DE10111132C2 - Vorrichtung zum stufenlosen Einstellen der Drehzahl/des Drehmomentes eines form- oder kraftschlüssigen Getriebes zum Antreiben von Fahrzeugen oder Maschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum stufenlosen Einstellen der Drehzahl/des Drehmomentes eines form- oder kraftschlüssigen Getriebes zum Antreiben von Fahrzeugen oder Maschinen, gemäß dem Oberbegriff des Patentesanspruchs 1.

Bei Fahrzeugen, die mit Muskelkraft angetrieben werden, vorzugsweise zum Beispiel Fahrräder, Lastenräder, Ruderboote, Tretboote oder ähnliche Fahrzeuge, werden bisher Schaltgetriebe, zum Beispiel Nabenschaltungen mit bis zu 14 Gängen, Kettenschaltungen mit 21 Gängen und mehr, ver­ wendet, um für die verschiedenen Betriebszustände bzw. Belastungen eine Anpassung an das Leistungsvermögen des Fahrzeugbenutzers zu ermöglichen. Für den Benutzer ist es jedoch nicht leicht, die optimale Übersetzung schnell und genau einzustellen. Die Schaltvorgänge sind oft nur ohne Last, d. h. bei entlasteter Schaltung, möglich und für die Me­ chanik schädlich. Ferner sind die mechanischen Verluste insbesondere der Nabenschaltungen relativ hoch, und eine Kettenschaltung ist sehr emp­ findlich und muß sehr genau justiert werden, um ein exaktes Schalten zu erlauben. Ferner verläuft bei Pedalantrieben das Drehmoment in Form einer Sinuskurve und ist in der oberen bzw. unteren Pedalposition Null und somit beim Beschleunigen nicht optimal. Ferner nimmt der Pedalkreis relativ viel Platz in Anspruch, wodurch insbesondere bei Liegefahrrädern eine ungünstige Sitzposition für den Benutzer und eine relativ hohe Ge­ samtbauhöhe solcher Fahrräder gegeben ist.

Des weiteren ist in der FR-Patentschrift 733 159, von der der Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgeht, eine ähnliche Vorrichtung beschrieben. Diese vorbekannte Vorrichtung zeigt einen teleskopischen Schwenkarm, der von einer hin- und hergehenden Antriebsstange angetrieben wird. Diesem Schwenkarm ist eine mittels Handrad betätigbare Gewindestange mit einer Mutter feststehend zu geordnet, wobei die Mutter zusammen mit einer am Schwenkarm angelenkten Stellstange eine Last- und Kraftarmein­ stellung für eine vom Schwenkarm hin- und hergehend angetriebene Kraftübertragungsstange bewirkt. Die Kraftübertragungsstange treibt ein Zwischenrad an, das mittels eines Klinkentriebes eine Antriebswelle beispielsweise einer Maschine einsinnig rotierend antreibt. Je kleiner der Hub der Kraftübertragungsstange ist, je kleiner ist die Drehzahl/das Dreh­ moment des Zwischenrades und damit der Antriebswelle. Die Drehzahl/das Drehmoment der Antriebswelle kann von Null bis zu einem Maximum stufenlos eingestellt werden. Die Antriebsstange, welche eine hin- und hergehende Betätigungskraft auf den Schwenkarm überträgt, wird von einer rotierend angetriebenen Kurbel betätigt. Der Schwenkarm selbst besteht aus zwei teleskopisch auseinanderfahrbaren Hauptteilen, nämlich aus einem ersten länglichen Hauptteil, dessen Unterende ortsfest angelenkt ist und dessen Oberende einen Gleitstein trägt, und einen zweiten länglichen Hauptteil in Form einer den Gleitstein aufnehmenden Kulissenführung, dessen bzw. deren Unterende an der Stellstange und dessen bzw. deren Oberende an der Antriebsstange angelenkt ist. Die Mutter der positionsbezogen unveränderlichen Gewindestange ist in einer Kulissenausbildung der Stellstange geführt, die in einer starren Verlänge­ rung der Stellstange vorgesehen ist. Wenn somit die Gewindestange gedreht wird, wird der zweite Hauptteil des Schwenkarmes relativ zu seinem ersten Hauptteil teleskopisch verstellt, wodurch sich der jeweilige Abstand der Antriebsstange zur Kraftübertragungsstange und der jeweilige Abstand der Anlenkstellen der Kraftübertragungsstange und der Stell­ stange am Schwenkarm zueinander verändern. Dadurch wird ein gewünschtes Kraft-/Lastarm-Übersetzungsverhältnis an dem Schwenkarm für die Kraftübertragungsstange eingestellt, um die genannte Antriebswelle mit einem jeweils erforderlichen Drehmoment/Drehzahl anzutreiben. Es ist des weiteren möglich, die vorstehend beschriebene Vorrichtung in Mehrfachanordnung nebeneinander vorzusehen. Diese Vorrichtung ist sehr kompliziert aufgebaut und deshalb nur mit hohen Herstellungskosten zu fertigen. Außerdem weist sie einen beträchtlich voluminösen Aufbau auf, der sie zum Einbau in mit Muskelkraft betriebene Fahrzeuge wie bei­ spielsweise Liegefahrräder, Tretboote oder dergleichen ungeeignet macht.

