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Die
Erfindung beschreibt ein Fahrrad mit den im Oberbegriff des Patentanspruches
1 bzw. 5 oder 6 genannten Merkmalen.
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Insbesondere
soll es für
den häufigen
Gebrauch als Verkehrsmittel auf Strecken bis zu 15km Länge geeignet
sein.
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Die
heutzutage im Alltagsverkehr weitest verbreiteten Fahrräder werden
in nahezu aufrechter Position gefahren. Diese Position ermöglicht ein leichtes
Auf- und Absteigen und auch ein leichtes Balancieren nicht nur durch
Lenkbewegungen, sondern auch durch Gleichgewichtsverlagerung. Ebenso
ist es in dieser Position leicht, sich umzuschauen, und wegen der
hohen Position des Kopfes ist der Verkehr leicht zu überblicken,
somit ist die aufrechte Position gut geeignet für das Fahren im dichten, unübersichtlichen
Stadtverkehr.
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Kommt
jedoch ein längerer, übersichtlicher Streckenabschnitt
ohne Fahrtunterbrechung, so ist Schnelligkeit und damit ein die
Schnelligkeit bedingender geringer Luftwiderstand gefragt, und da
ist die aufrechte Fahrerposition aufgrund der großen Querschnittsfläche des
Fahren in Fahrtrichtung die schlechteste denkbare Fahrerposition.
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Rennräder und
Fahrräder
mit zusätzlichem Triathlonlenker
ermöglichen
wahlweise auch eine Fahrerposition mit geringerem Luftwiderstand,
jedoch ist das Fahren in dieser Position unbequem, denn sie erfordert
eine starke Krümmung
des Rückens
und eine für
den Alltagsfahrer ungewohnte Dehnung der hinten am Oberschenkel
befindlichen ischiocuralen Muskulatur.
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Liegeräder, insbesondere
kurze Liegeräder mit
hohem Tretlager ermöglichen
aufgrund des geringeren Luftwiderstandes ein schnelles Fahren in
sehr bequemer Position, ermöglichen
aber wegen der tiefen Position des Kopfes keine gute Übersicht
im dichten Stadtverkehr, wenn parkende Autos die Sicht beeinträchtigen.
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Weiterhin
sind Fahrräder
bekannt, bestehend aus einem Rahmen, einem Hinterrad und einem gelenktem
Vorderrad, einem Tretkurbelantrieb für die Beine, der sich direkt
vor dem Hinterrad in 20cm bis 30cm, vorzugsweise etwa 27cm über dem Boden
befindet, und einem Handkurbelantrieb für die Arme, der sich oberhalb
des Vorderrades befindet.
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Ein
solches Fahrrad wird in der Zeitschrift "Pro Velo" vom vierten Quartal von 1995 auf den
Seiten 5 und 6 als Fahrrad mit dem Namen "Bi Bike" abgebildet und beschrieben. In der
Zeitschrift "Bikeculture4" vom ersten Quartal
von 1995 ist auf Seite 17 das Foto eines solchen Fahrrades mit Arm- und
Beinkurbeln abgedruckt.
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Beide
Fahrräder
ermöglichen
das Fahren mit Arm- und Beinantrieb und damit ein Ganzkörpertraining.
Nimmt man auf diesen Fahrrädern
eine tiefe weit nach vorn gelehnte Position des Oberkörpers ein,
um einen für
größere Fahrgeschwindigkeiten
erforderlichen geringeren Luftwiderstand zu erzeugen, so müssen die
Arme das Gewicht des Oberkörpers abstützen. Dann
können
die Arme nur beim Runterdrücken
der Armkurbeln, nicht aber beim Hochziehen der Armkurbeln Antriebsarbeit
leisten.
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Die
Patentschrift
EP 0714825
A1 von James J. Ehrbar beschreibt ein Fahrrad mit Beinkurbelantrieb
und einer Lenkeinheit, bestehend aus Vorderradgabel, Vorderrad,
einem wechselseitigem Armkurbelantrieb, einem festen Lenker und
einer daran befestigten Bruststütze,
die die Lenkung stabilisieren soll. Dadurch wird auch bei vorgebeugtem
Oberkörper
ein auch beim Hochziehen der Armkurbeln wirkungsvoller Krafteinsatz
ermöglicht.
