DE19942413A1 - Tretkurbelantrieb, insbesondere für Fahrräder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Antrieb insbesondere eines Fahrrades mittels eines Kurbeltriebes, der zwei Kurbelarme mit Pedalen aufweist, die durch die vorwiegend senkrecht wirkende Beinmuskelkraft des Fahrers betätigt werden, wodurch ein vorwärtstreibendes Drehmoment um die Kurbelachse erzeugt wird.

Es ist bekannt, daß durch die vorwiegend vertikale Einwirkung der Beinmuskelkraft des Radfahrers auf den Tretkurbeltrieb nur ein geringer Teil dieser Kraft in ein vorwärtstreibendes Drehmoment umgesetzt wird, da sich die vertikale Pedalkraft an einem Kurbeltrieb aufteilt in eine Tangentialkraft, die das Drehmoment erzeugt und in eine Radialkraft die auf die Kurbelachse gerichtet und damit für den Vortrieb unwirksam ist. Im oberen und unteren Totpunkt (OT und UT) ist die Tangialkraft Null. Nach 90° Drehwinkel in Fahrtrichtung vom oberen Totpunkt aus gerechnet, erreicht die Tangentialkraft ihr Maximum und entspricht der Pedalkraft.

Durch diese ständigen Wechsel der wirksamen Kraft wird bei jeder Umdrehung des Kurbeltriebes ein sehr ungleichmäßiges Drehmoment erzeugt. Entsprechend einer Sinuslinie steigt es zweimal von Null auf ein Maximum und fällt jeweils auf Null zurück. Die dadurch hervorgerufene ständige Beschleunigung und Verzögerung wirkt sich sehr negativ auf die Effektivität des Kurbeltriebes aus.

Da auch die Erzeugung der Radialkraft als statische Haltekraft in den Beinmuskeln Energie verbraucht, sollte in dem Bereichen um den OT und UT k-ine senkrechte Pedalkraft ausgeübt werden, weil diese nicht effektiv umgesetzt werden kann. Andererseits wirkt die Beinmuskelkraft auch bei geübten Radsportlern kaum anders als senkrecht auf den Kurbeltrieb ein, wie das Bundesinstitut für Sportwissenschaft in Köln ermittelt hat. Im Bereich des OT und UT wird also vom Fahrer kaum ein wirksames Drehmoment erzeugt.

Es wurden verschiedene Tretkurbelantriebe zur effektiveren Nutzung der Tretkraft und zur leichteren Überwindung der Totpunkte vorgeschlagen z. B. mittels unrunder Kurbelräder (DE 33 19 736 C2) und durch eine Veränderung der Tretkurbellänge (DE 41 39 689 C2, DE 32 41 142 A1, De 30 25 621).

All diese Vorschläge haben sich in der Praxis kaum durchgesetzt. Die Gründe liegen vermutlich bei zu großem technischen Aufwand, Störanfälligkeit und zu hohen Reibungsverlusten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Tretkurbelantrieb für Fahrräder der eingangs genannten Art so auszubilden, daß 1. die Beinmuskelkraft des Fahrers zur Erreichung max. Tangentialkräfte im effektivsten Bereich zwischen OT und UT auf die Pedale aufgebracht wird und 2. das erzeugte Drehmoment möglichst gleichmäßig über den gesamten Bereich einer Kurbelumdrehung wirksam ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren nach Anspruch 1 durch einen Tretkurbelantrieb gelöst, bei dem ein Teil der im effektivsten Kurbelwinkelbereich zwischen OT und UT durch die Beinmuskulatur zugeführten Energie in einem Energiespeicher aufgenommen und im anschließenden Kurbelwinkelbereich vor und nach dem Durchlaufen der Totpunkte wieder an den Kurbeltrieb abgegeben wird.

Die zugeführte Energie ist in dem beschriebenen Verfahren das Produkt aus Tangentialkraft mal Kurbelweg und die gespeicherte Energie das Produkt aus Speicherzug- oder Druckkraft mal Speicherweg bzw. Hub.

Die durch dieses Verfahren erziehen Vorteile bestehen insbesondere darin,

• 1. daß durch die Aufnahme von Energie in einem Speicher im effektivsten Bereich der Tangentialkrafterzeugung der Pedalwiderstand erhöht und der Fahrer gezwungen wird, in diesem optimalen Bereich die Trittkraft zu erhöhen.
• 2. daß durch die Rückgabe der Energie im Bereich der Totpunkte der Pedalwiderstand verringert wird und sich damit die uneffektive Einleitung von Muskelkraft vermindert.
• 3. daß die Abgabe von Energie an einen Speicher, aus dem Bereich in dem das maximale Drehmoment erzeugt wird, sowie die Rückführung im Bereich der Totpunkte, das Drehmoment während einer Kurbelumdrehung vergleichmäßigt und damit nachteilige ruckartige Beschleunigungen und Verzögerungen vermeidet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind aus Anspruch 2 und 3 ersichtlich.

