DE102012002449A1

DE102012002449A1 - Fahrradantrieb mit Bein- und Armantrieb

Info

Publication number: DE102012002449A1
Application number: DE201210002449
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-02-08
Filing date: 2012-02-08
Publication date: 2013-08-08

Abstract

Fahrradantrieb mit Bein- und Armantrieb. Am bekannten Fahrrad-Fusskurbelantrieb, ist ein manuell angetriebener Schwingenantrieb, ergänzt mit Lenkfunktion, angekoppelt. Kurzfassung: Aufgabe und Zielsetzung: Die Lenkfunktion eröffnet die Möglichkeit zum Fahrradantrieb und die körperliche Leistungsfähigkeit über Bein- und Armarbeit optimal umzusetzen. Die Führungseigenschaft der Antriebsschwingen ermöglicht die stehende Haltung des Fahrers und den Einsatz des gesamten Eigenbewichts an der Antriebskurbel. Die Drehmomentverläufe und deren Maxima von Bein- und Armantrieb sind um ca. 75° versetzt, so dass ein Gesamtabtriebsmoment ohne Totpunkte verfügbar ist. Lösung der technischen Aufgabe: Die Lenkfunktion wird in die manuellen Angriffspunkte (Handgriffe) der Antriebsschwingen integriert. Der Lenkausschlag des Vorderrades ergibt sich zwangsgesteuert durch Drehen bzw. Schwenken der beiden Handgriffe. Die gesetzlichen Verschriften werden eingehalten. Anwendungsgebiet: Der Bein- und Armbetrieb kann als Antrieb für Fahrräder, Trikes und für sogenannte Pedelecs verwendet werden. Wegen der höheren Abtriebsmomente ist eine besondere Eignung für Mountainbikes gegeben. Zeichnung: Zeichnung Bl. 1 zeigt die stehende Haltung des Fahrers, der sich entspannt an den Antriebsschwingen abstützt. Mit abgewickelten Antriebsschwingen ist auch eine fahrradtypische Sitzposition möglich.

Description

Der Beinantrieb eines Fahrrads mit Kurbelantrieb ist bekannt und hat den Nachteil, dass im oberen und unteren Totpunkt (0°, 180°) kein Antriebsmoment gegeben ist, s. dazu das Diagramm 1, Seite 3. An Steigungen und langsamer Fahrt ist dies nachteilig.
Des weiteren sind stationäre CrossTrainer als Universal-Trainingsgeräte bekannt. Deren manueller Schwingenantrieb ist mit einem Kurbeltrieb verbunden, um einerseits den elliptischen Laufeffekt darstellen und anderseits den Bewegungswiderstand einstellen zu können.
Die konstruktive Verbindung des bekannten Kurbel-/Schwingenantriebs und die Integration einer fahrradtauglichen Lenkfunktion ist Gegenstand der Erfindung und in den Zeichnungen Bl. 1–6 dargestellt und die Positionen der Zeichnungen in der Bezugszeichenliste, Bl. 6 dieser Beschreibung, aufgelistet.
Konstruktive Details:

1. Modifikation des Schwingenantriebs dergestalt, dass der Fahrer direkt auf dem Kurbeltrieb zu stehen kommt → volle Nutzung des Eigengewichts.
2. Abstand zwischen Fahrer und Antriebsschwingen von ca. 35–55 cm für eine ergonomische Armarbeit, s. Zeichnung Bl. 1 und 2.
3. Integration eines sicheren Lenksystems, das den gesetzlichen Vorschriften (Strassenverkehrordnung, EU-Richtlinie 70/311/EWG Pkt.2.2.2.1) entspricht. Eigentlich erfüllt nur eine Zwangssteuerung d. h. mechanische Lösung mit formschlüssigen Übertragungselementen diese Anforderung. Die Varianten des Lenkungsaufbaus sind in Zeichnung Bl. 5 und Bl. 6 dargestellt.