Nachteilig ist hierbei jedoch, dass auf der Bruststütze liegend
nur geringste Lenkerbewegungen möglich
sind, und nachteilig sind die knappen Ausmaße der Bruststütze, die
deshalb so knapp bemessen ist, damit sie beim Manövrieren
auf engstem Raum in aufrechter Position mit Griff am festen Lenker
bei den dabei erforderlichen großen Lenkerbewegungen durch
ihr Mitschwenken nicht allzu hinderlich ist.
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Fahrräder mit
Arm- und Beinkurbelantrieb werden selten entworfen und gebaut, weil
auch in Fachkreisen häufig
behauptet wird, dass ein zusätzlicher
Armantrieb keinen Leistungsgewinn und somit auch keinen Geschwindigkeitsgewinn
auf längeren Strecken
bringt. Dabei wird normalerweise Bezug genommen auf die Ausdauerleistung
unter maximaler Anstrengung. Aufgrund wissenschaftlicher Untersuchungen
kann jedoch vermutet werden, dass Durchschnittspersonen bei maximaler
Anstrengung ihre Dauerleistung um 10% – 20% steigern können, wenn sie
zusätzlich
zu den Beinmuskeln andere Muskeln für die Arbeit verwenden. Solche
Untersuchungen wurden beispielsweise von J.Y. Harrison durchgeführt und
in der Zeitschrift Human Factors 1970 auf den Seiten 315 – 329 veröffentlicht.
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In
einem Beitrag zu einem HPV-Symposium der Technischen Universität von Eindhoven
vom 18..3.1993 kommt Ingen van Schenau zu dem Ergebnis, dass Dauerleistungen
um 10% – 20%
gesteigert werden können,
wenn nicht nur die Beine eingesetzt werden.
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Beim
Radfahren im Alltag werden meist nur 40% – 80% der maximalen Dauerleistung
erbracht, und hierbei hält
meistens die größere Anstrengung der
Beine und nicht die Steigerung der Anstrengung durch vermehrten
Sauerstoffverbrauch den Fahrer davon ab, die Geschwindigkeit zu
steigern.
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Deshalb
kann bei solchen Fahrten mit zusätzlichem
Armantrieb die Dauerleistung um bis zu 30% gesteigert werden bei
gleicher subjektiv vom Fahrer wahrgenommener Anstrengung, denn bei Durhschnittspersonen
kann man davon ausgehen, dass die Arme etwa 30% der Leistung der
Beine erbringen können.
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Eine
Steigerung der Antriebsleistung um 30% führt zu einer Steigerung der
Fahrtgeschwindigkeit um 10%–15%
bei geringen Fahrgeschwindigkeiten, wenn neben dem Luftwiderstand
auch der Rollwiderstand einen prozentual größeren Beitrag zum Gesamtwiderstand
bildet oder wenn Beschleunigungsarbeit geleistet wird. Eine Steigerung
der Antiebsleistung um 30% führt
zu einer Steigerung der Fahrtgeschwindigkeit um 10%–12% bei
schneller Fahrt, wenn der Luftwiderstand dominiert, und zu einer
Steigerung der Fahrtgeschwindigkeit um 30% bei Steigungen. Somit
ist ein arm- und bein- getriebenes Fahrrad besonders in bergigen
Gegenden geeignet.
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Die
Erfindung vermeidet die Nachteile des Standes der Technik.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, mit einfachen Mitteln ein sehr schnell
und bequem über
lange Strecken zu fahrendes Fahrrad zu schaffen, das auch im dichten
Stadtverkehr mit guter Übersicht über den
Verkehr gut zu beherrschen ist und für ein Training auch der Armmuskeln
und der Kondition geeignet ist. Insbesondere soll es für den häufigen Gebrauch
als Verkehrsmittel auf Strecken bis zu 15km geeignet sein.
