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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schwungmassenfahrrad zur schnelleren und kraftsparenden Fortbewegung, welches jeweils ein- oder mehrerer Schwungmassen im Vorder- und Hinterrad aufweist. Gegenwärtig erfährt die Nutzung von Fahrrädern als kostengünstiges Fortbewegungsmittel für Personen und kleine Lasten im Nahverkehr und für Freizeitaktivitäten einen enormen Bedeutungszuwachs. Daher gibt es zahlreiche Bemühungen, dieses robuste Fortbewegungsmittel technisch, insbesondere hinsichtlich seiner Fahreigenschaften und der Minimierung des vom Radfahrer zu leistenden Kraftaufwands zu verbessern. In seiner historischen Entwicklungsgeschichte hat das Fahrrad dabei schon zahlreiche Weiterentwicklungen und Verbesserungen erfahren.
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Zahlreiche, insbesondere aus der Patentliteratur bekannte Verbesserungsvorschläge wurden allerdings nicht realisiert, da der angestrebte Nutzen praktisch nicht erreicht wurde. So gab es beispielsweise Vorschläge zur Verwendung von Schwungmassen, an verschiedenen Positionen des Fahrrads, welche die Ausnutzung von Trägheitsmomenten in Rotationsbewegungen ermöglichen, anzubringen. Vorrangig sollen hier z. B. bei Bergabfahrten oder Bremsvorgängen ungenutzte Bewegungsenergie im Fahrbetrieb wieder abrufbar für den weiteren Vortrieb gespeichert werden.
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Die dazu an verschiedenen Stellen des Fahrrads angeordneten Schwungmassen und zur Erzeugung zusätzlicher Vortriebskraft mussten dabei ab- oder zuschaltbar ausgestaltet sein. Schwierigkeiten bei der Kopplung von Schwungmassen mit dem Antriebsmechanismen, entstehen jedoch oft durch die Forderung, eine bedienungsfreundliche, konstruktiv einfache oder automatisch gehaltene betriebsfähige technische Zu- und Abschalteinrichtung zu realisieren. Überhaupt erscheint es schwierig, Schwungmassen in Fahrrädern mit herkömmlichen Kettenantrieb über die Schaltkränze des Hinterrads oder besondere Zusatzgetriebe zu steuern.
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In der Patentliteratur finden sich zur Energiespeicherung für Fahrräder durch die Verwendung von Schwungmassen in verschiedenen Bauformen doch zahlreiche Hinweise.
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So wird in der deutschen Patentschrift
DE 2511753 C3 ein Schwungring-Radfahrzeug angegeben, welches eine zusätzliche Speichermöglichkeit für die freiwerdende Energie beim Bremsen oder Bergfahren in Form einer oder mehrerer, an den Seiten angeordneten Schwungscheiben aufweist. Die Schwungscheiben sind drehbar übereinanderliegend und mit dem anzutreibenden Rad über ein Ausgleichsgetriebe auskuppelbar angeordnet. In einer weiteren Ausgestaltung dieser Erfindung können die Schwungscheiben als Rotor eines elektrischen Generators ausgestaltet sein, dessen Stromerzeugung einen Elektromotor antreibt. Für den praktischen Betrieb dürfte sich diese Erfindung, insbesondere wegen ihres komplizierten Zuschaltmechanismus kaum geeignet sein. Weiterhin erlaubt die Verwendung von Schwungmassen ausschließlich zur Energiespeicherung keine grundsätzliche Verbesserung der Fahreigenschaften dieser Fahrräder, insbesondere auf ebenen Strecken und im Langstreckenbetrieb.
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Als weitere Antriebsformen für herkömmliche Fahrräder wurde die Verwendung verschiedenen Kettengetriebe oder Zahnradgetriebe bekannt.
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Für den Einsatz von Zahnradgerieben wurden verschiedenen Zahnrad-Bauformen und Stellungen der Zahnräder zueinander vorgeschlagen und zum Teil auch realisiert. Dabei werden die Tretlagergetriebe und die Getriebe des angetriebenen Rades zur Kraftübertragung durch Antriebswellen verbunden.
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Derartige, auch im Handel erhältliche bekannte Fahrräder werden auch als Kardanfahrräder mit einem Kardanantrieb bezeichnete.
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Hier sind sowohl ein ketteloses Tretlagergetriebe, wie auch in der Nabe des Antriebsrads (Hinterrad) ein Getriebe aus Zahnrädern angeordnet, die über eine, meist gekapselte, sogenannte Kardanwelle zur Übertragung der Antriebskraft gekoppelt sind.
