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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antriebsmechanismus, ein muskel- und gewichtsangetriebenes Fortbewegungsmittel und ein Verfahren zum muskel- und gewichtsangetriebenen Fortbewegen.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Antriebsmechanismen zur muskelangetriebenen Fortbewegung existieren in den verschiedensten Ausführungen. Die verbreitetste Ausführungsform ist an Fahrrädern zu finden. Ein Fahrrad ist ein einspuriges Landfahrzeug, das mit Muskelkraft durch das Treten von Pedalen an einer Kurbel angetrieben wird. Der Antriebsmechanismus gibt über seine Kurbel eine Kreisbewegung vor, welche von den Beinen beziehungsweise den Füßen der das Fahrrad antreibenden Person beschrieben werden müssen. Diese Kreisbewegung enthält innerhalb einer Umdrehung zwei Totpunkte der Kurbel, an welchen keine Kraft in den Mechanismus eingeleitet werden kann. Des Weiteren durchläuft die Kurbel nur in einem kleinen Kreissegment eine optimale Winkelstellung, in welcher der wirksame Hebelarm auf den Drehpunkt der Kurbel annähernd der Kurbellänge entspricht. In allen anderen Stellungen der Kurbel ist die Winkelstellung zum Erzeugen des Antriebsmoments nicht optimal.
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Es existieren bereits Ansätze für alternative Antriebsmechanismen. Die
DD 204 671 A5 beschreibt einen Antriebsmechanismus für Fahrräder, bei welchem Hebel mit Pedalen vorgesehen sind. Diese werden abwechselnd, ähnlich wie bei herkömmlichen Kurbelpedalen, alternierend vom linken und rechten Bein der das Fahrrad antreibenden Person getreten. Die so erzeugte Antriebskraft wird entweder über eine mit den Hebeln verbundene Kurbel in eine Drehbewegung zum Vortrieb umgesetzt, oder es werden damit Hydraulikzylinder betrieben, um einen hydraulischen Druck für einen Hydraulikmotor bereitzustellen, welcher einen Vortrieb erzeugt. Bei diesem Antriebsmechanismus ist wie bei herkömmlichen Fahrrädern eine alternierende seitliche Krafteinbringung durch die Beine notwendig. Bei Kraftübertragung über die Kurbel sind ferner Totpunkte vorhanden.
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Die
US 4 561 668 A D1 beschreibt ein Reitfahrrad mit einem indirekten Kurbelantrieb. Ein Sattel ist über eine Längsstange am vorderen Teil eines Fahrradrahmens drehbar befestigt. Er ist ferner über einen Gelenkarm mit einer Kurbel gekoppelt und versetzt die Kurbel beim Herunterdrücken des Sattels in eine Drehung. Gleichzeitig ist er über einen zweiten Gelenkarm mit einer Rückholvorrichtung für einen Beinhebel gelenkig gekoppelt, so dass der Beinhebel beim Senken des Sitzes zwingend nach oben gefahren wird. Der Beinhebel ist ebenfalls über einen Gelenkhebel mit der Kurbel gekoppelt. Beim Verlagern des Beinhebels nach unten wird die Kurbel in dieselbe Richtung gedreht wie beim Verlagern des Sattels nach unten. Die Drehung der Kurbel wird dann mittels einer Kette auf ein Ritzel übertragen und kann am Hinterrad in einem Vortrieb umgesetzt werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ausgehend von der Druckschrift D1 liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Antriebsmechanismus zur Verfügung zu stellen. Des Weiteren sind ein Fortbewegungsmittel und ein Verfahren zur Fortbewegung zur Verfügung zu stellen, in welchen ein derartiger Mechanismus verwendet wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Mechanismus mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder ein Muskel- und gewichtsangetriebenes Fortbewegungsmittel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 und/oder durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 15 gelöst.
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Demgemäß ist vorgesehen:
Ein Antriebsmechanismus zum muskel- und gewichtsangetriebenen Fortbewegen einer Person, mit zumindest einem durch Muskelkraft der Person im Wesentlichen in einer ersten Richtung verlagerbaren Krafteinleitungselement, mit einem durch Gewichtskraft der Person im Wesentlichen in einer zweiten Richtung verlagerbaren Sitz, wobei das zumindest eine Krafteinleitungselement und der Sitz derart kraftübertragend mit zumindest einem Vortriebsrad gekoppelt sind, dass ein Verlagern des zumindest einen Krafteinleitungselements in der ersten Richtung eine Antriebskraft an dem zumindest einen Vortriebsrad hervorruft und ein Verlagern des Sitzes in der zweiten Richtung eine Antriebskraft an dem zumindest einen oder einem weiteren Vortriebsrad hervorruft.
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Ein Muskel- und gewichtsangetriebenes Fortbewegungsmittel für zumindest eine Person, insbesondere mit zumindest einem erfindungsgemäßen Antriebsmechanismus.
