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Stand der
Technik
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Üblicherweise
wird bei muskelkraftbetriebenen oder unterstützten Fahrzeugen, z.B. bei
Fahrrädern,
die Muskelkraft des Fahrers über
eine Tretkurbel in eine Drehbewegung umgesetzt. Die Übertragung
dieser Drehbewegung auf das Antriebsrad – üblicherweise das Hinterrad – übernimmt
eine Kette bzw. eine Riemen oder eine Kardanwelle. Die Veränderung
der Kraftübertragung
zur Anpassung der Fahrgeschwindigkeit- und Leistung erfolgt durch
eine stufige Änderung
des Übersetzungsverhältnisses,
indem beim Kettenantrieb jeweils geeignete Ritzel zur Kraftübertragung
genutzt werden oder das Übersetzungsverhältnis innerhalb
der Radnabe durch eine Getriebeanordnung verändert wird. Angewendet werden
auch Kombinationen von Nabenschaltung am Hinterrad und Kettenblattwechselvorrichtungen an
der Tretkurbel oder Tretkurbelgetriebe. Soll eine zusätzliche
Antriebsenergie, z.B. aus einem Elektromotor die Fahrleistung erhöhen, so
wirkt diese Energie normalerweise über eine separate Kraftkette
auf das Antriebsrad oder ein nicht per Muskelkraft angetriebenes
weiteres Rad.
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Bekannt
sind ferner Pendelantriebe mit Hebelarmen, die zur Änderung
des Übersetzungsverhältnisses
mit verstellbaren Hebelpunkten arbeiten sowie Querwippen und Kurbeltriebe
mit Pedalgestängen.
Ebenfalls bekannt sind geführte
Pedalanordnungen, die mit Zahnstangen starr verbunden sind und die
Kraft über
Zahnräder
auf das Antriebsrad übertragen.
Alle diese Konstruktionen wandeln die translatorische Bewegung über Freiläufe, die
als Drehrichtungsgleichrichter fungieren, in eine rotatorische Bewegung
um.
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Kritik am
Stand der Technik
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Die übliche Art
des muskelkraftbetriebenen Antriebes mit Tretkurbel und Änderung
der Übersetzung über Ketten-
oder Nabenschaltung hat sich bei Fahrrädern mit normalen Rahmengeometrien
(z.B. beim klassischen Diamant-Rahmen) trotz der nicht optimalen
Kraftentfaltung und des ergonomisch verbesserungswürdigen Bewegungsablaufes
etabliert. Bei Sonderkonstruktionen, etwa bei Liegerädern oder
Solarfahrzeugen mit Muskelkraftunterstützung, gerät die Kette allerdings sehr
lang und stellt damit ein schwierig zu handhabendes und schwergewichtiges
Element dar.
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Pendelanriebe
ermöglichen
eine einfache Kraftübertragung,
benötigen
jedoch einen relativ langen Pendelarm, dessen Drehpunkt in einem
etwa rechten Winkel zur Tretrichtung gelegen ist und so zu ungünstigen
Fahrzeuggeometrien führt.
Querwippen, letztlich aus der Fahrtrichtung gedrehte Pendelarme, haben
den Nachteil, dass sich der Abstand der Füße während der Tretbewegung verändert. Die
bekannten Verschiebekonstruktionen des Kraftausleitungspunktes bei
Pendelantrieben, die durch Veränderung des
Hebelverhältnisses
das Übersetzungsverhältnis ändern, sind
umständlich
zu realisieren und haben zudem den Nachteil des sich über den
Bewegungszyklus verändernden
Kraftverlaufs. Diese Veränderung
hat ihren Ursprung in einer Winkeländerung zwischen Einwirkpunkt
und Ausleitungspunkt der Antriebskraft über den Bewegungsablauf. Dieser
Winkel vari iert zusätzlich über den
Verstellbereich und führt zu
einem in der Praxis untauglichen Verhalten derartiger Antriebe.
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Soll
zusätzlich
ein Elektroantrieb in ein mit derartigen bekannten Pedalantrieben
ausgerüstetes Fahrzeug
integriert werden, so wird eine separate Kraftkette nötigt, um
eine Anpassung an die Betriebsdaten eines Elektromotors zu ermöglichen,
da dieser normalerweise eine zu hohe Drehzahl bei zu niedrigem Drehmoment
liefert.
