KR101074763B1 - 탑승자세 조절이 가능한 자전거 - Google Patents

Abstract

본 발명은 안장에 앉은 상태와 좌석에 앉은 상태의 두 가지 탑승자세를 모두 만족할 수 있도록 프레임 구조가 가변식으로 설계된 자전거에 관한 것이다.

본 명세서에는 자전거의 구동력 전달에 사용되는 체인동력전달장치에서 실질적인 전후 동력전달 거리를 변화시킬 수 있는 절첩식 체인 전동구조와, 서서 탈 때의 안장과 비스듬히 누워서 탈 때의 좌석간의 상대위치를 상기 체인전동구조의 절첩부위(hinge)에 맞추어 서로 간섭하지 않고 정교하게 상대이동 될 수 있는 프레임 회전구조가 소개되며, 또한 자전거를 지지하는 중심프레임인 제1, 제2프레임의 결합부에 슬라이딩과 로테이팅이 동시에 가능한 슬라이딩-로테이팅 결합부를 두어 자전거 프레임이 회전 변형되었을 때 최적의 위치로 페달이 이동할 수 있는 프레임 슬라이딩 구조도 소개된다.

자전거, 프레임, 탑승자세, 안장위치, 안장높이

Description

탑승자세 조절이 가능한 자전거{A bicycle that riding position is adjustable}

본 발명은 변형 가능한 자전거의 구조 설계에 관한 것이다.

자전거설계에서 안장의 위치나 차체의 높이, 또는 바퀴간의 거리를 조절하고자 하는 시도는 최근까지 꾸준히 있어왔다.

한국공개특허 특1998-0009030호나 한국공개특허 특1998-0009031호, 그리고 한국공개특허 특1998-0068636호를 참조하면, 마름모꼴의 자전거 중심프레임 구조에서 각 프레임이 이루는 변의 각도나, 대각선 거리를 변화시킴으로써 안장의 높이를 조절하는 구성이 개념적으로 기재되어 있으며, 그 중에는 특정 변을 이루는 프레임의 길이가 변화되어야 할 경우에, 슬라이딩 결합 가능한 프레임을 수평 또는 수직으로 결합 배치하여 마름모꼴의 자전거 중심프레임의 전체 기하학적 형상을 조절하는 구성도 개시되어 있다.

그리고 한국공개실용 실2009-0001819호를 참조하면, 통상의 마름모꼴(또는 삼각형)의 자전거 중심프레임이 아닌 앞뒤 바퀴 축에 각각 연결된 2개의 프레임이 절첩 가능한 구조로 설계된 자전거가 개시되어 있다. 여기에선 뒷바퀴가 고정되는 프레임에 안장을 결합 설치하되 단계적으로 결합위치를 변경 하여 안장의 위치를 조절할 수 있는 구성을 소개하고 있다.

한편, 안장의 높이를 조절할 수 있으나 기본적으로는 서서 주행하는 형태의 상기 자전거 구조들과는 달리, 의자에 편안히 앉은 상태로 탑승하여 그 상태로 주행하게끔 설계된 자전거도 있다.

예를 들면 한국공개특허 특2004-0096212호를 참조하면 곡선형태의 중심프레임 상에 안장 역할을 하는 의자를 배치하고 앞뒤 바퀴의 간격을 넓게 배치하여 낮고 편안한 자세로 운전할 수 있는 자전거의 구조를 소개하고 있다.

상기에 소개한 공개기술들은 모두가 자전거의 기본 제원(앞뒤 바퀴간 거리, 탑승자세 등)이 고정되어 있는 상태에서 안장의 위치나 바퀴의 높이 등이 약간씩 조절되는 구조들이다.

즉, 안장의 위치나 앞뒤바퀴의 높이와 거리 들을 미세 조절하기 위해서 폐회로를 이루는 중심프레임을 찌그러뜨리거나, 아니면 애초에 중심프레임을 일자 형태로 설계하여 안장의 위치와 각도 만을 약간씩 조절할 수 있도록 하는 구조를 채택하고 있다.

그러나 이러한 구조들은 기본적으로는 두 가지 탑승자세(보통의 자전거들처럼 안장에 걸터앉은 상태로 서서 주행하거나, 혹은 최근 유행하고 있는 자전거들처럼 의자에 편안하게 앉아서 주행하는 자세) 중 어느 한가지 탑승자세만을 제공할 수 있다.

전형적인 형태의 서서 주행하는 타입의 자전거는 주행이 민첩하고 빠르다. 반면 앉아서 주행하는 자전거는 움직임이 둔하나 승차감이 편안하여 장거리 주행에 알맞다.

이러한 상반된 주행성능과 주행감각을 제공해 주는 기본요소는 앞뒤 바퀴간 거리와 안장(의자)의 형상과 고정위치이다. 부수적으로는 안장과 페달의 상대위치도 영향을 미치게 된다. 그러나 안장과 페달간의 상대 위치는 사람의 다리길이에 맞추어야 하므로 설계의 자유도가 극히 제한되며 대부분 안장의 형상과 위치에 종속되게 된다.

즉 현재까지의 자전거 구조는 제한된 가변적 구조설계에 따라 안장이나 바퀴의 위치를 어느 정도까지는 약간씩 조절할 수는 있지만 전혀 다른 두 가지의 탑승자세를 동시에 구현할 수 있도록 축간거리 등 자전거의 기본 제원을 완전히 변화시키는 총체적인 가변식 구조설계는 아직 개발되어 있지 않다.

