DE102019005388B4

DE102019005388B4 - Antriebseinheit für Fahrräder und Fitnessgeräte

Info

Publication number: DE102019005388B4
Application number: DE102019005388.5A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-07-30
Filing date: 2019-07-30
Publication date: 2021-09-09
Anticipated expiration: 2039-07-31
Also published as: DE102019005388A1

Abstract

Antriebseinheit für herkömmliche, einen Pedalkurbelantrieb aufweisende Fahrräder und Fitnessgeräte, mit der zusätzliche Antriebsmomente über eine Oberkörperhalterung (22) sowohl bei vorwärts- als auch bei rückwärtsgerichteten Pendelbewegungen durch Zug und Druck beim Heben und Senken des Oberkörpers unabhängig von den sich bedarfsweise überlagernden Bewegungen des Pedalkurbelantriebs auf ein Laufrad, den Pedalkurbelantrieb, eine Gangschaltung oder eine Schwungscheibe übertragen werden können, dadurch gekennzeichnet, dass:• die Weiterleitung der zusätzlichen durch Rumpf- und Armmuskulatur bewirkten Antriebsmomente über eine an der Oberkörperhalterung (22) zu befestigende stabförmige Übertragungsvorrichtung (10) erfolgt und• die Übertragungsvorrichtung (10) zur bedarfsweisen Nutzung und zur Entkopplung der Oberkörperhalterung (22) über einen Schnellschlussmechanismus (23) teil- und trennbar ausgeführt wird.