In der DE-Patentschrift 378 415 ist eine weitere Vorrichtung zum Einstellen eines Übersetzungsverhältnisses bei einem Stangengetriebe beschrieben. Sie umfaßt einen geraden, zweiseitigen Verstellhebel, d. h. einen Hebel, dessen Gelenkstelle sich zwischen seinen beiden Enden befindet, so dass sich auf der einen Seite der Gelenkstelle der Kraftarm des Verstellhebels und auf der anderen Seite der Gelenkstelle der Lastarm des Verstellhebels befindet. An dem Kraftarm des Verstellhebels greift ein Antrieb an, wäh­ rend der Lastarm des Verstellhebels zwei Zahnstangen antreibt, die je mit einem auf einer gemeinsamen Abtriebswelle sitzenden, jeweils mit einem Freilauf versehenen Zahnrad kämmen. Ein Lagerbock, der die vorgenann­ te Gelenkstelle bildet, ist entlang des Verstellhebels verschiebbar ausge­ bildet, so dass die Längen von dessen Kraftarm und Lastarm einstellbar sind und somit das Übersetzungsverhältnis des Verstellhebels wählbar ist. Jedoch zeigt und beschreibt diese Patentschrift keinerlei Ausführungskon­ struktion für die Versteilung des Lagerbockes für den zweiseitigen Verstell­ hebel.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Verbesserung einer Vorrichtung der einleitend angeführten Art dahingehend, dass sie im Aufbau sehr einfach und platzsparend ausgebildet ist, kostengünstig hergestellt werden kann und eine genaue Leistungsanpassung an jeden Belastungszustand des Benutzers von insbesondere mit Muskelkraft antreibbaren Fahrzeugen ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in dem Patentanspruch 1 angegeben.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist eine im Aufbau stark vereinfachte und demzufolge besonders kostengünstig herstellbare Vorrichtung zum stufenlosen Einstellen der Drehzahl bzw. des Drehmomentes und zum Betätigen eines Zugmittelgetriebes, welches zum Antreiben von insbeson­ dere durch Muskelkraft betriebene Fahrzeuge der vorerwähnten Art ge­ eignet ist, geschaffen. Ein weiterer Vorteil besteht in der platzsparenden Bau- und Funktionsweise der Vorrichtung, so dass sie besonders für Liege­ fahrräder geeignet ist, deren Pedalanordnung lagegünstig und raum­ sparend vorgenommen werden kann, so dass die Gesamtbauhöhe sol­ cher Fahrräder niedrig gehalten werden kann, um möglichst wenig Luft­ widerstand zu erzielen und damit weniger Leistungsbedarf zu bewirken. Des weiteren wird eine kostengünstige Fertigung und Reparatur der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung auch dadurch erreicht, dass Standardbautei­ le aus der industriellen Serienfertigung verwendet werden. Das aufgrund der stufenlosen Einstellmöglichkeit jeweils optimal zur Verfügung stehende Drehmoment ermöglicht eine optimale Beschleunigung eines mit Muskel­ kraft angetriebenen Fahrzeuges bzw. eine gleichmäßige und benutzer­ freundlichere Leistungverssorgung für dessen Betrieb. Ferner ist es möglich, mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen nebeneinander angeordnet auf eine gemeinsame Antriebswelle oder dergleichen wirken zu lassen. Des weiteren kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch in Verbindung mit einer Kolbenkraftmaschine verwendet werden, wobei sie dieser als Getriebe unmittelbar nachgeordnet ist.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in der anliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Zeichnung zeigt das Ausführungsbeispiel in schematischer Seitenansicht.

