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Die
vorliegende Erfindung befaßt
sich mit einem Tretfahrzeug mit einem Schub-Kurbelantrieb für ein von
Muskelkraft betriebenes Fahrzeug zum Umformen einer linearen Tretbewegung
in eine Drehbewegung, mit einer Sitzvorrichtung und Tretelementen,
die über
Schubelemente auf einen Kurbeltrieb wirken und jeweils in einer
linearen Führung
zwischen einem entfernt vom Kurbeltrieb liegenden ersten Totpunkt
und einem näher
zum Kurbeltrieb liegenden zweiten Totpunkt verschieblich gehalten sind,
wobei die Führungsbahn
in einem Winkel zur Verbindungslinie des ersten Totpunkts mit der
Kurbellagerachse steht und die Tretelemente vor der Kurbellagerachse
angeordnet sind.
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Die
bekannteste Art der von Muskelkraft betriebenen Fahrzeuge, sogenannte
Human Powered Vehicles (HPVs), ist das Fahrrad. Jedoch wird der Antrieb
durch Muskelkraft auch für
andere Fahrzeugarten wie z. B. Tretautos, Boote oder Flugzeuge verwendet.
Bei Fahrrädern
finden neben der üblichen Konstruktionsart,
bei der sich die Sitzposition des Fahrers oberhalb von vor dem Hinterrad
angeordneten Pedalen mit einem Kurbelantrieb befindet und die Tretbewegung
des mehr oder weniger aufrecht sitzenden Fahrers zwar kreisförmig ist,
die Kraftaufbringung jedoch primär
nach unten gerichtet ist, auch solche Konstruktionen zunehmend Verwendung,
bei denen durch eine modifizierte Anordnung von Fahrer und Tretlager
andere Sitzpositionen möglich
sind, beispielsweise ein in Fahrrichtung vor der Sitzvorrichtung
auf gleicher Höhe
angeordnetes Tretlager. Die bekanntesten Varianten sind die sogenannten
Sessel- oder Liegeräder.
Durch die horizontal versetzte Anordnung von Sitzvorrichtung und
Tretlager ergeben sich gegenüber üblichen
Fahrrädern
Sitzpositionen mit unterschiedlichen ergonomischen Auswirkungen
für den
Benutzer; so werden beispielsweise bei Sessel- oder Liegerädern die
Arme und Schultern dadurch entlastet, daß der Oberkörper nicht nach vorne geneigt
ist und in dieser Stellung abgestützt werden muß, sondern
rückwärtig durch
eine Art Lehnvorrichtung gehalten ist. Die niedrige und gestreckte
Sitz- bzw. Liegeposition führt
auch zu günstigen
aerodynamischen Eigenschaften, während
der Windwiderstand bei herkömmlichen
Fahrrädern durch
ein Vorbeugen des Oberkörpers
verbessert werden kann, was zu einer erhöhten Belastung von Rücken, Schultern,
Armen und Hals führt.
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In
der Regel wird für
Sessel- und Liegeräder der
bei Fahrrädern übliche Kurbelantrieb
mit Pedalen verwendet, die an Kurbeln eines Kurbellagers schwenkbar
befestigt sind. Durch den für
die Drehbewegungen benötigten
Raum entsteht bei Anordnung des Tretlagers vor der Sitzposition
ein geometrischer Konflikt mit dem Lenkeinschlag des Vorderrads.
Der Kurbelantrieb wird bei Sessel-/Liegerädern daher in der Regel entweder
weit vor dem Vorderrad oder weit dahinter angeordnet, um trotz der
Drehbewegungen des Kurbelantriebs einen gewissen Lenkeinschlag des
Vorderrads zu gewährleisten.
Entsprechend aufwendige Rahmenkonstruktionen und eine nicht unerhebliche
Einschränkung
der Gestaltungsfreiheit sind die Folge.
