DE19900680A1 - Kettenzahnrad-Kurbel-Vorrichtung zum Antreiben eines Muskelkraftfahrzeuges - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kettenzahnrad-Kurbel-Vorrichtung zum Antreiben eines Muskelkraftfahrzeuges, mit zwei um 180 DEG gegeneinander versetzten, mit einer Welle im Tretlager des Kettenzahnrads verbundenen Kurbeln. Um für den Fahrer Schwierigkeiten beim Anfahren und an Steilstrecken zu vermindern, ist jede Kurbel (2) schwenkbar in Drehrichtung bezüglich der Welle (10) des Tretlagers gelagert und zwischen Kurbel (2) und Welle (10) des Tretlagers ein elastisch komprimierbares Federelement (20) vorgesehen, so daß ein durch die Kurbel (2) auf die Welle des Tretlagers ausgeübtes Antriebsdrehmoment über das komprimierbare Federelement (20) auf die Welle (10) übertragen wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kettenzahnrad-Kurbel-Vorrichtung zum Antreiben eines Muskelkraftfahrzeuges mit zwei um 180° gegenein­ ander versetzten, mit einer Welle im Tretlager des Kettenzahn­ rads verbundenen Kurbeln.

Solche Kettenzahnrad-Kurbel-Vorrichtungen sind zum Beispiel für Fahrräder seit langem bekannt. Sie weisen zwei starre, entgegen­ gesetzt gerichtete Kurbeln auf, die an ihren vom Tretlager abge­ wandten Enden mit Pedalen versehen und mit ihren gegenüberlie­ genden Enden fest mit der Welle des Kettenzahnrads im Tretlager verbunden sind.

Es hat sich gezeigt, daß beim Beginn der Abwärtsbewegung der einen Kurbel das Niederdrücken der Kurbel in der ersten Phase der Kreisbewegung für den Fahrer recht mühsam ist, insbesondere beim Anfahren, wenn die Anfangsreibung des Fahrrads überwunden werden muß. Dabei stellt sich der Fahrer meist mit dem ganzen Körpergewicht auf das Pedal der oben liegenden Kurbel, um eine möglichst große Kraft auf das Pedal am Kurbelende auszuüben. Ferner ist zu beachten, daß beim Beginn der Abwärtsbewegung der Kurbel, d. h. wenn die Kurbel gerade ihre vertikale Ausrichtung passiert hat, das resultierende Drehmoment, das für den Antrieb wirksam wird, sehr gering ist, da die von dem Fahrer in vertika­ ler Richtung auf die Pedale ausgeübte Kraft noch nahezu parallel zur Richtung des Kraftarms, d. h. der Kurbel, ausgerichtet ist und somit das resultierende Drehmoment, das vom Sinus des zwi­ schen der Richtung des Kraftarms und der Kraftrichtung liegenden Winkels abhängt (D = l.F.sin θ, θ: Winkel zwischen vertika­ ler Richtung der Kraft F und momentaner Längsrichtung der Kur­ bel, deren Länge l ist) relativ gering ist. Mithin ist das für den Antrieb des Fahrrads zur Verfügung stehende Antriebsdrehmo­ ment am Beginn der Abwärtsbewegung der einen Kurbel gering, was insbesondere beim Anfahren nachteilig ist. In ähnlicher Weise ist bei steilen Fahrstrecken die Bewegungsphase am Beginn der Abwärtsbewegung der Kurbel kritisch, was das Antreiben des Fahr­ rads für den Fahrer subjektiv als anstrengend erscheinen läßt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kettenzahnrad- Kurbel-Vorrichtung zum Antrieb von Muskelkraftfahrzeugen so auszubilden, daß für den Fahrer die oben genannten Schwierigkei­ ten beim Anfahren und an Steilstrecken gemindert werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 in Verbindung mit dessen Oberbegriff. Vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen aufgeführt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Kurbel der Kettenzahn­ rad-Kurbel-Vorrichtung so ausgebildet, daß sie in Drehrichtung bezüglich der Welle des Tretlagers schwenkbar ist, und ist fer­ ner ein zwischen Kurbel und Welle des Tretlagers wirkendes Fe­ derelement vorgesehen, das Federelement so angeordnet ist, daß es durch eine in Antriebsrichtung auf die Kurbel einwirkende Kraft komprimiert wird und daß ein durch die Kurbel in Bezug auf die Welle des Tretlagers ausgeübte Antriebsdrehmoment über das Federelement auf die Welle im Tretlager übertragen wird.

