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Die Erfindung betrifft einen ökonomischen Tretkurbelantrieb, der für durch Muskelkraft betriebene Fahrzeuge, insbesondere für Fahrräder, Tretboote und dergleichen Anwendung findet.
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Zum Stand der Technik: Zu den in Betracht gezogenen Patentschriften ”
DE 3216069 C2 ”, ”
DE 3511483 C2 ” und ”
DE 10336981 B3 ”, nehme ich wie folgt Stellung: In sämtlichen angeführten Patentschriften wird im Bereich des vorderen Tretkurbelhalbkreises eine Verlängerung des Kurbelhebelarmes für die senkrecht zum Kurbelarm wirkende Teilkraft erreicht, die in diesem Bereich somit auch eine Vergrößerung des Teilkraftweges bringt. Die längs des Kurbelarmes wirkende Teilkraft bleibt nach wie vor ungenutzt.
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Zu
DE 3216069 C2 : Rollenführungen in Rollbahnen unterliegen einem hohen Verschleiß, wenn sie nicht vor Schmutz und Wasser einwandfrei geschützt sind und reduzieren in diesem Fall den Wirkungsgrad, auch dadurch, dass die ungenutzte Längskraft im Kurbelarm hier auch noch durch eine Führungsrolle auf eine Kurvenscheibe drückt. Das teleskopartig aus- und einfahrende Kurbelarmvorderteil mit seitlich angeordnetem Pedal kann in der dargestellten Weise keine Biege- und Torsionsmomente durch die Pedalbelastung aufnehmen ohne zu verklemmen. Entsprechend der bereichsweisen Verlängerung des Kurbelarmes wird hier der eigentliche Kurbelhalbkreis von 180° auf ca. 120° verringert, da nur abwärts führende Pedalwege diesen Kurbelbereich ausmachen. Die prozentuale Vergrößerung des Drehmomentes auf 180°, bezogen gegenüber derzeitigen Tretkurbelantrieben, fällt damit auch entsprechend mager aus.
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Zu
DE 3511483 C2 : Hier wird ein Tretkurbelarm für einen Tretkurbelantrieb beschrieben, der sich im Verlaufe des Trethubes in seiner Länge verändert. Der Kurbelarm und der Pedalträgerarm sind mittels in Kugellaufbahnen angeordneten Kugeln gegeneinander verschiebbar gelagert. Derartige Kugellaufbahnen erfordern, wie auch Wälzlager, eine 100%-ige Abdichtung gegen Staub, Schmutz u. Wasser. Sie müssen in diesem Fall noch die Biege- und Torsionsmomente der seitlichen Pedalkräfte aufnehmen. Das Ausfahren des Pedalträgerarms aus dem Kurbelarm kann theoretisch ja nicht mit Gegendruck erfolgen, wenn dies vorteilhaft sein soll, sondern erst nach der 90°-Kurbelstellung. Das würde dann allerdings nur zu einer örtlich geringen Erhöhung des Drehmomentenverlaufs beitragen.
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Zu
DE 10336981 B3 : Bei diesem Tretkurbelantrieb bestehen die Kurbelarme aus zwei Teilen, die über ein Drehgelenk mit Sperrklinkenautomatik miteinander verbunden sind. In dem aktiven Tretbereich richten sich die äußeren Kurbelarmteile mit den Pedalen auf und ergeben damit einen größeren Tretradius, verbunden mit einem größeren Moment. Der Teilkraftweg vergrößert sich dementsprechend auch. Wenn die Patentzeichnung in Bezug auf den oberen und unteren Totpunkt stimmt, ist der Verlauf des Pedalweges für einen Radfahrer völlig ungeeignet, da dieser nur in senkrechter Richtung das Pedal belastet und nicht in horizontaler. Aufwärts gehende Pedalwege bringen keine positiven Momente. Somit hat dieses System nur einen aktiven Teilkraftweg auf max. 100° statt 180° Kurbelumdrehung, welcher das durchschnittliche auf 180° bezogene Drehmoment erheblich absenkt. Außerdem ist eine solche Klinkenautomatik störanfällig und muß vor Wasser und Schmutz geschützt werden. Der im unteren Bereich verlängerte Kurbelarm würde außerdem eine Höherlegung der Kurbelwellenlagerung erfordern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfachen, effizienten, leichtgängigen und langlebigen ökonomischen Tretkurbelantrieb zu schaffen, der über den gesamten Pedalweg gegenüber bekannten Tretkurbelantrieben ein wesentlich höheres Drehmoment bei gleicher Beinkraft erzeugt, keine gleitenden oder telekopierbaren Teile enthält und vor Schmutz und Wasser geschützt ist.