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In
der
US 5,290,054 findet
sich der Vorschlag, bei einem üblichen
Fahrrad die Pedale an einem vor dem Lenker befindlichen Lager über Pendelstangen
aufzuhängen
und über
Schubstangen mit Kurbeln eines unter der Sitzvorrichtung angeordneten
Tretlagers zu verbinden. Durch die Aufhängung der Pedale beschreiben
diese keine vollständige Drehbewegung
mehr, sondern eine Schwenkbewegung in Form eines Kreisbogenabschnitts,
so daß der für die Bewegung
notwendige Freiraum in seiner vertikalen Ausdehnung reduziert und
folglich eine Anordnung der Tretelemente unmittelbar oberhalb des Vorderrads
möglich
ist.
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Neben
den geometrisch bedingten Aspekten hat der Kurbelantrieb auch ergonomisch
nachteilige Eigenschaften, da die Drehbewegung der Tretelemente
zu einer hohen Belastung der Knie- und Fußgelenke führt. Im Stand der Technik finden
sich daher Überlegungen
zu Fahrrädern
mit linearem Tretantrieb. Die deutsche Patentschrift 670 848 C offenbart einen
Fußantrieb
für Fahrzeuge,
insbesondere für Fahrräder, mit
auf und ab gehender Antriebsbewegung, wobei das Fahrrad ein unterhalb
der Sitzvorrichtung angeordnetes Kurbellager mit zwei versetzt angeordneten
Kurbeln aufweist, an denen jeweils ein Koppelelement schwenkbar
befestigt ist, dessen anderes Ende in einer annähernd vertikal verlaufenden linearen
Führung
verschieblich gehalten ist und an dem ein schwenkbares Pedal vorgesehen
ist, so daß die
lineare Tretbewegung in der Vertikalen erfolgt.
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Die
WO 03/022670 A2 offenbart ein Fahrrad mit einem Kurbelantrieb, bei
dem Tretelemente an Verbindungselementen vorgesehen sind, die auf
einen hinter dem Hinterrad angeordneten Kurbelantrieb wirken. Die
Verbindungselemente sind jeweils an einer Kurbel des Kurbeltriebs
schwenkbar befestigt und an ihrem anderen Ende in einer Führung verschieblich
gehalten. Die lineare Führungsbahn
steigt in Fahrtrichtung leicht an und befindet sich unterhalb des
Sattels an der Stelle, an der üblicherweise
der Kurbeltrieb angeordnet ist.
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In
der
DE 201 10 016
U1 ist ein Stehfahrrad als Outdoorfitnessgerät beschrieben,
bei dem Stehkonsolen vorgesehen sind, die jeweils mit einer Kurbel
schwenkbar verbunden und am anderen Ende in einer Schiene verschieblich
geführt
sind. Die Krafteinleitung über
der Auftrittsbereich erfolgt ähnlich
wie in der WO 03/022670 A2 quer zur Richtung der Stehkonsolen. Der
Auftrittsbereich beschreibt auch hier eine Ellipse.
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Das
grundsätzliche
Problem einer linearen Tretbewegung ist die Überwindung der Totpunkte. Möglichkeiten,
dieses Problem zu lösen,
bestehen in dem Einsatz einer Schwungmasse oder, z.B. bei einem
Fahrrad, einer permanenten Kopplung der Bewegung des Hinterrads
mit der Kurbelbewegung. Ein Freilauf ist dann zwangsweise nicht
mehr möglich. Beim üblichen
Fahrrad-Kurbelantrieb
existieren keine Totpunkte und die Überwindung der oberen und unteren
Pedalstellungen erreicht man durch Aufbringen einer kleinen tangential
wirkenden Schubkraft auf die Pedale.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Tretfahrzeug
mit einem linearen Tretantrieb zu schaffen, bei dem die Überwindung
der Totpunkte mit einer lineareren Tretbewegung möglich ist.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch ein Tretfahrzeug der eingangs beschriebenen Art gelöst, bei
dem die Kurbellagerachse unter der Sitzvorrichtung angeordnet ist,
die Tretelemente vor der Sitzvorrichtung angeordnet sind und der
Winkel zwischen der Führungsbahn
und der Verbindungslinie des vorderen Totpunkts mit der Kurbellagerachse zwischen
1° und 5° beträgt.
