KR101759094B1

KR101759094B1 - 스텝핑 방식을 이용한 구동장치

Info

Publication number: KR101759094B1
Application number: KR1020150115073A
Authority: KR
Inventors: 박광순
Original assignee: 박광순
Priority date: 2015-08-15
Filing date: 2015-08-15
Publication date: 2017-07-18
Anticipated expiration: 2035-08-15
Also published as: KR20170020691A

Abstract

본 발명은 리컴번트 자전거 또는 그와 유사한 장치에 적용 가능한 힘의 소실이 적은 스텝핑 방식을 이용한 구동장치에 관한 것으로, 구동원인 스텝핑 장치(100); 스텝핑 장치의 왕복운동을 구동륜에 전달하는 와이어 결합체(200); 와이어의 견인력을 상기 구동륜에 회전력으로 전환시켜 주는 프리휠부(300); 및 지렛대에 연결된 상기 와이어의 위치를 변화시켜 회전비를 달리하는 변속장치(400)를 포함한다. 이에, 페달에 가해지는 힘을 손실 없이 구동륜에 전달할 수 있어 적은 힘으로도 빠른 속도를 낼 수 있고 스텝핑의 운동 폭을 달리할 수 있어 근육의 피로도를 낮출 수 있다. 따라서 본 장치는 근력이 약한 노약자나 장애인 등을 위한 자전거나 휠체어 등의 구동장치로 적용하기에 매우 적합하다는 효과가 있다.

Description

스텝핑 방식을 이용한 구동장치{Driving apparatus using a stepping manner}

본 발명은 스텝핑 방식을 이용한 구동장치에 관한 것으로, 특히 리컴번트 자전거 또는 그와 유사한 장치에 적용 가능한 힘의 소실이 적은 스텝핑 방식을 이용한 구동장치에 관한 것이다.

기존의 자전거는 대부분 페달을 발로 밟아 크랭크 축을 회전시키는 페달링 방식을 적용하고 있는데, 힘을 가하는 페달이 크랭크 축과 수직선상에 위치하게 되면 페달에 가해진 힘이 회전력으로 전달되지 못하고 소실되어 에너지 낭비가 증가하며, 크랭크 축을 중심으로 동일한 크기의 회전운동을 무한 반복하게 되어 무릎 관절에 부담을 주고 근육의 피로도를 쉽게 증가시킨다.

기존의 자전거는 페달링 운동으로 발생한 힘을 구동륜에 전달하기 위해 스프라킷과 체인을 설치하고 있는데 특히 리컴번트 자전거에 설치된 긴 체인은 자전거의 미관을 해칠 뿐 아니라 체인 이탈, 신체나 옷의 끼임에 따른 손상 또는 오염의 우려가 있다.

기존의 진화된 자전거는 변속을 위해 앞뒤 구동계에 여러 장의 기어를 설치하여 회전비를 달리하도록 구조되어 있는데 여러 장의 기어 외에도 체인을 원하는 회전비의 기어에 위치시키기 위한 앞뒤 드레일러 등 복잡한 기계식 구조를 필요로 하고 있다.

자전거 무게를 가볍게 하기 위한 기술을 개발하기 위해 수많은 자전거 회사들이 무한경쟁을 펼치고 있으며 자전거의 가치는 그 무게와 반비례하여 형성되고 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 리컴번트 자전거를 도시한 도면이다. 도 2은 도 1에 적용된 페달링 방식의 힘 손실율을 설명하기 위한 도면이다. 도 3는 종래 기술에 따른 변속기의 회전비 변화 그래프이다.

도 1에 도시된 바와 같이 종래 기술에 따른 리컴번트 자전거는 페달링 수단에 긴 체인이 마련되어 있으며, 이러한 기존의 페달링 방식은 도 2에 도시된 바와 같이 페달이 최고점이나 최저점에 위치했을 때 페달을 밟는 힘이 모두 소실되어 힘 전달률 63.3%에 불과하여, 그 나머지 페달을 밟는 힘은 회전력으로 전달되지 못하고 축방향으로 소실된다는 문제점이 있다.