Gemäß dem zeichnerischen Ausführungsbeispiel ist ein Schwenkarm 1 vorgesehen, der an seinem einen Ende, im folgenden Unterende genannt, bei 2 ortsfest und mittels einer Gelenkarmausbildung 4 in einer Ebene schwenkbar angelenkt ist. An seinem anderen (oberen) Ende kann der Schwenkarm beispielsweise mit einem Zugelement 3 gelenkig verbunden sein, an dem eine Kraft F zur Schwenkbetätigung des Schwenkarmes 1 angreift. Die Kraft F kann eine Muskelkraft, aber auch eine Maschinenkraft sein. Alternativ kann das andere Ende des Schwenkarmes 1 auch mit einem Handgriff (nicht gezeigt) versehen sein, an dem eine Muskelkraft unmittelbar angreift. Auch eine Maschinenkraft kann unmittelbar an dem anderen Ende des Schwenkarmes angreifen.

Der Schwenkarm 1 ist ein Bauteil mit fester, d. h. unveränderlicher Länge und kann beispielsweise in Form einer Stange ausgebildet sein. Des weite­ ren ist der Schwenkarm 1 ein einseitiger Hebel, d. h. Kraftarm und Lastarm dieses Hebels befinden sich, bezogen auf seine Gelenkausbildung 4 an seinem Unterende, auf derselben Seite dieser Gelenkausbildung.

Dem Schwenkarm 1 ist eine Gewindespindel 5 parallel zugeordnet, und zwar derart, dass sie sich gemeinsam mit dem Schwenkarm in der Schwenkebene des Schwenkarmes verschwenkt, wenn der Schwenkarm mittels der Kraft F verschwenkt wird. Die Gewindespindel 5 ist in Haltern 6 und 7 am Unterende und am anderen Ende des Schwenkarmes 1 drehbar gelagert und gehaltert.

Der Schwenkarm 1 weist einen Schlitten 8 auf, beispielsweise in Form eines Ringkörpers, der in Längsrichtung des Schwenkarmes an diesem frei gleitet. Der Schlitten 8 weist ein Innengewinde 9 auf, welches die Gewindestange 5 aufnimmt, so dass sich der Schlitten bei Verdrehung der Gewindestange entlang dem Schwenkarm 1 verstellt. Für das Vorsehen des Innengewindes 9 kann der der Schlitten 8 mit einem radial vorstehenden Ansatz 10 verse­ hen sein, in den das Innengewinde eingearbeitet ist.

Obwohl es möglich ist, die Gewindespindel 5 an ihrem Oberende mit einem Handrad zu versehen, ist für die Drehbetätigung der Gewindespin­ del vorzugsweise ein Stellmotor 11 vorgesehen, der beispielsweise im Bereich des ortsfesten Unterendes des Schwenkarmes 1 angeordnet ist. Zum Einschalten und Ausschalten des Stellmotors 11 zwecks elektromecha­ nischen Antreibens der Gewindespindel 5 kann ein vom Benutzer be­ tätigbarer Tippschalter 12 vorgesehen sein, der beispielsweise an dem Zugelement 3 angeordnet ist, um bequem bedient werden zu können. Der Tippschalter 12 kann natürlich auch an anderer Stelle angeordnet sein, beispielweise an einer vom Benutzer eines Fahrzeuges bequem erreich­ baren Stelle an diesem Fahrzeug, das in Verbindung mit dem Schwenkarm 1 verwendet wird.

Anstelle des Tippschalters 12 kann auch ein bekannter automatischer Druckschalter 13 vorgesehen sein, der an dem oberen Ende des Schwenkarmes 1 angeordnet ist und an dem andererseits beispielsweise das Zugelement 3 angreift. Dieser automatische Druckschalter 13 ist mit dem Stellmotor 11 elektrisch verbunden und steuert diesen in Abhängigkeit des maximalen bzw. minimalen Schaltpunktes des Druckschalters.

