공기 역학에 부합하는 자전거 프레임

공기 역학에 부합하는 자전거 프레임{AERODYNAMIC BICYCLE FRAME}

본 고안은 자전거 프레임에 관한 것으로, 특히 공기 역학에 부합하는 자전거 프레임에 관한 것이다.

레이싱형 자전거에 있어서, 공기 역학은 경기 성적에 영향을 주는 중요한 요소이므로, 자전거 제품 설계에 있어 어떻게 공기 저항을 감소시킬 것인가를 모두 연구하고 있다. 자전거 프레임 구조 설계에 관하여, 프레임의 공기 저항을 줄이기 위하여, 종래의 자전거 프레임의 구조는 바람의 저항이 작은 튜브 재료를 많이 사용한다. 예를 들면 종래의 자전거 프레임의 전단(前端)의 헤드 튜브 및 헤드 튜브와 스탠드 튜브의 저단(底端) 사이에 연결된 하향 경사 튜브 등은 단면이 타원형 또는 유선형인 부재를 많이 사용한다. 도 18 및 도 19에 도시한 바와 같이, 타원형 단면 형상의 하향 경사 튜브(8A) 또는 유선형 단면 형상의 하향 경사 튜브(8B) 양측의 호형 곡면 및 좌우 방향의 폭 감축 등 구조를 통해, 바람의 저항을 줄이는 목적에 도달하였다. 또한 자전거 경주에서 생수를 휴대해야 하므로, 자전거 프레임에는 일반적으로 헤드 튜브와 스탠드 튜브의 저단 사이에 연결된 하향 경사 튜브의 배면에 고정대를 설치하고, 고정대를 이용하여 물병을 거치하거나 또는 스탠드 튜브 앞 측에 추가로 고정대를 설치하여 다른 물병을 거치한다. 자전거 경주 규칙에 따르면, 상기 물병은 반드시 원형 병이어야 한다.

그러나 종래의 자전거 프레임에서, 도 18, 도 19에 도시한 바와 같이, 타원형 단면 형상의 하향 경사 튜브(8A) 또는 유선형 단면 형상의 하향 경사 튜브(8B) 배면에 고정대를 고정 설치하여 원형 물병(7)을 설치하면, 물병(7) 좌우 양측에서 하향 경사 튜브(8A, 8B) 양측 사이의 거리와 물병(7) 사이의 공간 거리가 너무 커, 자전거가 고속으로 주행할 경우, 기류가 하향 경사 튜브(8A, 8B) 양측의 호형 곡면을 따라 하향 경사 튜브(8A, 8B) 배면과 물병(7)의 사이로 흘러가면, 기류는 상기 공간에서 난류 현상을 발생시켜, 공기 저항력이 커지는 문제가 발생한다.

그리고, 종래의 자전거 프레임의 하향 경사 튜브(8A, 8B) 자체는 타원형 단면 형상의 하향 경사 튜브(8A) 또는 유선형 단면 형상의 하향 경사 튜브(8B) 양측의 호형 곡면 및 좌우 방향의 폭 감축 등 구조를 통해, 바람의 저항력을 줄이는 목적에 도달할 수 있으나, 하향 경사 튜브(8A, 8B) 배면에 물병(7)을 거치하면, 물병의 직경과 하향 경사 튜브(8A, 8B)의 좌우 방향 폭 차이가 커서, 기류가 하향 경사 튜브(8A, 8B)의 좌우 양측의 호형(弧形) 곡면을 통과한 후, 하향 경사 튜브(8A, 8B)의 좌우 호형 곡면이 기류를 확산시켜 물병을 원활하게 우회하도록 유도하지 못하므로, 물병 좌우 양측의 바람 맞이 부위의 풍압이 커서, 바람의 저항력이 커지는 문제가 있다.

도 20~도 22는, 종래의 타원형 단면 형상의 하향 경사 튜브(8A)를 가진 자전거 프레임에 대해 컴퓨터 모의 실험한 풍동(風洞) 모의 실험도이며, 상기 풍동 모의 실험도를 통해 알 수 있듯이, 기류는 상기 하향 경사 튜브(8A) 배면 및 물병(7)을 통과한 후, 기류는 단면이 타원형인 하향 경사 튜브(8A) 배면 양측과 물병(7) 사이에서 난류가 발생하여, 원활하게 통과하지 않으며, 또한 도면에서는 기류가 하향 경사 튜브(8A)와 물병(7) 표면에 작용하는 응력이 큰 것으로 나타나 있다(주황색 면적 범위가 크다). 또한 도 20~도 22에서 도시한 내용에서 알 수 있듯이, 상기 자전거 프레임은 스탠드 튜브 앞 측에 제2 물병을 거치할 경우, 하향 경사 튜브(8A) 좌우 양측을 통해 분류된 기류가 뒤를 향해 하향 경사 튜브(8A) 배면의 물병 뒤쪽을 통과할 때, 기류의 후류(尾流) 강도가 커져, 2개의 물병 사이에 난류 현상이 발생할 수 있다.

