DE102022000127A1

DE102022000127A1 - Effektives handbetriebenes zusätzliches Antriebssystem für muskelbetriebene Fahrzeuge

Info

Publication number: DE102022000127A1
Application number: DE102022000127.6A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-01-14
Filing date: 2022-01-14
Publication date: 2023-07-20

Abstract

Die Erfindung beinhaltet ein effektives, handbetriebenes, zusätzliches Antriebssystem für drei- oder vierrädrige Fahrräder mit herkömmlichem Pedalantrieb (6) durch die Beine des Fahrers (1). Der Fahrer (1) sitzt auf einem Sitz (2) montiert an das Fahrgestell (5) des Fahrzeugs. Im Falle eines dreirädrigen Fahrrads weist das Fahrzeug z.B. ein gelenktes Rad an der Vorderachse (4) sowie zwei angetriebene Räder (3) an der Hinterachse auf. Das Fahrzeug wird primär durch Fußantrieb über Pedale (6) vom Fahrer angetrieben. Das Fahrzeug weist zwei Handhebel (7) auf, die vom Fahrer sowohl in und entgegen der Fahrtrichtung (8) zum Zweck des Zusatzantriebs als auch quer zur Fahrtrichtung (9) zum Lenken des Fahrzeugs eingesetzt werden. Der Handantrieb kann wahlweise zusätzlich zum Pedalantrieb eingesetzt werden.Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit, die die nahezu linearen Vor- und Rückwärtsbewegungen beider Arme ohne Verluste, wie sie z.B. typisch für Kurbelantriebe sind, in eine Drehbewegung effektiv einkoppelt, die zusammen mit dem Fußantriebssystem auf die Hinterachse wirkt. Die Erfindung kann außerdem auch in muskelbetriebenen Booten oder Flugzeugen eingesetzt werden. Durch den zusätzlichen Einsatz der Armstreck- und Beugungsmuskeln des Fahrers wird die zum Fahren des Fahrzeugs notwendige Leistung über mehr einzelne Muskeln erbracht, was sich besonders bei kurzen Steigungen oder langen Fahrstrecken positiv bemerkbar macht.

