KR20160148871A - 일방향 클러치 제동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 일방향으로만 회전되게 하여 동력 전달을 극대화하며, 반대쪽으로는 회전이 되지 않아 페달이 전방으로 꺾이지 않음을 활용하여 클릿 페달의 바인딩 장치 같은 위험요소 없이도 앵클링이 가능한 안전하고도 편리한 페달을 개발하는 것이다.
이를 위하여 일방향 클러치 장치를 페달에 적용하는데 장애가 되는 역페달링 불가 또는 위험해지는 문제를 본 발명 장치로 해결하여, 사점 해소 및 회전력 증가와 바인딩 없는 앵클링 페달을 발명하였다.
이는 곧 클릿 페달 사용이 위험스러운 험로 주행이나 클릿 페달의 착탈이 번거롭고 불편한 시내주행에서 본 발명 장치를 적용한 개량 페달을 클릿 페달 대용으로 사용할 수 있게 하여, 편리성과 안전성을 다 갖춘 새로운 페달을 개발하였다.

Description

일방향 클러치 제동장치 {The one-way clutch control device}

본 발명은 한쪽 방향으로만 동력을 전달하는 종래의 일방향 클러치 장치에 일방향 클러치의 작동을 조정하는 제어장치를 설비하여, 부하가 걸려있는 상태에서도 동력전달을 손쉽게 차단할 수 있게 하였다. 그 결과 주동축으로부터 동력이 입력되고 있는 중에도 종동축이 무부하 상태가 되게 하여, 종동축이 양방향으로 자유롭게 회전(free wheeling) 될 수 있게 한 것이다.

본 발명 장치를 갖춘 일방향 클러치를 자전거 페달에 설비하여, 평상시에는 일방향 클러치가 작동되지 않도록 제어하여 종래의 페달처럼 발판(pedal body)이 양방향으로 자유롭게 축회전하도록 하였고, 앵클링(ankling : 페달을 위에서 아래로 내리밟는 대신에 페달을 크랭크축을 중심으로 축회전시키는 페달링 방법)을 할 때에는 일방향 클러치를 작동시켜 발판이 앞쪽으로 꺾이지 않게 하여 클릿 페달(cleat pedal: 클릿 슈즈의 바닥에 부착된 클리트를 잡아주는 바인딩 장치가 설비된 페달)과 클릿 슈즈(신발 바닥에 클릿 페달의 바인딩 장치와 대향하는 클리트가 부착된 신발)의 바인딩 장치 없이도 신발이 페달에서 잘 미끄러지지 않도록 하였다.

또한 페달이 사점(dead spot: 직선운동에너지; force가 회전운동에너지; torque로 전환되지 못하고 힘이 사멸되어버리는 지점을 말하며, 힘의 방향이 힘점 및 작용점과 일치될 때 발생한다)에 있을 때에는 제동시켰던 일방향 클러치를 다시 작동시켜서 사라져가는 힘이 회전력으로 되살아나게 하였다.

그러나 일방향 클러치 페달은 상기와 같은 효능이 있는 반면에 반대방향(뒤쪽)으로 페달을 돌리는 역(逆)페달링을 할 수 없거나 위험해지는 문제가 있다. 이때 본 발명 장치를 원터치로 조작하여 클러치 상태를 해제하여 역페달링이 되도록 하였다.

종래의 자전거 페달 발판은 힘 전달과 페달과의 마찰력을 높이기 위하여 넓고 평평한 모양을 하게 됐고, 크랭크 암이 회전하더라도 신발 바닥이 페달 면에 순응하도록 페달 축에 베어링을 설비하였다.

또한 상하 왕복운동으로 반복되는 페달링 힘을 바퀴를 돌리는 회전력으로 변환시켜주는 크랭크의 구조적 결함으로 발생하는 사점 문제를 해결하기 위하여, 위에서 아래로 내려 밟던 페달링 방법을 크랭크 축을 중심으로 둥글게 돌리는 앵클링 방법을 발견하였고, 페달을 앞으로 밀고 아래로 밟고 뒤로 끌고 위로 당겨 올리는 앵클링을 위해서 밴드나 노끈으로 페달에 신발을 묶었었다.