이에 따라 본 발명은 탑승자가 경우에 따라 완전히 서서 자전거를 운전하거나, 혹은 편안하게 누운 상태로 자전거를 운전할 수 있도록 앞뒤 바퀴간 거리와 페달의 위치를 대폭적으로 조절 가능한 자전거 구조를 제시하고자 한다.

또한 본 발명은 상기 구조에서 필연적으로 따르게 되는 안장(또는 의자)의 형상과 설치위치 또한 상기 구조에 걸맞게 대폭적으로 회전변형 가능한 자전거 구조를 제시하고자 한다.

이를 위하여 본 발명은 일반적으로 자전거의 구동력 전달에 사용되는 체인동 력전달장치에서 실질적인 전후 동력전달 거리를 변화시킬 수 있도록 절첩식 체인 전동구조를 도입하였으며, 서서 탈 때의 안장과 비스듬히 누워서 탈 때의 좌석간의 상대위치를 상기 체인전동구조의 절첩부위(hinge)에 맞추어 서로 간섭하지 않고 정교하게 상대이동 될 수 있는 회전구조를 도입하였다.

또한 자전거를 지지하는 중심프레임인 제1, 제2프레임의 결합부에 슬라이딩과 로테이팅이 동시에 가능한 슬라이딩-로테이팅 결합부를 두어 자전거 프레임이 회전 변형되었을 때 최적의 위치로 페달이 이동할 수 있는 슬라이딩 구조를 도입하였다.

그리고 본 발명은 자전거가 펼쳐졌을 때(앉은 주행자세일 때), 좌석이 안장 위에 위치함으로써 중심프레임인 제2, 제3프레임 위에서 최소한의 결합부 구조로 최대무게의 좌석 위 탑승자의 중량을 지지할 수 있는 지지구조를 도입하였다.

마지막으로 본 발명에 의한 자전거의 전륜 지지구조인 슬라이딩 컬럼은, 프레임 변형 시 크루저 타입 모터사이클과 같이 비스듬히 기울어지며, 핸들 역시 비스듬한 방향으로 회전 변형시킬 수 있는 구조, 즉 운전자가 좌석에 착석한 상태일 때 핸들을 최적의 위치로 이동시킬 수 있는 길이 연장형 슬라이딩 구조와 핸들각도 변환구조를 동시에 채택하였다.

상술한 바와 같은 본 발명의 자전거에 의하여, 자전거 사용자는 하나의 자전거로 도심주행, 운동, 산악주행과 같이 민첩하고 빠른 주행을 원할 때에는 서서 주행하는 일반적인 자전거 구조로 사용함과 동시에, 외곽도로 주행, 장거리 주행과 같이 장시간의 편안한 주행을 원할 때에는 낮고 안정감 있는 크루저 타입 오토바이와 같이 앉아서 주행하는 자전거 구조로 사용할 수 있어 사용자의 만족감이 크게 향상된다.

더욱이 이러한 가변적 구조를 갖추면서도 주요 변형부위 및 지지부위의 구조를 크게 단순화 하여 불필요한 중량의 증가나 별도의 분해결합 단계가 없이도 자전거의 프레임을 변화시킬 수 있어 일상생활에서의 사용상 편의성이 크게 향상되는 효과가 있다.

본 발명의 자전거를 구현함에 있어서 주된 기술적 고려요소는 다음과 같다.

1. 먼저 자전거가 보통의 상태대로 접혀있을 때와 자전거가 펼쳐져 있을 때의 사용자의 엉덩이관절에서 페달까지의 평균길이(편의상 L이라 하자)는 대략 같아야 한다.

물론 안장의 구조와 좌석의 구조는 좌판의 형태가 다르므로 좌석에 앉았을 때의 엉덩이 관절에서 페달까지의 평균길이(L1)는 안장에 앉았을 때의 엉덩이 관절에서 페달까지의 평균길이(L2)보다 조금은 더 짧아야 하나, 페달의 위치가 골반의 위치보다 많이 낮기는 어려우므로(자전거의 전체 길이가 지나치게 길어지는 문제점이 있다), 페달의 높이를 고려하면 L1은 L2보다 거의 같거나 약간 짧아야 한다.

2. 다음으로 체인구동방식을 채택하였을 경우, 체인의 전체 전동거리는 일정해야 한다.

체인은 자전거의 동력전달 구조로서 사실상 최적, 최선의 구조이다. 체인이 가진 단점은 고속전동에 약간 불리하다는 것 뿐(이마저도 자전거의 바퀴속도에는 충분하다) 부피, 중량 대비 전달가능동력이 탁월하며 무엇보다도 동력전달 길이에 비해 동력전달 폭이 좁아서 동력전달 폭이 페달 사이의 폭으로 제한되는 자전거의 구동방식에 안성맞춤이다.

다만 체인구동은 체인이 늘어지는 약간의 길이를 무시할 때 감겨진 전체 길이가 일정해야 하므로 본 발명에서는 이 부분이 주요 기술적 난관이 된다.

이를 극복하기 위하여 본 발명은 회전결합된 프레임을 도입하되 상기 프레임 의 회전결합부를 중심점으로 2개의 체인을 앞뒤로 배치하였다.

3. 그 다음으로 자전거가 보통의 상태대로 접혀있을 때와 자전거가 펼쳐져 있을 때의 각각 운전자 체중을 지지하는 안장과 좌석은 동등한 지지강도를 확보하여야 한다.