Description

Stand der Technik
Fahrräder und Fitnessgeräte nach dem Stand der Technik werden gewöhnlich durch Kurbelbewegungen der Beine angetrieben, bei denen das aufgebrachte Trittmoment über den Pedalkurbelantrieb auf eine im Rahmen gelagerte Tretkurbelwelle übertragen wird.
Elektrische Hilfsantriebe verstärken dabei bei Fahrrädern die Antriebsleistung bzw. entlasten den Benutzer. Bei solchen Fahrrädern wird das über die Tretkurbelwelle aufgebrachte Antriebsmoment in der Regel über Ketten-, Riemen-, Reibrad oder Wellengetriebe auf das hintere Laufrad übertragen und so die Vorwärtsbewegung bewirkt. Fitnessgeräte übertragen das gleichermaßen aufgebrachte Drehmoment direkt oder indirekt auf mehr oder weniger abgebremste Schwungscheiben oder Rollen.
Um bei Fahrrädern mit der beabsichtigten Trittfrequenz bzw. der über den Elektromotor eingebrachten Zusatzleistung die Fahrtgeschwindigkeit regeln zu können, werden oftmals innen- oder außenliegende Gangschaltungen vorzugsweise an der Hinterradnabe verwendet. Bei Fitnessgeräten werden Drehmoment und Trittfrequenz hingegen üblicherweise über die Vorwahl des Widerstandsmomentes der abgebremsten Schwungscheibe bzw. Rollen geregelt.
Diese beschriebene herkömmliche Antriebsmethode hat den Nachteil, dass der mehr oder weniger statisch gehaltene Oberkörper bei der Benutzung keinen Beitrag zur Fortbewegung leistet bzw. in das Training eingebunden ist.
Neben den beschriebenen herkömmlichen Antrieben für Fahrräder und Fitnessgeräte gibt es veröffentlichte Vorschläge und Schutzansprüche für zusätzliche Antriebseinrichtungen, die insbesondere durch Unterstützung der Arme charakterisiert sind. Für Fahrräder und Fitnessgeräte wurden Antriebsmechanismen vorgestellt, bei denen ein zusätzliches Antriebsmoment durch kurbelnde Armbewegungen entweder auf das vordere Laufrad oder auf die Tretkurbel übertragen wird (vgl. bspw. CH 18 019 A , DE 46 996 A , DE 116 346 A , US 2 390 719 A , DE 196 12 632 C2 , WO 85/ 01 712 A1 ). Zudem gab es Vorschläge, bei denen durch schwenk- oder pendelbare Lenkerstützen mittels Zug- oder Schubbewegungen der Arme ein zusätzliches Antriebsmoment bereitgestellt wurde (vgl. bspw. DE 15 78 547 A , GB 2 194 456 A , DE 86 026 A , DE 29 13 912 A1 , DE 10 2007 063 114 A1 , DE 10 2008 021 253 A1 , US 4 188 030 A ). Darüber hinaus ist für Fahrräder in KR 10 1 312 969 B1 ein Antrieb vorgestellt, der lediglich Zugbewegungen des Oberkörpers nutzt, wohingegen in WO 2014/ 189 214 A1 ein Mechanismus beschrieben wurde, der lediglich Druckbewegungen des Oberkörpers in ein zusätzliches Antriebsmoment wandelt. Des Weiteren gibt es alternative Antriebsvarianten zu den herkömmlichen Fahrradkurbelantrieben, bei denen der Sitz beweglich angeordnet ist und bei denen die Bewegung des Benutzers teilweise an eine Ruderbewegung erinnert (vgl. bspw. US 5 732 963 A , US 2012 / 0 061 938 A1 , DE 647 394 A , DE 10 23 986 B , DE 24 36 774 A1 , DE 203 09 023 U1 , DE 88 425 A , DE 39 41 768 C1 nicht fahrradtypisch]). Außerdem gab es Erfindungen, bei denen die vorgenannten Antriebsmechanismen kombiniert eingesetzt werden sollen (vgl. bspw. DE 198 29 750 C2 ) und auch alternative Fahrradantriebe, die das Crosstrainer - Prinzip beschrieben haben (vgl. bspw. DE 10 2012 002 449 A1 ). Diese zusätzlichen Antriebsmechanismen haben sich in der Praxis noch nicht oder nur sehr untergeordnet neben den herkömmlichen Antrieben durchgesetzt. Gründe dafür sind unter anderem bei Fahrrädern die Herabsetzung der Verkehrssicherheit durch die nicht mehr sichere Lenkerhaltung bzw. nicht arretierte Sättel, die zu der Bein- vergleichsweise nur geringe Armmuskulatur und ergonomische Nachteile.
Mit den zuvor beschriebenen herkömmlichen und zusätzlichen Antrieben geht für Fachleute klar hervor, dass es einen Bedarf für eine bessere Einbindung des gesamten Oberkörpers mit möglichst vielen in Kombination wirkenden Muskelgruppen für die Nutzung von Fahrrädern und Fitnessgeräten gibt. Für eine optimalere Fortbewegung und ein besseres und ausgewogeneres Training ist deshalb die Nutzung der Oberkörpermuskulatur u.a. mit Arm-, Bauch-, Brust- und Rückenmuskulatur anzustreben. Die Erfindung stellt eine Lösung zur Überwindung der beschriebenen Mängel der veröffentlichten Zusatz- bzw. Alternativantriebe dar und ist für Fahrräder und Fitnessgeräte geeignet. Die nachfolgend genannten Aufgaben, Besonderheiten und Merkmale der Erfindung sind für Fachleute mit der Beschreibung, den beiliegenden Zeichnungen einschließlich der Ausführungsbeispiele und den Ansprüchen klar offenbart.
Durch die Erfindung zu lösendes Problem