그러다보니 혼자서는 페달에서 발을 풀지 못해 곤란하였고, 곧 토클립(toe clip)을 개발하여 혼자서도 발을 묶고 뺄 수 있게 됐다. 그러나 빨리 뺄 수가 없어 넘어지는 것이 다반사였고, 이를 해결하기 위하여 클립보다 탈착이 간편한 클릿(cleat) 바인딩 장치를 개발하였고, 현재는 이 클릿 페달이 고급페달 시장을 석권하고 있다.

그러나 이 또한, 추돌(追突)이나 충돌 또는 예측할 수 없는 돌발 상황에서는 탈착을 수없이 많이 해본 마니아들도 반사적으로 발을 빼지 못하고 자전거와 함께 나뒹굴곤 한다. 이런 사고와 부상 위험이 상존하기에 많은 마니아들이 클릿 페달의 사용을 꺼리고 있고, 클릿 페달 사용 중에는 항시 두려움과 조바심을 갖고 긴장하게 되는 문제가 있다.

이 문제를 해결하기 위하여, 신발바닥에 페달 프레임 모양의 홈을 파서 페달에 신발을 결착하는 바인딩 장치 없이도 잘 미끄러지지 않고 신발의 분리 또한 편리한 자전거용 신발 등이 개발되고 있는 상황이나 클릿 페달에 비하여 결착력이 떨어지는 문제가 있다. (특허문헌 0006 참조)

또 다른 사점해소 방법으로 스프라켓을 활용한 기어비의 조작으로 사점의 폐해를 크게 감소시키기는 변속장치 기술이 있으나, 이는 사점이 안 생기게 하거나 사점을 벗어나게 하는 근본적인 해결방안이 아니고, 크랭크 기어의 간격을 다르게하여 사점에서는 성기게 하여 사점에서의 동력 전달을 적게 하는 방안도 시도되고 있으나 이 또한 사점을 해소하는 근본적인 해결책이 아니다.

그 외에도 상사점에 도달한 크랭크 암을 기계장치로 상사점 밖으로 넘겨주는 기술이 있으나 이는 크랭크 암과 체인링과 레귤레이터를 어셈블리로 만들어야 하기에 생산비가 과도하게 증가하며, 호환성에 문제가 있고, 상사점에서의 페달링 동작이 단절되는 문제가 있다.

[국내 특허] 출원번호 10-2010-0038453 사점 해소를 위한 페달의 회전 제어장치 출원번호 10-2010-0038464 한방향 클러치페달의 제어장치 출원번호 10-2013-0058059 페달의 회전 제어장치 출원번호 10-2014-0000934 래칫링을 갖춘 페달의 회전 제어장치 출원번호 10-2014-0031376 원웨이클러치 제어장치 출원번호 10-2009-0121095 자전거용 신발 [해외 특허] PCT / NO 1992 / 000130(19920814) bicycle pedal US 공개번호 000006050154(20000418) bicycle pedal US 공개번호 000004398434(19830816) Force- saving high speed pedal

일반적으로 일방향 클러치는, 1) 동력을 한쪽 방향으로만 전달하고 싶을 때, 2) 출력이 입력보다 빠를 수 있는 경우 이를 허용하고 싶을 때, 3) 두 개 이상의 동력이 들어오는 경우 제일 빠른 동력만 사용하고 싶을 때 적용하는 장치로 수많은 기계장치에 다양하게 활용되고 있다.

이를 자전거 페달에 설비할 경우, 사점지대(dead zone)에서 페달 축에 집중되어 있는 힘점이 페달 발판 앞쪽으로 이동되면서 사점지대를 벗어나는 만큼 사점에서 사라진 힘이 회전력으로 되살아나고, 사점지대를 벗어난 후에도 페달축에 걸리던 힘점이 페달 발판 끝으로 옮겨져 힘점이 크랭크축에서 멀어지는 만큼 지렛대가 길어지는 효과가 있어 힘의 효율을 증대시킬 수 있다.