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Beschreibung
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Die
Erfindung löst
die übliche
rotatorische Bewegung von Kurbelantrieben in translatorische Bewegungen
auf. Diese Oszillation in den mindestens zwei Bewegungspfaden, die
maximal zwischen den durch die Konstruktion begrenzten Endpunkten erfolgen
kann, ermöglicht
eine geeignete Führung
eines Pedalschlittens entlang einer geraden oder leicht geschwungenen
Bahn. Die auf das mit dem Pedalschlitten verbundene Pedal geleitete
Muskelkraft wirkt in einer Richtung – im Folgenden als Tretrichtung
bezeichnet – als
Zugkraft über
ein geeignetes flexibles Zugmedium (vorzugsweise in flacher oder gezahnter
Ausführung,
jedoch auch in Seilform).
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Eine
derartige Anordnung bietet gerade bei Liegerädern oder Solarfahrzeugen erhebliche
Vorteile, ist jedoch nicht auf einen bestimmten Typ muskelkraftbetriebener
oder unterstützter
Fahrzeuge beschränkt.
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Die
folgenden Darstellungen unterstellen wegen der besonderen Eignung
der Erfindung für Liegeräder eine
Liegeradgeometrie.
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Die
in Tretrichtung über
das Pedal 1 eingeleitete Muskelkraft wirkt über ein
am Pedalschlitten 2 angebrachtes Zugmedium 3 auf
den Freilauf 4 (bzw. über
eine Rolle, die auf einem Freilauf bzw. an einem Freilaufkörper montiert
ist) und wird so in eine Drehung umgesetzt, die wiederum direkt
oder indirekt das Antriebsrad 5 oder die Antriebsräder antreibt (1).
Bei der Rückstellung
des Pedals im entlasteten Zustand wird der Kraftschluss zur Abtriebswelle durch
den Freilauf aufgehoben und die Konstruktion kehrt mittels einer
Rückzugskraft,
die im Beispiel aus der Feder 6 stammt, in eine Ausgangsposition
zurück.
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Das
Zugmedium muss nicht in einer geschlossenen Anordnung laufen, sondern
kann verkürzt
werden. Die Rückstellkraft
wirkt nun in Richtung der Zugkraft gesehen direkt hinter dem Freilauf
auf das Zugmedium 3 (2).
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Der
nächste
Schritt besteht darin, das Zugmedium direkt auf eine Rolle aufzuwickeln,
die auf dem Freilauf 4 montiert ist (3).
Die dem Pedalweg (Pedalhub) entsprechende Länge des Zugmediums wird in
Tretrichtung abgespult und beim Pedalrücklauf wieder aufgespult. Die
zum Aufwickeln auf diese, im Folgenden als Aufwickelvorrichtung
bezeichnete Anordnung, nötige
Energie kann aus einer Feder 7 stammen, vorzugsweise aus
aufgewickeltem flachem Federstahl oder über einen Elektromotor geliefert
werden. Wird ein Elektromotor 8, an der Aufwickelvorrichtung
montiert ( 4) oder greift dieser über eine
zusätzliche
Rolle in das Zugmedium ein, ist eine Servounterstützung des
Pedalantriebs möglich, indem
seine Kraft das nach vorne getretene Pedal unterstützt. Die
Steuerung des Motors, also seiner Drehrichtung und Leistung, kann über eine
elektronische Steuerung erfolgen, die als Eingangsgrößen die Bewegungsrichtung
und die auf das Pedal wirkende Kraft erhält bzw. die auf rechnerischem
Weg und/oder sensorisch ermittelte Kraft des Fahrers mit einbezieht.
Die gewünschte
Unterstützungskraft kann
der Steuerung durch eine Stellgröße, z.B. über ein
Potentiometer oder programmgesteuert mitgeteilt werden. Auf diese
Weise entsteht eine dosierbare Servounterstützung, die den Fahrer entlastet.