In Anspruch 4 wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 dargestellt, bei dear jedem Kurbelarm ein Energiespeicher zugeordnet ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung nach Anspruch 4 sind aus Anspruch 5 bis 9 ersichtlich.

In Anspruch 10 wird eine Vorrichtung nach Verfahren Anspruch 1 empfohlen, bei der die Speicher für den linken und rechten Kurbelarm nur mit einer Pedalachse verbunden sind.

Nach Anspruch 11 kann eine Vorrichtung nach Anspruch 10 auch mit nur einem Speicher ausgeführt werden.

In Anspruch 12 wird eine Vorrichtung nach Verfahren Anspruch 1 empfoh­ len, bei der die Energie auf einen 2. Kurbeltrieb übertragen und nur ein Speicher abwechselnd für die linke und rechte Pedalkraft eingesetzt wird.

Weitere Details der Erfindung werden in den Zeichnungen erläutert, die das Verfahren und bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch darstellen.

Es zeigen:

Fig. 1. Kurbeltrieb nach Anspruch 4 mit einem Speicher pro Pedale

Fig. 2. Kurbeltrieb nach Anspruch 10 mit 2 Federspeichern an einem Pedal

Fig. 3 und Fig. 4 Kurbeltrieb mit Übersetzung auf einen 2. Kurbeltrieb mit leerem Speicher Fig. 3 und vollem Speicher Fig. 4

Fig. 1 zeigt einen Tretkurbelantrieb der Vorrichtung nach Anspruch 4 bei dem nur der rechte (in Fahrtrichtung gesehen) Kurbelarm 1 mit Pedale 2 gezeigt wird, und zwar in Kurbelstellung 135°, also nach Aufnahme der Energie in dem Drehwinkelbereich α (45 bis 135°). Der Energiespeicher, als Gasdruckfeder 3 mit seinem Befestigungspunkt am Fahrradrahmen 11 dargestellt, ist in dieser Stellung maximal aufgeladen. Der Kolben 4 hat das Gas im Zylinderraum 38 komprimiert. Beim anschließenden Durchlaufen des Winkelbereiches β wird die gespeicherte Energie wieder an den Kurbeltrieb zurückgegeben, da der Kolben 4 durch die Rückwärtsbewegung der Pedale 2 zurückfahren kann und das Gas sich entspannt. Die Symmetrielinie 5 zeigt die Lage des Speichers nach der Energieabgabe bei 225°.

Bei Winkellage 225° der rechter Pedale hat die linke Pedale die Stellung 45° erreicht und die zuvor beschriebene Energieaufnahme und Abgabe wiederholt sich analog für den linken Pedaltritt.

Symmetrielinie 6 zeigt die Lage des Speichers bei Kurbelstellung 45° zu Beginn der Energiespeicherung. Die Kennzeichnungsnummer 7 zeigt den Speicher in entspannter Lage bei Kurbelstellung 315°.

Die Verbindung 9 zwischen denn Speicher und Pedalachse ist hier als Seil oder Kette dargestellt. Die Verbindung 9 hängt im Winkelbereich γ lose durch und ist im Bereich α und β gespannt, um die Kraft zwischen Pedal und Speicher zu übertragen.

An der Pedalachse in Position 45° sind Pedaltrittkraft 10 und ihre Aufteilung in Radial 12 - und Tangentialkraft 13 gezeigt. Zur Verdeutlichung der Situation ist das Kettenrad 14, die Kette 15, die Drehrichtung A und die Fahrtrichtung B dargestellt.

Fig. 2 zeigt einen Kurbelantrieb nach Anspruch 10 bestehend aus 2 Federspeichern 16 und 17 in einem Führungsgehäuse 18 mit schwenkbarem Befestigungspunkt 19 am Fahrradrahmen und eine Kolbenstange 20, die mit der Pedalachse schwenkbar verbunden ist.

Die rechte Pedale 21 steht in Pos. 315°, d. h. die Druckfeder 16 hat einen Teil der Energie, die von dem linken Pedaltritt im Winkelbereich α erzeugt wurde, aufgenommen (Kolbenhub C). Bei weiterer Drehung der Pedale 22 wird die gespeicherte Energie über den Winkelbereich ε an den Kurbeltrieb abgegeben. Im Winkelbereich α nimmt danach die rechte Kurbel 27 die Trittkraft 28 des rechten Beines auf, die in der Druckfeder 17 gespeichert wird (Kolbenweg D). Über den Winkelbereich β wird die gespeicherte Energie zurückgegeben und der Zyklus beginnt von vorn.

Die Symmetrielinien 24 und 25 zeigen die Lage des Speichers in Pos. 45 und 225° bei der der Kolben die ungespannte Speichermittellage 26 einnimmt.

