DE19927733A1 - Tretantrieb, insbesondere für Fahrräder - Google Patents

Abstract

Bei dem Tretantrieb sind zwei Tretarme (9) über einen Freilauf mit einer Tretlagerachse (8) einem Antriebsrad (6) gekoppelt und werden in einem begrenzten Winkelbereich hin- und herbewegt. An den freien Enden der Tretarme (9) sind längselastische Pedalarme (11) gelenkig angelenkt, die sich beim Treten eines zugeordneten Pedals (15) teleskopartig verlängern. In einer belasteten Grenzstellung des Tretarms (9), in der das Pedal (15) für eine kurze Zeit im wesentlichen stillsteht, wird die in einem Federelement (13) des Pedalarms (11) zwischengespeicherte Energie dazu verwendet, das Antriebsrad (6) weiterzudrehen. Die verbleibende Energie wird nach dem Entlasten des Pedals (15) dazu verwendet, den Tretarm (9) sowie den Pedalarm (11) in ihre Ausgangsstellung zurückzubewegen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Tretantrieb, insbe­ sondere für Fahrräder, gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruches 1.

Ein derartiger Tretantrieb ist aus der DE 43 11 404 C2 bekannt. In bekannter Weise ist dort ein Kettenrad über eine Kette mit einem Hinterradritzel gekoppelt, das über einen Freilauf das Hinterrad antreibt. Das Kettenrad ist auf einer Tretlagerachse montiert, von der ein linker und ein rechter Tretarm radial abstehen. An den freien Enden der Tretarme ist jeweils ein herabhängender Pedalarm mit einem Pedal gelenkig angeordnet. Bei solchen "Doppelarm- Gelenktretkurbeln" bewegen sich die Pedale auf einer ovalen Umlaufbahn um die Tretlagerachse.

In der DE 197 36 284 A1, DE 43 24 805 A1 und WO 99/20981 A1 sind ebenfalls Tretantriebe für Fahrräder beschrieben, bei denen ein Pendelarm gelenkig an einem Tretarm angelenkt ist.

Aus der DE-GM 92 04 330.5 U1, DE 54 884 und DE 54 361 sind Tret­ antriebe für Fahrräder bekannt, bei denen sich die Länge des Tretarms während des Tretens verändert, so daß sich die Pedale ebenfalls auf einer ovalen Bahn bewegen. Bei einem Pedalumlauf ändert sich somit der wirksame Hebelarm bzw. die erforderliche Pedalkraft.

Aus der DE 143 092 ist eine Tretvorrichtung für Fahrräder bekannt, bei der die Tretarme jeweils über eine Drehfeder, d. h. elastisch mit der Tretlagerachse gekoppelt sind.

Bei den oben erwähnten Tretantrieben, bei denen die Tretkurbeln bzw. die Pedale eine kreisbogenförmige bzw. ovale Umlaufbahn um die Tretlagerachse beschreiben, gibt es Bahnabschnitte, insbesondere im Bereich des oberen und unteren Totpunktes, in denen keine bzw. nur eine geringe Kraftübertragung auf die Pedale möglich ist. Diejenigen Bahnabschnitte, in denen eine gute und ergonomisch günstige Kraftübertragung auf die Pedale möglich ist, decken dabei nur einen vergleichsweise kleinen Winkelabschnitt der Umlaufbahn ab.

Zur Erzielung einer gleichmäßigeren bzw. kontinuierlicheren Kraftübertragung wurden Tretantriebe entwickelt, bei denen die Tretkurbeln lediglich in Winkelbereichen auf- und abbewegt werden, in denen eine gute und ergonomisch günstige Kraftübertragung auf die Pedale möglich ist.

Ein solcher Tretantrieb ist z. B. aus der DE 34 08 544 A1 bekannt, bei der die zwei Trethebel in einem Winkelbereich auf- und abbewegt werden und die Pedalkräfte über eine Einwegekupplung auf ein Antriebsrad übertragen. Die DE 21 42 137, DE 832 208, DE 42 26 432 A1 und DE 575 822 beschreiben ebenfalls Tretantriebe, bei denen die Trethebel lediglich in einem Winkelbereich um eine Tretachse hin- und hergeschwenkt werden. Ferner ist aus der DE 39 04 571 A1 eine Tretvorrichtung bekannt, bei der zwischen den Trethebeln und der Tretlagerachse jeweils ein Freilauf vorgesehen ist.

Bei den letztgenannten Tretantrieben, bei denen die Trethebel in einem bestimmten Winkelbereich hin- und herbewegt werden, findet in einer unteren Grenzstellung des Pedals eine Bewegungsumkehr statt, d. h. das Pedal bzw. der Tretarm müssen entlastet und in eine obere Ausgangsstellung zurückge­ bracht werden.

