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Die
Erfindung betrifft ein Fahrrad, einen Fahrradantrieb mit Tretarmen
und eine Hinterradaufhängung,
insbesondere für
Fahrräder.
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Bei
den bekannten Antrieben entsprechen die Tretarme nach vorn gelegten
Tretkurbeln und sind wie diese quer zur Fahrtrichtung angelenkt. Üblich sind
jedoch bekanntermaßen
die Antriebe mit Tretkurbeln, meist mit unterschiedlichen Übersetzungen
zum Hinterrad, die über
Kettenwandler und Ritzel oder über
eine Nabenschaltung geschaltet werden. Beide bekannte Antriebstechniken
sehen eine Beinarbeit in einer senkrechten Bewegungsebene parallel
zur Fahrtrichtung vor.
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Beim
Herabtreten der Tretkurbeln wird allerdings die Kraft des Menschen
nur im mittleren Bereich der vorderen Kreisbahn genutzt, so daß sich ein effektiver
Kraftweg von etwa 30 cm ergibt, da im oberen Bereich der Kreisbahn
der Kniewinkel relativ spitz ist und entsprechend wenig Kraft entwickelt
werden kann. Zudem ist der Krafthebel, den die Tretkurbel in dieser
Phase bietet, nur sehr kurz. Letzteres trifft bei fast gestrecktem
Kniewinkel auch im unteren Bereich der Tretkurbelbahn zu.
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Ferner
können
die Pedale aufgrund der weit ausladenden Kreisbahn der Trethebel
nicht optimal unter den Körperschwerpunkt
gebracht werden. Beim Herabtreten befinden sich die Pedale deutlich vor
dem Körperschwerpunkt
des Benutzers, während sich
die Aufhängung
der Tretkurbel etwa unter diesem befindet. Letzteres ist aber energetisch
nicht ausnutzbar, da sich die Pedale immer dann unter dem Körperschwerpunkt
befinden, wenn sie am oberen oder unteren Punkt ihrer Kreisbahn – also in
einer Position ohne verwendbaren Kraftarm – angelangt sind.
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Das
natürliche
Kippmoment des Körpers beim
Radfahren quer zur Fahrtrichtung bzw. die gebildete Bewegungsenergie
beim Rechts-Links-Wechsel
des Körperzentrums über die Rahmenmitte,
im folgenden als Querkippmoment bezeichnet, wird dagegen praktisch
nicht genutzt. Die Querbewegung des Körpers ist zumeist eine Mischbewegung
aus einer Drehung um die Sagittalachse des Menschen und einem Rechts-Links-Wechsel des Oberkörpers sowie – bei abgehobener
Position vom Sattel – auch
des Beckens oder eine mehr oder weniger reine Kippbewegung in der
sagittalen Ebene. Diese Querbewegung zur Fahrtrichtung ist vor allem bei
Bergfahrten sowie bei stärkeren
Beschleunigungen, so zum Beispiel bei Zieleinläufen von Radrennen gut zu beobachten.
Bei kontinuierlicher, gemäßigter Fahrt
ist diese Querbewegung in der Regel optisch nicht mehr wahrnehmbar,
wirkt sich aber stetig aus, um die wechselseitige Streckbewegung
der Beine statisch oder auch leicht dynamisch zu kontern. Ein großer Teil
dieses Querkippmoments wird jedoch nicht zum Vortrieb genutzt, was
seine Gründe
im Verhältnis
der absoluten Kräfte
der an der Kraftkette beteiligten Komponenten des Körpers zueinander,
im zeitlich realisierbaren Ablauf der Übertragung der unterschiedlichen
Kraftverhältnisse
im Körper
und im Richtungsverlauf der Kraftübertragung vom Menschen auf
die Maschine hat.
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Betrachtet
man das Kippmoment des gesamten Körpers bei der beschriebenen
Querbewegung insbesondere bei forcierter Fahrt, so stellt der einzelne Oberschenkelmuskel
aufgrund des relativ stark gebeugten Arbeitswinkels des Beines und
seiner hierbei zur Verfügung
stehenden Maximalkraft zusammen mit der Belastung im Kniegelenk
das schwächste
Glied in der Kraftkette dar, d.h. der Oberschenkelmuskel kann schon
allein vom Gesamtbetrag der Kraft her, die die Querbewegung des
annähernd
gesamten beschleunigten Körpergewichts
auf die jeweils andere Körperseite
herüberbringt,
den Querkippimpuls über
die Kniestreckung insbesondere in den spitzeren Beugewinkeln des
Knies während der
oberen Kreisbahnphase der Tretkurbelarbeit nur unvollständig nach
unten bzw. vorne-unten übertragen.