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Wie man weiß, ergeben sich beim Kurbeltrieb 2 Totpunktlagen bei 0° und 180° Kurbelumdrehung, von dem man auszugehen hat. Bei den beiden Kurbelstellungen 45° und 135° kann man die senkrecht wirkende Pedalkraft ”P” in 2 gleichgroße Teilkraftkomponenten, eine vertikal zum Kurbelarm wirkende ”Fv” und eine längs zu diesem wirkende ”Fl” zerlegen. Die Teilkraft ”Fv”, die eigentliche Antriebs- und Drehmoment-erzeugende Kraft, beträgt im oberen Totpunkt = 0, steigt allmählich bis 90° Kurbelumdrehung auf Maximum an und fällt dann wieder in gleicher Weise bis zum unteren Totpunkt auf = 0 ab. Für die längs des Kurbelarmes wirkende Teilkraft ”Fl” ergibt sich eine ähnliche periodenweise Zu- und Abnahme der Teilkraft über den 180°-Kurbelweg, nur gegenüber der Teilkraft ”Fv” umgekehrt. Am oberen und unteren Totpunkt, wo die Teilkraft ”Fv” = 0 ist, ergibt sich für ”Fl” das Maximum und bei 90° Kurbelumdrehung, bei maximaler Teilkraft ”Fv”, ist ”Fl” = 0. Wenn es gelänge, die Teilkraft ”Fl”, die sich nur im Kurbeldrehpunkt abstützt und dementsprechend nur ein Verlustmoment auf Grund der sich ergebenden Lagerreibung einbringt, an der Drehmomenterzeugung wirkungsvoll mit einzubinden, wäre es nach den Gesetzen der Mechanik möglich, bei Verlängerung des Gesamtkraftweges, der beim einfachen Tretkurbelantrieb = 2·R (Kurbelradius) beträgt, auf annähernd dem Teilkraftweg von = π·R zu verlängern, eine maximal durchschnittliche Drehmomenterhöhung von (π·R)/(2·R) = 1,57 und mit Abzug der Totpunktlagen von ca. 50% gegenüber derzeitigen Tretkurbelantrieben zu erreichen.
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Diese Aufgabe wird durch die Patentansprüche 1 und 2 gelöst. Weitere vorteilhafte und funktionell notwendige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß wird das dadurch gelöst, dass jeder der beiden um 180° zueinander versetzten Wippkurbelarme an Stelle des Wippgelenks eine Führungsrolle, die in einer kurzen Führungsschiene innerhalb des Kurbelgehäuses geführt wird, aufweist und dass das Ende jedes Wippkurbelarms in einer hinter dem Drehpunkt des Kurbelgehäuses gelagerten Kurbelwelle drehbar gelagert ist, welche ein mit dieser fest verbundenes Ritzel aufweist, dass im Eingriff mit einem Zahnrad mit doppelter Zähneanzahl als die des Ritzels steht, und dass dieses Zahnrad starr (nicht drehbar) mit einer Hohlwelle und diese wieder mit der Lagerplatte des Fahrradrahmens fest (nicht drehbar) verbunden ist. Die Mitte des Hauptkurbeldrehpunktes befindet sich auf Rollbahnmitte (Mitte Führungsschiene) und auf Zahnradmitte. Der Abstand der Kurbelwellenmitte vom Hauptkurbeldrehpunkt ergibt sich durch den Mittenabstand von Zahnrad und Ritzel. Die beiden inneren Kurbelgehäusehälften, die auf jeder Seite der feststehenden Hohlwelle drehbar gelagert sind, werden durch einen berührungsfrei durch die Hohlwelle geführten Torsionsstab über torsionssteif mit diesem verbundene Verbindungselemente, die auf den Passbuchsen der am Hauptkurbeldrehpunkt befindlichen zwei Verschraubungen der Kurbelgehäusehälften gelagert und mit diesen verschraubt sind, funktionell miteinander verbunden.