An dem Schlitten 8 des Schwenkarmes 1 greift der Arbeitstrum 14a, 14b eines Zugmittels 15 an, wie es die Zeichnung deutlich zeigt. Das Zugmittel 15 beginnt an dem Schlitten 8 und verläuft als teilweiser Arbeitstrum 14a zu einem Antriebsrad 16, von dort als Leertrum 17 zu einem Umlenkrad 18 und von diesem als zweiter teilweiser Arbeitstrum 14b wieder zurück zu dem Schlitten 8. Das Zugmittel 15 und die Räder 16 und 18 bilden zusammen ein Zugmittelgetriebe.

Weil sich die wirksame Länge des Arbeitstrums 14a, 14b verändert, wenn der Schlitten 8 entlang dem Schwenkarm 1 verstellt wird, ist das Umlenkrad 18 zur Aufrechterhaltung der Spannung des Zugmittels 15 in Längsrichtung des Zugmittels, d. h. in Längsrichtung des Leertrums 17, nachgiebig ausge­ bildet. Hierzu ist ein Spannelement 19 vorgesehen, beispielsweise eine Zugfeder, die vorteilhaft von einem schützenden Rohr umgeben ist. Das Spannelement 19 greift mit seinem einen Ende im Drehlagerbereich 20 des frei drehbar ausgebildeten Umlenkrades 18 und mit seinem anderen Ende an einem Festpunkt 21 an.

Das Antriebsrad 16 des Zugmittelgetriebes treibt eine Antriebswelle 22 an, welche wiederum mit einem anzutreibenden Fahrzeug zusammenwirkt. Das Antriebsrad 16 und die Antriebswelle 22 stehen über einen üblichen Freilauf (nicht gezeigt) miteinander in Wirkverbindung, so dass die hin- und hergehende Bewegung des Antriebsrades 16 aufgrund der Schwenkbe­ wegung des Schwenkarmes 1 in eine einsinnige Rotationsbewegung der Antriebswelle 22 umgewandelt wird. Das Zugmittel 15 kann ein formschlüs­ siges Zugmittel sein, beispielsweise eine Kette oder ein gezahnter flexibler Strang; es kann alternativ auch ein kraftschlüssiges Zugmittel sein, beispiels­ weise ein Keilriemen. Entsprechend der gewählten Art des Zugmittels 15 sind die Räder 16 und 18 ausgebildet.

Aus der vorstehenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung ergibt sich für den Fachmann zweifelsfrei, dass der Schwenkarm 1 einen in seiner Länge unveränderlichen Kraftarm aufweist, der im Wesentlichen der Länge des Schwenkarmes entspricht. Hingegen ist an dem Schwenkarm 1 ein Lastarm L veränderlicher Länge einstellbar, wobei diese Länge von der jeweiligen Stellung des Schlittens 8 auf dem Schwenkarm abhängig ist, wie es sich aus der Zeichnung eindeutig ergibt. Danach hat der Lastarm L den Wert Null, wenn sich der Schlitten 8 in seiner untersten Stellung im Bereich der Gelenkausbildung 4 des Schwenkarmes 1 befindet, wie es strichpunktiert angedeutet ist. Der Lastarm L hat seine größte Länge, wenn sich der Schlitten 8 in seiner obersten Stellung an dem Schwenkarm 1 befindet. Dementsprechend ist das Antriebsrad 16 mit einer veränderli­ chen Drehzahl bzw. mit einem veränderlichen Drehmoment betreibbar, je nach dem, welches Kraftarm/Lastarm-Übersetzungsverhältnis an dem Schwenkarm 1 eingestellt wird. Wie bereits erwähnt, wird der Schlitten 8 mittels der Gewindestange 5 entlang des Schwenkarmes 1 zur Erzielung des gewünschten Übersetzungsverhältnisses eingestellt, und zwar vorzugs­ weise mit Hilfe des Stellmotors 11.