Description

Die Erfindung beinhaltet ein zusätzliches Handantriebssystem für muskelbetriebene Fahrzeuge vorzugsweise für Liegeräder mit drei oder vier Rädern, die primär mit einem bekannten Fußpedalantrieb eines Fahrrads angetrieben werden.
Stand der Technik
Die Geschichte des Fahrrads beginnt mit einfachen Laufrädern aus Holz und Stahl, bei denen der Fahrer auf dem Sattel des Fahrrads saß, und mit seinen Füßen sich am Boden samt Fahrzeug zum Zweck des Antriebs abgestoßen hat. Solche Laufräder erfreuen sich noch heute als Lernräder für kleine Kinder (oft wieder in Holzbauweise wie zu Beginn) großer Beliebtheit. Mitte des 19. Jahrhunderte folgten die Hochräder mit direktem Fußantrieb des Vorderrads über Pedale angebracht an der Vorderradachse und einem lenkbaren Hinterrad. Aufgrund der 1:1 Übersetzung von Pedalen zu Vorderrad waren die Vorderräder bis über 2 Meter im Durchmesser, um akzeptable Geschwindigkeiten zu erreichen. Zwischen 1850 und 1900 wurden auf Basis dieser Hochradkonstruktionen auch drei- und vierrädrige Hochräder erfunden und gebaut. Vermutlich wurden dabei auch diverse alternative Antriebsmöglichkeiten auf der Basis von Hebeln und Kurbelantrieben ausprobiert.
Mit Beginn des 20. Jahrhunderts etwa kristallisiert sich das heutige Fahrrad in seiner Form mit zwei gleichgroßen Rädern mit Luftgummibereifung heraus, wobei das Vorderrad gelenkt wird und das Hinterrad über Fußpedale am Rahmen und eine Zahnkette laufend über zwei Kettenrädern mit unterschiedlicher Zähnezahl angetrieben wird. Mit Raddurchmessern von 1 Meter und kleiner und Übersetzungeverhältnissen des Kettenantriebs von 1 : 4 bis 1 : 3 wurden Geschwindigkeiten über 25 km/h für jeden Radfahrer möglich. Diese klassische Fahrradform hat sich bis heute bewährt und erhalten. Hinzu kamen noch Schaltgetriebe mit Umwerfen der Kette sowohl an der Pedalachse als auch am Hinterrad (z.B. typische heutige Mountainbikeschaltung mit 3 x 9 Gängen) oder mit Ändern des Übersetzungeverhältnisses durch schaltbare Planetengetriebe in der Hinterradnabe (z.B. Spitzenmodell 14 Gang Nabenschaltung der Fa. Rohloff).
Die Art eines optimalen menschlichen Muskelantriebs hat sich dabei in den letzten ca. 100 Jahren in der dazugehörigen Form herausgebildet mit wechselseitigem Herabtreten der Beine auf die Fußpedale von oben nach unten. Dadurch wird neben der Andruckkraft des sich herabbewegenden Beins auch sein Gewicht noch antriebswirksam, wenn der Fahrer das sich aufwärtsbewegende Bein quasi nach oben zieht. Im Sportbereich werden Klickpedale und -schuhe benutzt, die eine feste Verbindung zwischen Schuh (und damit Fuß) und Pedal herstellen. Damit ist es möglich auch mit dem hochzuziehenden Bein weitere Kraft einzusetzen, was die Antriebsleistung weiter steigert. Die Beinbewegungen sportlich trainierte Fahrer gehen weit über das simple Hoch- und Niedertreten noch hinaus, indem auch am oberen und unteren Totpunkt der Pedalumdrehung durch geschickte Bewegung des Fußes und des Unterschenkels weiteres Drehmoment erzeugt wird. Der heutige Pedalantrieb zeichnet sich dadurch aus, daß er fast alle Bewegungen im Beinbereich in mechanische Antriebsleistung umsetzen kann und nur ein geringer Prozentsatz der Beinbewegung nicht antriebswirksam wird. Alle Weltrekorde im Fahrradbereich sind mit dieser Antriebsmethode entstanden und selbst der erste Flug eines Human Powered Vehicles über den Ärmelkanal (https://www.hpv.org/luft.html) wurde mit einem Fahrer in Sitzposition und Pedalantrieb (Dauerleistung 600 bis 800 W) ausgeführt.
Trotzdem hat es in den letzten hundert Jahren nicht an Versuchen gefehlt, den Antrieb des Fahrrads weiter zu verbessern, indem Lösungen gesucht wurden, bei denen die Arme zusätzlich zum Pedalantrieb zum Antrieb beitragen. Von neueren Patentanmeldungen seine hier exemplarisch die DE 2017 000 144 B3 , die AT 506 916 A2 2009-12-15 oder die DE 20 2004 012 001 U1 genannt. Sie sind im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet daß versucht wird, eine Hin- und Herbewegung der Arme über Hebelstangen und Kurbeltriebe auf die Pedalwelle zu übertragen und dabei noch eine zusätzlichen Freiheitsgrad der Arme für Lenkbewegung zu behalten. Die Übertragung der vorwiegend linearen Handbewegung in letztlich eine Drehbewegung der Pedalwelle über Kurbeltriebe hat den generellen Nachteil, daß die angreifende Armkraft in den zwei Totpunkten des Kurbeltriebs nicht antriebwirksam ist und nur in der Mitte dazwischen voll in Drehmoment gewandelt wird. D.h. nur etwa in der Hälfte der Armbewegung kann der Fahrer effektiv zusätzliche Antriebsleistung erzeugen, obwohl er die Arme mit den dazugehörigen Mechanismen jedesmal eine deutlich größere Streckebewegen muß, was zusätzliche Verlustarbeit bedeutet. Weiterhin haben solche Handantriebslösungen am Fahrrad als Balancefahrzeug den Nachteil, daß sie den Fahrer mit Ausführung der Antriebsfunktion, der Lenkfunktion und der Balancefunktion durch die Hände überfordern können. Besonders in schwierigen Geländeabschnitten sind solche Fahrräder instabil. Einen sehr guten Überblick über hand- und fußangetriebene Fahrräder gibt z.B. Carsten Hofmann, „Fahrrad Zukunft“, Ausgabe 17, 2014, oder https://fahrradzukunft.de/17/hand-and-foot-bikes.
Beide oben genannte Nachteile von Handantrieben mit Hebel- und Kurbelmechanismen umgeht z.B. die DE 101 06 283 B4 , die einen Handantrieb für einen Roller (d.h. Fahrrad ohne Pedalantrieb) beschreibt. Der Lenker des Rollers besteht aus zwei auf- und abwärts bewegbaren Hebeln, die die angreifende Armkraft über ein Kette-Rolle-System auf die Vorderradnabe des Rollers direkt übertragen. Beide Hebel werden durch eine umlaufende Kette synchron auf- und abwärts bewegt. In jeder der beiden Bewegungen treibt das rechte oder das linke Kettenrad auf der Vorderachse jeweils über einen Freilauf das Vorderrad an. Auf diese Weise wird während der gesamten Schwenkbewegung der Handhebel die Antriebskraft ohne nennenswerte Verluste in Drehmoment am Vorderrad gewandelt. Gelenkt wird der Roller durch Drehung der Handhebel um die Lenkachse des Vorderrads - eine Bewegung ähnlich zum Fahrradlenker. Allerdings ist der Lenkeinschlag durch die notwendige Spannung der umlaufenden Kette erschwert. Die Balance des Rollers wird vom Fahrer durch den tiefen Standpunkt der Füße auf dem Trittbrett ohne weitere Bewegungen (wie Pedalbewegung) besser realisiert als bei Handantriebsfahrrädern. Ein gleichzeitiges Benutzen des Handantriebs zusammen mit Tretantrieb des Rollers dagegen erscheint sehr instabil. Vermutlich gibt es in der Literatur noch weitere Lösungen, bei denen zyklische Hin- und Herbewegungen der Arme durch ein System aus zwei Freilaufkupplungen auf einer Antriebswelle sehr effektiv die Armkraft in Drehmoment umwandeln.
Eine weitere interessante Lösung eines Fahrradantriebs mit zwei Freilaufzahnrädern auf einer Welle stellen die seit etwa 20 Jahren bekannten Street Stepper dar, bei denen die Beine des Fahrers auf zwei Trethebeln stehen, wobei jeweils die Abwärtsbewegung eines Hebels mittels eines Systems aus Kette und Freilaufzahnrad in eine Drehbewegung auf einer gemeinsamen Welle umgewandelt wird. Von der gemeinsamen Welle aus wird die Antriebsleistung z.B. über eine konventionelle Kettenschaltung (z.B. 3 x 9 Gänge) auf das Hinterrad geleitet. Die Trethebel sind nicht synchronisiert. In der Aufwärtsphase wird kein Antrieb geleistet.
Fahrräder mit drei Rädern und vereinzelt mit vier Rädern haben sich in den letzte 50 Jahren von selbstgebauten Testrädern einzelner Enthusiasten zu einer kleinen Industrie entwickelt. Die Vorteile von zweirädrigen Liegerädern (geringer Luftwiderstand durch tiefer sitzenden Fahrer mit Beinantrieb nach vorn) wurden auf dreirädrige Fahrräder übertragen. Praktisch alle Lösungen von dreirädrigen Fahrrädern haben einen Pedalantrieb für die Füße, wobei das Tretlager leicht unterhalb bis leicht über der Sitzhöhe des Fahrers liegt. Gewöhnlich über eine deutlich längere Kette mit Ketten- oder Nabenschaltung wird die Antriebsleistung zum Hinterrad bzw. zu den Hinterrädern gebracht. Im Falle einer Hinterachse aus zwei Rädern wird entweder nur ein Rad angetrieben oder ein Differentialgetriebe eingesetzt.
Eine vergleichsweise weitaus günstigere Situation bzgl. des Einsatzes von zusätzlichen Handantrieben besteht bei Fahrrädern mit drei oder vier Rädern. Der Fahrer braucht hier keine Balancierfunktion auszuführen, weshalb mehr Freiheitsgrade der Armbewegung zum Handantrieb zur Verfügung stehen. Handantriebe für drei- und vierrädrige Fahrräder sind in der Literatur weitaus weniger beschrieben als das bei zweirädrigen Fahrrädern des Fall ist.
Dreirädrige Fahrräder mit alleinigem Handantrieb wurden sowohl nach dem 1. Weltkrieg als auch nach dem 2. Weltkrieg in größerer Stückzahl für die zahlreichen Kriegsverwundeten als „Selbstfahrer“ gebaut. Sie waren geeignet für beinverletzte Fahrer, die mit den Händen sowohl den Antrieb als auch die Lenkfunktion ausführen konnten.
(Siehe https://www.schule-bw.de/faecher-undschularten/gesellschaftswissenschaftliche-und-philosophische-faecher/landeskundelandesgeschichte/module/bp_2016/imperialismus_und_erster_weltkrieg/im_feld_und _an_der_Heimatfront/im-grossen-krieg-hardheimer-buerger-im-erstenweltkrieg/ab3m. pdf)
Der Antrieb erfolgte über zwei schwenkbare Handhebel rechts und links des Sitzes, die über je einen Kurbeltrieb mit den Hinterrädern des Selbstfahrers verbunden waren. Die Lenkung des gewöhnlich kleineren Vorderrads wurde mit einem Drehgriff am rechten oder linken Handhebel bewirkt. Diese einfache Konstruktion konnte innerhalb von kurzer Zeit in größeren Stückzahlen unter Nutzung vieler Fahrradteile gebaut werden. Prinzipbedingt durch den Kurbelantrieb, kann der Fahrer nur im mittleren Teil der hin- und herschwenkenden Armbewegung Antriebsleistung erzeugen. Trotzdem haben diese Fahrzeuge für eine Vielzahl von Kriegsverwundeten ihre Alltagstauglichkeit bewiesen.
Ein weiteres Beispiel für eine Handantriebslösung eines vierrädrigen Fahrrads ohne Fußantrieb gibt V. Davydonas, „Velomobile“, Verlag Technik Berlin, 1999, S 58 ff. die den Bewegungsablauf beim Rudern auf ein vierrädriges Velomobil überträgt. Durch nach hinten ziehen beider Arme erzeugt der Fahrer über ein Seil - Freilaufrollensystem ein gleichmäßiges Drehmoment auf der Hinterachse zum Antrieb. Die Lenkung des Fahrzeugs erfolgt über die Beine. Wie beim Rudern sitzt der Fahrer auf einem verschiebbaren Sitz und kann die Zugbewegung der Arme mit zusätzlicher Beinstreckung unterstützen, so daß wie beim Rudern möglichst viele Muskelgruppen zum Antrieb des Fahrzeugs eingesetzt werden. In der Vorschubphase der Hände wird kein Antrieb erzeugt.
Ein generelles Problem vom Pedalantrieb sowohl in Liegerädern mit zwei Rädern als auch in Fahrrädern mit drei oder vier Rädern ist durch die nahezu horizontale Ausrichtung der antreibenden Beine begründet. Antriebsnutzarbeit wird im wesentlichen durch Vorwärtsstrecken der Beine erzeugt. Die bei aufrechter Sitzposition am Fahrrad vorhandene Gewichtsunterstützung durch das gesamte Beingeweicht ist in der Liegeradposition stark vermindert. Nur die Füße und vielleicht ein Teil des Unterschenkelgewichts liefern hierzu Beiträge. Dagegen muß der Fahrer für das zyklische Heben und Senken des Knie- und Oberschenkelbereichs zusätzliche Verlustarbeit aufwenden, die nicht zum Antrieb beiträgt. Simple Abschätzungen zeigen, daß diese Verlustarbeit proportional zur Trittfrequenz ist und 10 bis 20% der Beinantriebsleistung bei 90 U/min erreichen kann. Dies ist ein prinzipbedingter Nachteil aller Liegeräder, der aber bei Geschwindigkeiten über etwa 25 km/h durch den weitaus geringeren Luftwiderstand teil- oder vollverkleideter Liegeräder wieder kompensiert wird.
Besonders Anfänger ohne Klickpedale überlasten beim Fahren mit Liegerädern in der Vordruckphase ihre Beinmuskeln bereits nach kurzen Fahrstrecken. Besser ist das Fahren mit Klickpedalen, weil da auch beim Beinrückzug Nutzarbeit erzeugt wird, d.h. fast doppelt soviel Muskeln tragen zum Antrieb bei, wie ohne Klickpedale. Der Einbezug weiterer Muskelpartien zum ermüdungsfreien Fahren über Tagestouren und länger wäre trotzdem wünschenswert.
Drei- und vierrädrige Fahrräder haben konstruktionsbedingt Gewichte von typisch 25 bis 50 kg, d.h. sind zwei oder drei mal so schwer wie Fahrräder, was bewirkt, das an Steigungen mehr Antriebsleistung benötigt wird. An Steigungen im Stehen fahren (und mit dem gesamten Körpergewicht antrieben) wie bei Fahrrädern ist bei Liegerädern nicht möglich. Infolgedessen wird bei drei- und vierrädrigen Fahrrädern deutlich mehr selbst an kurzen Steigungen geschaltet, um die Anstieg zu überwinden. Hier wäre ein kurzzeitiger Zusatzantrieb durch Einsatz weiterer Muskeln von Vorteil, weil er flüssiges Fahren ohne Schalten ermöglichen würde.
Zusammengefaßt bestehen die Nachteile des Muskelantriebs von drei- und vierrädrigen Fahrrädern in:

• Obwohl ausgereifte Pedalantriebe mit leistungsfähigen Ketten- oder Nabenschaltungen eingesetzt werden, erzeugt der Fußantrieb aufgrund der etwa horizontalen Antriebsrichtung der Beine prinzipbedingt bis zu 20% weniger Antriebsleistung.
• Eine kurzzeitige Antriebsleistungserhöhung (wie mit im Stehen fahren beim Fahrrad) ist mit dem horizontalen Pedalantrieb nicht möglich.
• Die existierenden zusätzlichen Handantriebslösungen basierend auf Kurbelantrieben nutzen den Bewegungsbereich der Arme nicht optimal aus.
• Handantriebslösungen, die mit Seilen oder Ketten und Freilaufrollen den gesamten Bewegungsbereich der Arme ausnutzen können, werden nicht mit dem Fußantrieb über Pedale (und der dort bereits installierten weiten Getriebeübersetzung) kombiniert.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin die oben genannten Nachteile des Muskelantriebs von drei- und vierrädrigen Fahrrädern durch die Einführung eines wahlweise nutzbaren, effektivem Handantriebs zusätzlich zum Pedalantrieb zu überwinden, der den Einsatz weitere Muskelpartien zum Antrieb ermöglicht und der sich gut mit der Lenkfunktion des Fahrzeugs verbinden läßt.
Aufgabenstellung
Dreirädrige Fahrräder existieren in im wesentlichen in zwei Formen der Anordnung der Räder:

• Zweirädrige gelenkte Vorderachse und ein angetriebenes Hinderrad,
• Ein gelenktes Vorderrad und zweirädrige angetriebene Hinterachse.

Allen diesen Bauformen ist gemeinsam, daß sie einen Rahmen (Fahrgestell) aufweisen an dem die Achsen gefedert oder ungefedert angebracht sind und über einen auf dem Rahmen angebrachten Fahrersitz verfügen. In alle diese Bauformen kann ein Pedalantrieb für die Füße des Fahrers mit Schaltgetriebe integriert werden.
Alle drei Bauformen können mit dem erfindungsgemäßen Handantrieb ausgestattet werden. Dazu werden rechts und links neben den Beinen des Fahrers zwei Handantriebshebel am Rahmen so angebracht, daß ihre Griffe für die Hände des Fahrers sowohl vorwärts und rückwärts in Fahrtrichtung als auch quer zur Fahrtrichtung bewegt werden können. Der so entstehende Bewegungsraum für die Fahrerhände soll bei für den Pedalantrieb günstiger Sitzposition von etwa rechtwinklig angewinkelten bis zu ausgestreckten Armen reichen. In der Fahrzeugquerrichtung ist ein Schwenkbereich von etwa max. +- 15 cm realisierbar und ausreichend.
Die so entstehende Vor- und Rückbewegung der Handantriebsgriffe wird für den Zusatzantrieb über ein mechanisches freilaufbasiertes Übertragungssystem auf den Pedalantrieb geleitet. Fahren ohne Handantrieb (z.B. in engen Kurven o.ä.) ist damit ohne Handantrieb problemlos möglich. Die Handantriebshebel weisen bzgl. der Bewegung in Fahrtrichtung eine mechanische Verbindung auf, die dafür sorgt, das jeweils ein Hebel sich in Vorwärts- und der andere in Rückwärtsbewegung befindet.
Das Schwenken der Handantriebshebel quer zur Fahrtrichtung wird durch eine mechanische Verbindung (ähnlich Spurstange beim Auto) so gestaltet, daß sich beide Hebel synchron nach rechts zum rechts abbiegen bzw. umgekehrt in jeder Antriebsposition bewegen.
Es gibt eine Reihe von Sportarten mit kombinierter Arm- und Beinbewegung, von denen hier zwei als methodisches Vorbild zum Bewegungsablauf dienen können:

• Skilanglauf und dort mehr das Laufen im Diagonalschritt als Skaten mit Stockeinsatz indem Arm- und zugehörige Beinbewegung diagonal über den Rücken einen Spannungsbogen bilden und Kräfte im menschlichen Körper gut mit Gegenkräften kompensiert werden können.
• Nordic Walking, bei dem die Stöcke umgekehrt wie die Schritte gesetzt werden, was eine sich ausgleichende Pendelbewegung von Becken- und Schulterbereich bewirkt

Beim erfindungsgemäßen Handantrieb bestimmt der Fahrer selbst in welcher Zuordnung die Handbewegung relativ zur Pedalbewegung erfolgen soll. Alle Zuordnungen sind möglich (von rechtes Bein und rechter Arm vor bis zum Umgekehrten).
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird der maximale Bewegungsbereich der Handantriebsgriffe durch die Dimensionierung der Einkoppelmechanik zum Pedalantrieb so bemessen, daß der maximale Bewegungsbereich eines Arms etwas mehr als eine halbe Pedalumdrehung überstreicht (typisch ca. 210° - 240°). Der Fahrer entscheidet dadurch selbst, bei welcher Fußstellung er die Handbewegungsrichtung umkehren will und synchronisiert so ständig die Antriebsbewegungen. Auch kürzere Teilhube des Handantriebs (z.B. zwei oder drei kurze kräftige Teilhübe während eines Pedalhubs zum Anfahren) sind möglich.
Die Überführung der ungefähr linearen Handbewegung vom Handantrieb in eine Drehbewegung der Hinterräder erfolgt durch drei Teillösungen:

a) Seil-Freilaufrollensystem:
- Wenn ein Seil (oder z.B. auch Kette oder Zahnstange) auf eine Rolle (oder z.B. auch Kettenrad oder Zahnrad) mit dem Radius r mit der Kraft F wirkt, ist das entstehende Drehmoment M unabhängig vom Drehwinkel der Rolle M = F*r. In eine Drehrichtung überträgt der in die Rolle integrierte Freilauf (z.B. Hülsenfreilauf oder Klinkenfreilauf) das Drehmoment auf die zugehörige Welle. In der anderen Drehrichtung dreht sich die Rolle frei und das Seil kann sich nahezu kraftfrei zurückbewegen. Diese Rückbewegung ist beim Handantrieb notwendig, um wieder in die Ausgangsposition des Arms während einer Bewegungsphase zu kommen.
b) Welle mit zwei Freilaufrollen:
- Ein Seil-Freilaufrollensystem nach a) hat also eine Antriebsphase und eine (Drehmomentlose) Rückrollphase. Werden zwei Seil-Freilaufrollensysteme auf einer gemeinsamen Welle angeordnet, kann ein kontinuierlicher Drehantrieb (Drehmoment) erzeugt werden, wenn die Antriebsdrehrichtung beider Freiläufe gleich ist und dafür gesorgt wird, daß immer eine Freilaufrolle sich in Antriebsrichtung bewegt, während die andere sich in der Rückrollphase befindet.
c) Stangen und Schwenkhebel mit kleinem Winkelhub:
- Wird eine Schubstange in deren Schubrichtung die Kraft F wirkt mit einem Schwenkhebel durch z.B. einen Kugelkopf verbunden, wobei der Schwenkhebel sich um eine Achse dreht, und der Abstand von Kugelkopf und Achse r beträgt, so ist das entstehende Drehmoment M = F*r*sin(alpha), mit alpha als dem Winkel zwischen Schubstange und Schwenkhebel. Ist alpha = 90° ist das Drehmoment maximal (M = F*r). Z.B. bis zu einem Winkel alpha = 75° ist das Drehmoment nur um 4% gesunken, d.h. ein Stangen- und Schwenkhebelsystem kann auch nahezu ohne größere Kraftverluste zur Kraftübertragung eingesetzt werden, wenn sie um 90° mit einem kleinen Winkelhub (hier z.B. +- 15°) sich bewegen.

Wie die nachfolgenden Applikationsbeispiele zeigen, gibt es vielfältige Möglichkeiten unter Nutzung der drei obigen Konstruktionsprinzipien die nahezu linearen Vor- und Rückbewegungen der Hände des Fahrers in ein konstantes antreibendes Drehmoment zu wandeln.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, deren Aufbau, Funktion und Vorteile werden im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 ein dreirädriges Fahrrad schematisch mit einem Fahrer der mit den Beinen einen konventionellen Pedalantrieb bedient und mit den Armen zwei Handantriebshebel mit den gezeigten Bewegungsrichtungen für Zusatzantrieb und Lenkung bewegt.
2 das Prinzip einer Handantriebslösung mit direkter Umwandlung der linearen Handbewegung in eine Drehbewegung der Pedalwelle mittels eines umlaufenden Seils in der Draufsicht für beide Antriebshübe mit den als Pfeile gezeigten Bewegungsrichtungen.
3 die Handantriebslösung von 2 in der Seitenansicht, wobei nur die rechte Handantriebseinheit gezeigt ist.
4 das Prinzip einer Handantriebslösung mit direkter Umwandlung der linearen Handbewegung in eine Drehbewegung der Pedalwelle mittels vier umlaufender Kettenstücke in der Draufsicht für beide Antriebshübe mit den als Pfeile gezeigten Bewegungsrichtungen.
5 die Handantriebslösung von 4 in der Seitenansicht, wobei nur die rechte Handantriebseinheit gezeigt ist.
6 das Prinzip einer Handantriebslösung mit direkter Umwandlung der linearen Handbewegung in eine Drehbewegung einer Zwischenwelle mittels zwei Seilen in der Draufsicht für beide Antriebshübe mit den als Pfeile gezeigten Bewegungsrichtungen.
7 die Handantriebslösung von 4 in der Seitenansicht, wobei nur die rechte Handantriebseinheit und der Verlauf der Antriebskette gezeigt ist
8 das Prinzip einer Handantriebslösung mit direkter Umwandlung der linearen Handbewegung in eine Drehbewegung einer Zwischenwelle mittels zwei Zahnstangen in der Draufsicht für beide Antriebshübe mit den als Pfeile gezeigten Bewegungsrichtungen
9 die Handantriebslösung von 6 in der Seitenansicht, wobei nur die rechte Handantriebseinheit und der Verlauf der Antriebskette gezeigt ist
10 das Prinzip einer Handantriebslösung mit direkter Umwandlung der linearen Handbewegung und der Pedalbewegung in eine Drehbewegung einer Propellerwelle mittels eines umlaufenden Seils in der Draufsicht für beide Antriebshübe mit den als Pfeile gezeigten Bewegungsrichtungen
11 ein Kegelradgetriebe zur Übertragung der Drehbewegung der Pedalwelle auf die um 90° versetzte Propellerwelle

