DE10013413A1 - Rollsportgerät - Google Patents
RollsportgerätInfo
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Abstract
Bei einem Rollsportgerät, insbesondere einspuriges Skateboard oder einspuriger Rollschuh, mit zwei hintereinander angeordneten Rollenachsen, mit daran angeordneten einspurig hintereinander laufenden Rollen, welche an einem Board oder einem tragenden Rahmen angeordnet sind, ist die hintere der beiden Rollenachsen (Hinterachse) um eine schräg nach vorn unten weisende Achse (Lenkachse), die einen Nachlaufwinkel bildet, schwenkbar. Die Laufflächen der Rollen sind quer zur Laufrichtung gekrümmt und weisen einen hohen, gummiähnlichen Reibwert auf.
Description
Die Erfindung betrifft ein Rollsportgerät, insbesondere ein
einspuriges Skateboard und einen einspurigen Rollschuh, mit
zwei hintereinander angeordneten Rollenachsen, mit daran
angeordneten einspurig hintereinander laufenden Rollen,
welche an einem Board oder einem tragenden Rahmen angeordnet
sind.
Die Erfindung betrifft insbesondere einen einspurigen
Rollschuh, bestehend aus einem Rahmen mit daran befestigtem
Schuh mit hintereinander liegenden Rollen.
An derartige Rollschuhe werden Mindestanforderungen
gestellt, die den einfachen effizienten Vortrieb, die
Balance, die Lenkmöglichkeit und den Fahrwiderstand
betreffen. Darüberhinaus werden erwartet: Leichtlauf, d. h.
hohe Geschwindigkeit bei geringem Energieaufwand, einfache
Erlernbarkeit des Fahrens, gute Beherrschbarkeit. Besonders
wichtig sind ein dynamischer, leicht wirkender
Bewegungsablauf und ein sicheres Fahrgefühl, die das Fahren
mit Rollschuhen interessant machen.
Rollschuhe an sich sind in zwei grundsätzlichen
Ausführungsformen bekannt:
- - als zweispuriges Gerät mit vier Rollen an zwei Achsen, bei dem stets alle vier Rollen Bodenberührung haben und
- - als einspuriges Gerät mit mehreren scheibenförmigen Rollen hintereinander (Inline-Skater).
Der Vortrieb der meisten Rollschuhe erfolgt durch den
Schlittschuhschritt, d. h. abwechselndes Fahren auf einem
Rollschuh auf Bahnen, die schräg nach außen von der
Fahrtrichtung weg gerichtet sind und mit deren Hilfe ein
Querimpuls des Körpers teilweise in einen vorwärts
gerichteten Impuls umgesetzt werden kann. Dabei wird mit den
Beinen abwechselnd ein Druck nach außen angenähert senkrecht
zur mittleren Fahrtrichtung ausgeübt. Der Vortrieb ist umso
effizienter, je stärker die Beine zur Seite und nach hinten
ausschwingen können. Bei zweispurigen Rollschuhen ist diese
Freiheit dadurch begrenzt, daß der Fuß stets angenähert
bodenparallel stehen muß.
Bei Inline-Skatern ist die Bewegungsfreiheit durch den
üblicherweise hohen Schaft des Schuhs stark eingeschränkt.
Dieser Schaft soll das Fußgelenk von den enormen
Kippmomenten entlasten, die infolge der bei derartigen
einspurigen Rollschuhen verwendeten schmalen,
scheibenförmigen Rollen schon bei geringer Neigung
(Schrägstellung) des Fußes entstehen. Es sind auch
einspurige Rollschuhe mit niedrigem Schuh für Schnellauf
erhältlich, die Belastung der Fußgelenke ist aber sehr
stark.
Der Schlittschuhschritt erfordert seitliche
Rutschsicherheit, um die Seitenkraft optimal einsetzen zu
können. Ein hoher Reibungskoeffizient gegenüber der Fahrbahn
steht bei Rollschuhen mit feststehenden Rollenachsen im
Widerspruch zur Forderung nach Lenkbarkeit, die durch ein
Gleiten gegenüber der Fahrbahn vereinfacht wird.
Die Lenkmöglichkeit mancher zweispuriger Rollschuhe beruht
auf einer kinematischen Kopplung von seitlicher Kippung der
Plattform und Lenkwinkel (Spurwinkel) der beiden Achsen und
damit der vier Rollen. Der Kippwinkel ist sehr begrenzt, so
daß der Fuß nahezu horizontal stehenbleibt. Ist der Körper
in eine Kurve hinein geneigt, muß das Fußgelenk abgeknickt
werden. Dadurch ist das Fahren von Kurven mit großer
Schräglage erschwert bzw. begrenzt. Unebenheiten der
Fahrbahn wirken auf die Lenkung zurück wegen der erwähnten
Kopplung und ergeben Unsicherheiten in der Balance.
Auch Skateboards sind mit zwei derart kinematisch lenkbaren
Rollenpaaren ausgestattet und haben teilweise die gleichen
Probleme, wenn auch dabei die Koppelung zwischen Board und
Fahrer nicht derartig fest ist, wie beim Rollschuh. Die
Lenkung bei einspurigen Rollschuhen mit festen Rollen
basiert auf Umsetzen des Rollschuhs und/oder Drehen um die
Hochachse gegen die Reibungskräfte. Ist die Fahrbahn rauh
(uneben), so kann der Rollschuh leichter gedreht werden, da
die einzelnen Rollen zeitweilig den Bodenkontakt verlieren.
Ein geringer Reibungskoeffizient der Rollen gegen die
Fahrbahn erleichtert dies und verringert den Energieverlust
beim Kurvenfahren. Die Rollen bestehen deshalb zumeist aus
einem relativ harten Kunststoff mit geringer Haftreibung.
Dadurch ist jedoch das Fahren dynamischer Kurven mit großer
Fliehkraft eingeschränkt.
CH 185 999 und FR 569 896 schlagen beispielsweise
zweirädrige einspurige Rollschuhe mit festem Vorderrad und
nachlaufendem Hinterrad vor, dessen Hochachse zur Steuerung
durch Fersenbewegungen verdreht wird. Die Nachlaufräder sind
über eine horizontale Gabel an einer vertikalen Lenkachse
befestigt und werden durch starke Federn zentriert.
Der Lenkeffekt derartiger Konstruktionen ist jedoch zu
klein, um enge Kurven zu fahren. Ferner besteht bei
versehentlichem Nachlassen des Fersendrucks die Gefahr, daß
die Gabel umschlägt und in der Kurve auf der falschen
Rollenseite gefahren wird, was ein erhebliches Unfall- und
Verletzungsrisiko birgt, zumal dieser Effekt
selbstverstärkend wirkt. Die in Kurven durch das Fußgelenk
aufzubringenden Kippmomente sind auch hier aufgrund der
flachen Rollen enorm und machen hochschaftige Schuhe
notwendig. Dadurch ist die Bewegungsfreiheit jedoch, ebenso
wie bei den Inline-Skatern, stark eingeschränkt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein
Rollsportgerät der eingangs genannten Art anzugeben, welches
ohne wesentlichen Energieverlust und kinematisch exakt
lenkbar ist, mit welchem auch schnelle enge Kurven mit
großer Schräglage fahrbar sind und welches eine hohe
Seitenführung aufweist. Das Gerät soll in der Ausführung als
Rollschuh auch von durchschnittlich sportlichen Menschen mit
niedrigen oder halbhohen Schuhen benutzbar sein und in
Kurven keine übermäßig hohen Belastungen der Fußgelenke
erzeugen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die hintere der
beiden Rollenachsen (Hinterachse) um eine schräg nach vorn
unten weisende Achse (Lenkachse), die einen Nachlaufwinkel
bildet, schwenkbar und mittels elastischer Elemente für
Geradeausfahrt zentriert ist, daß die Laufflächen der Rollen
quer zur Laufrichtung gekrümmt sind und daß die Laufflächen
einen hohen, gummiähnlichen Reibwert aufweisen.
Die Lenkung des erfindungsgemäßen Gerätes beruht auf einem
Bewegungsablauf bzw. einer Fahrtechnik, die in der
Skilauftechnik unter dem Begriff Fersenschub oder
Fersendruck bekannt ist. Dieser Fersenschub kann in der
Ausführung als Rollschuh mit leicht gebeugten Knien
besonders einfach ausgeführt werden (federbereite
Körperhaltung). Bevorzugt ist die Technik des Tiefschwunges:
nach einem kurzen Einfedern der Knie erfolgt sofort der
Druck nach außen mit anschließendem Strecken der Beine in
der Kurve.
Zum Einlenken wird dazu mit der Ferse des kurvenäußeren
Fußes (linker Fuß bei Rechtskurve) eine nach kurvenaußen
gerichtete Kraft auf die hintere Rolle erzeugt, welche sich
dadurch entgegen der Federkraft des Lenklagers nach
kurvenaußen dreht und dabei aufgrund der um den
Nachlaufwinkel schräg stehenden Lenkachse sowohl die Spur
(d. h. Rollrichtung, Verdrehung der Rollenachse um die
Hochachse) als auch den Sturz (seitliche Neigung der
Rollenachse) verändert. Durch den Spurwinkel wird eine Kurve
eingeleitet.