본 고안의 주요 목적은 공기 역학에 부합하는 자전거 프레임을 제공하여, 종래의 도로 경주용 자전거 프레임의 하향 경사 튜브 양측과 물병 사이의 거리가 커서, 자전거 고속 주행 시 난류가 발생하고 공기 저항력이 큰 문제를 해결하는 것이다.

상기 목적에 도달하기 위하여, 본 고안의 자전거 프레임은 헤드 튜브, 스탠드 튜브, 축관부, 하향 경사 튜브 및 2개의 프레임 리어 포크를 포함하고, 상기 헤드 튜브와 스탠드 튜브는 전후로 간격을 두고 배열되고, 상기 축관부는 스탠드 튜브의 저단에 연결 설치되고, 상기 하향 경사 튜브는 앞이 높고 뒤가 낮게 헤드 튜브 하단(下段)과 스탠드 튜브의 저단의 축관부 사이에 연결되고, 상기 2개의 프레임 리어 포크 좌우로 간격을 두고 스탠드 튜브와 축관부 후측에 연결 설치되고, 상기 하향 경사 튜브의 단면 형상은 전단이 뾰족한 호형이고 좌우 양측이 앞에서 뒤로 확장 연신된 유선형 곡면이며, 하향 경사 튜브의 배면은 평탄면을 형성하고, 하향 경사 튜브의 배면 중간단(中段)에 오목홈이 형성되어 있으며, 오목홈의 깊이는 3mm~60mm이다.

상술한 자전거 프레임을 통해, 프레임 하향 경사 튜브가 유선형을 이루는 구조를 이용하여, 하향 경사 튜브의 배면에 오목홈이 형성된 구조를 결합하여, 물병이 고정대를 통해 하향 경사 튜브의 배면에 장착될 때, 오목홈을 이용하여 물병이 하향 경사 튜브의 배면에 접근할 수 있게 하여, 하향 경사 튜브 양측과 물병 사이의 거리를 단축시켜, 자전거 프레임이 고속 주행 시, 기류가 하향 경사 튜브 양측의 유선형 곡면을 따라 원활하게 통과한 후, 계속하여 물병 양측의 원호 곡면을 따라 통과할 수 있으므로, 기류가 프레임의 하향 경사 튜브와 물병 사이를 통과하면서 발생하는 난류의 현상을 효과적으로 줄여, 자전거 프레임의 물병이 장착된 하향 경사 튜브 부위의 공기 저항력을 줄일 수 있다.

본 고안의 자전거 프레임은 또한 자전거 프레임에서 앞이 좁고 뒤가 넓은 유선형 곡면 형상을 가진 하향 경사 튜브 단면의 좌우 폭이 60mm~84mm이고, 전후 길이가 55mm~90mm이거나, 하향 경사 튜브 단면의 좌우 폭이 66mm~70mm이고, 전후 길이가 78mm~82mm이고, 오목홈의 깊이가 5.5mm~9.5mm 등의 사이즈 한정을 이용하여, 하향 경사 튜브의 단면 형상이 통상의 원형 물병의 사이즈와 매칭되게 할 수 있다. 하향 경사 튜브의 배면의 오목홈이 하향 경사 튜브 양측과 물병 사이의 거리를 단축하는 것을 기초로 하여, 상기 하향 경사 튜브의 특정 범위의 사이즈 조합을 결합하여, 하향 경사 튜브 좌우 양측에 가상의 날개 형상의 윤곽이 형성될 수 있게 함으로써, 자전거 프레임이 고속 주행 시, 기류가 하향 경사 튜브 양측의 유선형 곡면을 따라 원활하게 통과한 후, 하향 경사 튜브 좌우 양측의 가상의 날개 형상의 윤곽을 통해, 하향 경사 튜브 좌우 양측의 유선형 곡면을 통하여 분류된 기류가 뒤로 외부를 향하여 확산되게 할 수 있어, 기류가 하향 경사 튜브를 통과한 후의 후류 강도도 줄여, 기류로 하여금 계속하여 물병 양측의 유선형 곡면을 따라 원활하게 통과할 수 있게 하여, 기류가 프레임의 하향 경사 튜브와 물병 사이를 통과하면서 난류가 발생하는 � �상을 효과적으로 줄여, 자전거 프레임의 물병이 장착된 하향 경사 튜브 부위의 공기 저항력을 감소시킬 수 있다. 상기 자전거 프레임은 스탠드 튜브 앞측에 제2 물병을 추가로 장착하는 경우에도, 하향 경사 튜브 좌우 양측의 유선형 곡면을 통해 분류된 기류가 뒤를 향하여 외부로 확산되는 것에 의해, 기류가 하향 경사 튜브와 그 배면의 물병 뒤쪽을 통과하는 후류 강도를 줄일 수 있어, 2개의 물병 사이를 통과하는 난류 현상을 함께 줄일 수 있다.

