KR20180035631A - 직립형 자전거 성능 검사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 자전거 성능 검사장치는 거치대와, 상기 프레임 일측에 설치되는 기어와, 상기 기어 양측에 설치되어 회전력을 전달하는 한 쌍의 크랭크축과, 상기 프레임 타측에 설치되어 기어와 체인으로 회전력이 전동 이음되는 바퀴로 이루어진 자전거 성능 검사장치에 있어서, 상기 한 쌍의 크랭크축에 연결되어 모터의 회전력을 전달하는 가동부와, 상기 한 쌍의 크랭크축에 설치되어 한 쌍의 크랭크축에 대한 회전 각속도를 측정하는 센서와, 상기 센서를 통해 센싱된 크랭크축 각각의 각속도를 값으로 산출하여 한 쌍의 크랭크축의 사이 각도 및 회전수 변화를 검출하는 동시에 가동부의 모터를 컨트롤하는 제어부로 이루어진다.

Description

자전거 성능 검사장치{Performance Evaluation Equipment for bicycle}

본 발명은 자전거 성능 검사장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자전거의 크랭크축의 각속도, 회전 속도 및 회전 궤적 위치를 측정할 수 있도록 하는 자전거 성능 검사장치에 관한 것이다.

일반적으로, 자전거(bicycles)는 사람이 승차한 상태에서 차륜을 회전시켜 원하는 위치에 이동할 수 있도록 하는 이동장치이다.

상기 자전거는 프레임과, 상기 프레임의 전, 후면부에 회전가능하게 결합되는 전륜과 후륜 및, 상기 전륜과 후륜 사이에는 동력을 발생시키는 페달에 의해 회전되는 크랭크 기구와, 상기 크랭크 기구와 후륜에 연결되어 회전력을 전달하는 체인과, 상기 전륜에 결합되어 방향을 조향하는 핸들 등으로 구성되어 있으며, 상기 자전거의 페달을 밟고 회전시키면 크랭크 기구에 의해 전륜이 회전됨과 동시에 상기 체인에 의해 회전력을 전달받은 후륜이 회전되면서 자전거는 이동하게 되며, 상기 이동하는 자전거는 핸들의 조작에 따라 이동방향을 전환한다.

여기서, 상기 자전거의 각 구성 중 크랭크 기구는 중요한 구성 중 하나로서, 동력을 발생시키는 장치이다.

동력의 발생을 위한 크랭크 기구는 페달의 굴림 회전을 반복하여 동력을 발생시키게 되는데, 이때, 크랭크 기구의 핵심 구성은 크랭크축과 베어링으로써 진원의 회전 운동을 수행한다.

진원의 회전 운동은 동력 발생에 지대한 영향을 주게 되는 기능을 갖는다.

도 1에서와 같이, 통상의 시험기는 진원 회전 운동을 시험하기 위한 장치로서, 자전거 10의 너비방향으로 양측에 형성된 페달 13과 링크 154로 연결된다. 이와 같은 구조는 상기 기어드모터 151의 동력을 상기 페달 13에 전달하여 상기 페달을 회전시킨다. 상기 페달 13이 회전되면서 상기 페달 13과 뒷바퀴 11에 연결된 체인에 의해 뒷바퀴 11가 회전된다.

종래기술에 따른 시험기는 단순히 회전력을 크랭크에 제공하는 기술만 기재되어 있을 뿐 한 쌍의 링크 154가 정확한 위치로 회전되는 상태인지 확인이 어려운 문제점이 있었다.

특히, 일반적인 자전거 크랭크 기구 이외에 직립형 자전거 등 회전 궤적이 다른 한 쌍의 크랭크 기구를 측정하는 시험장치는 현재 개시되어 있지 않았다.

일본 공개공보 제2005-241412호(2005.09.08.) 일본 공개공보 제2002-174566호(2002.06.21.)

