 체인링과 체인의 맞닿는 면적을 늘려 체인 텐션을 줄이도록 하는 것이 바람직하지만, 체인링이 커질 경우 패달링을 할 때 상대적으로 많은 힘을 필요로 하게 되는 문제가 있는 것이고, 또한 체인 텐션에 의해 발생되는 손실보다 큰 체인링의 사용에 따른 무게 증가, 그리고 지오메트리(자전거 설계에 있어서 프레임의 각도 및 기울기, 지면으로부터의 높이, 체인의 장착거리 등을 모두 포함한 자전거 전체의 형태조합)의 변화가 자전거의 설계 및 안전에 있어서 더 큰 문제를 발생시키게 되는 것이다.

따라서 본 발명은 자전거의 주행을 위한 패달링이 용이하도록 하면서 상대적으로 적은 힘을 사용함에도 불구하고 구동거리가 늘어나도록 하여 주행능력을 향상시키면서도 자전거 운행자의 피로도를 줄일 수 있도록 한 것이다.

또한, 체인링과 스프라켓을 연결하는 체인의 텐션을 줄여 체인링에서 발생된 동력이 스프라켓으로 전달될 때 동력의 손실을 줄여 동력전달 효율을 높일 수 있도록 한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 자전거의 패달링시 구동력이 발생하는 체인링의 형태를 톱니가 형성된 외주면 부분을 원형부분와 편심부분으로 분할하여 형성하고, 체인링의 원형부분이 시작되는 지점이 최상단에 위치할 때 크랭크와 패달의 장착각을 가속구간이 시작되는 지점으로 위치토록 함으로써 패달링이 용이하면서도 상대적으로 적은 힘으로 구동거리를 늘려 주행능력을 높일 수 있도록 한 것이다.

따라서 주행자가 패달링을 하여 체인링이 회전될 때, 주행자의 체중이 실리는 가속구간에서 직경이 상대적으로 큰 원형부분의 기어가 체인을 구동시키도록 되고, 주행자의 힘이 상대적으로 덜 들어가는 후속구간에서는 직경이 상대적으로 작은 편심부분의 기어가 체인을 구동시키도록 되어 주행자가 상대적으로 쉽게 패달링을 할 수 있게 되어 구동거리를 늘리면서도 체력을 안배하면서 자전거를 주행할 수 있는 것이다.

또한, 가속구간에서 체인링의 원형부분이 최상단에 위치하므로 체인과 체인링의 톱니가 맞닿는 면적을 늘려 체인 텐션을 줄일 수 있게 되며, 이에 따라 주행자가 패달링을 하여 동력이 전달될 때 손실되는 힘이 거의 없어 체력의 소모를 줄일 수 있으면서도 체인과 기어 톱니의 마모를 줄여 내구성을 향상시키고, 따라서 안정적이면서도 효율적인 자전거 주행이 가능하게 되는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예를 나타낸 자전거 구동장치의 측면도
도 2는 본 발명의 체인링의 편심된 구조를 나타낸 측면도
도 3은 본 발명의 체인링이 장착된 상태의 패달링 구조를 나타낸 개략도
도 4는 본 발명의 가속구간에서의 패달링 작동구조를 나타낸 순서도
도 5는 본 발명의 유도구간에서의 패달링 작동구조를 나타낸 순서도

이하 첨부도면에 의거 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명은 체인링(10)과 스프라켓(20)을 체인(30)으로 연결하고, 그 체인링(10)에는 크랭크(40)와 패달(50)을 장착하여 패달을 돌려 회전시키는 패달링에 의하여 후륜(100)으로 구동력을 전달하여 자전거 주행이 가능케 한 것으로, 상기 체인링(10)은 외주면을 따라서 돌출형성되는 다수의 톱니(11)를 편심되게 형성하여 패달링시 패달(50)의 위치에 따라서 체인(30)에 맞물리는 톱니(11)의 수가 가변되도록 함으로써 힘이 많이 들어가는 가속구간(α)에서는 체인링(10)의 T수를 늘리고, 힘이 상대적으로 적게 들어가는 유도구간(β)에서는 체인링(10)의 T수를 줄여 힘을 효율적으로 활용할 수 있도록 한 것이다.