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Entsprechend der halben Zähnezahl des Ritzels der Kurbelwelle gegenüber dem festehenden Zahnrad der Hohlwelle ergibt sich bei einer Schwenkbewegung des Wippkurbelarms von 90° eine 180°-Drehung der Kurbelwelle. Steht der Wippkurbelarm in den beiden Totpunktstellungen entweder senkrecht nach oben oder nach unten, weist die Kröpfung der Kurbelwelle in Richtung des Hauptkurbeldrehpunktes, befindet er sich in horizontaler Lage, weist diese Kröpfung in die entgegen gesetzte Richtung nach außen. Durch die systembedingte Funktion des Hineindrückens und Herausziehens des Wippkurbelarms in das, bzw., aus dem Kurbelgehäuse während eines 180° Kurbelarmweges, gleicht der Pedalweg eher einer Ellipse und ist sicherlich besser und vor allem schneller zu treten, als ein bauchförmiger Pedalweg.
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Die Bauteile des ökonomischen Tretkurbelantriebs sind leicht zu montieren und zu demontieren. Der gesamte Mechanismus ist vor Wasser und Staub ausreichend geschützt und ist für eine hohe Lebensdauer ausgelegt.
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Genaue Angaben über die Vorteile dieses ökonomischen Tretkurbelantriebs für den Anwender sind in dem nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ersichtlich.
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Notwendige und vorteilhaftere Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Ausführungsbeispiel
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Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
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1: Mittenschnitt durch einen ökonomischen Tretkurbelantrieb bei Horizontalstellung der Wippkurbelarme (Kurbelwinkel 90°).
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2: Schnitt B-B in der 1 (M1:1). Befestigung der Führungsschiene 17.
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3: Ansicht A in der 1 der äußeren Kurbelgehäusehälfte 6 bei sich abwärts bewegendem Wippkurbelarm.
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4: Fixierung und Verschraubung der beiden Kurbelgehäusehälften 5; 6 im Schnitt C-C in 3.
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5: Fixierung und Verschraubung der beiden Kurbelgehäusehälften 5; 6 sowie Befestigung und Lagerung der Vebindungselemente 9 im Schnitt D-D in 3
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6: Fixierung und Verschraubung der beiden Kurbelgehäusehälften 5; 6 im Schnitt E-E in 3
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7: Graphische Darstellung der Drehmomenterhöhungen vom Ökonomischen Tretkurbelantrieb in % gegenüber dem derzeitigen einfachen Tretkurbelantrieb.
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8: Darstellung der Pedalwege beider Vergleichssysteme
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9: Kräfteverhältnisse am Wippkurbelarm 13 und am Kurbelgehäuse 5; 6 in den Zwischenbereichen.
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10: Kräfteverhältnisse am horizontal stehenden Wippkurbelarm 13 und am Kurbelgehäuse 5; 6.
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Der ökonomische Tretkurbelantrieb wird hier einem einfachen Tretkurbelantrieb mit einem Kurbelradius von R = 170 mm gegenübergestellt.