자전거는 인력에 의해서 움직이는 기계이므로 경량화가 무엇보다 중요하다. 따라서 자전거의 프레임은 최소한의 길이와 두께로 사용자의 체중과 양 바퀴에 걸리는 힘을 지지할 수 있도록 최적 설계되어 있다. 이런 상태에서 좌석에 앉는 방식으로 자전거를 펼치게 되면 자전거 양 바퀴를 지지하는데 필요한 지지력은 물론 좌석 자체에 요구되는 체중지지력도 크게 증가하기 마련이다.

자전거를 펼치는 과정에서 좌석지지프레임은 눕게 되며 이때 애초에 설정된 수직 압축 지지방식의 지지구조는 뒤틀리게 된다. 이를 추가 보강하기 위해서 전체 좌석지지프레임을 두껍게 설계한다면 자전거의 앞뒤 무게 밸런스가 크게 훼손되며, 전체 자전거 무게도 증가하여 자전거의 본질적인 운동성능이 저하된다.

따라서 좌석지지프레임을 최소의 중량을 가진 부재로 설계하면서도 안장을 지지하는 수직프레임과 동일한 정도의 지지강도를 확보하여야 한다.

이를 위해서 본 발명은 좌석지지프레임을 회전시키되, 자전거가 펼쳐졌을 때에는 좌석의 좌판이 주요 지지프레임인 제2프레임과 제3프레임에 동시에 안착되는 형태의 지지구조를 도입하였다.

이때 안장은 좌석의 좌판 밑으로 들어가게 되며, 안장의 고유 쿠션은 좌석의 쿠션으로 활용되게 된다.

이러한 지지구조로 인해 좌석지지프레임은 자전거가 접혀 있을 때의 등받이 쪽 지지역할만을 충실히 수행할 수 있도록 설계될 수 있다.

4. 마지막으로 당연한 설계가 되겠지만, 자전거를 펼쳤을 때 사용자의 팔 길이와 어깨 위치를 고려하여 핸들의 길이와 폭이 조절되어야 한다.

이러한 구조는 앞바퀴를 지탱하고 있는 스티어링 컬럼이 기울어지면서 스티어링 컬럼 상부의 공간에 슬라이딩 방식으로 길이 연장될 수 있는 구조를 도입하였다.

상기와 같은 길이연장구조로 전체 스티어링 컬럼 길이를 늘리고, 추가로 핸들을 일반적인 수평형 핸들이 아닌 비스듬히 좁혀진 핸들로 회전시킴으로써 마치 하레이 데이비슨 모터사이클을 타는 자세와 유사하게 좌석에 앉아서 조종하기에 알맞은 핸들형상과 손잡이 위치를 구현하도록 하였다.

상술한 바와 같은 기술적 고려요소를 포함시켜 구현한 본 발명의 주된 기술적 특징은 다음과 같다.

일단에 앞바퀴가 연결되고, 타단에 핸들이 연결된 스티어링컬럼과,

상기 스티어링컬럼에 평행한 제1회전축방향과, 직교하는 제2회전축방향으로 모두 회전운동 가능하도록 상기 스티어링컬럼에 일단이 결합되는 제1프레임과,

일단에 구동스프로켓이 연결되고, 타단에 안장이 설치되며, 상기 제1프레임의 타단에 회전운동 가능하게 결합되는 제2프레임,

일단에 뒷바퀴가 연결되고, 타단에 상기 제2프레임이 회전운동 가능하게 결 합된 제3프레임, 으로 자전거의 기본뼈대가 구성된다.

이때 상기 제1 내지 제3프레임들의 일단 및 타단에는 회전운동 가능한 결합을 특정 회전각도에서 선택적으로 고정 유지시키는 결합각도 고정장치가 더 형성된다.

그리고 상기 제2프레임에 형성되는 제1프레임과의 결합부는 상기 제2프레임의 길이방향으로 슬라이딩 고정 가능하도록 구성된다.

상기 제2프레임 및 상기 제3프레임은, 각각의 일단부로부터 서로 회전운동 가능하게 결합되는 부분까지를 동력전달거리로 하는 체인동력전달구성을 더 포함하여 구성될 수 있으며, 이때 상기 제2프레임과 제3프레임이 회전운동 가능하게 결합된 부분에는 상기 제2프레임의 체인동력전달구성으로부터 상기 제3프레임의 체인동력전달구성에 동력을 전달하는 동력전달축이 구성된다.

상기 제3프레임의 일단부에는 상기 제3프레임의 회전각보다 같거나 크게 회전운동 가능하도록 결합되는 좌석지지프레임이 더 구성되며, 상기 좌석지지프레임에는 등받이가 상기 뒷바퀴의 원주방향으로 이동하는 좌석이 결합된다.

이때, 상기 제2프레임과 제3프레임이 서로 벌어진 상태에서 상기 좌석의 좌판은 상기 안장 위에 위치하고, 제3프레임은 상기 동력전달축의 길이 또는 상기 안장의 폭보다 넓은 간격으로 형성된 2개 이상의 프레임으로 구성되어 상기 좌석의 좌판을 필요에 따라 지지한다.

그리고 상기 제2프레임과 제3프레임의 길이의 합은 상기 안장으로부터 자전거 페달까지의 최대거리와 뒷바퀴의 반지름 길이의 합 보다 같거나 크도록 하여 자 전거가 최대로 벌어진 상태에서도 원활한 페달구동이 가능하도록 한다.

상기 본 발명의 주된 기술적 특징을 보다 구체적으로 표현하기 위하여 도면에 포함된 본 발명의 일 예를 참조하여 아래에 보다 상세히 설명한다.