Anschließend wird das Körpergewicht auf den kurvenäußeren
Fuß verlagert und der Körper nach kurveninnen, entsprechend
dem Kurvenradius und der Geschwindigkeit, geneigt. Das linke
Fußgelenk kann dabei in gerader Stellung bleiben oder leicht
nach innen eingestemmt werden. Der Vorgang wird unterstützt
durch Abknicken in der Taille nach kurvenaußen und Drehen
des Oberkörpers zum Drallausgleich nach kurvenaußen
(Skitechnik). Der Rollschuh fährt nun in die Kurve und
erzeugt eine Fliehkraft zusätzlich zu dem Fersenschub. Der
Lenkeffekt wird hierdurch verstärkt. Die erfindungsgemäße
Lenkkinematik ist daher grundsätzlich übersteuernd
ausgeprägt und kann durch Wegnehmen von Fersenschub
stabilisiert und kontrolliert werden.
Nachdem das Gewicht vollständig auf den kurvenäußeren Fuß
verlagert wurde, kann der andere Rollschuh leicht gehoben
werden. Das Knie kann sich zur Stabilisierung der
Kurvenfahrt in die Beuge des kurvenäußeren Knies stützen.
Der Lenkeinschlag der hinteren Rollenachse ergibt sich aus
dem Gleichgewicht der Drehmomente um die Lenkachse:
Fersenschubkraft, Fliehkraft und eine Komponente des
Gewichts gegen die elastische Reaktionskraft der federnden
Lagerung. Deshalb sind Bahnkorrekturen möglich durch
Veränderung der Fersenschubkraft oder der Neigung des
Rollschuhs oder der Gewichtsverteilung zwischen vorderer und
hinterer Rollenachse.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Es kann unter anderem vorgesehen sein, daß der
Nachlaufwinkel zwischen 30° und 70° liegt.
Weiterhin kann vorgesehen sein, daß die Laufflächen
angenähert sphärisch gekrümmt sind mit dem Rollenradius als
Krümmungsradius, so daß der Abstand des Aufstandspunktes der
jeweiligen Rolle zu deren Mittelpunkt sich über den gesamten
fahrbaren Schräglagenbereich nicht wesentlich ändert. Damit
ist das Gerät sehr dynamisch lenkbar.
Um eine bessere Zentrierbarkeit und eine stabilere Fahrlage
in Geradeausrichtung zu ermöglichen, kann ferner vorgesehen
sein, daß die Laufflächen quer zur Laufrichtung derart
geformt sind, daß der Abstand des Rollenmittelpunkts zum
Aufstandspunkt der Rolle bei horizontal stehenden
Rollenachsen minimal ist, was sich beispielsweise auch
dadurch erreichen läßt, daß die Laufflächen in einem engen
mittleren Bereich zylindrisch sind.
Zur Vermeidung von Umschlagen bei Entlastung des
Fersenschubs kann vorgesehen sein, daß der Abstand der
hinteren Rollenachse zur Lenkachse kleiner als der
Rollenradius ist, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, daß der
Abstand der Lenkachse von der hinteren Rollenachse etwa 2/10
bis 6/10 des Rollenradius beträgt.
Bei geeigneter Ausführung der Hinterachse und der Lenkung
ist es auch möglich, daß der Abstand zwischen der hinteren
Rollenachse und der Lenkachse null oder sogar negativ
(Rollenachse vor der Lenkachse) ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung ermöglicht eine besonders
einfache Konstruktion dadurch, daß die beiden Rollen jeweils
quer zur Rollenachse in zwei Halbrollen geteilt sind, welche
zur Hindurchführung der die Lagerung tragenden Teile einen
Abstand zueinander aufweisen.
Eine andere Weiterbildung besteht darin, daß die hintere
Rollenachse mit einem Lenkkörper verbunden ist, welcher um
die Lenkachse unter Überwindung elastischer Rückstellkräfte
schwenkbar ist. Dadurch ist ein gewünschter Kurvenradius
exakt steuerbar und eine progressive Lenkrückstellung
möglich. Weitere Vorteile sind: die Dämmung der
Fahrgeräusche, eine veränderbare Lenkcharakteristik und ein
weicher Lenkanschlag.
Bei dieser Weiterbildung kann vorgesehen sein, daß die
beiden Halbrollen jeder Rolle separat an der zugehörigen
Rollenachse drehbar gelagert sind, wobei die vordere
Rollenachse feststehend angeordnet und die hintere
Rollenachse fest mit dem Lenkkörper verbunden ist, oder daß
die beiden Halbrollen jeder Rolle mittels der zugehörigen
Rollenachse fest miteinander verbunden sind, wobei die
vordere Rollenachse in dem Rahmen und die hintere
Rollenachse in dem schwenkbaren Lenkkörper drehbar gelagert
ist. Durch eine hinten angeordnete Lenkachse ergeben sich
folgende Vorteile: Kurvenfahren ohne Reibungsverluste,
Lenkung durch Fersenschub, Skifahrtechnik einsetzbar und
Parallelschwung-Technik mit großer Schräglage.
Durch eine vorteilhafte Ausgestaltung dieser Weiterbildung
kann in günstiger Weise Raum für den Lenkkörper dadurch
geschaffen werden, daß die Halbrollen wenigstens der
hinteren Rolle schalenartig ausgebildet sind, so daß sie
einen Hohlraum umschließen. Durch die damit realisierte
Innenlenkung ergibt sich ein Schutz der Lenkungsteile, die
Lagerkräfte und Momente werden minimiert. Bei einer
attraktiven Formgestaltung besteht keine Verletzungsgefahr
durch kantige Lenkungsteile.
Eine andere Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß
die Rollen aus einer tragenden Schale aus Leichtmetall oder
Kunststoff und einem äußeren Belag aus einem Polymer mit
hohem Reibwert gegen den Straßenbelag (Gummi, Polyurethan,
Kautschuk) bestehen. Dadurch sind starke Schräglagen in
Kurven und dynamische Wechselkurven möglich. Der damit
anwendbare Schlittschuhschritt zum Vortrieb ist besonders
effektiv. Ferner werden das Abrollgeräusch reduziert und
Parallelschwünge zum Vortrieb einsetzbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß
die hintere Rolle größer ist als die vordere. Die Vorteile
dieser Ausgestaltung sind: Raum für Lenkkinematik in der
Rolle, angehobene Fußstellung ist optimal für Schwünge, Raum
unter der Ferse ist maximal nutzbar, dynamisches Aussehen
und optische Dominanz der Rolle.
Je nach Umständen im einzelnen kann bei dem
erfindungsgemäßen Rollsportgerät vorgesehen sein, daß der
Abstand jeweils der beiden Halbrollen einer Rolle zueinander
einstellbar ist und/oder daß die Rollen weiter innen hart,
weiter außen weich belegt sind.
Durch die in weiteren Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen
der Erfindung möglich.
Unter anderem kann vorgesehen sein, daß der Rahmen zur
Gewichtsverringerung mit Durchbrechungen versehen ist. Auch
können Leichtmetall oder Verbundwerkstoff zur
Gewichtsminimierung beitragen.
Es kann vorgesehen sein, daß der Lenkstummel an dem Rahmen
angeformt oder mit einer lösbaren Reibkegelverbindung in dem
Rahmen verankert ist. Durch eine lösbare Lenkachse können
die Geometrie und das Lenkverhalten durch Wechseln des
Lenkstummels ausgewählt werden.
Die hintere Rollenachse kann um eine Lenkachse schwenken,
die in einem Winkel β (Nachlaufwinkel) zur Horizontalen
steht. Schwenkt die Doppelrolle um einen Winkel α, so ergibt
sich eine Änderung des Spurwinkels γ (Fahrrichtung der
Doppelrolle) von δγ = α . sinβ und eine Änderung des
Sturzwinkels ε (seitliche Neigung der Doppelrolle) von δε =
α . cosβ. Bei einem Nachlaufwinkel von β = 45° sind sinβ und
cosβ etwa 0,71. Ist der Nachlaufwinkel größer, so wird der
Lenkeffekt (Spurwinkel) stärker, der Sturzeffekt schwächer
und umgekehrt. Bei einem Nachlaufwinkel β < 30° ist der
Lenkeffekt zu klein, um enge Kurven zu fahren, und der
Sturzeffekt (d. h. Aufrichtung der Doppelrolle entgegen der
Neigung) kann so groß werden, daß in der Kurve auf der
falschen (äußeren) Rollenhälfte gefahren wird.
Der Durchstoßpunkt der Fluchtlinie der Lenkachse durch die
Fahrbahn und der Aufstandspunkt der Doppelrolle definieren
einen Nachlauf, der sich fahrstabilisierend (wie eine
Windfahne) auswirkt. Der Nachlauf wird auch durch andere
Größen, wie Rollendurchmesser und Achsabstand, d. h. Abstand
zwischen Lenkachse und Rollenachse, mitbestimmt.