Bl. 5	Anordnung 1:	Die Lenkung der Vorderradgabel erfolgt formschlüssig über die beiden Ritzel (Pos. 19) an den Ende der Oberschwingen (Pos. 1), verbunden mit den drehbaren Handgriffen (Pos. 5), der axial beweglichen Rundzahnstange (Pos. 4) und dem Ritzel (Pos. 20) an der Vorderradgabelachse (Pos. 6).
	Anordnung 2:	Statt dem Ritzel (Pos. 20) an der Vorderradgabelachse erfolgt die Lenkung des Vorderrades über einen Laufrollenhebel (Pos. 16) mit zwei Laufrollen. Eine Laufrolle befindet sich in einer umlaufenden Nut von Pos. 4 und die zweite in einer Kulisse, die mit der Vorderradgabelachse (Pos. 6) fest verbunden ist. Pos. 16 ist fest mit seinem Drehpunkt an Pos. 2 gelagert.
	Anordnung 3:	Die Lenkung der Vorderradgabel erfolgt formschlüssig über die Hebel mit Laufrolle (Pos. 17) an den Enden der Oberschwingen (Pos. 1), verbunden mit den drehbaren Handgriffen (Pos. 5) und der axial beweglichen Rundzahnstange (Pos. 4) mit Laufrollennuten.
Bl. 6	Gestaltung 1:	Gerade Ausführung der Oberschwinge (Pos. 1) mit innerer gerader Verbindungswelle zwischen Handgriff (Pos. 5) und Ritzel (Pos. 19) bzw. Hebel mit Laufrolle (Pos. 17).
	Gestaltung 2:	Gebogene Oberschwinge mit biegeelastischer innerer Verbindungswelle.
	Gestaltung 3:	Gewinkelte Ausführung mit variablem oder fixem Winkel mit mindestens einer Zahnräder-Verbindungsgruppe, die die Drehbewegung der inneren Welle überträgt und die Teile der Oberschwinge steif miteinander verbindet.
	Gestaltung 4:	Gewinkelte Ausführung mit variablem Winkel mit mindestens einer drehsteifen, winkelverstellbaren Wellenkupplung, die die Drehbewegung der inneren Welle überträgt und die Teile der Oberschwinge steif miteinander verbindet.

Das Lenken erfolgt durch Drehen, formschlüssig/synchron, mit beiden Handgriffen (Pos. 5). Laut Ergonomischer Datensammlung der Bundesanstalt für Arbeit/TÜV Rheinland kann man von einem Drehwinkel +/–30° ausgehen. Die Übertragung auf das Vorderrad bei 1:1 = +/–30°. Der parallel ablaufende zwangsgesteuerte Lenkvorgang und Schwingenantrieb ohne gegenseitige Beeinflussung erfordert eine spezielle Rundzahnstange. Üblicherweise ist eine Rundzahnstange ein Rundprofil mit einseitiger Verzahnung. Bei der hier beschriebenen Rundzahnstange müssen die äusseren Verzahnungen umlaufend sein. Das stillstehende Ritzel (Pos. 19) am unteren Ende der Oberschwinge (Pos. 1) kann also um die Verzahnung der Rundzahnstange (Pos. 4) schwingen, ohne diese axial zu bewegen.
Anderseits kann das drehende Ritzel (Pos. 19) während des Schwinges die Rundzahnstange axial verschieben und einen Lenkvorgang auslösen. Konstruktive Alternative zur Rundzahnstange mit umlaufender Verzahnung: Nominal verzahnte Zahnstangenelemente, welche mit Festlager auf Pos. 4 drehbar gelagert sind und in die Ritzel (Pos. 19) der Oberschwingen (Pos. 1) eingreifen und mit diesen hin und her schwenken, s. Zeichnung Bl. 3, kleiner Rahmen.
Die Oberschwingen (Pos. 1) sind in Zeichnung Bl. 3 gerade und für stehende Fahrerposition dargestellt. Die gebogene und gewinkelten Ausführungen nach Zeichnung Bl. 2 und 6 sind gedacht, um Sitzposition zu ermöglichen bzw. für besonders grosse oder kleine Personen. Bei gewinkelten Oberschwingen ist auf die Drehrichtung von Handgriff und Vorderrad zu achten, die plausibel sein muss: Handgriff im Uhrzeigersinn → Vorderraddrehung im Uhrzeigersinn und umgekehrt. Eine Umkehrung der Drehrichtung ist im Eingriffsbereich von Pos. 4/Pos. 19 leicht zu realisieren, da man das eingreifende Ritzel (Pos. 19) oben oder unten anordnen kann. Gleiches gilt bei der Hebelanordnung (Pos. 17). Ferner ist bei der mittigen Zahnradpaarung Pos. 4/Pos. 20 noch ein Wenderad denkbar. Letzteres könnte auch bei sehr kleinem Ritzel auf der Vorderradgabel, → grösserer Drehwinkel, nötig werden, um die Abstände der Lagerpunkte zu vergrössern.
Auch die relative Drehbarkeit der Standfläche (Pos. 14) kann der sitzenden oder stehenden Fahrerposition angepasst werden.

