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Die Erfindung betrifft einen durch
menschliche Muskelkraft betätigbaren
Antrieb für
ein Fahrzeug zur Fortbewegung desselben im Wasser, auf der Straße oder
in der Luft.
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Das häufigste Fahrzeug, das sich
durch eingesetzte Muskelkraft fortbewegen läßt, ist das Fahrrad. Dieses
besteht in der Regel aus zwei an einem Rahmen drehbar befestigten
Rädern,
wovon ein Rad angetrieben werden kann und ein anderes in einer im Fahrradrahmen
schwenkbar gelagerten Vorderradgabel angeordnet ist und zum Lenken
des Fahrrades dient. Die menschliche Muskelkraft wird zum Antrieb des
einen Rades von einer nahezu durch die Beine, d.h. durch die Streckmuskulatur
der Beine von oben ausgeübte
senkrecht wirkenden Kraft über
zwei Tretkurbelarme, wobei diese mit Pedalen versehene Tretkurbelarme
um 180° zueinander
versetzt angeordnet sind, in eine drehende Bewegung umgesetzt. Die
Tretkurbelwelle ist im Fahrradrahmen fest gelagert, wobei die Tretkurbeln
jeweils links und rechts von dem Tretkurbellager angeordnet sind.
Die Richtungskraft der Beinmuskulatur bewirkt über die Tretkurbeln eine Drehbewegung
mit einem pulsierenden Drehmoment.
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Der Antriebsimpuls hat bezogen auf
die Tretkurbelwelle einen Abstand von 180°, da die Tretkurbeln um 180° versetzt
zu einander angeordnet sind.
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Der Mensch wird dabei mit seinem
sehr komplexen und komplizierten Bewegungsmechanismus ein "Teil" eines Maschinengetriebes.
Die Wechselwirkung zwischen Mensch und Maschine (Fahrrad) ist entscheidend
für die
Fahrleistungen, die erzielt werden.
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Beim Radfahren bilden die Beine,
d.h. Oberschenkel und Unterschenkel zusammen mit den Kurbeln und
dem Fahrradrahmen zwei um eine halbe Kurbeldrehung versetzte Bogenschubkurbelgetriebe, bei
denen das auf einem Fahrradsattel sitzende Gesäß des Fahrers mit dem Fahrradrahmen
den gemeinsamen Steg bildet. Die Oberschenkel sind die Schwingen
und die Unterschenkel mit den Füßen die Koppeln
dieser Bogenschubkurbelgetriebe. Dabei werden die Füße gegen
die Unterschenkel im "Sprunggelenk" ganz wenig bewegt.
Die einzigen, außerhalb
des menschlichen Körpers
sich befindenden und aus Metall ausgeführten Gelenke dieser Bogenschubkurbelgetriebe
sind hier die Lagerung des Kurbelrades und die der Pedale, also
zwei vollumlaufende Drehkörperpaare
eines Gelenkvierecks. Die beiden übrigen, nur schwingenden Gelenke
liegen im menschlichen Körper,
nämlich
die Hüftgelenke,
die Lagerung der beiden Oberschenkel als Schwingen im Fahrradrahmen
und die Kniegelenke, die weiterhin die Unterschenkel als Koppeln
der Bogenschubkurbelgetriebe schwingfähig anlenken.
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Aus der Anatomie des Menschen ergibt
sich, daß die
günstigste
Kraftentfaltung der hauptsächlichen
beim Radfahren in Tätigkeit
kommenden Muskeln nur über
einen kleinen Dreh bereich der Tretkurbelarme effektiv erfolgen kann.
Dabei steht jeder Tretkurbelarm waagerecht, und nur auf das nach vorn,
in Fahrrichtung stehende Pedal eines Tretkurbelarmes wird mit der
Streckmuskulatur des Beins von oben eine Kraft auf ein Pedal ausgeübt.
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Die gradlinige Bein-Bewegung, d.h.
die mittels von zwei kinematischen Getriebeketten in eine Drehbewegung
umgesetzte Antriebsleistung wird über ein mit der Tretkurbelwelle
verbundenes Antriebsglied über
ein mechanisches Getriebe auf ein Antriebsrad des Fahrrades übertragen.
Zur Übertragung
dienen die bekannten technischen Mittel, wie Kettenantrieb und dgl.
mit und ohne Schaltungsgetriebe.