또한 페달 발판이 뒤쪽 일방향으로만 축회전 되는 만큼 앞쪽으로는 페달이 돌지 않아 꺾이지 않기에 상사점에 위치한 페달을 앞으로 밀어도(; 앵클링을 하여도) 페달 면이 수평에 가까운 경사각을 유지하고 있기에 바인딩 장치 없이도 신발이 페달에서 잘 미끄러지지 않아 앵클링을 용이하게 할 수 있다.

그러나 자전거를 타다 보면, 주행 중 돌발적으로 맞닥트리는 노상 장애물 회피, 코너링 할 때 안쪽 페달 들어올리기, 주·정차 후 출발 전에 하는 페달 벼르기 등과 같이 불가피하게 역페달링을 해야만 할 때가 있는데, 이럴 때 일방향 클러치가 설비된 페달은 페달이 앞쪽으로 꺾이지 않기에 역페달링을 하게 되면 페달 발판이 수직으로 뒤집히게 되어 발목이 꺾이거나(클릿이 바인딩 되어 있을 경우) 아니면 페달의 모서리를 밟게 되는 등 안전 주행에 위험을 초래하게 된다. 이는 주행자의 안전을 해치는 요인이기에 그 어떤 문제보다 우선적으로 해결해야 할 문제점이다.

이와 같은 문제를 일방향 클러치 제동장치로 해결하여, 일방향 클러치를 페달에 적용하여 사점 해소 및 회전력 증가는 물론 클릿 신발을 물고 있는 바인딩 장치 없이도 앵클링을 할 수 있도록 안전하고 파워 업 되는 페달을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 페달 발판과 페달 축 사이에 일방향 클러치를 설비하고, 일방향 클러치 롤러가 축과 발판으로부터 분리될 수 있는 다수의 확장 공간을 두며, 롤러가 확장 공간과 피치원 사이를 왕복하도록 조정할 수 있는 리테이너를 개량한 카트리지; 상기 카트리지는 플랜지를 가진다.

이 카트리지를 풋휠에 결합시켜 풋휠을 터닝 시키면 롤러를 붙잡고 있는 카트리지가 풋휠과 같이 축회전하면서 롤러가 축과 발판 내부의 확장된 공간과 피치원 사이를 왕복하면서 일방향 클러치가 작동되거나 해제되도록 구성하여, 사점 해소 및 회전력 중가, 신발 미끄럼 방지 등의 효능을 갖게 하였다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 확장 공간은 롤러가 카트리지의 회전에 순응하여 부드럽게 진퇴할 수 있도록 일방향으로 경사진 고랑으로 만들고, 크랭크 암의 축회전에 따라 클러치 작동이 수없이 단락·복원되는 페달의 특성상 롤러는 래칫기어 보다 일방향 클러치가 유리하며, 체중 이상의 충격하중까지를 고려하면 점(點)접촉을 하는 볼(ball bearing) 보다는 선(線)접촉을 하는 니들 롤러(needle roller)가 적합하다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 일방향 클러치가 작동되고 있는 중에도 페달면이 신발 바닥과 밀착되기 위하여 페달 발판이 계속 뒤쪽 방향으로 축회전하기에 클러치 작동이 반복적으로 단락되는데 축회전이 순간적으로 멈추는 찰나 때마다 롤러가 즉각적으로 축과 발판 사이로 파고들어 클러치 작동이 바로바로 복원되도록 카트리지에 스프링 클립을 설비하였고, 그 반대로 일방향 클러치 작동을 중단시켰을 때는 그 제어상태를 유지할 수 있도록 확장 공간을 갖는 쪽에 축회전을 잡아주는 멈춤홈을 마련하고, 그에 대향하는 카트리지에 볼 플랜저 등을 설비하여 카트리지가 정위치를 벗어나지 못하게 하였다.

