KR20170138236A - 주행성능을 최대화한 자전거용 리어허브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자전거용 리어허브에 관한 것이다.
특히 주행중 역방향의 회전은 억제하면서, 페달을 밟지 않고 자유 주행시 발생한 회전력에 대한 저항성을 최소화하여 자유 주행의 거리를 최대화하여 주행성능을 향상시킨 리어허브에 관한 것이다.
페달을 밟는 인력에 의하여 주행하는 자전거는 페달을 밟지 않을 경우, 페달을 계속 회전하지 않더라고 자유회전이 가능하도록 라쳇기구를 설치한다. 이러한 라쳇기구는 페달을 밟지 않아도 회전이 가능하게 하는 장점이 있는 반면에 라쳇의 동작을 위하여 내부에 설치한 스토퍼의 마찰로 인한 동력손실이 발생한다.
본 발명은 자전거의 뒷바퀴의 림과 포크로 연결한 허브축(50), 상기 허브축에 회전자유롭게 장착한 허브보디(51), 상기 허브보디의 양단부에서 상기 허브축의 사이에 배치된 마찰저감부재들(52)(53), 상기 허브실의 일단측에서 변속장치와 체결되어져 회전자유롭게 설치한 구동체(55)를 포함하는 리어허브에 있어서,
상기 허브보디와 허브축사이에서 구동체로부터 전달되는 동력의 전달과 차단하는 일방향 베어링,
상기 일방향 베어링의 내륜과 체결되어 뒷바퀴에 동력을 전달하는 구동체,
상기 구동체와 키를 매개로 역회전시 걸림기능을 하는 키홈을 형성한 허브보디를 구비한 주행성능을 최대화한 자전거용 리어허브를 개발하여 라쳇기구에 의한 동력손실을 방지하면서도 자유주행시의 페달을 밟지 않아도 회전동작에는 지장이 없도록 하였다.

Description

주행성능을 최대화한 자전거용 리어허브{Bicycle rear hub to maximize riding distance ability}

본 발명은 자전거용 리어허브에 관한 것이다.

특히 정상주행의 리어허브에서의 마찰저항을 최소화하는 동시에, 페달을 밟지 않고 자유 주행시에도 발생한 회전력에 대한 저항을 최소화하여 주행성능을 향상시킨 리어허브에 관한 것이다.

자전거는 후레임의 전, 후방에 자유롭게 회전하는 전륜과 후륜, 탑승자의 발에 의해 동력을 발생시키는 페달, 이 페달의 회전으로 후륜측으로 동력을 전달하기 위한 동력전달부로 구성된다.

상기 동력전달부는 페달측에 주동 스프라켓이, 그리고 후륜측에 일방향으로만 동력이 전달되도록 라쳇수단을 갖는 종동스프라켓, 그리고 이 주동스프라켓과 종동스프라켓을 연결하는 체인으로 구성되어있다. 종동스프라켓에는 후륜과 일방향으로만 라쳇(rachet)기구가 구비되어 있다. 이와 같이 구성된 통상의 자전거는 페달을 일방향, 즉 전진하는 방향으로 회동시킬 때 주동스프라켓의 동력이 체인에 의하여 종동 스프라켓을 통하여 후륜측으로 전달되어 자전거가 전진방향으로만 주행이 이루어 진다.

페달을 밟을 때만 힘을 전달하고 공회전(자유주행 = 무부하 주행)일 때는 페달을 밟지 않고 있어도 발을 페달에 얹은 상태로 주행가능하게 하는 라쳇 기구는 폴(pawl)을 사용하는 형태와 다른 형태의 부속을 쓰는 형태로 대별될 수 있다. 현재 대부분의 자전거는 폴을 사용함에 따라 리어허브 바디를 분리하면 일방향으로 기울어지게 형성된 라쳇 걸림부에 폴이 걸리면 동력을 전달하고 공회전시에는 특유의 라쳇음을 내면서 페달을 밟지 않아도 회전이 되도록 구성하고 있다.