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Ein
Fahrrad gemäß Anspruch
1 , wie es beispielsweise in 1 abgebildet
ist, erfüllt
all die oben genannten Anforderungen weitestgehend, denn es hat
folgende Vorteile:
Es ermöglicht
, in tiefer vorgebeugter aerodynamischer Position durch das Vorhandensein
einer nicht zur Lenkeinheit gehörenden
Bruststütze
einen Armantrieb wirkungsvoll auch beim Hochziehen der Arme zu betreiben,
ohne dabei auf geringe Lenkbewegungen beschränkt zu sein. Es bietet gleichzeitig
die Möglichkeit,
durch Griff an einem festen Lenker eine aufrechte Position einzunehmen
um sich Übersicht im
dichten Stadtverkehr zu verschaffen und zum Manövrieren auf engstem Raum, ohne
durch eine mit dem Lenker mitschwenkende Bruststütze behindert zu werden. Es
bietet zudem die Möglichkeit,
auf der Bruststütze
liegend den festen Lenker zu greifen, um in bequemer und aerodynamischer
Position Erholungspausen bei der Armarbeit einzulegen oder bei schneller
Fahrt fahrtechnisch schwierige Streckenabschnitte zu bewältigen.
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Dadurch,
dass die Sattelspitze bei tiefer Stellung der Bruststütze und
somit des Oberkörpers deutlich
vor einer senkrecht durch das Tretlager gedachten Ebene sich befindet
und nicht dahinter, wird die andernfalls wie bei Rennrädern oder
Triathlonrädern
auftretende Krümmung
des Rückens
und Dehnung der ischiucuralen Muskulatur des Oberschenkels deutlich
verringert.
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Zweckmäßig kann
es sein, wenn bei einem Fahrrad gemäß Anspruch 2 der Armkurbelantrieb
auf das Vorderrad und der Beinkurbelantrieb auf das Hinterrad wirken,
weil dann der Antrieb größtenteils
aus heutzutage in großen
Stückzahlen
produzierten Standardbauteilen besteht.
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Zweckmäßig kann
es sein, wenn bei einem Fahrrad gemäß Anspruch 3 der Armkurbelantrieb
gemeinsam mit dem Tretkurbelantrieb auf das Hinterrad wirkt, weil
dann nur eine Gangschaltung benötigt
wird und beim Schalten nur ein Schalthebel betätigt werden muss. Weiterhin
ergibt sich die Möglichkeit,
eine gefederte Vorderradgabel zu verwenden, was später näher erläutert wird.
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Zweckmäßig kann
es sein, wenn bei einem Fahrrad gemäß Anspruch 4 der Armkurbelantrieb
am Rahmen befestigt ist und der Armkurbelantrieb gemeinsam mit dem
Tretkurbelantrieb auf das Hinterrad wirkt, weil bei einem solchen
Fahrrad nur eine Gangschaltung benötigt wird und somit nur ein
Schalthebel betätigt
werden muss, weil bei einem solchen Fahrrad eine Vorderrad-Federgabel
verwendet werden kann, und weil ein solches Fahrrad einfach herzustellen
ist.
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Daneben
kann es zweckmäßig sein,
wenn bei einem Fahrrad gemäß Anspruch
5 die Sattelspitze sich in einer vertikal gedachten Ebene befindet, die
durch das Tretlager geht oder sich hinter dem Tretlager befindet,
die übrigen
im genannten Anspruch dargelegten Merkmale vorzusehen, weil ein solches
Fahrrad unter Verwendung von heutzutage in großen Stückzahlen hergestellten Rahmen
und somit zu geringeren Kosten hergestellt werden kann.
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Eine
dritte Ausführung
ergibt sich bei einem Fahrrad gemäß Anspruch 6, bei dem kein
Lenker vorhanden ist, weil dann die Armkurbeln näher an einer durch das Vorderrad
gedachten Ebene liegen können
und sich auch näher
an der Bruststütze
befinden können,
wodurch ein geringerer Luftwiderstand entsteht. Dies kann bei Fahrradrennen
vorteilhaft sein, sofern die Regeln eine Teilnahme zulassen, oder
auf langen Strecken ohne Fahrtunterbrechung, allerdings entfällt die
Eignung für
den dichten Stadtverkehr bei nicht vorhandenem Lenker.
