KR20150081203A - 래칫링을 갖춘 페달의 회전 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 래칫링을 갖춘 페달의 회전 제어장치에 관한 것으로, 본 발명의 주요 구성은, 래칫홈(22)이 형성되는 자전거 페달축(21)과, 페달축(21)의 한 측부에 설치되는 래칫링(33)과, 래칫링(33)의 외면에 접하는 폴레버(44)를 갖는 래칫폴(41)과, 래칫폴(41)을 수용하여 커버하는 폴케이스(51)와, 폴케이스(51) 양 측단부에 설치되는 내,외측 플랜지(52,53)를 포함하여, 상기 래칫링(33)의 좌우 이동에 따라 래칫폴(41)이 상기 래칫홈(22)에 걸림과 해제의 작동이 이루어지게 구성한 것을 특징으로 하며, 상기 래칫링(33)은 전체적으로 링 형상으로 이루어지되, 상하로 돌출하는 코크(34)를 갖추고 있으며, 몸체 외주는 오목한 오목면(62)을 형성하는 것을 특징으로 하며, 상기 래칫링(33)의 외면에 접하는 폴레버(44)를 갖는 래칫폴(41)은, 단면이 캠 형상으로 이루어지며, 양단부에는 폴힌지(42)가 돌출되어 형성하고, 상기 내,외측폴플랜지(52,53)에는 상기 폴힌지(42)의 삽입을 위한 폴힌지삽입구(54)를 형성한 것을 특징으로 하며, 상기 내,외측폴플랜지(52,53)에는 링형상의 내경에 폴레버홈(55)을 형성하여 상기 래칫폴(41)의 폴레버(44)가 장착되게 구성한 것을 특징으로 하며, 상기 폴케이스(51)의 좌우 양단에는 턱부(61)를 주어, 상기 내,외측 폴플랜지(52,53)가 장착되게 구성한 것을 특징으로 한다.

Description

래칫링을 갖춘 페달의 회전 제어장치{Device to control the rotation of the pedal having latch ring}

본 발명은 자전거 페달의 축회전 제어장치에 관한 것으로, 페달축을 중심으로 회전하는 페달발판(pedal body)의 축회전을 주행자 임의로 한쪽 방향으로만 회전되도록 억제하여, 페달축으로 귀착되던 힘점을 실제로 힘이 가해지는 페달발판 앞쪽 끝으로 이동시킴으로써 사점을 해소시켜 파워-업을 시키다가, 축 회전의 억제가 불필요한 평지 주행 때나 장애물 등을 피하기 위한 역페달링이 필요할 때에, 한쪽방향으로만 돌게끔 제어된 축회전을 해제하여 안전모드(mode)로 주행할 수 있게 한 자전거 페달의 사점 해소를 위한 축회전 제어장치에 관한 것으로 특히, 페달에 래칫링을 장착한 구조의 페달의 회전제어장치이다.

페달에 가해지는 페달링 힘(踏力)의 힘점 이동은, 힘의 방향이 힘점과 힘의 작용점에 일직선상에 놓일 때 발생하는 사점(死點)을 즉각적으로 해소시켜 버림으로써, 직선운동에너지(페달링 힘)가 회전운동에너지(회전력)로 전환되지 않는 힘의 공백지대인 사점에서도 페달링 힘이 회전력으로 바뀌게 한 것이다.

이로써 종래의 페달을 장착한 자전거가 오르막길을 주행하다가 페달링 힘이 무용지물이 되는 사점에 걸려 회전력을 잃고 멈춰버리는 구조적인 문제를 근본적으로 해결하여 오르막길에서 회전력이 증가(파워-업) 되도록 하였다.

그러나 파워-업을 위한 축회전의 제어는 자전거 크랭크를 거꾸로 회전시키는 역페달링을 방해하여 불편과 위험을 초래하게 되는 바, 이런 안전 저해요인을 해결하기 위하여 축회전 제어장치를 개발하여 어떤 상황에서도 즉각적으로 페달 축회전을 억제 해제를 반복할 수 있게 함으로써, 파워-업 성능을 가지면서도 종래의 일반페달처럼 편리하고 안전한 양방향 축회전 모드로 주행할 수 있게 하였다.