상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 직립형 자전거의 성능 검사 장치는 자전거의 크랭크축의 각속도, 회전 속도 및 회전 궤적위치를 측정하도록 하는 데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 구동부의 크랭크축에 센서를 장착하여 회전하는 크랭크축에 대한 회전 각속도를 측정하여 한 쌍의 크랭크축의 각도 변화량을 측정하는 데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 자전거의 주행 환경에 대비되는 저항값을 바퀴에 부여할 수 있도록 하는 데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 도로 주행 환경에 맞추어 구동부의 크랭크축의 분당 회전수를 자유롭게 조절할 수 있도록 하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자전거 성능 검사장치는 프레임과, 상기 프레임 일측에 설치되는 기어와, 상기 기어 양측에 설치되어 회전력을 전달하는 한 쌍의 크랭크축과, 상기 프레임 타측에 설치되어 기어와 체인으로 회전력이 전동 이음되는 바퀴로 이루어진 자전거 성능 검사장치에 있어서, 상기 한 쌍의 크랭크축에 연결되어 모터의 회전력을 전달하는 가동부와, 상기 한 쌍의 크랭크축에 설치되어 한 쌍의 크랭크축에 대한 회전 각속도를 측정하는 센서와, 상기 센서를 통해 센싱된 크랭크축 각각의 각속도를 값으로 산출하여 한 쌍의 크랭크축의 사이 각도 및 회전수 변화를 검출하는 동시에 가동부의 모터를 컨트롤하는 제어부로 이루어진다.

본 발명에 따르면, 상기 센서는 자이로센서로 적용된다.

본 발명에 따르면, 상기 가동부는 브라켓과, 상기 브라켓에 설치되는 모터와, 상기 모터와 연동 회전하는 샤프트와, 상기 샤프트 끝단에 설치되어 직선 왕복 이동되어 상기 크랭크축을 회전시키는 가동수단으로 이루어진다.

본 발명에 따르면, 상기 가동수단은 상기 샤프트 끝단에 설치되는 가이드와, 상기 가이드에 직선 왕복 이동되는 안내블럭과, 상기 안내블럭에 설치되어 크랭크축과 연결되는 링크로 이루어진다.

본 발명에 따르면, 상기 바퀴의 외주연과 마찰하여 바퀴의 회전력에 저항을 부여하는 부하수단이 더 포함된다.

본 발명에 따르면, 상기 가동부의 모터는 외전형 모터가 적용된다.

상술한 바와 같은, 본 발명의 자전거 성능 검사장치는 프레임과 상기 프레임 일측에 설치되는 기어와, 상기 기어 양측에 설치되어 회전력을 전달하는 한 쌍의 크랭크축과, 상기 프레임 타측에 설치되어 기어와 체인으로 회전력이 전동 이음되는 바퀴로 이루어진 자전거 성능 검사장치에 있어서, 상기 한 쌍의 크랭크축에 연결되어 모터의 회전력을 전달하는 가동부와, 상기 한 쌍의 크랭크축에 설치되어 한 쌍의 크랭크축에 대한 회전 각속도를 측정하는 센서와, 상기 센서를 통해 센싱된 크랭크축 각각의 각속도를 값으로 산출하여 한 쌍의 크랭크축의 사이 각도 및 회전수 변화를 검출하는 동시에 가동부의 모터를 컨트롤하는 제어부로 이루어진다.

이를 통해, 직립형 자전거의 성능 검사를 위해 사점 현상 제거를 위해 둔각 범위로 설치되는 한 쌍의 크랭크축의 회전 각속도, 회전속도 및 회전 궤적 위치를 정밀하게 측정하여 성능검사 과정에서 최초 셋팅된 값에서 변화된 값을 측정 및 산출하여 외부로 표시하도록 함으로서, 성능 검사 결과를 정확한 수치 값으로 확인 할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 자전거 성능 검사장치를 나타낸 정면도.
도 2는 본 발명의 자전거 성능 검사장치를 나타낸 분해사시도.
도 3은 본 발명의 자전거 성능 검사장치를 나타낸 사시도.
도 4는 본 발명의 자전거 성능 검사장치를 나타낸 정면도.
도 5는 본 발명의 자전거 성능 검사장치를 나타낸 평면도.
도 6은 본 발명의 자전거 성능 검사장치를 나타낸 확대상태 사시도.