Durch diese Anordnung wird bei Beginn der Abwärtsbewegung der Kurbel aus ihrer vertikalen Ausrichtung die Kurbel bezüglich der Welle zunächst geschwenkt, und komprimiert die Kurbel dabei zunehmend das Federelement, so daß die Bewegung der Kurbel zu­ nächst nicht starr auf die Welle des Tretlagers übertragen wird, sondern zunächst überwiegend zu einer Kompression des Federele­ ments führt. Dies führt beim Beginn der Abwärtsbewegung der Kurbel im Vergleich zu einer starren Kurbel zu einer Unterset­ zung, da die Drehbewegung der Kurbel zunächst zumindest teilwei­ se in eine Kompression des Federelements überführt wird. Sobald das Federelement hinreichend komprimiert ist, was in praktischen Ausführungsformen bereits nach weniger als 1/8 Drehung der Kur­ bel der Fall ist, wird das Antriebsdrehmoment der Kurbel im wesentlichen starr über das komprimierte Federelement auf die Welle im Tretlager übertragen. Dieser Zustand hält an, bis sich die Kurbel ihrem unteren Tiefpunkt nähert, wo das von der Kurbel ausgeübte Antriebsdrehmoment nachläßt und damit die Kompression des Federelements nicht mehr aufrechterhalten kann. Dies führt zu einer Entspannung des Federelements und damit zu einer Frei­ setzung des darin am Anfang der Abwärtsbewegung der Kurbel ge­ speicherten Drehmoments, wobei die Entspannung des Federelements als wirksames Antriebsdrehmoment auf die Welle des Tretlagers wirkt. Dies führt bei Annäherung der Kurbel an den unteren Um­ kehrpunkt ihrer Drehbewegung zu einer Art "Katapulteffekt", der vom Fahrer, im Vergleich zu starren Kurbelanordnungen, als Vor­ schnellen des Fahrrads und als wesentlich effektivere Umsetzung des Antriebs empfunden wird.

Die Kurbel nimmt also bei Beginn ihrer Abwärtsbewegung vom obe­ ren Hochpunkt aus, durch ihre relative Schwenkbarkeit zur Welle des Tretlagers, über das komprimierbare Federelement zunächst Energie auf, wobei dieses "Durchbiegen" der Kurbel in Bezug auf die Antriebswelle vom Fahrer als Untersetzung empfunden wird, und gibt diese in der Federspannung aufgenommene Energie bei Annäherung an den unteren Umkehrpunkt des Kurbelweges als wirk­ sames Drehmoment wieder ab, was vom Fahrer subjektiv als "kata­ pultartiges" Weiterwirken des Antriebsdrehmoments und damit als Verbesserung des Antriebs empfunden wird.

In einer einfachen Ausführungsform ist die Kurbel einteilig ausgebildet und drehbar an der Welle des Tretlagers gelagert, wobei in Rückwärtsrichtung, d. h. entgegen der Antriebsrichtung, ein Anschlag die Drehbarkeit der Kurbel begrenzt und zwischen der Kurbel und der Welle des Tretlagers eine Torsionsfeder ein­ gespannt ist, die Kurbel gegen den Anschlag drückt. Bei Beginn der Abwärtsbewegung der Kurbel wird diese durch die auf die Kurbel ausgeübte Kraft zunächst von dem Anschlag fortgedrückt bis die komprimierte Torsionsfeder die Krafteinwirkung aus­ gleicht und keine weitere relative Schwenkbewegung zwischen Kurbel und Welle mehr stattfindet. Bei Nachlassen des Antriebs­ drehmoments bei Annäherung der Kurbel an den unteren Tiefpunkt der Drehung entspannt sich die Torsionsfeder wieder, was zu einer Relativbewegung zwischen Kurbel und Welle führt, so daß die Kurbel zurück an den Anschlag gestellt wird, wobei diese Entspannung der Torsionsfeder ein Antriebsdrehmoment auf die Welle des Tretlagers liefert.