Aufgabe der Erfindung ist es, eine zusätzliche Antriebseinheit für Fahrräder und Fitnessgeräte bereitzustellen, mit dem die durch rotierende Kurbelbewegungen der Beine gekennzeichnete herkömmliche Antriebsmethode des Benutzers durch zusätzlich wirkende Antriebsmomente des Oberkörpers beim Heben und Senken unterstützt bzw. entlastet wird. Durch die Einbindung zahlreicher Muskelgruppen des Oberkörpers wird ein körperlich ausgewogeneres Fahren bzw. Training möglich. Dadurch kann ein schnelleres Fahren, ein intensiveres Training bzw. die Entlastung der Beinmuskulatur und/oder ein energiesparenderer Modus von elektrischen Hilfsantrieben erreicht werden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Verkehrssicherheit mittels eines wie bei herkömmlichen Fahrrädern üblichen Festhaltens des vertikal arretierten Lenkers (3) sowie des vertikal und horizontal festgestellten Sattels zu gewährleisten.
Schließlich soll die Erfindung bei neuen Fahrrädern und Fitnessgeräten zumindest teilweise integriert Anwendung finden oder an vorhandenen Fahrrädern und Fitnessgeräten nachgerüstet werden können.
Ferner soll die zusätzliche Antriebseinheit nach Bedarf optional nutzbar und das Verhältnis der Trittfrequenz der Beine und der Pendelfrequenz des Oberkörpers nach Bedarf synchronisierbar sein.
Mittel zur Lösung der Aufgabe
Um die zuvor beschriebenen Aufgaben erreichen zu können, wird durch die Erfindung eine zusätzliche Antriebseinheit bereitgestellt, mit der die vor- und rückwärtsgerichtete (= längsgerichtete) Pendelbewegung des Oberkörpers in ein zusätzliches Antriebsmoment umgewandelt wird. Dieses zusätzliche Antriebsmoment kann bei Fahrrädern oder fahrradtypischen Fitnessgeräten wahlweise auf Bauteile wie das vordere oder das hintere Laufrad, auf Gangschaltungen bzw. auf den Pedalkurbelantrieb gemäß 1 und 2 übertragen werden. Bei fahrradähnlichen Fitnessgeräten kann die Übertragung äquivalent auf die per Tretkurbel angetriebene Schwungscheibe oder eine separate Schwungscheibe erfolgen. Bei allen Ausführungsformen ist eine direkte Übertragung auf die anzutreibenden Bauteile oder eine Weiterleitung mit Zwischenübersetzung in Verbindung mit optionaler Drehzahländerung möglich. Die zusätzliche Antriebseinheit wird vorzugsweise durch Integration mindestens eines Freilaufgesperres (20, 21) optional nutzbar, wobei sowohl die Pendelfrequenz des Oberkörpers als auch die Intensität des Oberkörpereinsatzes vom Benutzer beliebig gewählt werden können. Dies erfolgt durch die Übertragung des Antriebsmomentes mittels eines Gesperres bzw. einer Hemmung in eine Drehrichtung, wobei eine gegenläufige Drehung bzw. Nichtbenutzung durch den Freilauf ermöglicht wird. Dabei ist die Synchronisierung einer schnelleren Trittfrequenz der Beine und der langsameren Pendelfrequenz des Oberkörpers wegen der in der Regel stärker ausgebildeten Beinmuskulatur sinnvoll. Mit regelmäßigem Training und Verbesserung der Oberkörpermuskulatur können Oberkörperpendel- und Trittfrequenz der Beine und das zusätzliche Antriebsmoment individuell angepasst werden.
Zur Übertragung des zusätzlichen Antriebsmoments wird der Oberkörper des Benutzers über eine Oberkörperhalterung (22) gemäß 3 in geeigneter Weise lös- und trennbar mit einer Übertragungsvorrichtung (10) verbunden. Dafür können Gurte, Ringe, Bügel, Haken, Schlaufen und Dergleichen, eine Kombination der genannten Elemente oder vergleichbare Halterungen verwendet werden. Die in 3 dargestellten Halterungen sind nur beispielhaft zur Verdeutlichung des Prinzips und der Vielfältigkeit und nicht zur abschließenden Aufzählung bestimmt. Diese Verbindungen können direkt an Körperteilen des Benutzers durch Ein- oder Überhängen, durch Festzurren, Arretieren oder indirekt durch Verbindungen an der Kleidung, an Rucksäcken, an Helmen oder Ähnlichem erfolgen. Die Oberkörperhalterung (22) kann bei Nichtbenutzung insbesondere bei Fahrrädern in einer Box bzw. in einer Tasche am oder im Fahrrad verstaut und verwahrt werden, so dass sie bei Nichtbenutzung nicht stört und bei Wiederbenutzung überall verfügbar ist.
Bei der beschriebenen Übertragungsvorrichtung (10) ist es vorteilhaft, diese über den beispielhaft in 4 dargestellten Schnellschlussmechanismus (23) zu teilen, die an jeder Stelle der Übertragungseinheit angeordnet werden kann. Dadurch kann die Übertragungsvorrichtung bei Nichtbenutzung schnell getrennt und die Bewegungsfreiheit des Oberkörpers beim Absteigen von Fahrrädern oder Anhalten und Aufrichten des Oberkörpers erhalten bleiben. Dabei ist es vorteilhaft, wenn diese Schnellschlussverbindung nach Öffnung über ein elastisches Verbindungselement (24) durch eine Führung und/oder Magnete einfach wieder verschlossen werden kann.
Die folgenden erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele und Beschreibungen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen sind bei der Umsetzung nicht auf die in dieser Schrift erklärten Formen beschränkt. Die erfindungsgemäße Antriebseinheit kann somit ähnliche Formen und Abwandlungen mit äquivalenter Gestaltung annehmen, die den unten formulierten Ansprüchen entsprechen.