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Der
Vorteil des erfindungsgemäßen Tretfahrzeugs
besteht darin, daß durch
den Versatz der Führungsbahn
ein Versatz der Totpunkte des Schub-Kurbelantriebs, in denen die
Leistung gleich Null ist, erreicht wird, d.h, der hintere Totpunkt
des rechten Tretelements tritt nicht in Kombination mit dem vorderen Totpunkt
des linken Tretelements auf, bzw. der vordere Totpunkt des rechten
Tretelements tritt nicht in Kombination mit dem hinteren Totpunkt
des linken Tretelements auf. Durch den Versatz der Totpunkte wird
außerdem
ein Rückschlagen
der Kurbel bei Verwendung eines Freilaufs verhindert. Die Führungsbahn
liegt zur Verbindungslinie des ersten Totpunkts mit der Kurbellagerachse
in einem Winkel zwischen 1° und
5°, wobei
ein Winkel im Bereich von 2° bis
4° zweckmäßig ist.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher der
Winkel zwischen der Führungsbahn
und der Verbindungslinie des vorderen Totpunkts mit der Kurbellagerachse
ungefähr
3° beträgt, da bei
diesem Wert der Antrieb über
eine optimale Leistungssteigerung gegenüber einer Version ohne Schienenversatz
verfügt.
Diesem Winkel entspricht ein Abstand zwischen dem hinteren Totpunkt eines
Tretelements und der Verbindungslinie des vorderen Totpunkts mit
der Kurbellagerachse von 10% der Kurbellänge des Kurbeltriebs.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Tretelemente starr oder schwenkbar mit den Schubelementen
verbundene Pedale. Durch die lineare Führung des Schub-Kurbelantriebs
führen
die Schubelemente nur eine eingeschränkte Schwenkbewegung und nicht
wie die Kurbeln eines herkömmlichen
Kurbelantriebs für
Fahrräder
eine umlaufende rotierende Bewegung aus, weshalb die Pedale auch starr
mit den Schubelementen verbunden sein können.
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Vorzugsweise
sind die Pedalen als starr mit den Schubelementen verbundene Fußplatten
zum Aufsetzen der gesamten Fußfläche ausgebildet.
Neben dem Vorteil des großflächigen Aufliegens
der Füße kann
um den Lagerpunkt des verschieblich gehaltenen Auflagers der Schubelemente
in der Führungsbahn
ein Drehmoment auf das Schubelement aufgebracht werden. Analog dem
Aufbringen eines kleinen Drehmoments durch eine von den Beinen auf die
schwenkbaren Pedale aufgebrachte tangential wirkende Schubkraft
bei einem üblichen
Kurbelantrieb ist es bei dem erfindungsgemäßen Tretfahrzeug durch die
starr mit den Schubelementen verbundenen Fußplatten möglich, mit dem Schubelement
nicht nur eine Zug- oder Druckkraft, sondern auch ein quer dazu
wirkende Kraft zu übertragen,
die auch im Bereich der Totpunkte noch ein kleines Drehmoment auf die
Kurbel bewirken kann. Wenn die Fußplatte beispielsweise in der
Weise mit dem Schubelement starr verbunden ist, daß ein Großteil der
Fußfläche unterhalb
des verschieblichen Lagers des Schubelements angeordnet ist, kann
bei Erreichen des vorderen Totpunkts über die Ferse auf die Fußplatte
eine Druckkraft ausgeübt
werden, die bei dem Schubelement eine Drehbewegung bewirkt, wobei
das verschiebliche Lager der Drehpunkt ist. Beim Erreichen des vorderen
Totpunkts wirkt dadurch auf den Kurbelzapfen eine tangential zur
Drehrichtung verlaufende Kraft, die die Kurbel aus dem Bereich des
vorderen Totpunkts heraus bewegt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind schwenkbare Pedale mit ihren Schwenkachsen mit Abstand vom
Mittelpunkt des verschieblichen Auflagers des jeweiligen Schubelements
in der Führungsschiene
angeordnet. Vorzugsweise beträgt der
Abstand der Pedalschwenkachsen ca. 5 cm. Durch diesen als Hebel
wirkenden Abstand läßt sich auch über ein
schwenkbares Pedal eine Drehmomentkraft auf das Schubelement ausüben, welche die
Kurbelzapfen aus dem Bereich ihres vorderen Totpunkts bewegt. Beispielsweise
werden bei einer Anordnung der Tretelemente vor dem unter der Sitzvorrichtung
befindlichen Kurbeltrieb und einer horizontalen Führung die
Pedalschwenkachsen 5 cm zum Benutzer hin versetzt, so daß durch
die annähernd
schräg
von oben erfolgenden Betätigung
der Tretelemente eine Kraft zur Überwindung
des vorderen Totpunkts erzeugt wird.
