DE19957373A1 - Aktivspeichenrad - Google Patents

Abstract

Aktivspeichenrad mit einem Radstreifen (1), der eine zentrale Radachse (4) definiert. Die Radnabe (3) ist relativ zur zentralen Radachse (4) verschiebbar. Eine oder mehrere Aktivspeichen (2, 40) verbinden die Radnabe (3) mit dem Radreifen (1). Die Radnabe (3) ist relativ zur Radachse (4) verschiebbar. Ein Energiespeicher (20) führt zu oder entnimmt der jeweilligen Aktivspeiche (2) Schubenergie. Eine Steuereinrichtung (25) ist zur differentiellen Zufuhr oder Abfuhr von Schubenergie zu bzw. von der Aktivspeiche (2) vorgesehen, um ein am Rad bei exzentrischer Stellung (e) der Radnabe (3) auftretendes Drehmoment fortlaufend auftreten zu lassen.

Description

Ausdehnbare Fluidzylinder sind ein altes Maschinenelement, mit dem Kräfte erzeugt werden können. Als relativ neues Maschinenelement ist der sogenannte Fluidmuskel (fluidic muscle) auf dem Markt erschienen, der aus einem Schlauch besteht, der sich bei zugeführtem Fluiddruck elastisch verkürzt bzw. bei nachlassendem Fluiddruck verlängert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, solchen Maschinenelementen weitere Anwendungen zu erschließen.

Die gestellte Aufgabe wird aufgrund des Anspruches 1 gelöst und durch die weiteren Merkmale der abhängigen Ansprüche ausgestaltet und weiterentwickelt.

Erfindungsgemäß gelingt es, eine Zusammenziehbewegung oder Ausdehnungsbewegung zum Antrieb eines Rades auszunutzen bzw. aus der Drehbewegung des Rades Energie zurückzugewinnen. Dies geschieht dadurch, daß der Fluidzylinder oder Fluidmuskel als eine Aktivspeiche eingesetzt wird, die sich verkürzen und verlängern läßt, um eine Radnabe außermittig des Radreifens zu verschieben bzw. basierend auf einer exzentrisch verschobenen Radnabe mit Kräften auf das Rad einzuwirken, die ein Drehmoment am Rad ergeben. Bei angetriebenem Rad läßt sich der Fluidzylinder oder Fluidmuskel auch als Fluiddruckgenerator betreiben. Das Drehmoment kann durch eine erste Kraft und eine zweite Kraft aufgebracht oder aufgenommen werden, die ein Kräfteparallelogramm bilden und somit den Drehantrieb bzw. Generatorbetrieb bewirken können. Die Radnabe kann frei sein oder geführt werden. Bei der Drehung des Rades verändert sich die Stellung der freien Radnabe gegenüber der zentralen Radachse in der Weise, daß das ausgeübte Drehmoment durch Verkürzung des effektiven Hebelarms zwischen der ersten und zweiten Kraft abnimmt. Durch Nachregeln der freien Stellung der Radnabe kann dies aber ausgeglichen werden, wodurch ein gleichbleibender Antrieb bzw. Generatorbetrieb des Rades erzielbar ist.

Im Falle eines Fahrzeuges kann die erste Kraft durch die anteilige Gewichtskraft des Fahrzeuges und des Fahrzeugführers bzw. vom Fahrzeuginsassen gebildet werden, während die zweite Kraft die anteilige Reaktionskraft des Rades an der Fahrbahn darstellt. Durch Regelung der Stellung der freien Radnabe im Raum relativ zu der Radachse lassen sich unterschiedliche Betriebsweisen einstellen, wie Anfahren, Beschleunigen in Vorwärtsrichtung, normale Vorwärtsfahrt ohne Beschleunigen, negatives Beschleunigen oder Abbremsen sowie Parken. Es können auch Zwischenstufen eingestellt werden, um sich Gangarten im Gelände, bei Bergauffahrt, bei schneller Fahrt, bei Freirollen, bei Bergabfahrt anzupassen.

Die Radnabe kann auch in einer Führung an bestimmter Stelle des Raumes innerhalb des Rades positioniert werden, wonach je nach Betriebsweise die Aktivspeichen die Drehung des Rades bewirken oder aus der vorhandenen Drehung des Rades Energie abzweigen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung besprochen.

