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Die Erfindung betrifft ein Pedal- oder manualbetriebenes Fahrzeug mit Zugmittelantrieb, vorzugsweise Zweirad mit Pedalantrieb, wobei mindestens zwei auf einer gemeinsamen in einem Fahrzeugrahmen gelagerten Achse zusammenwirkend angeordnete und mit Pedalhebeln bzw. Manualhebeln verbundene Zugmittelantriebsräder vorgesehen sind, die über das Zugmittel mit zwei jeweils mit den Zugmittelantriebsrädern korrespondierenden, auf einer Nabe eines angetriebenen Fahrzeugrads zusammenwirkend angeordneten Zugmittelabtriebsrädern in Form eines doppelten Zugmitteltriebs verbunden sind.
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Doppelseitige Zugmittelantriebe sind seit langem in verschiedenen Ausführungen insbesondere bei Fahrrädern bekannt. So offenbart bereits die
DE 50512 eine doppelte Antriebskette, bei der die Kettenräder mit verstellbaren Pedalen versehen sind.
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Die
US 528 145 offenbart ein Zweirad mit einem doppelten Kettenantrieb, welches elliptische Zahnräder d.h. elliptische Kettenräder und elliptische Ritzel aufweist, bei denen die Ellipsen bzw. deren lange und kurze Achsen/Durchmesser so angeordnet sind, dass eine bestmögliche Kraftübertragung erreicht wird.
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Die
US 4 398 740 offenbart ebenfalls ein Zweirad mit doppelten Kettenradantrieb, welcher eine besondere Befestigung des mit einem Freilauf versehenen Ritzels am Hinterrad aufweist.
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Die
US 5 533 741 offenbart ein Zweirad mit doppeltem Zugmittelantrieb/Kettenantrieb, welcher durch unterschiedliche Kupplungsmittel zur Vorwärts- und Rückwärtsfahrt geeignet ist.
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Auch die
US 8 602 434 B2 offenbart ein Zweirad mit doppeltem Kettenantrieb zur Vergleichmäßigung der Antriebskraft.
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Üblicherweise werden heutige Fahrräder mit einem einseitigen Antrieb hergestellt, in der Regel als Kettenantrieb. Natürlich hat diese Antriebsart dem Nachteil, dass ein besonders steifer Rahmen bereitgestellt werden muss, um mögliche Verwindungen durch den einseitigen Antrieb aufzufangen. Während dies beim üblicherweise verwendeten Hinterradantrieb, bei dem das Ritzel innerhalb der Hinterradgabel auf der Radnabe befestigt ist, weniger ins Gewicht fällt, ist dies beim vorderen Antriebsrad (Zahnrad) eher zu bemerken.
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Neuerdings und insbesondere bei elektrisch unterstützten Fahrrädern, den so genannten E-Bikes, sind auch Riemenantriebe als Zugmitteltrieben wieder gefragt, da hier bei hohem Drehmoment eine sehr weiche Kraftübertragung erfolgt und eine verschleiß- und wartungsarme Antriebsart bereitgestellt wird. Bei Riemenantrieben, d.h. bei Zahnriemenantrieben und vor allem bei Keilriemenantrieben ist aber zusätzlich noch eine entsprechend aufwendige Vorspannung der Riemen erforderlich, welche bei einseitigem Antrieb ebenfalls einseitig auf die Rahmenkonstruktion wirkt und die Verwindung begünstigt.
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Ein doppelseitiger Antrieb weist die Probleme der Verwindung nicht auf, jedoch benötigt er eine aufwändigere Konstruktion sowohl für die Antriebsräder (Pedalräder) im Rahmen als auch für das Hinterrad mit beidseitig angebrachten Ritzeln bzw. Abtriebsrädern. Auch ist insbesondere beim Riemenantrieb als doppelseitigem Antrieb eine entsprechend ausgestaltete beidseitige Spanneinrichtung für beidseitige Riemen erforderlich. Aber auch beidseitige Kettenräder müssen für den Synchronlauf gleichmäßig gespannt werden. Solche Spanneinrichtungen müssen auch ständig kontrolliert und gewartet werden.