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Es
kann also nicht das gesamte dynamische Moment der Querkippbewegung
im Moment der Übertragung
vom Oberkörper
auf den Unterschenkel über
das Knie weitergegeben werden, sondern nur der Rest dieser Energie,
der sodann statisch den Halt für
die Streckbewegung des Beines liefert, d.h. je mehr Arbeit der Oberkörper mit
seinem hohen Kraftpotential pro Zeiteinheit leistet, desto größer wird
die Diskrepanz bei der Kraftübertragung
bzw. desto schneller kommt es zur lokalen Ermüdung des Oberschenkelmuskels.
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Aus
diesen Gründen
könnte
man auch von einer Stauchung oder Abbremsung der kinetischen Energie
im Kniegelenk sprechen, weshalb das Kniegelenk beim Radfahren stark
belastet wird. Könnte der
gesamte dynamische Betrag des Querkippmoments direkt umgesetzt werden,
wäre ein
schnellerer Rechts-Links-Wechsel
mit höheren
Kraftwerten möglich.
Dies trifft in abgeschwächter
Form auch für
langsame Fahrt zu.
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Die
beschriebene begrenzte Kraftübertragung
hat letztlich auch einen Grund im Richtungsverlauf der zu übertragenden
Körperkraft
auf das Fahrrad. Während
die Tretkurbelarbeit in der senkrechten Bewegungsebene parallel
zur Fahrtrichtung erfolgt, mit einer vorwiegend nach vorne-unten
gerichteten Kraftkomponente, findet die Kippbewegung bzw. Wechselbewegung
des Oberkörpers
in der sagittalen Bewegungsebene statt. Diese beiden Bewegungsebenen
stehen jedoch um 90° zueinander
versetzt. Damit ist eine effektive Kraftübertragung nur eingeschränkt möglich, da
für einen
Teil der erzeugten Kraft eine Umlenkung der Kraftrichtung von einer Querbewegung
in eine senkrechte Bewegung nach vorn-unten geleistet werden muß. Dies
ist letztlich wiederum von Kniegelenk und Oberschenkelmuskel nur
unvollständig
umsetzbar.
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Die
Effektivität
beim Radfahren ist also in erster Linie von der lokalen Ausdauer
des Oberschenkelmuskels begrenzt, welcher die entstandene kinetische
Energie nur unvollständig
umsetzen kann, zumal die Wade nur fixierende Arbeit für das Fußgelenk
leistet und der Gesäßmuskel
nur unterschwellig bei der geringen Streckung des Hüftgelenkes
arbeitet. So kann insgesamt das energetische Potential des Menschen
bei herkömmlichen
Fahrrädern
zur Vortriebskrafterzeugung nicht zufriedenstellend ausgeschöpft werden.
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Die
DE 195 07 011 A1 zeigt
eine Antriebsvorrichtung für
Fahrräder,
bei der eine Tretkurbel durch eine Querwippe ersetzt ist und die
Kraftübertragung durch
Zugseile oder Zugstangen im Gegentakt über zwei Freiläufe auf
das Hinterrad erfolgt.
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Die
DE 36 22 939 beschreibt
einen Fahrradantrieb mit zwei spiegelbildlich angeordneten, um einen
Winkel von 180 Grad auf- und abschränkbaren Hebelarmen, deren freie
Enden mit einem über
Antriebsrollen geführten
Antriebsseilzug verbunden sind, wobei die freien Enden des Antriebsseilzuges an
einem Schieber angreifen. Die Hebelarme bilden dabei eine um eine
Querachse schwenkbare Querschwinge, die über im Schwingenbereich verstellbare Antriebsseilzuglängen mit
einem Antriebslaufrad verbunden sind.
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Die
EP 0 019 629 A1 zeigt
einen Dreiradantrieb, bei dem zwei auf- und abschwenkbare Pedale über ein
Kegelgetriebe mit Freilauf wechselweise das linke bzw. rechte Hinterrad
des Dreirades antreiben.
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Die
DE 114 145 C zeigt
eine Antriebsvorrichtung für
Fahrräder,
bei welcher eine Antriebswelle dadurch in Umdrehung gesetzt wird,
daß bei
Beginn der Bewegung eines Balanciers aus den Endlagen abwechselnd
eine in dem einen Arm desselben sitzende Gabel ein Ende eines auf
der Antriebswelle sitzenden zweiarmigen Hebels erfaßt und mit
sich fortnimmt, während
ein Ende eines zweiten auf der Welle sitzenden zweiarmigen Hebels
durch eine Gabel in dem anderen Arm des Balanciers freigegeben wird.