A: Der Sperrstift (Pos. 18) verbindet Pos. 14 und Pos. 12. Der Winkel der Standfläche wird bei einer Kurbelumdrehung vom Winkel der Längsschwinge (Pos. 12) bestimmt.
B: Wird Pos. 18 entfernt ist Pos. 14 frei drehbar.
C: Die Unterschwinge (Pos. 3), die Längsschwinge (Pos. 12) und der Drehpunkt (Pos. 11) können alternativ als bekannte Scheren-Parallelogrammführung gestaltet und mit der Standfläche (Pos. 14) gekoppelt werden, s. Zeichnung Bl. 3, grosser Rahmen. Damit bleibt die Standfläche (Pos. 14) in Verbindung mit Pos. 18 immer horizontal bzw. auf konstantem Winkel; ohne Pos. 18 jedoch freidrehend.

Die Vorteile der Erfindung sind folgende:

I: Die stehende Haltung ist für den Antrieb die beste. Diese Position ist gegenüber einer normalen Fahrrad-Sitzposition mit gebeugtem Oberkörper zur Lenkstange hin abgestützt, entspannter und die auf den Sitz und Lenkstange wirkende Stützkraft geht für das Antriebsmoment nicht verloren.
II: Wie aus dem Diagramm 2, Seite 4, hervorgeht, sind die Maxima der Drehmomentverläufe von Arm(M_A)- und Beinantrieb (M_B) um ca. 75° versetzt; der Verlauf des Gesamtmoments (M_A+B) deshalb ohne Totpunkte harmonischer und das mittlere Drehmoment höher (M_CB > M_Bmittel).
III: Der Antrieb verteilt sich auf Arm- und Beinarbeit, Grenzbelastung der Beinmuskulatur wird vermieden und der Ausnutzungsgrad der körperlichen Leistungsfähigkeit verbessert, s. Seite 4 (Leistungsvergleich) dieser Beschreibung.
IV: Die bekannten Komponenten des Fahrrades wie z. B. Räder, Bremsen, Gangschaltungen, Tretlager, Freiläufe, Seilzüge können unverändert verwendet werden. Lediglich der Kopf des Rahmen muss mit dem Führungsrohr (Pos. 2) ergänzt und die Lagerung der Vorderradgabel (Pos. 6) angepasst werden. Neben der Standardausführung nach Zeichnung Bl. 3 ist auch ein Trike nach Zeichnung Bl. 4 möglich. Beim Trike sind aus Traktionsgründen beide Hinterräder angetrieben. In jedem Hinterrad ist ein Freilauf zur Drehmomentübertragung vorgesehen, um Kurvenfahrt zu ermöglichen.

Berechnungsgrundlagen für Drehmoment und Leistung:
1. Annahmen:

1.1. Vertikale Kraft an Tretkurbel: F_B = 200(N) Index B steht für Beinarbeit
1.2. Horizontale Kraft pro Armschwinge: F_A = 75(N) Index A steht für Armarbeit Gesamt: 2 × F_A
1.3. Trittfrequenz an der Kurbel: n = 50 (l/min)
1.4. Radius der Kurbel: R: 0,175 (m)
1.5. Armschwingenverhältnis = 810: 665, (Zeichnung Bl. 1)