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Zweckmäßig kann
es sein, wenn bei einem Fahrrad gemäß Anspruch 7 eine Kopfstütze mit
gedämpfter,
weicher Federung vorhanden ist, weil dann auf längeren Strecken mit sehr ebener
Fahrbahn der Kopf zur Entspannung der Nackenmuskulatur darauf gelegt
werden kann. Dies ist bei tiefer Stellung der Bruststütze und
somit des Oberkörpers
wichtiger als bei höherer
Stellung der Bruststütze.
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Das
Wesen der Erfindung ist nachstehend anhand von in den Zeichnungen
schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1:
Eine Ausführungsform
eines Fahrrades mit auf das Vorderrad wirkendem Armantrieb und auf
das Hinterrad wirkendem Beinantrieb von der Seite
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2:
Eine Ausführungsform
eines Fahrrades derselben Art von vorne
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3:
Eine Seitenansicht eines Fahrrades derselben Art mit den Positionen,
die der Fahrer mit seinem Rumpf und mit seinen Armen einnehmen kann
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4:
Eine Ausführungsform,
bei der der Armantrieb gemeinsam mit dem Beinantrieb auf das Hinterrad
wirkt und bei dem mit den Armen zugleich angetrieben und gelenkt
werden kann, von der Seite
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5:
Ein Fahrrad derselben Art von vorne
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6:
Ein Fahrrad, bei dem der Armkurbelantrieb am Rahmen befestigt ist
und gemeinsam mit dem Tretkurbelantrieb auf das Hinterrad wirkt
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7:
Die Ausführungsform
eines Fahrrades mit auf das Vorderrad wirkendem Armantrieb und auf
das Hinterrad wirkendem Beinantrieb von oben gesehen
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Ein
Fahrrad gemäß Anspruch
2 ist in 1, 2 und 7 dargestellt.
Es weist einen Rahmen 9, einen Lenker 1, einen
Sattel 2, einen auf das Vorderrad wirkenden Armkurbelantrieb
mit Armkurbeln 4, und einen Tretkurbelantrieb mit Tretlager 8,
der auf das Hinterrad wirkt jeweils mit Gangschaltungen, die als
Kettenschaltungen dargestellt sind, auf.
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Weiterhin
ist das Fahrrad mit Felgenbremsen 5A/B und den Bremsgriffen 6A/B
dargestellt.
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Die
vordere Felgenbremse 5A ist aus Platzgründen von vorne gesehen hinter
der Gabel 7 angeordnet. Die Gabel 7 ist in ihrer
Form modifiziert, um eine räumliche Überschneidung
mit der Antriebskette zu vermeiden. Die Gangschaltungen von Arm-
und Beinantrieb sollten identische Gangabstufungen haben und das
Vorder- und Hinterrad sollten identische Durchmesser haben. Die
Begründung
wird weiter unten gegeben.
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Es
besteht bei Fahrrädern
gemäß den Ansprüchen 1 – 7 die
Möglichkeit,
statt Kettenschaltungen Nabenschaltungen mit Rücktrittbremse zu verwenden
mit dem Vorteil, dass auch dann gebremst werden kann, wenn die Hände sich
an den Armkurbeln befinden. Als Nachteile sind hierbei jedoch größere Kosten
für Nabenschaltungen
mit großem Übersetzungsbereich
und größere Reibungsverluste
beim Antrieb in Kauf zu nehmen. Die spezielle Form der Bruststütze mit
den beiden Stützenpaaren 3A und 3B ermöglicht beim
Armantrieb ein ungehindertes Arbeiten des Brustmuskels m. pectoris.
Die Bruststütze
ist schmaler als der Lenker 1, so dass beim Fahren in aufrechter
Haltung der Fahrer nicht beim Lenken behindert wird. Die Armkurbeln 4 haben
wiederum mindestens die Breite des Lenkers 1, so dass der
Lenker die Arme beim Kurbeln nicht behindert.