이러한 페달링 방식의 리컴번트 자전거에 마련되는 변속기의 경우 시중에는 33단 제품까지 출시되어 있으나, 도 3의 그래프는 구동부 크랭크에 3장의 기어와 후륜부에 8장의 기어를 설치한 24단의 경우에 대한 것으로, 각 단의 회전비 변화량은 일정하게 증가하거나 감소하지 않는다. 따라서 회전비의 변화량이 연속적이지 않아 사용에 불편한 점이 있다.

이와 같은 문제점을 해소시키기 위해 본 발명은 힘의 소실이 많은 페달링 운동 방식 대신에 스텝핑 운동 방식을 적용할 수 있는 스텝핑 방식을 이용한 구동장치를 제공하는데, 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 동력 전달을 위해 체인 대신 고장력의 와이어를 사용하여 구동륜을 회전시키는 스텝핑 방식을 이용한 구동장치를 제공하는데, 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 여러 장의 기어와 드레일러와 같은 복잡한 기계적 장치가 필요 없이 지렛대 원리에서 팔의 길이를 달리함으로써 구동륜의 회전비를 변화시키는 스텝핑 방식을 이용한 구동장치를 제공하는데, 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 그 구조를 단순화하고 가벼운 재료를 적용할 수 있도록 하여 동일 성능 대비, 자전거의 무게를 획기적으로 가볍게 할 수 있는 스텝핑 방식을 이용한 구동장치를 제공하는데, 그 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따른 스텝핑 방식을 이용한 구동장치가 차체 프레임 전방부의 구동축에 힌지 결합된 한 쌍의 지레대가 서로 교차하며 왕복운동 하도록 설치되어 있으며, 구동원인 스텝핑 장치(100); 스텝핑 장치의 왕복운동을 구동륜에 전달하는 와이어 결합체(200); 와이어의 견인력을 상기 구동륜에 회전력으로 전환시켜 주는 프리휠부(300); 및 지렛대에 연결된 상기 와이어의 위치를 변화시켜 회전비를 달리하는 변속장치(400)를 포함할 수 있다.

본 발명과 관련된 실시예로서, 자전거의 구동원인 스텝핑 장치(100)가, 한 쌍의 지렛대(110)들과, 지렛대(110)의 힌지 역할을 하는 프레임에 고정된 구동축(120)과, 지렛대(110)에 힘을 가할 수 있도록 구동축(120) 반대쪽에 설치된 페달(130)과, 지렛대(110)들이 교차운동을 할 수 있도록 한쌍의 지렛대(110)들을 연결하는 와이어(140)와, 하나의 지렛대(110)의 운동에너지를 또 다른 하나의 지렛대(110)로 전달하기 위해 상기 와이어(140)를 잡아주는 도르레(150)와, 한쌍의 지렛대(110)들의 진자운동으로 발생하는 상기 와이어(140)와 상기 도르레(150) 간의 유격을 방지하며, 상기 지렛대(110)들의 축을 중심으로 상기 지렛대(110)들에 부착되는 부채꼴 모양의 와이어 가이드(160)로 이루어질 수 있다.

본 발명과 관련된 실시예로서, 와이어 결합체(200)가, 복합소재의 고장력 와이어(210)와, 와이어(210)의 견인력을 프리휠에 회전력으로 전달하는 체인부(220)와, 좌우 프리휠를 감싸는 체인부(220)를 하나의 폐회로로 구성하기 위한 와이어부(230)와, 와이어부(230)에 결합되는 도르레(240)로 이루어질 수 있다.