즉, 도 2와 같이 체인링(10)의 외주면을 따라서 돌출형성되는 다수의 톱니(11)가 원주(Φ)를 따라 원형으로 배열되는 원형부분(10a)과 원주보다 상대적으로 내입된 형태로 배열되는 편심부분(10b)으로 분할하여 패달링의 가속구간(α)과 유도구간(β)에서 체인(30)에 물리는 기어의 톱니수(T)가 가변되도록 한 것이다.

이때, 상기 체인링(10)은 원형부분(10a)과 편심부분(10b)이 복수로 이루어지도록 하면서 서로 반복되게 형성되어 좌,우측의 패달(50a,50b)의 패달링에 의하여 원형부분(10a)과 편심부분(10b)이 반복적으로 체인(30)을 견인토록 함이 바람직한 것으로, 이때 패달(50)이 패달링의 가속구간(α)으로 진입할 때 원형부분(10a)이 시작되는 부분의 톱니가 체인(30)과 만나게 되는 교차점, 즉 준비선(s)에 위치토록 되면서 패달링의 회전에 의하여 체인(30)을 견인하게 되는 것이다.

또한, 상기 체인링(10)은 도 2와 같이 외주면에 형성된 톱니(11)가 네 구간으로 분할되어 원형부분(10a)과 편심부분(10b)이 각각 두 구간으로 나뉘어져 원형부분(10a)과 편심부분(10b)이 서로 반복되게 형성되면서 대칭되게 형성되도록 하면 패달링에 의하여 체인링(10)이 회전할 때 원형부분(10a)과 편심부분(10b)이 번갈아가면서 체인(30)을 견인할 수 있게 되는 것이다.

이때, 상기 원형부분(10a)과 편심부분(10b)이 네 구간으로 분할되는 각이 체인링(10)의 중심축을 기준으로 각각 90±10°로 분할되도록 함으로써 가속구간(α)과 유도구간(β)이 거의 등간격으로 이루어지면서 힘의 분산이 효율적으로 이루어지도록 함이 바람직한 것이다.

즉, 편심부분(10b)이 형성되는 부분을 중심축을 기준으로 80°이하의 예각의 형태로 형성하거나, 또는 100°이상의 둔각의 형태로 형성할 수 있으나, 편심부분을 80°이하의 예각으로 형성하면 패달링에 들어가는 힘이 증가하게 되고, 편심부분을 100°이상의 둔각으로 형성하면 기어의 톱니수가 지나치게 줄어들어 구동거리가 줄어들게 되므로 각각의 구획범위를 90±10°범위 내에서 분할함이 바람직한 것이다.

이때, 상기 크랭크(40)는 체인링(10)의 외주면에서 편심부분(10b)이 형성된 방향으로 장착하여 패달(50)이 가속구간(α)의 시작점에 위치할 때 원형부분(10a)의 시작점이 체인링(10)과 체인(30)이 만나게 되는 준비선(s)에 위치토록 되어 가속구간(α)에서 원형부분(10a)이 체인(30)을 견인하게 되도록 하여야 하는 것이다.

이러한 체링링(10)과 크랭크(40) 및 패달(50)의 장착구조와 작동구조를 도면을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 가속구간(α)에서의 패달링 회전구조를 나타낸 것으로, (a)와 같이 우측 패달(50a)이 가속구간이 시작되는 지점에 위치할 때 체인링(10)의 원형부분(10a)이 시작되는 부분이 체인링의 최상단, 즉 준비선(s)에 위치토록 되어 체인(30)과 맞물리게 되는 것이고, 이 상태에서 우측 패달(50a)을 굴리게 되면 (b)와 같이 패달(50a)이 하측으로 하중을 받아 회전하면서 체인링(10)이 체인을 물고 견인토록 되며, (c)와 같이 우측 패달(50a)이 가속구간(α)이 끝나는 지점에 위치하게 될 때 체인링(10)의 편심부분(10b)이 체인링의 최상단, 준비선(s)에 위치되어 체인을 견인하게 되는 것이다.

따라서 패달링시에 가장 힘을 많이 받는 부분인 가속구간에서 원형부분(a)이 체인(30)과 맞물리므로 맞물리는 톱니(11)수가 늘어나게 되어 구동거리를 증가시킬 수 있게 되는 것이다.