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Für die Erfindung bestand also die Aufgabe, einen verschleiß- und wartungsarmen Antrieb bereitzustellen, der Verwindungen des Rahmens vermeidet, auch für hohe Antriebsleistungen bzw. Drehmomente von unterstützenden Elektromotoren geeignet ist und bei dem auf besonders aufwendige Spanneinrichtungen verzichtet werden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Dabei ist eine Spanneinrichtung vorgesehen ist, die eine jeweils auf Zugmittelantriebsräder und Zugmittelabtriebsräder entgegengesetzt wirkende Spannkraft erzeugt, welche abhängig vom Gewicht des Fahrers und/oder der Zuladung veränderbar ist. Zunächst wird durch die doppelseitige Ausführung des Antriebs vermieden, dass zu hohe Verwindungskräfte auf den Rahmen wirken. Dadurch, dass die Vorspannung abhängig vom Gewicht des Fahrers und/oder der Zuladung veränderbar ist, reicht eine relativ geringe Grundeinstellung der Vorspannung. Für den Stillstand, bzw. für den Zeitraum, in dem das Zweirad nicht in Betrieb ist, wird keine hohe Vorspannung benötigt, da hierbei keine Antriebskräfte zu übertragen. Durch eine solche Reduzierung der Vorspannung im „Nicht-Betrieb“ ergibt sich eine geringere Dauerbelastung von Zugmitteln und Rahmen und somit eine Verlängerung der Lebensdauer und eine größere Haltbarkeit.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass die Achswelle des angetriebenen Fahrzeugrads mit den auf dessen Nabe angeordneten Zugmittelabtriebsrädern in einer am Fahrzeugrahmen angelenkten Schwinge gelagert ist, wobei die Schwinge durch das Gewicht des Fahrers und/oder der Zuladung relativ zum Fahrzeugrahmen in Rahmenlängsrichtung verschwenkbar ist. Diese Verschwenkung, die zwar durch die Umschlingung mit den Zugmitteln nicht sichtbar/merkbar ist, erfolgt unter tendenzieller Veränderung des Abstandes zwischen Zugmittelantriebsrädern und Zugmittelabtriebsrädern. Durch eine solche Anordnung ergibt sich eine sehr einfache und wenig aufwändige Konstruktion für ein Zweirad, bei gleichzeitiger effektiver Steigerung der Spannkraft durch die Ausnutzung von Hebelverhältnissen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass der Zugmittelantrieb als Riementrieb, die Zugmittelantriebsräder als Antriebsriemenscheiben und die Zugmittelabtriebsräder als Abtriebsriemenscheiben ausgebildet sind. Riementriebe können in vielfacher Ausfertigung ausgebildet sein, zum Beispiel als Keilriemen oder Vielkeilriemen und sind sehr einfach auf die unterschiedlichsten Anforderungen und Drehmomente auslegbar.
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Insbesondere in einer vorteilhaften Ausbildung, die darin besteht, dass der Zugmittelantrieb als Zahnriementrieb ausgebildet ist, können sehr hohe Antriebskräfte übertragen werden. Gleiches gilt für eine weitere vorteilhafte Ausbildung, die darin besteht, dass der Zugmittelantrieb als Kettentrieb, die Zugmittelantriebsräder als Kettenräder und die Zugmittelabtriebsräder als Ritzel ausgebildet sind.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung für Zahnriementriebe oder Kettentriebe besteht darin, dass eines der auf der Achse zusammenwirkend angeordneten Zugmittelantriebsräder zu dem anderen Zugmittelantriebsrad um vorzugsweise eine halbe Zahnteilung bzw. Kettenteilung verdreht befestigt ist.
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Dadurch verringert sich deutlich der so genannte Polygon-Effekt, der auftritt, wenn ein als Kette oder Zahnriemen ausgebildetes Zugmittel verwendet wird und formschlüssig in Antriebsrad und Abtriebsrad eingreift. Durch die endliche Teilung von Kette oder Zahnriemen läuft das Zugmittel nämlich nicht völlig kreisrund auf den jeweiligen Rädern. Bedingt durch die Teilung kommt es zu einer Vielzahl von kleinen „Abwinklungen“ beim kämmenden Eingriff, näherungsweise durch ein der Teilung entsprechendes Polygon beschrieben.