본 발명과 관련된 실시예로서, 프리휠부(300)가, 구동륜을 지지하며 회전을 원활하게 해주는 허브(310)와, 회전력을 연속적으로 전달하기 위해 교차하며 동력을 전달하는 좌우 한 쌍의 프리휠(320)로 구성되며, 프리휠(320)의 외축부에 다수의 포울(321)이 성형되어 있고, 포울(321)의 길이가 다르게 성형되어 있을 수 있다.

본 발명과 관련된 실시예로서, 변속장치(400)가, 원하는 회전비를 얻기 위해 와이어의 연결부위를 지렛대의 특정한 위치로 이동시키기 위한 나선형 변속기(410)와, 변속기를 회전시켜 주는 회전장치(420)와, 변속기 작동시 와이어의 위치를 쉽게 변화시켜 주면서 와이어를 스테퍼 장치와 연결시켜 주는 연결고리(430)로 이루어지며, 나선형 변속기(410)의 단면이 프리휠을 중심으로 부채꼴 모양으로 성형되어 있을 수 있다.

본 발명은 페달에 가해지는 힘을 손실 없이 구동륜에 전달할 수 있어 적은 힘으로도 빠른 속도를 낼 수 있고 스텝핑의 운동 폭을 달리할 수 있어 근육의 피로도를 낮출 수 있다. 따라서 본 장치는 근력이 약한 노약자나 장애인 등을 위한 자전거나 휠체어 등의 구동장치로 적용하기에 매우 적합하다는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 구동원에서 구동륜에 동력을 전달하기 위해, 체인 대신 와이어를 사용함으로써 자전거의 외관을 미려하게 할 뿐 아니라, 체인의 이탈, 신체나 옷이 체인에 끼임으로 인한 손상 또는 오염 등을 예방할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 지렛대의 원리에서 팔의 길이를 달리하여 구동륜의 회전비에 변화를 줌으로써 기존의 변속기 보다 월등히 세분화된 변속기능을 갖거나 무단 변속기능을 제공할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 기존의 체인 대신 케볼라, 아라미드와 같은 경량의 복합소재 와이어를 사용하고, 변속장치를 단순화하여 기존 변속기 구성품인 다수의 기어와 드레일러를 사용하지 않게 함으로써 저비용으로 가벼운 자전거를 제작할 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 리컴번트 자전거를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 적용된 페달링 방식의 힘 손실율을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 종래 기술에 따른 변속기의 회전비 변화 그래프를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 스텝핑 방식을 이용한 구동장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 4에 적용된 스텝핑 방식의 구동장치 개념도이다.
도 5a는 도 4에 적용된 스텝핑 방식의 구동장치 중, 프리휠의 톱니바퀴를 와이어 안내홈으로 대체한 적용예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5b는 도 4에 적용된 스텝핑 방식의 구동장치 중, 지렛대의 왕복운동을 안내하기 위해 베벨기어 셋을 적용한 예와 견인와이어 대신 견인막대가 적용된 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 5의 스텝핑 방식의 구동장치의 운동폭에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명에 적용된 구동륜의 허브와 프리휠의 결합 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 7의 구동륜의 허브와 프리휠 단면도이다.
도 9는 외축부에 포울을 성형한 프리휠의 라쳇 구조 단면도이다.
도 10은 지렛대 원리를 이용한 변속기의 개념도이다.
도 11은 도 4에 적용된 스텝핑 방식의 힘 손실율을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예이다.

본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.