Ausführungsbeispiele
Alle im Folgenden gezeigten Ausführungsbeispiele werden vom Fahrer in der gleichen Art und Weise bedient. Sie unterscheiden sich in der Lösung der Kraftübertragung von der Armbewegung bis hin zum Hinterradantrieb. 1 zeigt dazu exemplarisch ein dreirädriges Fahrrad mit einem Vorderrad (4) und zwei Hinterrädern (3), und mit einem auf einem Sitz (2) sitzenden Fahrer (1). Die erfindungsgemäße Lösung kann genauso in dreirädrigen Fahrrädern mit zwei Vorder- und einem Hinterrad oder in vierrädrigen Fahrrädern integriert werden. Der Fahrer treibt mit den Füßen den horizontal vor ihm liegenden Pedalantrieb (6) an. Mit seinem beiden Händen umfaßt er zwei Handantriebshebel (7), die rechts und links neben seinen Beinen angeordnet sind. Das Fahrzeug weist einen Rahmen (5) auf, an dem die Vorder- und Hinterachse (gefedert oder ungefedert), der Sitz, der Pedalantrieb und die Handantriebshebel befestigt sind. Der Sitz kann in Fahrtrichtung zur Anpassung an die Fahrergröße verschoben werden. Eine optimale Sitzposition des Fahrers ergibt sich, wenn er mit nahezu ausgestrecktem Bein die vorderste Pedalposition noch erreicht.
Die Handhebel können zum Zweck des Zusatzantriebs in Fahrtrichtung alternierend vor und zurück geschwenkt werden (8), d.h. wenn ein Handhebel nach vorn bewegt wird sorgt eine mechanische Verbindung beider Hebel für die Rückbewegung des anderen. Der so entstehende Schwenkbereich der Hände soll je nach Fahrergröße zwischen 200 und 350 mm liegen. Der Schwenkbereich wird für einen gegebene Sitzposition des Fahrers durch Verändern des Schwenkbereichs so eingestellt, daß der nahezu ausgestreckte Arm bis in die vorderste Handhebelposition reicht.
Die Lenkung des Fahrzeugs erfolgt über die Handhebel unabhängig vom Vor- und Zurückbewegung für den Handantrieb indem beide Handhebel gleichsinnig nach rechts (für Rechtsfahrt) oder links (für Linksfahrt) geschwenkt werden (9). Durch die Art der mechanischen Verbindung der Handhebel (z.B. Verbindungsstange mit zwei Kugelköpfen) wird eine spielfreie parallele Schwenkung der Handhebel gewährleistet. An diese Verbindung schließt sich das Lenkgestänge an, das die Lenkung der Vorderachse ausführt. Der Hubbereich der Handgriffe zum Lenken kann maximal +- 15 cm etwa betragen.
Das Schwenken der Handantriebshebel wird über eine mechanische Verbindungseinheit auf den Pedalantrieb so übertragen, daß eine komplette Vor- oder Rückbewegung der Arme während einer halben Pedalumdrehung erfolgt. Nachdem so die Drehmomente von Pedal- und Handantrieb auf z.B. einer gemeinsamen Welle addiert sind, kann sich eine beliebige Fahrradgangschaltung (Kettenschaltung, Nabenschaltung, automatisches Getriebe) anschließen und eine optimale Anpassung der Antriebsbewegungen des Fahrers an die Fahrsituation (Steigung, Gegenwind usw.) herstellen. Zwischen Handantriebsmechanik und Pedalantrieb befinden sich ein oder zwei Freilaufkupplungen, die in dem Moment einkuppeln, wenn der Fahrer den Handantrieb betätigt. Dadurch sind beliebige Zuordnungen zwischen Stellung des Fuß- und Stellung des Handantriebs durch den Fahrer wählbar. Ebenso kann der Fahrer (z.B. auf leicht befahrbarer Strasse) den Handantrieb ruhen lassen und nur die Querbewegungen zum Lenken mit den Händen ausführen.
Die folgenden Ausführungsbeispiele zeigen nun Details verschiedener mechanischer Verbindungseinheiten die die erfindungsgemäße Aufgabe einer möglichst effektiven Kraft- und Drehmomentübertragung zwischen den Handhebeln (7) und dem Pedalantrieb (6) lösen. Auch weitere Kombinationen der nachfolgenden Merkmale in den Ausführungsbeispielen können erfindungswirksam sein.
Ausführungsbeispiel
2 zeigt eine lösungsgemäße mechanische Verbindungseinheit zwischen dem Pedalantrieb, bestehend aus dem Tretlager (11), den Pedalen (14), den Pedalarmen (16) und den Kraftangriffspunkten der beiden Handhebel (21) und (26) in der Draufsicht. Alle Komponenten sind auf einem teilweise dargestellten Rahmen (10) angeordnet, der nach vorn in Fahrtrichtung (23) bzw. nach hinten (24) fortgesetzt wird. Die Drehmomente von Pedalantrieb und Handantrieb werden auf der um die Freilaufrollenwellen (15) erweiterten Pedalwelle im folgenden als Kurbelwelle (25) bezeichnet, addiert und über ein Kettenrad (12) und eine Fahrradkette (13) der Hinterachse ggf. unter Zuhilfenahme einer Gangschaltung zugeführt. Die Kurbelwelle (25) besteht damit aus folgenden miteinander starr verbundenen Komponenten: Tretlager (11) samt Tretlagerachse, zwei Pedalarmen (16), zwei Fußpedalachsen (141) mit darauf montierten Fußpedalen (14), zwei weiteren Pedalarmen (16), die zu den Freilaufrollenwellen (15) mit darauf montierten Freilaufseilrollen (18) führen. Zwei auf dem Rahmen in Flucht mit dem Tretlager (11) angeordnete Freilaufwellenlagern (17) führen die Kurbelwelle.
Die durch Schwenken der Handhebel erzeugten Kräfte (siehe auch 3) greifen an den Punkten (21) und (26) auf ein umlaufendes Stahlseil (19) zu, welches über die Umlenkrollen (20) befestigt am Rahmen (10) über die Freilaufseilrollen (18) geführt wird. Die Seilspannung dieses so gebildeten rechteckigen Seilverlaufs wird mit der Spannvorrichtung (22) eingestellt.
3 zeigt die Anordnung von 2 in der Seitenansicht von rechts bzgl. Fahrtrichtung. Nur der rechte Handantriebshebel zusammen mit dem rechten Seil und der rechten Freilaufseilrolle ist gezeigt. Die Hand des Fahrers greift an dem Handgriff (31) an und führt eine rückwärts gerichtete (volle Pfeillinie) oder eine vorwärts gerichtete (gestrichelte Pfeillinie) Bewegung aus. Über den Handantriebshebel (30), der um seine Drehachse (37) geschwenkt wird, wird die Handantriebsbewegung auf den Angriffspunkt (21) am umlaufenden Seil übertragen. Der Handantriebshebel mit seiner Drehachse (37) ist in einer Lenkwelle (32) mit zugehöriger Drehachse (38) montiert, so daß die Lenkwelle, die mit den Lagern (33) am Rahmen befestigt ist, Querbewegungen erfaßt und z.B. über die Angriffspunkte vom Lenkgestänge (35) und (36) zur Lenkung der Vorderachse weitergibt. Z.B. könnte eine Verbindungsstange mit Kugelkopf am Punkt (35) angeordnet sein, die zur linken Lenkwelle führt und dort am gleichen oberen Angriffspunkt mit Kugelkopf angeschraubt ist. Damit sind die Querbewegungen der beiden Handantriebshebel zur Lenkung des Fahrrads unabhängig von der Handantriebsbewegung synchronisiert. Die Verbindung zum Lenkgestänge der Vorderachse kann in diesem Fall z.B. am Angriffspunkt (36) erfolgen.
Der untere Teil des Handantriebshebels (34) weist eine Sektorscheibe auf (Radius gleich Abstand von Drehachse (37) und Angriffspunkt (21)) mit einem Sektorwinkel, der größer oder gleich dem maximalen Schwenkwinkel des Handhebels in Fahrtrichtung ist. Vorzugsweise in der Mitte des Kreissektors wird das Seil z.B. mittels einer Klemme an der Sektorscheibe befestigt. Es wird erreicht, daß die wirkende Armkraft des Fahrers schwenkwinkelunabhängig ohne Winkelverluste in die am Seilangriffspunkt (21) angreifende Kraft übertragen wird.
Das Seil (19) kommend vom Angriffspunkt (21) läuft über die Seilrolle (18) umschlingt diese typischerweise zwei Mal und wird über die vordere Umlenkrolle (20) zur anderen Handantriebsseite geleitet. Im hinteren Bereich übernehmen zwei weitere Umlenkrollen (20) die gleiche Funktion, so daß beide Handhebel wechselseitig Schwenken können, gekoppelt mit einer Vor- und Rückbewegung des umlaufenden Seils. Der in die Seilrolle (18) integrierte Freilauf (vorzugsweise Hülsenfreilauf mit minimalem Einkoppelspiel) koppelt bei Drehung im Uhrzeigersinn (Ansicht von rechts in 3) ein und wandelt die Seilkraft in ein Drehmoment auf der Kurbelwelle (25) um, daß sich zu dem durch den Pedalantrieb über die Füße und Pedale (14) erzeugten Drehmoment addiert. Wird die Seilrolle durch das Seil gegen den Uhrzeigersinn gedreht, koppelt der Freilauf aus und kein Drehmoment wird übertragen. Wenn auf diese Weise die rechte Freilaufrolle z.B. auskoppelt, wird die linke Freilaufrolle eingekoppelt und überträgt jetzt ein Drehmoment auf die Kurbelwelle. Durch diese wechselseitige Funktion der Freilaufrollen wird erreicht, daß jede Seilbewegung in ein vorwärts treibendes Drehmoment auf der Kurbelwelle umgewandelt wird. Läßt der Fahrer den Handantrieb ruhen, kann der Fußantrieb das Fahrrad allein weiter antreiben. Die Pedale samt Tretlagerwelle drehen sich in Uhrzeigersinn weiter, beide Freilaufseilrollen haben ausgekuppelt. Eine Rückwärtsdrehung (gegen den Uhrzeigersinn) der Pedale verhindert allerdings die Anordnung aus Freiläufen und Seil. Da z.B. in Fahrradhinterradnaben von Ketten- oder Nabenschaltungen auch ein Freilauf integriert ist, der antriebsloses Rollen in Fahrtrichtung ermöglicht, beim Rückwärtsschieben aber die Kette und damit die Pedale rückwärts dreht, ist bei Kombination dieser Naben mit dem Seilhandantrieb aus 2. und 3 ein rückwärts Schieben nicht möglich. Abhilfe schafft für diesen Fall eine in den Kettentrieb integrierte automatische oder manuell bediente Kupplung zum kompletten Auskuppeln der Kraftübertragung zu der Hinterachse.
In den 2 und 3 illustrieren gestrichelte (rechte Hand vorwärts) und ungestrichelte Pfeile (rechte Hand rückwärts) die zu erwartenden Kräfte auf dem Seil und die zugehörigen Drehungen an der Kurbelwelle. Wenn eine Freilaufrolle (z.B. (18) in 3) eingekoppelt ist, wird das Seilstück bis zum Angriffspunkt (21) des rechten Handantriebshebels mit einer Zugkraft herrührend aus beiden Handantriebshebeln belastet. Zwischen Angriffspunkt (21) und Angriffspunkt (26) wird das Seil nur noch mit der Kraft herrührend aus dem linken Handantriebshebel belastet. Der vordere Seilbereich (ab Freilaufrollen (18), Umlenkrollen (20) und Spannvorrichtung (22)) wird nur mit deutlich kleineren Kräften gespannt. Deshalb wird dort vorzugsweise ein Spannvorrichtung zum Spannen des umlaufenden Seils angeordnet.
Ausführungsbeispiel II
Obwohl in Versuchsfahrrädern mit dem in 2 und 3. gezeigten Handantrieb nach Ausführungsbeispiel I, basierend auf einem umlaufenden Seil, Fahrleistungen von über 5.000 km ohne Seilwechsel erreicht wurden, sind Ausführungsformen z.B. basierend auf einer umlaufenden Kette ev. von Vorteil bzgl. maximaler Laufleistung. Die 4 und 5 zeigen eine im Prinzip gleich funktionierende erfindungsgemäße Lösung basierend auf einer umlaufenden Kette. Statt eines umlaufenden Seils werden vier einzelne Kettenstücke verwendet, die mit 90°-Kettenverbinder (40) miteinander verbunden sind. Die zwei Kettenstücke im Antriebsbereich (42) sind so gerichtet, daß sie über ein Kettenritzel mit Freilauf (39), sowie zwei Führungsritzel (45) laufen können. Aufgrund der um dazu um 90° versetzten Achslage der Umlenkritzel (41) müssen die Kettenstücke in diesem Bereich (Umlenkbereich (43)) auch um 90° verdreht sein, was die die 90°-Kettenverbinder (40) bewirken. Der Unterteil des Handantriebshebels wird als Kettensektorscheibe (46) ausgeführt, wobei die Zähne der Kettensektorscheibe die Kette mitnehmen. Eine separate Befestigung der Kette an den Angriffspunkten (21) oder (26) ist daher nicht zwingend erforderlich.