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Ein Verfahren zum muskel- und gewichtsangetriebenen Fortbewegen einer Person, insbesondere mit einem erfindungsgemäßen Antriebsmechanismus oder einem erfindungsgemäßen muskel- und gewichtsangetriebenen Fortbewegungsmittel, mit den Schritten: Antreiben zumindest eines Vortriebsrades durch muskelkraftbetätigtes Verlagern zumindest eines kraftübertragend mit dem zumindest einen Vortriebsrad gekoppelten Krafteinleitungselements in einer ersten Richtung, insbesondere in Gravitationsrichtung, von einer Ausgangsposition in eine verlagerte Position; Verlagern zumindest eines kraftübertragend mit dem zumindest einen Vortriebsrad gekoppelten Sitzes und des Körperschwerpunkts der Person entgegen einer zweiten Richtung, insbesondere der Gravitationsrichtung, von einer Ausgangsposition in eine verlagerte Position; Antreiben des zumindest einen Vortriebsrades durch Verlagern des Sitzes und des Körperschwerpunkts der Person in der zweiten Richtung von der verlagerten Position in die Ausgangsposition mittels vom Gewicht der Person in den Sitz eingeleiteter Gewichtskraft; Rückholen des zumindest einen Krafteinleitungselements von der verlagerten Position in die Ausgangsposition.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis/Idee besteht darin, die Verluste üblicher Kurbeltriebe zu eliminieren, indem auf einen Kurbeltrieb im Antriebsmechanismus verzichtet wird und stattdessen ein Moment direkt an einem Vortriebsrad erzeugt wird. Zudem soll dieses Moment nicht wie bislang üblich nur von der Muskelkraft eines Beines, sondern abwechselnd von der Muskelkraft beider Beine und/oder Arme und der bisher ungenutzten Gewichtskraft einer Person in zwei Phasen, einer Arbeitsphase und einer Ruhephase, aufgebracht werden. Der Antriebsmechanismus kann dadurch sowohl die Muskelkraft als auch die Gewichtskraft des Fahrers optimal nutzen.
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Die Muskelkraft und die Gewichtskraft können dabei jeweils im Wesentlichen konstant eingeleitet und in eine im Wesentlichen konstante Vortriebskraft umgesetzt werden. In der Arbeitsphase erhebt sich die Person aus dem Sitz und verlagert damit ihr Gewicht zumindest teilweise auf die Krafteinleitungselemente, welche dadurch in die erste Richtung verlagert werden. Somit wird über eine kraftübertragende Kopplung das Vortriebsrad angetrieben. Dies kann mit zwei Extremitäten der Person gleichzeitig an einem gemeinsamen Krafteinleitungselement oder an für jede Extremität einzeln vorgesehenen Krafteinleitungselementen erfolgen. Denkbar ist das Einbringen der Muskelkraft mit einer, zwei, drei oder vier Extremitäten der Person, an einem Krafteinleitungselement oder an zwei, drei oder vier Krafteinleitungselementen, und zwar je nach der jeweiligen Anzahl gemeinsam, teilweise gemeinsam oder einzeln. Die Betätigung der Krafteinleitungselemente kann durch Abstoßen, Drücken, Heben, Ziehen oder eine andere Bewegung erfolgen. Während dessen hebt sich der dabei zumindest teilweise entlastete Sitz. Die Person hat dadurch, dass sie sich erhoben hat, gleichzeitig mit der Arbeit zum Verlagern des Krafteinleitungselementes auch noch ihren Schwerpunkt entgegen der Gravitationsrichtung gehoben. Die dadurch geleistete Höhenenergie wird in der Ruhephase genutzt, indem sich die Person auf den ebenfalls angehobenen Sitz setzt und so die Gewichtskraft ihres Körpergewichts auf den Sitz wirkt. Durch diese Gewichtskraft wird der Sitz in der zweiten Richtung verlagert und dadurch das Vortriebsrad angetrieben. Während dessen heben sich die dabei entlasteten Krafteinleitungselemente und der beschriebene Ablauf kann von vorne beginnen.
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Der Mechanismus ist nicht auf den Einsatz in Fortbewegungsmitteln beschränkt. Denkbar ist eine Anwendung des erfindungsgemäßen Mechanismus auch für andere Bewegungskonzepte wie Bewegungstrainer, Ergometer und dergleichen.
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Ein Fortbewegungsmittel mit zwei Rädern in einer Spur für eine Einzelperson ist in den Ausführungsbeispielen beschrieben. Anders als bei einem Fahrrad wird damit von der das Fahrzeug antreibenden Person eine Bewegung ähnlich einer Reitbewegung oder der Bewegungen, wie sie bei Kniebeugen gemacht werden, durchgeführt. Der erfindungsgemäße Mechanismus und das erfindungsgemäße Verfahren können für jede Art von personenbefördernden Fortbewegungsmitteln verwendet werden. Ebenso sind Fortbewegungsmittel mit zwei Rädern für mehrere Personen, Fortbewegungsmittel mit drei oder vier Rädern für eine oder mehrere Personen, bis hin zu Personenbussen für 4 bis 50 oder mehr Personen denkbar, wobei für jede Person ein Antriebsmechanismus vorgesehen sein kann. Dabei kann jede einzelne Person in einem Fortbewegungsmittel selbst zum Vortrieb des Fortbewegungsmittels beitragen. Es sind auch derartige Fortbewegungsmittel zum Transportieren von Lasten denkbar. Bei Fortbewegungsmitteln mit zumindest drei Rädern, insbesondere bei Fortbewegungsmitteln für eine Person wie beispielsweise bei Rollstühlen, können zumindest zwei erfindungsgemäße Antriebsmechanismen und Vortriebsräder pro Person vorgesehen sein. Diese können jeweils mit separaten Krafteinleitungselementen gekoppelt sein, sodass das Fahrzeug durch unterschiedliche Krafteinleitung und/oder durch unterschiedliches Bremsen gelenkt werden kann.
