DE19630447A1 - Hydrostatischer Antrieb mit Steuereinheit für Zweiräder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen hydrostatischen Antrieb mit Steuereinheit für Zweiräder, der aufgrund seiner erfindungsgemäßen Ausgestaltung insbesondere für Fahrräder geeignet ist.

Gemäß dem derzeitigen Stand der Technik erfolgt der Antrieb eines Fahrrades von einer muskelkraftbetätigten Tretkurbel über eine Rollenkette auf ein Ritzel, welches mit dem Hinterrad verbunden ist. Sollen hierbei unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse realisiert werden, erfolgt dies entweder durch Ziehkeil-geschaltete Planetengetriebe, die in die Nabe des Hinterrades integriert sind, oder durch das Umlegen der Rollenkette auf verschiedene Kettenradsätze. Vereinzelt bekannt geworden sind auch Kardanantriebe von der Tretkurbel zum Hinterrad. Bei Naben-integrierten Getrieben kann das Abbremsen des Hinterrades durch Zurücktreten der Tretkurbel mittels einer dadurch betätigten Naben- integrierten Bremse erfolgen. Nachteilig insbesondere im sportlichen Einsatz ist bei dieser Antriebsart jedoch die relativ geringe Anzahl von realisierbaren Übersetzungsstufen.

Kettengeschaltete Fahrräder benötigen aufwendige Kettenspann­ einrichtungen, die eine Kraftübertragung über den unteren normalerweise unbelasteten Kettentrumm über eine Rücktritt­ bewegung der Tretkurbel zum Abbremsen des Hinterrades verhindern. Deshalb ist bei einem solchen Antriebskonzept eine separate handbetätigte Bremse erforderlich, die in der Regel als Felgenbremse ausgeführt ist. Die Wirkung einer solchen Bremse kann negativ beeinflußt werden durch Schmutz und Nässe, desweiteren ist eine sichere Abdeckung und Führung der Rollenkette bei kettengeschalteten Fahrrädern, insbeson­ dere beim Off-road-Einsatz nicht unproblematisch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine geeignete Vorrichtung ein Antriebskonzept für Zweiräder, insbesondere Fahrräder zu realisieren, das die beschriebenen Nachteile bekannter Antriebssysteme vermeidet, und dennoch weitere vorteilhafte Eigenschaften, wie Rücktrittbremse, Anti-Blockiersystem, Bremswirkung unbeeinflußt von Witterungseinflüssen, stufenlose Änderungen der Übersetzung auch unter Last und, falls gewünscht, Allradantrieb und Rückwärtsfahrt ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. In den Ansprüchen 2 bis 6 sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung beschrieben. Das Wesen der vorliegenden Erfindung wird durch die Fig. 1 bis 5 weiterhin erläutert.

Es veranschaulichen:

Fig. 1 einen Fahrradantrieb mit den Komponenten und Vorrich­ tungen zur Realisierung des neuen Antriebskonzeptes;

Fig. 2 einen Fahrradantrieb mit den Komponenten und Vorrichtungen zur Realisierung des neuen Antriebs­ konzeptes, ausgeführt als nachrüstbarer Allradan­ trieb;

Fig. 3 einen Hydraulikplan des Antriebes und der Steuerein­ richtung;

Fig. 4 einen Hydraulikplan für ein allradgetriebenes Fahrrad;

Fig. 5 einen Hydraulikplan des Antriebes und der Steuereinrichtung für ein Motorrad mit Seitenwagen.