[문헌 1] 특허출원 10-2010-0030767 호 : 사점 해소를 위한 페달의 회전 제어시스템.

[문헌 2] 특허출원번호 10-2006-0018023 호 : 자전거용 회전력 증대 페달.

[문헌 3] PCT/NO 1992/000130(19920814) Bicycle Pedal.

[문헌 4] US 특허공개번호 000004398434(1983. 08. 16) Force- saving high speed pedal.

[문헌 5] US 특허공개번호 000004815333(1989. 03. 28) Integrated bicycle pedal with self centering and lateral release capabilities.

[문헌 6] US 특허공개번호 000004922786(1990. 05. 08) Device for preventing the rotation of a bicycle pedal relative to its pin.

[문헌 7] US 특허공개번호 000004898048 (1990.02.06) Self contained braking system for bicycle pedals.

[문헌 8] US 공개번호 000006050154(2000.04.18) bicycle pedal

[문헌 9] US 공개번호 000004625580(1986.12.02) Bicycle pedal mechanism.

[문헌 10] US 공개번호 000004103563(1978.08.01) Method and structure for orienting a bicycle pedal.

[문헌 11] 특허등록 10-0164274 조상현(한국) 자전거의 크랭크로드.

[문헌 12] 공개특허 10-2007-0087986 박동관(한국) 자전거용 회전력 증대 페달.

[문헌13] 특허등록 10-1289817 호(등록일 2013. 7. 13) 페달의 회전제어장치

자전거는, '사람이 타고 앉아 두 다리의 힘으로 바퀴를 돌려서 가게 된 탈것. 안장에 올라앉아 두 손으로 핸들을 잡고 두 발로 페달을 교대로 밟아 체인으로 바퀴를 돌리게 되어 있다.'라고 정의되어 있다.

상기 동력 전달과정을 좀 더 구체적으로 설명하자면, 자전거는 사람이 두발을 교차하여 좌우 양쪽 페달을 교대로 밟아 크랭크를 축 회전시키고 이렇게 전환된 회전운동에너지가 체인을 통해 뒷바퀴를 돌려 앞으로 나가게 만든 기계로써, 크랭크 장치를 통해서만이 직선운동에너지(페달링 힘)가 원운동에너지(회전력)로 바뀌어 지는데 이 크랭크 장치는 불가피하게도 사점이라는 힘의 공백지대가 발생하게 되어있어 회전력을 얻지 못하는 등 여러 가지 문제를 야기시킨다.

그럼에도 불구하고 우리가 사점 문제를 간과하고 있었던 것은, 평지를 달리고 있는 자전거의 경우 가속도에 의해 생성된 관성(관성에너지)이 주행자가 사점을 의식할 겨를도 없이 사점 구간을 넘겨주기에 사점에 대해 별로 문제를 갖지 않고 있었다.

그러나 연이은 오르막길이나 맞바람주행(정면으로 불어오는 맞바람을 맞으며 달림) 등과 같이 가속도의 소멸로 관성이 없는 상황이 되면, 오로지 사람의 다리 힘만으로 페달을 밟아 크랭크를 돌려야 하는데, 이때 페달이 사점구간에 걸리게 되면 페달에 아무리 힘을 가해도 페달에 가해진 힘이 회전력으로 전환되질 못하므로 더 이상 전진하지 못하고 넘어져 버리는 것이다. 이는 오르막길을 올라가던 자전거가 회전력이 부족하여 더 이상 전진하지 못하고 멈추는 순간의 페달 위치가 상사점과 하사점에 위치하고 있음이 이를 실증하고 있다.

특히 오르막길을 주행하기 위해서는 주행자의 체중과 자전거 자체의 무게를 합친 큰 중량을 경사로를 거슬러 밀어 올릴 수 있는 최소한의 임계토크(criticality torque) 이상의 회전력이 필요한데, 이때 페달이 사점구간에 걸리면 오르막길을 계속 주행할 수 있는 최소한의 회전력조차도 얻을 수 없기에 오르막길 주행이 힘들고 어려우며, 이 때문에 많은 사람들이 자전거타기를 꺼리는 주요 원인이 되고 있다.