라쳇기구가 갖는 특유의 기능을 원웨이 베어링을 이용하여 라쳇기구를 대체하는 리어허브가 일부 제공되고 있다.

라쳇기구를 대신한 원웨이(one way) 베어링(이하 일방향 베어링으로 한다)는 일방향으로 회전시에는 내부에 장치한 스토퍼들과 인렛레이어(=내륜)간의 마찰만이 있고 아웃레이어(외륜)와의 접촉은 차단되는 구조이다. 즉, 스토퍼와 인렛레이어의 사이에는 항시 접촉상태를 이루어야만 목적한 일방향으로의 동력전달이 가능하게 한다. 따라서 스토퍼와 인렛레이어간의 접촉으로 인한 동력손실이 발생하고 있다. 즉, 종래 기계적구조의 라쳇구조에 비하면 동력손실이 현저히 낮아지는 효과는 거두고 있으나, 상기한 마찰에 의한 동력손실은 피할 수 없는 것이다. 이러한 스토퍼와 내외륜과의 마찰 저항이 자전거의 사용기간이 오래되고, 베어링의 내외륜에 사용한 그리스의 노화 그리고 미세한 이물질의 침입으로 마찰저항이 심해지면서 자유주행거리가 점차 줄어들게 된다. 이러한 주행거리의 축소는 결국 자전거의 주행성능의 차이로 이어지고 있다.

본 발명은 오로지 인력에 의하여만 동력이 발생하는 자전거에 있어, 일방향만으로 회전이 가능하도록 조절하는 일방향 베어링에서 발생하는 내외륜과의 마찰을 최소화하여 인력에 의하여 발생한 동력의 손실이 극소화한 자전거용 리어허브를 제공하고자 한다.

본 발명은 자전거의 뒷바퀴와 회전불능하게 장착한 허브축(50), 상기 허브축에 회전자유롭게 장착한 허브보디(51), 상기 허브보디의 양단부에서 상기 허브축의 사이에 배치된 마찰저감부재들(52)(53), 상기 허브실의 일단측에서 변속장치와 체결되어져 회전자유롭게 설치한 구동체(55)를 포함하는 리어허브에 있어서,

상기 허브보디와 허브축사이에서 구동체로부터 전달되는 동력의 전달과 차단하는 일방향 베어링,

상기 일방향 베어링의 내륜에 삽입되어 동력을 전달하는 구동체,

상기 구동체의 역회전시 걸림기능을 하는 스톱돌기를 형성한 허브보디를 구비한 주행성능을 최대화한 자전거용 리어허브를 개발하였다.

본 발명은 일방향 베어링은 원형의 구름볼, 상기 구름볼과 접하는 환형의 내륜과 외륜으로 이루어진 센터링 베어링부,

상볼록면와 하볼록면을 형성하여 내륜과 외륜과 접하는 스토퍼들, 상기 상기 스토퍼들을 내륜을 향하여 환형으로 배치하되, 상기 스토퍼들을 내륜을 향하여 탄력적으로 압박하는 탄지구로 이루어진 일방향 베어링부,

그리고 내륜에는 자전거 리어허브축이 삽입되는 동시에 체인으로 전달된 동력에 의하여 회전하는 구동체와 체결하는 내륜체결부와 외륜체결부를 포함하여 구비하는 것을 특징으로 하는 주행성능을 최대화한 자전거용 리어허브를 개발하였다.

본 발명은 페달을 밟아서 주행하는 정상주행시에도 리어허브 보디에서 발생하는 마찰저항을 최소화하여 정상주행시에도 운전자가 보다 용이하게 운행이 가능하게 되었다.

본 발명은 또한 일방향 베어링에서 설치하는 스토퍼의 일부, 특히 외륜과 접하여 페달을 밟지 않고 자유주행시에도 마찰 접촉을 최소화함에 따라 자유주행의 거리도 확장되어 주행거리를 크게 늘릴 수 있게 되었다.