다만 아래에 기술하는 구현예(embodiment of invention), 혹은 구체적인 실시예(specific example)에서 특정 용어를 포함한 구성요소들과 그것들을 서로 결합한 특정 결합구조가 본 발명에 포괄적으로 내재된 기술사상을 제한하는 것은 아님을 미리 밝혀둔다.

도1은 본 발명의 일 실시예인 자전거의 구조를 개념적으로 나타낸 측면도이다.

도1a는 전형적인 자전거의 구조를 개념적으로 도시한 것이다. 안장에 앉아서 주행하는 상태(서서 주행하는 상태라고 정의하자)에서 바퀴와 페달간의 기본적인 위치와 이를 최소의 부재로 최적으로 지지할 수 있는 트러스 형상의 프레임구조를 볼 수 있다.

본 실시예의 자전거 역시 도2a에서 보는 바와 같이 서서 주행하는 상태에서는 주요 부분의 위치는 같아야만 한다.

도면에서 운전자는 안장(24)에 앉아서 페달을 밟게 된다. 이때 도면부호 22는 페달의 회전범위를 나타내며 이 회전범위는 뒷바퀴 쪽으로는 어느 정도 확장될 수 있으나 앞바퀴 쪽으로는 확장여유가 없다. 왜냐하면 페달의 회전범위가 앞바퀴 를 침범한다면 조향되는 앞바퀴를 방해하기 때문이다.

이러한 원리는 페달에 연결되는 페달축 스프로켓의 점유위치에서 더욱 엄격히 적용된다. 말하자면, 페달축 스프로켓 회전범위(21)는 앞바퀴의 회전반경을 조금도 침범할 수 없다. 바퀴의 진행방향에 거의 근접한 상태로 평행하게 위치하는 페달축 스프로켓은 앞바퀴의 조향에 결정적인 방해요소가 될 뿐 아니라, 많이 이격되어 있지 않다면 뒷바퀴의 점유공간에도 방해가 된다.

본 실시예에서는 페달축 스프로켓의 회전범위(21)가 서서 운전하는 상태이건 앉아서 운전하는 상태(도1d)이건 앞바퀴를 조금도 간섭하지 않는 것을 전제로 설계하였다. (반면 앉아서 운전하는 상태(도1d)에서 페달 회전범위(22)는 앞바퀴를 어느정도 침범할 수 있게 하였는데, 이 상태에서 앞바퀴의 조향각도는 상대적으로 작을 뿐 아니라, 조향각도 확보보다는 전체 수평 프레임의 수평길이를 줄이는 것이 전체 구조의 강도나 조종안정성에 더 중요하기 때문이다.)

도1b를 참조하면, 상술한 바와 같은 원칙을 따르는 페달회전범위(22)와 페달축 스프로켓 회전범위(21)를 만족하도록 가운데 프레임을 배치하고 이 프레임의 끝단에 회전 가능하게 결합된 안장(24)을 배치하고 있다.

제1체인(23)은 상기 가운데 프레임(이하의 도면에서는 제2프레임으로 설명된다)에 설치되어 페달의 동력을 아래 설명하는 제2체인으로 전달한다.

다음으로 뒷바퀴쪽 프레임(이하 제3프레임)에는 제2체인(33)이 설치되어 있으며, 추가로 뒷바퀴 축과 동일한 회전축을 가지고 회전 가능하게 좌석지지프레 임(32)가 설치되고 상기 좌석지지프레임(32)에 좌석(31)이 설치된다.

도1c를 참조하면, 제2프레임과 제3프레임이 서로 접힌 상태(도1b)에서 펼쳐지면서, 안장(24)과 좌석(31)이 각각 제2프레임과 제3프레임을 따라 돌게 되고 이때 미리 의도해둔 설계를 통해 안장(24)이 좌석(31)의 밑으로 들어가게 된다.

도1c와 같이 1차 변형된 상태에서 다음 단계인 도1d를 참조하면, 앞바퀴 축에 연결되어 있는 스티어링컬럼이 누워지면서 상기 제2프레임과 상기 스티어링 컬럼을 연결하는 프레임(이하 제1프레임)이 펼쳐지게 되고, 동시에 상기 스티어링컬럼을 따라 앞바퀴 쪽으로 이동하고, 또한 제2프레임을 따라 뒷바퀴 쪽으로 이동하면서 전체 자전거의 바퀴간 거리를 줄이게 된다.

이후에 자전거의 상태는, 상기 제1,2,3 프레임이 거의 수평 일직선을 이루는 상태에서 스티어링컬럼과 함께 자전거의 앞뒤 바퀴축을 연결하면서 운전자의 체중을 지지하게 되며, 운전자가 앉는 좌석(31)은 뒷바퀴축으로부터의 좌석지지프레임(32), 안장(24), 제3프레임 등으로부터 동시에 지지 받으면서 좌판과 등받이로 전달되는 사용자의 하중을 견뎌낸다.

상기와 같이 탑승자세 조절이 이루어지는 자전거의 핵심 변형구조를 운동학적인 측면에서 아래와 같이 검증한다.

도2는 본 발명 자전거의 구조가 변형가능하기 위한 운동범위 한계를 기구학 적으로 설명한 도면이다.

도2a를 참조하면, Normal한 형태의 자전거에서 구조의 전체 비율을 결정하는 핵심 요소는 안장에서 페달까지의 평균 페달구동 행정거리, 즉 운전자의 평균 페달스트로크(103)이다.