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Die Bogenschubkurbelgetriebe in Verbindung
mit dem Bewegungsmechanismus des Menschen wurden in der zurückliegenden
Zeit sehr genau untersucht, die Ergebnisse ausgewertet und die mechanischen
Teile jedes Bogenschubkurbelgetriebes optimiert. Dabei wurde als
optimale Länge
jeder Tretkurbel der Bogenschubkurbelgetriebe eine Länge von
ca. 180 mm ermittelt.
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Die Größe der Antriebsimpulse ergibt
sich beim Fahrrad aus dem maximalen Drehmoment, welches der Fahrer
mit seiner Beinkraft über
die mit Pedalen versehenen Tretkurbeln erzeugen kann. Da die Beinkraft
des Fahrers begrenzt ist und Ermüdungserscheinungen
bei einer Überbeanspruchung über eine gewisse
Zeitdauer unvermeidbar sind, sind die, die Drehbewegung der Tretkurbelwelle
auf das Antriebsrad der bekannten Fahrräder übertragenden Antriebsgetriebe,
z.B. Kettenradgetriebe als Schaltgetriebe ausgebildet. Der Fahrer
kann damit durch die Wahl eines Übersetzungsverhältnisses
die begrenzte Beinkraft an die Leistungsanforderung anpassen, wodurch
die Fahrwiderstände
und das von ihm zu realisierbare Drehmoment in ein Gleichgewicht
gebracht worden. Eine weitere Einflußgröße bei dieser Anpassung ist
die Drehzahl der Tretkurbelwelle. Um einen möglichst gleichmäßigen Kraftfluß mit kurz
aufeinander folgenden Antriebsimpulsen zu erzielen, sollte eine
hohe Drehzahl der Tretkurbelwelle gewählt werden. Da ein schnelles "Treten" neben dem Aufbringen
der Pedalkraft körperliche
Energie verbraucht, stellt sich schnell beim Fahrer ein Kompromiß zwischen
dem "leichten" schnellen Treten
und dem "schweren" langsamen Treten
ein.
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Für
eine objektive Ausnutzung der vorhandenen menschlichen Muskelkraft
unter Beachtung einer eintretenden Ermüdung, die mit der Ausnutzung
der vorhandenen menschlichen Muskelkraft gekoppelt ist, müßte als
Antrieb ein "ideales" Fahrrad, d.h. ein Bogenschubkurbelgetriebe,
das auf die körperlichen Besonderheiten
des Benutzers abgestimmt ist, konstruiert werden.
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Zur Vermeidung einer starken Ermüdungserscheinung
des Fahrradfahrers während
einer Fahrt wurde in der DE-43 33 968 C2 vorgeschlagen, die Bogenschubkurbeltriebe,
d.h. die kinematischen Getriebeketten (Viergelenkketten) zu verändern. Diese Verän-derungen
betrafen die Tretkurbeln als umlaufendes Glied der kinematischen
Viergelenkketten. Hierzu wurde vorgeschlagen, die Tretkurbelarme über eine
360 ° Drehung
längenverstellbar
auszubilden. Hierzu ist eine Verstelleinrichtung für die Tretkurbelarme
vorgesehen, die eine winkelabhängige Verschiebung
der Tretkurbelarme bewirkt. Diese vorgeschlagene Lösung betrifft
danach eine Einrichtung zur winkelabhängigen Längenveränderung der Tretkurbelarme.
Die vorgeschlagene Lösung
ist mechanisch sehr bauaufwendig und macht eine Veränderung
des kompletten Fahrrades nötig,
indem die Räder
mit einem unterschiedlichen Durchmesser versehen werden und die
Tretkurbeln eine unübliche
Ausbildung erhalten müssen.
Zur Verschiebung der Tretkurbelarme sind aufwendig konstruierte
Mechanismen erforderlich. Aber abgesehen von diesem großen Bauaufwand
erfolgt eine Anpassung der Fahrradkonstruktion an die anatomische
Ausbildung des menschlichen Körpers
nicht. Die ungleichmäßige Betätigung der
Tretkurbelarme durch den Fahrer, d.h. die impulsförmig auftretende
Antriebsenergie wird nicht ausgeglichen. Negativ wirkt sich ferner
aus, daß der
Fahrer die Leistung für
den Verstellmechanismus der Tretkurbelarme aufbringen muß.
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Das Ziel der Erfindung besteht darin,
bei der Ausnutzung der menschlichen Muskelkraft als Energiequelle
für einen
Antrieb eines Fahrzeuges Ermüdungserscheinung
zu senken und abgestimmt auf die Anatomie des Menschen die Ausnutzung
der menschlichen Muskelkraft als Energiequelle effektiv und ermüdungsarm
zu gestalten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
mechanisches Antriebsgetriebe für
ein durch Muskelkraft angetriebenes Fahrzeug zu entwickeln, das
die durch Muskelkraft über
zwei kinematische Getriebeketten erzeugte Antriebsenergie auf ein
angetriebenes Rad eines Fahrrades überträgt.