Die Kraftübertragung vom Handgriff (31) bis zur Kurbelwelle (25) erfolgt in 4 und 5 in gleicher Art und Weise, wie bereits im Ausführungsbeispiel I beschrieben. Da die Übertragung der Kräfte auf die Kette und wieder von ihr herunter über eingreifende Zähne erfolgt, muß die Kette weitaus weniger als das Seil in Applikationsbeispiel I gespannt sein. Die Führungsritzel (45) müssen aber sicherstellen, daß auch bei großen Kettenkräften die Kette nicht über das Freilaufritzel (39) springt. Dazu können die Führungsritzel direkt am Rahmen befestigt sein oder vorteilhaft mit ihren Wellen auf zwei Montageplatten Führungsritzel (44) montiert sein, wobei die Montageplatten wiederum drehbar um die Kurbelwelle (25) angeordnet sind.
Auch eine Handantriebslösung mit einer Mischung aus Ketten- und Seilestücken kann betrieben werden. Z.B. können an die 90°-Verbinder (40) statt der Ketten im Umlenkbereich (43) auch Seilstücke befestigt werden.
Für die Dimensionierung der Kraftübertragung vom Handgriff bis zur Drehung der Kurbelwelle gilt in Ausführungsbeispiel I und II daß die Längen von Oberteil und Unterteil des Handantriebshebels sowie der Durchmesser der Freilaufseil- oder Freilaufkettenrolle so bemessen sein sollen, daß für einen bestimmten Hebelweg des Handgriffs (31), der im Bereich von 200 bis 350 mm liegen soll, etwas mehr als eine halbe Umdrehung der Kurbelwelle entsteht.
In den 4 und 5 illustrieren gestrichelte (rechte Hand vorwärts) und ungestrichelte Pfeile (rechte Hand rückwärts) die zu erwartenden Kräfte auf den Ketten und die zugehörigen Drehungen an der Kurbelwelle.
Ausführungsbeispiel III
Die 6 und Fig..7 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Kräfte vom Handantrieb über eine separate Zwischenwelle (54) der Fahrradantriebskette zugeführt werden. Das hat den Vorteil, daß ein konventioneller Pedalantrieb (aus Tretlager (11), Pedale (14) und Pedalarme (16)) für den Fußantrieb verwendet werden kann und der Raum im Vorderbereich des Rahmens (10) nicht platzmäßig überlastet ist.
6 zeigt die Draufsicht auf den Handantriebsbereich. Der Rahmen (10) weist jetzt mehrere Querstreben auf, auf denen die Lager (53) der Zwischenwelle befestigt sind. Sie tragen die Zwischenwelle (54) auf der zwei Freilaufseilrollen (541) angebracht sind. Über jede Freilaufseilrolle läuft ein separates Seil (52) bzw. (58) mit typischerweise zwei Umschlingungen.
7 zeigt wieder den Handhebel (30) mit dem Handgriff (31) zusammen mit der Lenkwelle (32), über die die Lenkbewegungen wie bei Ausführungsbeispiel I und II der Vorderachse zugeführt werden. Einzig anders am Handantriebshebel ist das Unterteil des Handantriebshebels (61), das aus einem starr mit dem Oberteil verbundenen Stab besteht. Die Schwenkbewegung vom Handgriff steht damit am Angriffspunkt rechter Handantriebshebel (48) bzw. Angriffspunkt linker Handantriebshebel (47) zur Verfügung.
6 zeigt nun die Synchronisation der zwei entgegengesetzten Handhebelbewegungen. Über je eine Verbindungsstange (49) (montiert an beiden Enden z.B. mit einem Kugelkopf) wird eine mechanische Längsverbindung zur Schwenkstange (50) hergestellt. Die Schwenkstange schwenkt hin und her um ein Lager an der Drehachse (51) synchron zu den Hin- und Herbewegungen der Handantriebshebel. Das rechte Antriebsseil (58) ist am Punkt (581) an der Schwenkstange befestigt, analog das linke Antriebsseil (52) am Punkt (521). Beide Seile umschlingen die entsprechende Freilaufseilrollenwelle typischerweise zwei mal und werden dann unter Zwischenschaltung einer Spannfeder an die Angriffspunkte der Handantriebshebel ((47) bzw. (48) geleitet.
7 zeigt in der Seitenansicht von rechts daß die Freiläufe in den Seilrollen (18) im Uhrzeigersinn einkoppeln. Die Drehbewegung der Zwischenwelle (54) wird über ein Kettenrad (56) auf die Kette passend zur Drehbewegung der Pedale im Uhrzeigersinn eingekoppelt. Um genügend Zähne des Kettenrads (56) im Eingriff zu haben, wird die vom Tretlager kommende Kette über ein Führungsritzel (60) angehoben.
In den 6 und 7 illustrieren gestrichelte (rechte Hand vorwärts) und ungestrichelte Pfeile (rechte Hand rückwärts) die zu erwartenden Kräfte auf den Seilen und die zugehörigen Drehungen an der Zwischenwelle.
Ausführungsbeispiel IV
Die 8 und 9 zeigen ein Ausführungsbeispiel bei dem ähnlich zu Ausführungsbeispiel III die Handantriebsbewegung über eine Zwischenwelle dem Antriebskettenstrang zugeführt wird. Allerdings erfolgt hier die Umwandlung der linearen Handantriebsbewegung in die Drehbewegung der Zwischenwelle (54) durch ein System aus Zahnstange (63) und Freilaufzahnrad (65).
Die Umwandlung der Handantriebsbewegung in eine Drehbewegung der Zwischenwelle wird beginnend in 9 erläutert. Der obere Handantriebshebel (30) ist fest auf einem Handantriebsschieber (62) montiert. Der Handantriebsschieber (62) gleitet z.B. mit Hilfe von Linearlagern auf der Lenkwelle (32) mit einem Hub von 250 bis 350 mm in Fahrtrichtung vor und zurück. Eine Querbewegung zum lenken hervorgerufen vom Fahrer durch schwenken des Handgriffs quer zur Fahrtrichtung wird mittels. des Linearlagers auf eine Drehung der Lenkwelle übertragen. Die Ableitung der so generierten Lenkbewegung von den zwei Lenkwellen über die Angriffspunkte (35) und (36) zur Lenkung der Vorderachse erfolgt wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen beschrieben.
Vorzugsweise auf der Achse (38) im Handantriebsschieber (62) befindet sich eine Aufnahme zum Mitnehmen der Zahnstange (621), die so gestaltet ist, daß sie die Vor- und Rückbewegung des Handantriebsschiebers voll auf die Zahnstange überträgt, die Drehung des Handantriebsschiebers aber unterdrückt. Damit stehen die Handantriebsbewegungen auf der rechten und auf der linken Zahnstange zur Verfügung. Auf der Zwischenwelle (54) sind zwei Freilaufzahnräder (65) montiert, die bei Drehung gegen den Uhrzeigersinn (bei Seitenansicht von rechts in 9) einkoppeln. Um die Zahnstange (63) immer im Eingriff zu den Zähnen des Freilaufzahnrads (65) zu halten, ist oberhalb der Zahnstange am Freilaufzahnrad eine Andruck- und Führungsrolle (66) am Rahmen fest montiert.
8 zeigt in der Draufsicht die Lage der Zahnstangen (63) bzgl. der Zwischenwelle (54). Analog zu Ausführungsbeispiel III ist auch hier eine Schwenkstange (50) montiert, die um die Drehachse (51) schwenken kann. Sie ist über zwei kurze Ausgleichsstangen (64) mit den Zahnstangen verbunden. Die Ausgleichsstangen sind mit je zwei Gelenkköpfen an die Schwenkstange und die Zahnstangen montiert und können so durch leichte Verdrehungen die durch Schwenken der Schwenkstange (50) entstehenden Positionsänderungen ausgleichen. Damit sind die Zahnstangen und Handantriebshebel wieder alternierend geführt, d.h. wenn ein Handgriff (31) sich zusammen mit dem zugehörigen Handantriebsschieber (62) z.B. nach hinten bewegt, wird der andere Handantriebsschieber und Handantriebshebel nach vorn bewegt.
Die Zwischenwelle (54) treibt wie im Ausführungsbeispiel III über ein Kettenrad (56) die Antriebskette an. Eine manuell oder automatisch zuschaltbare Klauenkupplung (57) ermöglicht eine mechanische Trennung von Antriebskette und Zwischenwelle, Dies wird wie in Ausführungsbeispiel III benötigt, um das Fahrrad rückwärts zu schieben.
Ausführungsbeispiel V
Die erfindungsgemäße Lösung zum Einsatz eines effektiven Handantriebs wurde in ihrer Funktion den Ausführungsbeispielen I bis IV für drei- oder vierrädrige Fahrräder beschrieben, sie ist aber auch für muskelbetriebene Wasser- oder Luftfahrzeuge geeignet. Hier besteht die Aufgabe darin, den sowohl von Armen und Füßen erzeugten Antrieb einer Schiffsschraube bzw. einem Propeller zu zuleiten. Die Drehzahl solcher Propeller ist gewöhnlich größer als die Umdrehungszahl eines Hinterrads vom Fahrrad. Eine Getriebeabstufung wird nicht benötigt. Im Falle eines muskelbetriebenen Flugzeugs soll außerdem der gesamte Antriebsstrang möglichst leicht sein.
10 zeigt eine solche Lösung, bei der sowohl die Fußbewegung ausgehend von Pedalen (14) eines Pedalantriebs als auch ein Handantrieb basierend auf einem umlaufenden Seil ähnlich zu Ausführungsbeispiel I zur Drehung einer Propellerwelle (82) beitragen. Handantriebshebel, wie in 3 gezeigt, greifen an den Angriffspunkten (21) und (26) auf das umlaufende Seil zu, das über vier Umlenkrollen (80) geführt wird. Sowohl das Tretlager (11) des Pedalantriebs als auch die Lager der Propellerachse (90) sind an einem Rahmen (10) montiert, auf dem auch der Fahrer mittels eines Sitzes sitzt. Die Propellerachse wird im Falle eines Luftfahrzeugs nach vorn zum Propeller (84) verlängert. Im Falle eines Wasserfahrzeugs weist die Propellerachse eine Verlängerung nach hinten mit einer Antriebsschraube im Wasser auf. Die Seilfreilaufrollen (18) sind jetzt vorn und hinten auf der Propellerwelle angeordnet. Ihr Durchmesser ist kleiner, um in einem Handantriebshub mehrere Umdrehungen der Propellerwelle zu erzeugen. Die Einkoppelrichtungen der beiden Freiläufe in den Seilfreilaufrollen (18) sind gleich (z.B. im Uhrzeigersinn in 10 bei Ansicht von hinten). Das Seil wird wieder mit einer Spannvorrichtung (22) straff gehalten.
Der Pedalantrieb weist jetzt ein großes Kegelzahnrad (80) auf der Tretlagerwelle (87) auf 11 zeigt, wie der Pedalantrieb auf die um 90° verdrehte Propellerwelle geführt wird. Um zu höheren Drehzahlen der Propellerwelle zu gelangen, treibt das große Kegelzahnrad (80) ein kleines Kegelzahnrad (81) an. Dieses wiederum sitzt auf einer Hilfswelle, die von einem auf dem Rahmen montierten Lager (86) geführt wird. Über zwei weitere Zahnräder (91) und (92) wird der Fußantrieb an die Propellerwelle geführt. Der Fußantrieb ist damit immer mit dem Propellerantrieb verbunden. Der Handantrieb kann wie bei allen vorangegangenen Ausführungsbeispielen antreiben oder stehen. Die Propellerwelle dreht sich dann in den ausgekoppelten Freilaufen der Seilrollen (90).
Die Hebelverhältnisse der Handantriebshebel (Verhältnis der Längen von oberem Handantriebshebel (30) zu unterem Handantriebshebel) und der Freilaufrollendurchmesser sowie das Gesamtübersetzungsverhältnis der Zahnräder (80), (81), (91) und (92) sind so zu bemessen, daß eine maximale Handschwenkbewegung von 250 bis 350 mm etwas mehr als einer halben Pedalumdrehung entspricht.
Bezugszeichenliste