Ausführungsbeispiele
Durch die Kopplung der Oberkörperbewegungen mit der Übertragungsvorrichtung (10) gemäß 1 und 2 können sowohl die vor- als auch die rückwärtsgerichteten Pendelbewegungen des Oberkörpers zusätzliche Antriebsmomente bewirken. Dadurch ist die Pendelbewegung des Oberkörpers noch besser an die herkömmliche Trittfrequenz der Beine anpassbar, so dass die sich überlagernden Bewegungen der Beine und des Oberkörpers noch harmonischer aufeinander abgestimmt werden können.
Die Übertragungsvorrichtung (10) transferiert das vom Oberkörper aufgebrachte Antriebsmoment beispielsweise über eine Zusatzkurbel (13) bzw. einen Excenterantrieb vorzugsweise auf den Pedalkurbelantrieb, Bauteile von Gangschaltungen bzw. alternativ auf eines der Laufräder (4,5). Der Hub und Zug des Oberkörpers kann unter anderem durch die wirksame Länge der Zusatzkurbel (13) bzw. des Excenterantriebs beeinflusst werden. Bei Übertragung des Antriebsmomentes ist eine Übersetzung mit Drehzahlanpassung möglich. Die Zusatzkurbel sollte gebogen sein, um die Totpunkte besser überwinden zu können. Mindestens ein Freilaufgesperre (20) sollte die mechanische Entkopplung der Bein- und Oberkörperbewegungen zulassen, so dass die erfindungsgemäße Antriebseinheit optional und individuell genutzt werden kann. Neben Ausführungsformen mit optionaler Benutzung durch mindestens ein Freilaufgesperre ist auch insbesondere an Fitnessgeräten die Benutzung des zusätzlichen Oberkörperantriebes in fester oder einstellbarer Abhängigkeit zur Trittfrequenz der Beine mechanisch realisierbar. In diesen Fällen ist es vorteilhaft, den zusätzlichen Oberkörperantrieb zu- und abschaltbar auszuführen.
Ein zweites Freilaufgesperre (21) in 1 kann zudem als Rückdrehsperre die Rotationsrichtung der Zusatzkurbel vorgeben. Freilaufgesperre (20, 21) sind konstruktiv über viele Ausführungsvarianten realisierbar, so dass die in Fig:1 und 2 dargestellten Formen nur die Wirkungsweise verdeutlichen sollen.
Die Führung der Übertragungsvorrichtung (10) ist gleichfalls in Abhängigkeit der Wahl des angetriebenen Bauteils konstruktiv anzupassen.
Bei neuen Fahrrädern oder Fitnessgeräten kann die Übertragung des zusätzlichen Antriebsmoments vorzugsweise gemäß 1 über Wellen (16) bzw. Kardanwellen, Stirnräder und Ritzel im Grundrahmen (1) zumindest teilweise integriert und beispielsweise auf die Tretkurbelwelle (17) oder andere Bestandteile des Pedalkurbelantriebes übertragen werden. Es ist vorteilhaft, wenn sich dabei der Grundrahmen (1) zur Wartung der integrierten Übertragungsbauteile öffnen lässt. Die in 1 dargestellte Übertragung des zusätzlichen Antriebsmoments im Grundrahmen auf die Tretkurbelwelle (17) ist zur Veranschaulichung gedacht und kann auch in funktional äquivalenter Weise erfolgen.
Bei Nachrüstung des Oberkörperantriebes an Fahrrädern oder Fitnessgeräten ist die Übertragung des über die Zusatzkurbel wirkenden Drehmoments vorzugsweise über geeignete am Grundrahmen (1) zu befestigende außenliegende Übersetzungsmechanismen zu realisieren. In 2 ist dafür beispielhaft ein Riemenantrieb vorgeschlagen, der die grundlegende Funktionsweise vermittelt. Es sind auch andere Übertragungsmechanismen wie schaltbare Zahn-, Kettenrad- und Reibradgetriebe, Kegelradübersetzungen, Wellen- oder Kardanwellen sowie hydraulische Übertragungen oder auch Übertragungsmechanismen ohne Zusatzkurbel anwendbar, die das Zusatzmoment auf die anzutreibenden Bauteile übertragen.
Es ist für die zu verwendende Übertragungsvorrichtung (10) vorteilhaft, wenn diese über einen Abklapp- oder Trennmechanismus verfügt oder ausziehbar ist, damit sie bei Nichtbenutzung nicht stört. Um Verletzungen durch die Übertragungsvorrichtung (10) zu vermeiden und den Anschubdruck am Oberkörper besser zu verteilen, ist diese vorzugsweise begrenzt biegsam und an dem am Oberkörper liegenden Ende mit einer breiten Auflagefläche auszuführen.
Ausführungsbeispiel für fahrradähnliche Fitnessgeräte
Bei Verwendung einer Übertragungsvorrichtung (10).für fahrradähnliche Fitnessgeräte - sprich Fahrrad-Ergometer - kann der Transfer des über den Oberkörper aufgebrachten Zusatzmoments beim Heben und Senken in äquivalenter Weise entweder auf den Pedalkurbelantrieb, die per Tretkurbel angetriebene Schwungscheibe oder auf eine separate Schwungscheibe bzw. ein äquivalentes Widerstandselement erfolgen.
Ansonsten sind die in den oben beschrieben Ausführungsbeispielen erfolgten Erläuterungen sinngemäß auch für fahrradähnliche Fitnessgeräte gültig.
Figurenliste
Anwendungsbeispiele der zusätzlichen Antriebseinheit (durch Heben und Senken des Oberkörpers):