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Weiterhin
bevorzugt ist eine Ausführungsform,
bei der Vorrichtungen für
eine starre, bei Bedarf lösbare
Verbindung von Pedal und Schuh vorgesehen sind. Bei diesen vor allem
im Bereich des Radsports bekannten Vorrichtungen ist bei starren
Pedalen über
die steifen Sohlen der Schuhe ein Drehmoment an die Schubelemente
analog den Fußplatten übertragbar.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist das Verhältnis
von Kurbellänge
zu Schubelementlänge
einen Wert von ca. 0,26 bis 0,30 auf. Bei diesem Wert ist die Pendelbewegung
der Schubelemente im Schubbetrieb auf maximal ca. 35° reduziert,
was eine ergonomisch günstige
Bewegung des Fußgelenks ermöglicht.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsform,
bei der die beiden Führungen
an den ersten Totpunkten, an denen die Beine gestreckt sind, einen größeren Abstand
zueinander haben als an den zweiten Totpunkten. Vorzugsweise beträgt bei einer Länge der
Führungen
von ca. 400 mm der Unterschied der Abstände ca. 10 bis 15 mm. Die Führungen
laufen somit in Tretrichtung leicht auseinander. Dies entspricht
der natürlichen,
sich spreizenden Bewegung beim Strecken des Kniegelenks und wirkt
einer Belastung der Führung
quer zur Längsrichtung und
einem damit verbundenen Herausspringen der verschieblich gehaltenen
Lager aus den Führungen entgegen.
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Weiterhin
bevorzugt ist eine Ausführungsform,
bei der die Schubelemente an den Kurbeln mittels Schrägkugellagern
schwenkbar befestigt sind. Dadurch können die beim Tretbetrieb eines
Fahrrads stets vorhandenen, geringen elastischen Verformungen der
Rahmenkonstruktion und eventuelle Verformungen der Schubelemente
aufgefangen werden, so daß eine
zwangsfreie Lagerung der Schubelemente an den Kurbeln auch bei großen Trittkräften jederzeit gewährleistet
ist.
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Bevorzugt
ist weiter eine Ausführungsform, bei
der die Führungen
C-förmige
horizontale oder mit geringer Neigung angeordnete Führungsschienen sind,
in denen die Enden der Schubelemente mit den Tretelementen durch
Laufrollen geführt
sind. Vorzugsweise haben die Laufrollen einen gerundeten Rollenprofilquerschnitt,
dessen Radius kleiner als der untere innere Radius der C-förmigen Führungsschiene
ist. Der kleinere Radius des gerundeten Rollenprofilquerschnitts
führt dazu,
daß die
Laufrolle bei schräg
nach unten gerichteter Belastung durch die Tretbewegung in der Mitte
des unteren inneren Radius der C-förmigen Führungsschiene verläuft, was
die Gefahr einer Reibung der Laufrolle an den Seitenwangen des Profils
verringert.
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Weiterhin
bevorzugt ist eine Ausführungsform,
bei welcher der Außendurchmesser
der Laufrollen kleiner als die Innenhöhe des C-Profils und größer als
die Schlitzweite des C-Profils ist, wodurch sich aus der Differenz
zwischen der Innenhöhe
des C-Profils und
dem geringfügig
kleineren Außendurchmesser
der Laufrollen das für
die Längsbewegung
in den Führungen
notwendige Spiel ergibt und gleichzeitig ein seitliches Herausspringen
der Laufrollen aus dem Führungsprofil
verhindert wird. Diese Konstruktionsmerkmale der verschieblich gehaltenen Auflager
der Schubelemente erlauben eine sowohl in der Herstellung günstige als
auch zuverlässige
und wartungsarme Führung.