설상가상으로 이런 문제를 가진 사점이 크랭크 1회전마다 4번(좌우 각각 상사점, 하사점)씩 반복적으로 발생하기에, 그때마다 경사로를 거슬러 오를 수 있는 임계토크 이상의 힘을 계속적으로 출력시킨다는 것은 참으로 힘든 것이다.

이를 극복하기 위해 여러 가지 대안들이 시도되어 왔으며, 가장 널리 쓰이는 방법으로는 변속기어장치(기어비;gear ratio를 조절하여 지렛대가 길어지거나 짧아지게 하는 원리를 응용한 변속장치)가 있으며, 등판주행이나 고속주행 등에 이를 활용하고 있으나 사점을 해소하지는 못하고 있다.

사점은 직선운동을 회전운동으로 전환하는 과정에서 힘의 방향이 힘점과 작용점을 잇는 힘선과 동일 방향일 때 발생하는 것으로써 힘의 크기를 늘리거나 지렛대의 길이를 크게 하는 방법으로 해결할 수 있는 것이 아니다.

직선 왕복운동(양 다리로 페달을 번갈아 밟는 페달링 힘)을 원회전운동(크랭크축회전)으로 바꾸는 과정에서 불가결하게 생기는 사점을 해소하기 위해서는 사점이 발생하는 근본적인 원인을 해결하여야 만이 가능하며, 본 발명은 사점에 걸려있는 페달의 축회전을 억제하여 사점에 갇혀있는 힘점을 사점지대 밖으로 이동시킴으로써 사점을 해소하였다.

사이클 선수와 같이 고도의 훈련을 거친 마니아들은 사점을 극복하기 위해, 사점구간에서의 페달링을 위에서 아래로 밟는 다운스트로크(down stroke) 대신에 앵클링(ankling; 원회전 페달링)을 함으로써 힘의 방향이 크랭크암과 일정각을 유지되게 하는 방식으로 사점을 해소하여 힘의 효율성을 높이고 있으나, 이러한 고난도의 앵클링 기술을 습득하지 못한 일반인들은 따라할 수가 없다.

뿐만 아니라 앵클링 동작 자체가 페달을 앞뒤로 밀고 당기는 것이기에 종종 페달발판에서 발이 미끄러져 정강이를 다치거나 실족하여 넘어지는 등의 안전사고를 초래하고 있어, 이를 방지하고자 토클립을 사용하여 페달에 신발을 묶거나 페달과 신발을 결합시킨 클립페달을 개발하여 사용하고 있으나, 이 또한 양발을 페달에 붙들어 매는 것이어서 주행 중 돌발적인 상황에서 반사적으로 땅을 디뎌야 할 긴박한 찰나에 즉각적으로 발을 빼지 못해 넘어지고 다치는 등의 또 다른 문제를 유발하고 있고, 클립페달과 전용신발을 구비해야 하는 등의 경제적인 부담을 가중시킨다.

이러한 사점 문제를 해결하기 위하여 양방향으로 자유롭게 축회전하는 페달을 한쪽방향으로만 축회전이 되도록 고정한 선행기술이 있었으나, 이는 주행 중 순간적으로 맞닥뜨리는 노상(路上) 장애물을 피하거나, 인코너링을 하기 위한 역페달링을 방해하여 안전사고를 유발하고 있으며, 정지된 자전거를 출발하기 위해 크랭크 암의 회전각을 최유효각으로 벼르기 위해서나, 축회전의 제어가 주행에 방해가 되는 경우에도 축회전이 한쪽으로 고정되어 있기에 불편하고 사용이 부담스러운 위험한 페달이 되고 말았다.

문헌13은 상기 종래 장치의 문제점을 해결하도록 본 출원인에 의한 발명으로, 본 발명과 가장 근접한 발명이다.

문헌 13의 작동과 구성은, 아래와 같다.