이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.

도 2는 본 발명의 자전거 성능 검사장치를 나타낸 분해사시도이고, 도 3은 본 발명의 자전거 성능 검사장치를 나타낸 사시도이며, 도 4는 본 발명의 자전거 성능 검사장치를 나타낸 정면도이고, 도 5는 본 발명의 자전거 성능 검사장치를 나타낸 평면도이며, 도 6은 본 발명의 자전거 성능 검사장치를 나타낸 확대상태 사시도이다.

먼저, 본 발명의 자전거 성능 검사장치는 일반적인 자전거 이외에도 직립형 자전거 등의 성능검사에도 적용된다.

특히, 본 발명은 자이로센서를 이용하여 2개의 크랭크축 사이 각도의 변화 상태를 정밀하게 검사하기 위한 장치로써, 이에 해당되는 직립형 자전거를 일예로 하여 설명하기로 한다.

통상적인 직립형 자전거는 안장 없이 서서 타는 자전거를 의미하는 것으로, 두 다리 힘만으로 자전거의 구동부를 반복 회전시켜 주행한다.

이때, 직립형 자전거는 페달링의 효율을 극대화하고, 운동자의 피로도를 감소시키기 위해 한 쌍의 크랭크축의 사이 각도를 둔각 범위로 위치시켜 일반 자전거의 크랭크축에서 발생할 수 있는 사점 현상을 방지하도록 구성된다.

이를 구체적으로 설명하면 아래와 같다.

자전거는 사람이 두발을 교차하여 좌우 양쪽의 페달을 밟아 크랭크를 회전시키고, 크랭크의 원운동으로 전환된 회전운동에너지가 뒷바퀴를 돌려 앞으로 나가게 만든 장치이다.

즉, 사람의 답력(자전거 페달에 가하는 힘)을 회전력으로 전환하기 위해서는 주행자가 크랭크암 말단부에 설치되어있는 페달을 밟아서 크랭크를 축 회전시켜야 한다.

페달은, 360°로 양 방향으로 축회전하는 크랭크암의 회전각의 변화에 따라서 양방향으로 360°를 페달축 회전을 하여야 하는데, 이는 크랭크 회전각이 어느 각도에 위치하고 있어도 페달발판이 신발바닥과 평행으로 유지되도록 하여 페달링하는 주행자의 발목이 크랭크 회전각에 순응하게 하기 위함이다.

상기와 같이 페달이 자유롭게 페달축 회전을 하게 되면 지렛대 역할을 하는 크랭크암에 전달되는 답력의 힘점은 항상 페달축에 걸리게 되고, 크랭크축회전에 따라 답력의 방향이 진행된다. 이때, 수직 방향으로 상사점과 하사점에 위치한 크랭크축은 사점이 발생하여 힘 손실을 초래한다.

즉, 평지나 오르막길에서 자전거를 달리게 하는 힘은 사람의 답력과 가속도에 의해 생성된 관성에너지로써 관성에너지가 충분한 평지에서는 그 힘으로 사점을 지나칠 수 있기에 사점이 별로 문제가 되지 않지만, 오르막길이나 맞바람주행(정면으로 불어오는 맞바람을 맞으며 달림) 등과 같이 관성에너지가 소멸될 때의 사점구간은 답력마저도 회전력으로 전환되질 못하므로 더 이상 주행을 할 수가 없게 되는 것이다.

이는 자전거가 경사로를 더 이상 오르지 못하고 멈추는 순간의 페달 위치가 상사점과 하사점에서 정지하고 있음이 이를 실증하고 있는 것이다.

