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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur mechanischen Energiespeicherung für Fahrräder.
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Fahrräder mit „eingebautem Rückenwind”, so genannte „E-Bikes” erfreuen sich zunehmender Beliebtheit. Bei diesen Fahrrädern wird zur Entlastung des Fahrers mit Hilfe eines mit einem Akku verbundenen Elektromotors ein zusätzliches Drehmoment auf die Pedalen oder Räder gegeben und die vom Menschen aufzuwendende Kraft dadurch verringert.
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Trotz ihrer Vorteile auf dem Gebiet der Umweltverträglichkeit und der gesteigerten Mobilität weisen diese E-Bikes die Nachteile auf, dass sie ein verhältnismäßig hohes Gewicht haben, vergleichsweise teuer sind und die Leistung des Akkus mit der Zeit nachlässt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche Energie auf mechanischem Wege speichert.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß den Ansprüchen gelöst.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur mechanischen Energiespeicherung für Fahrräder umfasst eine Welle, welche durch eine Antriebsvorrichtung drehend antreibbar ist, ein Federsystem und eine Kopplungseinheit, wobei die Kopplungseinheit dazu ausgelegt ist, eine in dem Federsystem gespeicherte potentielle Energie als Kraft auf die Welle zu übertragen.
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Die Welle ist um ihre Längsachse drehbar gelagert und kann in ihrer Mitte hohl sein. Bei einem Fahrrad kann es sich bei der Welle um eine Radnabe (des Hinterrades oder des Vorderrades) oder die Welle der Tretkurbel handeln. Die Vorrichtung ist aber in einer bevorzugten Ausführungsform auch dazu geeignet, die Welle eines Generators anzutreiben.
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Die Antriebsvorrichtung ist bei einem Fahrrad bevorzugt die Drehkurbel mit den Pedalen oder wird, in dem Falle, dass das Fahrrad rollt, durch die Räder selber dargestellt. In einer bevorzugten Ausführungsform kann diese Antriebsvorrichtung jedoch auch ein Windrad sein.
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Das Federsystem enthält mindestens eine Feder. Bevorzugt sind aber auch Systeme bestehend aus mehreren Federn, die insbesondere parallel und/oder in Serie zueinander angeordnet sind.
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Die Feder kann eine beliebige Form aufweisen und ist bevorzugt aus Metall gefertigt oder enthält zumindest Metall. Als vorteilhaft ist jedoch eine Spiralfeder bevorzugt, insbesondere eine flache Spiralfeder, bei der die Windungen in einer Ebene verlaufen („Uhrenfeder”).
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Die Kopplungseinheit dient dazu, dass die in der Feder gespeicherte potentielle Energie zu einem bestimmten Zeitpunkt zum Antrieb verwendet werden kann und die Feder nicht während der normalen Bewegung der Welle mit dieser verbunden ist (da sich dies spätestens nach dem Spannen der Feder negativ auf die Bewegung der Welle auswirkt). Eine bevorzugte Kopplungseinheit umfasst eine Federblockiereinheit, welche eine Entspannung der Feder verhindert, und die so ausgestaltet ist, dass deren Wirkung mit dem Zusammenbringen der Feder mit der Welle ausgeschaltet wird. Die Schaltung der Kopplungseinheit wird bevorzugt durch einen Hebel am Fahrradlenker oder der Lenkstange erreicht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Feder unabhängig von der mit der Rollbewegung einhergehenden Drehung der für sie vorgesehenen Welle gespannt. Dies geschieht beispielsweise dadurch, dass der Freilauf der Fahrradkurbel zum Aufziehen verwendet wird, dass also die Kopplungseinheit dermaßen ausgestaltet ist, dass bei einer Rückwärtsrotation der Pedale die Drehung der Kurbelwelle zum Spannen der Feder dient. Auf diese Weise kann bei einer Bergabfahrt durch Rückwärtstreten das Federsystem aufgeladen werden und die auf diese Weise gespeicherte Energie für den nächsten Anstieg genutzt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Rotation der dem Federsystem zugeordneten Welle zur Spannung des Federsystems verwendet. Dazu ist die Kopplungseinheit so ausgestaltet, dass sie die Drehung der betreffenden Welle auf eine Weise dem Federsystem zuführt, dass dieses gespannt wird, also Energie gespeichert wird. Dazu ist das Kopplungssystem bevorzugt mit einem Getriebe ausgestattet, welches zwei Gänge aufweist: einmal einen normalen Gang zur Übertragung der in dem Federsystem gespeicherten Energie an die Welle in Drehrichtung der Welle (Fahrmodus) und einmal einen Rückwärtsgang zur Übertragung der Rotationsenergie der Welle zur Spannung des Federsystems (Lademodus). Durch einen Hebel, der den Getriebemodus steuert, kann von dem Fahrer der Modus bestimmt werden. Auf diese Weise kann bei einer Bergabfahrt an Stelle eines Bremsvorganges das Federsystem aufgeladen werden und die auf diese Weise gespeicherte Energie für den nächsten Anstieg genutzt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Feder mit der Welle eines Generators mechanisch verbunden, der seinerseits dazu ausgelegt ist, einen Elektromotor mit Strom zu versorgen. Auf diese Weise kann ein handelsübliches E-Bike mit der Erfindung ausgestattet werden. Bei dieser Ausführungsform ist auch eine einfache Spannung der Feder ohne ein Getriebe möglich: Die Feder wird durch das Treten in die Pedale oder die Drehung der Räder gespannt, mechanisch von den Pedalen oder den Rädern getrennt, gleichzeitig blockiert und mit der Welle des Generators mechanisch verbunden, so dass die Welle des Generators bei Entspannung der Feder (nach Lösen der Blockierung) angetrieben wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung, insbesondere deren Kopplungseinheit, einen Freilauf, der dazu ausgelegt ist, bei einer kompletten Entspannung der Feder eine gegenläufige Spannung zu verhindern. Auf diese Weise wird das Fahrrad nach Entspannung der Feder, oder wenn es sich schneller bewegt als durch die Federkraft angetrieben, nicht durch die Vorrichtung gebremst, sondern rollt ohne Probleme weiter.