이는 자전거를 주행하는 데 있어서 가장 불변의 요소가 되며 추가로 핸들과 안장과의 거리도 어느 정도 불변의 요소가 될 수 있을 것이나, 이는 운전자가 허리를 얼마나 굽히는지, 또는 운전자의 팔각도가 얼마나 앞으로 뻗는지에 따라 다소 달라지므로 결정적으로 길이가 고정되어야 할 요소는 아니다.

따라서 본 발명 자전거의 페달스트로크(103)는 도2a뿐 아니라 아래 도2b,c,d 에 서도 자전거의 변형여부에 관계없이 일정하여야 하며 이는 안장과 구동스프로켓이 장착되는 제2프레임(도2b의 20)의 전체 길이를 결정하는 가장 중요한 요소이다.

도2b에서는 본 발명 자전거에서 상기 페달스트로크(103) 못지 않게 중요한 변형가능 요소인 안장과 좌석의 회전범위를 나타내고 있다.

도면에서 앞바퀴에 연결된 프레임이 스티어링컬럼(steering-column=조향축 40)이며, 상기 스티어링 컬럼(40)으로부터 회전 및 컬럼의 길이방향으로 이동 가능하게 결합된 프레임이 제1프레임(10), 그리고 상기 제1프레임(10)의 끝단에 회전 가능하게 결합된 프레임이 제2프레임(20)이다.

이때 제1프레임(10)은 스티어링컬럼(40)에 연결된 방식과 동일하게 제2프레 임(20)에도 회전 및 프레임의 길이방향으로 이동 가능하게 결합된다.

이러한 결합방식은 제2프레임(20)과 제3프레임(30)에는 적용될 수 없는데, 그 이유는 제2프레임과 제3프레임에는 각각 체인이 감겨있기 때문이고, 이 체인의 길이는 기본적으로 변경될 수 없기 때문이다.

따라서 뒷바퀴에 연결되는 프레임인 제3프레임(30)은 제2프레임(20)의 안장쪽 특정 지점에 회전만 가능하도록 결합된다.

도면에서, 좌석 앞 끝단의 회전반경(101)은 안장의 뒷 끝단 회전반경(102)을 침범할 수 없다. 즉 좌석의 최초 장착위치는 제2프레임과 제3프레임이 서로 펼쳐질 때 안장이 밑으로 들어갈 수 있도록 설계되어야 한다. 그렇지 않으면 제2, 제3프레임이 안장에 막혀 서로 회전변형 불가능하거나 혹은 애당초 편안함을 목적으로 하는 좌석의 좌판에 안장이 그대로 위치하게 되어 자전거의 탑승자세를 바꾸는 효과가 없기 때문이다.

도2c를 살펴본다. 도면에서 도면부호 105는 도2a의 Hip-joint 지점이다. 도2c는 제2-제3프레임만 완전히 펼쳐 졌을 뿐, 제1프레임의 슬라이딩 이동은 아직 완료되지 않은 상태이다.

도2c에서 제3로테이팅 결합부(r3_이하 r3결합부라 한다)는 제2프레임과 제3프레임이 설정된 각도로 회전할 수 있도록 한 회전결합부이다.

도면에 표시된 도면부호에서 앞 문자가 r로 표시된 결합부, 즉 r3~r6결합부는 결합된 양 부재가 상대회전만 가능한 로테이팅 결합부이다. 여기서 r은 rotating 즉 회전을 의미한다. 그리고 앞 문자가 s로 표시된 결합부, 즉 s7결합부는 결합된 양 부재가 길이방향으로 상대이동만 가능한 슬라이딩 결합부이다. 여기서 s는 sliding 즉 미끄러짐을 의미한다. 동일한 요령으로 이하 도2d에 표시되어 있는 도면부호에서 앞문자가 sr로 표시된 결합부, 즉 sr1~sr2결합부는 결합된 양 부재가 상대회전과 길이방향 상대이동이 모두 가능한 결합부이다.

마찬가지로 여기서 sr은 rotating-sliding 즉 회전-미끄러짐을 의미한다.

도면에서 회전운동가능한 부위의 색은 파란색, 미끄러짐 운동가능한 부위의 색은 밝은 녹색, 회전과 미끄러짐 운동이 둘 다 가능한 부위의 색은 빨간색으로 표시되어 있다.

슬라이딩컬럼에 마련되어 있는 s7결합부는 컬럼 내부에 내장되어 있는 연장축이 슬라이딩방향(106)으로 뽑혀져 나오게 된다. 다음으로 슬라이딩컬럼의 상부 끝단에는 r6결합부가 마련되어 있으며 앞바퀴와 직교하면서 수평방향으로 놓여졌었던 핸들을 비스듬한 방향(107)으로 회전시켜 마치 하레이 데이비슨 모터크루저 사이클의 핸들처럼 운전자가 앉은 상태에서 편안하게 잡을 수 있도록 변형된다.

제2프레임(20)이 회전하면서 r4결합부는 적절히 회전하여 제3프레임(30)이 완전히 회전하기 전에 좌석 밑으로 안장을 밀어 넣는다.(r4결합이 없으면 안장이 좌석 끝에 걸리는 경우가 있다) 이 궤적을 보여주는 것이 회전범위 101과 102 이다.

r3결합부를 중심으로 제2, 제3프레임이 회전할 때 중요한 궤적은 페달스트로크(103)과 좌석의 좌판 끝 회전범위(104)이다.

좌석의 좌판이 일반적인 의자의 좌판이라면(즉, 안장 모양처럼 좁지 않다면) 운전자가 다리를 내릴 수 있는 최대범위는 좌석의 좌판 끝이다. 즉 엉덩이 관절(hip-joint = 105)는 반드시 좌석의 좌판 끝보다 위에 위치하여야 한다.