Große Nachlaufwinkel verringern den Nachlauf und verkleinern
das Verhältnis zwischen Spurwinkel (d. h. Kurvenradius) und
Sturzwinkel. Ein (negativer) Sturz ist aber erwünscht, um
große Schräglagen fahren zu können, ohne auf der Außenkante
der stark belasteten (Fersenschub plus Fliehkraft) hinteren
Rolle zu fahren, sondern auf der gewölbten Fläche.
Deshalb sind Nachlaufwinkel β < 70° nachteilig. Der
Lenkradius definiert den Hebel, an dem Seitenkräfte vom
Aufstandspunkt (Fersenschub usw.) am Lenklager angreifen.
Diesen Kräften (bzw. Momenten) soll eine elastische
Gegenkraft am Lenklager entgegenstehen, um eine dosierbare
Lenkreaktion zu ermöglichen (Regelung eines gewünschten
Kurvenradius). Ein großer Lenkradius erfordert deshalb
starke elastische Gegenkräfte am Lenklager und damit eine
schwere und große Ausführung. Entsprechendes gilt für den
Biegeradius, der den Hebel definiert, an dem das Gewicht an
der festen Krafteinleitung in den Rahmen angreift. Der
wirksame Lenkradius und der wirksame Nachlauf sind von der
Neigung des Rollschuhs abhängig, da sich der Aufstandspunkt
verlagert.
Die Exzentrizität ist der Abstand des Gewichtsvektors vom
Mittelpunkt des drehelastischen Lagers. Sie definiert einen
Hebel, der zusätzlich zur Gewichtskraft noch ein
Gewichtsmoment auf die Lagerung bringt. Biegeradius und
Exzentrizität sollten möglichst klein bleiben, um Gewicht
bzw. Kosten zu sparen.
Bei einer Schwenkung der hinteren Rolle um die Lenkachse
verändern sich nicht nur Spur und Sturz dieser Rolle,
sondern auch ihre Position vertikal und horizontal. Ist der
Achsabstand vergleichbar mit den Rollendimensionen, so wird
insbesondere die seitliche Verlagerung bedeutend. Bei
Kurvenfahrt bedeutet dies, daß die Rolle insgesamt zum
Kurveninneren verlagert wird. Dies ist eher vorteilhaft.
Ist der Rollschuh schräg gestellt (geneigt), so greift eine
Komponente des Gewichts an einem Lenkradius an und läßt die
Rolle entgegen der Schräglage ausschwenken. Dabei schwenkt
die Rolle auch nach oben und folglich kommt die Ferse
tiefer. Wird nun durch seitlichen Druck mit der Ferse
versucht, die Rolle zur geneigten Seite zu bringen, um eine
Kurve entsprechend der Schräglage (Neigung) zu fahren, muß
das vom Gewicht erzeugte Drehmoment überwunden werden.
Ist der Abstand zwischen der Rollenachse und der Lenkachse
(im folgenden auch Achsabstand genannt) sehr groß und der
Schwenkwinkel zur falschen Seite zu groß, so ist eine
Korrektur der Lenkstellung nicht mehr möglich, da die
benötigte Seitenkraft durch Fersenschub größer wird als die
Haftreibung der Rolle auf der Fahrbahn. Nur ein
komplizierter Bewegungsablauf kann diese Feststellung dann
korrigieren: Aufrichten des Rollschuhs, dann Fersendruck und
wieder Abwinkeln des Rollschuhs für die Kurvenfahrt.
Um dies zu vermeiden, ist der sinnvolle Achsabstand so klein
zu wählen, daß die Lenkachse innerhalb der hinteren Rolle zu
liegen kommt. Ist der Schwenkwinkel α um die Lenkachse auf
kleine Werte begrenzt (durch Anschläge), so kann der
sinnvolle Achsabstand größer gewählt werden. Der notwendige
Schwenkwinkel ergibt sich aus dem kleinsten gewünschten
Kurvenradius: Kurvenradius = Radstand/tanα . sinβ. Der
Kurvenradius ist gleich der Hälfte des
Wendekreis-Durchmessers.
Der Achsabstand kann auch zu Null gewählt werden. Dann kann
der Einfluß von Gewichtskräften auf die Lenkung praktisch
beseitigt werden und nur die horizontalen Querkräfte bleiben
für das Lenkverhalten bestimmend. Ist der Achsabstand
negativ, so erzeugt die Gewichtskraft einen Lenkeinschlag
und folglich eine Kurve in Richtung der Neigung, also
fahrdynamisch korrekt. In jedem Fall müssen ein Nachlauf und
ein Lenkradius verbleiben, um die Lenkfähigkeit durch
Querkräfte zu ermöglichen.
Bringt man den Gewichtseinfluß auf die Lenkung zum
Verschwinden (Achsabstand Null), so geht auch die
Korrekturmöglichkeit der Lenkung durch Gewichtskräfte, z. B.
durch Neigen des Rollschuhs, verloren.
Die Kontur der Rollen ist so gewählt, daß sich eine
möglichst gute Entlastung des Fußgelenkes von Kippmomenten
ergibt. Optimal wäre eine Kontur entsprechend einem Kreis um
die effektive Drehachse des Fußgelenkes (volle Entlastung).
Die Rollenbreite sollte jedoch sinnvoll nicht größer werden
als die Fußbreite. Die Tangente an der Rollenkante sollte
der maximal gewünschten Schräglage entsprechen (z. B. 45°).
Deshalb werden die Rollen praktisch schmaler und gewölbter
als für den vollständigen Kippausgleich erforderlich wäre.
Je nach Voraussetzungen im einzelnen kann das
erfindungsgemäße Rollsportgerät auch mit unsymmetrisch
ausgeführten Rollen versehen sein.
Zusätzlich zu den genannten kinematischen Zusammenhängen
spielen noch rein geometrische hinein, wie z. B. die
Bodenfreiheit von Rahmen und Lenkungsteilen, die hinreichend
groß sein muß, um nicht hängenzubleiben oder der
Bodenabstand des Fußes, der möglichst gering sein sollte, um
das Kippmoment am Fußgelenk klein zu halten. Auch rein
formale Zusammenhänge kommen hinzu, um eine attraktive,
funktionelle Form zu schaffen.
Einige vorteilhafte Merkmale sind im folgenden mitsamt ihrer
vorteilhaften Wirkungen listenartig aufgeführt:
- - Kippmoment am Fußgelenk stark verringert
- - niedriger Schuh möglich
- - freibewegliches Fußgelenk möglich
- - weiche griffige Gummimischung möglich
- - Profile zur interessanten Gestaltung.
- - Rollwiderstand stark verkleinert
- - Unebenheiten leicht zu überfahren
- - Fahrruckeln stark verringert
- - Rollendesign optisch hervorgehoben.
- - stabiler Geradeauslauf
- - veränderbare Lenkschwelle.
- - Beweglichkeit des Fußgelenkes
- - weit schwingender Schlittschuhschritt
- - Fahrweise elegant und leicht (drei wirksame Gelenke).
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen komplett bestückten Rahmen eines
erfindungsgemäßen Rollschuhs in teilweise
geschnittener Ansicht,
Fig. 2 denselben Rahmen in Draufsicht, ebenfalls teilweise
geschnitten,
Fig. 3 einen kompletten erfindungsgemäßen Rollschuh in
Seitenansicht,
Fig. 4 den Rollschuh in Vorderansicht bei der Fahrt einer
Linkskurve,
Fig. 5 bis 7 ein erfindungsgemäßes Skateboard in
Seitenansicht, Rückansicht und Ansicht von unten,
Fig. 8 dasselbe Skateboard in Rückansicht beim Fahren
einer Rechtskurve,
Fig. 9 bis 11 einen Rahmen eines erfindungsgemäßen
Rollschuhs in Seitenansicht, Draufsicht und im
Querschnitt,
Fig. 12 bis 15 eine Lenkvorrichtung mit einem auf einem
Lenkstummel schwenkbar gelagerten Lenkkörper in
Seitenansicht und Schnittansichten,
Fig. 16 den Lenkstummel mit Reibkegel in Draufsicht,
Fig. 17 den passenden Lenkkörper,
Fig. 18 die Befestigungsmöglichkeit eines Bremsklotzes an
dem Lenkkörper,
Fig. 19 und 20 eine andere Lenkvorrichtung im montierten
Zustand in verschiedenen Ansichten,
Fig. 21 den dabei verwendeten Lenkstummel in verschiedenen
Ansichten,
Fig. 22 eine zweiseitig befestigte Lenkvorrichtung in
Seitenansicht,
Fig. 23 die dazu verwendete Lenkachse,
Fig. 24 detailliert deren eines Befestigungsende,
Fig. 25 die Lenkvorrichtung im Querschnitt,
Fig. 26 einen mit einer Feststellbremse versehenen
Rollschuh mit angeformtem Lenkstummel,
Fig. 27 einen Rollschuh mit zweiseitig befestigter
angeformter Lenkachse,
Fig. 28 dessen Lenkvorrichtung im Querschnitt,
Fig. 29 einen Rollschuh mit oben befestigtem Lenkstummel
und einem Achsabstand gleich Null,
Fig. 30 bis 36 einen komplett bestückten Rollschuhrahmen
mit angebautem geraden Lenkstummel in verschiedenen
Detaillansichten,
Fig. 37 bis 40 Bewegungsstudie und Kräftepläne eines
erfindungsgemäßen Rollschuhs beim Kurvenfahren,
Fig. 41 bis 50 verschiedene Ausführungsformen
erfindungsgemäßer Rollschuhe,
Fig. 51 ein Diagramm von Richtwerten der elastischen
Eigenschaften der Lenkung für verschiedene
Hauptanwendungen,
Fig. 52 ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen
Rollschuhs,
Fig. 53 Teile des Rollschuhs gemäß Fig. 52 und
Fig. 54 Bahnen der Schwerpunkte eines bekannten Rollschuhs
und des erfindungsgemäßen Rollschuhs zur
Erläuterung der besseren Effizienz des Vortriebs
beim erfindungsgemäßen Rollschuh.
Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen
versehen.
Der in Fig. 1 dargestellte Rahmen 1 dient zur Montage eines
in dieser Figur nicht dargestellten Schuhs. Er ist
ausgestattet mit Erleichterungslöchern 1', vorderen Lagern
14 für die vordere Rolle 12, zwei Befestigungsplatten 2 für
den Schuh, einer kraftschlüssigen Reibkegelverbindung 4, dem
die Lenkachse bildenden Lenkstummel 3 mit Konus-Passung und
Schraube 5. Ein Lenkkörper 6, der die Lager 9 für die
hintere Rolle 7 trägt, ist durch ein Elastomer 6', z. B.
Gummi, mit der Lenkachse 3 verbunden. Dadurch ist die
hintere Rolle 7 um die schräg verlaufende Lenkachse 3 gegen
die elastische Kraft der Elastomer-Verbindung 6' schwenkbar.
Eine Haarnadelfeder 11, die im Lenkkörper 6 gehalten ist,
greift mit ihren Enden beidseitig an einem Stift 10 an, der
mit der Lenkachse 3 fest verbunden ist. Durch Vorspannen
dieser Haarnadelfeder 11 ergibt sich eine Mindestkraft
(Mindestdrehmoment um die Lenkachse) zur Drehung des
Lenkkörpers 6.
Die Achse der Reibkegelverbindung 4 weist auf den
Aufstandspunkt der hinteren Rolle 7, so daß zwar
Biegemomente an dieser Verbindung auftreten, jedoch kein
Drehmoment um die Achse (keine Schraubenlockerung durch
Verdrehen). Eine Dehnschraube 5 genügt zur Fixierung und
ermöglicht ein leichtes Tauschen gegen eine Lenkeinrichtung
mit anderer Charakteristik.
Die Lenkachse 3 ist um den Nachlaufwinkel β schräg
angestellt und definiert einen Nachlauf (N) zum
Aufstandspunkt der hinteren Rolle 7.
Bei Drehung um die Lenkachse 3 erfährt die Rolle 7 sowohl
eine Änderung des Spurwinkels (Rollrichtung) als auch der
seitlichen Neigung (Sturz).
Ein zur Montage auf diesem Rahmen geeigneter Schuh besitzt
eine steife, feste Sohle und wird mit dem Rahmen
verschraubt. Der Schuh soll passgenau an Vorderfuß und Ferse
gearbeitet sein und die Beweglichkeit des Fußgelenkes nicht
behindern.
Einige Begriffe bzw. Definitionen der Geometrie bzw.
Kinematik sind in Fig. 1 eingezeichnet: E ist die
Exzentrizität, B der Biegeradius des Lenkstummels, G die
Wirklinie der Gewichtskraft auf die Hinterachse 8, L der
Lenkradius und A der Achsabstand.
Fig. 2 zeigt den Rahmen in Draufsicht. Die Lagerung der
vorderen Rolle 12 besteht aus zwei Kugellagern 14, einer
Distanzbuchse 14', einer vorderen Achse 13 und zwei Muttern
13'.
Der Lenkkörper 6 ist teilweise geschnitten gezeichnet. Er
besteht aus einem Leichtmetall-Zugprofil und ist mittels des
Elastomers 6' mit der Lenkachse 3 verbunden. Der Lenkkörper
6 trägt zwei Nuten 6" für die Haarnadelfeder 11 und eine Nut
6''' zur Befestigung eines Bremsklotzes (nicht dargestellt).
Um den Spalt zwischen den Hälften der Rollen 7, 12 möglichst
klein zu halten, sind der Rahmen bzw. der Lenkstummel bei 15
und 16 eingeschnürt. Um dennoch genügend Festigkeit des
Rahmens 1 zu erreichen, ist er im Bereich der Einschnürung
15 vertikal verstärkt.
Die Rollen 7, 12 bestehen jeweils aus zwei einzelnen
identischen Halbrollen. Diese bestehen wiederum aus einer
tragenden Innenschale aus Leichtmetall und einem
rutschfesten Außenbelag 7', 12', z. B. aufvulkanisiertem
Gummi, das ähnlich dem in Motorrad-Reifen verarbeiteten
Material ist. Die Außenform ist so gestaltet, daß bei circa
45° Schräglage (Fig. 40) die Außenkante der vorderen Rolle
12 den Boden berührt. Die Außenkante des Gummibelags 7', 12'
ist mit einer Rippe 7", 12" verstärkt. Die Rollen 7, 12 sind
sehr breit, so daß bei Schräglage die Rollenaufstandspunkte
sich möglichst weit zur Kippseite verlagern, um dem
Kippmoment entgegenzuwirken. Damit ist bei zufälligen
Kippungen das Fußgelenk entlastet und es kann ein Schuh mit
niedrigem Schaft verwendet werden.
Die Innenschalen 7, 12 der Rollen sind auf Tragfähigkeit bei
geringstem Gewicht optimiert. Die Form jeder Halbschale ist
angenähert eine Halbkugel mit nach innen gestülpter Kalotte
(Kugelkappe). Bei allen Schräglagen zielen die entstehenden
Kraftvektoren im wesentlichen auf die Rollenachsen 8, 13, so
daß Biegemomente der Achsen 8, 13 minimal werden. Die
Kalotte trägt Durchbrüche zur Erleichterung und zur
optischen Gestaltung (nur teilweise dargestellt, s. Fig.
41ff.). Die Halbrollen sind durch Guß-, Spritz- oder
Preßverfahren herstellbar, sie können innen verrippt sein.
Die hintere Rolle 7 ist bei den meisten der dargestellten
Ausführungsbeispiele bezüglich Durchmesser und Breite größer
als die vordere Rolle 12. Dadurch entsteht hinreichend
Einbauraum für die gesamte Lenkeinrichtung 3, 6. Die
entstehende Bodenfreiheit vor der hinteren Rolle ist
hinreichend groß für Straßenfahrten.
Fig. 3 zeigt den gesamten Rollschuh einschließlich Schuh.
Dieser erfüllt die Forderungen nach möglichst großen Rollen
bei möglichst niedriger Fußposition (Balance bzw. Momente am
Fußgelenk).
Der Vorderschuh ist etwas hinter und unterhalb der vorderen
Rollenkuppe positioniert. Die Ferse ist um circa 15°
angehoben. Da sich das Gewicht auf beide Rollen verteilt,
ist der wirksame Rollendurchmesser, der die Rollreibung
mitbestimmt, etwa der Mittelwert aus vorderer und hinterer
Rolle. Günstig sind Werte von 70 mm bis 100 mm für die
vordere Rolle und 100 mm bis 130 mm für die hintere Rolle.
Die gummibeschichteten Rollen können mit einem spiraligen
Rillenprofil versehen sein. Das Profil kann bei Nässe, Staub
oder Sand die Kurvenhaftung verbessern, kostet aber
Walkverluste. Vorteilhaft ist eine Beschichtung in
Rollenmitte (Geradeausfahrt) mit härterem Gummi und am
Rollenrand (Kurvenfahrt) mit weichem Gummi und/oder mit
einem Rillenprofil.
Fig. 4 zeigt den Rollschuh in Vorderansicht bei der Fahrt
einer Linkskurve.
Fig. 5 zeigt ein Skateboard 50, welches auf einem
erfindungsgemäßen Rollrahmen 1 montiert ist. Die Höhe des
Fußgelenks ist markiert (51).
Fig. 6 zeigt das Skateboard von unten, Fig. 7 von hinten und
Fig. 8 von hinten bei der Fahrt in einer Rechtskurve. Um das
Lenkverhalten und die Balancierbarkeit zu verändern, kann
vorgesehen sein, die Abstände der Halbrollen zueinander
durch Distanzierteile zu verändern. Die Fig. 9 bis 18
zeigen Einzelheiten.