도 1 은 본 발명의 리어허브의 단면구성도,
도 2 는 본 발명의 리어허브의 분해사시도,
도 3 은 본 발명의 리어허브의 다른 방향의 분해사시도,
도 4 는 본 발명의 일방향 베어링의 평면도,
도 5 는 본 발명의 일방향 베어링의 사시도,
도 6 은 본 발명의 일방향 베어링의 반대방향의 사시도,
도 7 은 본 발명의 스톱돌기의 작동상태를 도시한 부분확대도임.

본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 본 발명에서 명명하는 장치, 부(部), 구(具)로 명명하는 것은 단일의 혹은 다수의 부품들이 어셈블리된 구조로, 이러한 구성의 예시로 인한 기술적범위가 한정되는 것은 아니며 오로지 기술적 설명을 위한 것이다. 본 발명에서 설명하는 자유주행이란, 자전거의 페달을 발로 밟지 않은 상태로 현재의 주행력을 그대로 이용하여 전진하는 것을 정의하는 것으로 본발명의 기술구성을 설명하기 위한 것으로 이러한 정의로 인한 본 발명의 기술적 구성이나 범위를 한정하는 것은 아니다.

이하 본 발명의 일방향 베어링을 설치한 자전거 리어허브를 설명한다.

본 발명에 의한 리어허브는 도 1의 단면구성도, 도 2와 3의 분해 사시도에 의하여 설명한다. 본 발명에서 정의하는 리어허브는 일반적으로 체인으로부터 전달된 동력을 구동체(55)로 부터 전달받아 적절한 속도로 변환하는 변속장치를 제외하고 설명하며, 기재한 부분이외의 구성부품에 대한 설명은 발명의 요부가 아니므로 생략한다.

본 발명의 리어허브는,

자전거의 뒷바퀴의 림과 포크로 연결한 허브축(50), 상기 허브축에 회전자유롭게 장착한 허브보디(51), 상기 허브보디의 양단부에서 상기 허브축의 사이에 배치된 마찰저감부재들(52)(53), 상기 허브실의 일단측에서 변속장치와 체결되어져 회전자유롭게 설치한 구동체(55)를 포함하는 리어허브에 있어서,

상기 허브보디와 허브축(50)사이에서 구동체로부터 전달되는 동력을 전달 혹은 차단하는 일방향 베어링(9),

상기 일방향 베어링의 내륜과 체결되어 뒷바퀴에 전달하는 구동체(55),

상기 구동체와 키(51b)를 매개로 역회전시 걸림기능을 하는 키홈(51a)를 형성한 허브보디(51)를 구비한 주행거리를 최대화한 자전거용 리어허브에 관한 것이다.

상기 구동체에는 미도시한 변속장치가 설치되며, 이 변속장치는 페달로부터 전달된 동력을 체인에 의하여 전달받아, 회전력을 부여한다. 이 회전력의 전진방향 후진방향의 단속을 본 발명의 일방향베어링에 의하여 정상주행시(페달을 밟아 주행하는 경우) 정방향만의 회전이 가능하고, 페달을 밟지 않은 자유주행시의 역방향의 회전은 차단토록 한다. 본 발명에서 도 4의 부분확대도 B에 도시하듯이 스토퍼의 일부가 외륜과 거리(d)를 두고 미세하게 분리되어있다. 따라서 역방향, 즉, 페달을 밟지 않고 자유주행시에 외륜과 일방향 베어링간의 마찰 접촉을 없애므로 인하여, 자유주행거리가 크게 확장할 수 있는 것이다.