In einer alternativen Ausführungsform ist die Kurbel zweiteilig mit einem ersten Kurbelhebel und einem in Drehrichtung der Kur­ bel schwenkbar damit verbundenen zweiten Kurbelhebel ausgebil­ det, wobei beide Kurbelhebel jeweils einen von ihren Längsachsen abstehenden Hebelarm aufweisen, zwischen denen eine Kompres­ sionsfeder eingespannt ist, so daß ein Antriebsdrehmoment durch eine auf den ersten Kurbelhebel ausgeübte Kraft über den Hebel­ arm des ersten Kurbelhebels auf die Kompressionsfeder und von dort über den Hebelarm des zweiten Kurbelhebels, der fest mit der Welle verbunden ist, auf die Welle übertragen wird. In die­ ser Ausführungsform wird der erste Kurbelhebel, der in Ruhestel­ lung wesentlich parallel zum zweiten Kurbelhebel ausgerichtet ist, gegenüber dem zweiten Kurbelhebel geschwenkt, was zu einer Kompression der Feder zwischen den Hebelarmen führt. Am Ende der Abwärtsbewegung der Kurbel am unteren Tiefpunkt stellt sich der erste Kurbelhebel durch Wirkung der Entspannung der Kompres­ sionsfeder wieder parallel zum zweiten Kurbelhebel, wobei durch die Entspannung der Kompressionsfeder ein Antriebsdrehmoment über den Hebelarm des zweiten Kurbelhebels auf die Welle des Tretlagers ausgeübt wird.

Die vorgenannte Anordnung ist besonders vorteilhaft, da sich durch die kombinierte Wirkung der beiden Hebelarme zusammmen eine hohe Kraft auf die Kompressionsfeder ausüben läßt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spiels in der Fig. 1 beschrieben, die eine einzelne Kurbel in seitlicher Draufsicht zeigt.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1 ledig­ lich eine einzelne Kurbel gezeigt, die an der Welle 10 des Ket­ tenzahnrads (nicht gezeigt) im Tretlager befestigt ist. Die Kurbel ist allgemein mit dem Bezugszeichen 2 versehen.

Die Kurbel 2 ist in dieser Ausführungsform schwenkbar bezüglich der Welle 10 des Tretlagers ausgebildet, indem die Kurbel 2 mit einem ersten Kurbelhebel 4 und einem zweiten Kurbelhebel 6 aus­ gebildet ist, die durch ein Gelenk 8 drehbar um eine Achse par­ allel zur Welle 10 zueinander gelagert sind. Der erste Kurbel­ hebel 4 ist mit einem von seiner Längsachse abstehenden Hebelarm 5 versehen. In ähnlicher Weise ist der zweite Kurbelhebel 6 mit einem abstehenden Hebelarm 7 versehen. Zwischen den Hebelarmen 5 und 7 ist eine Kompressionsfeder 20 eingesetzt.

Bei Beginn der Abwärtsbewegung aus der in Fig. 1 gezeigten Stellung der Kurbel an ihrem oberen Umkehrpunkt wird die Kurbel 2 durch Einwirkung der Pedalkraft an ihrem äußeren Ende bewegt, wobei sich der erste Kurbelhebel 4 zunächst an dem Gelenk 8 verschwenkt und über den Hebelarm 5 die Kompressionsfeder 20 zusammendrückt, bis die zwischen den Hebelarmen 5 und 7 auf die Feder 20 einwirkende Kraft nicht mehr ausreicht, um diese weiter zusammenzudrücken. Dieser Zustand wird in praktischen Ausfüh­ rungsformen schon nach etwa 1/8 Drehung der Kurbel erreicht. Anschließend wird das Drehmoment der Kurbel 2, insbesondere beim Durchlaufen der horizontalen Stellung der Kurbel, in der das Drehmoment maximal wird, vollständig ohne weitere Kompression der Feder 20 über den Hebelarm 7 auf die Welle 10 übertragen. Bei weiterer Abwärtsbewegung und bei Annäherung an den unteren Tiefpunkt der Kurbelbewegung läßt das ausgeübte Drehmoment nach und entsprechend auch die über den Hebelarm 5 auf die Feder 20 einwirkende Kraft nach, so daß diese sich aus ihrem maximal gespannten Zustand wieder entspannt. Damit kommt es am Ende der Abwärtsbewegung der Kurbel durch die Entspannung der Feder zu einer weiteren Relativbewegung zwischen dem ersten Kurbelhebel 4 und dem zweiten Kurbelhebel 6, wobei diese Relativbewegung des zweiten Kurbelhebels 6 einem Antriebsdrehmoment auf die Welle 10 entspricht und zu der Zurückführung des ersten Kurbelhebels 4 in seiner Ausgangsstellung parallel zum zweiten Kurbelhebel 6 führt.