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Sind
die Armkurbeln 4 so montiert, dass die beiden Arme gleichzeitig
drücken
und ziehen, so entstehen in der höchsten und der tiefsten Stellung
der Armkurbeln 4 bei tangential zu den Bahnen der Armkurbelgriffe
gerichteten Antriebskräften
kaum störende
Drehmomente an der aus Vorderrad, Gabel 7 und Lenker 1 bestehenden
Lenkeinheit bezüglich
der Lenkachse, da sich die durch den rechten und linken Arm erzeugten
Drehmomente kompensieren. Deshalb können während der vollen Kurbelumdrehung alle
verfügbaren
Armkräfte
zum Antrieb aufgewendet werden und der Antrieb ist so für sich allein
genommen am wirkungsvollsten. Auch ist aus dem selbem Grund bei
so montierten Armkurbeln 4 das Erlernen des Fahrens mit
Armantrieb am leichtesten.
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Einen
gleichzeitig kräftigen
und wirkungsvollen Beinantrieb lässt
der Armantrieb jedoch nur zu, wenn die Armkurbeln 4 gegeneinander
um 180 ° versetzt
montiert sind und auch zu den Tretkurbeln so gestellt sind, dass,
wenn das rechte Bein nach unten tritt, der rechte Arm nach oben
zieht und zugleich das linke Bein nach oben gezogen wird und der
linke Arm nach unten drückt.
Andernfalls rutscht bei kräftigem Beineinsatz
der Fahrer auf dem Sattel 2 hin und her, besonders bei
tiefer Stellung der Bruststütze.
Aus dem gerade genannten Grunde sind bei einem Fahrrad gemäß Anspruch
2 identische Gangabstufungen von Vorderrad- und Hinterradantrieb
erforderlich, wenn beim Benutzen des Armantriebs auch eine hohe
Leistung des Beinantriebes erreichbar sein soll. Sind die Armkurbeln
um 180° gegeneinander
versetzt, so müssen
im oberen und unteren Bereich der Bahnen der Armkurbelgriffe die
Arme zurückhaltend zum
Antrieb eingesetzt werden und dennoch auftretende Lenkmomente durch
zusätzliche seitlich
wirkende Komponenten der Armkräfte
kompensiert werden. Dies kann mit einiger Übung vom Fahrer automatisch
beherrscht werden, so dass keine Schlangenlinien gefahren werden.
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Bei
einem Fahrrad gemäß Anspruch
3, das in 3 und 4 dargestellt
ist, wirkt der Armkurbelantrieb über
Ketten unterstützend
auf den Beinkurbelantrieb und somit auf das Hinterrad. Der Armkurbelantrieb
wird durch eine Kette , die vom Zahnrad 12A über die
Umlenkrolle 11A zum Zahnrad 10 und von dort zur
Umlenkrolle 11B und wieder zum Zahnrad 12A läuft, auf
das Zahnrad 12B übertragen,
welches fest mit dem Zahnrad 12A verbunden sich auf einer
gemeinsamen Welle dreht. Hierbei befinden sich die Zahnräder 10 und 12A und
die Umlenkrolle 11A in einer Ebene, um größere Reibungsverluste durch
eine unter Zug stehende, schräg
auf die Zahnräder
laufende Kette zu vermeiden. Zusätzlich
sind am Zahnrad 12A und an den Umlenkrollen 11A/B beidseitig
Scheiben montiert, die ein Abrutschen der Kette beim Einschlagen
des Lenkers verhindern. Der Kettenspanner 20 drückt auf
die nicht unter Zug stehende, nach unten laufende Kette. Eine weitere
Kette umschlingt das Zahnrad 12B und das Zahnrad 13, das
fest auf dem Kettenblatt 14 montiert ist, und überträgt damit
den Armkurbelantrieb auf den Tretkurbelantrieb.
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Die
Zahnräder 10 und 13 sollten
einen identischen Durchmesser haben, damit wie oben bei einem Fahrrad
gemäß Anspruch
2 beschrieben, das Fahren mit zeitlich feststehender Phasenverschiebunng
von 180° zwischen
Arm- und Beinantrieb möglich
ist.