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Eine kraftübertragende Kopplung des Krafteinleitungselements und/oder des Sitzes mit einem Vortriebsrad kann jede Art von mechanischer Kraftübertragung aber auch eine elektrische, hydraulische, pneumatische und/oder andersartig energietransportierende und in Antriebskraft umwandelbare Übertragungsweise umfassen. Krafteinleitungselemente und die Sitzaufnahme können jede dementsprechend angepasste Ausführung aufweisen, beispielsweise Pneumatik- oder Hydraulikkolben in einem Zylinder für eine pneumatische oder hydraulische Kraftübertragung oder eine Art von mechanischer Vorrichtung wie beispielsweise eine in Gravitationsrichtung angeordnete Zahnstange in Verbindung mit einer Kardanwelle, ein Zugkettenbügel mit Zugkette, ein stangenübersetzter Hebel, ein einfacher Hebel oder dergleichen oder eine Kombination daraus.
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Der Sitz muss nicht mit demselben Vortriebsrad wie die Krafteinleitungselemente beziehungsweise Hebel kraftübertragend gekoppelt sein, sondern kann mit einem anderen oder zusätzlichen Vortriebsrad gekoppelt sein.
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Bei allen Arten der Kraftübertragung ist auch ein zwischen dem Krafteinleitungselement und dem Vortriebsrad vorgesehener Energiepuffer denkbar. Beispielsweise kann dies bei mechanischer Kraftübertragung ein Schwungrad oder eine Feder, bei einer Pneumatik ein Druckbehälter, bei einer Hydraulik ein Blasenspeicher, bei elektrischer Kraftübertragung eine Batterie und dergleichen sein.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind das zumindest eine Krafteinleitungselement, der Sitz und das Vortriebsrad derart kraftübertragend gekoppelt, dass das Verlagern des zumindest einen Krafteinleitungselements in der ersten Richtung aus einer Ausgangsstellung in eine verlagerte Stellung gleichzeitig eine Antriebskraft hervorruft und ein Verlagern des Sitzes entgegen der zweiten Richtung aus einer Ausgangsstellung in eine verlagerte Stellung hervorruft. Damit wird der Sitz nach einer Ruhephase in die verlagerte Stellung zurückgeholt. Dieses Rückholen des Sitzes kann auf verschiedenste Arten realisiert werden, abhängig von dem für die Kraftübertragung vorgesehenen Prinzip. Bei einer mechanischen Kraftübertragung kann der Sitz dazu mit den Krafteinleitungselementen mechanisch gekoppelt sein, beispielsweise über einen zusätzlichen Mechanismus an einem Freilauf und/oder über zumindest eine kinematisch dazu geeignet ausgebildete zusätzliche Stange und/oder über eine Zahn- beziehungsweise Kettenradpaarung und/oder dergleichen. Alternativ kann auch eine Rückholfeder für den Sitz vorgesehen sein. Im Fall pneumatischer und/oder hydraulischer und/oder elektrischer Kraftübertragung kann ein zusätzlicher Antrieb dafür vorgesehen sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Richtung, in welcher das zumindest eine Krafteinleitungselement verlagerbar ist und/oder die zweite Richtung, in welcher der Sitz verlagerbar ist, im Wesentlichen gleich der Gravitationsrichtung. „Gleich der Gravitationsrichtung” ist als senkrecht zu einer horizontalen Ebene zu verstehen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind ein linkes und ein rechtes Krafteinleitungselement zum gleichzeitigen Verlagern im Wesentlichen in der ersten Richtung vorgesehen. Somit können zumindest zwei Extremitäten der Person gleichzeitig unabhängig voneinander Muskelkraft in den Mechanismus einbringen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das zumindest eine Krafteinleitungselement zur Beinbetätigung ausgebildet. Dementsprechende sind daran Pedale, Trittschalen oder Verankerungsvorrichtungen zum Einhängen oder anderweitig verankern von einem oder beiden Füßen beziehungsweise Schuhen vorgesehen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das zumindest eine Krafteinleitungselement zur Armbetätigung ausgebildet. Dementsprechend sind daran Griffe, Ellenbogenauflageflächen oder andere zur Krafteinleitung von einem oder beiden Armen und/oder einer oder beiden Händen günstig ausgebildete Vorrichtungen vorgesehen. Krafteinleitungselemente können auch zur Arm- und zur Beinbetätigung ausgebildet sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind das zumindest eine Krafteinleitungselement und der Sitz gemeinsam oder jeweils einzeln an zumindest eine hydraulische Druckerzeugungseinrichtung gekoppelt, welche die Muskel- und Gewichtskraft der Person in hydraulischen Druck wandelt und mit zumindest einem Hydraulikmotor hydraulisch gekoppelt ist, wobei die Antriebskraft mittels des zumindest einen Hydraulikmotors durch den hydraulischen Druck an zumindest einem Vortriebsrad hervorgerufen wird. Dabei kann zwischen der Druckerzeugungseinrichtung und dem Hydraulikmotor zusätzlich ein Hydraulikspeicher zum Speichern von Energie vorgesehen sein. Das Rückholen des Sitzes und/oder ein Rückholen des zumindest einen Krafteinleitungselements kann in diesem Fall hydraulisch durch einen Gegendruck in der jeweiligen Pumpe und/oder durch eine Rückholfeder realisiert werden. Analog zu hydraulischen Komponenten können auch pneumatische Komponenten vorgesehen sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das zumindest eine Krafteinleitungselement als Hebel ausgebildet, welcher an einem ersten Ende zur Krafteinleitung ausgebildet ist und an einem zweiten Ende mit zumindest einem Vortriebsrad kraftübertragend gekoppelt ist. Die kraftübertragende Kopplung des Hebels mit dem Vortriebsrad ist, abhängig von dem für die Kraftübertragung vorgesehen Prinzip, auf verschiedenste Weise vorsehbar. Bei mechanischer Kopplung ist dafür beispielsweise ein Freilauf oder auch eine Fliehkraftkupplung denkbar. Bei hydraulischer Kopplung wäre dafür ein Drehmomentwandler geeignet. Bei anders gearteter hydraulischer oder pneumatischer Kopplung wäre ein dem Hebel nachgeschalteter Hydraulikspeicher oder Druckzylinder in Kombination mit einem entsprechenden Antriebsmotor möglich. Auch hier kann optional ein an das jeweilige Prinzip angepasster Energiepuffer zwischen dem Hebel und dem Vortriebsrad vorgesehen werden. Bevorzugt werden die Kräfte auf beiden Seiten des Vortriebsrades in das Vortriebsrad eingeleitet, um ein einseitiges Schiefziehen der Hebel zu vermeiden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Hebel mit dem zumindest einen Vortriebsrad über einen Freilauf drehbar gekoppelt und beschreibt beim Verlagern des Hebelendes ein Kreissegment, mit einem im Wesentlichen in der ersten Richtung verlaufenden Kreisbogensegment.
