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Die Erfindung betrifft einspurige
Rollsportgeräte,
insbesondere Inline-Skater, nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
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Als Inline-Skater werden Rollschuhe
bezeichnet, bei denen die Räder
(meist vier an der Zahl) hintereinander in einer Linie angeordnet
sind, so dass sich der Fahrer wie ein Schlittschuhläufer mitsamt
den Rollschuhen in die Kurve neigen und die Fliehkraft besser abstützen kann,
als mit herkömmlichen
Rollschuhen, bei denen die Räder
paarweise nebeneinander angeordnet sind. Zur Aufrechterhaltung des
Kraftschlusses mit der Fahrbahn, auch bei beliebig geneigten Rädern, ist
es erforderlich, dass die Räder, ähnlich wie
Fahrrad- oder Motorradreifen, eine im Querschnitt runde Lauffläche aufweisen.
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Das Kurvenfahrverhalten, sowohl der
Inline-Skater als herkömmlicher
Rollschuhe, weist den Nachteil auf, dass die Räder i.a. starr mit dem Schuh des
Fahrers verbunden sind und – auch
in der Kurvenschräglage – stets
geradeaus in diejenige Richtung fahren, die der Schuh vorgibt. Insbesondere enge
Kurven lassen sich daher nur in der Art eines Eisschnellläufers mit
Hilfe von Schlittschuhschritten befahren, indem die Rollschuhe abwechselnd
nacheinander in einer geänderten
Richtung aufgesetzt werden, bis die gewünschte Fahrtrichtung erreicht ist.
Die Kurve wird also nicht in Form eines Kreises oder Ovals oder
einer sonstigen stetigen Bahnform durchfahren, sondern in Form eines
Polygons. Kurven mit weiteren Radien lassen sich auch ohne Umsetzen
der Schuhe durchfahren, indem ein Schuh vor den andern (oder auch
seitlich leicht versetzt) in einer geringfügig abgeänderten Richtung gesetzt wird,
so dass sich die Fahrtrichtung als Resultierende der beiden Rollschuhrichtungen
ergibt. Hierbei werden allerdings sämtliche Räder auf eine Bahn gezwungen,
die nicht ihrer durch den jeweiligen Schuh vorgegebenen Rollrichtung
entspricht, was zum „Radieren" der Räder führt (hoher
seitlicher Schlupf, der das Seitenführungsvermögen der Räder vermindert, die Fahrgeschwindigkeit
reduziert und den Verschleiß erhöht).
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Bei herkömmlichen Skateboard-Radaufhängungen
sind die Räder
bzw. Achsen über
schräggestellte
Drehgelenke mit einer festen Standfläche verbunden. Die Drehgelenke
stellen eine Zwangskopplung zwischen Standfläche und Achse bzw. Räder dar:
Wird die Standfläche
durch außermittige
Belastung (Fußsteuerung)
um ihre Längsachse
gedreht, folgt automatisch ein Lenkeinschlag der Räder.
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Die durch die Drehgelenke festgelegten Lenkachsen
schneiden sich unterhalb der Fahrbahn, so dass das Skateboard stets
in diejenige Richtung lenkt, in die sich der Fahrer neigt. Die Lenkachsen können körperfest
oder auch virtuell ausgeführt
sein.
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Zwar sind herkömmliche Skateboards i.a. vierrädrig mit
paarweise angeordneten und über Starrachsen
verbundenen Rädern,
doch ist ihr Lenkprinzip auch für
ein zweirädriges
Skateboard anwendbar. Dann ist das Standbrett über das Drehgelenk nicht mit
einer rädertragenden
Starrachse, sondern mit dem Radträger eines einzelnen Rades verbunden.
Ein solches Gefährt
weist bauartbedingt wesentlich größere Ähnlichkeit mit einem Inline-Skater auf
als das vierrädrige
Skateboard.
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Beim Skateboard wird der Lenkeinschlag durch
eine außermittige
Belastung des Standbretts ausgelöst,
also ein Drehmoment auf das Standbrett ausgeübt (das den beabsichtigten
Lenkeinschlag nach sich zieht). Hier werden die Räder durch
einen Selbstlenkeffekt bei einer Seitenneigung des Bretts zu derjenigen
Seite hin eingeschlagen, in der das Standbrett geneigt ist. Eine
kinematische Zwangskopplung sorgt für einen Lenkeinschlag der Räder, sobald
das kurveninnere Rad ein- und das kurvenäußere Rad ausfedert. Der Lenkeffekt
beim Skateboard ist völlig
unabhängig
von der Räderbreite,
er würde sich
sowohl beim vier-, als auch zweirädrigen Skateboard auch mit
beliebig schmalen Rädern
einstellen.
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Bei Inline-Skatern, bei denen all
Räder in
einer Linie liegen, gibt es keine kurveninneren und -äußeren Räder, so
dass dieser kinematische Lenkeffekt nicht zur Verfügung steht.
Außermittiges
Belasten ist beim Inline-Skater nicht möglich, da der Fahrerfuß seitlich
fixiert im Schuh sitzt und dieser fest mit der Basisplatte verbunden
ist. Der Fahrer hat somit keinerlei Möglichkeit, ein derartiges Drehmoment über die
Basisplatte in die Radaufhängung
einzuleiten; er kann lediglich seinen Fuß mitsamt dem Rollschuh seitlich
abkippen.
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Die
DE 100 13 413 A1 beschreibt ein einspuriges
Rollsportgerät
mit zwei in einer Linie hintereinander, an seiner Unterseite angeordneten
Rädern, einem
vorderen Rad und einem hinteren Rad, wovon das hintere Rad um eine
schräg
nach vorn unten weisende und einen positiven Nachlaufwinkel bildende Lenkachse
drehbar ist. Das Hinterrad ist lenkbar am Schuh angebracht, während das
Vorderrad nicht lenkbar ist. Die Lenkachse des Hinterrades bildet
einen Nachlaufwinkel, der zwischen 30° und 70° liegt. Weitere kinematische
Details sind nicht aufgeführt. Aus
den Zeichnungen geht allerdings hervor, dass die Lenkachse stets
oberhalb der Radmitte vorbeiläuft,
so dass sich in allen Beispielen eine sehr große Nachlaufstrecke n einstellt.