1 - mit Übertragung auf die Tretkurbel (innenliegend)
2 - mit Übertragung auf die Tretkurbel (außenliegend) beispielhafte Ausführung der Oberkörperhalterung und Übertragungsvorrichtung:
3 - Prinzipdarstellungen von Oberkörperhalterungen
4 - trennbare Übertragungsvorrichtung mit elastischer Verbindungshaltung

Bezugszeichenliste

1: Grundrahmen
2: Sattel
3: Lenker
4: hinteres Laufrad
5: vorderes Laufrad
6: Kettenrad als Bestandteil des Pedalkurbelantriebes
7: Tretkurbelarm und Pedale als Bestandteil des Pedalkurbelantriebes
8: außenliegende Gangschaltung, sinn- und anwendungsgleich auch für Naben- und Tretlagerschaltungen
9: Benutzer
10: Übertragungsvorrichtung
11: entfällt
12: Zusatzkurbelrad
13: Zusatzkurbel
14: Zusatzriemen
15: Stirnräder
16: Welle
17: Tretkurbelwelle als Bestandteil des Pedalkurbelantriebes
18: entfällt
19: entfällt
20: Freilaufgesperre
20a: Hemmung
20b: Zahnkranz
21: Freilaufgesperre
21a: Hemmung
21b: Zahnkranz
22: Oberkörperhalterung
23: Schnellschlussmechanismus
24: elastisches Verbindungselement sinn- und funktionsgleich auch für Lösungen mit Magneten

Claims

Antriebseinheit für herkömmliche, einen Pedalkurbelantrieb aufweisende Fahrräder und Fitnessgeräte, mit der zusätzliche Antriebsmomente über eine Oberkörperhalterung (22) sowohl bei vorwärts- als auch bei rückwärtsgerichteten Pendelbewegungen durch Zug und Druck beim Heben und Senken des Oberkörpers unabhängig von den sich bedarfsweise überlagernden Bewegungen des Pedalkurbelantriebs auf ein Laufrad, den Pedalkurbelantrieb, eine Gangschaltung oder eine Schwungscheibe übertragen werden können, dadurch gekennzeichnet, dass: • die Weiterleitung der zusätzlichen durch Rumpf- und Armmuskulatur bewirkten Antriebsmomente über eine an der Oberkörperhalterung (22) zu befestigende stabförmige Übertragungsvorrichtung (10) erfolgt und • die Übertragungsvorrichtung (10) zur bedarfsweisen Nutzung und zur Entkopplung der Oberkörperhalterung (22) über einen Schnellschlussmechanismus (23) teil- und trennbar ausgeführt wird.