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Der Arbeitswinkel beträgt bevorzugt etwa α = ±15° zu einer zur ersten Richtung senkrecht ausgerichteten Bezugsebene, insbesondere der horizontalen Ebene. Der Öffnungswinkel des von dem Hebel bei einer kompletten Bewegung durchlaufenen Kreisbogensegments beträgt insgesamt somit etwa 2α = 30°. Dabei beträgt der wirksame Hebelarm aufgrund der trigonometrischen Beziehung wirksamer Hebelarm/Hebellänge = cos(α) zu jeder Zeit zumindest etwa 96% (= cos(15°)) der gesamten Hebellänge. Das Zentrum des Kreisbogens liegt im Zentrum des Freilaufs, welches bevorzugt auch das Zentrum des Vortriebsrads ist. Der vorgegebene Arbeitswinkel kann veränderbar sein, sodass er je nach Einsatzart und/oder -Zweck des Mechanismus an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden kann. Die Bezugsebene kann jede Ebene sein, bei der eine ergonomisch sinnvolle Bewegung zur Krafteinleitung von der Person normal zu der Ebene möglich ist. Bei Verlagerung des Krafteinleitungselements in Gravitationsrichtung ist dies die horizontale Ebene. Beispielsweise kann dies aber auch eine vertikale Ebene sein. In diesem Fall würde das Krafteinleitungselement im Wesentlichen in einer horizontalen Richtung verlagert. Die horizontale Krafteinleitung kann dabei direkt auf den Freilauf und/oder das Vortriebsrad wirken. Optional oder zusätzlich kann die horizontale Krafteinleitung, gegebenenfalls über weitere kraftübertragende Elemente, in eine vertikale Richtung umgeleitet werden und vertikal auf den Freilauf und/oder das Vortriebsrad wirken.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Hebel mit einer Rückholvorrichtung, insbesondere einer Rückstellfeder, zum Rückholen des Hebels entgegen der ersten Richtung aus einer verlagerten Stellung in eine Ausgangsstellung versehen. Alternativ kann auch eine Kopplung zwischen Sitz und Hebel zum Rückholen des Hebels beim Verlagern des Sitzes in die zweite Richtung vorgesehen sein. Diese Kopplung kann analog zur Kopplung zum Rückholen des Sitzes auf verschiedenste Weisen realisiert werden, abhängig von dem für die Kraftübertragung vorgesehenen Prinzip. Die jeweiligen Kopplungen des Sitzes und des Hebels können auch als eine gemeinsame Kopplung zum Rückholen des Sitzes und des Hebels abwechselnd in den jeweiligen Phasen beziehungsweise Stellungen des Mechanismus vorgesehen sein. Beispielsweise könnten Hebel und Sitz optional oder zusätzlich über eine Kinematik gekoppelt sein. Damit würde der gesamte Bewegungsablauf kinematisch zusammenhängen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Sitz über eine Hebelstütze und/oder über einen Freilauf mit zumindest einem Vortriebsrad kraftübertragend gekoppelt. Die Hebelstütze funktioniert dabei analog zum Hebel. Der Sitz ist beispielsweise mit einer Sattelstange verbunden. Diese ist beweglich oder fest mit dem Sitz verbunden und in einer Führung linear oder mit einer leichten Drehbewegung um einen möglichst weit entfernten Pol im Wesentlichen in der zweiten Richtung, bevorzugt in Gravitationsrichtung verlagerbar. Die Sattelstange ist drehbar mit der Hebelstütze verbunden und überträgt so die am Sitz eingeleitete Gewichtskraft auf die Sattelstütze. Dies findet bevorzugt in einer im Wesentlichen senkrechten Stellung der Sattelstange zur Sattelstütze statt, sodass der maximale wirkende Hebelarm zum Aufbau des Antriebsmoments auf den Freilauf genutzt werden kann. Analog zum Hebel sollte die Hebelstütze beim Verlagern des Sitzes bevorzugt einen Arbeitswinkel von ca. ±15° oder weniger zur Bezugsebene, bevorzugt zur horizontalen Ebene beschreiben. Die kraftübertragende Kopplung des Sitzes mit dem Vortriebsrad ist auch abhängig von dem für die Kraftübertragung vorgesehen Prinzip auf verschiedenste Weise vorsehbar. Sowohl die Hebelstütze als auch der/die Hebel können dabei feststellbar vorgesehen sein, sodass sie in einem Zustand des freien Rollens des Vortriebsrades fixiert werden können. Es ist auch denkbar, dass nur der Hebel oder nur die Hebelstütze festgestellt