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Gegenüber bekannten
Anordnungen mit Hebelarmen verändert
sich bei der beschriebenen Konstruktion das Verhältnis zwischen der auf das
Pedal wirkenden Muskelkraft und dem resultierenden Drehmoment nicht
mit der Pedalposition. Gleichzeitig ergibt sich gegenüber einer
starren Verbindung eine größere konstruktive
Freiheit und eine günstige
Möglichkeit,
Elektromotore zur Servounterstützung
auch an weiteren Punkten in die Kraftkette zu integrieren. Kennzeichnend
für die
Erfindung ist auch, das jede Krafteinleitung in Tretrichtung, egal
in welcher Pedalposition, in eine Drehung umgewandelt wird. Durch diese
Eigenschaft passt sich dieser Antrieb stets an die Trittposition
des Fahrers an. Ebenso ist es möglich,
mit kurzen oder langen Hüben
zu treten.
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Die
in 1–4 skizzierten
Anordnungen sind mindestens zweifach vorhanden. Es steht somit für die linke
und rechte Seite des Fahrers, vorzugsweise für den linken und rechten Fuß, ein unabhängiger Bewegungspfad
zur Verfügung.
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Zur
Anpassung der Fahrgeschwindigkeit- und Leistung kann die Muskelkraft
bei dem hier beschriebenen Antrieb auf verschiedene Weise feinstufig
oder stufenlos umgesetzt werden. Die im Folgenden beschriebenen
Methoden zur Anpassung können
in sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden.
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Zur
Anpassung der Fahrgeschwindigkeit- und Leistung wird die Muskelkraft,
bzw. eine zusätzlich
aus einer Servounterstützung
stammende Kraft, über
eine Veränderung
des Durchmessers der Aufwickelvorrichtung variabel übersetzt.
Dies geschieht bei dem hier beschriebenen Antrieb dadurch, dass eine
der gewünschten
Durchmesseränderung
entsprechend Länge
des Zugmediums auf die Aufwickelvorrichtung zusätzlich auf- oder abgespult
wird. Eine mögliche
Anordnung für
diese Durchmesseränderung
durch Auf- oder Abspulen des Zugmediums basiert auf einer zur Aufwickelvorrichtung
hinzugefügten
Vorratsvorrichtung 9, die jeweils die entsprechende Länge des
Zugmediums freigibt oder zurücknimmt,
ggf. ergänzt
durch einen Stoppmechanismus, der das Zugmedium in Relation zur
Pedalschlitten fixiert (5). Diese Vorratsvorrichtung
ist auf dem Pedalschlitten untergebracht, kann jedoch auch am Fahrzeugrahmen
montiert werden. Eine Anpassung der Fahrgeschwindigkeit- und Leistung
wird somit durch die Freigabe oder Zurücknahme einer entsprechenden
Länge des
Zugmediums erreicht. Die weiter oben beschriebene Vorrichtung, die
das Zugmedium unter Spannung hält,
ist bei Verwendung der beschriebenen Anpassung der Fahrgeschwindigkeit- und
Leistung so dimensioniert, das zusätzlich das von der Vorratsvorrichtung
stammende Zugmedium vollständig
aufgewickelt werden kann. Der Wickelvorgang zur Durchmesseränderung
selbst kann an sich jederzeit erfolgen, wird jedoch sinnvollerweise während der
Rückstellphase
durchgeführt,
also im entlasteten Zustand des Zugmediums, da dann geringere Kräfte wirken.
Sofern kein zusätzlicher
Stoppmechanismus eingesetzt werden soll, kann die Vorratsvorrichtung
z.B. über
ein Schneckengetriebe mit Selbsthemmung verstellt werden.
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Zur
Vergrößerung des
Arbeitsbereichs der beschriebenen Anpassung der Fahrgeschwindigkeit- und Leistung kann
die Durchmesseränderung
der Aufwickelvorrichtung durch eine Durchmesseränderung der Vorratsvorrichtung
ergänzt
werden. Die Vorratsvorrichtung wird dazu vom Pedalschlitten getrennt
und in Relation zu ihm fixiert (z.B. am Fahrzeugrahmen) montiert.
Ein Aufspulen auf die Abtriebsseite, also auf die Aufwickelvorrichtung,
bewirkt somit gleichzeitig ein Abspulen von der Vorratsseite und dadurch
eine Durchmesservergrößerung auf
der einen und eine Durchmesserverkleinerung auf der anderen Seite
und umgekehrt und somit eine Veränderung
des Übersetzungsverhältnisses.