1: Fahrer
2: Fahrersitz
3: Hinterrad bzw. Hinterräder
4: Vorderrad bzw. Vorderräder
5: Fahrzeugrahmen
6: Fahrradpedalantrieb
7: Handantriebshebel
8: Handantriebsrichtung (bei rechts vorwärts)
9: Lenkrichtung bei Linksfahrt
10: Teil des Fahrzeugrahmens
11: Tretlager
12: Kettenrad
13: Kette
14: Fußpedale
141: Fußpedalachse
15: Freilaufrollenwelle
16: Pedalarme
17: Lager Freilaufwelle
18: Freilaufrolle mit Seilrolle
19: Handantriebsseil
20: Umlenkrollen
21: Angriffspunkt rechter Handantriebshebel
22: Spannvorrichtung
23: Anschluß an Fahrzeugrahmen Frontseite
24: Anschluß an Fahrzeugrahmen Rückseite
25: Kurbelwelle
26: Angriffpunkt linker Handantriebshebel
30: Handantriebshebel, Oberteil
31: Handgriff
32: Lenkwelle
33: Lager Lenkwelle
34: Handantriebshebel Unterteil mit Seilsektorscheibe
35: Anschlußpunkt oben für Lenkgestänge
36: Anschlußpunkt unten für Lenkgestänge
37: Drehachse Handantriebshebel
38: Drehachse Lenkwelle
39: Kettenritzel mit Freilauf
40: 90°-Kettenverbinder
41: Umlenkritzel
42: Kette Antriebsbereich
43: Kette Umlenkbereich
44: Montageplatte Führungsritzel
45: Führungsritzel
46: Handantriebshebel Unterteil mit Kettensektorscheibe
47: Angriffspunkt linker Handantriebshebel
48: Angriffspunkt rechter Handantriebshebel
49: Verbindungsstange
50: Schwenkstange
51: Drehachse Schwenkstange
52: linkes Handantriebsseil
521: Befestigungspunkt linkes Handantriebsseil
53: Lager Zwischenwelle
54: Zwischenwelle
541: Freilaufseilrolle
55: Drehachse Zwischenwelle
56: Kettenrad Zwischenwelle
57: Klauenkupplung
58: rechtes Handantriebsseil
581: Befestigungspunkt rechtes Handantriebsseil
59: Spannfeder
60: Umlenkritzel
61: Handantriebshebel Unterteil für Anschluß Verbindungsstange (49)
62: Handantriebsschieber
63: Zahnstange
64: Ausgleichsstange
65: Freilaufzahnrad
66: Andruck- und Führungsrolle
80: großes Kegelzahnrad Z1
81: kleines Kegelzahnrad Z2
82: Propellerwelle
83: Schiffsschraube
84: Propeller
85: Achse Antriebswelle
86: Lager Hilfswelle
87: Tretlagerachse
90: Lager Propellerachse
91: Zahnrad Z3
92: Zahnrad Z4