Das Antriebskonzept basiert auf einer hydrostatischen Kraftübertragung mit den Komponenten Verstellpumpe (1), vorzugsweise ausgeführt als Axialkolbenpumpe, die in das Tretlager des Fahrrades integriert und direkt mit den Tretkurbeln gekoppelt ist, Hydromotor (2, 6), vorzugsweise ausgeführt als in die Nabe des Hinterrades integrierter Konstant-Radialkolbenmotor, und der Hydraulik-Steuereinrich­ tung (3). Sollen Fahrräder mit diesem Antriebskonzept nachgerüstet werden, kann die Verstellpumpe als kompakte Einheit (8) mit integrierter Hydrauliksteuerung an geeigneter Stelle des Fahrradrahmens montiert werden. Der Antrieb der Pumpe erfolgt dann vom mit der Tretkurbel verbundenen Kettenrad (5) über eine konventionelle Rollenkette oder ein alternatives Getriebeelement, wie z. B. einen Zahnriemen­ trieb. Zusätzlich zum Hinterrad kann auch das Vorderrad mit einem Hydraulik-Nabenmotor (7) ausgerüstet werden, der sich mittels flexibler Hydraulikschläuche problemlos ebenfalls an die Pumpen-Steuereinheit (8) oder im Falle einer Tretlager­ integrierten Pumpe (1) an die Steuereinheit (3) anschließen läßt.

In der Steuereinheit (3, 8, 10) sind im Wesentlichen die Komponenten Freilaufschaltung (11, 12), Druckbegrenzung (13, 14), Antiblockiereinrichtung (15, 16, 17, 18) und Fördervolumeneinstellung (19) integriert.

Wird die Verstellpumpe (20) nicht von der Tretkurbel (21) angetrieben, wirkt im Freilaufbetrieb der in dem drehenden Hinterrad (22) integrierte Nabenmotor (23) als Pumpe. Der erzeugte Volumenstrom wird über das Bypass-Ventil (11) geleitet und so dem Hydromotor (23) in einem geschlossenen Kreislauf wieder zugeführt, so daß ein nahezu reibungsfreier Lauf des Hinterrades (22) möglich ist. Wenn die Verstellpumpe (20) von der Tretkurbel angetrieben wird, erfolgt durch den zusätzlich zum Hydromotor geförderten Volumenstrom ein Druckaufbau im Leitungssystem, so daß an beiden Steuerkolben des Bypassventils (11) ein Steuerdruck vorhanden ist. Aufgrund der verschieden großen Kolbenquerschnitte der Steuerkolben des Bypassventils (11) wird dieses betätigt und der Bypass geschlossen, so daß nunmehr der gesamte von der Verstellpumpe (20) erzeugte Volumenstrom auf den Hydromotor (23) geleitet und dieser somit angetrieben wird. Das Übersetzungsverhältnis ergibt sich somit aus dem Verhältnis zwischen Fördervolumen der Verstellpumpe (20) und konstantem Schluckvolumen des Hydromotors (23). Wird das Fördervolumen der Verstellpumpe (20) verändert, erfolgt damit eine stufenlose Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Antriebes. Die Einstellung des Fördervolumenstromes der Verstellpumpe (20) geschieht durch einen hydraulischen Stellzylinder (24), der von dem Stellventil (19) angesteuert wird. Die Betätigung des Stellventils (19) kann von ergonomisch günstig am Fahrradlenker angeordneten Bedien­ elementen, wie Daumenhebel oder Drehgriff (4, 9), über Seilzüge vorgenommen werden.

Der erforderliche Steuerdruck für die Betätigung des Stellzylinders (24) wird aus dem Hydraulik-Arbeitskreis über Rückschlagventile (25, 26) entnommen.

Wenn während des Freilaufbetriebs die Tretkurbel (21) rückwärts bewegt wird, erzeugt die Verstellpumpe (20) einen Volumenstrom in entgegengesetzter Richtung. Ein in der Rücklaufleitung (27) angeordnetes Rückschlagventil (18) verhindert dabei ein Abfließen dieses Volumenstromes über das Bypassventil (11) so daß wiederum ein Steuerdruck über das Rückschlagventil (26) aufgebaut wird, welcher das Bypass­ ventil (11) zu schließen beginnt. Die hierdurch bewirkte Drosselung des vom Hydromotor (23) des Hinterrades (22) erzeugten Volumenstroms führt zu einer Druckerhöhung in der Rücklaufleitung (27), die ein Abbremsen des Hydromotores (23) und somit des Hinterrades (22) bewirkt.