Fig. 3 und 4 zeigen einen Tretkurbelantrieb nach Anspruch 12, bei dem die Drehungen des Tretkurbelrades 29 über eine Kette oder Zahnriemen 30 auf ein 2. Kurbelrad 31 mit dem halbem Durchmesser der Tretkurbelrades 2 : 1 übertragen werden. An dem 2. Kurbelrad ist der Kurbelarm mit einer Zugfeder 33 am Punkt 37 verbunden, deren anderes Ende im Punkt 34 am Fahrradrahmen befestigt ist.

In Fig. 4 hat sich die rechte Pedale 35 von Pos. 45° nach Pos. 135° bewegt und die Feder 33 max. gespannt. Das gezogene Ende der Feder hat Pos. 36 ereicht ist. Bei der weiteren Drehung der rechten Pedale in Pos. 225° wird die Feder entspannt und die gespeicherte Energie abgegeben. Da nun die linke Pedale in Pos. 45° steht, wiederholt sich der für die rechte Pedale beschriebene Vorgang, wobei das 2. Kurbelrad eine weitere volle Umdrehung ausführt.

Claims (11)

1. Verfahren zum Antrieb insbesondere eines Fahrrades mittels eines Kurbeltriebes, der zwei Kurbelarme mit Pedalen aufweist, die durch die vorwiegend senkrecht wirkende Beinmuskelkraft des Fahrers betätigt werden, wodurch ein vorwärtstreibendes Drehmoment um die Kurbelachse erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der im effektivsten Bereich der Drehmomenterzeugung zwischen oberem und unterem Totpunkt abwechselnd vom rechten und linken Bein zugeführten Energie in einem Energiespeicher aufgenommen und im anschließenden Kurbel­ winkelbereich vor und nach dem Durchlaufen der Totpunkte von diesem Speicher wieder an den Kurbeltrieb abgegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei vertikalem Pedaltritt vom Speicher jeweils Energie aufgenommen wird, wenn der rechte oder linke Kurbelarm den 90° Kurbelwinkelbereich von 45° bis 135° vom OT aus in Fahrtrichtung gerechnet durchläuft, und daß die Energierückgabe aus dem Speicher an den Kurbeltrieb 45° vor den Totpunkten beginnt und 45° nach den Totpunkten abgeschlossen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieaufnahme und Abgabe vor oder nach den in Anspruch 2 genannten Winkelangaben beginnt bzw. endet, insbesondere dann, wenn der Pedaltrittrichtung nicht vertikal sondern vorwiegend nach vorn oder hinten geneigt ist.

4. Vorrichtung (Fig. 1) zum Ausführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Kurbelarm ein Energiespeicher zugeordnet ist, der an einem Ende so mit der zugehörigen Pedalachse schwenkbar verbunden ist, daß er in dem Kraftaufnahmebereich nach Anspruch 2 und 3 einen Teil der zugeführten Pedalkräfte aufnehmen kann und im anschließenden Abgabebereich dem Kurbeltrieb wieder voll zuführt, während das andere Ende des Speichers schwenkbar und kraftschlüssig mit dem Rahmen des Fahrrades verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher eine Zug - oder Druckfeder aus Metall oder gummi­ elastischem Material ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeiche eine sogenannte Gasdruckfeder ist bei der die Energie durch Kompression eines Gases gespeichert wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitshub des Speichers der Kurbelarmlänge entspricht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen Speicher und Pedal eine Kette, ein Seil, eine Gelenkstange, eine Teleskopstange o. ä. ist, die den Speicher mit dem Kurbelarm in dem Auf- bzw. Abgabebereich nach Anspruch 2 und 3 kraftschlüssig verbindet und im übrigen Kurbelwinkelbereich die Kraftschlüssigkeit unterbricht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Befestigungspunkt des Speichers am Fahrradrahmen auf einer Linie liegt die durch den Kurbeldrehpunkt und dem Pedaldrehpunkt bei max. Energiespeicherung (normal 135°) führt.

10. Vorrichtung (Fig. 2) zum Ausführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicher für den linken und rechten Kurbelarm nur mit einer Pedalachse verbunden werden, wodurch die Speicher ständig kraftschlüssig mit dieser Pedale verbunden sind, da über diese Verbindung den Speichern bei einer Kurbelumdrehung zweimal über 90° Energie zugeführt und zweimal über 90° abgeführt werden.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung mit nur einem Speicher ausgeführt wird, wenn durch eine entsprechende Mechanik die Kräfte der linken und rechten Kurbe wechselweise auf diesen Speicher geleitet werden.

• 1. Vorrichtung (Fig. 3 und Fig. 4) zum Ausführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Energie zunächst über einen Ketten- oder Riementrieb im Verhältnis 2 : 1 auf einem
• 2. Kurbeltrieb übertragen wird, der nur einen Kurbelarm aufweist mit dem ein Speicher kraftschlüssig und schwenkbar verbunden ist und bei einer Trittkurbelumdrehung zweimal wechselweise über einen Kurbelwinkel von 180° Energie aufnimmt und zweimal an den Kurbeltrieb abgibt.