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Eine derartige kettenlose Antriebsvorrichtung ist beispielsweise aus der europäischen Patentschrift
EP1147979 B1 bekannt.
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In dieser bekannten Antriebsvorrichtung sind das Tretlagergetriebe und das in der Nabe des Antriebsrades angeordnete Getriebe jeweils als Kegelradeinheit ausgebildet, welche aus zwei ineinander greifenden Kegelrädern, einem größeren Kegelrad (Durchmesser) und einem kleineren Kegelrad (Durchmesser) bestehen. Beide Getriebe sind über eine flexible Welle kraftschlüssig miteinander verbunden.
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Derartige Kegelradgetriebe für Fahrräder sind in dieser Ausbildung prinzipiell bekannt und werden häufig in kettenlosen Fahrrädern als Antrieb verbaut.
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Nützliche weitere Informationen zu Antriebstechnologien sind beispielsweise in der Schrift „Getriebetechnologie für Mountainbikes” von Dipl. Ing. (FH) Ralf Träger in Übersichtsform angegeben.
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Die Verwendung dieser Antriebsform für Fahrräder mit Schwungmassen spielt bei bekannten Kegelradantrieben allerdings keine Rolle und wird auch in dieser bekannten Patentschrift
EP1147979 B1 nicht erwähnt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Fahrrad anzugeben, welches durch die Verwendung von Schwungmassen höhere Fahrgeschwindigkeiten bei geringerem Kraftaufwand ermöglicht und insgesamt zu stabileren Fahreigenschaften des Fahrrads führt.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im kennzeichnenden Teil des ersten Patentanspruchs angegebenen Merkmale.
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In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
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Danach wir erfindungsgemäß wird ein Schwungmassenfahrrad vorgeschlagen, welches mehrere Schwungmassen aufweist, die jeweils im Felgenbereich des Vorderrads und des Hinterrads angeordnet sind und durch ihre gegenseitige feste Stellung zueinander die Vortriebskraft des gesamten Fahrrads dauerhaft erhöhen.
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Zur Sicherung dieser festen Stellung der Schwungmassen zueinander, ist der Antrieb erfindungsgemäß als kettenlose Antriebsvorrichtung ausgebildet, welche jeweils ein, in der Radnabe des Vorderrads und des Hinterrads angeordnetes Kegelradgetriebe aufweist, welche mit dem im Tretlagergetriebe angeordneten, und ebenfalls als Kegelradgetriebe ausgebildeten Kegelradantrieb formschlüssig, vorzugsweise jeweils mittels einer flexiblen Antriebswelle verbunden sind. Die vom Tretlagergetriebe ausgehenden Antriebswellen sind zu den Kegelradgetrieben des Vorder- und Hinterrades vorzugsweise durch die jeweiligen inneren Abschnitte des Fahrradrahmens geführt (1). Es gehört aber auch in den Bereich der Erfindung eine andere, beispielsweise starre Form der Kraftübertragung zu den Getrieben des Vorder- und Hinterrads vorzusehen.
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Die drei Kegelradgetriebe selbst, bestehen aus einem verzahnten kleinen Kegelrad (Antriebsritzel), das im Winkel von vorzugsweise 90 Grad in ein oder mehrere schaltbare ebenfalls verzahnte Getriebeschaltkränze eingreift.
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Die ebenfalls am Tretlagergetriebe ansetzende Schaltvorrichtung zur Einstellung verschiedener Gänge, ermöglicht über ein am Lenkrad angeordneten Schalthebel und die beiden im Tretlagergetriebe angeordneten und schaltbaren Antriebsritzel (kleines Kegelrad des Kegelradgetriebes) die synchrone Schaltung der jeweiligen Antriebsritzel der Kegelradgetriebe des Vorder- und des Hinterrades.
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Diese synchron schaltbar ausgebildete Schaltvorrichtung erzwingt also erfindungsgemäß, dass sich die beiden in den Radnaben angeordneten Schwungmassen stets in der gleichen festen Stellung (Position) zueinander befinden, welche eine beschleunigte Vorwärtsbewegung mittels der dadurch im Vorder- und Hinterrad erzeugte Zentrifugalkraft der Schwungmassen ermöglichen. Die erfindungsgemäße Positionierung der im Felgenbereich von Vorder- und Hinterrad angeordneten Schwungmassen erlaubt damit eine wirksame Erhöhung der Gesamtvortriebsmasse, was auch zu einer Erhöhung der Fahrgeschwindigkeit gegenüber Fahrrädern ohne Schwungmassen führt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, sind sowohl die Kegelradgetriebe des Vorder- und Hinterrads, als auch der Kegelradantrieb des Tretlagergetriebes jeweils fünf feststehende Getriebeschaltkränze vorgesehen, welche durch die beiden Antriebsritzel gleichzeitig und dual auf die fünf Getriebeschaltkränze beider Getriebe schaltbar sind.