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Erfindungsgemäß wurde diese Aufgabe durch
die im Anspruch 1 offenbarten technischen Mittel, einem mit einem Übertragungsmittel
versehenen Kurbelantrieb gelöst,
wobei das Übertragungsmittel zur Übertragung
der mittels eines Kurbelantriebes in eine Drehbewegung umgesetzten,
durch die Muskelkraft der Beine erzeugten Schubbewegung, eine an die
tatsächlich wirkende
Muskelkraft angepaßte
geometrische Form aufweist.
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Die Erfindung soll nachfolgend an
einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert werden.
In der zugehörigen
Zeichnung zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung eines Fahrradfahrers auf einem Fahrrad, mit einem
erfindungsgemäß gestalteten Übertragungsmittel
der aus Muskelkraft erzeugten Antriebsleistung auf ein Antriebsrad
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2 ein
wirkendes Bogenschubkurbelgetriebe, bei einem durch Muskelkraft
angetriebenen Fahrzeug,
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3 eine
im Fahrradrahmen angeordnete Tretkurbelwelle mit zwei um 180° versetzt
angeordneten, mit Pedalen versehenen Tretkurbelarmen und mit einem
mit der Tretkurbelwelle verbundenen, erfindungsgemäß ausgebildeten Übertragungsmittel,
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4 eine
Ansicht eines im Fahrradrahmen angeordneten Tretlagers mit dem mit
der Tretkurbelwelle verbundenen erfindungsgemäß ausgebildeten Übertragungsmittel
und mit den zwei um 180° versetzt
angeordneten Tretkurbelarmen,
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5 ein
Kettenradantrieb für
das Antriebsrad eines Fahrrades mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Übertragungsmittel
mit senkrechter Stellung der Tretkurbelarme,
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6 einen
Kettenradantrieb für
das Antriebsrad eines Fahrrades mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Übertragungsmittel
mit waagerechter Stellung der Tretkurbelarme,
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7 einen
Kettenradantrieb mit Übertragungsmittel
und mit in senkrechter Stellung stehenden Tretkurbelarmen und dargestellten
Geschwindigkeitsabschnitten.
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Beim Fahren eines aus einem Fahrradrahmen 1,
einem antreibbaren Rad 2, aus einem im Fahrradrahmen 1 schwenkbar
gelagerten Vorderrad 3 und aus zwei links und rechts vom
Fahrradrahmen 1 angeordneten und mit je einen Pedale 4 versehenen
Tretkurbelarmen 5 bestehenden Fahrrades wird durch die
Beinmuskulatur eines Fahrers 6 eine nahezu senkrecht wirkende
Kraft auf jeweils ein in Fahrtrichtung stehendes Pedal 4 eines
Tretkurbelarmes 5 ausgeübt
und dabei durch einen Antriebsimpuls eine Drehbewegung um eine Achse 7 einer
Tretkurbelwelle 8 erzeugt, wobei diese Drehbewegung auf
eine im Fahrradrahmen 1 angeordnete Tretkurbelwelle 8 übertragen
wird. Dabei bilden die Beine des Fahrers zusammen mit den Kurbeln
und dem Rahmen zwei um eine halbe Kurbeldrehung versetzte Bogenschubkurbelgetriebe,
d.h. je eine kinematische Kette, bei denen das auf dem Sattel festsitzende
Gesäß des Fahrers 6 mit
dem Fahrradrahmen 1 den gemeinsamen Steg bildet. Die Oberschenkel
sind die Schwingen 9, die Unterschenkel mit den Füßen sind
die Koppeln 10 und die Tretkurbelarme 5 sind die
Kurbeln dieser Getriebe.
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Diese Tretkurbelwelle 8 ist
mit einem dieses Drehmoment übertragenden Übertragungsmittel 11 versehen.
Dieses Übertragungsmittel 11 ist
erfindungsgemäß ausgebildet
und ist Bestandteil eines Antriebsgetriebes für das antreibbare Rad 2 des Fahrrades.
Dieses Antriebsgetriebe besteht im Ausführungsbeispiel aus einem Kettenradgetriebe,
wobei das antreibende Übertragungsmittel 11 aus
einem Kettenrad mit einer Form einer Ellipse, einer Übertragungskette 12 und
mindestens einem Antriebsrad 13 für das antreibbare Rad 2 besteht.