사점은 직선운동을 회전운동으로 전환하는 과정에서 힘의 방향이 수직으로 일직선에 이르렀을 때 발생하는 것으로써 힘의 크기와 지렛대의 길이의 크고 작음으로 해결할 수 있는 것이 아니다. 사람의 답력을 크랭크축 회전으로 바꾸는 과정에서 불가결하게 생기는 사점을 해소하기 위해서는 힘의 방향을 바꿔줘야만 가능하다. 이를 위해 사이클 선수나 마니아들은 사점구간에서의 페달링을 다운스트로크(down stroke; 위에서 아래로 밟는 페달링) 대신에 앵클링(ankling; 상사점에서는 앞쪽으로 밀고 사점을 넘어서면 다운스트로크 하고, 하사점에서는 뒤쪽으로 끌어당기고 그 다음은 페달을 당겨 올리는 업스트로크를 하는 페달링 방법)을 함으로써 사점을 해소하고 힘의 효율성을 높이고 있으나, 이는 상당한 숙련이 필요한 것으로써 일반인들이 하기에는 어려우며, 앵클링 동작 자체가 페달을 앞뒤로 밀고 당기고 하는 것이기에 페달에서 발이 미끄러져 정강이를 다치거나 실족하여 넘어지는 등 부상 위험을 안고 있다.

또한, 안장 없이 서서타는 직립형 자전거에서는 이 사점이 더욱 큰 장애가 되고 있다. 사용자가 체중을 왼쪽에서 오른쪽으로 옮기는 동안 상사점을 지나게 되는데, 이때 무릎을 많이 구부린 상태에서 페달에 힘을 가하여 몸을 지탱하고 추진력을 내야 한다. 이러한 과정에서 다리의 무릎관절에 모멘트가 증가하고 피로를 조기에 유발하게 된다.

이를 극복하기 위해 여러 가지 대안들이 시도되고 있으며 가장 널리 쓰이는 방법으로는 한 쌍의 크랭크축이 180° 보다 작고 90° 보다 큰 사이 각도로 적용하여 한 쌍의 크랭크축이 상사점과 하사점이 상호 일치되지 않아 사점이 발생하지 않도록 한다.

결국, 한 쌍의 크랭크축은 둔각 범위로 설정되는 것이 특징이다.

이러한 원리를 적용한 장치는 서서 타는 직립형 자전거가 대표적이다.

여기서, 직립형 자전거는 한 쌍의 크랭크축의 회전 중심과 기어의 중심이 편심되어 각각의 크랭크축의 회전 위치에 따라 회전 속도가 달라지도록 하는 기능이 더 추가 될 수 있다.

즉, 크랭크축을 밞아 힘을 발생시키는 디딤구간과 상기 디딤구간을 거친 크랭크축이 디딤구간으로 복귀되는 되돌림구간의 회전 반경에서는 크랭크축의 회전 속도가 상대적으로 달라진다.

결국, 상기 직립형 자전거는 한 쌍의 크랭크축에 대한 회전 각속도 및 각 구간별 크랭크축 궤적 위치가 중요한 요소이다.

본 발명은 상기와 같은 직립형 자전거의 크랭크축의 회전 각속도 및 각 구간별 궤적위치의 성능 검사를 위한 장치이다.

먼저, 성능 검사대상물 100은 아래와 같은 구성을 갖는다.

거치대 110와, 상기 프레임 160 일측에 설치되는 기어 120와, 상기 기어 120 양측에 설치되어 회전력을 전달하는 한 쌍의 크랭크축 130과, 상기 프레임 160 타측에 설치되어 기어 120과 체인 150로 회전력이 전동 이음되는 바퀴 140로 이루어진다.

상기 거치대 110은 바퀴 140거치수단 111과 프레임 160 거치수단 112로 구성된다.

상기 바퀴 140거치수단 111은 바닥에서 직립되게 절곡되어 바퀴 140의 중심축이 절곡 부위에 거치되어 바퀴 140의 하중을 지지하고 바퀴 140이 측면으로 기울어지는 것을 방지한다.