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Bevorzugt ist auch die Verwendung dieser Vorrichtung, um Rotationsenergie einer Windkraftanlage in Form mechanischer Arbeit zu speichern.
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Es ist dem Erfinder bewusst, dass die Energiedichte eines modernen Akkus (gespeicherte Energie pro Kilogramm Gewicht des Energieträgers) um ein Vielfaches größer ist als die Energiedichte einer Feder. Jedoch möchte die Erfindung sich nicht mit der Reichweite der herkömmlichen E-Bikes messen. Bei einem normalen Gebrauch eines Fahrrades sind besonders das Anfahren und die Bewältigung von Steigungen mit einer besonderen Kraftanstrengung verbunden, während eine gemütliche Geradeausfahrt, insbesondere im Stadtverkehr, die Regel darstellt. Die hier beschriebene Erfindung möchte die kurzen, temporär auftretenden Kraftspitzen für einen Fahrer reduzieren und allein diesbezüglich eine einfache, preisgünstige und obendrein leichte Alternative zu einem E-Bike darstellen.
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Ein Fahrrad, welches mit der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist, weist verglichen mit einem E-Bike geringere Herstellungskosten auf, da kein Akku notwendig ist, und eine sehr hohe Umweltverträglichkeit, da sowohl die Herstellung als auch die Entsorgung und auch der Fahrbetrieb keine außerordentliche Aufwendung von Energie oder die Handhabung mit Giftstoffen umfasst. Folglich entstehen im Vergleich mit einem E-Bike, dessen Akkus von Zeit zu Zeit entsorgt werden müssen, keine Entsorgungskosten. Zudem ist ein E-Bike aufgrund des Akkus, der für lange Reichweiten ausgelegt ist, in der Regel schwerer als ein mit der vorliegenden Erfindung ausgestattetes Fahrrad.
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Beispiele für bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Abbildungen dargestellt.
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1 zeigt schematisch ein Fahrrad, welches mit einer bevorzugten Ausführungsform ausgestattet ist.
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2 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform.
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3 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform.
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1 zeigt schematisch ein Fahrrad, welches mit einer bevorzugten Ausführungsform ausgestattet ist. Dargestellt ist die Feder 2, welche hier das Federsystem darstellt, und die in einer Weise angeordnet ist, dass sie die Welle 2 des Hinterrades des Fahrrades antreiben kann. Mittels eines Knopfes oder Hebels 3, der in dieser Darstellung am Lenker angebracht ist, kann die Kopplungseinheit gesteuert werden.
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2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform umfassend eine Feder 1, welche hier das Federsystem darstellt, eine von dieser Feder antreibbare Welle 2 und eine Kopplungseinheit 4 bestehend aus einem bewegbaren Kontaktstift. Die Feder 1 lässt sich zum Spannen unabhängig von der Welle bewegen. Soll die in der Feder gespeicherte Energie zur Bewegung der Welle verwendet werden, wird einfach der Kontaktstift 4 auf mechanische oder hydraulische Weise ausgefahren und greift nach einer kurzen Drehbewegung der Feder in die in der Zeichnung dargestellte Unwucht der Welle ein. Auf diese Weise wird die von der Feder ausgeübte Kraft auf die Welle übertragen und die Welle bewegt. Selbstverständlich sollte der Drehsinn der Feder mit der Drehrichtung der Welle bei einer normalen Fahrt übereinstimmen.
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3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform, bei der das Federsystem mehrere Federn 1 enthält, welche so angeordnet sind, dass sie alle gemeinsam auf eine Welle 2 wirken können. Über eine (nicht dargestellte) Verbindungsstruktur sind die Federn 1 parallel oder in Serie miteinander und mit der Kopplungseinheit 4 mechanisch verbunden, die ihrerseits dazu ausgelegt ist, eine schaltbare, mechanische Verbindung der Federn zur Welle herzustellen. Die Welle ist starr mit dem Rad 5 verbunden und treibt dieses mittels ihrer Drehung an. Die Kopplungseinheit 4 ist ebenfalls in der Lage, die Drehung der Pedale 8, welche über den Zahnkranz 7 und die Kette 6 an die Kopplungseinheit übertragen wird, entweder direkt an die Welle 2 weiterzugeben oder (bei rückläufigem Drehsinn) zur Spannung der Federn 1 an das Federsystem weiterzugeben.