Im Falle eines Blockierens des Hinterrades (22) kommt der Hydromotor (23) ebenfalls zum Stillstand, d. h. es wird von diesem kein Volumenstrom mehr umgewälzt. Ein in die Vorlaufleitung (28) eingeschleifter Volumenstromsensor (15) wirkt auf ein Steuerventil (16) in der Weise, daß dieses nur bei vorhandenem Volumenstrom betätigt wird, ansonsten aber von einer einstellbaren Rückstellfeder in seine Ruheposition geschaltet wird. In Ruheposition, d. h. kein Volumenstrom in der Vorlaufleitung (28) erkennbar, kann somit der in der Rücklaufleitung (27) vorhandene Bremsdruck über das Steuer­ ventil (16) auf des Druckablaßventil (17) wirken, welches sofort den Steuerdruck vom Bypaßventil (11) weg zu der nun praktisch drucklosen Vorlaufleitung ableitet. Das bedeutet, das Bypassventil (11) fällt ab in Ruheposition, der in der Rücklaufleitung (27) vorhandene Bremsdruck kann über das Bypassventil (11) zur Vorlaufleitung (28) abgeleitet werden, der Hydromotor (23) und damit das Hinterrad (22) kann wieder frei drehen. Der nunmehr wieder vorhandene Volumenstrom in der Vorlaufleitung (28) wird vom Volumenstromsensor (15) erkannt, damit das Steuerventil (16) angesteuert. Dies bewirkt ein Zurückschalten des Druckablaßventils (17) in Ruheposition, d. h. bei vorhandener Rücktrittbewegung der Tretkurbel (21) baut sich der Steuerdruck wieder auf, das Bypassventil (11) beginnt erneut den Bypass zu schließen, so daß sich der Bremsdruck erneut in der Rücklaufleitung (27) aufbaut.

Einstellbare, in beide Richtungen wirkende Druckbegrenzungs­ ventile (13, 14), welche zwischen Vorlaufleitung (28) und Rücklaufleitung (27) angeordnet sind, verhindern den Aufbau eines unzulässig hohen Druckes im Arbeitskreis.

Für extreme Off-road oder Stunt-Einsätze kann die Verstellpumpe (20) direkt mit dem Hydromotor (23) gekoppelt werden, d. h. durch Zurücktreten der Tretkurbel (21) wird auch das Hinterrad (22) entsprechend dem gewählten Übersetzungs­ verhältnis rückwärts angetrieben. Hierfür wird am Steuergerät ein Hebel (12) betätigt, der einerseits das Rückschlagventil (18) dauernd sperrt und andererseits das Bypassventil (11) dauernd betätigt, also den Bypass verriegelt. Die Betätigung dieses Hebels kann auch mit geeigneten, am Fahrradlenker angeordneten Bedienelementen über Seilzüge erfolgen.

Die weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Antriebes besteht darin, daß es problemlos möglich ist, auch einen im Vorderrad des Fahrrades integrierten Naben-Hydromotor (7, 29) mittels flexiblen Hydraulikschläuchen und eines Zuschaltventils (30) an die Steuereinheit (31) anzuschließen. Wird also das Zuschaltventil (30), welches sinnvollerweise räumlich der Steuereinheit (31) zugeordnet ist, mit Hilfe von am Fahrrad­ lenker angeordneten Bedienelementen über Seilzüge o. ä. betätigt erhält das Vorderrad die gleichen Antriebs- Freilauf- und Bremsfunktionen wie das Hinterrad. Dies bedeutet, insbesondere beim sportlichen Off-road-Einsatz wird eine bislang nicht mögliche maximale Traktion erreicht. Ebenfalls als vorteilhaft für solche Anwendungen erweist sich, daß sich gleichzeitig mit dem Zuschalten des Allradantriebes eine Erhöhung der eingestellten Getriebeübersetzung ergibt, da sich das abtriebsseitige Schluckvolumen verdoppelt.