도2c에는 파란색 원호로 도시되어 있는 회전범위 103위에 hip-joint의 위치 105가 위치하며 이것은 좌석의 좌판 끝 회전범위(104) 안쪽으로 깊이 들어갈 수 없다.

즉 도2c는 운전자가 자전거를 좌석 끝에 걸터앉은 상태로만 운전할 수 있는 불완전한 변형 상태이다.

따라서 도2d에서는 운전자가 좌석에 편안히 앉은 상태에서 엉덩이 관절이 페달스트로크(103)를 만족하는 hip-joint(105)와 일치되도록 sr2 결합부가 뒷바퀴 쪽으로 이동하게 된다.

이때 제2-제3프레임은 거의 일직선을 이루게 되나, 이것은 본 실시예에 해당하는 예일 뿐, 제2~제3프레임이 반드시 정확한 일직선이 될 필요는 없다. 다만 좌석의 위치를 최대한 낮추는 것이 자전거의 주행안정성에 좋고(좌석이 높으면 주행 중에 좌석 아래로 다리를 내릴 때 발이 땅에 닿지 않을 우려가 있다) 이렇게 좌석의 위치를 낮추면서 전체 자전거의 높이와 길이를 모두 최소화하려면 제2-제3프레임은 최대한 벌어진 상태(거의 일직선 상태)여야 할 것이다.

주행안정성에 따른 페달의 높이를 고려함에 있어 또 하나 중요한 것은, 도면에서 변형 후의 페달스트로크의 높이는 변형 전의 페달스트로크의 높이보다 더 낮 을 수 없다는 점이다. 도면상에서 minimum-pedal high로 표시되는 이 높이는 페달이 낮으면 지면에 발이 부딪히므로 자명한 사항이다. 따라서 좌석의 위치를 낮추기 위해 r5를 지나치게 많이 회전시킬 수는 없다. r3가 180도 이상의 각도로 더 벌어지면서 r5를 더 많이 회전시킬 수도 있겠으나, 이 경우 제2-제3프레임간 회전결합부를 고정시키는 설계(이하에서 설명되는 안장받침대(25)가 그 역할을 수행한다)에서 많은 제약이 따르게 되며, 제3프레임에 설치되는 체인이 안장을 지나쳐서 회전, 즉 안장의 바깥쪽에서 회전해야 한다. 이러한 체인 간 간격배치는 페달을 움직이는 다리를 방해하게 되므로 사실상 불가능한 것이다..

따라서 minimum-pedal high를 만족하면서 제2프레임과 제3프레임이 회전 가능한 결합각도는 안장을 뚫고 회전하지 않는 180도 이하인 것이 바람직하다.

도2d는 sr2결합부가 (108)방향으로 이동하고, 동시에 스티어링컬럼과 제1프레임간 sr1결합부도 최대한 앞바퀴 쪽으로 이동한다. 이러한 슬라이딩 운동과 회전운동의 결합으로 핸들은 최대한 좌석에 가깝게 이동한다. 이러한 이동의 한계치를 정하는 가장 중요한 요소는 제2프레임의 페달스프로켓이 앞바퀴와 겹쳐서는 안된다는 점이다. 도면부호 110의 간극은 상기 간섭방지 여유를 표시한다. 이때 페달은 앞바퀴와 겹치게 되는데 이때 앞바퀴의 조향각도는 좌우 페달의 폭에 따라서 제한될 것이다. 이러한 조향제한은 스티어링 컬럼에 별도의 제한장치(벌어졌을 때에만 작용하는 장치)를 두어 해결할 수 있다. 조향의 제한을 원하지 않는다면 108, 109방향 슬라이딩길이를 일부 줄여서 앞바퀴와 페달스트로크의 겹침면적을 최소화 할 수 있다. 다만 이러한 낮은 주행자세에서 과격한 조향은 필요가 없거니와 오히려 자전거를 넘어지게 하거나 사고를 유발하므로 조향범위가 좁은 것이 단점이 되지는 않는다.

도면에서 좌석은 페달쪽으로 최대한 기울어진 안장의 위에 걸터앉는 형상으로 안착된다. 도면을 참조하면 좌석지지프레임과 제3프레임간의 간격이 도2c보다 좀더 좁아진 것을 알 수 있다. 즉 좌석지지프레임과 제3프레임은 서로 약간의 회전이 가능한 쿠션지지 구조로 설계할 수 있다는 뜻이다. 또한 도면상에서 좌석은 제2프레임, 안장, 제3프레임 등으로부터 겹겹이 지지를 받고 있어 그 착석구조 및 지지구조가 실로 훌륭하다고 할 수 있다. 이러한 최적화된 좌석배치 구조는 전체 구조의 강도설계, 특히 좌석지지프레임의 강도설계에 충분한 여유를 제공하며 차체 전체중량의 경량화에 결정적으로 기여한다.

도 3은 도 2의 운동 메커니즘이 실제 하중상태에서 구현 가능하도록 각 프레임을 실제 형상화한 실시예의 측면도이다.

도3a 및 도3b는 자전거가 접힌 상태, 즉 일반적인 주행상태에서의 자전거 측면을 양쪽에서 도시한 것이다.