도 1은 본 고안의 자전거 프레임의 바람직한 실시예의 입체 외관 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 자전거 프레임의 바람직한 실시예의 측면에서 바라본 평면 개략도이다.
도 3은 도 2에 도시된 자전거 프레임의 바람직한 실시예에서 하향 경사 튜브의 단면선 FF 위치의 단면 개략도이다.
도 4는 도 1에 도시된 자전거 프레임의 바람직한 실시예의 하향 경사 튜브에 고정대 및 물병이 장착된 입체 개략도이다.
도 5는 도 4에 도시된 자전거 프레임의 바람직한 실시예의 하향 경사 튜브에 고정대 및 물병이 장착된 단면 개략도이다.
도 6은 도 1에 도시된 비교적 큰 사이즈의 하향 경사 튜브 실시예에서 물병이 장착된 후의 공기저항력을 나타낸 개략도이다.
도 7은 도 1에 도시된 비교적 작은 사이즈의 하향 경사 튜브 실시예에서 물병이 장착된 후의 공기저항력을 나타낸 개략도이다.
도 8과 도 9는 본 고안의 자전거 프레임의 하향 경사 튜브에 물병이 장착된 후의 기체 흐름을 컴퓨터로 모의한 모의도이다.
도 10~도 17은 본 고안의 자전거 프레임에 물병을 장착한 후 컴퓨터 모의 실험한 풍동(風洞) 모의 실험도이다.
도 18은 종래의 자전거 프레임의 제1 타입 하향 경사 튜브에 물병이 장착된 후의 공기 저항력을 나타낸 개략도이다.
도 19는 종래의 자전거 프레임의 제2 타입 하향 경사 튜브에 물병이 장착된 후의 공기 저항력을 나타낸 개략도이다.
도 20~도 22는 종래의 자전거 프레임의 제1 타입 하향 경사 튜브에 물병을 장착한 후 컴퓨터 모의 실험한 풍동 모의 실험도이다.

도 1은 본 고안의 자전거 프레임의 바람직한 실시예를 도시하였고, 도면을 통해 상기 자전거 프레임은 헤드 튜브(1), 스탠드 튜브(2), 축관부(2A), 하향 경사 튜브(3) 및 2개의 프레임 리어 포크(4)를 포함하고 있음을 알 수 있다. 상기 헤드 튜브(1)와 스탠드 튜브(2)는 앞뒤로 간격을 두고 배열되고, 축관부(2A)는 스탠드 튜브(2)의 저단(底端)에 연결 설치되고, 하향 경사 튜브(3)는 앞이 높고 뒤가 낮게 헤드 튜브(1) 하단(下段)과 스탠드 튜브(2)의 저단에 위치한 축관부(2A) 사이에 연결되고, 상기 2개의 프레임 리어 포크(4)는 스탠드 튜브(2)와 축관부(2A)의 후측에 좌우 간격을 두고 연결 설치된다. 상기 프레임 리어 포크(4)는 상부 프레임 리어 포크(4A)와 하부 프레임 리어 포크(4B)를 포함하고 있으며, 상부 프레임 리어 포크(4A)의 전단은 스탠드 튜브(2)의 상단(上段) 후측에 연결되고, 하부 프레임 리어 포크(4B) 전단은 스탠드 튜브(2)의 저단의 축관부(2A) 후측에 연결되고, 상부 프레임 리어 포크(4A)의 후단은 하부 프레임 리어 포크(4B)의 후단에 연결된다. 상기 자전거 프레임은 헤드 튜브(1)의 상단(上段)과 스탠드 튜브(2)의 상단(上段) 사이에 하향 경사 튜브(3)의 상측에 위치하는 탑 튜브(5)를 추가적으로 설치할 수도 있다. 상기 프레임은 철, 합금재료 또는 탄소섬유 재질 등으로 제조될 수 있으며, 프레임은 탄소섬유 재질로 제조되는 것이 가장 바람직하다.