Dies ist dort auch erforderlich, da der physikalische Effekt dieser
Erfindung auf einem großen
Nachlauf (bzw. einem großen
Hebelarm der Seitenkraft um die Lenkachse) beruht. Dieser Effekt
lässt sich
am treffendsten mit „Seitenkraft-Übersteuern" bezeichnen: Zum
Auslösen
einer Lenkbewegung erzeugt der Fahrer durch seitlichen Fersenschub
am Radaufstandspunkt eine Seitenkraft, die das Rad – gegen
die Rückstellkraft
einer Feder – um
die Lenkachse dreht, so dass der Rollschuh übersteuert und damit mit seinem
hinteren Teil nach kurvenaußen
drängt.
Im weiteren Verlauf der Kurvenfahrt sorgt die Fliehkraft für eine ausreichend
hohe Seitenkraft um das Rad in einem ausgelenkten Zustand zu halten.
Die Vertikalkraft leistet zwar auch hier einen Beitrag zum Lenkmoment,
doch spielt dieser gegenüber
dem Seitenkraft-Moment nur eine untergeordnete Rolle, da der Hebelarm
h (aus
3) wesentlich
kleiner ist als der Seitenkraft-Hebelarm n × sin(1 – λ); mit λ = Nachlaufwinkel und n = Nachlaufstrecke.
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Zur Erzeugung eines Lenkmoments wird
die horizontale Komponente der Fahrbahnkräfte ausgenutzt. Aufgrund seines
großen
Abstands zur Lenkachse ändert
der Radaufstandspunkt beim Lenken seine räumliche Lage in erheblichem
Maße:
In der Seitenansicht wandert er nach oben und in der Draufsicht
nach kurvenaußen,
was in Kurvenschräglage zu
einer deutlichen Absenkung des Rollschuhs über dem Hinterrad führt. Dies
führt zu
folgenden Nachteilen:
Der Rollschuh steht dann vorne höher als
hinten. Für einen
mehr als zweirädrigen
Rollschuh ist diese Art der Lenkung prinzipiell ungeeignet, insbesondere, wenn
ein ungelenktes Zentralrad Verwendung finden soll, das auch in Kurvenschräglage seine
relative Höhe
zum Schuh unverändert
beibehält.
Die Kombination eines ungelenkten Vorderrads mit einem gelenkten
Hinterrad dazu, dass der Rollschuh mit zunehmender Seitenkraft immer
stärker übersteuert, bis
sich der Rollschuh quer zu stellen beginnt und nicht mehr kontrolliert
fahrbar ist. Die erreichbare Querbeschleunigung ist daher relativ
niedrig, das Seitenführungspotential
wird nicht ausgenutzt und die Kurvengeschwindigkeit ist begrenzt.
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Ein demgegenüber auf andere Weise lenkendes
Rollsportgerät
bereitzustellen, bei dem die beschriebenen Nachteile nicht auftreten,
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
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Die Aufgabe der Erfindung, wird durch
die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs gelöst. Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.
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Nach der Erfindung ist ein einspuriges
Rollsportgerät
mit mindestens zwei in einer Linie hintereinander, an seiner Unterseite
angeordneten Rädern,
einem vorderen Rad und einem hinteren Rad, wovon das hintere Rad
um eine schräg
nach vorn unten weisende und einen positiven Nachlaufwinkel bildende
erste Lenkachse drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das vordere
Rad um eine zweite Lenkachse drehbar ist, wobei die zweite Lenkachse
nach hinten unten gerichtet ist und einen negativen Nachlaufwinkel
bildet.
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Sobald das Rollsportgerät zur Seite
geneigt wird, bewirkt diese Anordnung der Lenkachsen vorteilhafterweise,
dass die Räder
einen zur Seitenneigung proportionalen Lenkeinschlag in diejenige
Richtung vollführen,
in die das Rollsportgerät
geneigt ist.
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Desweiteren ist von Vorteil, dass
die Lenkwinkel sämtlicher
Räder gleichmäßig mit
der Querbeschleunigung zunehmen, so dass das Rollsportgerät mit neutralem
Lenkverhalten auf seiner Kreisbahn bleibt. Zur Erzeugung des Lenkmoments
wird bei der vorliegenden Erfindung die vertikale Komponente der Fahrbahnkraft
genutzt. Es wird zur Vermeidung von Störmomenten, z.B. infolge von
Reibwertsprüngen, der
Einfluss der Seitenkraft durch eine möglichst geringe Nachlaufstrecke
unterdrückt.
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Statt wie beim Stand der Technik,
durch einen seitlichen Fersenschub, lassen sich Kurven ausgelöst durch
Gewichtsverlagerung fahren (Schwungeinleitung durch Gewichtsverlagerung
nach kurveninnen).
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Eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Rad
oder mehrere weitere Räder,
die zwischen dem vorderen und dem hinteren Rad um weitere Lenkachsen
drehbar angeordnet sind, Nachlaufwinkel besitzen, die, ausgehend
vom hinteren Rad mit größtem positiven
Nachlaufwinkel, in Richtung des vorderen Rades mit größtem negativen
Nachlaufwinkel, fortlaufend abnehmen.