Um dieses Umspulen zu erreichen, wird die Vorratsvorrichtung 10 mit
der ursprünglichen
Anordnung gem. 1 kombiniert, die am Pedalschlitten
um eine Verstellung 11 der geschlossenen Anordnung 12 ergänzt wird
(6). Die Verstellung 11 gibt über einen
Antrieb die benötigte
Länge des
Zugmediums frei oder nimmt sie zurück, indem eine Drehung der
Vorratsvorrichtung in die eine oder andere Richtung über die geschlossene
Anordnung 12 erwirkt wird. Eine weitere Möglichkeit,
die Durchmesseränderung
zu bewirken, besteht im Einfügen
eines Freilaufs 13 zwischen Vorratsvorrichtung und Rolle 14 (7).
Wird bei dieser Anordnung die Vorratsvorrichtung für eine bestimmte
Dauer während
der Rückstellphase über eine,
z.B. elektromagnetisch betriebene Bremse 15 blockiert,
so wirkt die folgende Kraft in Tretrichtung auf einen größeren Durchmesser-das Übersetzungsverhältnis hat
sich vergrößert. Zum
Verkleinern des Übersetzungsverhältnisses
kann statt der Verstellung auf dem Pedalschlitten auch die kraftschlüssige Verbindung
zwischen Rolle 14 und Vorratsvorrichtung 10 kurzzeitig
durch eine Kupplung 16 unterbrochen werden. Für ein definiertes
Abspulen sorgt dann eine kontrollierte Bremsung der Vorratsvorrichtung über die
Bremse 15 oder alternativ über einen Elektromotor, der
in diesem Betriebsfall auch rekupierend arbeiten kann. Die Anordnung
nach 7 erfordert nicht mehr die geschlossene Anordnung,
wie sie aus der ursprünglichen
Anordnung gem. 1 übernommen wurde, sondern kann
ebenso mit der nicht geschlossenen Anordnung gem. 2–4 verbunden
werden.
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Aus
den Beschreibungen der Abbildungen 6 und 7 folgert,
dass die gegenläufige Durchmesseränderung
von Aufwickel- und Vorratsvorrichtung durch eine entsprechende Verdrehung zwischen
Rolle 14 und Vorratsvorrichtung erfolgt. Eine weitere Möglichkeit,
diese Verdrehung zu realisieren, besteht im Einfügen einer Getriebeanordnung in 7 an
Stelle der Kupplung 16 zwischen Rolle 14 und Vorratsvorrichtung.
Diese Getriebeanordnung kann ein Planetengetriebe sein. Das Sonnenrad
ist mit der Rolle 14 und das Hohlrad mit der Vorratsvorrichtung
zu verbinden. Die Pla netenräder
sind mit einer Bremseinrichtung auszustatten, die die Planetenräder blockieren,
sofern die Verstellung ruht. Zur Verstellung werden die Planetenräder freigegeben
und können
so über
eine Links- oder Rechtsdrehung die Übersetzung vergrößern oder
verkleinern. Der Freilauf 13 wird bei Verwendung einer
derartigen Getriebelösung überflüssig.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur Anpassung der Fahrgeschwindigkeit- und Leistung, besteht darin, das
Zugmedium nicht einfach fest fixiert (bzw. über die Vorrichtung 4,
also fest, sofern die Verstellung nicht gerade arbeitet) mit der
Pedalplatte zu verbinden, sondern die Vorratsvorrichtung an der
Pedalplatte mit der Pedalbewegung veränderbar zu drehen. Um diese
in Relation zum Pedalweg veränderbare
Drehung zu bewirken, kann z.B. eine Anordnung verwendet werden,
die aus einer feststehenden zusätzlichen
Vorratsvorrichtung 16 und einer auf dem Pedalschlitten
montierten zusätzlichen
Aufwickelvorrichtung 17 besteht, die mit der Vorratsvorrichtung 18 über eine
Welle verbunden ist (8). Zur Durchmesseränderung
wird hierbei über
die zusätzliche Vorratsvorrichtung
jeweils eine entsprechende Länge des
Zugmediums freigegeben oder zurückgenommen,
ggf. ergänzt
durch einen Stoppmechanismus, der das zusätzliche Zugmedium 19 in
Relation zur zusätzlichen
Vorratsvorrichtung 16 fixiert.