Dabei zeigt:

Fig. 1 ein Aktivspeichenrad mit zwei Stellungen der Nabe bei der Startphase,

Fig. 2 eine Darstellung zur Erläuterung des Wirkprinzips,

Fig. 3 bis 11 den Umlauf eines Rades mit Verkürzung bzw. Verlängerung der Aktivspeichen,

Fig. 12 eine schematische Darstellung der Radnabe,

Fig. 13 und 14 eine Einzelheit der Radnabe in schematischer Darstellung,

Fig. 15 die Anwendung des Aktivspeichen-Prinzips beim Fahrrad,

Fig. 16 die Parkstellung,

Fig. 17 Schnellfahren,

Fig. 18 Kunstradfahren,

Fig. 19 Geländefahren, und

Fig. 20 die Darstellung unterschiedlicher Nabenstellungen relativ zum Rad,

Fig. 21 eine schematische Darstellung einer krürumbaren Aktivspeiche,

Fig. 22 ein Speichenrad mit zwei krümmbaren Speichen,

Fig. 23 ein Speichenrad mit einer krümmbaren Speiche, und

Fig. 24 die Betätigung der krümmbaren Speiche.

Fig. 1 zeigt ein Rad 1 mit Aktivspeichen 2 und eine freie Radnabe 3 in Umrißdarstellung. Die Rundung des Rades bestimmt einen Mittelpunkt bzw. eine zentrale Radachse 4, um die sich das Rad 1 dreht, wenn es sich auf einer Unterlage oder Fahrbahn 5 fortbewegt. Eine durch die Achse 4 gelegte senkrechte Ebene A trifft die Fahrbahn am Abstützpunkt 6.

Die freie Radnabe 3 kann außermittig verschoben werden, um die mit voll ausgezogenen Linien dargestellte Stellung mit der Exzentrizität e einzunehmen. Um dies zu ermöglichen, weisen die Aktivspeichen 2 an ihren Enden Gelenke 11 bis 16 auf, mit denen sie einerseits am Radreifen 1 und andererseits an der Nabe 3 befestigt sind. Die Aktivspeichen 2 bestehen aus sich verlängernden oder verkürzenden stabförmigen Elementen, wie sie als Fluidzylinder oder Fluidmuskel bekannt sind. Letztere sind aus einem Schlauch und einer festen Umspinnung aufgebaut und können als Membran-Kontraktions-System bezeichnet werden. Durch Zuführung eines Fluids kann sich das Fluidmuskelelement verdicken und gleichzeitig verkürzen. Die Verkürzungsbewegung geht mit einer enormen Kraftentfaltung einher. Deshalb ist es möglich, die Nabe 3 aus der Ebene A in eine Ebene B zu verschieben, wenn eine Aktivspeiche verkürzt und die beiden anderen Aktivspeichen verlängert werden. Die Verschiebung e ist in Fig. 1 durch die Volldarstellung angedeutet.

Es sei angenommen, daß auf der freien Nabe 3 eine Gewichtskraft G ruht. Auf der Abstützstelle 6 wird dann eine Reaktionskraft R in Gegenrichtung erzeugt. Die Kräfte G, R erzeugen ein Drehmoment am Rad 1. Infolgedessen wird sich dieses drehen, das heißt auf der Fahrbahn 5 abrollen, wodurch die freie Nabe 3 unter die Ebene E parallel zur Fahrbahn 5 absinkt, die sie zuvor eingenommen hatte (Fig. 2). Die Drehung des Rades 1 aus der Stellung der Fig. 1 kann in Fig. 2 am besten anhand der Stellungen der Gelenke 12, 14 und 16 beobachtet werden. Das am Rad wirksame Drehmoment wird vom Abstand e der Ebenen A und B bestimmt, der laufend abnimmt, wenn dem System keine weitere Energie zugeführt wird.

Es ist ein Fluiddruckspeicher 20 (Fig. 13) vorgesehen, dem Fluidenergie, beispielsweise Druckluft, über eine Zufuhrleitung 21 entnommen werden kann und dem entspannte Druckluft über eine Abluftleitung 22 zugeführt werden kann. Die Leitungen 21, 22 sind mit dem Inneren der freien Nabe 3 verbunden, wobei eine Drehverbindung 23 mit Dichtung dafür sorgt, daß die stationären Leitungen 21, 22 in die sich drehende Nabe 3 eingeführt werden können. Innerhalb der Nabe 3 ist ein Steuerventilsystem 25 vorgesehen, um das Fluid in richtiger Weise den einzelnen Aktivspeichen 2 zuzuführen, die in Fig. 13 und 14 als 2a, 2b und 2c bezeichnet sind. Die zugehörigen Fluidverbindungskanäle sind mit 26, 27, 28 bezeichnet. Die Kanäle 26, 27, 28 sind mit zugeordneten Gelenken 11, 13 und 15 verbunden, wobei die zugehörigen Aktivspeichen unterschiedliche Drehstellungen einnehmen können, wie dies in Fig. 12 bei 2a, 2a' und 2a" angedeutet ist.