wird, während nur die Hebelstütze oder nur der Hebel weiterhin bewegbar ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bildet der Hebel einen gegenüber der Hebelstütze längeren zum Vortrieb wirksamen Hebelarm. Das heißt, der Hebel für die Beine und/oder Arme ist bevorzugt länger als die Hebelstütze für das Gewicht der Person. Somit wird der Mechanismus daran angepasst, dass bei vielen Personen die in der Arbeitsphase in den/die Hebel eingebrachte Kraft kleiner ist als die in der Ruhephase eingebrachte Gewichtskraft. Die Hebellängen des Hebels und der Hebelstütze sind Idealerweise nach dem Verhältnis der von der Person eingebrachten Muskelkraft zur von der Person eingebrachten Gewichtskraft ausgelegt. Es ist daher denkbar, dass für unterschiedliche Personen unterschiedliche Hebelarmlängenverhältnisse zur Verfügung gestellt werden. Ebenso können Hebel und/oder die Hebelstütze zur Anpassung des Hebelarmlängenverhältnisses längen- und/oder winkelverstellbar vorgesehen sein. Zur besseren ergonomischen Anpassung an die Körperabmessungen einer Person können die Hebel dann unabhängig voneinander in der Hebellänge und/oder in einem Hebelwinkel eingestellt werden. Hierzu können beispielsweise bekannte Rastmechanismen, Teleskoparme, Feststellschrauben, arretierbar verstellbare Winkelelemente oder dergleichen an den Hebeln vorgesehen sein.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines muskel- und gewichtsangetriebenen Fortbewegungsmittels ist zumindest ein Planetengetriebe und/oder ein Doppelplanetengetriebe mit Freilauf an dem zumindest einen Krafteinleitungselement zur Anpassung der Übersetzung und/oder zur Gangschaltung vorgesehen. Damit kann die Endübersetzung an die von der Person eingebrachten Kräfte und an die Widerstandskräfte beim Fortbewegen angepasst werden. Das Planetengetriebe und/oder ein Doppelplanetengetriebe kann analog zu bekannten Nabenschaltungen zum manuellen Schalten vorgesehen und ausgebildet sein. Es kann zusätzlich eine Kupplung vorgesehen sein. Ein Planetengetriebe ist jedoch nicht begrenzend zu verstehen. Es kann optional oder zusätzlich ein stufenloses- und/oder Automatikgetriebe und/oder jede andere Art von Getriebe vorgesehen sein, welche der Anpassung der Übersetzung dient.
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In einer weiteren Ausführungsform eines muskel- und gewichtsangetriebenen Fortbewegungsmittels sind zumindest ein Speichermedium zum Speichern von Energie und zumindest ein Antrieb zum Wandeln von gespeicherter Energie in Vortrieb vorgesehen. Diese sind mit einem erfindungsgemäßen Antriebsmechanismus als eine Art Hybridantrieb kombiniert. Dabei ist jedes in Zusammenhang mit dem Antriebsmechanismus erwähnte Prinzip zur Kraftübertragung verwendbar. Des Weiteren sind alle möglichen Anordnungen von Hybridvarianten denkbar. So kann beispielsweise der Antrieb mit in den Freilauf und/oder in das Getriebe integriert sein und/oder auf dasselbe Vortriebsrad wie der Antriebsmechanismus wirken und/oder auf zumindest ein anderes und/oder zumindest ein zusätzliches Vortriebsrad wirken. Des Weiteren kann in einer Range-Extender Ausführungsform des Antriebsmechanismus dieser dazu ausgebildet und vorgesehen sein, das Speichermedium direkt zu laden beziehungsweise zu füllen, sodass die Antriebskraft am Vortriebsrad nur über den Antrieb erzeugt wird. Die über den Antriebsmechanismus eingebrachte Kraft ruft in diesem Fall eine durch das Speichermedium gepufferte Antriebskraft hervor. Das Speichermedium kann im Voraus einer Fahrt geladen werden, sodass durch Betätigen des Antriebsmechanismus die Reichweite des Fortbewegungsmittels erhöht wird. Alternativ kann auch nur die über den Antriebsmechanismus eingebrachte Arbeit am Antrieb in Vortrieb gewandelt werden. Das Speichermedium kann zudem als Energiepuffer dienen, und beispielsweise beim Bremsen oder bei Bergabfahrt überschüssige Energie aufnehmen, und bei Bedarf, beispielsweise an einer Steigung oder zum Erhöhen der Fortbewegungsgeschwindigkeit wieder abgeben.