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Die
Verstellvorrichtung bzw. eine Kombination der beschriebenen Verstellvorrichtungen
sollte für beide
Seiten synchronisiert erfolgen. Am einfachsten ist dies dadurch
zu erreichen, dass zur Verstellung kleine Elektromotoren (z.B. Schrittmotore)
oder elektromechanische Bremselemente verwendet werden, die über eine
elektronische Steuerung die gewünschte
Synchronität
herstellen. Die elektronische Steuerung muss dazu die jeweilige
Position der Zugmedien bzw. der momentanen Durchmesser mindestens
von Aufwickel- oder Vorratsvorrichtung kennen. Diese Information
erhält
die Steuerung z.B. über
eine Abtastung der Zugträgerlänge oder
eine Erfassung der Durchmesser z.B. über Abstandssensoren, ggf.
ergänzt
um Endschalter oder andere Sensoren, die zuverlässig die einzuhaltenden Endpunkte
detektieren. Die Steuerung erhält
als weitere Eingangsgröße das gewünschte Übersetzungsverhältnis, das
entweder direkt vom Fahrer z.B. über
einen Drehschalter eingegeben werden oder auch von einem Programm
geliefert werden kann. Aufgabe der Steuerung ist es, aus diesen
Eingangsgrößen die
nötige
Verstellarbeit abzuleiten und die Verstellelemente entsprechend kontrolliert
zu steuern. Durch eine geeignete Verknüpfung der Eingangsgrößen über Algorithmen oder
tabellarische Zuordnungen kann die Verstellcharakteristik optimiert
werden, etwa um gleichmäßig über den
Verstellbereich verteilte kleine Stufen zu erhalten. Erhält die Steuerung
weitere Eingangsgrößen, mindestens
die Fahrgeschwindigkeit oder die auf das Pedal wirkende Kraft bzw.
die auf rechnerischem Weg und/oder sensorisch ermittelte Kraft des
Fahrers, ist ein programmgesteuerter flexibler Automatikbetrieb
der Verstellung realisierbar.
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Um
die Pedalbewegung auf Wunsch, wie vom normalen Kurbelantrieb gewohnt,
auch starr gegenläufig
gestalten zu können,
kann eine Verbindung über
eine zusätzlich
an beiden Pedalschlitten angebrachte Kette, ein Seil oder einen
Riemen 20 eingefügt
werden (9). Über eine lösbare Kupplung zu mindestens
einem Pedalschlitten kann die Verbindung während des Fahrbetriebes oder
im Stand zu- oder abgeschaltet werden. Sofern eine der benötigten Umlenkrollen
beweglich gespannt gelagert wird, kann hier eine Bremse, etwa über einen
Bowdenzug 21 angeschlossen werden, die dadurch betätigt wird, dass
mit beiden Füßen Druck
auf die Pedale ausgeübt
wird ( 10).
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Die
beschriebene Verbindung der beiden Pedale über eine Anordnung gemäß 9 ermöglicht auch
eine einfache und fein dosierte Unterstützung des Antriebs mittels
eines Motors. Dazu wird mindestens eine Umlenkrolle durch einen
Elektromotor 22 ergänzt,
der seine Drehrichtung jeweils so ändert, dass seine Kraft das
nach vorne getretene Pedal unterstützt (11). Die
Steuerung des Motors erfolgt wie bereits weiter oben beschrieben.
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Sinnvollerweise
erfolgt die Anpassung der Fahrgeschwindigkeit- und Leistung durch
elektromechanische, elektromagnetische bzw. elektromotorische Verstellung
der beschriebenen Mechaniken in Verbindung mit einer elektronischen
Steuerung. Dazu ist es erforderlich, eine entsprechende elektrische
Energie zu Versorgung mitzuführen.
Diese Energie kann aus einer Batterie stammen. Ebenso kann der Elektromotor
zur Servounterstützung
gem. 10 bei geeigneter Auslegung auch (zeitweise) als
Generator fungieren um diese Energie bereitzustellen.