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Die Pedalwege beider Systeme sind in der 8 dargestellt. Der Pedalweg 1 des einfachen Tretkurbelantriebs ist als Weg der Teilkraft anzusehen, die senkrecht zum Kurbelarm wirksam wird und die im oberen und unteren Totpunkt = 0 ist und bei 90° Kurbelstellung ihr Maximum bringt, während die längs der Kurbel verlaufende Teilkraft stets durch den Kurbeldrehpunkt geht und außer einem Lagerreibungsverlust zu keiner Drehmomenterhöhung beiträgt.
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Der Gesamtkraftweg beträgt hier W1ges. = 2·R = 340 mm
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Der Teilkraftweg beträgt W1t = R·π = 534 mm, (bei 180° Kurbelumdrehg.)
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Der Sinn der Erfindung ist es, die längs des Kurbelarmes (hier Wippkurbelarm) wirkende Teilkraftkomponente Fl, 9, zur Drehmomenterzeugung mit einzubinden, was im vorliegenden Fall auch gelungen ist. Das hier vorliegende Wirkprinzip ist kurz zusammengefasst folgendes: Das hintere Ende eines Wippkurbelarms 13, dessen Wipplager durch eine Führungsrolle 14 gebildet wird, ist in einer Kurbelwelle 10 gelagert, die um sich selbst und um den Hauptkurbeldrehpunkt mit dem Kurbelwellenabstand ”Ak”, in 9, umläuft, wobei sich das Ritzel 11 der Kurbelwelle 10 an einem feststehenden Zahnrad 7 der Hohlwelle 3 abwälzt. Hierdurch ergeben die Teilkräfte des Wippkurbelarms 13, ”Fv2” und ”Fla” in Verbindung mit dem Zahndruck des Ritzels 11, ”Fz”, eine hohe Lagerbelastung der Kurbelwelle 10 und durch den Lagerabstand dieser zum Hauptkurbeldrehpunkt ein entsprechend hohes Drehmoment, welches in das Kurbelgehäuse 5; 6 eingeleitet wird.
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Der ellipsenförmige Pedalweg der ökonomischen Variante ist hier als Gesamtkraftweg anzusehen, da hier beide Teilkräfte, die längs des Wippkurbelarms und senkrecht zur Rollbahn wirkenden Kräfte Fl und Fv1 zur Momenterzeugung mit beitragen.
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Die max. Kurvenmaße des ökonomischen Pedalweges betragen:
Rh = 140 mm, Rs = 196 mm
und der Gesamtkraftweg (Arbeitsweg): W2ges. = 2·Rs + 4·c W2ges. = 2·196 + 4·28 = 504 mm W2ges./W1ges. = 504/340 = 1,48
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Damit ist der Gesamtkraftweg um 30 mm kürzer als der Teilkraftweg der einfachen Variante 1 mit W1t = 534 mm und bei optimalen Verhältnissen eine max. Erhöhung des Durchschnittsdrehmomentes um 48% bei der ökonomischen gegenüber der einfachen Variante möglich!
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Die Bauteilabmessungen des ökonomischen Tretkurbelantriebs in 9 u. 10 betragen:
a = 140,5 mm b = 83 mm c = 28 mm (Kurbelkröpfung)
d = 18,9 mm (½ Teilkreis + m·x)
Zahnrad: Zähnezahl = 24, m = 3, Korrektur: x + 0.2
Ritzel: Zähnezahl = 12, Korrektur: x + 0,3
Achsabstand: Ak = 55,5 mm
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Durch den Schnittpunkt der Wirkungslinien von Re1 und des Zahneingriffs Fz ergeben sich die Resultierende Re2 und der Abstand des Kurbelwellenlagers vom Hauptkurbeldrehpunkt Ak. Bei einem Kurbeldrehwinkel von 90° und einer Pedalbelastung von 300 N ergeben sich für beide Vergleichsvarianten folgende Drehmomente:
| beim einfachen Tretkurbelantrieb: | Mt1 = 300·17 |
| | Mt1 = 5100 Ncm |
| beim ökonom. Tretkurbelantrieb: | Mt2 = 300·(14,05/8,3)·(2,8 + 1,89)/(1,89)·5,55 |
| | Mt2 = 6993,97 = 6994 Ncm |
und damit auch hier eine Vergrößerung des Drehmomentes beim ökonomischen Tretkurbelantrieb gegenüber dem Vergleichskurbelantrieb um (6994 – 5100)/51 = 37,14%.