즉, 도 7 의 페달의 요부 단면도에 도시된 바와 같이, 페달축(121)이 관통하고 있는 페달발판(111) 중앙부의 양 옆에 래칫멈치(131)와 멈치받침대(141)를 설비하여 페달축(121)에 형성된 래칫기어부(122)에 멈치날(133)이 교합이 될 수 있도록 하였으며, 평상시 일반주행 때와 파워-업 주행 중 역페달링이 필요한 상황일 경우에, 래칫멈치(131)가 래칫기어부(122)와 교합되지 않도록 래칫제어부싱(151)을 그 사이에 설비하여 종래의 일반 페달처럼 안전하고 편리하게 사용토록 하였다.

좀더 상세히 설명하면, 도 7 은 래칫장치가 제어되어 있는 상태로, 부싱돌리기(151)의 멈치삽입구(131) 부분이 래칫멈치((131)에 개방되어 래칫멈치(31)가 돌출하여 래칫기어부(122)에 걸린 상태이다. 그러면 페달축(121)의 축회전이 한쪽 방향으로만 돌게 된다. 즉, 페달발판(111) 외부로 돌출되어 있는 부싱돌리개(152)를 후방으로 밀어 래칫기어부(122)와 래칫멈치(131)가 상호 교합되게 한 도면이다. 미설명부호 134는 스프링이고 135는 스프링고정볼트이다. 따라서 이 스프링에 의해 멈치날(133)은 항상 스프링의 힘을 받는다.

그리고 도시한 바와 같이, 도 7 의 상태에서 부싱돌리개(152)를 우측으로 밀면 부싱돌리개(152)와 일체로 이루어지는 리챗제어부싱(151)이 우측으로 회전하게 되어, 멈치삽입구(153)가 우회전하여 래칫멈치(131)와의 소통을 폐쇄하여 페달축(21)의 회전이 정역 양 방향 자유롭게 된다.

그러나 상기 문헌 13은 실제 제작 사용상 여러 문제점이 발견되었다.

본 발명은 앞선 본 출원인에 의하여 등록된 특허등록 제 10-1289817 호의 페달의 회전제어장치에 대한 개선으로, 앞선 선 등록은 페달축에 걸려있는 힘점을 페달 발판 앞쪽 끝으로 옮기기 위한 래칫 제어장치의 조작 방향이 통상적인 인지방향과 정반대로 뒤로 당겨야하는 부연스러움이 발생하고, 부싱의 가공이 어렵고 부품수가 많고 작동상 정확성이 떨어지고 생산비가 고가인 점을 감안하여 본 발명에서는 래칫폴에 의한 직접 제어방식으로 구조 개선한 것이다.

본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여, 래칫홈(22)이 형성되는 자전거 페달축(21)과, 페달축(21)의 한 측부에 설치되는 래칫링(33)과, 래칫링(33)의 외면에 접하는 폴레버(44)를 갖는 래칫폴(41)과, 래칫폴(41)을 수용하여 커버하는 폴케이스(51)와, 폴케이스(51) 양 측단부에 설치되는 내,외측 플랜지(52,53)를 포함하여, 상기 래칫링(33)의 좌우 이동에 따라 래칫폴(41)이 상기 래칫홈(22)에 걸림과 해제의 작동이 이루어지게 구성한 것을 특징으로 하며, 상기 래칫링(33)은 전체적으로 링 형상으로 이루어지되, 상하로 돌출하는 코크(34)를 갖추고 있으며, 몸체 외주는 오목한 오목면(62)을 형성하는 것을 특징으로 하며, 상기 래칫링(33)의 외면에 접하는 폴레버(44)를 갖는 래칫폴(41)은, 단면이 캠 형상으로 이루어지며, 양단부에는 폴힌지(42)가 돌출되어 형성하고, 상기 내,외측폴플랜지(52,53)에는 상기 폴힌지(42)의 삽입을 위한 폴힌지삽입구(54)를 형성한 것을 특징으로 하며, 상기 내,외측폴플랜지(52,53)에는 링형상의 내경에 폴레버홈(55)을 형성하여 상기 래칫폴(41)의 폴레버(44)가 장착되게 구성한 것을 특징으로 하며, 상기 폴케이스(51)의 좌우 양단에는 턱부(61)를 주어, 상기 내,외측 폴플랜지(52,53)가 장착되게 구성한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 종래 문헌13에 비해 부품제작이 간편하고, 부품수가 적고, 작동이 정확하여 더욱 안정성이 보장되며 생산비 단가가 저렴해지는 장점이 있다.