도면에서, 제1프레임(10)은 일반적인 단순 파이프 형상으로 설계될 수 있지만, 제2프레임(20)과 스티어링컬럼(40)은 단턱부가 형성된 복합적 형상으로 설계되어야 한다. 제1프레임(10)이 상기 제2프레임과 스티어링컬럼 상에서 직선미끄럼 운동을 하기 때문이다. 따라서 sr1결합부와 sr2결합부가 원하는 위치에서 고정되면서 각 프레임에 강한 축방향 지지를 받기 위해서는 스티어링컬럼(40)은 단턱부(11)가, 제2프레임(20)은 그 양단부가 상기 sr1, sr2결합부의 대응면 단부의 형상과 동일할 필요가 있다.

제2프레임에 배치되는 제1체인은 차체 오른쪽 면에 배치된 제1체인덮개(26)로 덮이며, 제3프레임에 배치되는 제2체인은 차체 왼쪽 면에 배치된 제2체인덮개(36)으로 덮인다. 제1프레임에 배치된 고정부재(19)와 제2프레임에 배치된 고정부재(29)는 아래의 도3c에서 보는 바와 같이 제1, 제2프레임이 서로 완전히 변형 결합되었을 때, 양 부재를 단단히 구속시켜주는 중요한 역할을 한다. 운전자가 좌석에 앉아서 주행을 할 때 페달에 걸리는 강한 하중을 제2-제3프레임간 결합부에서 다 받아내기에는 구조적으로 어렵다(불가능한 것은 아니지만). 이러한 구조에서 상기 고정부재(19,29)는 최적의 위치에서 페달의 하중을 대부분 지지하게 되므로 상기 제1프레임과 제2프레임은 사실상 하나의 강한 텐덤-프레임으로 작용할 수 있게 된다.

도면부호 34는 좌석 양 옆에 마련되는 좌석날개(34)이며 운전자의 몸을 좌우로 밀려나지 않게 지지하는 역할이다. 좌석스프링(35)는 좌석지지프레임(32)와 제3프레임(30) 간에 설치되며 좌석이 제3프레임(30)에 안착될 시 안장받침대(25)에 설치된 스프링과 더불어 좌석을 탄성 지지한다.

도3c 및 도3d는 자전거가 펼쳐진 상태, 즉 좌석에 앉아서 주행하는 상태에서의 자전거 측면을 양쪽에서 도시한 것이다.

도면에서, 스티어링컬럼의 s7결합부에서는 스티어링컬럼 길이가 연장되며, 컬럼 과 핸들(41)을 연결하는 r6결합부에서는 핸들의 길이가 연장된다. 자세한 구 조는 이하의 도5b를 참조한다.

도4a는 자전거가 펼쳐졌을 때, 좌석지지프레임이 회전 가능한 운동범위(r31)와 좌석스프링이 탄성 변형되는 운동범위(s35)를 설명하고 있다. 안장은 안장받침대 상에서 추가로 회전 변형되면서 좌석을 지지한다.

도4b는 제1프레임이 실질적으로 슬라이딩 되는 운동범위인 s106과 s109를 자세히 도시한 그림이다. 이 운동범위는 앞서 설명한 도2d에서 도시된 운동방향 106, 109가 갖는 범위와 실질적으로 같게 도시되었다.

또한 회전운동범위 r25는 안장받침대(25)가 제2프레임과 제3프레임을 연결하는 축 상에서 회전 가능한 운동범위를 나타낸다.

도4c는 도4b의 변형전 상태에서 완전히 변형된 후의 상태를 확대 도시한 것이다. 도면에서 고정부재(19,29)는 최대한 페달 축에 가깝게 배치되어 페달에 걸리는 하중을 효율적으로 지지하며, 안장받침대(25)는 제2프레임(20)과 제3프레임(30)이 더 이상 회전하지 않도록(자전거 몸체가 주저앉지 않도록) 양 부재 사이에서 단단한 멈춤쇠 역할을 한다. 추가로 도면에 도시된 고정홀(17,27)은 sr1결합부와 sr2결합부가 로테이팅 운동을 할 때 특정각도에서 회전하는 양 부재의 각도를 고정시켜주는 운동을 하며, 마찬가지로 또 다른 고정홀(18, 19)은 sr1결합부와 sr2결합부가 슬라이딩 운동을 할 때 직선이동하는 양부재의 위치를 양단에서 고정시켜주는 역할을 한다.

도4d는 자전거가 펼쳐진 상태에서의 핵심 몸체 구성을 위에서 도시한 그림이 다. 도면에서 조향각(steer angle)은 페달을 밟는 발의 범위 정도에서 제한될 수 있으며 도시된 각도 만으로도 자전거의 조향은 충분하다. (캐스터각이 극대화된, 즉 앞바퀴가 크게 누운 상태이므로)

도면에서 제3프레임(30)과 제2프레임(20), 그리고 안장받침대(25)를 관통하는 축은 회전 가능한 동력전달축이며, 이 짧은 부분(동력전달축)을 통해 제1체인(23)과 제2체인(33)이 서로 연결되어 페달에서 뒷바퀴로 동력을 전달한다.

여기에서 상기 동력전달축은 도4d에서 안장받침대(25)와 제2프레임(20), 제3프레임(30) 등의 결합부 내부에서 회전 지지되면서, 그 전부 또는 대부분이 가려져 있는 상태이므로 특별히 도면부호로 표시하진 않았다. 다만 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 도4c와 도4d를 참조하여, 상기 안장받침대와 제2, 제3프레임이 공유하는 회전중심 상에 제1체인과 제2체인을 서로 연결하는 내장된 회전축을 추가 삽입할 수 있다는 점은 자명하다.