Wenn in der unteren Grenzstellung eine feste Sperre vorgesehen ist, die ein Weiterdrehen des Tretarms verhindert, so führt dies zu einer abrupten, d. h. ergonomisch ungünstigen Bewegungsumkehr und zu einer erheblichen Materialbelastung. Ferner muß der Fahrer die Tretkurbel aus eigener Muskelkraft wieder nach oben ziehen.

Die oben erwähnte DE 34 08 544 A1 bzw. DE 39 04 571 A1 verwenden hierfür ein anderes Konzept, bei dem die beiden Trethebel durch eine Umkehreinrichtung miteinander gekoppelt sind, d. h. der herunterzutretende Trethebel befördert den anderen Trethebel automatisch nach oben. Diese Lösungen sind jedoch konstruktiv relativ aufwendig und mit gewissen Energieverlusten verbunden, da die Entlastung des einen Trethebels und das Runtertreten des anderen zeitlich exakt aufeinander abgestimmt sein müssen, was vom Fahrer erhöhte Aufmerksamkeit bzw. ausreichende Übung erfordert. Ferner verhindert eine solche feste Verbindung der beiden Trethebel das gleichzeitige Antreiben der Tretlagerachse durch beide Beine.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Tretvorrichtung zu schaffen, die eine verbesserte und ergonomisch günstige Kraftübertragung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Das Grundprinzip der Erfindung besteht in einem Tretantrieb, bei dem zwei Tretarme über einen Freilauf mit einer Tretlagerachse gekoppelt sind und in einem begrenzten Winkel­ bereich hin- und herbewegt werden, wobei an den freien Enden der Tretarme längselastische Pedalarme gelenkig angelenkt sind, die sich beim Treten eines zugeordneten Pedals teleskopartig verlängern und beim Entlasten des Pedals die gespeicherte Energie abgeben und den Tretarm sowie den Pedalarm in eine unbelastete Ausgangsstellung zurückbewegen.

Unter "Freilauf" ist hier allgemein eine Drehkupplungsein­ richtung, wie z. B. eine Ratsche zu verstehen, die in einer Drehrichtung sperrt und eine Kraft- bzw. Bewegungsübertragung von einem Drehteil auf ein anderes ermöglicht und die in einer entgegengesetzten Drehrichtung eine Relativdrehung der beiden Drehteile ermöglicht.

Der Pedalarm kann beispielsweise durch eine aus zwei Pedalarmelementen bestehende Kolben-Zylinderanordnung gebildet sein, bei der die Pedalarmelemente durch ein Federelement, wie z. B. eine Gasdruckfeder oder eine Spiralfeder miteinander gekoppelt sind. Das Federelement kann selbstverständlich auch durch eine Kombination aus einem Gasdruckzylinder und einer mechanischen Feder gebildet sein oder durch eine sonstige elastisch wirkende energiespeichernde Vorrichtung. Das eine Ende des Pedalarms ist dabei am freien Ende des Tretarms angelenkt und am anderen Ende ist in bekannter Weise das Pedal befestigt.

Beim Treten des Pedals wird der Pedalarm allmählich auseinandergezogen und zwar mit abnehmender "Dehnungs­ geschwindigkeit", da die zu überwindende Federkraft mit zunehmender Dehnung ansteigt. Der Fuß des Fahrers bzw. das Pedal werden somit vor Erreichen einer Grenzstellung sanft abgebremst, was ergonomisch günstig ist. Der Großteil der vom Fahrer aufgebrachten Tretenergie wird dabei auf das anzutreibende Rad übertragen und ein kleiner Teil der Energie wird vom Federelement zwischengespeichert. Wenn der Fahrer in der Grenzstellung bei annähernd gestrecktem Bein seinen Fuß noch eine - kurze - Zeit lang auf dem Pedal hält, so übt das Federelement weiterhin eine Antriebskraft auf die Tretkurbel aus, ohne daß der Fahrer "aktiv" weiter treten muß.

Beim anschließenden Entlasten des Pedals entspannt sich das Federelement, beschleunigt das zweite Pedalarmelement zurück in Richtung seiner Ausgangsstellung und zieht bzw. drückt dadurch die beiden Pedalelemente zusammen. Beim Auftreffen des zweiten Pedalelementes auf das erste Pedalelement findet eine Impulsübertragung auf den gesamten Pedalarm und den Tretarm statt, so daß sich der Pedalarm und der Tretarm in ihre Ausgangsstellung zurückbewegen.