본 발명은 페달 발판 내부에 제어 가능한 일방향 클러치 장치를 설치하여, 사점해소 및 회전력 증가로 등판 주행 등에 유리하게 하였고, 한편으로는 자전거의 진행방향으로는 페달의 축회전이 되지 않아 발판이 앞쪽으로 꺾이지 않은 점을 활용하여 클릿 바인딩 장치 없이도 앵클링을 할 수 있게 하였다.

바인딩 장치를 없앤 것은 클릿 페달이 가지고 있는 가장 큰 위험요소를 근본적으로 제거한 것으로 클빠링(클릿 페달의 바인딩 장치에 결착된 신발을 미처 풀지 못해서 주행자가 자전거와 함께 옆으로 넘어지는 것을 말한다) 사고 발생을 원천적으로 해결함은 물론 클릿 페달 사용에 대한 공포감 또는 심리적 부담감까지 해소하였다.

또한 자전거 페달이 앞쪽으로 꺾이지 않은 점을 활용하여 페달축 뒤쪽 발판 상판에 클리트 걸림판을 설비하여 페달을 위로 끌어당기는 앵클링도 할 수 있게 하였고, 풋휠을 돌림으로써 클러치 작동과 해제가 용이하도록 하여 편리성과 안전성을 증가시켰다.

특히 본 발명출원 건은 본인이 선출원한 '원웨이클러치 제어장치(출원번호 10-2014-00313760)' 등을 더욱 개선한 것으로, 보다 견고하면서도 작동성을 향상시켰고 생산비가 절감되는 경제적 이익이 크다.

도 1. 본 발명 장치가 설비된 페달 제품 사진
도 2. 본 발명 장치의 요부 형상 사진
도 3. 본 발명 장치가 설비된 페달의 단면도
도 4. 본 발명 장치의 요부 단면도
도 5a. 본 발명 장치를 작동시킨 상태도
도 5b. 본 발명 장치를 해제시킨 상태도
도 6. 페달 축
도 7. 페달 발판 형상 사진
도 8. 롤러
도 9. 롤러 하우징 형상 사진
도 10. 카트리지
도 11. 클립
도 12. 풋휠 형상 사진

이하, 본 발명을 적용한 첨부된 페달 사진 및 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 참고로 자전거 페달의 클러치 작동외의 페달 발판의 축회전 제어에 대한 설명은 앞서 기술한 배경기술 등과 같고, 보다 상세한 설명은 본 출원인에 의한 선행기술인 국내문헌 1내지 5에서 충분히 설명되었으므로 본 기술의 설명에서는 일방향 클러치 작동 및 제동에 관하여만 중점적으로 설명한다.

본 발명 장치는 도 3 및 도 4에서 도시된 바와 같이 축 베어링(31)이 설비된 페달 축(11)과 페달 발판(21)으로 구성된 종래의 자전거 페달에 도 2의 본 발명 장치의 어셈블리를 장착한 형태로 구성되며, 도 5a 및 도 5b의 상태도에 도시된 바와 같이 작동 및 해제된다.

본 발명 장치의 구성에 대하여 도 4의 요부(일방향 클러치 작동부) 단면도에 의하여 보다 상세하게 설명하자면, 먼저 일방향 클러치의 작동을 위하여 축(11)에 일방향으로 곡선형으로 경사지게 판 롤러 홈(17)을 만들고, 발판(21) 내부에는 롤러 하우징(32)을 설비하고, 그 사이에 롤러(33)와 카트리지(34)를 설비한다.

또 발판(21) 측면에는 발판(21)과 연동되지 않게 풋휠(41)을 설비하고, 카트리지(34)에는 플랜지(36)를 형성하여 풋휠(41)과 결합시켜서, 풋휠(41)을 발로 굴리면 카트리지(34)가 따라 돌면서 카트리지 리브(35)가 롤러(33)를 밀어, 롤러(33)가 롤러 하우징(32)과 축(11)사이의 피치선(a)에 맞물리도록 한다.

작동중인 일방향 클러치를 제동하기 위해서는 풋휠(41)을 반대로 굴리면 카트리지(34)가 따라 돌면서 카트리지 리브(35)가 피치선(a)에서 맞물려 있던 롤러(33)를 반대방향으로 굴려 롤러 홈(17)으로 밀어 넣어 분리시킴으로써 클러치가 해제되도록 하였다.