Fig. 9 zeigt den Rahmen 1, der z. B. in Leichtmetall-Druckguß
ausgeführt sein kann, mit vorderen Achslagern 14, Aufnahme
der Lenkachse 4 und Schraube 5.
Fig. 10 zeigt den Rahmen 1 in Draufsicht und Fig. 11 im
Querschnitt. Die Druckseite ist zur Vermeidung von
Ausknicken breiter als die Zugseite.
Die Fig. 12 und 13 zeigen die komplette Lenkeinrichtung
aus Lenkachse 3 (Stahl), konischer Sitzfläche 4, Einschliff
16 am Rollenumfang, um den Abstand der Halbrollen zu
verringern und aus eingepreßtem Stift 10 zur Krafteinleitung
der Haarnadelfeder 11 in zwei Ansichten. Der Lenkkörper 6
besteht aus einem bearbeiteten Leichtmetall-Profil.
Fig. 14 zeigt in gleicher Ansicht wie Fig. 13 die Position
des Lenkkörpers 6 bei Geradeausfahrt und bei einer
Schwenkung um ±15°. In jeder Schwenkrichtung wird je ein
Schenkel der Haarnadelfeder 11 verformt.
In Fig. 15 ist die Geometrie der elastischen Verbindung
Lenkachse/Lenkkörper vergrößert dargestellt. Der Lenkkörper
weist eine schmetterlingsförmige Innenbohrung auf, welche
die flache Lenkachse 3 mit Erleichterungsbohrungen 3'
aufnimmt. Bei Drehung wird das Elastomer 6' verformt, wobei
das Federmoment progressiv zunimmt bis zu einem stark
progressiven Anschlag. Der Lenkkörper 6 kann nur gedreht,
aber wenig radial verschoben werden, da die Bohrung in der
Mitte eingeschnürt ist. Eine axiale Verschiebung ist wegen
der großen wirksamen Länge ebenfalls nicht möglich. Das
Elastomer 6' sorgt ferner für eine gewisse Stoßdämpfung.
In Fig. 16 ist der Lenkstummel 3 in Draufsicht dargestellt.
Fig. 17 zeigt den Lenkkörper 6, der vorzugsweise aus
Aluminium-Zugprofil hergestellt ist.
Fig. 18 zeigt die Montage eines Bremsklotzes 180 durch
Einschieben in die Nut 6''' (Fig. 13) und die Sicherung mit
einem Splint 181.
Die Fig. 19 und 20 stellen eine stark vereinfachte
Ausführung der Lenkachse bzw. Lenkeinrichtung dar. Die
Lenkachse 21 ist nach Fig. 21 ein X-Profil aus z. B. Stahl,
das gebogen und in der Biegung so gedrückt ist, daß ein
angenähert rautenförmiger Querschnitt entsteht. Zur
Befestigung am Rahmen ist die Lenkachse direkt eingegossen
bzw. eingespritzt (Einlegetechnik), wozu die Lenkachse dort
aufgerauht sein kann.
Fig. 20 zeigt den Querschnitt vergrößert. Der Stab 22 zur
Aufnahme der Kraft der Haarnadelfeder ist bei diesem
Ausführungsbeispiel als Druckgußteil ausgeführt und auf das
Ende der Lenkachse 21 aufgepreßt. Diese Ausführung ist
leichter und preiswerter, verhindert aber die Tauschbarkeit
der Lenkeinrichtung.
Fig. 22 zeigt eine andere Lösung der Krafteinleitung in die
Lenkachse. Der Rahmen 24 ist um die hintere Rolle herum
gegabelt, so daß eine gerade Lenkachse 25 an beiden Enden in
den Rahmen 24 eingreifen kann. Die rechteckige Lenkachse 25
ist in Taschen 26 des Rahmens 24 von unten eingeschoben und
mit Schrauben 27 befestigt. Da praktisch keine Biegemomente
auftreten, kann die Lenkeinrichtung relativ leicht
ausgeführt sein.
Fig. 23 ist eine Gesamtansicht der Teile der
Lenkeinrichtung. Fig. 24 zeigt Einfräsungen 28 zur
Verringerung des Rollenabstands.
Fig. 25 zeigt im Querschnitt den Lenkkörper 29 mit den
Rollenlagern 30 und der Rollenachse 31. Hier ist ein
besonders geringer Achsabstand vorgesehen (s. Beschreibung
der Lenkgeometrie). Vorteilhaft ist die Austauschbarkeit und
das geringe Gewicht dieser Ausführung.
Fig. 26 ist eine Ausführung mit direkt angegossener
Lenkachse 32, falls der Rahmen 33 aus Leichtmetall oder
einem besonders festen Kunststoff (im Gußverfahren)
hergestellt ist. Die Biegekräfte am Fuß der Lenkachse sind
sehr groß, jedoch beherrschbar mit bekannten
Al-Gußwerkstoffen, besonders leicht und kostengünstig. Fig.
26 zeigt außerdem Steinabweiser 138 und 139, welche die
Lücken zwischen den Halbrollen im Bereich der
Aufstandspunkte verschließen und am Rahmen 1 und am
Lenkkörper gegebenenfalls durch Anformung befestigt sind.
Fig. 27 zeigt eine Abstützung der Lenkachse 34 nach oben, so
daß das Biegemoment an der unteren Einleitung verschwindet.
Der Schuh 35 steht dazu allerdings etwas höher. Diese
Ausführung ist besonders leicht, kostengünstig und stabil.
Der Lenkkörper 36 gemäß Fig. 28 weist eine Bohrung 37 mit
einem schmetterlingsförmigen Querschnitt auf, mit welcher er
über den Lenkstummel geschoben ist. In dieser Ausführung
kann der Nachlaufwinkel erhöht werden, ohne viel
Bodenfreiheit zu verlieren, denn die untere Einleitung kann
schwächer dimensioniert sein.
Die Ausführung nach Fig. 29 erlaubt noch andere
Nachlaufwinkel. Die untere Einleitung ist entfallen. An der
oberen Einleitung 140 ist das Biegemoment umso kleiner, je
größer der Nachlaufwinkel ist. Vorteil ist die große
Bodenfreiheit trotz großem Nachlaufwinkel.
Der Achsabstand ist hier gleich Null. Ist die Querkontur der
Rolle angenähert kreisförmig, so geht die Wirklinie des
Gewichts stets durch die Lenkachse. Infolge des verkürzten
Nachlaufs und des kurzen Lenkradius treten nur geringe
Drehmomente um die Lenkachse 141 auf, so daß die
drehelastische Lagerung 144 verkürzt ist. Das Gewicht wird
zu einem großen Teil durch eine Spurlagerung am Ende der
Lenkachse 141 aufgenommen. Durch Vorverlegen der Rollenachse
kann der Achsabstand auch negativ gewählt werden.
Fig. 29a zeigt vergrößert zwei Ansichten der Lenkachse 141
mit dem Lenkkörper 142 und der Rollenachse 143.
Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 26 bis 29 ist
die Lenkeinrichtung jedoch nicht austauschbar, um
beispielsweise den Vorlaufwinkel zu ändern.
Fig. 26 und 27 zeigen außerdem eine Blockiereinrichtung
38 für die vordere Rolle. Sie besteht aus einem keilartig
wirkenden Kunststoffteil, das auf einen Fortsatz 39 des
Rahmens 1 aufsteckbar ist und die vordere Rolle feststellen
kann. Diese Einrichtung ist von außen gut erkennbar und kann
auf Sperrflächen für Rollschuhe (Rolltreppen, Treppen)
verwendet werden. Diese Einrichtung kann ein Zusatz zu der
Bremseinrichtung nach Fig. 13 sein.
Die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 26 und 29 sind im
Gegensatz zu den Fig. 27 und 28 ohne vorgespannte Federn
dargestellt. Eine vorgespannte Feder ist jedoch auch dort
möglich. Sie kann die Lenkbarkeit verbessern.
Die Fig. 30 bis 34 zeigen ein Ausführungsbeispiel mit
getrennten Funktionseinheiten der Lenkeinrichtung. Dabei
stellt Fig. 30 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des
Rollschuhs dar, während die Fig. 31 bis 34 die Rolle und
die Lenkeinrichtung in verschiedenen Ansichten teilweise
vergrößert zeigen. Die Lenkachse 41 ist mit Hilfe einer
Schraube 42 am Rahmen 1 verschraubt. Der Lenkkörper 40 ist
mit zwei Lagerbuchsen 43, 44 auf dem Schaft der Lenkachse 41
gelagert und um diese schwenkbar.
Auf einem Stab 46, der in die Lenkachse 41 geschraubt oder
gepreßt ist, befindet sich ein kegeliger Gummipuffer 47. Am
Lenkkörper 40 sind zwei Fortsätze 49, 50 angeformt, die eine
Gabel darstellen und zur Gewichtserleichterung mit einer
Bohrung versehen sind. Je nach Lenkwinkel drückt mindestens
einer der Fortsätze 49, 50 an den Puffer 47 und erzeugt
damit eine elastische Gegenkraft entgegen der Schwenkung.