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Sind die Lenkachsen aller Räder so gerichtet,
dass sie sich in einem gemeinsamen Schnittpunkt oder in einem engen
Bereich um diesen Idealerweise gemeinsamen Schnittpunkt schneiden
und liegt der Schnittpunkt unterhalb der Fahrbahnoberfläche, lassen
sich enge wie auch weite Bögen
ohne Zwischensteps und ohne Radiereffekt der Räder in einem Zug durchfahren,
wobei der Kurvenradius über
die Schräglage
des Rollschuhs frei wählbar
ist. Dabei können
Rollschuhe ohne nennenswerte Gewichtsverlagerung stets parallel
geführt
werden (Parallelschwung) oder auch in einer dynamischen Hoch/Tief-Bewegung
derart be- und entlastet werden, dass im Scheitelpunkt der Kurve
(bei maximaler Querbeschleunigung und höchster Schräglage des Fahrers) die Radaufstandskraft
durch dynamische Belastung der Rollschuhe noch weiter erhöht und dadurch
der Lenkeffekt noch zusätzlich
verstärkt
wird. Dadurch verringert sich wiederum der Kurvenradius und läßt eine
noch größere Schräglage des
Fahrers nach kurveninnen zu. Dazu kann noch die Stabilität des Fahrers
durch eine breite Beinstellung im Kurvenscheitelpunkt unterstützt werden,
wobei infolge der größeren Schräglage des
kurvenäußeren Rollschuhs
dieser einen engeren Radius als der innere befährt. Dies bewirkt, dass zum
Kurvenende hin, zu Beginn der Entlastungsphase, die Rollschuhe wieder zusammengeführt werden.
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Dadurch, dass sich beide Rollschuhe
jederzeit am Boden befinden (keine Schlittschuhschritte erforderlich)
und die Räder
stets frei (ohne Radierbewegungen) rollen, lassen sich maximal mögliche Seitenführungskräfte übertragen
und damit die höchstmöglichen
Querbeschleunigungen aufbringen.
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Auch bei Geradeausfahrt können die
Kurveneigenschaften vorteilhaft eingesetzt werden, wenn z.B. der
Fahrer seine Fahrt durch Schlittschuhschritte beschleunigt. Dabei
setzt er den Rollschuh sowohl schräg zur Fahrtrichtung als auch
schräg
zur Fahrbahn auf, woraus ein leichter Lenkeffekt resultiert, der
den Rollschuh asymptotisch in die Fahrtrichtung zurückführt.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, dass das hintere Rad
und die weiteren Räder
hinter dem Schnittpunkt der Lenkachsen einen negativen Nachlauf
besitzen, dessen Zahlenwert kleiner oder gleich null ist und dass
das vordere Rad und die weiteren Räder vor dem Schnittpunkt der
Lenkachsen einen positiven Nachlauf besitzen, dessen Zahlenwert
größer oder
gleich null ist.
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Desweiteren sind Kombinationen von
Vorteil bei denen das hintere Rad und die weiteren Räder hinter
dem Schnittpunkt der Lenkachsen einen Nachlauf besitzen, dessen
Zahlenwert größer oder
gleich null ist und dass das vordere Rad und die weiteren Räder vor
dem Schnittpunkt der Lenkachsen einen Nachlauf besitzen, dessen
Zahlenwert kleiner oder gleich null oder ebenfalls größer null
ist.
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Ein weiteres Rad, dessen Radaufstandspunkt
im wesentlichen lotrecht über
dem Schnittpunkt der Lenkachsen liegt, muss vorteilhafterweise nicht
lenkbar sein.
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Besitzt mindestens ein Rad mindestens
eine Rückstelleinrichtung,
die dieses nach einem belastungsbedingten Auslenken um eine Lenkachse
wieder in seine Neutrallage zurückstellt,
wenn die Belastung wieder der ursprünglichen entspricht, kann die Rückstelleinrichtung
aus mindestens einem elastisch nachgiebigen Element aus Stahl oder
Elastomermaterial bestehen, das die Radaufhängung federnd abstützt. Das
elastisch nachgiebige Element ist dabei vorteilhafterweise eine
Feder, insbesondere eine Blattfeder oder eine Spiralfeder. Außerdem kann
die Radaufhängung
mindestens ein elastisch nachgiebiges Element aus Stahl oder Elastomermaterial
umfassen, das das zugehörige
Rad in horizontaler und/oder in vertikaler Richtung federnd abstützt.
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Die Lenkachse mindestens eines Rades kann
durch eine Radaufhängung
erzeugt werden, die entweder eine reale Lenkachse oder eine virtuelle Lenkachse
bildet.
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Eine reale Lenkachse mindestens eines
Rades wird vorteilhafterweise durch dessen Führung über einen drehbar befestigten
Lenkerarm erzeugt.
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Dagegen wird eine virtuelle Lenkachse
mindestens eines Rades durch dessen Führung über Lenker erzeugt, die eine
ebene oder sphärische
Viergelenkkette oder eine räumliche
Vier- oder Fünflenkerradaufhängung bilden.
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Bei den Lenkachsen kann es sich sowohl
um reale (körperfeste)
oder auch virtuelle Lenkachsen handeln. Kombinationen aus realen
und virtuellen Lenkachsen sind ebenfalls möglich.
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Bei realen oder festen Lenkachsen
drehen sich die Räder
um ein körperfestes
Drehgelenk in einer stets definierten Lage zur Basisplatte. Anstelle
eines Drehgelenks sind auch kinematisch adäquate Gelenke denkbar; wie
z.B. zwei körperfeste
Kugelgelenke, deren Verbindungslinie die Lenkachse festlegt.
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Virtuelle Lenkachsen ergeben sich
dann, wenn das Rad an einem beweglichen Radträger befestigt ist, der seinerseits
durch Lenker geführt
wird; z.B. ebene oder sphärische
Viergelenkkette oder räumliche
Mehrlenkerachse als Vier- oder Fünflenkerradaufhängung. Im
Gegensatz zur festen Lenkachse verändert die virtuelle Lenkachse
i.a. mit zunehmendem Lenkeinschlag ihre Lage im Raum. Mit einer
Ausnahme bei sphärischen
Getrieben.
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Allgemein kann das einspurige Rollsportgerät als Rollschuh
oder als Rollbrett ausgebildet sein, wobei am Rollbrett eine nach
oben gerichtete Haltestange angebracht sein kann, insbesondere um
eine Querachse schwenk- und
in Gebrauchsstellung fixierbar. Eine teleskopisch verkürzbare Haltestange hat
den Vorteil, dass das Rollbrett auf ein kleines Format zusammengeklappt
werden kann.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand
fünf bevorzugter
Ausführungsbeispiele
für die
Radaufhängungen
bei zwei verschiedenen Ausführungen des
Rollsportgeräts
erläutert.