Ein derartiger Tretantrieb ermöglicht eine optimale Kraft­ übertragung, da die Tretarme ausschließlich in einem ergonomisch günstig erreichbaren Winkelbereich von ca. ± 30° gegenüber einer Mittelstellung der Tretkurbel hin- bzw. herbewegt werden. Durch geeignete Einstellung der Sitzposition des Fahrers wird erreicht, daß sein Bein in dem auf die Mittelstellung bezogenen Winkelbereich von ca. ± 30° fast ganz gestreckt ist, was eine optimale Kraftentfaltung ermöglicht. Im Gegensatz zu herkömmlichen Tretantrieben müssen keine Totpunkte überwunden werden. Durch das sanfte Abbremsen des Fußes des Fahrers bzw. des Pedal vor Erreichen der Grenzstellung wird ein sehr weicher Bewegungsablauf ermöglicht. Gleichzeitig stellt die im Federelement gespeicherte Energie eine Rückbewegung des Pedalarms und der Tretkurbel in die Ausgangsstellung sicher. Da sowohl der linke als auch der rechte Trethebel jeweils über einen Freilauf mit der Tretlagerachse gekoppelt sind, hat der Fahrer die Wahl, abwechselnd links oder rechts zu treten oder gleichzeitig links und rechts zu treten.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Tretantrieben mit fester Verbindung zwischen rechtem und linken Trethebel ist mit der Erfindung somit auch ein sich "überschneidendes" bzw. gleichzeitiges Treten beider Pedale möglich. Während das getretene Pedal in fast kraftloser Ruhestellung des Beins durch das gespannte Federelement noch Antriebswirkung erzeugt, kann das andere Bein bereits mit dem Treten des anderen Pedals beginnen. So wird eine bei herkömmlichen Tretantrieben unvermeidliche Totzeit weitgehend eliminiert.

Der erfindungsgemäße Tretantrieb kann vielfältig eingesetzt werden, z. B. als Antrieb für herkömmliche Fahrräder, Rennräder, Mountainbikes oder in Fitnessgeräten, bei denen der Fahrer im wesentlichen aufrecht sitzt oder steht und die Pedale in einem vorgegebenen Winkelbereich auf- und abbewegt. Alternativ dazu kann der Tretantrieb jedoch auch bei "Liegerädern", Tretbooten, Tretautos oder ähnlichem eingesetzt werden, bei denen der Fahrer eine fast liegende Stellung einnimmt und die Pedale im wesentlichen vor- und zurückbewegt werden. Ferner kann der Tretantrieb auch als Handantrieb eingesetzt werden, z. B. für Rollstühle.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Fahrrad mit einem Tretantrieb gemäß der Erfindung in der oberen Grenzstellung;

Fig. 2 den Tretantrieb der Fig. 1 in einer mittleren Stellung; und

Fig. 3 den Tretantrieb in der unteren Grenzstellung.

Fig. 1 zeigt ein Fahrrad 1 mit einem Vorderrad 2 und einem Hinterrad 3, das über ein Ritzel 4 und eine Kette 5 von einem Kettenrad 6 angetrieben wird, welches auf einer im Rahmen 7 des Fahrrads 1 gelagerten Tretlagerachse 8 sitzt. Das Kettenrad 6 ist dabei mit der Tretlagerachse 8 drehfest verbunden und das Ritzel 4 ist mit dem Hinterrad 3 in bekannter Weise über einen Freilauf gekoppelt. Solche Freiläufe sind z. B. in Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 18. Aufl., S. G74, Springer-Verlag 1995, beschrieben.

Auf beiden Seiten des Rahmens 7 ist jeweils ein Tretarm vorgesehen, von denen hier nur der eine Tretarm 9 dargestellt ist. Der Tretarm 9 ist über einen Freilauf mit der Tretlagerachse 8 gekoppelt und zwar so, daß bei einer Drehung des Tretarms 9 im Uhrzeigersinn die Tretlagerachse 8 bzw. das Kettenrad 6 mitgedreht werden, während der Tretarm 9 entgegen dem Uhrzeigersinn relativ zum Kettenrad 6 drehbar ist.

Am freien Ende des Tretarms 9 ist ein Drehgelenk 10 vorgesehen, das den Tretarm 9 mit einem Pedalarm 11 gelenkig verbindet, der in den Fig. 2 und 3 vergrößert dargestellt ist. Der Pedalarm 11 ist hier als "Kolben-Zylinderanordnung" dargestellt und weist ein mit dem Tretarm 9 verbundenes erstes Pedalarmelement 12, ein Federelement 13 und ein zweites Pedalarmelement 14 auf, an dessen freiem Ende in bekannter Weise ein Pedal 15 befestigt ist. Das zweite Pedalarmelement 14 ist dabei entgegen der Kraft des Federelements 13 teleskopartig aus dem ersten Pedalarmelement 12 herziehbar.

Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Tretantrieb, wird der Tretarm 9 nicht ständig mit der Tretlagerachse 8 mitgedreht, sondern nur bei einer Bewegung im Uhrzeigersinn zwischen der in Fig. 1 gezeigten "oberen Grenzstellung" und der in Fig. 3 gezeigten "unteren Grenzstellung", während bei der Rückdrehung des Tretarms 9 entgegen dem Uhrzeigersinn die Tretlagerachse 8 bzw. das Kettenrad 6 stillstehen.

In der in Fig. 1 gezeigten oberen Grenzstellung ist das Pedal 15 unbelastet und das Federelement 13 entspannt, d. h. das zweite Pedalarmelement 14 ist vollständig in das erste Pedalarmelement eingeschoben. Tritt der Fahrer mit dem Fuß das Pedal 15 nach unten, so spannt die aufgebrachte Fußkraft das Federelement 13 und zieht das zweite Pedalarm­ element 14 teleskopartig aus dem ersten Pedalarmelement 12 heraus. Die sich hierbei am Drehgelenk 10 bzw. am freien Ende des Tretarms 9 ergebende Reaktionskraft dreht den Tretarm 9 im Uhrzeigersinn mit. Da der zwischen dem Tretarm 9 und der Tretlagerachse 8 angeordnete Freilauf in dieser Drehrichtung sperrt, werden auch die Tretlagerachse 8 bzw. das Kettenrad 6 mitgedreht, was zu einer Drehung des Hinterrads 3 führt.

Fig. 2 zeigt eine "Mittelstellung" zwischen der in Fig. 1 gezeigten oberen Grenzstellung und der in Fig. 3 gezeigten unteren Grenzstellung, bei der der Pedalarm 11 etwa zur Hälfte ausgefahren ist. Das Kettenrad 6 ist gegenüber der oberen Grenzstellung ca. um 20° im Uhrzeigersinn gedreht, wobei in dieser Stellung der Tretarm 9 mit dem Pedalarm 11 einen Winkel von ca. 90° einschließt und nahezu horizontal ist. In Fig. 1 beträgt der Winkel zwischen dem Tretarm 9 und dem Pedalarm 11 ca. 70°. In der in Fig. 2 gezeigten Stellung ist somit der Hebelarm, d. h. der horizontale Abstand zwischen dem Drehgelenk 10 und der Tretlagerachse 8 maximal, was eine optimale Kraftübertragung ermöglicht.

Tritt der Fahrer das Pedal 15 weiter nach unten, so wird die in Fig. 3 gezeigte untere Grenzstellung erreicht, bei der der Winkel zwischen dem Tretarm 9 und dem Pedalarm 11 ca. 110° beträgt, der durch einen zwischen dem Tretarm 9 und dem Pedalarm 11 angeordneten Drehanschlag begrenzt sein kann. In dieser Stellung ist der Pedalarm 11 maximal ausgezogen und das Federelement 13 ist stärker gespannt als in der in Fig. 2 gezeigten Mittelstellung, so daß die "Tretgeschwindigkeit" mit der das zweite Pedalarmelement 14 aus dem ersten Pedalarmelement 12 herausgezogen wird, langsam abnimmt. Das Federelement 13 stellt somit einen "weichen" Bewegungsablauf bis zum Erreichen der unteren Grenzstellung sicher. Hält der Fahrer das Pedal 15 bei Erreichen der unteren Grenzstellung noch eine (kurze) Zeit in dieser Stellung, was bei fast gestrecktem Bein mit relativ geringer Fußkraft möglich ist, so entspannt sich das Feder­ element 13 bereits ein wenig und dreht dabei den Tretarm 9 im Uhrzeigersinn weiter.

Wenn der Fahrer in der unteren Grenzstellung das Pedal 15 entlastet, wird das zweite Pedalarmelement 14 durch die gespeicherte Federenergie nach oben beschleunigt. Bei Erreichen einer Anschlagstellung stößt das zweite Pedalarmelement 14 in dem durch den Drehanschlag begrenzten Winkel gegen das erste Pedalarmelement 12, was eine annähernd optimale Impulsübertragung auf das erste Pedalarmelement 12 und den damit gekoppelten Tretarm 9 sicherstellt. Nach dem Stoßvorgang bewegen sich der Pedalarm 11 und der Tretarm 9 in die in Fig. 1 gezeigte obere Grenzstellung, in der der Fahrer mit einem neuen Tretvorgang beginnen kann.