또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 스텝핑 방식을 이용한 구동장치를 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 도 4에 적용된 스텝핑 방식의 구동장치 개념도이다. 도 5a는 도 4에 적용된 스텝핑 방식의 구동장치 중, 프리휠의 톱니바퀴를 와이어 안내홈으로 대체한 적용예를 설명하기 위한 도면이다. 도 5b는 도 4에 적용된 스텝핑 방식의 구동장치 중, 지렛대의 왕복운동을 안내하기 위해 베벨기어 셋을 적용한 예와 견인와이어 대신 견인막대가 적용된 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 6은 도 5의 스텝핑 방식의 구동장치의 운동폭을 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 본 발명에 적용된 구동륜의 허브와 프리휠의 결합 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 8은 도 7의 구동륜의 허브와 프리휠 단면도이다. 도 9는 외축부에 포울을 성형한 프리휠의 라쳇 구조 단면도이다. 도 10은 지렛대 원리를 이용한 변속기의 개념도이다. 도 11은 도 4에 적용된 스텝핑 방식의 힘 손실율을 설명하기 위한 도면이다. 도 12는 본 발명의 다른 실시예이다.

주로 리컴번트 자전거 및 이와 유사한 기구를 위한 스텝핑 방식의 구동장치는 고정된 하나의 축을 중심으로 좌우 한 쌍의 지렛대(110)가 서로 교차하며 운동하도록 구조되어 있고, 힌지 역할을 하는 지렛대 축(120) 부분의 반대방향에 페달(130)을 구성하고, 어느 일단의 지렛대 페달에 힘을 가하게 되면 지렛대 중간부분에 고정된 와이어(210)를 견인하게 되고, 와이어(210)는 구동륜 축의 좌우측에 설치된 한 쌍의 프리휠(320) 중 어느 일단의 프리휠(320)을 감싸고 돌면서 구동륜을 회전시키고, 와이어(210)는 프레임에 고정된 도르레(240)를 거쳐 다시 다른 일단의 프리휠(320)을 감싸고, 힘을 가하지 않은 다른 일단의 지렛대 중간부분에 연결되며, 이에 따라 힘을 가하지 않은 지렛대는 힘을 가하는 지렛대와 반대방향으로 교차하여 움직이게 되고, 힘을 가한 지렛대가 한계점에 다다르게 되었을 때 반대방향의 지렛대에 교대로 힘을 가하면 연결된 와이어(210)를 통해 다른 일단의 프리휠(320)를 감싸고 돌면서 구동륜을 연속적으로 회전시키게 되는 구동장치로, 탑승자가 스텝핑 동작을 통해 지렛대를 왕복운동 하게 되면 이와 연결된 와이어를 통해 구동륜에 장착된 좌우 한 쌍의 프리휠(320)을 교대로 견인하여 구동륜을 연속적으로 회전시킨다.

최초 탑승자가 기기에 동력을 가하는 구동부의 스텝핑 장치(100)는 한 쌍의 지렛대(110)와, 지렛대(110)의 힌지 역할을 하는 프레임에 고정된 구동축(120)과, 지렛대(110)에 힘을 가할 수 있도록 힌지 반대쪽에 설치된 페달(130)과, 지렛대(110)가 교차운동을 할 수 있도록 두 개의 지렛대(110)를 연결하는 와이어(140)와, 와이어(140)와 도르레(150) 간의 유격을 방지하기 위한, 지렛대 축을 중심으로 지렛대(110)에 부착되는 부채꼴 모양의 와이어 가이드(160)로 이루어진다.

또 다른 실시예로, 교차운동을 안내하는 와이어(140)와 도르레(150) 대신, 베벨기어 셋트를 사용할 수 있으며, 이에 대해 간단히 설명하면, 한 쌍의 지렛대(110)와, 지렛대의 힌지 역할을 하는 프레임에 고정된 구동축(120)과, 지렛대(110)에 힘을 가할 수 있도록 힌지 반대쪽에 설치된 페달(130)과, 지렛대(110)가 교차운동을 할 수 있도록 두 개의 지렛대(110)에 부착된 베벨기어(170)와 구동축(120)과 직각의 축에 고정되어 두 개의 지렛대(110)에 설치된 베벨기어(170)와 동시에 맞물려 회전하도록 설치된 베벨기어(170)로 이루어질 수도 있다.