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 Patentliteratur

DE 2017000144 B3 [0005]
DE 202004012001 U1 [0005]
DE 10106283 B4 [0006]

Claims

Ein muskelbetriebenes Fahrzeug mit drei oder vier Rädern, das vom Fahrer mit den Beinen über einen Pedalantrieb angetrieben wird, sowie zwei rechts und links neben dem Fahrer angeordneten, in Fahrtrichtung als auch quer zur Fahrtrichtung schwenkbaren Hebeln, die der Fahrer mit seinen Armen bewegt, um mit einer gleichgerichteten Schwenkung beider Hebel quer zur Fahrtrichtung das Fahrzeug zu lenken, und um mit einer gegenläufigen Bewegung der Arme an den Handhebeln in Fahrtrichtung unabhängig von der Lenkbewegung einen Antrieb zu erzeugen, der in den Pedalantrieb zusätzlich eingekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß: ein mechanisches Übertragungssystem eingesetzt wird, das in jedem Punkt der Vor- und Rückantriebsbewegung der Hände an den Handhebeln das von ihnen erzeugte Drehmoment zu mehr als 85% dem Antrieb zuführt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische Übertragungssystem zwei Freilaufrollen oder -zahnräder auf einer gemeinsamen Welle enthält, die in die gleiche Drehrichtung einkoppeln.
Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Freilaufrollen oder -zahnräder mit der Welle der Fußpedale des Fußantriebs eine gemeinsame Welle bilden, von der aus die Summe des Fußantrieb- und Handantriebsdrehmoments an die Antriebsräder geleitet wird.
Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Freilaufrollen oder -zahnräder sich auf einer separaten Welle befinden, von der aus das erzeugte Handantriebsdrehmoment dem Antrieb zugeführt wird und zusammen mit dem Fußantriebsdrehmoment den Hinterrädern zugeführt wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich innerhalb der Handantriebshebel ein Drehpunkt befindet, um den die Handantriebshebel schwenken und an dem einen Ende des Hebels die Hand des Fahrers im Drehpunktsabstand s1 mit der Kraft F1 angreift und vom anderen Ende des Hebels im Drehpunktabstand s2 (Handhebelabtriebspunkt) die entstehende Kraft F2 dem weiteren Antrieb zugeführt wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich am Ende der Handantriebshebel ein Drehpunkt befindet, um den die Handantriebshebel schwenken und an dem anderen Ende des Hebels die Hand des Fahrers im Drehpunktsabstand s1 mit der Kraft F1 angreift und von einem Punkt dazwischen die entstehende Kräfte F2 im Drehpunktabstand s2 (Handhebelabtriebspunkt) dem weiteren Antrieb zugeführt wird.
Anordnung nach Anspruch 1,5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß konzentrisch um den Drehpunkt der Handantriebhebel eine kreisförmige Sektorscheibe angeordnet ist, deren Sektorwinkel etwas größer als der maximale Schwenkbereich des Handhebels ist, und deren Radius dem Drehpunktabstand s2 entspricht, so daß ein tangential darüber laufendes, und an einem Punkt des Sektorkreisbogens befestigtes, Seil oder Kette unabhängig von dem Schwenkhebelwinkel immer mit der Kraft F2=F1*s1/s2 gezogen wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Handhebel an dem der Fahrer mit der Kraft F1 angreift direkt auf einer parallel zur Handbewegung gerichteten linearen Verschiebeeinheit angeordnet ist, wobei an einem Kraftabtriebspunkt an beliebiger Stelle auf der Achse der Verschiebeeinheit die Kraft F1 zur Verfügung steht.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der rechte und linke Handantriebshebel mit einem umlaufenden Seil verbunden sind, das über vier am Rahmen befestigte Umlenkrollen in der Form eines Rechtecks aufgespannt wird, und mit mehrfacher Umschlingung über zwei Freilaufrollen geführt wird, so daß die Handantriebshebel immer eine in Fahrtrichtung gegenläufige Bewegung ausführen und das Seil mit der Kraft von 2*F2 je nach Bewegungsrichtung immer auf eine eingekoppelte Freilaufrolle wirkt.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenläufige Bewegung der Handantriebshebel über eine mechanische Verbindung von rechtem Handhebelabtriebspunkt, Zug- bzw. Schubstange, Schwenkstange mit mittiger Drehachse, Zug- bzw. Schubstange und linkem Handhebelabtriebspunkt realisiert wird, wobei die Verbindungspunkte mit z.B. Kugelköpfen ausgeführt werden.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkbereich der Schwenkstange nicht größer als +-15° ist.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 7 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwei separate Seile befestigt an den äußeren Enden der Schwenkstange parallel angeordnet zu der Zug- oder Schubstange mit mehrfacher Umschlingung über die zwei Freilaufrollen geführt werden und je nach Bewegungsrichtung immer ein Seil mit einer Kraft von 2*F2 auf eine eingekoppelte Freilaufrolle wirkt.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 7, 9 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß statt Seilen auch ganz oder stückweise Gliederketten eingesetzt werden, wobei alle Rollen im Bereich der Ketten dann als Kettenzahnräder auszuführen sind.
Anordnung nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall des Einsatzes einer Kette im Bereich eines Handhebels mit Sektorscheibe der kreisförmige Sektor als Teil eines Kettenrads mit dem entsprechenden Radius auszuführen ist.
Anordnung nach Anspruch 1, 5,6, 8 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die lineare Vor- und Rückbewegung eines linearschlittengeführten Handhebels über eine Zahnstange einem Freilaufzahnrad zugeführt wird.