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INHALTSANGABE DER ZEICHNUNG
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
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1 einen erfindungsgemäßen Mechanismus und ein erfindungsgemäßes Fortbewegungsmittel;
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2 den Mechanismus und das Fortbewegungsmittel in einer anderen Stellung;
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3A Hebel in unterschiedlichen Stellungen;
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3B einen Sitz mit Hebelstütze in unterschiedlichen Stellungen;
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4 Hebel und die Hebelstütze;
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5 eine Ausführungsform des Fortbewegungsmittels;
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6 einen erfindungsgemäßen Mechanismus und ein erfindungsgemäßes Fortbewegungsmittel;
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7 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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8 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die beiliegenden Figuren der Zeichnung sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen die Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
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In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten – sofern nichts anderes ausgeführt ist – jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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1 und 2 zeigen einen erfindungsgemäßen Mechanismus 1 und ein erfindungsgemäßes Fortbewegungsmittel 8. Das Fortbewegungsmittel weist einen festen Rahmen 6 und ein an dem festen Rahmen über eine Nabe befestigtes Vortriebsrad 4 auf. An der Nabe ist ein Freilauf 5 vorhanden. Mit dem Freilauf sind ein Hebel 2 und eine Hebelstütze 7 verbunden. Die Hebelstütze ist über ein Scharnier mit einem Ende einer Sattelstange 12 verbunden. An dem anderen Ende der Sattelstange 12 ist eine Auslegerstange 11 über ein Scharnier mit ihr gekoppelt. An diesem Scharnier ist ein Sattel 3 an das Gestänge angebracht. Die Auslegerstange 11 ist ebenfalls über ein Scharnier mit dem festen Rahmen 6 gekoppelt. Eine Rückholvorrichtung für den Sattel 3 ist als Rückholfeder 14 in ihrem entspannten Zustand dargestellt.
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Der Hebel 2 und die Hebelstütze 7 sind mit dem Freilauf 5 derart gekoppelt, dass sich beide innerhalb eines bestimmten Winkelsegments ±α in einer Rotationsrichtung um die Nabe frei bewegen können. In die andere Rotationsrichtung können sie sich nur unter Kraft- beziehungsweise unter Momentübertragung auf das Vortriebsrad 4 um die Nabe bewegen.
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In 2 ist eine verlagerte Stellung B des Mechanismus 1 dargestellt. In dieser Stellung kann eine Person durch ihr Körpergewicht eine Kraft- beziehungsweise Momentübertragung auf das Vortriebsrad 4 erzeugen, indem sie sich auf den Sattel 3 setzt. Die Gewichtskraft des Körpergewichts wird dabei vom Sattel 3 auf die Sattelstange 12 und von der Sattelstange 12 auf die Hebelstütze 7 übertragen. Die Kraft wird annähernd senkrecht zur Hebelstütze 7 im Wesentlichen in Gravitationsrichtung g in die Hebelstütze 7 eingeleitet, sodass dadurch am Freilauf 5 annähernd ein maximal übertragbares Moment anliegt. Dieses Moment wird über den Freilauf 5 auf das Vortriebsrad 4 übertragen und in eine Drehung des Vortriebsrads 4 umgesetzt. Folglich wird eine Vortriebskraft FA am Abrollpunkt des Vortriebsrades 4 auf den Boden übertragen. Bei fortschreitender Drehung des Vortriebsrades 4 unter Kraftübertragung vom Sattel 3 senkt sich dieser, mit einer von der Kinematik der beteiligten Stangen vorgegebenen Bewegung, vorwiegend in Gravitationsrichtung g ab. Mit diesem Absenken des Sattels 3 verändert sich der Winkel α der Hebelstütze 7 zur Horizontalen H. Befindet sich die Hebelstütze 7 in dem maximal gewünschten Winkel α zur Horizontalen H, ist die in 2 dargestellte Ausgangsstellung A des Mechanismus erreicht, in welcher der Sattel 3 seinen tiefsten Punkt erreicht hat. Die Rückholfeder 14 ist nun gespannt und sorgt bei Entlastung des Sattels 3 dafür, dass dieser wieder in die Ausgangsposition gebracht wird. In dieser Ausgangsstellung A kann eine Person durch Muskelkraft eine Kraft- beziehungsweise Momentübertragung auf das Vortriebsrad 4 erzeugen, indem sie auf die Hebel 2 am Ende 2a der Hebel 2 tritt und somit automatisch den Sattel 3 entlastet. Die am Hebelende 2a eingeleitete Kraft wird von der Person annähernd senkrecht zum Hebel 2 in Gravitationsrichtung g in den Hebel 2 eingeleitet, sodass dadurch am Freilauf 5 ein annähernd maximal mögliches Moment anliegt. Dieses Moment wird über den Freilauf 5 auf das Vortriebsrad 4 übertragen und in eine Drehung dessen umgesetzt. Bei fortschreitender Drehung des Vortriebsrades 4 unter Kraftübertragung vom Hebel 2 senkt sich dessen Ende 2a vorwiegend in Gravitationsrichtung g ab, wobei sich der Hebel 2 als Ganzes mit einer Drehbewegung um den Freilauf dreht. Wenn sich das Hebelende 2a an seinem tiefsten Punkt befindet, ist wieder die in 1 dargestellte verlagerte Stellung B des Mechanismus erreicht und der Bewegungsablauf kann von vorne beginnen.
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In 3A sind Hebel 2 in unterschiedlichen Stellungen A, B und eine Rückholfeder 13 für den Hebel in Form einer Spiralfeder dargestellt. In der gestrichelt dargestellten Ausgangsstellung A befindet sich das Hebelende 2a an seinem höchsten Punkt. Relativ zur Horizontalen H steht der Hebel dabei in einem mathematisch negativen Winkel –α zu derselben. In der mit durchgezogener Linie dargestellten verlagerten Stellung B steht der Hebel relativ zur Horizontalen in einem mathematisch positiven Winkel α zu derselben. Die Rückholfeder 13 ist in der Ausgangsstellung A entspannt und in der verlagerten Stellung B gespannt. Der Hebel wird bei Entlastung aus der verlagerten Stellung B durch die Federkraft der Rückholfeder 13 in die Ausgangsposition A zurückgebracht.