스텝퍼의 동력을 구동륜으로 전달하는 와이어 결합체(200)가, 복합소재의 고장력 와이어(210)와, 와이어(210)의 견인력을 프리휠에 회전력으로 전달하는 체인부(220)와, 좌우 프리휠(320)를 감싸는 체인부(220)를 하나의 폐회로로 구성하기 위한 와이어부(230)와, 와이어 결합체(200)를 폐회로로 구성하면서 힘의 소실 없이 힘의 방향을 전환시켜주는 도르레(240)로 이루어진다.

또 다른 실시예로서, 프리휠을 감싸는 체인부(220)를 대신하여 와이어를 사용하는 것으로, 복합소재의 고장력 와이어(210)와, 와이어(210)의 견인력을 구동륜에 회전력으로 전달하기 위해, 프리휠 톱니 대신 성형된 안내홈(330)을 따라 고정된 와이어와, 이를 하나의 폐회로로 구성하면서 힘의 소실 없이 힘의 방향을 전환시켜주는 도르레(240)로 이루어진다.

견인 와이어 결합체(200) 대신 견인막대(250)를 설치한 것으로서, 고정된 하나의 축을 중심으로 좌우 한 쌍의 지렛대(110)가 서로 교차하며 운동하도록 구조되어 있고, 힌지 역할을 하는 지렛대 축(120) 부분의 반대방향에 페달(130)을 구성하고, 베벨기어 셋트가 설치되어 지렛대의 상호 교차운동이 가능하게 구성하고, 어느 일단의 지렛대 페달에 힘을 가하게 되면 지렛대 중간부분에 고정된 견인막대(250)를 견인하게 되고, 견인막대(250)는 구동륜 축의 좌우측에 설치된 한 쌍의 프리휠(320) 중 어느 일단의 프리휠의 상단과 접촉하면서 견인막대(250)와 프리휠(320)에 성형된 치자가 서로 맞물리면서 구동륜을 회전시키고, 힘을 가한 지렛대가 한계점에 다다르게 되면 반대방향의 지렛대가 상호 교차하면서 교대로 힘을 가하면 연결된 견인막대(250)를 통해 다른 일단의 프리휠(320)을 회전시켜 구동륜을 연속적으로 회전시키게 되는 구동장치로, 탑승자가 스텝핑 동작을 통해 지렛대(110)를 왕복운동 하게 되면 이와 연결된 견인 막대를 통해 구동륜에 장착된 좌우 한 쌍의 프리휠을 교대로 견인하여 구동륜을 연속적으로 회전시키도록 구현할 수 있다.

와이어의 견인력을 구동륜에 회전력으로 전환시켜 주는 프리휠부(300)는, 구동륜을 지지하며 회전을 원활하게 해주는 허브(310)와, 회전력을 연속적으로 전달하기 위해 교차하며 동력을 전달하는 좌우 한 쌍의 프리휠(320)로 이루어진다.

이때 프리휠부(300)의 프리휠 외축부에 다수의 포울(321)이 성형되어 있고, 이때 포울(321)의 길이는 다르게 성형되어 있는데, 그 이유는 포울의 길이를 달리하여 스텝핑 운동에 따른 구동륜의 회전 반응속도와 유격을 최소화하고 포울(321)과 치자(322)에 가해지는 충격력을 최소화함으로써 내구성을 증가시킬 수 있는 구조를 갖도록 하기 위함이다.

스텝핑 장치의 지렛대(110)에 연결된 와이어(210)의 위치를 변화시켜 회전비를 달리하게 해주는 변속장치(400)가, 원하는 회전비를 얻기 위해 와이어(210)의 연결부위를 지렛대(110)의 특정한 위치로 이동시키기 위한 나선형 변속기(410)과, 변속기(410)를 회전시켜 주는 회전장치(420)와, 변속기 작동시 와이어(210)의 위치를 쉽게 변화시켜 주면서 와이어(210)를 스테퍼 장치와 연결시켜 주는 연결고리(430)로 이루어진다.