2. Resultierendes Drehmoment/Leistung beim normalen Fahrrad (nur mit Tretkurbelantrieb):
3. Resultierendes Drehmoment/Leistung beim Fahrrad mit Bein- und Handantrieb:
4. Zusammenfassende Bewertung:
Der Ausnutzungsgrad der körperlichen Leistungsfähigkeit zum Antrieb eines Fahrrades scheint durch die gleichzeitige Bein- und Armarbeit erheblich verbessert zu werden: (258 – 13) / 166 = 1,47
Tatsächlich dürfte der Ausnutzungsgrad bei gleichzeitiger Bein- und Armarbeit in stehender Stellung nach Zeichnung Bl. 1 noch wesentlich höher sein, weil das Eigengewicht des Fahrers ⇒ F_B stärker zur Geltung kommt.
Stand der Technik:

1. Bekannt sind sogenannte stationäre CrossTrainer, die übergreifend Trainingsmethoden von verschiedenen Trainingsgeräten ermöglichen, z. B. Rudergeräten, Laufbänder, Radfahren. Bei den CrossTrainern wird über Bein- und Armarbeit mittels Schwingen ein Kurbelantrieb angetrieben, an dem mechanisch oder elektronisch (Ergometerfunktion) ein Widerstand (Drehmoment) eingestellt wird.

2.

Weitere Recherchen unter F03G 5/00 und B62M 1/

B62M 3/

(Suchanfrage: F03G0005080000/IC) B62M 5/

B62M 6/ ohne Befund.

3. Als bekannt gelten auch die Scheren-Parallelogrammführungen, die winkelkonstante Bewegungen einer Komponente in der Ebene ermöglichen; z. B. Zeichenkopfführung bei Zeichenmaschinen (Reißbrettern) mit Parallelogrammgestänge. Aktuelle Anwendung: Lagesteuerung der Standfläche (Pos. 14) unabhängig vom Kurbeldrehwinkel.

Bezugszeichenliste zu Zeichnung Bl. 3 bis 6:

Pos.	Benennung	Detailerläuterungen
1	Oberschwingen	Die Antriebsschwingen der Patentansprüche bestehen aus Oberschwingen mit Handgriffen (Pos. 5), Unterschwingen (Pos. 3), Längsschwingen (Pos. 12);
2	Führungsrohr	Fester Bestandteil des Fahrradrahmens (Pos. 8)
3	Unterschwingen	Drehbar auf dem Führungrohr (Pos. 2) gelagert, axial gesichert, mit Anschraubflansch für die Oberschwingen (Pos. 1)
4	Rundzahnstange
5	Handgriffe	Links/rechts mit Bremshebel (vorne/hinten)
6	Achse Vorderradgabel
7	Schalteinrichtung	Optional: die Betätigungshebel können beliebig am Rahmen oder an den Oberschwingen angeordnet werden.
8	Fahrradrahmen
9	Tretkurbellagerung
10	Tretkurbelarm	Z. B. R = 0,175 m als übliche Grösse
11	Drehpunkt	Längsschwinge/Unterschwinge
12	Längsschwinge
13	Steckachse	Die Steckachse ist in das Ende des Tretkurbelarms (Pos. 10) eingeschraubt und sowohl Lagerung für die Standfläche (Pos. 14) als auch für die Längsschwinge (Pos. 12).
14	Standfläche	Mittig und drehbar zur Steckachse (Pos. 13) angeordnet.
15	Freiläufe	Nur für die Trike-Version
16	Laufrollenhebel	s. Zeichnung Bl. 5, Anordnung 2
17	Hebel mit Laufrolle	s. Zeichnung Bl. 5, Anordnung 3
18	Sperrstift
19	Ritzel	s. Zeichnung Bl. 5, Anordnung 1
20	Ritzel (Vorderradgabel)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

EU-Richtlinie 70/311/EWG Pkt.2.2.2.1 [0003]

Claims

Fahrradantrieb mit Bein- und Armantrieb über bekannte Fusskurbel und daran angekoppelten Antriebsschwingen, dadurch gekennzeichnet, dass in die Antriebsschwingen eine fahrradtaugliche Lenkung integriert ist.
Lenkung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Dreh- bzw. Schwenkbewegung am Handgriff der Antriebsschwingen der Lenkausschlag des Vorderrades zwangsgesteuert erfolgt.
Zwangssteuerung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lenkvorgang und der Schwingenantrieb parallel ohne gegenseitige Beeinflussung erfolgt.
Antriebsschwingengestaltung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsschwingen variabel für stehende und sitzende Fahrer unterschiedlicher Grösse konzipiert werden können.