Die Einbindung des Vorderradantriebs (29) in das Antiblockiersystem der Steuereinrichtung (31) erfolgt mittels eines separaten in die Vorlaufleitung (32) des Vorderrad­ antriebs (29) eingeschleiften Volumenstromsensors (33), der auf ein separates Steuerventil (34) wirkt. Das Steuerventil (34) ist parallel geschaltet zum Steuerventil (16), d. h. es kann ebenfalls im Falle eines Blockierens des Vorderrades in Ruhestellung zurückfallen und den Bremsdruck parallel zum Steuerventil (16) auf das Druckablaßventil (17) schalten, so daß in der beschriebenen Weise der Bremsdruck über das Bypassventil (11) abgebaut wird.

Zuschaltventil (30), Volumenstromsensor (33) und Steuerventil (34) können entweder in die Steuereinheit (31) integriert oder aber als kompakte Einheit als Nachrüstsatz an die Steuereinheit (31) angeschlossen werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Antriebes besteht darin, daß er in leistungsmäßig angepaßter Ausführung in modifizierter Form auch als Motorradantrieb Verwendung finden kann (s. Fig. 5). Hierbei wird die Verstellpumpe (35) von einem Verbrennungsmotor (36) angetrieben. Um zu ermöglichen, daß auch bei stehendem Fahrzeug und laufendem Motor (36) und angetriebener Pumpe (35) kein Volumenstrom zu den Hydromotoren (37, 38, 39) gefördert wird, kann der auf das Bypassventil (40) wirkende Steuerdruck mit Hilfe eines per Fußhebel betätigten Steuerventils (41) weggeschaltet werden. Dies bedeutet, bei Ruhestellung des Steuerventils (41) ist ein konventioneller Leerlaufbetrieb vorhanden. Zum Anfahren des Fahrzeugs wird das Steuerventil (41) per Fußschalthebel betätigt und damit das Bypassventil (40) mit Steuerdruck beaufschlagt, so daß dieses den Bypass schließt und dadurch ein Volumenstrom von der Verstellpumpe (35) zu den Hydromotoren (37, 38, 39) gefördert wird.

Das Abbremsen des Fahrzeugs kann durch eine in der Rücklaufleitung (43) eingeschleifte Verstelldrossel (42) erfolgen. Betätigt wird die Verstelldrossel (42) von einem Bremszylinder (45), der von einem Fußhebel-betätigten Bremsventil (44) angesteuert wird.

Die Anti-Blockler-Einrichtung wird wiederum durch den in der Vorlaufleitung (46) eingeschleiften Volumensensor (48), dem Steuerventil (47) sowie dem Druckablaßventil (49) gebildet. Ist in der Vorlaufleitung (46) kein Volumenstrom vorhanden, d. h. blockiert das Hinterrad, wird dies vom Volumenstrom­ sensor (48) erfaßt und das Steuerventil (47) nicht mehr angesteuert, d. h. es fällt in Ruheposition zurück.

Hierdurch wird das Druckablaßventil (49) angesteuert, welches den Druck in der Rücklaufleitung (43) über das Rückschlag­ ventil (50) zur Vorlaufleitung (46) ableitet, so daß das Hinterrad wieder frei drehen kann.

Insbesondere bei schweren Motorrädern mit Seitenwagen ist es möglich, weitere Nabenmotore (38, 39) für Seitenwagenrad und Vorderrad an die Steuereinheit anzuschließen. Es besteht die Möglichkeit, diese Antriebe bei Bedarf separat mit den manuell betätigten Zuschaltventilen (51, 52) zuzuschalten. Auch bei diesen Rädern werden separate Anti-Blockiereinrich­ tungen durch die Volumenstromsensoren (53, 54) und die Steuerventile (55, 56) gebildet. Diese von den Volumenstromsensoren (53, 54) betätigten Steuerventile (55, 56) wirken parallel zu dem Steuerventil (47) auf das Druckablaßventil (49) in der beschriebenen Weise.

Eine ebenfalls bei solchen schweren Motorrädern mit Seitenwagen wünschenswerte Motor-getriebene Rückwärtsfahrt wird dadurch realisiert, daß die vorzugsweise als Axialkolbenpumpe ausgeführte Verstellpumpe (35) mit einer Möglichkeit der Förderrichtungsumkehr z. B. durch Verstellen der Taumelscheibe über den Nullhub hinaus versehen wird.