그리고 변속에 따른 와이어(210)의 위치가 변함에 따른 와이어 전체 길이의 변화를 최소화하기 위해 프리휠(320)을 중심으로 나선형 변속기(410)의 단면이 부채꼴 모양으로 성형되어 있다.

상기와 같이 구성된 스텝핑 방식을 이용한 구동장치에 대해서 다시 한번 설명하면 다음과 같다.

본 발명인 스텝핑 방식을 이용한 구동장치가 적용된 리컴번트 자전거는 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 지렛대(110)와 페달(130), 그리고 이들 지렛대가 스텝핑에 의한 교차운동을 할 수 있도록 전면에도 와이어(140)와 도르레(150)를 설치하고 우측의 와이어 결합체(200)와 하나의 폐회로를 이룬다. 어느 일단의 페달을 밟으면 지렛대(110)에 연결된 와이어(200)의 견인력이 후륜 프리휠(310)을 통해 회전력으로 전환된다. 그리고 지렛대가 운동 한계점에 이르게 되면 반대쪽의 페달이 교차운동에 의해 그 위치가 반대지점에 위치하게 되므로 반대편 페달을 스텝핑할 수 있게 된다. 상기한 과정들이 반복되면서 연속하여 구동륜에 회전력을 전달할 수 있게 된다. 이로써, 도 11에 도시된 바와 같이 운동범위를 60도를 상정하여 분석하면 힘 전달률이 95.3%, 손실율은 4.7%에 불과하다.

본 발명에 적용된 스텝핑 방식의 구동장치에 도 6을 참조하여 설명하면, 스텝핑 방식에서 지렛대의 운동폭을 60도로 하고 지렛대(110) 길이를 34cm로 정하면 그 운동폭이 페달의 운동폭과 동일하게 된다. 즉 기존에 적용된 페달 방식에서 페달의 회전 반경은 17cm 내외로 회전을 하게 되므로 운동폭은 34cm이다.

도 6의 스텝핑 방식의 구동장치의 경우 사용자가 운동폭을 그때 그때 마다 달리할 수 있으며, 운동폭이 34cm로 고정되어 있는 페달링의 경우, 동일한 운동을 무한 반복하여야 하므로 무릎에 무리가 오고 노약자나 장애인의 경우, 그 운동폭이 과다하여 사용할 수 없으나, 본 발명에 따른 스텝핑 방식이 적용된 리컴번트 자전거의 경우 노약자나 장애인도 쉽게 작동할 수 있는 장점이 있다. 또한, 밟는 힘은 대퇴부 근육을 이용하게 되는데 운동폭이 적을수록 더 큰 힘을 발휘할 수 있으므로 변속기에 의존하지 않고도 운동폭을 달리하여 그 효과를 얻을 수 있는 것도 장점이다.

도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 구동륜의 허브(310)를 중심으로 좌우 한 쌍의 프리휠(320)이 장착되어 스텝핑에 의해 발생한 와이어(200)의 견인력을 좌우 프리휠(320)이 번갈아 가며 구동륜에 회전력을 전달한다. 또한 회전 마찰을 최소화하여 구름성을 극대화하고 부품별 부위별로 부하를 고려하여 내구성을 극대화할 수 있도록 베어링과 라쳇 구조들의 위치가 정해지며, 허브(310)는 중심의 축을 이루는 액슬(311)과 좌우 한 쌍의 베어링 콘(312)과 베어링(313)이 프리휠(320)의 바로 아래 부분에 위치되어 안정적인 구조를 이룬다. 프리휠(320)은 포울(321)을 외축부에, 치자(322)는 내축부에 성형된다.