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Noch
weiter bevorzugt ist eine Ausführungsform,
bei der ein auf der Kurbelwelle befestigtes Kettenblatt eine von
der Kreisform abweichende Form mit einem maximalen und einem minimalen
Radius hat und die Kurbeln an den Kurbelwellenenden in Richtung
des größten Durchmessers
des Kettenblatts befestigt sind. Dadurch entsteht im Bereich der Totpunkte
ein kleineres Übersetzungsverhältnis gegenüber den
mittleren Bereichen der linearen Tretbewegung, bei denen das Übersetzungsverhältnis größer ist,
d.h. die zur Überwindung
der Totpunkte erforderliche Kraft ist kleiner. Da sich die lineare
Tretbewegung von der kreisförmigen
Tretbewegung eines herkömmlichen
Fahrrads deutlich unterscheidet und die Bewegungen der Beine und
Füße des Fahrers durch
den linearen Tretantrieb vorgegeben sind, kann ohne jegliche Eingewöhnungszeit
eine Leistungssteigerung gegenüber
einem runden Kettenblatt erreicht werden. Die Trittfrequenz läßt sich
bei gleichzeitiger Verringerung der Kniebelastung erhöhen. Der
minimale Radius des Kettenblatts kann bis zu 30% kleiner als der
maximale Radius sein.
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Nachfolgend
wird anhand der beigefügten Zeichnung
näher auf
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung eingegangen. Es zeigen:
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1 eine
Seitenansicht eines Fahrrads mit einem erfindungsgemäßen Schub-Kurbelantrieb;
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2 ein
geometrisches Anordnungsprinzip von Kurbeltrieb und linearer Führungsbahn
des Schub-Kurbelantriebs aus 1;
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3 eine
erweiterte Darstellung des geometrischen Anordnungsprinzip aus 2;
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4 eine
vereinfachte Draufsicht auf den Schub-Kurbelantrieb des Fahrrads
aus 1;
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5 eine
vereinfachte Seitenansicht des Schub-Kurbelantriebs aus 4 und
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6 einen
Schnitt einer Führungsbahn
mit einem verschieblich gehaltenen Lager eines Schubelements.
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Als
erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines
Tretfahrzeugs mit einem Schub-Kurbelantrieb zeigt 1 ein
Fahrrad 10 in der Art eines Sesselrads. Das Fahrrad hat
einen Rahmen 12, eine Gabelkonstruktion 14, ein
Vorderrad 16, das über
einen Lenker 18 steuerbar ist, und einen Sattel 20,
unterhalb dessen sich ein Kurbellager 22 mit einer rechten Kurbel 24,
einer linken Kurbel 26 und einem Kettenblatt 28 befindet,
das über
eine Kette 30 ein Hinterrad 32 antreibt. Die Kurbeln 24, 26 sind
jeweils mit einem Schubelement 34, 36 schwenkbar
verbunden, das jeweils in einer linearen Führung 38 bzw. 39 verschieblich
gehalten ist und jeweils ein Tretelement 40 bzw. 42 aufweist.
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Die
Führungsbahn 38, 39 ist
bei dem Ausführungsbeispiel
in einem Winkel von 2,86° zur
Verbindungslinie 44 eines weiter entfernt vom Kurbeltrieb liegenden
ersten Totpunkts 46 mit der Kurbellagerachse 23 des
Kurbellagers 22 angeordnet, wodurch sich ein Versatz eines
näher zum
Kurbeltrieb liegenden zweiten Totpunkts 48 ergibt. In 2 ist
auch die geometrische Anordnung eines zweiten Totpunkts 49 gezeigt,
die sich ergibt, wenn die Führungsbahn
auf einer Geraden 50 liegt, die durch die Kurbellagerachse 23 verläuft.