Durch Zufuhr von Fluidenergie an die entsprechenden Speichen kann demnach die freie Nabe 3 so gesteuert werden, daß sie in der Ebene E verbleibt, während das Rad entlang der Fahrbahn 5 abrollt. In den Fig. 3 bis 11 wird dies dadurch dargestellt, daß die Gelenke 12, 14, 16 um den Radinnenumfang herum zu wandern scheinen. Die Drehung des Rades in ihren einzelnen Phasen wird durch Pfeile 7 in den Fig. 3 bis 11 dargestellt.

Das beschriebene Aktivspeichenrad-Antriebssystem kann bei vielerlei Antrieben Verwendung finden. Mit Fig. 15 wird eine Anwendung bei einem Fahrrad skizziert. Dieses weist ein Gestell 30 und einen Lenker 31 auf, die schwenkbar zueinander gelagert sind, wie es üblich ist. An Eckpunkten des Gestells und des Lenkers sitzen freie Naben 3a und 3b, die über Aktivspeichen 2 mit dem jeweiligen Radreifen 1a, 1b verbunden sind. Eine Tretkurbel 32 ist mit einer Luftpumpe 33 verbunden, die Druckluft einem Zwischenspeicher 34 bzw. den Druckluftzufuhrleitungen 21 in den Naben 3a, 3b zuführt. Die gesteuerten Ventile 25 in der jeweiligen Nabe werden über eine elektronische Steuerung 35 geregelt, deren Regeleinstellung über einen Drehgriff 36 bestimmt wird. Eine zugeordnete Anzeige 37 ist zur Anzeige von interessierenden Werten vorgesehen, beispielsweise Druck, Geschwindigkeit und dergleichen. Das Steuerungssystem kann ferner Lagesensoren wie bei 38 aufweisen. Eine Stromversorgung 39 kann aufladbare Batterien umfassen, die beispielsweise mit Solarenergie gespeist werden, um die elektrische Versorgung und zusätzliche Hilfsantriebe zu versorgen, zu der auch die Drucklufterzeugung parallel zur menschenbetriebenen Pumpe 33 zählen kann. Der Fluiddruckspeicher 20 kann mit der Luftpumpe 33 unmittelbar oder über den Zwischenspeicher 34 geladen werden. In gleicher Weise kann eine nicht gezeigter motorisch angetriebene Pumpe mit dem Fluidspeicher 20 verbunden sein.

Fig. 16 bis 19 zeigen unterschiedliche Anwendungsweisen des in Fig. 15 dargestellten Fahrrades. Dabei zeigt Fig. 16 die Parkposition, in welcher die Naben 3a, 3b so weit abgesenkt sind, daß die Tretkurbel 32 auf dem Boden aufruht und das Fahrrad von sich aus stehenbleibt. In dieser abgesenkten Position ist das Aufsteigen auf das Fahrrad erleichtert. Die abgesenkte Stellung kann zur Diebstahlsicherung verwendet werden, indem in die Steuerung eine serienmäßige elektronische Wegfahrsperre integriert wird. Ein gesperrtes Fahrrad kann nicht sinnvoll verwendet werden.

Fig. 17 zeigt die Stellung der Naben 3a, 3b schräg unterhalb der zugehörigen Radachsen 4a, 4b. Die Konfiguration kann als "tiefergelegtes Fahren" bezeichnet werden. Dies kann beim Schnellfahren interessant sein.

Die Einstellung gemäß Fig. 18 kann für Kunstradfahren interessant sein.

Fig. 19 zeigt das Fahrgestellt "höhergelegt", was bei Geländegang nützlich sein kann.

Fig. 20 gibt typische Nabenstellungen für das Fahrrad nach Fig. 15 an. Diese Stellungen der freien Nabe 3 sind mit römischen Ziffern bezeichnet worden und beziehen sich auf Folgendes:

• A) Geländefahrt
• B) Bergauffahrt und Schnellfahrt
• C) Normalfahrt und Auslaufen lassen
• D) Schnellstart, Anfahren und Beschleunigen
• E) frei rollendes Rad
• F) Bergabfahrt und Schnellfahrt
• G) Vollbremsung
• H) Parkstellung.