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In der 7 sind die errechneten Drehmomente beider Vergleichskurbelantriebe bei einer Pedalbelastung von 300 N graphisch dargestellt, einschließlich der beim ökonomischen gegenüber dem einfachen Tretkurbelantrieb sich ergebenden prozentualen Drehmomenterhöhungen.
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Die Bewegungsabläufe eines Wippkurbelarms 13 während einer 180°-Drehung des Kurbelgehäuses 5; 6, werden nachstehend erläutert.
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Ausgehend vom oberen Totpunkt, bei dem der Wippkurbelarm 13 und die Führungsschiene 17 des Kurbelgehäuses 5; 6 zueinander parallel stehen, wird der Wippkurbelarm 13 durch die Längskraft Fl, die hier ihr Maximum hat, auf Druck belastet und drückt den Wippkurbelarm 13 in das gleichmäßig umlaufende Kurbelgehäuse 5; 6, wobei die Kurbelwelle 10 beaufschlagt wird und die Schwenkbewegung des Wippkurbelarms 13 etwas hinter der Drehbewegung des Kurbelgehäuses 5; 6 zurück bleibt. In der weiteren Schwenkbewegung nimmt die Einschubbewegung des Wippkurbelarms 13 in das Kurbelgehäuse 5; 6 erst zu, dann wieder ab und die senkrecht zum Wippkurbelarm 13 wirkende Teilkraft Fv vergrößert sich zunehmend bis zu ihrem Maximum in der 90° Kurbelstellung, wobei die Schwenkbewegung des Wippkurbelarms 13 eine sich vergrößernde Beschleunigung erfährt und in dieser Stellung das sich gleichmäßig drehende Kurbelgehäuse 5; 6 überholt. In dieser 90° Kurbelstellung stehen der Wippkurbelarm 13 und die Führungsschiene 17 des Kurbelgehäuses zueinander wieder parallel. Nach dem Überholen dieser Horizontalstellung des Kurbelgehäuses 5; 6 durch den Wippkurbelarm 13, nimmt die Längskraft Fl des Wippkurbelarm 13 an Einfluss wieder zu, diesmal als Zugkraft. Die weitere Bewegungscharakteristik des Wippkurbelarms 13 ist mit der vor der 90° Kurbelstellung identisch. Durch die allmähliche Zunahme der Längskraft Fl und der gleichzeitigen Abnahme der Querkraft Fv des Wippkurbelarms 13 bis zur 180° Kurbelstellung, kommt es zu einer gleichmäßig zunehmenden Verzögerung der Schwenkbewegung des Wippkurbelarms 13, so dass das Kurbelgehäuse 5; 6 mit seiner gleichmäßigen Drehbewegung den Wippkurbelarm 13 wieder einholt und dieser wieder eine parallele Lage zur Führungsschiene 17 des Kurbelgehäuses 5; 6 einnimmt.
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Es gibt beim ökonomischen Tretkurbelantrieb keine sprunghaften Momentsteigerungen, die Beschleunigungen und Verzögerungen der Pedalbewegungen sind zwar etwas höher als beim Vergleichskurbeltrieb, doch auch gleichmäßig zu- und abnehmend.
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Die Berechnung der durchschnittlichen Drehmomente beider Systeme, für eine Pedalbelastung von 300 N, ergab folgende Werte:
| Beim einfachen Tretkurbelantrieb: | Mtd1 = 3238 Ncm |
| Beim ökonom. Tretkurbelantrieb: | Mtd2 = 4800 Ncm |
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Damit ergibt sich bei dem ökonomischen Tretkurbelantrieb ein um (4800 – 3238)/32,38 = 48% größeres durchschnittliches Drehmoment gegenüber dem Vergleichskurbeltrieb.