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Die
DE 99658 C zeigt
einen Fahrradantrieb gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1. Bei diesem Antrieb muß allerdings durch die durch
das Verschwenken der Tretarme mittels der Schubstange erzeugte Drehbewegung
eines Rades um eine parallel zur Achse der Schwenkbewegung verlaufende
Achse zunächst
aufwendig in eine Rotation um eine zur Drehachse des angetriebenen
Hinterrades eines Fahrrades parallele Achse umgesetzt werden. Bei dieser
Umsetzung kommt es zu Reibungsverlusten. Zudem bedingen die zur
Umsetzung benötigten
Kegelräder
eine nicht unerhebliche Baugröße des Antriebes.
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Davon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Fahrradantrieb
anzugeben, der – bei
einfacher Bauweise – die
Kraft des Menschen auf gelenkschonende Weise erheblich besser nutzt.
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Die
Aufgabe wird gelöst
von einem Fahrradantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ein Fahrrad
mit einem erfindungsgemäßen Fahrradantrieb
ist Gegenstand des Anspruchs 16.
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Die
Vorteile des neuen Antriebs sind folgende: Durch die ermöglichte
diskontinuierliche Arbeitsweise mit stärker gestreckten Beinwinkeln
ist das Treten im Gegensatz zur Tretkurbel in einem permanent optimalen
Gelenkwinkelbereich möglich.
Dies betrifft insbesondere das Kniegelenk, aber auch das Hüftgelenk.
Der Ausschlag der Bewegung im äußeren Radialbereich
der Tretarme beträgt
hierbei etwa 15 cm.
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Durch
die Positionierung der Trittflächen
in dem Bereich unter dem Körperschwerpunkt
des Benutzers kann zusammen mit den stärker gestreckten Gelenkwinkeln
mehr Körpermasse
pro Zeiteinheit bei jedem Abwärtstritt
nach unten auf die Trittflächen
beschleunigt werden, als wenn die Beine vor dem Körperschwerpunkt
mit vergleichsweise ungünstigen Gelenkwinkeln
isolierte lokale Muskelarbeit leisten.
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Durch
die Anlenkung der Tretarme in Fahrtrichtung, bzw. durch die hiermit
ermöglichte
Querkippbewegung um die Sagittalachse sowie aufgrund der bereits
genannten Faktoren ist es möglich,
eine Ganzkörperbewegung
bzw. einen Querkippimpuls mit dem gesamten Körper umzusetzen. Das bedeutet,
daß wesentlich
größere Muskelgruppen
in die Erzeugung von Vortriebsenergie einbezogen werden können. So
können
die untere Rumpfmuskulatur, die Hüft- und die Beckenmuskulatur auf leichte
Weise mit einem optisch kaum wahrnehmbaren Bewegungsausschlag an
der Kraftkette der Muskeln bei der Querkippbewegung mitwirken und
ebensoleicht den Gegenimpuls zur anderen Seite einleiten. Große Muskelgruppen
bewirken somit in einer – durch
die geringen Beugewinkel der Gelenke stabilen – Kraftkette eine leicht durchzuführende Bewegung.
Die schnelle lokale Muskelermüdung
des Oberschenkels wie bei den bislang üblichen muskelkraftbetätigten Fahrradantrieben
wird vermieden.
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Aufgrund
der insgesamt stabilen Position des Körpers auf dem Gerät, der konstanten
Bewegung der Füße im Bereich
unter dem Körperschwerpunkt
bzw. durch das Fehlen der Bewegungsrichtung der Füße nach
vorne oder hinten ist es möglich, Trittflächen zu
verwenden, auf die der gesamte Fuß gestellt werden kann. Hierdurch
wird ein punktueller einseitiger Druck auf den Fußballen
vermieden, der die Blutzirkulation stört und bei manchen Menschen sogar
zum Einschlafen der Füße beim
Radfahren oder beim Ergometertraining führt. Insbesondere ist mit ganz
aufgestellter Fußsohle
wesentlich mehr Energie übertragbar
als mit alleinig aufgestelltem/r Fußballen, Mittelfuß oder Ferse.
Damit ist durchgehend ein starkes Kraftübertragungspotential vom Oberkörper bis
zu den Trittflächen
gegeben. Auch eine Verkrampfung der Waden wird (bei entsprechender
Winkeleinstellung der Trittflächen)
vermieden. Vor allem beim Beschleunigen und bei Bergfahrten können mit der
beschriebenen Gesamtbewegung sehr hohe Kraftwerte umgesetzt werden,
und im Touren- oder Ausdauerbereich wird eine sehr leichtgängige Fahrweise
möglich.