Claims (6)

1. Hydrostatischer Antrieb für Zweiräder mit einer Verstellpumpe mit veränderlichem Volumenstrom und einem in der Nabe des Antriebsrades integrierten Hydromotor, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydromotor (2, 23) über eine hydraulische Steuereinheit (3, 10) in der Weise mit der Verstellpumpe (1, 20) verbunden ist, daß ein in Ruhestellung als Bypass wirkendes Steuerventil (11) eine Freilauffunktion des Antriebsrades (22) ermöglicht und in betätigtem Zustand ein geschlossener Volumenstromkreislauf (27, 28) zwischen Verstellpumpe (1, 20) und Hydromotor (2, 23) vorhanden ist, der einerseits den Antrieb des Hydromotors (2, 23) mit stufenlos veränderbarem Übersetzungsverhältnis bewirkt und andererseits ein Abbremsen des Hydromotors durch Umkehr der Drehrichtung der Verstellpumpe (1, 20) ermöglicht, wobei durch einen in der Vorlaufleitung (28) eingeschleiften Volumenstromsensor (15), der über ein Steuerventil (16) auf ein Druckablaßventil (17) wirkt, bei blockiertem Antriebsrad (22) und damit nicht vorhandenem Volumenstrom der Steuerdruck auf das Bypassventil (11) abgebaut und damit das weitere Blockieren des Antriebsrades (22) verhindert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch manuelles Entsperren eines in der Rücklaufleitung (27) angeordneten Rückschlagventils (18) bei gleichzeitiger Betätigung des Bypassventils (11) der Steuereinheit (3, 10) bei Umkehr der Drehrichtung der Verstellpumpe (1, 20) sich auch die Drehrichtung des Hydromotors (2, 23) ändert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß an die Steuereinheit (3, 10) ein weiterer, z. B. in der Vorderradnabe integrierter mittels Zuschaltventil (30) zuschaltbarer Hydromotor (7, 29) mit separater Antiblockiereinrichtung, bestehend aus Volumensensor (33), in der Vorlaufleitung des Hydromotors (7, 29) angeordnet, und Steuerventil (34), angeschlossen werden kann.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (3, 10) mit der Verstellpumpe (1, 20) zusammengebaut ist und diese Einheit (8) an konventionelle Fahrräder zusammen mit dem Hydromotor (2, 6, 23) und gegebenenfalls dem Hydromotor (7, 29) nachgerüstet werden kann, wobei der Antrieb der Verstellpumpe über einen konventionellen Kettentrieb oder Zahnriementrieb von der Tretkurbel (5, 21) erfolgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (57) in Verbindung mit einer von einem Verbrennungsmotor (36) angetriebenen Verstellpumpe (35) in ein Motorrad eingebaut wird und hierfür in der Weise modifiziert ist, daß in die Steuerleitung zum Bypassventil (40) ein Fußhebel-betätigtes Steuerventil (41) eingebaut ist und die Bremsfunktion über eine in der Rücklaufleitung (43) eingeschleifte Verstelldrossel (42) realisiert wird, welche von einem Bremszylinder (45) betätigt wird, der wiederum von einem Fußhebel-betätigten Bremsventil (44) gesteuert wird, wobei eine Antiblockier­ einrichtung von dem in die Vorlaufleitung (46) eingeschleiften Volumensensor (48), einem Steuerventil (47) und einem Druckablaßventil (49) gebildet wird, welches den Druck der Rücklaufleitung (43) über ein Rückschlagventil (50) in die Vorlaufleitung (46) ableitet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 sowie 5, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Hydromotore (38, 39), die in der Nabe des Seitenwagenrades sowie des Vorderrades integriert sind, mittels separaten Zuschaltventilen (51, 52) an die Steuereinheit (43) angeschlossen werden können, wobei jeweils separate Antiblockiereinrichtungen durch die in den Vorlaufleitungen eingeschleiften Volumenstromsensoren (53, 54) und die hiervon angesteuerten Steuerventile (55, 56) realisiert werden, indem die Steuerventile (55, 56) parallel zum Steuerventil (47) auf das Druckablaßventil (48) wirken.