Die Kraft steigt progressiv mit dem Schwenkwinkel.
Der Stab 46 greift an seinem Ende in eine Haarnadelfeder 48
ein, die eine zusätzliche Gegenkraft erzeugt. Diese Feder
liegt in einer Nut und ist vorgespannt, drückt also mit
einer Ruhekraft an einer Auflage. Es ist deshalb eine
Mindestkraft erforderlich, um den Lenkkörper zu schwenken,
das heißt, es ist ein Mindestdrehmoment für einen
Lenkausschlag erforderlich. Damit lösen kleine zufällige
Kräfte keine Lenkreaktion aus. Von dem Lenkkörper 40 auf die
Lenkachse 41 wirkende Längskräfte werden von der Lagerbuchse
43 und einer Schraube 46 in die Lenkachse 41 abgeleitet.
Fig. 35 zeigt den Rollschuh nach Fig. 30 mit 10°
Schwenkwinkel in einer Rechtskurve ohne Neigung, während
Fig. 36 eine Vorderansicht des Rollschuhs nach Fig. 30 bei
35° Neigung in einer Rechtskurve ist.
Wird das Lenklager außerhalb der hinteren Rolle angeordnet,
was als Ausführungsbeispiel nicht dargestellt ist, und mit
einer Gabel zur Aufnahme der Rolle versehen, so können die
Rollen einstückig ausfallen. Dabei ist jedoch die
Lenkgeometrie ungünstiger, kann jedoch im Einzelfall hinter
dadurch erzielbaren Vorteilen zurückstehen.
Die Fig. 37 bis 40 erklären die Funktion des Lenkens
durch Fersenschub, wobei der Rollschuh mit der vorderen
Rolle 12, der hinteren Rolle 7 und einem Schuh 51 jeweils
von hinten dargestellt ist. Außerdem sind der effektive
Drehpunkt 51' des Fußgelenks und der effektive Drehpunkt 51"
der Lenkachse dargestellt. Fig. 37 zeigt die Geradeausfahrt.
Die Fig. 38 bis 40 zeigen ferner den auf die Hinterachse
entfallenden Gewichtsanteil Gh, die Resultierende R aus dem
Gewichtsanteil Gh und dem Fersenschub F und der Fliehkraft
Fl, das Kippmoment K im Fußgelenk und das Drehmoment D der
Lenkachse.
Bei der ersten Phase des Lenkeinschlags (Fig. 38) erfolgt
ein Erzeugen eines Fersenschubes F, d. h. einer nach
kurvenaußen gerichteten Kraft mit der Ferse des
kurvenäußeren Fußes (linker Fuß bei Rechtskurve). Die
hintere Doppelrolle dreht entgegen der Federkraft des
Lenklagers nach kurvenaußen und verändert dabei sowohl die
Spur (d. h. Richtung) als auch den Sturz. Bei einem
Nachlaufwinkel von 45° und einem Schwenkwinkel der hinteren
Doppelrolle von 8,5° um die Lenkachse ergeben sich die
gezeichneten 6° für Sturz- und Spurwinkel. Durch den
Spurwinkel wird eine Kurve nach rechts eingeleitet (d. h. die
hintere Doppelrolle zielt nach links außen).
In der zweiten Phase (Fig. 39) wird das Gewicht auf den
kurvenäußeren Fuß (linker Fuß) verlagert, wobei der Läufer
den Körper nach kurveninnen entsprechend dem Kurvenradius
und der Geschwindigkeit neigt. Das linke Fußgelenk kann
dabei in gerader Stellung bleiben oder leicht nach innen
eingestemmt werden. Der Vorgang wird unterstützt durch
Abknicken in der Taille nach kurvenaußen und Drehen des
Oberkörpers nach kurvenaußen (Skitechnik). Der Rollschuh
fährt nun in die Kurve und erzeugt eine Fliehkraft Fl
zusätzlich zu dem Fersenschub F. Der Lenkeffekt wird
hierdurch verstärkt. Die Lenkkinematik ist daher
grundsätzlich übersteuernd und kann durch Wegnehmen von
Fersenschub stabilisiert und kontrolliert werden. Gezeichnet
sind circa 20° Neigung (Schräglage) und circa 6° Spur- und
Sturzänderung.
In der dritten Phase (Fig. 40) liegt eine vollständige
Gewichtsverlagerung auf den kurvenäußeren Fuß (links, Fig.
40a) vor. Der rechte Rollschuh (Fig. 40b) kann leicht
gehoben werden. Das rechte Knie kann sich in die Beuge des
linken Knies stützen. Der Lenkeinschlag der hinteren
Doppelrolle 7 ergibt sich aus dem Gleichgewicht der
Drehmomente um die Lenkachse: Fersenschubkraft F, Fliehkraft
Fl und eine Komponente des Gewichts Gh gegen die elastische
Reaktionskraft der elastomeren Lagerung oder einer
elastomeren oder metallischen Feder. Deshalb sind
Bahnkorrekturen möglich durch Veränderung der
Fersenschubkraft oder der Neigung des Rollschuhs oder der
Gewichtsverteilung zwischen vorderer und hinterer
Doppelrolle 7, 12.
Dargestellt sind ein Schwenkwinkel von 14° um die Lenkachse
entsprechend 9,9° Spur- und Sturzwinkel. Die vordere
Doppelrolle 12 fährt in diesem Beispiel mit einer Neigung
von 45° (ebenso wie der Rahmen, Schuh usw.), die hintere
jedoch nur mit 35,1° Neigung, da der Sturz von 9,9° negativ
ist. Dadurch erhält die hintere Doppelrolle 7 mehr
Schräglagenfreiheit.
Die Fig. 41 bis 50 zeigen verschiedene Ausführungsformen
eines erfindungsgemäßen Rollschuhs für verschiedene
bevorzugte Anwendungen.
Der Rollschuh nach Fig. 41 weist einen relativ kurzen
Radstand für enge Kurven und Kunstfahren auf. Er ist
belastungsfähig. Da die Lenkachse gemäß den Fig. 12 bis
19 dargestellt ist, ist die Fußposition relativ hoch,
weshalb ein höherer Schaft des Schuhs erforderlich sein
kann.
Der in Fig. 42 dargestellte Rollschuh ist wegen eines
längeren Radstandes für schnelleres Fahren besonders gut
geeignet. Die Fußposition ist etwas niedriger. Deshalb gibt
ein niedriger Schuh genügend Balance. Die Lenkachse ist
ebenfalls nach den Fig. 12 bis 19 ausgeführt.
Der Rollschuh nach Fig. 43 weist eine ähnliche Geometrie und
Verwendung auf. Jedoch sind Rahmen und Lenkachse einteilig
nach Fig. 29 ausgeführt. Große Bodenfreiheit vor der
hinteren Rolle ermöglicht ein Überrollen von Kanten.
Allerdings ist die Lenkcharakteristik nicht veränderbar, da
die Lenkeinheit nicht austauschbar ist.
Bei dem Rollschuh nach Fig. 44 ist die Lenkachse an den
Rahmen geschraubt und daher austauschbar.
Fig. 45 zeigt einen Rollschuh mit großer vorderer Rolle 52
(vorn und hinten identisch), wodurch das Fahrruckeln beim
Befahren unebener Flächen verringert ist und ein sicheres
Fahrgefühl beim Überfahren von Kanten entsteht.
Der Rollschuh nach Fig. 46 weist einen besonders langen
Radstand mit sehr niedriger Fußposition für schnelle Fahrt
mit größeren Kurvenradien auf. Die Lenkung ist entsprechend
Fig. 22 ausgebildet, der Rahmen 53 ist hinten gegabelt.
Fig. 47 zeigt ebenfalls einen Rollschuh mit gegabelten
Rahmen 54. Der hintere Rahmenteil 55 zur Stützung der nur
teilweise sichtbaren Lenkachse 56 geht über die hintere
Rolle 57. Deshalb kann diese Ausführung schmaler ausgeführt
werden als die nach Fig. 46.
Der in Fig. 48 dargestellte Rollschuh weist einen langen
Radstand und tiefe Fußposition auf und entspricht im übrigen
denjenigen nach Fig. 44.
Bei dem in Fig. 49 dargestellten Rollschuh ist der Schuh 51
an der Ferse 58 nicht angehoben.
Fig. 50 zeigt einen Rollschuh, bei dem die Lenkachse 59
zweiseitig gelagert ist.
Fig. 51 zeigt ein Diagramm von Richtwerten der elastischen
Eigenschaften der Lenkung bei verschiedenen
Hauptanwendungen. Es ist die rückstellende Kraft F am
Aufstandspunkt der hinteren Rolle in Newton über dem
Schwenkwinkel α um die Lenkachse in Grad angegeben. Kurve 61
kann für Schuhe eingestellt werden, welche für langsame
Fahrt mit engen Kurvenradien und genauer Steuerbarkeit der
Fahrlinie vorgesehen sind.
Kurve 62 kann gewählt werden, falls weite Kurven schnell und
mit genau steuerbarer Fahrlinie durchfahren werden sollen.