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Das
Querkippmoment des Körpers
in der sagittalen Bewegungsebene kann auch deshalb in vollem Maße umgesetzt
werden, weil der gebildete Bewegungsimpuls nicht, wie bei der Anwendung
herkömmlicher
Antriebstechniken, von seiner seitlich-abwärts gerichteten Bewegungsenergie
nach vorne-unten umgelenkt werden muß.
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Aufgrund
der bisher genannten Faktoren und aufgrund der Tatsache, daß nur der
effektive Kraftweg von etwa 15 cm bei vergleichbarem Übersetzungsverhältnis getreten
werden muß,
sind relativ schnelle Rechts-Links-Gewichtsverlagerungen
des Körpers
ohne größere Anstrengung
realisierbar. So kann auch die Schwerkraft des Körpers zusammen mit dessen muskulär beschleunigten
Massenanteilen besser in die Vortriebserzeugung einbezogen werden.
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Zusammenfassend
ist festzustellen, daß mit Hilfe
der neuen Antriebstechnik die gesamte in der sagittalen Ebene beschleunigte
Körpermasse
in einer leicht durchzuführenden
Bewegung ohne Kraftverluste und verzögerungsfrei zur Vortriebserzeugung
nutzbar wird. Der Rest der nicht zur seitlichen Abwärtsbewegung
genutzten Energie wird zur Einleitung der Gegenkippbewegung genutzt.
So ergibt sich ein äußerst kraftvolles, ökonomisches
und vom Bewegungsablauf her sehr natürliches und spaßbringendes
Arbeiten mit einem derartigen Antrieb. Zudem ist die durch den Antrieb
vorgegebene Bewegungsweise sehr gelenkfreundlich, so daß sich ein entsprechend
ausgestattetes Fahrrad neben dem Alltags-, Touren- und Sportbereich
insbesondere auch für ältere Menschen
und Menschen mit verschleiß-
oder unfallbedingten Gelenkproblemen eignet.
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Da
beim erfindungsgemäßen Antrieb
wie bei herkömmlichen
Fahrrädern
pro Abwärtsbewegung der
Beine eine halbe Umdrehung des Antriebsritzels eines Kettentriebs
zustande kommt, kann – bei
gleichem Übersetzungsverhältnis – aufgrund
des kürzeren
Weges der Auf- und Abbewegung und der erheblich besseren Kraftverhältnisse
ein schnellerer Rechts-Links-Wechsel der Beinarbeit durchgeführt werden,
wodurch auch eine höhere
Umdrehungszahl des Antriebsritzels pro Zeiteinheit bewirkt wird.
Deshalb kann auch ein kleineres Antriebsritzel verwendet werden,
um die gleiche Kettengeschwindigkeit zu erzielen (etwa 50–70% der
Größe üblicher
Zahnräder, je
nach beabsichtigter durchschnittlicher Rechts-Links-Wechselfrequenz bzw.
Tretgeschwindigkeit).
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Durch
seine einfache, raumsparende und universell bei Fahrrädern einsetzbare
Bauweise sowie seine möglichen
Anwendungsbereiche ist der erfindungsgemäße Antrieb somit für alle Fahrradtypen verwendbar.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung
mit der Zeichnung, in welcher
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1 eine
Prinzipskizze eines mit einem erfindungsgemäßen Antrieb und einer erfindungsgemäßen Hinterradaufhängung versehenen
Fahrrades ist und
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2 einen
Detailausschnitt des Antriebs gegen die Fahrtrichtung gesehen zeigt.
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Bei
dem Fahrrad sind in Fahrtrichtung Tretarme 2 angelenkt,
wobei die Anlenkung im Beispiel zwischen Hinterrad und Rahmen erfolgt,
so daß hier
der Austritt der Tretarme nach unten heraus unter den seitlichen
Rahmenrohren 4 gestaltet wurde. Der Progressionswinkel
der Anlenkungsachse 6 und der Trittflächen 8 beträgt etwa
13°. Da
dieser Progressionswinkel relativ steil ist und die Trittflächen eher
hinter dem Körperschwerpunkt
positioniert sind, ist das gezeigte Fahrradmodell mit einer relativ
starken Oberkörpervorlage
zu fahren. Daher ist es mit einem Aufliegerlenker ausgestattet.
Die Gestaltung und die Verstellbarkeit der Trittflächen ist
in 1 nur angedeutet, da diese unterschiedlich ausgestaltet
werden können.