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Diese erfindungsgemäße Ausbildung der drei Getriebe mit jeweils fünf Getriebeschaltkränzen und vier Antriebsritzeln (kleine Kegelräder) ermöglicht der Schaltvorrichtung die Schaltung von insgesamt 25 Gängen über das Tretlagergetriebe.
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Die Schaltvorrichtung ist dabei derart schaltbar ausgelegt, dass immer die feste, duale und gleichzeitige Schaltung der Gänge (Antriebsritzel) auf die jeweils gleichen Größen der Getriebeschaltkränze im Vorder- und Hinterrad erfolgt. Dadurch wird der findungsgemäße Zentrifugaleffekt durch die feste gegenseitige Anordnung der Schwungmassen erst ermöglicht.
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Die Erfindung soll nun Anhand eines Ausführungsbeispiels und der Darstellung in 1 näher erläutert werden.
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1 zeigt das erfindungsgemäße Schwungmassenfahrrad mit seinen wichtigsten Komponenten, den Schwungmassen 1 und 2, sowie der Antriebsvorrichtung 3 mit den Kegelradgetrieben 5 und den ebenfalls als Kegelradgetriebe mit zwei Antriebsritzeln ausgebildeten Tretlagergetriebe 6.
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In diesem Ausführungsbeispiel dient der leicht veränderte Rahmen einer üblichen Fahrradkonstruktion als Grundlage für den Aufbau des erfindungsgemäßen Schwungmassenfahrrads. Als Schwungmassen ist jeweils eine sichel- oder Halbkreisförmige Schwungscheibe 1, 2 im Felgenbereich des Vorder- und Hinterrads angeordnet. Fest in die Felg integriert, Blei, Eisen, oder Stahl Kunststoffummantelt.
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Die Schwungmassen haben hier ein Gewicht von jeweils 20 Kg und sind vorzugsweise in der in 1 angegebenen Position zueinander fest angeordnet, also etwa in einem Winkel von 90 Grad versetzt.
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Es gehört aber auch in den Bereich der Erfindung andere Gewichtsmaße oder Formen als Schwungmassen im Bereich der beiden Radfelgen vorzusehen.
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Die erfindungsgemäße Anordnung und Ausbildung der Schwungmassen 1, 2 in den Felgenbereichen des Vorder- und Hinterrads erzeugen in der Vorwärtsbewegung des Fahrrads eine sich gegenseitig ergänzende Zentrifugalkraft, welche mit vermindertem Kraftaufwand ein leichteres und schnelleres Vorwärtskommen für den Radfahrer ermöglicht.
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Die ebenfalls erfinderische kettenlose Antriebsvorrichtung 3 sichert den beiden Schwungmassen 1, 2 die Einnahme einer festen unveränderlichen Stellung zueinander zur Erzeugung einer entsprechen, von der Drehzahl und ihren Gewichtsgrößen abhängigen Vortriebskraft durch die entstehenden und sich ergänzenden Zentrifugalkräfte.
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Die Antriebsvorrichtung 3 umfasst jeweils eine in der Radnabe des Vorder- und Hinterrads angeordnetes Kegelradgetriebe 5, ein als Kegelradantrieb (Kegelradgetriebe) ausgebildetes Tretlagergetriebe 6, welches mit den Pedalhebeln des Tretlagers verbunden ist (1), sowie zwei, alle drei Getriebe verbindende Antriebswellen 9. Die Antriebswellen, hier vorzugsweise als flexible Stahlwelle 9 ausgebildet werden durch den Fahrradrahmen zu den einzelnen Getrieben 5, 6 geführt und sind formschlüssig mit den jeweiligen, als kleines Kegelrad ausgebildeten Antriebsritzeln 8 verbunden. Beide Kegelradgetriebe 5 und 6 haben im Wesentlichen die gleiche n Abmessungen. Die beiden Antriebsritzel 8 des Tretlagergetriebes 6 sind mit einem Ritzelträger befestigt und mit der Schaltvorrichtung 10 zur Synchronschaltung der Kegelradgetriebe 5 gekoppelt.