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In 3B sind der Sattel 3, die Sattelstange 12 und die Hebelstütze 7 in den Stellungen A und B dargestellt. In der gestrichelt dargestellten Ausgangsstellung A befindet sich der Sattel 3 an seinem tiefsten Punkt, das heißt in einem Abstand HA in Gravitationsrichtung zu einer horizontalen Ebene durch den untersten Punkt des Vorriebsrades 4, also der Rollebene. An diesem Punkt ist keine potentielle Energie zum Vortrieb durch Gewichtskraft mehr übrig. Ein Vortrieb muss nun wieder durch Treten der Hebel 2 erzeugt werden. In der mit durchgezogener Linie dargestellten verlagerten Stellung B befindet sich der Sattel 3 an seinem höchsten Punkt. Ein Vortrieb kann dann durch Gewichtskraft auf den Sattel 3 durch Daraufsetzen der Person erzeugt werden.
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4 zeigt den Hebel 2 und die Hebelstütze 7 in einer bevorzugten Ausführungsform, in welcher der Hebel 2 länger als die Hebelstütze 7 ist. Als Folge dessen ist auch der wirksame Hebelarm L1 des Hebels 2 länger als der wirksame Hebelarm L2 der Hebelstütze 7. Dies bedeutet, dass die unterschiedlich hohen Kräfte unterschiedlich übersetzt werden. Das ist ergonomisch günstig, denn die aufbringbare Muskelkraft ist bei den meisten Personen zumindest bei einer längeren Belastungsdauer geringer als die aufbringbare Gewichtskraft. Somit kann in den Arbeits- und Ruhephasen eine im Wesentlichen konstante Vortriebskraft am Vortriebsrad 4 ermöglicht werden. Zudem kann die Dauer der Ruhephase dadurch eingestellt werden, bevorzugt etwas länger als die Dauer der Arbeitsphase.
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5 zeigt eine Ausführungsform des Fortbewegungsmittels 8 mit einem erfindungsgemäßen Antriebsmechanismus 1, einem damit kombinierten zusätzlichen Antrieb 10 und einem Speichermedium 9. Der Antrieb 10 kann beispielsweise ein Elektromotor sein, welcher zum Bremsen oder bergab Rollen in den Generatorbetrieb geschaltet werden und so das Speichermedium 9, in diesem Falle eine Batterie, auflädt. Diese kann natürlich auch im Voraus einer Fahrt geladen werden. Bei Bedarf kann der Antrieb 10 zugeschaltet werden und eine zusätzliche Antriebskraft FA am Vortriebsrad 4a zur Verfügung stellen.
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6 zeigt eine Ausführungsform des Fortbewegungsmittels 8 mit einem erfindungsgemäßen Antriebsmechanismus 1. Darin sind hydraulische Pumpen 15, 16 und hydraulische Motoren 17, 18 vorgesehen. Die hydraulischen Komponenten sind miteinander hydraulisch gekoppelt und dementsprechend druckdicht mit einem Hydraulikfluid gefüllt. Hydraulikleitungen sind zur besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Die Pumpe 15 ist mit dem Hydraulikmotor 17 gekoppelt und die Pumpe 16 ist mit dem Hydraulikmotor 18 gekoppelt. Die Pumpe 16 ist mit dem Hebel 2 kraftübertragend verbunden, wobei die Pumpe 16 am zur Kraftübertragung ausgebildeten Ende 2b des Hebels 2 angeordnet ist. Sie ist noch vor dem Drehpunkt des Hebels 2, der sich an der Nabe des Vortriebsrads 4 befindet, angeordnet. Somit wirkt der Hebel 2 mit seinem wirksamen Hebelarm L1 zur Druckerzeugung auf die Pumpe 16. Der Hebelarm L1 resultiert aus den Abständen zwischen dem Ende 2a des Hebels 2, der Pumpe 16 und dem Drehpunkt des Hebels 2. In der Arbeitsphase wird durch Verlagern des zur Krafteinleitung ausgebildeten Endes 2a des Hebels 2 im Wesentlichen in Gravitationsrichtung g aus der Ausgangsstellung A in die dargestellte verlagerte Stellung B ein hydraulischer Druck in der Pumpe 16 erzeugt. Dieser Druck wird zum Hydraulikmotor 18 geleitet, welcher den hydraulischen Druck in ein Moment am Vortriebsrad 4 und somit in eine Antriebskraft wandelt. Hat der Hebel 2 die verlagerte Stellung B erreicht, wird er im entlasteten Zustand in der Ruhephase von einem Restdruck in der Pumpe 16 und/oder von einem über eine Bypassleitung von der Pumpe 15 in die Pumpe 16 eingebrachten Druck und/oder von der Federkraft einer nicht dargestellten Rückstellfeder 13 aus der dargestellten verlagerten Stellung B in die Ausgangsstellung A gebracht.