반면, 도 5는 유도구간(β)에서의 패달링 회전구조를 나타낸 것으로, (a)와 같이 우측 패달(50a)이 유도구간이 시작되는 지점에 위치할 때 체인링(10)의 편심부분(10b)이 시작되는 부분이 체인링의 최상단, 즉 준비선(s)에 위치토록 되어 체인(30)과 맞물리게 되는 것이고, 이 상태에서 우측 패달(50a)을 굴리면 (b)와 같이 패달(50a)이 후방으로 회전하면서 체인링(10)이 체인을 물고 견인토록 되며, (c)와 같이 우측 패달(50a)이 유도구간(β)이 끝나는 지점에 위치하게 될 때, 체인링(10)의 원형부분(10a)이 체인링의 최상단, 준비선(s)에 위치되어 체인을 견인하게 되는 것이다.

그 후, 다시 좌측 패달(50b)에 의하여 구동력이 발생함에 따라 상술한 순서대로 가속구간(α) 및 유도구간(β)을 다시 반복하여 회전하게 되는 것으로, 이러한 구동이 반복적으로 이루어짐으로써 자전거의 구동장치의 작동구조가 체인링(10)이 편심된 형태에 의하여 동일한 기어비일 경우와 비교하여 가속구간(α)에서 원형부분이 체인에 걸려 구동되면서 패달링이 상대적으로 용이토록 되며, 적은 힘으로 구동거리를 늘려 주행능력을 높일 수 있도록 되는 것이다.

또한, 상대적으로 힘이 덜 들어가는 유도구간(β)에서는 체인에 맞물려 있는 톱니수가 적으므로 체인링(10)을 빠르게 회전시킬 수 있게 되는 것이고, 이에 따라 힘을 적절히 분산하여 사용하면서도 동일한 속도의 패달링에 비하여 구동거리를 늘려 주행효율을 높이고 주행자의 체력을 안배할 수 있게 되는 것이다.

10: 체인링 10a: 원형부분
10b: 편심부분 11: 톱니
20: 스프라켓
30: 체인
40: 크랭크
50: 패달

Claims

체인링(10)과 스프라켓(20)이 체인(30)으로 연결되고, 체인링(10)은 크랭크(40)와 패달(50)에 연결되어 패달링에 의하여 자전거에 구동력이 발생되는 자전거 주행장치에 있어서,
상기 체인링(10)은 외주면을 따라서 돌출형성되는 다수의 톱니(11)가 원주(Φ)를 따라 원형으로 배열되는 원형부분(10a)과 원주보다 상대적으로 내입된 형태로 배열되는 편심부분(10b)으로 분할되어 패달링의 가속구간(α)과 유도구간(β)에서 체인(30)에 물리는 기어의 톱니수(T)가 가변되는 것을 특징으로 하는 자전거 주행장치.
제 1항에 있어서, 상기 체인링(10)은 원형부분(10a)과 편심부분(10b)이 복수로 이루어지면서 서로 반복되게 형성되어 좌,우측의 패달의 패달링에 의하여 원형부분(10a)과 편심부분(10b)이 반복적으로 체인(30)을 견인토록 됨을 특징으로 하는 자전거 주행장치.
제 2항에 있어서, 상기 체인링(10)은 외주면에 형성된 톱니(11)가 네 구간으로 분할되어 원형부분(10a)과 편심부분(10b)이 각각 두 구간으로 나뉘어져 원형부분(10a)과 편심부분(10b)이 서로 반복되게 형성되면서 대칭되게 형성되어 패달링에 의하여 체인링(10)이 회전할 때 원형부분(10a)과 편심부분(10b)이 번갈아가면서 체인(30)을 견인토록 됨을 특징으로 하는 자전거 주행장치.
제3항에 있어서, 상기 체인링(10)은 네 구간으로 분할되는 각이 체인링(10)의 중심축을 기준으로 각각 90±10°로 분할된 것을 특징으로 하는 자전거 주행장치.
제 1항에 있어서, 상기 크랭크(40)는 체인링(10)의 외주면에서 편심부분(10b)이 형성된 방향으로 장착되어 패달(50)이 가속구간(α)의 시작점에 위치할 때 원형부분(10a)의 시작점이 체인링(10)과 체인(30)이 만나게 되는 준비선(s)에 위치토록 되어 가속구간(α)에서 원형부분(10a)이 체인(30)을 견인하게 되는 것을 특징으로 하는 자전거 주행장치.