Die 1 und 9 zeigen zwei Ausführungsformen
des Rollsportgeräts,
für die jeweils
konstruktive Varianten der Radaufhängungen nach den 4 bis 8 möglich
sind. In den 2 und 3 werden die fahrphysikalischen
Gesetzmäßigkeiten bei
Kurvenfahrt des Rollsportgeräts
dargestellt.
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Die 1 zeigt
in symbolischer Form die Ausführung
eines vierrädrigen
Rollschuhs, eines Inline-Skaters, mit 4 körperfesten Lenkachsen L1 bis
L4, die um die Winkel λ1
bis λ4 gegenüber der
Senkrechten geneigt sind und die sich im Pol P schneiden. Die Achsen
werden jeweils durch die Drehgelenke D1 bis D4 festgelegt, welche
die vier Radträger
T1 bis T4, an denen die Räder
R1 bis R4 drehbar gelagert sind, mit der festen Basisplatte B verbinden,
die mit dem Schuh S eine starre Einheit bildet.
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Die Drehgelenke D1 bis D4 sind hier
derart angeordnet, dass alle Lenkachsen durch die jeweiligen Radaufstandspunkte
A1 bis A4 (die Berührungspunkte
zwischen den Rädern
und der Fahrbahn) hindurchgehen. Eine solche Anordnung der Lenkachsen hat
diverse Vorteile, auf die später
noch eingegangen wird. Die Lenkachsen müssen allerdings nicht in allen Fällen die
Radaufstandspunkte schneiden; die Ausnahmen werden ebenfalls noch
behandelt. Es ist jedoch ein wesentliches Merkmal der Erfindung,
dass die Lenkachsen zumindest in der Nähe der Radaufstandspunkte vorbeiführen.
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Zur besseren Übersicht wurde in 1 auf die bildliche Darstellung
eines weiteren funktionswichtigen Elements verzichtet: Zur Rückstellung
in die Geradeausstellung benötigen
die Räder
Federungselemente wie Schraubenfedern, Drehstabfedern, Blattfedern,
Gummielemente oder sonstige Elastomerlager. Sie haben die Aufgabe,
dem Lenkeinschlag einen definierten und stetigen Widerstand entgegenzusetzen
(mit linearer oder progressiver Federkennlinie) und bei Beendigung
der Kurvenfahrt die Räder
sukzessive ohne Nachschwingeffekte in die Geradeausstellung zurückzuführen. Hier
ist ein gutes Dämpfungsverhalten
wichtig.
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Die vordere und die hintere Lenkachse,
L1 und L4, sind entsprechend schräger gestellt als bei den mittleren
Rädern,
um einen ausgeprägteren
Lenkeffekt zu erhalten. Dies ist durchaus beabsichtigt, da sich
hierdurch in der Draufsicht, 2,
die Radachsen R1 bis R4 aller Räder
R im Idealfall in einem Punkt schneiden, dem Kurvenmittelpunkt M,
um den sich der Rollschuh momentan bewegt. Die eingezeichneten Kurvenradien
r1 bis r4 der Räder
R1 bis R4 von den jeweiligen Radaufstandspunkten A1 bis A4 zum Kurvenmittelpunkt
M verdeutlichen dies.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird,
wie 3 zeigt, also zur
Erzielung eines Lenkeffekts die Tatsache ausgenutzt, dass bei einem
(im Querschnitt) runden Rad R mit zunehmender Seitenneigung der
Radaufstandspunkt A aus der Radmittelebene zur Seite hin wegwandert,
wodurch die Radaufstandskraft F ein Drehmoment erzeugt, das sich
zur Erzielung eines erwünschten
Lenkeinschlags nutzen läßt. Dieses
Drehmoment nimmt, bei Reifen R mit kreisrundem Querschnittsprofil
der Abrollfläche,
proportional zur Seitenneigung des Rades R zu und ist umso größer, je
breiter das Rad R bzw. der Reifen ist. Damit der Lenkeinschlag in
die richtige Richtung erfolgt, das heißt zu der Seite hin, zu der
das Rad R geneigt ist, müssen
sich die Lenkachsen L1 bis L4 aller Räder R1 bis R4 Idealerweise
in einem Punkt P schneiden, der unterhalb der Fahrbahn liegt; s.a. 1. Falls sich die Lenkachsen
L1 bis L4 (bei mehr als zwei Rädern
R pro Rollschuh), nicht in einem Punkt P schneiden, sind auch hier
Radiereffekte die Folge, die umso stärker sind, je weiter die unterschiedlichen
Schnittpunkte auseinanderliegen; allerdings ist dieser Radiereffekt
wesentlich geringer als bei herkömmlichen
Inline-Skatern ohne Lenkeigenschaften.
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In 3 ist
der physikalische Effekt dargestellt, auf dem der Selbstlenkeffekt
der vorliegenden Erfindung beruht: Das Rad R ist um den Winkel α nach kurveninnen
geneigt, wodurch der Radaufstandspunkt A aus der Radmittelebene
um den Betrag h hinauswandert und die Kraft F (die Resultierende
aus Vertikalkraft V und horizontaler Seitenkraft H) im Fall der
stationären
Kreisfahrt das Moment M = F × h
erzeugt.
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4 ist
eine Seitenansicht des Rades R aus dem Blickwinkel Y von 3. Die Radlenkachse (Lenkachse
L) ist um den Winkel λ zur
Fahrbahn geneigt, so dass das wirksame Moment nur mehr M = (F × h)sin λ beträgt. Bei
Rädern
mit kreisrunder Reifenlauffläche
mit Radius r wird daraus M = F × r
sinα × sinλ. Je stärker also
die Lenkachse L geneigt ist, desto ausgeprägter ist der Lenkeffekt. Daher
sind auch in 1 die vordere
und die hintere Lenkachse, L1 und L4, entsprechend schräger gestellt
als bei den mittleren Rädern
R2 und R3, um einen stärkeren Lenkeffekt
zu erhalten. Dies ist durchaus beabsichtigt, da sich hierdurch in
der Draufsicht (2) die Rad achsen
r1 bis r4 aller Räder
R im Idealfall in einem Punkt schneiden, dem Kurvenmittelpunkt,
um den sich der Rollschuh S momentan bewegt. Die in 2 eingezeichneten Kurvenradien r1 bis
r4 der Räder
R1 bis R4 von den jeweiligen Radaufstandspunkten A1 bis A4 zum Kurvenmittelpunkt
verdeutlichen dies.