Anstelle von drei Aktivspeichen können noch weitere Aktivspeichen eingesetzt werden, einerseits um dem Rad größere Stabilität zu erteilen und andererseits die Möglichkeit der Deformation des Radreifens gegenüber der Rundform einstellen zu können.

Diese Möglichkeit mit Raddeformation ist vor allem bei kletterfähigen Fahrzeugen von Bedeutung, beispielsweise bei Rollstühlen, die man über Treppen bewegen will. Der Radumriß kann sich in gewisser Weise den Unebenheiten von Treppen anpassen, so daß die Gefahr des Abrutschens des Rollstuhls von der Treppe weniger zu befürchten ist.

Mit krümmbaren Aktivspeichen ist es auch möglich, weniger als 3 Aktivspeichen pro Rad anzuwenden. Fig. 21 zeigt eine derartige krümmbare Aktivspeiche 40, die 3 Elemente 41, 42, 43 enthält um durch deren differentielle Beaufschlagung eine Längenänderung mit gleichzeitiger Krümmung einstellen zu können. Man kann auch mit nur zwei Elementen 41, 43 auskommen.

Fig. 22 zeigt den Einbau derartiger Aktivspeichen 40 in ein Rad 1, um die freie Nabe 3 an bestimmter exzentrischer Stellung zu halten, während sich das Rad 1 dreht. In der augenblicklichen, voll ausgezogenen Stellung der Aktivspeichen 40 nehmen deren Enden die Positionen 54 und 58 ein. Bei dem sich drehenden Rad wird die Aktivspeiche 40a verkürzt, um die Position 53 einzunehmen, und die Aktivspeiche 40b wird verlängert, um die Position 57 einzunehmen. Es geht dann so weiter mit Positionen 52/56, 51/55 und wiederum 58/54.

Die zusammengesetzt aufgebaute Aktivspeiche 40 kann sogar als einzige in einem Radantrieb verwendet werden, wie die Fig. 23 zeigt. Anstelle der gelenkigen Verbindung zwischen Aktivspeiche und Rad 1 werden steife Verbindungen, wie bei 44 und 45 dargestellt, verwendet. Die Aktivspeiche 40 wird fortlaufend verkürzt und unterschiedlich gekrümmt sowie verlängert, um das Exzentritätsmaß e zwischen den Punkten 3 und 4 aufrechtzuerhalten. Die Positionen der Aktivspeiche 40 sind bei 61 bis 66 dargestellt.

Fig. 24 skizziert die Art und Weise der Formveränderung der Aktivspeiche 40. Die äußeren Elemente 41, 43 werden gegenläufig verkürzt und verlängert, wodurch sich die gewünschte Krümmung ergibt. Durch Ausdehnen der Elemente 41, 43 läßt sich die Aktivspeiche insgesamt verlängern und durch Verkürzen aller Elemente läßt sie sich verkürzen.

Der Aktivspeichenradantrieb läßt sich auch in stationärer Ausführung 70 verwirklichen. Fig. 25 bis 28 zeigen derartige Möglichkeiten. Zwischen Rad 1 und gestützter Nabe 3 erstrecken sich drei Aktivspeichen 2a, 2b und 2c. Die freie Nabe 3 kann längs einer gerätefesten Linearführung 71 verschoben werden und hierzu dient ein Verschiebeelement 72. Zur Reibungsverminderung kann eine Kugellagerführung 73 vorgesehen sein. Das Rad 1 kann über eine Welle 74 mit einem treibenden oder getriebenen Element 75 verbunden sein, beispielsweise einem Zahnrad, das in dem Gerät gelagert ist.

Fig. 26 zeigt die Verschiebung der gestützten Nabe 3 aus der Ebene A in die Ebene B. Wenn nunmehr die Aktivspeiche 2a zusammengezogen und die Aktivspeiche 2c ausgedehnt wird, erfolgt eine Drehung des Rades in Richtung des Pfeils 7. Durch zyklisches Zusammenziehen und Ausdehnen der Aktivspeichen läßt sich die Raddrehung fortsetzen, wie in Fig. 29 skizziert. Die Stellung der äußeren Gelenke 12, 14, 16 der aktiven Radspeichen 2 wandern dabei scheinbar um den Umfang des Rades 1, wobei 3 Phasen der Raddrehung in Fig. 29 dargestellt sind.