도 1 은 본 발명이 적용되는 페달의 요부 구성도
도 2 는 폴 고정틀을 예시하는 요부 사시도
도 3 은 래칫 장착 상태도
도 4 는 래칫폴과 래칫링(33)의 작동관계를 설명하기 위한 사시도
도 5 및 도 6 은 페달에서의 래칫 작동도
도 7 은 종래의 장치에 대한 작동도

이하, 본 발명을 첨부 도면에 의거 추가로 상술한다.

도 1에서 보듯이, 페달의 바디는 테두리를 이루는 페달 프레임(12)과, 페달프레임(12) 중간에 가로질러 형성되는 페달축(21)과, 페달축(21) 좌우에 형성되는 안쪽베어링(31)과 바깥쪽베어링(32) 등으로 이루어진다. 도 1 의 우측 단부는 자전거의 몸체 측에 체결되는 크랭크암 체결부(24)이다.

도 2 는 폴고정틀 부품을 나타낸다.

도시한 바와 같이, 폴 고정틀부(50)는, 내측 및 외측 폴플랜지( 52. 53)가 폴 케이스(51) 전후방에 조립되어져, 래칫 폴(41)을 고정시킨다.

도면에서 래칫폴(41)은 1 개 도시하였으나그 상부에도 동일하게 대칭으로 설치된다.

폴케이스(51) 좌우 양단에는 턱부(61)를 주어서 내측 및 외측 폴 플랜지(52. 53)의 외주 일부를 감싸 내,외측 폴플랜지(52,53)가 안정적으로 설치되게 한다. 그리하여 폴 케이스(51)가 반복되는 래칫폴(41)의 선회에 흔들리지 않도록 한다. 이의 작동에 대한 상세한 설명은 후술한다.

내,외측폴플랜지(52,53)에는 폴힌지삽입구(54)가 형성되고 내경에는 폴레버홈(55)이 형성되어, 래칫폴(41)의 폴레버(44)는 폴레버홈(55)에 끼워지고, 폴힌지(42)는 폴힌지삽입구(54)에 끼워져 장착된다.

이의 장착 상태를 도 3 에 나타내었다.

래칫폴(41)은 그 단면 형상이 캠 형상으로 이루어지되, 한쪽 끝이 뾰죽하게 이루어진다. 이 부분을 폴나이프(43)라고 명칭하였다.

한편 도 1에서 페당축(21)의 한 측부에는, 도 1 의 도면에서는 우측에는, 래칫링(33)이 설치된다. 래칫링(33)은 도 4에서 보듯이, 상하에 돌출된 구조의 코크(4)가 형성되고, 몸체 외주는 원형에서 오목하게 깍여 들어간 구조의 오목면(62)을 형성한다. 오목면(62) 상부에는 외측에 걸림턱(64)을 형성하여 래칙폴(41)의 폴레버(44)가 이 걸림턱(64)에 들어가 걸리게 한다.

래칫링(33)은 도 1에서 보듯이, 페달축(21)의 한 측부 외주에 설치되며, 이 래칫링(33)에는 먼저 언급한 바와 같이 래칫폴(41)의 폴레버(44)가 래칫링(33)의 걸림턱(64)에 걸려져 설치되고, 래칫폴(41)은 또한 도 3에서 보듯이, 폴고정틀부(50)에 장착된다. 이러한 조립 상태의 작동을 나타낸 단면도가 도 5 이다.

그러면 이들 조립상태의 작동 관계를 도 5를 참고로 설명한다.

도 5에서 보듯이, 래칫링(33)의 코크(34)를 좌측으로 밀면 래칫폴(41)이 래칫링(33)의 걸림턱(64)에서 걸려 있던 상태에서 빠져오게 되어 오목면(62)을 타고 접하게 된다. 폴레버(41)측에는 폴레버(41)를 밀어주는 스프링(미도시 : 대응되는 도면으로 도 7에서 스프링(134)이나, 본 발명의 도면에서는 주요 구성의 작동 설명을 위해, 이에 대한 도면 도시는 생략하였다) 힘이 항상 작용하므로, 자연스럽게 오목면(62)을 타고 내려오게 된다.