도 9는 외축부에 포울을 성형한 프리휠의 라쳇 구조 단면도로서, 본 발명의 구동 메카니즘을 구현하기 위해 기술적으로 가장 고려하여야 할 부분이 프리휠의 내구성 보장이다. 스텝핑에 의해 좌우 프리휠 라쳇 구조의 '결착 - 해제' 과정이 지속적으로 반복되므로 포울(321) 배치 간격과 치자(322)의 크기에 의해 발생하는 유격을 공회전하면서 충격력이 반복적으로 발생하게 된다. 여기서 라쳇 구조의 결착과정에서 발생하는 충격력의 크기는 포울(321)의 수가 많을수록, 치자(322)의 크기가 작을수록 공회전 유격이 작아지면서 충격력이 작아진다. 공회전 유격을 줄이는 방법으로 본 발명은 라쳇구조를 최대한 많이 성형할 수 있도록 외축부에 성형하고 포울의 배치 간격을 서로 어긋나게 하고 포울의 길이를 다르게 한 것이 특징이다. 스프링(324)은 얇은 박막의 판형으로 U자형으로 성형하되 포울의 기저부와 동일한 크기로 원형부를 확장하여 운동폭을 최대화할 수 있다.

도 10은 지렛대 원리를 이용한 나선형 변속기의 개념도로서, 지렛대의 원리에서 팔의 길이를 달리하면 같은 힘으로 큰 힘을 발휘하거나 더 큰 폭의 운동으로 전환할 수 있다. 와이어 연결부를 페달 방향으로 이동시키면 운동폭이 커지면서 고속주행이 가능하고 반대로 힌지 방향으로 이동시키면 운동폭은 작아지지만 더 큰 힘을 전달하여 오르막을 쉽게 오를 수 있게 된다. 지렛대(110)와 나란히 설치된 나선형 변속기(410)을 회전장치(420)로 회전시키면 와이어 연결고리(430)의 위치가 위 아래로 변화하면서 회전비를 달리하는 아주 단순한 구조이다. 또한 회전비의 증감이 연속적으로 발생하여 무단 변속기라는 점이 큰 장점이다. 변속을 위해 와이어 위치가 변화하게 되면 프리휠까지의 거리가 변화하면서 유격이 발생할 수 있다. 이 점에 착안하여 이를 방지하기 위해 나선형 변속기(410)의 몸체의 단면을 완만하게 둥굴게 성형하였다. 프리휠(320)을 중심으로 하는 호의 모양과 일치하게 하여 와이어 고리(430)가 상하 어느 곳에 위치하고 있더라도 와이어와 프리휠까지의 거리가 일정하도록 하여 유격 발생의 여지를 없앤 것이다.

도 12는 본 발명의 다른 실시예로서, 스텝핑 방식 구동장치의 유사기구에 적용한 예시도이다. 스텝핑 방식 구동장치는 그 위치를 달리하여 다양한 기구에 적용할 수 있다. 상단의 그림은 롱베이스 리컴번트 자전거에 적용한 예이다. 이러한 방식의 적용은 삼륜 리컴번트에도 동일하게 적용할 수 있다. 아울러 스테퍼 장치를 구동륜 쪽으로 설치하고 지렛대를 길게 하여 설치한다면 하반신 장애인용으로 손으로 밀어 스테퍼를 작동하는 방식으로도 적용 가능할 것이다. 하단의 그림은 일반 자전거에 적용한 예시도로서 지렛대의 방향이 리컴번트와 달리 수평인 점과 와이어의 견인력을 프리휠로 전달하기 위해 안장 밑부분에 도르레(241)를 추가로 설치한 것이 차이점이다.