본 발명의 또 다른 특징은 상기 키(51b)와 키홈(51a)이 일반적인 걸림기능을 발휘하는 사각, 육각과 같이 접촉부위가 각형태가 아닌 원형으로 구성하였다. 상기 스톱돌기에 억지끼움이 될 수 있도록 일방향베어링(9)의 외륜에도 외륜체결부(10b)를 형성하였다. 자전거를 주행하기 위한 리어허브는 축의 크기가 크지 않은 대신에 순간적으로 역회전동작에 따른 강한 저항을 받을 경우 첨예한 구조의 키는 각진 부분에 역방향의 힘의 집중이 반복되면서 파손이 쉽게 일어난다. 본 발명은 첨예한 구조의 모서리와 달리 접촉면적을 최대한 확보할 수 있도록 원형 구성하였다. 따라서 일방향베어링과 허브보디(51)사이에 순간적인 역방향 충격이 가해지더라도 접촉면적이 원형으로 인하여 넓게 접촉이 이루어짐에 따라 순간적인 일방향 베어링에 의한 역방향의 충격에 의한 손상을 효과적으로 넓게 확산시켜 버리므로 파손을 방지하게 하였다.

본 발명에서 상기 구동체(55)는 일방향베어링의 내륜(20)의 내륜체결부(10a)에 삽입할는 연결돌기(56)를 형성하였다. 따라서 구동체로부터 전달되는 동력이 일방향베어링에 전달되어 자전거의 정방향의 정상적 운행을 유도하다가 역방향, 보다 구체적으로는 주행중 페달을 밟지 않고 자유주행시에는 뒷바퀴의 회전동력이 구동체를 통하여 페달로 전달되는 것을 차단한다.

본 발명에서 상기 리어허브에 사용하는 일방향 베어링의 대표적 실시예를 첨부한 도 4 에서 평면도, 도 5 의 사시도, 도 6 의 반대면의 사시도에 의하여 설명한다.

본 발명의 자전거 리어허브용 일방향 베어링은 원형의 구름볼(1), 상기 구름볼과 접하는 환형의 내륜(2)과 외륜(3)으로 이루어진 센터링 베어링부(5),

상볼록면(6a)와 하볼록면(6b)을 형성하여 내륜과 외륜과 접하는 스토퍼(7)들,

상기 상기 스토퍼들을 내륜을 향하여 환형(circle type)으로 배치하되, 상기 스토퍼들을 내륜을 향하여 탄력적으로 압박하는 탄지구(8)로 이루어진 일방향 베어링부(9),

그리고 내륜에는 자전거 리어허브축이 삽입되는 동시에 체인으로 전달된 동력에 의하여 회전하는 구동체와 체결하는 내륜체결부(10a)와 외륜체결부(10b)로 이루어진다.

본 발명에서 상기 일방향 베어링부의 스토퍼는,

상볼록면(6a)와 하볼록면(6b)을 형성하되, 외측으로 확장하는 형상의 상볼록면에 절단면(6c)를 형성하였다.

상기한 절단면을 형성처리한 스토퍼의 갯수는 전체 내장설치된 스토퍼의 숫자를 기준으로 적어도 30% 에서 70% 까지 이다. 본 발명에서 도 4에 도시한 일방향베어링은 전체 26개의 스토퍼중 50%에 해당하는 13개를 상술하듯이 절단면을 형성하였다.

본 발명에서 스토퍼의 갯수의 일부를 상기하듯이 절단면의 형성으로 인하여 도 1의 B 부분확대도에 도시하듯이, 외륜의 내측면과 스토퍼의 상볼록면(6a)와의 사이에 공간이 발생한다. 이러한 공간의 발생으로 인하여 자전거의 페달을 밟지않고 무부하 주행시, 외륜과 스토퍼간의 마찰의 없애줌에 따라 자전거의 정상 주행과 자유주행의 거리를 대폭 증가시킬 수 있게 되었다. 30% 보다 적게 설치할 경우, 일방향 베어링이 갖는 본래의 일방향 기능은 높일 수 있으나 본 발명이 목적으로 하는 정상주행과 자유주행거리의 확장성이 좋지 않으며, 반대로 70% 보다 많게 할 경우에는 저항의 감소로 정상주행과 자유주행의 주행 거리 증대효과는 크지만, 역방향의 힘을 받을 경우 즉각적인 동력차단효과를 거둘 수 없어 안정성에 문제가 있다.