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Die Kraftübertragung zum Antrieb des Fahrrads erfolgt über die Pedalhebel auf eine Drehbewegung auf eines der geschalteten Getriebeschaltkränze 7, welche als Zahnkränze in Form große Kegelräder ausgebildet sind und komplementär in die ebenfalls grad- oder schräg verzahnten beiden Antriebsritzel 8 (kleinen Kegelräder) in bekannter Weise eingreifen. Dabei laufen beide Antriebsritzel 8 immer auf dem gleichen Getriebeschaltkranz 7.
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Die Drehbewegung der beiden Antriebsritzel 8 des Tretlagergetriebes 6 wird erfindungsgemäß mittels der beiden flexiblen Stahlwellen 9 auf die Antriebsritzel 8 und damit auf die Getriebeschaltkränze gleicher Größe der Kegelradgetriebe 5 des Vorder- und Hinterrads übertragen, so dass beide Räder synchron und mit gleicher Antriebskraft und Drehzahl angetrieben werden. Dabei ist die Schaltvorrichtung 10 derart ausgebildet, das immer nur die gleichen Getriebeschaltkränze 7 der beiden Kegelradgetriebe 5 synchron schaltbar sind, und somit das Vorderrad und das Hinterrad immer die gleiche Drehzahl und Radstellung aufweisen.
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Durch die Verbindung des Antriebsritzels 8 des Tretlagergetriebes 6 mit dem Antriebsritzel 8 des Vorderrades mittels flexibler Stahlwelle 9 und die Verbindung des zweiten Antriebsritzels 8 des Tretlagergetriebes 6 mit dem Antriebsritzel 8 des Hinterrades wird die duale permanente Einstellung Antriebswellen 9 auf die Stellung der beiden Schwungmassen 1, 2 übertragen und gesichert. Hierdurch wird die feste Einstellung der Schwungmassen 1, 2 zueinander auch im Fahrbetrieb fixiert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform werden Schwungmassen von jeweils 20 Kg für das Vorderrad und das Hinterrad vorgesehen. Sie diese beiden Schwungmassen in den Felgen der beiden Räder, wie beschrieben erfindungsgemäß austariert, ergibt sich eine gewichtete Verdopplung der Schwungmassen auf eine Vortriebsmasse von 40 Kg bei entsprechender hohen Fahrgeschwindigkeit.
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Durch die Wirkung der Fliehkraft, auch als Zentrifugalkraft bezeichnet, von beiden Schwungmassen 1, 2, können sich dann weitere Erhöhungen der Vortriebsmassen bei entsprechender Geschwindigkeit ergeben. Die durch die beiden Schwungmassen erzeugten Fliehkräfte helfen also das Schwungmassenfahrrad die Tretkraft des Radfahrers effektiver zur besseren Vorwärtsbewegung einzusetzen und ermöglichen eine Steigerung der Geschwindigkeit in kurzer Zeit.
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Dabei nimmt der notwendige Kraftaufwand für den Schwungmassenradfahrer gegenüber herkömmlichen Fahrrädern deutlich ab.
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Da das Tretlagergetriebe 6 in dieser bevorzugten Ausführungsform
fünf Getriebeschaltkränze 7 in Form von verschieden großen verzahnten Kegelrädern ausgebildet ist, ergeben sich in Verbindung mit den Kegelradgetrieben 5 des Vorder- und des Hinterrads, welche ebenfalls fünf Getriebeschaltkränze 7 verschiedener Größe aufweisen insgesamt 25 dual schaltbare Gänge.
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Das erfindungsgemäße Schwungmassenfahrrad hat insbesondere den Vorteil, dass
durch die Anordnung und Schaltung der Schwungmassen eine Erhöhung der Vortriebskraft in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit, bei gleichzeitig geringerem Kraftaufwand ermöglicht wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schwungmasse Vorderrad
- 2
- Schwungmasse Hinterrad
- 3
- Antriebsvorrichtung
- 4
- Radnabe
- 5
- Kegelradgetriebe
- 6
- Tredlagergetriebe, (Kegelradantrieb)
- 7
- Getriebeschaltkränze, (großes Kegelrad)
- 8
- Antriebsritzel, (kleines Kegelrad)
- 9
- Antriebswelle (flexible Stahlwelle)
- 10
- Schaltvorrichtung
- 11
- Schalthebel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2511753 C3 [0005]
- EP 1147979 B1 [0010, 0014]