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Um eine gleiche Erhöhung beim derzeitigen Tretkurbelantrieb zu erreichen, müßte der Kurbelradius von 170 mm auf 251,6 mm vergrößert werden, was wohl kaum realisierbar wäre. Damit würde sich der Teilkraftweg bei einer vollen Kurbelumdrehung von derzeit 1068 mm auf 1581 mm vergrößern.
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Der Pedalweg (Gesamtkraftweg) beim ökonomischen Tretkurbelantrieb beläuft sich dem gegenüber für eine volle Kurbelumdrehung auf 1008 mm und beträgt damit sogar 60 mm weniger gegenüber dem Teilkraftweg des einfachen Tretkurbelantriebs.
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Hinweis: Bei den Gegenüberstellungen und Vergleichen der beiden Tretkurbelantriebe blieb der mechanische Wirkungsgrad unberücksichtigt, da bei beiden Systemen nur Wälzlager und keine gleitenden Teile im Einsatz sind und dieser daher im vorliegenden Fall keine nennenswerte Bedeutung besitzt.
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Um die Gewichtszunahme beim ökonomischen Tretkurbelantrieb zum derzeitigen Tretkurbelantrieb sehr niedrig zu halten, kann die Lagerplatte 1, die Hohlwelle 3 sowie der Wippkurbelarm 13, aus einer hochwertigen Aluminiumlegierung, z. B. AlCuMg2 und die Kurbelgehäusehälften 5 u. 6 aus einer Magnesiumlegierung, z. B. GD-MgAl9Zn1, hergestellt werden.
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Der Hauptvorteil dieses ökonomischen Tretkurbelantriebes, gegenüber derzeitigen Tretkurbelantrieben, liegt in der optimalen Umsetzung der Beinkraft zur Erzeugung eines hohen Drehmomentes. So sind z. B. ältere und körperlich behinderte Menschen in der Lage mit einem Fahrrad dieses Antriebskonzeptes mit durchschnittlich 48% geringerer Beinkraft bei gleicher Geschwindigkeit längere Fahrstrecken zurückzulegen als es mit einem Fahrrad mit derzeitigem Antrieb möglich wäre. Radsportler können höhere Geschwindigkeiten bei gleich großer Beinkraft fahren und im bergigen Gelände höhere Steigungen mit gleich großer Geschwindigkeit mühelos bewältigen gegenüber einem Fahrrad mit derzeitiger Antriebstechnik.
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Dieser ökonomische Tretkurbelantrieb ist universell einsetzbar, überall dort, wo an Fahrzeugen, Booten oder anderen Geräten und Einrichtungen mit durch Muskelkraft betriebene Kurbelantriebe im Einsatz sind. Ein mit diesem ökonomischen Tretkurbelantrieb ausgeführtes Fahrrad hat natürlich auch einen dementsprechend höheren Gebrauchswert.
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Erläuterungen zum Diagramm Fig. 7:
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Bei dem Kurbeldrehwinkel liegen die Pedalmitten für beide Vergleichssysteme auf einer gemeinsamen vom Hauptkurbeldrehpunkt ausgehenden Linie.
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Nach den hierfür genau errechneten Werten ergibt sich für den ökonomischen Tretkurbelantrieb gegenüber dem einfachen Tretkurbelantrieb eine durchschnittliche Drehmomenterhöhung von = 48%.
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Ergänzungen zu den Fig. 8, Fig. 9 und Fig. 10:
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- 8: Pedalwege: 1 = einfach, 2 = ökonomisch
h1 ≅ h2
- 9: Drehmoment in den Zwischenbereichen:
Mt = (Fv1 + Fv2 + Flb)·e + Fl·f + Re2·Ak'
Flb = Fl·sinα
Fv2 = Fv1·a/b
- 10: Drehmoment beim Kurbeldrehwinkel 90 Grad:
Mt = P1·(a/b)·[(c + d)/d]·Ak