일방향 클러치의 신속한 작동을 위하여 카트리지 리브(35)에 스프링 클립(37)을 끼워 롤러(33)를 탄력있게 밀고 있도록 하였고, 작동 또는 제동시킨 일방향 클러치가 발판(21)의 회전이나 진동 등에 의하여 요동하지 않고 정위치를 유지할 수 있도록 풋휠(41)에 볼 플랜저(43)등의 탄성체를 설비하고, 이와 대향하는 축 칼라(14)에 볼 멈춤 홈(15)을 만들어 정위치 되도록 하였다.

롤러 하우징(32)은 경량화 등을 위해서 사용한 경금속 발판(21) 소재의 취약점을 커버해주는 것으로서, 롤러(33) 뿐만 아니라 축 베어링(31)까지 지지해주며, 롤러(33)의 회전에 헐거워지지 않도록 발판(21) 내부에 스크류 및 키 등으로 고정시킨다.

도 5a를 참조하여 작동에 대하여 설명하자면, 먼저 풋휠(41)의 기어(42)를 신발 바닥으로 전방으로 굴리면 풋휠(41)에 체결된 카트리지(34)가 돌고, 카트리지의 리브(35) 사이에 갇힌 채로 롤러 홈(17)에 머물던 롤러(33)가 전방으로 굴러 피치선(a)에 닿게 되면 축(11)과 롤러 하우징(32) 사이에 쐐기처럼 끼게 되어 클러치가 작동된다.

이렇게 클러치가 걸려서 페달 발판(21)이 전방(자전거가 진행하고 있는 방향)으로 축회전이 안되기에, 힘점이 페달 축(11)에서 페달 발판(21)의 전방 끝 부분(즉 힘을 가하고 있는 곳)으로 옮겨지게 되고 힘점이 사점에서 멀리 옮겨진 만큼 회전력이 증가된다. 물론 일방향 클러치이므로 반대방향으로의 축회전은 항상 가능하며 그로 인하여 페달 발판(21)이 어느 위치에 있던지 신발 바닥과 밀착될 수 있게 된다.

또 페달 발판(21)이 전방으로 꺾이지 않기에, 상사점(上死點)에서 발판(21)을 아래쪽(땅쪽)이 아닌 앞쪽으로 밀어야 하는 앵클링시에도 발판(21)이 신발바닥과 수평에 가까운 각도를 버텨주기에 발이 페달에서 미끄러지지 않는다. (참고로 종래의 페달은 발판이 앞쪽으로 돌아버려서 발이 잘 미끄러졌고, 이로 인하여 정강이 부상이나 넘어지는 지는 경우가 많았다.) 이는 앵클링을 위하여 어쩔 수 없이 신발을 페달에 바인딩시켜야 하는 클릿 페달의 문제점을 해결한 것으로 사점 해소로 회전력을 증가시키는 효과보다 훨씬 중요한 안전성을 제고했다는데 그 의의가 있다.

그러나 일방향 클러치는 역페달링시 페달이 앞쪽 방향으로는 축회전이 되지 않기에 발판(21)이 수직으로 일어서게 되어 페달면을 밟을 수가 없게 된다. 이는 클릿 페달과 같이 페달에 발이 묶인 상태라면 발목이 꺾여 지게 되는 것이고, 페달에 체중을 싣고 주행하고 있는 상태나 코너링 등과 같이 균형을 잡고 있을 때라면 위험천만한 상황이 아닐 수 없다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 본 발명 장치의 요지인 제동장치를 발명한 것이다.

도 5b를 참조하여 제동에 대하여 설명하자면, 도 5a의 작동 상태에서 먼저 풋휠 기어(42)를 신발바닥으로 후방로 굴리면 풋휠(41)에 체결된 카트리지(34)가 돌고, 카트리지의 리브(35) 사이에 갇힌 채로 피치선(a)에서 축(11)과 롤러 하우징(32) 사이에 쐐기처럼 끼어있는 롤러(33)가 후방으로 굴러 롤러 홈(17)으로 밀려나 클러치 상태가 해제된다. 그와 동시에 페달 발판(21)은 축베어링(31)에 지지되어져 종래의 페달처럼 전후양방으로 자유롭게 돌게 된다.