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Im Automobilbau wird eine solche „ideale" Lenkgeometrie (bei
der sich alle Radachsen einem Punkt treffen) als „Ackermann-Geometrie" bezeichnet. Wenn
diese eingehalten wird, rollen sämtliche Räder R ohne
jegliche Radiereffekte sauber ab und können somit maximale Seitenkräfte übertragen. Dies
ist auch ein wesentliches Ziel der vorliegenden Erfindung.
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Hervorzuheben ist, dass gemäß 2 sämtliche Räder R1 bis R4, obwohl sie alle
unterschiedliche Lenkwinkel aufweisen, auch in Kurvenschräglage auf
einer Linie die Fahrbahn berühren
und somit auf ebenen Fahrbahnen auch alle ihren Fahrbahnkontakt
aufrecht erhalten. Dies ist ebenfalls eine Voraussetzung zur Übertragung
maximaler Seitenkräfte. Aus 2 geht ferner hervor, dass
bei Verwendung einer ungeraden Räderzahl
(z.B. drei oder fünf)
bei dem Rad R, das lotrecht über
dem Schnittpunkt P aus 1 liegt,
auf eine Lenkung verzichtet werden kann. Es kann starr in Längsrichtung
ausgerichtet an der Basisplatte B angebracht sein.
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In 4 ist
ein Rad R dargestellt, das in Längsrichtung
gesehen hinter dem Punkt P aus 1 angebracht
ist, da dessen Lenkachse L schräg nach
vorne unten geneigt ist. In solchen Fällen ist der Nachlaufwinkel λ positiv.
Zudem geht hier die Lenkachse L nicht genau durch den Radaufstandspunkt A,
sondern verfehlt ihn um den Nachlauf n. Der Nachlauf n ist nicht
in jedem Fall erforderlich, sondern dient als Option, dass das Rad
R ruhiger läuft.
Mit dem Nachlauf n stabilisiert sich das Rad R selbst, so dass zur
Rückstellung
des Rades R in die Geradeausstellung keine so hohen Federkräfte erforderlich sind.
Allerdings sollte n nicht zu groß gewählt werden, damit der Radauf standspunkt
A in seiner Kreisbewegung um die Lenkachse L keine allzu großen Geometrieänderungen
bewirkt:
Beim Lenkeinschlag bewegt sich der Radaufstandspunkt
A relativ zur Basisplatte B nach oben; d.h. der Schuh S wird etwas
abgesenkt.
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In der Draufsicht wandert der Radaufstandspunkt
A aus der Mittelebene des Rollschuhs nach kurvenaußen, woraus,
in Verbindung mit Schräglage des
Rades um den Winkel α,
eine zusätzliche
Absenkung des Schuhs S erfolgt.
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Beide Effekte bewirken, dass zum
Beendigen der Kurvenfahrt die Rückstellung
des Rades R in die Geradeausstellung, gegen das Gewicht des Fahrers,
erschwert wird. Bei einem Vorderrad, bei dem die Lenkachse L nach
hinten unten geneigt ist und einen negativen Nachlaufwinkel λ besitzt,
bewegt sich der Radaufstandspunkt A in der Draufsicht ebenfalls nach
kurvenaußen,
in der Seitenansicht allerdings, bei positivem Nachlauf n, nach
unten, hebt also den Schuh an. Die Rückstellung wird daher weniger
beeinträchtigt.
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Das Herauswandern der Radaufstandspunkte
A aus der Mittelebene bei Kurvenfahrt hat zudem zur Folge, dass
bei Verwendung eines nicht gezeichneten, ungelenkten Zentralrades
die Radaufstandspunkte A nicht mehr in einer Linie liegen, so dass
in Kurvenschräglage,
insbesondere bei großen
Nachlaufstrecken n, einzelne Räder
R abheben können.
In Längsrichtung
dagegen wird das Absenken des Rollschuhs am Hinterrad R4 durch ein
Anheben am Vorderrad R1 weitgehend kompensiert, was aber eine Schrägstellung
des Schuhs S zur Folge hat.
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Der Nachlauf n sollte auch deshalb
möglichst klein
gewählt
werden, weil sich die Seitenkraft proportional zum Nachlauf n als
Störgröße des erfindungsgemäßen Lenkeffekts
bemerkbar macht. Aus 3 geht
hervor, dass sich die Radaufstandskraft F in eine vertikale Komponente,
Vertikalkraft V und eine horizontale Komponente, Seitenkraft H,
zerlegen lässt.
Die Seitenkraft H wirkt zwar in der richtigen Richtung, d.h. sie
unterstützt
den erfindungsgemäßen Lenkeffekt,
doch ist sie sehr stark vom Reibwert des Rades R mit der Fahrbahn
abhängig.
Reibwertänderungen,
z.B. das Überfahren
von feuchtem Laub, Rollsplit oder Pfützen, wirken sich daher unmittelbar
auf den Lenkeinschlag aus. Die Vertikalkraft V ist dagegen ausschließlich vom
Gewicht des Fahrers und seiner Ausrüstung abhängig und damit konstant (so
lange der Fahrer nicht durch dynamische Gewichtsverlagerung bewusst überlagerte
Lenkwinkeländerungen
herbeiführt).
Daher ist es für
die Laufruhe des Rollschuhs vorteilhaft, wenn die Seitenkraft H keine
oder nur eine untergeordnete Rolle in Relation zur Vertikalkraft
V spielt. Falls die Lenkachse L durch den Radaufstandspunkt A geht,
erzeugt, mit Nachlauf n = null, die Seitenkraft H kein Drehmoment.