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Anstelle des als „rund“ vorgestellten Antriebsrads/Abtriebsrad entsteht somit in Wirklichkeit ein drehendes Polygon mit entsprechend vielen Sehnen. Damit entstehen auch unterschiedliche wirksame Eingriffsradien beim Einlauf des Zugmittels in die Teilung der Ketten- oder Zahnräder und in der Folge unterschiedliche und periodisch schwankende Winkelgeschwindigkeiten. Die Geschwindigkeit des Zugmittels schwankt dann auch periodisch um eine mittlere Geschwindigkeit. Dadurch kommt es zu Erregungen des Zugmittels in Längs- und Querrichtung des Zugmittels, die zu den als „Polygoneffekt“ bekannten unerwünschten Schwingungen führen können. Insbesondere bei Hubgeschirren an Kränen mit Kettenantrieben können solche Schwingungen im Extrem zur sogenannten Resonanzkatastrophe und damit meist zum Materialbruch führen. Aber auch Nockenwellensteuerung mit Ketten in Kraftfahrzeugmotoren müssen dementsprechend genau ausgelegt und berechnet werden.
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Während bei pedalbetriebenen bzw. muskelbetriebenen Fahrzeugen mit Ketten- oder Riemenantrieb der Polygoneffekt kaum merkbar ist, sind die Verhältnisse bei einem Hilfsantrieb, wie ihn zum Beispiel E-Bikes aufweisen, durchaus nicht zu vernachlässigen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die auf der Achse zusammenwirkend angeordneten Zugmittelantriebsräder und/oder die auf der Nabe eines angetriebenen Fahrzeugrads zusammenwirkend angeordneten Zugmittelabtriebsräder jeweils zueinander drehfedernd befestigt sind. Dadurch wird ein sehr einfacher Kraftausgleich bzw. Momentenausgleich zwischen den beiden Antrieben möglich.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass die Spannkraft zusätzlich durch eine von einem Federspeicher aufgebrachte Kraft veränderbar ist oder aufrechterhalten wird. Damit ist auf einfache Weise dafür gesorgt, dass eine Mindest-Vorspannung erhalten bleibt, also auch z.B. bei Stillstand an der Kreuzung oder dann, wenn das Fahrzeug nicht in Betrieb ist. Ebenfalls kann dadurch die durch die Gewichtskraft aufgebrachte Vorspannkraft verstärkt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung besteht darin, dass das Hinterrad als angetriebenes Fahrzeugrad ausgebildet und in einer am Fahrzeugrahmen angelenkten Schwinge gelagert ist, wobei der Anlenkpunkt bzw. Schwenkpunkt der Hinterradschwinge im Rahmen so angeordnet ist, das die Schwinge durch die Gewichtsbelastung/Sattelkraft vom Rahmen weggeschwenkt wird. Dies ist insbesondere für Zweiräder eine sehr einfache Konstruktion, da lediglich die Hinterradschwinge gelenkig am Rahmen gelagert werden muss.
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Gleiches gilt für eine weitere vorteilhafte Ausbildung, die darin besteht, dass das Hinterrad als angetriebenes Fahrzeugrad ausgebildet und die Hinterradschwinge elastisch so am Rahmen gelagert ist, das durch die Gewichtsbelastung/Sattelkraft die Schwinge elastisch vom Rahmen gespreizt wird. Hier ist kein Gelenk vonnöten, durch dass die Hinterachsschwinge am Rahmen gehalten ist, sondern lediglich ein elastischer Werkstoff, aus dem die Hinterradschwinge besteht und der ihr die Fähigkeiten verleiht, unterhalb der Elastizitätsgrenze federnd in die Vorspannung zu schwingen.
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Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen
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1 Ein erfindungsgemäßes pedalbetriebenes Zweirad,
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2 den doppelten Antrieb des in der 1 dargestellten erfindungsgemäßen Fahrzeugs im Detail,
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3 Teile eines erfindungsgemäßen Zweirads mit einer anderen Ausführungsform einer Hinterradschwinge,
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4 als Prinzipskizze das Konstruktionsprinzip einer weiteren Ausführung eines erfindungsgemäßen Zweirads.
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Die 1 und 2 zeigen in der Zusammenschau pedalbetriebenes Fahrzeug, nämlich ein Fahrrad 1 mit einem als Zahnriementrieb ausgebildeten Zugmittelantrieb. Das Fahrrad 1 weist zwei auf einer gemeinsamen in einem Fahrzeugrahmen 2 gelagerten Achse zusammenwirkend angeordnete und mit Pedalhebeln 3, 4 verbundene Antriebsscheiben auf, nämlich Zahnriemenscheiben 5, 6. Die Zahnriemenscheiben 5, 6 sind über die Zahnriemen 7, 8 mit zwei jeweils mit den Antriebsscheiben korrespondierenden, auf der Nabe des angetriebenen Hinterrades 20 zusammenwirkend angeordneten ebenfalls als Zahnriemenscheiben 9, 10 ausgebildeten Abtriebsscheiben verbunden und bilden so einen doppelten Zahnriementrieb.