Erfindungsgemäß ist das
als Ellipse ausgebildete Übertragungsmittel 11 mit
der Tretkurbelwelle 8 so verbunden, daß ein kleiner Ellipsendurchmesser 14 des ellipsenförmigen Übertragungsmittels 11 mit
den um 180° versetzt
zu einander angeordneten Tretkurbelarmen 5 richtungsgleich
angeordnet ist, d.h. ein Durchmesser 15 der Tretkurbelarme 5 fällt mit
dem kleineren Ellipsendurchmesser 14 des ellipsenförmigen Übertragungsmittels 11 nahezu
zusammen. Der kleinere Ellipsendurchmesser 14 kann nach
einem weiteren erfindungsgemäßen Merkmal
um einen Winkel 16 gegenüber dem Durchmesser 15 der
Tretkurbelarme 5 versetzt angeordnet werden. Damit sollen
anatomische Besonderheiten des Fahrers beachtet werden können. Der
Winkel 16 kann sowohl positiv als auch negativ ausgeführt sein.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung des Übertragungsmittels 11 beachtet,
daß die
Betätigung der
Tretkurbelarme 5 durch den Fahrer 6 über den Schwenkbereich
von 180° mit
einer diskontinuierlichen Winkelgeschwindigkeit erfolgt, d.h. mit
einem schwellenden/alternierenden Drehmoment. Diese Tatsache ergibt
sich aus der Anatomie des Menschen. Das erfindungsgemäß als Ellipse
ausgebildete Übertragungsmittel
für das
aufgebrachte Drehmoment geht von einem kreisförmigen Kettenrad mit beispielsweise
einer Anzahl 52 von Zähnen
aus. Hiernach ist die Ellipse gestaltet. Mit dem großen Ellipsendurchmesser 17 würde das
erfindungsgemäß gestaltete Übertragungsmittel
einem Kettenrad mit 56 Zähnen
entsprechen und mit dem kleineren Durchmesser 14 würde das
erfindungsgemäß gestaltete Übertragungsmittel
einem Kettenrad mit 44 Zähnen entsprechen. Hiermit ergibt
sich ein Verhältnis d/D
=180 mm/230 mm. Das entspricht einem Verhältnis 1/ca.1,3.
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Für
den Fahrer bedeutet das, daß er
bei der Betätigung
der an den Tretkurbelarmen 5 angeordneten Pedale 4 unterschiedliche
Drehabschnitte I und II über
jeweils eine halbe Umdrehung der Tretkurbelwelle 8 von
180° überfährt. Diese
Drehabschnitte I und II sind Leistungsabschnitte in der Art, daß der Fahrer
im Abschnitt I mit einer "langsameren" Tretkurbelbewegung
eine große Übersetzung
und im Abschnitt II mit einer "schnelleren" Tretkurbelbewegung eine
kleine Übersetzung
mit dem erfindungsgemäß gestalteten,
als Zahnrad ausgebildeten Übertragungsmittel 11 realisiert.
Das bedeutet auch, daß der Fahrer
mit einer sich ständig ändernden Übersetzung im
Kettenantrieb für
das antreibbare Rad 2 fährt.
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Die Vorteile bei der Anwendung der
Erfindung bestehen darin, daß sich
eine bessere Beschleunigung aus einer Fahrt mit geringer Geschwindigkeit,
eine höhere
durchschnittliche Fahrgeschwindigkeit bei einem gleichbleibenden
Kraftaufwand ergibt. Die Ausnutzung der vorhandenen Muskelkräfte ist
effektiver und die Ermüdungserscheinungen
sind geringer beim Fahrradfahren. Der Bewegungsablauf über die
Drehabschnitte I und II der Beine des Fahrers ist der menschlichen
Anatomie und damit die abgeforderte Muskelkraft der verfügbaren Muskelkraft besser
angepaßt.
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Sofern die Gestaltung des als Zahnrad
ausgebildeten Übertragungsmittels 11 von
der Form einer Ellipse abweichen sollte, um beispielsweise andere Übersetzungsverhältnisse
mit dem Kettengetriebe erreichen zu können, muß die Übertragungskette 12 eine
Kettenführung
mit einer federnden Spannung erhalten. Der Gestaltung des als Zahnrad ausgebildeten Übertragungsmittels 11,
beispielsweise als ein ovales Kettenblatt, ist eine Grenze dadurch gesetzt,
daß die Übertragungskette 12 ständig im Eingriff
sich befinden muß.
Letztere Bedingungen werden von einer Ellipse am besten erfüllt.