Bei kleinen Nachlaufstrecken n ist das Störmoment entsprechend gering.
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Konstruktiv ist das Drehlager D in 4 als Torsions-Gummilager
mit einer Zwischenhülse
ausgeführt
und übt
somit eine Doppelfunktion aus: Es legt einerseits durch seine Geometrie
die Lenkachse L fest und sorgt andererseits nach einer Lenkbewegung
durch die (Torsions-) Federspannung des Gummis für die Rückstellung des Rades R. Die
Zwischenhülse
bewirkt, dass das Gummilager in zwei konzentrische Gummifedern aufgeteilt
wird, wobei in axialer Richtung die Federn in Reihe geschaltet,
in radialer Richtung dagegen parallel geschaltet sind. Dadurch kann
das Gummilager relativ torsionsweich ausgelegt werden und es lässt dem
Rad R auch in axialer Richtung viel Bewegungsspielraum zum Abfedern von
Bodenunebenheiten. Gleichzeitig ist das Gummilager aber steif gegenüber radialen
und kardanischen Auslenkungen, so dass das Rad R einigermaßen exakt
geführt
wird.
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Eine Federung der Räder R in
vertikaler Richtung ist in speziellen Anwendungsfällen von
Vorteil, wenn der Rollschuh S überwiegend
im Gelände oder
auf unebenen Fahrbahnen (z.B. Kopfsteinpflaster) eingesetzt werden
soll.
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Auf gut ausgebauten ebenen Wegen
ist die Vertikalfederung eher nachteilig. Zwar verbessert das weichere
Abrollen der Räder
R den Fahrkomfort, doch bei Schlittschuhschritten erhöht die Federarbeit beim
ständigen
Ein- und Ausfedern den Kraftaufwand erheblich. Anstelle des Torsions-Gummilagers kann
dann ein Kugellager oder sonstiges Drehlager D eingesetzt werden,
das keine Federungsbewegung in axialer Richtung zulässt und
das Rad R noch exakter führt.
Dann ist jedoch für
die Lenkungsrückstellung
eine Rückstelleinrichtung
mit separaten Federungselementen erforderlich.
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5 zeigt
eine Radaufhängung
in Geradeausstellung, bei der sich das Rad R1 nicht um eine feste,
sondern um eine virtuelle Lenkachse L1 dreht. Virtuelle Lenkachsen
L bieten sich dort an, wo ein reales (körperfestes) Drehgelenk D z.B.
aus Platzgründen
störend
wäre. Im
vorliegenden Beispiel handelt es sich um ein Vorderrad R1 mit einer
sehr stark geneigten Lenkachse L1. Ein festes Drehgelenk müsste hier
vor und über
dem Rad R1 angeordnet werden. Und zwar entweder vor dem Schuh S,
was den Rollschuh verlängert
oder unter dem Schuh S, was die Bauhöhe vergrößert. Zudem wäre der optische
Gesamteindruck erheblich beeinträchtigt.
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Die virtuelle Lenkachse L1 wird dadurch
erzeugt, dass der Radträger
T, aus Kunststoff, in der Art einer Viergelenkkette mit vier Drehgelenken
D', D'', D''' und D'''' versehen ist, die als Filmscharniere
ausgeführt
sind. Die beiden Hälften
T' und T" des Radträgers T sind
an der Basisplatte B angeschraubt und so gestaltet, dass sie in
vorteilhafter Weise den toten Raum zwischen den Rädern ausfüllen. Wird
das Rad R1 durch eine im Radaufstandspunkt A schräg eingeleitete
Kraft F seitlich ausgelenkt, wirken die beiden Träger-Abschnitte,
die zwischen den Drehpunkten D'' und D' bzw. D''' und
D'''' liegen,
wie die Lenker einer ebenen Viergelenkkette, so dass sich der radtragende
Abschnitt zwischen D''und D''' momentan
um den Punkt MP dreht (sog. Momentanpol). Die Lenkachse L1 geht
durch diesen Momentanpol MP und verläuft parallel zu den Drehachsen
der Filmscharniere. Anstelle der Film scharniere lassen sich auch
Klavierscharniere oder beliebige andere Drehgelenke einsetzen. Weiterhin
sind anstelle der vier Drehgelenke auch andere Varianten der Viergelenkkette
denkbar, z.B. 2 Drehgelenke kombiniert mit 2 Schubgelenken.
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Im Vergleich zu körperfesten Lenkachsen eröffnen virtuelle
Lenkachsen wesentlich erweiterte kinematische Variationsmöglichkeiten.
So lassen sich u.a. die Lenkerlängen
(Abstand zwischen D'' und D' bzw. D''' und
D''''),
der Öffnungswinkel
zwischen den Lenkern sowie die Länge
des radtragenden Gliedes (zwischen D'' und
D''') nahezu beliebig variieren. In 5 sind diese geometrischen
Größen so gewählt, dass
der Radaufstandspunkt A in der Draufsicht bei seiner Wanderung durch
ein Einlenken des Rades R1 weitgehend in der Radmittelebene bleibt.
Damit liegen auch in Kurvenschräglage
die Radaufstandspunkte A1 bis A4 sämtlicher Räder R1 bis R4 und auch eines
eventuell vorhandenen ungelenkten Zentralrades auf einer Linie.
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Für
die Rückstellung
in die Geradeausstellung sorgen als Rückstelleinrichtung zwei Elastomer-Elemente
E' und E'', die zwischen den beiden beweglichen
Trägerabschnitten
(D''/D' sowie D'''/D'''') einerseits und
Ausnehmungen in der Basisplatte B andererseits unter Vorspannung
eingelegt sind und dem Einlenken des Rades R1 einen Widerstand entgegensetzen.