Wenn das Rad 1 über die Welle 74 angetrieben wird, wird den Aktivspeichen 2 Energie zugeführt und diese wirken somit als Pumpe. Es versteht sich, daß auch ein kombinierter Betrieb mit Energieaufnahme und -abgabe möglich ist.

Der in den Fig. 25 bis 29 dargestellte Drehantrieb kann auch in einem Fahrzeug angewendet werden, wie insbesondere die Fig. 29 zeigt. Gegenüber dem Radantrieb nach den Fig. 1 bis 20 ist dieser Antrieb unabhängig von der Schwerkraft und damit auch unabhängig von der Lage im Raum.

Claims (13)

1. Aktivspeichenrad mit folgenden Merkmalen:
ein Radreifen (1), der eine zentrale Radachse (4) definiert;
eine Radnabe (3), die relativ zur zentralen Radachse (4) verschiebbar ist;
Mittel zur Bildung von wenigstens einer Aktivspeiche (2, 40), welche die Radnabe (3) mit dem Radreifen (1) verbindet;
Mittel zur Verschiebung der Radnabe (3) relativ zur Radachse (4);
ein Energiespeicher (20),
welcher der jeweiligen Aktivspeiche (2) Schubenergie zuführt oder entnimmt;
eine Steuereinrichtung (25) zur differentiellen Zufuhr oder Abfuhr von Schubenergie zu bzw. von der Aktivspeiche (2), um ein am Rad bei exzentrischer Stellung (e) der Radnabe (3) auftretendes Drehmoment fortlaufend auftreten zu lassen.

2. Aktivspeichenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei geradlinige Aktivspeichen (2a, 2b, 2c) gebildet werden, deren erste Enden im gleichen Umfangsabstand schwenkbar (12, 14, 16) an dem Radreifen (1) und deren zweite Enden schwenkbar (11, 13, 15) an der Nabe (3) angebracht sind.

3. Aktivspeichenrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, und daß die jeweilige Länge der Aktivspeichen (2a, 2b, 2c) so veränderbar ist, daß die Nabe (3) einen regelbaren Abstand (e) von der Radachse (4) einnimmt.

4. Aktivspeichenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die der jeweiligen Aktivspeiche zugeführte Schubenergie als Fluiddruckenergie vorliegt.

5. Aktivspeichenrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluiddruckenergie den Aktivspeichen über eine Steuerventileinrichtung (25) zugeführt wird, die in der Nabe (3) angeordnet ist.

6. Aktivspeichenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb eine Regeleinrichtung (35) umfaßt, welche die der jeweiligen Aktivspeiche zugeführte Schubenergie so zu steuern vermag, daß die Nabe (3) relativ zu dem von dem Radreifen (1) umschlossenen Raum eine vorbestimmte Stelle (I bis VIII) einnimmt.

7. Aktivspeichenrad nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Kraft (G) als Gewichtskraft und eine zweite Kraft (R) als Reaktionskraft mit der Radnabenexzentrität (e) das Antriebsdrehmoment bilden, wobei das Rad (1) sich auf einer Fahrbahn oder Unterlage (5) abstützt, und daß die vorbestimmte Stelle (I, II, III, IV, VI), auf welche die Nabe (3) eingeregelt wird, sich vor der Abstützstelle (6) des Rades befindet, um eine Vortriebskraft zu erzeugen.

8. Aktivspeichenrad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, die vorbestimmte Stelle (VIII), auf welche die Nabe (3) eingeregelt wird, sich über der Abstützstelle (6) befindet, um eine Parkposition einzunehmen.

9. Aktivspeichenrad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Stelle (VIII), auf welche die Nabe (3) eingeregelt wird, sich hinter der Abstützstelle (6) befindet, um eine Bremskraft und ggfs. Rückwärtsfahrt zu erzeugen.

10. Aktivspeichenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine krümmbare Aktivspeiche (40) zur Verbindung der freien Radnabe (3) mit dem Radreifen (1) vorgesehen ist.

11. Aktivspeichenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine gerätefeste Führung (71) sowie eine Verschiebeeinrichtung (72) für die Radnabe (3) vorgesehen sind, um die exzentrische Stellung (e) der Radnabe einzustellen, wobei sich die Radnabe (3) an der Führung (71) abstützt, wenn die Aktivspeichen (2, 40) beaufschlagt werden.

12. Aktivspeichenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 11, als Teil eines Fahrrades.

13. Aktivspeichenrad nach einem der Ansprüche 1 bis 11, als Teil eines Rollstuhles.