또한, 상기 프레임 160 거치수단 112는 상기 프레임 160의 일측을 지지하도록 한다.

상기와 같이 구성되는 검사대상물 100은 크랭크축 130에서 발생하는 회전력이 기어 120, 체인 150을 거쳐 뒷바퀴 140측으로 전동 이음된다.

그리고, 바퀴 140의 외주연에는 부하수단 170을 설치하여 상기 바퀴 140의 외주연과 마찰하여 바퀴 140의 회전력에 저항을 부여한다.

여기서, 부하수단 170은 자전거의 도로 환경에 따라 변화되는 마찰력을 강제적으로 발생시키는 장치로서, 상기 부하수단 170은 바퀴 140에 마찰력을 통해 저항을 가할 수 있다.

이때, 저항은 마찰력의 세기를 자유롭게 조절이 가능하다.

상기와 같이, 구성되는 성능 검사대상물 100의 성능검사장치 200은 아래와 같다.

상기 크랭크축 130을 회전시키는 가동부 210와, 상기 가동부 210에 설치되는 센서 220과 상기 센서 220의 신호를 인가받은 제어부 230로 구성된다.

즉, 가동부 210은 모터 211을 통해 셋팅된 회전력을 발생시켜 크랭크축 130을 회전시킨다.

상기 가동부 210은 브라켓 212과, 상기 브라켓 212에 설치되는 모터 211와, 상기 모터 211과 연동 회전하는 샤프트 213와, 상기 샤프트 213 끝단에 설치되어 직선 왕복 이동되어 상기 크랭크축 130을 회전시키는 가동수단 214로 이루어진다.

먼저, 상기 브라켓 212는 수직으로 입설되도록 설치되어 브라켓 212의 전면에 모터 211이 장착된다.

여기서, 모터 211은 외전형 모터 211이 적용된다.

상기 외전형 모터 211은 코일이 감긴 스테이터가 내측에 설치되고, 이 스테이터의 코일을 마그넷이 둘러싸는 것처럼 로터가 상기 스테이터의 외측에 배치되어 있다. 즉, 상기 외전 모터 211은 구조상 그 외측에 로터가 배치되어 회전한다.

그리고, 모터 211의 외주연 즉 로터에 설치되어 샤프트 213을 회전시킨다.

또한, 상기 가동수단 214는 상기 샤프트 213 끝단에 설치되어 직선 왕복 이동되어 상기 크랭크축 130을 회전시킨다.

특히, 상기 가동수단 214는 상기 샤프트 213 끝단에 설치되는 가이드 215와, 상기 가이드 215에 직선 왕복 이동되는 안내블럭 216과, 상기 안내블럭 216에 설치되어 크랭크축 130과 연결되는 링크 217로 이루어진다.

상기와 같이 구성되는 가동부 210은 모터 211의 회전에 의해 샤프트 213이 연동한다.

그리고, 크랭크축 130의 일단이 회전 궤적 변화에 의해 가이드 215에 탑재된 안내블럭 216이 직선 왕복 이동하여 크랭크축 130의 회전 운동시킨다.

이때. 안내블럭 216에 돌출되게 설치된 링크 217은 크랭크축 130의 타단에 형성된 구멍에 결합된다.

여기서, 크랭크축 130의 횡축 방향으로 최소의 유동에도 안정적으로 안내블럭 216이 이동될 수 있도록 상기 가이드 215는 휘어지는 특성을 갖도록 한다.

그리고, 센서 220은 크랭크축 130에 설치되어 한 쌍의 크랭크축 130의 회전 각속도를 측정하는 동시에 한 쌍의 크랭크축 130의 상사점과 하사점의 위치를 센싱한다.

또한, 한 쌍의 크랭크축 130의 일단이 디딤구간 또는 되돌림구간에서의 회전속도를 측정한다.