도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 하향 경사 튜브(3)의 단면 형상은 전단이 뾰족한 호형이며 좌우 양측은 앞에서 뒤로 확장 연신된 유선형 곡면(30)이고, 하향 경사 튜브(3)의 배면(31)은 평탄면일 수 있으며, 상기 평탄면은 평면 또는 곡률이 큰 호형 곡면 등 실질적으로는 평탄한 표면이며, 하향 경사 튜브(3)의 배면(31) 중간단(中段)에 오목홈(32)이 형성되고 있고, 상기 오목홈(32)은 상단, 하단이 호형 곡면을 이루며 하향 경사 튜브(3)의 배면과 이어진다. 본 실시예에서, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 하향 경사 튜브(3)의 단면의 좌우 폭(A)은 60mm~84mm이고, 전후 길이(B)는 55mm~90mm이고, 오목홈의 깊이(C)는 3mm~60mm이고, 상기 전후 길이(B)는 상기 오목홈의 깊이(C)보다 크고, 하향 경사 튜브(3)의 단면의 좌우 폭(A)이 66mm~70mm이고, 전후 길이(B)가 78mm~82mm이고, 오목홈의 깊이(C)가 5.5mm~9.5mm가 가장 바람직한 사이즈 조합이다. 상기 오목홈(32)은 오목한 호형 곡면 형상의 외홈부(321) 및 외홈부(321)의 내측 중앙에 위치하는 직사각형의 내홈부(322)를 포함하고 있으며, 오목홈(32)의 내홈부(322)에는 물병의 고정대가 나사로 고정된다.

본 고안은 상기 자전거 프레임을 통해, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 프레임의 하향 경사 튜브(3) 배면의 오목홈(32)을 이용하여 물병(7)의 고정대(6)를 오목홈(32)에 나사로 고정할 수 있고, 고정대(6)는 오목홈(32)에서 하향 경사 튜브(3)의 배면(31) 바깥쪽으로 연신되어, 물병(7)이 고정대(6)에 장착되게 하고, 물병(7)은 오목홈(32)의 외홈부(321)로 들어가 하향 경사 튜브(3) 배면(31)에 접근하여, 하향 경사 튜브(3) 좌우 양측과 물병(7) 사이의 거리를 단축할 수 있다. 또한, 상기 하향 경사 튜브(3)는 앞이 좁고 뒤가 넓으며, 앞에서 뒤로 연신되는 유선형 곡면(30) 및 단면 형상의 길이 및 폭의 특정한 사이즈 조합을 추가적으로 이용하여, 하향 경사 튜브(3) 좌우 양측에 가상의 날개 형상의 윤곽을 형성함으로써, 원형의 물병(7)의 직경과 매칭되게 한다.

본 고안의 프레임을 갖는 자전거가 고속 주행할 때, 도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이, 본 고안의 프레임의 하향 경사 튜브(3)가 앞이 좁고 뒤가 넓으며 앞에서 뒤로 연신되는 뾰족한 형상의 유선형 곡면(30) 구조이므로, 기류로 하여금 하향 경사 튜브(3) 양측 유선형 곡면(30)을 따라 원활하게 통과할 수 있게 하고, 동시에 하향 경사 튜브(3)의 배면의 오목홈(32)을 이용하여, 물병(7)이 하향 경사 튜브(3) 배면에 접근할 수 있게 하여, 하향 경사 튜브(3) 양측과 물병(7) 사이의 거리를 단축함으로써, 기류가 하향 경사 튜브(3) 좌우 양측의 유선형 곡면(30)을 따라 원활하게 통과한 후, 계속하여 물병(7) 양측의 원호(圓弧) 곡면을 따라 통과할 수 있게 되므로, 기류가 프레임의 하향 경사 튜브(3)와 물병(7) 사이를 통과하면서 난류가 발생하는 현상을 효과적으로 줄여, � �전거 프레임의 물병(7)이 장착된 하향 경사 튜브(3) 위치의 공기 저항력을 줄일 수 있다.