이상의 본 발명의 구성에 따른 동작을 도 7에 도시한 도면으로 설명한다. 자전거를 주행하면, 페달을 밟는 동력이 체인을 통하여 종동스프로킷, 구동체로 전달되어 정상주행이 된다. 그러다 페달을 밟지 않게 되면, 자전거의 자체적인 관성에 의하여 회전이 이루어지지만, 도 7의 부호 C, D 에 도시하듯이 스토퍼들이 화살표와 같이 기울어짐에 따라 스토퍼 상단이 일방향베어링의 외륜에 접하면 동력이 차단되고 접촉이 풀리면 동력이 전달된다. 본 발명에서는 부호 D 의 스톱돌기와 달리 절단면(6c)가 형성된 스톱돌기는 외륜과 일정거리를 두고 분리되어 있어 자유 주행시에는 저항이 없게 되며, 절단면이 없는 스톱돌기(7)는 저항역활을 수행한다. 이러한 절단면 형성된 스톱돌기와 일반돌기의 배치에 의하여 일방향베어링의 정역 동력차단기능은 발휘하면서 저항은 최소화하여 자전거 운전자가 받는 저항감을 최소화함으로써 효율을 극대화하게 되었다.

이상 본 발명의 대표적 실시예에 따른 실제 제작품을 이용한 자전거 장착후의 마찰저항 감소효과에 대한 실험 결과를 표시한다.

본 발명의 실 장착 실험은 리어허브에 대한 표준화된 시험장치, 시험 표준이 없는 관계로 발명자 임의로 설정하여 시험한 것이다. 본 발명에서 정상주행, 즉 페달을 밟아 주행하는 시험은 자전기 운행자의 운행습과, 체력에 따라 주행속도에 많은 차이를 보이므로 시험의 객관성을 담보하기 어려워 삭제하고, 자유 주행의 시험만 하였다.

시험 일자 : 2016년 5월 31일

시험 방법 : 발명자 소유의 자전거의 뒷바퀴에 본 발명의 리어허브를 설치한 것과 일반 리어허브(사용허브는 일본 시마노사 제품)를 설치한 것을 70 ±1 ㎞/h로 회전시킨 상태에서 자유 주행 시간 (사람이 탑승하지 않고 자유주행하는 시간)을 각각 5회에 걸쳐 측정하였음. 사용한 뒷바퀴의 크기 26인치이며, 각각의 바퀴 중량은 본 발명의 리어허브 설치한 것은 2.12㎏, 종래 일반 리어허브 설치한 것은 2.06 ㎏이다. 본 발명의 리어허브 설치된 바퀴가 0.6 ㎏이 더 무겁지만 일반적인 통계학적 평가기준으로 오차범위 ±5% 범위이내이고, 동일질량의 바퀴의 수배가 어려워 그대로 진행하였다.

속도측정장치 : panoram V12 (상표명) 일본 topeak 사 2014년 제작

시험 자전거의 뒷부분 실물 사진

실제 사용한 리어허브의 실물 사진

종래 리어허브설치된 뒷바퀴	본 발명의 리어허브 설치된 뒷바퀴

실측 방법은 아래 표 2와 같이 뒷바퀴에 속도계를 장착후 70 ㎞/h에 근접한 속도에서 자유 주행 시간을 측정하였다.

초기 측정시간	멈춤시 시간

상기와 같이 70 ㎞/h를 기준으로 총 5회의 실시한 결과는 아래와 같다.