도5a, 도5b는 자전거의 두 구조를 위에서 바라다 본 모습으로, 핸들(41)이 r6결합부에서 r107만큼 회전하고, 연장부재(42)만큼 뽑혀지며(길이 연장되며) 손잡이(43)은 운전자가 쥐기 좋게 회전 변형된다. 이 상태에서 손잡이(43)의 세로막대형 보조손잡이는 여전히 수직에 가까운 상태로 직립해 있어 운전자가 마치 자동차 핸들을 잡고 운전하는 느낌과 유사한 운전감각을 제공하여준다.

추가로 좌석(31)이 안장(24)위에 반쯤 걸쳐진 상태를 잘 보여주고 있는데 좌석이 안장을 완전히 덮지 않는 구조 역시 페달운동에 허벅지의 위치를 고려하여 최 적으로 설계된 것이다.

이상 본 발명이 구체화된 실시예를 도면과 함께 상세히 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시예에만 국한되는 것은 아니다.

다시 말해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 명세서 및 도면이 내포하고 있는 기술적 사상을 활용하여 필요에 따라 본 발명의 명세서 및 도면에 미처 포함되지 않은 단순한 변경 및 간단한 확장 사례를 추가로 구현할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명이 고유하게 보유하는 기술적 사상의 범위에 자명하게 포함된다.

도 1은 본 발명 자전거의 구조를 개념적으로 나타낸 측면도.

도 2는 본 발명 자전거의 구조가 변형가능하기 위한 운동범위 한계를 기구학적으로 설명한 도면.

도 3은 도 2의 운동 메커니즘이 실제 하중상태에서 구현 가능하도록 각 프레임을 형상화한 실시예의 측면도.

도 4a~c는 본 발명 자전거의 세부구성을 측면에서 도시한 그림.

도 4d~도5b는 본 발명 자전거의 세부구성을 상면에서 도시한 그림.

* 도면 주요부분에 대한 도면부호의 설명

10: 제1프레임 20: 제2프레임

21: 페달축 스프로켓 회전범위

22: 페달 회전범위 23: 제1체인

24: 안장 30: 제3프레임

31: 좌석 32: 좌석지지프레임

33: 제2체인 40: 스티어링컬럼

sr1:제1 슬라이딩-로테이팅 결합부(sr1결합부)

sr2:제2 슬라이딩-로테이팅 결합부(sr2결합부)

r3:제3 로테이팅 결합부(r3결합부)

r4:제4 로테이팅 결합부(r4결합부)

r5:제5 로테이팅 결합부(r5결합부)

r6:제6 로테이팅 결합부(r6결합부)

s7:제7 슬라이딩 결합부(s7결합부)

Claims (9)

1. 삭제
2. 삭제
3. 일단에 앞바퀴가 연결되고, 타단에 핸들이 연결된 스티어링컬럼(40);

   상기 스티어링컬럼에 평행한 제1회전축방향과, 직교하는 제2회전축방향으로 모두 회전운동 가능하도록 상기 스티어링컬럼에 일단이 결합되는 제1프레임(10);

   일단에 구동스프로켓이 연결되고, 타단에 안장이 설치되며, 상기 제1프레임의 타단에 회전운동 가능하게 결합되는 제2프레임(20); 및

   일단에 뒷바퀴가 연결되고, 타단에 상기 제2프레임이 회전운동 가능하게 결합된 제3프레임(30); 을 포함하여 구성되며,

   상기 제2프레임에 형성되는 제1프레임과의 결합부(sr2)는 상기 제2프레임의 길이방향으로 슬라이딩 고정 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 탑승자세 조절이 가능한 자전거.
4. 제3항에 있어서, 상기 제2프레임(20) 및 상기 제3프레임(30)은,

   각각의 일단부로부터 서로 회전운동 가능하게 결합되는 부분까지를 동력전달거리로 하는 체인동력전달구성을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탑승자세 조절이 가능한 자전거.
5. 제4항에 있어서, 상기 제2프레임과 제3프레임이 회전운동 가능하게 결합된 부분에는 상기 제2프레임의 체인동력전달구성으로부터 상기 제3프레임의 체인동력전달구성에 동력을 전달하는 동력전달축이 구성되는 것을 특징으로 하는 탑승자세 조절이 가능한 자전거.
6. 제5항에 있어서, 상기 제3프레임의 일단부에는 상기 제3프레임의 회전각보다 같거나 크게 회전운동 가능하도록 결합되는 좌석지지프레임(32)이 더 구성되는 것을 특징으로 하는 탑승자세 조절이 가능한 자전거.
7. 제6항에 있어서, 상기 좌석지지프레임(32)에는 등받이가 상기 뒷바퀴의 원주방향으로 이동하는 좌석(31)이 결합되며, 상기 제2프레임과 제3프레임이 서로 벌어진 상태에서 상기 좌석의 좌판은 안장(24) 위에 위치하는 것을 특징으로 하는 탑승자세 조절이 가능한 자전거
8. 제7항에 있어서, 상기 제3프레임(30)은 상기 동력전달축의 길이 또는 상기 안장(24)의 폭보다 넓은 간격으로 형성된 2개 이상의 프레임으로 구성되는 것을 특징으로 하는 탑승자세 조절이 가능한 자전거.
9. 제8항에 있어서, 상기 제2프레임(20)과 제3프레임(30)의 길이의 합은 상기 안장(24)으로부터 자전거 페달까지의 최대거리와 뒷바퀴의 반지름 길이의 합 보다 같거나 큰 것을 특징으로 하는 탑승자세 조절이 가능한 자전거.

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