Das Federelement 13 ermöglicht somit in der unteren Grenzstellung ein "Weiterdrehen" des Tretarms 9, ohne daß der Fahrer das Pedal 15 weiter nach unten treten muß und stellt ferner bei Entlasten des Pedals 15 eine automatische Rückführung des Pedalarms 11 und des Tretarms 9 in die obere Grenzstellung sicher.

Der Fahrer hat somit die Möglichkeit, beide Tretarme 9 bzw. beide Pedalarme 11 unabhängig voneinander nach unten zu treten, d. h. beispielsweise abwechselnd, zeitlich überschneidend oder gleichzeitig. Die Federelemente 13 stellen dabei auch bei Erreichen der unteren Grenzstellung einen weichen, harmonischen Bewegungsablauf sicher. Da der Tretantrieb nur in einem begrenzten Winkelbereich um die Horizontalstellung der Tretarme 9 auf- und abbewegt wird, z. B. in einem Winkelbereich von ± 20-30°, ist eine optimale Kraftübertragung möglich. Im Gegensatz zu her­ kömmlichen Tretantrieben sind keine Totpunkte zu überwinden bzw. keine Tretbereiche mit geringer Kraftübertragung vorhanden.

Bei einem Fahrer, dessen Beine eher horizontal, d. h. in annähernder Liegestellung auf die Pedale (15) einwirken, gelten die beschriebenen Prinzipien in analoger Weise wie bei der oben im Zusammenhang mit einem Fahrrad beschriebenen "vertikalen" Stellung der Beine. Bei einem annähernd liegenden Fahrer kann es vorteilhaft sein, den Tretarm unterhalb der Tretlagerachse, d. h. entgegen dem Uhrzeigersinn auf diese einwirken zu lassen und einen geeigneten Umkehrmechanismus, wie z. B. ein Zahnrad, zwischen Antriebsrad und Tretlagerachse vorzusehen.

Claims (10)

1. Tretvorrichtung, insbesondere für Fahrräder, mit einem Antriebselement, insbesondere einem Antriebsrad, das mit einer Tretlagerachse verbunden ist, von der ein linker und ein rechter Tretarm radial abstehen, wobei an den freien Enden der Tretarme jeweils ein Pedalarm mit einem Pedal gelenkig angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Tretarme (9) jeweils über einen Freilauf mit der Tretlagerachse (8) gekoppelt sind und in einem Winkelbereich, der kleiner als 180° ist, hin- und herbewegt werden, die Pedalarme (11) jeweils ein erstes mit dem Tretarm (9) gekoppeltes Pedalarmelement (12) aufweisen, das über ein Federelement (13) mit einem zweiten Pedalarmelement (14) elastisch gekoppelt ist, wobei das zweite Pedalarmelement (14) durch Treten des Pedals (15) entgegen einer durch das Federelement (13) erzeugten Kraft teleskopartig gegenüber dem ersten Pedalarmelement (12) verschiebbar ist und bei Entlasten des Pedals (15) durch die im Federelement (13) gespeicherte mechanische Energie zusammen mit dem zugeordneten Tretarm (9) in seine Ausgangsstellung zurückbewegt wird.

2. Tretvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tretarme (9) jeweils nur in einem begrenzten Winkelbereich von unter ca. ± 30° gegenüber einer Mittelstellung der Tretarme (9) hin- bzw. herbewegt werden.

3. Tretvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Tretarm (9) und dem Pedalarm (11) ein Drehanschlag vorgesehen ist, der den sich beim Treten des Pedals (15) allmählich vergrößernden Winkel zwischen dem Tretarm (9) und dem Pedalarm (11) auf einen Maximalwinkel begrenzt.

4. Tretvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Maximalwinkel ca. 110° beträgt.

5. Tretvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Pedalarm (11) eine Kolben-Zylinderanordnung ist.

6. Tretvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement eine Gasdruckfeder ist.

7. Tretvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (13) eine Spiralfeder ist.

8. Tretvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (13) durch einen Gasdruckzylinder und eine Spiralfeder gebildet ist.

9. Tretvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein anzutreibendes Rad (4) vorgesehen ist, das über ein Zugmittel (5) mit dem Antriebsrad (6) gekoppelt ist.

10. Tretvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsrad (6) ein Tretlagerzahnrad, das anzutreibende Rad (4) ein Hinterradritzel und das Zugmittel (5) eine Kette ist.