본 발명 장치야말로 안정성이 담보되지 못하여 일방향 클러치를 페달에 적용하지 못하던 난제를 해결한 것으로, 종래의 평페달에서는 상상도 할 수 없었던 사점 해소 및 회전력 증가의 성과를 거두게 되었고, 클릿 페달에 적용할 경우 페달에 설치하는 바인딩 장치를 없앨 수 있어 안전성을 극대화함으로써 페달의 사용가치를 더욱 높였다. 그리하여 향후 클릿 페달을 대체하는 성과가 있을 것으로 본다.

이상과 같은 본 발명은 비록 자전거 페달을 예를 들어 설명하였지만, 자전거의 페달에만 적용되는 것이 아니라 여러 가지 기구에서 응용하여 적용할 수 있는 일방향 클러치 제동장치로 활용할 수 있음은 물론이다.

11. 축 11(a). 중공(中空)
12. 크랭크 체결나사 13. 스패너 홈
14. 칼라
21. 발판 22. 프레임
23. 클러치 설치부 24. 핀
31. 베어링 32. 롤러 하우징
33. 롤러 34. 카트리지
35. 카트리지 리브 36. 카트리지 플랜지
37. 스프링 클립
41. 풋휠 42. 풋휠 기어
43. 볼 플랜저 44. 볼트
51. 스페이서 52. 와셔
53. 스냅링
(a) 피치원

Claims (5)

1. 축베어링(31)이 설비된 페달축(11)을 축회전하는 페달 발판(21)으로 구성된 자전거 페달에 있어서,
   축(11)이나 발판(21)의 일방에 롤러 홈(17)을 형성하고,
   볼멈춤 홈(15)을 형성한 칼라(14)를 형성하는 페달축(11)과,
   상기 롤러 홈(17)에 설치하는 롤러(33)와,
   상기 롤러(33)가 롤러 홈(17)에 일정 간격으로 배열되도록 하는 카트리지(34)와,
   상기 카트리지(34)와 결합되어 발판(21) 외부로 돌출되어 독립적으로 축회전 하도록 설비된 풋휠(41)과,
   페달 발판(21) 내경에 끼워져 축(11)과 맞물린 롤러(33)가 지지할 수 있도록 설비된 롤러 하우징(32)을 포함하는 것을 특징으로 하는 일방향 클러치 제동장치
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 페달축(11)에 클러치 작동 지점과 제동 지점의 정위치를 유지할 수 있도록 풋휠(41)의 볼 플랜저(43)에 대향하여 형성한 볼멈춤 홈(15)을 갖는 칼라(14)를 형성하는 것을 특징으로 하는 일방향 클러치 제동장치
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 카트리지(34)의 끝 쪽에 플랜지(36)를 형성하여 풋휠(41)과 결합시킬 수 있도록 하고, 카트리지(34)의 중앙부에 형성한 리브(35)가 롤러(33)를 붙잡고 있도록 하여, 풋휠(41)의 축회전에 따라 카트리지 리브(35)가 롤러(33)를 전방 또는 후방으로 밀칠 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 일방향 클러치 제동장치
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 카트리지 리브(35)가 롤러(33)를 전방 또는 후방으로 밀칠 때, 롤러(33)가 즉각적이면서도 부드럽게 작용할 수 있도록 탄력적인 리브(35)에 스프링 클립(37)을 장착한 것을 특징으로 하는 일방향 클러치 제동장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 롤러(33)가 축(11)의 피치원(a)에 걸려 일방향으로 동력이 전달될 때, 그 힘을 고르게 지지해 주고 발판(21) 내경의 마모를 방지해주는 롤러 하우징(32)을 장착한 것을 특징으로 하는 일방향 클러치 제동장치

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