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Der Sattel 3 ist mit der Hebelstütze 7 verbunden, welche in diesem Ausführungsbeispiel ihren Drehpunkt am vorderen Rahmen 6 hat. Die Hebelstütze ist kraftübertragend mit der Pumpe 15 verbunden. Die Pumpe 15 ist zwischen dem Drehpunkt der Hebelstütze 7 und dem Sattel 3 angeordnet. Somit wirkt ein aus den jeweiligen Abständen resultierender wirksamer Hebelarm L2 der Hebelstütze 7 auf die Pumpe 15. In der Ruhephase wird durch Verlagern des Sattels 3 im Wesentlichen in Gravitationsrichtung g aus der dargestellten verlagerten Stellung B in die Ausgangsstellung A ein hydraulischer Druck in der Pumpe 15 in Folge der Gewichtskraft der Person erzeugt. Ein darin somit entstehender Druck wird zum Hydraulikmotor 17 geleitet und dort in ein Moment beziehungsweise eine Antriebskraft FA am Vortriebsrad 4a gewandelt. Während dessen verlagert sich der Sattel 3 bis in die Ausgangsstellung A. Wenn die Ausgangsstellung erreicht ist und wenn die Person in der Arbeitsphase wieder den Hebel 2 belastet, wird der Sattel 3 im entlasteten Zustand von einem Restdruck in der Pumpe 15 und/oder von einem über eine Bypassleitung von der Pumpe 16 in die Pumpe 15 eingebrachten Druck und/oder von der Federkraft einer nicht dargestellten Rückholfeder 14 in die dargestellte verlagerte Stellung gebracht.
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7 und 8 zeigen jeweils ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren ist zum muskel- und gewichtsangetriebenen Fortbewegen zumindest einer Person, insbesondere mit zumindest einem erfindungsgemäßen Antriebsmechanismus oder einem erfindungsgemäßen muskel- und gewichtsangetriebenen Fortbewegungsmittel vorgesehen. Dabei enthält ein erster Schritt S1 das Antreiben zumindest eines Vortriebsrades durch muskelkraftbetätigtes Verlagern zumindest eines kraftübertragend mit dem Vortriebsrad gekoppelten Krafteinleitungselements in einer ersten Richtung, insbesondere in Gravitationsrichtung, von einer Ausgangsposition in eine verlagerte Position. Ein zweiter Schritt S2 kann, wie in 7 gezeigt, parallel zum ersten Schritt S1 oder alternativ, wie in 8 dargestellt, nach dem ersten Schritt S1 erfolgen. Der zweite Schritt S2 enthält das Verlagern zumindest eines kraftübertragend mit dem Vortriebsrad gekoppelten Sitzes und des Körperschwerpunkts der Person entgegen einer zweiten Richtung, insbesondere der Gravitationsrichtung, von einer Ausgangsposition in eine verlagerte Position. Ein dritter Schritt S3, welcher nach dem zweiten Schritt S2 erfolgt, enthält das Antreiben des Vortriebsrades durch Verlagern des Sitzes und des Körperschwerpunkts der Person in der zweiten Richtung von der verlagerten Position in die Ausgangsposition mittels vom Gewicht der Person in den Sitz eingeleiteter Gewichtskraft. Ein vierter Schritt S4 kann, wie in 7 gezeigt, parallel zum dritten Schritt S3 oder alternativ, wie in 8 dargestellt, nach dem dritten Schritt S3 erfolgen. Der vierte Schritt S4 enthält das Rückholen des zumindest einen Krafteinleitungselements von der verlagerten Position in die Ausgangsposition. Das Verfahren zur Fortbewegung kann nun von vorne beginnen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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Der maximale Arbeitswinkel zum Verlagern des Krafteinleitungselements im Wesentlichen in einer ersten Richtung kann je nach gewünschtem Wirkungsgrad des Antriebsmechanismus vorgesehen werden. Im Wesentlichen in einer Richtung ist dahingehend zu verstehen, dass die Verlagerung eine geradlinige Bewegung und/oder auch eine Drehung um einen ausreichend weit entfernten Pol enthalten kann. Aufgrund der Entfernung vom Pol kommt bereits bei einem geringen Drehwinkel ein ausreichender Hub zum Verlagern des Krafteinleitungselements zustande. Ein denkbarer kleinerer Winkel von beispielsweise α = 10° erhöht dabei den Wirkungsgrad des Mechanismus, verkürzt aber den Hub für den Bewegungsablauf. Andersherum verschlechtert ein ebenfalls denkbarer größerer Winkel von beispielsweise α = 25° den Wirkungsgrad des Mechanismus.
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Das Prinzip des unterschiedlichen Hebellängenverhältnisses ist stellvertretend für jedes vorgesehene Prinzip zur Kraftübertragung als unterschiedliche Kraftübersetzung von Sitz und Krafteinleitungselement auf das Vortriebsrad zu verstehen.
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Es sind auch alternative Bewegungsabläufe und/oder Verfahren denkbar. Beispielsweise kann in der Arbeitsphase erst ein erster Hebel, und anschließend ein zweiter Hebel in Gravitationsrichtung verlagert werden und erst dann die Ruhephase beginnen. Dieses aufeinanderfolgende Verlagern der Hebel in Gravitationsrichtung ist auch mit drei oder vier Hebeln denkbar, wobei auch zwei Hebel gemeinsam (z. B. zwei Hebel zur Armbetätigung an zwei Vortriebsrädern) in einem Schritt verlagert werden können. In der Ruhephase könnten alle Hebel gleichzeitig oder in derselben Reihenfolge oder in umgekehrter Reihenfolge in die Ausgangsposition rückgeholt werden. Des Weiteren könnte in der Ruhephase durch zusätzliches Anziehen oder Abstoßen der Person in den Sitz hinein eine Kraft zusätzlich zur Gewichtskraft in den Sitz eingebracht werden.