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Die hier vorgesehene Spanneinrichtung erzeugt abhängig vom Gewicht des Fahrers und/oder der Zuladung eine jeweils auf vorderen und hinteren Zahnriemenscheiben entgegengesetzt wirkende Spannkraft dadurch, dass die Achswelle des angetriebenen Hinterrads in einer am Fahrzeugrahmen angelenkten Schwinge 11 gelagert ist. Dabei ist die Schwinge 11 durch das Gewicht des Fahrers und/oder der Zuladung, d.h. durch mindestens einen Teil der Spannkraft relativ zum Fahrzeugrahmen verschwenkbar, nämlich unter tendenzieller Veränderung des Abstand zwischen Antriebsbszahnscheibe 5, 6 im Rahmen bzw. am Tretlager und Abtriebszahnscheibe 9, 10 auf der Nabe des Hinterrads in Rahmenlängsrichtung. Im Betrieb ist natürlich keine tatsächliche Verschiebung sichtbar, da der Zahnriemen auch bei Erhöhung der Spannkraft nicht so weit dehnbar ist, als dass tatsächlich eine Verschiebung mit dem bloßen Auge bemerkbar wäre.
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Die Hinterradschwinge 11 ist am Anlenkpunkt 12 am Fahrzeugrahmen 2 angelenkt. Der Anlenkpunkt 12 bzw. Schwenkpunkt der Hinterradschwinge ist im Rahmen so angeordnet ist, dass die Schwinge durch die Gewichtsbelastung/Sattelkraft vom Rahmen weggeschwenkt wird.
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Die auf der Achse des Tretlagers zusammenwirkend angeordneten Antriebsscheiben 5, 6 sind zueinander um eine halbe Zahnteilung verdreht angebracht, so dass ein Polygoneffekt minimiert wird. Außerdem sind die beiden Antriebsscheiben 5, 6 über einen Gummizwischenring mit der Achse verbunden und dadurch zueinander drehfedernd befestigt.
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3 zeigt Teile eines Fahrrad mit einer andere Ausführungsform einer Hinterradschwinge 13, bei dem letztere eine an der Schwinge ebenfalls angreifende Blattfeder 14 aufweist, durch die die Spannkraft zusätzlich veränderbar ist bzw. als Mindestvorspannungskraft aufrechterhalten wird.
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Die Hinterradschwinge 13 ist am Anlenkpunkt 15 am Fahrzeugrahmen 2 angelenkt. Der Anlenkpunkt 15 bzw. Schwenkpunkt der Hinterradschwinge ist im Rahmen so angeordnet ist, dass die Schwinge 13 durch die Gewichtsbelastung/Sattelkraft als auch durch die Rückstellkraft der Blattfeder 14 vom Rahmen weggeschwenkt wird.
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4 zeigt lediglich als Prinzipskizze das erfindungswesentliche Konstruktionsprinzip einer anderen Ausführung eines Zweirads, bei dem das Hinterrad 16 in einer aus einem elastisch federnden Werkstoff aufgebauten die Hinterradschwinge 17 so gelagert ist, das durch die Gewichtsbelastung/Sattelkraft die Schwinge elastisch vom Rahmen gespreizt wird und dadurch die auf die Antriebs- und Abtriebsscheiben 18, 19 gegensätzlich wirkende Vorspannkraft Fv aufgebracht wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrrad
- 2
- Fahrzeugrahmen
- 3
- Pedalhebel
- 4
- Pedalhebel
- 5
- Antriebsscheibe / Zahnriemenscheibe
- 6
- Antriebsscheibe / Zahnriemenscheibe
- 7
- Zahnriemen
- 8
- Zahnriemen
- 9
- Abtriebsscheibe / Zahnriemenscheibe
- 10
- Abtriebsscheibe / Zahnriemenscheibe
- 11
- Hinterradschwinge
- 12
- Anlenkpunkt der Hinterradschwinge 11
- 13
- Hinterradschwinge
- 14
- Blattfeder
- 15
- Anlenkpunkt der Hinterradschwinge 13
- 16
- Hinterrad
- 17
- Hinterradschwinge
- 18
- Antriebsscheibe
- 19
- Abtriebsscheibe
- 20
- Hinterrad
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 50512 [0002]
- US 528145 [0003]
- US 4398740 [0004]
- US 5533741 [0005]
- US 8602434 B2 [0006]