Die vorstehend beschriebene Vorrichtung kann auch mehrfach verwen­ det werden, d. h. mehrere Vorrichtungen können in Verbindung mit einem anzutreibenden Fahrzeug angeordnet sein, wobei es von dem jeweils verwendeten Fahrzeug abhängt, an welcher Stelle am Fahrzeug zwei oder auch mehrere Vorrichtungen angeordnet seien sollen. Vorzugsweise wird die oder jede beschriebene Vorrichtung in Verbindung mit Fahrzeugen verwendet, die mit Muskelkraft angetrieben werden. Dies sind beispiels­ weise Liegefahrräder, Lastenfahrräder, aber auch Ruderboote, Tretboote und ähnliche Fahrzeuge. Die Verwendung des Zugelementes 3, welches ein starres oder ein nicht starres Element sein kann, gewährleistet eine bequeme Handhabung des Schwenkarmes 1, wenn dieser vom Benutzer des jeweils verwendeten Fahrzeuges weiter entfernt ist. Auch wird eine gewisse Drehmomentvergleichmäßigung an der Antriebswelle 22 erzielt, wenn der Schwenkarm 1 innerhalb seines Schwenkbereiches alpha mittels des Zugelementes 3 betätigt wird. Des weiteren ist es möglich, dass bei Anwendung mehrerer, vorstehend beschriebener Vorrichtungen, die auf eine gemeinsame Antriebswelle wirken sollen, eine paarweise Anordnung solcher Vorrichtungen vorgenommen werden kann, wobei die jeweiligen Vorrichtungspaare mit einem Kegelradgetriebe gegenläufig mechanisch gekoppelt sein können.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum stufenlosen Einstellen der Drehzahl/des Drehmo­ mentes eines form- oder kraftschlüssigen Getriebes zum Antreiben von Fahrzeugen oder Maschinen, wobei die Vorrichtung umfasst einen an seinem einen Ende ortsfest angelenkten und an seinem anderen Ende kraftbetätigbaren Schwenkarm mit einer Anlenkausbildung für ein Kraftein­ leitungsmittel des Getriebes, wobei die Anlenkausbildung an dem Schwen­ karm so positionierbar ist, dass eine stufenlose Einstellung eines von Null bis zu einem Maximum reichenden Kraftarm/Lastarm-Übersetzungsverhält­ nisses an dem Schwenkarm durchführbar ist, und eine mit dem Schwen­ karm verbundene, drehantreibbare Gewindespindel zum Einstellen des Übersetzungsverhältnisses, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwen­ karm (1) aus einem Bauteil fester Länge besteht, an dem ein Schlitten (8) als die genannte Anlenkausbildung gleitend vorgesehen ist, dass an dem Schlitten (8) der Arbeitstrum (14a, 14b) eines in seiner Längsrichtung nach­ giebigen Zugmittels (15) eines Zugmittelgetriebes mit Freilauf angreift, dass die Gewindespindel (5) parallel zu dem Schwenkarm (1) und gemeinsam mit diesem schwenkbar angeordnet ist und dass der Schlitten (8) ein die Gewindespindel (5) aufnehmendes Innengewinde (9) zum Einstellen des Arbeitstrums (14a, 14b) des Zugmittels (15) des Zugmittelgetriebes entlang des Schwenkarmes (1) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkarm (1) aus einer Stange besteht und dass der Schlitten (8) ein Ringkörper ist, der den Schwenkarm umgibt und einen radial vorstehenden Ansatz (10) mit dem Innengewinde (9) für die Aufnahme der Gewindespin­ del (5) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des ortsfesten Endes des Schwenkarmes (1) ein Stellmotor (11) zum elektromechanischen Antreiben der Gewindespindel (5) an­ geordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein von Hand betätigbarer Tippschalter (12) zum Einschalten und Ausschalten des Stellmotors (11) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an dem anderen, kraftbetätigbaren Ende des Schwenkarmes (1) ein automa­ tischer Druckschalter (13) vorgesehen ist, der auf die an diesem Ende des Schwenkarmes (1) angreifende Betätigungskraft (F) reagiert und den Stellmotor (11) ein- und ausschaltet.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass an dem kraftbetätigbaren Ende des Schwenkarmes (1) ein vom Benutzer der Vorrichtung handhabbares Zugelement (3) angelenkt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass für das Zugmittel 15 des Zugmittelgetriebes ein frei dreh­ bares Umlenkrad (18) vorgesehen ist, das mit einem Spannelement (19) für die nachgiebige Anordnung des Zugmittels (15) verbunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement (3) eine Zugfeder ist.