Die Trittflächen
sind im Beispiel in Fahrtrichtung schwenkbar ausgeführt, um
die Lockerheit der Fußgelenke
zu gewährleisten.
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Es
sei an dieser Stelle betont, daß alternativ zu
der gezeigten Anlenkung auch eine separate Anlenkung der Tretarme
auf der jeweils anderen Rahmenseite des Fahrrads und eine Rückführung der
primären
Lasthebel zur Rahmenmitte möglich
ist, was das Kippmoment für
den Fahrradrahmen reduziert, eine größere Parallelität der Querbewegung
der Tretarme mit der des Hüftgürtels des
Benutzers ergibt und einen größeren radialen
Ausschlag der primären Lasthebel
bewirkt. Dazu reichte eine Herüberlegung von
etwa 1/3 der Krafthebelänge
auf die andere Rahmenseite bereits aus. Aus Raumgründen sollten dann
die Arme gekrümmt
gebaut werden. Es ergäbe sich
ein größerer Radius
der Lasthebel der Kurbelwelle, was wiederum eine stabilere Bauweise
der primären Übersetzung
ermöglichte
und bewirkte, daß der
Kreisbogen der primären
Lastarme etwas weniger gekrümmt
ist.
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Das
seitlich-hinten am Rohrrahmen geführte Antriebsritzel 12 ist
im Beispiel mit seiner Drehachse relativ weit vorne geführt, da
der Halter 10 seitlich-mittig am Rohrrahmen ansetzt und
entsprechend mehr Platz nach vorne für das Zahnrad bietet.
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Die
zusätzliche,
um 90° versetzte
zweifache Anlenkung der Pleuelstange ist 2 entnehmbar. Hierbei
bieten das untere Zapfengelenk 18 und das obere Zapfengelenk 22 die
ausgleichende Beweglichkeit für
die Krümmung
des Radialbogens der primären
Lastarme 24 sowie das untere Pleuelgelenk 20 zusammen
mit dem oberen Pleuelgelenk 28 die Beweglichkeit für die Kurbelwellenbewegung.
Das obere Zapfengelenk 22 fängt hierbei – bezogen
auf den gezeigten Maßstab – einen
Pendelausschlag des unteren Pleuelgelenks 20 von nur 1,5
mm auf. Der senkrechte Hub des unteren Pleuelgelenks beträgt in dieser
Bewegung nur +/– 9–10 mm.
Im Originalmaßstab
sind annähernd
doppelt so große
Maße anzusetzen,
je nach gewählter Übersetzung.
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Der
erfindungsgemäße Antrieb
arbeitet wie folgt: Bei waagrechter Stellung der Tretarme 2,
wie in beiden Figuren gezeigt, stehen die Lasthebel der Kurbelwelle 14 ebenfalls
in waagrechter Mittelposition, so daß in der Mitte der Abwärtsbewegung
der Trittflächen
bei jeder Beinstreckung eine optimale Hebelwirkung an der Kurbelwelle
erzielt wird. Da die Lasthebel der Kurbelwelle um 180° versetzt
zueinander stehen, bewirkt jeweils ein Tretarm bei einer Abwärtsbewegung über den
beidseitig verlängerten Querhebel 24 und
die Pleuelstangen 16 gleichzeitig einen Auf- und einen
Abwärtsimpuls
der Lasthebel der Kurbelwelle und damit eine halbe Drehung der Kurbelwelle 26 und
des darauf sitzenden Zahnrades. Da beide Tretarme eine gemeinsame
Aufhängungsachse 6 haben
und starr mit dieser verbunden sind, wird gleichzeitig der nicht
belastete Tretarm in die Ausgangsstellung nach oben geführt. Somit
ist kein Rückholmechanismus
für die
diskontinuierlich arbeitenden Tretarme erforderlich, und das Zahnrad
erfährt
eine kontinuierliche Drehbewegung. Damit wird auch eine nach jedem
Tritt lösende
Wirkung einer Freilaufnabe überflüssig, wenn
die Tretarme in die Gegenbewegung übergehen.
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Alternativ
kann man die primäre Übersetzung
zum Beispiel auch so variieren, daß an den primären Lasthebeln 24 an
Stelle der Pleuelstangen quer zur Fahrtrichtung angelenkte Hebel
ansetzen. So könnte
man das Drehmoment zunächst
auf jeweils einen kürzeren
Hebel übertragen,
welche mittels einer längeren
Hebelübersetzung
beidseitig über Zahnriemen
das Hinterrad antreiben, so daß mittels einer
Freilaufnabe diskontinuierlich Impulse auf das Hinterrad übertragen
werden könnten.