Als Elastomer bietet sich z.B. geschäumtes PUR an, das sehr kompressibel
ist und das neben guten Federungseigenschaften auch ein ausgezeichnetes
Dämpfungsverhalten
aufweist. Die Elemente E' und
E'' wirken wie zwei
parallel geschaltete Federn: Beim Lenken wird eine Feder komprimiert,
während
die andere expandiert. Beide Federn sind vorgespannt, d.h. in der
Mittellage heben sich die Federkräfte gegenseitig auf und sorgen
für einen definierten
Geradeauslauf.
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Ein weiteres Beispiel für eine Rollschuh-Lenkung
mit virtueller Lenkachse L ist in 6 dargestellt.
Anstelle des Viergelenk-Radträgers
mit vier Film scharnieren aus 5 ist
hier ein Federstahl-Radträger
mit ähnlicher
Funktion eingesetzt. Die Funktionsweise ist aus dem Schnittbild
ersichtlich, in dem das Rad bei vollem Lenkeinschlag mit dadurch
elastisch verformten Radträgern
gezeichnet ist; die Ausgangslage, Geradeausstellung, ist hierbei gestrichelt
dargestellt. Aufgrund ihrer Geometrie sind die beiden Federstahlplatten
T' und T'' ähnlich
wie Blattfedern steif bzgl. Zug- und Druck, jedoch relativ weich
auf Biegebeanspruchung. Da beide Federstahlplatten T' und T'' über
die Radnabe N miteinander verschraubt sind, ist der Gesamtverbund
auch torsionssteif, so dass das Rad R stets exakt geführt ist
und nur über
einen Lenkungsfreiheitsgrad verfügt. Kinematisch
verhält
sich der Verbund in etwa so wie eine Viergelenkkette aus vier Drehgelenken. Ähnlich Blattfedern
setzen die Federstahlplatten T' und
T'' der Lenkbewegung
einen Widerstand entgegen, so dass bei passender Auslegung auf zusätzliche
Federelemente verzichtet werden kann. Anstelle Federstahl, dessen
Materialeigenschaften nur einen sehr engen Auslegungsspielraum zulassen,
können
auch andere Materialien eingesetzt werden, z.B. faserverstärkte Kunststoffe,
deren Elastizitätsmodul
sich u.a. über den
Faseranteil variieren lässt.
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Im Gegensatz zu 5 ist hier die Lenkachse L so gewählt, dass
das Rad R um seine Mittellage herum stets in Nachlauf läuft, das
heißt,
der Radaufstandspunkt A liegt in Fahrtrichtung gesehen hinter dem
Durchstoßpunkt
der Lenkachse L durch die Fahrbahn, und sich daher selbst stabilisiert.
Erst bei relativ großen
Lenkausschlägen
wandert der Momentanpol MP auf der Polbahn p soweit nach hinten (zu
MP'), dass die Lenkachse
L' hinter dem Radaufstandspunkt
A' die Fahrbahn
durchstößt und der Nachlauf
des Rades R negativ wird. Dieses Verhalten wird allerdings durch
einen zweiten kinematischen Effekt überkompensiert, der aus der
Lageänderung des
Radaufstandspunkts A resultiert: Die geometrischen Parameter sind
hier so gewählt,
dass bei einer Lenkbewegung der Radaufstandspunkt A nach kurveninnen,
zu A', wandert,
so dass in Verbindung mit der Kurvenschräglage der Rollschuh etwas angehoben
wird. Das führt
dazu, dass nach Beendi gung der Kurvenfahrt das Fahrergewicht dazu
beiträgt,
die Räder
R in die Geradeausstellung zurückzuführen (Gewichtsrückstellung).
Dieser kinematische Effekt lässt sich
soweit steigern, dass unter Umständen
ganz auf Federelemente zur Rückstellung
in die Geradeausposition verzichtet werden kann.
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Auch in 7 ist die Lenkachse L virtuell ausgeführt. Im
Gegensatz zu den Ausführungsformen
in 5 und 6 basiert die Kinematik jedoch nicht auf
einer ebenen, sondern einer sphärischen
Viergelenkkette; d.h. die Drehachsen der vier Drehgelenke sowie
die Lenkachse L verlaufen nicht parallel zueinander, sondern schneiden
sich alle in einem Punkt (hier im Radaufstandspunkt A). Beim Lenken ändern die
Lenkachse L wie auch die vier Drehachsen d', d'', d''',
d'''' der
Drehgelenke D',
D'', D''',
D'''' zwar
ihre räumliche
Lage, gehen aber stets durch den Radaufstandspunkt A. Dadurch behält dieser
auch immer seine relative Lage zur Basisplatte B bei, was insbesondere
dann von großem
Vorteil ist, wenn die nur teilweise gezeichneten gelenkten Räder R1 bis
R4 mit einem nicht gezeichneten ungelenkten zentralen Rad kombiniert
werden sollen, dessen Nabe fest mit der Basisplatte B verbunden
ist. Wie bei den körperfesten
Lenkachsen L1 bis L4 in 1,
die ebenfalls durch den jeweiligen Aufstandspunkt A1 bis A4 verlaufen,
bleiben auch hier die Radaufstandspunkte A1 bis A4 sämtlicher
Räder R1
bis R4 stets auf einer Linie.
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Eine weitere Besonderheit in 7 ist die optisch ansprechende
verdeckte Anordnung der Räder
R1 bis R4, bei der die Radnabenverschraubung im montierten Zustand
nicht mehr sichtbar ist. Da zur Montage bzw. Demontage der Räder R1 bis
R4 jeweils die radseitigen Gelenke D" und D"' um
nahezu 180 Winkelgrad ausgelenkt werden müssen, sind diese hier (im Gegensatz
zu den beiden vorangegangenen Ausführungsbeispielen) in der Art
eines Klavierscharniers ausgeführt.
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8 zeigt
den allgemeinen Fall einer räumlichen
Radaufhängung
in Form einer Mehrlenker-Aufhängung.
Zur Fixierung eines Körpers
im Raum sind mindestens sechs Lenker erforderlich; mit fünf Lenkern
verbleibt dem Körper
ein Freiheitsgrad der Bewegung, mit vier Lenkern bleiben zwei Freiheitsgrade.