한편, 본 고안은 하향 경사 튜브(3) 특유의 앞이 좁고 뒤가 넓은 유선형 곡면 형상 및 하향 경사 튜브(3)의 단면 형상의 특정 길이, 폭 사이즈 범위의 조합을 통해, 통상의 원형 물병 사이즈와 매칭시킬 수 있고, 또한 하향 경사 튜브(3) 좌우 양측의 유선형 곡면(30)으로 하여금 가상의 날개 형상 윤곽을 형성하게 한다. 이러면, 하향 경사 튜브(3) 배면의 오목홈(32)이 하향 경사 튜브(3) 양측과 물병(7) 사이의 거리를 단축하는 것을 기초로 하여, 상기 하향 경사 튜브(3) 양측과 물병(7)의 직경이 매칭되는 가상의 날개 형상이 윤관 구조를 결합하여, 자전거 프레임이 고속 주행 시, 기류가 하향 경사 튜브(3) 좌우 양측의 유선형 곡면(30)을 따라 원활하게 통과하게 할 수 있으며, 이후 하향 경사 튜브(3) 좌우 양측의 유선형 곡면(30)에 의한 가상의 날개 형상의 윤곽을 이용하여 하향 경사 튜브(3) 좌우 양측의 유선형 곡면(30)을 통하여 분류된 기류가 뒤를 향하여 외부로 확산되게 하여, 기류가 하향 경사 튜브(3)를 통과한 후의 후류 강도를 줄임으로써, 기류가 계속하여 물병(7) 좌우 양측의 유선형 곡면(30)을 따라 원활하게 통과하게 하여, 기류가 프레임의 하향 경사 튜브(3)와 물병( 7) 사이를 통과하면서 난류가 발생하는 현상을 효과적으로 줄여, 자전거 프레임의 물병(7)이 장착된 하향 경사 튜브(3) 위치의 공기 저항력을 줄이고, 하향 경사 튜브(3)의 물병(7)이 장착된 부위의 공기 동력 효과를 향상시킬 수 있다.

도 8~도 17에 도시한 바와 같이, 도 8 및 도 9는 본 고안의 자전거 프레임의 하향 경사 튜브(3)에 물병(7)을 장착한 후 컴퓨터 모의 실험한 기류 모의도이며, 도 10~도 17은 본 고안의 자전거 프레임에 물병(7)을 장착한 후 컴퓨터 모의 실험한 풍동 모의 실험도이다. 상기 기류 모의도와 풍동 모의 실험도를 통해, 기류가 본 고안의 자전거 프레임의 하향 경사 튜브(3) 배면 및 물병(7)을 통과한 후, 기류는 하향 경사 튜브(3) 배면 양측과 물병(7) 사이에서 난류가 발생하지 않고, 원활하게 통과함을 알 수 있다. 동시에 상기 풍동 모의 실험도에서는, 기류가 하향 경사 튜브(3)와 물병(7) 표면에 작용하는 응력이 감소된 것으로 나타나 있다(주황색 면적 범위가 작다). 또한 도 10~도 17에 도시한 내용으로부터 알 수 있듯이, 상기 자전거 프레임은 스탠드 튜브(2)의 앞쪽에 제2 물병이 장착되는 경우에도 하향 경사 튜브(3) 좌우 양측의 유선형 곡면을 통하여 분류된 기류가 뒤를 향하여 외부로 확산되는 것에 의해, 기류가 하향 경사 튜브(3)와 그 배면의 물병(7) 뒤쪽을 통과하는 후류 강도를 줄일 수 있어, 2개의 물병 사이를 통과하는 난류 현상을 함께 줄일 수 있다. 이를 통해, 본 고안의 자전거 프레임은 공기 역학에 부합될 뿐만 아니라, 또한 프레임의 물병(7)이 장착된 하향 경사 튜브(3) 위치의 공기 저항력을 줄이는 목적을 확실하게 달성할 수 있다.

1: 헤드 튜브
2: 스탠드 튜브 2A : 축관부
3: 하향 경사 튜브 30 : 유선형 곡면
31: 배면 32: 오목홈
321: 외홈부 322: 내홈부
A : 하향 경사 튜브 단면의 좌우 폭
B : 하향 경사 튜브 단면의 전후 길이
C: 오목홈의 깊이
4 : 프레임 리어 포크 4A: 상부 프레임 리어 포크
4B : 하부 프레임 리어 포크
5 : 탑 튜브(top tube)
6: 고정대
7: 물병
8A、8B: 하향 경사 튜브