Kurve 63 ergibt einen Rollschuh mit dem schnell geradeaus
und in weiten Kurven gefahren werden kann. Der engste
Wenderadius ergibt sich aus dem Radstand geteilt durch den
Tangens des Spurwinkels.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 52 weist eine ähnliche
Lenkachse 71 auf wie das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3.
Der Lenkkörper 72, der auf der Lenkachse 71 mit Hilfe von
zwei Lagerbuchsen 73, 74 gelagert und mit Hilfe einer
Schraube 75 in axialer Richtung fixiert ist, weist außer den
Radlagern einen Fortsatz 76 auf, der durch den Spalt
zwischen den beiden Halbrollen 7 nach außen ragt. Im
hinteren Bereich ist der Rahmen 70 kastenförmig aufgeweitet,
um zwei elastischen Körpern 77, 78 (Fig. 53) Platz zu
bieten. Zwischen den beiden elastischen Körpern greift der
Fortsatz 76 an. Die elastischen Körper 77, 78 können mit
Hilfe zweier Schrauben 79, 80 gleich oder ungleich
vorgespannt werden (Mindestdrehmoment für Lenkeffekt).
Fig. 53a) zeigt eine vergrößerte Darstellung des hinteren
Bereichs des Rollschuhs nach Fig. 52, Fig. 53b) einen
Schnitt durch die hintere Rolle 7, den Lenkkörper 72 und den
Fortsatz 76 sowie die elastischen Körper 77, 78 und die
Schrauben 79, 80. Die Fig. 53c) und 53d) zeigen eine
Ansicht des hinteren Teils des Rahmens 70 im Falle des
Geradeauslaufs (c)) und einer Kurvenfahrt (d)).
Fig. 53e) stellt die Einzelteile der Zentriereinrichtung,
nämlich einen elastischen Körper 77, in drei Ansichten und
eine Schraube 79 in zwei Ansichten dar, während Fig. 53f) je
eine Ansicht der Lenkachse 71 und des Lenkkörpers 72 zeigt.
Fig. 54 zeigt Diagramme zur Erläuterung des Vortriebs beim
Schlittschuhschritt: im einzelnen Fig. 54a) die Bewegung des
Körperschwerpunktes bei üblichen Inline-Skatern, Fig. 54b)
mit einem erfindungsgemäßen Rollschuh und Fig. 54c) mit
einem erfindungsgemäßen Rollschuh während des Starts. Dabei
bedeutet v die Geschwindigkeit und - jeweils als zweiter
Buchstabe angegeben, einen Index vertretend - q quer, 1
längs, r resultierend, e Ergänzung und s Schritt.
Der mittlere Fahrimpuls ist m . (vl + ½ve). Er nimmt durch
Fahrwiderstände ab und wird pro Schritt um m . ve ergänzt.
Diese Ergänzung erfolgt durch den Schlittschuhschritt, bei
dem durch Abdrücken des freiwerdenden Fußes etwa quer zu
dessen momentaner Rollrichtung ein schräg nach vorn
gerichteter Impuls m . vs erzeugt wird. Dieser Impuls hat eine
Komponente m . ve, die sich zum Fahrimpuls addiert und eine
Querkomponente m . vq, die nutzlos ist. Der Körperschwerpunkt
führt eine Bewegung aus, die sich aus einer angenähert
konstanten Fahrt in der mittleren Fahrtrichtung und einer
überlagerten seitlichen Schwingung zusammensetzt. Die
seitliche Schwingung stellt einen "Blindimpuls" dar von der
Größe 2m . vq, wobei vq = (vl + ve) . tan(rw) und rw der
Rollwinkel ist.
Bei einem beispielsweisen Rollwinkel von 20° ergibt sich bei
jedem Schritt ein Blindimpuls von 2m . (vl + ve) . 0,36. D. h. 72%
des maximalen Fahrimpulses werden infolge der ungünstigen
Kinetik des Schlittschuhschrittes nutzlos erzeugt. In diesem
Beispiel ist angenommen, daß ve = 0,13 vl ist, d. h. pro
Schritt wird ein Impulsverlust von 13% vl ausgeglichen.
Physikalisch ist ein Kraftstoß, d. h. Kraft mal Zeit, keine
Energie, doch physiologisch ist die Erzeugung einer Kraft
für eine gegebene Zeit gleichbedeutend mit Energieumsatz in
einem Muskel.
Bei dem erfindungsgemäßen Rollschuh erfolgt die Ergänzung
des Fahrimpulses ebenfalls durch den Schlittschuhschritt,
jedoch mit einem annähernd quer gerichteten Impuls
m . vs = m . vq. Durch den Querimpuls erhöht sich der
resultierende Impuls m . vr um m . ve. Am Ende der
Impulserzeugung wird die Resultierende in Fahrtrichtung
umgelenkt. Für die Geschwindigkeit gilt vr = vl + ve =
(vl2 + vq2)½. Um den gleichen Impuls von 13% von vl
hinzuzuführen, wird ein Querimpuls von 52,6% vl benötigt.
Daraus ergibt sich ein etwas größerer Anfangsrollwinkel von
28°, was aber unwichtig ist. Man spart jedoch gegenüber den
konventionellen Inline-Skatern etwa 20% Krafteinsatz unter
sonst gleichen Bedingungen. Der Vorteil des
erfindungsgemäßen Rollschuhs ist beim Start, was
insbesondere bei Wettbewerben wichtig sein kann, und an
einer Steigung besonders ausgeprägt, denn dann ist der
Rollwinkel sehr groß. Infolge des Einlenkens in die mittlere
Fahrtrichtung wird unter sonst gleichen Bedingungen weniger
Fahrbahnbreite als mit bekannten Inline-Skatern benötigt.
Der rein physikalische Energieeinsatz beim
Schlittschuhschritt muß in beiden Fällen gleich sein, da vom
gleichen Fahrwiderstand ausgegangen wird, der auszugleichen
ist. Dennoch ist eine unterschiedliche Muskelarbeit
notwendig, da die Methode des Verlustausgleiches verschieden
ist.
Die Geschwindigkeit auf der Bahn des Schwerpunktes vr muß so
erhöht werden, daß die nutzbare Komponente vl um jeweils ve
wächst. Die Querkomponente vq muß auf Null abgefangen und
entgegengesetzt wieder aufgebaut werden. Dies ergibt die
doppelte physikalische Muskelenergie, da das Abfangen
physikalisch zwar Energierückfluß bedeutet, tatsächlich aber
Einsatz ist. Die eingesetzte Energie (Energie nach dem
Schritt minus vor dem Schritt) im Verhältnis zur Energie vor
dem Schritt ist dann
(vl + ve)2 + vl . tan2(rw) + (vl + ve)2 . tan2(rw)/vl2 + vl2 . tan2(rw). Mit
der Normierung vl = 1 und den gezeichneten Größen ergibt
dies 1,4. D. h. 40% der kinetischen Energie müssen pro
Schritt hinzugefügt werden, um im Mittel konstant zu fahren.
Bei dem erfindungsgemäßen Rollschuh verschwindet die
Querkomponente durch Umlenken kurz vor jedem neuen Schritt.
Dann ist die pro Schritt eingesetzte Energie
[(vl + ve)2 - vl2]/vl2, was 1,283 ergibt und besagt, daß 28,3%
der kinetischen Energie pro Schritt hinzugefügt werden, um
im Mittel konstant zu fahren. Daher ergibt sich eine
Einsparung an physikalischer Energie von 11,7%.
Claims (39)
1. Rollsportgerät, insbesondere einspuriges Skateboard
oder einspuriger Rollschuh, mit zwei hintereinander
angeordneten Rollenachsen, mit daran angeordneten einspurig
hintereinander laufenden Rollen, welche an einem Board oder
einem tragenden Rahmen angeordnet sind, dadurch
gekennzeichnet, daß die hintere der beiden Rollenachsen
(Hinterachse) um eine schräg nach vorn unten weisende Achse
(3, 21, 25, 32, 34, 41, 71) (Lenkachse), die einen
Nachlaufwinkel bildet, schwenkbar ist, daß die Laufflächen
(7', 12') der Rollen (7, 12) quer zur Laufrichtung gekrümmt
sind und daß die Laufflächen (7', 12') einen hohen,
gummiähnlichen Reibwert aufweisen.
2. Rollsportgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Hinterachse mittels elastischer Elemente (6', 6",
48, 77, 78, 144) für Geradeausfahrt zentriert ist.
3. Rollsportgerät nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Nachlaufwinkel zwischen 30°
und 70° liegt.
4. Rollsportgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Laufflächen (7', 12')
angenähert sphärisch gekrümmt sind mit angenähert dem
Rollenradius als Krümmungsradius, so daß der Abstand des
Aufstandspunktes der jeweiligen Rolle (7, 12) zu deren
Mittelpunkt sich über den gesamten fahrbaren
Schräglagenbereich nicht wesentlich ändert.
5. Rollsportgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Laufflächen (7', 12') quer
zur Laufrichtung derart geformt sind, daß der Abstand des
Rollenmittelpunkts zum Aufstandspunkt der Rolle (7, 12) bei
horizontal stehenden Rollenachsen minimal ist.
6. Rollsportgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Laufflächen in einem engen
mittleren Bereich zylindrisch sind.
7. Rollsportgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der hinteren
Rollenachse (8, 31) zur Lenkachse (3, 21, 25, 32, 34, 41,
71) kleiner als der Rollenradius ist.
8. Rollsportgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Lenkachse (3,
21, 25, 32, 34, 41, 71) von der hinteren Rollenachse (8, 31)
etwa 2/10 bis 6/10 des Rollenradius beträgt.
9. Rollsportgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der
hinteren Rollenachse und der Lenkachse null oder negativ
ist.
10. Rollsportgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Rollen (7, 12)
jeweils quer zur Rollenachse in zwei Halbrollen geteilt
sind, welche zur Durchführung der die Lagerung tragenden
Teile einen Abstand zueinander aufweisen.
11. Rollsportgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die hintere Rollenachse (8, 31)
mit einem Lenkkörper (6, 29, 36, 72) verbunden ist, welcher
um die Lenkachse (3, 21, 25, 32, 34, 41, 71) unter
Überwindung elastischer Rückstellkräfte schwenkbar ist.
12. Rollsportgerät nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Halbrollen jeder Rolle
separat an der zugehörigen Rollenachse drehbar gelagert
sind, wobei die vordere Rollenachse feststehend angeordnet
und die hintere Rollenachse fest mit dem Lenkkörper
verbunden ist.
13. Rollsportgerät nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Halbrollen jeder Rolle (7,
12) mittels der zugehörigen Rollenachse (8, 31; 13) fest
miteinander verbunden sind, wobei die vordere Rollenachse
(13) in dem Rahmen (1, 71) und die hintere Rollenachse (8,
31) in dem schwenkbaren Lenkkörper (6, 29, 36, 72) drehbar
gelagert ist.
14. Rollsportgerät nach einem der Ansprüche 10 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Halbrollen wenigstens der
hinteren Rolle (7) schalenartig ausgebildet sind, so daß sie
einen Hohlraum umschließen.
15. Rollsportgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen (7, 12) aus einer
tragenden Schale aus Leichtmetall oder Kunststoff und einem
äußeren Belag (7', 12') aus einem Polymer mit hohem Reibwert
gegen den Straßenbelag (Gummi, Polyurethan, Kautschuk)
bestehen.
16. Rollsportgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die hintere Rolle (7) größer ist
als die vordere (12).
17. Rollsportgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand jeweils der beiden
Halbrollen einer Rolle (7, 12) zueinander einstellbar ist.
18. Rollsportgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen (7, 12) weiter innen
hart, weiter außen weich belegt sind.
19. Rollsportgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Rollenachsen an einem Rahmen
(1, 71) befestigt sind, welcher aus einem Tragbalken besteht
und welcher oben mit Aufsatzhalterungen (2) zur Befestigung
eines Schuhs versehen ist, daß das vordere Ende des Rahmens
durch den Spalt zwischen den vorderen Halbrollen (12) ragt
und die vordere Rollenachse (13) trägt und daß der Rahmen
hinten einen die Lenkachse bildenden, mit dem Rahmen fest
verbundenen Lenkstummel (3, 21, 25, 32, 34, 41, 71)
aufweist, welcher zwischen den hinteren Halbrollen (7)
hindurch in deren Inneres hineinragt und daß der Lenkkörper
(6, 29, 36, 72) innerhalb der hinteren Rolle (7) angeordnet
ist.
20. Rollsportgerät nach Anspruch 19, dadurch
gekennzeichnet, daß der Rahmen Mittel zur variablen
Befestigung des Schuhs, insbesondere Langlöcher und
unterlegbare Keile, aufweist.
21. Rollsportgerät nach Anspruch 20, dadurch
gekennzeichnet, daß der Schuh mit angehobener Ferse auf dem
Rahmen (1, 71) befestigt ist, vorzugsweise mit einem Winkel
von 10° bis 17°.
22. Rollsportgerät nach einem der Ansprüche 19 bis 21,
dadurch gekennzeichnet, daß der Lenkstummel (32, 34) an dem
Rahmen (1) angeformt ist.
23. Rollsportgerät nach einem der Ansprüche 19 bis 21,
dadurch gekennzeichnet, daß der Lenkstummel (3) mit einer
lösbaren Reibkegelverbindung (4) in dem Rahmen (1) verankert
ist.
24. Rollsportgerät nach einem der Ansprüche 19 bis 21,
dadurch gekennzeichnet, daß der Lenkstummel (21) in den
Rahmen (1) unlösbar eingepreßt ist.
25. Rollsportgerät nach einem der Ansprüche 19 bis 24,
dadurch gekennzeichnet, daß der Lenkstummel mit einem
umgebogenen Endstück versehen ist, welches von unten schräg
nach vorn verlaufend in den Rahmen hineinragt und dort
verankert ist.
26. Rollsportgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Lenkstummel (3) derart
gebogen und mittels Verschraubung (5) verankert ist, daß die
Wirkrichtung der Verschraubung (5) zum Aufstandspunkt der
hinteren Rolle (7) weist.
27. Rollsportgerät nach einem der Ansprüche 19 bis 22,
dadurch gekennzeichnet, daß der Lenkstummel (25) zwischen
zwei Fortsätzen des Rahmens angeordnet ist, welche oberhalb
und unterhalb des Lenkstummels vom Rahmen abragen.
28. Rollsportgerät nach einem der Ansprüche 19 bis 27,
dadurch gekennzeichnet, daß der Lenkkörper (6) über eine
Bohrung verfügt, mit welcher er über den Lenkstummel (3')
gestülpt ist, wobei die Bohrung weiter als der Lenkstummel
(3') ist, und daß der Zwischenraum zwischen der Bohrung und
dem Lenkstummel (3) mit einem elastisch federnden Material
(6') ausgefüllt ist.
29. Rollsportgerät nach einem der Ansprüche 19 bis 28,
dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Lenkstummels
(3) die Form eines hochkant stehenden Rechtecks aufweist.
30. Rollsportgerät nach Anspruch 29, dadurch
gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Bohrung die Form
eines hochkant stehenden, in der Mitte horizontal
eingeschnürten Rechtecks hat, dessen engste Stelle auf
halber Höhe liegt und etwa der Breite des Lenkstummels (3)
entspricht (Schmetterlingsform).
31. Rollsportgerät nach einem der Ansprüche 10 bis 27,
dadurch gekennzeichnet, daß der Lenkkörper (72) einen
hebelartigen Fortsatz (76) aufweist, der zwischen den beiden
Halbrollen in Richtung auf den Rahmen hindurchragt und
dessen freies Ende im Rahmen (70) elastisch gehalten ist.
32. Rollsportgerät nach Anspruch 31, dadurch
gekennzeichnet, daß das freie Ende des Fortsatzes (76)
zwischen zwei elastischen Körpern (77, 78) im Rahmen
gehalten ist.
33. Rollsportgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zwei an dem Lenkkörper
angelenkte Rückstellfedern gegeneinander vorgespannt und mit
Anschlägen so festgehalten sind, daß zur Drehung des
Lenkkörpers ein Schwellmoment überschritten werden muß.
34. Rollsportgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 27,
dadurch gekennzeichnet, daß der Lenkstummel als
Torsionsfeder ausgebildet ist, an welcher der Lenkkörper
direkt befestigt oder angeformt ist.
35. Rollsportgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkrückstellhärte und/oder
das Schwellmoment des Lenkkörpers verstellbar ist.
36. Rollsportgerät nach einem der Ansprüche 10 bis 27,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lücke zwischen den
Halbrollen der hinteren Rolle durch einen Steinabweiser
(139), welcher an dem Lenkkörper befestigt ist, und die
Lücke zwischen den Halbrollen der vorderen Rolle durch einen
Steinabweiser (138), welcher an dem Rahmen befestigt ist,
wenigstens im Bereich der Aufstandspunkte der Rollen
verschlossen sind.
37. Rollsportgerät nach einem der Ansprüche 19 bis 36,
dadurch gekennzeichnet, daß ein nach hinten über die hintere
Rolle herausragender Bremsklotz (180) aus einem
Abriebmaterial an dem Lenkkörper (6) so befestigt ist, daß
er bei leichtem Kippen des gesamten Rahmens (1) nach hinten
den Boden berührt und eine Bremskraft erzeugt.
38. Rollsportgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen unsymmetrisch
ausgeführt sind.
39. Rollsportgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Feststellbremse (38)
vorgesehen ist, durch welche wenigstens eine der Rollen
feststellbar ist, und daß die Feststellbremse (38) durch
einen Stift/Sperrelement gebildet ist, welcher in die
Rollen/Rollenachse oder über eine mehrkantige Anformung an
der Rolle steckbar ist und welcher einen Griff in Form einer
vorragenden gut sichtbaren Markierung aufweist.
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