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Die
im Winkel zur Verbindungslinie 44 des vorderen Totpunkts 46 mit
der Kurbellagerachse 23 angeordnete Führungsbahn 38, 39 ist
in 3 in Verbindung mit einem ovalen Kettenblatt 54 gezeigt,
das einen maximalen Radius 56 in Richtung der Kurbeln 24, 26 und
einen senkrecht dazu angeordneten minimalen Radius 58 hat.
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In 4 ist
als Teilansicht des erfindungsgemäßen Tretfahrzeugs 10 der
Schub-Kurbeltrieb in einer Draufsicht gezeigt. Die jeweils in der
linearen Führung 38 bzw. 39 verschieblich
gehaltenen Schubelemente 34, 36 sind an den Kurbeln 24, 26 des Kurbeltriebs
jeweils mittels eines Schrägkugellagers 62 bzw. 64 schwenkbar
befestigt. An den Schubelementen 34, 36 sind als
Tretelemente 40, 42 Fußplatten starr befestigt. Wie
in Kombination mit 5, in der eine Seitenansicht
des Ausschnitts aus 4 gezeigt ist, ersichtlich ist,
befindet sich das linke Tretelement 42 im Bereich des vorderen
Totpunkts 46 während
das rechte Tretelement 40 den durch den Versatz der Führungsbahn 38, 39 verschobenen
hinteren Totpunkt 48 bereits verlassen hat, so daß eine Tretkraft
am rechten Tretelement 40 aufgebracht werden kann, um den
Antrieb über
den Totpunkt zu bewegen und das Tretfahrzeug 10 anzutreiben.
Die Schubelemente 34, 36 sind in den Führungen 38, 39, welche
als C-förmige
Führungsschienen
ausgebildet sind, mittels Laufrollen 63 beweglich geführt. Diese haben
einen gerundeten Rollenprofilquerschnitt, dessen Radius 65 kleiner
als der untere innere Radius 66 der C-förmigen Führungsschiene 38, 39 ist.
Die Laufrollen 63 sind an den Schubelementen 34, 36 mittels eines
Lagerbolzens 68 befestigt, der gleichzeitig auch die Befestigung
der (in 6 nicht dargestellten) Fußplatten 40, 42 übernimmt.
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Denkbar
ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Schub-Kurbelantriebs auch bei Fahrrädern für mehrere
Personen, z.B. bei einem Tandem.
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Insbesondere
kann die Erfindung auch für andere
Fahrzeugarten eingesetzt werden, beispielsweise für Tretboote,
bei denen in der Regel ein horizontal vor der Sitzvorrichtung angeordneter
Kurbelantrieb zum Einsatz kommt. Die mit der Kreisbewegung der Kurbeln
verbundene vertikale Auf- und Abwärtsbewegung der Beine kann
bei Tretbooten durch den in vertikaler Richtung wirksamen Lastwechsel
zu einem unruhigen Schwimmverhalten führen, was sich negativ auf
die Geschwindigkeit auswirkt. Bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Schub-Kurbelantriebs
ist dadurch, daß die
Beine eine horizontale Tretbewegung ausführen, der durch die Beine hervorgerufene
vertikale Lastwechsel verringert. Neben der Leistungssteigerung
des Schub-Kurbelantriebs
führt das
ruhigere Schwimmverhalten zu einer Geschwindigkeitszunahme.
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Außerdem ermöglicht die
Verwendung des erfindungsgemäßen Schub-Kurbelantriebs
beispielsweise für
Tretautos eine flachere Gestaltung des vorderen Bereichs des Tretautos,
der oftmals mit einer Art Karosserie verkleidet ist, da der für die lineare Tretbewegung
erforderliche Freiraum gegenüber
einem Kurbelantrieb wesentlich flacher ausfallen kann. In Kombination
mit einer flacheren Haltung des Oberkörpers des Fahrers lassen sich
durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Schub-Kurbelantriebs die
aerodynamischen Eigenschaften des Tretfahrzeugs verbessern.
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Denkbar
ist bei einem Tretfahrzeug auch die Anordnung mehrerer erfindungsgemäßer Schub-Kurbelantriebe
in Reihe hintereinander und/oder parallel nebeneinander, wobei die
Kraftübertragung
an die Antriebseinheit synchron oder unabhängig voneinander erfolgen kann.