In 8 ist ein Beispiel
für eine
derartige Vier-Lenker-Radaufhängung
dargestellt, die dem Rad neben dem originären Lenkungsfreiheitsgrad einen
zweiten Freiheitsgrad für
vertikale Federungsbewegungen überlässt. Die
Anordnung der Lenker 01 bis 04 ist – zumindest in der Draufsicht – ähnlich einer Viergelenkkette
gemäß 5 oder 6, jedoch erlauben die nahezu beliebigen
räumlichen
Variationsmöglichkeiten
der Lenker, in Länge
und Lage, zusätzliche
kinematische Effekte. So ist aus der Seitenansicht ersichtlich,
dass die oberen beiden Lenker (01 und 02) mit den unteren Lenkern
(03 und 04) in einem Winkel y zueinander stehen, so dass sie sich beim
Ein- und Ausfedern um einen gemeinsamen Momentanpol MP3 drehen,
dem Vertikalbewegungs-Momentanpol. Im eingefederten Zustand – gestrichelt
eingezeichnet – bewegen
sich mitsamt den Lenkern 01 bis 04 auch deren jeweilige Lenkbewegungs-Momentanpole
MP1 und MP2 nach oben in ihre neue Position MP1' und MP2' und bringen dadurch auch die Lenkachse
L in eine neue Lage L'.
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Der Winkel γ in der Seitenansicht ist in
diesem Beispiel so gewählt,
dass sich beim Einfedern der Nachlaufwinkel λ verkleinert zu λ' und sich die Nachlaufstrecke
n entsprechend vergrößert zu
n'. Hierbei ist
anzumerken, dass die Räder
R nicht nur aufgrund von Bodenunebenheiten einfedern, sondern auch
bei Kurvenfahrt, wenn die Fliehkraft eine Seitenkraft erzeugt und
dadurch auch die Radaufstandskraft F zunimmt. Durch die hieraus
resultierende Vergrößerung des
Nachlaufs n auf n' wird
der zur 6 beschriebene
kinematische Effekt, dass beim Lenken infolge der Wanderung des
Momentanpols MP i.a. die Nachlaufstrecke verkürzt wird, in etwa kompensiert.
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Da sämtliche Lenker 01 bis 04 auf
Druck belastet sind, können
ihre Verbindungsgelenke als kostengünstige Kugel-Axialgelenke ausgeführt werden. Radseitig
sind sie mit den Radträgern
T1 und T2 verschraubt, auf der anderen Seite mit einem Halter H, der
seinerseits an der Basisplatte B befestigt. Sowohl am Halter H als
auch an den Radträgern
T1 und T2 sind Federteller zur Aufnahme der Druckfedern E1 und E2
angeformt (Vertikalfederung). Zur Aufnahme der Zugfedern E3 und
E4 für
die Lenkungsrückstellung
(in der Draufsicht nicht dargestellt) sind Halter und Träger mit
Bohrungen versehen. Anstelle der Zugfedern könnten auch Druckfedern eingesetzt werden,
bräuchten
dann aber ebenfalls Federteller zu ihrer Führung. Nicht eingezeichnet
ist ein vertikaler Zuganschlag beliebiger Art, der den Ausfederweg der
Druckfeder begrenzt und ein Herausfallen der Feder verhindert.
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In 9 ist
eine weitere Ausführungsform des
Rollsportgeräts
dargestellt, bei der die Basisplatte B vom Fahrer über einen
Hebel, ausgebildet als starre Kippstange K, in Kurvenschräglage gebracht wird.
Zu Transportzwecken kann die Kippstange K nach hinten umgeklappt
und teleskopartig verkürzt werden.
Für eine
komfortable Bedienung trägt
sie im vorliegenden Beispiel einen Kugelkopf. Für den nicht gezeichneten Fahrer,
der zum Beispiel mit beiden Füßen auf
der Basisplatte B stehen kann, reicht es dabei zur Auslösung des
erfindungsgemäßen Lenkeffekts
aus, dass er die Kippstange K seitlich abkippt.
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Unterhalb der Basisplatte B können sämtliche
bisher beschriebenen Ausführungsformen
der Räderführung Verwendung
finden.
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Der erfindungsgemäße Lenkeffekt lässt sich bei
allen Ausführungsformen
der Erfindung vorteilhafterweise auf vielerlei Weise beeinflussen.
Zum Beispiel durch die Lage der.. Lenkachse, denn je schräger diese
liegt, d.h. je größer der
Winkel λ ist, desto
stärker
ist der Lenkeffekt. Außerdem
durch den Nachlauf n, denn je größer dieser
am Vorderrad ist, desto stärker
ist der Lenkeffekt. Während
der Lenkeffekt am Hinterrad dadurch vergrößert werden kann, dass der
Betrag des negativen Nachlaufs -n größer gewählt wird. Der erfindungsgemäße Lenkeffekt
lässt sich
auch durch die Breite des Rades im Verhältnis zum Raddurchmesser beeinflussen,
denn je größer der
Hebelarm h ist, desto stärker
ist der Lenkeffekt. Dieser Parameter lässt sich auf einfache Weise
dadurch variieren, dass Räder
unterschiedlicher Breite eingesetzt werden. Außerdem durch die Schräglage des
Rades, denn je größer der
Winkel α,
desto größer auch
der Hebelarm h. Da eine größere Schräglage die
Folge einer höheren
Querbeschleunigung ist, nimmt dadurch auch die Kraftresultierende
F zu. Und durch die Radaufstandskraft F, denn deren vertikale Komponente
V setzt sich aus der statischen Kraft (Gewicht des Fahrers und der
Rollschuhe) und einer dynamischen Komponente zusammen, die der Fahrer
durch Hoch/Tief-Bewegungen erzeugen und gezielt zur Beeinflussung
des Lenkeffekts einsetzen kann. (Die horizontale Komponente H, die
Seitenkraft, resultiert aus der aktuellen Querbeschleunigung). Zusätzlich noch
durch die Federrate der Rückstellfeder,
denn je weicher die Feder (d.h. je geringer die Rückstellkraft),
desto größer ist
der Lenkwinkel.