그러면 래칫폴(41) 선단부의 폴나이프(43)가 도 1 에 도시한 래칫홈(22)에 걸려 래칫 작용이 이루어진다. 그러면 사점 해소로 파워 업 앵클링이 가능하다.

자전거의 페달이 수직으로 위치하는 위치에서는 페달에 힘을 가할 수 없는 상태가 되는 사점 위치에 대한 설명과 그에 의한 해소 방법에 대한 장치로 출원된 특허가 본 출원에 의한 특허 출원된 것으로 문헌1 및 문헌13인 바, 이와 관련된 구체적인 설명은 생략한다. 단 본 발명에서는 본 발명과 가장 근접한 기술인 문헌13의 개선 발명인 바, 개선된 본 발명의 구조에 대한 것을 주로 상세히 설명을 하며 이와 관련하여 페달링에 대한 전반적인 구체적인 상세한 작동 관계설명은 생략하여도 이해가 될 것이다.

도 6 은 도 5 의 반대 작동을 보여주는 도면이다.

도시한 바와 같이, 래칫링(33)의 코크(34)를 우측으로 밀면 래칫폴(41)이 래칫링(33)의 오목면(62) 위치에서 벗어나 외주를 타고 우측으로 밀리므로, 폴레버(44)가 페달축(21)의 래칫홈(22)에서 떨어져 나와 걸림 상태에서 벗어난다. 그러면 래칫 작동이 작용하지 않아 일반적인 페달처럼 안전하게 사용할 수 있다.

21 페달축 22 래칫홈
33 래칫링 34 코크
41 래칫폴 42 폴힌지
44 폴레버 48 폴나이프
50 폴고정틀부 51 폴케이스
52,53 내,외측폴플랜지 54 폴힌지삽입구
55 폴레버홈 61 턱부
62 오목면 64 걸림턱

Claims (5)

1. 래칫홈(22)이 형성되는 자전거 페달축(21)과,
   페달축(21)의 한 측부에 설치되는 래칫링(33)과,
   래칫링(33)의 외면에 접하는 폴레버(44)를 갖는 래칫폴(41)과,
   래칫폴(41)을 수용하여 커버하는 폴케이스(51)와,
   폴케이스(51) 양 측단부에 설치되는 내,외측 플랜지(52,53)를 포함하여,
   상기 래칫링(33)의 좌우 이동에 따라 래칫폴(41)이 상기 래칫홈(22)에 걸림과 해제의 작동이 이루어지게 구성한 것을 특징으로 하는 래칫링을 갖춘 자전거 페달의 회전 제어장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 래칫링(33)은 전체적으로 링 형상으로 이루어지되, 상하로 돌출하는 코크(34)를 갖추고 있으며, 몸체 외주는 오목한 오목면(62)을 형성하는 것을 특징으로 하는 래칫링을 갖춘 자전거 페달의 회전 제어장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 래칫링(33)의 외면에 접하는 폴레버(44)를 갖는 래칫폴(41)은,
   단면이 캠 형상으로 이루어지며, 양단부에는 폴힌지(42)가 돌출되어 형성하고,
   상기 내,외측폴플랜지(52,53)에는 상기 폴힌지(42)의 삽입을 위한 폴힌지삽입구(54)를 형성한 것을 특징으로 하는 래칫링을 갖춘 자전거 페달의 회전 제어장치.
4. 제 4 항에 있어서,
   상기 내,외측폴플랜지(52,53)에는 링형상의 내경에 폴레버홈(55)을 형성하여 상기 래칫폴(41)의 폴레버(44)가 장착되게 구성한 것을 특징으로 하는 래칫링을 갖춘 자전거 페달의 회전 제어장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 폴케이스(51)의 좌우 양단에는 턱부(61)를 주어, 상기 내,외측 폴플랜지(52,53)가 장착되게 구성한 것을 특징으로 하는 래칫링을 갖춘 페달의 회전 제어장치.

Images