여기서, 상기 센서 220은 자이로센서 220로 적용된다.

자이로센서 220은 기본적으로 회전하는 물체의 역학운동을 이용한 개념으로 위치 측정과 방향 설정 등에 활용되는 장치이다.

결국, 자이로센서 220은 회전하는 물체의 각속도를 측정하는 센서 220로서, 각속도(degrees per second). 즉 단위 시간 당 각도의 변화량을 측정하는 장치이다.

상기 제어부 230은 센서 220에 의해 측정된 회전 각속도, 상사점과 하사점 위치 및 디딤구간과 되돌림구간에서의 회전 속도를 인가 받아 각 측정값을 산출하여 외부로 표시한다.

이때, 상기 제어부 230은 가동부 210의 모터 211을 컨트롤할 수 있다.

상기와 같이 구성되는 자전거 성능검사장치 200은 이를 통해, 직립형 자전거의 성능 검사를 위해 사점 현상 제거를 위해 둔각 범위로 설치되는 한 쌍의 크랭크축 130의 회전 각속도, 회전속도 및 회전 궤적 위치를 정밀하게 측정하여 성능검사 과정에서 최초 셋팅된 값에서 변화된 값을 측정 및 산출하여 외부로 표시하도록 함으로서, 성능 검사 결과를 정확한 수치 값으로 확인 할 수 있는 효과가 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

100 : 검사대상물 110 : 거치대
111 : 바퀴거치수단 112 : 프레임거치수단
120 : 기어 130 : 크랭크축
140 : 바퀴 150 : 체인
160 : 프레임 170 : 부하수단
200 : 성능검사 장치 210 : 가동부
211 : 모터 212 : 브라켓
213 : 샤프트 214 : 가동수단
215 : 가이드 216 : 안내블럭
217 : 링크 220 : 센서
230 : 제어부

Claims (7)

1. 거치대와,
   상기 프레임 일측에 설치되는 기어와,
   상기 기어 양측에 설치되어 회전력을 전달하는 한 쌍의 크랭크축과,
   상기 프레임 타측에 설치되어 기어와 체인으로 회전력이 전동 이음되는 바퀴로 이루어진 자전거 성능 검사장치에 있어서,
   상기 한 쌍의 크랭크축에 연결되어 모터의 회전력을 전달하는 가동부와,
   상기 한 쌍의 크랭크축에 설치되어 한 쌍의 크랭크축에 대한 회전 각속도를 측정하는 센서와,
   상기 센서를 통해 센싱된 크랭크축 각각의 각속도를 값으로 산출하여 한 쌍의 크랭크축의 사이 각도 및 회전수 변화를 검출하는 동시에 가동부의 모터를 컨트롤하는 제어부로 이루어진 것을 특징으로 하는 자전거 성능 검사장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 센서는 자이로센서로 적용됨을 특징으로 하는 자전거 성능 검사장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 가동부는,
   브라켓과,
   상기 브라켓에 설치되는 모터와,
   상기 모터와 연동 회전하는 샤프트와,
   상기 샤프트 끝단에 설치되어 직선 왕복 이동되어 상기 크랭크축을 회전시키는 가동수단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자전거 성능 검사장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 바퀴의 외주연과 마찰하여 바퀴의 회전력에 저항을 부여하는 부하수단이 더 포함됨을 특징으로 하는 자전거 성능 검사장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 가동부의 모터는 외전형 모터가 적용됨을 특징으로 하는 자전거 성능 검사장치.
   
6. 제3항에 있어서,
   상기 가동수단은,
   상기 샤프트 끝단에 설치되는 가이드와,
   상기 가이드에 직선 왕복 이동되는 안내블럭과,
   상기 안내블럭에 설치되어 크랭크축과 연결되는 링크로 이루어진 것을 특징으로 하는 자전거 성능 검사장치.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 가이드는 휘어지는 특성을 갖는 을 특징으로 하는 자전거 성능 검사장치.

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