측정 결과

	본 발명의 리어허브 설치된 바퀴의 자유 주행 시간	종래 리어허브 설치된 바퀴의 자유 주행 시간
1	초기속도 69 ㎞/h로 3분 33초 간 자유 주행	초기속도 69.7 ㎞/h로 1분31초간 자유 주행
2	초기속도 71.3 ㎞/h로 3분 30초간 자유주행	초기속도 70.0 ㎞/h로 1분 29초간 자유 주행
3	초기속도 71.0 ㎞/h로 3분 10초간 자유 주행	초기속도 71.7 ㎞/h로 1분 33초간 자유 주행
4	초기속도 70.7 ㎞/h로 3분 3초간 자유 주행	초기속도 70.6 ㎞/h로`1분 28초간 자유 주행
5	초기속도 70.9 ㎞/h로 3분 10초간 자유 주행	초기속도 71.2 ㎞/h로 1분 32 초간 자유 주행

시험 결과

본 발명		일반 허브
평균 초기 속도와 자유 주행 시간	70.58 ㎞/h 약 3분 17.2 초	평균 초기 속도와 자유 주행시간	70.64 ㎞/h 약 1분 30.6 초

상기 시험 결과가 정확한 표준 기구와 시험 방법에 의한 것은 아니지만 위 결과표에 나오듯이 종래의 리어허브는 1분 30.6초의 자유주행시간을 기록한 반면, 본 발명은 3분 17.2초로 증가하였다. 즉, 2배에 가까운 자유주행거리 증대를 확인할 수 있다. 이러한 결과는 실제 주행시 자전거 운행자가 받는 저항이 그만큼 감소한다는 것으로 주행성능이 획기적으로 개선됨을 확인할 수 있다.

1:구름볼, 2:내륜, 3:외륜, 5:센터링 베어링부, 7:스토퍼, 8:탄지구, 9:일방향 베어링부, 56:연결돌기, 57:반구형홈, 51a:키홈 51b:키

Claims (6)

1. 자전거의 뒷바퀴의 림과 포크로 연결한 허브축(50), 상기 허브축에 회전자유롭게 장착한 허브보디(51), 상기 허브보디의 양단부에서 상기 허브축의 사이에 배치된 마찰저감부재들(52)(53), 상기 허브실의 일단측에서 변속장치와 체결되어져 회전자유롭게 설치한 구동체(55)를 포함하는 리어허브에 있어서,
   상기 허브보디와 허브축사이에서 구동체로부터 전달되는 동력의 전달과 차단하는 일방향 베어링,
   상기 일방향 베어링의 내륜과 체결되어 뒷바퀴에 동력을 전달하는 구동체,
   상기 구동체와 키를 매개로 역회전시 걸림기능을 하는 키홈을 형성한 허브보디를 구비한 주행성능을 최대화한 자전거용 리어허브.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   허브보디의 스톱돌기는 원형으로 구성하는 것을 특징으로 하는 주행성능을 최대화한 자전거용 리어허브.
3. 제 1 항에 있어서,
   일방향 베어링은 원형의 구름볼, 상기 구름볼과 접하는 환형의 내륜과 외륜으로 이루어진 센터링 베어링부,
   상볼록면와 하볼록면을 형성하여 내륜과 외륜과 접하는 스토퍼들, 상기 상기 스토퍼들을 내륜을 향하여 환형으로 배치하되, 상기 스토퍼들을 내륜을 향하여 탄력적으로 압박하는 탄지구로 이루어진 일방향 베어링부,
   그리고 내륜에는 자전거 리어허브축이 삽입되는 동시에 체인으로 전달된 동력에 의하여 회전하는 구동체와 체결하는 내륜체결부와 외륜체결부를 포함하여 구비하는 것을 특징으로 하는 주행성능을 최대화한 자전거용 리어허브.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   일방향 베어링부의 스토퍼는,
   상볼록면(6a)와 하볼록면(6b)을 형성하되, 외측으로 확장하는 형상의 상볼록면에 절단면(6c)을 형성하여 외륜의 내면과 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 주행성능을 최대화한 자전거용 리어허브.
   
5. 제 3 항에 있어서,
   절단면을 형성처리한 스토퍼의 갯수는 전체 내장설치된 스토퍼의 숫자를 기준으로 30% ~ 70% 인 것을 특징으로 하는 주행성능을 최대화한 자전거용 리어허브.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   허브보디의 키와 키홈이 원형으로 구성하는 것을 특징으로 하는 주행성능을 최대화한 자전거용 리어허브.
   
   
   
   

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