Die Dimensionierung des Federelements ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung so zu wählen, daß bei maximal einwir­ kendem Antriebsdrehmoment auf die Kurbel, d. h. bei Einwirkung der vollen Gewichtskraft des durchschnittlichen Fahrers auf das Pedal der Kurbel, eine gewünschte Verschwenkung der Kurbel ge­ genüber der parallelen Ausrichtung erfolgt. In bevorzugten Aus­ führungsformen ist diese Verschwenkung bei Einwirkung von bei­ spielsweise einer Gewichtskraft entsprechend einem Gewicht von 80 kg, relativ gering und liegt zwischen 5° und 25°. Die Feder­ konstante des Federelements ist entsprechend der gewünschten Verschwenkung zu wählen, wobei dies in der dargestellten Aus­ führungsform in Abstimmung mit den Längen der Kurbelhebel 4, 6 und der Hebelarme 5, 7 zu geschehen hat.

Claims (6)

1. Kettenzahnrad-Kurbel-Vorrichtung zum Antreiben eines Mus­ kelkraftfahrzeuges, mit zwei um 180° gegeneinander versetz­ ten, mit einer Welle im Tretlager des Kettenzahnrads ver­ bunden Kurbeln, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kurbel (2) schwenkbar in Drehrichtung bezüglich der Welle (10) des Tretlagers gelagert ist und zwischen Kurbel (2) und Welle (10) des Tretlagers ein elastisch komprimierbares Federele­ ment (20) vorgesehen ist, so daß ein durch die Kurbel (2) auf die Welle des Tretlagers ausgeübtes Antriebsdrehmoment über das komprimierbare Federelement (20) auf die Welle (10) übertragen wird.

2. Kettenzahnrad-Kurbel-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kurbel (2) schwenkbar an der Welle (10) gelagert ist, wobei in Rückwärtsrichtung ein Anschlag die Drehbarkeit der Kurbel begrenzt und zwischen Kurbel und Welle eine Torsionsfeder angebracht ist, die Kurbel gegen den Anschlag drückt.

3. Kettenzahnrad-Kurbel-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kurbel (2) einen ersten Kurbelhebel (4) und einen zweiten, damit in Antriebsrichtung der Kurbel schwenkbar verbundenen zweiten Kurbelhebel (6) aufweist, wobei die ersten und zweiten Kurbelhebel (4, 6) jeweils mit einem von den Längsachsen der Kurbelhebel abstehenden Hebel­ arm (5, 7) versehen sind und zwischen den Hebelarmen (5, 7) eine Kompressionsfeder (20) eingespannt ist, so daß ein Antriebsdrehmoment des ersten Kurbelhebels (4) über dessen Hebelarm (5) und die Kompressionsfeder (20) auf den Hebelarm (7) des fest mit der Welle verbundenen zweiten Kurbelhebels (6) übertragen wird.

4. Kettenzahnrad-Kurbel-Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Längen der ersten und zweiten Kurbelhebel (4, 6) etwa 4 : 1 beträgt.

5. Kettenzahnrad-Kurbel-Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Längen des Hebelarms (5) des ersten Kurbelhebels (4) und des Hebelarms (7) des zweiten Kurbelhebels (6) etwa 4 : 1 beträgt.

6. Kettenzahnrad-Kurbel-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompressionsfeder (20) eine Schraubenfeder ist.