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Der
Kettenschutz 22 schützt
den rechten Unterschenkel des Fahrers vor Verschmutzung.
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Bei
einem Fahrrad gemäß Anspruch
3 besteht die Möglichkeit,
eine gefederte Vorderradgabel zu verwenden, wenn die Umlenkrollen 11A/B
so an der Gabel befestigt sind, dass sie vom Rahmen als Bezugssystem
aus gesehen nicht mit dem Vorderrad mitschwingen.
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Bei
Fahrrädern
gemäß Anspruch
3 können die
Zahnräder 10, 12A/B,
und 13 durch Riemenscheiben ersetzt werden, wenn die auf
ihnen laufenden Ketten durch Riemen ersetzt werden. Dann wird der Kettenschutz 22 nicht
mehr benötigt.
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Ein
Fahrrad gemäß Anspruch
4 ist durch 6 in einer Seitenansicht dargestellt.
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Der
Armkurbelantrieb ist fest am Rahmen 9 montiert. So kann
nur mit einem Arm die Armkurbel 4 angetrieben werden, während mit
dem anderen Arm mit dem Lenker 1 gelenkt werden muss Die
um die Zahnräder 17 und 18 laufende
Kette überträgt den Armkurbelantrieb
auf den Tretkurbelantrieb. Die Kette wird durch den Kettenspanner 19 gespannt.
Die Zahnräder 17 und 18 sollten
identische Durchmesser haben, weil bei einem Fahrrad gemäß Anspruch
4 aus den oben dargelegten Gründen
ein wirkungsvoller Arm- und Beinantrieb mit kraftvollem Beineinsatz nur
möglich
ist, wenn Arm- und Beinkurbeln beim Fahren gegeneinander um 180° versetzt
sind. Die Armkurbeln können
abwechselnd mit dem rechten und dem linken Arm angetrieben werden,
wobei wegen der sich ergebenden Erholungsphasen der Einsatz der
einzelnen Arme kräftiger
als bei permanentem Antrieb mit beiden Armen sein kann. Besonders auf
langen Strecken können
beim Fahren mit maximaler Dauerleistung die selben Geschwindigkeiten erreicht
werden wie bei Fahrrädern
mit gleichzeitigem Antrieb durch beide Arme, weil dann wegen der begrenzten
Sauerstoffaufnahme der oben erwähnte Leistungsgewinn
von 10% – 20%
bei maximaler Dauerleistung durch zusätzlichen Armantrieb bereits durch
den wechselseitigen Einsatz von nur einem Arm erzielt werden kann.
Ein Fahrrad gemäß Anspruch
4 darf in Deutschland gemäß der Straßenverkehrsordnung
nicht im Straßenverkehr
verwendet werden und kann somit mit Armantrieb nur als Sportgerät verwendet
werden. Bei Fahrrädern
gemäß Anspruch
4 können
die Zahnräder 17 und 18 durch
Riemenscheiben ersetzt werden, wenn die auf ihnen laufenden Ketten
ebenfalls durch Riemen ersetzt werden.
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Bei
Fahrrädern,
die nur einen Beinantrieb aufweisen, führt die Wahl einer größeren Übersetzung
des Antriebs bei beibehaltener Antriebsleistung zu einer stärkeren Ermüdung der
Beine, die Wahl einer kleineren Übersetzung
bei beibehaltener Antriebsleistung zu einer stärkeren Beanspruchung der Lunge
und des Herzens durch vermehrten Sauerstoffverbrauch. Daraus ergibt
sich, dass Fahrräder mit
Arm- und Beinantrieb mit geringeren Tritt- und Armkurbel-Frequenzen
gefahren werden müssen. Somit
sind alle Fahrräder
der Ansprüche
1 – 7
mit einem Bereich von Antriebsübersetzungen
auszustatten, der zu dem Bereich von Antriebsübersetzungen vergleichbarer
nur mit den Beinen angetriebenen Fahrrädern zu größeren Übersetzungen hin verschoben
ist.