전술한 내용은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 스텝핑 장치
110 : 지렛대 120 : 구동축
130 : 페달
200 : 와이어 결합체
210 : 견인 와이어 220 : 체인부
300 : 프리휠부
310 : 허브 320 : 프리휠
321 : 포울 322 : 치자
400 : 변속장치
410 : 나선형 변속기 420 : 회전장치

Claims

자전거의 구동원으로써,
차체 프레임 전방부의 구동축에 힌지 결합된 한 쌍의 지레대가 서로 교차하며 왕복운동 하도록 설치되어 있는 스텝핑 장치(100);
상기 스텝핑 장치(100)의 왕복운동의 결과로 발생한 견인력을 자전거 뒤에 위치한 구동륜의 프리휠부(300)에 전달하는 와이어 결합체(200);
상기 와이어 결합체(200)의 견인력을 자전거 뒤에 위치한 구동륜에 회전력으로 전환시켜 주는 프리휠부(300); 및
상기 스텝핑 장치(100)의 지렛대와 평행하게 설치된 나선형의 회전체가 회전하면서 상기 와이어 결합체(200)의 견인부 위치를 지렛대의 상하로 이동시킴으로써 상기 와이어 결합체(200)의 견인되는 운동폭을 크거나 적게함으로써 상기 프리휠부의 회전비를 달리하는 변속장치(400);
를 포함하는 스텝핑 방식을 이용한 구동장치.
제 1 항에 있어서,
자전거의 상기 구동원인 스텝핑 장치(100)가,
한 쌍의 지렛대(110)들과,
상기 지렛대(110)의 힌지 역할을 하는 프레임에 고정된 구동축(120)과,
상기 지렛대(110)에 힘을 가할 수 있도록 힌지 반대쪽에 설치된 페달(130)과,
상기 지렛대(110)들이 교차운동을 할 수 있도록 한쌍의 지렛대(110)들을 연결하는 와이어(140)와,
하나의 지렛대(110)의 운동에너지를 또다른 하나의 지렛대(110)로 전달하기 위해 상기 와이어(140)를 잡아주는 도르레(150)와,
상기 한쌍의 지렛대(110)들의 진자운동으로 발생하는 상기 와이어(140)와 상기 도르레(150) 간의 유격을 방지하며, 상기 지렛대(110)들의 축을 중심으로 상기 지렛대(110)들에 부착되는 부채꼴 모양의 와이어 가이드(160)로,
이루어진 스텝핑 방식을 이용한 구동장치.
제 1 항에 있어서,
상기 와이어 결합체(200)가,
복합소재의 고장력 와이어(210)와,
상기 와이어(210)의 견인력을 좌우 프리휠을 감싸며 회전하면서 프리휠에 회전력으로 전달하는 체인부(220)와,
상기 와이어(210)와 체인부(220)를 하나의 폐회로로 구성하기 위한 와이어부(230)와,
상기 와이어부(230)에 결합되는 도르레(240)로,
이루어진 스텝핑 방식을 이용한 구동장치.
제 1 항에 있어서,
상기 구동륜에 회전력으로 전환시켜 주는 프리휠부(300)가,
상기 구동륜을 지지하며 회전을 원활하게 해주는 허브(310)와,
회전력을 연속적으로 전달하기 위해 교차하며 동력을 전달하는 좌우 한 쌍의 프리휠(320)로 구성되며,
상기 프리휠(320)의 외축부에 다수의 포울(321)이 성형되어 있고,
상기 포울(321)의 길이가 다르게 성형되어 있는 것을 특징으로 하는 스텝핑 방식을 이용한 구동장치.
제 1 항에 있어서,
상기 와이어의 위치를 변화시켜 회전비를 달리하는 변속장치(400)가,
원하는 회전비를 얻기 위해 와이어의 연결부위를 지렛대의 특정한 위치로 이동시키기 위한 나선형 변속기(410)와,
상기 변속기를 회전시켜 주는 회전장치(420)와,
상기 변속기 작동시 와이어의 위치를 쉽게 변화시켜 주면서 와이어를 스테퍼 장치와 연결시켜 주는 연결고리(430)로 이루어지며,
상기 나선형 변속기(410)의 단면이 프리휠을 중심으로 부채꼴 모양으로 성형되어 있는 것을 특징으로 하는 스텝핑 방식을 이용한 구동장치.